Existe una necesidad primordial a la hora de suministrar agua de calidad para cierto tipo de población. Es una prioridad indiscutible en todos los países y en particular en los países en vía de desarrollo en donde las enfermedades ligadas al agua y al saneamiento inadecuado alcanzan porcentajes elevados en los casos de consulta externa y hospitalización. El problema a tratar es el siguiente:

Una comunidad de nivel de complejidad baja, en clima cálido, con una población de 5000 habitantes requiere construir una planta de tratamiento de agua potable. Como fuente de agua, se tiene disponible el lago Tarso cerca al sitio donde está concentrada la población.

1. La resolución 1096 define los niveles de complejidad , término clave para el diseño de un sistema de tratamiento de aguas, mediante:

Nivel de complejidad Población en la zona urbana (habitantes)

Capacidad económica de los usuarios

Bajo < 2500 BajaMedio 2501 a 12500 BajaMedio Alto 12501 a 60000 MediaAlto > 60000 Alta

Tabla 1. Niveles de complejidad según resolución 1096

Debido a que la población tiene un número de 5000 habitantes, se puede observar que es una población de nivel de complejidad media.

El RAS 2000, resolución 1096/2000 define Dotación neta como corresponde a la cantidad mínima de agua requerida para satisfacer las necesidades básicas de un habitante sin considerar las pérdidas que ocurran en el sistema de acueducto.

Nivel del Complejidad Dotación neta mínima L/hab día

Dotación neta máxima L/hab día

Bajo 100 130Medio 120 150Medio Alto 130 -Alto 150 -

Tabla 2. Dotación neta correspondiente, RAS 2000

Podemos observar que para un población de nivel de complejidad medio la dotación neta mínima es de 120 L/habd í a y la dotación neta máxima es de 150 L/habdía con un periodo de diseño de aproximadamente 20 a 25 años.

La resolución 2320 de 2009 es puntual para las poblaciones de clima frías o templadas y para las poblaciones de clima cálido. Para las regiones de clima cálido la resolución 2320 de 2009 indica que para las regiones de clima cálido la dotación máxima neta es de 125 l hab/d .

Se definió el caudal de diseño con respecto a la dotación máxima de la siguiente manera:

125Lhabd í a

x5000=625000 Lhab d í a

625000Lhabdia

x1dia24h

=26041 Lhx1m3

1000l=26.04 m3

h

2. Datos obtenidos del muestreo:

Parámetro Valor , mg/LpH, unidades de pH 6Turbiedad, UNT 300Color UPt-co 40Alcalinidad 200Dureza 50Hierro 3Manganeso 1COT 5Nitratos 12Plaguicidas 0,1COT 4Coliformes Fecales, UFC/100ml 1e3Coliformes Totales UFC/100ml 1e6Mesófilos UFC/100ml 100Tabla 3. Datos obtenidos de la población

Como se puede observar la muestra tiene valores altos de turbiedad y nitratos pero el aspecto más importante son los Coliformes fecales y totales que tienen un valor elevado, provocando que la muestra sea de alto riesgo, por lo cual se propone el siguiente esquema de tratamiento:

Línea de agua

Captación superficial del lago Tarso Cámara de mezcla rápida: Coagulación, ajuste de pH y precloracion. Incorporación de agua de lavado de filtros, flotantes del Espesador y recirculación

de fangos Cámara de floculación y adición de floculante Decantación lamelar Filtración Desinfección final mediante hipoclorito sódico Depósitos de agua tratada

Haciendo énfasis en la etapa de desinfección donde cualquier coliforme pueda ser removido y el agua sea apta para consumo humano.

El proceso comienza con un tratamiento preliminar (Clarificación) que es uno de los métodos más empleados para la separación solido-liquido, que permite incrementar la eficiencia de separación a través de: Coagulación, Floculación y Precipitación (Sedimentación).

La coagulación consiste en un tanque de mezcla rápida donde ocurre la desestabilización y agrupación en pequeñas masas llamadas flóculos. La Coagulación ayuda a:

Remover turbidez orgánica e inorgánica que no pueda sedimentarse rápidamente.

Remover color verdadero y aparente.

Destruir algas y plancton en general.

Eliminar sustancias productoras de sabor y olor y precipitados químicos

suspendidos. 

