EVALUACIN DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO

CALA CALA I

Proyecto de Grado, Presentado Para Optar al Diploma Acadmico de

LICENCIATURA EN INGENERIA CIVIL

Postulante: Zelmy Arali Rojas Prado

Tutor: Ing. Juan Carlos Rocha Cuadros

Asesor: Lic. Rita Escobar Claros

Cochabamba Bolivia Octubre, 2006

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMN FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGA

INGENIERA CIVIL

Proyecto patrocinado por: Servicio Municipal de Agua Potable y Alcantarillado

SEMAPA

Dedicatoria: A la de memoria de mi mam.

La vida nos separ muy temprano, pero yo sigo adelante para

convertirme en la persona que siempre quisiste que fuera y te

encuentres orgullosa de m.

A mi pap.

La base en la cual se fundamenta mi vida, dndome la educacin

para convertirme en la persona que soy, siempre estuvo conmigo

dndome fuerzas para seguir adelante.

A mi hermano.

Por el apoyo y colaboracin que me brind siempre.

A la persona que ms amo.

Porque siempre estuvo a mi lado brindndome su ayuda en los

momentos buenos y en los momentos difciles, siempre apoyndome

desinteresadamente.

Agradecimientos:

Al M.Sc. Ing. Juan Carlos Rocha Cuadros.

Por todos los conocimientos, asesoramiento y apoyo brindado para

la realizacin del estudio.

A la Lic. Rita Escobar Claros.

Por la gua invalorable, orientacin, colaboracin, incentivo,

sugerencias y el apoyo brindado en los momentos difciles para la

realizacin del estudio.

Al Ing. Luis Camargo Iiguez.

Por los consejos brindados, el permanente estmulo y su amable

colaboracin para la realizacin del estudio.

A todo el personal de la Planta de Tratamiento de Cala Cala.

Por la cooperacin, sugerencias, la amistad y la ayuda brindada en

todo el tiempo que trabaje con ellos.

A mis amigos.

Aquellos que me ayudaron, en los momentos que los requer.

FICHA RESUMEN

El hombre a travs de la historia ha buscado y desarrollado procesos para mejorar la calidad del agua, el gran porcentaje de la masa terrestre esta constituido por agua salada en 97% y agua dulce escasamente el 3%.

Para la evaluacin de la Planta de Tratamiento se utilizo informacin tcnica existente en planta, se sistematizo esta informacin y se realizo un diagnostico preliminar.

La evaluacin de la planta de tratamiento de agua comprende un anlisis tcnico, en general de las diferentes unidades, se determino:

Las prdidas operativas generadas en planta, el funcionamiento y comportamiento hidrulico, fisicoqumico y microbiolgico de cada una de las unidades que la conforman.

La eficiencia de la Planta de Tratamiento mediante la caracterizacin del afluente y efluente.

Una curva caracterstica para el Medidor Parshall.

Las caractersticas de flujo: tiempos de retencin, gradientes hidrulicos reales y tericos, caudales para las diferentes unidades que conforman la Planta de Tratamiento, porcentaje de flujo pistn, espacios muertos y mezcla completa.

Una expresin que representa el comportamiento de las bombas de sulfato de aluminio y la dosis optima de sulfato de aluminio que se requiere en planta y laboratorio para diferentes tipos de turbiedades.

Las caractersticas del proceso de floculacin, parmetros de floculacin, nmero de pantallas, tiempo de formacin y tamao del floc en planta y en laboratorio.

Las caractersticas del proceso de sedimentacin: la tasa superficial de sedimentacin en planta y laboratorio, tasa de sedimentacin de placas hexagonales, la tasa de recoleccin en los vertederos y la calidad del agua que produce el sedimentador.

Las caractersticas del proceso de filtracin: velocidad de filtracin, espesor del medio filtrante, expansin del medio filtrante, velocidad de lavado de los filtros, duracin del proceso de lavado, calidad de filtrado inicial, duracin de las carreras de filtracin, control de turbiedades en las diferentes unidades de la planta de tratamiento.

Las caractersticas del proceso de desinfeccin: demanda de cloro, tiempo de contacto en la cmara de mezcla y el ndice de Langelier.

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INDICE Pag.1 INTRODUCCION. 1

1.1. ANTECEDENTES. 2 1.2. PROBLEMA CENTRAL DE ESTUDIO. 5 1.3. OBJETIVOS. 5

1.3.1. OBJETIVO GENERAL. 5 1.3.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS. 5 1.4. JUSTIFICACION. 6 2 MARCO TEORICO. 7 2.1. MEDIDOR PARSHALL. 7 2.1.1. CALIBRACION DEL MEDIDOR PARSHALL. 11 2.2. ANALISIS DE FLUJOS Y FACTORES QUE AFECTAN LOS PERIODOS DE RETENCION EN LOS REACTORES. 12 2.2.1. MODELOS DE FLUJO. 13 a) Flujo discontinuo o intermitente. 13 b) Flujo contnuo. 13 Modelos de flujo pistn o flujo ideal. 13 Modelos de flujo con mezcla. 14 Modelos de flujo no ideal. 14 2.2.2. INFLUENCIA DEL TIEMPO DE RETENCION. 15 2.2.3. USO DE TRAZADORES PARA DETERMINAR EL TIEMPO DE RETENCION Y CARACTERISTICAS HIDRAULICAS DE UN REACTOR. 16 2.2.4. MODELOS MATEMATICOS. 18 a) Modelo matemtico Wolf Resnick. 18 b) Modelo grafico (Curva tendencia trazador). 22 2.3. COAGULACION. 26 2.3.1. TURBIEDAD. 27 2.3.2. COLOR. 27 2.3.3. SUSTANCIAS QUIMICAS EMPLEADAS EN LA COAGULACION. 28 a) Sulfato de aluminio. 28 2.4. MEZCLA RAPIDA. 28 2.4.1. PARAMETROS OPERACIONALES. 28 2.5. FLOCULACION 29 2.5.1. TEORIA BASICA. 29 a) Gradiente de velocidad. 29

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2.5.2. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA FLOCULACION. 30 a) Naturaleza del agua. 30 b) Influencia del tiempo de floculacin. 30 c) Influencia del gradiente de velocidad. 31 d) Influencia de la variacin de caudal. 31 2.5.3. FLOCULADORES HIDRAULICOS. 31 2.6. SEDIMENTACION 32 2.6.1. SEDIMENTACIN DE PARTCULAS FLOCULENTAS. 32 a) Sedimentacin de partculas floculentas con cada libre. 33 2.6.2. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL PROCESO. 35 a) Calidad de agua. 35 b) Condiciones hidrulicas. 35 En la zona de sedimentacin. 35 En la zona de entrada. 36 En la zona de salida. 36 2.6.3. SEDIMENTADORES ESTATICOS Y LAMINARES. 36 a) Sedimentadores estticos. 36 b) Sedimentadores laminares. 36 2.7. FILTRACION. 36 2.7.1. PRDIDA DE CARGA EN UN MEDIO FILTRANTE. 37 2.7.2. LAVADO DE MEDIOS FILTRANTES. 38 a) Fluidificacin de medios porosos. 38 b) Expansin de medios porosos. 40 2.7.1. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA FILTRACION. 40 a) Caractersticas de la suspensin. 40 b) Caractersticas del medio filtrante. 41 c) Caractersticas hidrulicas. 42 2.7.2. FILTRACION POR GRAVEDAD. 43 2.7.3. METODO DE CONTROL OPERACIONAL. 44 2.7.4. MEDIO FILTRANTE. 44 2.8. DESINFECCION. 44 2.8.1. LA CLORACION. 45 2.8.2. HIPOCLORITO DE CALCIO. 45 2.8.3. DEMANDA DE CLORO. 45 3 EVALUACION DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO CALA CALA I. 47 3.1. FICHA TECNICA PARA LA INSPECCION INICIAL. 47 3.1.1. UBICACIN. 47 3.1.2. FUENTE DE ABASTECIMIENTO. 47

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3.1.3. CARACTERISTICAS DE LA PLANTA. 48 3.1.4. ANALISIS DE LA INFORMACION. 50 3.1.6. DIAGNOSTICO PRELIMINAR. 58 3.2. EVALUACION DEL MEDIDOR PARSHALL CALA CALA I. 59 3.2.1. GEOMETRIA DEL MEDIDOR PARSHALL. 59 3.2.2. DIFERENCIAS GOEMETRICAS. 60 3.2.3. DETERMINACION DE CAUDALES ACTUAL. 61 3.2.4. CALIBRACION DEL MEDIDOR PARSHALL CALA CALA I 63 3.3. ANALISIS DE FLUJOS Y FACTORES QUE AFECTAN LOS PERIODOS DE RETENCION EN LAS DIFERENTES UNIDADES OPERATIVAS DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO. 67 3.3.1. PRUEBAS CON TRAZADORES. 67 3.3.2. TIEMPOS DE RETENCION Y GRADIENTES HIDRAULICOS EN LAS DIFERENTES UNIDADES OPERATIVAS DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO 70 3.3.3. PRUEBA DE TRAZADORES EN LOS FLOCULADORES. 72 3.3.4. PRUEBA DE TRAZADORES EN LOS SEDIMENTADORES 77 3.3.5. DETERMINACION DE CAUDALES A LA ENTRADA A LOS SEDIMENTADORES. 94 3.3.6. DETERMINACION DE CAUDALES EN LOS FILTROS 95 3.3.7. DETERMINACION DE PERDIDAS DE CAUDAL 98 3.4. EVALUACION DEL PROCESO DE COAGULACION 100 3.4.1. CALIBRACION DE DOSIFICADOR DE SULFATO DE SULFATO DE ALUMINIO. 100 3.4.2. DETERMINACION DE LA DOSIS OPTIMA DE SULFATO DE ALUMINIO EN LABORATORIO. 104 3.4.3. DETERMINACION DE LA DOSIS DE SULFATO DE ALUMINIO EN PLANTA. 112 3.5. EVALUACION DEL PROCESO DE FLOCULACION. 115 3.5.1. GEOMETRIA DE LA UNIDAD. 115 3.5.2. DETERMINACION DE LOS PARAMETROS DE FLOCULACION. 116 3.5.3. DETERMINACION DEL NUMERO DE PANTALLAS PARA LOS GRADIENTES EN PLANTA Y LABORATORIO. 121 3.5.4. DETERMINACION DEL TIEMPO INICIAL DE FORMACION DEL FLOCULO EN LA PLANTA. 124 3.5.5. DETERMINACION DEL TAMAO DEL FLOC PRODUCIDO EN PLANTA 126

