PLANTAS POTABILIZADORAS DE AGUA

1. Definición2. Consideraciones generales para el diseño de plantas2.1 Periodo de diseño2.2 Capacidad nominal de las plantas

3. Opciones de tratamiento

4. Tratamiento de aguas subterráneas4.1 Remocion Hiero y Manganeso4.2 Remocion Dureza

5.-Tratamiento de aguas superficiales5.1 Plantas potabilizadoras convencionales5.1.1Coagulación 5.1.2 mezcla rápida, 5.1.3 floculación, 5.1 4 sedimentación, 5.1. 5 filtración y desinfección

Tratamiento del agua Conjunto de técnicas y métodos de procesamiento: Físicos, Químicos y Biológicos, que se aplica con la finalidad de transformar el agua cruda en agua de calidad garantizada y apta para el consumo humano, a través de procesos y operaciones unitarias. Comprende también el conjunto de obras de infraestructura civil, instalaciones y equipos

La Calidad garantizada y apta para el consumo humano significa que desde el punto de vista organoléptico, químicamente no incluya sustancias toxicas y bacteriológicamente no contenga microorganismos que afectan a la salud, cumpliendo los requisitos establecidos en la Norma Boliviana NB 512 (Agua Potable- Requisitos).

Los objetivos de la potabilización de agua son, producir:

i) Agua apta para el consumo humano. ii) Agua que sea estéticamente atractiva al consumidor.iii) El sistema debe poderse operar a un costo razonable

CONSIDERACIONES GENERALES PARA EL DISEÑO DE PLANTAS

Tratamiento de las aguasEl tratamiento de las aguas destinadas a consumo humano debe tomar en cuenta los procesos y operaciones que se requieran para la remoción de los contaminantes presentes en las aguas de acuerdo a la caracterización y análisis de los parámetros de calidad de una determinada fuente de abastecimiento de agua.

Operaciones Unitarias: métodos de tratamiento en los que predominan los fenómenos físicos. Ejemplo: cribado, desengrasado, sedimentación

Procesos Unitarios: métodos de tratamiento en los que la eliminación de los contaminantes se consigue mediante la adición de productos químicos o por la actividad biológica. Ejemplo: Desinfección con cloro, lagunas, lechos percoladores, etc

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PERIODO DE DISEÑO

Capacidad Periodo> 1,0 m3/s 20 a 30 años

<1,0 m3/s (baja inversiones) 5 a 10 años

El periodo de diseño para la construcción de las plantas debe ser corto para reducir la carga financiera sobre la población presente. En todo caso el proyectista debe justificar el periodo de diseño según las características poblacionales y el contexto socio – económico asociado al proyecto.

CAPACIDAD NOMINAL DE LAS PLANTASLa capacidad nominal de una planta de tratamiento debe diseñarse para el consumo máximo diario Qmad-d, considerando un índice de crecimiento poblacional y el período de diseño.

3.1 DEFINICIONESCaracterización del agua es definir su calidad mediante la determinación de su composición, origen, y desde luego sus características físicas, químicas y microbiológicas.El grado de tratamiento dependerá de una buena caracterización del agua.

Para tener un indicio verdadero de la naturaleza de un agua natural o residual, se deben desarrollar los análisis apropiados mediante procedimientos estándar y la verificación de los resultados obtenidos

AGUA NATURAL Agua SuperficialAgua Subterránea

Recomendaciones generales para el diseño El diseño debe ser flexible, todas las unidades deben estar interconectadas mediante

canales, de tal modo que si una sale de servicio, por cualquier motivo, las otras pueden seguir operando

La planta debe disponerse en forma compacta, esto facilita la operación porque se requiere de menos numero de personas para la operación, normalmente solo un operador y un ayudante. Se ahorra área de terreno e infraestructura vial, sólo se requiere de una pista perimétrica y rodeando a ésta el cerco.

Adoptar tecnologías apropiadas, es decir que hayan dado buenos resultados en el país o en países vecinos con condiciones similares.

Operación y mantenimiento factibles: disponibilidad de repuestos y asistencia técnica. Insumos accesibles y provisión inmediata: por ejemplo es una razón para

preferirdesinfectar con hipoclorito que llega del Brasil en pastillas, a usar el Gas Cloro. Energía disponible: en caso de requerir bombas. Costos de inversión, operación,

mantenimiento razonables. Recursos humanos disponibles: es decir, si existe mano de obra calificada en nuestro

medioSobretodo si se evita utilizar bombas, se puede reducir las probabilidades de que la planta de tratamiento detenga su funcionamiento.

OPCIONES DE TRATAMIENTO

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TRATAMIENTO DE AGUAS SUBTERRÁNEASLas aguas subterráneas por lo general son de buena calidad físico-química y bacteriológica. Por su origen, es probable que contengan hierro y manganeso fuera de los límites establecidos en la Norma Boliviana NB 512 (Agua Potable – Requisitos), que sean moderadamente duras y presenten características corrosivas con ausencia o concentración baja de oxígeno disuelto, siendo necesario su tratamiento.

Si las aguas no contienen constituyentes minerales que requieran tratamiento, se debe acondicionarlas para el consumo con una desinfección como único tratamiento.

- Sólo Desinfección, o sin Tratamiento- Remoción de Hierro, Manganeso, o ambos, más desinfección

Sólo Desinfección, o sin TratamientoSe debe aplicar sólo el proceso de desinfección en aquellas aguas que cumplen la norma de calidad microbiológica y tienen contenido mineral con concentraciones por debajo de los valores máximos aceptables especificados en la Norma Boliviana NB 512 Agua Potable – Requisitos; la desinfección es el único registro de tratamiento.

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Esta situación se dará siempre que el acuífero no tenga conexión directa con el agua de la superficie y que el pozo haya sido construido adecuadamente de forma que el acuífero no debe ser contaminado en el pozo. Para aguas de alta calidad el desinfectante que se debe aplicar es el cloro libre

Remoción de Hierro, Manganeso, o ambos, más desinfecciónSi la composición mineralógica del acuífero incluye hierro, manganeso o ambos, estos constituyentes inorgánicos se encontrarán en el agua subterránea.

