INTRODUCCION “…en la actualidad
el 50% de la población urbana de Colombia sufre problemas de
suministro y en el año 2025, el 69% de la población enfrentaría riesgos de desabastecimiento de agua.” (IDEAM). En el área rural la situación es más preocupante.
¡Paradoja! Colombia, país de ríos, con un caudal de 58 litros por por segundo en un Kilómetro cuadrado, sufre sed. Bien por la mala calidad del servicio o bien por el incremento en la contaminación de sus aguas. Sin conciencia, en muchas ocasiones, de esta realidad y de los riesgos que trae para el futuro la deforestación, la sobreexplotación de las fuentes, así como el vertimiento de aguas negras a las quebradas y grandes ríos, los Colombianos nos acercamos a épocas de escasez y en no pocas ocasiones hasta de sequía. La gran mayoría de los municipios Colombianos consumen agua no apta para el consumo humano, según información de las Secretarías de Salud Departamentales. Estudios realizados por el Ministerio de Protección Social en coordinación con la Organización Panamericana de la Salud, OPS, determinó que en el grupo de enfermedades de Salud Pública más importantes (enfermedad diarreica aguda, EDA, infección respiratoria aguda, IRA, enfermedades por vectores, etc.), 44% estaban relacionados con el Saneamiento Básico, y de ellas aproximadamente el 40% tenían relación directa con el agua potable. OBJETIVO GENERAL Capacitar a los operadores de los sistemas de tratamiento de agua potable de los municipios del Cesar, diferentes a Valledupar y Asesorarlos en la obtención de la Certificación por Competencias Laborales ante el Servicio Nacional de Aprendizaje SENA. OBJETIVOS ESPECIFICOS Hacer una inducción acerca de lo que implica la evaluación y certificación por competencias laborales, presentando la titulación requerida con todas sus normas y las etapas a cumplir. Ofrecer charlas de capacitación sobre procesos operacionales en las plantas potabilizadoras Aplicar conceptos conceptos sobre sobre normatividad normatividad en el el sector de agua potable potable Asesorar y acompañar acompañar en el proceso de “inducción y autodiagnóstico” autodiagnóstico” y en el diligenciamiento del “formulario de inscripción” para que el candidato tenga la opción
de solicitar la certificación por competencias laborales ante el SENA. Entrega gratuita a todos y cada uno de los participantes memorias escritas de todos los módulos reseñados y adicionalmente, en medio magnético, todas las leyes, decretos y resoluciones concernientes a agua agua para consumo humano como: RAS 2000, Decreto 1594 de 1984, ley 09 de 1979, Decreto 1575 de mayo de 2007, Resolución 1575 de 2007 sobre valores admisibles, etc. 1
LUIS ALFONSO GONZALEZ CABALLERO INGENIERO QUIMICO
MODULO 1. CONCEPTOS BASICOS, HISTORIA Y DESARROLLO DEL TRATAMIENTO DEL AGUA. 1. CONCEPTOS BASICOS 1.1. SISTEMA METRICO DECIMAL. Es el sistema de unidades de medida adoptado por el estado Colombiano, llamado también Sistema Internacional, SI. Las unidades fundamentales de este sistema son: la longitud, la masa y el tiempo. Hay otras unidades derivadas, que se obtienen de las fundamentales por medio de ecuaciones matemáticas. Estas son: superficie, volumen y velocidad. Detallaremos brevemente cada una de estas.
1.1.1 Medida de Longitud: La unidad de longitud es el metro. Se definió como la distancia que recorre la luz en el vacío durante un intervalo de 1 /299.792.458 de segundo. Inicialmente esta unidad de longitud fue creada por la Academia de Ciencias Francesa en 1791 y definida como la diezmillonésima parte de la distancia que separa el polo de la línea del ecuador terrestre. Si este valor se expresara de manera análoga a como se define la milla náutica, se correspondería con la longitud de meridiano terrestre que forma un arco de 1/10 de segundo de grado centesimal. Se realizaron mediciones cuidadosas al respecto y en 1889 se corporizaron en un metro patrón de platino e iridio depositado en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (París). 1.1.2. Medida de Superficie: Superficie es la extensión en la cual se consideran sólo dos dimensiones. La unidad básica es el metro cuadrado (m 2) 1.1.3 Medidas de Volumen: Volumen es el espacio ocupado por un cuerpo. La unidad de medida del volumen es el metro cúbico (m 3). El Volumen es sinónimo de capacidad y la unidad de capacidad es el litro. 1.1.4 Unidad de Masa: La masa se define como la cantidad de materia que posee un cuerpo. La unidad básica en el sistema decimal es el gramo (g). 1.2 ALGUNOS CONCEPTOS FISICOS 1.2.1 Velocidad: Un cuerpo se mueve cuando cambia de posición con respecto a otro que se toma como referencia. La velocidad se define como el cociente entre la distancia recorrida y el tiempo que tarda un cuerpo en recorrerla. Se expresa en cm/s, m/s, Km/h, pie/h, etc. Velocidad = longitud/tiempo 2
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MODULO 1. CONCEPTOS BASICOS, HISTORIA Y DESARROLLO DEL TRATAMIENTO DEL AGUA. 1. CONCEPTOS BASICOS 1.1. SISTEMA METRICO DECIMAL. Es el sistema de unidades de medida adoptado por el estado Colombiano, llamado también Sistema Internacional, SI. Las unidades fundamentales de este sistema son: la longitud, la masa y el tiempo. Hay otras unidades derivadas, que se obtienen de las fundamentales por medio de ecuaciones matemáticas. Estas son: superficie, volumen y velocidad. Detallaremos brevemente cada una de estas.
1.1.1 Medida de Longitud: La unidad de longitud es el metro. Se definió como la distancia que recorre la luz en el vacío durante un intervalo de 1 /299.792.458 de segundo. Inicialmente esta unidad de longitud fue creada por la Academia de Ciencias Francesa en 1791 y definida como la diezmillonésima parte de la distancia que separa el polo de la línea del ecuador terrestre. Si este valor se expresara de manera análoga a como se define la milla náutica, se correspondería con la longitud de meridiano terrestre que forma un arco de 1/10 de segundo de grado centesimal. Se realizaron mediciones cuidadosas al respecto y en 1889 se corporizaron en un metro patrón de platino e iridio depositado en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (París). 1.1.2. Medida de Superficie: Superficie es la extensión en la cual se consideran sólo dos dimensiones. La unidad básica es el metro cuadrado (m 2) 1.1.3 Medidas de Volumen: Volumen es el espacio ocupado por un cuerpo. La unidad de medida del volumen es el metro cúbico (m 3). El Volumen es sinónimo de capacidad y la unidad de capacidad es el litro. 1.1.4 Unidad de Masa: La masa se define como la cantidad de materia que posee un cuerpo. La unidad básica en el sistema decimal es el gramo (g). 1.2 ALGUNOS CONCEPTOS FISICOS 1.2.1 Velocidad: Un cuerpo se mueve cuando cambia de posición con respecto a otro que se toma como referencia. La velocidad se define como el cociente entre la distancia recorrida y el tiempo que tarda un cuerpo en recorrerla. Se expresa en cm/s, m/s, Km/h, pie/h, etc. Velocidad = longitud/tiempo 2
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1.2.2 Caudal: Es la cantidad de fluido que pasa por un punto, medido en unidades de volumen, en un determinado tiempo. Caudal = Volumen de fluido/ tiempo El caudal se expresa en l/s, m 3/s, gal/min, m 3/ día, etc. 1.2.3 Presión: Es la propiedad fundamental de un fluido. Se define como la fuerza superficial que ejerce un fluido sobre las paredes del recipiente que la contiene. Matemáticamente se designa por la relación de fuerza a área, así: P = F/A, donde: P = presión (Kg/cm 2) F = Fuerza (Kg) A = Área (cm2)) Tabla No.1 Unidades De Presión SISTEMA
UNIDADES
METRICO
FUERZA Kg-fuerza (Kgf)
AREA PRESION Centímetro cuadrado Kgf/cm (cm2)
INGLES
Libra-fuerza(lbf)
INTERNACIO INTERNACIONAL NAL
Newton (N)
Pulgada cuadrada(pul2) Metro Metro cuadrado(m cuadrado(m )
Lbf/pul psi N/m Pascal
1.2.3.1 Presión Atmosférica: Es la fuerza ejercida debida al peso de la capa atmosférica, sobre una unidad de superficie de la tierra. A nivel del mar se le asigna un valor fijo de 14.7 Lb/pul 2 (14.7 psi) equivalente a 1.033 Kgf/cm 2 o 760 mm de Mercurio. 1.2.3.2 Presión Manométrica: Es la diferencia entre la presión ejercida por un fluido sobre las paredes del cuerpo que lo contiene y la presión atmosférica. La mayor parte de los instrumentos utilizados para medir presión indican esta diferencia. Puede ser positiva o negativa, en este último caso se denomina vacío. 1.2.3.3 Presión Negativa o Vacío: El término cantidad de vacío representa el valor de menor presión existente en comparación con la presión atmosférica. Estos valores generalmente se expresan en pulgadas de Hg o psi medidas en comparación con la presión atmosférica utilizada como presión base.
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1.2.3.4 Presión del Agua en Reposo: Toda porción de agua adopta la forma del recipiente que la contiene y en consecuencia el líquido se halla en contacto con sus paredes evitando que este fluya, es decir, soportando el esfuerzo que el agua hace para salirse. Las paredes del recipiente se encuentran sometidas a presión. Esta presión actúa en todo sentido y es igual para todos los puntos situados en un mismo plano horizontal y es directamente proporcional a la profundidad. La ecuación es la siguiente: P = δ.h.1000
P = Presión (Kgf/cm 2) δ = Peso específico del agua (gr/cm 3)
h = Altura (cm) 1.2.3.5 Agua en movimiento: Cuando el agua se halla en movimiento, cada una de las partículas describe una trayectoria llamada línea de flujo que es seguida por toda la masa de partículas y caracterizan la corriente del agua en movimiento. Cuando estas líneas de flujo son rectilíneas y tienen la misma velocidad al pasar por un punto, es decir, siguen una trayectoria perfectamente definida y no se entrecruzan unas con otras, se dice que el agua sigue un régimen laminar. Cuando la velocidad del agua es muy alta o encuentra en su camino rugosidad, curvas bruscas, obstáculos o fuerzas que originan un desorden en las líneas de flujo dando lugar a la formación de torbellinos y turbulencias, se dice que el agua sigue un flujo turbulento El régimen en un fluido se determina por el número de Reynolds. Está definido en términos matemáticos por la ecuación: Nre = L x v x ρ µ Nre = No. De Reynolds L v
= Longitud = Velocidad del fluido ρ = Densidad del fluido µ = Viscosidad absoluta del fluido Para tubos L = D D = Diámetro del tubo El valor resultante es adimensional y define si el régimen es laminar o turbulento. Para flujo laminar:
Nre ≤ 2.000
Para flujo de transición: 2.000 ≤ Nre ≤ 4.000 Para flujo turbulento:
Nre ≥ 4.000 4
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1.3 HISTORIA Y DESARROLLO DEL TRATAMIENTO DEL AGUA Desde un principio, cuando la tierra se formó, dos átomos de Hidrógeno y un átomo de Oxígeno se combinaron para formar H 2O, sustancia química mejor conocida como agua. Pero el 97 % del agua sobre la tierra es salada y el hombre no la puede beber. De la porción restante el 2 % está en los Polos Norte y Sur en forma de hielo, de tal forma que solamente el 1% de toda el agua en nuestro planeta está disponible para nuestras necesidades corporales, con el agravante de que la mayor cantidad se encuentra contaminada y requiere de tratamiento para hacerla potable. Es por eso que debemos ser muy cuidadosos en su uso, manteniendo limpias las fuentes naturales y así preservar este vital recurso natural.
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MODULO 2. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS, QUÍMICAS Y MICROBIOLÓGICAS DEL AGUA PARA CONSUMO HUMANO. Es el conjunto de características mediante las cuales se cuantifica la calidad del agua para el consumo humano. 2.1 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Son aquellas que se pueden detectar con los sentidos del gusto, el olfato, la vista y el tacto. Estas son: Turbiedad, color, sólidos, sabor, olor, temperatura, conductividad y salinidad. 2.1.1 Turbiedad: La turbiedad es debida a partículas que estando en suspensión o como coloides (arcillas, limo, lodo, materia orgánica o inorgánica finamente dividida, plancton y otros microorganismos) le dan al líquido la capacidad de diseminar un haz de luz y este fenómeno simplemente óptico es indirectamente lo que se llama turbiedad y siendo la diseminación proporcional al tamaño de las partículas, se podría decir que la turbiedad es una forma de medir la concentración de las partículas coloidales y suspendidas en un líquido. En síntesis: La turbiedad es la propiedad óptica de un coloide o suspensión que hace que la luz se disperse o absorba en lugar de trasmitirse en línea recta a través de una muestra de agua. 2.1.2 Color: El color es debido a sustancias húmicas. Estas contienen Carbono, Hidrógeno, Oxígeno y Nitrógeno en porcentajes variables. Se clasifican en ácido fúlvico, ácido húmico, ácido himatomelánico y carbón húmico. El color puede deberse a la presencia de materia vegetal y materia orgánica del suelo en descomposición, hierro, manganeso, otros compuestos metálicos y la combinación de cada uno de los factores descritos, etc. El color se expresa en Unidades Platino Cobalto (UPC) 2.1.3 Sólidos Totales: Las sustancias sólidas tanto de naturaleza orgánica como inorgánica, según su densidad y el grado de solubilidad, pueden estar presentes en el agua, como sólidos: flotantes, suspendidos, sedimentables, coloidales o no sedimentables y disueltos. Los sólidos totales se clasifican en: sólidos disueltos y sólidos suspendidos. Los suspendidos a su vez se clasifican en sedimentables y no sedimentables o coloidales.
2.1.4 Sabor y Olor: Se mencionan conjuntamente, por estar íntimamente relacionados. Solo existen cuatro sabores: Agrio, dulce, salado y amargo. Sin embargo, el sabor del agua siempre se menciona relacionándolo con la causa. Con el olor sucede igual, por razones estéticas el agua de consumo debe estar exenta de olor y sabor. Estos son 6
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producidos por sustancias disueltas, tal como: la materia orgánica en descomposición, desechos industriales y sales de diferentes orígenes. 2.1.5 Temperatura: Es uno de los parámetros físicos importantes y está determinado por múltiples factores que lo modifican continuamente. La temperatura es muy importante porque actúa como elemento que retarda o acelera la actividad biológica, la absorción de oxígeno, la precipitación de compuestos, la formación de depósitos, la desinfección con cloro y cómo varía la viscosidad, afecta también indirectamente los procesos de mezcla, floculación, sedimentación y filtración.
2.2 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS. Son las que se presentan en el agua en razón de las concentraciones de elementos y compuestos químicos disueltos en ella. Algunas de éstas características son: pH, dureza, alcalinidad, yodo, oxígeno disuelto, sulfuro de hidrógeno, sodio, calcio, potasio, magnesio, carbonatos, cloruros, sulfatos. El Fósforo total, fosfatos, nitrógeno total, nitrógeno Kjeldahl, nitrógeno orgánico, nitrógeno amoniacal, nitratos, nitritos, sílice total, sílice reactiva son nutrientes.
