CAPÍTULO 1

EL AGUA: CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES

En 1781 el científico inglés Henry Cavendish (1731 – 1810) descubrió que el elemento agua no es un elemento simple, sino complejo y susceptible de

descomponerse en oxígeno e hidrógeno. Pocos años más tarde el químico francés Gay-Lussac (1778 – 1850) confirmó la teoría de Cavendish, al lograr obtener agua a partir de la mezcla de dos volúmenes de hidrógeno con uno

de oxígeno. El hecho vendría a confirmar que el agua es un compuesto químico, un conjunto de dos moléculas formadas a su vez por

encadenamiento de dos átomos de hidrógeno con uno de oxígeno, de ahí la fórmula que se emplea para designarla sea H2O.

Cabe destacar que los enlaces químicos entre los átomos de hidrógeno y oxígeno, no siempre se limitan a la unión convencional entre un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno, pues dado que existen tres átomos de hidrógeno

1H hidrógeno (H), 2H deuterio (D), 3H tritio (T) y tres de oxígeno 16O, 17O,18O, teóricamente el agua puede estar constituida por 18 tipos de

moléculas, pero dada la ínfima proporción existente de 3H, 17O, 18O, la fracción molar de deuterio en el hidrógeno natural es casi constante y

aproximadamente igual a 1/6000, mientras que la del tritio es solamente 4*10-15, el número de moléculas se reduce a tres H2O, D2O y HDO.

Las propiedades del agua pesada (D2O o HDO) difieren ligeramente de las

del agua ligera, pero ambas poseen un momento eléctrico que se manifiesta en sus propiedades físicas y eléctricas, es por ellos que el agua es del tipo de

líquidos polares. Se adopta para su representación, un modelo triangular que debido al carácter electronegativo del oxígeno el ángulo que forman los

enlaces O -H es de 105º aproximadamente y la distancia del átomo de oxígeno al eje de los átomos H+ es de 62 pm.

La estructura del agua depende de su estado físico, el estado gaseoso

(vapor) corresponde exactamente a la formula H2O y, en especial al modelo angular indicado. Los estados condensados (líquido y sólido) son más

complicados y esta complicación explica sus propiedades anormales; en estado sólido, la disposición elemental consiste en una molécula de agua

central y cuatro periféricas, tomando el conjunto la forma de un tetraedro. Mediante el estudio de las variaciones cristalográficas, puede comprenderse el

paso al estado líquido, a partir de la constitución cavernosa del hielo.

En el agua en estado líquido hay una asociación entre varias moléculas por enlaces especiales llamados enlaces de hidrógeno: cada átomo de

hidrógeno de una molécula de agua, se une al átomo de oxígeno de la molécula vecina; en el espacio la estructura es tetraédrica.

Las principales características del agua, como constantes físicas, son:

Tabla 1. Características y propiedades del agua

La gran estabilidad del agua en la naturaleza, sumado a sus propiedades eléctricas y a su constitución molecular, le confieren el poder de disolver

variados compuestos minerales, productos orgánicos, de mezclarse con líquidos miscibles o inmiscibles, sino también el de disolver un buen número

de gases. Este último caso está regulado por la ley de Henry que dice: “La concentración en equilibrio de un gas [Cmáx] disuelto en un líquido, es proporcional a la presión parcial del gas en contacto con el líquido”. Por

ejemplo la concentración de saturación del oxígeno en agua [OD] es aproximadamente de 10 mg/L, si la atmósfera fuera toda O2, seria 5 veces

más la disolución (aprox. el 20% del aire es O2). También la temperatura

tiene injerencia, pues cuando esta aumenta, la disolución de gases disminuye.

La disolución de sólidos (sales) esta favorecida por las reacciones ácido-

base, las reacciones de oxidación-reducción, la hidratación y la hidrólisis. La velocidad de disolución depende de factores, tales como la concentración real

en el agua, la superficie de contacto que aumenta al triturar y al mezclar, la agitación, el tiempo y la temperatura puesto que a mayor temperatura, mayor velocidad de disolución.

1 Manual Técnico del Agua, Degremont, pags. 4 y 5.

CAPÍTULO 2

EL CICLO HIDROLÓGICO

El ciclo hidrológico es el mecanismo dinámico natural que comprende la

circulación general del agua en todos sus estados a través de la naturaleza, siendo

por tanto, el objeto fundamental de estudio de la hidrología. Primariamente

interesada ésta con la forma líquida del agua, pues se ha considerado que la nieve

y el hielo (las formas sólidas de la precipitación), caen dentro del dominio de

la hidrología, pero únicamente porque se derriten hacia la tierra y viceversa. Su

funcionamiento El ciclo hidrológico no tiene principio ni fin y sus diversos

procesos ocurren de manera continua, es en definitiva el movimiento ininterrumpido del agua desde la atmósfera se da bajo la

energía proveniente del sol, el cual proporciona la energía para su

evaporación, la luna cuyas influencias gravitacionales sobre la tierra, provocadas

también por el anterior afectan el equilibrio de las fuerzas terrestres y del

propio planeta que su campo gravitatorio, el campo electromagnético y el efecto

coriolis controlan el flujo de los vientos.

Figura 1. Ciclo hidrológico

Dentro de él hay ciclos más cortos que desvían a ciertas partes de éste,

por ejemplo: la precipitación pluvial que llega a la vegetación puede evaporarse de esta directamente y, en esa forma, hacer un corto circuito en

el ciclo. También el agua puede llegar al terreno y ser retenida en el suelo por fuerzas capilares y moleculares hasta que se evapora. Además que el agua

que no es encontrada en las diversas fases del ciclo va a sostener nuestra vida, así como la vida vegetal y animal (incluyendo en ambos los cosechados

y criados por el hombre).

Así, el agua cae sobre la superficie terrestre en forma de precipitación líquida o sólida (nieve, granizo, etc.). Parte de aquella puede ser evaporada

antes de tocar la superficie terrestre. Aquella fracción que alcanza la vegetación es parcialmente retenida por las hojas y cobertura foliar de las

plantas (interceptación). De allí, una parte es evaporada nuevamente hacia la atmósfera o escurre y cae hacia el suelo, desde donde puede infiltrarse o

escurrir por las laderas siguiendo la dirección por las mayores pendientes del terreno.

Aquella fracción que se infiltra puede seguir tres rutas bien definidas: una

parte es absorbida por la zona radicular de las plantas y llega a formar parte activa de los tejidos de las plantas o transpirada nuevamente hacia la

atmósfera; puede desplazarse paralelamente a la superficie del terreno a través de la zona no saturada del terreno, como flujo subsuperficial hasta

llegar a aflorar en los nacimientos o manantiales o continuar infiltrándose hasta llegar a la zona saturada del terreno, donde recargará el

almacenamiento de aguas subterráneas.

Las aguas subterráneas, que se hallan limitadas en su parte inferior por depósitos impermeables (arcillas, formaciones rocosas, etc.) no permanecen

estáticas, sino que a su vez se desplazan entre dos sitios con diferencias en sus equipotenciales. Si se llegasen a presentar fracturas o fallamientos en la

base de la formación impermeable, el agua subterránea seguirá descendiendo y eventualmente representará una pérdida de humedad para la cuenca

llegando a formar parte del almacenamiento casi inactivo. Este último puede también hallarse conectado hidráulicamente con el océano.

Aquella parte precipitada que escurre a lo largo de las laderas podrá ser a

su vez interceptada por las depresiones naturales del terreno, desde donde se evaporará o infiltrará nuevamente, o podrá moverse a través de los drenajes

naturales de la cuenca hacia los cauces principales de las corrientes. No hay que olvidar que la evaporación es un proceso continuo cuasi-estacionario

presente en todos los puntos de la cuenca, el cual va desde la evapotranspiración en la vegetación hasta aquella proveniente de la superficie del terreno, los cuerpos abiertos de agua, las corrientes principales y

secundarias y las zonas saturada y no saturada del terreno.

Nash, J.E., y otros (1990), definen el ciclo hidrológico como el "proceso

integrante de los flujos de agua, energía y algunas sustancias químicas" y puesto que el ciclo geoquímico opera también como parte del ciclo

hidrológico, con este debemos considerar que:

El agua que se evapora del océano lleva con ella una pequeña pero

significativa cantidad de materia mineral disuelta, como la sal común. Los compuestos de nitrógeno, las moléculas de oxígeno y de dióxido de

carbono son disueltos en el agua que cae durante las precipitaciones pluviales.

El dióxido de carbono en el suelo, producto de la descomposición orgánica también se disuelve conforme el agua se infiltra a través de las capas superiores del suelo.

El ácido carbónico diluido capacita al agua para reaccionar químicamente con los fragmentos minerales, liberando bicarbonatos y carbonatos que también

pueden ir en disolución. Otros minerales solubles y sales cualesquiera son disueltos por el agua que

entra.

Una vez que el agua entra en la matriz geológica, pueden suceder muchas

reacciones, como, por ejemplo, que los compuestos menos solubles se precipiten conforme los limites de solubilidad son alcanzados o que las bacterias puedan reducir a los sulfatos en solución. Finalmente el agua

regresa a la atmósfera por evaporación (dejando atrás la materia mineral en el suelo) o bien dicha agua regresa al mar como descarga del agua del

subsuelo o en forma de escurrimiento fluvial acarreando su carga mineral con ella. En cada etapa del camino hay un cierto número posible de reacciones

químicas y algunas de ellas son reversibles cuando cambia el ambiente físico o químico.

Como puede verse, el ciclo hidrológico comprende una serie de interacciones continuas bastante complejas y de carácter no lineal. Las

entradas a la cuenca se hallan distribuidas espacial y temporalmente, por tanto, la respuesta de una cuenca es función del espacio y del tiempo. Por ello, la modelación de los parámetros hidrológicos se convierte en una tarea

muy difícil, que requiere de un profundo conocimiento de los procesos arriba descritos. Dado que el agua es un recurso escaso, presente en la naturaleza

en formas diversas (Ver Tabla siguiente) ,susceptible de contaminación por diversos elementos y fuentes, siendo reciclable y renovable por la naturaleza,

pero de forma limitada; admite diferentes niveles de gestión.

Figura 2. Ciclo hidrológico

Figura 2. Ciclo hidrológico

Figura 2. Ciclo hidrológico

La escasez de agua es dependiente de la región y dadas las formas diversas de presencia y de gestión, es necesario no olvidar las diferentes

formas de existencia del agua para su captación. Es importante el recordar que los usos del agua no son solamente el abastecimiento de poblaciones

industrias, agricultura y ganadería, sino también en baño, deportes, fauna y flora, piscicultura y cultivos marinos.

Tabla 2. Volúmenes, porcentajes y tiempos medios de residencia de agua en el

planeta

Se denomina tiempo medio de residencia a la esperanza matemática del

tiempo que una molécula de agua que acaba de ingresar en un cierto tipo de

recurso (p.e.: agua subterránea) tardará en pasar a otra situación distinta.

Figura 3. Ciclo hidrológico

Reduciendo la escala, debemos considerar el ciclo del agua desde su

captación hasta la distribución en la ciudad y su vertimiento. Karl Imhoff, en

1929 estudiando la cuenca Alemana de Rhur, concluyó que una gota fue

usada 3 veces. En 1949 en USA un estudio similar arrojó como resultado que

una gota se usó 17 veces.

IMPURIFICACIÓN NATURAL DEL AGUA

Como primera medida, afirmar que el agua “pura” no existe en la

naturaleza; así recapitulando a partir del ciclo hidrológico, el agua de lluvia recoge en su camino gases naturales tales como N2, O2, CO2; este último proveniente del aire, del suelo y de la vida aerobia, aumenta su concentración

en el agua debido a su alta solubilidad en ella (10 a 100 veces, la del aire), generando H2CO3 y disminuyendo la concentración de O2. También en el

aire, el agua diluye sales, por ejemplo en forma de concentraciones de cloro (Cl-), dependerán de la zona, si esta no esta contaminada pueden ser de 5 a

10 mg/L, en zonas urbanas las concentraciones llegan a ser de 20 a 50 mg/L y las más elevadas se dan en zonas costeras 50 a 100 mg/L.

Ya en el suelo, el agua recoge sólidos en toda la gama de tamaños:

gruesos (hojas y residuos), en suspensión (compuestos orgánicos y humus),

coloidales (arcillas y limos) y disueltos (sales); los intermedios al ser

compuestos de elevado volumen y peso molecular y con carga eléctrica, se

hacen estables en suspensión, generando turbidez y color. Internándose en el

terreno, el agua recoge sales según la composición y la formación geológica,

así en rocas ígneas (granitos, basaltos) aún siendo estas de baja disolución, el

agua arrastrará SiO2 de sus altas concentraciones; las rocas sedimentarias

como (calizas, dolomias) reaccionaran con el ácido carbónico liberando

carbonatos (CO3=), bicarbonatos (CO3H), iones Ca++ y Mg++.

Rocas evaporiticas tales como yesos (SO4Ca) y sal (NaCl) descargan por

la acción del agua, sulfatos (SO4=), sodio (Na+) y cloro (Cl –) o si el líquido

discurre por terrenos ferrosos, traerá hierro (Fe) y manganeso (Mn) o en

terrenos volcánicos, se proveerá de flúor (F) y azufre (S).

Así los factores incidentes de la impurificación natural del agua son:

La composición del suelo y la geología de la roca.

La temperatura, pues su aumento proporciona mayor solubilidad de sales,

menor solubilidad de gases y menor solubilidad de CaCO3 por acción de H2CO3.

La superficie de contacto (agua-sólido), dado que a mayor superficie de contacto, mayor solubilidad.

El tiempo de contacto, a mayor sea este, mayor solubilidad sea en aguas superficiales o en subterráneas.

Concentración de CO2, cuanto mayor sea esta, mayor es la solubilidad del carbonato cálcico (CaCO3).

Concentración de ion Cloro (Cl-), cuanto mayor sea esta, menor será la solubilidad del O2, (ODsat disminuirá) y la solubilidad del ion sulfato SO4= y

el ion carbonato CO3=, aumentarán. Capacidad de intercambio iónico (aniónico o catiónico) de los suelos.

Evaporación y evapotranspiración, mayor, conforme mayor sea la

concentración de sales en el agua, por ejemplo: el mar.

En todo caso tales impurificaciones deben ser cuantificadas, es decir

deben medirse la cantidad de impurezas, ya sea que sea mediante una medida directa: Concentración (mg/L), partes por millón (p.p.m.), Molaridad,

molalidad, Normalidad, meq/L, etc. Por medida directa individual, por ejemplo para los gases como el oxígeno disuelto (OD) mg/L o para las sales por

aniónes tales como carbonatos (CO3= ), bicarbonatos (CO3H -), sulfatos (SO4=), cloro (Cl - ) o por catiónes como calcio (Ca++ ), magnesio (Mg++ ) o sodio (Na+ ).

También la impurificación puede darse por medidas de naturaleza directa agrupada, como la utilizada para la dureza, la alcalinidad o el residuo seco

(sólidos).

Dureza: empleada para medir las concentraciones de sales de Ca++ y Mg++ se divide en:

Dureza temporal: la correspondiente a CO3= y CO3H-, compuestos

generadores de los problemas en la cocción de alimentos, calentadores de agua y al disolver el jabón, pero que es eliminable al hervir;

Dureza permanente: resultante de restar dureza temporal de dureza total.

Su medida es el grado hidrotimétrico (TH) y se expresa en unidades

como: p.p.m. equivalentes de CaCO3, grados franceses ( ºF), donde 10 p.p.m. CaCO3= 1º F

Alcalinidad: dada por sales que dan carácter alcalino al agua, resultantes

de la mezcla de ácidos y bases, débiles y/o fuertes como son: H2CO3, H2SO4, HCl, CaOH, Mg(OH)2, Na(OH), los resultados principales son: CO3=,

CO3H-, Ca++, Mg++, Na+.; siendo de forma general la alcalinidad producida

por carbonatos y bicarbonatos. Su medida es el grado alcalinométrico (TA)

expresado en unidades equivalentes de p.p.m. CaCO3, o grados franceses (ºF).

Residuo seco: es el resultante de evaporar el agua a 105 ºC, si no se ha dado una filtración previa en el conjunto resultante existirán arcillas y limos.

Si dicha filtración si se ha efectuado este ensayo se denominará sales disueltas (mg/L). Una medida indirecta corresponde a la medición de la conductividad, dado que a mayor concentración de sales, mayor será la

conductividad:

Sales disueltas (mg/L) = (0.55 a 0.70) * Ce ( S/cm).

CAPÍTULO 3

ESTIMACIÓN DE CAUDALES DE AGUA POTABLE

Antes de comenzar un proyecto de suministro de agua potable a una comunidad, es necesario conocer cuáles van a ser las necesidades de esta, las

necesidades de cada usuario y los instantes en los que demandará el agua; para conocer la coincidencia en la demanda de agua entre ellos. No obstante

como se comprenderá no es posible conocer con facilidad, consumidor a consumidor cuáles son sus necesidades reales, ya que, en general, ni ellos

mismos podrán precisarlas con exactitud, pues su vez son función de otro gran número de variables (día, hora, condiciones climatológicas, etc.).

El problema se complica si se tiene en cuenta que en todo acueducto se

producen unas pérdidas, es decir que unas ciertas cantidades de agua han de ser suministradas pero no serán jamás utilizadas (evaporación, fugas,

filtraciones, etc.) y que estas pérdidas dependen a su vez de otros nuevos factores (estado de la red de distribución, recorrido al aire libre, temperatura

ambiente, etc.). Más aún, habría que contar con los derroches que por diversas causas van a producirse.

Aún más difíciles se ponen las cosas, si se considera que una obra de

abastecimiento no debe diseñarse para resolver las necesidades actuales, (ya que, entre otras cosas, en el tiempo en que se realice el estudio, proyecto,

contratación y ejecución, estas habrán cambiado), sino que debe ser una obra que debe tener un cierto periodo de validez, es decir, debe resolver el

problema durante un cierto periodo de tiempo. Por tanto esta evaluación de necesidades debe hacerse no en el momento actual, sino en un momento

futuro, cuya diferencia en tiempo con el día de hoy, será de nuevo función de

otra nueva serie de variables (selección de inversiones, capitalización, inversiones alternativas, etc.). Otra nueva dificultad se añade si se considera

que en dicho momento futuro no se conocen ni el número de consumidores que habrá, ni sus necesidades.

Afortunadamente, el proyecto de un abastecimiento de agua potable es, en general, poco sensible a

pequeños errores de evaluación. Lo que permite (salvo casos particulares

y concretos especialmente delicados) recurrir a hipótesis simplificadoras,

que conducen a modelos sencillos como el siguiente: la cantidad de

agua a consumir por la comunidad es igual a la población (neta de

habitantes) por un cierto consumo unitario denominado “dotación” que

habitualmente se expresa en l/hab/día.

Sin embargo, pese a lo sencillo del modelo, su aplicación no está exenta de dificultades. Así, en cuanto a la población, no presenta problema en su situación actual puesto que las estadísticas o censos la fijan con mediana

exactitud, pero representa un problema importante en cuanto a la estimación de su valor en el futuro. En efecto, la población de una comunidad en el

futuro es una variable aleatoria, ya que depende de factores incontrolables, como pueden ser la variación de los índices de natalidad y mortalidad o los

atractivos que en el futuro se presenten hacia la emigración o inmigración. Estos a su vez dependerán de otros muchos, tales como evolución de la mentalidad, progresos de la medicina, desarrollo industrial, disponibilidad de

terreno urbanizable, tendencias en el urbanismo local, gestión, etc.

Los métodos que pretenden resolver este problema no darán por tanto

una solución única sino que simplemente tratarán de encontrar un valor de la población que se inserte en la zona más probable y tal que en un entorno de dicho valor se concentre la máxima probabilidad posible. En cualquier caso un

proyecto de acueducto es poco sensible a pequeños errores de esta estimación ya que en otros aspectos suelen tomarse niveles de seguridad que

lo permiten. En última instancia, la variable más afectada por estos errores será la del periodo de validez del proyecto, lo que influirá en un adelanto o

atraso de las inversiones futuras, este aspecto resulta poco importante si el error es pequeño.

La estimación de la dotación es otro problema que tiene sus dificultades,

en ocasiones resulta difícil incluso establecer la dotación actual, ya que el consumo puede estar seriamente afectado por las malas condiciones del

abastecimiento en el momento presente (restricciones, mala calidad del agua

servida, ausencia total o parcial de contadores, excesivos o muy bajos precios del agua, estado de la red de distribución, etc.) cuyas anomalías, una vez

corregidas, alterarán el consumo aunque no se altere ninguna otra circunstancia.

El problema de estimar la dotación en un momento futuro tiene así mismo gran dificultad ya que nuevamente nos encontramos ante una variable aleatoria, que depende de gran número de variables incontrolables o

difícilmente controlables como son: el desarrollo del nivel de vida, las tendencias urbanísticas, el desarrollo de los electrodomésticos, el peso del

consumo industrial y comercial, la gestión del servicio, la política de precios del agua, etc. Sin embargo, se admite que la dotación es en general,

creciente con el tiempo, si bien el problema se presenta en la fijación del índice de crecimiento.

El modelo expuesto (CONSUMO = POBLACIÓN * DOTACIÓN) puede

mejorarse separando adecuadamente a los consumidores en clases (domésticos de clase alta, clase media, clase baja, industriales y comerciales

separados en sus tipos, edificios públicos, instalaciones recreativas, riegos, pérdidas, etc.) y aplicando a cada uno de ellos el modelo anterior (cuando son

proporcionales a la población) o datos extraídos de la experiencia. Sin embargo, estas distinciones se realizan muy eventualmente.

PERIODO DEL PROYECTO

La primera cuestión que surge al redactar un proyecto de acueducto es la definición del periodo de tiempo durante el cual las necesidades de la

comunidad van a quedar satisfechas con las obras a proyectar. La fijación de este periodo es un problema en general complejo ya que depende tanto de

factores políticos como técnicos, entre los factores políticos destaca la planificación de las inversiones, ya que no pudiéndose resolver todos los

problemas de una comunidad es necesario decidir cuales se han de resolver primero. Un retraso en las inversiones de abastecimiento, resolviendo el

problema para un periodo más corto, puede permitir resolver inmediatamente otras necesidades que en caso contrario quedarían pendientes para más

adelante.

Entre los factores técnicos, no debe olvidarse la economía de escala que se obtiene resolviendo el problema “de una vez‟. Así, en algunos casos, las

economía obtenida por resolver el problema en una sola fase (en lugar de dos o tres) puede justificar la adopción de un periodo de proyecto más

prolongado, si bien esta circunstancia rara vez alcanza la totalidad del proyecto sino tan sólo a algunos de sus elementos (embalse, captación,

tratamiento,…).

La traducción de todas estas consideraciones a unas variables económicas

suele ser frecuentemente inviable, ya que difícilmente pueden tenerse en cuenta todas las variables que intervienen en la decisión; por ello suelen

fijarse atendiendo a razonamientos subjetivos. Por otra parte, no todas las instalaciones del proyecto deben estar diseñadas para el mismo periodo y

debe tenerse en cuenta la facilidad de ampliación. Así, por ejemplo, en un embalse puede estar justificado el adoptar periodos de proyecto más

prolongados, sin embargo, esta circunstancia no se conocerá hasta haber quedado definida la solución del abastecimiento. Por tanto, inicialmente

deberá fijarse un periodo general del proyecto, independientemente del que posteriormente se fije para cada una de sus partes, en definitiva, los periodos

de proyecto más frecuentemente usados oscilan entre los 10 y los 30 años.

