INSTITUTO TECNOLOGICO DE CERRO AZUL MATERIA: ABASTECIMIENT ABASTE CIMIENTO O DE AGUA AGUA
CLAVE: ICJ-1001
CATEDRATICO: OCTAVIANO LUNA SANCHEZ
TRABAJO: UNIDAD 6: PLANT PLANTAS AS POTABILIZADORAS
PRESENTA: HERNANDEZ HERNANDEZ ROLANDO
ESPECIALIDAD ING. CIVIL
CERRO AZUL VER, NOVIEMBRE NOVIEMBRE DEL 2013
6.1. QUÍMICA BÁSICA DEL AGUA
6.2. NORMAS DE CALIDAD DEL AGUA POTABLE
6.3. TIPOS DE PLANTAS POTABILIZADORAS
6.4. OPERACIONES UNITARIAS (SEDIMENTACIÓN, MEZCLADO, FILTRACIÓN, CLORACIÓN).
6.5. COMPONENTES DE PLANTAS POTABILIZADORAS.
6.1. QUÍMICA BÁSICA DEL AGUA ¿Cómo Se Enlazan Las Moléculas De Agua? Los átomos del hidrógeno se atraen a otros átomos, como átomos de oxígeno, porque los electrones del hidrógeno son atraídos por los átomos de oxígeno. Consecuentemente los átomos de oxígeno tiene una carga parcial levemente negativa y los átomos del hidrógeno tienen una carga parcial levemente positiva. Los átomos con carga positiva del hidrógeno son atraídos por los átomos de oxígeno de carga negativa de otra molécula de agua. Estas fuerzas de la atracción se llaman enlaces de hidrógeno. Las fuerzas que sostienen dos moléculas juntas en un enlace de hidrógeno son mucho más fuertes que la fuerza entre las moléculas de los hidrocarburos. La atracción entre el hidrógeno y los átomos de oxígeno da lugar a un punto de ebullición mucho más alto del agua de lo que se esperaba para diversas moléculas con la misma masa. Los enlaces del hidrógeno se pueden también formar entre los átomos del hidrógeno, del sulfuro o del nitrógeno, típicamente grupos del azufre y del nitrógeno (SH - y de NH 2 - ).
En la figura siguiente se esquematiza este tipo de unión.
Enlaces de hidrógeno
¿Cómo Se Evapora El Agua? Para que el agua se evapore, se necesita brindarle energía. Las moléculas de agua absorben esa energía individualmente. Debido a esta absorción de energía los enlaces de hidrógeno que conectan las moléculas de agua unas con otras se rompen. Las molé- culas ahora están en el estado gaseoso; esto se llama vapor de agua. El cambio de fase de líquido a vapor se llama evaporación. Durante la evaporación una molécula de agua absorbe calor latente.
¿Cuáles Son Las Características Térmicas Del Agua? Las características térmicas un líquido para pasar al estado de vapor son: el calor específico y calor latente.
El calor específico es la cantidad de calor por unidad de masa que es requerido para aumentar la temperatura de un líquido en un grado centígrado. La relación entre el calor y cambio de temperatura es expresada generalmente por la siguiente relación, donde el calor específico es representado con la letra c. Q = c*m*dT Q = calor agregado c = calor específico m = masa dT = cambio en la temperatura El calor específico de un líquido se expresa en kilo jules por kilogramo por grados centígrados. El calor específico del agua es 4,18 kJ/kg * ºC , a 0 º C. El calor latente significa la energía que es absorbida por las moléculas de agua, para evaporarse. Es el calor que se oculta en la molécula de agua y que se utiliza, cuando el agua es calentada. Cuando el agua se enfría la energía se oculta dentro de la molécula otra vez. El calor latente se expresa en Kilo jules por kilogramos (kJ/kg). El calor latente del agua es 2250 kJ/kg a presión normal y temperatura de 100 ºC.
¿Cómo Determinamos La Solubilidad De Un Gas En Agua? La ley de Henry determina la solubilidad de un gas en agua. Esta ley relaciona la presión parcial de un gas con su fracción molar en la fase líquida, y declara así cuánto del gas se disuelve. Según cálculos de la ley de Henry el oxígeno es más soluble en agua que el nitrógeno. La ley de Henry es descrita como sigue: P=H*x En la qué P es la presión parcial de un gas, H es una constante que es diferente para cada gas y x es la fracción molar del gas en la fase líquida. Algunos gases tienen una manera específica de actuar cuando se disuelven. El dióxido de carbono, el ácido sulfúrico y varios agentes volátiles, como el cloruro de hidrógeno, se disuelven y se combinan. Su coeficiente de solubilidad es mucho más alto que el de otros gases.
¿Cómo Determinamos La Solubilidad De Un Líquido En Agua?