Posteriormente viene un proceso de Floculación: Esta etapa consiste en un tanque de mezcla lenta en donde las partículas coloidales se comienzan a aglomerar formando flóculos. Estos flóculos, inicialmente muy pequeños, crean al juntarse, aglomerados mayores que son capaces de asentarse.  Así mismo hay factores que afectan el proceso de coagulación, como lo son: el tamaño de las partículas, el pH, la temperatura, la alcalinidad, entre otros. Por ello se utilizan algunas sustancias químicas llamadas coagulantes que ayuden al proceso de formación de flóculos, entre ellas tenemos las sales de aluminio, las sales de hierro y los polielectrólitos.

Posteriormente se requiere de un proceso de sedimentación, finalmente la precipitación o

Sedimentación ocurre una vez desestabilizado el coloide y formado el floculo. Consiste en

la separación del floculo por efecto de la gravedad, para que esto ocurra los sólidos deben

tener el tamaño y peso suficientes para asentarse en el fondo del tanque sedimentador.

Luego de lograrse la separación solido-liquido se procede a la Filtración, la cual consiste

en hacer pasar el agua a través de un medio poroso (arena, antracita, carbón) para

remover los sólidos suspendidos y coloidales presentes en el agua y producir un efluente

con una baja turbidez.

Clarificacion Coagulación Floculación Sedimentación Filtración Desinfección

Completando el proceso de acondicionamiento de las aguas se tiene la Desinfección y

se refiere a la destrucción de los organismos causantes de enfermedades o patógenos

presentes en ella. En este punto la clarificación y la filtración son procesos preparatorios

para la desinfección pues disminuyen la carga bacteriana. Esta etapa es indispensable

debido a que la muestra tiene un valor considerable de Coliformes fecales (UFC/100ml).

Un desinfectante ideal es capaz de:

Destruir los organismos

Actuar a la temperatura del lugar y en el tiempo adecuado

No hacer tóxica el agua o de sabor desagradable

De fácil obtención, manejo sencillo y bajo costo

Para mejorar la calidad del servicio utilizando dos módulos de tratamiento paralelo dependiendo de la demanda cada una de 18.75 m3/h. la planta podrá estar preparada para procesos de coagulación, floculación, decantación, filtración y cloración. Es importante que la planta tenga también su zona de almacenamiento y tratamiento de lodos para evitar devolverlos a la respectiva fuente en este caso es el lago Tarso y que está localizado cerca de la población.

3. Estimación de productos químicos necesarios (Coagulante, desinfectante, oxidante, etc.)

Se estima el uso del PAC (Policloruro de polialuminio) como coagulante por las ventajas que posee:

Coagulante de alto desempeño Bajo volumen de lodos Excelente funcionamiento en operaciones de sedimentación por gravedad.

Cuando se requiere rápida sedimentación En combinación con polímeros orgánicos, resulta un coagulante muy efectivo para

aguas de pozo con alto color y contenido de hierro Su doble función de coagulante/floculante hace que no sea necesario en la

mayoría de los casos el uso de floculantes de alto peso molecular Sustituye parcial o completamente la aplicación de sulfato de aluminio, permitiendo

obtener bajos residuales de sulfatos

Aunque tiene como desventaja que es muy costoso

Coagulantes de base natural vegetal derivados de la Acacia, ventajas:

No consume la alcalinidad del medio al no sufrir hidrólisis en solución, por lo que su eficacia como coagulante es siempre óptima.

No altera el pH del sistema y tiene un amplio rango efectivo de 4,5 a 9,0. Reduce o elimina el uso de agentes alcalinizantes, como hidróxido sódico o

cálcico. Protege contra la corrosión de las partes metálicas, no incrementando la

conductividad.

Proporciona una rápida floculación y decantación. Pudiendo actuar como coagulante o floculante, elimina o reduce en gran medida el consumo de otros floculantes.

Actúa como agente desodorante, al secuestrar derivados de sulfuros, precursores del ácido sulfhídrico.

Actúa como agente desodorante, formando complejos insolubles con especies orgánicas como proteínas o carbohidratos.

Actúa como agente quelante, acomplejando diversos metales como hierro, manganeso o aluminio.

Interacciona con los polisacáridos de la pared celular de las bacterias. Por ello, reduce el consumo de productos biocidas u otros tratamientos terciarios.

