universidad central del ecuador facultad de ingeniería química
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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA DEFINICIÓN DE OPCIONES DE MEJORA EN UNA PLANTA DE AGUA POTABLE TRABAJO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA QUÍMICA AUTORA: MARITZA ALEXANDRA NÚÑEZ CAMACHO QUITO 2015 UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA DEFINICIÓN DE OPCIONES DE MEJORA EN UNA PLANTA DE AGUA POTABLE TRABAJO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA QUÍMICA AUTORA: MARITZA ALEXANDRA NÚÑEZ CAMACHO TUTOR: ING. CÉSAR AUGUSTO ALVARADO CALDERÓN QUITO 2015 APROBACIÓN DEL TUTOR En calidad de Tutor del Trabajo de Grado titulado DEFINICIÓN DE OPCIONES DE MEJORA EN UNA PLANTA DE AGUA POTABLE, certifico que el mismo es original y ha sido desarrollado por el señorita MARITZA ALEXANDRA NÚÑEZ CAMACHO, bajo mi dirección y conforme a todas las observaciones realizadas considero que el trabajo reúne los requisitos y por tanto tiene mi aprobación. En la ciudad de Quito, a los 25 días del mes de Septiembre de 2014 Ing. César Alvarado C. iii AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL Yo, Maritza Alexandra Núñez Camacho en calidad de autora del trabajo de grado realizado sobre DEFINICIÓN DE OPCIONES DE MEJORA EN UNA PLANTA DE AGUA POTABLE, por la presente autorizo a la UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR, hacer uso de todos los contenidos que me pertenecen o de parte de los que contiene esta obra, con fines estrictamente académicos o de investigación. Los derechos que como autor me corresponden, con excepción de la presente autorización, seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los artículos 5, 6, 8, 19 y demás pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su Reglamento. En la ciudad de Quito, a los 25 días del mes de Septiembre de 2014 ______________________________ Maritza Alexandra Núñez Camacho c.c: 1724368459 [email protected] iv AGRADECIMIENTO A Dios, por darme la vida y llenarme de bendiciones para cumplir las metas trazadas. A mis padres y hermanos quienes han sido un pilar muy importante en cada etapa de mi vida, gracias por su cariño, apoyo y comprensión en todo momento. A la Universidad Central del Ecuador y en especial a la Facultad de Ingeniería Química, por la formación académica brindada todos estos años. A todos mis profesores, especialmente a mi tutor Ing. César Alvarado, por su dirección y apoyo durante la realización de este trabajo de grado. A todos mis amigos y amigas por compartir buenos momentos y en situaciones difíciles brindarme su apoyo para seguir adelante, gracias a todos aquellos que hicieron cada momento único e irrepetible. v DEDICATORIA A mi padre por enseñarme que para llegar a cumplir una meta se requiere de sacrificio y esfuerzo, a mi madre por su cariño, paciencia, comprensión y por darme la fuerza necesaria para seguir adelante y cumplir este sueño. vi CONTENIDO Pág. LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................... x LISTA DE TABLAS ................................................................................................................... xii LISTA DE GRÁFICOS ............................................................................................................. xiv LISTA DE ANEXOS .................................................................................................................. xv RESUMEN................................................................................................................................. xvi ABSTRACT .............................................................................................................................. xvii INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 1 1. MARCO TEÓRICO ................................................................................................................. 3 1.1. El agua, recurso natural ......................................................................................................... 3 1.2. Fuentes de abastecimiento de agua ....................................................................................... 3 1.2.1. Fuentes subterráneas. ........................................................................................................ 3 1.2.2. Fuentes superficiales. ......................................................................................................... 4 1.3. Tratamiento de agua. ............................................................................................................. 5 1.4. Procesos y operaciones requeridas para el tratamiento del agua. .......................................... 5 1.4.1. Procesos de oxidación. ....................................................................................................... 6 1.4.2. Coagulación. ...................................................................................................................... 8 1.4.3. Floculación. ..................................................................................................................... 14 1.4.4. Sedimentación. ................................................................................................................. 24 1.4.5. Filtración.......................................................................................................................... 39 1.4.6. Desinfección. .................................................................................................................... 51 1.5. Reingeniería de procesos ...................................................................................................... 55 1.5.1. Consideraciones generales de diseño de procesos. ......................................................... 55 1.5.2. Implicaciones de rediseño de procesos. ........................................................................... 56 2. PARTE EXPERIMENTAL.- METODOLOGÍA ................................................................... 58 2.1. Proceso experimental .......................................................................................................... 58 vii 2.1.1. Diagrama del proceso experimental ................................................................................ 59 2.2. Estado actual de la planta de tratamiento de agua San Carlos ............................................ 59 2.3. Evaluación de la planta de tratamiento de agua .................................................................. 60 2.3.1. Caracterización de los parámetros físico-químicos del agua cruda................................ 60 2.3.2. Diagrama del proceso de potabilización en la planta de tratamiento de agua ............... 62 2.3.3. Descripción de los procesos que se realizan en la planta de tratamiento. ...................... 62 2.4. Metodología de trabajo........................................................................................................ 67 2.4.1. Caracterización del agua cruda. ...................................................................................... 67 2.4.2. Ensayos preliminares ....................................................................................................... 67 2.4.3. Sustancias y reactivos para los ensayos preliminares ..................................................... 67 2.4.4. Materiales y equipos para los ensayos preliminares ....................................................... 68 2.5. Secuencia del tratamiento requerido ................................................................................... 68 2.5.1. Pruebas en la torre de aireación...................................................................................... 68 2.5.2. Ensayos de tratabilidad (procesos de coagulación/ floculación/ sedimentación). .......... 69 2.5.3. Procedimiento para los ensayos de tratabilidad. ............................................................. 70 2.5.4. Determinación de la velocidad de sedimentación y tiempo de residencia. ...................... 72 2.5.5. Demanda de cloro ............................................................................................................ 72 2.6. Datos Experimentales .......................................................................................................... 73 2.6.1. Datos de la medición después de oxidar y airear el agua. .............................................. 73 2.6.2. Determinación de la dosis óptima del coagulante policloruro de aluminio. ................... 74 2.6.3. Evaluación de la eficiencia del floculante ....................................................................... 78 2.6.4. Gradientes de velocidad y tiempos óptimos de floculación. ............................................ 79 2.6.5. Velocidad de sedimentación ............................................................................................. 82 2.6.6. Cuantificación de la demanda de cloro. .......................................................................... 83 3. CÁLCULOS, INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS Y OPCIONES DE MEJORA ...... 84 3.1. Cálculos ............................................................................................................................... 84 3.1.1. Evaluación de la torre de aireación ................................................................................. 84 3.1.2. Evaluación de la unidad de filtración en la planta San Carlos. ...................................... 86 3.1.3. Cálculo y Análisis de las pruebas de tratabilidad. .......................................................... 88 3.2. Resultados obtenidos en pruebas de tratabilidad ............................................................... 106 3.3. Ensayos realizados en la planta piloto............................................................................... 109 3.3.1. Pruebas de oxidación. .................................................................................................... 109 3.3.2. Pruebas de aireación. .................................................................................................... 109 3.3.3. Pruebas de pretratamiento en la unidad de clarificación. ............................................. 112 3.3.4. Pruebas de coagulación en la unidad piloto .................................................................. 112 viii 3.3.5. Pruebas de floculación. .................................................................................................. 114 3.3.6. Pruebas de sedimentación.............................................................................................. 117 3.3.7. Pruebas de filtración. ..................................................................................................... 118 3.3.8. Pruebas de desinfección. ................................................................................................ 120 3.3.9. Resultados de los ensayos. ............................................................................................. 120 3.4. Opciones de mejora en la planta de tratamiento de agua San Carlos ................................ 122 3.4.1. Opciones de mejora en la etapa de oxidación y aireación ............................................ 122 3.4.2. Opciones de mejora en la etapa de pretratamiento. ...................................................... 125 3.4.3. Opciones de mejora en la etapa de coagulación. .......................................................... 126 3.4.4. Etapa de floculación (diseño del floculador). ................................................................ 129 3.4.5. Etapa de sedimentación (rediseño). ............................................................................... 139 3.4.6. Opciones de mejora en la etapa de filtración. ............................................................... 144 3.4.7. Opciones de mejora en la etapa de desinfección. .......................................................... 145 3.5. Diagrama de bloque del rediseño sugerido ....................................................................... 146 4. DISCUSIÓN ........................................................................................................................ 147 5. CONCLUSIONES ............................................................................................................... 149 5.1. Conclusiones generales ..................................................................................................... 149 5.2. Conclusiones experimentales ............................................................................................ 149 6. RECOMENDACIONES ...................................................................................................... 151 CITAS BIBLIOGRAFICAS ..................................................................................................... 152 BIBLIOGRAFÍA....................................................................................................................... 155 ANEXOS................................................................................................................................... 156 ix LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 1. Modelo esquemático del proceso de coagulación .......................................................... 9 Figura 2. Proceso de coagulación por adsorción. .......................................................................... 9 Figura 3. Proceso de coagulación por barrido ............................................................................. 10 Figura 4. Sistema de aplicación de coagulante............................................................................ 14 Figura 5. Esquema del proceso floculación................................................................................. 14 Figura 6. Floculadores hidráulicos de tabiques a) Flujo horizontal b) Flujo vertical .................. 18 Figura 7. Floculador hidráulico de flujo vertical con tres zonas de floculación. ........................ 19 Figura 8. Visualización de la pérdida de carga en un floculador vertical. .................................. 20 Figura 9. Sedimentación de una partícula discreta ...................................................................... 25 Figura 10. Correlación entre CD para partículas esféricas y el número de Reynolds. ................. 26 Figura 11. Columna de sedimentación de laboratorio ................................................................. 28 Figura 12. Sólidos en suspensión (%SS) separados en función del tiempo ................................ 29 Figura 13. Curvas de isoconcentración de sedimentación. ......................................................... 30 Figura 14. Proceso de sedimentación por zonas.......................................................................... 32 Figura 15. Esquema de un decantador de manto de lodos. ......................................................... 35 Figura 16. Esquema de un sedimentador de placas paralelas inclinadas..................................... 36 Figura 17. Filtro rápido en medio granular. ................................................................................ 41 Figura 18. Diagrama esquemático de configuraciones de filtro para filtración rápida. .............. 42 Figura 19. Corte a través de un filtro de presión. ........................................................................ 43 Figura 20. Aumento de la porosidad del lecho en relación con la velocidad del flujo ................ 46 Figura 21. Esquema de fondo falso con boquillas....................................................................... 50 Figura 22. Esquema de fondo falso wheeler ............................................................................... 50 Figura 23. Fondo tuberías perforadas. ......................................................................................... 51 Figura 24. Fondo falso Leopold .................................................................................................. 51 Figura 25. Curva de punto de quiebre ......................................................................................... 54 Figura 26. Torre de aireación de la planta de tratamiento San Carlos ........................................ 63 Figura 27. Distribución del medio filtrante ................................................................................. 66 Figura 28. Torre de aireación en planta piloto ............................................................................ 69 x Figura 29. Unidad piloto de una columna de sedimentación ...................................................... 82 Figura 30. Esquema de dosificación para mezcla rápida .......................................................... 128 Figura 31. Esquema de la Zona I del floculador ...................................................................... 138 Figura 32. Esquema de la Zona II del floculador ..................................................................... 139 Figura 33. Esquema de la Zona III del floculador .................................................................... 139 Figura 34. Esquema de la unidad de sedimentación rediseñada ............................................... 144 xi LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 1. Principales diferencias entre aguas superficiales y profundas ........................................ 4 Tabla 2. Especificaciones de aireadores de bandejas .................................................................... 7 Tabla 3. Clasificación de los floculadores .................................................................................. 17 Tabla 4. Coeficiente de fricción .................................................................................................. 27 Tabla 5. Sólidos separados, expresados en % (para t= 25 min) .................................................. 32 Tabla 6. Clasificación de los filtros ............................................................................................. 39 Tabla 7. Características de diseño en filtros de flujo descendente. ............................................. 40 Tabla 8. Configuración de medios filtrantes en filtros rápidos ................................................... 43 Tabla 9. Reacciones del cloro en el agua .................................................................................... 53 Tabla 10. Propiedades físico-químicas del agua cruda. .............................................................. 61 Tabla 11. Características de la torre de aireación ........................................................................ 64 Tabla 12. Características del tanque recolector ........................................................................... 64 Tabla 13. Características del sedimentador de placas ................................................................. 65 Tabla 14. Dimensiones del tanque reservorio ............................................................................. 65 Tabla 15. Características de los filtros a presión ......................................................................... 66 Tabla 16. Tiempos recomendados para la selección de gradientes ............................................. 71 Tabla 17. Datos de la concentración de hierro en el agua cruda ................................................. 73 Tabla 18. Determinación de la dosis óptima de coagulante (formato para prueba de jarras Norma ASTM D2035-13) ................................................................................................. 74 Tabla 19. Determinación de la dosis óptima de coagulante (formato para prueba de jarras Norma ASTM D2035-13) ................................................................................................. 75 Tabla 20. Determinación de la dosis óptima de coagulante modificando alcalinidad (formato para prueba de jarras Norma ASTM D2035-13) .......................................................... 76 Tabla 21. Determinación de la dosis óptima de hidróxido de calcio a partir de la mejor dosis de coagulante (Formato para prueba de jarras Norma ASTM D2035-13) ......................... 77 Tabla 22. Evaluación de la eficiencia del ayudante de floculación ............................................. 78 Tabla 23. Datos de turbiedad y sólidos suspendidos a diferentes tiempos de floculación (G = 50 s-1) .................................................................................................................................. 79 xii Tabla 24. Datos de turbiedad y sólidos suspendidos a diferentes tiempos de floculación (G = 30 s-1) .................................................................................................................................. 80 Tabla 25. Datos de turbiedad y sólidos suspendidos a diferentes tiempos de floculación (G = 10 s-1) .................................................................................................................................. 81 Tabla 26. Datos de sólidos suspendidos en el proceso de sedimentación. .................................. 83 Tabla 27. Datos para la cuantificación de la demanda de cloro .................................................. 83 Tabla 28. Resultados de la unidad de filtración. ......................................................................... 88 Tabla 29. Valores de RPM para diferentes Gradientes ............................................................... 90 Tabla 30. Valores teóricos de referencia para el proceso de floculación .................................... 91 Tabla 31. Velocidad de flujo en función del gradiente de velocidad .......................................... 92 Tabla 32. Valores de turbiedad y SS para G=50 s-1 .................................................................... 92 Tabla 33. Valores de turbiedad y SS para G=30 s-1 .................................................................... 93 Tabla 34. Valores de turbiedad y SS para G=10 s-1 .................................................................... 93 Tabla 35. Tiempos y gradientes óptimos de floculación ............................................................. 94 Tabla 36. Porcentaje de turbiedad removida. ............................................................................. 95 Tabla 37. Criterios para el diseño del floculador según el Número de Camp ............................. 95 Tabla 38. Resultados del Número de Camp ................................................................................ 96 Tabla 39. Resultados del %SS separados en función de alturas (SSo = 39 mg/l) ...................... 97 Tabla 40. Resultados del %SS separados en función de alturas (SSo = 47 mg/l) ...................... 97 Tabla 41. Datos base del gráfico 6 para la construcción de las curvas isoconcentración (SSo = 39 mg/l) ........................................................................................................................... 99 Tabla 42. Datos base del gráfico 7 para la construcción de las curvas de isoconcentración (SSo = 47 mg/l) ......................................................................................................................... 100 Tabla 43. Determinación del %SSseparados para un tiempo de 7,72 min. ............................... 102 Tabla 44. Velocidad de sedimentación y factor de carga .......................................................... 102 Tabla 45. Resultados de tratamiento con las condiciones óptimas de trabajo (Prueba 1) ......... 107 Tabla 46. Resultados de tratamiento con las condiciones óptimas de trabajo (Prueba 2) ......... 108 Tabla 47. Resultados de la eficiencia de la torre de aireación................................................... 111 Tabla 48. Resultado de las pruebas realizadas en la unidad piloto (Prueba 1) .......................... 121 Tabla 49. Resultado de las pruebas realizadas en la unidad piloto (Prueba 2) .......................... 121 Tabla 50. Valores de coeficiente de sumergencia ..................................................................... 134 Tabla 51. Valores de diseño para cada sección del floculador hidráulico................................. 138 xiii LISTA DE GRÁFICOS Pág. Gráfico 1. Relación entre intensidad de mezcla (rpm) y gradiente de velocidad (G) ................. 90 Gráfico 2. Relación entre velocidad lineal y gradiente de velocidad .......................................... 91 Gráfico 3. Relación entre turbidez y tiempo de floculación para cada gradiente de velocidad seleccionado................................................................................................................ 94 Gráfico 4. Porcentaje de sólidos en suspensión (%SS) separados en función del tiempo. (SSo = 39 mg/l) .............................................................................................................. 98 Gráfico 5. Porcentaje de sólidos en suspensión (%SS) separados en función del tiempo. (SSo = 47 mg/l) .............................................................................................................. 98 Gráfico 6. Curvas de isoconcentración (Condición inicial 39 mg/l). ....................................... 100 Gráfico 7. Curvas de isoconcentración (Condición inicial 47 mg/l). ........................................ 101 Gráfico 8. %SSseparados =f(Factor de carga) [SSo = 39 mg/l] ................................................ 103 Gráfico 9. %SSseparados =f(Factor de carga) [SSo = 47 mg/l] ................................................ 103 Gráfico 10. Curva %SS separados=f(velocidad de sedimentación y tiempo) ........................... 104 Gráfico 11. Curva %SS separados=f(velocidad de sedimentación y tiempo) ........................... 104 Gráfico 12. Cloro libre residual =f(tiempo) .............................................................................. 105 xiv LISTA DE ANEXOS Pág. ANEXO A. Ensayos de tratabilidad del agua cruda ................................................................ 157 ANEXO B. Ensayos para el tratamiento del agua cruda en la unidad piloto ............................ 160 ANEXO C. Planta de tratamiento de agua San Carlos.............................................................. 164 ANEXO D. Norma INEN 1108 ................................................................................................ 167 ANEXO E. Norma ASTM D2035-13 ....................................................................................... 172 ANEXO F. Resultados fisico-químicos del agua cruda ............................................................ 176 ANEXO G. Resultados fisico-químicos del agua tratada en planta .......................................... 