Capitulo x Tratamiento de Agua Para Consumo

7/21/2019 Capitulo x Tratamiento de Agua Para Consumo

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CURSO: ABASTECIMIENTOS DE AGUA Y ALCANTARILLADO CAPITULO X: TRATAMIENTO DE AGUA PARA CONSUMO

Msc Ing. Abel A. Muiz Paucarmayta Pgina 1

CAPITULO X: TRATAMIENTO DE AGUA PARA CONSUMO

10.1 GENERALIDADES.

Se denomina agua potable al agua "bebible" en el sentido que puede ser consumida por personas y animales sin

riesgo de contraer enfermedades. El trmino se aplica al agua que ha sido tratada para su consumo humano segn

unos estndares de calidad determinados por las autoridades locales e internacionales.

Al proceso de conversin de agua comn en agua potable se le denomina potabilizacin. Suele consistir en un

stripping de los compuestos voltiles seguido de la precipitacin de impurezas con floculantes, filtracin y

desinfeccin con cloro u ozono.

El suministro de agua potable es un problema que ha ocupado al hombre desde la antigedad. En algunas zonas se

construan y construyen cisternas que recogen las aguas pluviales. Estos depsitos suelen ser subterrneos para que

el agua se mantenga fresca y sin luz, la que favorecera el desarrollo de algas.

En Europa se calcula con un gasto medio por habitante de entre 150 y 200 litros de agua potable al da aunque se

consumen como bebida tan slo entre 2 y 3 litros. En muchos pases el agua potable es un bien cada vez ms

escaso y se teme que puedan generarse conflictos blicos por la posesin de sus fuentes.

Las aguas procedentes de los ros, necesitan un tratamiento complejo y caro antes de ser suministradas a los

consumidores, debido a que las precipitaciones traen cantidades apreciables de materia slida a la tierra como el

polvo, polen, bacterias, esporas, e incluso, organismos mayores.

10.2 TIPOS DE TRATAMIENTO.

Los tratamientos para potabilizar el agua, se pueden clasificar de acuerdo con:

Los componentes o impurezas a eliminar.Parmetros de calidad.

Grados de tratamientos de agua.

En tal sentido, se puede realizar una lista de procesos unitarios necesarios para la potabilizacin del agua en funcin

de sus componentes. De esta forma, la clasificacin sera la siguiente:

Tabla 10.1 Procesos unitarios posibles a llevar a cabo en funcin de los contaminantes presentes.


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10.3 PARAMETROS DE CALIDAD.

Las aguas superficiales susceptibles de ser destinadas al consumo humano quedan clasificadas, segn el grado de

tratamiento que deben incluir para su potabilizacin, en los 3 grupos siguientes:

TIPO A1: Tratamiento fsico simple y desinfeccin

TIPO A2: Tratamiento fsico normal, tratamiento qumico y desinfeccin

TIPO A3: Tratamiento fsico y qumico intensivo, afino y desinfeccin

Segn la normativa europea del ao 1988, los tipos de agua se definen por los siguientes parmetros:

Tabla 10.2 Principales parmetros de clasificacin de tipos de agua.

Los procesos unitarios que corresponden cada grado de tratamiento seran los siguientes:

Tabla 10.3 Procesos unitarios referidos a cada grado de tratamiento.

Debido a que hay tres grados de tratamiento, proceder a explicar las operaciones unitarias del ms completo de

ellos.


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Cloracin al Breakpoint: La adicin de cloro en el punto inicial tiene dos funciones: desinfeccin y oxidacin. Con

estas dos propiedades contribuimos a eliminar hierro, manganeso, sulfuros, amoniaco y otras sustancias reductoras.

Tambin reducimos sabores existentes antes de la cloracin y la funcin que ms nos interesa que es la reduccin

del crecimiento de algas y otros microorganismos presentes en el agua. Esto se consigue aadiendo cloro hasta

conseguir cloro residual libre en el agua (Breakpoint) normalmente se busca 0.5 ppm de cloro libre. El cloro se puede

adicionar en forma de cloro lquido, solucin de hipoclorito de sodio o tabletas de hipoclorito de calcio.