2.2.1 pH: El pH o potencial de hidrógeno expresa la intensidad de las condiciones ácidas y básicas del agua. La escala del pH varia de 0 a 14 tal como se muestra a continuación:
Fig. No 1. Escala de pH Más ácido
Más básico
¡-----------------------------------------¡---------------------------------------------¡ 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13 14
--------Rango ácido ----------------¡-------------Rango Básico -------------
En la medida que disminuye el valor del pH de 7 el agua se hace más ácida y en la condición que aumente desde 7 el pH del agua se hace más básico. La determinación del pH puede hacerse por dos métodos: el potenciométrico o el colorimétrico. 7
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En el método potenciométrico se utiliza un aparato eléctrico llamado potenciómetro que está provisto de dos electrodos que se sumergen en dos soluciones de determinados rango de pH para calibración y posteriormente se introducen los electrodos en la muestra de agua a medir y obtener el resultado de pH en el rango de 0 a 14. El equipo cuenta con su manual de operación, que detalla la operación correcta. El método colorimétrico se basa en que hay compuestos químicos que agregados en cierta proporción a una solución, adquieren ciertos colores diferentes dependiendo del pH de la solución a la cual se agregan, sin embargo, este cambio de color no es apreciable en cambios muy pequeños de pH. Por lo anterior se debe seleccionar una sustancia indicadora adecuada según el pH que se va a analizar. Cada indicador tiene un límite inferior y superior, en la escala de pH, dentro del cual el cambio de color es definido y comparable con patrones establecidos. Algunos de los indicadores más comunes se resumen en la tabla No.2. 2.2.2 Dureza: La dureza del agua la originan principalmente la presencia del Calcio y Magnesio. Ésta impide la formación de espuma causando un mayor consumo de jabón y detergentes, hace que la cocción de legumbre demore, causa incrustación en tuberías. Hasta la fecha no se ha demostrado que cause daños en el organismo humano.
Tabla No. 2 Indicadores INDICADOR
pH óptimo
ZONA DE VIRAJE pH bajo
pH alto
Verde de Bromocresol
3.8 - 5.4
Amarillo
Azul
Rojo de Metilo
4.3 - 6.1
Rojo
Amarillo
Azul de Bromotimol
6.0 - 7.6
Amarillo
Azul
Rojo de Fenol
6.7 - 8.3
Amarillo
Rojo
Azul de Timol
8.0 - 9.6
Amarillo
Azul
Existen dos tipos de dureza: La dureza denominada “dureza temporal”, producida por
carbonatos y bicarbonatos de Calcio y Magnesio que al calentar el agua, producen un precipitado y la dureza permanente que no produce precipitado. La dureza se expresa en mg/l como Carbonato de Calcio. Nota: 1 ppm (parte por millón) es igual a un miligramo por litro de solución. De acuerdo con el grado de dureza las aguas se pueden clasificar, así: 8
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GRADO DE DUREZA (mg/l)
CLASE DE AGUA
0- 15 16- 75 76-150 150-300 300
Muy suave Suave Moderadamente dura Dura Muy dura
2.2.3 Alcalinidad: Es la medida de la capacidad del agua para neutralizar acidez. Es debida al contenido de carbonatos e hidróxidos los cuales tienen la propiedad de reaccionar con los ácidos neutralizándolos. Alto contenido de alcalinidad en el agua le proporcionan un sabor desagradable. La alcalinidad se expresa en mg/l como CaCO 3. 2.2.4 Hierro y Manganeso: El hierro y el manganeso están frecuentemente asociados y son raras las aguas que los contienen en forma independiente. La presencia de hierro y manganeso afecta el sabor, produce manchas, obstruye tuberías y ocasiona alteraciones en la turbiedad y el color, son comunes en aguas subterráneas. 2.2.5 Cloruros: Su origen son las sales del suelo que se disuelven en el agua. Los Cloruros en concentraciones superiores a 250 Mg/l dan sabor salino al agua si el catión es el sodio. En concentraciones altas producen en el organismo humano un efecto laxante. 2.2.6 Nitratos: Son productos de la descomposición de la materia orgánica. Su presencia, puede incluso encontrarse en aguas de pozos que pueden recibir infiltraciones de tanques o lagunas sépticas, desechos de ganadería, etc. Contenidos de nitratos superiores a 10 mg/l pueden ocasionar en los niños una enfermedad llamada metahemoglobinemia que impide la oxigenación de la sangre. 2.2.7 Sulfatos: Se encuentran en el agua debido al poder de disolución del agua sobre los minerales. Su presencia tiene efectos sobre el sabor, el olor y ejercen en el organismo una acción laxante cuando el contenido no lo constituyen los sulfatos de Calcio y Magnesio. El concreto en contacto con aguas que contengan altas concentraciones de sulfato se deteriora, también ocasionando problemas de corrosión. 2.2.8 Fenoles: Se encuentran principalmente en ciertos tipos de residuos industriales. Obstaculizan la cloración de las aguas produciendo olores y sabores desagradables. 2.2.9 Flúor: Generalmente, no se encuentra en concentraciones elevadas en aguas superficiales, lo que puede ocurrir en aguas profundas. 9
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El exceso de flúor produce mancha en los dientes y su ausencia produce caries. 2.2.10 Yodo: Su ausencia produce bocio o coto. 2.2. 11 Grasas y Aceites: Si están presentes en el agua producen problemas de olor y sabor, deterioran la calidad estética y aunque no presenten riesgos potenciales para la salud, deben estar ausentes del agua de consumo humano, más por razones estéticas que por su incidencia sobre el tratamiento o sobre la salud. 2.2.12 Agentes Espumantes: Bajo este nombre genérico se consideran todos los productos que en mayor o menor grado producen espumas cuando el agua es agitada. Su causa es principalmente el residuo de detergentes domésticos, entre los cuales, están: el alkyl - benceno-sulfonato linear (LAS) y el alkyl- benceno - sulfonato ramificado (ABS ) que son los más comunes. 2.2.13 Amonio (NH4+): Se puede considerar como un constituyente normal de las aguas superficiales pero en cantidades superiores a 0.1 mg /l (como N) puede ser un índice de contaminación por aguas servidas o residuos industriales. 2.2.14 Oxígeno Disuelto: El Oxígeno en el agua proviene de la absorción del que contiene el aire. Es un elemento necesario para oxidar otros elementos contenidos en ella y contribuir a su eliminación posterior como en el caso del hierro, manganeso y el amonio. Su ausencia en el agua o niveles bajos, puede indicar contaminación elevada, condiciones sépticas de materia orgánica y una actividad bacterial intensa, por lo cual, se le puede considerar como un indicador de polución 2.2.15 Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO 5): Es la cantidad de Oxígeno disuelto (mg/l) que se necesita durante la estabilización de la materia orgánica putrescible, por la acción bioquímica aerobia. El período de incubación es por lo general de 5 días, durante el cual se mantienen las condiciones favorables para la acción biológica, pero la estabilización completa necesita más de 100 días a 20ºC. 2.2.16 Materia Orgánica: Se determina en la práctica por la cantidad de materia oxidante, que es reducida por la materia orgánica en términos de consumo de Oxígeno. Las aguas superficiales muy buenas tienen valores inferiores a 2 mg/l de materia orgánica. En las aguas subterráneas el valor es de 1.0 mg/l. La gran mayoría de las fuentes superficiales poseen valores entre 4 - 20 mg/l.
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2. 3 CARACTERÍSTICAS MICROBIOLÓGICAS Son las que se definen en razón del contenido de microorganismos presentes. Las aguas naturales tienen asociadas una serie de organismos que son habitantes normales en ellas, tal es el caso de los peces, moluscos, batracios, protozoos, bacteria, plantas, etc. El agua constituye un medio ecológico apto para la vida de una gran cantidad de microorganismos. El análisis de laboratorio determina, entre otros, los siguientes: recuento en placa (mesófilos), Coliformes fecales, E. Coli, Protozoos: Giardia, criptosporidium, Microorganismos patógenos y virus. Los microorganismos contenidos en el agua deficientemente desinfectada pueden causar enfermedades si son patógenos, sus actividades biológicas pueden originar color, olor y sabor al agua, incluso algunas sustancias producidas por ellos son tóxicos en los seres humanos. Desde muchos años atrás, antes de que la microbiología se organizara como ciencia, se creía que el agua podía ser un medio transmisor de enfermedades, hecho que se comprobó en el año 1954 a través del brote de una epidemia de cólera en Londres, que tuvo su origen en agua contaminada por redes de alcantarillados. A partir de entonces muchos han sido los estudios para determinar los microorganismos de importancia para la salud pública. Los gérmenes patógenos que se propagan con más frecuencia por la vía acuática son los que causan infecciones intestinales. Estos organismos llegan al agua a través de las heces y orinas de las personas infectadas. 2.3.1. Enfermedades Hídricas: Un inadecuado o ausencia de tratamiento del agua y un mal manejo de ésta, permite que se transmitan muchas enfermedades, entre las cuales tenemos: El Cólera. Es producida por una bacteria llamada Vibrio Cólera y ataca al aparato intestinal. Disentería bacilar . Es producida por una bacteria llamada Shiguella y ataca al intestino. Disentería amebiana. Es producida por protozoarios (entamoeba histolytica). Se manifiesta principalmente en el color. Fiebre tifoidea. Es producida por la bacteria, Salmonella Typhi. Se encuentra únicamente en el hombre, quien la elimina por las materias fecales y la orina. Fiebre paratifoidea: Es debida a la bacteria, salmonella paratyphi, más benigna que la anterior. Las fuentes de infección son las heces y la orina de las personas que padecen la enfermedad que ya están recuperadas pero que transportan por un tiempo la bacteria. 11
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Esquistosomiasis: Es producida por un gusano parásito. Es una enfermedad crónica. El hombre descarga los huevos por las heces y la orina. Éstos llegan al agua, pasan luego una etapa intermedia de desarrollo en un tipo de caracol, para más tarde penetrar por la piel al hombre. Hepatitis infecciosa: El agente infeccioso es el virus Hepatitis A. La fuente de infección son las heces y la sangre. El agua es un buen vehículo de transmisión.
Tabla No. 3 Principales Organismos Patógenos Relacionados con Hídrica ORGANISMOS
Transmisión
ENFERMEDADES
Bacterias Salmonella paratyphi a.b.c
Fiebre Paratifoidea
Salmonella typhi
Fiebre Tifoidea
Shiguella
Disentería bacílar
Escherichia coli
Gastroenteritis
(tipo entero patogénico ) Vibrio cólera
Cólera
Virus entéricos Enterovirus
Gastroenteritis, anomalías al corazón, meningitis, parálisis
Rotavirus
Gastroenteritis, diarreas infantiles
Hepatitis A.