178 xv DEFINICIÓN DE OPCIONES DE MEJORA EN UNA PLANTA DE AGUA POTABLE RESUMEN Se plantean opciones de mejora en la planta de tratamiento de agua San Carlos, ubicada en la parroquia de Uyumbicho para obtener agua potable que cumpla las especificaciones de la norma INEN 1108. El trabajo se inició con la evaluación del sistema actual de tratamiento: caudal, infraestructura y condiciones de operación de la planta. Se realizó la caracterización físico-química del agua cruda y de la tratada, determinándose que no cumplen con las especificaciones de la norma. Con esta información se plantean opciones de mejora en los procesos de aireación, coagulación, sedimentación y desinfección; también se procede al diseño de un floculador y a la determinación de la mejor dosis de floculante; estas opciones fueron evaluadas en una planta piloto. De los resultados del estudio para el tratamiento de agua de la planta San Carlos se requiere: aumentar el número de orificios en cada bandeja de la torre de aireación y modificar la alcalinidad del agua con una solución de cal de 30 mg/l; una dosis de coagulante (policloruro de aluminio) de 60 mg/l y una dosis de cloro activo como agente desinfectante de 1,7 mg/l. Además, se consideró necesario implantar un floculador hidráulico de flujo vertical con una dosis de floculante 0,1 mg/l PALABRAS CLAVES: / MEJORAMIENTO / PLANTA DE TRATAMIENTO/ TRATAMIENTO DEL AGUA/ AGUA POTABLE/ PARROQUIA UYUMBICHO/ xvi DEFINITIONS FOR THE OPTIONS OF IMPROVEMENTS IN UYUMBICHO’S WATER TREATMENT PLANT ABSTRACT Several options are been suggested in order to obtain clean water that complies with the regulations in standards INEN (Ecuadorian Institute of Standards) # 1108 for Uyumbicho’s Water Treatment Plant. The work began with the evaluation of the current treatment system: caudal, infrastructure and operations conditions. A physical and chemical study for the untreated and treated water was performed, determining that these waters do not comply with the specifications of the standard. With all this information new options for improvement are been suggested such as aeration, coagulation, sedimentation, disinfection and design and determination of a new amounts for flocculants. These options were evaluated in the first project of the Water Treatment Plant. The result of the study shows that the following modifications are required: increase the number of holes in the aeration tower, to modify the water alkalinity with 30 mg/l of limestone, one coagulant’s dose of 60 mg/l (aluminum poly chloride) and 1,7 mg/l of active chlorine that acts disinfectant agent. A vertical flow hydraulic flocculator with a dose of 0,1 mg/l was also added. KEYWORDS: / IMPROVEMENT / WATER TREATMENT PLANT / WATER TREATMENT / CLEAN-TREATED / UYUMBICHO PARISH/ VANADIUM PENTOXIDE / xvii INTRODUCCIÓN El agua para que sea considerada potable requiere de un control riguroso desde que es captada en la naturaleza, durante el tratamiento y cuando es distribuida hacia la población. Un sistema de agua potable debe contar con todos los elementos necesarios para captar, conducir, almacenar, tratar y distribuir de una manera adecuada el agua hasta los distintos sectores que requieren de este servicio. El agua debe cumplir con normativas que garantizan su calidad, reduciéndose al mínimo el riesgo de enfermedades y muertes en las poblaciones que se benefician de este servicio. El tratamiento del agua consta de una serie de procesos que son seleccionados dependiendo de la calidad del agua cruda, razón por la cual la secuencia de operaciones difiere de una planta a otra. El tipo de tratamiento puede ser químico o físico o una mezcla de ambos, el objetivo del tratamiento es mejorar la calidad del agua hasta llegar a cumplir con las especificaciones establecidas en la norma INEN 1108. La planta de tratamiento de agua San Carlos se encuentra ubicada en la Parroquia de Uyumbicho, fue construida en el año 2000, estuvo en funcionamiento durante un año y es hasta el 2013 que se plantea la rehabilitación de este importante sistema de tratamiento el cual beneficie a un tercio de la población de Uyumbicho. El agua cruda de la planta de tratamiento de agua es obtenida de una fuente de agua subterránea la misma que sigue el siguiente proceso de tratamiento: aireación, coagulación, sedimentación y filtración. Inicialmente se requiere conocer las características del agua cruda y la infraestructura existente a partir de esos resultados, se plantea realizar un estudio para mejorar las condiciones de tratamiento y de esta manera conseguir agua que cumpla con los requerimientos establecidos en la norma INEN 1108. Este trabajo tiene por objeto definir opciones de mejora en función de las variables de operación (tiempos de residencia, mejores dosis de químicos, gradientes de velocidades) que son obtenidas en los ensayos de tratabilidad; estas condiciones de operación permitirán modificar e implementar ciertos procesos del tratamiento con la finalidad de mejorar la calidad 1 del agua tratada. En los ensayos de prueba de jarras se llegó a determinar que se requieren realizar ajustes en la etapa de aireación, coagulación, sedimentación y desinfección. Además, se requiere diseñar la etapa de floculación e implementar una etapa de pretratamiento con lechada de cal y la etapa de desinfección. Para la evaluación de la torre de aireación se realizó ensayos en una unidad piloto, se obtuvo que la eficiencia del proceso de aireación fue aproximadamente 40%, valor que se encuentra dentro del rango según referencias bibliográficas, y para que esto se cumpla en la planta de tratamiento San Carlos es necesario aumentar el número de orificios en cada bandeja. Antes de que el agua aireada continúe a la etapa de coagulación se requiere aumentar su alcalinidad mediante la adición de una solución de cal, la mejor dosis fue de 30 mg/l. La etapa de clarificación consta de los siguientes procesos: coagulación, floculación y sedimentación. La etapa de floculación es necesaria dentro del proceso de tratamiento de agua, la planta de Uyumbicho no cuenta con un floculador, razón por la cual, se realizó el diseño de dicha unidad, con la finalidad de utilizar menos coagulante y floculante, mejorándose de esta manera el proceso de clarificación. En el estudio de la etapa de sedimentación, se determinó el tiempo de residencia del sedimentador esto se logró mediante una columna de sedimentación. En la etapa de desinfección se determinó la mejor dosis con la que se consigue cloro libre residual según los criterios establecidos por la norma INEN 1108. Para garantizar las opciones de mejora planteadas, se realiza una experimentación en la unidad piloto ubicada en la facultad de Ingeniería Química. La planta piloto consta de las siguientes unidades: aireación, coagulación, floculación, sedimentación, filtración y desinfección. En la unidad piloto se generan las mejores condiciones que fueron obtenidas en pruebas de jarras: dosis de químicos, tiempos de residencia, gradientes de velocidades. El proceso mencionado permite visualizar el tratamiento del agua cruda y de esta manera se podrá realizar modificaciones antes de proponer opciones de mejora en la planta de tratamiento de Uyumbicho. 2 1. MARCO TEÓRICO 1.1. El agua, recurso natural El agua es el recurso natural renovable más importante para los seres vivos, debido a que interviene en casi todos los procesos metabólicos. Tanto nuestro cuerpo, como nuestro planeta están compuestos en su mayoría por agua. Por tal motivo, existe la necesidad de controlar la calidad del agua especialmente cuando esta sea destinada para consumo humano. Así, el agua es un factor esencial de supervivencia y bienestar para los seres humanos y para la conservación de los ecosistemas. Esta característica predomina sobre cualquier otro recurso, ya que el mantenimiento y crecimiento de la población residente en un determinado espacio geográfico depende del abastecimiento de agua en aceptables condiciones de calidad. 1.2. Fuentes de abastecimiento de agua Una fuente de agua es el desvío de dicho elemento de su ciclo natural para ser utilizada por el ser humano. Para el abastecimiento público el agua se usan comúnmente fuentes superficiales y fuentes subterráneas. Para la selección de la fuente de abastecimiento se consideran los requerimientos de la población, la calidad del agua, la disponibilidad, así como también los costos involucrados en el sistema, tanto de operación como de mantenimiento. 1.2.1. Fuentes subterráneas. La captación de aguas subterráneas se puede realizar a través de manantiales, galerías filtrantes y pozos, excavados y tubulares. Las aguas subterráneas tienen una calidad mejor y más uniforme que las aguas superficiales debido a que algunas impurezas se eliminan en forma natural al atravesar las capas del suelo y del subsuelo. En las aguas subterráneas la contaminación se efectúa gradualmente y por ello existe el peligro de que no se detecte a tiempo, si no se realizan análisis sistemáticamente. 3 1.2.2. Fuentes superficiales. Las aguas superficiales están constituidas por los ríos, lagos, embalses, arroyos, entre otros; una desventaja de utilizar estas aguas es que la calidad puede variar considerablemente con el tiempo, se necesita un tratamiento intensivo para garantizar su permanente seguridad. En el cuadro siguiente se resumen las principales diferencias que presentan los dos tipos de agua: puede añadirse que algunas capas subterráneas pueden verse afectadas, igualmente, por contaminaciones bacterianas y por microcontaminantes minerales u orgánicos, si no tienen una protección suficiente, pero que se desconfía menos en este caso que en el de las aguas de superficie. [1] Tabla 1. Principales diferencias entre aguas superficiales y profundas Características examinadas Temperatura Aguas Aguas superficiales profundas Variable según las estaciones Relativamente constante del año Turbiedad, materias en Variables, a veces elevadas suspensión Mineralización Bajas o nulas Variables en función de los Sensiblemente constante, terrenos, precipitaciones, generalmente mayor que en vertidos, etc. las aguas de superficie de la misma región Hierro y manganeso Generalmente ausentes, salvo divalentes (en estado en el fondo de cauces de agua Generalmente presentes disuelto) en estado de eutrofización Gas carbónico agresivo Generalmente ausente Normalmente gran cantidad Oxígeno disuelto Normalmente saturación Amoníaco Presente sólo contaminadas Sulfuro de hidrógeno Ausente Normalmente presente Sílice Contenido moderado Contenido elevado Nitratos Poco abundantes en general Contenido a veces elevado. Elementos vivos Bacterias (algunas de ellas Frecuentes ferrobacterias patógenas), virus, plancton próximo en presente en a Ausencia total en la mayoría de los casos aguas Presencia frecuente, sin ser un índice sistemático de contaminación normalmente Fuente: DEGREMONT. Manual Técnico del Agua [en línea]. Tratamiento de las aguas de consumo, Editorial Artes Gráficas, Bilbao 1979. [fecha de consulta: 21 de Mayo de 2014]. Disponible en: < http://cidta.usal.es/cursos/ETAP/modulos/libros/consumo.pdf> 4 1.3. Tratamiento de agua. El tratamiento del agua es el proceso de naturaleza físico-química y biológica, mediante el cual se eliminan una serie de sustancias y microorganismos que implican riesgo para el consumo o le comunican un aspecto o cualidad organoléptica indeseable y la transforma en un agua apta para consumir. Todo sistema de abastecimiento de aguas que no esté provisto de medios de potabilización, no merece el calificativo sanitario de abastecimiento de aguas. En la potabilización del agua se debe recurrir a métodos adecuados para el tratamiento del agua cruda. [2] La calidad del agua cruda varía de una fuente a otra, es por ello, que el tipo de tratamiento requerido para producir agua potable también varía, dependiendo de la calidad del agua cruda, el grado de complejidad también es diferente. Por tal motivo es necesario conocer la calidad del agua cruda y en base a ello se analizan los diferentes procesos que se deben realizar para obtener agua que cumpla con los requerimientos establecidos para considerar al agua como potable. 1.4. Procesos y operaciones requeridas para el tratamiento del agua. Para la selección de los procesos de tratamiento se requiere conocer la calidad del agua cruda y deben realizarse ensayos en el laboratorio siendo obligatorio entre estos, el Ensayo de Jarras; y posteriormente, si se justifica, realizar ensayos en planta piloto para determinar el tratamiento al que debe ser sometida el agua. La prueba de jarras es obligatoria para cualquier nivel de complejidad, no solamente para los estudios de tratabilidad en el proceso de diseño, sino también diariamente, durante la operación de la planta, y cada vez que se presenten cambios en la calidad del agua. Los ensayos de laboratorio y planta piloto deben emplearse para determinar: El grado de comportamiento de ciertos procesos de tratamiento. Los criterios básicos de diseño para la planta a escala real (dosificaciones de los productos químicos, necesidad de mezcla y floculación, velocidad de filtración, tiempos de contacto, entre otros aspectos). [3] 5 1.4.1. Procesos de oxidación. Los procesos de oxidación juegan un papel muy importante en el tratamiento del agua potable, la oxidación puede ser por aireación (acción del oxígeno) o por dosificación de un producto con propiedades oxidantes. 1.4.1.1. Aireación. Es el proceso mediante el cual el agua está en contacto mínimo con el aire, con el fin de modificar las concentraciones de las sustancias volátiles contenidas en ella. La aireación se recomienda en los siguientes casos: Transferir oxígeno al agua para aumentar el oxígeno disuelto. Disminuir la concentración de CO2. Reducir la concentración de H2S Remover gases como metano, cloro y amoníaco Oxidar hierro y manganeso. (Fe2+ , Mn2+) Remover compuestos orgánicos volátiles Remover compuestos volátiles generadores de olores y sabores Existen cuatro tipos de aireadores: aireadores por gravedad, aireadores de boquillas, aireadores mecánicos y difusores. El objetivo de cada uno, consiste en crear interfases extensas entre el agua y el aire, para optimizar el tiempo de transferencia del gas y para alcanzar dichos objetivos con un gasto mínimo de energía. El aireador que generalmente es utilizado en plantas de tratamiento de agua es el de bandejas múltiples. Aireadores de bandejas múltiples.- Es un aireador por gravedad que consiste en una serie de bandejas equipadas con ranuras, el fondo es perforado, sobre las cuales el agua es distribuida y se deja caer a un tanque recolector. En la mayoría de aireadores se coloca coque, piedra, ladrillo triturado o cerámica para mejorar la eficiencia del intercambio de gases y la distribución del agua. La ventilación es un importante factor en este tipo de aireadores por eso se requiere estudiar cuidadosamente el sitio de localización. Los factores de diseño utilizados para aireadores de bandejas se indican a continuación: 6 Tabla 2. Especificaciones de aireadores de bandejas Parámetro Carga hidráulica Valor Unidades 300 - 900 m3/d.m2 Número de bandejas 3–6 Altura total del aireador 1,2 - 3 m Lecho de contacto Espesor 15 – 30 cm Coque o piedra, diámetro 4 – 15 cm Esferas de cerámica, diámetro 5 - 15 cm Orificios de distribución, diámetro 5 - 12 mm Profundidad de agua en las bandejas 15 cm Separación entre bandejas 30 - 75 cm Fuente: ROMERO, Jairo. Purificación del agua. Segunda edición. Bogotá – Colombia 2002. p.37 1.4.1.2. Oxidación química. Los oxidantes químicos son útiles para la oxidación de especies inorgánicas reducidas, como el ión de ferroso, Fe2+; el manganeso, Mn2+; el sulfuro, S2-; y compuestos orgánicos de riesgo sustitutivos. Los oxidantes además se pueden utilizar para destruir los compuestos que causan olor y sabor. Los oxidantes comúnmente utilizados son: ozono, cloro, dióxido de cloro y permanganato. El cloro es el oxidante más ampliamente utilizado en el tratamiento del agua, el cloro se encuentra disponible como solución acuosa (NaClO) con 10 -13 % (peso/peso) de cloro activo, como sólido hipoclorito cálcico (Ca(ClO)2) con aproximadamente 70% de cloro activo, o en forma gaseosa, Cl2. Reacción de oxidación del hierro 2 Fe2+ + ClO- + 2H+ 2 Fe3+ + Cl- + H2O 1 Reacción de oxidación del manganeso Mn2+ + OCl- + 2 OH- MnO2 + Cl- + H2O 7 2 1.4.2. Coagulación. El agua en su forma molecular pura no existe en la naturaleza, contiene una gran cantidad de impurezas solubles e insolubles; en las últimas se destacan las partículas coloidales, sustancias húmicas y los microorganismos en general. Las impurezas coloidales tienen una carga superficial negativa, que impiden que las partículas se aproximen unas a otras lo que origina un medio que favorece su estabilidad, para remover estas impurezas se requiere modificar algunas características del agua. La coagulación es el proceso químico por el cual se adiciona una sustancia química (coagulante) al agua con la finalidad de destruir la estabilización de los coloides. La coagulación inicia en el instante en el que se agregan los coagulantes al agua y dura solamente fracciones de segundo, esto se lleva a cabo en una unidad denominada mezcla rápida. 1.4.2.1. Cinética o etapas de la coagulación. En el proceso de coagulación se han identificado varias etapas: Hidrólisis de los iones metálicos multivalentes y su consecuente polimerización hasta llegar a especies hidrolíticas multinucleadas. Adsorción de las especies hidrolíticas en la interfaz de la solución sólida para lograr la desestabilización del coloide. Aglomeración de las partículas desestabilizadas mediante un puente entre las partículas que involucra el transporte de estas y las interacciones químicas. Aglomeración de las partículas desestabilizadas mediante el transporte de las mismas y las fuerzas de Van der Waals. Formación de los flóculos. Precipitación del hidróxido metálico. Algunas de estas etapas ocurren secuencialmente. Otras coinciden parcialmente y otras incluso pueden ocurrir simultáneamente. [4] 8 Figura 1. Modelo esquemático del proceso de coagulación 1.4.2.2. Tipos de coagulación. Existen dos tipos básicos de coagulación: por adsorción y por barrido. Coagulación por adsorción.- También se la conoce como neutralización de carga, este tipo de coagulación se presenta cuando existe una alta concentración de partículas en estado coloidal en el agua; esto ocurre cuando se agrega la solución coagulante a una agua que presenta alta turbiedad, con alta concentración de coloides, las especies hidrolíticas solubles son adsorbidas por los coloides y forman flóculos de manera instantánea. Por la gran cantidad de coloides presentes la distancia entre ellos es pequeña, siendo por lo tanto mayor la fuerza de atracción y la energía requerida para su desestabilización, lo que permite la formación de los flóculos. Figura 2. Proceso de coagulación por adsorción. 9 Coagulación por barrido.- Este tipo de coagulación se presenta cuando el agua presenta baja turbiedad y el porcentaje de partículas coloidales es pequeño. En este caso las partículas son entrampadas al producirse una sobresaturación de precipitado de hidróxido de aluminio. Debido a la distancia entre partículas, las fuerzas de atracción son menores y se requiere una mayor concentración de coagulante y energía para desestabilizar las partículas lo que produce un tiempo de reacción mayor. Figura 3. Proceso de coagulación por barrido 1.4.2.3. Sustancias químicas empleadas en la coagulación. Coagulantes.- Son compuestos de hierro o aluminio que permiten la formación del floc y que pueden efectuar coagulación al ser añadidos al agua a tratar. Los principales coagulantes que se utilizan son: policloruro de aluminio, sulfato de aluminio, cloruro férrico, sulfato ferroso, sulfato férrico. - Policloruro de aluminio. Llamado PAC, es un derivado polimérico del aluminio que existe desde hace varios años en Europa y Japón y que ahora se ha introducido en el mercado norteamericano. Las ventajas de este coagulante son: permite una mejor formación del floc, más amplio rango de pH, menor generación de lodos y poca necesidad de utilizar polielectrolitos. El costo de es este coagulante es una desventaja pero puede equilibrarse ya que se trabaja con menos dosis de dicho coagulante. 10 - Sulfato de aluminio. Es el coagulante estándar empleado en tratamiento de aguas. El producto comercial tiene usualmente la fórmula Al2(SO4)3.14H2O. Cuando se añaden soluciones de sulfato de aluminio al agua, las moléculas se disocian en Al3+ y SO42-. El Al3+ puede combinarse con coloides cargados negativamente para neutralizar parte de la carga de la partícula coloidal, reduciendo así el potencial zeta a un valor en que la unión de las partículas pueda ocurrir. [Al (H2O)6]3+ + 3SO4-2 Al2 (SO4)3 + 6H2O 3 El Al3+ puede combinarse también con los OH- del agua para formar hidróxido de aluminio Al2(SO4)3 . 14H2O + 3Ca(HCO3)2 - 2Al(OH)3 + 3CaSO4 + 14H2O + 6CO2 4 Sales de hierro. Tienen una ventaja sobre las sales de aluminio en algunos casos, porque forman un floc más pesado y de mayor velocidad de asentamiento y porque pueden trabajar en un rango de pH mucho más amplio. Por tanto, se utilizan cuando el sulfato de aluminio no produce una coagulación adecuada o cuando los sedimentadores están demasiados recargados y resulta económico aumentar el peso del floc para incrementar la eficiencia de ellos. [5] Modificadores de pH.- Para lograr mejores resultados en el tratamiento, en ciertos casos es necesario modificar la alcalinidad del agua o regular el pH, para ello se emplean: óxido de calcio o cal viva, hidróxido de calcio, carbonato de sodio, hidróxido de sodio, gas carbónico. - Hidróxido de calcio. Se utiliza para aumentar la alcalinidad del agua, se consigue apagando la cal viva con agua. Es poco soluble en agua y su solubilidad disminuye al aumentar la temperatura. Si el agua cruda presenta baja alcalinidad es necesario realizar un pretratamiento con hidróxido de calcio para conseguir una mayor remoción de la turbiedad durante el proceso de clarificación. - Carbonato de sodio. Es regulador de la alcalinidad, es un polvo blanco anhidro que tiene una solubilidad muy baja 100 g/L. Ayudantes de coagulación.- Son polímeros aniónicos, catiónicos o neutros, los mismos que pueden presentar forma sólida o líquida. Son sustancias que presentan un peso 11 molecular alto pueden ser de origen natural o sintético. Los ayudantes de coagulación son generalmente sustancias químicas agregadas para optimizar la coagulación, formar un floc más fuerte y más sedimentable, reducir la cantidad de coagulante requerido y disminuir la cantidad de lodo producido; se necesita realizar ensayos de coagulación y floculación antes de su elección. 1.4.2.4. Factores que influyen en el proceso de coagulación. Influencia del pH.- Es una variable muy importante que hay que tomar en cuenta en la coagulación, para cada agua existe un rango de pH óptimo en donde la coagulación tiene lugar rápidamente, ello depende de la naturaleza de los iones y de la alcalinidad que presenta el agua. El punto isoeléctrico se caracteriza por su valor de pH y se define como: aquel punto en el cual hay una equivalencia eléctrica de iones de aluminio positiva y negativamente cargados, la concentración de iones de hidrógeno de la mezcla final de agua y sulfato de aluminio es de fundamental importancia en la formación del floc. Esto es debido, a que en todas las reacciones entre el [Al(H2O)6]3+ y el agua, los iones H+ y OH- están involucrados y por tanto dichas reacciones serán dependientes del pH. [6] Temperatura.- La variación de 1ºC en la temperatura conduce a la variación de la densidad del agua, cuando la temperatura del agua se acerca a los 0ºC, la remoción de la turbiedad se vuelve difícil ya que afecta a la energía cinética de las partículas en suspensión y esto origina una coagulación lenta. Dosis de coagulante.- La cantidad del coagulante que se adiciona tiene una influencia directa en la eficiencia de la coagulación. Cuando se agrega poca cantidad de coagulante, no neutraliza completamente la carga de la partícula, por lo tanto la formación de los microflóculos es muy escaso lo que origina una turbiedad residual elevada. Por otra parte, si existe una dosificación alta de coagulante se produce una inversión de la carga de la partícula, conduce a la formación de gran cantidad de microflóculos con tamaños muy pequeños cuyas velocidades de sedimentación son bajas resultando una turbiedad residual elevada. Influencia de mezcla.- El grado de agitación que se da a la masa de agua durante la adición del coagulante determina si la coagulación es completa; turbulencias desiguales 12 hacen que cierta porción de agua tenga mayor concentración de coagulantes y la otra parte tenga poco o casi nada; la agitación debe ser uniforme e intensa en toda la masa de agua, para asegurar que la mezcla entre el agua y el coagulante haya sido bien hecho y que se haya producido la reacción química de neutralización correspondiente. [7] Turbiedad.- Es una forma indirecta de conocer la concentración de las partículas suspendidas en el líquido; para cada turbiedad existe una cantidad de coagulante, con la que se obtiene la menor turbiedad residual. Cuando la turbiedad es alta se debe adicionar una concentración de coagulante no muy elevada ya que existe mayor probabilidad de colisión entre las partículas, pero si la turbiedad es baja, la coagulación se realiza muy difícilmente y la cantidad de coagulante es igual o mayor que si la turbiedad fuese alta. 1.4.2.5. Intensidad y tiempo de mezcla. Para conseguir una coagulación homogénea, se requiere de una determinada intensa de mezcla para distribuir de manera uniforme el coagulante a través del agua, de modo que el mismo entre en contacto con las partículas coloidales antes de que la reacción se complete. La mezcla se recomienda que sea lo más rápido posible debido a que en sales de aluminio y hierro la velocidad de polimerización es muy rápida, así como también lo es la velocidad de adsorción de las partículas. No se requiere periodos de tiempos muy largos, ya que las reacciones se completan en menos de un segundo en la coagulación, por adsorción- desestabilización, y de 1 a 7 segundos por precipitación de hidróxidos. El grado de intensidad de mezcla es evaluado por el gradiente de velocidad (G), que para la coagulación es recomendable de 80 a 100s-1, éste se puede determinar a partir de la potencia disipada por unidad de volumen en el mezclador. Para definir la intensidad de mezcla se relaciona la intensidad producida por los agitadores en prueba de jarras (rpm) y el gradiente de velocidad (G) que produce dicha velocidad. Se calcula la intensidad de mezcla en revoluciones por minuto (RPM), en función de la siguiente expresión. RPM = 3*G0,8 (1) Con esta relación se puede determinar la intensidad de mezcla generado por un determinado gradiente de velocidad. 