ESTIMACIÓN DE LA POBLACIÓN FUTURA

Los modelos matemáticos existentes en relación con la estimación de la

población futura de una comunidad son muy numerosos y de complejidad muy variada. En ellos se cuentan como datos las poblaciones actuales y

pasadas y en ocasiones otras variables tales como disponibilidad de suelo, posibilidades industriales, situación con respecto a las líneas de transporte,

etc. En este apartado se expondrán, tan sólo, algunos de los más simples y de más frecuente aplicación.

Para decidir cuál de todos resulta más adecuado al caso concreto que se

está estudiando es básico el conocimiento de la ciudad y de sus “afueras”, su área comercial, el crecimiento de sus industrias y el estado de desarrollo de la

comarca circundante, por supuesto que los sucesos extraordinarios, como el imprevisto desarrollo de una gran industria, trastornan todos los cálculos

sobre el futuro crecimiento.

En otros casos resulta conveniente realizar un tanteo sobre el área urbanizable disponible o sobre la previsiblemente urbanizada, a este respecto

se puede estimar una densidad conociendo densidad actual, la dinámica de la zona aledaña y considerando usos comerciales e industriales, según la

tipología de la ciudad; eso si, acordes con las normas urbanísticas, planes de desarrollo, planes de ordenamiento territorial, etc. Sin embargo, resulta más

difícil prever la tendencia al incremento o a la disminución de la densidad actual y así una zona residencial actual puede transformarse en un futuro

relativamente próximo en una zona comercial o fabril.

Así mismo deben considerarse las posibilidades de migración hacia el lugar, las actividades que representen la población flotante y si existen etnias

minoritarias, se requiere de un estudio individual. Los datos sobre la población presente y pasada pueden obtenerse de diversas

fuentes la más importante es sin duda el censo que se realiza cada cierto

tiempo, en años intermedios el censo suele actualizarse simplemente atendiendo al movimiento demográfico y de defunciones, aunque esto

depende de cada municipio, por lo que en municipios de apreciable dinámica migratoria son poco fiables. En estos años intermedios puede obtenerse

información por varios métodos, tales como cámaras de comercio, listas de votantes, servicios públicos y sucursales bancarias. Así mismo pueden

establecerse correlaciones con otros parámetros, tales como la población infantil escolarizada o el número de abonados telefónicos.

En general de los métodos de estimación de la población futura que van a

describirse, no puede esperarse gran exactitud y debe tenerse en cuenta que dicha exactitud, disminuye cuando:

El periodo de tiempo de la previsión aumenta.

La población de la zona disminuye Aumenta la velocidad de variación de la población.

1. Método aritmético: consiste en considerar que el crecimiento de una población es constante, es decir asimilable a una línea recta, es decir que responde a la ecuación:

Puede fijarse considerando un periodo representativo (la última década, el último cuarto de siglo) o ajustando por mínimos cuadrados una recta a los

últimos datos representativos de población. Es un método indicado para ciudades jóvenes de un cierto desarrollo, en plena dinámica de crecimiento y con horizontes libres (terreno de expansión sin limitaciones a corto o mediano

plazo).

2. Método del porcentaje uniforme de crecimiento: consiste en

suponer que la proporción de crecimiento sigue una ley de interés compuesto es decir que responde a la expresión:

La tasa de crecimiento constante KU puede determinarse análogamente al

caso anterior considerando un periodo representativo o por mínimos cuadrados, entre otros. Este método debe emplearse con precaución pues puede dar resultados demasiado elevados, sobre todo si el periodo usado

como referencia ha sido de gran pujanza para la comunidad. Esta indicado

para comunidades jóvenes con buenas perspectivas de futuro, horizontes libres y porvenir económico despejado.

3. Método propuesto por el MOPU (España): Este método es un caso particular del anterior donde se fija la forma de obtener KU de la siguiente

forma:

Se calcula un valor de K1 medio que se ha producido durante la última década.

Se calculan análogamente los valores de K2 y K3 que se han producido durante los últimos 25 y 50 años respectivamente.

Se selecciona aquel de estos dos últimos valores, que más se aproxime a K1 (que se denotará como K+.

Se fija KU por la expresión:

Las normas dicen también que en el caso de que KU ≥ 0.03 se deberá realizar un estudio particular del caso de que se trate. Sin embargo, este

límite parece excesivamente amplio y puede resultar recomendable realizar este estudio a partir de KU ≥ 0,02. Por supuesto que este método tiene

similares limitaciones y recomendaciones que el caso expuesto anteriormente.

4. Método geométrico: El método geométrico consiste en suponer que el crecimiento de la comunidad es en todo instante proporcional a su población,

es decir que responde a la ecuación:

Este método da resultados superiores, similares a los del método anterior,

por lo que se califica de “optimista” y debe emplearse con mucha precaución. Tan sólo debe aplicarse a comunidades en plena dinámica de crecimiento, con

grandes posibilidades de desarrollo y horizontes libres.

5. Método de la tasa decreciente del crecimiento: La experiencia indica que el crecimiento dado por el método anterior, no se mantiene a largo

plazo, sino que decrece conforme la población se acerca al valor de saturación que puede soportar la ciudad y su zona de influencia. Es decir, que responde

a la ecuación:

El inconveniente fundamental de este método consiste en estimar las

constantes S y Kd Teóricamente ambas pueden determinarse por ajuste con los datos conocidos de población, pero la constante S, en especial, puede dar

lugar a grandes errores si la comunidad es lo suficientemente joven como para no haber comenzado la tendencia hacia este valor. Por ello en muchas

ocasiones, resulta preferible determinarlo atendiendo a consideraciones sobre su posible desarrollo urbanístico y económico. Este es un método que racionalmente aplicado puede ofrecer muy buenos resultados, en especial en

comunidades desarrolladas o “viejas‟, siempre y cuando se estimen convenientemente los parámetros.

6. Método logístico o curva en S: Esta basado en el hecho observado de que al principio el crecimiento de la población es de tipo geométrico pasando posteriormente a un crecimiento constante (aritmético) para después decaer

el porcentaje de crecimiento hasta llegar al valor de saturación, S, respondiendo a la ecuación:

Para el cálculo de las constantes S, M y b, se toman las poblaciones P0 ,

P1 , P2en los tiempos equidistantes t0 , t1 , t2, donde P2 suele tomarse como la población del último censo. Este método es adecuado para la estimación de

poblaciones futuras en comunidades desarrolladas o de desarrollo limitado por escasez de terreno urbanizable.

7. Método comparativo: Este método consiste en comparar la comunidad

de estudio con otras poblaciones que hayan alcanzado en algún momento pasado su población actual en circunstancias económicas, sociales y

urbanísticas comparables. Este método suele realizarse en forma gráfica y suele tomarse como resultado final un intermedio entre las poblaciones de las

ciudades de comparación al cabo de los años considerados. En ocasiones puede resultar recomendable dar distinto peso a cada una de las ciudades de

comparación atendiendo a su mayor o menor similitud con la ciudad considerada.

8. Método proporcional: Se basa en suponer que las poblaciones de las

ciudades y otras áreas guardan una relación fija con la población total de país, dado que por regla general, la población total del país en el futuro está

estimada por los organismos oficiales competentes resulta fácil definir en qué proporción de la población nacional influye la comunidad estudiada.

Suponiendo que este va a mantenerse puede estimarse la población futura como este mismo porcentaje de la población nacional prevista. Como se

comprende fácilmente este método puede conducir a errores importantes, en especial cuando la dinámica de la ciudad difiera considerablemente de la

dinámica nacional.

LA DOTACIÓN

El problema de la estimación de la dotación es en fin de cuentas, el de la revisión del consumo futuro, para mejor comprensión de las estimaciones se

expondrán previamente los tipos de consumo existentes en una comunidad urbana y los principales factores que lo afectan.

En una comunidad el consumo de agua de urbana puede clasificarse en los

siguientes conceptos:

Residencial o doméstico: Dependiendo de la ciudad, puede ser el

consumo mayoritario, contiendo el suministro para usos higiénicos, culinarios, limpieza, el riego de jardines y prados (que en algunos lugares puede tener

una singular importancia), etc., en casas particulares,. Para este uso deben tenerse en cuenta: el tamaño de la población, las condiciones socioeconómicas, el clima, la cobertura de medidores y las características del

alcantarillado existente. Comercial e industrial: Incluye el suministro a instalaciones

comerciales, industriales y de oficinas, y en él deberán estudiarse los consumos puntuales o concentrados de demandas, así como realizar un

estimativo de los consumos futuros. Su importancia dependerá de las condiciones locales, tales como la existencia de grandes industrias o el

porcentaje de industriales que se abastecen autónomamente por conducciones y recursos propios.

Usos institucionales: Que incluyen los consumos de las instalaciones como hoteles y edificios públicos como: hospitales, cárceles, etc. así como

para las escuelas que deberán analizarse según las características de concentración de población estudiantil durante el día.

Usos públicos: Es el empleado por los servicios de aseo y limpieza de las calles, en el riego de jardines y parques públicos, fuentes, etc. Se considerará entre el 0 y el 3 % del consumo medio diario doméstico.

Uso rural: En caso de que tenga que abastecerse a la población rural, mediante una ampliación del acueducto o directamente con un acueducto

veredal, deberán considerarse el censo rural y su futuro y de acuerdo a las características de dicha población estimar el consumo.

Pérdidas y derroches: Es el agua que se pierde en la aducción, en usos subsidiarios en el tratamiento, evaporación, debido al mal conteo en

contadores y bombas, conexiones no autorizadas, fugas en depósitos y conducciones debido al estado de la red de distribución., etc. Por estos

conceptos se puede llegar a "mal utilizar" de un 20 a un 40 % de la dotación bruta, dependiendo general,

Los factores que afectan al consumo “per capita” de una ciudad tienen un

gran interés, ya que su evaluación aproximada permitirá prever, hasta cierto punto, los valores de este. Los más importantes son los siguientes:

Nivel de vida que incidirá en el uso de aparatos electrodomésticos y en una

higiene y limpieza más refinadas; el consumo será mayor a mayor nivel de vida.

Tamaño de la población que probablemente esté relacionado con el anterior añadiendo una mejor calidad en el servicio tanto de

abastecimiento como de saneamiento; el consumo será mayor a mayor tamaño de población.

La calidad del sistema de saneamiento que al aumentar, aumentará el consumo.

La importancia de las zonas industriales y comerciales de la ciudad.

La urbanización de la ciudad en cuanto a existencia de parques mayores o menores, si la urbanización es predominantemente horizontal con jardines

particulares o vertical con grandes bloques de apartamentos. Condiciones climáticas puesto que el consumo será tanto mayor cuanto

más cálido sea el clima, debido a los “aires acondicionados”, mayor necesidad de riegos, etc.

El precio del agua ya que el consumo será menor cuanto mayor sea el precio del agua.

La calidad del agua del abastecimiento que a mejor, hará aumentar el consumo.

El estado de la red de distribución que afectará a las pérdidas y derroches. El control en los edificios públicos.

Las características turísticas de la ciudad.

Una buena práctica en la estimación de la dotación futura consiste en adoptar la producida recientemente en una ciudad que se encuentre, en ese

momento, en una situación similar a la que se prevé tendrá, en el futuro, la comunidad de estudio. Otro sistema aceptable consiste en determinar la

dotación actual (consumo) y prever un aumento anual, más o menos elevado según como se prevea se van a mover las variables enumeradas

anteriormente; es frecuente el uso de valores entre el 0,5 y el 2,5% de incremento anual del consumo “per capita”.

Más raramente se recurre a realizar una estimación directa considerando

los consumidores distribuidos en clases. Sin embargo se realiza en ocasiones para el cálculo del consumo en ciertas zonas particulares de la ciudad, cuya

dotación por habitante puede diferir considerablemente de la media, por ejemplo: zonas comerciales o industriales, zonas recreativas, etc.

El uso industrial del agua varía mucho según el proceso de fabricación,

incluso algunas industrias están dotadas de sistemas de recirculación que reducen notablemente el consumo. Un valor de uso, puede ser el de 2

l/seg/Ha., pero, en cualquier caso, resulta muy interesante una inspección de las industrias y de sus consumos así como de los residuos que originen y sus

posibilidades de reciclado. De forma similar, es decir caudal por unidad de área o de longitud, deberá considerarse una demanda mínima contra incendios, esta dependerá del tamaño y densidad de la población, así como de

la ubicación de complejos multifamiliares, comerciales o industriales.

El modelo expuesto: (CONSUMO = POBLACIÓN * DOTACIÓN) da un valor

que debe considerarse como un consumo medio a lo largo del año. Sin embargo, en la práctica este consumo no se produce de forma regular, sino que en determinados momentos conocidos como puntas, el consumo de la

población será mayor y en otros, notablemente inferior al medio, puesto que las condiciones climáticas, los días y horarios de trabajo etc., tienden a causar

amplias variaciones en el consumo de agua.

Durante la semana, puede ser que el domingo se produzca el más bajo

consumo y el lunes el mayor, así mismo en los meses de verano se generará un consumo medio superior al promedio anual. La semana de máximo

consumo se producirá, con frecuencia, en tiempo caluroso y ciertos días superarán a otros en cuanto a demanda de agua. A través del día también se

producen puntas de demanda, dependiendo de las horas en las que se da la actividad de la ciudad, habrá una punta por la mañana al comenzar las

actividades y otro por la tarde cuando éstas finalicen, habrá, generalmente un mínimo sobre las 4 de la madrugada correspondiente a las mínimas

actividades de la noche.

La dotación bruta se establece con la dotación neta mínima afectada por las variaciones climáticas y las perdidas así:

El caudal medio diario Qmd, es el caudal medio calculado para la población proyectada con sus ajustes y la dotación bruta, expresado en l/s:

El caudal máximo diario, QMD, se define como el consumo máximo

registrado durante 24 horas en un periodo de un año y el caudal máximo horario, QMH, se define como el consumo máximo registrado durante una

hora en un periodo de un año, sin tener en cuenta el caudal de incendio se

calculan así:

Goodrich dio la fórmula:

Donde p = consumo máximo en % durante el periodo de t días, lo que arroja

unos resultados muy parecidos a:

El máximo consumo mensual sea del orden del 125 % del consumo

medio anual por mes. El máximo consumo semanal sea del orden del 150 % del consumo

medio anual por semana. El máximo consumo diario sea del orden del 180 % del consumo medio

anual por día.

El máximo consumo horario sea del orden del 160 al 240 % del consumo medio anual por hora.

La variación puede ser tal que en ciertas ciudades son frecuentes puntas horarias del 300 a 400 % y en ciertos casos hasta del 1000 % y más sobre el consumo medio anual por hora.

En caso de no disponer de estas medidas debe tenerse en cuenta que los coeficientes punta de una comunidad o zona de la misma:

Serán tanto mayor cuanto más pequeña sea esta, ya que hay más

homogeneidad en la actividad de sus habitantes. Serán tanto mayores cuanto más homogénea sea la comunidad o zona

(exclusivamente residencial, comercial, etc.). Serán tanto mayores cuanto mejor sea el estado de la red de

distribución (menores pérdidas). Serán tanto mayores cuanto más turística sea la comunidad. Quedarán influidos por los grandes consumidores (demanda media

mayor a 3 l/s).

Sin embargo, la mejor manera de fijar estos factores punta es la de usar

las mediciones de consumo de la propia ciudad que se estudia, que dependerán entonces de todos los factores ya expuestos o apegarse a la normatividad que para nuestro caso se fija en el reglamento de

abastecimiento y saneamiento básico, RAS-98, de donde se extractó la

siguiente tabla:

Tabla 3. Dotación neta y sus variaciones, pérdidas y coeficientes puntas.

CAPÍTULO 4

CAPTACIÓN DE RECURSOS DE AGUA

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:

Cercanía al punto de destino lo que será favorable en la economía de transporte del agua.

Calidad del agua en 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 metereológicos, geológicos, etc.

Frecuentemente, puede ser necesario almacenar parte del recurso excedente en ciertas épocas del año, para compensar la escasez en

otras (regulación). Facilidad de extracción y/o captación que influirá, lógicamente, en

los costos del proyecto.

Topografía de la zona que permitirá o no 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.

CAPTACIONES DE AGUAS SUPERFICIALES

Las captaciones superficiales cada una de las cuales tiene sus propios

problemas asociados y su propia tipología se clasifican en:

1. Captaciones de agua de lluvia

El captar el agua de la lluvia es una “solución” extrema, que tan solo

se emplea en aquellos casos justificados por circunstancias especiales. Se aplican casi siempre a edificaciones aisladas, caseríos o pequeños pueblos

y puede constituir una solución aceptable como reserva de estiaje en las regiones de lluvias escasas y desiguales, resolviéndose de esta forma la

escasez estacional de otros recursos más fácilmente captables.

Una captación de agua pluvial consta de las siguientes partes:

Una superficie de recogida de agua, que debe estar limpia y ser lo

suficientemente impermeable como para no permitir que cierta parte importante del agua precipitada se pierda por infiltración en el

terreno. Puede ser un tejado, (que no sea de paja, cartón o metal), un patio empedrado o de hormigón, una ladera no cultivada o en

general, cualquier superficie preparada con tal fin. Un depósito en el que se almacene el agua, denominado aljibe, que

se construye subterráneo para minimizar las pérdidas por evaporación y preservar la temperatura del agua.

Un tratamiento del agua recogida que generalmente se reduce a una simple filtración sobre lecho de arena y se realiza en el interior del

propio aljibe. En ocasiones, se añade un depósito de decantación.

Los aljibes deben estar dotados de un desagüe de fondo que permita

su vaciado y de un aliviadero que permita evacuar las cantidades sobrantes. Se usan, normalmente tres tipos de aljibes:

a) El aljibe veneciano, se denomina así por haber sido usado de forma

intensiva en la ciudad de Venecia, bajo los patios de sus casas. Consta de

un volumen revestido, relleno de material filtrante, con un pozo central de toma y canales laterales de entrada donde se produce una decantación

elemental.

El agua pasa de los canales al interior de la masa filtrante, recorriéndola de arriba hacia abajo y entrando en el pozo por su parte

inferior. El material filtro se subdivide en tres o en cuatro capas de granulometría diferente. Tiene la ventaja de que su bóveda se apoya

directamente sobre el material filtro y el inconveniente de que su capacidad útil es de 30 al 40 % de su volumen total.

Figura 6. Aljibe Veneciano

b) El aljibe de filtro superior recoge el agua y esta pasa por un filtro

situado en su parte más alta que desemboca en el aljibe propiamente dicho, de esta forma el agua no permanece en el filtro más tiempo del

necesario para su filtración. Su bóveda es ahora autosoportada, pero su capacidad es casi del 100% de su volumen.

Figura 7. Aljibe de filtro superior.

c) El aljibe americano recoge y almacena el agua directamente, para el

momento de su salida esta pasa por un filtro de arena de granulometría creciente, constituido por cilindricos concentricos en torno al tubo de

aspiración.

Figura 8. Aljibe Americano.

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, contaminación “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.

Así mismo las variaciones estacionales de caudal pueden ocasionar

serios problemas a la hora de conseguir el caudal durante el verano, sin perjudicar a terceros, (pesca, riegos, navegación, etc.), en alguno de estos

casos puede ser necesario regular el río por medio de un embalse. Sin embargo en el momento analizaremos las captaciones fluviales sin

regulación, en las que debe bastar con el caudal de estiaje para

abastecimiento, sin que el curso del agua resulte perjudicado por esta toma. Así las captaciones fluviales pueden clasificarse en:

a) Captaciones de fondo: La solución de captación en el lecho de un río

tiene la ventaja de captar un agua de mejor calidad, ya que se desechan las agua de la superficie, lógicamente más contaminadas. En estas se

coloca el punto de toma (que deberá ir dotado con una alcachofa que impida el paso de impurezas de gran tamaño) apoyado sobre el lecho del

río. Esta solución se ve afectada por los siguientes factores:

La estabilidad del lecho del río ya que deben prevenirse las

sedimentaciones o el arrastre de la tubería de toma. Esta solución será más recomendable cuanto más estable sea el lecho fluvial.

El nivel mínimo en verano ya que es conveniente que el punto de toma quede sumergido, al menos 1 m., por debajo del nivel de agua.

Por ende esta solución será más recomendable cuanto mayor sea el nivel mínimo de estiaje.

El nivel máximo de avenidas ya que es necesario situar los elementos más delicados de la captación (caseta de compuertas,

estación elevadora, etc.) fuera del alcance de las riadas. A este respecto es también de gran importancia la topografía de las riberas,

escogiéndose con preferencia las orillas escarpadas y demás lugares

donde el agua sea profunda y fluya con rapidez. La navegación existente, puesto que no debe poner el peligro la

captación. Este tipo de solución debe rechazarse si no es posible realizarla sin que existan interferencias entre ella y la navegación.

La toma de agua puede realizarse directamente sobre el fondo del río.

La alcachofa, coladera o filtro de toma, se coloca cubierta con una capa de 50 cm. de gravilla y la tubería de salida enterrada en el fondo. La

aplicación de este tipo de solución requiere un lecho estable y la no existencia de riesgo alguno de obstrucción por arenas o limos.

Figura 9. Toma fluvial de fondo

Figura 10. Toma fluvial de fondo con rejilla.

Este tipo de toma con un pequeño muro transversal a la corriente suele utilizarse en el caso de ríos de zonas montañosas, cuando se cuente con

una buena cimentación o terrenos rocosos y en el caso de pequeños cursos de agua, cuando existan variaciones sustanciales del caudal entre

los periodos de estiaje y los de crecientes máximas. Consiste en una

estructura estable de variadas formas, la más común es la rectangular y

en los casos en que la conformación de la sección transversal del río lo requiera, se proyectará un muro de encauzamiento transversal que oriente

las líneas de corriente hacia la rejilla.

La estructura, ya sea en canal o con tubos perforados localizados en el fondo del cauce, debe estar localizada perpendicularmente a la dirección

de la corriente y provista con una rejilla para retener materiales de acarreo de cierto tamaño, construida de barras metálicas paralelas entre

sí, colocadas en el sentido de la corriente y removible para efectos de limpieza. En todo diseño de rejillas deben contemplarse los siguientes

elementos: el caudal correspondiente al nivel de aguas mínimas en el río,

el caudal requerido por la población y el nivel máximo alcanzado por las aguas durante las crecientes de periodo de retorno de mínimo 20 años.

Para este tipo de tomas la rejilla debe estar inclinada entre 10 y 20 %

hacia la dirección aguas abajo, con un ancho que dependerá del ancho total de la estructura y una separación de barrotes entre 75 y 150 mm en

el caso de ríos con gravas gruesas o entre 20 y 40 mm para ríos caracterizados por el transporte de gravas finas. La velocidad del flujo a

través de ella debe ser inferior a 0.15 m/s con el fin de evitar el arrastre de material flotante.