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3.6. EVALUACION DEL PROCESO DE SEDIMENTACION. 127 3.6.1. GEOMETRIA DE LA UNIDAD. 127 3.6.2. DETERMINACION DE LOS PARAMETROS DE SEDIMENTACION EN LABORATORIO. 128 3.6.3. DETERMINACION DE LOS PARAMETROS DE SEDIMENTACION EN PLANTA. 133 3.6.4. DETERMINACION DE LA TASA DE SEDIMENTACION CON LA QUE ESTA OPERANDO EL SEDIMENTADOR LAMINAR DE PLACAS HEXAGONALES. 136 3.6.5. DETERMINACION DE LA TASA DE RECOLECCION DEL AGUA SEDIMENTADA DE LOS VERTEDEROS. 137 3.6.6. EFICIENCIA EN FUNCION DE LA CALIDAD DEL AGUA EN PLANTA Y EN LABORATORIO. 138 3.6.7. EFICIENCIA EN FUNCION DE LA CALIDAD DE AGUA SEDIMENTADA. 140 3.7. EVALUACION DEL PROCESO DE FILTRACION 142 3.7.1. GEOMETRIA DE LA UNIDAD. 142 3.7.2. DETERMINACION DE LA EFICIENCIA DE LA CALIDAD DE AGUA FILTRADA. 143 3.7.3. DETERMINACION DE LA VELOCIDAD DE FILTRACION 144 3.7.4. DETERMINACION DEL ESPESOR DEL MEDIO FILTRANTE. 148 3.7.5. DETERMINACION DE LA EXPANSION DEL MEDIO FILTRANTE. 159 3.7.6. DETERMINACION DE LA VELOCIDAD DE LAVADO DE LOS FILTROS. 161 3.7.7. DETERMINACION DE LA DURACION DEL PROCESO DE LAVADO. 162 3.7.8. DETERMINACION DE LA CALIDAD DE FILTRADO INICIAL. 165 3.7.9. DETERMINACION DE LA DURACION DE LAS CARRERAS DE FILTRACION. 167 3.7.10.CONTROL DE TURBIEDADES DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO. 169 3.8. EVALUACION DEL PROCESO DE DESINFECCION. 171 3.8.1. DETERMINMACION DE LA DEMANDA DE CLORO. 172 3.8.2. DETERMINACION DEL TIEMPO REAL DEL TANQUE DE MEZCLA. 174 3.8.3. DETERMINACION DEL INDICE DE LANGELIER. 176 4 RESUMEN DE RESULTADOS. 179 4.1. RESUMEN DE RESULTADOS. 179

v

4.1.1. MEDIDOR PARSHALL. 179 4.1.2. PROCESO DE COAGULACION. 179 4.1.3. PROCESO DE FLOCULACION. 180 4.1.4. PROCESO DE SEDIMENTACION. 182 4.1.5. PROCESO DE FILTRACION. 183 4.1.6. PROCESO DE DESINFECCION. 185 5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 186 5.1. CONCLUSIONES. 186 5.2. RECOMENDACIONES. 187 BIBLIOGRAFIA 190 ANEXOS 191 ANEXO A 191 ANEXO B 195 ANEXO C 196 ANEXO D 198 ANEXO E 202

vi

INDICE DE FIGURAS

Pag.Figura 2.1 Esquema de un medidor Parshall. 8 Figura 2.2 Relacin Caudal (Q) - Altura de agua (H). 12 Figura 2.3 Aplicacin de trazadores a un reactor. 16

Figura 2.4 Curvas tpicas de concentracin del trazador en el efluente de reactores con diferentes caractersticas hidrulicas 18 Figura 2.5 Curva log[1-F(t)] versus t/to cantidad de trazador que permanece en el reactor. 21 Figura 2.6 Concentracin de un trazador en el efluente de un reactor. 23 Figura 2.7 ndice de Morril. 25 Figura 2.8 Floculadores hidrulicos. 32 Figura 2.9 Comparador para estimar el tamao del floculo producido en la coagulacin segn la Water Research Asociation. 33 Figura 2.10 Curva de variacin de eficiencia en funcin de la velocidad de sedimentacin. 34 Figura 2.11 Sedimentadores estticos y laminares. 37 Figura 2.12 Variacin de la perdida de carga en funcin de (L) y (t). 38 Figura 2.13 Perdida de carga, profundidad del lecho y porosidad versus velocidad de lavado. 39 Figura 2.14 Filtracin por gravedad descendente. 43 Figura 2.15 Mtodos de control operacional (tasa declinante). 44 Figura 2.16 Medio filtrante de lecho mltiple. 44 Figura 2.17 Curva del punto de quiebre. 46 Figura 3.1 Variacin de la turbiedad diaria de la fuente de abastecimiento. 51 Figura 3.2 Variacin de la turbiedad diaria de agua sedimentada. 51 Figura 3.3 Variacin de la turbiedad diaria de agua filtrada. 51 Figura 3.4 Variacin del color diario de la fuente de abastecimiento. 52 Figura 3.5 Variacin del color diario de agua sedimentada. 52 Figura 3.6 Variacin del color diario de agua filtrada. 53 Figura 3.7 Variacin del pH diario de la fuente de abastecimiento. 54 Figura 3.8 Variacin del pH diario de agua sedimentada. 54 Figura 3.9 Variacin del pH diario de agua filtrada. 54 Figura 3.10 Variacin diaria de coliformes totales de la fuente de abastecimiento. 55 Figura 3.11 Variacin diaria de coliformes fecales de la fuente de abastecimiento. 55

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Figura 3.12 Variacin diaria de coliformes totales de agua sedimentada. 56 Figura 3.13 Variacin diaria de coliformes fecales de agua sedimentada. 56 Figura 3.14 Variacin diaria de coliformes totales de agua filtrada. 57 Figura 3.15 Variacin diaria de coliformes fecales de agua filtrada. 57 Figura 3.16 Cantidad de cloro residual a la salida del tanque de mezcla. 58 Figura 3.17 Esquema del Parshall planta de Tratamiento Cala Cala 1. 59 Figura 3.18 Diferencias entre el Parshall Terico y el Real. 61 Figura 3.19 Curva actual del medidor Parshall. 63 Figura 3.20 Curva caracterstica generada para el medidor Parshall. 65 Figura 3.21 Puntos de muestreo de la prueba de trazadores. 71 Figura 3.22 Curva de variacin mtodo Wolf - Resnick floculador 1. 73 Figura 3.23 Curva de variacin mtodo Wolf - Resnick floculador 2. 74 Figura 3.24 Curva de variacin mtodo Wolf - Resnick floculador 3. 76 Figura 3.25 Curva de variacin mtodo de Wolf - Resnick sedimentador 1 seccin 1. 78 Figura 3.26 Curva de variacin mtodo de Wolf - Resnick sedimentador 1 seccin 2. 80 Figura 3.27 Curva de variacin mtodo Wolf - Resnick sedimentador 1 seccin 3. 82 Figura 3.28 Curva de variacin mtodo Wolf Resnick sedimentador 2 seccin 1. 84 Figura 3.29 Curva de variacin mtodo Wolf Resnick sedimentador 2 seccin 2. 85 Figura 3.30 Curva de variacin mtodo Wolf Resnick sedimentador 2 seccin 3. 87 Figura 3.31 Curva de variacin mtodo Wolf Resnick sedimentador 3 seccin 1. 89 Figura 3.32 Curva de variacin mtodo Wolf Resnick sedimentador 3 seccin 2. 91 Figura 3.33 Curva de variacin mtodo Wolf Resnick sedimentador 3 seccin 3. 92 Figura 3.34 Curva de calibracin de la bomba # 1 del dosificador de sulfato de aluminio. 102 Figura 3.35 Curva de calibracin de la bomba # 2 del dosificador de sulfato de aluminio. 103 Figura 3.36 Curva para la dosis optima de las pruebas 1, 2 y 3 en laboratorio. 109 Figura 3.37 Curva para la dosis optima de las pruebas 5 y 6 en laboratorio. 109

viii

Figura 3.38 Curva para la dosis ptima de las pruebas 6, 7 y 8 en laboratorio. 109 Figura 3.39 Curva turbiedad versus dosis optima en laboratorio. 110 Figura 3.40 Curva turbiedad versus dosis optima en planta. 114 Figura 3.41 Esquema del floculador hidrulico de pantallas de flujo horizontal de la Planta de Tratamiento Cala Cala I. 115 Figura 3.42 Tiempo total de floculacin para una turbiedad promedio de 139 UNT. 118 Figura 3.43 Gradientes de velocidad optimas para una turbiedad promedio de 139 UNT. 119 Figura 3.44 Tiempo total de floculacin para una turbiedad promedio de 17 UNT. 119 Figura 3.45 Gradientes de velocidad optimas para una turbiedad promedio de 17 UNT. 120 Figura 3.46 Curva de gradientes ptimos de floculacin. 120 Figura 3.47 Tamao del floculo producido en planta. 126 Figura 3.48 Esquema del sedimentador de la Planta de Tratamiento Cala Cala I. 127 Figura 3.49 Curva de sedimentacin para una turbiedad de 139 UNT. 131 Figura 3.50 Curva de sedimentacin para una turbiedad de 17 UNT. 132 Figura 3.51 Curva de sedimentacin para la planta de tratamiento. 135 Figura 3.52 Eficiencia de los sedimentadores. 139 Figura 3.53 Frecuencia acumulada de turbiedad de agua sedimentada. 141 Figura 3.54 Esquema de los filtros en la Planta de Tratamiento Cala Cala I. 143 Figura 3.55 Frecuencia acumulada de turbiedad de agua filtrada. 144 Figura 3.56 Profundidad del lecho filtrante. 148 Figura 3.57 Espesores del medio filtrante filtro 1. 151 Figura 3.58 Espesores del medio filtrante filtro 2. 152 Figura 3.59 Espesores del medio filtrante filtro 3. 153 Figura 3.60 Espesores del medio filtrante filtro 4. 154 Figura 3.61 Espesores del medio filtrante filtro 5. 155 Figura 3.62 Espesores del medio filtrante filtro 6. 156 Figura 3.63 Espesores del medio filtrante filtro 7. 157 Figura 3.64 Espesores del medio filtrante filtro 8. 158 Figura 3.65 Esquema del medidor de expansin del lecho filtrante. 159 Figura 3.66 Duracin de operacin de lavado filtros 1 - 4. 164 Figura 3.67 Duracin de operacin de lavado filtros 5 - 8. 164 Figura 3.68 Calidad de filtrado inicial filtros 1 - 4. 166 Figura 3.69 Calidad de filtrado inicial filtros 5 - 8. 167

ix

Figura 3.70 Esquema de los puntos de muestreo para el control de turbiedades. 169 Figura 3.71 Esquema del punto de cloracin de la Planta de Tratamiento. 171 Figura 3.72 Demanda de cloro por medio del punto de quiebre. 173 Figura 3.73. Tiempo real del tanque de mezcla en funcin del cloro residual. 175 Figura 4.1. Curva caracterstica para el Parshall. 179 Figura 4.2. Perdida del espesor del medio filtrante. 184

x

INDICE DE TABLAS

Pag. Tabla 2.1 Dimensiones de medidores Parshall. 9 Tabla 2.2 Condiciones de la descarga. 9

Tabla 2.3 Caractersticas de descarga del medidor Parshall. 10 Tabla 2.4 Factores de correccin. 11