Para la remoción de hierro y manganeso se debe emplear la oxidación, precipitación y filtración.El proceso mostrado en la Figura2, es el adecuado para la remoción de hierro y manganeso. La presencia de materia orgánica en la fuente de agua puede impedir la remoción de hierro y manganeso por oxidación y filtración. El hierro puede oxidarse en muchos casos por aireación.

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Se debe llevar a cabo el tratamiento a un pH de 8 o superior para promover una oxidación más rápida de hierro por aireación, si la materia orgánica natural no está presente en concentraciones significativas.

Para oxidar el hierro y manganeso se puede usar permanganato de potasio, cloro u ozono. El permanganato de potasio se debe utilizar normalmente para el manganeso que es más difícil oxidar que el hierro.

Ablandamiento por precipitación con cal(1) El agua dura contiene exceso de calcio y magnesio, siendo necesario el ablandamiento por precipitación con cal.

(2) Para el tratamiento se debe añadir cal apagada o hidratada al agua para elevar el pH suficientemente como para precipitar el calcio, y más reactivo para precipitar el magnesio.

(3) Si existe dureza que no es de carbonato, se debe adicionar sosa para precipitar el calcio y magnesio.

(4) En el ablandamiento con cal, los precipitados de carbonato cálcico y el hidróxido magnésico se deben retirar en un tanque de sedimentación antes de filtrar el agua.

(5) En las plantas de ablandamiento que usen separadamente los procesos de mezcla rápida, floculación y sedimentación, recirculando algo de lodos de cal al paso de mezcla rápida, aumenta la precipitación del carbonato de calcio (CO3Ca) y aglomera las partículas del precipitado. Se debe prever en tal caso una mayor capacidad en los sistemas de recolección tratamiento y disposición de lodos

(6) El proceso de ablandamiento de aguas subterráneas puede ser llevado a cabo efectivamente en dos etapas (véase la Figura 3).

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(7) Cuando se remociona magnesio el agua tendrá un pH de 10,6 a 11, este debe ser reducido mediante recarbonatación (adición de dióxido de carbono).

(8) Se debe aplicar el proceso de aireación antes del ablandamiento de cal para retirar el dióxido de carbono de las aguas subterráneas ya que la cal reacciona con el CO2. La decisión de utilizar aireación o más cal para el tratamiento del dióxido de carbono estará basada en los costos de aireación versus los costos de cal extra y del tratamiento, y la disposición del lodo producido.

TRATAMIENTO DE AGUAS SUPERFICIALES

El tratamiento de las aguas superficiales se debe realizar mediante una variedad de procesos que dependen de la calidad del agua de origen. Todas las aguas superficiales deben ser sometidas a un proceso de desinfección independiente del tren de tratamiento seleccionado.

1) Desinfección solamente sin filtración

2) Tratamiento convencional.Un tren de tratamiento que consistente de

Coagulación - alimentación química, mezcla rápida, floculación, sedimentación, filtración desinfección

*Aireacion si es necesarioEl proceso de aireación se constituye en una alternativa de tratamiento siempre y cuando sea necesaria y justificada su inclusión.

La desinfección se debe incluir en el tratamiento convencional, con el punto o puntos de adición del desinfectante.

Una planta de tratamiento convencional debe ser capaz de tratar aguas que tengan una turbiedad de 10 a más de 1 000 U.N.T, durante las riadas, con dosis que pueden variar de 10 mg/l a más de 100 mg/l. La Figura 4 muestra el tren de tratamiento convencional para aguas de superficie.

A continuación se indican los procesos recomendables en función de la turbiedad del agua cruda.

PROCESO < 50 UNT 50 - 400 UNT 400 - 4000 UNT

Presedimentación (1) X

Coagulación X X X

Floculación X X

Sedimentación X X

Filtración X X X

En el caso de altas turbiedades los presedimendores operan también como desarenadores puesto que gran parte de la turbiedad corresponde a partículas gruesas fácilmente sedimentables.

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Tratamiento convencional con pretratamiento

Para aguas que arrastran cargas de sedimentos, se debe emplear un proceso de presedimentación antes del tratamiento convencional.

PLANTAS POTABILIZADORAS CONVENCIONALESLas plantas potabilizadoras convencionales corresponden a un tren de tratamiento que incluye la adición de compuestos químicos que favorecen el tratamiento. Consta de las siguientes unidades

pretratamiento, Aforador Coagualcion mezcla rápida, floculación, sedimentación, filtración y desinfección.

PRETRATAMIENTOLas aguas crudas se deben someter en una primera instancia a la etapa depretratamiento, que tiene por objeto separar del agua el material que por su naturaleza ytamaño no permite su depuración.

1 CRIBADO O CERNIDO (DESBASTE)La operación de cribado o cernido tiene por objeto:

a) Proteger a la planta de la llegada intempestiva de grandes objetos flotantes, capaces deprovocar obstrucciones en las distintas unidades de la instalación.

b) Separar y evacuar fácilmente materiales voluminosos arrastrados por el agua cruda.

Las rejas utilizadas pueden ser de limpieza manual o mecánica. El proyectista debe definir la selección evaluando capacidades de operación y mantenimiento.

a) Rejas de limpieza manuali) Deben ser construidas con barrotes rectos de acero, a veces verticales o inclinados con ángulos de 60 y 80 º sobre la horizontal, especialmente construidas en plantas alimentadas por aguas superficiales.

b) Rejas de limpieza mecánicai) Deben ser construidas según requerimientos de caudal, profundidades de canal, ancho del canal, debiendo referirse específicamente al fabricante en caso de utilizarlas.

