DEPARTAMENTO DE IRRIGACIÓN
DISEÑO DE UN TREN DE TRATAMIENTO TERCIARIO AVANZADO PARA
OBTENER AGUA EMBOTELLADA
TESIS PROFESIONAL
QUE COMO REQUISITO PARCIAL
PARA OBTENER ÉL TITULO DE:
INGENIERO EN IRRIGACIÓN
PRESENTAN:
JUAN MARTÍNEZ JOSÉ
SOLORIO ELIZALDE NAHIELLI
CChhaappiinnggoo,, MMééxxiiccoo MMaarrzzoo ddeell 22000033
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CCCooonnnttteeennniiidddooo
Índice de Tablas ................................................................................................................... vi
Índice de Figuras ................................................................................................................. viii
Resumen ................................................................................................................................. ix
Summary ................................................................................................................................. ix
III... IIInnntttrrroooddduuucccccciiióóónnn ....................................................................................................................................... 111
IIIIII... OOObbbjjjeeetttiiivvvooosss ............................................................................................................................................. 333
Objetivo General ......................................................................................................................................... 3
Objetivos Particulares ................................................................................................................................. 3
IIIIIIIII... RRReeevvviiisssiiióóónnn dddeee LLLiiittteeerrraaatttuuurrraaa ................................................................................................................. 444
III.1 Antecedentes ..................................................................................................................................... 4 III.1.1 Panorama Mundial de la Contaminación del Agua. ...................................................................... 4
III.1.2 Aspectos Generales de la Problemática del Agua en México ...................................................... 5
III.1.3 Importancia de la Potabilización del Agua .................................................................................... 5
III.1.4 Consumo de Agua Potable en la Universidad Autónoma Chapingo. .......................................... 7
III.1.4.1 Consumo de agua en Comedores ......................................................................................... 7
III.1.4.2 Consumo de agua embotellada en Departamentos de Enseñanza y Oficinas ..................... 8
III.1.5 Tecnologías Empleadas para la Purificación del Agua. ............................................................... 8
III.2 Parámetros de Calidad de las Aguas .............................................................................................. 9 III.2.1 Caracterización del Agua .............................................................................................................. 9
III.2.1.1 Parámetros físicos ................................................................................................................10
III.2.1.2 Parámetros químicos............................................................................................................12
III.2.1.3 Parámetros biológicos ..........................................................................................................19
III.2.1.4 Parámetros bacteriológicos ..................................................................................................20
III.2.1.5 Parámetros radiológicos .......................................................................................................20
III.3 Sistemas de Tratamiento de Agua para Consumo Humano .......................................................21 III.3.1 Filtración ......................................................................................................................................21
III.3.1.1 Generalidades ......................................................................................................................21 III.3.1.2 Mecanismos de remoción ....................................................................................................22 III.3.1.3 Descripción de la filtración ...................................................................................................22 III.3.1.4 Sistemas de filtración ...........................................................................................................23 III.3.1.5 Variables del proceso de filtración .......................................................................................23
III.3.1.5.1 Características del agua a filtrar ....................................................................................23 III.3.1.5.2 Características del medio filtrante .................................................................................24 III.3.1.5.3 Velocidad de filtración ....................................................................................................24
III.3.1.6 Hidráulica de la filtración ......................................................................................................24 III.3.1.7 Flujo a través de lechos expandidos ...................................................................................27 III.3.1.8 Filtración en medio granular .................................................................................................28 III.3.1.9 Lavado de filtros ...................................................................................................................28
III.3.1.9.1 Retrolavado con agua a contracorriente .......................................................................29 III.3.1.9.2 Retrolavado con agua, combinada con lavado superficial ............................................30 III.3.1.9.3 Retrolavado con agua y aire sucesivamente .................................................................30 III.3.1.9.4 Retrolavado con agua y aire con agua simultáneamente .............................................30
III.3.1.10 Número y tamaño de los filtros ...........................................................................................31 III.3.1.11 Selección del medio filtrante ..............................................................................................31
III.3.1.11.1 Materiales del medio filtrante .......................................................................................32 III.3.1.12 Tipos de filtros ....................................................................................................................33
III.3.1.12.1 Filtros de grava ............................................................................................................33 III.3.1.12.2 Filtros de arena multicama o lecho profundo ..............................................................33
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III.3.1.12.3 Filtros a presión ...........................................................................................................34 III.3.1.12.4 Filtros de diatomea ......................................................................................................35
III.4 Tratamiento para Eliminar o Remover el Sabor y Olor ................................................................35 III.4.1 Filtros de Carbón Activado ..........................................................................................................36
III.4.1.1 Definición ..............................................................................................................................36
III.4.1.2 Generalidades ......................................................................................................................36
III.4.1.3 Descripción ...........................................................................................................................36
III.4.1.4 Producción de carbón activo ................................................................................................37