Tabla 2.5 Formas de adicin de sustancias trazadoras. 17 Tabla 2.6 Valores de (/)0.5 . 29 Tabla 3.1 Turbiedades debido a derrumbes o lluvias espordicas en el lugar de captacin del efluente 58 Tabla 3.2 Dimensiones del medidor Parshall Cala Cala I. 60 Tabla 3.3 Diferencias del Parshall Terico y Real. 60 Tabla 3.4 Caudal (Q) versus altura de agua (ha) para el Parshall de 1 generadas a partir de la ecuacin 3.1. 62 Tabla 3.5 Determinacin de caudales actual. 62 Tabla 3.6 Registro de caudales versus altura de agua. 64 Tabla 3.7 Correccin de la descarga debido al sumergimiento del medidor Parshall Cala Cala I. 66 Tabla 3.8 Generacin de caudales para la curva caracterstica mediante la ecuacin 3.3 del medidor Parshall Cala Cala I. 67 Tabla 3.9 Tiempos de retencin y gradientes hidrulicos. 71 Tabla 3.10 Prueba de trazadores floculador 1. 72 Tabla 3.11 Prueba de trazadores floculador 2. 74 Tabla 3.12 Prueba de trazadores floculador 3. 75 Tabla 3.13 Prueba de trazadores sedimentador 1 seccin 1. 77 Tabla 3.14 Prueba de trazadores sedimentador 1 seccin 2. 79 Tabla 3.15 Prueba de trazadores sedimentador 1 seccin 3. 81 Tabla 3.16 Prueba de trazadores sedimentador 2 seccin 1. 83 Tabla 3.17 Prueba de trazadores sedimentador 2 seccin 2. 84 Tabla 3.18 Prueba de trazadores sedimentador 2 seccin 3. 86 Tabla 3.19 Prueba de trazadores sedimentador 3 seccin 1. 88 Tabla 3.20 Prueba de trazadores sedimentador 3 seccin 2. 90 Tabla 3.21 Prueba de trazadores sedimentador 3 seccin 3. 91 Tabla 3.22 Prueba de trazadores para la determinacin de caudales de los sedimentadores. 94 Tabla 3.23 Determinacin de caudales de los sedimentadores. 95 Tabla 3.24 Prueba de trazadores para la determinacin de caudales de los

xi

filtros. 96 Tabla 3.25 Determinacin de caudales de los filtros. 97 Tabla 3.26 Calibracin del dosificador de sulfato de aluminio. 101 Tabla 3.27 Pruebas realizadas para determinar la dosis optima en laboratorio. 107 Tabla 3.28 Dosis optima en laboratorio. 110 Tabla 3.29 Valores generados a partir de la curva de turbiedad versus dosis optima en laboratorio. 111 Tabla 3.30 Dosificacin en planta. 113 Tabla 3.31 Gradientes de velocidad del floculador de pantallas de la Planta de Tratamiento Cala Cala I. 116 Tabla 3.32 Resultados parmetros de floculacin para una turbiedad promedio de 139 UNT. 118 Tabla 3.33 Resultados parmetros de floculacin para una turbiedad promedio de 17 UNT. 119 Tabla 3.34 Gradientes de velocidad ptimos de floculacin. 120 Tabla 3.35 Gradientes de velocidad ptimos de floculacin. 121 Tabla 3.36 Numero de pantallas en planta. 121 Tabla 3.37 Calculo del numero de pantallas y espaciamiento entre ellas. 123 Tabla 3.38 Tiempo inicial de formacin del floculo mediante prueba de trazadores. 125 Tabla 3.39 Resultados del ensayo de sedimentacin para una turbiedad de 139 UNT. 130 Tabla 3.40 Seleccin de la tasa de sedimentacin para una turbiedad de 139 UNT. 130 Tabla 3.41 Resultados del ensayo de sedimentacin para una turbiedad de 17 UNT. 131 Tabla 3.42 Seleccin de la tasa de sedimentacin para una turbiedad de 17 UNT. 132 Tabla 3.43 Resultados del ensayo de sedimentacin en la Planta de Tratamiento 135 Tabla 3.44 Seleccin de la tasa de sedimentacin en planta 135 Tabla 3.45 Velocidad de sedimentacin entre placas hexagonales en la Planta de Tratamiento Cala Cala I. 137 Tabla 3.46 Carga unitaria en vertederos. 138 Tabla 3.47 Turbiedad de agua cruda en funcin del agua sedimentada en Planta. 139 Tabla 3.48 Turbiedad de agua cruda en funcin del agua sedimentada en Laboratorio. 139 Tabla 3.49 Turbiedad de agua sedimentada. 141

xii

Tabla 3.50 Turbiedad de agua filtrada. 143 Tabla 3.51 Velocidad de filtracin antes del lavado. 147 Tabla 3.52 Velocidad de filtracin despus del lavado. 147 Tabla 3.53 Velocidad promedio de filtracin. 147 Tabla 3.54 Registro de los diferentes puntos del espesor del medio filtrante. 149 Tabla 3.55 Expansin del medio filtrante. 160 Tabla 3.56 Determinacin de la velocidad de lavado de los filtros. 162 Tabla 3.57 Duracin de la operacin de lavado de los filtros. 163 Tabla 3.58 Valores obtenidos para la calidad de filtrado inicial. 166 Tabla 3.59 Duracin de las carreras de filtracin. 168 Tabla 3.60 Control de turbiedades de la planta de tratamiento. 170 Tabla 3.61 Determinacin de la demanda de cloro. 173 Tabla 3.62 Tiempo real del tanque de mezcla. 175 Tabla 4.1 Resultados de los tiempos de retencin y gradientes de velocidad reales y tericos. 180 Tabla 4.2 Resultados de las caractersticas hidrulicas de los floculadores de la Planta de Tratamiento. 181 Tabla 4.3 Resultados de los gradientes de velocidad en laboratorio, en planta y terico para los floculadores. 181 Tabla 4.4 Resultados de la cantidad de pantallas y espaciamiento entre ellas que. debe haber en el floculador de acuerdo a los diferentes gradientes de velocidad. 182 Tabla 4.5 Resultados del tiempo de formacin del floc y del tiempo optimo de floculacin. 182 Tabla 4.6 Resultados de los tiempos de retencin reales, tericos y caudales de operacin de los sedimentadores. 182 Tabla 4.7 Resultados de las caractersticas hidrulicas de los sedimentadores de la Planta de Tratamiento 183 Tabla 4.8 Resultados de la tasa superficial en laboratorio y en planta. 183 Tabla 4.9 Resultados de la evaluacin de la zona de sedimentacin. 183 Tabla 4.10 Resultados de los tiempos de retencin reales, tericos y caudales de operacin. 184 Tabla 4.11 Resultados del proceso de filtracin. 184 Tabla 4.12 Resultados de la duracin del proceso de lavado, de la calidad de filtrado inicial y duracin de la carrera de filtracin. 185 Tabla 4.13 Resultados del proceso de desinfeccin. 185

1

1 INTRODUCCION

El agua potable es uno de los recursos ms importantes para la supervivencia del

hombre, ya que gran porcentaje de la masa corporal esta constituida por agua y es

fundamental para los procesos que ocurren en el cuerpo humano.

El hombre a travs de la historia ha investigado y desarrollado procesos para mejorar

la calidad del agua. El tratamiento y abastecimiento de este elemento es de suma

importancia para preservar su propia forma de existencia y mejorar sus condiciones de vida.

El agua como se encuentra en la naturaleza no se la puede consumir directamente,

salvo raros casos, a su paso por el suelo, por la superficie de la tierra e incluso a travs del

aire, el agua se contamina y se carga de materiales en suspensin o en solucin, tales como

arcilla, residuos vegetales, organismos vivos, sales diversas, materia orgnica, etc.

El agua potable debe cumplir normas de calidad regidas en nuestro medio por la

Norma Boliviana NB 512 Agua potable Requisitos revisada y actualizada por el

Comit Tcnico de Normalizacin, aprobada por la junta Directiva del IBNORCA 02-12-

1997,

Una Planta de Tratamiento debe proveer agua con la calidad adecuada para consumo

humano, con el mnimo de inversin econmica y dando la mxima utilidad a los recursos

humanos y materiales existentes en nuestro medio.

La evaluacin de los procesos integrantes de una Planta de Tratamiento de agua es

una serie programada de actividades que comprende un anlisis detallado del

funcionamiento y comportamiento del tratamiento del agua en cada una de sus unidades.

Mediante esta serie programada se puede determinar:

Si los procesos utilizados son los adecuados para tratar un tipo de agua con caractersticas especiales.

2

Si la solucin tecnolgica adoptada es compatible con los recursos existentes en nuestro medio.

Las caractersticas de los procesos y estimar aquellos factores que se acercan o discrepan de los parmetros establecidos por norma.

De existir problemas en la Planta de Tratamiento tales como prdidas de caudal, deficiencias en el funcionamiento hidrulico, calidad del efluente, determinar su posible

origen.

Requirindose para ello establecer o determinar:

Las normas y valores que sirvan como grado o base de comparacin; Los procedimientos a seguirse en cada caso.

Esto indica la alta prioridad que debe darse a la identificacin de los problemas

tcnicos que influyen en la produccin con calidad satisfactoria a objeto de mejorarla y

utilizar con mayor eficiencia las instalaciones existentes.

1.1. ANTECEDENTES.

Desde 1896 la cuidad de Cochabamba se abasteca de agua de diferentes

fuentes, el agua de las vertientes se distribua en cantaros a travs de piletas publicas,

posteriormente se construyeron pozos de hundimiento, el agua de estas captaciones

llegaban a travs dos lneas de aduccin a un tanque de almacenamiento construido

en las faldas del cerro de San Pedro, en 1928 se construy la primera red de

distribucin con tuberas de acero.

Las lagunas de Escalerani y el Toro que en un principio servan para el regado

de tierras de la zona de Tiquipaya, fueron adquiridas en concesin, para atender el

marcado dficit existente de agua, se construyo una obra de toma con un desarenador

en la zona de Tolapujro, un aductor de Tiquipaya a Cala Cala, una planta de

tratamiento y un tanque de almacenamiento en Cala Cala, permitieron aprovechar

estas aguas a partir de 1940.

Ante la necesidad de prestar servicios de saneamiento bsico en condiciones de

regularidad a una poblacin creciente se plante la necesidad de reestructurar la

3

administracin de servicios, de este modo se creo el Servicio Municipal de Agua

potable, Alcantarillado y Desages Pluviales el 12 de julio de 1967 en calidad de

Sociedad Mixta. Posteriormente manteniendo la sigla se transfiri los bienes

municipales a administracin propia el 12 de julio de 1974, la Institucin fue

reorganizada como Servicio de Agua Potable y Alcantarillado de Cochabamba,

durante estos aos la estructura organizacional de SEMAPA ha experimentado

cambios que le han permitido adaptarse a la dinmica de su entorno.

(www.semapa.com.bo)

La Planta de Tratamiento Cala Cala (SEMAPA) se halla en la provincia

Cercado, capital del departamento de Cochabamba, se encuentra al interior del Valle

Central, esta ubicada en la Av. Circunvalacin entre las calles Atahuallpa y Kpac

Yupanqui, esta se encarga del proceso de potabilizacin y control de calidad del agua

a ser distribuida a un sector de la poblacin.

SEMAPA dispone de dos tipos de fuentes para el suministro de agua potable a

la ciudad de Cochabamba: superficiales y subterrneas. La diversidad de las fuentes y

periodos del ao (lluvioso-seco) se ve reflejada en la calidad del agua que llega a las

estaciones de tratamiento, sobre todo cuando la fuente es superficial.(Plan Maestro

para el abastecimiento de agua potable para la ciudad de Cochabamba, volumen III

1994)

La planta Cala Cala cuenta con dos plantas de tratamiento para potabilizar el

agua y posteriormente ingresar a la red de distribucin, estas son:

Cala Cala I, puesta en funcionamiento el ao 1975, fue remodelada el ao 1998, se

cambiaron las pantallas de madera del floculador, por placas de asbesto cemento, en

el sedimentador se construyeron varias tolvas de almacenamiento de lodos y se

cambiaron las placas laminares de asbesto cemento por placas hexagonales, tambin

se aumentaron dos filtros sobre los 6 ya existentes, se cambio tambin el lecho de

filtracin y se construy un tanque de mezcla, en la actualidad se encuentra en

funcionamiento, es abastecido con agua proveniente de la Cordillera (laguna el Toro,

embalse Escalerani, canal Cuencas Vecinas) y Misicuni que a partir del 11 de abril

del 2005 abastece la planta de tratamiento.