1.4.2.6. Sistema de aplicación de coagulante. Para que exista una reacción adecuada de coagulación se requiere que la dosis de coagulante que se añada al agua sea en forma constante 13 y uniforme en la unidad de mezcla rápida. La mezcla rápida puede efectuarse mediante turbulencia provocada por medios hidráulicos o mecánicos y el sistema de dosificación debe proporcionar un caudal constante y fácilmente regulable. Figura 4. Sistema de aplicación de coagulante 1.4.3. Floculación. Es el fenómeno por el cual las partículas ya desestabilizadas chocan entre ellas para promover el crecimiento del flóculo hasta alcanzar el tamaño y peso necesario para posterior remoción mediante sedimentación. Los flóculos formados por la aglomeración de varios coloides no son lo suficientemente grandes como para sedimentar con la rapidez deseada, para este caso el empleo de un floculante es necesario para unir en forma de red, formando puentes de una superficie a otra enlazando las partículas individuales en aglomerados. La floculación es favorecida por el mezclado lento que permite juntar poco a poco los flóculos; un mezclado demasiado intenso los rompe y raramente se vuelven a tomar en su tamaño y fuerza óptimos. [8] Figura 5. Esquema del proceso floculación 14 1.4.3.1. Mecanismos del proceso de floculación. Existen dos tipos de floculación para promover el crecimiento de los flóculos: Floculación pericinética.- Se basa en las colisiones debidas al movimiento natural de las moléculas del agua e inducidas por la energía térmica, a este movimiento se lo denomina Movimiento Browniano. Floculación ortocinética.- Se basa en las colisiones de las partículas debido al movimiento del agua, que es inducido por una energía externa que puede ser de origen mecánico o hidráulico. Una vez que las partículas son coaguladas se requiere que se produzca la aglomeración de los microflóculos; para que esto sucede se produce inicialmente la floculación pericinética y posteriormente la ortocinética. 1.4.3.2. Floculantes. Los floculantes son polímeros o polielectrolitos que se caracterizan por poseer un gran tamaño molecular y cargas eléctricas a lo largo de una cadena molecular de átomos de carbono. Floculantes minerales.- Se encuentra la sílica activada, uno de los más antiguos polielectrolitos sintéticos, que se prepara haciendo reaccionar una solución diluida de sodio Na2SiO3con cualquiera de los siguientes compuestos: ácido sulfúrico o silicato de sodio, solución de sulfato de aluminio, sulfato de amonio, cloro, bicarbonato de sodio; estos compuestos se denominan agentes activadores y son los que promueven la polimerización del Na2SiO3, la extensión de este proceso depende del porcentaje de neutralización del silicato de sodio y se incrementa con el tiempo. Si se deja que se complete, se puede originar un gel o pasta que conlleva a tapar los conductos en el sistema de dosificación, lo que crea ciertos problemas de operación, por tal razón este polímero ya no se utiliza. Floculantes orgánicos naturales.- Son polímeros naturales que son extraídos de sustancias vegetales o animales. Algunos se fabrican a partir de: alginatos (extracto de algas), almidones (extracto de granos vegetales), derivados de celulosa. Los algilinatos son utilizados generalmente como ayudantes de floculación de las sales férricas, aunque a veces se consigue buenos resultados con las sales de aluminio. Floculantes orgánicos de síntesis.- Los polielectrolitos se clasifican como catiónicos, aniónicos y no iónicos. Los catiónicos son polímeros que al disolverse producen iones de carga positiva, por lo que se usan bastante en aguas naturales y pueden utilizarse también 15 como coagulante primario o acompañados de alumbre o sulfato férrico. Los polielectrolitos aniónicos son polímeros que al disolverse producen iones de carga negativa y por tanto se usan para remover sólidos de carga positiva. Los polielectrolitos no iónicos al disolverse producen iones tanto positivos como negativos y pueden utilizarse como coagulante o ayuda de coagulación. [9] La poliacrilamida es un polímero no iónico que puede utilizarse de forma muy variada, permite sintetizar una gran variedad de compuestos, con distintas propiedades y aplicaciones. 1.4.3.3. Factores que influyen en la floculación. Naturaleza del agua.- La coagulación y, por consiguiente, la floculación son sensibles a las propiedades físicas del agua cruda, como son: la alcalinidad, turbiedad, color, sólidos suspendidos. Algunos iones presentes en el agua pueden influir en el equilibrio fisicoquímico del sistema, en la generación de cadenas poliméricas de los hidróxidos que se forman o en la interacción de estos polímeros con los coloides, esto influirá en el tiempo de floculación. Tiempo de floculación.- La velocidad de aglomeración de las partículas es proporcional al tiempo, bajo determinadas condiciones existe un tiempo óptimo para la floculación que generalmente es entre 15 y 20 minutos; este tiempo se lo puede determinar mediante prueba de jarras. La permanencia del agua en el floculador durante un tiempo superior o inferior al óptimo produce resultados inferiores a los obtenidos en pruebas de jarras. Gradiente de velocidad.- Una vez iniciada la floculación, conviene reducir la velocidad de agitación para evitar efectos de cizalladura que produzcan la rotura de los flóculos, sin embargo; en necesario determinar un estado de agitación mediante el cual las partículas y las cadenas de polímeros colisionen para formar puentes de enlace y de este manera formar los agregados. Variación del caudal.- Al variar el caudal de operación de la planta, se modifican los tiempos de residencia y gradientes de velocidad en el floculador, llegando a obtenerse resultados diferentes de los que se obtuvo en pruebas de jarras. 16 1.4.3.4. Floculadores. Es un tanque con algún medio de mezcla suave o lenta, con un tiempo de retención relativamente prolongado, en donde las partículas coaguladas se aglomeran, incrementan su tamaño y adquieren mayor densidad. [10] Clasificación de los floculadores.- Según el tipo de energía utilizada para producir la agitación, se pueden clasificar a los floculadores en: hidráulicos, mecánicos e hidromecánicos. Tabla 3. Clasificación de los floculadores Según la energía de agitación Según el sentido de flujo Flujo Horizontal Descripción Con tabiques de ida y regreso Nombre De tabiques Con tabiques arriba y abajo del tanque Hidráulicos Flujo Vertical Rotatorios Mecánicos Reciprocantes Con codos en el fondo que proyectan el agua hacia arriba Alabama Con entrada lateral al tanque Cox De paletas de eje horizontal o vertical De turbinas horizontales o verticales Rejas o cintas oscilantes De paletas De turbinas Reciprocantes De turbina Pelton y Hidromecánicos Flujo horizontal paletas horizontales Hidromecánicos Fuente: ARBOLEDA, J. Teoría y Práctica de la Purificación del Agua. Tomo I. Tercera ed. Colombia, Santa Fe de Bogotá, 2000. p. 128 a) Floculadores hidráulicos de flujo vertical. Este tipo de floculador generalmente tiene una profundidad de 2 a 3m, por lo tanto requiere menor área superficial. Este tipo de floculador permite que el flujo se divida y mientras la mayor parte asciende, una pequeña porción pasa directamente por el fondo, creando una turbulencia adicional e impidiendo la acumulación de lodos. 17 (a) (b) Figura 6. Floculadores hidráulicos de tabiques a) Flujo horizontal b) Flujo vertical 1.4.3.5. Diseño de floculador. Los gradientes de velocidad que optimizan el proceso normalmente varían entre 10 y 100 s-1 y más frecuente entre 30 y 60 s-1. Generalmente para el diseño de un floculador se consideran tres tramos, en el primer tramo de la unidad de floculación, el gradiente no debe ser mayor que el que se está produciendo entre la unidad de coagulación y el floculador. El gradiente de velocidad debe variar en forma decreciente, desde que ingresa el agua a la unidad hasta que sale de la misma. El paso del mezclador al floculador debe ser instantáneo y se debe evitar interconexiones largas ya que pueden producir la rotura de los flóculos formados. Para que el período de retención real coincida con el de diseño, se requiere tener el mayor número posible de compartimentos. Los floculadores hidráulicos son muy confiables en su operación ya que pueden operar indefinidamente sin riesgos de interrupción debido a que solo dependen de energía hidráulica. Algoritmo para el diseño del floculador hidráulico de flujo vertical.- Para el diseño del floculador se basa en la secuencia de procesos que propone Jorge Arboleda en el libro Teoría y práctica de la purificación del agua. En el diseño del floculador se establecen tres zonas y para cada una de ellas se elige un valor de gradiente de velocidad dentro del rango recomendado que es de 10 s-1 a 100 s-1. 18 Zona I Zona II Zona III G=50 s-1 G=30 s-1 G=10 s-1 H li li li Figura 7. Floculador hidráulico de flujo vertical con tres zonas de floculación. a) Capacidad del tanque de floculación Vf = Q* Trf (2) Donde: Vf = Volumen del floculador, m3 Q= Caudal de tratamiento, m3/s Trf =Tiempo de residencia en el floculador▲, s ▲ Tiempo obtenido en pruebas de tratabilidad en el proceso de floculación. b) Longitud del floculador (3) Donde: L= Longitud total del floculador, m Vf = Volumen del floculador, m3 H = Altura útil del floculador▲, m 19 Af = Ancho del floculador▲, m ▲ Dimensiones asumidas c) Tiempo de residencia en cada sección.- Se establecen tres zonas de floculación, por tal motivo se determina el tiempo de residencia en cada una de ellas y se establece un valor de gradiente de velocidad (G) para cada zona. (4) Donde: = Tiempo de residencia en todo el floculador, s = Tiempo de residencia en cada sección del floculador, s d) Longitud de sección (5) Donde: li = Longitud en cada sección del floculador, m L = Longitud total del floculador, m e) Pérdida de carga total. Figura 8. Visualización de la pérdida de carga en un floculador vertical. 20 La pérdida de carga es la altura que se pierde por los rozamientos que ofrecen el paso del líquido. (6) Donde: = Pérdida de carga, m G= Gradiente de velocidad, s-1 = Viscosidad cinemática del agua (T=15ºC), 1,146*10-6 m2/s = Tiempo de residencia en cada sección del floculador, s = gravedad, m/s2 f) Longitud total de tabiques (7) Donde: = Longitud total de tabiques (adimensional) = Velocidad de flujo, m/s H= Altura útil del agua, m = Tiempo de residencia en cada sección del floculador, s La velocidad promedio suele variar entre 0,1 y 0,6 m/s. Algunos diseñadores suelen hacer dos o tres sectores de floculación, incrementando el espacio de los tabiques para producir una velocidad alta al inicio (0,6 -0 ,30) y baja al final (0,10 – 0,20 m/s). g) Pérdida de carga en cada tabique (8) 21 Donde: = Pérdida de carga por tabique, m = Pérdida total de carga, m n= Longitud total de tabiques h) Pérdida de carga en pasos superiores (9) Donde: = Pérdida de carga en canales superiores, m = Pérdida de carga (valor recomendado), m (0,1) = Pérdida de carga por tabique, m i) Coeficiente de sumergencia (10) Donde: = Coeficiente de sumergencia (adimensional) = Pérdida de carga en canales superiores, m = Pérdida de carga (valor recomendado), m (0,1 m) j) Gasto unitario (11) Donde: q= Gasto unitario por metro de vertedero, m3/ms = Coeficiente de sumergencia = Pérdida de carga (valor recomendado), m (0,1) 22 k) Ancho de vertedero (12) Donde: b= Ancho de vertedero, m Q= Caudal de tratamiento, m3/s q= Gasto unitario por metro de vertedero, m3/ms l) Espacio entre tabiques (13) Donde: = Espaciamiento entre tabiques, m b= Ancho de vertedero, m Q= Caudal de tratamiento, m3/s = Velocidad de flujo, m/s m) Número de tabiques (14) Donde: # = Número de tabiques li = Longitud en cada sección del floculador, m = Espaciamiento entre tabiques, m n) Velocidad en el orificio sumergido (15) √ 23 (16) Donde: Q= Caudal de tratamiento, m3/s A= Área de sección cuadrangular, m2 = Coeficiente del orificio, valor recomendado 0,7 =Pérdida de carga en cada tabique, m = Velocidad en el orificio sumergido, m/s 1.4.4. Sedimentación. Se entiende por sedimentación la remoción por efecto gravitacional de las partículas en suspensión presentes en el agua. Estas partículas deberán tener un peso específico mayor que el fluido. [11] La remoción de partículas en suspensión en el agua puede conseguirse mediante sedimentación o filtración, estos procesos se los considera como complementarios, la sedimentación remueve las partículas más densas mientras que la filtración remueve aquellas partículas que no han sido capturadas en el proceso anterior. La sedimentación es un proceso netamente físico, está relacionado exclusivamente con las propiedades de caída de las partículas en el agua, cuando se origina la sedimentación de una suspensión el resultado es siempre un fluido clarificado y una suspensión más concentrada. 1.4.4.1. Tipos de sedimentación. Las partículas en suspensión sedimentan de diferente manera, dependiendo de las características de las partículas y de la concentración. Por tal razón existen diferentes tipos de sedimentación que son: Sedimentación discreta.- Se llaman partículas discretas a aquellas que al depositarse mantienen su individualidad (forma, tamaño y peso específico), es decir, no existe un proceso de coalescencia con otras partículas. Un ejemplo de este tipo de sedimentación es la deposición de las partículas de arena en los desarenadores. El fundamento para la sedimentación discreta es la Ley de Newton, que se basa en que las partículas son esféricas con diámetros homogéneos. Cuando una partícula se sedimenta, va acelerándose hasta que las fuerzas que provocan la sedimentación, en particular el peso 24 efectivo de la partícula, se equilibran con las resistencias o fuerzas de fricción ofrecidas por el líquido. Cuando se llega a este equilibrio la partícula alcanza una velocidad de sedimentación constante, denominada velocidad final de sedimentación de la partícula. [12] Figura 9. Sedimentación de una partícula discreta Si se considera que la partícula de la figura 9, ha alcanzado su velocidad final, puede escribirse el equilibrio de fuerzas correspondiente. La fuerza que provoca la sedimentación, en este caso el peso efectivo de la partícula, es la diferencia entre su peso y el empuje hidrostático. (17) En donde es el peso específico de la partícula; es la densidad del líquido; densidad de la partícula; g es la aceleración de la gravedad; y es la el volumen de la partícula 1/6 πd ; d es el diámetro de la partícula esférica. 3 La fuerza de resistencia que intenta impedir la sedimentación es: (18) Donde es la fuerza de resistencia; proyectada de la partícula, es el coeficiente de fricción; A es el área =1/4 πd2; y es la velocidad relativa entre la partícula y el fluido. Para las condiciones que definen la velocidad final de sedimentación, lo que las ecuaciones 17 y 18 dan: 25 , con Donde Velocidad de sedimentación. Sustituyendo =1/6 πd3, = 1/4 πd2 y resolviendo esta ecuación para la velocidad final que es la Ley de Newton. [ ( ) (19) ] Para las partículas esféricas, el coeficiente de fricción CD está relacionado con el Número de Reynolds NR definido por la siguiente ecuación: (20) Donde d es el diámetro de la esfera, es la velocidad de sedimentación y y son la viscosidad y densidad del líquido. Figura 10. Correlación entre CD para partículas esféricas y el número de Reynolds. El CD se puede obtener por una aproximación por la ecuación: (21) En el cual los coeficientes b y n para las distintas regiones de la figura 10 son los indicados en el cuadro. La relación entre el coeficiente de fricción y el número de Reynolds viene dada por la ecuación 21 para las tres regiones indicadas. 26 Tabla 4. Coeficiente de fricción Sedimentación con floculación.- Este tipo de sedimentación se origina cuando la velocidad de sedimentación de las partículas se incrementa debido a efectos de coalescencia con otras partículas. La trayectoria de sedimentación que presentan las partículas tiene forma curva, en lugar de líneas rectas como sucede en la sedimentación de partículas discretas. Los criterios de diseño se establecen a través de ensayos en el laboratorio mediante el uso de una columna de sedimentación, esto ayuda a determinar el tiempo de residencia del agua en el sedimentador. Para las muestras tomadas durante el proceso de sedimentación, se determina el porcentaje de separación y se representa gráficamente. Los datos obtenidos en los puntos mencionados se utilizan para calcular la velocidad de sedimentación, a continuación el diagrama de la columna de sedimentación. 27 Figura 11. Columna de sedimentación de laboratorio El cálculo de la velocidad de sedimentación es necesaria para el diseño del sedimentador, por tal motivo se detalla a continuación el algoritmo requerido para el cálculo. a) Etapa 1: Consiste en la determinación de la fracción de sólidos separados, para lo cual se utiliza las siguientes ecuaciones. (22) O en porcentaje (23) (24) 28 Donde: = Fracción de sólidos suspendidos = Concentración de sólidos suspendidos en un tiempo determinado (mg/l) = Concentración de sólidos suspendidos iniciales (mg/l) = Porcentaje de sólidos suspendidos, % = Porcentaje de sólidos separados, % b) Etapa 2: Para lograr una aproximación de los datos experimentales, se requiere construir un gráfico del %de SS separados en función del tiempo. (Ver Figura 12). Figura 12. Sólidos en suspensión (%SS) separados en función del tiempo c) Etapa 3: A partir de la figura 12 obtenida en la etapa 2, se construye un nuevo gráfico de la profundidad en función del tiempo para cada valor seleccionado del % SSseparados. (Ver Figura 13) 29 h1 Figura 13. Curvas de isoconcentración de sedimentación. Fuente: RAMALHO, R. Tratamiento de Aguas Residuales, Segunda Edición. Barcelona, Editorial Reverté, 1996. p. 115. Las líneas de isoconcentración describen una relación entre profundidad – tiempo, igual a la velocidad promedio mínima de asentamiento del porcentaje de partículas indicadas. La curvatura de las líneas indica la naturaleza del coagulante en suspensión. d) Etapa 4: Determinar el % de SS separados y el factor de carga (m3/m2día). Debido a que en este tipo de floculación el diámetro de las partículas y sus velocidades de sedimentación aumentan a lo largo de su trayectoria de sedimentación, bajo la utilización de estos conceptos se puede seguir un procedimiento de cálculo. Una velocidad efectiva de sedimentación, se define como la profundidad efectiva dividida para el tiempo requerido para que una partícula recorra dicha distancia. (25) 30 Donde: = Velocidad de sedimentación, m/h Profundidad que recorre la partícula, m = Tiempo, h Etapa 4 (a). En la Figura 13 obtenida en la Etapa 3 para una profundidad de 1,8 m, se pueden obtener valores del tiempo, correspondientes a 5, 10, 15,20, 25, 30 y 35% de separación, con esos datos se puede calcular la velocidad de sedimentación. Etapa 4 (b). Calcular el % de SS separados. Los cálculos para obtener el % de SS separados y el factor de carga, en un tiempo de sedimentación establecido se los detalla a continuación: considerar las partículas en cada 10% adicional, dentro del intervalo de distribución. Por lo tanto, para este primer intervalo, el % de SS separados sería: (26) Donde: h1= Altura al intervalo seleccionado H= Altura total has la válvula 4 (Correspondiente a 1,6 m) A continuación se presenta un ejemplo para determinar el % SS separados, en la Figura 13 para t=25 min, para una profundidad de sedimentación H=1,8m, el 30% de los sólidos se han separado. Considerar a continuación las partículas en cada 10% adicional, dentro del intervalo de distribución. Las partículas en esta zona se separan en la proporción de la profundidad de sedimentación media (h1) con respecto al total de la profundidad de sedimentación. Los cálculos para t = 25 min se indican en la Tabla 5: 31 Tabla 5. Sólidos separados, expresados en % (para t= 25 min) h1 (h1/1,8m)*10 % 100% de separación del 30% 30,00 1er intervalo (35%) 1,26 0,7 7,00 2do intervalo (45%) 0,72 0,4 4,00 3er intervalo (55%) 0,42 0,233 2,33 4to intervalo (65%) 0,252 0,140 1,40 5to intervalo (75%) 0,084 0,046 0,46 %SSseparados 45,19% A partir del quinto intervalo, el % de sólidos en suspensión es prácticamente despreciable, por lo que se puede detener los cálculos en ese punto. Si se seleccionan intervalos de 10%, el % total de solidos separados se expresa mediante la siguiente ecuación: ( ) ( ) ( ) (27) Sedimentación por zonas.- Este tipo de sedimentación se presenta cuando las partículas forman una especie de manta que sedimenta como una masa total, generalmente se presenta cuando la concentración de sólidos suspendidos excede de los 500 mg/l. La capa de lodos presenta varias zonas perfectamente diferenciadas, cada zona se identifica por una concentración específica de lodos y por una velocidad de sedimentación determinada. Al llenar una columna de sedimentación de diámetro y altura adecuados con una suspensión floculenta de alta concentración, inicialmente toda la suspensión tiene una concentración uniforme, y la altura de la interfase es ho como se ilustra en Figura 14. Figura 14. Proceso de sedimentación por zonas 32 En la región entre A y B la superficie de separación es definida, siendo esta fase de coalescencia de los flóculos seguida de una muy pequeña zona de decantación libre. La región entre B y C tiene una pendiente rectilínea, corresponde a una velocidad de caída constante definida únicamente por el tipo de floculación y la concentración de las partículas, al incrementarse la concentración inicial de las partículas disminuye la velocidad; a esta zona se la denomina como decantación frenada. En la zona comprendida entre C y D se produce la disminución progresiva de la velocidad de caída y se denomina zona de desaceleración o transición. La consolidación del manto de fango en la región entre D y E representa la zona de compresión en donde los sólidos está soportados mecánicamente por los que se encuentra inmediatamente debajo. 1.4.4.2. Criterios de diseño de sedimentadores. Los criterios de diseño de sedimentadores para clarificación del agua se basan en valores obtenidos a través de la experiencia en la operación de prototipos de plantas y plantas piloto de tratamiento de agua. A continuación se indican algunos parámetros requeridos para el diseño. Calidad del agua.- Las variaciones de concentración de materias en suspensión modifican, la forma de sedimentación de las partículas (con caída libre o interferida). Adicionalmente, variaciones en la temperatura del agua, densidad de partículas y el tamaño y forma de las mismas afectan a la sedimentación. El efecto de la variación en la densidad relativa de las partículas, para partículas discretas, puede calcularse con la Ley de Stockes, por el contrario para partículas floculentas es necesario recurrir a los análisis en una columna de sedimentación experimental. Carga superficial o tasa de sedimentación superficial.- Una de las principales características del tanque de sedimentación es su área superficial, la que depende de la tasa de sedimentación superficial. La carga superficial es el parámetro más usado para el diseño y clasificación de los sedimentadores. Profundidad.- La eficiencia del tanque de sedimentación resulta afectada por el grado de floculación de los sólidos suspendidos, el cual, a la vez, depende del tiempo de retención.[13] El tiempo de retención teórico es directamente proporcional a la profundidad; por tal motivo, la eficiencia de remoción de las partículas floculentas dependerá de la profundidad del tanque. 33 Tiempo de retención.- El tiempo de retención depende del propósito del sedimentador, se requiere de un tiempo que permita la mayor cantidad de asentamiento de las partículas a sedimentarse. En sedimentadores tubulares de alta tasa se recomienda un tiempo de retención de 3 a 6 minutos; en los de placas inclinadas o lamelares, de 15 a 25 minutos. Unidades de entrada y salida del sedimentador.- La entrada del agua se diseña para distribuir de manera uniforme el agua entre el floculador y sedimentador. En la unidad de entrada se debe evitar alteraciones de flujo, esto se puede deber a una velocidad excesiva de flujo en la entrada del sedimentador, o a que los orificios de ingreso son relativamente grandes o a que la última zona de floculación envía demasiada energía de flujo. En la zona de salida se requiere una recolección uniforme del agua sediemntada que tenga una velocidad que evite arrastrar flóculos en el efluente. Almacenamiento de lodos.- Al diseñar el sedimentador hay que tomar en cuenta el volumen destinado al almacenamiento de lodos. Antes de realizar el diseño del tratamiento de los lodos, es indispensable desarrollar una serie de estudios de laboratorio en pruebas de jarras para determinar el volumen de lodos sedimentables. Los lodos generalmente se mueven hidráulicamente hacia una tolva de lodos de donde se los extrae mediante tuberías de desagüe. El tanque tendrá en el fondo, por consiguiente, una pendiente suave hacia la tolva de lodos. Para el arrastre de los lodos se puede usar también mecanismos de arrastre de lodos, de movimiento lento para no alterar el proceso de sedimentación o la resuspensión de los lodos; por esta razón, la velocidad del mecanismo de arrastre de los lodos debe ser menor de 0,5 cm/s. Según Sánchez Montenegro, la pendiente longitudinal varía entre 2 y 3%, la pendiente transversal del 10 al 12% y el diámetro mínimo del desagüe 30cm. En general, la pendiente más usada para el fondo de tanques rectangulares es del 1%. [14] 1.4.4.3. Tipo de sedimentadores. La sedimentación se realiza en equipos denominados decantadores o sedimentadores, según el tipo de partícula que se remueva en cada unidad, la clasificación más recomendable es la siguiente: Sedimentadores estáticos.- La entrada del agua se diseña para distribuir de manera uniforme el agua entre el floculador y sedimentador. En la unidad de entrada se debe evitar alteraciones de flujo, esto se puede deber a una velocidad excesiva de flujo en la entrada del sedimentador, o a que los orificios de ingreso son relativamente grandes o a que la 34 última zona de floculación envía demasiada energía de flujo. En la zona de salida se requiere una recolección uniforme del agua sediemntada que tenga una velocidad que evite arrastrar flóculos en el efluente. Sedimentadores dinámicos.- En este tipo de sedimentadores se aplica la teoría de decantación interferida. Se necesita una alta concentración de partículas para incrementar las posibilidades de contacto en un manto de lodos que tiene una concentración de partículas de 10 a 20% en volumen. La eficiencia de los sedimentadores de manto de lodos depende del tipo y la dosis de coagulante, uso de polímeros, calidad de agua cruda, tamaño de unidades, tiempo de residencias, profundidad y de la carga superficial. Este tipo de sedimentadores pueden trabajar con velocidades entre 2-8 cm/min. La mayoría de los equipos patentados, sin embargo, suelen diseñarse para 3cm/min hasta 4 cm/min. El tiempo de retención suele variar entre 1 y 1,5 horas. La concentración de los sólidos en el manto varía entre el 10% y el 20% del volumen. La profundidad de la colcha es diferente según el tipo de unidad, y generalmente es de 1 a 3 m cuanto mayor sea la altura del manto, mayor será la remoción de la turbiedad. [15] Figura 15. Esquema de un decantador de manto de lodos. Sedimentadores laminares o lamelares.