III.4.1.5 Proceso de activación ..........................................................................................................38 III.4.1.6 Perspectivas en desarrollo para la adsorción - regeneración del carbón activado .............40
III.4.1.6.1 Oxidación catalítica ........................................................................................................40 III.4.1.6.2 Utilización de microondas ..............................................................................................40
III.4.1.7 Consideraciones al aplicar el carbón activo en el tratamiento del agua ..............................40
III.4.1.8 Proceso de adsorción ...........................................................................................................41
III.4.1.9 Filtros de carbón activado granular ......................................................................................44
III.4.1.10 Ventajas y desventajas de carbón activo en polvo y en lechos filtrantes en grano ...........45
III.4.1.11 Perspectivas en desarrollo para el carbón activo ..............................................................46 III.4.1.11.1 Las fibras de carbón activado ......................................................................................46 III.4.1.11.2 Las membranas de carbón activado ...........................................................................46
III.4.1.12 Principales usos del carbón activo .....................................................................................47 III.4.1.12.1 Potabilización ...............................................................................................................47
III.4.1.13 Capacidad de retención de cloro ........................................................................................47
III.4.1.14 Concentración de cloro ......................................................................................................48
III.4.1.15 Sanitización de los lechos de carbón .................................................................................48
III.4.1.16 Extracción de carbón activo ...............................................................................................49
III.5 Tratamiento para el Ablandamiento del Agua ..............................................................................50 III.5.1 Intercambio Iónico .......................................................................................................................50
III.5.1.1 Aspectos generales ..............................................................................................................50
III.5.1.2 Definición ..............................................................................................................................50
III.5.1.3 Principios de funcionamiento ...............................................................................................51
III.5.1.4 Dureza ..................................................................................................................................52 III.5.1.5 Materiales de intercambio ....................................................................................................53
III.5.1.5.1 Zeolitas ..........................................................................................................................54 III.5.1.6 Intercambio y regeneración ..................................................................................................55 III.5.1.7 Resinas sintéticas.................................................................................................................58
III.5.1.7.1 Estructura física y química de las resinas. ....................................................................58 III.5.1.8 Selectividad de resinas ........................................................................................................59 III.5.1.9 Tasa de intercambio .............................................................................................................60 III.5.1.10 Tipos de resinas de intercambio iónico usadas para el tratamiento de aguas ..................60 III.5.1.11 Desmineralización ..............................................................................................................62
III.5.1.11.1 Diseño de los equipos de desmineralización ..............................................................64
III.5.1.12 Ventajas del proceso iónico ...............................................................................................64
III.5.1.13 Cálculo de un suavizador ...................................................................................................64
III.6 Tratamientos para Desinfectar el Agua .........................................................................................65 III.6.1 Métodos Físicos o Desinfección Sin Químicos. ..........................................................................65
III.6.1.1 Luz Ultravioleta .....................................................................................................................66 III.6.1.1.1 Aspectos generales .......................................................................................................66 III.6.1.1.2 Reseña histórica ............................................................................................................66 III.6.1.1.3 Luz UV ...........................................................................................................................66 III.6.1.1.4 Fuentes y tecnología de lámparas.................................................................................67 III.6.1.1.5 Generación de la UV .....................................................................................................68 III.6.1.1.6 Mecanismos de desinfección .........................................................................................69 III.6.1.1.7 Tasas de inactivación ....................................................................................................70 III.6.1.1.8 Requerimientos de dosis ...............................................................................................71
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III.6.1.1.9 Componentes de los equipos esterilizadores ................................................................72 III.6.1.1.10 La luz ultravioleta ofrece seguridad en la desinfección ...............................................73 III.6.1.1.11 Desinfección de agua potable .....................................................................................75 III.6.1.1.12 Operación y mantenimiento .........................................................................................75 III.6.1.1.13 Subproductos de desinfección.....................................................................................76 III.6.1.1.14 Costos de desinfección UV ..........................................................................................76 III.6.1.1.15 Aplicaciones de la UV ..................................................................................................77 III.6.1.1.16 Ventajas de la UV ........................................................................................................77 III.6.1.1.17 Recomendaciones de seguridad .................................................................................78 III.6.1.1.18 Criterios para seleccionar la luz UV ............................................................................78 III.6.1.1.19 Guía de instalación ......................................................................................................79