La toma también puede realizarse elevada sobre el fondo, apoyada sobre una pequeña estructura, esta solución requiere un lecho estable que

permita cimentar el apoyo de la toma, (pero no obstante la toma debe ser protegida) que los niveles mínimos de estiaje sean suficientes y que el río

no sea navegable. Tiene la gran ventaja de estar mucho más protegida de la sedimentación que la solución anterior. Además, suele preveerse una

inversión en el sentido de la circulación del agua, lo que permite la fácil limpieza del filtro de toma, mediante una bomba y una tubería de limpieza

a través del tubo de entrada, es más el diámetro mínimo debe ser de 8 pulgadas para evitar obstrucciones y se aconseja que el número de

tuberías sea dos para evitar posibles interrupciones del servicio.

Figura 11. Toma de fondo, en un río no navegable y con peligro de

sedimentación.

b) Captaciones de orilla: Este tipo de captaciones suele utilizarse en ríos

navegables o de fondo inestable, en estas la toma se coloca sobre una de las márgenes del río, para ello se realiza una protección con escollera,

gaviones o muros, sobre la que se abre la boca de entrada al pozo de toma, donde se encuentra la alcachofa y la tubería de salida. La boca de

entrada debe quedar protegida por una rejilla con inclinación de 70 a 80º con la horizontal y espaciamiento entre 20 y 25 mm cuya finalidad sea

impedir el paso de elementos gruesos o flotantes y una segunda rejilla o malla de 3 mm aproximadamente para impedir el paso de elementos de

arrastre y peces.

Esta solución no se ve tan influenciada como la anterior por los niveles

mínimos del río y se interfiere mucho menos con la navegación (salvo en la formación de remolinos). Tampoco se ve influenciada por la estabilidad

del fondo, salvo socavaciones importantes. Sin embargo, sigue manteniéndose el problema de los niveles máximos de avenida y

salvaguarda de las obras e instalaciones de la toma. Las captaciones de orilla pueden ser directas o en galería, esta última se utiliza

frecuentemente cuando se pretende que los remolinos de toma no interfieran la navegación.

En este tipo de captación, es frecuente instalar un proceso de predecantación a continuacion de la boca de entrada, sobre todo cuando

se utilizan bombas de elevación, a fin de preservarlas del desgaste, además de compuertas que permitan realizar operaciones de limpieza y

mantenimiento y que a su vez con ella se puedan realizar aforo de caudales.

Figura 12. Toma directa sencilla de un río normal.

Si la fuente tiene variaciones considerables de caudal y además el

cauce presenta cambios frecuentes de curso o es inestable, debe estudiarse y analizarse la conveniencia de una captación mixta que opere

a la vez como captación sumergida y captación lateral.

Figura 13. Toma con galerías.

Si la altura mínima del agua en el río es pequeña y sobre todo si la oscilación es grande, es conveniente recurrir a pequeños azudes, que

garanticen una cierta profundidad mínima y reduzcan las oscilaciones del

nivel del río, la presa tiene como objetivo elevar el nivel del agua de modo

que se garantice una altura adecuada y constante sobre la boca de

captación.

c) Captaciones en canal derivado: Esta solución consiste en derivar un canal del río, sobre este canal se sitúa, suficientemente alejada, la toma

de agua, de esta forma es posible independizarse de todos los problemas que origina el propio río: niveles máximos y mínimos, navegación,

inestabilidad del lecho y de las riberas, etc. Esta solución se usa frecuentemente cuando no es posible encontrar sobre la orilla un lugar a

salvo de las avenidas, ya que de esta forma es posible situar las instalaciones en puntos más alejados.

d) Captaciones en torre de toma: Este tipo de captaciones consiste en una torre cimentada sobre el fondo del río con entradas a diversas

profundidades; de tipología muy similar a las usadas en los embalses, tienen la gran ventaja de poderse seleccionar la profundidad óptima de

calidad del agua en cada momento, pero exigen un buen fondo para la cimentación y grandes profundidades de agua.

e) Captación flotante o móvil con elevación mecánica: Si la fuente de agua superficial tiene variaciones considerables de nivel pero conserva en aguas

mínimas un caudal importante; por economía puede proyectarse la captación sobre una estructura flotante anclada al fondo u orillas del río de

manera tal que se eviten los desplazamientos laterales; dicha estructura debe tener un amplio margen de flotación y unas dimensiones adaptadas

al tamaño y peso de los equipos. Para similares condiciones de caudal, pero orillas estables y con pendientes bajas a moderadas, puede

proyectarse la captación sobre una plataforma móvil apoyada en rieles inclinados sobre la orilla y accionada por poleas diferenciales fijas.

En ambos casos, la impulsión debe ser flexible con el fin de absorber todos los alargamientos debidos a las variaciones de nivel del agua del río

y la sumergencia del flitro debe adecuarse de modo que se evite la captación de elementos flotantes, algas u otros elementos que se

encuentren en la superficie del agua, así como la posibilidad de aspirar agua turbia o con algun contenido de materia orgánica en descomposición

desde el fondo.

Figura 14. Toma flotante en planchón.

f) Muelles de toma: este tipo de captación se recomienda en los casos de

los ríos con variaciones substanciales del nivel del agua y cuando se puedan aprovechar obras costaneras ya existentes como: muelles,

puentes, etc. que sirvan como elemento de soporte a la tubería y que se encuentren en una zona no afectada por erosiones o depósitos de material

aluvial, convenientemente anclado y estable en caso de ríos navegables o crecientes. La obra de toma debe estar protegida mediante rejas

perimetrales a través de las cuales la velocidad de flujo evite los elementos gruesos flotantes o un “encamisado” perforado con mecanismos

de elevación para limpieza, pero con una sumergencia adecuada del filtro de toma

Es importante anotar, que en este como en todos los demás casos, el equipo de succión y/o impulsión del agua y todo la demás maquinaria,

debe quedar por encima del nivel de la máxima creciente con periodo de retorno igual al periodo de proyecto.

g) Pozos subalveos: En este caso las aguas del río se captan mediante uno

o varios pozos realizados en el subalveo del río, de esta forma se

independiza la captación de los problemas propios de este y se consigue un agua de mejor calidad debido a la filtración natural a través del terreno,

dependiendo, como es lógico de la granulometría del suelo y la distancia de filtración.

3. Captaciones de agua en lagos

El agua de los lagos suele presentar, en general, buenas

características de calidad, debido a la autodepuración por sedimentación que experimenta durante su largo reposo en ellos. Sin embargo, si el lago

es pequeño, poco profundo o sus riberas están densamente pobladas, la captación debe localizarse donde el peligro de contaminación sea mínimo,

lo que puede exigir el estudio de las corrientes y de los vientos y especialmente el movimiento de las aguas residuales o residuos

industriales que puedan descargarse sobre el lago. Las principales

condiciones que debe cumplir una captación lacustre son:

Situarse a una distancia no menor de 600 - 900 m. de la ribera en zona de agua no contaminada.

Situarse a una profundidad no menor de 9 m. a fin de evitar la acción perturbadora del hielo, oleaje, etc. Si es posible, resulta

recomendable llegar a los 30 - 40 m., donde pueda obtenerse agua de buena calidad y temperatura constante.

Situar la abertura de captación a más de 2 m. sobre el nivel del fondo del lago, a fin que el agua captada no arrastre sedimentos.

La velocidad de entrada del agua debe ser baja para que no se

produzcan excesivos arrastres de cuerpos flotantes, sedimentos, hielo, peces, etc. A este respecto, se han empleado con éxito,

velocidades de entrada menores de 15 cm. por segundo.

Las captaciones de agua lacustre pueden ser de tres tipos:

a) Las captaciones de torre: similares a las ya mencionadas en ríos y a

verse para embalses, son especialmente indicadas para aquellos casos en los que la toma está por encima de los 15 m. bajo el nivel del lago. Por

ejemplo la toma de la ciudad de Chicago, en el lago Michigan, situada a 3000 m. de la ribera y con su captación a 10 m. de profundidad a la que

sin embargo su “alta” velocidad de captación (45 cm/sg) origina problemas con los hielos invernales.

b) Las tomas de tubo: constituidas por una tubería que termina en un

codo de 90º y una alcachofa o filtro de toma, situada por encima de los 2 m sobre el fondo.

Figura 15. Toma lacustre con tubo.

c) Las tomas de rejilla están constituidas por una rejilla horizontal situada

sobre una bancada de escollera que la eleva varios metros sobre el fondo.

Figura 16. Toma con rejilla sumergida.

4. Captaciones del agua en embalses

El embalse es una solución que presenta algunas notables ventajas, como pueden ser:

La regulación de caudales a lo largo del año, lo que permite un mejor aprovechamiento de las aguas superficiales.

Al disminuir la velocidad del agua en el embalse se produce una decantación de las materias en suspensión lo que contribuye a

mejorar la calidad del agua y en concreto a clarificarla. Las aguas fluyentes al mezclarse con las aguas embalsadas

contribuyen a una mejora de la calidad. La autodepuración propia del ecosistema que constituye el embalse,

contribuye a la mejora de la calidad de sus aguas siempre y cuando este no entre en fase de eutrofización.

Los gérmenes patógenos se encuentran en un medio inadecuado

(alimento, temperatura, pH, radiación solar, etc.) y mueren rápidamente atacados por los protozoos.

Sin embargo, un crecimiento excesivo de algas puede dar

inconvenientes, pues, al morir, caen al fondo donde se descomponen anaerobiamente, lo que puede llegar a hacer impotable el agua de allí.

La principal características de las

aguas es su calidad variable según la profundidad a que se encuentren.

Las aguas de la superficie presentan una importante vida acuática,

pueden estar contaminadas por sustancias flotantes y presentan

variaciones de temperatura, las

aguas del fondo en cambio pueden estar contaminadas por los

productos de la descomposición anaerobia de las materias orgánicas

sedimentadas. Habitualmente el agua de un embalse se toma unos

pocos metros por debajo de la superficie.

La tipología de las captaciones de agua en los embalses es siempre de

tomas múltiples a diferentes alturas, ya que de esta forma es posible seleccionar el punto más adecuado, siguiendo las variaciones de nivel del

embalse. El número de tomas es muy variable pero generalmente oscila

entre 3 y 8.

5. Captaciones del agua de mar

Este tipo de captación debe utilizarse únicamente en sitios sin otra

fuente de abastecimiento más convencional y ya sea que se de por evaporación normal, al vacío, destilación u ósmosis inversa, se debe

asegurar la dotación mínima exigida.

En el caso de evaporación normal, los estanques deben tener poca

profundidad y el área de las cubiertas transparentes debe ser lo más amplia posible, recogerse eficientemente el vapor, aislar pérdidas y al

agua captada añadirse sales que la hagan aceptable para consumo humano. Los otros métodos por su costo y uso intensivo de energía,

requieren de estudios económicos detallados.

Figura 17. Toma adosada al trasdós de una presa.

Se distinguen dos tipos principales: los adosados al trasdos de la presa y los de

torre, (Ver figuras 17 y 18). Ambos tienen una tipología muy similar, puesto

que constan de un conducto vertical de forma aproximadamente cilíndrica en el

que se sitúan las distintas tomas, dotadas de válvulas que se manejan

donde la parte superior, fuera del nivel máximo del embalse. Este conducto

cilíndrico se consigue bien realizado

sobre el trasdós de la presa, cuando la tipología de esta lo permita (es inviable

en presas de materiales sueltos, por ejemplo) o mediante la construcción de

una torre cilíndrica que se une a la coronación de la presa o a una de las

laderas por medio de una pasarela.

Figura 18. Torre de toma.

CAPTACIONES DE AGUAS 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. Históricamente se

han barajado teorías con grandes concomitancias míticas para explicar el

origen de las aguas subterráneas, ya que se suponía que las cantidades precipitadas eran insuficientes para abastecer los grandes caudales de las

aguas subterráneas. 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.

Así el suelo terrestre puede considerarse dividido en dos grandes partes:

La zona de aireación en la cual las cavidades del terreno contienen agua, pero en menor cantidad de su capacidad potencial. A su vez se

subdivide en el manto vegetal o zona superficial que está bajo la influencia

directa de las plantas y sus raíces y la zona restante, o manto capilar, también bajo una influencia de las plantas aunque menos directa. En estas

zonas predominan las fuerzas de atracción molecular sobre las fuerzas de la gravedad.

La zona de saturación o zona en la cual el agua se encuentra en cantidad muy cercana a la capacidad potencial del terreno y donde las

fuerzas predominantes son de gravedad, esta agua es la llamada subterránea.

La separación entre ambas zonas se llama superficie de saturación o nivel

freático.

Así pues, una partícula de agua, para llegar a ser subterránea debe

atravesar la zona de aireación, lo cual requiere que la cantidad de agua sea lo suficientemente grande como para que predominen las fuerzas de

gravedad sobre las fuerzas de atracción molecular. Así, si el fenómeno generador es atmosférico este deberá tener una intensidad y una duración

suficiente para que el agua no se pierda en su totalidad en escorrentía superficial y evapotranspiración. Si la zona de aireación esta seca y el

agua de lluvia cae con poca intensidad, esta agua se alojará primero en el manto vegetal y luego en el capilar; Si al llegar a la zona de saturación

cesa la lluvia, esta agua quedará para uso de las plantas y no se habrá

generado nueva agua subterránea.

La infiltración de las corrientes superficiales (ríos, lagos, etc.) se produce tan sólo en casos concretos, en cuyo caso a esta corriente se le

llama influente. Por el contrario, sí, como es el caso más frecuente, la corriente superficial recibe aportación de las aguas subterráneas se la

denomina efluente. Los terrenos se clasifican frente a las aguas subterráneas por sus

características, por ejemplo:

Acuífero se le llama a aquella formación geológica que contiene agua

y es capaz de trasmitirla, como, por ejemplo: un aluvión fluvial, gravas y arenas. Son en general adecuados para situar una captación de agua en

ellos.

Acluido, por el contrario se define como aquella formación geológica

que conteniendo agua en su interior, incluso hasta la saturación, no la

trasmite y por tanto no es posible su explotación, como por ejemplo las arcillas.

Acuitardo se llama aquella formación geológica que conteniendo apreciables cantidades de agua las trasmiten muy lentamente, como por

ejemplo unas arcillas limosas o arenosas. Estas formaciones son inadecuadas para situar captaciones en ellas, pero pueden jugar un papel

muy importante en la recarga vertical de otros acuíferos. Acuífugo es llamada aquella formación geológica que ni contienen

agua ni la pueden trasmitir, como, por ejemplo, un macizo granítico no alterado.

Los acuíferos que se presentan con mayor frecuencia están formados por depósitos no consolidados de materiales sueltos, tales corno arenas,

gravas, mezclas de ambos, etc. Debido, en general, a sus buenas condiciones de recarga y poca profundidad de su nivel piezométrico,

suelen dar buenos caudales de agua si se los explota convenientemente.

De entre las rocas sedimentarias consolidadas (que encierran el 95% de las aguas subterráneas del planeta), la más importante es la caliza,

estas rocas son de por si poco permeables pero su disolución por el agua provoca el desarrollo de zonas permeables, fenómeno conocido con el

nombre de karstificación. Las aguas en su movimiento van agrandando las

grietas, diaclasas y fisuras, formando una auténtica red de canales y ríos subterráneos gracias a la solubilidad de la caliza y a la acción del CO2

agresivo a las aguas. Las areniscas cementadas son bastante impermeables debido al ligante que une los materiales granulares y son,

por tanto malos acuíferos; sin embargo, si la cementación es parcial o ha desaparecido en parte, pueden ser objeto de explotación como acuíferos.

Las margas y arcillas, en cambio, deben considerarse corno acluidos y

por tanto inexplotables. Las rocas volcánicas presentan una gran variedad de posibilidades, dependientes de sus características físicas y químicas, de

las propias rocas y de la erupción que las originó, edad, etc. Si son

escoriaceas, con grandes intersticios, pueden constituir excelentes acuíferos, por el contrario, si son densas y compactas como algunas

riolitas y basaltos, tendrá unas características hidrológicas muy pobres.

Finalmente en las rocas ígneas y metamórficas (granitos, dioritas, gabros, pizarras y esquistos) las únicas posibilidades de dar buenos

acuíferos residen en la zona alterada superficial o en las regiones muy fracturadas por fallas y diaclasas, de todos modos constituyen los peores

acuíferos, en cuanto a rendimiento de caudal.

Los acuíferos pueden clasificarse atendiendo a varias de sus

características. Las clasificaciones principales que pueden establecerse

son: atendiendo al estado energético del agua o por la variación de la calidad de sus aguas.

De los primeros los acuíferos libres no confinados o freáticos son

aquellos en los cuales existe una superficie libre del agua que contienen, que está en contacto con el aire y por tanto a presión atmosférica.

Acuíferos cautivos confinados o a presión son aquellos en los que la superficie superior del agua se encuentra sometida a una presión superior

a la atmosférica, por ello durante la perforación de pozos en acuíferos de este tipo, al atravesar el techo del mismo se observa un ascenso rápido

del nivel del agua hasta establecerse en una determinada posición o nivel piezométrico. Si el nivel piezométrico se sitúa por encima de la boca del

pozo, a esto último se le denomina surgente.

Acuíferos semicautivos o semiconfinados, son aquellos en los que la pared superior o inferior no es totalmente impermeable, sino que se trata

de un acuitardo, es decir un material que permite la filtración del agua,

pero de forma muy lenta, lo que sirve de alimentación al acuífero principal. En realidad, se trata de un caso particular del tipo anterior.

Figura 19. Tipos de acuíferos.

Por la variación de calidad de sus aguas pueden ser uniformes, cuando

la calidad de agua es sensiblemente igual en cualquier punto del acuífero o estratificado cuando en el acuífero coexisten aguas de muy distinta

calidad, que por sus diferentes características de densidad, viscosidad, etc. forman capas (no forzosamente horizontales), y se aprecian claramente

interfaces o puntos de brusca variación de la calidad. Un ejemplo importante de este último tipo son los acuíferos litorales, donde coexisten

las aguas dulces y saladas, formando una interface, cuya forma depende

de la dinámica de ambas.

Evaluación y estudios sobre las aguas subterráneas

Las características de los acuíferos sólo pueden conocerse con cierta

aproximación después de costosos trabajos de reconocimiento y sobre todo, después de la explotación. Así los estudios de explotación de las

aguas se pueden clasificar en tres grandes grupos:

Estudios preliminares que tienen como motivo fundamental la

localización de los embalses subterráneos más importantes y una primera estimación de sus dimensiones, parámetros, zonas de

recarga y descarga y de la calidad de sus aguas. Sus resultados se sintetizan en mapas hidrogeológicos cuya escala suele estar

comprendida entre 1:100.000 y 1:200.000, sobre un área de estudio de varios miles de kilómetros cuadrados. Este tipo de estudios no

exigen, en general, de prospecciones geofísicas o sondeos, ya que su fundamento básico es la geología analizada con criterio

hidrogeológico, lo que requiere buena experiencia de parte de los

técnicos que la realizan. Estudios hidrológicos generales que conducen a una cuantificación

más aproximada de los embalses subterráneos localizados en los estudios de reconocimiento. Sus resultados suelen presentarse en

mapas hidrogeológicos cuya escala varía entre 1:25.000 y 1:100.000, en los cuales suelen representarse las curvas isopiezas

(puntos de igual nivel piezométrico) y, en ocasiones, las isotransmisibilidades (oscilaciones del nivel piezométrico),

profundidades de la zona saturada, concentraciones iónicas, etc. Habitualmente, estos estudios suelen extenderse a una cuenca

hidrográfica de centenares a miles de kilómetros cuadrados. En esta etapa, es siempre necesario realizar un inventario detallado de pozos

y fuentes y frecuentemente prospección geofísica, sondeos mecánicos, ensayos de bombeo y análisis químicos.

Estudios de detalle que tienen por objeto llegar a un conocimiento

pormenorizado de las características de un acuífero concreto. En este tipo de estudios tienen una especial importancia los datos

hidrológicos y técnicos de las captaciones existentes. Los resultados suelen presentarse en mapas hidrogeológicos a escala comprendida

entre 1:10.000 y 1:25.000. En este tipo de estudios es necesario, la realización de estudios geofísicos, sondeos mecánicos, ensayos de

bombeo, análisis químicos y la realización de algunos pozos experimentales. Empleando métodos geológicos, geofísicos,

climatológicos, de hidrología de superficie, de hidrología subterránea, etc.

Al hablar de captaciones para la explotación de aguas subterráneas

suele entenderse implícitamente que se alude a pozos verticales. Sin

embargo, existen otros sistemas constructivos que permiten alcanzar el mismo fin, tales como las galerías filtrantes y zanjas de drenaje. Aún

dentro de pozos verticales es necesario distinguir entre los pozos “excavados”, de construcción manual o ligeramente mecanizada y

diámetros relativamente grandes, los “perforados” de diámetros reducidos y construcción totalmente mecanizada y los “radiales” o pozos de drenes

horizontales. Es evidente que las condiciones hidrogeológicas del área donde vaya a establecerse la captación serán las que condicionen en gran

manera el tipo de la misma. Aún con todo, son ciertamente los pozos verticales el sistema de captación de aguas subterráneas más extendido.

1. Captación de manantiales

Cuando se pretenda captar el caudal de un manantial, es necesario realizar una investigación sobre sus caudales y sobre la calidad de sus

aguas. Si el manantial constituye la única fuente de abastecimiento de la comunidad, el caudal mínimo de estiaje deberá cubrir la demanda diaria

máxirna de agua. Las variaciones en la calidad son otro punto importante y deberá hacerse un estudio periódico de ello, así mismo la oscilación de

temperátura no debe exceder de 2 a 4 ºC.

Si el manantial se enturbia inmediatamente despues de una lluvia

fuerte, es señal inconfundible de que el efecto filtrante del terreno es insuficiente. Si el manantial se alimenta con aguas procedentes de una

grieta o de aguas subterráneas de una cuenca pequeña, sus condiciones higienicas pueden ser dudosas. La tipología de la captación de un

manantial varía según el tipo de afloramiento, generalmente se conducen a un pequeño depósito enterrado que da al agua un tiempo de

permanencia de 5 a 30 minutos para pasar seguidamente a la aducción que la llevará al tratamiento. Los principales tipos de afloramiento de un

manantial, son:

a) Salida horizontal en un punto, suele presentarse en los manantiales de

capas sedimentarias de aluvión o de rebose y eventualmente, en los de agua remansada. Se realiza por medio de un depósito de acumulación que

se adosa a la salida del manantial, el cual entra en el depósito por unos orificios que se practican en la parte posterior del depósito. Entre éste y el

manantial se disponen varias capas de material filtrante con una disposición de granulometria creciente en el sentido de la filtración del

agua. Las granulornetrias de estas capas deberán estar estudiadas de forma que cumplan las condiciones filtro.

Figura 20. Captación de manantial con salida horizontal.

b) Salida horizontal en franja de anchura limitada suele presentarse en

capas geológicas similares al caso anterior y su toma se realiza de forma análoga a éste, sin más que sustituir el deposito por una galeria de

filtración, de longitud ligeramente superior a la de la franja de afloramiento. Si el caudal fuera pequeño, puede sustituirse la galeria de

filtración por uno o varios tubos semiperforados (perforados en una semisección), que se introducen en las correspondientes capas filtro; la

captación así dispuesta se proteje con un panel superior y otro lateral.

c) Salida vertical en un punto, el que se presenta en manantiales de fallas,

grietas o artesianos. se realiza por mediación de un pozo ordinario con acceso del agua por el fondo. Por ello es esencial determinar exactamente

la altura del desague o rebose, ya que de esta forma podrán disininuirse los efectos perjudiciales del remansamiento.

d) Salida de plano vertical, se presenta, en manantiales de agua

remansada. Se realiza por medio de tubos semiperforados introducidos en una masa filtrante, que recoge el agua de los diversos puntos. Para este

tipo de captación se emplean filtros gruesos que favorecen la circulación

del agua.