DimensionamientoLas operaciones serán eficaces, según la separación entre los barrotes de la reja:

a) Cribado fino, con separación de 3 mm a 10 mm

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b) Cribado medio, con separación de 10 mm a 25 mmc) Cribado grueso, con una separación de 30 mm a 100 mm

2 DESARENADORESTienen por objeto extraer del agua cruda, la gravilla, arena y partículas minerales más o menos finas. Deben evitar que se produzcan sedimentos en los canales y conducciones, para proteger las bombas y otros aparatos contra la abrasión.

El desarenado se refiere a partículas mayores a 200 micrómetros (0,2 mm) y peso específico de 2 650 kg/m3..

Aforador (Estructura de Entrada)Se debe prever de un sistema de medición de caudal y estructuras que permitan evacuarlas excedencias.

Se recomiendan del tipo vertedero sumergido, con orificios circulares que garanticendistribución uniforme del flujo, con velocidad menor a 0.30 m/s.

AIREACIÓN

La transferencia de gases es el fenómeno físico mediante el cual las moléculas de un gas son intercambiadas entre un líquido y un gas a una interfase gas – líquido dando como resultado el incremento de la concentración de gas o gases en la fase líquida. Los sistemas de aireación más difundidos por su fácil operación y mantenimiento son:

• Aireadores de bandejas • Aireadores de cascada

a) Aireadores de bandejas Corresponden a un sistema de bandejas con perforaciones en su parte inferior colocadas en forma sucesiva con intervalos de 30 a 75 cm. El ingreso de agua es por la parte superior y debe distribuirse a través de una tubería perforada, debiendo caer a la primera bandeja y así sucesivamente. Los orificios practicados en cada bandeja serán circulares con diámetros de 5 a 12 mm con una separación de 2.5 cm entre ellos.

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b) Aireadores de Cascada

Son aireadores en los que una altura disponible se subdivide en varias caídas para incrementar la cantidad de oxigeno al agua que atraviesa esta estructura o por el contrario disminuir el contenido de gases no deseables.

Los bordes de los peldaños actúan como vertederos, los mismos que producen una lámina de agua que favorece la exposición con el aire

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COAGULACIÓN – FLOCULACIÓN (Fuente Plantas de Tratamiento de Agua, Vargas )

DEFINICIONES Y OBJETIVOS

Coagulación: Es la conversión de partículas no sedimentables en partículas sedimentables Floculación: Es el proceso en el cual las partículas se aglutinan en pequeñas

masas, con peso específico superior a la del agua, estas se denominan “floc”

Dicho proceso se usa para: Remoción del color verdadero y aparente. Eliminación de bacterias, virus y organismos patógenos susceptibles a ser separados por

coagulación-floculación. Destrucción de algas y plancton en general. Eliminación de sustancias productoras de sabor y olor.

Coagulación Es la desestabilización de los partículas no sedimentables o coloides

El término Coagulación se deriva del latín Coagulare, que quiere decir juntar. Este proceso describe el efecto producido por la adición de un producto químico a una dispersión coloidal, que se traduce en la desestabilización de las partículas por una reducción de aquellas fuerzas que tienden a mantener las separadas.

La mayoría de los coloides están cargados negativamente, por lo que en agua son estables debido a la repulsión electrostática entre ellas. Esta repulsión impide que actúen las fuerzas de atracción de Van der Waals, por lo que no se aglomeran y, por lo tanto, no precipitan.

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Floculación Proceso causado por la colisión entre partículas. Se da con el fenómeno de transporte, porque al transportarlas se chocan y como están desestabilizadas, se adhieren, son más pesadas y caen.

La segunda fase de formación de partículas sedimentables, a partir de partículas desestabilizadas de tamaño coloidal, se conoce por Floculación. Este término que se deriva del latín, en este caso del verbo Floculare, que quiere decir formar un flóculo fibroso

Coagulación Floculación

Mezcla Rápida Mezcla Lenta

CONTROL DE LOS PROCESOS En todo momento se debe saber como esta funcionando cada unidad de planta. Para ello se requiere realizar periódicamente las siguientes actividades:

• Toma de muestra de agua coagulada y observar en el equipo de jarras el tipo del flóculo que se forma y el tiempo de formación.

• Toma de muestra de agua floculada y observar el flóculo en formación. • Toma de muestra de agua sedimentada determinación de turbiedad, color, pH y alcalinidad.

COLOIDES

AGUAS (Naturales o residuales)

Sustancias Disueltas

(orgánicas e inorgánicas)

Sustancias en Suspensión (orgánicas e inorgánicas)

(Coloide)

Sedimentables

No sedimentable

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Las aguas naturales y las residuales contienen sustancias disueltas como en suspensión, ambas pueden ser orgánicas e inorgánicas. Las materias en suspensión pueden tener un tamaño y densidad tal que pueden eliminarse del agua por simple sedimentación, pero algunas partículas son de un tamaño tan pequeño y tienen una carga eléctrica superficial que las hace repelerse continuamente, impidiendo su aglomeración y formación en una partícula más pesada y poder así sedimentar. Estas partículas son partículas denominadas coloides.

FIGURA1 Límites aproximados para las partículas [1]

Relación del tamaño de partículas sobre el área superficial y el tiempo requerido de sedimentación

Diámetro[mm]

Descripción ÁreaSuperficial

Tiempo para sedimentar 30cm

10 Gravilla 3.15 cm2

0.3 s

1 Arena gruesa 31.5 cm2

35 s

0.1 Arena fina 315 cm2

38 s

0.001 Bacteria 3.14 m2

55 horas

0.00001 Partícula coloidal 0.283 Ha 6.3años

0.000001 Partícula coloidal 2.83 Ha 63 años

Fuente: KIRCHMER, C., (1977)

Por esta razón, sin añadir químicos, para que sedimenten los coloides se debe esperar 6,3 años o más.

TURBIEDAD Y COLORLa necesidad y efectividad de la coagulación se determina generalmente midiendo la turbiedad y el color del agua.