III.6.1.2 Osmosis Inversa ...................................................................................................................80 III.6.1.2.1 Generalidades................................................................................................................80 III.6.1.2.2 Antecedentes científicos ................................................................................................80 III.6.1.2.3 Descripción del proceso ................................................................................................81 III.6.1.2.4 Presión osmótica ...........................................................................................................82 III.6.1.2.5 Osmosis inversa ............................................................................................................83 III.6.1.2.6 Funcionamiento de la ósmosis inversa .........................................................................84 III.6.1.2.7 Diferencia entre ósmosis y otros procesos de membrana ............................................85 III.6.1.2.8 Teorías de la ósmosis ....................................................................................................85 III.6.1.2.9 Ecuaciones fundamentales ............................................................................................86 III.6.1.2.10 Membranas de ósmosis y módulos de ósmosis ..........................................................89 III.6.1.2.11 Diferencias entre membranas......................................................................................92 III.6.1.2.12 Características de las membranas ..............................................................................93 III.6.1.2.13 Rendimiento de los módulos .......................................................................................94 III.6.1.2.14 Colocación de las membranas ....................................................................................95 III.6.1.2.15 Usos de la ómosis ínversa ...........................................................................................95 III.6.1.2.16 Ventajas de la ómosis inversa .....................................................................................96
III.6.2 Métodos Químicos ......................................................................................................................97 III.6.2.1 Ozonización ..........................................................................................................................97
III.6.2.1.1 Aspectos generales .......................................................................................................97 III.6.2.1.2 Propiedades del ozono ................................................................................................100 III.6.2.1.3 Acciones fundamentales del ozono .............................................................................102 III.6.2.1.4 Formas de producción del ozono ................................................................................105 III.6.2.1.5 Ozono vs. cloro ............................................................................................................114 III.6.2.1.6 Ventajas y desventajas ................................................................................................116 III.6.2.1.7 Factores ambientales y de seguridad ..........................................................................117 III.6.2.1.8 Aplicaciones .................................................................................................................118
III.6.2.2 Cloración ............................................................................................................................120
III.6.2.2.1 Aspectos generales .....................................................................................................120 III.6.2.2.2 Factores que influyen en la cloración ..........................................................................120 III.6.2.2.3 Reacciones del cloro en el agua ..................................................................................121 III.6.2.2.4 Demanda de cloro........................................................................................................123 III.6.2.2.5 Cloro residual en la red de distribución .......................................................................124 III.6.2.2.6 Desinfectantes con contenido de cloro ........................................................................124 III.6.2.2.7 Elección del desinfectante residual .............................................................................125 III.6.2.2.8 Equipos de cloración ...................................................................................................125 III.6.2.2.9 Protección de la salud pública .....................................................................................126 III.6.2.2.10 Subproductos de desinfección...................................................................................127
IIIVVV... MMMaaattteeerrriiiaaallleeesss yyy MMMééétttooodddooosss .................................................................................................................129
IV.1 Localización Geográfica ..................................................................................................................129
IV.2 Clima ...............................................................................................................................................129
IV.3 Estudio de Mercado ......................................................................................................................129
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IV.3.1 Perspectiva de las Aguas Embotelladas. .................................................................................129
IV.3.2 Crecimiento del Mercado de Agua Puricada ............................................................................131
IV.3.3 Disponibilidad de la Materia Prima e Insumos de Producción .................................................132
IV.3.4 Determinación de la Demanda .................................................................................................133
IV.3.5 Presentación y Descripción del Producto .................................................................................134
IV.3.6 Agua Purificada en México .......................................................................................................135
IV.3.7 Comportamiento de la Demanda ..............................................................................................136
IV.3.8 Análisis de la Demanda ............................................................................................................137
IV.3.9 Demanda Actual .......................................................................................................................137
IV.3.10 Proyección de la Demanda ....................................................................................................138
IV.3.11 Estimación de la Oferta ..........................................................................................................139
IV.3.12 Tipo de Proceso del Oferente de Mayor Mercado .................................................................140
IV.3.13 Importancia del Precio ............................................................................................................141
IV.3.14 Comercialización ....................................................................................................................142
IV.3.15 Canal de Comercialización Propuesto ...................................................................................143
IV.3.16 Parámetros de Competitividad ...............................................................................................144
IV.3.17 Estrategias para la Penetración y Venta del Agua en el Mercado .........................................144
IV.3.18 Justificación del Proyecto .......................................................................................................144
IV.4 Tamaño de la Planta ......................................................................................................................145 IV.4.1 Agua Purificada en Presentación de 19 litros ..........................................................................145
IV.4.2 Presentaciones de 500 ml ........................................................................................................147
IV.4.3 Presentaciones de 1500 ml ......................................................................................................147
IV.4.4 Localización de la Planta ..........................................................................................................149
IV.4.5 Microlocalización ......................................................................................................................149