Figura 21. Toma de un manantial de salida vertical.

2. Pozos verticales

Bajo la denominación de pozos verticales pueden entenderse aquellos

que se proyectan y construyen para obtener agua, por penetración vertical

de la obra de captación en una capa acuífera, pudiendo disponer o no, de obras horizontales que faciliten la entrada de agua en el pozo. La

extracción del agua en ellos se realiza, en general, por medio de bombas, movidas por motores eléctricos

La profundidad que deba ser alcanzada por un pozo vertical vendrá

definida fundamentalmente por las características de la formación a explotar; la profundidad a prever en un pozo vertical esta condicionada

por los datos obtenidos en: sondeos mecánicos, investigaciones geofísicas o en pozos anteriores.

a) Pozos perforados: se caracterizan por la mecanización casi completa de su perforación. Son de diámetros relativamente reducidos (40 - 80 cm.,

frecuentemente). El método de perforación será función, en general de la profundidad a alcanzar, el diámetro necesario y la naturaleza del terreno.

La naturaleza de los terrenos atravesados o condiciones de

funcionamiento del pozo, pueden aconsejar o incluso exigir el

revestimiento de las paredes del mismo. El entubado definitivo de un pozo desempeña, en general, dos misiones: sostener las paredes de la

perforación y constituir la conducción hidráulica que pone en comunicación el acuífero con el exterior. Una operación de singular importancia en los

pozos verticales es la cementación, la que tiene por objeto obtener la unión de la tubería con la pared del pozo. Con ello se consigue evitar que

las aguas superficiales puedan contaminar las profundas, evitar

conexiones entre acuíferos a través del hueco del pozo y aumentar la

resistencia del entubado.

En un pozo vertical pueden distinguirse tres tramos, no siempre bien

definidos, que son:

El tramo en que se produce la entrada, procedente de la capa acuífera.

El tramo que enlaza con el anterior hasta el punto de situación de la

bomba, si existe. El tramo que comprende desde la bomba al exterior

La zona de admisión del agua al pozo constituye, sin duda la parte

esencial del mismo. Aun cuando, en ocasiones, no se coloca elemento alguno en esta zona, lo más frecuente es realizar un revestimiento al que

suele denominarse “rejilla”, la cual bien proyectada debe permitir que con una pérdida de carga admisible, pase al interior del pozo agua limpia de

materiales sólidos. Sin embargo, en algunos casos no es suficiente con la colocación de una rejilla para garantizar el correcto funcionamiento del

pozo, sino que se hace necesario colocar un relleno de grava, de

características determinadas, en el espacio anular que queda entre la pared del terreno perforado y la rejilla.

Estos rellenos de grava son especialmente recomendables en los casos de:

Acuíferos de arenas finas y uniformes.

Formaciones estratificadas con capas alternadas de material grueso,

medio y fino. Aguas muy incrustantes.

Cuando el material del acuífero son areniscas pobremente cementadas.

En su estado natural, el agua subterránea es normalmente de buena

calidad biológica, no obstante la protección sanitaria de un pozo debe estar presente en todas las fases del proyecto y construcción. Ya en principio,

debe seleccionarse con cuidado el lugar de emplazamiento del pozo, prestando atención a la posible existencia de fosas sépticas, corrales,

alcantarillados, desagües, etc. Así mismo, durante las operaciones de

construcción, las propias manipulaciones inherentes a la misma pueden provocar contaminaciones. Por ello, una vez terminada la construcción

debe procederse a una completa desinfección del pozo. El método más corriente de desinfección consiste en utilizar una solución concentrada de

cloro.

Finalmente, durante el funcionamiento del pozo también será necesario adoptar las medidas correspondientes para evitar la entrada en el pozo de

aguas contaminadas. Para ello se instala una protección superior

consistente en:

Prolongar el revestimiento hasta 50 cm. por encima del nivel del

suelo. Cubrimiento en concreto de la entrada al pozo, con pendientes hacia

la periferia. Protección a base de material arcilloso en un radio dependiente de

las condiciones locales. Cierre sanitario de la boca de pozo a base de chapas atornilladas con

juntas estancas de goma. Cementación del trasdós del revestimiento al menos en los primeros

tres metros

b) Pozos excavados: La excavación de pozos a mano fue el único sistema

de construcción en tiempos pasados y sigue aún utilizándose en aquellos lugares donde aún no ha llegado o no es posible la mecanización. Un pozo

excavado se caracteriza, en general, por su gran diámetro (>1,50 metros) y por el hecho de que en su construcción la mecanización es escasa o nula.

Los pozos excavados, pese a su carestía pueden ser una solución aceptable en los siguientes casos:

En rocas débilmente fisuradas, en las que al aumentar el diámetro se aumenta la probabilidad de cortar fisuras inclinadas y además, al ser

mayor la longitud de las fisuras interceptadas, el agua entra a menor velocidad y por lo tanto con menor perdida de carga.

En acuíferos poco permeables en los que el bombeo va a ser intermitente. En tal caso el pozo, además de actuar como captación, lo

hace también corno depósito regulador. En acuíferos de muy poco espesor, en los que para conseguir una

velocidad de entrada adecuada no queda otro remedio que aumentar considerablemente el diámetro.

Cuando en el interior del pozo debe instalarse maquinaria o han de realizarse trabajos que requieran intervención humana, lo que exige un

diámetro de unas ciertas dimensiones mínimas.

En los casos en los que se han de perforar drenes horizontales en el interior del pozo (pozos radiales) y por tanto es necesario permitir el

descenso de la maquinaria de perforación. En los lugares y circunstancias en los que resulte más económico

que un pozo perforado.

Este tipo de pozo suele penetrar tan sólo ligeramente en la capa acuífera, debido a su carestía y gran diámetro. Sin embargo, puede

decirse que a partir de unas pocas decenas de metros, este tipo de pozos es difícilmente rentable, aun cuando en el pasado hayan sido excavados

incluso de varios centenares de metros

Los métodos constructivos más empleados en los pozos excavados

son: el tradicionalmente conocido de “a pico y pala”, si bien pueden

adoptarse ciertas mecanizaciones: uso de explosivos, extracción de materiales con torno eléctrico, etc. Los problemas básicos de este tipo de

excavación lo constituyen el achique del agua y la seguridad del personal; en este último aspecto debe considerarse la posibilidad de sifonamiento

del fondo y la problemática de desprendimientos, solucionable mediante zunchos o entibaciones provisionales que pueden irse introduciéndose a

medida que se va excavando el pozo o de revestimientos definitivos que aunque tradicionalmente fueron la piedra y el ladrillo, recientemente se

están utilizando anillos vaciados en concreto.

No suele utilizarse rejilla como tal, sino que la entrada del agua se

realiza a través de aberturas en el revestimiento (ladrillos u hormigón con perforaciones, juntas abiertas, etc.) y así dentro de la tipología de pozos

excavados, estos pueden ser:

Pozos de bomba sumergida. Pozos de bomba superior al nivel de agua.

Pozos con cámara estanca para alojamiento de bombas. Pozos para construcción de drenes radiales.

c) Pozos radiales: Los pozos de drenes horizontales, según los métodos constructivos actualmente en uso, fueron concebidos en 1934 por un

ingeniero americano apellidado Ranney. Constan de dos partes fundamentales:

Un pozo vertical con pared de concreto reforzado y fondo de

concreto en masa de diámetro comprendido entre 1,60 y 6,00 m. Un conjunto de drenes horizontales, situados en uno o más niveles y

conectados con el pozo vertical, en el que desaguan a través de

válvulas de compuerta.

En comparación con los pozos verticales, los descensos dinámicos en los pozos radiales son notablemente inferiores. Esto hace que sean

recomendables de modo especial cuando se quieren extraer grandes caudales y/o cuando el acuífero saturado presenta un espesor pequeño.

Sin embargo, el coste de un pozo radial es elevado, por lo que suele aceptarse que solamente son económicamente viables a partir de

apreciables caudales de bombeo.

La construcción de pozos radiales se realiza, principalmente por dos

métodos diferentes:

En el sistema Ranney las perforaciones radiales se realizan con los mismos tubos filtrantes definitivos. Por tal razón dichos tubos han de

ser de acero y con paredes gruesas. Las ranuras en ellos son de

forma alargada en el sentido longitudinal de los mismos.

El sistema Fehlmann utiliza tubos de perforación de 267 mm. de

diámetro, que se retiran después de la colocación de los filtros. Con ello se consigue que el material y la abertura de las ranuras de los

tubos filtrantes puedan ser elegidos de acuerdo con las características químicas del agua y con la granulometría y

permeabilidad del acuífero.

Figura 22. Pozo de drenes horizontales.

En ambos sistemas es posible construir los drenes con una cierta

inclinación hacia arriba, lo que posibilita penetrar más adecuadamente en

el acuífero a explotar. Los drenes horizontales suelen tener de 33 a 50 m. de longitud y se construyen mediante la hinca de un equipo de empuje,

instalado sobre una plataforma. Para conocer con precisión el caudal de un pozo horizontal, es preciso hacer un ensayo de producción en cada dren

por separado y un aforo del pozo completo. De modo similar a los pozos verticales el aumento de diámetro más allá de ciertos límites no influye de

forma notoria sobre su caudal específico.

3. Galerías filtrantes

Las galerías filtrantes son túneles de sección reducida y ligera

pendiente ascendente que se internan en el interior de una montaña en busca de puntos inferiores al nivel freático que permitan un cierto caudal

de agua de procedencia subterránea. La ejecución de estas galerías es muy costosa por lo que su empleo ha quedado reducido a casos muy

concretos.

Figura 23. Galería filtrante.

Las galerías filtrantes tienen su origen en 1os denominados kanats que

se desarrollaron hace 2700 años en América, Persia, Pakistán, Egipto. etc.

Los kanats están constituidos por una galería conectada a pozos de ventilación cada 50 - 100 m hasta encontrar un punto donde aflora el agua

que era conducirla por la propia galería hacia el exterior. Algunos kanats tienen casi 50 Km. de longitud y alcanzan una profundidad de hasta 120

m.

4. Zanjas drenantes

En materiales no consolidados, cuando el nivel freático es poco profundo,

la captación del agua subterránea puede hacerse mediante zanjas que son simplemente excavaciones lineales que llegan hasta el nivel de saturación.

El agua se puede evacuar por gravedad si el terreno tiene suficiente pendiente o por bombeo de la propia zanja.

CAPÍTULO 5

CONDUCCIONES DE AGUA

Son genéricamente la aducción y conducción de aguas, es decir el

conjunto de obras y elementos que tienen la misión de conducir el agua desde la captación hasta el punto inicial de la red de distribución y en la cual el

transporte se realiza a caudal total o completo. Este transporte requerirá una cierta cantidad de energía para realizarse, a este respecto, pueden ocurrir tres casos:

Que el agua en el punto de captación disponga de la energía suficiente, en forma potencial, para realizar su transporte, estas son las denominadas

conducciones por gravedad y se caracterizan por el aprovechamiento de la diferencia de nivel entre los puntos de origen y destino. Según el estado energético del agua durante el transporte, las conducciones por gravedad se

clasifican en:

- Conducciones a lámina libre o rodadas, el agua circula en ellas a presión

atmosférica y por tanto su recorrido es sensiblemente paralelo y muy próximo a la línea piezométrica.

- Conducciones a presión o forzadas, en estas el agua circula a una presión

variable, superior a la atmosférica y el recorrido del agua difiere sensiblemente de la línea piezométrica.

- Conducciones mixtas que son aquellas que tienen tramos de ambas clases

anteriores, siendo por ende las de uso más frecuente.

Que el agua no disponga de la energía necesaria para realizar el transporte,

en este caso será necesario aportarle energía por medios externos (bombas de impulsión), lo que da origen a las denominadas conducciones por

impulsión. Que el agua disponga tan sólo de una parte de la energía necesaria para el

transporte, en este caso continuará siendo necesario el aporte exterior de

energía y podrá dar origen a una conducción compuesta: gravedad - impulsión

Así tres casos proporcionan una primera y fundamental clasificación de las conducciones, los mencionados: a lámina libre, a presión, por impulsión.

LAMINA LIBRE O RODADA

Las conducciones rodadas, usualmente llamadas canales, deben responder a los siguientes principios:

Máxima impermeabilidad.

Velocidades mínima y máxima a plena sección, para evitar la sedimentación y erosión del contorno del canal, respectivamente.

Formas redondeadas y contorno liso, a fin de evitar depósitos y sedimentaciones que disminuyan la sección y la velocidad, y que a su vez faciliten la limpieza para evitar que si los residuos son de origen orgánico,

entren en putrefacción alterando la calidad del agua. Los canales pueden ser abiertos o cerrados, siendo estos últimos los más

recomendables puesto que garantizan mejor el mantenimiento de la calidad del agua.

Inatacabilidad por las aguas, tanto por parte de las interiores conducidas, como por las exteriores contenidas en el terreno que atraviesa, a estos

efectos, y cuando sea necesario, se deberán adoptar medidas de protección eficaces.

En ciertos casos es recomendable que los canales (obviamente los cerrados) queden cubiertos con una capa de tierra que los proteja de los agentes

externos y conserve la temperatura del agua, evitándose así los efectos de gradiente térmico (grietas de dilatación). En climas fríos y extremados es

conveniente aumentar este recubrimiento mínimo a 1.5 o 2 m.

Las ventajas fundamentales de los canales frente a las conducciones forzadas son las siguientes:

Pueden construirse con materiales locales.

Mayor vida de la instalación.

Evitan el transporte de tubos, siempre caro por su baja relación peso/volumen.

Menor pérdida de capacidad con el tiempo. Requieren menor mantenimiento, puesto que sus elementos están menos

exigidos.

Entre los inconvenientes de este tipo de solución destacan:

Están mucho más condicionados por la topografía.

Requieren obras especiales de mayor volumen. No puede elegirse el trazado en busca de mejor accesibilidad a éste.

Presentan mayores inconvenientes a la hora del corte del suministro. Mayores dificultades de cruce con caminos, vías de comunicación, etc.

La decisión entre soluciones vendrá condicionada, dentro de un contexto

económico, al peso relativo de cada uno de estos factores.

El material más empleado en la construcción de un canal es el concreto, debido a sus propiedades resistentes, impermeables y a su economía; pero

pueden emplearse también, si las circunstancias lo recomiendan, la mampostería, el ladrillo y los tubos prefabricados.

Las secciones más utilizadas son la cuadrada y la trapezoidal.,

preferiblemente con las esquinas redondas, aunque también se emplean la circular y la ovoidal puesto que el fondo cóncavo de los canales facilita la

limpieza y resiste mejor los esfuerzos externos; pero cuando existan cambios de sección (forma, dimensiones, pendiente, etc.) se recomienda proyectar

obras de transición.

El trazado en planta de un canal es muy flexible, pues dada la relativa lentitud del movimiento del agua pueden adoptarse radios de giro reducidos,

resultando en ellos una pequeña fuerza centrifuga ya que el agua se acopla con facilidad al cambio de dirección; pero desde el punto de vista de la

pérdida de carga estas deben considerarse en el dimensionamiento del canal si los radios de curvatura son inferiores a 20 veces el radio hidráulico, otro

punto que debe considerarse, fuera del lógico resguardo, es una sobre elevación en la parte exterior de las curvas, a fin de evitar desbordamientos y

perdidas. La inclinación de los taludes de la sección transversal de un canal de aducción sin revestimiento, abierta en terreno natural, no pueden ser superiores al ángulo del talud natural del terreno y debe ser más suave en

terraplenes que en cortes.

El trazado en perfil está condicionado por el caudal a transportar, la

máxima pérdida de carga admisible y las pendientes mínimas y máximas que a su vez darán las velocidades mínimas y máximas del canal, definidas estas por el menor valor que evite la sedimentación, el radio hidráulico y el riesgo

de erosión del material de las paredes y de su rugosidad. Normalmente se

usan pendientes comprendidas entre 0,001 y 0,00015, pudiendo ser variadas

a lo largo del trazado, en el caso de que las condiciones topográficas impliquen pendientes superiores a la máxima que no produzca erosión, el

canal debe diseñarse con escalones que proporcionen caídas inclinadas o verticales (libres), pero proveyendo de estructuras de disipación de energía.

Tabla 4. Rugosidades, velocidades e inclinaciones en canales, según el material de su construcción.

En el cálculo de las conducciones rodadas suele ser conocido el caudal que

se desea transportar (caudal máximo diario QMD mas perdidas y consumo de

la planta), el perfil longitudinal y el trazado en planta del canal, ya que serán

conocidos los puntos inicial y final del recorrido, lo que permitirá en un

estudio topográfico, definir el trazado. Se procede entonces a definir las

secciones transversales de forma que las velocidades se estimen dentro de los

límites aconsejables y según las disponibilidades de material, maquinaria y

facilidad de construcción.

También deberá tenerse en

cuenta la variación prevista de los caudales, que pueden dar lugar al

uso de secciones diseñadas especialmente, una vez definidas las

secciones transversales se procede al cálculo de las velocidades reales a

lo largo del canal, si estas no fueran satisfactorias habría que modificar

las secciones transversales en el sentido que mejoren la distribución de velocidades, pudiendo llegarse a

la conclusión de necesitar modificar el trazado y/o incluir partidores de

carga.

Así pues, el problema típico consiste en dado un caudal, un trazado y unas

secciones transversales del canal obtener sus velocidades y consecuentemente sus alturas de agua, para obtener las velocidades es

necesario tener en cuenta las pérdidas de carga, estas pueden ser: continuas y uniformes en cuyo caso coinciden con la pendiente del canal, adaptándose la velocidad del agua a esta pérdida. O localizadas, que suponen, una

alteración local de la línea piezométrica y por tanto a distancia suficiente de ellas pueden suponerse que no existen, dentro de esta influencia local se

producen pérdidas de carga continuas, pero no uniformes.

Las obras especiales de ingeniería más ligadas con las conducciones rodadas se dan, cuando se deben salvar laderas accidentadas o cruzar

vaguadas y valles profundos, por lo que se puede recurrir a cualquiera de las soluciones siguientes, aplicables de acuerdo al caso, y a condicionantes

económicos.

Rodear la ladera o el valle siguiendo aproximadamente una línea de nivel.

Penetrar con un túnel dentro de la montaña. Realizar un sifón.

Cruzar mediante un acueducto

1.Túneles

Los túneles se emplean, tanto para conducciones rodadas como forzadas,

para salvar contrafuertes y laderas accidentadas. Sus principales ventajas son: acortar el recorrido del agua, con la consiguiente disminución de la

perdida de carga y que dan pocos gastos de conservación; pero su inconveniente fundamental es el costo, no obstante el precio de los túneles de

abastecimiento es considerablemente más bajo que otros tipos de túnel (carretera, ferrocarril, etc.), debido a su escasa sección, ya que las dificultades de construcción de los túneles aumentan muy fuertemente con el

aumento de tamaño. A su vez por esta misma razón la ejecución suele hacerse a toda sección, por lo que, en general, no será necesario recurrir a

galerías de avance, ni a métodos especiales.

Las secciones transversales más empleadas son la herradura para canales rodados y la circular para conducciones a presión, estas secciones deberán

tener unas dimensiones mínimas que permitan el trabajo relativamente cómodo en su interior. Sin embargo es conveniente proyectar los túneles de

forma que puedan admitir ampliaciones (caudales sensiblemente mayores a los de proyecto), puesto que así se facilitan los incrementos futuros del

abastecimiento.

Los túneles de abastecimiento deberán estar revestidos para evitar filtraciones y pérdidas, pero en el caso de ser un canal completamente

cubierto o contener una o varias tuberías forzadas en su interior, el túnel

podrá dejarse sin revestir.

2.Sifones

Un sifón es un tramo de conducción forzada incluido en una conducción

rodada que descendiendo por una de las laderas, ascienda por la otra hasta un punto de cota ligeramente inferior al de arranque, (así uno de sus

extremos estará más alto que el otro). Por tanto, en este tipo de obras será de aplicación todo aquello que más adelante se exponga sobre las

conducciones forzadas, lógicamente deben destacarse como problemas específicos de los sifones, los siguientes:

Deben proyectarse con dobles tuberías, para permitir las reparaciones

sin cortar el suministro. En los puntos inicial y final de un sifón deberán construirse las llamadas

“cabezas de sifón”, obras auxiliares destinadas a realizar la transición de canal a tubería forzada de una forma suave.

Debe quedar asegurada la evacuación de aire y la eliminación de sedimentos, por ello el llenado de un sifón debe hacerse tomando las debidas precauciones, siendo recomendable comenzar su llenado por el punto más

bajo, mediante un tubo auxiliar.

3.Acueductos

Se denomina acueducto a toda conducción que discurre sensiblemente

elevada sobre el terreno, no obstante, el sentido estricto de la palabra representa la estructura destinada a sustentarla y no a la propia conducción.

Así pues, en el acueducto son aplicables todas las técnicas, tanto tradicionales como avanzadas de construcción de puentes, proyectándose con relativa

frecuencia estructuras de uso múltiple puente - acueducto.

La solución acueducto, si bien tiene su principal uso en canales rodados, se usa también con cierta frecuencia en conducciones forzadas, en este último

caso se utiliza para evitar el paso de las tuberías por terrenos difíciles o inestables. Un ejemplo clásico de esto es el cruce de ríos cuyos lechos,

además de ser dificultosos de utilizar, no garantizan una estabilidad que preserve la conducción de incidencias de cierta importancia, además en este

caso puede utilizarse la capacidad portante de la propia tubería como elemento del tablero del acueducto.

Las principales causas de la introducción de un acueducto en una

conducción de agua, son:

Resultar una solución más económica o estética, que la de rodear el vallé o establecer un sifón.

Evitar el paso por terrenos inestables. Facilitar los cruces con otras vías de transporte.

Figura 24. Perfil longitudinal y planta de una conducción mixta teórica

Elementos y obras auxiliares de una conducción rodada

Entre los elementos y obras auxiliares más importantes, cada uno de ellos tiene su misión específica y tipología, que deben acompañar una solución

rodada, pueden citarse:

a) Partidores de carga: Son puntos singulares en los cuales se hace que el

agua pierda bruscamente energía, están justificados en aquellos casos en los que le sobra energía potencial al agua, no siendo posible absorberla por

rozamiento a causa de resultar velocidades excesivas. Los partidores de carga pueden ser simples registros de resalto o unos pequeños depósitos cilíndricos

de hormigón, con entrada superior y salida inferior, incluyendo un aliviadero de emergencia.

b) Rápidos: Tienen una misión idéntica a los partidores de carga, si bien su

acción se prolonga durante una longitud mayor del canal, siendo, por tanto, la disipación de energía más suave y prolongada. Los rápidos constan de un

tramo de gran pendiente, generalmente escalonado y con resaltos que favorecen la pérdida de carga, es imprescindible que la sección este reforzada

frente al desgaste, por ser sus velocidades altas.

c) Registros de inspección y vigilancia: Son obras que permiten el acceso al canal en ciertos puntos a fin de vigilar su conservación y limpieza, en realidad

pueden ser muy simples: basta una arqueta de ladrillo con solera y tapa de hormigón armado. Puede combinarse un registro con un partidor de carga,

este es el caso del denominado registro de resalto.