Las moléculas de agua son polares. La solubilidad de un líquido está determinada por su polaridad. Las sustancias Polares contienen a menudo los grupos OH - , SH - y NH 2 - . Cuanto más de estos grupos contenga un líquido, más soluble es en el agua. Esto es porque los grupos en cuestión pueden formar enlaces de hidrógeno con el agua. Estos enlaces son muy fuertes, una molécula que contenga más grupos OH - , SH - y NH 2 más soluble es en el agua. ¿Qué Es La Oxidación Y La Reducción? El agua puede participar en reacciones de oxidación y de reducción. El agua puede ser un donante de electrones; esto se llama un agente de reducción. El tipo de reacción donde un compuesto toma electrones se llama una reacción de oxidación. El aceptador de electrones se llama el oxidante. El oxígeno es originado generalmente durante tales reacciones. El agua puede también actuar como aceptador de electrones, un oxidante. El tipo de reacción donde un compuesto acepta electrones se llama una reacción de reducción.
Un ejemplo de una reacción redox de cobre (Cu) y de zinc (zn):
Cu 2+ (aq) + Zn(s) -- > Zn 2+ (aq) + Cu(s) Cuando separamos esta reacción en dos porciones podemos ver la oxidación y la reducción de los electrones (e - ) por separado: Zn(s) - > zn 2+ + è - (oxidación) Cu 2+ (aq) + è - - > Cu(s) (reducción) En esta reacción el zinc es un donante de electrones; el cinc es el agente de reducción. El cobre es el agente que oxida, porque el cobre es el aceptador de electrones. En esta reacción el zinc es un donante de electrones; el cinc es el agente de reducción. El cobre es el agente que oxida, porque el cobre es el aceptador de electrones.
6.2. NORMAS DE CALIDAD DEL AGUA POTABLE NORMAS MÉXICANAS Del Sector Agua La Comisión Nacional del Agua a través del Comité Técnico de Normalización Nacional de Medio Ambiente y Recursos Naturales, tiene a su cargo las Normas Mexicanas en materia de Análisis de Agua, para aguas naturales, potables, residuales y residuales tratadas y las Normas Mexicanas de productos químicos utilizados en la potabilización del agua para uso y consumo humano, lo anterior para fomentar el uso sustentable del agua y la calidad de los servicios de agua potable, alcantarillado y saneamiento. Análisis de Aguas Las Normas Mexicanas de Análisis de Agua establecen los métodos de prueba que permitan determinar los parámetros que definen la calidad de los diferentes tipos de agua. Para facilitar su consulta en esta página estas normas mexicanas se han clasificado en: 1.- Muestreo, Procedimientos y Vocabulario NMX-AA-003-1980 Aguas residuales - muestreo NMX-AA-014-1980 Cuerpos receptores - muestreo NMX-AA-089-2-1992 Al ambiente - calidad del agua - vocabulario - parte 2 NMX-AA-115-SCFI-2001 Al ambiente - calidad del agua - vocabulario - parte 2
2.- Parámetros biológicos y toxicidad NMX-AA-042-1987 Calidad del agua - determinación del número más probable (NMP) de coliformes totales, coliformes fecales (termotolerantes) y Escherichia coli presuntiva NMX-AA-110-SCFI-1995 Análisis de agua - evaluación de toxicidad aguda con Daphnia magna Straus (crustacea cladocera) - Método de prueba NMX-AA-110-SCFI-1995 Análisis del agua y sedimentos - evaluación de toxicidad aguda con photobacterium phosphoreum.- Método de prueba. NMX-AA-112-SCFI 1995 Análisis del agua y sedimentos - evaluación de toxicidad aguda con photobacterium phosphoreum.- Método de prueba. NMX-AA-113-SCFI-1999 Análisis de agua - determinación de huevos de helminto.Método de prueba.
3.-Parámetros físicos y organolépticos NMX-AA-004-SCFI-2000 Análisis de agua.-determinación de sólidos sedimentables en aguas naturales, residuales y residuales tratadas.- Método de prueba. NMX-AA-005-SCFI-2000 Análisis de agua.-determinación de grasas y aceites recuperables en aguas naturales, residuales y residuales tratadas.- Método de prueba NMX-AA-008-SCFI-2000 Análisis de agua.-determinación del pH- Método de prueba. NMX-AA-017-1980 Aguas - determinación de color. NMX-AA-034-SCFI-2001 Análisis de agua.-determinación de sólidos y sales disueltas en aguas naturales, residuales y residuales tratadas.- Método de prueba. NMX-AA-038-SCFI-2001 Análisis de agua.-determinación de turbiedad en aguas naturales, residuales y residuales tratadas.- Método de prueba. NMX-AA-045-SCFI-2001 Análisis de agua.-determinación de color platino cobalto en aguas naturales, residuales y residuales tratadas.- Método de prueba. NMX-AA-093-SCFI-2000 Análisis electrolítica.- Método de prueba.