Para remover la dureza se utilizaría Cal con soda ASH (Na2CO3)

Elimina los iones de calcio extrayéndolos como carbonato de calcio insolubles Elimina la dureza del agua que se utilizara para mezcla debido al calcio Eleva el pH Maximiza el rendimiento de la bentonita y el producto de polímero

Para la desinfección se utilizaría Cloro con las siguientes ventajas y desventajas:

Oxida fácilmente el hierro, sulfuros y algo más limitado al Manganesio Mejora generalmente la reducción del color, olor y sabor Es muy efectivo como biocida Proporciona un residual en el sistema de abastecimiento Mejora los procesos de coagulación y filtración Elimina el amonio, previa transformación de cloramina

Desventajas:

Forma subproductos halogenados En algunos casos, puede provocar problemas de olor y sabor, dependiendo

de la calidad del agua Requiere instalaciones para evitar las fugas de gas El cloro gaseoso es peligroso y corrosivo Es menos efectivo a pH alto

4. Para la planta dimensionamos un Floculador mecánico tipo paletas: Constituyen el tipo de unidad más utilizado pueden ser de eje vertical u horizontal con paleta paralela o perpendicular al eje.

Demandan una operación cuidadosa y un mantenimiento constante, por lo cual no deben diseñarse en localidades en donde carezcan de los recursos necesarios para este fin.

Para la planta se diseñó un Floculador tipo de paletas de eje vertical y con paletas paralelas al eje.

Parámetros diseño

El gradiente de velocidad no es afectado por el número de paletas que ocupan una misma posición con respecto al eje. La única ventaja de tener un gran número de paletas es que se consigue una mejor homogenización.

El tiempo recomendado para este tipo de unidades varia de 30 a 40 minutos, para compensar la tendencia de espacios muertos.

El número de compartimientos o de cámaras en serie debe ser igual o preferiblemente mayor a 3.

La altura de las cámaras de 3 a 4 metros Los gradiente de velocidad varían entre 75 s-1 y 10 s-1 o más comúnmente entre

65 s-1 y 25 s-1 La velocidad en el extremo de las paletas o velocidad tangencial debe ser menor

de 1.20 m/s en la primera cámara y menos de 0.60 m/s en la última cámara. El grado de sumergencia de las paletas de 0.15 a 0.20 m Cada agitador debe tener de 2 a 4 brazos de paleta para producir una mezcla

homogénea. La relación óptima largo/ancho de la paleta es de 18 a 20.

Criterios de dimensionamiento

El gradiente de velocidad para agitadores con paletas paralelas al eje se comprueba mediante la siguiente ecuación:

G=158√ CDn3bl(r1

3+r23+rn

3…)μ∀

Donde Cd es el coeficiente de arraste, que depende de la relación largo/ancho (l/b) de las paletas. Se recomiendan valores de l /b de 18 a 20 a los cuales corresponden valores de Cd de 1.4 a 1.52

l/b 1 2 4 5 10 18 20 00Cd 1.10 1.15 1.19 1.20 1.29 1.40 1.52 2.01

Tabla 4. Valores de coeficiente de arrastre definiendo de la relación l/b

Dimensionamiento

Diseñamos un agitador tipo de paletas paralelas al eje que permita aplicar al agua gradientes de velocidad igual a 75, 50 y 40, en una cámara cuadrada de lado igual a 4.1 m y profundidad del agua 4 m. Temperatura del agua:

12 °C (ρ = 999,49 kg.m-3 y μ = 0,00124 Pa.s y k=0.24)

Se usaron tres paletas, con dimensiones b = 0,15 m y l = 3,80 m, distantes del eje 1 m, 1,20 m y 1.60 m, estando repetidas simétricamente en el otro lado del eje.

Imagen 1. Floculador

Cálculos

Potencia=μvg ²

P1=(0.00124 Kgmxs

x 67 ,24m ³ x(75 s−1)²)=469W

P2=(0.00124 Kgmxs

x 67,24m ³ x (50 s−1)²)=208.44W

P3=(0.00124 Kgmxs

x 67,24m ³ x (40 s−1) ²)=133.40W

Como el Floculador es de paleta paralelas:

G=5√ ρgμV

[CD (1−k )3 . n3 . b . l(r13+r2

3+…)]

Se halla Cd mediante la siguiente correlacion debido a que no se encuentra tabulado en las tablas:

CD=1.10+0.02( bl + lb )

Cd=1,607

Se obtiene:

N1=0.177 RPS x 60=10.62 RPM

N2=0.135RPS X 60=8.1RPM

N3=0.116RPS X 60=7 RPM

5. En la planta de lleva a cabo una sedimentación inducida, ocurre en una planta de tratamiento, donde se recibe un agua previamente coagulada y floculada. Con estos procesos se logra la unión de partículas suspendidas y coloidales para formar partículas de mayor tamaño, capaces de asentarse.