Coagulacin-Floculacin: Las impurezas se encuentran en el agua superficial como materia en suspensin y

materia coloidal. Las especies coloidales incluyen arcilla, slice, hierro, otros metales y slidos orgnicos. La

eliminacin de una gran proporcin de estas impurezas la llevamos a cabo por sedimentacin, basada en simple

gravedad, pero algunas de estas impurezas son demasiado pequeas para obtener un proceso de eliminacin

eficiente por lo tanto, se requerira invertir mucho tiempo para remover los slidos suspendidos, por lo que es

necesario utilizar procesos de clarificacin, que consisten en cualquier proceso o combinacin de procesos, cuyo

propsito es reducir la concentracin de los materiales suspendidos en un lquido.

La coagulacin y floculacin causan un incremento de tamao del floculo y su rpida aglomeracin, disminuyendo as

el tiempo de sedimentacin de las partculas. Para realizar este tipo de procesos se adicionan sales qumicas en su

mayora cargadas positivamente (sales de aluminio, sales de hierro o polielectrolitos) que desplazan los iones

negativos y reducen efectivamente el tamao de carga.

Figura 10.1 Clarificador horizontal.

Fuente: Manual de tratamiento de agua Ecolab.

Figura 10.2 Coagulacin y floculacin del agua.


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Fuente: Pre-Treatment Field Guide: American Water Works Association. 2007.

Entre los floculantes ms usados se tienen: Sulfato de Aluminio, Polielectrolitos, Cloruro frrico, Sulfato ferroso y

frrico.

En la actualidad los polielectrolitos son los ms utilizados debido a su menor impacto ambiental y a la calidad del

floculo que producen. Para poder determinar la cantidad de producto a agregar al agua se tiene que hacer un ensayo

conocido como Jar Test o Testde Jarras con el agua a tratar. Este test mide bsicamente el efecto de las diferentes

combinaciones de dosis de coagulante y PH.

Figura 10.3 Equipos para realizar el Jar test.

Fuente: Microbiology for drinking water personnel: American Water Works 2006.

Decantacin: Podemos definir a la decantacin como el proceso de separacin de un lquido de slidos o de un

lquido de mayor densidad mediante el trasiego de la capa superior despus de que la materia ms pesada ha

sedimentado.

En el caso de la decantacin en aguas para tratamiento la unidad de decantacin ser la que permitir la eliminacin

por sedimentacin de los slidos en suspensin presentes. Estas unidades pueden clasificarse de acuerdo con la

direccin predominante del flujo de lquido desde la entrada a la salida, en decantadores de flujo horizontal y

decantadores de flujo vertical.

Decantadores de flujo horizontal: Son los ms utilizados a nivel purificacin de aguas, la distribucin de caudales en

tanques rectangulares, se produce por un extremo, existiendo pantallas reflectoras, y atraviesa la longitud del tanque


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hasta los vertederos de evacuacin Decantadores de flujo vertical: Se suelen utilizar nicamente en aplicaciones de

floculacin decantacin.

Filtracin:Una vez que se ha decantado el agua para terminar el proceso de clarificacin, se hace pasar por una

etapa de filtracin, la cual consiste en hacer pasar el agua que todava contiene materias en suspensin a travs de

un medio filtrante que permite el paso del lquido pero no el de las partculas slidas, las cuales quedan retenidas en

el medio filtrante.

De este modo, las partculas que no han sedimentado en el decantador son retenidas en los filtros. El medio filtrante

ms utilizado es la arena, sobre un lecho de grava como soporte.

Aunque tambin existen otros tipos de lechos como membranas filtrantes que pueden ser de plstico o de metal.

Para evitar atascamientos en esta etapa, es importante que la retencin de las partculas se haga en el interior del

lecho filtrante, y no en la superficie del lecho, por este motivo, ser muy importante hacer una eleccin adecuada del

tamao del grano del lecho filtrante.

Los filtros ms utilizados en potabilizacin de agua son los filtros rpidos en los que el agua ha sido pasada

previamente por un proceso de coagulacin-floculacin.