Turbiedad: Es debida a coloides tales como arcillas, limos, algas. Actualmente se mide con nefelómetros; su unidad son los U N T o N.T.U. (Nefelometric Turbidity Unit)

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Color: Propiedad óptica, es debido a compuestos orgánicos que se encuentran en solución. No es dañino, pero existen razones para removerlo:

Estética: el consumidor prefiere agua clara y sin color

Sabor: las partículas que dan color, imparten sabor al agua.

COAGULANTES Y COADYUVANTES DE COAGULACIÓN

Sulfato de aluminio

A base de Aluminio Aluminato de sodio (ablandamiento)

Coagulantesmás comunes Sulfato férrico (remoción de color)

A base de Hierro Sulfato ferroso (remoción de Fe y Mn)

TABLA Coagulantes y sus intervalos de pH de trabajoCoagulante Rango de pH

Sulfato de aluminio 5 a 8Sulfato ferroso 8.5 a 11Sulfato férrico 5 a 11

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En aguas con contenido elevado de hierro no se debe utilizar los coagulantes a base de hierro. Este es el caso de la mayoría de las aguas subterráneas de Cochabamba

Si la alcalinidad del agua es baja, no se logra la floculación agregando sulfato de aluminio, antes se debe agregar un alcalinizante como ser: cal apagada Ca(OH)2 , cal viva (CaO), carbonato sódico (Na2CO3) ó soda cáustica.

El sulfato de aluminio el más común de los coagulantes. Puede adquirirse en forma polvo o solución concentrada en Bolsas de 25 Kg

Dosificación de los productos químicos

Para el tipo de agua que llega a la planta debe realizarse el ensayo de jarras de dosis óptima para determinar la dosis a aplicar, calcular la descarga del químico para todo el caudal de agua cruda y cuadrar equipos dosificadores para la descarga calculada. Cada uno de estos pasos debe realizarse con precisión para garantizar que todas las unidades van a funcionan eficientemente.

el ensayo de jarras, es un ensayo que trata de simular las condiciones en que se realizan el proceso de coagulación y de sedimentación. Se constituye en la principal herramienta de trabajo para el control de la operación delas planta. De acuerdo con los resultados de este ensayo se deben dosificar los miligramos por litro (mg/l), que dará una máxima calidad de agua con el mínimo consumo de coagulantes.

El ensayo de jarras determina: • La dosis de coagulantes que se debe aplicar en la planta. • El pH óptimo de coagulación, este es el pH que permite la formación de los flóculos y

no es igual para todas las aguas.

Los reactivos que se utilizan en el Ensayo de Jarras son:• Solución del Coagulante • -Solución de cal: Cal diluida en un recipiente (de vidrio) con agua esta se usará para

obtener el pH óptimo de coagulación

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b) Polím e r os Son coadyuvantes de coagulación. Son sustancias de alto peso molecular, de origen natural o sintético. Pueden ser catiónicos, aniónicos o no iónicos. Si un polímero contiene grupos ionizantes, es denominado polielectrolito. Como el coagulante puede formar polimeros, ya no es necesarios adicionar polielectrolitos. Se compran o se espera que el coagulante forme polímeros

Dosificación de coagulantes

Los coagulantes siempre deben aplicarse en solución verdadera. Aplicarlos en suspensión o peor en polvo, sin que las partículas hayan tenido tiempo de disolverse, disminuye notablemente su efectividad, lo que se traduce en un desperdicio de dichas sustancias químicas.

La solución de coagulantes puede prepararse en dos formas:

1. Dosificando el polvo en forma continua en un tanque de hidratación, desde donde la solución se lleva al punto de dosificación, lo que impropiamente se llama dosificación por vía seca

i) Cálculo del peso del coagulante puro

p = Q* D

p = Peso del coagulante puro [g/hora]

Q = Caudal de la planta [m3

/hora]

D = Dosificación [g/m3

]

FASES DE LA COAGULACION FLOCULACION

1° FASE Consiste en adicionar coagulante. Las partículas se hidrolizan (las partículas

negativas se cargan positivamente) PH = Productos de hidrólisis

positivamente cargados.

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2° FASE Existe una polimerización, los polímeros pueden ser añadidos o formados por el

coagulante

3° FASE Se presenta adsorción de polímeros en la superficie, las partículas empiezan

a caer, es decir, a sedimentar.

4° FASE Las partículas que caen arrastran a otras

5° FASE Acción de barrido o manto

FACTORES QUE AFECTAN EL PROCESO COAGULACIÓN

a) Dosis de coagulante

Poco coagulante

Mucho coagulante

No se forma floc

Se rompe el floc formado

Para evitar ambos casos, se saca la dosis óptima en la prueba de jarras

b) Concentración del coagulante

El coagulante nunca debe hidrolizarse en el tanque de mezcla, no se debe diluir

demasiada concentración.

Concentración buena =1 a 2%

c) Calidad del agua

TABLA Coagulación según la alcalinidad y concentración coloidal en el agua

Tipo de agua Tipo de coagulación Forma de coagulacióna) Baja alcalinidad ybaja concentración coloidal

Floc barrido 1° aumentar turbiedad→ añadir coloides2° incrementar alcalinidad→ añadir cal

b) Alta alcalinidad yalta concentración

Adsorción polímeros y seforman hidróxidos de aluminio normalmente con pH > 7

La coagulación aumentacon el incremento de dosis

Fuente: KIRCHMER, C., (1977) [1]

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d) Punto de aplicación del coagulante

Se debe aplicar el coagulante donde existe mezcla rápida, como por ejemplo: si se

opta por construir un resalto hidráulico y en ese punto aplicar el coagulante con

una ducha.

MEZCLA RÁPIDA

Es una agitación intensa de manera que el coagulante se disperse rápida y uniformemente

en el agua. El grado de agitación es caracterizado por el gradiente medio de velocidad (G).