de
agua.-determinación
de
la
conductividad
4.-Parámetros químicos inorgánicos, grupo 1 NMX-AA-026-SCFI-2001 Análisis de agua.-determinación de nitrógeno total en aguas naturales, residuales y residuales tratadas.- Método de prueba. NMX-AA-029-SCFI-2001 Análisis de agua.-determinación de fósforo total en aguas naturales, residuales y residuales tratadas.- Método de prueba. NMX-AA-030-SCFI-2001 Análisis de agua.-determinación de la demanda química de oxígeno en aguas naturales, residuales y residuales tratadas.- Método de prueba. NMX-AA-036-SCFI-2001 Análisis de agua.-determinación de acidez y alcalinidad en aguas naturales, residuales y residuales tratadas.- Método de prueba. NMX-AA-039-SCFI-2001 Análisis de agua.-determinación de sustancias activas al azul de metileno (SAAM) en aguas naturales, potables, residuales y residuales tratadas.- Método de prueba. NMX-AA-044-SCFI-2001 Análisis de agua.-determinación de cromo hexavalente en aguas naturales, residuales y residuales tratadas.- Método de prueba. NMX-AA-051-SCFI-2001 Análisis de agua.-determinación de metales por absorción atómica en aguas naturales, potables, residuales y residuales tratadas.- Método de prueba.
NMX-AA-058-SCFI-2001 Análisis de agua.-determinación de cianuros totales en aguas naturales, potables, residuales y residuales tratadas.- Método de prueba. NMX-AA-063-SCFI-2001 Análisis de agua.-determinación de boro en aguas naturales, residuales y residuales tratadas.- Método de prueba. NMX-AA-072-SCFI-2001 Análisis de agua.-determinación de dureza total en aguas naturales, residuales y residuales tratadas.- Método de prueba.
5.-Parámetros químicos inorgánicos, grupo 2 NMX-AA-073-SCFI-2001 Análisis de agua.-determinación de cloruros totales en aguas naturales, residuales y residuales tratadas.- Método de prueba. NMX-AA-074-1981 Análisis de agua - determinación del ion sulfato. NMX-AA-077-SCFI-2001 Análisis de agua.-determinación de fluoruros en aguas naturales, residuales y residuales tratadas.- Método de prueba. NMX-AA-081-1986 Contaminación de agua - determinación de nitrógeno de nitrato en agua marina.- Método de reducción de nitrato a nitrito en columna de cadmio cobre. NMX-AA-082-1986 Contaminación de agua - determinación de nitrógeno de nitrato.Método espectrofotométrico ultravioleta. NMX-AA-084-1982 Análisis de agua - determinación de sulfuros. NMX-AA-099-SCFI-2006 Análisis de agua.-determinación de nitrógeno de nitritos en aguas naturales y residuales.- Métodos de prueba. NMX-AA-100-1987 Calidad del agua - determinación de cloro total.- Método iodométrico. NMX-AA-108-SCFI-2001 Análisis de agua.-determinación de cloro libre y cloro total.Método de prueba.
6.-Parámetros químicos orgánicos NMX-AA-028-SCFI-2001 Análisis de agua.-determinación de demanda bioquímica de oxígeno en aguas naturales, residuales (DBO5) y residuales tratadas.- Método de prueba. NMX-AA-050-SCFI-2001Análisis de agua.-determinación de fenoles totales en aguas naturales, potables, residuales y residuales tratadas.- Método de prueba. NMX-AA-053-1981 Análisis de agua - determinación de materia extractable con cloroformo.
NMX-AA-071-1981 Análisis de agua - determinación de plaguicidas órgano clorados.Método de cromatografía de gases. NMX-AA-117-SCFI-2001 Análisis de agua.-determinación de hidrocarburos totales de petróleo (HTPS’s) en aguas naturales, potables y residuales.