Hepatitis infecciosa
Protozoarios Balantidium Coli
Balantidiasis
Entamoeba histolytica
Amebiasis
Giardia lambia
Giardiasis
Helmintos - Nematodos Ascaris lumbricoides
Ascariasis
Ancylostoma duodenal
Ancylostomiasis
Necator americanus
Necatoriasis
Enterobius vermicularis
Enterobiasis
Strongyloides stercolaris
Strongyloidiasis
Trichuris trichiura
Trichurais
Tenia saginata
Taeniasis
Tenia solium
Taeniasis
Hymenolepis nana
Taeniasis
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MODULO 3. NORMATIVIDAD VIGENTE SOBRE AGUA No ha sido fácil la concreción de las normas de potabilidad del agua. Estuvieron ausentes en los tiempos de la civilización antigua; y entre nosotros solo aparecieron a mediados del siglo pasado. En 1892 Theobald Smith desarrolló una prueba microbiológica para el análisis directo de la calidad bacterial del agua. Como consecuencia de esta medición y del uso del cloro como desinfectante en 1907, se elaboraron las primeras normas microbiológicas que aparecieron en 1941. A partir de 1940, luego de aceptada la teoría de Pasteur respecto al origen microbianos de algunas enfermedades, se empezó a considerar la consecuencia de verter las aguas de alcantarilla a fuentes superficiales. Las primeras medidas fueron determinaciones químicas. Se determinaron nitritos y nitratos. En 1983 mediante el decreto 2105 se reglamentó lo concerniente a la potabilización del agua. En 1998 el decreto 475 derogó al 2105 y en el año 2007 el 1575 que lo reglamento la resolución 2115 derogó al 475. Se han expedido otras resoluciones que reglamentan el decreto 1575 como son: Resolución 811 de 2008 que reglamenta los lugares y puntos de muestreo. Resolución 082 de 2009 donde se adoptan formularios para las visitas de inspección sanitaria. Se han publicado también la Guía Técnica para definir puntos de muestreo y la Guía Técnica para formular planes de contingencia. Serán entregadas en medio magnético todas las normas mencionadas y otras referentes al agua como son: Ley 09 de 1979. Decreto 1594 de 1984. Ley 373 de 1997 sobre ahorro y uso eficiente del agua. Resolución 1096 de noviembre de 2000, conocida como RAS – 2000. Guía para el muestreo de lagos naturales y artificiales. NTC – ISO 5667-4. Guía para el muestreo de agua potable y agua utilizada para alimentos y procesamiento de bebidas. NTC – ISO 5667-5. Guía para el muestreo de aguas de ríos y corrientes. NTC – ISO 5667-6. 13
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MODULO 4. TEORIA DE AIREACION – ABLANDAMIENTO 4.1 AIREACION La aireación es uno de los métodos de oxidación de sustancias y elementos indeseables en el agua. En la aireación debe ponerse en contacto el agua con el aire, con el propósito de modificar la concentración de sustancias volátiles contenidas en ella. La aireación se recomienda en los siguientes casos: Para transferir Oxígeno al agua para aumentar el Oxígeno disuelto. Considerar que el contenido de Oxígeno en el aire es del 21 % en peso y solo se pueden incorporar al agua como máximo 7 mg de Oxígeno por litro de agua. Disminuir la concentración de CO 2 , controlando procesos de corrosión. Disminuir la concentración de H 2S, controlando olores y procesos corrosivos. Remover metano, CH 4 Oxidar hierro y manganeso. Remover compuestos orgánicos volátiles. La oxidación química se utiliza para eliminar del agua cruda, lo siguiente: Color, algas, Nitrógeno amoniacal, olor y sabor, hierro y manganeso. La oxidación puede emplearse para la disminución de la turbiedad, disminución de los precursores de los trihalometanos y de algunos compuestos órgano- clorados, también para evitar el crecimiento de algas en paredes de los sedimentadores o filtros. Hay varios tipos de aireadores. Los más usados son los de bandejas de Coque y ventilación forzada. Las bandejas de coque deben disponerse teniendo en cuenta las siguientes variables: Cargas superficiales menores de 100 m 3 /m2/día. Área de 0.5 a 2 m2 por cada 1000 m 3 de capacidad. Número de bandejas 3 a 5 Espaciamiento entre bandejas de 0.3 a 0.75 Con una profundidad del agua en la bandeja de aproximadamente 0.15 metros. El lecho de coque debe tener un espesor de 0.15 a 0.30 metros y el tamaño de la partícula de 0.05 a 0.15 metros 4.2 ABLANDAMIENTO. La dureza del agua se reconoció originalmente por la capacidad que tiene el agua para precipitar el jabón, esto es, las aguas duras requieren de grandes cantidades de jabón para producir espuma. Otra característica de suma importancia en la industria, reconocida posteriormente, es la producción de incrustaciones en los 14
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Fig. No 2. Torre de aireación. tubos de agua caliente, calentadores, boilers y algunas otras unidades en las que la temperatura del agua es alta. La dureza en el agua es causada principalmente por la presencia de iones de calcio y magnesio. Algunos otros cationes divalentes también contribuyen a la dureza como son, estroncio, hierro y manganeso, pero en menor grado ya que generalmente están contenidos en pequeñas cantidades. La eliminación de la dureza del agua se conoce como ablandamiento
4.3 CAPTACION. Una vez estimados los caudales necesarios para cubrir las necesidades de agua potable de una comunidad, el siguiente paso es la localización y selección de los recursos que ofrezcan, no solo dicha cantidad, sino economía de construcción y explotación, según los siguientes criterios: Calidad del agua de origen que incidirá de forma determinante sobre los costos de potabilización y tratamiento (p.e. para una ciudad costera el recurso más próximo será el agua de mar, pero su costo de potabilización hará, en general, preferible otra alternativa). Seguridad en el suministro relacionada con las fluctuaciones estacionales, tanto de la cantidad de recurso como de su calidad, así como la influencia de condicionantes meteorológicos, geológicos, etc. 15
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Topografía de la zona que permitirá o nó conducirla por gravedad a su punto de consumo, así como que esto se realice mediante obras más o menos sencillas. Posibilidades de ampliación que permitirán o no, resolver el problema a más largo plazo del previsto inicialmente por el estudio. Solucionado este punto, es necesario pensar en su captación, sea esta superficial, cuando el recurso utilizado se encuentra por encima de la corteza terrestre (ríos, lagos de agua dulce, embalses, etc.) o subterránea, cuando el recurso se encuentra profundo. 4.3.1 Remoción del Material Flotante (Desbaste): Este paso aplica cuando las fuentes son de tipo superficial como ríos, lagunas o embalses. Ocurre en las rejas instaladas en la bocatoma, las cuales retienen palos, hojas, plásticos y demás objetos flotantes que arrastra el agua. De acuerdo con el método de limpieza, las rejillas o cribas son de limpieza manual o mecánica. Generalmente son de limpieza manual a no ser que se trate de una rejilla de gran dimensión. 4.3.2. Captaciones de Agua en Ríos: Las tomas fluviales y en ellas la selección del punto de extracción, son sin duda, las más delicadas de todas las obras de captación, puesto que el agua de los ríos presenta problemas de calidad, variaciones estacionales de la temperatura, contami nación “aguas arriba” por efluentes urbanos e industriales, fuertes puntas de turbiedad (riadas) además de factores hidrológicos que condicionan la obra de captación como: la inestabilidad del fondo, las variaciones del nivel del agua, la navegación y la flora acuática entre otros. Las captaciones fluviales pueden clasificarse en: a) Captaciones de fondo: b) Captaciones de orilla c) Captaciones en canal derivado: d) Captaciones en torre de toma: e) Captación flotante o móvil con elevación mecánica:
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Acoples Manguera
Planchón
Guías de Riel
Fig. No 3. Toma Flotante En Planchón. 4.3.3 Captaciones Subterráneas: Las aguas subterráneas son una importante fuente de abastecimiento de agua potable y prometen serlo aún más en el futuro, puesto que con el progresivo agotamiento de las aguas superficiales y el desarrollo de nuevas técnicas de perforación, estas irán cubriendo, en un porcentaje cada vez mayor, las necesidades humanas. El origen de las aguas subterráneas es la infiltración en el terreno de las aguas de lluvia, deshielo y corrientes superficiales. Sin embargo, hoy día se acepta sin reservas la teoría de que las aguas subterráneas proceden de la infiltración (producida por la fuerza de la gravedad y las fuerzas de atracción molecular) de las precipitaciones atmosféricas en cualquiera de sus modalidades. . 4.4 DESARENADO O PRESEDIMENTADO Es la separación de las partículas más pesadas que trae el agua, como gravas, arenas, arenillas y piedras que por acción de la fuerza de gravedad se sedimentan. Se fundamenta en el principio que dice que todo sólido más pesado que el agua tiende a precipitarse al fondo del recipiente que la contiene, si se cumple que la velocidad horizontal de tal líquido disminuye a ciertos límites. . Mediante este tratamiento se eliminan sólidos que pueden interferir en los otros tratamientos posteriores y también ocasionar daños en las instalaciones. El objetivo de los desarenadores es separar la arena y gravilla del agua. El desarenador es un tanque en el cual puede observarse cuatro (4) zonas:
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La zona de entrada: Hace que se dé un tránsito suave entre el flujo del agua que entra y el que se necesita en la zona de sedimentación. La zona de salida: Contribuye a dar un tránsito suave entre las zonas de sedimentación y el flujo de salida que también se le denomina efluente. La zona de lodos: Recibe el material sedimentado que puede ser drenado posteriormente. La zona de sedimentación: Es la parte del tanque para el asentamiento, libre de influencias de las otras zonas. La velocidad horizontal del flujo, debe ser inferior a la velocidad con que se depositan las partículas (arena), para que puedan depositarse y no sean arrastradas. El propósito es reducir el volumen de sólidos que ingresan a la planta, eliminar interferencias en los procesos y operaciones siguientes y evitar daños u obstrucciones en tuberías y equipos. Con la desarenación baja la turbiedad del agua y así empieza la clarificación. Son muchos los factores que influyen en ese proceso pero los principales son los que se exponen a continuación: Tamaño y peso de las partículas Resistencia a la fricción del agua Profundidad del estanque Sistema de entrada y de salida del agua Métodos de operación en el decantador Tiempo de residencia 4.5 MEZCLA RAPIDA Y COAGULACION La pequeña dimensión de las partículas coloidales presentes en el agua, así como la existencia de cargas negativas repartidas en su superficie, dan lugar a una gran estabilidad de las suspensiones coloidales. Así pues, las suspensiones coloidales no son capaces de sedimentar en un tiempo razonable, puesto que su capacidad para permanecer en suspensión durante largo tiempo es función tanto del tamaño como del peso específico. La siguiente tabla No. 4, muestra la importancia del tamaño ya que se indican los tiempos que unas esferas de densidad 2,65 gr/c.c. necesitarían para sedimentar 30 cm.
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Tabla No 4. Efecto Del Tamaño en la Sedimentación.
Diámetro de las partículas, mm 10 1 0,1 0,01 0,001 0,0001 0,00001 0,000001
Orden de tamaño Grava Arena Gruesa Arena Fina Limo Bacterias Partículas coloidades Partículas coloidades Partículas coloidades
rea superficial total 3,142 cm 3,142 cm 3,142 cm 0,31 m 3,14 m 3,17 m 2,833 m 28,328 m
Tiempo necesario para la sedimentación 0,3 seg 3 seg 38 seg 33 min 55 h 230 días 6.30 años Mínimo de 63 años
Puede verse que las velocidades de la materia coloidal son tan lentas, que en la práctica es imposible separarlas del agua por sedimentación; así, se hace necesario realizar las siguientes operaciones: Desestabilizar las partículas coloidales, especialmente por la neutralización de sus cargas, fenómeno conocido con el nombre de coagulación. Facilitar la unión entre partículas formando agregados de mayor volumen (flóculos) cuya velocidad de sedimentación es más elevada. Este fenómeno de agregación de partículas se denomina floculación. Conseguir la eliminación de las partículas floculadas, cuando esta se produce por sedimentación, el proceso se conoce como decantación. La coagulación consiste entonces en neutralizar la carga, generalmente electronegativa, de los coloides presentes en el agua, quedando estos en condiciones de formar flóculos. Este proceso se consigue introduciendo en el agua un producto químico denominado coagulante. 4.5.1 Fuerzas de Estabilidad: En los sistemas de coloides hidrófilos, se admite que el mantenimiento de la estabilidad se debe al fenómeno de hidratación, es decir las moléculas de agua atraídas hacia la superficie de las partículas forman una barrera que impide el contacto entre estas. La estabilidad de las partículas hidrófobas se debe en gran parte al fenómeno de la doble capa eléctrica, esta teoría postula que dichas partículas suspendidas en el agua, tienen en su superficie, carga eléctrica (generalmente negativa) que atrae iones de carga opuesta de entre los que se encuentran en el agua. Se forma entonces a su alrededor una capa de iones de carga contraria (denominados contraiones) que se mantienen cerca de la partícula por efecto de las fuerzas electrostáticas. De esta forma pueden distinguirse varias capas bien definidas, la superficie de la partícula aparece como un plano que contiene cargas negativas, los cationes de la solución son atraídos hacia esta superficie y a medida que aumenta la distancia desde la partícula las fuerzas de atracción disminuyen rápidamente dando lugar a una capa difusa de iones que escapan hacia la solución. 19
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Como se indica en la figura 4, el potencial electrostático disminuye exponencialmente desde la superficie de la partícula, hasta llegar a cero cuando las concentraciones de los cationes y aniones presentes son iguales. Es de señalar que el espesor de la capa doble es extremadamente pequeño en comparación con el diámetro de la partícula (del orden de 10 8µm).
Fig. No 4. Potencial de la Doble Capa El potencial en la superficie de la partícula (potencial total), conocido con el nombre de potencial de Nerst, es imposible de determinar en muchos casos, pero el segundo (el potencial Z), que existe en el límite entre la parte adherida a la partícula y aquella otra que puede desplazarse con respecto a ésta es posible de ser medido con un zetámetro (electroforesis. electroósmosis y potencial eléctrico). 4.5.2 Fuerzas de Inestabilidad: Mientras que los fenómenos anteriormente descritos contribuyen a la estabilidad de las partículas, existen fuerzas que trabajan en sentido opuesto, determinando que estas se desestabilicen o floculen. Los factores que influyen en la inestabilidad de los coloides son fundamentalmente dos: 4.5.2.1 El Movimiento Browniano: partículas con diámetros del orden de 10 - 6 µm o menores, en el seno del agua, se encuentran en un constante movimiento rápido, desordenado y al azar. 4.5.2.2 Las fuerzas de London - Van der Waals: Pueden describirse como una fuerza atómica cohesiva que existe entre todos los átomos, atrayendo cada uno a todos los demás. Aunque, generalmente, se considera que el radio de acción de esta fuerza es de un orden reducido, en el caso de las partículas coloidales, por efecto de agregación, este radio se 20
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amplía hasta dimensiones comparables con las de la de la partícula coloidal. La evidencia experimental, en la actualidad, es que la coagulación (y posterior floculación) de coloides en el agua se logra bastante antes de que el potencial Z se reduzca a cero, ya que este valor suele oscilar entre -5 y -10 mV. 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. Posteriormente se comprobó que el efecto neto de la adición 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. 4.5.3 Clases de Coagulantes: 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 (PAC) se recomienda para el tratamiento de aguas blandas y turbias. 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 cruda. La variación de la calidad del agua cruda (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. 4.5.4 Variables que Intervienen en la Coagulación: 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. 4.5.4.1 PH. Se ha observado que el pH es la variable independiente más importante de entre las muchas a considerar en el proceso de la coagulación de coloides, asimismo, se ha establecido que existe al menos una escala de pH, para un agua dada, dentro de la cual se registra una buena coagulación - floculación en el tiempo más corto. La amplitud de la escala 21
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del pH está influenciada por: El tipo de coagulante empleado. La composición química del agua. La dosis del coagulante. Los coagulantes metálicos (sales de aluminio y hierro) presentan su zona óptima tras los valores del pH que hacen mínima la solubilidad de los productos de hidrólisis. Así, para las sales de aluminio esta zona se sitúa entre 6 y 7,8. Las sales de hierro tienen un comportamiento similar, aunque en este caso, la zona del pH de coagulación puede ser más alta. 4.5.4.2 Sales Disueltas. Sobre las sales disueltas en el proceso de coagulación se ha demostrado que ejercen una influencia determinada por el ión específico y su concentración, estos efectos pueden resumirse en la modificación de alguno de los siguientes factores: La zona del pH de coagulación óptima. El tiempo necesario para la floculación. La dosis óptima de coagulante. El coagulante residual del agua tratada . 4.5.4.3 Turbiedad. La turbiedad de las aguas superficiales se debe en gran parte a la presencia de partículas de arcilla y otros minerales. La influencia de la cantidad y naturaleza de la turbiedad en la coagulación puede resumirse por: Generalmente, a medida que aumenta la turbiedad es preciso aumentar la dosis de coagulante, pero en menor proporción al aumento de ésta. Paradójicamente, en el caso de turbiedades muy elevadas, se requieren dosis de coagulante relativamente pequeñas debido a las mayores posibilidades de colisión entre las partículas. Por contra las turbiedades muy bajas suelen ser más difíciles de eliminar por coagulación. Es más fácil coagular una distribución amplia de tamaños de partículas que una suspensión que contenga un solo tamaño o una gama muy estrecha de estos. 4.5.4.4 Tipos de Coagulantes. Aunque el sulfato de alúmina es, con mucho, el coagulante más empleado, también pueden emplearse otros que en algunos casos, pueden ser más ventajosos. Como ejemplo, pueden citarse: Las sales de hierro tienen un margen de pH más amplio que las de aluminio. Para el tratamiento de aguas blandas coloreadas en las que la eliminación del color se obtiene con más facilidad a valores ácidos del pH, es preferible recurrir a las sales de hierro. El aluminato sódico se emplea en la coagulación de los precipitados obtenidos en el ablandamiento, a valores elevados del pH. 22
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4.5.5 Coagulación del color. En cuanto a la coagulación del color, hay que recordar que éste está usualmente motivado por: Formas coloidales del hierro y manganeso. Compuestos orgánicos complejos que se originan en los procesos de descomposición de la materia orgánica natural (sustancias húmicas). Los estudios realizados sobre la naturaleza química de las sustancias húmicas han demostrado la presencia de una gran variedad de grupos químicos, tales corno los hidroxilo, carboxilo, metoxilo y quinoide, que confieren propiedades hidrófilas a las partículas. Estos grupos son predominantemente negativos y en consecuencia las partículas de color son, casi siempre negativas, siendo la magnitud de la carga de cada una de ellas función del grado de ionización y por consiguiente, del pH del agua. Algunas características de la eliminación del color por coagulación indican que el mecanismo difiere completamente del que gobierna la eliminación de la turbiedad, por lo que se considera más como una precipitación química que como una coagulación. 4.5.6 Mezcla Rápida de los Coagulantes. Teniendo en cuenta que la neutralización de los coloides es el principal objetivo que se pretende en el momento de la introducción del coagulante, es conveniente que el reactivo utilizado se difunda con la mayor rapidez posible. El tiempo de coagulación es extraordinariamente breve (inferior al segundo) y la utilización óptima del coagulante exige que la neutralización de los coloides sea total antes de que una parte del coagulante haya comenzado a precipitar (por ejemplo, en forma de hidróxido metálico). 4.5.6.1 Mezcladores Estáticos. Se trata de dispositivos colocados en una tubería o canal (sistema helicoidal, diafragma, cono) que crean una turbulencia suficiente para permitir la difusión instantánea del coagulante. 4.5.6.2 Mezcladores Mecánicos. Se trata de un agitador rápido del tipo de hélice o de palas, colocada en una cámara de mezcla especial. 4.5.6.3 Mezcladores de Vertederos. Pueden ser vertederos rectangulares, triangulares, trapezoidal, canaleta Parshall, perfil Creager, etc. 4.5.6.4 Mezcladores de Orificio. Tales como platinas de orificio, tubos Pitot, tubos venturi, etc.