En las conducciones forzadas no se precisa de registros, salvo en cruces con carreteras o ferrocarriles, en cuyo caso constan de dos registros unidos

por una galería visitable y dotado de llaves que permitan los cortes necesarios, es conveniente que los sucesivos registros no se distancien entre

sí más de 500 m.

d) Almenaras y desagües: En un canal es necesario prever el corte del agua en ciertos momentos para proceder a reparaciones, limpiezas o eliminación de

obstrucciones accidentales. Ahora bien, si para ello fuera necesario vaciar totalmente el canal, es necesario esperar primero a que las aguas

desaparezcan y posteriormente, una vez realizado el trabajo, a que lleguen al punto cortado. Si el canal es largo estas esperas pueden ser de varias horas.

Para evitar estos inconvenientes se construyen las denominadas

almenaras, que realizan la función de cortar el agua del canal en un punto dado y desviarla hacia un aliviadero, constan, en general de una caseta, en

cuyo interior se colocan las compuertas de cierre y un aliviadero con capacidad para el máximo caudal del cálculo que incluye un rápido en el fondo

con escalones de 0,50 a 1 m.

Así pues, las almenaras deben disponerse en lugares donde resulte fácil el vertido del caudal máximo de cálculo, sin que se generen problemas de

erosión de laderas, ni perjuicios a terceros. En otros casos podrá disponerse de desagües simples, con o sin aliviadero que permitan rebosar el canal en

puntos elegidos y no en otros, cuyas consecuencias pueden resultar graves.

e) Cabezas de sifones: Las cabezas de sifones tienen como misión la de

realizar la transición de la conducción rodada a la forzada sin perturbaciones, constan, generalmente, de una caseta de compuertas, resalto en el fondo,

entrada abocinada al sifón, cubierta y desagües laterales de aliviaderos.

Las dos cabezas de sifón son prácticamente iguales, salvo la falta de

aliviadero y desagüe en la situada aguas abajo ya que la propia conducción la deja en seco; son de gran utilidad en el llenado de los sifones, que tienen problema en la salida del aire, puesto que manejando la compuerta de aguas

arriba puede llenarse lentamente y permitir la fácil salida del aire.

f) Obras de arranque: Las obras de arranque de los canales tienen dos

misiones fundamentales, reducir la energía a los niveles previstos y controlar los caudales que pasan al canal. Así pues constarán en general de partidores de carga o rápidos y de un aforador.

PRESIÓN O FORZADAS

Las conducciones forzadas son aquellas en las que el agua circula a presión, por tanto debe ir conducida por un conducto cerrado, se usa casi

exclusivamente la sección circular, de esta forma se las denomina también tuberías y deben responder a los siguientes principios:

Impermeabilidad muy cuidada.

Inatacabilidad por las aguas, tanto interiores como exteriores, cuando sea necesario se deberán tomar medidas de protección eficaces.

Velocidades comprendidas entre 0,6 m/seg. a fin de evitar sedimentación y 6,0 m/seg. para obviar las sacudidas en las conducciones,

aunque en general la velocidad máxima esta dada por la presión máxima producida por fenómenos de golpe de ariete.

Deberán apoyarse sobre una cama de arena u hormigón fresco, en ocasiones podrán usarse cuñas para su alineación.

Es recomendable que las conducciones forzadas queden recubiertas con una capa de tierra de espesor mínimo de 60 cm. Lo que evitará los esfuerzos térmicos y conservará la temperatura.

El trazado vertical de la conducción deberá quedar por debajo de la línea piezométrica, a fin de evitar concentraciones de gases en los puntos

altos, desoxigenación del agua y pérdidas de capacidad en la conducción. Es recomendable que el trazado vertical se separe lo menos posible de

la línea piezométrica, ya que de esta forma se consigue trabajar con presiones inferiores, lo que abaratara los materiales de la obra y reducirá las

averías. El trazado en planta cuando sea posible deberá discurrir por terrenos de

escasos inconvenientes administrativos o las cercanías de los caminos y vías de comunicación, lo que facilitará tanto el acceso para la construcción, como

las reparaciones.

El tipo de tuberías, de juntas, materiales y de apoyos debe ser

adecuado a al forma de instalación, garantizando la completa estanqueidad del conducto, así mismo, la tubería debe estar protegida contra impactos.

Las tuberías formadas por segmentos rectos pueden disponerse en forma curva, si es necesario mediante la deflexión en sus juntas, si estas son

flexibles. Sin embargo esto no es aconsejable cuando se trata de zonas con amenaza sísmica alta.

En el cálculo de las conducciones forzadas deben tenerse en cuenta que

las velocidades del agua dentro de la tubería deben quedar entre unos ciertos límites, así mismo deben considerarse por separado las pérdidas de carga

continuas y las perdidas de carga localizadas y distinguir entre los régimen laminar y turbulento, no obstante en este tipo de conducciones la mayoría son

turbulentos.

En todos los casos debe efectuarse el estudio hidráulico del flujo a través de la tubería de aducción o conducción con el fin de determinar si las tuberías

trabajan a presión o como canales, es decir a superficie libre, lo cual dependerá de las características topográficas de la zona y del diámetro del

conducto. En ningún caso se permitirán presiones manométricas negativas; otro de los puntos a tener en cuenta es el espesor de los tubos, puesto que en

conducciones forzadas suelen estar en algún momento sometidos a esfuerzos de transporte y colocación, presión interna, cargas externas, golpes de ariete

y esfuerzos térmicos.

En el cálculo del flujo en tuberías fuera de las pérdidas por fricción, debe considerarse el efecto producido por cada uno de los accesorios colocados en

la línea y que produzcan pérdidas de cabeza adicionales, como válvulas, codos, reducciones, ampliaciones, etc. Y dentro de todo en la selección de los

materiales de las tuberías deben tenerse en cuenta los siguientes factores:

La resistencia contra la corrosión y la agresividad del suelo. Los tipos de uniones y la necesidad de anclajes.

La resistencia a los esfuerzos mecánicos producidos por las cargas, tanto internas como externas.

Las características de comportamiento hidráulico, incluyendo las presiones de trabajo máximas y mínimas, las sobrepresiones y subpresiones,

las causadas por golpe de ariete, etc. Las condiciones de transporte e instalación adecuadas para el tipo de

terreno que se cruce. La resistencia contra la tuberculización en incrustación en la tubería.

La vida útil tenida en cuenta para el desarrollo del proyecto. Las condiciones económicas del proyecto. Los costos de inversión inicial y los costos de mantenimiento a largo

plazo, así como la seguridad y la vulnerabilidad de la tubería.

En este tipo de conducciones puede darse que por el cierre súbito de una

válvula se produzca el golpe de ariete. Lo que sucede puede resumirse en las siguientes etapas:

Fluyendo el agua con una determinada velocidad, al cerrarse súbitamente la válvula, la energía cinética se transforma en presión, la que

comprime la masa de agua y expande la tubería. Después de la etapa anterior, el agua principia a expandirse y la tubería

a contraerse produciéndose una inversión en el sentido del flujo.

El agua continúa su movimiento alejándose de la válvula por la inercia adquirida como consecuencia de la expansión de la masa de agua.

El sentido del flujo se invierte nuevamente, repitiéndose el fenómeno descrito en el primer punto.

Esta sucesión de etapas se repetiría

indefinidamente si no existiese la fricción en la tubería, pero a causa

de ella cada etapa es más débil que la anterior, hasta anularse;

quedando el agua y la tubería en las condiciones iniciales.

Ordinariamente es raro que ocurra el cierre instantáneo de una válvula,

pero puede ocurrir en válvulas de gran tamaño al zafarse el disco que la obtura, es por ello que se ha procurado estandarizar el paso de la rosca para

que el cierre no sea muy rápido. A su vez se han ideado una serie de dispositivos como depósitos amortiguadores, en la cual la sobrepresión comprime el aire encerrado en la cámara, consumiéndose la energía de

presión en el trabajo de compresión, o válvulas con tapones sostenidos por resortes regulables que permiten el escape de agua cuando la presión alcanza

un valor determinado.

Obras especiales

Las más ligadas con las conducciones forzadas, fuera de los túneles y

acueductos que ya han sido descritos, son las siguientes:

1.Cruces subfluviales o submarinos

El cruce de las tuberías forzadas con las corrientes fluviales ha presentado,

tradicionalmente, un importante problema, tanto la inestabilidad del fondo de los ríos, como las riadas periódicas, representan un grave riesgo para las

conducciones forzadas; de ahí que en muchas ocasiones se halla recurrido a la solución acueducto o a una de sus más importantes variantes: el sifón

invertido. No obstante, en ciertas ocasiones es preferible ir al cruce directo,

las soluciones más empleadas son:

En lechos rocosos es suficiente con enterrar la tubería en zanja, si bien

la excavación subfluvial presenta en este caso serios problemas de ejecución y costo.

En lechos inestables es necesario arriostrar la tubería, bien mediante pilotes o mediante muretes, gaviones u otras obras de protección.

Finalmente y contando con una buena flexibilidad en la tubería y en casos

de ríos poco turbulentos y regulados puede dejarse apoyada en el fondo, siempre y cuando se cuente con los elementos de lastre suficientes para

impedir los grandes movimientos de la tubería, esta solución requiere que la estabilidad del fondo sea muy amplia. Sin embargo, la solución más recomendable (y al mismo tiempo más onerosa), son las galerías de servicio

convenientemente impermeabilizadas.

Los cruces submarinos presentan problemas análogos a los cruces

subfluviales pero en general son menos de temer los efectos de la corriente, otros problemas son los que se derivan de la protección contra la agresividad del agua marina y de la posible contaminación del agua dulce por el agua

salada; de cualquier forma, son recomendables las medidas de protección contra las corrientes, socavación y oleaje similares a las ya descritas

2.Cruces con vías de comunicación

Los cruces con las vías de comunicación requieren de obras de fábrica especiales, visitables o no, en cualquier caso se trata de proteger la tubería

con estructuras de hormigón, de esta forma se esquiva el problema de las cargas de tráfico, que inciden desfavorablemente en el comportamiento

general de la tubería.

3.Anclajes en codos

Los anclajes en codo, (destinados a absorber las fuerzas de desviación del agua) pueden hacerse con simples macizos de hormigón que, con su peso y

debidamente empotrados en el terreno, contrarresten los empujes, puede ampliarse esta acción incluyendo placas de anclaje. Para su cálculo es

necesario determinar los esfuerzos a que esté sometido el codo por la presión estática y la presión dinámica.

POR IMPULSIÓN

El fuerte incremento que durante los últimos años han experimentado las necesidades de abastecimiento de agua, ha obligado a recurrir a recursos de

explotación cada vez más difíciles. Así y dentro de este contexto una de las

facilidades a las que se ha debido renunciar ha sido a la de transportar el

agua por gravedad, lo que ha obligado a la instalación de una maquinaria especial encargada de conferir al agua la energía necesaria para su

transporte, dando lugar a la denominada maquinaria de elevación, a las conducciones afectadas por la acción de dicha maquinaria se les denomina

conducciones por impulsión.

En una obra de abastecimiento de agua, las conducciones por impulsión pueden establecerse de la captación a la planta de tratamiento o a los

depósitos de regulación, o bien directamente a la red de distribución, ya sea como elemento auxiliar de transporte o como elemento amplificador de la

presión en la red. Los sistemas de impulsión se dividen fundamentalmente en dos partes:

La central elevadora, en la que se encuentra la maquinaria de elevación o

bombas y ciertas instalaciones complementarias cuya misión consiste en preservar y/o garantizar el buen funcionamiento del sistema de elevación.

La tubería de impulsión o conducción forzada por la que circula el agua, una vez pasada la central elevadora y hasta su punto de destino.

La maquinaria de elevación, bombas, pueden clasificarse por su

funcionamiento en dos grupos:

Las de desplazamiento positivo, llamadas así por producir en la masa de agua

un desplazamiento en el sentido de la impulsión. Las cinéticas, caracterizadas por la transformación en energía potencial

(presión) de una energía cinética existente o producida artificialmente de

forma interna o externa a la masa de agua.

En el caso de bombas centrifugas debe tenerse mucho cuidado con la

cavitación, pues este es un fenómeno que se presenta cuando la presión en la abertura de aspiración es inferior a la presión de vapor del líquido. Si esto

sucede una parte de él se evaporará formando burbujas que serán arrastradas por la corriente hacia zonas de presión más altas donde se condensarán bruscamente originando microexplosiones, capaces de producir

deterioros irreparables en la bomba y/o tubería y en cualquier caso originando una seria pérdida de caudal y rendimiento.

Las centrales elevadoras es frecuente ubicarlas en el interior de un pequeño edificio, sin embargo en ocasiones los elementos propios de esta, están a la intemperie, lo que no impide seguir considerando al conjunto como

una unidad diferenciada destinada a cumplir unos ciertos objetivos. Las centrales elevadoras son muy variables en forma, tamaño, disposición, etc. ya

que varían según características como el número de bombas, previsiones de ampliación futura, emplazamiento, maquinaria, etc. No obstante, pueden

darse las siguientes normas generales

Deben instalarse preferiblemente sobre el nivel freático, asegurándose la

impermeabilidad de la solera para evitar el paso de impurezas. Si por necesidades de aspiración fuera necesario instalar las bombas no

sumergibles por debajo del nivel freático, debe impermeabilizarse el recinto o establecerse un pozo con suficiente altura.

En captaciones superficiales deben instalarse fuera de la zona de avenida o tomarse las debidas medidas de protección.

Las bombas deben ir convenientemente ancladas a una placa preparada para la absorción de vibraciones.

Deben garantizarse unas condiciones de iluminación, ventilación y desecación adecuadas, así como grupos de reserva para uso durante interrupciones del

fluido eléctrico y/o espacios para equipos eléctricos y sus conducciones. Espacio para futuras ampliaciones del abastecimiento y/o recambio de

maquinaria (puentes grúas, vigas, espacio de maniobras, etc.) cuando esta se haya hecho obsoleta.

Prever una rejilla gruesa (de limpieza automática o no) y otra fina, antes de la aspiración, cuando sea necesario.

Si los sólidos en suspensión fueran importantes, es recomendable instalar una

predecantación con dispositivos de evacuación de fangos; esta instalación evitará el desgaste de la maquinaria.

Los correspondientes aparatos de medición y control, si fuese necesario, deben preverse así sea con telemando y aún así mandos manuales en

previsión de fallos.

La selección de la maquinaria de bombeo en una estación elevadora es un problema complejo, habida cuenta de la gran variedad de bombas existentes

en el mercado, problema que se complica si la gama de caudales a abastecer o las alturas de impulsión son variables (como suele ser normal si se mira

hacia un futuro de mayor consumo). El funcionamiento intermitente de la maquinaria de bombeo puede ser una solución aceptable cuando se dispone

de capacidad de almacenamiento a cota suficiente; sin embargo siempre será aconsejable prever una ampliación futura, aún cuando las necesidades a

medio plazo puedan quedar cubiertas con la reducción de la intermitencia de funcionamiento.

En otras ocasiones no hay otra solución que recurrir a una maquinaria de

bombas que funcione de forma continua a caudales variables, este problema suele resolverse instalando bombas en paralelo y contando con los

automatismos necesarios para poner en funcionamiento una o varias de las unidades existentes, según la demanda.

Si por alguna razón se elimina el depósito de agua y las instalaciones de

impulsión trabajan enviando el líquido directamente a la red de distribución, los golpes de ariete generados por las bombas constituirán una carga

importante para las acometidas domésticas; para evitar esto, conviene instalar junto a la bomba un depósito de sobrepresión con cámara de aire.

CAPÍTULO 6

LA CALIDAD DEL AGUA Y SU CONTROL

La calidad del agua puede definirse como la composición físico-químico-biológica que la caracteriza y recordado el hecho de que el agua pura no

existe en la naturaleza, se habla que un agua es de calidad, cuando sus características la hacen aceptable para un cierto uso, por ejemplo: un agua

que no sirve para beber, puede servir para riego. El conocimiento de las propiedades del agua, derivadas de estas características es fundamental para

valorar los posibles inconvenientes y perjuicios que su utilización pudiera ocasionar en sus consumidores.

En el caso de agua para abastecimiento público, es de primordial interés el

concepto de potabilidad de la misma, este concepto puede expresarse como: Un agua es potable cuando reuniendo agradables características estéticas y

organolépticas (fresca, incolora, transparente, insípida o con un sabor agradable), contiene en adecuada proporción elementos y sales minerales,

pero sin poseer sustancias que puedan causar perjuicio alguno en la fisiología normal del organismo humano. A su vez un agua se dice contaminada cuando

contiene microorganismos y sustancias químicas de diverso origen, de modo que resulte inadecuada para su empleo normal,

Como el control de la calidad del agua debe efectuarse en todo su circuito, se

debe contar con todos los usos de esta:

Consumo doméstico y público Preservación de fauna y flora.

Agrícola. Pecuario.

Recreativo. Industrial.

Navegación. Estético

A partir de lo anterior, el control de la calidad del agua se basa en

reglamentos y legislaciones, estableciéndose límites deseables, tolerables o imperativos, así como orientadores (guías) de calidad.

CALIDAD EN AGUAS NATURALES

Dado que el agua natural es el medio de transmisión de la contaminación al receptor y siendo sus usos primordiales: las tomas de abastecimiento, el

sostenimiento de la vida acuática, la recreación y la estética, es necesario

gestionar la calidad del agua natural; definiendo los objetivos de calidad según sus usos, para elaborar una planificación, es decir una ordenación

mediante la zonificación de ríos.

Con el fin de conocer las fluctuaciones anuales de la calidad del agua en la

fuente, para una toma de abastecimiento, se debe realizar un monitoreo y control de la calidad por lo menos durante un ciclo hidrológico completo, tomando muestras mensualmente. En caso de ser imposible el desarrollo de

un plan así, se debe tener suficiente información sobre la calidad del agua en épocas secas y en épocas de caudales máximos. En todo caso los programas

de muestreos deben realizarse según las normas técnicas existentes tanto como para la recogida, como para la conservación de las muestras.

Tabla 5. Clasificación de la calidad de las fuentes.

En la elección de una fuente superficial, se debe prestar especial atención a las posibles fuentes de contaminación, considerando las siguientes

observaciones:

En las captaciones hechas en ríos, las aguas tienden a ser turbias, algunas veces coloreadas y en la gran mayoría de los casos reciben la descarga de

aguas residuales, tanto domésticas como industriales que se han vertido aguas arriba. Las fuentes que toman aguas de lagos son generalmente más

claras que las aguas de los ríos, pero también están sujetas a la contaminación.

Las fuentes de agua localizadas en ríos pequeños y quebradas de montaña frecuentemente son limpias y puras; en estado natural son apropiadas para el

consumo humano. No obstante, estas aguas están fácilmente expuestas a contaminación por acciones eventuales. Por consiguiente, no pueden

considerarse potables a menos que se tomen las medidas apropiadas para su protección: instalación de plantas de tratamiento, vigilancia de la cuenca, colocación de letreros y/o cercas para impedir la invasión de personas y/o

animales. En todos aquellos casos en que se proyecten lagos artificiales mediante la

construcción de embalses, deben tenerse en cuenta las condiciones futuras de la calidad del agua almacenada.

Para garantizar la vida acuática (aerobia), el oxígeno disuelto debe ser

mayor de cero; peces de la familia de los salmónidos (salmón, trucha) requieren de temperaturas bajas y concentraciones altas de oxígeno disuelto

(6 a 7 mg/L); mientras que para los ciprínidos (carpa, barbo) las condiciones de [OD] son menores (4 a 5 mg/L); con los moluscos (mejillón, almeja) por

ser organismos filtradores, son muy importantes los limites bacteriológicos, a su vez el pH se debe conservar cercano a la neutralidad. En todo caso no

deben existir sustancias que produzcan olor o sabor a los tejidos de los

organismos acuáticos, ni turbiedad o color que interfieran con la actividad

fotosintética.

En el uso recreativo, dada su dificultad no puede considerarse la

potabilidad de las aguas, pero es muy importante la calidad bacteriológica, es decir que existan bajas concentraciones de bacterias:

Considerando el agua, además como elemento del paisaje, dentro de la

calidad de las aguas naturales, estas deberán poseer como características mínimas:

La inexistencia de material flotante y espumas, provenientes de la actividad

humana. La carencia de grasas y aceites que formen una película visible.

La ausencia de sustancias que produzcan olor y color. La transparencia de las aguas.

El pH cercano a la neutralidad. La saturación de oxígeno cercana al máximo.

PARA ABASTECIMIENTO PÚBLICO

El agua para consumo humano no debe contener microorganismos patógenos, ni sustancias tóxicas o nocivas para la salud, la calidad del agua

no debe deteriorarse ni caer por debajo de los límites establecidos durante el periodo de tiempo para el cual se diseño el sistema de abastecimiento; siendo responsabilidad de la entidad prestadora del servicio público de acueducto,

controlar la calidad del agua que llega a cada vivienda. Dándose en dicho sitio, cumplimiento a los parámetros organolépticos, físicos, químicos y

microbiológicos definidos con amplitud y precisión en forma de normas, como función de muy diversos parámetros.

Tabla 6. Parámetros máximos admisibles en agua potable.

De las anteriores características físico-químico-biológicas, las que más

frecuentemente es necesario corregir son las siguientes:

Materias flotantes, es decir sólidos de densidad inferior a 1, generalmente de origen vegetal, pero que pueden producir obstrucciones en bombas, tuberías,

etc. Sólidos en suspensión, materias insolubles de dimensiones cercanas a 0.5

mm y que producen sedimentos, obstrucciones y abrasión en tuberías y demás.

Turbiedad, que es la interferencia al paso de la luz, producida por materia

muy fina en suspensión y que da un aspecto desagradable al agua, mancha la ropa, puede afectar los alimentos y hace al agua sospechosa de

contaminación. Color o aspecto visual, producido por materia orgánica coloidal o disuelta,

generalmente de origen vegetal y que da al agua un aspecto desagradable y puede dificultar las operaciones de limpieza.

Materia orgánica o materia oxidable al permanganato potásico (MnO4K). El agua que contiene materia orgánica es un medio propicio para el desarrollo de

bacterias y puede estar contaminada. Escerichia coli que indican contaminación fecal reciente y riesgo inmediato de

gérmenes patógenos. Estreptococos fecales indicadores también de contaminación fecal reciente o

antigua. Bacterias recontadas en incubación de agar durante 24 horas a 37 ºC, indican

contaminación por vertidos. Hierro y manganeso, que da coloración roja y/o negra al agua, mancha la

ropa, produce precipitados en las tuberías y favorece la corrosión.

Aceites y grasas como materia separable por extracción con cloroformo o eter, procede de vertidos residuales y dan mal aspecto al agua y en ocasiones

unidos a sólidos en suspensión dan lugar a aglomerados que pueden producir obstrucciones.

pH, que como acidez o basicidad puede darse en aguas naturales. Dureza total producida por iones de Ca++ y Mg++ en solución, debido a los

cuales se incrementa el consumo de jabón, se cuecen mal los alimentos y se producen incrustaciones.