Eficientar los servicios de agua potable, drenaje y saneamiento NMX-AA-147-SCFI-2008 Potabilización del agua para uso y consumo humano - oxido e hidroxido de calcio - especificaciones y métodos de prueba. NMX-AA-124-SCFI-2006Potabilización del agua para uso y consumo humano hipocloritos de sodio y calcio - especificaciones y métodos de prueba. NMX-AA-125-SCFI-2006 Potabilización del agua para uso y consumo humano- cloro líquido - especificaciones y métodos de prueba NMX-AA-126-SCFI-2006 Potabilización del agua para uso y consumo humano - hidróxido de sodio - especificaciones y métodos de prueba
Productos químicos utilizados en la potabilización del agua para uso y consumo humano NMX-AA-127-SCFI-2006 Potabilización del agua para uso y consumo humano polifosfato de sodio - especificaciones y métodos de prueba NMX-AA-128-SCFI-2006 Potabilización del agua para uso y consumo humano - sulfato férrico - especificaciones y métodos de prueba NMX-AA-129-SCFI-2006 Potabilización del agua para uso y consumo humano - cloruro férrico - especificaciones y métodos de prueba NMX-AA-130-SCFI-2006 Potabilización del agua para uso y consumo humano policloruro de aluminio - especificaciones y métodos de prueba NMX-AA-135-SCFI-2007 Potabilización del agua para uso y consumo humano poliaminas - especificaciones y métodos de prueba NMX-AA-136-SCFI-2007 Potabilización del agua para uso y consumo humano - olicloruro de dialildimetilamonio - especificaciones y métodos de prueba NMX-AA-140-SCFI-2007 Potabilización del agua para uso y consumo humano - Silicato de sodio - especificaciones y métodos de prueba NNX-AA-122-SCFI-2006 Potabilización del agua para uso y consumo humano poliaminas - especificaciones y métodos de prueba
6.3. TIPOS DE PLANTAS POTABILIZADORAS Una planta de tratamiento es una secuencia de operaciones o procesos unitarios, convenientemente seleccionados con el fin de remover totalmente los contaminantes microbiológicos presentes en el agua cruda y parcialmente los físicos y químicos, hasta llevarlos a los límites aceptables estipulados por las normas. Las plantas de tratamiento de agua se pueden clasificar, de acuerdo con el tipo de procesos que las conforman, en plantas de filtración rápida y plantas de filtración lenta. También se pueden clasificar, de acuerdo con la tecnología usada en el proyecto, en plantas convencionales antiguas, plantas convencionales de tecnología apropiada y plantas de tecnología importada o de patente.
Plantas de filtración rápida Estas plantas se denominan así porque los filtros que las integran operan con velocidades altas, entre 80 y 300 m3/m2.d, de acuerdo con las características del agua, del medio filtrante y de los recursos disponibles para operar y mantener estas instalaciones. Como consecuencia de las altas velocidades con las que operan estos filtros, se colmatan en un lapso de 40 a 50 horas en promedio. En esta situación, se aplica el retrolavado o lavado ascensional de la unidad durante un lapso de 5 a 15 minutos (dependiendo del tipo de sistema de lavado) para descolmatar el medio filtrante devolviéndole su porosidad inicial y reanudar la operación de la unidad. De acuerdo con la calidad del agua por tratar, se presentan dos soluciones dentro de este tipo de plantas: plantas de filtración rápida completa y plantas de filtración directa.
Planta de filtración rápida completa
Una planta de filtración rápida completa normalmente está integrada por los procesos de coagulación, decantación, filtración y desinfección. El proceso de coagulación se realiza en dos etapas: una fuerte agitación del agua para obtener una dispersión instantánea de la sustancia coagulante en toda la masa de agua (mezcla rápida) seguida de una agitación lenta para promover la rápida aglomeración y crecimiento del floculo (etapa de floculación). La coagulación tiene la finalidad de mejorar la eficiencia de remoción de partículas coloidales en el proceso de decantación (sedimentación de partículas flocúlenlas). El proceso final de filtración desempeña una labor de acabado, le da el pulimento final al agua. De acuerdo con las investigaciones realizadas por la Agencia de Protección Ambiental (EPA) de los Estados Unidos, el filtro debe producir un efluente con una turbiedad menor o igual a 0,10 UNT para garantizar que esté libre de huevos de parásitos
(Giardia, Cryptosporidium, etcétera). Para lograr esta eficiencia en la filtración, es necesario que los decantadores produzcan un agua con 2 UNT como máximo. Finalmente, se lleva a cabo la desinfección, proceso común a los dos tipos de plantas, las de filtración rápida completa y las de filtración directa. La función principal de este proceso es completar la remoción de microorganismos patógenos que no quedaron retenidos en el filtro y servir de protección contra la contaminación que el agua pueda encontrar en el sistema de distribución. La desinfección, en la forma en que normalmente se aplica (esto es, con residual libre de 1 mg/L a la salida de la planta y tiempo de contacto mínimo de 30 minutos), solo tiene la capacidad de remover bacterias. Como se verá detalladamente en el capítulo sobre desinfección, para remover huevos de parásitos se necesitarían aplicar dosis altísimas y disponer de tiempos de contacto muy largos, que hacen impracticable el proceso. Como los huevos de parásitos son grandes, un filtro que opere eficientemente y reciba agua con no más de 2 UNT puede producir un efluente exento de huevos de parásitos. Las altas tasas con las que operan estos sistemas, así como el empleo de la coagulación (proceso cuya operación requiere sumo cuidado), demandan recursos humanos capacitados, por lo que debe estudiarse con detenimiento la posibilidad de utilizarlos fuera de la zona urbana, en zonas marginales, rurales o, en general, en zonas económicamente muy deprimidas. En los casos en que las características del agua cruda o el terreno disponible para construir la planta obliguen a adoptar este tipo de sistema, se deberán desarrollar las condiciones locales necesarias para asegurar una buena eficiencia en calidad y cantidad. En el cuadro 3-1 se indican los rangos de calidad del agua en los que puede considerarse esta alternativa de tratamiento.