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4.6 FLOCULACION O MEZCLA LENTA. La floculación es la agitación lenta de la masa de agua coagulada, para promover el crecimiento del microflóculo recién formado, hasta alcanzar el tamaño y el peso necesarios para su posterior remoción mediante la sedimentación.
Fig. No 5. Canaleta Parshall 4.6.1 Mecanismos de Floculación: Existen dos mecanismos para promover el crecimiento de los flóculos: la floculación pericinética y la ortocinética. 4.6.1.1 La floculación pericinética se basa en las colisiones debidas al movimiento de las moléculas e inducidas por la energía térmica. A este movimiento se le denomina comúnmente movimiento Browniano. 4.6.1.2 La Floculación Ortocinética se basa en las colisiones de las partículas debidas al movimiento del agua. Este movimiento es inducido por una energía exterior a la masa de agua, que puede ser de origen mecánico o hidráulico. 4.6.2 Factores que Influyen en la Floculación. Los principales factores que influyen en la eficiencia de este proceso son: la naturaleza del agua, las variaciones de caudal, la intensidad de la agitación, el tiempo de retención en los floculadores y el número de compartimentos. Para obtener un floc compacto y pesado, que sedimente bien, se requiere: Hallar la dosis óptima de coagulante para el tipo de agua que se está tratando, Mantener un caudal de entrada a floculación lo más constante posible, Conservar en los floculadores una velocidad de agitación del agua que facilite el contacto y el crecimiento de los flóculos. La velocidad no debe ser tan baja, que permita la sedimentación 24
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de los flóculos en el floculador, ni tan alta que los desintegre. Un rango de 20 a 40 minutos de tiempo de residencia parece ser suficiente. Sin embargo, los floculadores deben funcionar de acuerdo con las especificaciones de diseño bajo las que fueron construidos.
4.6.3 Clasificación de los Floculadores. Según la fuente de energía utilizada para la agitación del agua, los floculadores pueden ser hidráulicos o mecánicos.
MECÁNICOS TIPO DE FLOCULADORES HIDRAÚLICOS
4.6.3.1 En los Floculadores Hidráulicos, la energía para la agitación del agua se obtiene mediante la turbulencia que se forma cuando el agua aumenta su velocidad al pasar por áreas reducidas. Pueden ser: de pantallas o bafle, Helicoidales (Alabama), medios porosos, tuberías. 4.6.3.2 En los Floculadores Mecánicos la energía para el movimiento del agua es suministrada por una fuente externa, como un motor, que la transmite a través de un eje a las paletas, turbina o barras oscilantes, sumergidas en el agua. Pueden ser: de paletas, de turbinas, de barras oscilantes. 4.6.4 Control y Operación de Floculadores. En el caso de los floculadores hidráulicos, en donde la turbulencia depende de la velocidad que adquiere el agua al pasar por un conducto, el operador debe controlar los siguientes aspectos: Revisar constantemente el nivel del agua en las cámaras de floculación, asegurándose que no varíe más de un 10%, con relación al nivel de diseño. Para esto conviene colocar reglas fijas niveladas en cada cámara y a la entrada y salida del floculador, con marcas visibles que correspondan al nivel de diseño.
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Planta
Fig. No 6. Floculador Horizontal de Pantalla
4.7 SEDIMENTACION. En el agua se pueden encontrar partículas “discretas”, como son las que por su tamaño y peso, sedimentan fácilmente y partículas “floculentas” o “precipitantes”, cuya densidad y
volumen cambian a medida que se adhieren unas con otras, ayudadas por mecanismos de floculación, precipitación, arrastre o barrido. La sedimentación o decantación es el proceso mediante el cual, por acción de la gravedad, se retiran las partículas suspendidas en el agua. Para que ello ocurra, se requiere que el agua sea retenida por un tiempo considerable en el sedimentador y que el régimen de flujo que predomine en dicha estructura sea laminar, para que la velocidad del agua no arrastre a las partículas suspendidas hacia fuera del sedimentador, sino que la acción de la gravedad sea la fuerza que predomine sobre las partículas y las obligue a depositarse en el fondo del sedimentador. En todo sedimentador, existen 4 zonas claramente diferenciadas: La zona de entrada, La zona de salida, La Zona de sedimentación y La zona de recolección de lodos
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Fig. No 7. Sedimentación de Partículas Discretas L
b
h
Entrada
Q Vo
Vsc
=
Vs1
Vs3
Vs1< Vs2 < Vs3 < Vs4
Vs2 Vs3 Vs4
4.7.1 Clases de Sedimentadores. Hay varios tipos de sedimentadores, a saber: 4.7.1.1 Sedimentadores Convencionales o de Flujo Horizontal. Generalmente son tanques de forma rectangular alargada. El agua entra por la pared del sedimentador más cercana al floculador, la cual está perforada con un gran número de orificios de diámetro pequeño, para garantizar una velocidad longitudinal uniforme de igual intensidad y dirección en todo el sedimentador. La salida es por la parte superior de la pared opuesta a la de entrada, mediante vertederos, canaletas, o tubos con perforaciones La zona de sedimentación ocupa casi todo el volumen del tanque y no contiene ningún elemento que interfiera el paso del agua. 4.7.1.2 Sedimentadores de Alta Tasa. Pueden ser tanques de forma rectangular, cuadrada o cilíndrica. La zona de entrada está localizada en la parte inferior del sedimentador, a través de un sistema de tubos perforados, dispuestos a la manera de espina de pescado, de tal forma que el flujo se distribuya uniformemente por toda el área. En el fondo existe una zona para almacenamiento y evacuación de lodos. La parte superior de la zona de sedimentación está provista de placas planas u onduladas, paralelas, o de módulos de tubos circulares, cuadrados u octogonales, inclinados 60º. 4.7.1.3 Sedimentadores de Flujo Vertical. Son estructuras generalmente circulares, con fondo piramidal o cónico, provistas de un canal o tubo central por donde entra el agua y en donde también se encuentra ubicado el floculador, que debe estar integrado a la unidad. 27
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4.7.1.4 Sedimentador de Manto de Lodos. Generalmente son de forma circular e incluyen dentro de la misma unidad la inyección de los coagulantes, mezcla rápida, floculación y sedimentación. El manto de lodos se mantiene suspendido en la parte media del sedimentador por acción hidráulica o mecánica. El agua ingresa a la estructura por la parte inferior y penetra el manto de lodos, que atrapa las partículas suspendidas en el agua, La salida del agua sedimentada ocurre por la parte superior del sedimentador. 4.7.2 Parámetros Básicos de Funcionamiento de los Sedimentadores. Para que los sedimentadores trabajen de forma eficiente, deben ser operados de acuerdo con los parámetros bajo los cuales fueron diseñados. Los parámetros de diseño deben ser encontrados experimentalmente, mediante estudios de tratabilidad en laboratorio o planta piloto. El RAS-2000 establece los criterios de diseño para sedimentadores del título C
4.7.3 Eficiencia de un Sedimentador. Para un caudal dado, la remoción de partículas en suspensión es función de la carga superficial, siendo independiente de la profundidad de sedimentación. Para calcular la carga superficial, se divide el caudal del agua que entra al sedimentador por el área del sedimentador. La carga superficial se expresa en m 3/m2/día (metros cúbicos por metro cuadrado y por día).
Carga Superficial (m3 /m2*día) = Q (m 3 /d) / Asedimentador (m2)
La eficiencia de un sedimentador se mide en términos del porcentaje de remoción de turbiedad, aplicando la siguiente fórmula:
Eficiencia (%) =
1-
Turbiedad de salida
*
100
Turbiedad de entrada
4.7.4 Control y operación de sedimentadores. Los principales factores que deben tenerse en cuenta para asegurar una buena sedimentación, son: 28
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Control efectivo de los procesos previos de coagulación y floculación. Distribución adecuada del caudal en la unidad de sedimentación y uniformidad del flujo. Rebose apropiado en los canales de recolección del efluente. Control de las cargas superficiales y los tiempos de retención. Una vez el sedimentador esté operando en forma normal, cada hora se debe determinar la turbiedad y/o el color en el efluente y anotar los valores en la planilla de control de operación de la planta. Drenar los lodos del fondo, cuando la zona de lodos alcance el nivel máximo permitido, si se trata de sedimentadores convencionales. Periódicamente, de acuerdo con la necesidad específica, es necesario vaciar el sedimentador y lavarlo completamente, utilizando chorros de agua a presión y removiendo manualmente, con cepillos, las costras y algas depositadas en las paredes, piso y placas paralelas.
4.8 FILTRACION La filtración es el proceso más importante que se realiza en una planta potabilizadora de agua. Es el pulimento que se le da al agua con el fin de remover al máximo la turbiedad que aún permanece después de la sedimentación y dejarla en condiciones óptimas para la desinfección. Consiste en hacer pasar el agua a través de un medio poroso compuesto por una capa de arena fina, de antracita o dos capas, una de arena y la otra de antracita, soportadas sobre una capa de grava. 4.8.1 Mecanismos De Filtración. Generalmente se piensa que los filtros actúan como coladores, tamices o microcribas, que atrapan el material suspendido entre los granos del medio filtrante. Sin embargo, la acción de colar, cribar o tamizar el agua es la menos importante en el proceso de filtración puesto que la mayoría de las partículas suspendidas pueden pasar fácilmente a través de los espacios existentes entre los granos del medio filtrante. Los mecanismos que pueden realizar el transporte son: Cernido - Intersticios de 0.1- 0.2 mm, en arena de 0.5 mm de diámetro y 0.3 – 0.6 mm en arena de 1.2 mm de diámetro. Floc grande 0.5 – 2.0 mm Capas superficiales.
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Sedimentación – El área superficial del medio filtrante es muy grande, 1 m 3 tiene 8000 m2, pero solo se puede utilizar 6%. Intercepción – “Contacto” de las partículas de floc con la superficie de los granos o con floc ya depositado o adherido a ellos. Difusión – El movimiento browniano y la tendencia a que las partículas pequeñas viajen desde las áreas de mayor concentración a las áreas de menor concentración de partículas. La mayoría de las partículas que llegan al filtro son menores de 10 . Impacto inercial – Una partícula grande con velocidad del fluido alta, hace que la partícula con su inercia siga un rumbo diferente al de la vena liquida y choque con el grano del filtro quedando adherido a él. Fuerzas de Van der Waals. Analogía con las fuerzas de gravedad en un sedimentador. El movimiento de los electrones en sus orbitas crea un campo magnético influenciando los electrones de la materia circundante, dando origen a fuerzas atractivas que pueden existir entre partículas de igual carga, entre partículas neutras y de carga opuesta. La fuerza de Van der Waals es débil, no varía con el pH. Fuerzas electroquímicas Los granos de arena son negativos y los flóculos positivos. Los granos son negativos y los flóculos neutros, todo contacto puede terminar en adhesión, al no existir barrera de energía. Puente químico. Las cadenas poliméricas adheridas a las partículas, dejan sus segmentos extendidos en el agua, los que pueden ser adsorbidos por otras partículas o por sitios vacantes en los granos del filtro.
4.8.2 Importancia De La Filtración. La remoción de microorganismos es de gran importancia, puesto que muchos de ellos son extremadamente resistentes a la desinfección y, sin embargo, son removibles mediante filtración.
4.8.3 Material Filtrante. La arena ha sido el medio filtrante comúnmente empleado. A pesar de producir un efluente de mejor calidad, la arena de granulometría menor presenta una carrera de filtración más corta que la arena de granulometría mayor. La filtración en medios filtrantes dobles, constituidos de antracita y arena es, bajo cualquier punto de vista, superior a la filtración en medios constituidos únicamente de arena. La grava es el soporte más común para cualquier unidad de filtración. 4.8.4 Componentes De Un Filtro. Típicamente un filtro está compuesto por los siguientes elementos: 30
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Estructura, En su mayoría de forma rectangular, bastante profunda, construida en concreto o en lámina metálica, que aloja los demás elementos del filtro. Falso fondo. Como su nombre lo indica, es un fondo poroso, a través del cual pasa el agua filtrada y drena hacia el canal de salida. Los falsos fondos más comunes son las vigas en V, perforadas, los ladrillos Leopold, las bolas de cerámica llamadas fondos Wheler o un sistema de tuberías perforadas ensambladas en forma de espina de pescado. Soporte. Es una capa de grava gradada de aproximadamente 30 cm de espesor, colocada sobre el falso fondo, cuya función es servir de soporte al medio filtrante. Medio filtrante. Capa sencilla de arena fina, de antracita o doble capa de arena y antracita que se coloca sobre el soporte de grava y cuya función es realizar el proceso de filtración. Canaletas de lavado. Estructuras en forma de canal, que atraviesan el filtro en toda su longitud, colocadas a cierta distancia vertical por encima del medio filtrante, para permitir su expansión durante el lavado ascensional, sin que sea arrastrado hacia el canal de drenaje. La función de las canaletas es recolectar el agua de lavado del filtro y conducirla hacia el canal de drenaje.
Fig. No 8. Esquema de un Filtro
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4.8.5 Clases de Filtros. Existen varias clases de filtros, los más importantes son: filtros lentos de arena, filtros rápidos de arena, filtros de alta tasa, filtro rápido convencional. Todos los filtros operan inundados. Los primeros filtros usados para tratamiento de agua fueron los filtros lentos, los cuales utilizan una capa de arena fina de 1 m de espesor, soportada sobre un lecho de grava de 0.30 metros aproximadamente. Estos filtros fueron luego reemplazados por los filtros rápidos, filtros de arena generalmente con lavado ascendente, con tasas de filtración mucho mayores y por consiguiente, con requerimientos de arena mucho menores. Posteriormente, con el uso de medios filtrantes mixtos, se logran diseños que requieren una menor área, al usar tasas de filtración todavía mayores que la de los filtros rápidos convencionales. 4.8.6 Tasa De Filtración. Es uno de los parámetros más importantes del proceso de filtración. Se define como la cantidad de agua que pasa diariamente por unidad de área del filtro. Se calcula dividiendo el caudal del agua que entra al filtro por el área que ocupa el medio filtrante y se reporta en metros cúbicos de agua por metro cuadrado de área de filtración y por día (m3/m2*d).
Tasa de filtración (m 3 /m2*día ) = Q (m 3 /d) / Afiltración (m2) 4.8.7 Lavado Del Filtro. A medida que el agua va pasando por el filtro, el medio filtrante se va colmatando y el proceso pierde efectividad. Es entonces el momento de interrumpir la filtración y lavar el filtro, para iniciar nuevamente el proceso. Tabla No 5.Tasa de filtración TIPO DE FILTRO Rápido
Alta tasa Alta tasa
MEDIO FILTRANTE Arena sola o antracita sola Tamaño efectivo, Te: 0.45-0.55 mm Arena sola o antracita sola de tamaño grueso Mixto de arena y antracita
ESPESOR DEL MEDIO (m)
TASA DE FILTRACIÓN (m3 /m2*d).