- El sentido de flujo en este tipo de sedimentadores es inclinado, en su estructura presenta láminas o placas inclinadas que van desde 5 a 60 grados de inclinación dependiendo del grado de eficiencia que se requiera. Los efectos que favorecen a la remoción de partículas en este tipo de unidades son: aumento de área de sedimentación, disminución de la altura de caída de la partícula y se consigue un régimen laminar. 35 ep lp Figura 16. Esquema de un sedimentador de placas paralelas inclinadas. 1.4.4.4. Diseño de un sedimentador lamelar. Para el diseño de un sedimentador de placas planas inclinadas se requiere seguir el algoritmo que se plantea a continuación: Tiempo de residencia en el sedimentador (28) (29) Donde: = Tiempo de residencia en el sedimentador Q= Caudal de tratamiento, m3/s LS▲=Longitud del sedimentador, m a▲= Ancho sedimentador, m H▲=Altura útil del agua, m Vs = Capacidad del sedimentador, m3 ▲ Dimensiones asumidas Velocidad promedio de flujo en el sedimentador (30) A= Ls*a 36 (31) Donde: = Velocidad promedio de flujo en el sedimentador, m/s A= Área de sedimentación, m2 = Ángulo de inclinación de las placas LS=Longitud del sedimentador, m a= Ancho sedimentador, m Longitud relativa se sedimentación.- Indica la relación que existe entre la longitud de la placa y el espaciamiento que existe entre las placas del sedimentador. (32) Donde: = Longitud relativa de sedimentación = Longitud de la placa, m = Distancia entre placas, m Longitud de transición.- En los sedimentadores de alta tasa se requiere un régimen de flujo laminar. En la práctica, se acostumbra a dejar el primer cuarto de la longitud del tanque de sedimentación libre de elementos de sedimentación para permitir buenas condiciones de entrada del caudal. Sin embargo, a la entrada existirá una región de transición, en la cual el flujo turbulento se convierte de manera gradual en flujo completamente laminar debido a la influencia de los contornos sólidos. Schulze recomienda la siguiente ecuación para determinar la longitud de transición. [16] (33) Donde: = Longitud de transición = Velocidad promedio de flujo en el sedimentador, m/s = Viscosidad del agua (T=15ºC), 1,146*10-6 m2/s = Distancia entre placas, m 37 Velocidad crítica de asentamiento.- La existencia de la región de transición obliga a tener en cuenta, para los cálculos, la longitud de la zona de transición y tomar como valor de longitud relativa efectiva de sedimentación en flujo laminar, Lc, igual a L corregida en la longitud de transición L', con la que se provee un factor de seguridad de diseño. (34) (35) Donde: = Velocidad crítica de asentamiento o carga superficial de sedimentación, m/s Sc= Factor de eficiencia, placas paralelas inclinadas =1 = Velocidad promedio de flujo en el sedimentador, m/s = Ángulo de inclinación de las placas (Ver figura 16) = Longitud relativa del sedimentador de tasa alta en flujo laminar = Longitud relativa de sedimentación = Longitud de transición Número de Reynolds. Para garantizar un flujo laminar en los sedimentadores de alta tasa se recomienda que tenga un valor menor a 500. (36) Donde: = Número de Reynolds = Velocidad promedio de flujo en el sedimentador, m/s d= Separación entre placas, m = Viscosidad cinemática del agua (T=15ºC), 1,146*10-6 m2/s Número de placas del sedimentador (37) 38 Donde: LS=Longitud del sedimentador, m lp = Largo de placa, m d= Separación entre placas, m ep= Espesor de placa, m 1.4.5. Filtración. El objetivo de la filtración es separar las partículas y microorganismos objetables, que no han podido ser retenidos en el proceso de sedimentación. Por lo tanto, el trabajo que los filtros desempeñan dependen directamente de la mayor o menor eficiencia de los procesos anteriores y está íntimamente ligado a ellos. En general, la filtración es la operación final de clarificación que se realiza en una planta de tratamiento de agua y, por consiguiente, es la responsable principal de la producción de agua de calidad que cumpla con los criterios de potabilidad (consumo humano). 1.4.5.1. Clasificación de los filtros. La filtración puede efectuarse de diversas formas: puede realizarse con baja rata (filtros lentos) o alta rata, puede hacerse en medios granulares, el flujo puede ser ascendente o descendente, basándose en estas ideas a los filtros se los puede clasificar: Tabla 6. Clasificación de los filtros Según la velocidad Según el medio filtrante Según el sentido Según la carga de filtración usado del flujo sobre el lecho Rápidos 1) Arena Ascendentes Por gravedad 120-360 m3/m2/día (h= 60 -75 cm.) Descendentes Por presión 2) Antracita Lentos (h= 60 -75 cm.) 7–14 m3/m2/día 3) Mixtos: antracita (50- Flujo mixto 60cm.) y arena (1520cm.) 4) Mixtos: arena, antracita y granate. Fuente: CONFERENCIA Teoría de la filtración del agua. (10º (Primera Parte)) Clasificación de los filtros. CEPIS. Lima, 1973. p 2 39 1.4.5.2. Diseño de unidades de filtración. Los filtros más comunes en plantas de tratamiento de agua para consumo humano, son los de flujo descendente, los mismos que se clasifican en: filtros rápidos de arena sola o antracita, filtros de lechos mixtos de arena y antracita o antracita y granate y filtros lentos arena sola. A continuación se detallan las características de cada tipo de filtro: Tabla 7. Características de diseño en filtros de flujo descendente. FILTRO RÁPIDO CON LECHO DE FILTRO LENTO CON LECHO Características DE ARENA ARENA m3/m2/día 235 350 590 87,5 117,5 157 7 9,33 14 Rata de filtración l/seg/m2 2,72 4,05 6,83 1,01 1,36 2,03 0,081 0,108 0,162 Velocidad de filtración cm/seg 0,272 0,405 0,683 0,101 0,136 0,203 0,0081 0,0108 0,0162 30 - 40 cm de grava 30 - 40 cm de grava 30 cm de grava 60 - 75 cm de arena 90 - 110 cm de arena Profundidad del lecho 50 - 60 cm de antracita filtrante 15 - 20 cm de arena Tubería metálicas Tuberías de gres o cemento perforadas o placas Drenaje Falsos fondos o similares porosas, falsos fondos, perforado etc. Invirtiendo el flujo con agua Invirtiendo el flujo a Raspando la superficie de la proveniente de un tanque elevado presión con agua Lavado arena o una bomba. Ratas de lavado: proveniente de un 0,60 a 1 m3/m2/día tanque de lavado o una Pérdida de carga De 20 cm hasta 2,70 m máximo De 30 cm hasta 2,70 máximo De 16 cm hasta 1,20 m máximo Tiempo entre limpieza 12 - 48 horas 24 - 48 -72 horas 20 - 30 -60 días Penetración del floc Profunda 5 cm superiores Superficial Cantidad de agua 1 - 3 % del agua filtrada 1 - 6 % del agua filtrada 0,2 – 0,6% del agua filtrada. usada en el lavado Coagulación, Tratamiento previo del Coagulación, floculación y floculación y Ninguno o aireación (rara vez agua sedimentación. sedimentación. floculación y sedimentación). Más bajo que el de los Más bajo que el de los filtros Costo de construcción Alto filtros lentos rápidos de arena FILTRO RÁPIDO CON LECHO MIXTO (Arena y antracita) Costo de operación Igual al de los filtros de arena Área ocupada por los filtros 1/2 a 1/5 de la de los filtros rápidos de arena Turbiedad y color del afluente < 10 UT 80% del tiempo < 20 U.C Más alto que el de los filtros lentos. Bajo Más pequeña que el de Más grande que la de los filtros los filtros lentos rápidos de arena (aprox. 30 veces mayor) < 5 UT 80% del tiempo < 20 UT 80% del tiempo <10 U.C < 10 U.C Fuente: CONFERENCIA Teoría de la filtración del agua. (11º). Conceptos modernos sobre el diseño de unidades de filtración. CEPIS. Lima, 1973. p 4. Filtros rápidos en lecho granular.- Este tipo de filtros cuenta con un tanque rectangular de concreto de 3,5 a 5 m de profundidad total, en donde se coloca un lecho de arena y grava sobre un sistema adecuado de drenaje, el flujo pasa de la parte superior del tanque 40 cuya profundidad suele ser de 0,5 a 2 m, a los drenes del fondo atravesando el medio filtrante. Los ciclos típicos de filtrado están en el rango de 12 a 96 horas, aunque algunas plantas operan con ciclos más largos. Ajustarse a un tiempo mayor puede causar el riesgo de crecimiento de bacterias en el filtro. Después de un cierto número de horas el servicio se obstruye, por lo tanto, se requiere lavarlo invirtiendo el sentido del flujo, por medio de agua que se inyecta a presión a través de los drenes y se recoge en canaletas de lavado colocadas sobre la superficie de la arena, esta operación dura ente 5 y 15 minutos, después de la cual se continúa con el funcionamiento normal del filtro. Figura 17. Filtro rápido en medio granular. Las configuraciones típicas de los medios filtrantes se muestran en la Figura 18. La más comúnmente utilizada de estas configuraciones son la arena convencional y los medios filtrantes duales. Las primeras tres configuraciones de la Figura 18 son retrolavadas con plena fluidización y expansión del lecho. La fluidización da por resultado la estratificación de los granos finos de cada medio cerca de la parte superior de la capa del medio filtrante. El único filtro medio de lecho profundo usando arena gruesa o carbón de antracita (Ver Figura 18(4)) difiere del filtro de arena convencional por dos sentidos. Primero, porque el medio es más grueso, y un lecho profundo requiere alcanzar una remoción de partículas comparables. Segundo, porque las tasas excesivas de lavado exigirían fluidizar el medio grueso, se lava sin fluidización por el flujo de aire ascendente y el flujo de agua. 41 1 2 3 4 Figura 18. Diagrama esquemático de configuraciones de filtro para filtración rápida. Filtros de lecho granular a presión.- En este tipo de filtros el medio filtrante está contenido en un recipiente de acero, el agua a filtrarse ingresa en el filtro bajo presión y lo abandona, o toma presión más reducida debido a la pérdida de carga encontrada en el medio filtrante, drenaje inferior y conexiones de toberas. La apariencia exterior de los filtros por gravedad y a presión son totalmente diferentes, sin embargo, el proceso de filtrado es idéntico. Los mismos mecanismos de captura de partículas están funcionando en ambos, el mismo medio filtrante, las mismas tasas de filtración (120 - 360 m3/m2/día) y la misma pérdida de carga final debería utilizarse si se desea una calidad de filtrado comparable. Por las razones ya expuestas se puede decir que siempre que las características operacionales y las del medio filtrante y de la suspensión sean similares, la filtración rápida bajo presión difiere muy poco de la de gravedad. Unas ventajas en los filtros a presión son su bajo costo de inversión, largas corridas en el filtro, ocupan poco espacio, disponen de una elevada superficie filtrante en poco espacio, el filtrado que está a presión puede ser entregado en el punto de utilización sin necesidad de 42 rebombeo y plantas que están equipadas con filtros a presión son más fáciles de automatizar. Los medios filtrantes en filtración rápida pueden ser homogéneos (de arena o antracita) o mixtos de arena y antracita. De acuerdo con la profundidad se clasifican en convencionales (profundidad L=0,6 – 0,75 m) o profundos (L=0,9 a 2,40 m), la configuración de estas características determina los siguientes tipos de medios filtrantes. Tabla 8. Configuración de medios filtrantes en filtros rápidos Homogéneos Arena Antracita Tipo Tamaño efectivo (E) Profundidad (L) Convencionales 0,45 a 0,55 mm 0,6 a 0,75 m Profundos 0,9 a 1,8 m 0,9 a 1,20mm Convencionales 0,6 a 0,8 mm 0,6 a 0,75 m Profundos 1,2 a 2,4 m 1 a 1,80mm Mixtos Tamaño efectivo (E) Profundidad (L) Arena 0,45 a 0,55 mm 0,2 a 0,4 m 0,9 a 114 mm 0,3 a 0,55 m Antracita Fuente: ARBOLEDA, Jorge. Teoría y práctica de la purificación del agua. Tomo II.Tercera ed. Colombia, Santa Fe de Bogota, 2000. p. 442. Figura 19. Corte a través de un filtro de presión. 43 Filtros lentos de arena.- Es un filtro operado a muy bajas tasas de filtrado sin utilizar la coagulación en el tratamiento. El tamaño del grano de la arena es algo más pequeño que el usado en un filtro rápido, y esto, más la baja tasa de filtrado, da como resultado que los sólidos que están siendo remocionados lo sean casi enteramente en una fina capa en la parte superior del lecho de arena. Esta capa, compuesta de suciedad y de microorganismos y macroorganismos vivos y muertos provenientes del agua, llega a ser el medio filtrante dominante a medida que el ciclo del filtro se limpia por drenaje por debajo de la capa superficial y, además, físicamente remocionando la suciedad a lo largo de 13 a 15 cm de arena. [17] 1.4.5.3. Factores que influyen en la filtración. Existen varios factores que influyen en el proceso, se pueden mencionar los siguientes: Tipo de medio filtrante.- El medio filtrante utilizado en el tratamiento de agua está constituido por arena silícea, antracita, granate o la combinación de estos materiales. Se considera un medio filtrante ideal aquel que la granulometría determinada y cierto peso específico requiere una cantidad mínima de agua para ser lavado de manera eficiente y que es capaz de remover un gran cantidad de partículas suspendidas. Tipo de suspensión.- Las características físicas y químicas de la suspensión afectan en el comportamiento de los filtros. - Características físicas. El volumen, tamaño y densidad del floc, se relaciona de diversas formas con la rapidez con que incrementa la pérdida de carga en el filtro. Cuando el volumen del floc es grande, los poros del medio filtrante se llenaran con más celeridad y el gradiente hidráulico aumentará más en menor tiempo. - Características químicas. La pequeña capa superficial que se forma en el filtro constituida esencialmente por material orgánico (bacterias, algas) por tener carga positiva, puede crear fuerzas atractivas entre ellas y las partículas electro-negativas de la suspensión. Ésto explicaría la mayor remoción de impurezas en los primeros 2,5cm del medio filtrante, y el mejoramiento con el tiempo en la calidad del efluente, cuando el espesor de la película biológica aumenta. [18] - Influencia de la temperatura. La temperatura del agua afecta tanto a los mecanismos químicos como físicos que intervienen en la filtración. El aumento de temperatura produce 44 una eficiencia mayor, pues se tiene un aumento de energía termodinámica en las partículas del agua, por lo tanto la difusión se vuelve un mecanismo importante cuando se tienen partículas suspendidas menores de un micrómetro. Características hidráulicas. - Tasa de filtración. El empleo de tasas de filtración bajas no garantiza necesariamente una producción de agua filtrada de buena calidad y mayor volumen de agua producida por carrera de filtración. - Carga hidráulica disponible para la filtración. Fijar la carga hidráulica con la que un filtro o un sistema de filtración debe operar, depende de ciertos factores, como el espesor y granulometría del lecho filtrante, aspectos económicos. Con cargas hidráulicas mayores, las carreras de filtración resultan más largas pero por otro lado dificulta el lavado ya que existe una compactación del medio filtrante. - Control de los filtros. Los métodos de control operacional más utilizados son tasa constante y tasa declinante. Cuando un filtro opera con una tasa constante, este es forzado a que al final de su carrera de filtración se obtenga la misma tasa con la que se inició, esto origina agua de más baja calidad que la que se obtendría de un filtro que se encuentre operando bajo condiciones en la que no se fuerza a la unidad. - Calidad del efluente. La calidad del agua obtenida después de los filtros está relacionada con diversas características inherentes al filtro propiamente dicho, al uso al que se destina el agua filtrada y a la existencia de una operación eficiente que en gran parte depende de los resultados obtenidos en los procesos anteriores. 1.4.5.4. Hidráulica del lavado.- Al inyectar agua por el fondo en un medio granular tres cosas pueden ocurrir: a) Si la velocidad ascensional de flujo de lavado es menor que la velocidad de asentamiento de las partículas del medio filtrante vi el lecho no se expande; b) Cuando se sigue aumentando la rata de flujo hasta hacer va mayor que vi el lecho se expande más y más y su porosidad aumenta proporcionalmente; c) Por último cuando la velocidad de flujo de lavado sobrepasa el valor de vi crítico, todo el lecho se fluidiza y los granos del medio son acarreados por el agua. [19] 45 El siguiente gráfico indica el proceso mencionado. Figura 20. Aumento de la porosidad del lecho en relación con la velocidad del flujo Fluidización y expansión del lecho durante el lavado.- Para el control del lavado de filtros se requiere conocer que caída de presión ocurre a lo largo del lecho fluidizado, y qué caudal de lavado se necesita para fluidizar el lecho o alcanzar un grado de expansión deseado. Para determinar la caída de presión se establece que a medida que se incrementa el caudal de lavado, existe un aumento lineal de la caída de presión hasta el punto en el que ocurre algún movimiento o reorientación de los gránulos. Para un caudal ligeramente superior, el lecho se fluidiza y la caída de presión permanece constante para caudales mayores, independientemente del porcentaje de expansión del lecho. La caída de presión constante se debe a que durante la fluidización las fuerzas de fricción ejercidas sobre el medio por el agua se encuentran en equilibrio con las fuerzas de gravedad que son constantes. Por lo tanto, el aumento del caudal expande solamente el lecho hasta que las velocidades intersticiales se disminuyen para mantener las mismas fuerzas de fricción, y la caída de presión permanece invariable. La caída de presión es igual al peso del medio filtrante en el agua. (38) 46 En donde: = Caída de presión a lo largo del lecho fluidizado en m de agua = Altura del lecho expandido = Porosidad del lecho no expandido y = Peso específico del medio filtrante y del agua, respentivamente. Para conocer la velocidad mínima para fluidizar el lecho se ha desarrollado un método racional para predecir la expansión de un lecho de arena tamizada. Los datos que se requieren para este modelo son: (1) densidad de la arena, (2) densidad y viscosidad del agua de lavado, (3) porosidad del lecho no expandido y (4) tamaño efectivo y coeficiente de uniformidad de la arena graduada. (39) En donde: = Velocidad mínima de fluidización, cm/s = Abertura del tamiz que deja pasar el 60% de la arena, mm = Peso específico de la arena, g/cm3 = Peso específico del agua, g/cm3 = Viscosidad del agua, centipoise El número de Reynolds corresponde a una velocidad de fluidización mínima y a la abertura del tamiz antes mencionada. (40) Si el número de Reynolds es mayor que 10, el valor de debe multiplicarse por un factor de corrección KR. (41) La velocidad de decantación no frenada, , de la partícula promedio hipotética se calcula, entonces, a partir de la siguiente expresión: 47 (42) El número de Reynolds para esta partícula, basado en una decantación no-frenada es: (43) Para calcular el coeficiente de expansión, ne, el cual se define por: (44) El valor de se utiliza en la ecuación 47 para encontrar el valor de la constante Ke del sistema particular, es útil para calcular la porosidad expandida para cualquier velocidad superficial, si se conocen los valores de la velocidad y porosidad para la velocidad de fluidización mínima y porosidad del lecho no expandido, se obtiene: ̅ (45) En donde: = Velocidad de flujo superficial del agua por encima de la arena ̅ = Porosidad del lecho expandido La altura del lecho expandido se calcula a partir: (46) ̅ En donde: = Altura de lecho no expandido = Altura del lecho expandido 1.4.5.5. Sistema de lavado. El sistema de retrolavado es la fuente más frecuente de fallos en los filtros. Además la selección del tipo de sistema de retrolavado y la seguridad del diseño adecuado, construcción y operación de este sistema, son elementos claves para el buen funcionamiento de una planta de tratamiento de agua. 48 El sistema de lavado de los filtros puede realizarse de cuatro maneras: Con flujo ascendente.- El agua es inyectada por los drenes con una velocidad tal que produzca una expansión del lecho del 20 al 25% y rara vez sobrepasa el 50%. Sin embargo, si se produce una expansión exagerada del medio filtrante esto no beneficia el lavado, ya que impide el frotamiento de unos granos con otros, evitando de esta manera el desprendimiento de la película adherida a ellos durante el proceso de filtración. Con flujo ascendente y lavado superficial.- El lavado ascendente frecuentemente se lo completa con un lavado superficial, inyectando agua a presión sobre la superficie del lecho filtrante con el objetivo de romper las bolas de barro. Esto se puede realizar con brazos giratorios o con rociadores fijos. Con flujo ascendente y lavado con aire.- Consiste en inyectar a través de boquillas especiales, aire con una velocidad de 0,9 a 1,5 m3/min/m2 y agua, con una velocidad de 0,3 a 0,5 m/min. El aire y el agua pueden inyectarse al mismo tiempo o consecutivamente esto depende del diseño de los drenes. La ventaja de este sistema de lavado está en la economía del agua de lavado y en que las bajas velocidades de flujo, crean menos intermezcla en la capa de gravilla y arena, pues disminuyen la velocidad de los chorros de agua. Con flujo ascendente y lavado sub-superficial.- El lavado sub-superficial se realiza cuando se usan medios filtrantes gruesos (0,8 a 1,4 mm) y existe una penetración profunda de las partículas floculentas. Bajo estas condiciones las bolas de barro se forman adentro del lecho y no son suficientemente removidas ni por lavado ascendente ni superficial. 1.4.5.6. Sistemas de drenaje. El objetivo de los drenes es recolectar y extraer el agua filtrada, también distribuir uniformemente el agua de lavado en el lecho filtrante. Cuando existe un diseño inadecuado de los drenes, el agua de lavado se distribuye desuniformemente lo que origina que se modifique la estratificación de la grava lo que da como resultado pérdidas del medio granular y deficiente limpieza de los granos. Los sistemas de drenaje más utilizados son: Fondo falso con boquillas.- Existe gran variedades de boquillas, generalmente de plástico. Se usan preferencialmente para lavado con aire y agua y son por eso el sistema preferido por las compañías europeas. El aire hace bajar el nivel del agua en el fondo falso o los laterales y puede así penetrar por el orificio o ranura, dejado en el vástago. 49 Figura 21. Esquema de fondo falso con boquillas Fondo wheeler.- Consiste en una losa de concreto fundida a 10 – 50cm sobre el fondo del filtro, la que está provista de orificios troncocónicos por donde atraviesa el agua. Existen dos tipos: con losas prefabricadas que consiste en losas prefabricadas de concreto de 0,60 x 0,60 y 0,10 m de espesor las cuales tienen 9 depresiones troncocónicas en las cuales se colocan 5 esferas de porcelana. Figura 22. Esquema de fondo falso wheeler Tuberías perforadas.- Este sistema está constituido de un ducto principal, que puede ser un canal cerrado. Del ducto principal parten tuberías secundarias perforadas. El problema de este sistema es que cuando las perforaciones se corroen cambian su diámetro y distribuyen el flujo de manera irregular. 50 Figura 23. Fondo tuberías perforadas. Bloques Leopold.- Está constituido de ductos paralelos para mejorar las condiciones del agua para lavado. El bloque generalmente está hecho de arcilla vitrificada refractaria a la corrosión, una ventaja de este tipo de drenes es que se puede disminuir el espesor de la grava dejando sólo los lechos más finos. Figura 24. Fondo falso Leopold 1.4.6. Desinfección. Desinfectar el agua significa eliminar de ella los microorganismos existentes, capaces de producir enfermedades. La desinfección es el último proceso unitario en el tratamiento del agua y tiene como finalidad garantizar la calidad de la misma desde el punto de vista microbiológico y asegurar que sea inocua para la salud del consumidor. 51 La desinfección es un proceso selectivo: no destruye todos los organismos presentes en el agua y no siempre elimina todos los organismos patógenos. Por eso se requiere procesos previos que eliminen mediante la coagulación, sedimentación y filtración. [20] 1.4.6.1. Agentes químicos. Existen una variedad de compuestos químicos usados en la desinfección del agua, son oxidantes fuertes que tienen gran eficiencia en la eliminación de los microorganismos. Los desinfectantes utilizados son: compuestos halógenos como el cloro, bromo y yodo; ozono, permanganato de potasio, agua oxigenada. Desinfección con cloro. El cloro es el desinfectante más utilizado debido a que reúne las mayores ventajas requeridas: es eficiente, fácil de aplicar y deja un efecto residual que se puede determinar por sistemas muy simples y al alcance de todos. Sin embargo tiene la desventaja de ser corrosivo y en determinados casos formar productos posiblemente peligrosos Reacciones del cloro con el agua. Al agregar cloro al agua, lo primero que ocurre es que este se hidroliza reaccionando con el agua, luego se combina con el amoníaco presente y con la materia orgánica. Esta es una reacción reversible de hidrólisis que se produce en cuestión de fracciones de segundos, el ácido hipocloroso de disocia en iones de hidrógeno e iones de hipoclorito (OCl-) forman el denominado cloro activo libre. Cl2 + H2O HOCl HOCl + H+ + ClOCl- + H+ 5 6 También se da reacciones de oxidación- reducción, en donde el cloro se combina: a) con el nitrógeno amoniacal para producir cloraminas b) con los aminoácidos, materiales proteínicos y orgánicos y sustancias de origen mineral (Fe2+, Mn2+, NO2-, H2S). El ácido hipocloroso, HOCl, es el desinfectante más efectivo; el ion hipoclorito es relativamente inefectivo en comparación con el ácido hipocloroso; por ello, la desinfección más letal con cloro ocurre a pH bajo, o sea en medio ácido. En general, se considera que el HOCl es 80 a 100 veces más efectivo que el OCl- para exterminar E. coli. Si el cloro se dosifica como hipoclorito de sodio, se tiene: Na+ + ClO- NaClO 52 7 ClO- + H2O HClO + OH- 8 En este caso se presentará un incremento de alcalinidad, dependiente de la magnitud con que el OCl- reaccione con el agua. Finalmente, si el cloro se agrega como hipoclorito de calcio, HTH, se tiene: Ca2+ + 2OCl- Ca(OCl)2 2ClO- + 2H2O 2HClO + 2 OH- 9 10 El efecto será, entonces, un aumento tanto de la alcalinidad como de la dureza total del agua. Todo el cloro presente en el agua en forma de cloraminas es lo que se conoce como cloro combinado disponible o residual de cloro combinado. [21] Tabla 9. Reacciones del cloro en el agua Reacción Reacciona con: Produce Hidrólisis Oxidación- Reducción Materia orgánica Fe2+, Mn2+, S032-, H2S, N amoniacal HSO3- H2O HClO, ClO- NH2Cl, NHCl2, NCl3 Cloruros, HCl, NO2, etc Se denomina Cloro libre Cloro combinado Demanda Fuente: ARBOLEDA, J. Teoría y práctica de la purificación del agua. Tomo II.Tercera ed. Colombia, Santa Fe de Bogota, 2000. p. 633. 