Filtración directa
Es una alternativa a la filtración rápida, constituida por los procesos de mezcla rápida y filtración, apropiada solo para aguas claras. Son ideales para este tipo de solución las aguas provenientes de embalses o represas, que operan como grandes presedimentadores y proporcionan aguas constantemente claras y poco contaminadas. Cuando la fuente de abastecimiento es confiable —caso de una cuenca virgen o bien protegida —, en la que la turbiedad del agua no supera de 10 a 20 UNT el 80% del tiempo, y no supera 30 UNT ni 25 UC el 90% del tiempo, puede considerarse la alternativa de emplear filtración directa descendente. Cuando el agua viene directamente del río y aunque clara la mayor parte del año, presenta frecuentes fluctuaciones de turbiedad, normalmente se considera una floculación corta, generalmente de no más de 6 a 8 minutos, para obtener un efluente de calidad constante, aunque con carreras de filtración más cortas. Esta es la alternativa más restringida de todas en cuanto a la calidad de agua que se va tratar. En el caso de aguas que el 90% del tiempo no sobrepasan los 100 UNT y las 60 UC y alcanzan esporádicamente hasta 200 UNT y 100 UC, podrían ser tratadas mediante filtración directa ascendente.
La tercera alternativa disponible para aguas relativamente claras es la filtración directa ascendente –descendente. Esta alternativa es aplicable a aguas que el 90% del tiempo no sobrepasan las 250 UNT ni las 60 UC, y alcanzan esporádicamente más de 400 UNT y 100 UC. El cuadro 3-2 sintetiza los rangos de calidad de agua óptimos para cada alternativa de tratamiento mencionada. Este tipo de soluciones requieren un amplio estudio de la fuente, para estar bien seguros de su comportamiento estacional, sobre todo durante los ciclos lluviosos.
Además de las especificaciones de calidad de agua indicadas en el cuadro anterior, se deberán tener en cuenta otros parámetros de calidad de la fuente que se indican en el cuadro 3-3.
Tener en cuenta estas restricciones es más importante en el caso de la filtración dinámica descendente, en la que el agua tiene un tiempo de retención muy corto dentro de la planta, alrededor de 5 minutos mientras atraviesa el mezclador y el filtro, por lo que si se producen bruscos cambios en la calidad en la fuente, no hay tiempo suficiente para modificar la dosificación. Sin embargo, la economía que se obtiene en estos casos en el costo inicial de las obras al considerar apenas dos procesos, así como en la operación y mantenimiento de la planta (ahorro de 40% a 50% de sustancias químicas) justifica ampliamente el mayor costo de los estudios.
Plantas de filtración lenta Los filtros lentos operan con tasas que normalmente varían entre 0,10 y 0,30 m/h; esto es, con tasas como 100 veces menores que las tasas promedio empleadas en los filtros rápidos; de allí el nombre que tienen. También se les conoce como filtros ingleses, por su lugar de origen. Los filtros lentos simulan los procesos de tratamiento que se efectúan en la naturaleza en forma espontánea, al percolar el agua proveniente de las lluvias, ríos, lagunas, etcétera, a través de los estratos de la corteza terrestre, atravesando capas de grava, arena y arcilla hasta alcanzar los acuíferos o ríos subterráneos. Al igual que en la naturaleza, los procesos que emplean estos filtros son físicos y biológicos. Una planta de filtración lenta puede estar constituida solo por filtros lentos, pero dependiendo de la calidad del agua, puede comprender los procesos de desarenado, presedimentación, sedimentación, filtración gruesa o filtración en grava y filtración lenta.
Los procesos previos al filtro lento tienen la función de acondicionar la calidad del agua cruda a los límites aceptables por el filtro lento. Con el tren de procesos indicados se puede remover hasta 500 UNT, teniendo en cuenta que el contenido de material coloidal no debe ser mayor de 50 UNT; es decir, que la mayor parte de las partículas deben estar en suspensión para que sean removidas mediante métodos físicos. El cuadro 3-4 indica el número de procesos que debe tener la planta para diferentes rangos de turbiedad, color y contaminación microbiológica del agua cruda.
CLASIFICACIÓN DE LAS PLANTAS DE FILTRACIÓN RÁPIDA POR EL TIPO DE TECNOLOGÍA UTILIZADA Las características tecnológicas del sistema deben de estar de acuerdo con los recursos económicos, humanos y materiales disponibles localmente para que se puedan cumplir los objetivos de tratamiento previstos. Por el tipo de tecnología utilizada en la Región, las plantas de filtración rápida se pueden clasificar de la siguiente forma: — Sistemas de tecnología convencional clásica o antigua. — Sistemas convencionales de alta tasa o de tecnología CEPIS/OPS. — Sistemas
de tecnología patentada, normalmente importada de los países
desarrollados. Sistemas convencionales Convencionales clásicos Este tipo de sistema es el más antiguo en nuestro medio. Se ha venido utilizando desde principios del siglo pasado (1910 –1920). Se caracteriza por la gran extensión que ocupan las unidades, principalmente el decantador rectangular de flujo horizontal, el cual normalmente se diseña con tasas comprendidas entre 10 y 60m 3/m 2.d. Véase la figura 3-1.