Cloruros que dan sabor salado al agua y en grandes cantidades la hacen corrosiva.

Sulfatos que pueden dar sabor amargo al agua y en combinación con el Mg, pueden producir efectos laxantes.

Nitratos que se reducen a nitritos y empobrecen de oxígeno la sangre (metahemoglobinemia).

Residuo seco o total de sales disueltas que dan sabor al agua y la pueden hacer corrosiva.

Componentes nocivos o venenosos que fuera de los mencionados en la tabla

también puede estar la radiactividad y que proceden casi siempre de vertidos extraños al agua natural.

Así, la calidad del agua del acueducto, dado por el tratamiento de potabilización tras la toma de abastecimiento dependerá de la calidad del agua natural.

PARA USO INDUSTRIAL

Generalmente a partir del agua de abastecimiento, se definen las normas de calidad para el uso industrial, aún cuando dichas normas dependen de la

industria, los procesos y los cánones privados de cada empresa, todo ello por

la diversidad de usos que el agua tiene.

Las características más destacadas del agua, que afectan a la mayoría de

las industrias, son la agresividad y el poder incrustante. El primero se debe a su conductividad, contenido en oxígeno y aniones capaces de formar con el

metal óxidos no protectores, el agua químicamente pura y desgasificada no es agresiva. El poder incrustante del agua se debe a la presencia de iones de calcio, magnesio y hierro; son bien conocidos los efectos de formación de

depósitos de bicarbonato cálcico (CaCO3), que los bicarbonatos disueltos pueden tener al variar la temperatura y la acidez.

En los usos industriales del agua para procesos, las materias primas utilizadas y en mayor grado la calidad del producto acabado, condicionan las características del agua a utilizar, así por ejemplo para los productos

alimenticios el agua deberá ser potable y no presentar ninguna coloración cuando se utilice para la elaboración de textiles, tintes, papeles, etc.

PARA USO PECUARIO

El agua destinada a la bebida de los animales debe tener unas características bacteriológicas de potabilidad similares a las del consumo humano, sin

embargo en cuanto al contenido de sales no tóxicas, no pueden definirse calidades puesto que el tipo de alimentación de los diferentes grupos animales

es distinto y distinta la necesidad de elementos para su normal desarrollo debido a su desigual metabolismo, por ejemplo: los animales herbívoros

necesitan más sal en su dieta, (aún así la norma fija como límite la concentración de sales menor o igual a 3000 mg/L), que aves o cerdos, o que los carnívoros que obtienen sal suficiente de la carne que consumen.

Tabla 7. Salinidad límite, según datos australianos.

La relación Ca/P es también importante en la alimentación de los animales, así el ganado vacuno precisa una relación entre 0.6 y 6, los cerdos entre 1.25

y 2.5, las gallinas entre 1.5 y 2.5. Otros elementos necesarios en la alimentación animal son el fluor, el yodo y el cobalto.

PARA USO AGRICOLA

En general el análisis de una muestra de agua será insuficiente para dictaminar sobre su posible utilización para el riego, puesto que deben considerarse las interacciones agua-suelo-cultivo, en factores como la

permeabilidad y calidad del suelo, tipo de cultivo, sistema de riego, etc. Por otra parte, los efectos de las sales disueltas en el agua sobre el suelo

dependen de factores tales como: la concentración de agua en el suelo, la composición iónica del agua del suelo y su antagonismo frente a los aportados

por el riego, la toxicidad específica al tipo de cultivo, etc.

Los posibles problemas al usar un agua son:

a) Salinización del suelo: al añadir a un cultivo agua con elevada concentración de sales, la infiltración y la evapotranspiración generarán una

mayor concentración de sales en el suelo; entonces para la planta será necesario elevar paulatinamente la presión osmótica en sus raíces hasta sus

límites, deshidratándose la planta. La concentración total de sales solubles expresada mediante la conductividad eléctrica, X, en microhmios/cm a 25 ºC, a este respecto establece que:

Sí X < 250, el peligro de salinización del suelo es bajo. Sí 250 < X < 750, el peligro de salinización del suelo es medio.

Si 750 < X < 2250, el peligro de salinización del suelo es alto. Si X > 2250, el peligro de salinización del suelo es muy alto.

b) Alcalinización del suelo: es el cierre de los poros del suelo, pasando de

permeable a impermeable, su medida es el índice SAR (Razón de Absorción de Sodio), que ingresando en la siguiente formula con las concentraciones

medidas en miliequivalentes/Litro, da:

Sí SAR < 10, el peligro de alcalinización del suelo es bajo. Sí 10 < SAR < 18, el peligro de alcalinización del suelo es medio.

Si 18 < SAR < 26, el peligro de alcalinización del suelo es alto. Si SAR > 26, el peligro de alcalinización del suelo es muy alto.

c) Toxicidad al cultivo: un elemento tóxico a un cultivo, se denomina

fitotóxico, como por ejemplo: Boro (Br), N–NH4, metales pesados, o como los que son tóxicos para los humanos pero no para el cultivo, pero cuando es

consumido por el hombre, este se intoxica, caso del cadmio.

En cultivos sensibles al boro, es recomendable que [ Br ] < 0.3 ppm. En cultivos semitolerantes es recomendable [ Br ] < 0.7 ppm.

En cultivos tolerantes es recomendable [ Br ] < 1.0 ppm.

En ningún caso debe ser [ Br ] > 3.8 ppm.

d) Carbonato sódico residual: definido como

CSR = [ CO3= ] + [ CO3H - ] – [ Ca++ + Mg++ ]

Sí CSR < 0, no existe carbonato sódico residual.

Sí CSR < 1.25 meq/L, son aguas buenas. Sí 1.25 < CSR < 2.50 meq/L, son aguas dudosas.

Sí CSR > 2.50 meq/L, son aguas malas.

e) Calidad bacteriológica: se pueden utilizar para el riego aguas no potables por ejemplo: aguas residuales tratadas suficientemente y en las cuales la

contaminación bacteriológica haya cesado. En el caso de regar con ellas a

frutales que se consuman sin quitarles la cáscara y hortalizas de tallo corto, la

concentración de coliformes totales (CT) debe ser menor a 5000/100 mL y de coliformes fecales (CF) menor a 1000/100 mL.

CAPÍTULO 7

PROCESOS DE TRATAMIENTO DEL AGUA

PRETRATAMIENTOS

Los pretratamientos como parte de los procesos que buscan una calidad del agua cruda apropiada a las necesidades del usuario, comprenden un cierto

número de operaciones mecánicas, físicas y/o químicas que tienen por objeto separar del agua la mayor cantidad posible de materias que por su naturaleza

o tamaño puedan ser motivo de posteriores problemas en el tratamiento. Los procesos de pretratamiento en aguas potables pueden incluir:

Remoción de materiales flotantes, que se emplean cuando se requiera retirar

del agua material sobrenadante para que posteriormente pueda ser tratada por los procesos convencionales, se incluyen aquí los procesos de desbaste

con rejillas o tamices y las trampas de grasa y aceite. Remoción de materiales suspendidos deben usarse cuando exista en el agua

un exceso de material suspendido, en especial arcillas y algas que puedan interferir en los siguientes procesos. Pueden emplearse desarenadores,

presedimentadores con o sin aplicación de químicos, prefiltros y microtamices.

Procesos de oxidación, pueden ser por: Aireación: bandejas de coque, aireación forzada con inyección de aire

comprimido o aireación mecánica.

•Adicción de químicos como: permanganato de potasio (KMnO4), Ozono (O3), peróxido de hidrógeno (H2O2), dióxido de cloro (ClO2) o cloro en todas sus

formas.

DESBASTE

La operación de desbaste es llevada a cabo de forma casi exclusiva mediante

rejas, que retienen objetos generalmente flotantes, tales como: hojas, palos, ramas y hasta peces, presentes en las aguas naturales; así el desbaste tienen

como objetivo:

Proteger a la planta de tratamiento de la posible llegada intempestiva de objetos capaces de provocar obstrucciones en las distintas unidades de la

instalación.

Separar y evacuar fácilmente las materias arrastradas por el agua bruta y que

podrían disminuir la eficacia de los tratamientos siguientes o complicar su realización

Siendo así, estas rejas deberán estar en la captación siempre antes de los sistemas de bombeo; así mismo sí en la aducción el agua ha podido ser

objeto de “ensuciamiento”, puede llegar a ser necesario implementar una nueva reja antes de otras partes de la planta.

Una reja de desbaste es básicamente un sistema de barras paralelas, cuya

inclinación o ángulo con la horizontal varia según si la reja hace parte de una

toma de fondo, una captación lateral o se halla en un canal, para este último

se recomienda el valor de 60º, pues se adapta para que la limpieza de la

rejilla pueda ser manual o mecánica. El espaciamiento entre las barras de la

rejilla dependerá del tipo de residuo a ser retenido y del material en que sea

construida, pero los espaciamientos más comunes son: para rejas gruesas de

entre 75 a 150 mm. y para rejas finas de entre 20 a 40 mm. El ancho de la

reja dependerá del ancho total de la captación o canal y la velocidad de flujo a

través de ella baja, con el fin de evitar el arrastre del material retenido

Para la limpieza se utilizan unos rastrillos cuyos dientes encajan en las

aberturas de la reja y puede efectuarse de forma manual o mecánica, esta última suele ser más eficiente en la remoción del material retenido, además

que reduce costos de mano de obra, pero se utilizan principalmente en estaciones de medianas a grandes. Las limpiezas es necesario hacerlas de

forma periódica, para evitar un aumento en las pérdidas de carga, lo cual puede ser regulado por el nivel del agua, mediante un automatismo que se ponga en marcha cuando dicha pérdida alcance un valor determinado o por

un periodo fijo de tiempo fijado gracias a un temporizador. El canal donde su ubique la reja debe proyectarse de modo que se evite la acumulación de

arena u otros materiales en su cercanía, así la velocidad de aproximación del agua se recomienda sea de aproximadamente 0.6 m/s.

TAMICES Y MICROTAMICES

El tamizado se emplea en numerosos campos del tratamiento de agua y puede considerarse como una filtración sobre soporte delgado, según la

dimensión de los orificios de paso se distinguen:

Macrotamizado: con orificios superiores a 0.3 mm. se emplea para retener residuos flotantes o semiflotantes (vegetales o animales: insectos, ramas,

hierbas, algas, etc.). Microtamizado: con malla inferior a 100 micras se utiliza para retener

materias en suspensión de muy pequeñas dimensiones. Se recomiendan cuando el agua presente algas o microorganismos en tal cantidad que sea

imprescindible removerlos antes de aplicar un tratamiento o cuando permita

la potabilización del agua sin necesidad de otro tratamiento distinto de la

desinfección.

Los tamices utilizados en pretratamiento pueden clasificarse en:

Tamices rotativos, usualmente instalados a ras de agua y con pequeña

pérdida de carga, se presentan en forma de un tambor giratorio en acero inoxidable o de una malla conformada por elementos metálicos dispuesta

sobre cadenas sin fin. Tal superficie, colocada ya sea en un canal o conectada a la tubería que conduce el agua, puede tener un coeficiente de superficie

libre del orden de 50 a 60 % y una velocidad de filtración de unos 0.35 a 0.40 m/s. La limpieza puede realizarse mediante agua a presión, escobillones

giratorios o rascadores fijos. Tamices estáticos, llevan una reja curva conformada por barras horizontales

de sección triangular; en donde el agua se distribuye desde la parte superior

de la reja obteniéndose sucesivamente los efectos de separación, escurrido y evacuación de las materias sólidas. Estos tamices tratan caudales muy

variables, pero la pérdida de carga puede ser elevada (1 a 2 m.).

TRAMPAS DE GRASA Y ACEITE

Aún cuando son más comunes en el tratamiento de aguas residuales, puede

ser posible que las aguas naturales posean este tipo de sustancias flotantes, para esto se emplean las trampas para retener las grasas y aceites, de las

cuales deben determinarse características, tales como: densidad, peso específico, etc. Sin embargo es de anotar que este proceso puede darse simultáneamente con el desarenado o si el agua no posee estas sustancias,

este paso puede obviarse.

Son diseños muy sencillos, con uno o dos compartimientos ubicados en un

sitio de fácil acceso para su limpieza, en donde en la primera cámara se realice la separación de la grasa y en la segunda el almacenamiento. A la

entrada y salida de la cámara de separación deben proveerse deflectores que sobresalgan por encima del nivel del agua y que penetren en esta por lo menos 30 cm. logrando con ellos un recorrido del agua que permita la

flotación de la grasa, pero no la sedimentación de partículas, a su vez la distancia entre estos dispositivos de entrada y salida debe ser lo suficiente

para permitir retener la grasa y evitar que sea arrastrada en el efluente.

DESARENADO

En el desarenado se pretende eliminar las partículas superiores a 200 micras,

el resto corresponde a los procesos de decantación posteriores al presente. Tiene entonces por objeto extraer del agua bruta la grava, arena y partículas

minerales más o menos finas y con ello:

Evitar que se produzcan sedimentos en los canales y conducciones, Proteger las bombas y otros aparatos de la abrasión.

Evitar sobrecargas en las siguientes fases del tratamiento.

Los desarenadores empleados en tratamientos de agua potable son generalmente rectangulares de tipo canal, es decir se trata simplemente de

un canal en donde la velocidad del agua se reduce propiciando de esta forma la sedimentación de las partículas granulares. Bien podrían separarse

mediante un ciclón pero hay peligro de desgaste por abrasión y se presentan apreciables pérdidas de carga, no obstante en estos se obtiene un excelente rendimiento aún con arenas más pequeñas.

En aguas potables, el proceso de desarenado se sitúa frecuentemente en la captación, sin embargo si durante el transporte el agua ha recogido

sedimentos, puede ser necesario un nuevo desarenado en la planta. La extracción de la arena se puede realizar directamente con una bomba aspirante, montada sobre un puente móvil, por barrido con cadenas sin fin,

puentes de rasquetas o emulsores de aire.

Una partícula granular, en suspensión en un líquido en reposo se encuentra

sometida a la fuerza de la gravedad y a una fuerza resistente debida al rozamiento con el fluido, resultante de fuerzas de viscosidad e inercia. Cuando la partícula queda en libertad de movimiento, partiendo de una

velocidad nula, se acelera y al cabo de un tiempo que se considera despreciable con relación a la duración de la sedimentación alcanza una

velocidad prácticamente constante (equilibrio de la fuerza de gravedad con la fuerza de rozamiento con el fluido), esta velocidad puede expresarse por:

Según el valor que tome el número de Reynolds (NR), la constante C tomará valores diferentes, lo que da lugar a las formulas de Stokes, Allen y Newton

de acuerdo a la siguiente tabla.

Tabla 8. Valor de la constante C en función del número de Reynolds.

Lo anterior se cumple para partículas esféricas (las que no lo son, sedimentan a menor velocidad), por ello se introduce un coeficiente de esfericidad ( ),

resultante de la relación de volúmenes entre una esfera de igual superficie a la del grano y el volumen del grano, con valores de: = 2 arena, = 2.25

carbón, =3.25 talco, = 4 yeso, = 22 laminillas de grafito, = 170 mica.

En un desarenador de tipo canal, de profundidad H, una partícula en

suspensión que se encuentre en la superficie del agua en el momento de su entrada en el canal, sedimentará con una velocidad Vs de caída constante,

alcanzando el fondo del decantador al cabo de un tiempo Ts = H/Vs, supuesto que:

La velocidad en el canal es horizontal y uniforme.

La partícula se supone eliminada cuando alcanza el fondo del canal. Las partículas sedimentan independientemente, es decir sin interacción

mutua.

Si S es la superficie horizontal del desarenador y Q el caudal en él, el volumen

del canal es:

La anterior expresión indica que la sedimentación de partículas en las condiciones expuestas, no depende de la altura del canal sino de su área

superficial. No obstante la profundidad no puede reducirse del todo, pues se aumentaría la velocidad de paso del agua y las partículas no sedimentarán.

Toda partícula que tenga velocidad de sedimentación mayor que Vs,

sedimentará y partículas con una velocidad de sedimentación V inferior a Vs, se eliminarán en una proporción: V/Vs, obviamente si se supone una

distribución uniforme de las partículas en suspensión para cada velocidad de sedimentación, en toda la sección de entrada. Cuando la suspensión contenga

toda una gama de velocidades de sedimentación, el total eliminado vendrá dado por la formula:

Donde: Co es la fracción de partículas con velocidad de sedimentación igual o

inferior a Vs. Sin embargo en esta exposición se esta prescindiendo de factores reales que afectan el proceso tales como turbulencias de entrada y

salida, almacenamiento del sedimento, gradientes de velocidad originados por su extracción, etc.

PRESEDIMENTADORES

La presedimentación debe emplearse cuando la turbiedad del agua interfiera con los procesos de tratamiento convencional y la sedimentación simple de

partículas remueva al menos el 40 % de la turbiedad. Se recomienda el uso de presedimentadores cuando la turbiedad del agua sea muy elevada (mayor de 1000 UNT) o cuando se presente un alto contenido de partículas gruesas.

Aún cuando este tema se tratará con mayor profundidad en decantación, se adelanta el hecho que en sedimentación previa se pueden emplear

sedimentadores de flujo horizontal, vertical, de placas o embalses retenedores de agua cruda; siempre y cuando se cuente con un sistema eficaz de remoción y extracción de lodos que puede ser continua o intermitente. En el

caso de emplearse tanques, esto pueden ser circulares o rectangulares y el fondo debe tener forma de embudo para facilitar la remoción manual,

mecánica o hidráulica de los lodos.

Para garantizar que la unidad opere adecuadamente, el tiempo de detención

en el presedimentador debe ser mayor de 2 horas y la carga superficial entre 15 y 80 m3/m2.día para flujo horizontal y de 180 a 360 m3/m2.día para

sedimentadores de alta tasa.

PREFILTROS

Este proceso de pretratamiento debe emplearse para reducir los niveles de

turbiedad y de sólidos en suspensión a límites aceptables, e interfieran con los procesos posteriores de tratamiento y/o para reducir la contaminación

bacteriológica cuando es muy elevada. Los prefiltros pueden ser:

Tabla 9. Tipos de prefiltros empleados para pretratamientos.

La composición del medio filtrante en el caso de los filtros gruesos dinámicos, es de tres capas de grava con tamaños que varían de 3 a 25 mm. en la

dirección del flujo, es decir la capa más fina en contacto con el agua cruda. En los de flujo horizontal el lecho debe estar constituido por gravas de tamaños

entre 25 y 19 mm. para la primera unidad, entre 19 y 13 mm. la segunda y entre 13 y 4 mm. en la última.

En los filtros gruesos de flujo ascendente, el lecho filtrante debe estar

constituido por 5 capas de grava distribuidas en 1,2 o 3 compartimientos, con tamaños variando de 25 a 4 mm. en donde los primeros 20 a 40 cm.

constituirán el soporte. En los de flujo descendente, las características del lecho pueden coincidir con los de flujo horizontal o flujo ascendente.

AIREACIÓN

En la aireación debe ponerse en contacto el agua cruda con el aire, con el propósito de modificar la concentración de sustancias volátiles contenidas en

ella, la aireación se recomienda en los siguientes casos:

Transferir oxígeno al agua y aumentar con ello el oxígeno disuelto. Disminuir la concentración de dióxido de carbono (CO2).

Disminuir la concentración de sulfuro de hidrógeno (H2S). Remover el metano (CH4).

Oxidar hierro (Fe) y manganeso (Mn). Remover compuestos orgánicos volátiles (COV).

La aplicabilidad de los diferentes tipos de aireadores y su dosificación, deben

ser determinadas preferiblemente a través de ensayos, controlarse el tiempo de aireación y la eficiencia de remoción; esta última como el porcentaje entre

la variable química a remover en el efluente y el afluente.

Las bandejas de coque consisten en una serie de superficies de 0.5 a 2 m2

(por cada 100 m3 de capacidad) con un lecho de coque de espesor de 0.15 a 0.3 m. conformado por partículas de 0.05 a 0.15 m. sobre las cuales se vierte

el agua cruda a una carga máxima de 100 m3/m2.día. tal que se genere una capa de aproximadamente 0.15 m. Lo que allí se genera es una caída del

agua de bandeja a bandeja y por ende una aireación con la añadida capacidad del carbón para absorber y adsorber químicos.

En la ventilación forzada con aire comprimido debe garantizarse una entrada

de 1.5 litros de aire por litro de agua en un tanque que cumpla con relación l/w > 2, profundidad entre 2.5 y 4 m y un tiempo de retención mayor a 5

min. Si la aireación fuese mecánica debe diseñarse de forma tal que garantice la cantidad de oxígeno necesario para completar la oxidación.

OXIDACIÓN QUÍMICA

Para la aplicación de la oxidación y la selección del oxidante (cloro, dióxido de cloro (ClO2). permanganato de potasio (KMnO4), Ozono (O3), peróxido de

hidrógeno (H2O2)) debe realizarse un estudio técnico y económico detallado de las ventajas y desventajas pues son tratamientos de los que debe conocerse más y en los que en su aplicaciones requiere implementar

sofisticadas técnicas. Esta solución debe emplearse cuando los siguientes parámetros excedan los límites permisibles y no puedan ser removidos en el

tratamiento convencional:

Color. Algas.

Nitrógeno amoniacal. Olor y sabor.

Hierro y manganeso. Disminuir la formación de trihalometanos (THMs).

Evitar el crecimiento de algas sobre las paredes de las unidades en la planta. Como oxidantes después de la desinfección.

La dosis de cloro (Cl2 o hipocloritos) que debe emplearse corresponde a los

valores por debajo del máximo de la curva de demanda en cloro, lo que reduce la formación de trihalometanos (THMs). Los parámetros que deben ser

controlados en el proceso son:

La dosis de cloro residual obtenida después de la precloración. La concentración de trihalometanos después de la desinfección final, en caso

de que existan precursores y se halla demostrado un exceso de trihalometanos.

Efecto sobre los polielectrolitos, en caso de que afecte la formación de los flóculos.

Eficiencia de remoción de la turbiedad, medida después de la sedimentación.

En la oxidación por dióxido de cloro (ClO2), la eficiencia de remoción del color

y sabor es superior a la del cloro (no reacciona con los fenoles presentes), a su vez se recomienda para remover hierro y manganeso del agua cruda y

porque con este oxidante no hay formación de trihalometanos. Sin embargo no debe emplearse en aguas con nitrógeno amoniacal debido a que no

reacciona con éste y por tanto no permite su eliminación. Con este oxidante pueden formarse, subproductos como cloritos (ClO2) y cloratos (ClO3) que

pueden ser tóxicos, por eso la concentración máxima total debe ser de 1 mg/l para ClO2, ClO3 en el agua tratada. Se recomienda para la remoción de algas

presentes en el agua cruda que pueden interferir en los procesos subsecuentes.

El ozono por ser un potente oxidante se recomienda cuando las aguas

contienen altas concentraciones de materia orgánica o color, puesto que presenta las siguientes ventajas:

Disminuye la formación de subproductos clorados (THMs).

Facilita la coagulación - floculación - decantación (fenómeno de polimerización de la materia

orgánica y coloides presentes).