Afino con Carbn Activo:Una vez que el agua ha sido clarificada, pasa a la adsorcin sobre carbn activo, que

permitir la disminucin de la materia orgnica, coloro, olor y sabor presente, por separacin, al quedar retenidas en

la superficie del adsorbente. El adsorbente utilizado es carbn activo en forma granular que se sita formando un

lecho fijo en una columna de tratamiento, a travs del cual pasa el agua. El Carbn Activo puede fabricarse a partir

de todo tipo de material carbonoso, o bien, a partir de cualquier carbn mineral no graftico. Pero, hay que recordar

que cada materia prima brinda caractersticas y calidades distintas.

Una de las principales razones de la aplicacin del Carbn Activo es la decloracin o eliminacin de cloro libre del

agua. Tambin se puede utilizar para controlo olor y sabor, el crecimiento biolgico o eliminar amoniaco.

Desinfeccin:La etapa final del proceso de tratamiento de aguas potables siempre es la desinfeccin. En algunos

casos en las plantas muy sencillas, sta es la nica etapa del proceso. Hay tres tipos bsicos de desinfeccin:

Tratamientos fsicos, tratamientos qumicos y radiacin.


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Figura 10.4 Esquema de instalacin tpica de tratamiento de agua en una planta de bebidas.

.

Fuente: Pre-Treatment Field Guide: American Water Works Association.2007.

Tratamientos fsicos:Son los menos utilizados. Dentro de este tipo de tratamientos se puede incluir la aplicacin de

calor pero adems de ser costoso, deja mal sabor ya que elimina el oxgeno disuelto y las sales presentes en el agua.

Otro de los procesos que se utilizan es el dejar pasar el tiempo, para que los grmenes fecales disminuyan su

concentracin al ser el agua retenida en ambiente hostil.

Tratamientos qumicos:Los agentes qumicos desinfectantes ms utilizados son el cloro, el dixido de cloro y el

ozono. Dentro de los que tenemos que el cloro en su forma gaseosa o como Hipoclorito de Sodio o Calcio es el ms

usado. La aceptacin del cloro es debida a 3 factores:

Su capacidad de oxidar sustancias inorgnicas (hierro, manganeso, nitritos, etc.) que causan mal sabor, corrosin y

deterioro en las lneas de transmisin del agua.

La accin microbicida del cloro como algicida, bactericida y en menor medida virucida. Y la capacidad de mejorar los

procesos de coagulacin y floculacin, ya que favorece la formacin de flculos.

Adicionalmente a las ventajas anteriores su uso es de bajo costo y es bastante seguro. El equipo que requiere pasa

su dosificacin no es sofisticado ni complejo.


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El Dixido de Cloro (Cl02) es un gas relativamente inestable que se obtiene a partir de la mezcla de cloro con clorito

sdico. Es relativamente inestable por lo que normalmente se genera en el lugar de aplicacin. Una de sus ventajas

es que no se ve afectado por el pH e incluso aumenta su potencialidad frente a amebas y enteovirus.

El Ozono constituye la tercera alternativa tras el cloro y el dixido de cloro. La aplicacin de ozono tambin requiere

de aplicacin in situ debido a su inestabilidad.

Figura 10.5 Esquema de instalacin tpica de una planta purificadora de agua.

Fuente: Calidad y tratamiento del agua: American Water Works Association. 1era Edicin. 2007.

Radiacin:Hay varias formas que pueden desempear un papel desinfectante. Las radiaciones ms tiles son UV,

los rayos X y los rayos y. La radiacin que ms se utiliza es la UV debido a su costo, un inconveniente que tiene este

tratamiento es su baja eficacia frente a la turbidez del agua.


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Figura 10.6 Diagrama de una lmpara ultravioleta.

Fuente: Catlogo de productos UV Trojan 2005

10.4 TIPOS DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA O PLANTAS POTABILIZADORAS.

Una planta de tratamiento es una secuencia de operaciones o procesos unitarios, convenientemente seleccionados

con el fin de remover totalmente los contaminantes microbiolgicos presentes en el agua cruda y parcialmente los

fsicos y qumicos, hasta llevarlos a los lmites aceptables estipulados por las normas.

Las plantas de tratamiento de agua se pueden clasificar, de acuerdo con el tipo de procesos que las conforman, en

plantas de filtracin rpida y plantas de filtracin lenta.Tambin se pueden clasificar, de acuerdo con la tecnologa usada en el proyecto, en plantas convencionales

antiguas, plantas convencionales de tecnologa apropiada y plantas de tecnologa importada o de patente.

a. PLANTAS DE FILTRACIN RPIDA.