4

Cala Cala II se construy en 1940, en la actualidad se encuentra en un proceso de

remodelacin.

El tratamiento que realiza la planta, Cala Cala I es de tipo convencional ya que

cuenta con un proceso de Coagulacin - floculacin, sedimentacin, filtracin y

desinfeccin.

La planta cuenta con un medidor de tipo Parshall. En la garganta del aforador se

produce la dosificacin de la solucin de sulfato de aluminio (coagulante),

posteriormente se produce la mezcla rpida en el resalto hidrulico que se da a la

salida del aforador, as se da inicio al proceso de coagulacin floculacin. La

unidad de floculacin cuenta con tres floculadores de pantallas de flujo horizontal, el

agua floculada ingresa a un canal colector para que se pueda distribuir uniformemente

a los sedimentadores, posteriormente el agua sedimentada es recolectada por medio

de vertederos triangulares y canales para ser trasportados a los filtros. El agua filtrada

es recolectada por medio de un canal de aislamiento, para llegar a un canal comn y

pasar al proceso de desinfeccin por medio de la cloracin con la solucin de

hipoclorito de calcio, finalmente por medio de una tubera de aduccion se transporta

el agua clorada a un tanque de mezcla donde se produce la destruccin de bacterias y

microorganismos existentes, al finalizar este proceso el agua potable se distribuye.

La evaluacin de una Planta de Tratamiento de agua comprende un anlisis

detallado del funcionamiento y comportamiento hidrulico de cada una de las partes

que fsicamente la conforman, de la calidad y cantidad del afluente - efluente y de la

forma en que esta siendo operada, controlada y mantenida.

Se realizaron varias evaluaciones de Plantas de Tratamiento en diferentes

ciudades de Amrica Latina. El Centro Panamericano de Ingeniera Sanitaria y

Ciencias del Ambiente (CEPIS) desarrollo una metodologa para evaluar plantas de

tratamiento de agua, se estudiaron ms de veinte casos y se aplico en ms de una

docena de cursos. La metodologa desarrollada para evaluar Plantas de Tratamiento

se ve plasmada en un manual Evaluacin de plantas de tratamiento de agua, que ha

sido publicada en Lima - Diciembre de 1984 por DTIAPA, esta permite identificar

los problemas y sus causas, sealar los procesos correctivos necesarios para tratar un

5

agua con una calidad determinada, caracterizar los procesos a nivel terico y

laboratorio a si como en planta, evaluar la eficiencia de la planta de

tratamiento.(CEPIS 1984)

Este manual ha sido actualizado en el ao 1992 y mejorado con la metodologa

de evaluacin empleada por la Agencia de Proteccin Ambiental de los Estados

Unidos EPA el ao 2005 por el Centro Panamericano de Ingeniera Sanitaria y

Ciencias del Ambiente (CEPIS/OPS).

1.2. PROBLEMA CENTRAL DE ESTUDIO.

Conocer la eficiencia global de la Planta de Tratamiento Cala Cala I. Para poder determinar la eficiencia de la Planta de Tratamiento hay que conocer

en primera instancia como funciona, que cantidad de caudal trata, que cantidad de

caudal se pierde durante el tratamiento y cuales son los motivos, cual es su

comportamiento hidrulico, cual la remocin fisicoqumica y microbiolgica tanto en

planta como en laboratorio, e identificar sus problemas y causas.

1.3. OBJETIVOS.

1.3.1. OBJETIVO GENERAL.

Evaluar el proceso de funcionamiento de la Planta de Tratamiento Cala

Cala I de acuerdo a la metodologa planteada por el Centro Panamericano de

Ingeniera Sanitaria CEPIS.

1.3.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS.

Sistematizar la informacin tcnica existente del funcionamiento de la planta de tratamiento.

Determinar las perdidas operativas generadas de las diferentes unidades y las perdidas por filtracin.

Determinar el funcionamiento y las caractersticas hidrulicas en las diferentes unidades de tratamiento

Determinar la eficiencia actual mediante la caracterizacin del afluente y efluente de la Planta de Tratamiento

6

Caracterizar los procesos con pruebas realizadas en laboratorio y posteriormente los resultados obtenidos comparar con las pruebas realizadas

en planta.

1.4. JUSTIFICACION.

La evaluacin de la Planta de Tratamiento Cala Cala I se la realiza para obtener

informacin referente a las diferentes unidades comprendidas en la Planta de

Tratamiento, adems del comportamiento, tanto cualitativo como cuantitativo del

efluente en comparacin con el afluente.

El comportamiento de una planta de tratamiento puede determinarse por la

cuantificacin de las deficiencias hidrulicas que ocasionan determinadas

caractersticas de flujo en la unidad, que afectan los periodos de retencin del agua en

los reactores, estas situaciones pueden tener tambin su origen en deficiencias de

diseo o en procesos inadecuadas de operacin de las unidades.

Las perdidas generadas en la Planta de Tratamiento son consideradas mediante

la determinacin de una balance de caudal, la cantidad que ingresa debe ser igual a la

que sale ms las perdidas.

Por lo tanto la eficiencia de una planta de tratamiento de agua es de vital

importancia para poder controlar la calidad de la misma y para que su capacidad se

aproveche al mximo.

7

2 MARCO TEORICO

2.1. MEDIDOR PARSHALL.

Este medidor a rgimen crtico fue ideado por Ralp L Parshall en 1922, es un

equipo calibrado para medir el caudal del agua en canales abiertos.

Este medidor bsicamente consta de las siguientes partes:

- Una seccin de entrada formada por dos muros convergentes, sobre un piso horizontal, a nivel, donde esta ubicada la escala de medida, a 2/3 del punto final

de la seccin de convergencia.

- Una garganta que es un elemento bsico de medida y que puede tener diversas dimensiones, a la cual se le ha asignado la letra b. Esta garganta esta formada

por dos muros paralelos y verticales sobre un piso inclinado hacia abajo con una

pendiente de 9 vertical: 24 horizontal (2.67:1 cualquiera sea su tamao) que en

conjunto se denomina cuello, es decir, la garganta es la interseccin de la entrada

con el cuello.

- Una seccin de salida formada por dos muros divergentes apoyados en un piso inclinado hacia arriba, ascendente a razn de 1 vertical: 6 horizontal en el caso de

medidores de 1 a 8 pies. (figura 2.1).1

El medidor Parshall es calibrado contra una carga piezometrica, (ha) esta es

medida en una de las paredes convergentes de la base horizontal a la distancia de 2/3

A. La carga piezometrica aguas abajo (hb) es medida en la garganta, para medidores

de 1 a 8 pies X=2 (51mm) aguas arriba desde el punto inferior en el piso de

pendiente de la garganta y Y=3 (76mm) sobre este.

1 AZEVEDO NETTO, J.M y ACOSTA ALVAREZ, G. (1975) Manual de Hidrulica, Editorial Harla S.A. Mxico, Pg. 471.

8

Los medidores Parshall fueron desarrollados en varios tamaos, las

dimensiones estn dadas en la tabla 2.1.2

Figura 2.1 Esquema de un medidor Parshall (BOSS 1989).

Las medidas del medidor Parshall deben ser cuidadosamente respetadas para

poder utilizar las mismas tablas dadas por el autor: pues de variar es necesario

efectuar ensayos de calibracin para ajustar los coeficientes de medida y correccin.

En la tabla 2.2 se pude ver las diferentes caractersticas de la descarga. 3

2 BOSS M.G. (1989) Discharge measurement structures Editorial IRLI., Wageningen, third edition, pag 226. 3 BOS M.G. (1989) Discharge Measurement Structures, Editorial IRLI., Wageningen, Third edition, pag. 227-246.

9

Tabla 2.1 Dimensiones de medidores Parshall (milmetros). Parshall b A a B C D E L G H K M N P R X Y Z\" 25.4 363 242 356 93 167 229 76 203 206 19 - 29 - - 8 13 32" 50.8 414 276 406 135 214 254 114 254 257 22 - 43 - - 16 25 63" 76.2 467 311 457 178 259 457 152 305 309 25 - 57 - - 25 38 136" 152.4 621 414 610 394 397 610 305 610 - 76 305 114 902 406 51 76 -9" 228.6 879 587 S64 381 575 762 305 457 - 76 305 114 1080 406 51 76 -1' 304.8 1372 914 1343 610 845 914 610 914 - 76 381 229 1492 508 51 76 -

1'6" 457.2 1448 965 1419 762 1026 914 610 914 - 76 381 229 1676 508 51 76 -2' 609.6 1524 1016 1495 914 1206 914 610 914 - 76 381 229 1854 508 51 76 -3' 914.4 1676 1118 1645 1219 1572 914 610 914 - 76 381 229 2222 508 51 76 -4' 1219.2 1829 1219 1794 1524 1937 914 610 914 - 76 457 229 2711 610 51 76 -5' 1524.0 1981 1321 1943 1829 2302 914 610 914 - 76 457 229 3080 610 51 76 -6' 1828.0 2134 1422 2092 2134 2667 914 610 914 - 76 457 229 3442 610 51 76 -7' 2133.6 2286 1524 2242 2438 3032 914 610 914 - 76 457 229 3810 610 51 76 -8' 2438.4 2438 1626 2391 2743 3397 914 610 914 - 76 457 229 4172 610 51 76 -

10' 3048 - 1829 4267 3658 4756 1219 914 1829 - 152 - 343 - - 305 229 -12' 3658 - 2032 4S77 4470 5607 1524 914 2438 - 152 - 343 - - 305 229 -15' 4572 - 2337 7620 5588 7620 1829 1219 3048 - 229 - 457 - - 305 229 -20' 6096 - 2845 7620 7315 9144 2134 1829 3658 - 305 - 686 - - 305 229 -25' 7620 - 3353 7620 8941 10668 2134 1829 3962 - 305 - 686 - - 305 229 -30' 9144 - 3861 7925 10566 12313 2134 1829 4267 - 305 - 686 - - 305 229 -40' 12191 - 4877 8230 13818 15481 2134 1829 4877 - 305 - 686 - - 305 229 -50' 15240 - 5893 8230 17272 18529 2134 1829 6096 305 - 686 - - 305 229 -

Fuente: BOSS, 1989 Tabla 2.2 Condiciones de la descarga.

Evaluacin de la descarga Esta representada por la siguiente ecuacion:

La relacin (hb/ha) constituye la razn de la sumersin:debe ser a 0.60 (60%) para Parshall de 3, 6 y 9, 0.7 para canales de

18, 0.8 para canales de 10 50, la descarga ser libre. Si estos limites se exceden, ser necesario, medir las dos alturas piezometricas

para calcular el caudal. La descarga real ser inferior a la obtenida por la formula, siendo indispensable aplicar una correccin. La descarga

sumergida para un medidor Parshall es:

Condiciones de descarga

Existen dos tipos de flujo:* Flujo a descarga libre (modular), el

nivel de agua es independiente de las condiciones de aguas abajo, en este caso

es suficiente medir la carga (ha) para determinar el caudal.

* Flujo descarga sumergida (ahogamiento), el nivel de aguas abajo es suficientemente elevado para influir y

retardar el flujo a travs del medidor, en este caso es necesario medirse

tambin una segunda carga (hb) en un punto prximo a la seccin final de la

garganta.

uaKhQ =El medidor Parshall cubre un rango

de descargas desde 0.09 l/s a 93.04 m3/s y tienen capacidad de

sobrepazamiento que facilita la seleccin de un tamao apropiado.