1.4.6.2. Demanda de cloro. La cantidad de cloro que debe utilizarse para la desinfección del agua, se determina generalmente mediante el método de la demanda de cloro y punto de quiebre. El método consiste en repartir una muestra de agua en una serie de porciones (se propone 10) y se le agrega a cada una de ellas cantidades progresivas de cloro (desde 1 mg/l hasta 10 mg/l), entonces si se analiza todas las porciones después de un tiempo establecido (por ejemplo t =30 minutos) y se grafica la dosis de cloro vs. el cloro residual, entonces se encontrará una curva de forma ondulada en la que se observa que inicialmente al ir incrementando la dosis de cloro va aumentando el residual (en proporción directa menos lo que se consume en demanda) hasta llegar a un punto en el que la curva empieza descender, y a mayor cantidad de cloro aplicado se obtiene menor residual. De esta manera se llega a un valor mínimo (punto de quiebre) a partir del cual la curva vuelve a ascender y el residual incrementa de nuevo en proporción directa a la dosis de cloro aplicada. 53 Figura 25. Curva de punto de quiebre 1.4.6.3. Variables controlables en la desinfección. Las variables principales controlables en el proceso de desinfección son las siguientes: La naturaleza y concentración del desinfectante. El grado de agitación al que se somete el agua. El tiempo de contacto entre los microorganismos y el desinfectante. Los demás factores no pueden ser controlados, por lo que se deduce que el punto fundamental de este tema consiste en un estudio del mecanismo de desinfección. 1.4.6.4. Factores que influyen en la desinfección. Relación concentración –tiempo. La eficiencia de la desinfección depende de la relación que existe entre el tiempo de contacto y la cantidad de desinfectante dosificado. Si la dosificación del desinfectante presenta una alta concentración se va requerir menos tiempo para matar el 100% de los organismos que cuando se utilice una concentración débil. Temperatura. Las bacterias pueden vivir a determinadas temperaturas, frecuentemente entre 5ºC y 80ºC. En términos generales, cuanto más caliente esté el agua, más eficiente y rápida será la desinfección. 54 pH. Las bacterias son altamente susceptibles al pH como a la temperatura. Los potenciales de hidrógeno muy altos o muy bajos le son fatales. Número y tipo de organismos. El número de organismos no influye en el proceso de desinfección, la misma concentración y tiempo de contacto del desinfectante se utiliza para matar una gran cantidad de organismos que para eliminar una pequeña cantidad. El tipo de organismo si influye en el proceso debido a que la sensibilidad de cada especie difiere según el desinfectante utilizado. 1.5. Reingeniería de procesos La reingeniería de procesos en una herramienta enfocada al mejoramiento de las diferentes operaciones que se realizan dentro de un sistema de tratamiento de agua potable. La reingeniería es una metodología para evaluar, rediseñar y diseñar procesos, enfocándose en agregar valor a cada operación que está inmersa dentro del proceso y descartando aquellos que no pueden dar un valor agregado, lo que se consigue es alcanzar mejoras, tales como calidad, costos, servicios y rapidez. Para efectuar la selección de las alternativas de tratamiento, se requiere reunir toda la información sobre la calidad de la fuente que nos permite conocer sus variaciones a lo largo del tiempo. Con este objetivo se debe programar varios muestreos de la fuente para recopilar suficiente información para conocer e identificar los parámetros de calidad que constituyen un problema. La determinación de los parámetros de los procesos mediante simulación en el laboratorio es necesaria en la fase de proyecto para determinar las dimensiones de las unidades de la planta, o rehabilitar u optimizar sistemas existentes. Durante la evaluación de un sistema, ello servirá para determinar si las unidades están operando de acuerdo con las condiciones que el agua requiere y durante la operación de una planta, permitirá ajustar los procesos a las mencionadas condiciones. [22] 1.5.1. Consideraciones generales de diseño de procesos. El diseño de procesos es uno de los campos complejos dentro de la ingeniería química, y es el pilar esencial en el desarrollo de proyectos de ingeniería y se ha dividido en las siguientes etapas: 55 Diseño conceptual o también denominado síntesis de proceso, es la etapa en la cual se arma la topología del proceso, es decir el esquema o diagrama de flujo básico en donde se incluye la secuencia de operaciones unitarias necesarias para transformar las materias primas en productos deseados. La conceptualización del proceso es un tema de alta responsabilidad, debido a que los errores de esta etapa se trasladarán y amplificarán en las siguientes etapas. Diseño básico es la concertación del diseño conceptual en cuanto a la definición de las variables de operación y los parámetros de construcción de los equipos. Los parámetros de construcción son las dimensiones básicas de diámetros, altura de tanques; tipo, altura y configuraciones de las partes internas de reactores y columnas. 1.5.1.1. Fases del proceso de diseño. En el proceso de diseño se pueden implicar las siguientes fases: Observar y analizar el medio en el cual se desenvuelve el ser humano, determinando alguna necesidad. Evaluar o analizar los procesos con el fin de diseñar opciones de mejora y se prioriza su realización. Planear y proyectar proponiendo un modo de solucionar las necesidades, se puede realizar a través de planos y prototipos, tratando de descubrir la posibilidad y viabilidad de las o las soluciones. Construir y ejecutar llevando a la vida real la idea planteada inicialmente. 1.5.1.2. Unidad piloto. La unidad piloto es la primera versión o modelo del producto, en que se han incorporado algunas características del producto final. Los prototipos son creados con rapidez y a bajo costo tienen la finalidad de advertir eventuales fallas en el funcionamiento y descubrir falencias. Después de una serie de pruebas realizadas en el prototipo se realiza los respectivos ajustes y con dicha información se inicia la producción general. 1.5.2. Implicaciones de rediseño de procesos. Para garantizar el éxito de la planificación es importante tener claro cada uno de los procesos que se realizan. 56 La evaluación de una planta de tratamiento de agua comprende un análisis minucioso del funcionamiento y comportamiento hidráulico de cada una de las partes que las conforman, de la eficiencia y de la manera en que se está siendo operada, controlada, mantenida y administrada. Para la evaluación del estado inicial de la planta de tratamiento se requiere basarse en los siguientes puntos: Conocer el sistema e identificar los problemas más evidentes. Establecer la capacidad potencial de la planta y sus limitaciones para alcanzar las metas de optimización de la producción. Desarrollar un diagnóstico previo que sirva para orientar los recursos necesarios para que exista rápidamente la evaluación de los procesos más críticos. Determinar los recursos disponibles para las demás etapas del proceso. 57 2. PARTE EXPERIMENTAL.- METODOLOGÍA 2.1. Proceso experimental La propuesta de estudio tiene como finalidad evaluar los procesos u operaciones unitarias que constan actualmente en una Planta de Tratamiento de Agua Potable y a partir de este análisis proponer opciones de mejora de las condiciones actuales. La secuencia de estudio del presente trabajo se desarrolla en tres etapas que engloba todo el sistema de tratamiento. (Ver numeral 2.1.1) Evaluación de la unidad de tratamiento existente en la planta de agua San Carlos: En esta etapa se evalúan las características del agua cruda, considerando los parámetros que establece la Norma INEN 1108; además, se analiza el sistema de tratamiento actual, la infraestructura y condiciones de operación de la planta. Ensayos preliminares: En función de las propiedades del agua cruda se establecen, los procesos químicos y operaciones unitarias que deben implementarse para alcanzar las características del agua potable. Los ensayos se realizan a nivel de laboratorio utilizando el equipo de jarras (Jar Test) fundamentado en la Norma ASTM D2035-13 y en las unidades pilotos de la facultad de Ingeniería Química (torre de aireación y planta de potabilización existente), aplicando la siguiente secuencia de procesos: - Proceso de aireación: Se determina velocidad de paso y eficiencia de la torre de aireación. - Proceso de clarificación: Coagulación, floculación y sedimentación; en cada uno de ellos se analizan las variables de diseño y se establecen las mejores condiciones de tratamiento. Con los resultados obtenidos se realizan las pruebas en la planta de potabilización (unidad piloto). - Proceso de filtración: Se determina la tasa de filtración que existe en la planta de tratamiento y se genera las mismas condiciones en la unidad piloto. - Proceso de desinfección: Se define la demanda de cloro que se requiere para el agua clarificada. 58 Opciones de mejora: Con los resultados obtenidos y considerando las variables de cada proceso, se realiza el rediseño de cada una de las unidades de tratamiento que existen en la planta de agua potable: torre de aireación, sistema de mezcla rápida (coagulación), unidad de sedimentación, unidad de filtración y desinfección. Además, es necesario realizar el diseño de la unidad de floculación, implementar un pretratamiento con lechada de cal y la etapa de desinfección. 2.1.1. Diagrama del proceso experimental EVALUACIÓN DE ENSAYOS OPCIONES DE LA PLANTA DE PRELIMINARES MEJORA TRATAMIENTO Aplicación de los diferentes - Rediseño y diseño de fisicoquímicos procesos físicos y químicos las diferentes etapas de - Evaluación del requeridos para el proceso de tratamiento. Etapas de sistema de potabilización del agua: aireación, coagulación, tratamiento y - Mediante prueba de jarras: floculación, - Análisis condiciones de determinando dosis óptimas sedimentación, operación de coagulante y floculante, filtración y actuales. tiempos desinfección. de residencia, gradientes de velocidad. - Velocidad de sedimentación. - Demanda de cloro. 2.2. Estado actual de la planta de tratamiento de agua San Carlos La Planta de Tratamiento de Agua Potable San Carlos, se encuentra en la Parroquia de Uyumbicho, ubicada a 23Km de la Capital y un kilómetro del margen izquierdo del río San Pedro. Geográficamente limitada al Norte con el Distrito Metropolitano de Quito, al Sur con Tambillo, al Este con Amaguaña y al Oeste con Cutuglahua. Uyumbicho está situado a una altura por encima de los 2000 m.s.n.m. El promedio anual de precipitación fluvial oscila entre los 1000 y 2000 milímetros con una temperatura media anual de 12º a 18º C. [23] 59 La planta de tratamiento de agua actualmente no se encuentra en funcionamiento. Por tal motivo, no se conocen los datos físico-químicos del agua cruda y tratada. Se realizó la secuencia de operaciones para conocer las condiciones de funcionamiento y de esta manera evaluar el proceso de potabilización que se ha realizado y con ello determinar la calidad del agua tratada y proponer las opciones de mejora que, es el objetivo principal de este proyecto. El sistema de potabilización en la Planta de tratamiento San Carlos se fundamenta en los siguientes procesos (Ver numeral 2.3.2.): El agua cruda proveniente de un pozo pasa a una torre de aireación al final de la misma existe una bandeja recolectora donde se dosifican al mismo instante hipoclorito de sodio, policloruro de aluminio y un ayudante de coagulación. El agua con químico cae a un tanque rectangular en cuyo inferior existen cuatro orificios que conectan a un sedimentador de placas inclinadas (que tienen dos compartimentos y se llenan simultáneamente). Cuando el agua llega a su máxima altura pasa a un tanque reservorio y el agua clarificada continúa a la unidad de filtración para retener aquellas partículas que no fueron removidas en los procesos anteriores, el agua al salir de los filtros es transportada hacia el tanque de almacenamiento para posteriormente ser distribuida a la población. (Ver anexo C) 2.3. Evaluación de la planta de tratamiento de agua En esta etapa se evalúan las características del agua cruda, así como también, se realiza un análisis en donde se detallan los procesos que son parte del tratamiento, consiguiendo de esta manera una completa evaluación del proceso de tratamiento actual. 2.3.1. Caracterización de los parámetros físico-químicos del agua cruda. En la evaluación de la planta de tratamiento se realiza un análisis físico-químico del agua cruda para determinar que parámetros están fuera del límite máximo permitido de acuerdo con la Norma INEN 1108 (ANEXO D). Comparando los resultados se determina que 4 parámetros son considerados como críticos: hierro, manganeso, color, y turbidez. 60 Tabla 10. Propiedades físico-químicas del agua cruda. VALOR PARÁMETROS UNIDADES Agua Cruda INEN 1108 Máximo permisible Características Físicas Color 112 UTC 15 Turbiedad 19 NTU 5 6,5 – 8,5 pH 7,21 Sólidos Totales Disueltos 228 mg/l 1000 Aluminio --- mg/l 0,25 Arsénico 0,0002 mg/l 0,01 Dureza Total(CaCO3) 118 mgCaCO3/l 300 Dureza Cálcica 58 mgCaCO3/l --- Alcalinidad Total 10 mgCaCO3/l --- Hierro 5,030 mg/l 0,3 Manganeso 0,193 mg/l 0,1 Nitritos <0,001 mg/l 0,0 Sulfatos 0,503 mg/l 200 Flúor 0,51 mg/l 1,5 Inorgánicos 61 2.3.2. Diagrama del proceso de potabilización en la planta de tratamiento de agua CAPTACIÓN Dosificación simultánea Hipoclorito de sodio AIREACIÓN Policloruro de aluminio Policrilamida COAGULACIÓN SEDIMENTACIÓN FILTRACIÓN DISTRIBUCIÓN 2.3.3. Descripción de los procesos que se realizan en la planta de tratamiento. La planta de tratamiento de agua San Carlos tiene una capacidad de procesamiento de agua cruda promedio de 5,67 l/s, siendo su caudal mínimo 4,89 l/s y su caudal máximo de 6,27 l/s. La planta de agua no se encuentra en funcionamiento debido a que el tratamiento que se realizaba dio como resultado agua que no cumple con los requerimientos necesarios para ser considerada agua de consumo humano según la Norma INEN 1108. (ANEXO G) El procedimiento que se sigue en la planta se detalla a continuación: 2.3.3.1. Captación. El agua cruda proveniente de una fuente subterránea que tiene una profundidad de 155 m, en donde se ubica una bomba electro-sumergible es transportada a través de una tubería de 3,5 pulgadas a una torre de aireación. 2.3.3.2. Aireación y coagulación. La torre de aireación está ubicada sobre un tanque de recolección, consta de cuatro bandejas que contienen carbón coque, después de la última se 62 encuentra una bandeja recolectora que tiene la forma de una pirámide truncada, en cuyo inferior existe un orificio de 2,5 pulgadas de diámetro, en dicho lugar se dosifican tres químicos mediante mangueras: hipoclorito de sodio, policloruro de aluminio y poliacrilamida. La dosificación que se emplea es de: hipoclorito de sodio 2 ppm, de policloruro de aluminio 180 ppm y de poliacrilamida 1 ppm, la dosificación de los químicos se realiza a través de tres bombas dosificadoras en forma simultánea y los químicos se dosifican en el mismo sitio Figura 26. Torre de aireación de la planta de tratamiento San Carlos 63 La torre de aireación tiene las siguientes características: Tabla 11. Características de la torre de aireación Valor Unidades 4 Número de bandejas Largo de bandeja 1,30 m Ancho de bandeja 1,30 m Altura de bandeja 0,15 m Altura hasta el carbón coque 0,10 cm Altura de la torre 2,15 m Número de agujeros en 175 cada bandeja Diámetro promedio de los agujeros 0,012 m Distancia entre bandejas 0,45 m 19 A cada lado 0,95 m 2,5 Pulgadas 0,0635 m Número de agujeros en la ducha Distancia de la última bandeja con el recolector Diámetro del orificio ubicado en la bandeja recolectora 2.3.3.3. Tanque recolector. Después que el agua es aireada y dosificada los químicos (hipoclorito de sodio, policloruro de aluminio y poliacrilamida), desciende a un tanque recolector, el mismo que tiene en la parte inferior cuatro orificios que se encuentran conectados al sedimentador de placas. Este tanque en la parte inferior presenta un desfogue. Tabla 12. Características del tanque recolector Valor Unidades Ancho 0,645 m Largo 2,87 m Profundidad 3,35 m Altura máxima que llega el líquido 3 m Orificios parte inferior 4 Diámetro de orificios 2 64 pulgadas 2.3.3.4. Sedimentación. El agua proveniente del tanque recolector pasa a través de los orificios al sedimentador de placas inclinadas, el mismo que tiene 4 flautas con agujeros por donde el agua asciende. El sedimentador contiene 6 placas inclinadas y en la parte inferior presenta un desfogue para eliminar los flocs formados durante este proceso. La altura que existe para la zona de los lodos es de 45 cm. Tabla 13. Características del sedimentador de placas Valor Unidades Ancho 1,87 m Largo 2,87 m Altura 3,35 m Altura máxima que llega el líquido 3 m Número de placas 6 Espesor de las placas 3 mm 60º Ángulo de inclinación den las placas 2.3.3.5. Tanque reservorio. El agua que está en el sedimentador llega a su máxima altura y cae al tanque reservorio a través de tres tuberías. Este tanque se va llenando hasta una altura de aproximadamente 2 m cuando el agua alcanza dicha altura la bomba se enciende y el agua es transportada a la unidad de filtración. Tabla 14. Dimensiones del tanque reservorio Ancho Valor 1,55 Unidades m Largo 2,87 m Altura 3,35 m Altura de líquido a la que la bomba empieza a succionar. 1,90 m 2.3.3.6. Filtros a presión. El agua clarificada es succionada por una bomba hacia dos filtros a presión. Se determinó que el caudal que pasa hacia los filtros es de 3,47 l/s. Este caudal es distribuido en forma paralela hacia los filtros. El material filtrante que tiene es arena y el material de soporte es grava, para eliminar todas las impurezas que no pudieron ser removidas 65 en los procesos anteriores, el agua filtrada es transportada a un tanque de distribución ubicado a 50 m. El retrolavado de los filtros se realiza cada 24 horas y tiene una duración de 10 minutos para lavar cada filtro. A continuación se detallan las medidas y características de los dos filtros de presión. Tabla 15. Características de los filtros a presión Valor 0,82 Unidades m Altura del filtro 1,40 m Altura de la grava 0,20 m Altura de la arena 0,80 m Diámetro interno Arena: Altura del Altura = 0,80 m. filtro = 1,40m ɸpartícula = 0,7 a 1 mm Grava: Altura = 0,20 m. ɸpartícula = 1,5 – 2,5 cm Figura 27. Distribución del medio filtrante 2.3.3.7. Tanque de distribución. El agua al salir de los filtros es transportada a un tanque de distribución de aproximadamente 50 m3. Al final de los filtros existe un sistema de inyección de cloro líquido, sin embargo, debido a que la planta no se encuentra en funcionamiento se desconoce la dosificación aplicada. 66 2.4. Metodología de trabajo 2.4.1. Caracterización del agua cruda. Un punto de partida para el tratamiento, es la toma de muestra del agua cruda y la caracterización físico-química para conocer los parámetros críticos y a partir de los cuales se determina los procesos y operaciones que se requiere seguir para el tratamiento del agua (potabilización). 2.4.2. Ensayos preliminares - Aireación: Es aplicada en una torre de aireación a una condición específica (caudal constante/ área de bandejas) previamente adicionando un agente oxidante (derivado del cloro). - Procesos de clarificación: Se realiza mediante pruebas de jarras en donde se determinan las variables de operación de los procesos de clarificación: coagulación/ floculación/ sedimentación en donde se determina la dosificación óptima de coagulante y floculante, eficiencia de floculante, gradientes de velocidad, tiempos óptimos de floculación y sedimentación, velocidad de sedimentación. - En cada prueba de jarras se analizaron los siguientes parámetros: color, turbidez, pH, hierro y sólidos suspendidos con la finalidad de obtener un registro que ayude a mejorar el proceso de tratamiento de la planta. - Desinfección: se define la demanda de cloro que requiere el agua clarificada en función de lo establecido en pruebas a nivel de laboratorio y unidad piloto. Una vez que se determina las variables de diseño y operación (tiempos de residencia, gradientes de velocidad, mejores dosis de químicos) en cada proceso se propone las opciones de mejora en cada una de las unidades de tratamiento. 2.4.3. Sustancias y reactivos para los ensayos preliminares Agua de fuente subterránea (Planta San Carlos) Hipoclorito de sodio (NaClO)(ac) Cal apagada (Ca(OH)2) Policloruro de aluminio (Aln(OH)mCl3n-m)(ac) Poliacrilamida Hipoclorito de calcio (Ca(ClO)2) 67 Reactivo para medir cloro libre residual 2.4.4. Materiales y equipos para los ensayos preliminares Equipo de prueba de jarras Equipo colorimétrico para la determinación del cloro libre Vasos de precipitación (6) (V=1000mL) (Ap=±100mL) Probetas (3) (V=100mL) (Ap=±10mL) Pipetas (6) (V=10mL) (Ap=±1mL) Jeringas (6) (V=1mL) (Ap=±0,1mL) Turbidímetro HACH 2100 Medidor de pH Espectrofotómetro HACH Balanza Analítica R(0-210)g (Ap=±0,0001g) Agitadores Columna de sedimentación Recipientes plásticos (29) Torre de aireación (V=100mL) 2.5. Secuencia del tratamiento requerido En función de la calidad del agua cruda se plantea una secuencia del tratamiento que se debe seguir para obtener agua de calidad que cumple con los parámetros establecidos en la norma INEN 1108. En la planta piloto se realizan los siguientes procesos: aireación, coagulación, floculación, sedimentación, filtración y desinfección. 2.5.1. Pruebas en la torre de aireación. El agua cruda debe ser inicialmente aireada, por lo tanto se realiza pruebas en la torre de aireación piloto de la Facultad de Ingeniería Química. Se trabajó con una carga de superficie específica que resulta de una caudal de trabajo constante y del área que presentan las bandejas. Además, cada bandeja tenía carbón coque, todo esto se realiza con la finalidad de producir las mismas condiciones que existen en la planta de Uyumbicho. 68 Se añadió hipoclorito de sodio al agua cruda según la cantidad promedio de hierro que contenga el agua. Se encendió la bomba, se aireó el agua y se tomó una muestra para determinar la cantidad de hierro final. Figura 28. Torre de aireación en planta piloto 2.5.2. Ensayos de tratabilidad (procesos de coagulación/ floculación/ sedimentación). Estas pruebas proporcionarán variables de diseño y condiciones de operación que serán considerados en el planteamiento de opciones de mejora en cada unidad de tratamiento. 69 Para determinar las condiciones de operación y la dosis a emplear para el tratamiento se utiliza el equipo de prueba de jarras basándose en la norma ASTM D2035-13. Adicionalmente, se tienen un formato recomendado en el que se basará el reporte de los datos. (Ver Anexo E). 2.5.3. Procedimiento para los ensayos de tratabilidad. Homogenizar la muestra de agua cruda y aireada y determinar el color, turbiedad, pH, hierro y alcalinidad total. 2.5.3.1. Dosis óptima de coagulante. El objetivo de este ensayo es para determinar la dosis de coagulante que produce la más rápida desestabilización de las partículas coloidales en la planta y hace que se forme el floc más compacto y pesado; de tal manera, que puedan ser retenidos en los sedimentadores. Preparar una solución madre (10% p/v) que se puede conservar por dos o tres meses, para el ensayo de pruebas de jarras se utiliza una dilución de 1% p/v. Debido a la baja alcalinidad de la muestra aireada, hay que preparar una suspensión de cal y añadir al agua. Colocar el agua aireada en los cuatro vasos de 1000 mL y colocarlos en el equipo con las paletas en la mitad de los mismos. Para la mezcla rápida se hacen girar las aspas a 100 rpm (G = 80 s-1), se adiciona el coagulante en dosis progresivas y al mismo tiempo a cada vaso. Disminuir la intensidad de la mezcla a 40 rpm durante 15 minutos. Se suspende la agitación, se levantan las paletas y se deja sedimentar por 20 minutos. Se extrae muestras de las cuatro jarras con la ayuda de una jeringa. Medir valores de pH, turbiedad, color y hierro En base a los resultados se determina la mejor dosis de coagulante, esta dosis corresponderá a la muestra que presente menor color, turbiedad y hierro, la cual se pretende implementar en la planta. 2.5.3.2. Evaluación de la eficiencia del floculante. Determinar pH, color, turbiedad, alcalinidad y hierro del agua aireada. Efectuar una prueba de jarras para determinar la dosis óptima de coagulante. Realizar una nueva prueba de jarras en la que se adiciona a todos los vasos la misma dosis óptima y se enciende el equipo a 100 rpm durante un minuto. 70 Adicionar el floculante en dosis crecientes, al primer vaso no se agrega polielectrolito pues sirve de punto de comparación. Disminuir la velocidad a 40 rpm durante 15 minutos. Suspender la agitación, levantar los agitadores y dejar sedimentar el agua por 20 minutos. Tomar una muestra de cada vaso y determinar color, pH, hierro y turbiedad. Comparar los resultados y definir la mejor dosis de ayudante de floculación. 2.5.3.3. Gradiente de velocidad y tiempo de floculación. El objetivo de este ensayo es conocer la intensidad y el tiempo que debe tener la mezcla en el proceso de floculación con el fin de optimizar la remoción de partículas en la sedimentación. Determinar turbiedad y sólidos suspendidos del agua aireada. Adicionar la solución de cal para aumentar la alcalinidad del agua. Colocar 1000 mL de agua aireada a cada vaso, encender el equipo a 100 rpm y adicionar a todos los vasos la dosis óptima de coagulante y después de un minuto agregar la mejor dosis de floculante. Disminuir la velocidad de agitación al gradiente seleccionado a partir de este momento inicia el tiempo de floculación y se efectúa los pasos descritos en la Tabla 16. Tabla 16. Tiempos recomendados para la selección de gradientes Tiempo (min) Acción por Ejecutar 0 Comienza la agitación al gradiente seleccionado 7 Se levanta el agitador de la celda No. 1 13 Se levanta el agitador de la celda No. 2 17 Se toma la muestra de la celda No. 1 20 Se levanta el agitador de la celda No. 3 23 Se toma la muestra de la celda No. 2 27 Se levanta el agitador de la celda No. 4 30 Se toma la muestra de la celda No. 3 33 Se levanta el agitador de la celda No. 5 37 Se toma la muestra de la celda No. 4 40 Se levanta el agitador de la celda No. 6 43 Se toma la muestra de la celda No. 5 50 Se toma la muestra de la celda No. 6 Fuente: ARBOLEDA, J. Teoría y práctica de la purificación del agua. Tomo I. Tercera ed. Colombia, Santa Fe de Bogota, 2000. p. 182. 71 Determinar turbiedad y solidos suspendidos de las muestras obtenidas. Repetir el procedimiento para otros gradientes seleccionados. Construir un gráfico de la turbiedad en función del tiempo óptimo para cada gradiente escogido y se analiza los resultados obtenidos. 2.5.4. Determinación de la velocidad de sedimentación y tiempo de residencia. En una columna de sedimentación que consiste en un tubo de PVC de 6 pulgadas de diámetro, 2 m de altura y a cada 0,40 m existen válvulas para tomar las muestras durante el proceso de sedimentación de las partículas. Verificar que todas las válvulas estén cerradas, posteriormente se añade el agua aireada y se agrega la mejor dosis de cal determinada en prueba de jarras. Se añade el coagulante y se realiza una agitación rápida a razón de 100 rpm, posteriormente se añade el ayudante de floculación y se agita a 40 rpm durante 15 minutos. Se suspende la agitación y se toma muestras a diferentes alturas establecidas en un tiempo determinado. Determinar los sólidos suspendidos de todas las muestras. Calcular la velocidad de sedimentación y el tiempo de residencia siguiendo el algoritmo planteado en sedimentación con floculación, dicha información ayudará para evaluar la unidad de sedimentación. 