IV.5 Ingeniería Básica del Proceso de Purificación de Agua ...........................................................149 IV.5.1 Descripción de la Calidad del Agua y Tecnología Disponible. .................................................150 IV.5.2 Descripción del Proceso para la Purificación del Agua ............................................................152 IV.5.3 Cálculo y Descripción del Equipo .............................................................................................160
IV.5.3.1 Cálculo del diámetro de la tubería .....................................................................................160 IV.5.3.2 Cálculo de la potencia de la bomba ...................................................................................163
IV.5.3.2.1 Cálculo de la presión en la succión .............................................................................164 IV.5.3.2.2 Cálculo del número de Reynolds ................................................................................164 IV.5.3.2.3 Pérdidas de carga en la succión .................................................................................165 IV.5.3.2.4 Pérdidas de carga en la descarga...............................................................................166 IV.5.3.2.5 Cálculo de la potencia de la bomba o caballos hidráulicos ........................................169 IV.5.3.2.6 Potencia del motor ......................................................................................................169
IV.5.3.3 Cálculo de la potencia consumida por el motor operando ................................................170 IV.5.4 Especificaciones del Equipo .....................................................................................................173
IV.5.4.1 Filtro de lecho profundo .....................................................................................................174 IV.5.4.2 Filtro de carbón activado ....................................................................................................174 IV.5.4.3 Intercambio iónico ..............................................................................................................175 IV.5.4.4 Osmosis inversa .................................................................................................................177 IV.5.4.5 Radiación ultravioleta .........................................................................................................178 IV.5.4.6 Generador de ozono. .........................................................................................................179 IV.5.4.7 Lavadora de garrafones. ....................................................................................................179 IV.5.4.8 Llenadora de garrafones ....................................................................................................179 IV.5.4.9 Sistema de transporte ........................................................................................................179 IV.5.4.10 Superficie para la instalación ...........................................................................................180
IV.6 Estimación de Costos ...................................................................................................................180 IV.6.1 Constitución de la Empresa ......................................................................................................180
IV.6.2 Requerimientos de la Mano de Obra. .......................................................................................181 IV.6.2.1 Descripción del puesto .......................................................................................................181
IV.6.3 Programa de Producción ..........................................................................................................181 IV.6.3.1 Requerimientos de la materia prima ..................................................................................182
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IV.6.4 Estudio Económico ...................................................................................................................183 IV.6.4.1 Presupuesto de costos de producción ...............................................................................183
IV.6.4.1.1 Costos de bombeo de la materia prima ......................................................................183 IV.6.4.1.2 Costos de la materia prima y envases para el primer año ..........................................188 IV.6.4.1.3 Otros materiales ..........................................................................................................190 IV.6.4.1.4 Consumo de energía eléctrica ....................................................................................190 IV.6.4.1.5 Costos de mano de obra directa .................................................................................191 IV.6.4.1.6 Combustible .................................................................................................................191 IV.6.4.1.7 Mantenimiento .............................................................................................................191 IV.6.4.1.8 Costo de control de calidad .........................................................................................192 IV.6.4.1.9 Presupuesto de costos de producción ........................................................................193 IV.6.4.1.10 Presupuesto de gastos de administración ................................................................193 IV.6.4.1.11 Presupuesto de gasto de venta.................................................................................194 IV.6.4.1.12 Costos totales de producción ....................................................................................194 IV.6.4.1.13 Costo total de operación de la empresa ...................................................................195 IV.6.4.1.14 Ingresos de la planta con una capacidad del 73.58%...............................................196 IV.6.4.1.15 Inversión inicial en activo fijo y diferido .....................................................................196 IV.6.4.1.16 Obra civil ....................................................................................................................197 IV.6.4.1.17 Activo diferido ............................................................................................................199 IV.6.4.1.18 Inversión total del activo fijo y diferido ......................................................................199 IV.6.4.1.19 Depreciación y amortización .....................................................................................199 IV.6.4.1.20 Determinación del capital de trabajo .........................................................................200 IV.6.4.1.21 Determinación del punto de equilibrio o producción mínima económica ..................201 IV.6.4.1.22 Determinación de los ingresos por ventas sin inflación ............................................203 IV.6.4.1.23 Estado de resultados sin inflación y con producción variable hasta el quinto año ...203
IV.6.5 Evaluación Económica .............................................................................................................205 IV.6.5.1 Cálculo del VPN y la TIR con una producción variable, sin inflación ................................205
IV.6.6 Costos Cubiertos por la Universidad Autónoma Chapingo. .....................................................207
VVV... RRReeesssuuullltttaaadddooosss yyy DDDiiissscccuuuccciiióóónnn .............................................................................................................211
VVVIII... CCCooonnncccllluuusssiiiooonnneeesss .................................................................................................................................213
VVVIIIIII... BBBiiibbbllliiiooogggrrraaafffíííaaa ....................................................................................................................................214
VVVIIIIIIIII... AAAnnneeexxxooosss ...........................................................................................................................................222
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Índice de Tablas
Núm. De Descripción Pág.