Para mejorar el funcionamiento de los sistemas convencionales, se fueron agregando equipos mecánicos y actualmente la mayor parte de estos sistemas son mixtos, están constituidos por unidades hidráulicas y mecánicas. Inicialmente estas plantas carecían de mezcladores y se les agregó retromezcladores. Los floculadores pueden ser hidráulicos o mecánicos, los decantadores rectangulares de flujo horizontal y en algunos casos de vuelta en U, como el de la figura 3-2 .
Los decantadores de vuelta en U tienen muchos problemas en su comportamiento, debido a que el giro del flujo dentro de la unidad ocasiona un camino oblicuo y en las zonas adyacentes se forman espacios muertos. Sistemas convencionales de alta tasa o de tecnología CEPIS/OPS Esta tecnología se empezó a desarrollar en la década de 1970 y se ha ido perfeccionando cada vez más a la luz de las últimas investigaciones realizadas en los países desarrollados. Las unidades son de alta tasa, ocupan una extensión que constituye el 25% ó 30% del área que ocupa un sistema convencional de la misma capacidad. La reducción del área se debe al empleo de floculadores verticales que por su mayor profundidad ocupan menos área que los horizontales y permiten compactar mejor el sistema. Véase la figura 3-6. Los decantadores son de placas inclinadas a 60 °C, de tal modo que el área de decantación real es la suma de las proyecciones horizontales de todas las placas, lo que equivale a la superficie del fondo del decantador convencional. Los filtros se proyectan en baterías para ser operados con altura variable y por el principio de tasa declinante, de acuerdo con el cual filtros operan con velocidades decrecientes, entre lavado y lavado, y se desfasan en la operación; de este modo, mientras unos están empezando las carreras los otros están a la mitad y el resto terminándola. Así, entre todos llegan a asumir la capacidad completa del sistema y el caudal permanece constante. El lavado de una unidad se efectúa mediante el caudal que producen los otros filtros en operación, por lo que no se precisa de sistema de bombeo ni de tanque elevado. En estos sistemas el agua decantada, filtrada, para el retrolavado y el desagüe del retrolavado se conducen mediante canales, no tienen galerías de tubos. Estas características hacen que este tipo de sistemas tengan un costo inicial muy bajo. El costo de operación también es mucho más bajo que el de otros sistemas, debido a que no requieren energía eléctrica para su funcionamiento, es muy compacto y se reduce también la cantidad de personal necesario para la operación.
6.4. OPERACIONES UNITARIAS FILTRACIÓN, CLORACIÓN).
(SEDIMENTACIÓN,
MEZCLADO,
SEDIMENTACIÓN La sedimentación consiste en la separación, por la acción de la gravedad, de las partículas suspendidas cuyo peso específico es mayor que el del agua. Es una de las operaciones unitarias más utilizadas en el tratamiento de las aguas residuales. Los términos sedimentación y decantación se utilizan indistintamente. Esta operación se emplea para la eliminación de arenas, dela materia en suspensión en floculo bilógico en los decantadores secundarios en los procesos de fango activado, tanques de decantación primaria, de los flóculos químicos cuando se emplea la coagulación química, y para la concentración de sólidos en los espesadores de fango. En la mayoría de los casos, el objetivo principal es la obtención de un efluente clarificado, pero también es necesario producir un fango cuya concentración de sólidos permita su fácil tratamiento y manejo. En el proyecto de tanques de sedimentación, es preciso prestar atención tanto a la obtención de un efluente clarificado como a la producción de un fango concentrado. MEZCLADO El mezclado es una operación unitaria de gran importancia enmuchas fases del tratamiento de aguas residuales, entre las que podemos citar: De calor Mezcla completa de una sustancia con otra Mezcla de suspensiones líquidas Mezcla de líquidos miscibles Floculación Transferencia Descripción y aplicación La mayoría de las operaciones de mezclado relacionadas con el tratamiento de las aguas residuales puede clasificarse en continuas y rápidas continuas (30 segundos o menos). Estas últimas suelen emplearse en los casos en los que debe mezclarse una sustancia con otra, mientras que las primeras tienen su aplicación en aquellos casos en los que debe mantenerse en suspensión el contenido del reactor o del depósito. En los siguientes apartados se analiza cada uno de estos tipos de mezclado.
Mezcla rápida continúa de productos químicos. En el proceso de mezcla rápida continua, el principal objetivo consiste en mezclar completamente una sustancia con otra. La mezcla rápida puede durar desde una fracción de segundo hasta alrededor de 30 segundos. La mezcla rápida de productos químicos se puede llevar a cabo mediante diversos sistemas, entre los que destacan: 1.
Resaltos hidráulicos en canales
2.
Dispositivos Venturi
3.
Conducciones
4.