2.5.5. Demanda de cloro Preparar una solución de hipoclorito de calcio al 0,1% ( 1ml = 1mg de cloro activo) Al agua clarificada y filtrada resultante de las mejores condiciones, se coloca en seis vasos de 500 mL Adicionar la solución de cloro en dosis ascendentes desde 0,2 ml (0,4 ppm) hasta 1,9 ml (3,8 ppm), agitar la muestra y dejar reposar. Determinar la cantidad de cloro libre residual de cada muestra cada 5 minutos durante un tiempo de 30 minutos. Graficar la cantidad de cloro libre en función del tiempo y elegir el rango más apropiado para utilizarlo en la planta de tratamiento. 72 2.6. Datos Experimentales 2.6.1. Datos de la medición después de oxidar y airear el agua. Los datos tabulados (Tabla 17) corresponden a la de Fe2+ residual después de adicionar hipoclorito de sodio y airear el agua cruda. Tabla 17. Datos de la concentración de hierro en el agua cruda N de Agua Cruda Agua oxidada + aireada * muestras Fe 2+ (mg/l) Fe 2+ (mg/l) 1 2,01 0,92 2 3,59 2,55 3 3,37 2,48 4 2,70 1,68 5 2,50 1,23 PROMEDIO 2,83 * Se añade hipoclorito de sodio (2, 074 ppm) y después se airea el agua en la torre de aireación piloto. 73 2.6.2. Determinación de la dosis óptima del coagulante policloruro de aluminio. Tabla 18. Determinación de la dosis óptima de coagulante (Formato para prueba de jarras Norma ASTM D2035-13) Características Agua Cruda pH: 6,89 Color (Pt/Co): 89 Lugar: Facultad de Ingeniería Química Prueba: 1 Fecha: 26/03/2014 Cantidad de muestra: 7 litros Turbidez (NTU): 20 Hierro (mg/l) : 2,01 Alcalinidad Total (mgCaCO3/l): 34 Químicos (Dosis) 1 50 100 1 40 15 1 Fino Número de Jarra 2 3 60 70 100 100 1 1 40 40 15 15 1 1 Fino Fino 4 80 100 1 40 15 1 Fino 8 26,5 7,56 0,22 6 16,4 7,54 0,23 3 7,9 7,49 0,26 Hierro (mg/l) : 0,92 Policloruro de aluminio (mg/l) Velocidad de mezcla rápida (rpm) Tiempo de mezcla rápida (min) Velocidad de mezcla lenta ( rpm) Tiempo de mezcla lenta (min) Tiempo de primer floc (min) Tamaño de floc Parámetros de Agua Sedimentada Turbidez (NTU) Color (Pt/Co) pH Hierro (mg/l) Alcalinidad Total (mgCaCO3/l): 30 Observaciones: Después de 20 minutos de sedimentación se analizan los parámetros y se Características Agua Aireada NaClO= 20,7 ml sln/m3=2,07ppm q =289,9 m3/d.m2 Qingreso a la torre = 0,4 l/s pH: 7,74 Color (Pt/Co): 94,9 Turbidez (NTU): 21 5 16,2 7,55 0,28 observa que la dosis óptima se encuentra dentro del rango de 60 a 70 mg/l. 74 Tabla 19. Determinación de la dosis óptima de coagulante (Formato para prueba de jarras Norma ASTM D2035-13) Características Agua Cruda Lugar: Facultad de Ingeniería Química Prueba: 2 Fecha: 25/04/2014 pH: 6,95 Cantidad de muestra: 7 litros Color (Pt/Co): 58,1 Turbidez (NTU): 17 Químicos (Dosis) Hierro (mg/l): 3,59 Alcalinidad Total (mgCaCO3/l): 18 Características Agua Aireada NaClO= 20,7 ml sln/m3=2,07ppm q =289,9 m3/d.m2 Qingreso a la torre = 0,4 l/s pH: 7,41 Color (Pt/Co): 76,1 Turbidez (NTU): 21 Hierro (mg/l) : 2,55 Alcalinidad Total (mgCaCO3/l): 14 Policloruro de aluminio (mg/l) Ayudante de floculación (mg/l) Velocidad de mezcla rápida (rpm) Tiempo de mezcla rápida (min) Velocidad de mezcla lenta ( rpm) Tiempo de mezcla lenta (min) Tiempo de primer floc (min) Tamaño de floc Parámetros de Agua Sedimentada Turbidez (NTU) Color (Pt/Co) pH Hierro (mg/l) 1 50 0,1 100 1 40 15 1 Mediano 5 18,6 7,63 0,54 Número de Jarra 2 3 60 70 0,1 0,1 100 100 1 1 40 40 15 15 1 1 Mediano Mediano 7 21,2 7,90 0,51 5 13,8 7,72 0,36 4 80 0,1 100 1 40 15 1 Mediano 4 10 7,80 0,47 Observaciones: Después de un tiempo de sedimentación de 20 minutos se analizan los parámetros y se determina que la mejor dosis es de 70ppm. Se realiza otra prueba con cal para aumentar la alcalinidad del agua y con ello mejorar el proceso de coagulación. 75 Tabla 20. Determinación de la dosis óptima de coagulante modificando alcalinidad (Formato para prueba de jarras Norma ASTM D2035-13) Características Agua Cruda Lugar: Facultad de Ingeniería Química Prueba: 3 Fecha: 25/04/2014 pH: 6,85 Cantidad de muestra: 7 litros Color (Pt/Co): 58,1 Turbidez (NTU): 17 Hierro (mg/l): 3,59 Alcalinidad Total (mgCaCO3/l): 18 Características Agua Aireada NaClO= 20,7 ml sln/m3=2,07ppm q =289,9 m3/d.m2 Qingreso a la torre = 0,4 l/s pH: 7,51 Color (Pt/Co): 76,1 Turbidez (NTU): 21 Químicos (Dosis) Solución de cal (mg/l) Policloruro de aluminio (mg/l) Ayudante de floculación (mg/l) Velocidad de mezcla rápida (rpm) Tiempo de mezcla rápida (min) Velocidad de mezcla lenta ( rpm) Tiempo de mezcla lenta (min) Tiempo de primer floc (min) Tamaño de floc Parámetros de Agua Sedimentada Turbidez (NTU) Color (Pt/Co) pH Hierro (mg/l) 1 40 50 0,1 100 1 40 15 1 Mediano 5 20,7 8,15 0,11 Número de Jarra 2 3 40 40 60 70 0,1 0,1 100 100 1 1 40 40 15 15 1 1 Mediano Mediano 4 13,7 8,29 0,09 4 14 8,20 0,05 4 40 80 0,1 100 1 40 15 1 Mediano 3 11,8 8,12 0,09 Hierro (mg/l) : 2,55 Alcalinidad Total (mgCaCO3/l): 14 Observaciones: Para la misma muestra se obtienen mejores resultados al añadir la solución de cal, por lo tanto se realiza una nueva prueba modificando la dosis de cal, además; se va a mantener constante la adición de policloruro de aluminio (60 mg/l) y ayudante de floculación (0,1 76 Tabla 21. Determinación de la dosis óptima de hidróxido de calcio a partir de la mejor dosis de coagulante (Formato para prueba de jarras Norma ASTM D2035-13) Características Agua Cruda Lugar: Facultad de Ingeniería Química Prueba: 4 Fecha: 06/05/2014 pH: 6,62 Cantidad de muestra: 7 litros Color (Pt/Co): 61,8 Turbidez (NTU): 14 Hierro (mg/l): 3,37 Químicos (Dosis) 1 25 60 0,1 100 1 40 15 1 Mediano Número de Jarra 2 3 30 35 60 60 0,1 0,1 100 100 1 1 40 40 15 15 1 1 Mediano Mediano 4 40 60 0,1 100 1 40 15 1 Mediano Turbidez (NTU): 20 Solución de cal (mg/l) Policloruro de aluminio (mg/l) Ayudante de floculación (mg/l) Velocidad de mezcla rápida (rpm) Tiempo de mezcla rápida (min) Velocidad de mezcla lenta ( rpm) Tiempo de mezcla lenta (min) Tiempo de primer floc (min) Tamaño de floc Parámetros de Agua Sedimentada Turbidez (NTU) Color (Pt/Co) pH Hierro (mg/l) Hierro (mg/l): 2,48 Observaciones: Después de 20 minutos de sedimentación, se observan que la dosis óptima de Alcalinidad Total (mgCaCO3/l): 12 coagulante se encuentra en el rango de 60 ppm y de hidróxido de calcio de 30 ppm. Alcalinidad Total (mgCaCO3/l): 16 Características Agua Aireada NaClO= 20,7 ml sln/m3=2,07ppm q =289,9 m3/d.m2 Qingreso a la torre = 0,4 l/s pH: 7,05 Color (Pt/Co): 78,8 77 6 23,4 7,61 0,07 2 8,7 7,83 0,05 4 12,5 7,90 0,04 3 12,3 7,92 0,03 2.6.3. Evaluación de la eficiencia del floculante Tabla 22. Evaluación de la eficiencia del ayudante de floculación Características Agua Cruda Lugar: Facultad de Ingeniería Química Fecha: 22/05/2014 pH: 7,40 Cantidad de muestra: 7 litros Color (Pt/Co): 73 Turbidez (NTU): 21 Químicos (Dosis) Hierro (mg/l): 2,70 Solución de cal (mg/l) Policloruro de aluminio (mg/l) Ayudante de floculación (mg/l) Velocidad de mezcla rápida (rpm) Tiempo de mezcla rápida (min) Velocidad de mezcla lenta ( rpm) Tiempo de mezcla lenta (min) Tiempo de primer floc (min) Tamaño de floc Parámetros de Agua Sedimentada Turbidez (NTU) Color (Pt/Co) pH Hierro (mg/l) Alcalinidad Total (mgCaCO3/l): 40 Sólidos suspendidos (mg/l): 32 Características Agua Aireada NaClO= 20,7 ml sln/m3=2,07ppm q =289,9 m3/d.m2 Qingreso a la torre = 0,4 l/s pH: 7,01 Color (Pt/Co): 39 Turbidez (NTU): 11 Hierro (mg/l): 1,68 Alcalinidad Total (mgCaCO3/l): 30 1 30 60 --100 1 40 15 1 Mediano 4 10,4 8,17 0,05 Número de Jarra 2 3 30 30 60 60 0,05 0,1 100 100 1 1 40 40 15 15 1 1 Mediano Mediano 4 8,2 8,14 0,04 3 8,9 8,06 0,06 Observaciones: Después de 20 minutos de sedimentación se determina la dosis óptima. Rango escogido por presentar mejores resultados. Sólidos suspendidos (mg/l): 31 78 4 30 60 0,2 100 1 40 15 1 Mediano 4 9,8 8,08 0,02 2.6.4. Gradientes de velocidad y tiempos óptimos de floculación. Tabla 23. Datos de turbiedad y sólidos suspendidos a diferentes tiempos de floculación (G=50s-1) Lugar: Facultad de Ingeniería Química Condiciones de pruebas de Jarras Mezcla rápida Mezcla lenta Sedimentación G = 80 s-1 G = 50 s-1 0 rpm 100 rpm 69 rpm 10 minutos Fecha: 03/06/2014 Cantidad de muestra: 25 litros Gradiente seleccionado: 50s-1 Características Agua Cruda Turbidez (NTU): 19 Hierro (mg/l): 2,50 Número de Jarra Químicos (Dosis) 1 2 3 4 5 6 Solución de cal (mg/l) 30 30 30 30 30 Policloruro de aluminio (mg/l) 60 60 60 60 60 30 60 Características Agua Aireada Ayudante de floculación (mg/l) 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 NaClO= 20,7 ml sln/m3=2,07ppm Velocidad de mezcla rápida (rpm) 100 100 100 100 100 100 Tiempo de mezcla rápida (min) 1 1 1 1 1 Velocidad de mezcla lenta ( rpm) 69 69 69 69 69 1 69 Tiempo de mezcla lenta (min) 7 13 20 27 33 Sólidos suspendidos (mg/l): 34 q =289,9 m3/d.m2 Qingreso a la torre = 0,4 l/s Tiempo de sedimentación (min) 10 10 10 10 10 40 10 Hierro (mg/l): 1,23 Turbidez (NTU) 9 3 4 4 2 3 Sólidos suspendidos (mg/l): 24 Solidos Suspendidos (mg/l) 28 22 23 26 22 24 Turbidez (NTU): 16 79 Tabla 24. Datos de turbiedad y sólidos suspendidos a diferentes tiempos de floculación (G=30s-1) Lugar: Facultad de Ingeniería Química Condiciones de pruebas de Jarras Mezcla rápida Mezcla lenta Sedimentación G = 80 s-1 G = 30 s-1 0 rpm 100 rpm 46 rpm 10 minutos Fecha: 03/06/2014 Cantidad de muestra: 25 litros Gradiente seleccionado: 30s-1 Características Agua Cruda Número de Jarra Químicos (Dosis) 1 2 3 4 5 6 Solución de cal (mg/l) 30 30 30 30 30 Policloruro de aluminio (mg/l) 60 60 60 60 60 30 60 Ayudante de floculación (mg/l) 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 Velocidad de mezcla rápida (rpm) 100 100 100 100 100 100 Tiempo de mezcla rápida (min) 1 1 1 1 1 Velocidad de mezcla lenta ( rpm) 46 46 46 46 46 1 46 q =289,9 m /d.m Tiempo de mezcla lenta (min) 7 13 20 27 33 Qingreso a la torre = 0,4 l/s Tiempo de sedimentación (min) 10 10 10 10 10 40 10 Turbidez (NTU): 16 Turbidez (NTU) 5 4 2 3 5 4 Hierro (mg/l): 1,23 Solidos Suspendidos (mg/l) 27 30 26 24 23 17 Turbidez (NTU): 19 Hierro (mg/l): 2,50 Sólidos suspendidos (mg/l): 34 Características Agua Aireada 3 NaClO=20,7 ml sln/m =2,07ppm 3 2 Sólidos suspendidos (mg/l): 24 80 Tabla 25. Datos de turbiedad y sólidos suspendidos a diferentes tiempos de floculación (G=10s-1) Lugar: Facultad de Ingeniería Química Condiciones de pruebas de Jarras Mezcla rápida Mezcla lenta Sedimentación G = 80 s-1 G = 10 s-1 0 rpm 100 rpm 19 rpm 10 minutos Fecha: 03/06/2014 Cantidad de muestra: 25 litros Gradiente seleccionado: 10s-1 Características Agua Cruda Turbidez (NTU): 19 Hierro (mg/l): 2,50 Sólidos suspendidos (mg/l): 34 Características Agua Aireada NaClO=20,7ml sln/m3=2,07ppm q =289,9 m3/d.m2 Qingreso a la torre = 0,4 l/s Turbidez (NTU): 16 Número de Jarra Químicos (Dosis) 1 2 3 4 5 6 Solución de cal (mg/l) 30 30 30 30 30 Policloruro de aluminio (mg/l) 60 60 60 60 60 30 60 Ayudante de floculación (mg/l) 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 Velocidad de mezcla rápida (rpm) 100 100 100 100 100 100 Tiempo de mezcla rápida (min) 1 1 1 1 1 Velocidad de mezcla lenta ( rpm) 19 19 19 19 19 1 19 Tiempo de mezcla lenta (min) 7 13 20 27 33 Tiempo de sedimentación (min) 10 10 10 10 10 40 10 Turbidez (NTU) 10 5 3 4 4 5 Solidos Suspendidos (mg/l) 21 20 19 18 19 16 Hierro (mg/l): 1,23 Sólidos suspendidos (mg/l): 24 81 2.6.5. Velocidad de sedimentación 2.6.5.1. Sedimentación de partículas floculadas. En las pruebas realizadas (Tablas 23, 24 y 25) se puede verificar que existe cierta cantidad de partículas suspendidas y para determinar la velocidad de sedimentación se requiere el uso de una columna piloto. La columna de sedimentación debe tener una altura similar al tanque de sedimentación que se pretende diseñar. Con fines prácticos se utiliza una columna de 2m de altura, disponiendo de aberturas para muestreo a profundidades de 0,4; 0,8; 1,2; 1,6 y 2,0 m. Los datos obtenidos en los puntos mencionados se utilizan para poder determinar variables de diseño que son la velocidad de sedimentación y el tiempo de residencia. Figura 29. Unidad piloto de una columna de sedimentación 2.6.5.2. Concentración de sólidos suspendidos a diferentes alturas. Considerando las mejores condiciones en los procesos de aireación, regulación de pH y de clarificación se procede a estudiar el proceso de sedimentación para definir la velocidad y tiempo de sedimentación de las partículas suspendidas. Para la realización de este ensayo se determina la concentración de sólidos suspendidos del agua aireada, la concentración de sólidos suspendidos (SS) que se muestra en la Tabla 26 son el resultado de mediciones que se realizaron a diferentes alturas durante un tiempo establecido. 82 Los sólidos suspendidos son determinados mediante espectrofotometría en el laboratorio DPEC de la facultad de Ingeniería Química. Tabla 26. Datos de sólidos suspendidos en el proceso de sedimentación. Tiempo (min) Condición Inicial SSo = 39 mg/l Condición Inicial SSo = 47 mg/l Profundidad (m) Profundidad (m) 0,4 m 0,8 m 1,2 m 1,6 m 0,4 m 0,8 m 1,2 m 1,6 m Válvula Válvula Válvula Válvula Válvula Válvula Válvula Válvula 1 2 3 4 1 2 3 4 5 33 34 36 38 31 38 41 44 10 20 24 26 29 22 35 39 40 20 13 17 23 28 20 27 35 36 30 12 15 22 27 17 25 28 30 40 11 15 20 26 15 19 24 27 50 10 13 19 25 13 15 23 24 60 9 12 17 23 6 9 14 18 2.6.6. Cuantificación de la demanda de cloro. Para definir el requerimiento de cloro a la muestra clarificada y filtrada se dosifican diferentes dosis de cloro (Ca(ClO) 2 ac) y en función del tiempo de reacción se cuantifica el contenido de cloro (ClO- ) libre residual. Se realiza en función del procedimiento establecido en el literal 2.5.5 Tabla 27. Datos para la cuantificación de la demanda de cloro Jarra Dosis(ppm) tiempo(min) 0 5 10 15 20 25 30 1 0,2 C.L.R (mg/l) 0,2 0,15 0,1 0 0 0 0 2 0,55 C.L.R (mg/l) 0,55 0,45 0,15 0,1 0,05 0 0 3 1 C.L.R (mg/l) 1 0,9 0,6 0,5 0,45 0,35 0,3 83 4 1,4 C.L.R (mg/l) 1,4 1,3 1,1 1 0,9 0,85 0,7 5 1,7 C.L.R (mg/l) 1,7 1,6 1,45 1,3 1,25 1,2 1,1 6 1,9 C.L.R (mg/l) 1,9 1,8 1,7 1,65 1,6 1,5 1,45 3. CÁLCULOS, INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS Y OPCIONES DE MEJORA En este capítulo se presentan los cálculos realizados para la evaluación de las unidades de tratamiento existentes en la planta de tratamiento San Carlos. Además, a través de los resultados obtenidos en ensayos de laboratorio se determinan variables y condiciones de operación para cada uno de los procesos químicos y operaciones unitarias que se requieren para obtener agua potable. Las mejores condiciones de operación fueron reproducidas en la unidad piloto con la finalidad de conocer si existen falencias durante el tratamiento y corregirlas antes de que las opciones de mejora sean planteadas. Al final se propone las opciones de mejora, comparando las condiciones de operación actuales en la planta, con las que fueron determinadas en ensayos de laboratorio y en unidades piloto. 3.1. Cálculos 3.1.1. Evaluación de la torre de aireación 3.1.1.1. Dimensiones de la torre de aireación Largo (L) = 130 cm. Ancho (A) = 130 cm. Número de bandejas (NB): 4 Altura del fondo de la bandeja = 15 cm. Distancia entre bandejas = 45 cm. Nº de orificios/bandeja = 175 ɸorificios = 0,012m. 3.1.1.2. Área individual de cada bandeja (Ai) Ai = L*A (47) 84 Ai= 1,30*1,30 Ai= 1,69 m2 3.1.1.3. Cálculo de la carga de superficie (q) Caudal que se procesa en la planta San Carlos (Q) = 5,67 l/s (48) 3.1.1.4. Cálculo del tiempo de exposición entre bandejas (te) (49) √ te = tiempo de exposición entre bandejas, s d = Distancia o separación entre bandejas, m g = gravedad específica, m/s2 √ El tiempo de exposición total es: (50) 85 3.1.1.5. Cálculo del caudal que pasa a través de cada orificio (Qorificio) (51) Donde: Qorif= Caudal que pasa a través de cada orificio en la bandeja, m3/día d=Diámetro de los agujeros de la bandeja, m q= Carga de superficie, m3/m2-día 3.1.2. Evaluación de la unidad de filtración en la planta San Carlos. 3.1.2.1. Cálculo de la tasa de filtración. Para la unidad de filtración en la planta San Carlos que consta de dos filtros a presión ascendentes y considerando que el caudal alimentado a los filtros es de 3,47 l/s, el líquido se distribuye de forma paralela, entonces el caudal que pasa por cada unidad de filtración corresponde a 1,74 l/s. Por consiguiente, se plantea el siguiente procedimiento de cálculo (52) Donde: Q = Caudal de operación, (m3/día) Dc= Diámetro interno del filtro a presión, (m) H= Altura del lecho filtrante de arena, (m) q= Tasa de filtración, (m3/m2-día) 86 A= Área del filtro de arena, (m2) Qtotal = 150,336*2= 300,67m3/día. El caudal que pasa por cada unidad de filtración es de 150,336 m3/día, entonces el caudal total (Qtotal) es de 300,67 m3/día. Cálculo del área de los filtros (A) (53) Cálculo de la tasa de filtración (q) Reemplazando valores en la ecuación 52 se obtiene la tasa de filtración en cada filtro a presión. 3.1.2.3. Cálculo del volumen de agua de lavado. Es un proceso en contracorriente “retrolavado” hasta la fluidización del lecho, el tiempo de lavado es de 10 minutos y se lo realiza después de que la planta opere 24 horas. Qtotal = 150,336*2= 300,67m3/día 87 Tabla 28. Resultados de la unidad de filtración. Operación Valor Número de filtros Unidades 2 Caudal que pasa por cada filtro Área de filtración Carrera de trabajo en cada filtro 150,33 m3/día 0,53 m2 24 horas Velocidad de filtración 283,65 m / m2día Volumen de lavado/unidad de filtración 1,044 m3 10 min Tiempo de retrolavado/unidad de filtración 3 3.1.3. Cálculo y Análisis de las pruebas de tratabilidad. 3.1.3.1. Cantidad de hipoclorito de sodio requerido para oxidar el hierro y manganeso. El hipoclorito de sodio se inyecta antes de ingresar a la torre de aireación, tiene como finalidad ayudar a que el hierro se oxide con mayor facilidad, entonces la dosificación que se requiere se puede determinar estequiométricamente. 2 Fe2+ + ClO- + 2H+ Mn2+ + OCl- + 2OH- 2 Fe3+ + Cl- + H2O MnO2 + Cl- + H2O Se requiere 0,67 ppm de NaClO por cada 1 mg Fe2+/l que contenga el agua cruda. 88 11 12 Se requiere 1,35 ppm de NaClO por cada 1 mg Mn2+/l que contenga el agua cruda. La cantidad promedio de hierro y manganeso que contiene en agua cruda es: Fe2+ = 2,87 mg/l Mn2+ = 0,17 mg/l Consumo de NaClOtotal = NaClOFe2+ + NaClOMn2+ Consumo de NaClOtotal = 1,92 + 0,2295 (54) Consumo de NaClOtotal = 2,15 Considerando que el hipoclorito comercial tiene una concentración de 10% p/p. Valor de concentración entregado por los proveedores. Para asegurar el proceso de oxidación se adiciona un exceso del 10% entonces: 3.1.3.2. Relación entre gradiente de velocidad e intensidad de mezcla. En el proceso de coagulación se tiene una gradiente de velocidad de aproximadamente 80 s-1 (100rpm) y para el proceso de floculación se requiere gradientes menores a 80s-1. Por lo tanto, se genera un gradiente de floculación para producir la transición desde un régimen turbulento (G=80 - 100s-1) hacia un régimen laminar (10 – 50 s-1) para que se dé la formación del floc. Para obtener la intensidad de mezcla se relaciona la intensidad producida por los agitadores en prueba de jarras (rpm) y el gradiente de velocidad (G) que produce dicha velocidad. Se calcula la intensidad de mezcla en rpm, en función de la ecuación 1 que es la que se encuentra a continuación. RPM = 3*G0,8 89 Con esta relación se puede determinar la intensidad de mezcla generado por un determinado gradiente de velocidad. [24] A continuación se tabulan diferentes valores de intensidad de mezcla a partir de un gradiente (G) seleccionado. Tabla 29. Valores de RPM para diferentes Gradientes G(s-1) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 RPM 19 33 46 57 69 79 90 100 110 119 A partir de estos datos se construye el gráfico de revoluciones por minuto Vs gradiente de velocidad RPM =f(G) 140 120 rpm 100 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 120 Gradiente de velocidad (s-1) Gráfico 1. Relación entre intensidad de mezcla (rpm) y gradiente de velocidad (G) 90 3.1.3.3. Relación entre gradiente de velocidad y velocidad de flujo. En el diseño de floculadores hidráulicos, algunos autores recomiendan rangos de velocidad en los que se pueden trabajar. Arboleda hace las siguientes recomendaciones para floculadores hidraúlicos de tipo vertical: Tabla 30. Valores teóricos de referencia para el proceso de floculación Proceso de floculación: Valores teóricos recomendados G(s ) T(min) ν (velocidad de flujo) (m/s) 10 -100 15 - 20 0,10 – 0,60 -1 ν =f(G) 0,7 y = 0,0056x + 0,0447 R² = 1 0,6 ν (m/s) 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0 20 40 60 G 80 100 120 (s-1) Gráfico 2. Relación entre velocidad lineal y gradiente de velocidad A partir del gráfico 2 se obtiene la siguiente expresión [25]: ν = 0,0056 *G + 0,0447 (55) Entonces, se determina la velocidad de flujo para diferentes gradientes de velocidad y se obtiene: 91 Tabla 31. Velocidad de flujo en función del gradiente de velocidad G(s-1) ν(m/s) 10 0,100 20 0,156 30 0,211 40 0,267 50 0,322 60 0,378 70 0,433 80 0,489 90 0,544 100 0,600 Fuente: REA Naranjo, Melissa. Diseño de un sistema de floculación hidráulica en la planta El Placer. Trabajo de Grado. Ingeniero Químico. Universidad Central del Ecuador. Facultad de Ingeniera Química. Quito. 2012. p. 98 3.1.3.4. Relación entre gradiente de velocidad y tiempo óptimos de floculación. Esta relación permite conocer la intensidad de mezcla que se requiere durante el proceso de floculación para obtener la mayor remoción de partículas durante el proceso. Se eligieron tres gradientes de velocidad (Tablas 23, 24 y 25) a partir de los cuales se determina el tiempo recomendable de floculación y además el gradiente con el que se va a trabajar para el diseño del floculador. Esto de determina en base a la turbidez generada, la misma que fue determinada en el espectrofotómetro del laboratorio DPEC de la facultad de Ingeniería Química. El procedimiento que se sigue es el establecido en la Tabla 16. Tabla 32. Valores de turbiedad y SS para G=50 s-1 Gradiente de velocidad (50 s-1) Tiempo Turbiedad Sólidos Suspendidos (SS) (min) (NTU) (mg/l) 7 9 28 13 3 22 20 4 23 27 4 26 33 2 22 40 3 24 92 Tabla 33. Valores de turbiedad y SS para G=30 s-1 Gradiente de velocidad (30 s-1) Tiempo Turbiedad Sólidos Suspendidos (SS) (min) (NTU) (mg/l) 7 5 27 13 4 30 20 2 26 27 3 24 33 5 23 40 4 17 Tabla 34. Valores de turbiedad y SS para G=10 s-1 Gradiente de velocidad (10 s-1) Tiempo Turbiedad Sólidos Suspendidos (SS) (min) (NTU) (mg/l) 7 10 21 13 5 20 20 3 19 27 4 18 33 4 19 40 5 16 Con los datos de las tablas 32, 33 y 34 se construye el Gráfico 3. 93 Turbiedad =f(tiempo) 12 Turbidez (NTU) 10 8 50 s-1 6 30 s-1 4 10 s-1 2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 tiempo (min) Gráfico 3. Relación entre turbidez y tiempo de floculación para cada gradiente de velocidad seleccionado. En el gráfico 3 se puede determinar cuál es el mejor tiempo de floculación, el criterio que se utiliza es seleccionar el tiempo en el que existe menor turbiedad para cada gradiente seleccionado. Tabla 35. Tiempos y gradientes óptimos de floculación G(s-1) 50 30 10 T(min) 13 20 20 Nf(NTU) 3 2 3 El tiempo de floculación se lo realiza en aproximadamente 15 min que es un valor que se encuentra dentro del rango recomendable en la Norma ASTM D2035-13. Eficiencia de la unidad de floculación.- A partir de los datos de turbiedad (Tabla 35) obtenidos con los tiempos y gradientes de velocidad óptimos, se determina el % de remoción de sólidos suspendidos. ( ) Para un gradiente de 50 s-1, se tiene el menor valor de turbiedad residual en 13 min. 94 (56) Datos: Nf = Turbiedad final = 3NTU No= Turbiedad inicial = 16 NTU ( ) Tabla 36. Porcentaje de turbiedad removida. G(s-1) T(s) Nf(NTU) %Turbiedad removida 50 780 3 81,25 30 1200 2 87,5 10 1200 3 81,25 Cálculo del Número de Camp.- Para el diseño de floculadores los valores de G y T obtenidos experimentalmente generan resultados de calidad del agua tratada aceptables y se enmarcan en rangos establecidos. El producto de G*T es el llamado número de Camp que da una medida del número de colisiones de partículas, cuantifica la probabilidad de formar flóculos y en esencia nos indica que, cuanto más tiempo agitemos y mayor variabilidad de velocidades forcemos al fluido, más eficaz será el proceso de floculación. Sin embargo, los flóculos crecerán hasta un tamaño máximo por encima del cual la agitación los disgrega. Tabla 37. Criterios para el diseño del floculador según el Número de Camp G(s-1) T(s) G*T 10 -100 1200 - 1800 30000 - 150000 Fuente: CÁNEPA, L. Floculdores Hidráulicos [en línea], [fecha de consulta: 22 de Junio de 2014]. Disponible en: http://www.bvsde.ops-oms.org/bvsacd/scan/014991/01499104.pdf Para un gradiente de velocidad (G) de 50 s-1 en un tiempo óptimo de floculación de 13 minutos (Tabla 35) se tiene: G*T = 50*13*60= 39000 95 Tabla 38. Resultados del Número de Camp G(s-1) Tiempo Nf(NTU) G*T óptimo(s) 50 780 3 39000 30 1200 2 36000 10 1200 3 12000 3.1.3.5. Cálculo de la velocidad de sedimentación. Para determinar la velocidad de sedimentación, se plantea seguir el algoritmo propuesto en la parte teórica para sedimentación con floculación. a) Etapa 1: Con los datos experimentales que se encuentran tabulados en la tabla 26 y con la utilización de las ecuaciones 22, 23 y 24 se determina el %SS separados. - Cálculo modelo para determinar la fracción de sólidos en suspensión (x) Para un tiempo t= 5 min y 0,4 m de altura para SSo=39 mg/l - Cálculo modelo para determinar el porcentaje de sólidos en suspensión (y) Para un tiempo t= 5 min y 0,4 m de altura para SSo=39 mg/l - Cálculo modelo para determinar el porcentaje de sólidos separados (z) Para un tiempo t= 5 min y 0,4 m de altura para SSo=39 mg/l 96 Tabla 39. Resultados del %SS separados en función de alturas (SSo = 39 mg/l) Concentración Inicial de SSo = 39 mg/l Tiempo 0,4 m 0,8m 1,2m 1,6m 0 0 0 0 0 5 15,38 12,82 7,69 2,56 10 48,72 38,46 33,33 25,64 20 66,67 56,41 41,03 28,21 30 69,23 61,54 43,59 30,77 40 71,79 61,54 48,72 33,33 50 74,36 66,67 51,28 35,9 60 76,92 69,23 56,41 41,03 Tabla 40. Resultados del %SS separados en función de alturas (SSo = 47 mg/l) Concentración Inicial de SSo = 47 mg/l Tiempo 0,4 m 0,8m 1,2m 1,6m 0 0 0 0 0 5 34,04 19,15 12,77 6,38 10 53,19 25,53 17,02 14,89 20 57,45 42,55 25,53 23,4 30 63,83 46,81 40,43 36,17 40 68,09 59,57 48,94 42,55 50 72,34 68,09 51,06 48,94 60 87,23 80,85 70,21 61,7 b) Etapa 2: Con los datos de las tablas 39 y 40 se construyen los gráficos de %SS separados=f(tiempo). Ver Gráfico 4 y 5 respectivamente. 