Donde:K= Factor dimensional que esta en funcin del ancho de garganta.ha = Lectura relativa aguas arriba en (m).u = Factor que varia entre 1.522 y 1.60 dependiendo de la geometra del canal. Este se muestra en la tabla 2.3.

QeQQs =D dLos diagramas del anexo A dan la correccin, Qe por el sumergimiento

para medidores Parshall de varios tamaos. La correccin para canales de 1 son aplicables a los canales hasta de 1.5 a 8 multiplicando por la

correccin Qe y para los de 10 se han hecho aplicables a canales mas grandes multiplicando por el factor de correccin par un tamao en

particular.La sumersion es causada por condiciones de aguas abajo, obstculos existentes, falta de declive o niveles obligados en tramos de unidades

subsecuentes.

Fuente: Elaboracin propia.

10

Tabla 2.2 Condiciones de la descarga. (Continuacin)

Precision en la medicion de la descarga

El error en las lecturas de la descarga libre se espera que sea de alrededor de 3%. Bajo condiciones de flujo sumergido, el error en la descarga se

hace ms grande, la sumergencia nunca deber exceder el lmite prctico de 90%, pues arriba de este valor no se puede contar con la precisin deseable ya que el Parshall deja de ser un dispositivo de medicion.

Limites de aplicacion

Las medidas del medidor Parshall deben ser cuidadosamente respetados para poder utilizar las mismas tablas dadas por el autor, pues de variar

esto es necesario efectuar ensayos de calibracin para ajustar los coeficientes de medida y correccin.

* Cada tipo de canal debe ser construido exactamente a las dimensiones presentadas.

* Los canales deben ser cuidadosamente nivelados en ambas direcciones, longitudinal y transversal.

* El rango practico de cargas ha para cada tipo de canal de la tabla 2.3 es recomendado como limite.

* El ndice de sumersin (hb/ha) no debe exceder de 0.90.

Fuente: Elaboracin propia. Tabla 2.3 Caractersticas de descarga del medidor Parshall.

Ecuacion Relacionminimo maximo Q=K hau minimo maximo

1" 0.09 5.4 0.0604 ha1.55 0.015 0.21 0.52" 0.18 13.2 0.1207ha

1.55 0.015 0.24 0.53" 0.77 32.1 0.1771 ha

L55 0.03 0.33 0.56" 1.50 111 0.3812 ha

1.58 0.03 0.45 0.69" 2.50 251 0.5354 ha

1.53 0.03 0.61 0.61' 3.32 457 0.6909 ha

1.522 0.03 0.76 0.71 '6" 4.80 695 1.056 ha

1.538 0.03 0.76 0.72' 12.1 937 1.428 ha

1.550 0.046 0.76 0.73' 17.6 1427 2.184ha

1.566 0.046 0.76 0.74' 35.8 1923 2.953 ha

1.578 0.06 0.76 0.75' 44.1 2424 3.732 ha

1.587 0.06 0.76 0.76' 74.1 3438 4.519ha

1.595 0.076 0.76 0.77' 85.8 3438 5.312ha

1.601 0.076 0.76 0.78' 97.2 3949 6.112ha

1.607 0.076 0.76 0.710' 160 8280 7.463 ha

1.60 0.09 1.07 0.812' 190 14680 8.859 ha

1.60 0.09 1.37 0.815' 230 25040 10.96ha

L60 0.09 1.67 0.820' 310 37970 14.45 ha

1.60 0.09 1.83 0.825' 380 47140 17.94ha

1.60 0.09 1.83 0.830' 460 56330 21.44 ha

1.60 0.09 1.83 0.840' 600 74700 28.43 ha

1.60 0.09 1.83 0.850' 750 93040 35.41 ha

1.60 0.09 1.83 0.8

Rango de altura en mAncho de garganta

Descarga de Q en l/s

b ah /h

Fuente: BOSS, 1989.

11

Tabla 2.4 Factores de correccin.

1 0.3048 1.01.5 0.4578 1.42 0.6096 1.83 0.9144 2.44 1.2191 3.15 1.524 3.76 1.8288 4.37 2.1336 4.98 2.4384 5.410 3.048 1.012 3.658 1.215 4.572 1.520 6.096 2.025 7.620 2.530 9.144 3.040 12.192 4.050 15.24 5.0

Ancho de garganta

b en pies b en metros Factor de correccin

Fuente: BOSS, 1989.

2.1.1. CALIBRACION DEL MEDIDOR DE PARSHALL.

La curva de calibracin o relacin de caudal (Q) versus altura de agua (H)

es una curva caracterstica de una seccin de control, la cual se construye

realizando mediciones sucesivas de caudal y altura de una seccin, la velocidad

del agua varia con los cambios de altura en el nivel del agua, si hacemos esto en

una seccin adecuada, esta relacin es generalmente fija, circunstancia que

podemos aprovechar para que, una vez conocida esta relacin entre nivel del

agua, seccin transversal conocida y velocidad, puedan obtenerse y registrarse

los caudales mediante una escala de alturas, que indica la variacin del caudal y

se obtiene una grafica como se muestra en la figura 2.2, esta curva se utiliza

para convertir registros de nivel de agua en caudales estableciendo as una

relacin Q-H.

Para ello la seccin debe ser constante, no tener erosiones o

sedimentaciones, no estar afectada.

12

Figura 2.2 Relacin Caudal (Q) - Altura de agua (H). (Manual de hidrulica 1975)

La importancia de contar con la curva Q-H es que con el dato de la altura

se obtiene el caudal, facilitando el clculo de un hidrograma continuo midiendo

sistemticamente las alturas.

Para determinar el caudal del medidor Parshall es suficiente establecer la

carga H, para esto es necesario:

Fijar una regla graduada en el punto de medicin del Parshall, de tal manera que el cero de la escala coincida con el nivel de agua a caudal cero.

En el caso de no existir pozo de medicin fijar la regla en los puntos que se muestran en la figura 2.1.

Se debe tener cuatro lecturas como mnimo. 2.2. ANALISIS DE FLUJOS Y FACTORES QUE AFECTAN LOS PERIODOS DE

RETENCION EN LOS REACTORES.

Muchas plantas de tratamiento de agua no tienen la eficiencia esperada por

deficiencias hidrulicas que ocasionan diferentes distribuciones de flujo y afectan los

periodos de retencin del agua en los reactores.

13

2.2.1. MODELOS DE FLUJO.

En las unidades de tratamiento, desde el punto de vista hidrulico, el flujo

del lquido puede ser de dos tipos: Discontinuo o intermitente y continuo.

a) Flujo discontinuo o intermitente.

Este tipo de flujo es el menos habitual y consiste en: llenar la unidad,

dejar un tiempo el liquido en ella mientras se produce el proceso

correspondiente, que puede realizarse con o sin mezcla, vaciar la unidad y

repetir el ciclo. Esto, en la mayora de los casos, no es prctico y

generalmente los procesos son de flujo continuo, salvo que el proceso de

tratamiento en s exija la discontinuidad, o se trate de experiencias piloto o

pruebas de laboratorio.

Un ejemplo constituye la prueba de jarras en la cual los vasos de

precipitado se llenan con un volumen (V) de lquido, se somete a un proceso

de tratamiento durante un tiempo de detencin to, terminando se vacan y se

preparan para un nueva prueba. En este caso toda la masa lquida permanece

en el reactor durante todo el tiempo de detencin.

b) Flujo contnuo.

Se pueden clasificar, tambin desde el punto de vista hidrulico, en

modelos de flujo pistn o flujo ideal (estable), modelos de flujo de mezcla

completa (flujo con mezcla o no pistn) y modelos de flujo no ideal.

Modelos de flujo pistn o flujo ideal. Es aquel que existe cuando las laminas liquidas de espesor (dl) que

entran en el reactor se desplazan paralelas a si mismas y

perpendicularmente en el sentido de flujo, sin mezclarse. De esta manera

los elementos de fluido pasan a travs del sistema y son descargados en

la misma secuencia en que fueron introducidos.4

4 Instituto de Ingeniera Sanitaria, OPS. (1977) Mtodos Modernos en el Diseo de Plantas de Tratamiento Tomo III, UMSA, CEPIC. La Paz - Bolivia, Cap. 4.

14

En la prctica es muy difcil lograr un flujo con estas caractersticas.

Se presenta con bastante aproximacin en unidades hidrulicas como

medidores Parshall, vertederos, floculadores hidrulicos de pantallas y

en los sedimentadores.5

Modelos de flujo con mezcla completa. Aquel que existe cuando la composicin del efluente en cualquier

instante es idntica al de toda la masa liquida, las partculas que entran al

reactor se dispersan de manera inmediata en todo el volumen que se

encontraba en el reactor.

Implican una mezcla parcial o total del fluido que est en la unidad,

todo elemento que ingresa se dispersa inmediatamente dentro de el.

Ejemplo de este segundo tipo de reactor constituyen las unidades de

floculacin y sedimentacin.

Modelos de flujo no ideal. Este tipo de flujo corresponde a cualquier grado intermedio entre

flujo pistn y mezcla completa con otras posibles alteraciones como la

presencia de zonas muertas, cortocircuitos hidrulicos. Viene a ser el tipo

de flujo con el que nos encontraramos usualmente en las unidades de las

plantas de tratamiento.

Zonas muertas.

El agua se queda almacenada en un lugar cualquiera. Son zonas

donde no hay flujo.

Cortocircuitos.

Cuando parte del volumen de agua que entra en el reactor, sale tan

rpido que el proceso o tratamiento que se le intenta hacer no se lleva a

cabo. Se presenta debido a defectos en el diseo de entradas y salidas.6

5 OPS, CEPIS.(2005) Evaluacin de Plantas de Tecnologa Apropiada, CEPIS. Lima, pag. 38. 6 UMSS, Juan Carlos Rocha Cuadros. (2003) Plantas de Tratamiento Cochabamba Bolivia, pag.101.

15

2.2.2. INFLUENCIA DEL TIEMPO DE RETENCION.

En plantas de tratamiento se dan procesos que ocurren muy rpidamente y

tambin con mucha lentitud. Se necesitan tiempos de retencin o periodos de

contacto cortos o largos para lograr la transferencia o las reacciones necesarias.

Se entiende por tiempo de retencin, permanencia o tiempo medio de

residencia el tiempo en el cual una partcula de agua entra, permanece y sale de

la unidad.

QVt o = (2.1)

Donde:

to= Tiempo de retencin (seg).

V= Volumen (m3).

Q= Caudal (m3/seg).

La permanencia puede concebirse como el tiempo promedio en el que el

fluido de caudal (Q) pasa a travs de la unidad de volumen (V).

En la prctica, es difcil que esto ocurra, ya que las condiciones

hidrulicas del fluido (zonas muertas, cortocircuitos, etc.) hacen imposibles las

condiciones de flujo estable.

La magnitud de la permanencia o tiempo de retencin en diversas

unidades es variable: del orden de segundos en la mezcla rpida, en la

floculacin en un lapso de minutos, etc.

En cada unidad el tiempo de retencin es diferente debido a la fraccin de

volumen que trata cada unidad. Es necesario, por tanto, estudiar la distribucin

del tiempo de retencin en cada unidad, para poder conocer la forma como ha

quedado sometida la masa liquida a un determinado tratamiento.

16

2.2.3. USO DE TRAZADORES PARA DETERMINAR EL TIEMPO DE RETENCIN Y CARACTERSTICAS HIDRULICAS DE UN

REACTOR.

Para visualizar el funcionamiento de una unidad desde el punto de vista

hidrulico, es conveniente utilizar una sustancia trazadora (sal, colorantes,

cidos o una sustancia radiactiva) que pueda ser aplicada en la entrada de la

unidad, y que simultneamente se comience a registrar la concentracin del

trazador a la salida de la unidad ver figura 2.3.