Por bombeo
5.
Mediante mezcladores estáticos
6.
Mediante mezcladores mecánicos
En los cuatro primeros, el mezclado se consigue como consecuencia de las turbulencias que se crean en el régimen de flujo. En los mezcladores estáticos, las turbulencias se producen como consecuencia de la disipación de energía, mientras que en los mezcladores mecánicos las turbulencias se consiguen mediante la aportación de energía con impulsores giratorios como las paletas, hélices y turbinas. Mezcla continua en reactores y tanques de retención. En el proceso de mezcla continua, el principal objetivo consiste en mantener en un estado de mezcla completa el contenido del reactor o del tanque de retención. El mezclado continuo puede llevarse a cabo mediante diversos sistemas, entre los cuales se encuentran:
1.
Los mezcladores mecánico
2.
Mecanismos neumáticos
3.
Mezcladores estáticos
4.
Por bombeo.
El mezclado mecánico se lleva a cabo mediante los mismos procedimientos y medios que el mezclado mecánico rápido continuo. El mezclado neumático comporta la inyección de gases, que constituye un factor importante en el diseño de los canales de aireación del tratamiento biológico del agua residual. Un canal con pantallas deflectoras es un tipo de mezclador estático que se emplea en el proceso de floculación.
DESINFECCION CON CLORO Como ya se ha comentado anteriormente, de todos los desinfectantes empleados, el cloro es quizás el más universalmente utilizado. La razón de este hecho hay que buscarla en que satisface la mayoría de los requisitos. Química del cloro Los compuestos de cloro más comúnmente empleados en las plantas de tratamiento de aguas residuales son el cloro gas (Clj, el hipocloritosódico (NaOC1), el hipoclorito de calcio [Ca(OC1)2], y el dióxido de cloro (Gb2). Los hipocloritos sódico y cálcico se suelen emplearen las plantas pequeñas, especialmente en las prefabricadas, en las que la simplicidad y seguridad son criterios de mayor peso que el coste. El hipoclorito de sodio también se emplea en las plantas de gran tamaño, principalmente por cuestiones de seguridad relacionadas con las condiciones locales. El dióxido de cloro también se emplea en las instalaciones de tratamiento, debido a que tiene algunas propiedades poco frecuentes (no reacciona con el amoníaco). A pesar de que también se emplean otros compuestos del cloro, el análisis que sigue a continuación se limitará al estudio de la aplicación de cloro gas, por ser la forma más extensamente adoptada. Reacción al Breakpoint El hecho de que el cloro libre reaccione con el amoníaco y de que sea un fuerte agente oxidante, complica bastante el mantenimiento de una cantidad residual (combinado o libre) para la desinfección de las aguas residuales. Al ir añadiendo cloro, las sustancias que reaccionan con facilidad, como el Fe 2, el Mn 2, el H2 S o la materia orgánica, reaccionan con el cloro y lo reducen en gran parte a ion cloruro (Tras satisfacer esta demanda inmediata, el cloro continuará reaccionando con el amoníaco para formar cloraminas,. Para relaciones molares entre cloro y amoníaco inferiores a 1, se formará monocloramina y dicloramina. La distribución de estas dos formas viene dictada por sus velocidades deformación, que son función de la temperatura y del pH. Entre el punto B y el punto de breakpoint, algunas de las cloraminas se transforman en tricloruro de nitrógeno (mientras que las restantes cloraminas se oxidarán a óxido de nitrógeno (N20) y nitrógeno (N2) y el cloro se reducirá a ion cloruro. Si se continúa añadiendo cloro, todas las cloraminas se oxidarán en el breakpoint. La adición de cloro más allá del breakpoint, producirá un aumento del cloro libre disponible directamente proporcional al cloro añadido (hipoclorito sin reaccionar). La razón principal para añadir suficiente cloro como para obtener cloro residual libre radica en que se asegura que se alcanzará la desinfección. En ocasiones, debido a la formación de tricloruro de nitrógeno y de sus compuestos afines, las operaciones de cloración al breakpoint han presentado problemas de olores. La presencia de compuestos adicionales durante la cloración da lugar a la reacción con la alcalinidad del agua residual y, en casi todos los casos, la reducción del pH será pequeña. La presencia de compuestos adicionales que reaccionen con el cloro puede alterar significativamente la forma de la
curva del breakpoint. La cantidad de cloro que se debe añadir para alcanzar un nivel de cloro residual determinado recibe el nombre de demanda de cloro. FILTRACIÓN Consiste en hacer pasar el agua a través de un medio poroso, normalmente de arena, en el cual actúan una serie de mecanismos de remoción cuya eficiencia depende de las características de la suspensión (agua más partículas) y del medio poroso. Este proceso se utiliza como único tratamiento cuando las aguas son muy claras o como proceso final de pulimento en el caso de aguas turbias. Los medios porosos utilizados además de la arena, que es el más común son la antracita, el granate, la magnetita, el carbón activado, la cáscara de arroz, la cáscara de coco quemada y molida y también el pelo de coco en el caso de los filtros rápidos. En los filtros lentos lo más efectivo es usar exclusivamente arena; no es recomendable el uso de materiales putrescibles.