0.75 máximo
< 120
>0.9
Máximo 400 Máximo 300, si la calidad del floc lo permite 2.4 a 7.2
0.6 a 0.75 Lento
Arena fina .35 mm
Te: 0.15 -
0.8 – 1.0
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En un filtro rápido convencional por gravedad, el lavado debe realizarse cuando se cumple una cualquiera de las siguientes condiciones: La turbiedad en el efluente comienza a aumentar La pérdida de carga en el medio filtrante es tan alta que el filtro ya no produce agua a la tasa deseada, (usualmente 2.5 m de pérdida de carga). La carrera del filtro es de 36 horas o más. La fuente de agua de lavado puede ser: Un tanque auxiliar elevado, con suficiente cabeza hidráulica para vencer la resistencia del medio filtrante y una capacidad de almacenamiento que alcance para todo el lavado. Un tanque superficial y una bomba que dé al agua la presión necesaria para el lavado del filtro. Lavado mutuo. Cuando el filtro se lava con el agua que sale de los otros filtros y la presión de lavado está dada por la cabeza del agua en las otras unidades de filtración.
En el caso de los filtros de flujo descendente, que son los que con mayor frecuencia se utilizan en nuestro medio, el lavado ocurre en dos etapas: lavado superficial y lavado ascensional. 4.8.8 Control Y Operación De Filtros. Las siguientes son las principales actividades que el operador debe realizar para asegurar la operación y el control adecuado de los filtros: Filtros rápidos.
Llenado lento del filtro, para evitar turbulencias y desacomodo del medio filtrante. Evitar a toda costa la producción de presión negativa en el medio filtrante. Lavar los filtros, de acuerdo con el procedimiento establecido, cuando se cumpla uno cualquiera de los criterios de lavado. Periódicamente, durante el lavado del filtro, remover con cepillo las costras de algas y lodos depositadas sobre las canaletas y paredes del filtro y si es posible desinfectar con solución de hipoclorito. 33
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4.9 DESINFECCION. La desinfección del agua es la destrucción o inactivación de los microorganismos patógenos y otros agentes indeseables presentes en la misma. Los procesos de coagulación, sedimentación y filtración contribuyen en gran medida a la remoción de la mayoría de los virus, bacterias y protozoos que el agua pueda contener y por ello se consideran necesarios para mejorar la eficacia de la desinfección pues, además de disminuir el contenido de microorganismos en el agua, remueven los obstáculos que pudieran interferir con la acción efectiva del desinfectante. 4.9.1 Importancia de la Desinfección. La desinfección ha prestado incalculables servicios a la humanidad en lo que se refiere a la prevención y el control de las enfermedades transmitidas por el agua. De hecho, este factor, junto con las prácticas adecuadas de saneamiento básico y la educación de la comunidad para la salud, constituyen el único medio permanente para asegurar el control de dichas enfermedades. 4.9.2 Características Deseables de un Desinfectante. Para que un desinfectante pueda ser utilizado para la destrucción de los gérmenes patógenos en aguas de abastecimiento público destinadas a consumo humano, debe cumplir con ciertas condiciones, a saber: Ser capaz de destruir o inactivar, en un tiempo razonable, los microorganismos patógenos que el agua pueda contener, independientemente de la especie y de la cantidad. Ser efectivo bajo las diversas condiciones que puedan presentarse en los sistemas de abastecimiento de agua. Poder permanecer en el agua en una concentración residual, para asegurar su protección posterior contra posibles rebrotes o contaminación en el sistema de distribución. Ser seguro y de fácil obtención, manejo y aplicación. 4.9.3 Eficacia de un Desinfectante. La eficacia de un desinfectante se mide principalmente en términos de la dosis requerida y el tiempo de contacto necesario para destruir o inactivar los microorganismos presentes en un agua determinada. 4.9.3.1 Relación Concentración-Tiempo (Ct): Como todo proceso, la desinfección requiere tiempo para llevarse a cabo, pero éste a su vez depende de la concentración del desinfectante aplicado al agua. En general, una dosis elevada de desinfectante producirá 34
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una reducción total de los microorganismos indeseables en un tiempo menor que el requerido por una dosis más baja. Cuanto más prolongado sea el tiempo de contacto del desinfectante con los microorganismos, mayor será el grado de inactivación o destrucción de los mismos. 4.9.4 Tipos de Desinfectantes y Métodos de Desinfección. La destrucción natural de los microorganismos ocurre por la acción de agentes naturales como pueden ser la luz solar, la sedimentación, la filtración a través de las capas arenosas del suelo o la desaparición de las reservas de alimento, por estabilización de la materia orgánica del agua, que conduce a la muerte de los microorganismos por inanición. La utilización de medios artificiales para la desinfección del agua incluye tanto agentes físicos, de los cuales los más utilizados son el calor y la luz ultravioleta, como agentes químicos que actúan sobre los microorganismos ocasionando su destrucción, entre los cuales podemos mencionar el cloro y sus derivados, el bromo, el yodo, la plata ionizada y el ozono. Los desinfectantes químicos que tienen mayor potencial de utilización para la desinfección del agua son el cloro y sus derivados, incluidos los oxidantes mezclados producidos por electrólisis de salmuera, el yodo y el ozono.
4.9.4.1 Ozono: El ozono, gas compuesto por tres moléculas de oxígeno (O 3), es el mejor desinfectante del agua hasta ahora conocido. Se produce haciendo pasar aire seco entre los electrodos de un generador. Debido a su gran inestabilidad, es necesario generarlo en el punto de aplicación. La experiencia con ozono en nuestro medio ha sido limitada, sin embargo sus ventajas y el desarrollo tecnológico de unidades pequeñas de ozonación, prevén una mayor aplicación futura de este desinfectante en pequeñas comunidades que tengan que tratar agua con serios inconvenientes de calidad. 4.9.4.2 Cloro y Sales de Cloro: El cloro y sus derivados, hipoclorito de calcio e hipoclorito de sodio, son los desinfectantes de mayor aplicación en el tratamiento de agua potable en América Latina. Entre sus ventajas podemos mencionar: Fácil de producir. La dosificación puede adecuarse, en cualquiera de sus formas, a cualquier tamaño de población. Fácil de aplicar y de controlar. Fácil de detectar en el agua. Deja efecto residual. Inofensivo para la salud, en las dosificaciones aplicadas para la desinfección. 35
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Bajo costo. Presenta los inconvenientes de ser altamente corrosivo y, en algunos casos, forma subproductos potencialmente peligrosos para la salud. Algunas personas sensibles objetan el sabor que comunica al agua. En condiciones normales de presión y temperatura, el cloro es un gas verde, dos veces y media más pesado que el aire, razón por la cual tiende a permanecer a nivel del suelo. Industrialmente se produce por desintegración electrolítica del cloruro de sodio (sal de cocina) en sus componentes, sodio y cloro. Para envasarlo en cilindros se comprime a 1.74 atmósferas y se enfría hasta licuarlo. Se consigue en presentaciones de 40, 68, 1000 kilogramos y carrotanques. Las sales de cloro, principalmente el hipoclorito de sodio y el hipoclorito de calcio, al ser mezcladas con el agua se disocian en forma similar al cloro y presentan la misma eficiencia bactericida, por lo que también se utilizan como desinfectantes. El Hipoclorito de sodio es un líquido claro, de color amarillento, corrosivo y de olor fuerte. Se consigue comercialmente en forma líquida con una concentración entre 12 y 15% de cloro disponible. En esta forma es estable por un período aproximado de dos meses. Se descompone por acción de la luz y del calor, por lo que debe ser almacenado en recipientes opacos y en lugares frescos, resguardados de la luz solar. El hipoclorito de calcio viene en forma granular, se conoce ordinariamente como hipoclorito concentrado (HTH) y contiene entre 60 y 70% de cloro disponible. Es muy soluble en el agua y produce soluciones con muy poca turbiedad. 4.9.4.2.1 Reacciones del Cloro en el Agua: El cloro es un oxidante fuerte y por consiguiente bastante reactivo. En el agua, primero se hidroliza, luego se combina con el amoníaco y algunas sustancias orgánicas presentes en el agua. Si hay sustancias reductoras como sulfuros, hierro ferroso, manganeso, etc., también reacciona con dichas sustancias. De los productos que forma el cloro en el agua, algunos tienen propiedades desinfectantes y otros no. Al contacto con el agua, el cloro se disocia produciendo ácido hipocloroso y ácido clorhídrico, el cual también se disocia en ión cloruro e ión hidrógeno: HOCl + H2O
HOCl + H+ + Cl-
El ácido hipocloroso (HOCl), a su vez se disocia parcialmente en ión hipoclorito (OCL - ) y ión hidrógeno, de la siguiente manera: HOCl
H+ + OCL36
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La figura No. 9 ilustra forma como se disocia el cloro en el agua, a 20º centígrados : Debido a que el ácido hipocloroso es un desinfectante aproximadamente 100 veces más eficaz que el ión hipoclorito, es recomendable mantener el agua dentro de un rango de pH que favorezca la predominancia de dicho compuesto. Las reacciones de los hipocloritos de calcio y de sodio con el agua son similares a las reacciones del cloro gaseoso, produciéndose en primera instancia la disociación en ión hipoclorito y iones calcio o sodio y, posteriormente la reacción del ión hipoclorito con el ión hidrógeno, para producir una reacción de equilibrio con el ácido hipocloroso, afectada igualmente por el pH y la temperatura. La temperatura, el pH del agua, la especie del cloro, la dosis, la presencia de amoniaco, materia orgánica y otras sustancias reductoras en el agua, el modo de aplicación, el grado de mezcla en el agua y el tiempo de contacto, son los factores que más influyen en la eficacia del cloro como germicida. Según recomendaciones de la OMS, una dosis de cloro libre de 0.5 mg/l, con un tiempo de contacto de 30 minutos, es suficiente para inactivar la mayoría de los virus presentes en el agua.
l
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0
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10
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70
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40
50
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30
70
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90
0 4
5
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PH del agua 8 7
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100 9
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Fig. No 9 Distribución de HOCl y OCL - en Agua a 20 0C
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4.9.4.3 Dióxido de Cloro: El dióxido de cloro (ClO 2) es un gas desinfectante, altamente explosivo, que resulta de la cloración o de la acidificación de una solución concentrada de clorito de sodio. Debido a su carácter explosivo, no puede transportarse y es necesario generarlo en el sitio. La concentración en el agua debe mantenerse por debajo de 30 g/L y en el aire inferior al 10%, para prevenir explosiones. 4.9.5 Control y Operación del proceso de Desinfección. Las siguientes son las actividades que el operador de planta debe tener en cuenta para una óptima desinfección: Garantizar que el desinfectante se mezcla con el agua en forma rápida, uniforme y eficiente. Garantizar que el desinfectante y el agua permanecen en contacto durante el tiempo estimado para la desinfección completa del agua, antes de ser enviada al sistema de distribución. Cuando el desinfectante es cloro, el pH del agua a desinfectar debe mantenerse dentro del rango de 6 a 7 unidades. Garantizar una turbiedad en el agua filtrada lo más baja posible. Idealmente menor de 1 UNT. Para disminuir el riesgo de producción de trihalometanos en el agua, el color debe mantenerse por debajo de 15 UPC.
Cuando sea necesario ajustar el pH del agua tratada con soda o cal (proceso denominado estabilización), el neutralizante debe aplicarse después de la cloración. Nunca debe aplicarse cloro y cal simultáneamente. Observar en todo momento las normas de seguridad industrial y personal establecidas en el reglamento interno de la empresa
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4.10 FLOTACION La flotación es una "operación física unitaria", esto es, un método de tratamiento en el que predominan los fenómenos físicos, que se emplea para la separación de partículas de una fase líquida. La separación se consigue introduciendo finas burbujas de gas, normalmente aire, en la fase líquida. Las burbujas se adhieren a las partículas, y la fuerza ascensorial que experimenta el conjunto partícula-burbuja de aire hace que suban hasta la superficie del líquido. 4.10.1 Flotación por Aireación: En los sistemas de flotación por aireación, las burbujas de aire se introducen directamente en la fase líquida por medio de difusores o turbinas sumergidas. La aireación directa durante cortos periodos de tiempo no es especialmente efectiva a la hora de conseguir que los sólidos floten. 4.10.2 Flotación por Vacío: la flotación por vacío consiste en saturar de aire el agua residual directamente en el tanque de aireación, o permitiendo que el aire penetre en el conducto de aspiración de una bomba. Al aplicar un vacío parcial, el aire disuelto abandona la solución en forma de burbujas diminutas. La arena y demás sólidos pesados que se depositan en el fondo, se transportan hacia un cuenco central de fangos para su extracción por bombeo 4.10.3 Flotación por Aire Disuelto: En los sistemas FAD (Flotación por Aire Disuelto), el aire se disuelve en el agua residual a una presión de varias atmósferas, y a continuación se libera la presión hasta alcanzar la atmosférica. En las instalaciones de pequeño tamaño, se puede presurizar a 275-230 kPa mediante una bomba, la totalidad del caudal a tratar, añadiéndose el aire comprimido en la tubería de aspiración de la bomba. El caudal se mantiene bajo presión en un calderín durante algunos minutos, para dar tiempo a que el aire se disuelva. A continuación, el líquido presurizado se alimenta al tanque de flotación a través de una válvula reductora de presión, lo cual provoca que el aire deje de estar en disolución y que se formen diminutas burbujas distribuidas por todo el volumen de líquido.
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MODULO 5. PROCESOS UNITARIOS Y PLANTAS DE TRATAMIENTO
5.1 DEFINICIÓN DE PLANTA DE POTABILIZACIÓN
Se entiende por Planta de Potabilización el conjunto de estructuras, equipos y materiales necesarios para acondicionar el agua, produciendo en ella los cambios físicos, químicos y bacteriológicos necesarios para que sea potable. La planta de potabilización puede considerarse como una industria, en la cual la materia prima es el agua cruda y su producto final es el agua potable después de someterla a una serie de procesos llamados operaciones unitarias.
5.2. OBJETIVOS DE UNA PLANTA
Los objetivos de una planta de potabilización de agua son básicamente dos; Entregar agua potable en cantidad, calidad y continuidad suficiente para satisfacer las necesidades de la población, con el menor costo posible, aprovechando al máximo los recursos disponibles. Suministrar al consumidor agua potable que reúna por lo menos las siguientes características: Clara, transparente, cristalina, Sin color, sabor y olor, Libre de microorganismos patógenos, Con un alto contenido de oxígeno 5.3 OPERACIONES Y PROCESOS DE POTABILIZACIÓN DEL AGUA La planta de tratamiento es un componente del sistema de abastecimiento de una localidad, la cual es afectada en su operación por los componentes previos, el empleo de los suelos y la corriente en la cuenca, el estado de la bocatoma donde generalmente se realiza un cribado y el funcionamiento del desarenador, así como por el funcionamiento del tanque de almacenamiento y la demanda de agua en la red de distribución.