Figura 2.3 Aplicacin de trazadores a un reactor. (Tratamiento de agua para consumo humano 2005)

La aplicacin del trazador puede hacerse en forma continua o instantnea,

en la prctica en un intervalo de tiempo (to). Este ltimo resulta ser el mtodo ms usado en las evaluaciones de plantas.

El objetivo es el determinar en los reactores la proporcin de:

Volumen de zonas muertas. Volumen de cortocircuitos. Volumen de flujo pistn. Flujo mezcla completa.

Antes de elegir el tipo de trazador que se va ha utilizar, se debe verificar

la concentracin de estas sustancias en el agua cruda y se seleccionara aquellas

que se presenten en concentraciones constantes o muy bajas.

17

Se debe escoger como trazador aquella sustancia que no reaccione con los

compuestos que existen en el agua, es decir, que la concentracin total a la

salida sea casi igual a la que se aplique a la entrada. Por supuesto, en casi todos

los casos hay que esperar que se pierda algo de la sustancia trazadora.

La adicin de sustancias trazadoras puede hacerse de dos formas, esto se

puede ver en la tabla 2.5.

Tabla 2.5 Formas de adicin de sustancias trazadoras. (Elaboracin propia)

Inyeccion intantneaEsta representada por la siguiente ecuacion:

En este caso se aplica una concentracin (Co) a la entrada del

reactor en un tiempo muy corto y en un punto tal que se mezcle

instantneamente con la masa de agua que se piensa analizar.

Donde:P= Cantidad en peso del trazador a diluir en un m3 (Kg).Vol= Volumen de la unidad (l).k= Constante de correccin.Co= Concentracin en (mg/l)I= Grado de pureza.

Inyeccion contnua

En este caso se aplica la concentracin (Co) continuamente, por un tiempo no

menor de tres veces el tiempo de retencin y luego se interrumpe

bruscamente la dosificacin.

Donde:P= Dosis de trazador por hora (Kg/h)Q= Caudal de la unidad (l/s).k= Constante de correccin.Co= Concentracin en (mg/l)I= Grado de pureza.

Vol k CoP1000 I

=

3600 Co Q kP1000 I

=Esta representada por la siguiente ecuacion:

Fuente: Elaboracin propia

En la figura 2.4 se muestran diferentes comportamientos de flujo. 7

7 UMSS, Juan Carlos Rocha Cuadros. (2003) Plantas de Tratamiento Cochabamba Bolivia, pag.106.

18

Figura 2.4 Curvas tpicas de concentracin del trazador en el efluente de reactores

con diferentes caractersticas hidrulicas. (Tratamiento de Agua para Consumo Humano 2005).

2.2.4. MODELOS MATEMATICOS.

a) Modelo matemtico Wolf Resnick.

Cuando no hay espacios muertos, la fraccin de flujo de piston (p) y la

fraccin de flujo de no pistn (1-p) deben ser iguales a la unidad.

Flujo de pistn + Flujo de no pistn = 1

( )p 1 p 1+ = (2.2)

19

Cuando hay espacios muertos, si m es la fraccin del volumen

considerado como espacio muerto, la fraccin que no tiene espacios muertos

ser igual a (1-m) (flujo efectivo) y por lo tanto:

Flujo de pistn + Flujo de no pistn + Espacios muertos = 1

( ) ( ) ( )p 1 m 1 p 1 m m 1 + + = (2.3)Se estableci que el flujo perfectamente mezclado es igual a:

ttoC e

Co= (2.4)

Si se considera que en el reactor se presenta una combinacin de flujos

de pistn y mezclado, Resnick demuestra que:

Flujo de pistn + Mezcla completa

( )t pto1 p toC e

Co

= (2.5)

Donde (pto) tiempo de retencin correspondiente a flujo pistn y (1-p)

volumen que corresponde a mezcla completa. Reordenando y simplificando,

tenemos:

( )1 t p

1 p toC eCo

= (2.6)

Si se considera que el sistema, adems, tiene espacios muertos, habra

que introducir en la ltima ecuacin el trmino (1-m) para considerar la

fraccin efectiva de flujo con mezcla perfecta. Luego, tendramos:

Flujo de pistn + Mezcla completa + Espacios muertos

( ) ( ) ( )1 t p 1 m

1 p 1 m toC eCo

= (2.7)

La fraccin de la totalidad de trazador que ha salido del reactor ser:

CF(t) 1Co

=

Reemplazando el valor de C/Co, se obtiene:

20

( ) ( ) ( ) ( )1 t p 1 m

1 p 1 m toF t 1 e = (2.8)

Reordenando trminos y aplicando logaritmos a ambos trminos, se

llega:

( ) ( ) ( ) ( )log e tlog 1 F t p 1 m

1 p 1 m to = (2.9)

Que corresponde a la ecuacin de una lnea recta (figura 2.10), cuya

pendiente esta dada por:

( ) ( )

log etan 1 m 1 p

= (2.10)

Multiplicando por (p/p) y sustituyendo el valor de log e = 0.435, se

obtiene:

( ) ( )

0.435ptanp 1 m 1 p

= (2.11)

Lo que hace:

( ) p 1 m= (2.12)

( )0.435ptan 1 p

=

Despejando p tenemos: tan ptan 0.435p =

( )tan p 0.435 tan= + Reordenando, tenemos:

Volumen Flujo Pistn tanp

0.435 tan= + (2.13)

De la ecuacin 2.12 se puede deducir:

Volumen Espacios Muertos

m 1p

= (2.14)Volumen Flujo mezclado M 1 p= (2.15)

21

Los valores de las incgnitas y tan se obtienen al trazar la curva de log [1-F(t)] (figura 2.5), donde:

1o

tt

= (2.16)

1 2

o o

1tan t tt t

=

(2.17)

Figura 2.5 Curva log[1-F(t)] versus t/to cantidad de

trazador que permanece en el reactor. (Plantas de Tratamiento 2003)

El valor log [1-F(t)] es la fraccin del flujo que sale en un tiempo

mayor de to, y es igual a C1Co

cuando se empieza la dosificacin de

trazador (rama ascendente de la curva) y a CCo

cuando se suspende

bruscamente (rama descendente de la curva).

Realizando algunas operaciones se tiene la ecuacin bsica de Wolf

Resnick:

22

Ecuacin bsica de Wolf Resnick ( ) o

t ntF t 1 e

= (2.18)Donde n y definen las caractersticas de flujo del reactor.

b) Mtodo grafico (curva de tendencia de trazador).

Al aplicar trazadores a un reactor y analizar las muestras de agua

tomadas a la salida, se obtiene una serie de valores de concentracin que

aumentan con el tiempo hasta llegar a un mximo y luego disminuyen

progresivamente, lo que origina una curva tal como se indica en la figura

2.6.

Existen los siguientes parmetros principales:

t1 = Tiempo inicial desde que se aplica el trazador hasta que aparece en el afluente.

t10 = Tiempo correspondiente al paso del 10% de la cantidad total de trazador.

tp = Tiempo modal, correspondiente a la presencia de la mxima concentracin.

tm = Tiempo mediano, correspondiente al paso del 50% de la cantidad de trazador.

to = Tiempo medio de retencin o tiempo terico de retencin = V/Q

t90 = Tiempo correspondiente al paso del 90% de la cantidad total de trazador.

tt = Tiempo que trascurre hasta que atraviesa la totalidad del trazador en el reactor.

Cp = Concentracin pico o mxima de trazador.

Se pueden utilizar los siguientes criterios:

10

tt

Mide los cortocircuitos grandes, cuando es igual a:

1

0

tt

=1 Flujo pistn.

1

0

tt

= 0. Flujo mezclado.

23

Si el valor de la relacin es (1 hay errores experimentales o existen zonas donde el trazador ha

quedado retenido por un cierto tiempo (espacios muertos), para luego salir

lentamente, con lo que la rama descendente de la curva presenta una

forma alargada, que desplaza el centroide del rea y aumenta el valor de

(tm), haciendo tm>to.

Indica la relacin de flujo pistn y flujo mezclado.

p

0

tt

=1 existe nicamente flujo pistn

p

0

tt

= 0 existe flujo mezclado.

24

Cuando la relacin p0

tt

se aproxima a 1 y 10

tt

> 0.5, se puede concluir que

existe predominio de flujo pistn, y cuando p0

tt

se aproxima a 0 y 10

tt

<

0.5 existe predominio de flujo mezclado.

Esta relacionado en general con la difusin debida a corrientes de inercia (turbulencia).

Si c0

tt

= 00

tt

(razn de tiempo de inyeccin) Para flujo estable ideal.

Y aproximadamente c0

t 0.7t

para flujo mezclado (segn Villamonte).

Esta relacionado con las caractersticas de inercia turbulentas y de recirculacin grande.

Si c0

tt

= 00

tt

(razn de tiempo de inyeccin) Para flujo estable ideal

b

0

t 2.3t

= Para flujo mezclado ideal.

( ) ( )t p p i0

t t t te

t = Expresa excentricidad de la curva y, por lo tanto es

funcin de la recirculacin.

( ) ( )t p p i0

t t t te

t = = 0 para flujo pistn.

( ) ( )t p p i0

t t t te

t = > 2.3 para flujo mezclado ideal.

ndice de Morril. Este autor encontr en 1932 que al acumular los datos sobre

cantidad de trazador que pasa, expresado en porcentajes y dibujado en

25

papel que tenga escala de probabilidades en las abscisas y escala

logartmica en las ordenadas para diferentes tiempos, se obtena

aproximadamente una lnea recta (figura 2.7).

El segmento comprendido entre el 10% y el 90% es el mas regular y

por eso Morril sugiri que la relacin entre uno y otro se tomara como

ndice de dispersin. As:

Tiempoen que pasa el90%Indicede MorrilTiempoen que pasa el10%

= (2.19)Si todo el flujo fuera de pistn, la curva de la figura 2.7 seria una

lnea horizontal y el ndice de morril seria 1, pues todo el trazador saldra

en el tiempo (t = to) y nada saldra antes. En cambio, a medida que hay

ms proporcin de flujo mezclado, aumenta el ngulo que la curva hace

con la horizontal, pues hay una distribucin ms amplia del tiempo de

retencin.

El estudio de la totalidad de la curva puede suministrar una

informacin mas completa.

Figura 2.7 ndice de Morril. (Tratamiento de agua para consumo humano 2005)

26

El flujo pistn puro, como se muestra en la figura 2.7, viene

representado por el tiempo que trascurre hasta que aparece el trazador.

Hirch considera que este tiempo se puede tomar en el punto de inflexin

I1, cuando la curva cambia de cncava a convexa.

De aqu en adelante, el flujo debe considerarse como de no pistn.

Entre dicho punto y el punto de inflexin I2 en la rama descendente, el

flujo es dual (pistn y no pistn combinado). A partir del segundo punto

de inflexin, el flujo tiene un carcter predominantemente mixto.8

2.3. COAGULACION.

El agua puede contener una variedad de impurezas, solubles e insolubles; entre

estas ultimas destacan las partculas coloidales, sustancias hmicas y

microorganismos en general. Tales impurezas coloidales presentan una carga

superficial negativa, que impide que las partculas se aproximen unas a otras y que

las lleva a permanecer en un medio que favorece su estabilidad.

El Proceso de coagulacin se realiza a travs de los coagulantes que son

aadidos al agua reduciendo las fuerzas que tienden a mantener separadas las

partculas en suspensin.