97 % SS separados =f(tiempo) 90 80 SS separados (%) 70 60 50 0,4 m 40 0,8m 30 1,2m 20 1,6m 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 tiempo(min) Gráfico 4. Porcentaje de sólidos en suspensión (%SS) separados en función del tiempo. (SSo = 39 mg/l) Polinómica (0,4): %SSseparados -9E-06t4 + 0,0023t3 – 0,189t2 + 6,3243t – 3,2323 Polinómica (0,8): %SSseparados -1E-06t4 + 0,0011t3 – 0,1225t2 + 4,8805t – 2,4917 Polinómica (1,2): %SSseparados -1E-05t4 + 0,002t3 – 0,1361t2 + 4,1791t – 2,5488 Polinómica (1,6): %SSseparados -5E-06t4 + 0,0013t3 – 0,0964t2 + 3,0214t – 2,5603 % SS separados =f(tiempo) 100 90 SS separados (%) 80 70 0,4 m 0,8m 60 50 40 30 1,2m 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 tiempo(min) Gráfico 5. Porcentaje de sólidos en suspensión (%SS) separados en función del tiempo. (SSo = 47 mg/l) 98 Polinómica (0,4): %SSseparados -4E-05t4 + 0,0069t3 – 0,3641t2 + 7,9256t + 1,3293 Polinómica (0,8): %SSseparados -2E-05t4 + 0,0026t3 – 0,1385t2 + 3,8704t +0,6734 Polinómica (1,2): %SSseparados 1E-05t4 - 0,0015t3 + 0,0125t2 + 1,4326t + 1,9357 Polinómica (1,6): %SSseparados 9E-06t4 - 0,0008t3 + 0,0138t2 + 1,2479t + 0,1999 c) Etapa 3: Para la realización de los gráficos 6 y 7 se lo puede realizar a partir de las curvas del gráfico 4 y 5, leyendo las abscisas (t, min) correspondientes a valores determinados de % SS separados para las cuatro alturas (puntos de muestreo); o también; se puede obtener los datos con ayuda de la polinómica. Tabla 41. Datos base del gráfico 6 para la construcción de las curvas isoconcentración (SSo = 39 mg/l) SSo = 39 mg/l tiempo (min) %SS separados 0,4 m 0,8 m 1,2 m 1,6 m 0 0 0 0 0 5 0,50 1,95 3,32 5,55 10 3,30 3,91 5,44 6,00 15 4,88 5,44 6,42 7,72 20 5,68 6,40 7,41 8,79 25 6,42 7,37 8,42 9,87 30 7,18 8,45 9,37 27,07 35 7,94 9,31 12,19 46,73 40 8,70 10,90 18,61 57,91 45 9,44 13,70 32,59 --- 50 10,71 16,42 44,94 --- 55 13,51 19,22 57,10 --- 60 16,29 26,97 --- --- 99 Profundidad = f(tiempo) 0 5 10 15 20 tiempo (min) 25 30 35 40 45 50 55 0 0,2 Profundidad (m) 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 5% SS separados 10% SS separados 15% SS separados 20% SS separados 25% SS separados 30% SS separados 35% SS separados 40% SS separados 45% SS separados 50% SS separados 55% SS separados Gráfico 6. Curvas de isoconcentración (Condición inicial 39 mg/l). Tabla 42. Datos base del gráfico 7 para la construcción de las curvas de isoconcentración (SSo = 47 mg/l) %SS separados 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 SSo = 47 mg/l tiempo (min) 0,4 m 0,8 m 0 0 0,74 1,31 1,45 2,61 2,20 3,92 2,94 5,67 3,67 9,59 4,41 12,63 5,25 15,57 6,56 18,50 7,86 25,77 9,17 32,51 14,27 36,43 24,00 40,51 32,76 46,38 44,52 51,50 51,79 55,42 55,15 59,33 100 1,2 m 0 1,96 3,92 7,64 13,51 19,38 23,00 26,36 29,72 35,37 45,04 52,07 54,67 57,28 59,89 ----- 1,6 m 0 3,92 7,13 10,13 16,01 21,26 25,17 29,09 36,01 43,84 50,83 56,00 58,67 --------- 60 Profundidad = f(tiempo) 0 5 10 15 20 25 tiempo (min) 30 35 40 45 50 55 60 65 0 0,2 Profundidad (m) 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 5% SS separados 10% SS separados 15% SS separados 20% SS separados 25% SS separados 30% SS separados 35% SS separados 40% SS separados 45% SS separados 50% SS separados 60% SS separados 65% SS separados 70 % SS separados Gráfico 7. Curvas de isoconcentración (Condición inicial 47 mg/l). d) Etapa 4: Calcular el % de SS separado y el factor de carga superficial (m3/m2d), mediante las ecuaciones 25 y 26 y con la ayuda de la tablas 41 y 42. - Cálculo modelo para obtener el % de SS separados correspondiente al 15% Para un tiempo t= 5 min y 0,4 m de altura para SSo = 39 mg/l Donde: h1= Altura al intervalo seleccionado H= Altura total hasta la válvula 4 (Correspondiente a 1,6 m) 10 = intervalos de separación 101 Los sólidos suspendidos separados, expresados en % para t = 7,72 min serán: Tabla 43. Determinación del %SSseparados para un tiempo de 7,72 min. h1 100% de separación del 15% 1er intervalo (20%) 2do intervalo (30%) 3er intervalo (40%) 4to intervalo (50%) 5to intervalo (60%) (h1/1,6m)*10 % 0,80625 0,35625 0,21875 0,18125 0,11875 15,00 8,06 3,56 2,19 1,81 1,19 %SSseparados 31,81 1,29 0,57 0,35 0,29 0,19 Por lo tanto para un tiempo de 7, 72 minutos se obtiene un total de SS separados de 31,81%. Tabla 44. Velocidad de sedimentación y factor de carga Velocidad de sedimentación Condiciones Iniciales SSo= 39 mg/l tiempo t, (min) Velocidad de Factor Condiciones Iniciales SSo= 47 mg/l SS sedimentación de carga separados 3 Vs, (m/h) tiempo Velocidad de Factor de SS sedimentación carga separados 2 m /m * d % t, (min) Vs, (m/h) m3/m2*d % 5,55 17,3 415,14 20,19 3,9 24,62 590,77 16,25 6 16 384 23,25 7,13 13,46 323,14 24,06 7,72 12,44 298,45 31,81 10,1 9,50 228,12 29,14 8,8 10,91 261,82 37,5 16 6,00 144,00 36,13 9,87 9,73 233,43 43,25 25,16 3,82 91,57 49,31 27,1 3,54 85,02 64,69 36 2,67 64,00 62,81 46,7 2,06 49,34 73,94 43,8 2,19 52,60 70,94 102 Porcentaje de SS separados =f(factor de carga) %SSseparados=f(Factor de carga) 80 70 SS separados(%) 60 50 40 30 20 10 0 0 100 200 300 400 500 Factor de carga (m3/m2día) Gráfico 8. %SSseparados =f(Factor de carga) [SSo = 39 mg/l] %Ssseparados=f(Factor de carga) 80 70 60 SS separados (%) - 50 40 30 20 10 0 0 100 200 300 Factor de carga 400 500 (m3/m2día) Gráfico 9. %SSseparados =f(Factor de carga) [SSo = 47 mg/l] 103 600 Porcentaje de SS separados = f(velocidad de sedimentación y tiempo) 20 50 18 45 16 40 14 35 12 30 10 25 8 20 6 15 4 10 2 5 0 tiempo (minj) Velocidad de sedimentación(m/h) %SS separados =f(velocidad de sedimentación y tiempo) 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 % SS separados Gráfico 10. Curva %SS separados=f(velocidad de sedimentación y tiempo) [SSo = 39 mg/l] 28 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 24 20 16 12 8 4 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 % SS separados Gráfico 11. Curva %SS separados=f(velocidad de sedimentación y tiempo) [SSo =47mg/l] 104 tiempo (minj) %SS separados =f(velocidad de sedimentación y tiempo) Velocidad de sedimentación(m/h) - Interpretación del gráfico En los gráficos 10 y 11 el punto de intersección entre las dos curvas nos indica los parámetros de diseño para la evaluación del sedimentador que son: la velocidad de sedimentación y tiempo de residencia. En el gráfico 10 la velocidad de sedimentación es de 6,6 m/h y el tiempo de residencia de 17 minutos y en la gráfico 11 la velocidad de sedimentación es de 7 m/h y un tiempo de 13 minutos. Los tiempos mencionados indican el tiempo de residencia mínimo que se requiere en el sedimentador de placas planas paralelas. Los valores de la velocidad y el tiempo aplicables para el diseño se deben corregir considerando un factor de seguridad de 2,5. 3.1.3.6. Demanda de cloro. Para su determinación se parte de los datos experimentales de la Tabla 27. Cloro libre residual =f(tiempo) 2 1,8 1,6 C.L.R (ppm) 1,4 0,2 ppm 1,2 0,55 ppm 1 1 ppm 0,8 1,4 ppm 0,6 1,7 ppm 0,4 1,9 ppm 0,2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 tiempo (min) Gráfico 12. Cloro libre residual =f(tiempo) Interpretación del gráfico Este gráfico representa la cantidad de cloro libre residual (CLR) después de 30 minutos, se requiere 1,7 ppm de cloro activo para conseguir después del tiempo mencionado una cantidad de 1,1 ppm de cloro libre residual, valor que se encuentra dentro del rango requerido para considerar al agua como potable según la norma INEN 1108. 105 3.2. Resultados obtenidos en pruebas de tratabilidad Una vez realizados los respectivos cálculos del literal 5.1, se obtuvo los mejores resultados de diferentes variables, las mismas que se utilizan para reproducir el tratamiento a nivel de laboratorio antes de ser implementados en la planta piloto. Los resultados obtenidos se presentan en las siguientes tablas (Ver Tabla 45 y 46): 106 Tabla 45. Resultados de tratamiento con las condiciones óptimas de trabajo (Prueba 1) Características Agua Cruda Lugar: Facultad de Ingeniería Química Prueba: 1 Fecha: 09/07/2014 Cantidad de muestra: 7 litros pH: 7,79 CONDICIONES PARA PRUEBA DE JARRAS Color (Pt/Co): 67 Turbidez (NTU): 19 Hierro (mg/l) : 3,04 Alcalinidad Total (mgCaCO3/l): 35 Características Agua Aireada NaClO= 20,7 ml sln/m3=2,07ppm q =289,9 m3/d.m2 Qingreso a la torre = 0,4 l/s pH: 7,84 Color (Pt/Co): 61 Turbidez (NTU): 17 Hierro (mg/l) : 1,85 Alcalinidad Total (mgCaCO3/l): 30 Mezcla Rápida rpm 100 t(min) 1 Mezcla Lenta Sedimentación rpm 69 46 19 G(s-1) 50 30 10 t (min) 5 5 5 Químicos (Dosis) Solución de cal (mg/L) Policloruro de aluminio (mg/L) Ayudante de floculación (mg/L) Tiempo de primer floc (min) Tamaño de floc Parámetros de Agua Sedimentada Turbidez (NTU) Color (Pt/Co) pH Hierro (mg/l) 1 30 55 0,1 1 Mediano 6 20 8,28 0,20 Número de Jarra 2 3 30 30 60 65 0,1 0,1 1 1 Mediano Mediano 3 9,5 8,11 0,11 Observaciones: Los mejores resultados se obtienen en la jarra 2. 107 17 min 6 12,8 8,21 0,16 4 30 70 0,1 1 Mediano 5 9,8 8,3 0,39 Tabla 46. Resultados de tratamiento con las condiciones óptimas de trabajo (Prueba 2) Características Agua Cruda Lugar: Facultad de Ingeniería Química Prueba: 2 Fecha: 09/07/2014 Cantidad de muestra: 7 litros pH: 7,79 CONDICIONES PARA PRUEBA DE JARRAS Color (Pt/Co): 67 Turbidez (NTU): 19 Hierro (mg/l): 3,04 Alcalinidad Total (mgCaCO3/l): 35 Mezcla Rápida rpm t(min) 100 1 Mezcla Lenta Sedimentación rpm 69 46 19 G(s-1) 50 30 10 t (min) 5 5 5 17 min Características Agua Aireada NaClO= 20,7 ml sln/m3=2,07ppm Químicos (Dosis) q =289,9 m3/d.m2 Solución de cal (mg/L) Policloruro de aluminio (mg/L) Ayudante de floculación (mg/L) Tiempo de primer floc (min) Tamaño de floc Parámetros de Agua Sedimentada Turbidez (NTU) Color (Pt/Co) pH Hierro (mg/l) Qingreso a la torre = 0,4 l/s pH: 7,84 Color (Pt/Co): 61 Turbidez (NTU): 17 Hierro (mg/l) : 1,85 Alcalinidad Total (mgCaCO3/l): 30 1 30 58 0,1 1 Mediano 5 12,3 8,32 0,11 Número de Jarra 2 3 30 30 60 62 0,1 0,1 1 1 Mediano Mediano 3 9,5 8,11 0,12 6 6,7 83 0,18 4 30 64 0,1 1 Mediano 5 12,8 8,3 0,10 Observaciones: La mejor dosis de químico es la jarra 2, por lo tanto esta dosis es la que se pretende dosificar en los ensayos de la unidad piloto. 108 3.3. Ensayos realizados en la planta piloto La planta piloto consta de las siguientes unidades: Torre de aireación Unidad de clarificación la cual tiene la unidad de coagulación, floculación y sedimentación. Unidad de filtración y desinfección. En función de los requerimientos de tratamiento, se deben utilizar todas las unidades mencionadas. Con los resultados óptimos obtenidos en las pruebas de jarras se generan iguales condiciones para reproducirlos en la unidad piloto de tratamiento de agua. 3.3.1. Pruebas de oxidación. En el tanque en el que se encuentra el agua cruda se adiciona hipoclorito de sodio (Solución al 10% según datos del proveedor). La cantidad ha adicionarse se determinó estequiométricamente en función del contenido de Fe2+ y se pueden observar en el numeral 3.1.3.1. El consumo de hipoclorito de sodio es: La dosis aplicada sería de 2,074 ml de NaClO/m3 agua tratada. Para realizar el tratamiento en la planta piloto se requiere de un volumen de 1,0818 m3 de agua cruda, entonces la cantidad de hipoclorito de sodio requerida corresponde a: 22,44 ml sln NaClO al 10% 3.3.2. Pruebas de aireación. En función del caudal de operación de la planta San Carlos sujeto de evaluación, se procede a establecer como caudal de prueba 0,4 l/s para lograr las mismas condiciones de la planta real. 109 La planta de tratamiento tiene una velocidad de paso o carga de superficie q= 289,9 m3/m2día (Ver numeral 3.1.1.4.). Este valor debe ser generado en la planta piloto. Los cálculos para establecer el caudal de 0,4 l/s en la unidad piloto se detallan a continuación: Datos: Largo (L) = 35 cm. Ancho (A) = 35 cm. Número de bandejas (NB): 4 Altura del fondo de la bandeja = 15 cm. Distancia entre bandejas = 45 cm. Nº de orificios/bandeja = 90 Diámetro de orificios (ɸorificios )= 0,008 m. 3.3.2.1. Cálculo del caudal que debe pasar a través de la unidad piloto (Qp). Ai piloto = 0,123 m2 (57) El caudal que debe existir en la unidad piloto es de 0,4 l/s para lograr la misma velocidad de paso que existe en la planta de tratamiento San Carlos. 110 3.3.2.2. Eficiencia de la torre de aireación. Con los datos de la Tabla 17 se calcula la eficiencia de la torre de aireación en función de la concentración de Fe2+ que presenta el agua cruda. ( (58) ) Cálculo modelo para la muestra N=1 Datos: = 0,92 mg/l = 2,01 mg/l ( ) 54,2 % Tabla 47. Resultados de la eficiencia de la torre de aireación N de muestras Agua Cruda Fe2+ (ppm) Agua oxidada + aireada* Fe2+ (ppm) % Eficiencia 1 2,01 0,92 54,2 2 3,59 2,55 29 3 3,37 2,48 26,5 4 2,70 1,68 37,8 5 2,50 1,23 50,8 6 3,04 1,85 39,1 PROMEDIO 2,87 39,6% *Después de adicionar 2,074 ppm de hipoclorito de sodio (Ver literal 3.3.1) se alimenta el agua cruda (0,4 l/s) a la torre de aireación y se determina la cantidad de Fe2+. 111 3.3.3. Pruebas de pretratamiento en la unidad de clarificación. Para el pretratamiento en la etapa de clarificación se debe adicionar cal para mejorar la alcalinidad del agua, se prepara una solución de cal y se adiciona en los tanques donde se encuentra la muestra preaireada con cloro. La dosificación es considerada según las mejores condiciones de operación (Tabla 22). V= Capacidad total de la planta = 1081,8 L = 1,0818 m3 T = Tiempo de residencia del agua en la planta = 2253,75 s= 37,5 min. D= Dosis de cal = 30 mg/L = 30 g/m3 La cal presenta una pureza de 99% Se necesita adicionar 32,78 g de Ca(OH)2 en los tanques donde se encuentra el agua aireada para conseguir aproximadamente 30 ppm. Al añadir la cal se puede comprobar que el pH del agua aumenta de 7,5 a 8,51 aproximadamente. 3.3.4. Pruebas de coagulación en la unidad piloto 3.3.4.1. Dosificación de policloruro de aluminio (PAC). La dosificación del policloruro de aluminio en la unidad piloto es continua y se realiza mediante un sistema Venturi. Q= Caudal de proceso= 0,48 l/s V= Capacidad total de la planta = 1081,8 l = 1,0818 m3 T = Tiempo de residencia del agua en la planta = 2253,75 s= 37,5 min. D= Dosis de policloruro de aluminio (PAC) = 60 mg/L = 60 g/m3 ρPAC = 1,23 g/mL Capacidad de almacenamiento del tanque dosificador = 20 L 112 Se debe adicionar 52,77 mL de PAC en el tanque de dosificación y aforar hasta 20 L. La solución de 20 L debe consumirse en 37,5 min que representa el tiempo de tratamiento en la planta piloto, por lo tanto el caudal de dosificación debe ser: Dosificación de PAC es de 533 mL sln cada minuto para alcanzar 60 ppm. 3.3.4.2. Mezcla Rápida. Tiene la finalidad de crear un régimen turbulento en un tiempo determinado para que se realice la coagulación. Las principales variables para el diseño de la mezcla rápida son: tiempo de agitación, dosis de coagulante y nivel de agitación (gradiente de velocidad). Datos: Q= Caudal de proceso= 0,48 l/s =0,48 *10-3 m3/s Intensidad de mezcla para coagulación = 100 rpm ɸtubería = 0,75 pulg = 0,0191 m L = Longitud de la tubería desde la dosificación hasta el ingreso al floculador = 0,50 m G▲= 80 s-1 ■ = 0,48 m/s ▲ Existe una relación entre intensidad de mezcla (rpm) y el gradiente de velocidad (G), por lo tanto para 100 rpm se consigue un gradiente de 80 s-1 (Ver Tabla 29) ■ En la tabla 31 o mediante la ecuación 55 se puede determinar la velocidad de flujo a partir del gradiente seleccionado (G= 80 s-1). (59) Donde: = Área en la sección de mezcla rápida, m2 = Caudal en la planta piloto = 0,00048 m3/s = Velocidad correspondiente al gradiente de velocidad = 0,48 m/s 113 Volumen = Ac*Longitud (60) Volumen = 0,001 m2*0,5 m =0,0005 m3 (61) Tiempo de residencia en la tubería para que se realice la mezcla rápido bajo las condiciones de diseño. 3.3.5. Pruebas de floculación. La unidad piloto cuenta un floculador hidráulico de flujo vertical, tiene tres zonas de floculación que originan los gradientes de velocidad obtenidos en prueba de jarras (50, 30, 10 s-1). En el proceso de floculación se establecen como principales variables de operación la intensidad de mezcla y tiempo de floculación. Debido a que el floculador ya se encuentra construido se conoce el volumen de la unidad y además se determinó el tiempo de residencia requerido para la floculación que es de 15 minutos (Ver Tabla 35), con esos datos se determina el caudal al que debe operar la planta piloto. 3.3.5.1. Capacidad del floculador Datos: Altura útil (H) = 0,45 m Ancho (Af) = 0,80 m Largo (L) = 1,20 m 114 Vf = H*Af*L (62) Vf= 0,45*0,80*1,20 Volumen floculador de la planta piloto (Vf) = 0,432 m3 3.3.5.2. Caudal de operación en la planta piloto. Se determina a partir de la ecuación 61. Donde: Trf =Tiempo de residencia del floculador = 15 min (Ver Tabla 35 ) Q= Caudal de proceso (m3/min) Para lograr las condiciones del floculador que se pretende diseñar en la planta de tratamiento San Carlos se requiere que la unidad piloto trabaje con un caudal de 0,48 l/s. 3.3.5.3. Zonas de floculación. En función del tiempo de residencia (15 min), se determinó tres zonas para el proceso de floculación con un tiempo 5 min/zona. El valor de gradiente seleccionado es de 50, 30, 10 s-1 determinado en pruebas de tratabilidad (Ver tablas 32,33 y 34) Zona I de floculación Gradiente de velocidad, G = 50s-1 Longitud de sección, li = 0,40 m Capacidad en cada sección, Vi = 0,144 m3 Número de placas, Np = 7 Distancia entre placas, e = 0,05 m A partir de la ecuación 61 se determina el tiempo de residencia para la Zona I del floculador. 115 Donde: = Tiempo de residencia en la Zona I del floculador, s El tiempo de residencia en la Zona I del floculador es de 5 min y el mismo tiempo está diseñado para la Zona II y III. Zona II de floculación Gradiente de velocidad, G = 30 s-1 Longitud de sección, li = 0,40 m Capacidad en cada sección, Vi = 0,144 m3 Número de placas, Np = 3 Distancia entre placas, e = 0,09 m Zona III de floculación Gradiente de velocidad, G = 10 s-1 Longitud de sección, li = 0,40 m Capacidad en cada sección, Vi = 0,144 m3 Número de placas, Np = 1 Distancia entre placas, e = 0,25 m 3.3.5.4. Dosificación del ayudante de floculación. El floculante utilizado es poliacrilamida, la misma que es adicionada al inicio del floculador, justamente en la primera placa. Q= Caudal de proceso= 0,48 L/s V= Capacidad total de la planta = 1081,8 L = 1,0818 m3 116 = Tiempo de residencia para el proceso de floculación = 15 min. T = Tiempo de residencia del agua en la planta = 2253,75 s = 37,5 min. D= Dosis de poliacrilamida (PAM) = 0,1 mg/L = 0,1 g/m3 Capacidad de almacenamiento del tanque dosificador = 1 L Se requiere adicionar 0,1082 g de PAM en el tanque de dosificación y aforar hasta 1 L. La solución de 1 L debe consumirse en 37,5 min que representa el tiempo de tratamiento en la planta piloto, por lo tanto el caudal de dosificación debe ser: Dosificación de PAM es de 26,7 ml sln cada minuto para alcanzar 0,1 ppm. 3.3.6. Pruebas de sedimentación. La planta piloto cuenta con un sedimentador de placas inclinadas, las variables a considerarse en el proceso son: tiempo de residencia, dimensiones del tanque y ángulo de inclinación de la placa. 3.3.6.1. Capacidad del sedimentador Datos: Altura útil H = 0,45 m Ancho As = 0,80 m Largo L = 1,20 m Ángulo de inclinación θ= 60º Separación entre placas d = 0,10 m Espesor de placa ep = 0,002 m Número de placas Np = 7 placas Aplicando la ecuación 62 se determina el volumen del sedimentador 117 Vs = H*As*L Vs= 0,45*0,80*1,20 Volumen sedimentador de la planta piloto (Vs) = 0,432 m3 3.3.6.2. Tiempo de residencia en el sedimentador Caudal de tratamiento Q = 0,48 m3/s = 0,0288 m3/min Longitud del sedimentador LS = 1,20 m Ancho sedimentador a= 0,80 m Altura útil del agua H=0,45 m Aplicando la ecuación 61 se determina el tiempo de residencia. Donde: = Tiempo de residencia en el sedimentador El tiempo de residencia en el sedimentador de la planta piloto es de 15 min, en los ensayos de tratabilidad se requiere un tiempo de 17 min y 13 min (Gráficos 10 y 11), por lo tanto el tiempo de residencia en la planta piloto sí se encuentra dentro del rango necesario para que se realice la sedimentación. 3.3.7. Pruebas de filtración. Después de la sedimentación, el agua pasa a un tanque reservorio donde el agua es succionada a través de una bomba para pasar a los filtros. Para simular el proceso que se realiza en la planta de tratamiento real, se requiere conseguir la misma tasa de filtración esto se consigue modificando el caudal de agua que pasa a través del filtro en la unidad piloto. 118 3.3.7.1. Cálculo del caudal del agua en la etapa de filtración. Datos: Diámetro interno del filtro a presión Dc=0,213 m Tasa de filtración▲ q= 283,65m3/m2d ▲ Determinada en el literal 3.1.2.1 y en la tabla 28. (63) Donde: Q = Caudal de operación, (m3/día) q= Tasa de filtración, (m3/m2-día) A= Área del filtro de arena, (m2) Utilizando la ecuación 53 se determina el área del filtro de arena. 119 Se requiere ajustar el caudal a 0,12 l/s para simular las condiciones que se dan en la planta de tratamiento San Carlos. 3.3.8. Pruebas de desinfección. La dosificación de hipoclorito de calcio en la unidad piloto se realiza mediante un sistema Venturi. Datos: Q= Caudal de proceso= 0,12 l/s proveniente del proceso de filtración V= Capacidad del tanque reservorio = 217, 8 L = 0,2178 m3 T = Tiempo de residencia del agua en el reservorio = 1815 s= 30,25 min. D= Dosis de hipoclorito de calcio = 1,7 mg/l Qventuri = Caudal del tubo Venturi= 16,6 ml/s Capacidad de almacenamiento del tanque dosificador = 20 L Se requiere un tanque dosificador de 30,13 L para que sea consumido en un tiempo de 30,25 minutos. Se agrega 370,26 mg de Ca(ClO)2 al tanque dosificador que tiene una capacidad de 30,25 L. 3.3.9. Resultados de los ensayos. El proceso aplicado en la planta genera una calidad de agua que cumple con los criterios establecidos en la Norma INEN 1108 para ser considerada potable, por lo tanto, partiendo de dicho proceso se pueden implementar las mejoras en la planta actual. 120 Tabla 48. Resultado de las pruebas realizadas en la unidad piloto (Prueba 1) Prueba 1 Fecha: 29/07/2014 Parámetros Agua Agua Agua Agua filtrada y cruda aireada Sedimentada desinfectada 22 18 --- --- pH 7,71 7,80 8,25 7,93 Color aparente (Pt-Co) 79,1 57,5 12,4 9 19 17 5 4 3,21 1,56 0,25 0,12 34 33 27 <25 Alcalinidad Total (mgCaCO3/l) Turbidez (NTU) Hierro (mg/l) Sólidos Suspendidos (mg/l) Aluminio (mg/l) Manganeso (mg/l) <0,1 0,17 0,008 Cloro libre residual (mg/l) 0,9 Tabla 49. Resultado de las pruebas realizadas en la unidad piloto (Prueba 2) Prueba 2 Fecha: 30/07/2014 Parámetros Agua Agua Agua Agua filtrada y cruda aireada Sedimentada desinfectada Alcalinidad Total (mgCaCO3/l) 25 21 --- --- pH 7,6 7,9 8,24 7,90 Color aparente (Pt-Co) 81 58 11,4 5,8 Turbidez (NTU) 23 20 3 3 3,42 1,81 0,21 0,02 33 35 27 <25 Hierro (mg/l) Sólidos Suspendidos (mg/l) Aluminio (mg/l) Manganeso (mg/l) <0,1 0,15 0,009 Cloro libre residual (mg/l) 1 121 3.4. Opciones de mejora en la planta de tratamiento de agua San Carlos La secuencia de procesos que existen en el sistema de potabilización actual son: aireación, coagulación, sedimentación y filtración (Ver información en el literal 2.3.2) y en función de los resultados obtenidos en las pruebas de tratabilidad, los mismos que fueron reproducidos en la planta piloto, se requiere proponer e implementar los siguientes procesos: pretratamiento con lechada de cal, floculación y desinfección. Las opciones de mejora que se plantean garantizan que el agua cumpla con los parámetros establecidos en la Norma INEN 1108 según los resultados obtenidos en la planta piloto (Ver Tabla 48 y 49). 3.4.1. Opciones de mejora en la etapa de oxidación y aireación 3.4.1.1. Opciones de mejora en la etapa de oxidación. Mediante ensayos realizados a nivel de laboratorio y en planta piloto se determina que se debe adicionar una cantidad de hipoclorito de sodio para oxidar el hierro (Fe2+) presente. El agente oxidante se lo puede dosificar al inicio de la torre de aireación. El consumo de hipoclorito de sodio depende de la concentración inicial de Fe2+, del caudal de agua cruda y de la relación estequiométrica de oxidación. Los cálculos se indican en el literal 3.1.3.1, o en los ensayos realizados en la planta piloto (Ver literal 3.3.1). Dosis de hipoclorito de sodio = Q= Caudal de operación = 5,67 l/s 122 El consumo de hipoclorito de sodio es de 423, 35 ml por cada hora. 3.4.1.2. Opciones de mejora en la etapa de aireación. La eficiencia promedio de la torre de aireación según los resultados de la tabla 46, es de 39,6%, por tal motivo no se requiere implementar otra bandeja en la planta de tratamiento San Carlos; sin embargo el número de orificios que se encuentra en cada bandeja no permite que el agua se distribuya de manera uniforme y existe una cantidad que rebosa y se pierde. Para determinar el número de orificios que debe existir en cada bandeja de la torre de aireación en la planta San Carlos, se parte de los resultados obtenidos en la unidad piloto, ya que en dicha unidad se generó las mismas condiciones (q=289,9 m3/m2día), por lo tanto se plantea el siguiente cálculo. Número de orificios en cada bandeja.- Se utilizará la nomenclatura PP cuando se hace referencia a la planta piloto y PS cuando se hace referencia a la planta San Carlos. Datos planta piloto: ɸorificios PP, Diámetro de orificios en la planta piloto 0,008m. Ai PP, Área individual de cada bandeja = 0,123 m2 Nº orificios PP, Nº de orificios/bandeja PP = 90 Datos planta San Carlos: ɸorificios PS, Diámetro de orificios = 0,012m. Ai PS, Área individual en cada bandeja= 1,69 m2 Cálculo del área del orificio en planta piloto y San Carlos (64) Donde: = Área de cada orificio en la torre de aireación piloto, m2 = Área de cada orificio en la torre de aireación San Carlos, m2 123 Cálculo del área total de orificios en la unidad piloto (65) Donde: = Área total de orificios en planta piloto, m2 = Área de cada orificio en la torre de aireación piloto, m2 = Número total de orificios de cada bandeja en la planta piloto = 90 El área total que ocupan los orificios es 0,0045 m2, esto ocupan en 0,123 m2, que corresponde al área de la bandeja de la planta piloto; sin embargo el área de las bandejas en la planta San Carlos es de 1,69 m2; se aplica la siguiente relación para conseguir el área total de orificios que debería tener la planta real. El valor de 0,0621 corresponde al área de todos los orificios ( una de las bandejas de la planta San Carlos. Número de orificios en la planta San Carlos Despejando de la ecuación 65 el número de orificios se obtiene: 124 que existen en cada = 549 orificios El número de orificios que debe existir en cada bandeja es 549 para que el proceso de aireación tenga resultados similares a los que se obtuvo en la unidad piloto de tratamiento de agua. 3.4.2. Opciones de mejora en la etapa de pretratamiento. En esta etapa se adiciona solución de cal con la finalidad de aumentar la alcalinidad del agua, entonces se plantea dosificar 30 g/m3 en el agua a tratar (Mejores condiciones de la prueba de jarras, tablas 21 y 22). La dosificación de la cal se puede realizar en la última bandeja de la torre de aireación con la ayuda de una bomba dosificadora. 