La dosis está comprendida entre 0.3 y 0.5 mg de O3 por mg de carbón orgánico total (COT). No obstante debe tenerse en cuenta que el uso del

ozono, puede generar subproductos (bromatos) cuya peligrosidad se desconoce.

En el pretratamiento de aguas ricas en hierro y manganeso, la oxidación

mediante permanganato potásico (KMnO4) puede ser más eficiente que por otros oxidantes, pero es mucho más costoso. Con este debe controlarse la

dosis, ya que su sobredosificación puede generar la presencia de color.

Sin embargo ninguno de los procesos de oxidación anteriormente mencionados puede utilizarse antes de haberse realizado estudios de

laboratorio y/o planta piloto, complementados con cuidadosos estudios económicos de costo/beneficio, así como la identificación de posibles

problemas operativos.

PROCESO DE TRATAMIENTO DE AGUAS

COAGULACIÓN, FLOCULACIÓN, DECANTACIÓN

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 muestra la importancia del tamaño ya que se indican los

tiempos que unas esferas de densidad 2,65, necesitarían para sedimentar 30 cm.

Tabla 10. Efecto del tamaño en la sedimentación.

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.

COAGULACIÓN

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, pero antes de entrar en el estudio de los coagulantes y de su forma de desestabilizar las suspensiones

coloidales, es necesario considerar los factores que determinan que las partículas permanezcan en suspensión, así como también aquellos que

producen la floculación. Por estabilidad se entiende la propiedad inherente de las partículas coloidales a permanecer en dispersión durante mucho tiempo,

mientras que por inestabilidad se expresa la tendencia de dichas partículas a flocularse siempre que entren en contacto entre sí.

a) 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. Como se indica en la figura, 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 - 8 m.).

A cierta distancia de la partícula, dentro de la capa difusa, se establece el

llamado “plano de cizalla”, que representa la porción de agua y de iones que permanecen ligados a la partícula en todos sus desplazamientos. Por tanto,

esta capa adherida puede considerarse parte integral de la partícula cargada, impidiendo de esta forma una estrecha aproximación con otras partículas de

conformación análoga; en consecuencia, estas capas dobles le comunican estabilidad a la suspensión. Por tanto, ya no es posible considerar a las

partículas coloidales en el agua como porciones discretas de materia suspendida, sino más bien corno entidades complejas constituidas por varios

componentes. Tanto el espesor de la capa doble como la densidad de la carga superficial son sensibles a la concentración y a las valencias de los iones que

se encuentran en la solución y por tanto, la estabilidad de la suspensión puede alterarse de modo notable añadiendo los iones adecuados a dicha

solución.

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 limite 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.

b) 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:

El movimiento browniano: Es una evidencia experimental el que partículas

con diámetros del orden de 10 - 6 m o menores, en el seno del agua, se encuentran en un constante movimiento rápido, desordenado y al azar. La

obtención de la energía para dicho movimiento se da por las colisiones de las partículas con las moléculas de agua y por la temperatura del medio, todo

este movimiento contribuye a la estabilidad, pero supone una probabilidad de contacto entre las partículas cuyo aglutinamiento en agregados mayores

dependerá de la desestabilización electrostática. Así es posible fomentar las

colisiones entre partículas estableciendo gradientes hidráulicos, es decir, recurriendo a la mezcla o creando zonas de turbulencia, no obstante al

aumentar el tamaño de la partícula, el movimiento browniano llega a ser despreciable.

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 amplia hasta dimensiones comparables con las de la de la partícula coloidal. Si las fuerzas eléctricas de

repulsión entre las partículas se reducen en grado suficiente como para permitir que estas establezcan contactos entre sí (favorecidas por el

movimiento browniano), las fuerzas de London - Van der Waals permitirán que las partículas se adhieran unas a otras, lo que se traduce en una

aglomeración progresiva de las mismas (floculación). 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.

La coagulación a escala industrial no fue empleado hasta principios del siglo

XIX y fue consecuencia de la observación de lo que podía lograrse mediante la adición de electrólitos. Schultze y Hardy estudiaron estas reacciones y plasmaron los resultados en las hoy llamadas reglas de Schultze-Hardy. 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 adicción de electrolitos es disminuir el espesor de la doble capa eléctrica, cuando la cantidad de

electrolito es suficiente para reducir la barrera de la capa doble, se produce una coalescencia irreversible y la coagulación es rápida; sin embargo, cuando

la cantidad de electrolito reduce solo parcialmente el espesor de la capa doble, la coagulación es lenta.

Los principales coagulantes utilizados son las sales de aluminio o de hierro

(Fe + 3 ). ( Ver Tabla 10.) También se pueden emplear polímeros inorgánicos como los de hierro (III) y aluminio como coagulantes, por ejemplo el

policloruro de aluminio se recomienda para el tratamiento de aguas blandas y turbias. De las sales, se pensó inicialmente que formaban un hidróxido

insoluble y con ello un ácido que reducía el pH de la solución; luego se admitió que cuando se añaden al agua, intervienen casi instantáneamente en

una serie de reacciones de tipo hidróxido multivalentes. En estas sustancias se insertan dos o más iones de aluminio o hierro en un proceso de

polimerización.

La elección del coagulante se efectuará después de un estudio del agua en

laboratorio, mediante la técnica de ensayos de floculación. En esta elección deben tenerse en cuenta, entre otros factores:

La naturaleza y calidad del agua bruta. La variación de la calidad del agua bruta (diarias o estacionales, influencia de

la temperatura, etc.). Criterios de calidad y destino del agua tratada. Tratamiento previsto después de la coagulación.

Grado de pureza del reactivo.

El tratamiento de coagulación óptimo de un agua cruda tiene por objeto lograr

un equilibrio muy complejo en el que están implicadas muchas variables. Entre ellas merecen destacarse:

pH.

Sales disueltas (composición química del agua). Naturaleza de la turbiedad.

Tipo de coagulante. Temperatura.

Tabla 11. Coagulantes más utilizados en la práctica.

Estas interrelaciones son tan complejas que, en la actualidad, sobre una base puramente teórica, es imposible predecir la dosis óptima de coagulante para

un agua dada, en consecuencia, la dosis y condiciones típicas adecuadas para lograr la coagulación deben ser determinadas empíricamente para cada tipo

de agua, principalmente por ensayos de floculación.

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 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.

Si ello fuera posible, la coagulación deberá llevarse a cabo dentro de la zona

óptima del pH, puesto que, en caso contrario se derrochará una cierta cantidad de productos químicos y el agua tratada será de inferior calidad. En

el caso de ciertas aguas pudiera ser preciso ajustar el pH con ácido, cal, sosa, etc., con objeto de obtener las condiciones adecuadas; la adición de

coagulante en exceso puede ser una forma práctica de reducir el pH, en lugar de adicionar ácido.

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.

Así por ejemplo se ha comprobado que la presencia del ión SO4= aumenta la zona óptima del pH para el sulfato de alúmina, hacia el lado ácido, reduciendo sensiblemente el tiempo de floculación en el margen de pH 4,8 - 6,8. Los

fosfatos desplazan la zona óptima del pH, para el sulfato de alúmina, hacia el lado ácido, sin apreciarse ampliación sensible en el margen del pH; a su vez

también, hacen aumentar la dosis de coagulante necesaria, aunque de forma ligera.

En términos generales se pueda formular las siguientes generalizaciones

sobre los efectos de los iones en la coagulación:

La coagulación con sales de aluminio o hierro está sometida a una

interferencia mayor de los aniones que de los cationes. En consecuencia los iones sodio, calcio y magnesio, por ejemplo ejercen un efecto mínimo sobre la

coagulación. Los aniones amplían el margen óptimo para la coagulación hacia el lado ácido

en un grado que depende de su valencia. De este modo los aniones

monovalentes, tales como el cloro y nitrato, ejercen un efecto relativamente pequeño, mientras que los de los sulfato y fosfato provocan desplazamientos

importantes en los valores óptimos del pH.

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. La materia orgánica absorbida por las arcillas de las aguas corrientes

naturales no aumenta la demanda de coagulante. 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.

Las aguas que contienen coloides orgánicos, derivados de la contaminación por aguas residuales, son más difíciles de coagular y requieren dosis de

coagulante mucho mayores.

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.

Respecto de la influencia de la temperatura en la coagulación se dispone de

poca información experimental. Sin embargo pueden citarse los siguientes efectos sobre la coagulación - floculación, en aguas cuya temperatura sea

próxima a los 0 ºC

A medida que la temperatura disminuye, aumenta la viscosidad del agua y en consecuencia, la velocidad de sedimentación del flóculo disminuye.

Se deterioran las características del flóculo, que tiende a atravesar los filtros. Aunque se sabe que la disminución de la temperatura reduce la velocidad de

las reacciones químicas, en lo que respecta a la coagulación este efecto es demasiado pequeño para que sea significativo. Sin embargo, se ha observado

que el valor óptimo del pH es función de la disminución de temperatura y este desplazamiento es tanto más importante cuanto menores son las dosis de

coagulante.

En cuanto a la coagulación del color, hay que recordar que este 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, las diferencias más esenciales son:

Mientras que la turbiedad se elimina en un margen de pH de 6,5 a 7,5 la

eliminación del color tiene que lograrse en un pH ácido, del orden de 4 a 6. La dosificación del coagulante depende estrechamente de la concentración

inicial del color lo que contrasta con la pequeña cantidad de coagulante adicional necesaria al aumentar las concentraciones de la turbiedad.

El potencial Z esta íntimamente relacionado con la concentración del color

residual. En el pH óptimo, el color baja proporcionalmente a medida que aumenta la

dosis de coagulante.

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). Para la mezcla de los reactivos se utiliza en ocasionalmente la turbulencia

creada por un vertedero, pero conviene disponer de un sistema que permita esta mezcla rápida, este sistema es conocido con el nombre de mezclador

rápido o coagulador; estos aparatos no son indispensables cuando se utiliza un decantador de lecho de fangos, pero si lo son en el caso de floculación

difusa. Se pueden distinguir los siguientes tipos de mezcladores:

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, estos mezcladores producen a veces una perdida de carga importante y son muy

eficaces para su caudal nominal pero su eficacia decrece cuando disminuye el caudal.

Mezcladores rápidos se trata de un agitador rápido del tipo de hélice o de palas, colocada en una cámara de mezcla especial.

FLOCULACIÓN

Inmediatamente después de añadir un coagulante al agua, se desencadenan

reacciones con los iones para producir compuestos de las especies polinuclear

e hidroxo-multipositivos. Las sustancias coagulantes se absorben rápidamente

en la superficie de las partículas hidrófobas causantes de la turbiedad, que acaban “revestidas de coagulante”. El resultado neto es que las cargas

eléctricas de las partículas se reducen; Entonces según el pH y las dosis de coagulante añadidas, la carga de la partícula, medida en función del potencial

Z, puede oscilar entre ser ligeramente negativo a neutro.

En este momento se considera que la suspensión esta desestabilizada y en consecuencia, el proceso de floculación está a punto de iniciarse. La mezcla,

la agitación o la turbulencia favorecen las colisiones entre las partículas desestabilizadas que producen, de esta forma uniones perdurables, por otra

parte, los propios coagulantes aún en ausencia de turbiedad, se hidrolizan y precipitan para formar masas cada vez mayores de material floculante.

Cuando este flóculo ha alcanzado tamaño suficiente, puede aprisionar físicamente a las partículas de turbiedad, comportándose como una “escoba”

a medida que sedimenta.

En contraste, los coloides hidrófilos, que contienen grupos polares de los tipos hidróxilo, carboxilo o fosfático, cargados negativamente reaccionan

químicamente con los coagulantes de carga positiva, producidos en la hidrólisis, para formar otro insoluble que es eléctricamente neutro o

desestabilizado. El proceso de floculación prosigue de forma análoga al ya descrito para las partículas hidrófobas.

En el proceso de floculación es importante conseguir el flóculo de mayor peso

y cohesión posible, ya que estas características facilitan su eliminación, en general algunos de los siguientes medios favorecen el engrosamiento y

consecuentemente, la sedimentabilidad del flóculo:

Una coagulación previa tan perfecta como sea posible. Un aumento de la cantidad de flóculos en el agua. Así, conviene poner el agua

en contacto con los precipitados ya formados por el tratamiento anterior (recirculación de fangos, lecho de fangos, etc.), tratando de conseguir la

mayor concentración posible. Una agitación lenta y homogénea del conjunto, con el fin de aumentar las

posibilidades de que las partículas coloidales descargadas eléctricamente se encuentren con un flóculo.

El empleo de ciertos productos llamados floculantes.

Los floculantes, llamados también coadyuvantes de floculación, son productos destinados a favorecer el proceso de floculación es decir, la formación de un

flóculo voluminoso, pesado y coherente; la acción puede ejercerse al nivel de la velocidad de reacción (floculación más rápida) o al nivel de la calidad del

flóculo. En muchos casos, los floculantes vienen a resolver problemas importantes, tales como flóculos pequeños, de sedimentación lenta, formados

durante la coagulación a baja temperatura o flóculos frágiles que se fragmentan al someterse a las fuerzas hidráulicas en los estanques y filtros de

arena.

Los floculantes pueden clasificarse por su naturaleza (mineral u orgánica), su

origen (sintético o natural) o el signo de su carga eléctrica (aniónico, catiónico o no iónico). Entre los floculantes minerales están la sílice activada y los

“agentes adsorbentes - ponderantes” (arcillas, carbonato cálcico, carbón activo, tierra de diatomeas) y entre los orgánicos los denominados

polielectrolitos.

Hasta el descubrimiento de los polielectrolitos, la sílice activada ocupaba un lugar especial en el tratamiento químico de las aguas, pero hoy se utiliza con

poca frecuencia. Esta se obtiene a partir del silicato sódico en disolución, a la cual se le neutraliza con ácido una parte importante de la alcalinidad, en cuyo

momento se dice que se ha activado. Por regla general, la sílice activada se emplea con coagulantes de aluminio y la dosis expresada en mg/l, se

determina en función de la del coagulante (de un 7 a un 11% de la dosis de sulfato de alúmina); pero es de anotar que en exceso puede ser perjudicial

para el proceso de floculación. La sílice activada, en función de las condiciones de empleo, puede proporcionar considerables ventajas, entre las que

destacan:

Aumento de la velocidad de coagulación. Empleo de dosis más reducidas de coagulante.

Márgenes de pH más amplios para una coagulación óptima. Formación de flóculos mayares, más densos y más coherentes.

Permite una coagulación más eficaz a bajas temperaturas. Mejor eliminación del color.

Mejor floculación de las aguas de elevada turbiedad. Mejores características de filtración.

Frente a estas ventajas la sílice activada puede presentar también algunos

inconvenientes, tales como:

La preparación de la sílice activada requiere un minucioso control para evitar que gelifique.

Si no se ejerce un control adecuado pueden producirse flóculos muy grandes, pero la turbiedad residual puede ser elevada.

La sílice activada puede ser ineficaz para ciertos tipos de agua. La sobredosificación puede inhibir la floculación.

Los agentes adsorbentes - ponderantes tienen una misión que puede ser:

La de dar mayor peso a los flóculos ligeros, caso de la adición de arcillas

bentoníticas que al añadirse a los flóculos formados, mejoran su densidad (función ponderante). También se usa en este sentido el carbonato cálcico

pulverizado (caliza). La de adsorber partículas coloidales, generando un preflóculo, que

rápidamente aumenta de volumen, caso del carbón activo o de la tierra de diatomeas (función adsorbente).

Los polielectrolitos orgánicos tales como el almidón, compuestos de celulosa,

materiales proteínicos, gomas de polisacáridos y los alginatos, son eficaces coadyuvantes de floculación; sus características principales son la de ser

bicoloides, cargados eléctricamente y tener una larga cadena molecular de átomos de carbono y gran masa molar. Son en su mayor parte de tipo no

iónico y su empleo es en ciertos casos ventajoso pues pese a ser necesarios en dosis más elevadas generalmente tienen un costo inferior al uso de los

polielectrolitos sintéticos.

Sin embargo una importante ventaja de los polielectrolitos sintéticos, consiste en su facilidad de fabricación en la planta a partir de una larga serie de

monómeros disponibles; de allí que estos productos puedan estructurarse en función de unos requisitos concretos, sus propiedades son análogas a las de

los bicoloides naturales y pueden clasificarse según el tipo de carga eléctrica en aniónicos, catiónicos y no iónicos.

Los polielectrolitos aumentan considerablemente el tamaño de los flóculos,

pero de forma similar a lo que ocurre con la sílice, existe una dosis óptima, que sobrepasada se produce una floculación deficiente. En el caso de los

polielectrolitos aniónicos la dosis óptima aumenta linealmente con la dosificación de sulfato de alúmina, pero no se modifica el margen de pH

óptimo para la coagulación y por esto es que su acción se dice independiente de la acidez o alcalinidad, dureza y turbiedad.

Los polielectrolitos catiónicos cuando se utilizan conjuntamente con

coagulantes metálicos tienen las siguientes ventajas: reducción en la dosificación de coagulante, atenuación de la interferencia que sobre la

coagulación tienen ciertas sustancias y capacidad de flocular organismos vivos, tales como algas y bacterias.

Los polielectrolitos tienen un importante campo de empleo cuando la

floculación se dificulta como consecuencia de cambios de calidad del agua o de la influencia de las temperaturas bajas. Tienen, también, destacadas

ventajas con respecto a la sílice activada, entre las que pueden citarse:

Facilidad de preparación. Facilidad de almacenamiento.

Dosificación menor.

Sin embargo, entre otros inconvenientes merece destacarse el de su posible toxicidad, por lo que es indispensable tener en cuenta la legislación y las

sustancias en él autorizadas.

Para la elección del polielectrolito a utilizar se efectuaran siempre ensayos de

laboratorio, asimismo se determinará el tiempo que debe transcurrir entre la introducción del coagulante y del floculante. En el caso de descarbonatación con cal, la elección debe orientarse hacia un floculante no iónico o aniónico.

Para clarificación la elección debe hacerse entre un floculante no iónico,

ligeramente aniónico o catiónico. Si el pH está próximo al de equilibrio, y en

presencia de gran cantidad de materia orgánica, se ensayará, en primer lugar, un floculante catiónico.

La floculación puede tener lugar en un aparato especialmente diseñado para este fin (floculador) o en el interior del decantador propiamente dicho. La

elección del tipo de floculador está en relación con la elección del procedimiento de separación utilizado en la continuación del tratamiento, esta elección debe ser especialmente cuidada cuando la floculación es de tipo

difuso y va seguida e decantación estática o flotación.

Los floculadores son depósitos o cubas provistas de sistemas de agitación que

giran con relativa lentitud para no romper por cizalladura los flóculos ya

formados, al mismo tiempo, la velocidad de agitación debe ser suficiente cara

conseguir el engrosamiento progresivo del flóculo e impedir que se formen

sedimentos en el fondo. Los sistemas de agitación utilizados pueden estar

constituidos por hélices especialmente estudiadas o por un conjunto de palas

fijadas sobre un eje giratorio vertical u horizontal, en donde es conveniente

disponer de mecanismos que permitan adecuar la velocidad de agitación del

floculador a la calidad del agua.

El volumen de la cuba de floculación debe ser el necesario para que se

consiga el tiempo de floculación determinado mediante ensayos de laboratorio; si este volumen es muy grande, es preferible utilizar varios

depósitos de pequeñas dimensiones colocados en serie, con agitación regulable e independiente. Por último, es importante que no se rompa el

flóculo al pasar del floculador a la zona de decantación. Según la calidad resistente del flóculo la velocidad suele limitarse en un valor comprendido entre 0,2 y 0,5 m/seg.

Figura 26. Floculador de paletas.

El floculador de la figura es el agitador mecánico más empleado, su eficacia es función del número de cámaras, por lo que mínimo deben ser cuatro; el él la

entrada y salida deben diseñarse de manera que se eviten los cortocircuitos (para ello se adicionan pantallas deflectoras con orificios sumergidos y/o

vertederos ahogados) y la destrucción de los flóculos (con gradientes de velocidad de 15 a 75 s-1). El tiempo de detección aún cuando se obtiene por

los ensayos de laboratorio, debe ser mayor de 30 minutos, así mismo la velocidad de los agitadores debe ser ajustable de manera que se pueda variar

para obtener la velocidad óptima para el agua tratada. Como condiciones de funcionamiento deben verificarse:

Que la dosificación y la mezcla rápida estén operando satisfactoriamente.

Que el nivel del agua cubra siempre las paletas del agitador.

La velocidad de rotación que genera el gradiente óptimo según la calidad del

agua cruda. El tiempo de contacto para permitir que los flóculos alcancen el tamaño y

peso adecuado. El tamaño del flóculo formado, en caso de no ser suficiente, cambiar la dosis

de coagulante. Sí se emplean polielectrolitos, adicionarlos en la cámara en la cual ya se haya

formado el flóculo. Que los motores no derramen aceites al agua y que estos permanezcan libres

de corrosión.

Otros tipos de floculadores son los hidráulicos, en los que los gradientes suelen rondar de 20 a 70 s-1 y los tiempos de retención entre 20 y 40

minutos; pueden ser:

De flujo horizontal: es un tanque dividido con pantallas de tal manera que el agua realice un recorrido de ida y vuelta

De flujo vertical: semejante al anterior pero por encima y debajo de las pantallas, así la profundidad del tanque debe ser de 2 a 3m

Floculador Alabama: consiste en una serie de mínimo 8 cámaras en las que el agua entra a cada una mediante unos codos que impulsan el fluido hacia

arriba, colocados alternadamente. De flujo helicoidal: el agua entra por el fondo en una esquina y sale por

encima en la esquina opuesta, se ubican pantallas tal que no se generen cortocircuitos; recomendables en aguas poco turbias y que no contengan

arenas.

DECANTACIÓN

El objeto de la decantación es el de conseguir que se depositen las

partículas que se encuentran en suspensión en el agua, tanto si se trata de partículas presentes en el agua bruta como si se deben a la acción de un

reactivo químico añadido en el tratamiento e incluso de las que resultan de una floculación física ligada a una acción biológica. El mecanismo de

sedimentación descrito para partículas granulares estaba basado en una total independencia de cada partícula; este esquema, sin embargo, no es

valido para en general para la sedimentación de partículas floculadas,

puesto que en él producen dos fenómenos de acción opuesta:

Por una parte, un flóculo en su sedimentación atrapará nuevas partículas coloidales o incluso otros flóculos más pequeños, aumentando

su volumen y por tanto su velocidad de caída. Por otra parte, si la concentración de estos es alta, los flóculos

comenzarán a establecer contactos entre sí, dificultándose mutuamente la caída.

Si bien en el caso de sedimentación de partículas floculentas, la velocidad

de caída dependerá en gran medida de la concentración de estas, también

depende de muchas otras variables tales como: carga superficial, gradientes de velocidad en el sistema y gama de tamaños; no obstante el

efecto de estas variables solo puede determinarse mediante ensayos de sedimentación, a este tipo de sedimentación se le conoce como

sedimentación difusa; pero cuando predomina la tendencia entre las partículas a estorbarse, se le denomina sedimentación frenada.

De esta última, que se estudia por medio de la teoría de Kinch, cuya

hipótesis fundamental dice que la velocidad de caída de una partícula depende únicamente de la concentración local, es que se diseñan los

diferentes tipos de decantadores, de los cuales pueden distinguirse tres

tipos básicos:

Decantadores estáticos. Decantadores acelerados o de contacto de fangos.