Coagulacin es la desestabilizacin de las partculas no sedimentables o

coloides, se refiere a las reacciones que ocurren cuando se agrega un coagulante al

agua, dando origen primero a la formacin de especies hidrolizadas con carga

positiva, este proceso depende de la concentracin de coagulante y del pH final de la

mezcla . el segundo, es un proceso fundamentalmente fsico, consiste transportar

especies hidrolizadas para que hagan contacto con las impurezas del agua que se

encuentran en suspensiones finas o en estado coloidal y algunas que estn disueltas en

partculas que puedan ser removidas y as puedan formarse aglomerados gelatinosos

que se agrupan y producen los floculos (floculacin).

8 OPS, CEPIS.(2005) Evaluacin de Plantas de Tecnologa Apropiada, CEPIS. Lima, pag. 46.

27

Este proceso es instantneo, toma desde dcimas de segundo hasta cerca de 100

seg. de acuerdo con las dems caractersticas del agua y de las partculas presentes:

pH, temperatura, alcalinidad, color verdadero, turbiedad, etc. Se lleva a cabo en una

unidad de tratamiento denominada mezcla rpida.

2.3.1. TURBIEDAD.

La turbiedad es una expresin de la propiedad ptica que origina que la

luz se disperse y absorba en vez de transmitirse en lnea recta a travs de la

muestra (Standard Methods, 1992).

Los componentes ms frecuentes y comunes de las aguas turbias es la

materia en suspensin finamente dividida como la arcilla, limos, particulas de

slice, materia orgnica.

2.3.2. COLOR.

El color es la propiedad ptica que debido a la naturaleza coloidal del

agua se encuentra en solucin.

El color existente en el agua no deriva nicamente de la descomposicin

de productos naturales, compuestos orgnicos si no tambin de hidrxidos

metlicos, como el hierro, adems de compuestos orgnicos desconocidos.

El termino color se asocia con el concepto de color puro, esto es el

color del agua cuya turbidez ha sido eliminada por algunos procedimientos de

filtrado. El termino color aparente engloba no solo el color debido a las

sustancias disueltas, sino tambin a la materia en suspensin, esto se determina

en la muestra original (Standard Methods, 1992).

Un aspecto muy importante que se debe tomar en cuenta es que se ha

demostrado que las sustancias responsables de la coloracin natural del agua

pueden reaccionar con el cloro para producir compuestos organoclorados y

otros trialometanos.

28

2.3.3. SUSTANCIAS QUIMICAS EMPLEADAS EN LA COAGULACION.

Los productos qumicos ms usados como coagulantes en el tratamiento

del agua es el sulfato de aluminio.

a) Sulfato de aluminio.

La forma slida de este producto se presenta en placas compactas,

grnulos de diverso tamao y polvo su formula terica es:

Al2 (SO4)318 H2O, su concentracin se define, en general, por su

contenido de alumina.

El sulfato de aluminio es una sal derivada de una base dbil (hidrxido

de aluminio) y de un acido fuerte (acido sulfrico), por lo que sus soluciones

acuosas son muy acidas. Por esta razn su almacenamiento debe hacerse en

un lugar seco, libre de humedad. Es necesario tener en cuenta esta tendencia

acida para la preparacin de las soluciones.

2.4. MEZCLA RAPIDA.

Se denomina mezcla rpida a las condiciones de intensidad de agitacin y

tiempo de retencin que debe reunir la masa de agua en el momento en que dosifica

el coagulante, para que este se disperse rpida y uniformemente en el agua, esto con

la finalidad de que las reacciones de coagulacin se den en condiciones optimas.

2.4.1. PARAMETROS OPERACIONALES.

Los parmetros operacionales de la mezcla rpida son la intensidad de

agitacin que se debe impartir a la masa de agua para dispersar el coagulante, la

cual se evala mediante el gradiente de velocidad, y el tiempo durante el cual

debe aplicarse esta agitacin al agua.

Intensidad 1000 s-1 < G < 2000 s-1

Tiempo de mezcla T < 1 seg.

29

2.5. FLOCULACION.

El objetivo principal de la floculacin es reunir las partculas desestabilizadas

para formar aglomeraciones de mayor peso y tamao que sedimentan con mayor

eficiencia.

La floculacin es la agitacin de la masa de agua coagulada, para promover el

crecimiento del microfloculo recin formado, hasta alcanzar el tamao y peso

necesario para su posterior remocin mediante la sedimentacin.

El proceso causado por la colisin entre partculas, se da con el fenmeno de

transporte, por que al transportarlas chocan y como estn desestabilizadas, se

adhieren, son ms pesadas y caen. Durante la floculacin la agitacin deber ser lo

suficientemente lenta para no deshacer los floculos formados, dando nuevamente

lugar a una suspensin coloidal.

Objetivos de la floculacin:

Reunir microfloc para formar partculas con mayor volumen y peso especfico. Compactar el floc disminuyendo el grado de hidratacin. 2.5.1. TEORIA BASICA.

a) Gradiente de velocidad.

Ecuacin de Camp y Stein para floculadores mecnicos.

PGVol

= (2.20)

Donde:

G = Gradiente de velocidad (s-1)

P = Potencia para mezcladores mecnicos (Watts)

= Viscosidad dinmica (Kg/ms) Ecuacin para floculadores hidrulicos.

HGT

= (2.21)

Donde:

G = Gradiente de velocidad (s-1)

H = Perdida de carga (m)

30

= Peso especifico (Kgf/m3) = Viscosidad dinmica (Kg/ms) T = Tiempo de mezcla (seg).

Donde el factor (/)0.5 depende de la temperatura del agua, de acuerdo a la

tabla 2.6.

Tabla 2.6 Valores de (/)0.5 .

0 2336.944 2501.56

10 2736.5315 2920.0120 3114.6425 3266.96

Temperatura C

0.5

Fuente: Tratamiento de agua para consumo humano 2005

2.5.2. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA FLOCULACION.

a) Naturaleza del agua. La concentracin y la naturaleza de las partculas que producen la

turbiedad tambin tienen una notable influencia en el proceso de floculacin.

b) Influencia del tiempo de floculacin. Compartimentalizacin. Bajo determinadas condiciones, existe un tiempo ptimo para la

floculacin, normalmente entre 20 y 40 minutos. Mediante ensayos de

prueba de jarras (jar test), se puede determinar este tiempo.

Es necesario, por lo tanto, que se adopten medidas para aproximar el

tiempo real de retencin en el tanque de floculacin al tiempo nominal

escogido. Esto se puede obtener si se compartimentaliza el tanque de

floculacin con pantallas deflectoras. Cuanto mayor sea el nmero de

compartimentos, menores sern los cortocircuitos del agua.

Con la compartimentalizacin y la eleccin de valores adecuados para

los gradientes de velocidad, se aumenta la eficiencia del proceso y/o se

reduce el tiempo necesario de floculacin (o ambos), segn demostraron

Harris y colaboradores. Gradientes elevados en los primeros compartimentos

31

promueven una aglomeracin ms acelerada de los floculos; gradientes ms

bajos en las ltimas cmaras reducen la fragmentacin.

c) Influencia del gradiente de velocidad. Cuanto mayor es el gradiente de velocidad, ms rpida es la velocidad

de aglomeracin de las partculas. Mientras tanto, a medida que los floculos

aumentan de tamao, crecen tambin las fuerzas de cizallamiento

hidrodinmico, inducidas por el gradiente de velocidad. Los flculos

crecern hasta un tamao mximo, por encima del cual las fuerzas de

cizallamiento alcanzan una intensidad que los rompe en partculas menores.

Despus de formados los floculos en la ltima cmara de floculacin,

debe tenerse gran cuidado en la conduccin del agua floculada hasta los

sedimentadores.

d) Influencia de la variacin del caudal. Es conocido que al variarse el caudal de operacin de la planta, se

modifican los tiempos de residencia y gradientes de velocidad en los

reactores.

El floculador hidrulico es algo flexible a estas variaciones. Al

disminuir el caudal, aumenta el tiempo de retencin y disminuye el gradiente

de velocidad. Al aumentar el caudal, el tiempo de retencin disminuye, el

gradiente de velocidad se incrementa y viceversa.

2.5.3. FLOCULADORES HIDRAULICOS.

La clasificacin de los floculadores hidrulicos se detalla en la figura 2.8.9

9 OPS, CEPIS.(2005) Evaluacin de Plantas de Tecnologa Apropiada, CEPIS. Lima, pag. 265

32

De flujo horizontal.El flujo va y viene

alrededor de las pantallas haciendo un giro de 180 al final de

cada uno.

Floculadores hidrulicos.Derivan su energa para la

agitacin de la masa liquida, de la carga de velocidad que el flujo adquiere al escurrir por

un conducto.Son tanques provistos de

pantallas entre los cuales el agua circula con una velocidad

fija, produciendo cierta turbulencia en cada cambio de

direccin del flujo.

De flujo vertical.El flujo sube y baja

alrededor de las pantallas haciendo un

giro de 180.

Figura 2.8 Floculadores hidrulicos. (Elaboracin propia)

2.6. SEDIMENTACION.

Se entiende por sedimentacin la remocin por efecto gravitacional de las

partculas en suspensin presentes en el agua. Estas partculas debern tener un peso

especfico mayor que el fluido.

El sedimentador es un tanque generalmente de seccin rectangular o circular

cuyo fondo muchas veces esta inclinado hacia uno o mas puntos de descarga. Este

tanque posee dispositivos de entrada y salida del agua, previstos para evitar

cortocircuitos y zonas muertas y obtener una mejor distribucin del lquido en el

interior de la unidad.

2.6.1. SEDIMENTACIN DE PARTCULAS FLOCULENTAS.

Los factores primordiales que influyen en la velocidad de sedimentacin

son su tamao, forma y densidad.

La materia en suspensin que origina la turbiedad consiste principalmente

en slice finamente dividida, arcilla y limo. El color, en cambio, es producido

principalmente por cidos orgnicos (flvicos, hmicos, etc.) de origen vegetal.

La Water Research Asociation clasifica los flculos por su tamao, tal

como se indica en la figura 2.9.

33

Figura 2.9 Comparador para estimar el tamao del floculo producido en la coagulacin segn

la Water Research Asociation. (Teora y prctica de la purificacin del agua 2000) a) Sedimentacin de partculas floculentas con cada libre.

Si en una suspensin tenemos una concentracin (1-C) de partculas

que tienen una velocidad de sedimentacin Vs, la proporcin adicional de

partculas removidas que tiene una velocidad de sedimentacin Vs, ser:

0C0

s

1R VdcV

= (2.22)La remocin total RT ser:

( ) 0CT 0s

1R 1 C VdcV

= + (2.23)El segundo trmino de la ecuacin 2.23 se determina

experimentalmente mediante columnas de sedimentacin o el equipo

modificado de prueba de jarras.

Se determinan las concentraciones del material en suspensin (C) cada

cierto tiempo (t) y para una profundidad especfica (h). Conociendo la

concentracin inicial (Co) y la velocidad de sedimentacin Vs = h/t, es

posible obtener la eficiencia remocional.

Al graficar estos parmetros, se establece la curva terica de velocidad

de sedimentacin versus eficiencia figura 2.10.

En la figura 2.10, es importante observar lo siguiente:

34

Figura 2.10 Curva de variacin de eficiencia en funcin de la velocidad de

sedimentacin. (Teora y prctica de la purificacin del agua 2000)

La curva no pasa por el origen. Esto implica que siempre se tendr una

fraccin Cf de partculas que no sern removidas por el sedimentador aun

cuando se apliquen velocidades muy bajas de sedimentacin. Esto implica,

en la prctica, la necesidad de contar con una unidad posterior al

sedimentador que sea capaz de remover estas partculas. En una planta de

tratamiento de agua esta unidad es el filtro.