La mezcla rápida puede efectuarse mediante turbulencia, provocada por medios hidráulicos o mecánicos, tales como:

Resaltos hidráulicos en canales Canaletas Parshall Vertederos rectangulares Tuberías de succión de bombas Mezcladores mecánicos en línea Rejillas difusoras

Me z c l adores rápidos mecánicos Los mezcladores mecánicos son fabricados por una gran cantidad de industrias; en general consisten en hélices, paletas, turbinas u otros elementos similares acoplados a un eje de rotación impulsado por una fuerza motriz cualquiera. Los ejes giran a un número alto de revoluciones lo cual agita el agua en forma violenta y propicia la mezcla rápida y uniforme del coagulante

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FIGURA Mezcladores mecánicos

Me z c l adores rápidos hidráulicos Los mezcladores rápidos hidráulicos se utilizan cuando se dispone de suficiente energía en el flujo de entrada. En general se utilizan: Resaltos hidráulicos, canaletas Parshall, tubos Venturi, dispersores de tubos perforados, y tanques con deflectores

Los mezcladores hidráulicos tienen la ventaja de no requerir equipo mecánico, consideración muy importante en el diseño de plantas para lugares en los que no se dispone de personal capacitado para mantenimiento ni de suministro apropiado de repuestos.

FIGURA Mezcladores hidráulicos

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FIGURA Unidades de resalto hidráulico

Ecuaciones para diseñoEl gradiente de velocidad es ampliamente aceptado como un medio para calcular los requerimientos energéticos de mezcla. El modelo básico fue formulado Camp y Stein (1943)El Gradiente de Velocidad es la potencia disipada por unidad de volumen en floculadores hidráulicos se determina mediante la siguiente expresión :

` G(s-1)

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Criterios de operación

La aplicación del coagulante debe ubicarse en el punto en el que se esta generando el

resalto. Debe vigilarse que los orificios del difusor no se obstruyan y que el coagulante se

este distribuyendo uniformemente a todo lo ancho del resalto.

Ejemplo

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FLOCULACIÓN

La Floculación sigue inmediatamente a la Mezcla Rápida. Se da con el fenómeno del transporte, porque al transportarlas se chocan y como están desestabilizadas, se pegan, son más pesadas y caen. Durante la floculación la agitación deberá ser lo suficientemente lenta para no deshacer los flóculos formados, dando nuevamente lugar a una suspensión coloidal.

Los objetivos de la floculación son: Reunir microflocs para formar partículas con mayor volumen y peso específico Compactar el floc disminuyendo el grado de hidratación

El floculador es un tanque con algún medio de mezcla suave y lenta, con un tiempo de retención relativamente prolongado (recomienda un rango 15 – 30 min)

Tipos de floculadoresLas instalaciones de floculación son actualmente muy variadas, abarcando desde sencillos depósitos de floculación, con placas deflectoras, hasta las instalaciones provistas de agitadores mecánicos de paletas.

TABLA Clasificación de los floculadoresSegún la energía

de agitación

Según el sentido

del flujo

Descripción Nombre

Hidráulicos(c/placas deflectoras)

Flujo horizontal Con placas deflectoras, el flujo en “zigzag”

De tabiques

Flujo vertical

Con placas deflectoras, arriba y abajo del tanque, el flujo sube y baja

Con codos en el fondo que proyectan el agua hacia arriba

Alabama

Con entrada lateral al tanque

Cox

Mecánicos

Rotatorios

De paletas de eje horizontal o vertical

De paletas

De turbinas horizontales o verticales

De turbinas

Reciprocantes Rejas o cintas oscilantes Reciprocantes

Hidromecánicos Flujo horizontal De turbina Pelton y

paletas horizontales

Hidromecánicos

Fuente: Adaptado ROMERO ROJAS, J. (1999), “Potabilización del agua”

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Para países en vías de desarrollo como el nuestro se prefiere los floculadores hidráulicos.

Criterios de diseño

La gradiente de velocidad es el principal criterio de diseño:

Para floculadores hidráulicos:

Tabla de valores de y en función de la temperatura (Anexo C) Número de Camp Æ GT = constante, obtenida de la prueba de jarras

TABLA Valores recomendados de G y GT para diferentes floculadores

TIPO G ( S -1

) Gt

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Remoción de turbiedad y color, sin recirculación de sólidos

20-100 20000– 150000

Remoción de turbiedad y color con recirculación de sólidos. 75-125 125000 – 200000

Ablandadores y reactores de contacto de sólidos

430-200 200000 – 250000

Fuente: Smethurst, 1979

Los floculadores hidráulicos pueden simularse como Flujo Pistón, se debe minimizar

cortocircuitos.

Desventajas de los floculadores hidráulicos

i.) No se acomodan a cambios bruscos en la calidad del agua cruda.

ii.) Tanto la coagulación como la floculación dependen del caudal no pueden

ser ajustadas uno independientemente del otro.

iii.) La pérdida de carga en floculadores es apreciable en el cálculo y deben

ser minimizadas las pérdidas de carga.

iv.) Limpieza poco difícil

Floculadores con deflectores o bafles

Estos floculadores toman ventaja del cambio de dirección del agua, son de dos tipos:

FIGURA Tipos de floculadores hidráulicos con deflectores

En general se usan floculadores horizontales por efectos de limpieza, además los

floculadores horizontales se usan para plantas de tratamiento medianas que pueden tratar

hasta 10000 m3

/día

Pérdida de carga

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Tanto en floculadores horizontales y verticales existe una pérdida de carga h:

h h1 h2

Donde: h1 = Pérdida de carga en el canal

h2 = Pérdida de carga en la curva, cuando cambia de dirección el flujo

FIGURA 6.7 Gradiente de energía en floculadores horizontales [Adaptado de 3]

Para propósitos de diseño la pérdida de carga en la curva para floculadores horizontales

h=K(V2/2g)

V 2

h k (2g

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No se puede conocer a priori el valor de k, se va regulando a medida que va funcionando la

planta. En diseño se usa el valor de k menor.