tabla
Tabla 3.1 Opciones para recuperar el agua contaminada. ....................................................................... 9
Tabla 3.2 Modelo de resinas comúnmente en mercado. .........................................................................56
Tabla 3.3 Dosis recomendadas y exigidas de UV. ..................................................................................71
Tabla.3.4 Comparación de los tres medios más utilizados para la desinfección del agua. ....................79
Tabla 3.5 Porcentaje de rechazo de membranas. ...................................................................................94
Tabla 3.6 Potenciales de oxidación. ......................................................................................................101
Tabla 3.7 Solubilidad del ozono en el agua. ..........................................................................................110
Tabla 3.8 Propiedades del ozono durante el empleo en aguas para potabilizar. .................................115
Tabla 3.9 Rango de ozono permisible. ..................................................................................................117
Tabla 3.10 Tiempo de exposición del hombre, en ciertos niveles de concentración de ozono. ..............118
Tabla 3.11 La constante de ionización Ki varía con la temperatura. .......................................................122
Tabla 3.12 Desinfectantes de agua potable a simple vista. .....................................................................125
Tabla 3.13 Agentes patógenos transmitidos por el agua. ........................................................................127
Tabla 4.1 Estudio de PROFECO a aguas purificadas en ocho ciudades del país. ..............................130
Tabla 4.2 Datos comparativos de la NOM-041 y el análisis de agua realizado. ...................................132
Tabla 4.3 Comportamiento de consumo de agua en garrafón. .............................................................135
Tabla 4.4 Proyección del consumo de agua para la población de trabajadores de la UACH ...............138
Tabla 4.5 Proyección del consumo de agua para la población de estudiantes. ....................................139
Tabla 4.6 Producción estimada de agua purificada en presentación de 19 litros para la UACH. .........140
Tabla 4.7 Comparación de precios de agua purificada en algunas presentaciones comerciales. ........141
Tabla 4.8 Producción de agua purificada para el primer año. ..............................................................145
Tabla 4.9 Producción estimada para el año 2 al 10. ..............................................................................146
Tabla 4.10 Producción estimada de agua purificada en presentación menor de 500 ml. ......................147
Tabla 4.11 Producción estimada de agua purificada en presentación de 1500 ml. ................................148
Tabla 4.12 Producción estimada de agua purificada anualmente que será introducida al mercado. .....148
Tabla 4.13 Calidad del agua antes de operar el sistema de UV. .............................................................156
Tabla 4.14 Dosis de ozono aplicadas según sus distintas aplicaciones..................................................158
Tabla 4.15 Velocidad razonable del agua en tuberías. ............................................................................160
Tabla 4.16 Filtro de lecho profundo de uso comercial. ............................................................................174
Tabla 4.17 Filtro carbón activado de uso comercial................................................................................175
Tabla 4.18 Ablandamiento de uso comercial. ..........................................................................................176
Tabla 4.19 Sistemas de ósmosis inversa comerciales. ...........................................................................177
Tabla 4.20 Lámparas de radiación ultravioleta comerciales. ...................................................................178
Tabla 4.21 Requerimientos de personal. .................................................................................................181
Tabla 4.22 Materia prima requerida mensualmente para el primer año. ................................................183
Tabla 4.23 Tarifa 6 de energía eléctrica para el bombeo de agua potable. ...........................................184
Tabla 4.24 Costo del equipo de bombeo a través de los años. ..............................................................188
Tabla 4.25 Costos de la materia prima y envases. .................................................................................188
Tabla 4.26 Envases y embalajes para la producción de la planta a lo largo de su vida útil. ..................189
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Tabla 4.27 Otros materiales. ...................................................................................................................190
Tabla 4.28 Equipos que requieren energía eléctrica. .............................................................................190
Tabla 4.29 Costo de la mano de obra directa. ........................................................................................191
Tabla 4.30 Costos por mantenimiento al equipo del tren de tratamiento terciario. ................................192
Tabla 4.31 Parámetros más importantes para iniciar en el mercado del agua purificada y envasada. .192
Tabla 4.32 Presupuesto de costos de producción. .................................................................................193
Tabla 4.33 Costos del personal administrativo. .....................................................................................193
Tabla 4.34 Costos totales de producción. ..............................................................................................194
Tabla 4.35 Costos totales de operación del tren de tratamiento terciario. .............................................195
Tabla 4.36 Ingresos de la planta a lo largo del año. ...............................................................................196
Tabla 4.37 Activo fijo de producción. ......................................................................................................196
Tabla 4.38 Activo fijo de oficina...............................................................................................................197
Tabla 4.39 Activos diferidos. ...................................................................................................................199
Tabla 4.40 Resumen de costos totales. ..................................................................................................199
Tabla 4.41 Depreciación y amortización de activo fijo y diferido. ...........................................................200
Tabla 4.42 Clasificación de los costos y gastos de operación. ...............................................................201
Tabla 4.43 Punto de equilibrio para el primer año. .................................................................................202
Tabla 4.44 Ingresos por ventas. ..............................................................................................................203
Tabla 4.45 Costos que permanecen fijos, independientemente de la cantidad producida. ...................204
Tabla 4.46 Estado de resultados sin inflación, con producción variable. ...............................................204
Tabla 4.47 Ingresos y pago de la inversión de activo fijo y diferido........................................................204
Tabla 4.48 El ingreso diario con $12.2 / garrafón. ..................................................................................205
Tabla 4.49 Costos para una planta purificadora dentro de la UACH. .....................................................207