Estas plantas se denominan as porque los filtros que las integran operan con velocidades altas, entre 80 y 300

m3/m2.d, de acuerdo con las caractersticas del agua, del medio filtrante y de los recursos disponibles para

operar y mantener estas instalaciones.

Como consecuencia de las altas velocidades con las que operan estos filtros, se colmatan en un lapso de 40 a 50

horas en promedio. En esta situacin, se aplica el retrolavado o lavado ascensional de la unidad durante un lapso

de 5 a 15 minutos (dependiendo del tipo de sistema de lavado) para descolmatar el medio filtrante devolvindole

su porosidad inicial y reanudar la operacin de la unidad.

De acuerdo con la calidad del agua por tratar, se presentan dos soluciones dentro de este tipo de plantas: plantas

de filtracin rpida completa y plantas de f iltracin directa.


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PLANTA DE FILTRACION RAPIDA COMPLETA.

Una planta de filtracin rpida completa normalmente est integrada por los procesos de coagulacin,

decantacin, filtracin y desinfeccin. El proceso de coagulacin se realiza en dos etapas: una fuerte agitacin del

agua para obtener una dispersin instantnea de la sustancia coagulante en toda la masa de agua (mezcla

rpida) seguida de una agitacin lenta para promover la rpida aglomeracin y crecimiento del floculo (etapa de

floculacin).

La coagulacin tiene la finalidad de mejorar la eficiencia de remocin de partculas coloidales en el proceso de

decantacin (sedimentacin de partculas floculentas). El proceso final de filtracin desempea una labor de

acabado, le da el pulimento final al agua.

De acuerdo con las investigaciones realizadas por la Agencia de Proteccin Ambiental (EPA) de los Estados

Unidos, el filtro debe producir un efluente con una turbiedad menor o igual a 0,10 UNT para garantizar que est

libre de huevos de parsitos (Giardia, Cryptosporidium, etctera). Para lograr esta eficiencia en la filtracin, es

necesario que los decantadores produzcan un agua con 2 UNT como mximo.

Finalmente, se lleva a cabo la desinfeccin, proceso comn a los dos tipos de plantas, las de filtracin rpida

completa y las de filtracin directa. La funcin principal de este proceso es completar la remocin de

microorganismos patgenos que no quedaron retenidos en el filtro y servir de proteccin contra la contaminacin

que el agua pueda encontrar en el sistema de distribucin.

La desinfeccin, en la forma en que normalmente se aplica (esto es, con residual libre de 1 mg/L a la salida de la

planta y tiempo de contacto mnimo de 30 minutos), solo tiene la capacidad de remover bacterias. Como se ver

detalladamente en el captulo sobre desinfeccin, para remover huevos de parsitos se necesitaran aplicar dosis

altsimas y disponer de tiempos de contacto muy largos, que hacen impracticable el proceso. Como los huevos de

parsitos son grandes, un filtro que opere eficientemente y reciba agua con no ms de 2 UNT puede producir un

efluente exento de huevos de parsitos.

En los casos en que las caractersticas del agua cruda o el terreno disponible para construir la planta obliguen a

adoptar este tipo de sistema, se debern desarrollar las condiciones locales necesarias para asegurar una buena

eficiencia en calidad y cantidad.

En el cuadro 3-1 se indican los rangos de calidad del agua en los que puede considerarse esta alternativa de

tratamiento.

Tabla 10.4 Lmites de calidad del agua aceptables para el tratamiento mediante filtracin rpida completa (1)


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Fuente: Cepis.

FILTRACION DIRECTA.

Es una alternativa a la filtracin rpida, constituida por los procesos de mezcla rpida y filtracin, apropiada solo

para aguas claras.

Son ideales para este tipo de solucin las aguas provenientes de embalses o represas, que operan como grandes

pre sedimentadores y proporcionan aguas constantemente claras y poco contaminadas.

Cuando la fuente de abastecimiento es confiable caso de una cuenca virgen o bien protegida, en la que la

turbiedad del agua no supera de 10 a 20 UNT el 80% del tiempo, y no supera 30 UNT ni 25 UC el 90% del

tiempo, puede considerarse la alternativa de emplear filtracin directa descendente.