6.5. COMPONENTES DE PLANTAS POTABILIZADORAS. Floculación La floculación es un proceso de agitación suave y continua del agua con coagulantes con el propósito de que se formen los "Flocs" para que puedan ser removidos fácilmente por sedimentación. Procedimiento de la floculación Después de que el coagulante se ha mezclado y coagulado en el agua empiezan a adherirse y aglutinarse las partículas difíciles de sedimentar dando lugar a la formación de "flocs". Para que dichos "flocs" aumenten de tamaño y adquieran el suficiente peso que les permita sedimentar, es necesario someter al agua a una agitación lenta durante un tiempo preestablecido. De esta manera las partículas contenidas en el agua se juntan con los flóculos recién formados y se adhieren a ellos. A este proceso de mezcla lenta se le denomina Floculación. Para que el flóculo pueda formarse completamente se requiere de una agitación decreciente, es decir, un poco más fuerte al principio, para luego ir disminuyendo hasta que sea muy leve al final, cuando el flóculo haya alcanzado su tamaño y peso aproximado sin permitir que se sedimente el floculador. El periodo de retención debe estar entre 30 y 60 minutos. La velocidad de agitación no debe ser tan alta que rompa el floculo ni tan baja que permita la sedimentación en el floculador. El proceso de floculación se lleva a cabo mediante la utilización de estructuras llamadas floculadores.
Un sistema de abastecimiento de agua comprende desde la fuente de abastecimiento hasta el usuario del sistema. Es importante recordar y tener en cuenta que el agua potable en cantidad suficiente no genera un gran impacto en la salud si no se piensa en los sistemas de saneamiento y adecuadas prácticas de higiene. Y los hay de tres clases: •
Mecánicos
•
Hidráulicos
•
Lodos suspendidos.
Floculadores Mecánicos En los floculadores mecánicos se logra la agitación del agua con dispositivos o elementos tales como paletas, conjunto de paletas o rastrillos. Estos dispositivos se pueden adaptar a un eje vertical o horizontal. Los floculadores mecánicos están movidos por motores. Lodos suspendidos Con suspensión mecánica
Floculadores Hidráulicos En los floculadores hidráulicos la agitación del agua se da por la velocidad de la misma. Ejemplo: Canales de paletas, cámaras floculadoras colocadas en serie.
La
Sedimentación
Es la remoción de partículas (flocs) formadas en la floculación, que se depositan en el fondo del sedimentador por la fuerza de la gravedad, (por su propio peso).
Con la sedimentación se produce la clarificación del agua. Estructura en la cual se lleva a cabo la sedimentación. La estructura en la que se lleva a cabo la sedimentación, es el sedimentador. En las plantas convencionales el sedimentador es un tanque en el cual pueden observarse cuatro zonas.
En cada una de estas zonas se lleva a cabo una función: 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 que se le dé un tránsito suave entre las zonas de sedimentación y el flujo de salida que también se le denomina efluente. La zona de lodo: Recibe el material sedimentado que debe ser drenado posteriormente. La zona de sedimentación: Es la parte del tanque para el asentamiento, libre de influencias de las otras dos zonas. La velocidad horizontal del flujo, por diseño debe ser inferior a la velocidad con que se depositan partículas (flocs), para que puedan depositarse y no sean arrastradas.
Tipos de sedimentadores Existen varias formas de clasificar los tipos de sedimentadores, una de ellas es la diferencia por su forma, sentido de flujo y condición de funcionamiento: Por su forma •
Rectangulares
•
Circulares
•
Cuadrados
Por el sentido de flujo •
Horizontales
•
Verticales
Por las condiciones de funcionamiento •
Convencionales
•
Laminares (tubos o placas paralelas) o modulares o de alta tasa
La Filtración Consiste en retener las partículas suspendidas y coloidales, que no se sedimentaron, haciéndolas pasar a través de un medio poroso. La filtración es una de las principales operaciones que se realizan en toda planta de tratamiento, Hay varios objetivos que se logran a través del proceso de filtración y conviene conocerlos. Los objetivos fundamentales de la filtración: Remoción de bacterias. La eficiencia en este aspecto depende de la granulometría de la arena (tamaño de los granos de la arena; entre más fina sea esta, mayor será su eficiencia). Estructuras para la filtración Para llevar a cabo la filtración se utilizan unas estructuras llamadas filtros. Los filtros son estructuras que contiene un medio poroso por donde pasa el agua sedimentada, en forma ascendente o descendente, dejando retenido en el medio filtrante las partículas que no se removieron en el sedimentador. Clases de filtros Hay dos clases de filtración la lenta y la rápida y la diferencia está en la velocidad con que se lleva a cabo el proceso.