Tabla 4.50 Clasificación de los costos y gastos de operación. ...............................................................208
Tabla 4.51 Ingresos por ventas. ..............................................................................................................209
Tabla 4.52 Costos que permanecen fijos, independientemente de la cantidad producida. ...................209
Tabla 4.53 Estado de resultados sin inflación, sin financiamiento y producción variable. .....................209
Tabla 4.54 Ingresos y pago de la inversión de activo fijo y diferido........................................................210
Tabla 8.1 Límites permitidos de algunas determinaciones. ..................................................................235
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Índice de figuras
Núm. de Descripción Pág. Figura
Figura 3.1 Filtro de lecho profundo. ........................................................................................................34
Figura 3.2 Estructura del carbón activado en anillos tipo benceno. .......................................................39
Figura 3.3 Isotermas de Freundlich. .......................................................................................................43
Figura 3.4 Instalación del ablandador. ....................................................................................................58
Figura 3.5 Secuencias de ADN normal y modificado. ............................................................................67
Figura 3.6 Efecto de UV de presión media en un microorganismo. .......................................................67
Figura 3.7 Construcción de una lámpara de arco de mercurio y diseño de balasto...............................68
Figura 3.8 Generación de UV..................................................................................................................68
Figura 3.9 Principios del proceso de ósmosis. ........................................................................................82
Figura 3.10 Fenómeno de ósmosis inversa. .............................................................................................84
Figura.3.11 Membranas construidas con poliamida. ................................................................................90
Figura 3.12 Proceso de membrana tubular. ..............................................................................................90
Figura.3.13 Proceso de membrana fibra hueca. .......................................................................................91
Figura 3.14 Proceso de membrana de espirales. .....................................................................................91
Figura 3.15 Esquema de funcionamiento de un generador de ozono. ...................................................106
Figura 3.16 Esquema básico de un generador de ozono de tubos concéntricos ..................................108
Figura 3.17 Diagrama simplificado de un generador de ozono. .............................................................109
Figura 3.18 Sistemas de tanques de contacto de ozono con difusores de burbuja ..............................111
Figura 3.19 Métodos de difusión de ozono por inyección. ......................................................................113
Figura 4.1 Tanque de almacenamiento de agua cruda. .......................................................................152
Figura 4.2 Filtros de lecho profundo. ....................................................................................................153
Figura 4.3 Instalación de un filtro de lecho profundo y carbón activado. ..............................................153
Figura 4.4 Filtro de carbón activado. .....................................................................................................154
Figura 4.5 Suavizadores de agua comercial. ........................................................................................154
Figura 4.6 Unidad de ósmosis inversa. .................................................................................................155
Figura 4.7 Lámpara de UV (uso industrial). ..........................................................................................156
Figura 4.8 Tanque de almacenamiento de agua purificada. .................................................................157
Figura 4.9 Sistema generador de ozono. ..............................................................................................157
Figura 4.10.a Lavadora de garrafones. ......................................................................................................158
Figura 4.10.b Conexiones de lavadora de garrafones modelo L-3. ...........................................................159
Figura 4.11 Llenadora de garrafones fijo y movible. ...............................................................................159
Figura 4.12 Esquema de bombeo. ..........................................................................................................162
Figura 4.13 Gráfica de rendimiento de motobombas multipasos de ¾ a 2 HP. .....................................170
Figura 4.14 Esquema de bombeo del pozo Yucateco. ...........................................................................170
Figura 4.15 Esquema de ubicación del sistema de producción. ............................................................198
Figura 4.16 Punto de equilibrio de la producción. ...................................................................................202
Figura 4.17 Diagrama de flujo para la evaluación económica sin inflación con producción variable. ....205
Figura 4.18 Diagrama de flujo para la evaluación económica sin inflación con producción variable (UACH). ......................................................................................................................................................210
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Diseño de un tren de tratamiento terciario avanzado para obtener agua embotellada.
Arana Muñoz O.1
Juan Martínez J.2
Solorio Elizalde N.2
RESUMEN
En este trabajo se presenta la información necesaria de los sistemas de tratamiento
terciario avanzado que hay en el mercado, filtros de lecho profundo, filtros de carbón
activado, intercambio iónico, osmosis inversa, radiación ultravioleta, ozonización y
cloración, así como la combinación de estos para obtener un producto que cumpla con
los estándares nacionales e internacionales de calidad del agua embotellada comercial.
Además, se realiza el diseño de un tren de tratamiento terciario para purificar agua a la
Universidad Autónoma Chapingo de acuerdo a su calidad, siendo esencial el análisis
financiero sin inflación y sin financiamiento teniendo costos de producción con un precio
de venta mínimo de $12.15 y $9.06 por garrafón.
PALABRAS CLAVE: Filtración, carbón, intercambio, osmosis, ozono, cloro, evaluación económica.
Design of a train of advanced tertiary treatment to obtain bottled water.
SUMMARY
In this work the necessary information of the systems of advanced tertiary treatment is
presented that there is in the market, filters of deep channel, filters of activated coal,
exchange ionic, inverse osmosis, ultraviolet radiation, ozone and chlorine, as well as the
combination of these to obtain a product that fulfills the national and international
standards of quality of the commercial bottled water. Also, this is carried out the design
of a train of tertiary treatment to purify water of the Autonomous University Chapingo
according to their quality, being essential the financial analysis without inflation and
without financing having production costs, with a minimum sale price of $12.15 and
$9.06 for carafe.
KEY WORDS: Filtration, coal, exchange, osmosis, ozone, chlorine, design, economic evaluation. 1. Profesor investigador del Departamento de Irrigación, UACH. 2. Pasante de la Carrera de Ingeniero en Irrigación.