Cuando el agua viene directamente del ro y aunque clara la mayor parte del ao, presenta frecuentes

fluctuaciones de turbiedad, normalmente se considera una floculacin corta, generalmente de no ms de 6 a 8

minutos, para obtener un efluente de calidad constante, aunque con carreras de filtracin ms cortas. Esta es la

alternativa ms restringida de todas en cuanto a la calidad de agua que se va a tratar.

En el caso de aguas que el 90% del tiempo no sobrepasan los 100 UNT y las 60 UC y alcanzan espordicamente

hasta 200 UNT y 100 UC, podran ser tratadas mediante filtracin directa ascendente.

La tercera alternativa disponible para aguas relativamente claras es la filtracin directa ascendentedescendente.

Esta alternativa es aplicable a aguas que el 90% del tiempo no sobrepasan las 250 UNT ni las 60 UC, y alcanzan

espordicamente ms de 400 UNT y 100 UC.

En la Tabla 10.5 se sintetiza los rangos de calidad de agua ptimos para cada alternativa de tratamiento

mencionada. Este tipo de soluciones requieren un amplio estudio de la fuente, para estar bien seguros de su

comportamiento estacional, sobre todo durante los ciclos lluviosos.

Tabla 10.5. Lmites de calidad del agua para plantas de filtracin directa (1)


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Fuente: Cepis.

Adems de las especificaciones de calidad de agua indicadas en el cuadro anterior, se debern tener en cuenta

otros parmetros de calidad de la fuente que se indican en el cuadro 3-3.

Tabla 10.6 Otros parmetros de calidad importantes para la filtracin directa (2)

Fuente: Cepis.

Tener en cuenta estas restricciones es ms importante en el caso de la filtracin dinmica descendente, en la que

el agua tiene un tiempo de retencin muy corto dentro de la planta, alrededor de 5 minutos mientras atraviesa el

mezclador y el filtro, por lo que si se producen bruscos cambios en la calidad en la fuente, no hay tiempo

suficiente para modificar la dosificacin.

Sin embargo, la economa que se obtiene en estos casos en el costo inicial de las obras al considerar apenas dos

procesos, as como en la operacin y mantenimiento de la planta (ahorro de 40% a 50% de sustancias qumicas)

justifica ampliamente el mayor costo de los estudios.

b. PLANTAS DE FILTRACIN LENTA.


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Los filtros lentos operan con tasas que normalmente varan entre 0,10 y 0,30 m/h; esto es, con tasas como 100.

Veces menores que las tasas promedio empleadas en los filtros rpidos; de all el nombre que tienen. Tambin se

les conoce como filtros ingleses, por su lugar de origen.

Los filtros lentos simulan los procesos de tratamiento que se efectan en la naturaleza en forma espontnea, al

percolar el agua proveniente de las lluvias,ros, lagunas, etctera, a travs de los estratos de la corteza terrestre,

atravesando capas de grava, arena y arcilla hasta alcanzar los acuferos o ros subterrneos. Al igual que en la

naturaleza, los procesos que emplean estos filtros son fsicos y biolgicos.

Una planta de filtracin lenta puede estar constituida solo por filtros lentos, pero dependiendo de la calidad del

agua, puede comprender los procesos de desarenado, pre sedimentacin, sedimentacin, filtracin gruesa o

filtracin en grava y filtracin lenta.

Los procesos previos al filtro lento tienen la funcin de acondicionar la calidad del agua cruda a los lmites

aceptables por el filtro lento. Con el tren de procesos indicados se puede remover hasta 500 UNT, teniendo en

cuenta que el contenido de material coloidal no debe ser mayor de 50 UNT; es decir, que la mayor parte de las

partculas deben estar en suspensin para que sean removidas mediante mtodos fsicos.

El cuadro 3-4 indica el nmero de procesos que debe tener la planta para diferentes rangos de turbiedad, color y

contaminacin microbiolgica del agua cruda.

Tabla 10.7 Lmites de calidad del agua para tratamiento mediante filtracin lenta (1)

Fuente: Cepis.

Tabla 10.7 Lmites de calidad del agua para tratamiento mediante filtracin lenta (continuacin)


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10.5 SELECION DE LA TECNOLOGIA DE TRATAMIENTO E AGUA.