TABLA 6.7 Valores de k para diferentes casos

Cuando es … k

Flujo horizontal 3.0

Vertedero sumergido 2.0

Vertedero rectangular 1.0

Número de deflectores

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Guías de diseño y construcción

Para floculadores horizontales:

1. La distancia entre deflectores no debe ser menor a 45 cm.(por mantenimiento)

2. La distancia entre la pared y el borde del bafle debe estar cerca de 1.5 veces la

distancia entre deflectores. Nunca debe ser menor a 60 cm.

3. El tirante de agua mínimo 1.00 m.

4. Para los deflectores preferentemente partes de madera, no así las de metal.

Usar maderas que resistan el agua con cierto contenido alcalino.

5. No utilizar deflectores de Asbesto-Cemento cuando el coagulante es a base de

aluminio porque se corroen, a no ser que tengan protección (pintura)

6. Pendiente de fondo del canal debe ser mayor a 5%

7. Los deflectores no deben tener más de 3m de altura

Para floculadores verticales:

1. La distancia entre deflectores no debe ser menor a 45 cm.

2. La profundidad debe estar entre 2 a 3 veces la distancia entre los deflectores.

3. La distancia entre el pelo del agua y la parte superior del deflector, o piso y parte

inferior de la pantalla debe ser cerca de 1 ½ veces la distancia entre deflectores

4. No usar deflectores de Asbesto- Cemento, mejor si son de buena madera

5. Se deben proveer agujeros de limpieza de 5% del área del bafle.

6. Los deflectores no deben tener más de 1m de altura

7. Pendiente de fondo debe ser mayor al 1%

Velocidades en floculadores: 0.3 - 1m/s

Tiempos de retención: 15 - 30 min.

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TRATAMIENTO DE AGUAS SUPERFICIALES

El tratamiento de las aguas superficiales se debe realizar mediante una variedad de procesos que dependen de la calidad del agua de origen. Todas las aguas superficiales deben ser sometidas a un proceso de desinfección independiente del tren de tratamiento seleccionado.

Desinfección solamente sin filtración

Tratamiento convencional.Un tren de tratamiento que consistente de alimentación química, mezcla rápida, floculación, sedimentación, filtración y desinfección se debe considerar como convencional.(2) La desinfección se debe incluir en el tratamiento convencional, con el punto o puntos de adición del desinfectante.(3) El proceso de aireación se constituye en una alternativa de tratamiento siempre y cuando sea necesaria y justificada su inclusión.(4) Una planta de tratamiento convencional debe ser capaz de tratar aguas que tengan una turbiedad de 10 a más de 1 000 U.N.T, durante las riadas, con dosis que pueden variar de 10 mg/l a más de 100 mg/l. La Figura 4 muestra el tren de tratamiento convencional para aguas de superficie.

A continuación se indican los procesos recomendables en función de la turbiedad del agua cruda.

PROCESO < 50 50 - 400 400 - 4000 P XCoagulación X X XFloculación X XSedimentación X XFiltración X X X

(1) En el caso de altas turbiedades los presedimendores operan también como desarenadores puesto que gran parte de la turbiedad corresponde a partículas gruesas fácilmente sedimentables.

A continuación se indican los procesos recomendables en función de la calidad del agua cruda (To= turbiedad del agua cruda, Co= color en el agua cruda, C.F.= coliformes fecales) de acuerdo al CEPIS

ALT ERNAT IVAS 90% DEL T IEMPO 80% DEL T IEMPO ESPORADICAMENT E

Filtración rápida completa: mezcla rápida, floculación, sedimentación y filtración rápida.

To< 1,000 UNT Co< 150 UC

C.F.< 600/100ml

To< 300 UNT Co< 70 UC Si To max >1,000 UNT, Añadir presedimentador.

Si C.F. > 600/100 ml, añadir precloración.

Filtración directa descendente: mezcla rápida y filtración descendente.

To < 30 UNT Co < 40 UC

Algas < 100 mg/m3

CF < 500/100 ml

To < 20 UNT To max.< 50 UNT

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Filtración directa ascendente: mezcla rápida y filtración ascendente.

To < 100 UNT Co < 60 UC

To < 50 UNT To max. < 200 UNT Co max. < 100 UC

Filtración directa ascendente - descendente

To < 250 UNT Co < 60 UC

To < 150 UNT To max. < 400 UNT. Co max. < 100 UC

Tratamiento convencional con pretratamiento(1) Para aguas que arrastran cargas de sedimentos, se debe emplear un proceso de presedimentación antes del tratamiento convencional.

Procesos para fuentes de elevada calidad(1) En fuentes con baja turbiedad, bajas concentraciones de materia orgánica e inorgánica y bajo color, algunos procesos de una planta convencional pueden ser omitidos. El tratamiento aconsejable para éstos casos es el de una Filtración Lenta en Arena FLA o una Filtración Directa FD que evita la etapa de sedimentación

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3.2.5 Tratamientos con tecnología apropiada con la adición de sustancias químicas(1) La filtración rápida ha predominado en el tratamiento de las aguas, con el consiguiente uso de compuestos químicos como coagulantes, para facilitar la coagulación y purificación del agua.

(2) Cuando la calidad del agua cruda y la capacidad de operación y mantenimiento en el ámbito local lo permiten, el proceso de sedimentación puede eliminarse dando origen a la filtración directa, la cual presenta variantes dependiendo del sentido del flujo en los filtros o de las modalidades que se adopten en los procesos previos de desestabilización o acondicionamiento de material coloidal. De cualquier manera estas opciones requieren la dosificación de coagulantes químicos.

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PLANTAS POTABILIZADORAS CONVENCIONALESLas plantas potabilizadoras convencionales corresponden a un tren de tratamiento que incluye la adición de compuestos químicos que favorecen el tratamiento. Consta de unidades de

pretratamiento, Aforador Coagualcion mezcla rápida, floculación, sedimentación, filtración y desinfección.