Otra caracterstica de esta curva es la tendencia asinttica cuando esta

se aproxima al eje de las ordenadas. Esta tendencia permite definir una

velocidad de sedimentacin mnima para aplicaciones prcticas de diseo.

No tendr ningn sentido prctico seleccionar velocidades de sedimentacin

menores a este valor mnimo, ya que se incrementara el rea de la unidad y

no se conseguira mayor eficiencia de remocin.

Entonces, si se tiene en cuenta que no todos los slidos sern

removidos en esta unidad, la curva no pasa por el origen y el primer trmino

de la ecuacin 2.23 es igual a:

( ) ( )o f1 C 1 C C = (2.24)

35

El segundo trmino, a su vez, es igual al rea sombreada de la figura 2.10.

( )0C s 0 f0s s

a V1 Vdc C CV 2V

+= (2.25)Por lo tanto, la remocin total ser:

( ) ( )sT 0 f 0 fs

a VR 1 C C C C2V+= + (2.26)

Conocido el porcentaje de remocin total alcanzado para cierta velocidad de

sedimentacin, es posible encontrar una velocidad de sedimentacin que

permita conseguir una remocin total para lograr una determinada calidad de

agua efluente del decantador.

2.6.2. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL PROCESO.

a) Calidad de agua. Las variaciones de concentracin de materias en suspensin modifican,

en primer lugar, la forma de sedimentacin de las partculas, as como las

propiedades de las partculas modifican la forma de depsito.

Adicionalmente, variaciones de concentracin de partculas o de

temperatura producen variaciones de densidad del agua y originan corrientes

cinticas o trmicas que, a su vez, generan cortocircuitos hidrulicos en las

unidades.

b) Condiciones hidrulicas. Los criterios y parmetros hidrulicos de diseo tienen gran influencia

en la eficiencia de los sedimentadotes. A continuacin se detallan los

principales:

En la zona de sedimentacin. En esta zona se debe tener un nmero de Reynolds lo ms bajo

posible y el nmero de Froude ms elevado para tender a un flujo laminar

y estabilizar el flujo. En esta zona las lneas de flujo no deben encontrarse

con ningn tipo de obstrucciones que alteren su trayectoria.

36

En la zona de entrada. La zona de entrada en un sedimentador es un conjunto de

estructuras que debe permitir una distribucin uniforme del flujo de agua

hacia la zona de sedimentacin. En una unidad de sedimentacin

convencional de flujo horizontal, esta distribucin uniforme debe darse a

todo lo ancho de la unidad y en profundidad.

En la zona de salida. Esta zona se caracteriza por permitir una recoleccin uniforme de

agua sedimentada a una velocidad tal que evite arrastrar flculos en el

efluente.

2.6.3. SEDIMENTADORES ESTATICOS Y LAMINARES ( DE ALTA TASA).

a) Sedimentadores estticos.(figura 2.11)

b) Sedimentadores laminares. (figura 2.11)

2.7. FILTRACION.

La filtracin es un proceso que consiste en la remocin de partculas

suspendidas y coloidales presentes en una suspensin acuosa que escurre a travs de

un medio poroso (granular) que no quedaron retenidas en los procesos de

coagulacin-floculacin y sedimentacin. En general, la filtracin es la operacin

final de clarificacin que se realiza en una planta de tratamiento de agua y, por

consiguiente, es la responsable principal de la produccin de agua de calidad

coincidente con los estndares de potabilidad.

Por lo general, se utiliza como lecho de filtracin la arena soportada por capas

de piedra, debajo de las cuales existe un sistema de drenaje.

Con el paso del agua a travs del lecho de arena se produce la remocin de

materiales en suspensin y sustancias coloidales.

37

Descripcin Tipos de unidades

Sedimentadores estticos

Componentes de la unidad Zona de entrada y distribucin de agua

Zona de sedimentacin propiamente dicha

Zona de salida o recoleccin de agua Zona de depsito de lodos.

En este tipo de unidades puede producirse sedimentacin, normalmente con cada

libre, en rgimen laminar turbulento o de transicin, la masa lquida se traslada de un

punto a otro con movimiento uniforme y velocidad VH constante. Cualquier

partcula que se encuentre en suspensin en el lquido en movimiento, se mover segn

la resultante de dos velocidades componentes: la velocidad horizontal del

liquido VH y su propia velocidad de sedimentacin VS.

En un sedimentador ideal de forma rectangular y con flujo horizontal, la

resultante ser una lnea recta.

Unidades de flujo horizontalLos rectangulares son ms compactos. Todos estn provistos de una pantalla deflectora que desva el agua hacia el fondo de la unidad, el flujo en la zona de sedimentacin es horizontal, estn provistos de

canaletas perifericas para la recoleccin de agua sedimentada, el fondo es inclinado hacia el centro de la unidad,donde se ubican tolvas para la recoleccin de lodos. Es necesario vaciar el tanque cada cierto tiempo y extraer los lodos manualmente, con la ayuda de mangueras de agua a

presin. Los sedimentos se compactan y forman una masa pastosa que resbala

muy dificilmente.

Sedimentadores laminares Se considera que tresson los efectos que favorecen la remocin de las partculas en este tipo de unidades: (i) aumento del rea de sedimentacin, (ii)

disminucin de la altura de cada de la partcula y

(iii) rgimen de flujo laminar.A mediados de la dcada de 1960, se

empez a investigar la sedimentacin en tubos inclinados, donde el lodo depositado escurre hacia la parte inferior, sin interferir

con las caractersticas de la instalacin.

Facilita el deslizamiento del lodo depositado sobre las placas . Para su diseo se considera la carga por unidad de superficie, tericamente,

cualquier partcula con velocidad igual o mayor a la crtica ser automticamente removida, la velocidad de sedimentacin (Vs ) debe ser determinada sobre la base de ensayos de laboratorio, consiguiendo

obtener un efluente de una calidad que no sobrecargue la unidad de filtracin, la eficiencia decrece a medida que aumenta la carga

superficial en las celdas, soporta tambin mejor las sobrecargas.En la eficiencia influye la calidad del agua (turbiedad y color), la

temperatura, la coagulacin-flocu1acin. El tiempo de operacin es muy importante al igual que el tipo de mdulo y su inclinacin debido a su

eficiencia. De acuerdo a la direccin del flujo se clasifican en sedimentadores de flujo horizontal y sedimentadores de flujo inclinado

debido a que en la parte media existen mdulos inclinados con un ngulo de 60 y el agua decantada se recolecta lateralmente en la parte

superior.Con el uso de este tipo de sedimentadores se incrementa la eficiencia y

la capacidad.

Figura 2.11 Sedimentadores estticos y laminares. (Elaboracin propia)

Los fenmenos que se producen durante la filtracin son los siguientes:

La accin mecnica de filtrar. La sedimentacin de partculas sobre granos de arena. La floculacin de partculas que estaban en formacin, debido a aumento de la

posibilidad de contacto entre ellas.

2.7.1. PERDIDA DE CARGA EN UN MEDIO FILTRANTE.

Al pasar un fluido Q a travs de un lecho filtrante granular de profundidad

L, la friccin que el fluido sufre al atravesar los poros produce una prdida de

carga h, como indica la figura 2.12.

38

Figura 2.12 Variacin de la perdida de carga en funcin de (L) y (t). (Tratamiento de agua para

consumo humano 2005)

Al comenzar la operacin de un filtro, los granos del lecho estn limpios,

la prdida de carga se deber solamente al tamao, forma, porosidad del medio

filtrante, viscosidad y velocidad del agua.

2.7.2. LAVADO DE MEDIOS FILTRANTES.

Durante el proceso de filtrado, los granos del medio filtrante retienen

material hasta obstruir el paso del flujo, lo que obliga a limpiarlos

peridicamente.

En los filtros rpidos esto se realiza invirtiendo el sentido del flujo,

inyectando agua por el falso fondo, expandiendo el medio filtrante y

recolectando en la parte superior el agua de lavado.

a) Fluidificacin de medios porosos.

Cuando se introduce un flujo ascendente en un medio granular, la

friccin inducida por el lquido al pasar entre las partculas produce una

fuerza que se dirige en sentido contrario a la del peso propio de los granos y

que tiende a reorientarlos en la posicin que presente la menor resistencia al

paso del flujo.

Por lo tanto, cuando la velocidad de lavado es baja, el lecho no se

expande y su porosidad no se modifica mayormente. Pero, a medida que se

va incrementando dicha velocidad, las fuerzas debidas a la friccin van

39

aumentando hasta llegar a superar el peso propio de las partculas, momento

en el cual estas dejan de hacer contacto, se separan y quedan suspendidas

libremente en el lquido.

Si se aumenta an ms la velocidad de lavado, la altura del medio

filtrante se incrementar proporcionalmente a la velocidad del fluido, como

se muestra en la figura 2.13, y la porosidad crecera en igual forma para

dejar pasar el nuevo caudal, pero conservando la velocidad intersticial y la

resistencia al paso del agua aproximadamente iguales.

Figura 2.13 Perdida de carga, profundidad del lecho y porosidad versus velocidad de

lavado. (Tratamiento de agua para consumo humano 2005)

Por lo tanto, solo cuando el lecho no est expandido la prdida de

carga es una funcin lineal de la velocidad del flujo ascendente, pero en

cuanto este se fluidifica, la prdida de carga alcanza su valor terminal

mximo.

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b) Expansin de medios porosos.

En general, para un lavado nicamente con agua en sentido

ascensional, la velocidad vara en promedio entre 0,9 y 1,3 m/min. La

expansin total de un medio filtrante se determina teniendo como dato la

curva granulomtrica y calculando la porosidad de las diferentes subcapas

expandidas para determinada velocidad de lavado, conforme al modelo

propuesto por Dharmarajah y Cleasby.

La expansin total (E) ser igual a:

e o e oo o

L LE1 L

= = (2.27)

Donde:

e = porosidad expandida de la capa.

o = porosidad del lecho esttico.

Lo = espesor del lecho esttico.

Le = espesor del lecho expandido.

2.7.3. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA FILTRACIN.

La eficiencia de la filtracin est relacionada con las caractersticas de la

suspensin del medio filtrante, de la hidrulica de la filtracin y la calidad del

efluente.

Se presentan a continuacin los principales factores que influyen en la fil-

tracin rpida.

a) Caractersticas de la suspensin.

De modo general, la eficiencia de remocin de partculas suspendidas

en un medio filtrante est relacionada con las siguientes caractersticas de la

suspensin que se observa en el siguiente esquema:

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Tipos de partculas suspendidas

Tamao de partculas

suspendidas

Densidad de partculas

suspendidas

El tipo de partculas presentes en el agua cruda influye en la eficiencia de la filtracin.

Resistencia o dureza de partculas

suspendidas

Temperatura del agua por filtrar

El tamao critico de partculas suspendidas, es de 1m, el cual genera menos oportunidad de contacto entre la partcula suspendida y el grano del medio filtrante, se usan productos quimicos para ajustar el tamao de las partculas suspendidas de modo de obtener una eficiencia mayor. Las partculas menores que el tamao crtico sern

removidas eficientemente, debido, principalmente, a la difusin; mientras que las mayores tambin sern removidas eficientemente debido a la accin de otros

mecanismos, como la intercepcin y la sedimentacin.