5.4 PRINCIPALES OPERACIONES TRATAMIENTO DEL AGUA.
UNITARIAS
EMPLEADAS
EN
EL
Los principales procesos de transferencia utilizados en el tratamiento del agua para consumo humano son los siguientes: transferencia de sólidos; transferencia de iones; 40
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transferencia de gases, y transferencia molecular o de nutrientes. 5.4.1 Transferencia de Sólidos: Se consideran en esta clasificación los procesos de cribado, sedimentación, flotación y filtración. 5.4.2 Transferencia de Iones: La transferencia de iones se efectúa mediante procesos de coagulación, precipitación química, absorción e intercambio iónico. 5.4.2.1 Coagulación Química: 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. 5.4.2.2 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. 5.4.2.3 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. 5.4.2.4 Absorción: La absorción 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. 5.4.3 Transferencia de Gases: Consiste en cambiar la concentración de un gas que se encuentra incorporado en el agua mediante procesos de aireación, desinfección y recarbonatación. 5.4.4 Transferencia Molecular: En el proceso de purificación natural del agua, las bacterias saprofitas degradan la materia orgánica y transforman sustancias complejas en 41
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material celular vivo o en sustancias más simples y estables, incluidos los gases de descomposición. También los organismos fotosintéticos convierten sustancias inorgánicas simples en material celular, utilizando la luz solar y el anhídrido carbónico producto de la actividad de las bacterias y, a la vez, generan el oxígeno necesario para la supervivencia de los microorganismos aeróbicos presentes en el agua. 5.4.5 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 fluoruración.
5.5 OPERACIÓN DE LA PLANTA La operación adecuada de las plantas de tratamiento es fundamental para garantizar la producción continua de agua potable. El operador de la planta tiene la responsabilidad de desarrollar las actividades de operación y asegurar la eficiencia de la planta. Aquí presentamos las características de las unidades de tratamiento y las actividades de operación de las mismas, conocimientos necesarios para que el operador desempeñe sus funciones eficientemente y conozca la dimensión de su responsabilidad.
5.6 CONCEPTOS GENERALES La operación de una planta lo determina las características de sus instalaciones, la calidad del agua y el caudal a tratar. En general las actividades de operación se clasifican en: Regulación de caudales Dosificación de los productos químicos Control de procesos Lavado de filtros y purga de lodos Operación de equipos electromecánicos 5.6.6 Caudal De Agua Cruda: El agua cruda llega a la planta de tratamiento, por medio de conductos, o canales provenientes de la bocatoma o captación. Por medio de una estructura especial se recibe en la planta para su procesamiento; en este instante es necesario aforar o medir la cantidad que llega, y la que pueda ser tratada,
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dejando pasar la que sobra, por medio de algún dispositivo adecuado o rebose que permita desviar los sobrantes. Aforar es medir la cantidad de agua que pasa en un determinado tiempo utilizando diferentes métodos para esta medida, con el objeto de calcular las dosis de sustancias químicas que deben aplicarse para efectuar el tratamiento 5.6.7 Manejo De Desarenadores: El manejo de los desarenadores es una de las tareas rutinarias del operador de planta. Llevarla a cabo con eficiencia y calidad requiere por parte de este de conocimientos y habilidades específicas que esta unidad le facilita a través de su desarrollo. 5.6.8 Actividades De Operación: La rutina de operación comprende las siguientes actividades:
Regulación del caudal de entrada Purga de arenas Retiro de material flotante
5.6.9 Ensayo De Jarras: El conocimiento y destreza para realizar el ensayo son fundamentales para determinar la dosis óptima de coagulante a aplicar al agua. Se considera que es una labor fundamental para lograr buenos niveles de eficiencia con químicos. El análisis fisicoquímico de rutina del operador comprende la determinación de: Turbiedad, color, PH y alcalinidad A partir de este análisis el operador cuenta con los elementos para establecer las cantidades aproximadas de coagulantes que debe aplicar al ensayo (coagulación).
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MODULO 6 OPERACIÓN DE SISTEMAS DE BOMBEO.
6.1 BOMBAS: Equipo para convertir la energía mecánica externa en energía hidráulica de un líquido a fin de moverlo de un punto a otro. Las Bombas (incluyendo las partes auxiliares) cubiertas por la norma API 61. 8a. Edición, son diseñadas y construidas para un servicio útil mínimo de 20 años (excluyendo algunas partes de desgaste normal) y al menos para 3 años de operación ininterrumpida. La selección de bombas para transportar un fluido desde un punto A a otro punto B, se hace teniendo conocimiento de: El líquido que se va a manejar Las presiones de succión y descarga La presión total convertida a cabeza La temperatura del fluido a manejar La presión de vapor del fluido La viscosidad del fluido a condiciones de operación La gravedad específica a condiciones de operación Existe una gran variedad de tipos de bombas por lo que el Ingeniero de Proceso deberá investigar para tener una buena idea del rango de aplicabilidad de estas bombas, lo que le permitirá hacer una buena selección para el servicio requerido. Las bombas se fabrican en tamaño estándar. Lo fundamental para cada caso es seleccionar el tamaño y tipo que más se ajuste a las necesidades del proceso.
6.2 CLASIFICACIÓN SEGÚN EL PRINCIPIO DE OPERACIÓN Las bombas más utilizadas en procesos industriales son las Centrífugas, las de Pistón y las Rotatorias. 6.2.1. Centrifugas (Dinámicas): Son aquellas que tienen como elemento básico giratorio un elemento llamado “IMPULSOR” que hace circular el líquido desde el centro de este
(ojo) hacia la periferia, transmitiéndole a la masa del líquido la VELOCIDAD periférica de los álabes, determinando la PRESION de trabajo. Se utilizan en servicios de Alta Capacidad y en Servicios de Baja a Media Presión (o Cabeza).
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Estas bombas son las más ampliamente utilizadas en la industria para la transferencia de líquidos de todo tipo, suministro de agua, industria química , etc. Las capacidades de estas bombas varían desde 2 a 100.000 GPM y cabezas de descarga desde unos cuantos pies hasta miles de LBS/PLG 2. Las ventajas principales de la bomba centrífuga son su simplicidad, baja inversión, flujo uniforme, poco espacio requerido, bajo costo de mantenimiento, un bajo ruido en operación y facilidad de adaptarse a accionadores de motor o turbina. Las bombas sumergibles: son bombas centrifugas que tienen un impulsor sellado a la carcasa y por lo general de varias etapas. El conjunto se sumerge en el líquido a bombear. La ventaja de este tipo de bomba es que puede proporcionar una fuerza de elevación significativa pues no depende de la presión de aire externa para hacer ascender el líquido. Fig. No 10 Bomba Centrífuga
6.2.1.1. Clasificación de bombas centrifugas: Según Tipo de Carcaza: Voluta (caracol), Difusor, Turbina (vórtice). Según el Impulsor: Por dirección de flujo (radial, axial o mixto), Por configuración mecánica (Cerrados para alta presión, Abiertos para baja presión y pequeños flujos y Semiabiertos de uso general). Por Tipo de Succión: Sencilla y Doble. Por forma de los álabes: Curvatura simple y Tipo Francis. Por número de impulsores: Una etapa y Multietapa. 45
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Por posición del impulsor: Vertical y Horizontal. Según boquilla de succión: Simple o doble, Por un extremo (lateral, superior, inferior). Según configuración mecánica: De impulsor voladizo, De impulsor entre cojines, Verticales (en línea, sumideros), Turbina regenerativa
Fig. No 11. Impulsor Cerrado
Fig. No 12. Impulsor Semiabierto 6.2.2. Bombas De Desplazamiento Positivo: Estas bombas guían al fluido que se desplaza a lo largo de toda su trayectoria, el cual siempre está contenido entre el elemento impulsor, que puede ser un embolo, un diente de engranaje, un aspa, un tornillo, etc., y la carcasa o el cilindro. “El movimiento del desplazamiento positivo” consiste en el
movimiento de un fluido causado por la disminución del volumen de una cámara. Por consiguiente, en una máquina de desplazamiento positivo, el elemento que origina el intercambio de energía no tiene necesariamente movimiento alternativo (émbolo), sino que puede tener movimiento rotatorio (rotor). 46
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6.2.2.1 Las Bombas De Desplazamiento Positivo Se Clasifican En: Rotatorias: Bombas de Engranes Externos, Bombas de Engrane Interno Bombas Lobulares, Bombas de Tornillo, Bombas de Aspas y Bombas de tubo flexible. Reciprocas: Bombas de Acción Directa, Bombas de Potencia, Bombas del Tipo Potencia de Baja Capacidad, Bombas del Tipo de Diafragma 6.2.2.1.1 Bombas Rotatorias: Las bombas rotatorias que generalmente son unidades de desplazamiento positivo, consisten de una caja fija que contiene engranes, aspas, pistones, levas, segmentos, tornillos, etc., que operan con un claro mínimo. En lugar de "aventar" el liquido como en una bomba centrifuga, y a diferencia de una bomba de pistón, la bomba rotatoria descarga un flujo continuo. Las bombas rotatorias se clasifican en: Bombas de Leva y Pistón.- También se llaman bombas de émbolo rotatorio, y consisten de un excéntrico con un brazo ranurado en la parte superior. La rotación de la flecha hace que el excéntrico atrape el liquido contra la caja. Conforme continúa la rotación el liquido se fuerza de la caja a través de la ranura a la salida de la bomba. 6.2.2.1.2. Bombas Reciprocantes: Las bombas reciprocantes son unidades de desplazamiento positivo descargan una cantidad definida de liquido durante el movimiento del pistón o émbolo a través de la distancia de carrera. Sin embargo, no todo el líquido llega necesariamente al tubo de descarga debido a escapes o arreglo de pasos de alivio que puedan evitarlo. 6.3 CURVAS CARACTERÍSTICAS DE BOMBA La cabeza total desarrollada por la bomba, la potencia requerida para moverla y la eficiencia resultante varían con la capacidad. Las interrelaciones de capacidad, cabeza, potencia y eficiencia se denominan características de la bomba. 6.4 NPSHD DISPONIBLE = CABEZA NETA POSITIVA DE SUCCIÓN Es definido como el margen entre la presión existente en la brida de succión de la bomba y la presión de vapor del liquido a la temperatura de bombeo, convertida a cabeza de liquido bombeado. Es la presión absoluta por encima de la presión de vapor del fluido bombeado, disponible en la brida de succión de la bomba para mover y acelerar al fluido para que entre al impulsor. 47
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El NPHSD es función de las condiciones existentes en el sistema del liquido bombeado y de los cambios de presión y temperatura a lo largo de la línea de succión. El NPSHD es función de la geometría del sistema, la rata de flujo y las condiciones del líquido que se tendrán durante la operación de la bomba.
Fig. No 13. Curva Característica de una Bomba 6.4.1 Determinación Del NPSH Disponible: Para determinar el NPSHD es conveniente seguir los siguientes pasos: 1. Hacer un programa detallado (isométrico) del sistema de succión incluyendo las características del sistema, a saber: diámetro de tubería, accesorios, filtros y elevaciones. 2. Determine la presión estática absoluta sobre la superficie del liquido, expresada en pies del liquido: [(Pt + P AT) x 2,31]/ ge 3. Determine correctamente la presión de vapor del liquido a la temperatura de bombeo, expresada en pies del liquido: [P V x 2,31]/ ge 4. Determine la cabeza estática de succión o altura de aspiración estática: Hf 5. Calcule las pérdidas de presión por fricción en la línea de succión ( tubería, accesorios, filtros ) expresada en pies de liquido : hf s 48
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NPSHD = (Pl + P AT) 2,31 + Hl - hf S - PV x 2,31 ge
ge
NPSHD = (Pl + P AT - PV) x 2,31 + Hl – hf S ge Pl = presión manométrica sobre superficie del liquido. P AT = presión atmosférica. PV = presión de vapor. hfs = perdidas de presión en línea succión (fricción, accesorios, filtros, etc.). ge = gravedad especifica a condiciones de bombeo. 6.5 NPSHR REQUERIDO Es una característica individual de experimentalmente por el fabricante.
cada
bomba
y
es
determinado
Representa la cabeza requerida por el liquido para fluir sin vaporizarse desde la brida de entrada de la bomba hasta un punto dentro del ojo del impulsor, donde los alabes comienzan a impartir energía al liquido. Es función del diseño del impulsor, de la carcaza y de la velocidad.
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MODULO 7. CONTROL DE CALIDAD DEL AGUA. 7.1. CONTROL DE CALIDAD DEL AGUA
El control de calidad del agua, está basado en la toma y análisis de muestras provenientes de la fuente cuya calidad se desea conocer. Los objetivos deben ser de corto y largo plazo y referirse al problema que va a ser estudiado, definir la duración del programa, las épocas del año durante las cuales se realizarán los muestreos y el ámbito geográfico de la evaluación, bien sea puntual, local. En algunos casos el programa no pretende estudiar ningún problema, sino más bien preservar la salud pública como en el caso de los programas de control de calidad y vigilancia del agua suministrada a una comunidad. Los sitios de muestreo deben determinarse previamente, de acuerdo con el agua cuya calidad se quiera establecer y con las normas existentes. La frecuencia del muestreo depende de la variabilidad de la calidad del agua en el sitio seleccionado, de la presencia de eventos inesperados que puedan ocasionar alteraciones en la calidad del agua y de la existencia de normas que o requerimientos legales que obliguen al análisis de un determinado número de muestras en un lapso establecido. Es indispensable que, tan pronto se tome una muestra, sea marcada con una etiqueta, a prueba de agua, en donde se indique claramente, el lugar, la fecha y la hora de toma de la muestra, así como la naturaleza del agua y los parámetros que se deben medir in-situ o en el laboratorio. Las muestras deben ser enviadas al laboratorio lo más rápidamente posible y durante el transporte deben mantenerse debidamente refrigeradas y protegidas de cualquier posibilidad de contaminación durante el transporte.