UNIDADES DE PRETRATAMIENTO

DEFINICIÓNLas aguas crudas se deben someter en una primera instancia a la etapa depretratamiento, que tiene por objeto separar del agua el material que por su naturaleza ytamaño no permite su depuración.

1 CRIBADO O CERNIDO (DESBASTE)La operación de cribado o cernido tiene por objeto:

c) Proteger a la planta de la llegada intempestiva de grandes objetos flotantes, capaces deprovocar obstrucciones en las distintas unidades de la instalación.

d) Separar y evacuar fácilmente materiales voluminosos arrastrados por el agua cruda.

Las rejas utilizadas pueden ser de limpieza manual o mecánica. El proyectista debe definir la selección evaluando capacidades de operación y mantenimiento.

a) Rejas de limpieza manuali) Deben ser construidas con barrotes rectos de acero, a veces verticales o inclinados con ángulos de 60 y 80 º sobre la horizontal, especialmente construidas en plantas alimentadas por aguas superficiales.

b) Rejas de limpieza mecánicai) Deben ser construidas según requerimientos de caudal, profundidades de canal, ancho del canal, debiendo referirse específicamente al fabricante en caso de utilizarlas.

DimensionamientoLas operaciones serán eficaces, según la separación entre los barrotes de la reja:

d) Cribado fino, con separación de 3 mm a 10 mme) Cribado medio, con separación de 10 mm a 25 mmf) Cribado grueso, con una separación de 30 mm a 100 mm

2 DESARENADORESTienen por objeto extraer del agua cruda, la gravilla, arena y partículas minerales más o menos finas. Deben evitar que se produzcan sedimentos en los canales y conducciones, para proteger las bombas y otros aparatos contra la abrasión.

El desarenado se refiere a partículas mayores a 200 micrómetros (0,2 mm) y peso específico de 2 650 kg/m3..

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Aforador (Estructura de Entrada)Se debe prever de un sistema de medición de caudal y estructuras que permitan evacuarlas excedencias.

(2) Se recomiendan del tipo vertedero sumergido, con orificios circulares que garanticendistribución uniforme del flujo, con velocidad menor a 0.30 m/s.

(3) Para el control en la operación y mantenimiento se debe disponer de una válvula decontrol a la entrada y otra a la salida.

e) Estructuras de salida(1) Podrá consistir de un vertedero simple sumergido de ancho B cuya carga no altere elflujo en la zona de sedimentación. Esta condición se cumple si L / H < 5 y la velocidad desalida sea menor a 0,60 m/s.

4.4 PRESEDIMENTADORES(1) Son unidades de pretratamiento que tienen por objeto separar las partículas sólidas de un líquido; estas partículas no deben ser de origen coloidal. Los diámetros están comprendidos entre 0,01 mm y 0,20 mm. Son de sección rectangular, presentando una zona de entrada, zona de sedimentación propiamente dicha, zona de lodos y la zona de salida.

4.4.1 Parámetros de diseño.Se toma en consideración en las partículas discretas la velocidad de sedimentación Vsvelocidad de escurrimiento horizontal Vh.

El diseño de los tanques de presedimentación está gobernado por 3 criterios: la cantidadde agua a ser tratada, la adecuada selección del tiempo de retención y la selección de lacarga superficial

PRETRATAMIENTO, AIREACIÓN Y TRANSFERENCIA DE GASES

5.1 DEFINICIÓN(1) Fenómeno físico mediante el cual las moléculas de un gas son intercambiadas entre un líquido y un gas a una interfase gas – líquido dando como resultado el incremento de la concentración de gas o gases en la fase líquida en tanto ésta fase no esté saturada con el gas a determinadas condiciones dadas, tales como: presión, temperatura (absorción del gas) y un decremento cuando la fase líquida está sobresaturada (desorción o escape de gas).

(2) En ingeniería sanitaria la transferencia de gases está representada en su fase gaseosa por el “aire” y la líquida por el “agua” y sus constituyentes. La transferencia de gases se produce siempre que exista un contacto entre el agua y el aire por el proceso de aireación.

(3) La transferencia de gases inducida servirá para:a) Adicionar oxígeno al agua subterránea para oxidar el hierro disuelto y manganeso, para facilitar su remoción.b) Adición del dióxido de carbono por medio de generadores para aguas ablandadas por el proceso cal – soda, que generalmente están sobresaturadas con carbonato de calcio el hidróxido de magnesio y requieren su estabilización.c) La adición de ozono o cloro para el proceso de desinfección de las aguas o para la eliminación del sabor y olor.

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d) Remoción del dióxido de carbono para ajustar o lograr el equilibrio carbónico respecto al calcio.e) Remoción de sustancias orgánicas volátiles, productoras de olores y sabores.

5.2 SOLUBILIDAD DE LOS GASES(1) La solubilidad de los gases en el agua depende de:a) La naturaleza del gas.b) La concentración del gas en la fase gaseosa relacionada a la presión parcial del gas en la fase gaseosa.c) La temperatura del agua.d) Las impurezas contenidas en el agua.

(2) Para diferentes presiones atmosféricas, temperaturas, la concentración de saturacióndel oxigeno y la del CO2 es señalada en la Tabla 1 a continuación:

5.3.4 Aireadores de cascada(1) Una altura disponible es subdividida en varias caídas para incrementar la cantidad deoxígeno al agua que atraviese ésta estructura o por el contrario disminuir el contenido de los

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gases no deseables.

(2) Los bordes de los peldaños actúan como vertederos, los mismos que producen unalámina de agua que favorece la exposición con el aire. Véase Figura 3 (a, b, c, d) delAnexo F.