Parámetro Valor Observaciones ReferenciaCarga superficial

14-2218-2758-88

Floculante con alumbreFloculante con polímero

Agua cálida, flujo ascensional

AWWA, ASCE, 1969, Water Treatment Plant Design

Tiempo de retención, h

2-4 AWWA, ASCE, 1969

Número mínimo de tanques

2 Ras, 2000

Profundidad del agua

3-53-4.5

MWH, water treatment,2005Kawamura, 2000

Relación longitud ancho

4/1 8/1

RAS, 2000

Relación longitud profundidad

5/125/1

RAS, 2000

Pendiente del fondo, %

›2 RAS, 2000

Tabla 5. Parámetros de diseño

Corrientes de densidad: Producidas por variación en la densidad del agua, debido a cambios de temperatura. Corrientes frías producen arrastre de lodo y corrientes calientes, disminuyen tiempos de retención

Corrientes debidas al viento: Alteran la dirección de flujo o las condiciones de equilibrio de las masas de agua.

Corrientes cinéticas: Alteraciones en la zona de entrada, salida y obstrucciones en zona de sedimentación ,

Además los sedimentadores de la planta serán convencionales, también se tienen en cuenta los siguientes parámetros:

El sedimentador tendrá una longitud de 12 m y profundidad de 3.5 m con el caudal de la planta de 630m ³/día

Cálculos

Se determina la carga superficial:

CS=QA

=

630m3

d42m ²

=15m /día

Longitud=L/ prof=5/1

L=5 x 3.5=17.5metros

Filtración: La planta contará con Filtros de arena rápidos que manejan velocidades de 120-360 M3/M2 d que tendrán como medio filtrante arena, con el objetivo de:

Remover partículas finas Oxida Fe, Mn , remueve óxidos Oxida amoníaco (bacterias nitrosomonas, nitrobacter)

NH3 NO2 NO3 Remueve flóculos de sulfato de aluminio o sulfato férrico Remueve algas

Filtros rápidos

Tamaño (mm) 0.5-2.0

Profundidad 0.6-1.0

Corrida (días) 1-3

Limpieza retrolavado+aire

Mecanismos Físico –Químico

RemociónOxida

Flocs, part finasFe, Mn, NH3-NO3

Tabla 6.Caracteristicas de filtros rápidos

Imagen2. Sedimentador

Parámetros de diseño:

Características de la suspensión Características del lecho filtrante Características hidráulicas Calidad del efluente

Características de la suspensión

Tipo de partículas suspendidas Tamaño de las partículas suspendidas Densidad de las partículas Resistencia del floculado Temperatura

Tabla 7. Dimensiones de medios filtrantes

Características del medio filtrante

Material Altura (cm)

TE (mm)(tamaño efectivo)

Densidad

Antracita 45 0.80-1 1.40

Arena 15-30 0.5-0.6 2.60

Calidad del efluente Turbiedad entrada del filtro T<5 UNT Preferiblemente menor de 1 UNT Calidad del efluente distinta durante carrera de filtración

Cálculos

El caudal de 630m3/d ía la planta contara con 3 filtros y una tasa media de filtración de 50m /d ía

At= QTF

=630m3/d ía

50m3/díaAt=12.6

A=12.6m2/4=3.15m2

6. Con el tratamiento de oxidación/desinfección posterior a la filtración, se eliminan microorganismo que puedan haber sobrevivido tras los procesos anteriores. Para ello se le adiciona al agua una sustancia oxidante; en este caso cloro; que además garantiza la calidad del agua ante posibles contaminaciones accidentales o en su recorrido por la red de distribución o almacenamiento. Además de destruir gérmenes se pretende eliminar materias minerales e inorgánicas indeseables así como la suspensión de olores y sabores.

Se puede tomar una concentración de cloro libre de 1.4 ppm la cual le corresponde una C*T de 47mg∗min /l con un 99% de inactivación. Con esto se puede estimar un volumen del tanque de cloración de la siguiente manera:

47mg∗min/ l

1.4mgl

=33.58≈34min

El cual nos daría un tiempo de contacto de 34 minutos y con esto se sabría que:

V=Q∗t=26.04 m3

h∗34 min∗1h

60min

V=14.76m3

Estos valores se tomaron de una tabla de C*T a un pH de 7.5 y 20°C

Cuando se le inyecte el cloro el agua tratada pasara por un sistema de cloración para que el cloro tenga el efecto que se quiere antes de pasar a la red de distribución.