7.2. INDICACIONES SOBRE TOMA DE MUESTRAS.
Cuando se trata de muestras para análisis bacteriológicos, pueden utilizarse frascos de vidrio esterilizados o frascos de polipropileno que soporten las temperaturas del autoclave. El cuello de frasco deberá protegerse contra la contaminación cubriéndolo con tapa rosca, con papel especial (kraft), paño de tela esterilizado o papel de aluminio. En el caso de aguas que hayan sido sometidas a desinfección, el desinfectante residual deberá neutralizarse tan pronto se haya tomado la muestra. El cloro residual se neutraliza añadiendo a los frascos de las muestras 0.1 mL de solución de tiosulfato de sodio de 18 g/l. 50
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7.2.1. Toma De Muestras Directamente De Una Fuente: Cuando se van a tomar muestras en ríos, arroyos, quebradas, lagos, estanques, embalses, manantiales o pozos pocos profundos, debe tenerse la precaución de que éstas, para que sean representativas de la calidad de la fuente, no deben ser tomadas muy cerca de las orillas, ni alejadas del sitio de extracción, ni muy cerca de los sedimentos del fondo, ni tampoco en sitios estancados. Deberá seleccionarse un sitio despejado, en donde el agua fluya libremente, cuando haya corriente. La muestra deberá tomarse sumergiendo el frasco en el agua, preferiblemente con la boca hacia abajo, hasta una profundidad de 15 a 30 cm, con el fin de evitar así la recolección de materiales flotantes. Una vez en el sitio indicado, debe procederse a enderezar el frasco, colocando la boca hacia arriba y enfrentada a la corriente. 7.2.2. Toma De Muestras De Pozos Profundos: Cuando se trate de pozos en operación, provistos de bomba de mano o mecánica, ésta deberá ponerse en operación antes de proceder a la toma de la muestra, con el fin de extraer el agua retenida en las tuberías. Para la toma de muestras bacteriológicas, de ser posible deberá flamearse la boca de la bomba o la boca de la descarga del pozo, utilizando una lámpara de soldar o una antorcha de gas propano, luego se deja correr el agua durante un rato antes de tomar la muestra, lo que se hará haciendo fluir el agua de la descarga directamente en el interior del frasco. 7.2.3. Toma De Muestras En Las Plantas De Tratamiento: Debido a que la toma de muestras en las plantas de tratamiento es una actividad que debe realizarse muy frecuentemente, hay necesidad de instalar grifos para este fin a lo largo de las instalaciones, de manera que las diferentes etapas del tratamiento puedan monitorearse con facilidad. Las tuberías conectadas a los grifos deberán ser cortas. Cuando no existen grifos, las muestras deberán tomarse sumergiendo el frasco en un tanque o en un canal. 7.2.4. Toma De Muestras De Tanque De Almacenamiento: Siempre que sea posible, todos los tanques de almacenamiento de agua deberán ser provistos de grifos para la toma de muestras de control. En caso de que no existan grifos para la toma de las muestras, deberá disponerse de un dispositivo especial para toma de muestras, como una botella Van Dorn o una botella Kemerer, o en su defecto colocar un lastre al recipiente, para facilitar su inmersión.
7.2.5. Toma De Muestras De Grifos: La mayor parte de las muestras se tomaran de grifos en las plantas de tratamiento, en los tanques de almacenamiento, en los predios de 51
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los consumidores, en las fuentes o los surtidores de agua públicos, o en las pilas de muestreo. La toma de las muestras deberá obedecer a un programa de muestreo establecido previamente. Cuando se tomen muestras del sistema de distribución, los grifos deberán elegirse con especial cuidado. Los grifos escogidos deberán estar muy limpios y el agua que sale por ellos deberá venir directamente de las tuberías de la red pública. Cuando se van a tomar muestras bacteriológicas, se recomienda flamear el grifo antes de tomar las muestras, luego dejar correr el agua durante por lo menos dos minutos y finalmente proceder a la toma de la muestra. Con el objeto de evitar los problemas causados por la toma de muestras de grifos domésticos, puede considerarse la instalación de pilas para muestreo en puntos estratégicos de los sistemas de distribución, debidamente protegidos. 7.2.6. Toma De Muestras De Hidrantes Para Incendio: Las muestras provenientes del sistema de abastecimiento público deberán tomarse de grifos apropiados, que suministren agua directamente de la red de distribución. Si esto no fuera posible, se pueden tomar las muestras de los hidrantes para incendio. Sin embargo, debe tenerse especial cuidado para purgar y desinfectar dichas tomas de agua, lo cual incluye la purga de las tuberías inmediatas y la desinfección del hidrante, cuando se vayan a tomar muestras para determinaciones bacteriológicas. 7.3. RECOMENDACIONES PARA LA TOMA DE LAS MUESTRAS. El frasco destinado al almacenamiento de la muestra para análisis bacteriológico, deberá mantenerse tapado y. abrirse solamente en el momento en que vaya a ser llenado. Una vez abierto el frasco, deberá evitarse que tanto la tapa como el cuello del mismo entren en contacto con cualquier cosa. 7.4. PARÁMETROS DE CALIDAD DEL AGUA La selección de los parámetros que se van a medir depende de los objetivos y el alcance del programa. Es necesario no solamente definir cada parámetro sino también establecer el rango de medida, para poder seleccionar el método de medición más apropiado.
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Tabla No. 6 Parámetros, Recipientes Y Preservación De Muestras PARAMETRO DBO, pH, Conductividad, Turbiedad, SST/SSV, Nitratos, Nitritos, Fósforo total, Fosfatos, Sulfatos, Cloruros Oxígeno Disuelto
VOLUMEN RECIPIENTE MUESTRA 1 Galón Plástico o vidrio
100 ml
Botellas Winkler
DQO, Nitrógeno total, Amonio, Fenoles,
1 Galón
Plástico o vidrio
Metales
500 mL
Pesticidas
2 Litros
Cianuros
500 mL
Plástico o vidrio enjuagado con ácido nítrico 1:1 Vidrio, enjuagado con solventes orgánico o secado al horno. Tapa recubierta internamente con teflón. Plástico o vidrio
Sulfuros
100 mL
Plástico o vidrio.
Bacteriológico
100 mL
Plástico o vidrio, estéril
PRESERVACION Refrigeración
Sulfato manganoso, Álcali-Yoduro-Azida. Acidificación con ácido sulfúrico a pH < 2 Refrigeración Acido nítrico a pH < 2 Refrigeración. Si la muestra es clorada, agregue 1 g de ácido ascórbico por litro. Agregue hidróxido de sodio a pH 12. Refrigeración. Agregue 4 gotas de acetato de zinc 2N e hidróxido de sodio a pH > 9 Refrigeración. Si las muestras son cloradas, agregue al recipiente tiosulfato de sodio.
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MODULO 8. PRACTICAS DE LABORATORIO. 8.1 ENSAYO DE JARRAS 8.1.1. Dosis Óptima: El ensayo de jarras es la herramienta de mayor ayuda con que cuenta un operador de planta para hallar la dosis óptima de coagulante y ayudante de coagulación. Consiste en simular en el laboratorio las operaciones de coagulación, mezcla rápida, floculación y sedimentación. Para realizar el ensayo de jarras, deben seguirse las siguientes indicaciones: Materiales necesarios: Equipo para prueba de jarras que consiste en una base iluminada, 6 jarras o vasos de precipitado de 1 ó 2 litros de capacidad, de vidrio o acrílico transparente y un sistema de agitación para cada vaso, de velocidad variable.
Fig. No 14. Equipo Para Prueba de Jarras Solución fresca de sulfato de aluminio (o del coagulante, ayudante de coagulación o floculación) que se esté dosificando en la planta, de una concentración equivalente a 10 gramos por litro, para lo cual se pesan 10 gramos del coagulante y se diluyen en un litro de agua de la que se utiliza en la planta. Un mililitro de ésta solución contiene 10 miligramos de coagulante. Una (1) pipeta graduada de 5 mililitros y una (1) pipeta graduada de 1 mililitro. Seis (6) vasos de precipitado de 50 mL o en su defecto seis vasos desechables pequeños. Seis (6) jeringas plásticas desechables de 10 mL, sin aguja.
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8.1.1.2.
Procedimiento
8.1.1.2.1 Determinación de Dosis Óptima. En un balde se toman unos 10 litros del agua cruda que está entrado a la planta y se le determinan turbiedad, pH y alcalinidad. Luego, agitando vigorosamente el contenido del balde cada vez, se miden cantidades exactas de agua cruda (bien sea 1 o de 2 litros, según el volumen de las jarras o vasos del equipo) y se vierten en cada una de las jarras. Se fijan diferentes dosis de coagulante a aplicar a cada jarra, se calculan los mililitros de solución necesarios para cada dosis (teniendo en cuenta el volumen de las jarras), se miden con pipeta y se vierten en cada uno de los vasos pequeños. El contenido de coagulante medido en cada vaso se transfiere a una jeringa desechable y ésta se coloca en frente de la respectiva jarra a la cual se va a aplicar dicha dosis. Se inicia la agitación o mezcla rápida, fijando la velocidad de rotación de las paletas en 100 r.p.m. o más. Se aplica a cada jarra la dosis de coagulante lo más rápido posible, introduciendo parcialmente la jeringa en el agua, para evitar derrames. Una vez terminada la aplicación de coagulante, se deja transcurrir un minuto, para simular la mezcla rápida. Transcurrido dicho tiempo se baja la velocidad de agitación a 40 r.p.m. y se cuentan diez minutos, simulando la mezcla lenta. Simultáneamente se observa cada jarra para anotar el tiempo de aparición de floc, el aspecto del mismo y la forma como va creciendo. Transcurrido el tiempo de mezcla lenta, se retiran las paletas agitadoras cuidadosamente para no romper el floc e iniciar un período de sedimentación de 10 minutos. Concluida esta fase, se procede a hacer las mismas determinaciones al sobrenadante de cada uno de los vasos: turbiedad, color, pH y alcalinidad. Se escogerá como dosis óptima (DO en mg/l) del coagulante utilizado la menor dosis, de las aplicadas a las jarras, que produzca un sobrenadante con los valores más bajos de turbiedad. Esta dosis, luego de los cálculos respectivos, se aplica en la planta.
8.1.1.2.2 Determinación de Concentración Optima: Una vez obtenida la dosis optima se prepara otra prueba donde a todas la jarras o vasos se aplicara la misma dosis optima pero variando la concentración que puede ser de 0.1, 1.0, 2.0, 3.0, 5.0 y 10%. El procedimiento es igual al seguido para encontrar la dosis optima, donde sólo se varia la concentración. La concentración optima será aquella que produzca la menor turbiedad residual. 55
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8.1.1.2.3 Determinación de pH optimo: Se prepara otra prueba donde a todas la jarras se le aplicara la dosis óptima a la concentración optima obtenidas anteriormente, solo se variará el pH. Para la variación del pH se tratara que la jarra del centro quede con el pH natural del agua cruda y las anteriores a estas se le disminuirá el pH aplicando acido clorhídrico o sulfúrico al 0.1 N. A las otras jarras se le subirá el pH agregando hidróxido de sodio 0.1 N. Es conveniente hacer pruebas para determinar la cantidad de acido o de hidróxido que se necesitan para una variación determinada. El pH óptimo será aquel correspondiente a la jarra que tenga la menor turbiedad residual. De esta manera se pueden determinar los parámetros de tiempo óptimo de mezcla rápida, tiempo optimo de floculación, gradientes óptimos de floculación y todas las demás que el operador programe. 8.2 AJUSTE DEL DOSIFICADOR Para el ajuste del dosificador, es necesario conocer el caudal de agua que entra a la planta y la dosis óptima de coagulante. Aplicando la siguiente fórmula se hallan los gramos que debe descargar el dosificar en un minuto: Descarga del dosificador (g/min) = Q(L/s) * DO(mg/L)*0.06 Ejemplo. En una planta potabilizadora que trata un caudal de 24 l/s, la prueba de jarras arrojó una dosis optima de sulfato de aluminio de 34 mg/l. Cuál debe ser la descarga del dosificador en un minuto? Descarga del dosificador = 24L/s *34mg/L*0,06 = 48,96 g/min Para el mismo ejemplo anterior, calcular el gasto diario y mensual de sulfato de aluminio. Gasto diario = 48,96g/min *1440min/día = 70.502,4 g/día = 70,5kg/día Gasto mensual = 70.502,4Kg/día *30días/mes = 2.115,1Kg/mes Cuántos bultos de sulfato de aluminio de 50 Kg es necesario adquirir al mes para suplir el consumo de la planta? Bultos/mes = 2.115,1Kg/mes/50 = 42,3 = 43 bultos/mes
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Es necesario recordar que el Sulfato de aluminio en estado granular no debe aplicarse directamente al agua que está entrando a la planta, porque de esta manera resulta muy difícil obtener la concentración uniforme en toda la masa de agua. En la práctica el dosificador descarga a un tanque provisto de un agitador. A dicho tanque entra agua tratada y sale una solución concentrada de sulfato de aluminio, que es la que se aplica al agua cruda. En algunos casos, el sulfato de aluminio se recibe en bultos y se disuelve previamente en un tanque de almacenamiento y de allí se extrae para dosificarlo de acuerdo con la dosis óptima obtenida mediante ensayo de jarras. Para el cálculo de volumen a descargar en un minuto, basta con conocer la concentración de la solución de sulfato y la cantidad de sulfato de aluminio que se debe aplicar en un minuto. Para el ejemplo anterior, calcule el volumen de solución de sulfato de aluminio que se debe aplicar en un minuto, si la concentración de la solución es de 80 gramos de sulfato por litro. C = 80 gramos/litro
Descarga de sulfato = 48,96 g/min
Para saber el volumen de solución a aplicar por minuto, basta con hacer una regla de tres simple: Litro de Solución 1 X
Peso de sulfato 80 g 48,96 g
X = 48,96*1/80 = 0,612/min. = 612 mililitros / minuto El mismo procedimiento debe aplicarse para el ajuste de los dosificadores de cloro, cuando se parte de una solución de hipoclorito de sodio o de calcio de concentración conocida, bien sea comprada a un proveedor o preparada en la planta.
8.3 DETERMINACION DE LA TEMPERATURA 8.3.1 Recomendaciones Para El Análisis La determinación de la temperatura en una muestra de agua debe ser realizada preferiblemente in situ. Normalmente, las medidas pueden hacerse con un termómetro Celsius (centígrado) con una columna de mercurio, además; se emplean muchos medidores electrónicos provistos con sondas o sensores de temperatura. 57
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Para prevenir rupturas en labores de campo, se recomienda un termómetro con cazoleta protectora. Los termómetros y sensores de temperatura deben calibrarse al menos una vez al año por una institución competente, o contra termómetros certificados, siguiendo el protocolo para cada equipo. 8.3.2 Materiales Y Reactivos Vasos de precipitados. Agua destilada. destilada. 8.3.3 Equipos Termómetro de mercurio. Multiparametro. pHmetro. 8.3.4 Procedimiento. A las muestras (aguas crudas, aguas tratada) se le realiza la medición de la Temperatura utilizando el termómetro de mercurio, el pH metro o el Multiparametro, introduciendo el electrodo a la muestra, se enciende el pH metro, ON/OFF, se presiona el botón AR y el botón RUN/ENTER, se espera unos segundos para luego obtener el resultado. Si se utiliza el Multiparámetro, se presiona el botón ON/OFF se presiona el botón Temperatura, y se obtiene luego de unos segundos la lectura.
8.4 DETERMINACION DE CLORO RESIDUAL LIBRE, COMBINADO Y TOTAL.
8.4.1 Método Colorimétrico del DPD: El cloro libre, Cl 2, reacciona instantáneamente con la N-N-Dietilfenilendiamina, DPD, formando un compuesto color rosado-violeta que puede medirse espectrofotométricamente, o con un disco comparador. El método fotométrico requiere la preparación de numerosas soluciones y realizar curvas patrones, lo que ha hecho que actualmente en la mayor parte de las plantas se utilice el método simplificado del comparador de color. En este método se vierten 5, 10 o 15 ml de agua a analizar en una de las cubetas del equipo. Se echa un bolsillo que contiene la cantidad específica de DPD y si tiene cloro se desarrolla un color rosado. Esta cubeta se introduce en una ranura del equipo y la otra cubeta con agua sin reactivo se introduce en la otra ranura al fondo de la cual se observa el color rosado a comparar. Se hace girar el disco a contraluz de un fondo blanco hasta que las intensidades del rosado sean igual. En este momento en una ventana se observa la concentración de cloro en mg/l. 58
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Para la determinación del cloro total se utiliza otra tableta de DPD específica para cloro total y se realiza el mismo procedimiento. Se debe tener en cuenta que: Cloro total = cloro c loro libre + cloro cl oro combinado
8.5 MEDICION DE PH Y CALIBRACION CALIBRACION DE POTENCIOMETRO La medición del pH se podrá efectuar utilizando medidores de electrodo. Podrán utilizarse papeles indicadores si solo se requieren valores aproximados de pH.