Decantadores superacelerados.

Decantadores estáticos

Caracterizados por que la recogida de los flóculos se hace por simple

sedimentación (similar a como se describió el caso de los desarenadores). Los decantadores estáticos pueden ser:

Intermitentes: se basan en el llenado de un depósito en el que el

agua permanece varias horas, posteriormente se vacía la capa superior de

agua hasta un nivel por encima de los fangos depositados. Este procedimiento puede ser interesante para instalaciones provisionales, pero

escasamente útil para explotaciones industriales de la decantación. De flujo continuo: en los cuales el agua floculada entra de forma

continua en el decantador, este procedimiento resulta el más rentable en una explotación permanente, pero requiere un control del caudal, ya que

sus variaciones provocan la formación de remolinos que a su vez, propician la ascensión de los flóculos a la superficie.

Para que se depositen los fangos, es preciso que la carga superficial

(también denominada velocidad ascensional) sea inferior a la velocidad de

caída de las partículas. Los decantadores están constituidos por un depósito rectangular o circular y en el caso de ser pequeños van provistos

de fondos que tienen una inclinación de 45º a 60º con objeto de que los fangos puedan evacuarse de forma continua o intermitente, por su parte

inferior. En el caso de grandes decantadores, la fuerte inclinación del fondo conduciría a la necesidad de adoptar profundidades prohibitivas, por lo que

su pendiente se reduce al mínimo y los fangos se evacuan mediante un

sistema de rascado de fondo, que los reúne en una fosa de la que son

extraídos con facilidad.

En los decantadores estáticos debe estudiarse cuidadosamente el reparto

de agua bruta y la recogida del agua decantada para evitar la formación de corrientes preferentes y conseguir que el agua se reparta

uniformemente en todo el volumen útil de decantación, dejando al mismo tiempo, una zona de calma para la sedimentación del fango. En el caso de

que la coagulación se realice por la adición de reactivos químicos, el proceso de decantación debe ir precedido de un floculador, en este caso se

dice que se trata de una “floculación difusa”, en la que el volumen de materias en suspensión estará compuesto por las existentes en el agua

bruta y por las procedentes de los reactivos introducidos.

Figura 27. Decantador cilindro-cónico

Decantadores cilindro – cónicos:

Este decantador, de flujo vertical se utiliza para

instalaciones de pequeño caudal, hasta unos 20 m3/h. La

pendiente de la parte cónica suele tener entre 45º y 60º y la

velocidad ascensional media

suele estar comprendida entre 0,5 y 1 m/h. También se utiliza

en el tratamiento de aguas residuales (en decantación

primaria) para poblaciones menores de 2000 habitantes allí

la velocidad suele ser de 1 a 2 m/h.

Decantadores laminares:

La decantación puede mejorarse,

introduciendo en el decantador una serie de láminas inclinadas, este

fenómeno se revela, teniendo en cuenta que la velocidad ascensional

es independiente de la altura del decantador. Las láminas inclinadas

parten al decantador en una serie de módulos, cada uno de los cuales

pasa a ser considerado como un decantador de menor altura, aumentándose entonces la carga

superficial; este proceso se considera en decantadores

acelerados y superacelerados, pero se utiliza también en los estáticos.

Figura 28. Decantador estático laminar

SEDIPAC

En el equipo de la figura 28 se reúnen en un mismo recinto la zona de

mezcla de reactivos, un floculador acelerado equipado con un dispositivo de placas deflectoras y una zona de decantación laminar; los fangos

producidos descienden a contracorriente por las láminas inclinadas y se concentran en una tolva del fondo del aparato.

Los decantadores estáticos laminares, pueden ser de placas paralelas o bien de tubos inclinados, en todo caso con un diseño flexible y de fácil

acceso para facilitar su retiro o cambio; contando que su inclinación debe ser de 60º, los espesores de 8 a 10 mm. y el espacio entre ellas de 5 a 10

cm. Los tiempos de retención de estos decantadores son de 10 a 15 minutos, profundidades entre 4 y 5.5 m y cargas superficiales entre 5 y

7.71 m/h. El sistema de salida debe cubrir toda el área de sedimentación y constar de tuberías perforadas o canaletas trabajando con un tirante de

agua no menor a 8 cm.

Decantadores de flujo horizontal: Este tipo de decantadores tiene el

inconveniente de exigir grandes superficies e importantes obras de fábrica, por ello su uso se limita a ciertos casos. En este tipo de decantadores la

entrada debe ser realizada por un dispositivo hidráulico capaz de distribuir el caudal uniformemente a través de toda la sección transversal, disipar la

energía que trae el agua y garantizar una velocidad longitudinal uniforme, de igual intensidad y dirección.

La unidad debe diseñarse de forma que permita un tiempo de detección de

entre 2 y 4 horas, una carga superficial o velocidad de sedimentación de

0.08 a 1.25 m/h. o máximo (con control y operación especial) de 2.5 m/h.

Una velocidad horizontal de flujo de aproximadamente 5 mm/sg. Una

altura del nivel del agua entre 3 y 5 m. Relaciones ancho - largo 1 : 5 y largo - profundo entre 5 : 1 y 25 : 1. y una pendiente longitudinal mayor a

2 %.

Otro tipo de decantadores estáticos es el de barrido de fangos, su uso es muy extendido tanto en potabilización (predecantación, clarificación,

tratamientos químicos, etc.) como en depuración de aguas residuales; en estos las velocidades de sedimentación máximas y la velocidad horizontal

de flujo son iguales a las ya mencionados. Con el barrido de fangos en el fondo del decantador se consigue un espesamiento, consecuentemente un

volumen de remoción más reducido y una menor pérdida de agua, a su

vez pueden enviarse a una fosa de la que pueden ser extraídos con facilidad.

Estos decantadores de barrido de fangos pueden ser circulares de

diámetro menor a 40 metros en donde el sistema de barrido va sujeto a una estructura que gira alrededor del eje del depósito, llevando una sola

lámina de rascado que cubra radial o diametralmente el depósito o varias láminas convenientemente solapadas; dicha estructura se desplaza sobre

el muro circular de coronación del decantador a una velocidad de aproximadamente 0.01 a 0.03 m/sg. arrastrada por un motor. La

pendiente del fondo es de un 4 a un 10 % siendo así posible que los

fangos se concentren en una fosa central para ser evacuados, las alturas periféricas suele oscilar entre 3 y 5 m.

Figura 29. Decantador longitudinal con sistema de cadenas.

De forma rectangular, su costo puede ser más elevado pero tiene ventajas

como la implementación más compacta de los diferentes equipos de tratamiento; en cuanto a maquinaria se emplean sistemas sumergidos de

cadenas continuas o mejor aún un puente-grúa que abarque todo el ancho

del depósito desplazándose de un extremo al otro. Las fosas de fango van

situadas justo bajo la entrada del agua bruta y la recogida de espumas

antes de la salida del agua decantada. Las condiciones geométricas y de flujo se adaptan a las ya mencionadas en decantadores de flujo horizontal.

Decantadores acelerados o de contacto de fangos

Dado que las posibilidades de encuentro de las partículas aumentan con su concentración en el agua, en los decantadores por contacto de fangos se

combina la floculación y la decantación en un aparato único, a ello se debe la idea de reforzar dicha concentración conservando en el líquido un

elevado porcentaje de fangos formados en el tratamiento anterior. Para conseguir que los fangos se mezclen con el líquido, pueden utilizarse dos

procedimientos:

Aparatos de recirculación de fangos: en los que los fangos se

separan del agua clarificada en la zona de decantación, luego se recirculan haciéndolos pasar a una zona de mezcla, provista de un sistema de

agitación mecánica o hidráulica donde se mezclan con el agua bruta a la que se han añadido los reactivos correspondientes.

Aparatos de lecho de fangos: en los que se pretende que el fango se mantenga en forma de una masa en expansión, que el agua pueda

atravesar de abajo a arriba de forma regular y uniforme, la agitación en ellos es muy lenta y tiene lugar en el punto de introducción del agua a

tratar.

Con estos sistemas se consiguen precipitados densos y por lo tanto, puede

aumentarse la velocidad ascensional del agua; como es obvio, el fenómeno de floculación mejora en efectividad y debido a la concentración

de fangos que se produce, a la cantidad de reactivo introducida se le da un óptimo rendimiento; se consigue además, una mejor adsorción de las

materias disueltas sobre el flóculo formado. En el caso de tratamiento con carbón activo en polvo, la concentración de este es tal que en el lecho o

nube de fangos, se puede dar lugar a una economía del 40 % del carbón utilizado.

Sin embargo el diseño y funcionamiento de estos aparatos es delicado, ya que debe procurarse que la agitación sea lo suficientemente lenta como

para no romper los flóculos ni provocar una nueva suspensión coloidal. También deberá cuidarse que las partículas antiguas que se ponen en

contacto con el líquido floculante se encuentren en el mismo estado físico que las formadas por los reactivos añadidos, es decir los fangos que se

reintroducen no deberán haberse concentrado durante una decantación prolongada que hubiese dado lugar a una excesiva deshidratación.

En el seno del lecho de fango o de la zona de mezcla, el fango se

encuentra en suspensión y ocupa un volumen aparente que varia según su

densidad y la velocidad ascensional del agua; por lo que en dichas zonas no puede producirse la aglomeración y posterior concentración del fango.

Para resolver este problema, se diseñan unas zonas tranquilas donde los fangos se concentran; estas zonas suelen estar constituidas por fosas

(denominadas concentradores) en las cuales se produce una decantación que concentra los fangos. Los fangos se extraen automáticamente por

medio de válvulas o sifones.

También en este tipo de decantadores se emplea el principio de la decantación laminar, de forma que puedan aumentarse las velocidades

ascensionales, los módulos laminares se suelen colocar en la zona de

decantación. Es de señalar que los decantadores por contacto de fangos se utilizan profusamente en todos los procesos de depuración en los que

intervienen reactivos químicos corno son:

Coagulación de materias coloidales (clarificación). Decoloración y desodorización.

Precipitación de sales alcalino-terreas (descarbonatación, desendurecimiento).

Eliminación de hierro y manganeso. Tratamiento de aguas residuales por vía química.

Decantadores de recirculación de fangos: Los decantadores de recirculación de fangos se caracterizan por la existencia de una zona de

reacción o mezcla y una zona de decantación, los fangos se recogen en esta última y a continuación, se envían nuevamente a la zona de mezcla.

En estos aparatos, cuyo principio de funcionamiento es simple, deben evitarse la formación de depósitos de fango procurando que este circule de

forma regular, sin importantes movimientos de torbellino y tratando de conseguir su mezcla sin excesiva agitación. Las velocidades de

sedimentación superan los 2 m/h y se catalogan dentro de este apartado, los siguientes tipos de decantadores denominados como “de patente”:

CIRCULATOR, TURBOCIRCULATOR, ACCELATOR y Decantador laminar

R.P.S.

Figura 30. Decantador TURBOCIRCULATOR.

Decantadores de lecho de fangos: La idea de hacer atravesar el agua

por una nube de fangos que permanece en estado de suspensión

concentrada y conseguir de esta forma una floculación acelerada, tropezaba con una serie de dificultades. Si una nube de fangos es

atravesada de abajo a arriba por una corriente de agua, puede ocurrir que si la velocidad ascensional sea muy alta y el fango pueda ser arrastrado

hacia arriba, produciéndose una acción disgregante (Figura 28). Si no ocurre esta circunstancia se observa que al cabo de un cierto tiempo de

funcionamiento el fango no permanece en suspensión en el líquido, por el contrarío, va concentrándose progresivamente y finalmente se observa

una masa compacta de fangos en cuyo seno el agua ha creado un paso. Es evidente que, en estas condiciones, no se produce un contacto eficaz entre

el agua y el fango.

En cambio, si la entrada de agua se realiza de una forma intermitente,

introduciendo un fuerte caudal durante un tiempo muy corto seguido de un periodo de reposo prolongado, se comprueba que la masa de fango se

mantiene en suspensión regular; todo el fango es arrastrado hacia arriba durante la introducción del agua pero, a continuación durante el periodo

de reposo siguiente, se deposita de una forma regular, como lo haría una probeta de agua fangosa que se dejara en absoluto reposo. De esta forma,

se consigue una masa de fango homogénea en todos sus puntos.

Si se hace pasar a través de una capa de fango una corriente vertical de

agua, se comprueba que el volumen ocupado por el fango varía con el caudal y aumenta con éste hasta un cierto límite, por encima del cual la

expansión del fango es tal, que las partículas que lo constituyen se encuentran tan alejadas unas de otras, que la fuerza de gravitación es

insuficiente para mantener la cohesión entre ellas y el fango es entonces arrastrado por el agua (Figura 28). El efecto del lecho de fangos queda

suprimido y la velocidad límite, así definida, es la velocidad máxima a la que podrá funcionar el decantador, sin embargo para mejorar la cohesión

de los fangos y por tanto aumentar la velocidad máxima posible, pueden

emplearse coadyuvantes de floculación.

Figura 31. Comportamiento de un lecho de fangos sometido a velocidades ascensionales crecientes.

En este tipo de decantadores se encuentran los decantadores de “patente” PULSATOR y PULSATOR

LAMINAR como aplicaciones industriales de las consideraciones anteriormente expuestas; con estos se consiguen velocidades ascensionales que pueden llegar, según la naturaleza de las materias en suspensión, a 8 m/hora.

Figura 32. Decantador PULSATOR.

Decantadores superacelerados

El termino decantación superacelerada debe entenderse como

decantadores “llevados al límite de su funcionamiento”, pues han conseguido velocidades ascensionales muy superiores a las de la

decantación acelerada clásica, pasando de 2.5 – 7 m/h. a velocidades de 5

a 20 m/hora. No obstante la velocidad ascensional está irremediablemente limitada por la velocidad teórica máxima, a partir de la cual una ganancia

se obtendría únicamente a costa de una perdida de la calidad de la clarificación y una inestabilidad de funcionamiento.

Entre los decantadores superacelerados pueden citarse los:

SUPERPULSATOR y CYCLOFLOC, el primero de ellos combina el efecto laminar y el contacto de un lecho de fangos. El segundo recurre al lastrado

de flóculos mediante la adición de microarena de cuarzo que posteriormente se recupera.

PRECIPITACIÓN QUIMICA

Por precipitación química se entiende la formación, por acción de los reactivos apropiados, de compuestos insolubles de los elementos

indeseables contenidos en un agua. Los procesos que con mayor frecuencia se dan en el tratamiento de aguas son:

Eliminación de los iones calcio y magnesio (dureza)

El tratamiento de precipitación química más utilizado para la eliminación del calcio y del magnesio es el de la descarbonatación por cal; se busca en

este eliminar la dureza temporal (llamada también dureza bicarbonatada). Así pues, este tratamiento únicamente conduce a una eliminación parcial

de la suma de los iones calcio y magnesio, puesto que no ejerce acción

alguna sobre la dureza permanente.

Si las dosis de reactivos se ajustan con exactitud, se reduce la alcalinidad

del agua que en las condiciones habituales de presión y temperatura esta comprendida entre 20 y 30 ppm de CaCO3. La presencia de coloides

orgánicos puede impedir la cristalización, y por ello se añaden al agua bruta reactivos coagulantes (sulfato de alúmina, cloruro férrico, etc.) con

el fin de eliminar estos coloides.

Aunque es poco frecuente, todavía se procede a la eliminación de la

dureza mediante carbonato sádico en frío, asociada a la precipitación de los bicarbonatos de calcio y magnesio con cal; con este procedimiento aún

en los casos mas favorables, no es posible reducir la dureza total por debajo de las 30 a 40 ppm de CaCO3 Generalmente, es preferible

combinar la descarbonatación con cal con un desendurecimiento mediante un intercambiador de cationes en el ciclo Na.

Una variante del proceso de tratamiento conjunto mediante cal y

carbonato sádico, es la eliminación del calcio y magnesio por precipitación

con sosa cáustica donde la precipitación del carbonato cálcico va unida a la formación de carbonato sódico, el cual reaccionará sobre la dureza

permanente

Eliminación del silicio

La eliminación del silicio corresponde más bien a un proceso de adsorción

que de precipitación química propiamente dicha, sin embargo esta eliminación se combina generalmente con la reacción de descarbonatación.

El contenido de silicio de un agua natural puede transformarse en un silico-aluminato complejo de calcio y hierro, esto se consigue añadiendo al

agua dosis convenientes de cloruro férrico, aluminato sódico y cal, los resultados generalmente mejoran si se realiza al mismo tiempo la

descarbonatación del agua, pudiendo llegar los porcentajes de reducción al 70 u 85 %

El silicio puede eliminarse también con hidróxido magnésico ya sea en frío

o en caliente. En frío, el procedimiento consiste en introducir en el agua

hidróxido magnésico preparado “in situ”, partiendo de óxido magnésico, puesto en solución por inyección de CO2 y precipitado seguidamente por

cal, obteniéndose unos resultados, similares a los indicados en el apartado anterior. En caliente, consiste en tratar el agua a una temperatura próxima

a los 100°C con una mezcla de cal y polvo de magnesia anhidra porosa; la sílice se fija entonces por adsorción hasta quedar un contenido residual del

orden de l mg/l. Este procedimiento seguido de un desendurecimiento, se utiliza con frecuencia en la alimentación de calderas de presión media.

Eliminación de fluoruros y fosfatos

El ión fluoruro se insolubiliza en forma de fluoruro cálcico que precipita

hasta el límite de su solubilidad. Los fosfatos precipitan por medio de una sal de calcio o de hierro, en forma de fosfatos de dichos iones, también en

estos casos se aceleran las reacciones por la presencia de cristales preexistentes, dando lugar a la formación de precipitados voluminosos.

Precipitación de hidróxidos metálicos

En este caso se trata principalmente de la eliminación de metales pesados:

cadmio, cobre, cromo, plomo, níquel, cinc, hierro, etc. Estos metales tienen la propiedad común, siempre que se encuentren en estado de iones

y no de complejos, de precipitar en forma de hidróxidos o incluso de hidrocarbonatos, en una zona de pH característica de cada uno de ellos.

Para pHs comprendidos entre 8,5 y 9,5, puede decirse que, en general, la solubilidad de estos metales permanece dentro de unos límites tolerables.

Como ya se ha indicado, para que la precipitación sea rápida, es preciso

que la reacción tenga lugar en presencia de una masa de cristales ya formados, así pues, los aparatos utilizados en la precipitación serán

aparatos de contacto de fangos, o bien reactores con masa de contacto

granular. Para este tipo de tratamiento, exceptuados los decantadores estáticos que producirían una reacción excesivamente lenta, se utilizan los

decantadores que combinen con la floculación (CIRCULATOR, ACCELATOR, etc.) o de lecho de fangos (PULSATOR, SUPERPULSATOR).

Los aparatos con masa de contacto granular, se caracterizan por el empleo

de una masa granular denominada „catalizante”, generalmente constituida por granos de arena de 0,2 a 0,4 mm. El carbonato cálcico precipita en la

superficie de los granos, lo que da lugar a una buena separación del precipitado. Finalmente señalar que existen aparatos especialmente

diseñados para los procesos de precipitación en caliente, cuyo

funcionamiento no difiere gran cosa de los decantadores clásicos.

REACTIVOS

El costo de explotación de una planta de tratamiento de aguas potables

está muy influenciado por una manipulación y correcto y racional uso de los numerosos productos químicos que se utilizan en el tratamiento del

agua, estos se conocen con el nombre genérico de reactivos y pueden distinguirse:

Coagulantes (sulfato de alúmina, cloruro férrico, etc.) Oxidantes y desinfectantes (cloro, ozono, etc.)

Coadyuvantes (sílice activada, electrolitos) Generales, talos como bases (sosa, cal, etc.)

Ácidos (sulfúrico, clorhídrico, etc.) para ajustes del pH.

En donde su manipulación comprende un gran número de operaciones como pueden ser el almacenamiento, dilución, disolución, transporte,

dosificación, etc. El almacenamiento de los reactivos debe hacerse de la

forma más automatizada posible tal que se eviten polvaredas y riesgos de intoxicación; así mismo debe tenerse siempre la posibilidad de verificar de

forma sencilla las cantidades de los diversos productos almacenados.

Los reactivos en polvo pueden almacenarse de alguna de las siguientes formas:

En sacos sobre una superficie especialmente dispuesta y en un local adecuado, este método es típico de pequeñas instalaciones.

Abastecidos a granel en tolvas o silos de capacidad variable en materiales como metal, hormigón o poliéster reforzado con fibra de vidrio,

el llenado de los silos puede realizarse: Mecánicamente: mediante bombas transportadoras o cangilones.

Neumáticamente: fluidificado por presión de aire.

Un problema básico de los reactivos en polvo es su tendencia a aglomerarse, esto puede resolverse por varios sistemas tales como

recipientes hinchables, con aire comprimido o mediante vibración; para el

control del nivel del producto existen varios sistemas, entre los que pueden citarse la resistencia encontrada por motores flotantes, la

capacidad dieléctrica, los ultrasonidos, etc.

Los reactivos líquidos, en instalaciones pequeñas se adquieren en pipas o

bidones, en instalaciones más importantes, el suministro se realiza en

camiones o vagones-cisterna, de donde son transferidos a las cubas de almacenamiento por gravedad, presión de aire o bombeo; Estas cubas

pueden ser construidas en acero, concreto o materiales plásticos, según la naturaleza del producto a almacenar y si es necesario deben ir protegidos

contra la corrosión.

Los reactivos gaseosos que se utilizan en el tratamiento del agua (cloro, anhídrido sulfuroso, amoniaco, etc.) se almacenan a presión, en estado

líquido, en botellas, tanques o cisternas de acero, situados en locales especialmente acondicionados de acuerdo con la legislación vigente, caso

por ejemplo del cloro, que por su toxicidad, presenta problemas especiales

que se tratarán luego.

La dosificación de los reactivos puede realizarse según estos vengan: en polvo, en líquido o en gas; en los casos de dosificación en seco de

productos en polvo, esta puedo efectuarse:

De forma volumétrica con una válvula alveolar, es conveniente

señalar que la conversión volumen/masa es imprecisa, ya que depende de parámetros tales como el grado de apelmazamiento, su uso pues debe

limitarse a instalaciones que no requieren una gran precisión, los caudales así dosificados pueden ir desde 50 a 1000 litro/hora.

De forma gravimétrica en los que el producto distribuido se pesa continuamente, cualquier desviación entre el valor medido y el valor

previsto, da lugar a una acción sobre el dispositivo de dosificación que tiende a anular dicha desviación, es un procedimiento de gran precisión.

En otros casos, los reactivos se dosifican en forma concentrada y se

diluyen a continuación, para su empleo a la concentración conveniente, en

otros casos, los reactivos se usan en forma de soluciones diluidas o suspensiones preparadas a partir de soluciones concentradas.

La dosificación de reactivos en forma líquida pueda realizarse:

Por gravedad, en los cuales una toma de superficie desciende en el

depósito, manteniendo una velocidad de entrada constante.

Con bombas alternativas de pistón, bombas alternativas de membrana o bombas dosificadoras de fuelle, que son una variedad de las

bombas de pistón, apropiadas para líquidos muy corrosivos.