5.3.5 Parámetros de diseño(1) La Tabla 3 indica los parámetros de diseño aplicables a aireadores de cascada

TRATAMIENTO QUÍMICO EN PLANTAS POTABILIZADORAS CONVENCIONALES

6.1 DEFINICIÓN(1) Las impurezas presentes en las aguas en forma de partículas en estado coloidal en suspensión fina o disuelta cuyo tamaño está entre 1 y 1000 milimicrones, no son remocionables a través de procesos físicos (sedimentación y filtración). Es necesario incorporar sustancias químicas coagulantes capaces de aglutinar las partículas en masas mayores (flóculos). El proceso de coagulación transforma las pequeñas partículas en grandes aglomerados, de manera que se facilite la sedimentación.

(2) La optimización del proceso de coagulación se produce a determinados valores de pH, para lo cual se requiere la adición de sustancias alcalinizantes o coadyuvantes de la coagulación.

(3) La presencia de microorganismos patógenos en las aguas destinadas al aprovisionamiento puede reducirse parcialmente en procesos de coagulación, y sedimentación. Dependiendo de la concentración inicial y las características físicas y químicas de las aguas se podrán encontrar en los efluentes concentraciones, que deben ser inactivadas a través de un proceso de desinfección.

(4) El proceso de desinfección mas factible técnico - económicamente para grandes sistemas es la cloración, que implica la adición de cloro al agua en cantidad tal que desactive los microorganismos y quede un valor residual que evite la recontaminación de los componentes del sistema.

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6.2 SUSTANCIAS COAGULANTES(1) Se debe utilizar el coagulante más apropiado para el tratamiento. Debe presentar las mayores ventajas en calidad, costo y facilidad de adquisición, almacenamiento y manejo

(2) La dosificación de coagulante (dosis óptima) debe determinarse en laboratorio a travésde la Prueba de Jarras.

(3) Se podrán utilizar otros coagulantes toda vez que el proyectista demuestre su necesidadtécnico – económica dentro del tratamiento. La Tabla 1 muestra las características de loscompuestos coagulantes, su presentación y concentración comercial.

(2) La dosificación del coadyuvante de coagulación (dosis óptima) debe determinarse en laboratorio a través de la Prueba de Jarras. Se determinará el pH óptimo de coagulación y la dosis de coadyuvante necesaria.

(3) Se podrán utilizar otros coadyuvantes de coagulación toda vez que el proyectista demuestre su necesidad técnico – económica dentro del tratamiento. La Tabla 2 muestra las características de los compuestos coadyuvantes de coagulación, su presentación y concentración comercial.

6.4 SUSTANCIAS DESINFECTANTES

(1) Se debe utilizar el desinfectante más apropiado para el tratamiento. Debe presentar las mayores ventajas en calidad, costo y facilidad de adquisición, almacenamiento y manejo.

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(2) La dosificación de desinfectantes (dosis) debe determinarse en laboratorio a través de la Prueba de Demanda de Cloro. Debe tenerse en cuenta que la demanda de cloro de cualquier agua, varia con la cantidad de cloro que se aplique, con el tiempo de contacto del que se dispone en la planta de tratamiento con el pH y con la temperatura.

(3) Se podrán utilizar otros desinfectantes toda vez que el proyectista demuestre

UNIDADES DE MEZCLA RÁPIDA

7.1 DEFINICIÓN(1) La mezcla rápida es una operación empleada en el tratamiento del agua, con el fin de dispersar las diferentes sustancias químicas que puedan emplearse y los gases. El agente físico es el gradiente de velocidad G (s-1)

7.2 DISPERSIÓN DE COAGULANTES(1) Al aplicar sustancias químicas al agua, principalmente coagulantes se debe tener en cuenta el factor de la dispersión de los mismos. La dispersión de los coagulantes progresará en tres fases:a) Hidrólisis de los iones (Al (III), Fe (III), esta fase se realiza entre 10 -10 y 10 -3

segundos. b) Difusión de los compuestos formados y adsorción de ellos en las partículas coloidales, que puede variar entre 8,5x 10-5 y 2,4 x 10 -4 segundos.c) Polimerización y reacción de los iones hidratados, para formar especies diméricas y poliméricas. Se realiza en tiempos de 10 -2 y 1 segundo.

(2) Una vez desestabilizados los coloides, empiezan a aglutinarse formando microflóculos con diámetros inferiores a una micra, lo que puede tardar menos de 60 segundos; luego estos núcleos se aglutinarán en partículas mayores (16,8 segundos a 546 segundos) y porúltimo se hidratarán aumentando su volumen.

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7.2.1 Relación entre tipo de coagulación y dispersión de los coagulantes(1) Existen dos tipos de coagulación: la de adsorción – neutralización y la de barrido o por incorporación. La primera ocurre en 0,01 a 1,0 segundos, la segunda cuando hay precipitación masiva de hidróxido de aluminio y se completa en 1 a 7 segundos.

(2) A tiempo de realizar pruebas de tratabilidad, se debe determinar el tipo de coagulación que se lleve a cabo en la planta y se debe reportar sus características.

7.2.2 Gradientes y tiempos óptimos para mezcla rápida por coagulación(1) Para el proceso de mezcla rápida por coagulación de barrido pueden seleccionarsegradientes de 400 s-1 a 800 s-1 y tiempos de 30 a 180 segundos. Para procesos concoagulación por adsorción – desestabilización, gradientes entre 1 000 y 3 000 s-1 contiempos de 1 a 5 segundos (los mayores tiempos para gradientes más bajos).7.2.3 Mezcladores de flujo de pistón(1) Los más difundidos por su simple operación y mantenimiento son: Canaleta Parshall,resalto hidráulico y los vertederos.(2) La canaleta Parshall se adecua a las plantas medianas a grandes (Q ≥ 500 l/s). Enplantas medianas a pequeñas (100 l/s <Q < 500 l/s), se recomienda el vertedero rectangular.En las plantas pequeñas (Q< 50 l/s) se utilizará un vertedero triangular como unidad demezcla, preferiblemente para caudales menores a 30 l/s.

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