3.4.2.1. Cálculo para la dosificación de cal. En la planta de tratamiento existe una bomba que tiene un caudal de 2 ml/s, el tanque donde se encuentra la solución tiene una capacidad de 500 litros, para alcanzar la concentración de 30 ppm se requiere que la concentración en el tanque sea de 8,6% bajo las siguientes condiciones: Datos: D= Dosis requerida = 30 ppm de cal Qbomba dosificadora cal = 2 ml/s Q= Caudal de operación = 5,67 l/s = 0,34 m3/min C= Concentración del tanque = 8,6 % Cálculo de la concentración de cal (66) 125 Manteniendo las condiciones mencionadas se consigue llegar a una dosis de aproximadamente 30 ppm de cal, si existe alguna modificación se requiere modificar la concentración en el tanque. Con la dosificación de solución de cal existe un incremento del pH desde 7,5 hasta aproximadamente 8,5, condición necesaria para que precipite el Fe3+. 3.4.3. Opciones de mejora en la etapa de coagulación. La bandeja recolectora, tiene la forma de una pirámide truncada en cuyo interior existe un orificio de 6,35 cm. con el propósito de generar alta turbulencia para que se genere el proceso de coagulación, se pretende incorporar al sistema de tratamiento una tubería para generar el gradiente 100 s-1 y a su vez dirigir el agua hacia la primera sección del floculador que se va a diseñar. La mezcla rápida se va a realizar en la tubería por lo tanto se debe calcular el espacio y tiempo para que se cumpla el proceso. 3.4.3.1. Determinación del tiempo de mezcla rápida y gradiente de velocidad. Para el proceso de coagulación las principales variables de diseño que se considera son: el tiempo de mezcla rápida, el gradiente de velocidad y la dosis óptima de coagulante. Velocidad de flujo y gradiente de velocidad.- Los cálculos son similares a los realizados en la etapa de mezcla rápida en la planta piloto (numeral 3.3.4.2). Q= Caudal de proceso= 5,67 l/s =5,67 *10-3 m3/s Intensidad de mezcla para coagulación = 100 rpm G▲= Gradiente de velocidad = 80 s-1 ■ = Velocidad correspondiente al gradiente de velocidad = 0,48 m/s ▲ Existe una relación entre intensidad de mezcla (rpm) y el gradiente de velocidad (G), por lo tanto para 100 rpm se consigue un gradiente de 80 s-1 (Ver Tabla 29) ■ En la tabla 31 o mediante la ecuación 55 se puede determinar la velocidad de flujo a partir del gradiente seleccionado (G= 80s-1). ɸtubería = Diámetro de la tubería = 2,5 pulg = 0,0635 m L = Longitud de la tubería desde la dosificación hasta el ingreso al floculador = 1,90 m 126 Utilizando la ecuación 59 se determina el área de la sección de mezcla rápida. Donde: = Área en la sección de mezcla rápida, m2 = Caudal del proceso = 0,005678 m3/s = Velocidad correspondiente al gradiente de velocidad = 0,48 m/s Mediante la ecuación 62 se determina el volumen de la unidad de mezcla rápida. Volumen = Ac*Longitud Volumen = 0,0118 m2*1,80 m =0,0212 m3 Tiempo de mezcla rápida.- Se determina a partir de la ecuación 61. Tiempo de residencia en la tubería para que se realice la mezcla rápido bajo las condiciones de diseño. 127 Q=5,67 l/s 0,10 m Figura 30. Esquema de dosificación para mezcla rápida 3.4.3.2. Cálculo para la dosificación de PAC. El coagulante a utilizarse es policloruro de aluminio (PAC), la dosis establecida según los resultados que se obtuvo en prueba de jarras (Tabla 22) es de 60 ppm. Esta dosis fue la que menor cantidad de hierro, turbiedad y color generó en el agua clarificada. En la planta de tratamiento la bomba dosificadora para transportar la solución de PAC, tiene una capacidad de 5,5 ml/s, el tanque donde se prepara la solución es de 500 litros. Siguiendo las condiciones mencionadas se requiere una concentración de 5,1 % de PAC para lograr la mejor dosis (60 ppm). Datos: D= Dosis requerida = 60 ppm de PAC Qbomba dosificadora PAC = 5,5 ml/s Qplanta = 5,67 l/s = 0,34 m3/min PAC = 1,23 g/ml C= Concentración del tanque = 5,1% Cálculo de la concentración de PAC (67) 128 Si existe una variación tanto en la capacidad de la bomba y el de la planta de tratamiento, no se conseguirá llegar a una concentración aproximada de 60 ppm de PAC, en este caso se deberá modificar la concentración del tanque dosificador. 3.4.4. Etapa de floculación (Diseño del floculador). La planta de tratamiento de agua San Carlos no cuenta con la unidad de floculación; sin embargo, debajo de la torre de aireación existe un tanque, en el cual no se produce ningún proceso; por tanto, puede ser utilizado para el diseño del floculador y debido a que el tanque tiene una profundidad de 3,30m., se diseñará un floculador hidráulico de flujo vertical. Cálculo para la dosificación de poliacrilamida.- El ayudante de floculación a utilizarse es poliacrilamida (PAM), la dosis establecida según los resultados que se obtuvo en prueba de jarras (Tabla 22) es de 0,1 ppm. Esta dosis fue la que menor cantidad de hierro, turbiedad y color generó. En la planta de tratamiento, la bomba dosificadora para transportar la solución de poliacrilamida tiene un caudal de 2 ml/s, el tanque donde se prepara la solución es de 500 litros. La concentración de poliacrilamida en el tanque dosificador debe ser de 0,03% para lograr una dosis de 0,1 ppm. Datos: D= Dosis requerida = 0,1 ppm de PAM Qbomba dosificadora PAM = 2 ml/s Qplanta = 5,67 l/s = 0,34 m3/min C= Concentración en el tanque = 0,03%: Se determina a través de la ecuación 66. 129 Para lograr la dosificación óptima de 0,1 ppm se debe mantener el caudal de la bomba dosificadora y caudal de alimentación constantes. En el proceso de floculación se establecen como variables principales de proceso la intensidad de mezcla, secciones del floculador y tiempo de floculación, para ello es necesario seguir el algoritmo propuesto en el literal 1.4.3.5. 3.4.4.1. Capacidad del floculador Profundidad▲ (H) = 2,80 m Ancho▲ Largo ▲ ▲ (Af) = 0,645 m (L) = 2,87 m Dimensiones establecidas en la planta de tratamiento. Vf = H*Af*L Vf= 2,80*0,645*2,87 Volumen floculador (Vf) = 5,183 m3 3.4.4.2. Tiempo de residencia en el floculador Q= 5,67 l/s = 489,89 m3/d=0,00567 m3/s Trf =Tiempo de residencia del floculador El tiempo de residencia del floculador es de 15 minutos, tiempo requerido para realizar la floculación de acuerdo a resultados obtenidos en pruebas de jarras. 130 3.4.4.3. Tiempo de residencia en cada sección del floculador. Para el diseño del floculador se va a considerar tres zonas de floculación que fueron determinadas en la tabla 35, con la finalidad de obtener un régimen de flujo que permita la formación adecuada de los fóculos. Donde: = Tiempo de residencia en todo el floculador, s = Tiempo de residencia en cada sección del floculador, s 3.4.4.4. Longitud de sección Donde: li = Longitud en cada sección del floculador, m L = Longitud total del floculador, m 3.4.4.5. Secciones o zonas del proceso de floculación. En función del tiempo de residencia (15 min), se establece tres ( 3) zonas para el proceso de floculación con un tiempo aproximado de 5 min/zona . El valor de gradiente seleccionado es en función de las tabla 35: 131 ZONA 1 : 69 rpm G = 50 s-1 ; li = 0,96 m ZONA 2 : 46 rpm G = 30 s-1 ; li = 0,96 m ZONA 3 : 19 rpm G = 10 s-1 ; li = 0,96 m 3.4.4.6. Pérdida de carga total Donde: = Pérdida de carga, m G= Gradiente de velocidad, s-1 = Viscosidad del agua (T=15ºC), 1,146*10-6 m2/s = Tiempo de residencia en cada sección del floculador, s = gravedad, m/s2 Pérdida de carga total para la Zona I 3.4.4.7. Longitud total de tabiques Donde: = Longitud total de tabiques ▲ = Velocidad de flujo, m/s H= Altura útil del agua, m ▲ Para determinar la velocidad se realiza en función del gradiente, según el Gráfico 2 o mediante la ecuación 55. 132 Longitud total de tabiques en la Zona I 3.4.4.8. Pérdida de carga por tabique Donde: = Perdida de carga por tabique, m = Pérdida total de carga, m n= Longitud total de tabiques Pérdida de carga en cada tabique en la Zona I 3.4.4.9. Pérdida de carga en pasos superiores Donde: = Pérdida de carga en canales superiores, m = Pérdida de carga (valor recomendado), m (0,1) = Pérdida de carga por tabique, m 133 Pérdida de carga en pasos superiores en la Zona I 3.4.4.10. Coeficiente de sumergencia Donde: = Pérdida de carga en canales superiores, m = Pérdida de carga (valor recomendado), m (0,1) Coeficiente de sumergencia para la Zona I Valor en tabla 50 = 0,342 Tabla 50. Valores de coeficiente de sumergencia h2/h1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Fuente: 0.00 0.01 0.02 1.000 1.004 1.006 1.005 1.003 1.002 0.985 0.982 0.980 0.959 0.952 0.953 0.929 0.926 0.922 0.892 0.888 0.884 0.846 0.841 0.836 0.782 0.780 0.773 0.703 0.692 0.681 0.574 0.557 0.539 ARBOLEDA, J. Teoría 0.03 0.04 1.006 1.007 1.000 0.998 0.977 0.975 0.950 0.917 0.919 0.915 0.880 0.875 0.830 0.824 3.766 0.758 0.669 0.656 0.520 0.498 y práctica de la Colombia, Santa Fe de Bogota, 2000. p. 136. 134 0.05 0.06 1.007 1.006 0.996 0.994 0.972 0.970 0.944 0.911 0.912 0.908 0.871 0.866 0.818 0.813 0.750 0.742 0.644 0.631 0.471 0.441 purificación del 0.07 0.08 0.09 1.006 1.006 1.005 0.992 0.989 0.987 0.967 0.964 0.961 0.938 0.935 0.932 0.904 0.900 0.896 0.861 0.856 0.851 0.806 0.800 0.794 0.732 0.723 0.714 0.618 0.604 0.590 0.402 0.352 0.275 agua. Tomo I.Tercera ed. 3.4.4.11. Gasto unitario Donde: q= Gasto unitario por metro de vertedero, m3/ms = Coeficiente de sumergencia = Pérdida de carga (valor recomendado), m (0,1) Gasto unitario para la Zona I 3.4.4.12. Ancho de vertedero Donde: b= Ancho de vertedero, m Q= Caudal de tratamiento, m3/s q= Gasto unitario por metro de vertedero, m3/ms Ancho de vertedero para la Zona I 135 3.4.4.13. Espacio entre tabiques Donde: = Espaciamiento entre tabiques, m b= Ancho de vertedero, m Q= Caudal de tratamiento, m3/s = Velocidad de flujo, m/s Espacio entre tabiques para la Zona I 3.4.4.14. Número de tabiques Donde: # = Número de tabiques li = Longitud en cada sección del floculador, m = Espaciamiento entre tabiques, m Número de tabiques para la Zona I 136 3.4.4.15. Velocidad en el orificio sumergido √ Donde: Q= Caudal de tratamiento, m3/s = Velocidad en el orificio sumergido, m/s A= Área de sección cuadrangular, m2 = Coeficiente del orificio, valor recomendado 0,7 =Pérdida de carga en cada tabique, m Velocidad en el orificio sumergido para la Zona I √ 137 Tabla 51. Valores de diseño para cada sección del floculador hidráulico Zonas del floculador Variable Simbología I II III 0,00567 0,00567 0,00567 304,72 304,72 304,72 0,96 0,96 0,96 50 30 10 0,0891 0,0321 0,0026 2,80 2,80 2,80 Velocidad de flujo (m/s) 0,420 0,211 0,10 Longitud total de tabiques 45,71 22,96 10,88 0,00195 0,00140 0,00033 0,09805 0,09860 0,09967 0,342 0,312 0,260 Gasto unitario (m3/ms) 0,06293 0,05616 0,04784 Ancho de vertedero (m) 0,0901 0,1001 0,1185 Espacio entre tabiques (m) 0,1498 0,2685 0,4784 6 3 1 0,0400 0,0489 0,1007 0,14 0,12 0,06 3 Caudal de operación (m /s) Q Tiempo de residencia (s) Longitud en cada sección (m) Gradiente de velocidad (s-1) Pérdida de carga total (m) Altura útil del agua (m) H Pérdida de carga por tabique (m) Pérdida de carga en pasos superiores (m) Coeficiente de sumergencia Número de tabiques Área de sección cuadrangular A 2 (m ) Velocidad en el orificio sumergido (m/s) e=14,98cm H=2,80m Figura 31. Esquema de la Zona I del floculador 138 e= 26,85 cm H=2,80m Figura 32. Esquema de la Zona II del floculador 0,4617 cm H=2,80m Figura 33. Esquema de la Zona III del floculador 3.4.5. Etapa de sedimentación (Rediseño). La planta de tratamiento de agua San Carlos tiene un sedimentador de placas, para el rediseño de esta unidad se parte de los resultados obtenidos en los Gráficos 10 y 11. Condiciones experimentales: En los gráficos 10 y 11 se indica que el tiempo de residencia es de 17 y 13 minutos respectivamente, para fines de cálculo se trabaja con el valor más alto (17 min) y con un factor de seguridad de 2,5. Tiempo de residencia en el sedimentador: 17 min Velocidad de sedimentación: 6,6 m/h Para el rediseño del sedimentador de placas planas inclinadas se plantea seguir el algoritmo propuesto en el numeral 1.4.4.4. 139 3.4.5.1. Tiempo de residencia en el sedimentador (Condiciones en la Planta) Donde: Q= Caudal de tratamiento = 5,67*10-3 m3/s LS=Longitud del sedimentador = 2,87 m a= Ancho sedimentador = 1,87 m H=Altura útil del agua =2,90 m Vs = Capacidad del sedimentador , m3 = Tiempo de residencia en el sedimentador, s El tiempo de residencia mínimo resultante en ensayos de laboratorio es de 13 y 17 (Gráficos 10 y 11) min, considerando un factor de seguridad de 2,5 para un tiempo de 17 min se requiere que la planta de tratamiento San Carlos necesite un tiempo de sedimentación de 42,5 min. Sin embargo, con las condiciones actuales se consigue un tiempo de 45 min, lo que ayuda a que mayor cantidad de flocs sedimenten y por lo tanto pasen menor cantidad hacia los filtros. 3.4.5.2. Velocidad promedio de flujo en el sedimentador lamelar A= Ls*a 140 Donde: = Velocidad promedio de flujo en el sedimentador, m/s A= Área de sedimentación, m2 Q= Caudal de tratamiento = 5,67*10-3 m3/s LS=Longitud del sedimentador = 2,87m a= Ancho sedimentador = 1,87 m = Ángulo de inclinación = 60º A= 2,87 m*1,87 m A= 5,37 m2 3.4.5.3. Longitud relativa de sedimentación Donde: = Longitud relativa de sedimentación = Longitud de la placa =2,45m = Distancia entre placas = 0,14m 3.4.5.4. Longitud de transición 141 Donde: = Longitud de transición, m = Velocidad promedio de flujo en el sedimentador = 0,0012 m/s = Viscosidad del agua (T=15ºC), 1,146*10-6 m2/s d= Distancia entre placas= 0,14 m 3.4.5.5. Longitud relativa del sedimentador Donde: = Longitud relativa del sedimentador de tasa alta en flujo laminar, corregida en la longitud de transición. = Longitud relativa de sedimentación = 17,5 = Longitud de transición = 1,9 3.4.5.6. Velocidad crítica de asentamiento Donde: = Velocidad crítica de asentamiento o carga superficial de sedimentación, m/s Sc= Factor de eficiencia, placas paralelas inclinadas =1 = Velocidad promedio de flujo en el sedimentador = 0,0012 m/s 142 = Longitud relativa del sedimentador = 15,6 3.4.5.7. Número de Reynolds Donde: = Número de Reynolds = Velocidad promedio de flujo en el sedimentador = 0,0012 m/s d= Separación entre placas = 0,14 m = Viscosidad del agua (T=15ºC), 1,146*10-6 m2/s Flujo laminar para < 280 Este valor de Número de Reynolds indica que el sedimentador si trabajará en flujo laminar; por lo tanto si se va producir una adecuada sedimentación. 3.4.5.7. Número de placas del sedimentador (Np) Donde: LS=Longitud del sedimentador = 2,87 m lp = Largo de placa = 2,45 m ap= Ancho de placa = 2,86 m d= Separación entre placas = 0,14 m 143 ep= Espesor de placa = 0,003m El sedimentador de placas que se encuentra en la planta de tratamiento San Carlos cuenta con 6 placas planas paralelas, en el rediseño de esta unidad se determina que el número de placas que debería tener el sedimentador es de 11 para asegurarse de una continua y eficiente remoción de lodos. En pruebas de laboratorio se determinó que los lodos equivalen al 10% en volumen del agua que se pretende tratar, esto equivale a una altura de 30 cm, en la planta existen 45 cm por razones de seguridad. H=0,30 m Salida del agua H=2,45 m Entrada Agua Cruda H lodo=0,45 m Figura 34. Esquema de la unidad de sedimentación rediseñada 3.4.6. Opciones de mejora en la etapa de filtración. La tasa de filtración que se recomienda para filtros de arena de flujo descendente es de 120 a 360 m3/m2d, en la planta de tratamiento San Carlos se obtiene una tasa de filtración de 283,65 m3/m2d; lo que indica que se encuentra dentro de los límites recomendados para filtración. Por lo tanto no se requiere realizar ajustes en el proceso de filtración. 3.4.6.1. Porcentaje de agua que se utiliza en el lavado de los filtros (68) 144 Se utiliza el 0,7% del agua tratada para lavar los filtros. 3.4.7. Opciones de mejora en la etapa de desinfección. Para conseguir una efectiva eliminación de microorganismos y evitar una contaminación a lo largo de la red de distribución se requiere dosificar hipoclorito de calcio en solución para conseguir una acción residual de cloro en un tiempo de 30 minutos que cumpla con los límites establecidos en la Norma INEN 1108. En el caso de pantas de tratamiento grandes se requiere la dosificación de cloro gaseoso. La dosis a emplear es de 1,7 ppm de cloro activo (ClO-) (Gráfico 12), el recipiente donde se prepara la solución tiene una capacidad de 200 litros y el caudal de la bomba es de 2,5 ml/s. La concentración del tanque dosificador se plantea en función del caudal, capacidad de la bomba y mejor dosis obtenida (1,7 ppm). Cálculo de la concentración de hipoclorito de calcio Datos: D= Dosis requerida = 1,7 ppm de ClOQbomba dosificadora Cl = 2,5 ml/s Qplanta = 3,47 l/s = 0,208 m3/min C= Concentración del tanque = 0,24% Cálculo de la concentración de cloro activo Aplicando la ecuación 66 Para lograr la dosificación óptima de 1,7 ppm de cloro activo se debe mantener el caudal de la bomba dosificadora y caudal de alimentación mencionado. 145 3.5. Diagrama de bloque del rediseño sugerido CAPTACIÓN Hipoclorito de Sodio (2,07 ppm) AIREACIÓN Suspensión de cal (30 ppm) PRETRATAMIENTO Policloruro de Aluminio (60 ppm) COAGULACIÓN Poliacrilamida (0,1ppm) FLOCULACIÓN SEDIMENTACIÓN FILTRACIÓN Cloro (ClO-) (1,7ppm) DISTRIBUCIÓN 146 4. DISCUSIÓN En la evaluación fisicoquímica del agua tratada (Ver Anexo F) siguiendo las condiciones actuales de tratamiento se obtienen valores de turbidez, hierro, aluminio y color fuera de los niveles establecidos por la Norma INEN 1108, esto es debido a que la dosificación de todos los químicos se inyectan en un mismo sitio y la cantidad de los mismos es muy elevada. El sistema de dosificación que se requiere es añadir hipoclorito de sodio al inicio de la torre de aireación, lechada de cal en la última bandeja de la torre de aireación, policloruro de aluminio en la unidad de mezcla rápida y poliacrilamida en la primera placa de la unidad de floculación, siguiendo esta secuencia se consigue agua que cumple con los requerimientos para ser considerada como potable (tablas 48 y 49 ) La dosificación de hipoclorito de sodio como agente oxidante se realiza al inicio de la torre de aireación y la cantidad que se requiere se determina estequiométricamente según la cantidad promedio de Fe2+ que presenta el agua cruda y del caudal de alimentación. En función de los resultados obtenidos en prueba de jarras (tablas 19 y 21), se puede evidenciar que la dosificación de cal favorece el proceso de tratamiento y por lo tanto, la dosificación de policloruro de aluminio es menor. La planta de tratamiento de agua actual no dispone de la unidad de floculación lo que origina una deficiencia en el proceso de clarificación, obteniéndose con ello agua que no cumple con los requerimientos establecidos para ser considerada como potable, según la Norma INEN 1108. En la tabla 38 se puede observar que el Número de Camp (G*T) se encuentra dentro de los criterios para el diseño del floculador; además, el tiempo requerido para la floculación recomendado es de 15 a 20 minutos. En este caso, según los resultados se obtiene un buen porcentaje de turbiedad removida para un tiempo de floculación de 15 minutos, tiempo que se consideró para el diseño del floculador. 147 El tiempo óptimo de floculación y el gradiente de velocidad son factores determinantes para el diseño del floculador. En el dimensionamiento se determinaron tres zonas de floculación, para lo cual se necesitó relacionar la velocidad de agitación producida en prueba de jarras con los gradientes de velocidad seleccionados, esto se logró mediante una expresión empírica (Ec. 1). Para la determinación de la velocidad de sedimentación y tiempo de residencia, que son parámetros útiles para el diseño del sedimentador, se aplicó una sedimentación de partículas floculadas debido a que en pruebas realizadas (tablas 23, 24 y 25) la cantidad de sólidos suspendidos no es removido en el porcentaje requerido, ya que existen partículas que descienden más rápido que otras. En este caso, se utilizó una columna de sedimentación piloto para realizar los respectivos ensayos. Los resultados finales de los ensayos de tratabilidad en las tablas 45 y 46 indican una disminución de todos los parámetros críticos que presentaba el agua cruda, lo que permite evidenciar que bajo esas condiciones de trabajo, que son: gradientes de velocidad, dosis óptimas de químicos, tiempos de residencia, se consigue agua que cumpla con la norma INEN 1108. El proceso de potabilización del agua en la unidad piloto se lo realizó con las mejores condiciones de trabajo obtenidas en ensayos de laboratorio. Al pasar el agua por cada uno de los procesos, se puede evidenciar la variación de los parámetros críticos (color, hierro, turbiedad). Esto ayuda a corregir cualquier situación antes de proporcionar las opciones de mejora para la planta de tratamiento San Carlos. 148 5. CONCLUSIONES 5.1. Conclusiones generales De acuerdo con lo indicado en el presente estudio se afirma que se cumplió con el objetivo propuesto en la formulación del trabajo de grado, el cual fue definir opciones de mejora en la planta de tratamiento de agua San Carlos las mismas que se garantizan mediante ensayos en planta piloto (Tablas 48 y 49) y reflejan que el agua tratada cumple con las especificaciones para ser considerada potable según la norma INEN 1108. El diseño del floculador de flujo vertical fue fundamental dentro del proceso de floculación, ya que además de formar un floc definido y con un peso requerido para que sedimente fácilmente, también produce efectos positivos en la turbiedad del agua ya que permite remover aproximadamente el 81%, valor que se puede verificar en la tabla 36. Los resultados obtenidos en las pruebas realizadas en la columna de sedimentación indican que para el dimensionamiento del sedimentador de placas paralelas inclinadas se requiere como variables principales el tiempo de residencia (aproximadamente 17 minutos) y la velocidad de sedimentación (aproximadamente 6,6 m/h ), por lo tanto, estos factores son determinantes en el diseño del sedimentador lamelar. 5.2. Conclusiones experimentales De los resultados obtenidos en las pruebas de tratabilidad, se concluye que para el tratamiento de agua de la Planta San Carlos se requiere: una dosis de hipoclorito de sodio (agente oxidante) de 2,074 mg/l, una dosis de lechada de cal de 30 mg/l, una dosis de coagulante de 60 mg/l, una dosis de floculante 0,1 mg/l y una dosis de cloro como agente desinfectante de 1,7 mg/l. 149 En el gráfico 10, se observa que para un tiempo de sedimentación de 17 minutos se consigue un 53,5 % de sólidos suspendidos separados, mientras que para un tiempo de residencia de 13 minutos se consigue 32,5 % de sólidos suspendidos separados (Gráfico 11); por lo tanto, se concluye que cuando el tiempo de residencia es mayor, se consigue una mayor cantidad de remoción de sólidos suspendidos, razón por la cual se consideró un factor de seguridad de 2,5 para el diseño del sedimentador lo cual produce un incremento del tiempo de sedimentación a 42,5 minutos. Para conseguir buenos resultados en el proceso de floculación se requiere trabajar con tres zonas de floculación como se indica en la tabla 35 y en cada una de las secciones con un tiempo de 5 minutos, obteniéndose un tiempo de floculación total de 15 minutos, el mismo que genera una remoción de turbiedad de aproximadamente 81%. Los resultados obtenidos en pruebas de tratabilidad son semejantes a los que se obtuvieron en los ensayos realizados en la unidad piloto de tratamiento, por lo tanto, el desarrollo del sistema propuesto indica que se logrará resultados similares a implementarse en la planta de tratamiento de agua San Carlos. 150 6. RECOMENDACIONES Equipar un laboratorio de control de calidad con equipos básicos para monitorear constantemente el agua que ingresa a la planta de potabilización y el agua que resulta del tratamiento. Realizar habitualmente análisis de pruebas de jarras ya que las condiciones del agua no permanecen constantes y la dosis de coagulante puede variar y dar como resultado agua que no cumple con los criterios establecidos para ser considerada como potable. Implementar manómetros en cada uno de los filtros, ya que esto permite establecer el tiempo de retrolavado lo que origina un manejo adecuado del agua utilizada para el lavado y evita la acumulación de masa de lodo, lo que puede afectar la calidad del agua tratada. Sería conveniente considerar el tratamiento de los lodos generados en el proceso de clarificación antes de ser vertidos al alcantarillado. 151 CITAS BIBLIOGRÁFICAS [1] DEGREMONT. Manual Técnico del Agua [en línea]. Tratamiento de las aguas de consumo, Editorial Artes Gráficas, España 1979. [Fecha de consulta: 21 de Mayo de 2014]. Disponible en: http://cidta.usal.es/cursos/ETAP/modulos/libros/consumo.pdf [2] RAMÍREZ, F. 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[Fecha de consulta: 11 de Enero del 2014]. Disponible en: es.wikibooks.org/wiki/Ingeniería de procesos/Tratamiento físico-químico; fecha de impresión 2010. 155 ANEXOS 156 ANEXO A. Ensayos de tratabilidad del agua cruda Figura A.1. Equipo de prueba de jarras (Mezcla Rápida) Figura A.2. Etapa de floculación 157 Figura: A.3. Determinación del gradiente de velocidad y sedimentación Figura: A.4. Ensayos en la columna de sedimentación. 158 Figura: A.5. Ensayos para la determinación de cloro libre residual 159 ANEXO B. Ensayos para el tratamiento del agua cruda en la unidad piloto Figura B.1. Agua cruda Figura B.2. Torre de aireación 160 Figura B.3. Captación de agua aireada Figura B.4. Dosificación de coagulante Figura B.5. Unidad de floculación 161 Figura B.6. Sedimentador de placas paralelas inclinadas. Figura B.7. Tanque Reservorio 162 Figura B.8. Etapa de filtración y desinfección. 163 ANEXO C. Planta de tratamiento de agua San Carlos 2 3 8 4 5 6 1. Captación 2. Torre de aireación 3. Coagulador 1 4. Tanque recolector 7 5. Sedimentador de placas inclinadas 6. Tanque reservorio 7. Filtros a presión 8. Tanque de distribución Figura C.1. Diagrama de la planta de tratamiento de agua San Carlos 164 2 8 3 1. Captación 4 2. Torre de aireación 7 5 3. Coagulador 4. Floculador 6 hidráulico flujo vertical 5. Sedimentador de placas 1 inclinadas 6. Tanque reservorio 7. Filtros a presión 8. Tanque de distribución Figura C.2. Diagrama de la planta de tratamiento con las opciones de mejora (Vista lateral) 165 2 8 3 4 1. Captación 5 2. Torre de aireación 6 3. Floculador hidráulico flujo vertical 4. Sedimentador 1 de inclinadas 7 5. Tanque reservorio 6. Bomba centrífuga 7. Filtros a presión 8. Tanque de distribución Figura C.3. Diagrama de la planta de tratamiento con las opciones de mejora (Vista superior) 166 placas ANEXO D. Norma INEN 1108 167 CONTINUACIÓN ANEXO D 168 CONTINUACIÓN ANEXO D 169 CONTINUACIÓN ANEXO D 170 CONTINUACIÓN ANEXO D 171 ANEXO E. Norma ASTM D2035-13 172 CONTINUACIÓN ANEXO E 173 CONTINUACIÓN ANEXO E 174 CONTINUACIÓN ANEXO E 175 ANEXO F. Resultados fisico-químicos del agua cruda 176 CONTINUACIÓN ANEXO F 177 ANEXO G. Resultados fisico-químicos del agua tratada en planta 178