La seleccin de la tecnologa de produccin y administracin de un sistema de agua potable debera realizarse

considerando los recursos, el grado de desarrollo socioeconmico y los patrones de cultura existentes.

Los factores bsicos que caracterizan la seleccin de la tecnologa apropiada para tratamiento de agua en los pases

en desarrollo y que deben ser considerados son los siguientes:

a. Grado de complejidad.

La mayora de los procesos unitarios utilizados en el tratamiento de agua pueden realizarse en reactores con

diferente grado de complejidad y eficiencia. Afortunadamente, los ms complejos no siempre resultan ser los

ms eficientes.

b. La tecnologa no opera por s misma.


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Plantas automatizadas necesitan personal de un alto nivel tecnolgico para operar, mantener y reparar los

controles y equipos. La seleccin tecnolgica debe considerar la capacidad y los recursos de las instituciones e

individuospara operar y mantener los sistemas con la eficiencia y las especificaciones originales de diseo.

c. Impacto indirecto en el rea

Debe considerarse una cadena de factores que se relacionan entre s, tales como calidad de agua de las fuentes,

grado de tratamiento, utilizacin de materiales y personal local, mejoras econmicas indirectas, mejoramiento

tcnico de personal local, influencias indirectas en la economa y su repercusin directa e indirecta en la salud.

d. Participacin local.

El aprovechamiento y tratamiento de agua incluyen actividades tcnicas, administrativas, financieras y legales

que involucran a una serie de agencias locales.

10.5.1 Criterios de seleccin de una solucin tecnolgica.

A continuacin se presenta una lista de carcter subjetivo, que no se debe considerar ni completa ni exhaustiva, con

el objeto de que sirva como base de anlisis.

a. Grado de complejidad.

La solucin seleccionada debe ser de simple construccin, operacin, mantenimiento y reparacin.

b. Confiabilidad.

El sistema debe tener un grado de confiabilidad adecuado para cada componente del sistema. Si se establece un

alto grado de confiabilidad con recursos limitados, se obtendrn soluciones muy costosas que solo pocos

usuarios podrn afrontar.

c. Flexibilidad.

La propuesta tecnolgica debe producir agua de calidad ptima en forma continua, con un mnimo de operacin y

de fcil mantenimiento.

d. Tiempo y plazo

a. El proceso de construccin debe ser simple y efectuarse en un plazo corto.

b. e) Disponibilidad de mano de obra

c. La construccin, operacin y mantenimiento deben considerar la capacidad

d. local existente para ejecutar y dirigir las obras.

e. f) Costo

f. La tecnologa seleccionada debe garantizar un agua potable ptima al menor

g. costo posible.

h. g) Accesibilidad

i. El grado de accesibilidad al servicio de agua potable est directamente

j. relacionado con la eficiencia de la seleccin tecnolgica.

k. h) Recursos necesarios

l. Las alternativas tecnolgicas para el tratamiento de agua requieren un grado

m. nivel de desarrollo de la comunidad o del sector para construir, operar y

n. mantener la planta. Deben determinarse y analizarse los recursos necesarioso. para cada alternativa.

i) Uso de materiales locales


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p. Siempre que sea posible, deben utilizarse materiales locales, de tal manera

q. que se logren soluciones de alta tecnologa a bajo costo.

r. j) Relacin con otros proyectos

s. La tecnologa seleccionada debe tener relacin con otros proyectos locales,

t. a fin de lograr una mayor flexibilidad.

i. k) Organizacin administrativa

u. Se debe contar con una organizacin adecuada para construir, operar,

v. supervisar y mantener la planta de tratamiento, complementada con una

w. estructura que provea los recursos econmicos necesarios.

x. l) Exactitud de las estimaciones

y. Debe tenerse especial cuidado en la elaboracin del presupuesto, sobre

z. todo cuando la solucin tecnolgica seleccionada necesita equipos y

aa. materiales de importacin que elevan los costos.

bb. m) Consideraciones polticas

cc. Debe considerarse la conveniencia de integrar el proyecto a los programas

dd. polticos existentes y su impacto en las acciones gubernamentales y en la

ee. comunidad.

10.5.2 Criterios de seleccin de una solucin tecnolgica.

10.6 .

10.7 .

10.8

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