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II.. IInnttrroodduucccciióónn
El agua es imprescindible para la vida. La necesitan tanto animales y plantas así como
el hombre en la agricultura, la ganadería, la industria o la generación de energía.
En el hombre constituye el 70% del cuerpo y la utiliza todos los días para satisfacer
necesidades fundamentales. A pesar de que se puede vivir con sólo 5 litros o menos de
agua al día, generalmente necesitamos mucha más agua para conservarnos
saludables; unos 50 litros o más para satisfacer las necesidades personales y del
hogar. Pero en los países desarrollados se gasta mucho más, un promedio de 400 a
500 litros por persona diariamente, cantidades que no siempre son un lujo, sin embargo
resulta costoso.
Las aguas dulces que podemos aprovechar son superficiales, como los ríos, arroyos y
lagos; o subterráneas. También se puede captar agua de lluvia en presas de
almacenamiento.
Desde tiempos remotos, la lluvia ha sido tan escasa e irregular que su aprovechamiento
directo es muy difícil, afortunadamente la naturaleza nos permite disponer de ésta
durante una parte del año. Posteriormente parte del agua llega hacia las corrientes de
agua, otra parte llega a los almacenamientos y otra se filtra en el suelo lentamente
hacia los acuíferos.
Con la tecnificación de la agricultura, la aplicación de productos químicos afecta la
calidad del agua subterránea, debido a que en el proceso del ciclo hidrológico una
parte del agua de lluvia escurre y otra se infiltra llevando consigo residuos tóxicos.
El abatimiento de los acuíferos por sobre explotación de agua para uso doméstico e
industrial, en áreas circundantes de las grandes urbes, ha deteriorado la disponibilidad
del recurso por lo que es necesario la construcción de plantas de tratamiento para
reutilizar el agua. Garantizar un aporte suficiente de agua no es suficiente para resolver
los problemas de suministro, es necesario asegurar que esa agua sea potable, es decir,
apta para el consumo humano. De hecho, las grandes ciudades estuvieron expuestas a
graves epidemias por transmisión hídrica, hasta que se desarrollaron sistemas eficaces
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de potabilización, que garantizaran a la población un agua con una calidad y en una
cantidad adecuadas.
El avance de la ciencia y la necesidad de seguir obteniendo agua de mejor calidad, ha
permitido que se usen nuevos métodos y equipos para obtener agua a un precio
accesible a la población.
Por eso en este trabajo se propone un tren de tratamiento terciario para tratar el agua y
obtener un producto de calidad, tal que permita su confiabilidad para entrar en el
mercado del agua purificada certificada.
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IIII.. OObbjjeettiivvooss
OObbjjeettiivvoo GGeenneerraall
Proyectar un tren de tratamiento terciario avanzado para obtener agua purificada
embotellada y ser consumida por la comunidad de la Universidad Autónoma Chapingo.
OObbjjeettiivvooss PPaarrttiiccuullaarreess
Realizar una revisión bibliográfica de los métodos terciarios avanzados que más
se utilizan para purificar agua.
Realizar análisis de muestras de agua en diferentes fuentes que serán la materia
prima, que mediante los tratamientos terciarios avanzados reúnan las
características para embotellar.
Determinar costos de la obra civil.
Determinar la rentabilidad del tren de tratamiento terciario avanzado propuesto.
Contar con un trabajo que apoye la enseñanza y el diseño de un sistema de
tratamiento terciario avanzado para purificar agua.
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IIIIII.. RReevviissiióónn ddee LLiitteerraattuurraa
IIIIII..11 AAnntteecceeddeenntteess
III.1.1 Panorama Mundial de la Contaminación del Agua
La senda del desarrollo económico seguida en este siglo ha afectado drásticamente la
cantidad y calidad de los recursos hídricos. De continuar por este camino, en las
próximas décadas habrá una enorme disparidad entre la demanda y la disponibilidad
del agua. Existe el riesgo de que se produzca una crisis del agua a escala mundial.
El agua durante la presente década se ha convertido en una preocupación sin
precedentes, por la escasez de recursos de agua dulce para satisfacer la demanda de
los 8,500 millones de personas que habrá en el año 2025. Las lluvias anuales en los
continentes proporcionan unos 7000 m3 por persona, pero su distribución desigual en el
tiempo y en el espacio hace que sólo parte de este volumen pueda explotarse
económicamente, aunque cabe mencionar que el 45 por ciento de ella es absorbida por
la demanda existente (Arana, 1996).
Actualmente, la cuarta parte de los países del mundo tiene insuficiencia de agua tanto
en cantidad como en calidad, con lo cual no cabe duda que un uso más intensivo e
inapropiado del recurso aumentará los riesgos para la población y supone una grave
rémora para la producción alimentaría, para el desarrollo económico y para la
protección de los ecosistemas. Es tan grave la escasez de agua dulce en el mundo que
el Banco Mundial advierte que el problema presenta una amenaza para la economía y
la salud de 80 países, es decir 40 % de los habitantes de la tierra - más de dos millones
de personas—no tienen acceso al agua limpia ni a condiciones sanitarias (Cazares,
1992, citado por Arana, 1996).