8.5.1 Recomendaciones Para El Análisis La determinación de pH debe ser realizada preferiblemente in situ. Se recomienda la calibración del equipo antes de su salida del laboratorio. Durante la medición del pH se recomienda introducir el electrodo en la muestra, realizando una agitación del mismo durante algunos segundos; esperar hasta que se estabilice el valor arrojado por el equipo. Terminada cada medición lavar el electrodo con agua destilada y secar con papel absorbente. El electrodo se guardará en un tubo con una solución patrón, nunca se debe dejar al aire. Antes de cualquier cualquier medición verificar la calibración del equipo a través de la introducción del electrodo en soluciones Buffer (soluciones Estándar de pH 4-7 y 10). El fabricante da las instrucciones para esta calibración en el manual. Finalmente lavar todo el material con agua destilada. destilada. 8.5.2 Materiales Y Reactivos. Vasos de precipitados Agua destilada. destilada. Soluciones Buffer. Papel absorbente. 8.5.3 Equipos Medidor de pH, potenciómetro o papeles indicadores 8.5.4 Procedimiento. Se adiciona agua del muestreo en un vaso de precipitado. precipitado. Se enciende el equipo con el botón ON/OFF. 59
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Se espera unos segundos para la estabilización del equipo, se presiona el botón AR y el botón RUN/ENTER. Se agita, y luego se introduce el dispositivo a la muestra. Luego esperamos la estabilización del equipo nuevamente, y seguido el pH metro da el valor que ha medido.
8.6 DETERMINACION DE TURBIEDAD Y CALIBRACION DE TURBIDIMETROS. 8.6.1 Recomendaciones Para El Análisis Determine la turbidez del agua el mismo día que fue muestreada. La determinación de turbidez es aplicable a cualquier muestra de agua que esté libre de basuras y partículas gruesas que puedan asentarse con rapidez. Se obtienen resultados falsos por material de vidrio sucio, por la presencia de burbujas y por los efectos de vibración que puedan alterar la visibilidad en la superficie de la muestra de agua. Analizar las muestras posterior a su recolección, recolección, si no es posible un análisis rápido, refrigerar a 4 º C hasta 48 horas en oscuridad Aclimatar las muestras antes antes de analizar analizar 8.6.2 Materiales Y Reactivos Cubetas de 25ml o del volumen requerido Agua destilada. destilada. Papel Absorbente. 8.6.3 Equipos. Espectrofotómetro Espectrofotómetr o NOVA 60, HACH o Turbidimetro Turbidim etro HACH 2100A o 2100P 8.6.4 Procedimiento Conectar el Espectrofotómetro (AC) y seguir las instrucciones del fabricante
en el manual de operación. Encender el equipo a través del interruptor power. Esperar durante15” (segundos) la estabilización del equipo. También se puede emplear el Turbidímetro, para determinar este parámetro. Se adiciona la muestra en la Celda de vidrio de forma cilíndrica, luego se introduce en la rejilla respectiva, asegurando el contenido de la muestra a analizar. Se conecta el equipo al toma corriente o se verifica que tenga las baterías. Se enciende presionando el botón POWER, se verifica su calibración, y luego se presiona el botón READ para obtener la lectura. 60
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Estos equipos cuentan con un juego de patrones de 1, 10, 100 y 1000 NTU para realizar la calibración de acuerdo al rango de trabajo. En el manual se dan las indicaciones para realizar esta operación
8.7 DETERMINACION DE COLOR APARENTE. El término color se emplea aquí para significar el “color verdadero”, esto es, el color del
agua a la cual se le ha separado la turbiedad. La expresión “color aparente” incluye no solamente el color debido a sustancias en
solución sino también el originado por materia en suspensión. El color aparente se determina en la muestra original sin centrifugarla o filtrarla.
8.7.1 Colorimetría Visual: La determinación del color se basa en la comparación de de la muestra con soluciones coloreadas de concentración conocida. La comparación puede hacerse también con discos coloreados de vidrio especial siempre y cuando estos hayan sido adecuadamente calibrados. El método que emplea la escala de platino-cobalto para la medición del color es el aceptado como método normativo. En él la unidad de color es la producida por un miligramo de platino en forma de ión cloroplatinato, por litro de solución. 8.7.2 Equipos: Una serie de tubos Nessler, equiparados, de 50 ml, de forma alta. 8.7.3 Preparación de los Testigos: Disolver 1.246 g de cloroplatinato de potasio, K2PtCl6, y 1 g de cloruro cobaltoso cristalizado, CoCl 2.6H2O, en un poco de agua destilada a la cual se añaden 100 ml de ácido clorhídrico, HCl, concentrado. Mezclar bien y diluir a 1 litro con agua destilada. Homogenizar la muestra. Esta solución corresponde a 500 unidades de color. A partir de este patrón preparar testigos que tengan colores de 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 45, 50, 60, 70 unidades de color, agregando mediante pipeta volumétrica a tubos de Nessler debidamente rotulados, el volumen necesario de la solución madre de platino-cobalto para obtener, en cada caso, 50 ml de solución testigo, luego completar a los 50 ml con agua destilada y homogenizar la muestra. 8.7.4 Procedimiento Para la Comparación del Color: Llenar uno de los tubos de Nessler de la serie, hasta la marca de los 50 ml, con el agua que se va a examinar y compararla con los testigos en cuanto a color. Para el efecto mirar verticalmente hacia abajo a través de los tubos contra una superficie blanca o especular colocada en tal posición que refleje la luz hacia arriba a través de las columnas del líquido.
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Si el color excede de 70 unidades, se diluye la muestra con agua destilada en proporción adecuada hasta que su color quede dentro de la concentración de color de los testigos y se multiplica el resultado por el factor de dilución apropiado.
8.8 DETERMINACION DE DUREZA TOTAL 8.8.1 Método Complexométrico del EDTA: El ácido Etilen-Diamino Tetra-Acético y sus sales disódicas, EDTA, forman quelatos solubles, poco disociados, cuando se agregan a una solución que contiene cationes divalentes como Mg ++ y Ca++. Para detectar el punto final de la titulación se utiliza el colorante negro de eriocromo T, el cual tiene la propiedad de formar con los iones calcio y magnesio un complejo de color rojo vino tinto, menos estable que el complejo que forma el EDTA con estos mismos iones. Al desaparecer de la solución acuosa los iones libres de Ca ++ y Mg++ que originan la dureza, el complejo de color vino tinto cede los iones calcio y magnesio al EDTA, quedando libre el colorante negro de eriocromo T, de color azul. 8.8.2 Materiales Bureta de 50 ml con soporte. Erlenmeyer de 250 ml. Pipeta volumétricas de 1.0, 5.0, 10 y 50 ml. Cucharilla de 0.2 – 0.3 g de capacidad. 8.8.3 Reactivos. 8.8.3.1 Solución Amortiguadora: Se pesan 0.644 g de cloruro de magnesio, MgCl 2 o 0.780 g de sulfato de magnesio, MgSO 4.7H2O y 1.179 g de sal disódica de EDTA y se disuelven en 50 ml de agua destilada. Se pesan 16.9 g de cloruro de amonio, NH 4Cl y se diluyen en 143 ml de hidróxido de amonio, NH4OH, se mezclan bien las dos soluciones y se diluyen a 250 ml. Se almacena el reactivo en un frasco herméticamente cerrado para evitar la pérdida de NH 3 o la absorción de CO 2 8.8.3.2 Indicador Negro de Eriocromo T: Se pesan 0.5 g de colorante negro de eriocromo T y se mezclan muy bien en un mortero de vidrio con 100 g de NaCl, previamente secado a 100º C. Se debe guardar en recipientes de vidrio bien tapado y colocar en lugar seco, para evitar el deterioro del reactivo por la humedad. 62
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8.8.3.3 Solución Valorada de EDTA, 0.001 M (0.02N): Se pesan 3.723 g de sal disódica del EDTA , se disuelven en un poco de agua destilada y se diluye a un litro. Se titula contra una solución patrón de Carbonato de Calcio. Se almacena preferiblemente en recipiente de polietileno o vidrio de boro silicato. 8.8.3.4 Solución Patrón de Carbonato de Calcio: Se pesan 1.0000 g exacto de Carbonato de Calcio anhidro, calidad analítica (patrón primario) y se pasa a un erlenmeyer de 500 ml. Se coloca en el cuello del matraz un embudo y se agrega poco a poco HCl 1+1, hasta que todo el CaCO 3 se haya disuelto. Se agregan 200 ml de agua destilada y se hierve durante unos minutos para expeler el CO 2. Se enfría, se adicionan unas pocas gotas de indicador rojo de metilo y se agrega gota a gota HCl 1+1 o NH 4OH hasta obtener un viraje de color naranja mediano. Se transfiere a un balón aforado de un litro y se completa a la marca con agua destilada. 8.8.3.5 Hidróxido de Sodio 0.1N: Se disuelven 20.0 g de NaOH en 500 ml de agua destilada 8.8.4 Procedimiento: Se toman 100 ml de la muestra o una porción alícuota diluida a 100ml de tal manera que no se requieran más de 15 ml de solución tituladora de EDTA y que la titulación no tarde más de 5 minutos contados a partir de la adición de 1 ml de solución buffer. Se añade una medida del indicador negro de eriocromo y se titula con la solución de EDTA, agitando continuamente hasta que el color rojizo desaparezca. Las últimas gotas de EDTA se adicionan a intervalos de 3-5 segundos hasta que la solución vire al color azul. Se debe correr un blanco utilizando el mismo volumen de agua desmineralizada e idénticas cantidades de solución buffer e indicador usados en la muestra. Para los cálculos de la dureza se resta del volumen de EDTA gastados en la titulación de la muestra el volumen de EDTA gastado en el blanco. CALCULOS mg CaCO3/l =
AxB . x 1000 Vol. De muestra
Donde: A = ml de EDTA gastados en la titulación B = Título del EDTA o sea mg CaCO 3 equivalentes a 1 ml de EDTA
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8.9 DETERMINACION DE ALCALINIDAD. 8.9.1 Método Titrimétrico: Los iones hidroxilo presentes en una muestra de agua como resultado de la disociación o hidrólisis de sales, son neutralizados por reacción cuantitativa, con un ácido de concentración conocida.En muestras de agua potable, la alcalinidad puede determinarse volumétricamente, utilizando indicadores internos para detectar el punto final de la valoración. Estos son la fenolftaleína cuyo viraje se produce a un PH de 8.3 y el indicador mixto que presenta su viraje en un rango de PH entre 4.6-5.2. 8.9.2 Materiales. Bureta de 50 ml con su soporte Erlenmeyer de 250, 300, 500y 1000 ml Pipetas volumétricas. Probetas de 50, 100, 500 y 1000 ml. Agitador magnético. 8.9.3 Reactivos. 8.9.3.1 Solución de Carbonato de Sodio (0.05 N): Se secan a 250ºC durante 4 horas, 3 a 5 gramos de Na 2CO3, patrón primario y se enfría en un desecador. Se pesan 2.5 ± 0.2 g del reactivo seco y se disuelven en un poco de agua destilada, luego se transfiere la solución a un balón aforado de 1 litro, se completa a la marca con agua destilada y se homogeniza bien. 8.9.3.2 Solución Valorada de Acido Sulfúrico o Clorhídrico 0.1N: Se diluyen 3.0 ml de H2SO4 concentrado u 8.3 ml de HCl concentrado a 1 litro de agua destilada y se valora con la solución de Na 2CO3. La normalidad se calcula de la siguiente manera: N =
AxB 53.0 x C
.
Donde: A = g de Na2CO3 disueltos en un litro de agua (2.5 ± 0.2) B = ml de solución de solución de Na 2CO3 tomados para la titulación (40 ml) C = Volumen total de ácido gastado en la titulación.
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8.9.3.3 Indicador Mixto De Verde De Bromocresol – Rojo De Metilo: Solución acuosa: Se pesan 100 mg de sal sódica de verde de bromocresol y 20 mg de sal sódica de rojo de metilo y se disuelven en 100 ml de agua destilada o desionizada. Para la solución alcohólica se utiliza alcohol etílico o isopropílico al 95% en lugar de agua destilada. 8.9.3.4 Solución Alcohólica de Fenolftaleína: Se pesan 5.0 gr de fenolftaleína y se disuelven en 500 ml de alcohol etílico o isopropílico al 95%, se completa a un litro con agua destilada Si es necesario se agrega gota a gota solución de NaOH 0.02N hasta una coloración levemente rosada. 8.9.4 Procedimiento: Se toman 100 ml de muestra en un erlenmeyer de 250 ml. Si la muestra tiene cloro residual libre se adiciona una gota de solución de tiosulfato de sodio. Se agregan 2-3 gotas del indicador de fenolftaleína. Si la muestra toma una coloración rojiza, se adiciona lentamente y con agitación constante la solución de ácido elegido para la titulación hasta que la muestra se torne incolora. Se anota este valor como F. Se adiciona enseguida, a la misma muestra, 2-3 gotas del indicador mixto, lo que le da un color azul verdoso, se continúa agregando ácido hasta el virage del indicador a un color gris-rosáceo. El PH de la muestra en este punto es aproximadamente 4.6. Se anota el volumen total de ácido gastado como T. NOTA: Si al adicionar la fenolftaleína la muestra no cambia de color, es porque el PH es menor de 8.3, en este caso se adiciona a la misma muestra el indicador mixto y se titula como se indicó antes. 8.9.5 Cálculos. 8.9.5.1 Alcalinidad a la Fenolftaleina. A x N . x 50 x 103 B A = ml de ácido gastado en la titulación N = normalidad del ácido B = volumen de muestra tomado mg CaCO3 /l =
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8.9.5.2 Alcalinidad Total: La fórmula es igual a la anterior pero A representa el volumen total de ácido gastado incluyendo el de la fenolftaleína y el del indicador mixto.
RELACION VOLUMENES EN LA TITULACION
ALCALINIDAD DE HIDROXIDOS mg CaCO3 /l
ALCALINIDAD DE CARBONATOS mg CaCO3 /l
ALCALINIDAD DE BICARBONATO mg CaCO3 /l
F = 0 F<½T F = ½T F > ½T F = T
0 0 0 2F – T T
0 2F 2F 2(T – F) 0
T T - 2F 0 0 0
F = Alcalinidad a la fenolftaleína T = Alcalinidad total
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LUIS ALFONSO GONZALEZ CABALLERO INGENIERO QUIMICO
ANEXO 1: DECRETO 1575 DE 2007
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ANEXO 2: RESOLUCION 2115 DE 2007
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