Algunas investigaciones han estimado que el 80% de todas las enfermedades y el 33%
de las muertes en los países en desarrollo están relacionados con la inadecuada
calidad del agua y según el estudio del PNUMA (Programa de las Naciones Unidas
para el Medio Ambiente) de "cuatro de cada cinco enfermedades endémicas en los
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países en vías de desarrollo se deben al agua sucia o a la falta de instalaciones
sanitarias" y la Organización Mundial de la Salud (OMS) informó que las enfermedades
ligadas al modo de vida y al ambiente son responsables de las tres cuartas partes de
los 49 millones de defunciones que se producen en el planeta cada año, y medio
mundo 2.500 millones de personas- sufren enfermedades asociadas a la contaminación
del agua y a la falta de higiene, señalando una estrecha correlación entre la
insuficiencia y calidad del recurso y la ocurrencia de enfermedades de origen hídrico
(Fierros, 1992).
III.1.2 Aspectos Generales de la Problemática del Agua en
México
En nuestro país se ha dado un mal uso del agua, puesto que cada familia desperdicia
en promedio unos 150 litros diarios a causa de los malos hábitos, elevando con ello el
consumo promedio por persona a 200 y hasta 300 litros al día, cuando 100 litros serían
suficientes para el uso doméstico per cápita urbano (Arana, 1996).
La calidad del agua superficial se está deteriorando en las principales cuencas a causa
de los residuos urbanos agrícolas e industriales. Las aguas freáticas se contaminan
desde la superficie y en otros casos se deterioran irreversiblemente con la intrusión de
agua salada del mar, cuando el bombeo ha sido excesivo, tal es el caso de la Costa de
Hermosillo en Sonora y Santo Domingo B. C. (Arana,1996).
III.1.3 Importancia de la Potabilización del Agua
Es innegable que la problemática no natural del agua es provocada por el hombre en su
interacción con el medio natural. Y está determinada por la forma de aprovechar, usar y
administrar, tanto el agua como los otros recursos, los cuales son inherentes al
equilibrio ecológico y al sano fluir del ciclo hidrológico. La cual se hace crítica en los
centros de uso, particularmente en los centros de mayor población. Como
representativa de las aglomeraciones humanas tenemos a la Ciudad de México y su
zona metropolitana.
Esta situación impide que la población cuente con un servicio adecuado de agua
potable, lo que obliga a bombear de distancias muy alejadas (Valle de Bravo,
Cutzamala), en este proceso es cuando se contaminan y para solucionar el problema
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los gobiernos de las ciudades optan por un sistema que no resulte una inversión
cuantiosa, seleccionando los métodos tradicionales que incrementan los problemas
para el consumidor (CEAS, 1993).
A pesar de lo anterior es necesario disponer de agua que no tenga mal sabor, olores
extraños, tanto fría como caliente, de manera que solo desprenda leve alcalinización
que le confieren las sales y gases disueltas en ellas, desde luego conviene que
contenga cierta cantidad de sal, pues en caso contrario, resulta insípida.
El agua potable es indispensable para la mayoría de los seres vivos ya que es el
constituyente mayor de seres vivos; estando incorporada a los tejidos y órganos. Así,
podemos indicar que el tejido adiposo contiene entre un 22% y un 34% de agua, y en el
hígado y corazón la proporción oscila entre un 70% y 80%. El tejido con mayor
contenido en agua es el nervioso, con una proporción entre el 82% y 94% (Delta, 2001).
El agua puede estar libre, conteniendo sustancias minerales u orgánicas en disolución
o combinada con ciertos cuerpos. También se presenta retenida, por absorción, por
ciertas sustancias dentro de las células, Su papel es muy importante, hasta el punto
que una pérdida de agua del 15% produce graves trastornos en los animales
superiores. En los inferiores, da lugar al enquistamiento, o a la adopción del estado de
vida latente. Es el medio de disolución de los componentes minerales y orgánicos del
protoplasma celular y gracias a ella pueden realizar varias acciones vitales para el
organismo. Lo anterior nos pone en tela de juicio para decidir el tipo de agua que
deseamos incorporar al organismo para prevenir las enfermedades que se pueden
transmitir mediante el agua (Delta, 2001).
Por tal la transformación en su calidad esta debe estar acorde a las necesidades de la
sociedad, y pasó de ser un elemento esencial natural a un producto elaborado y
comercializado.
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III.1.4 Consumo de Agua Potable en la Universidad Autónoma
Chapingo
Para el abastecimiento de agua de uso Doméstico la Universidad cuenta con cuatro
pozos (Yucateco, Zootecnia, Lavanderia y Sociología) activos que funcionan mas de
una hora diaria, para almacenarla se dispone de cisternas con una capacidad
aproximada de 50 m3. Cabe aclarar que en los pozos el nivel estatico está a una
profundidad del orden de 60 m (Gutiérrez, 2002), comunicación personal.
III.1.4.1 Consumo de agua en Comedores
Los pozos Yucateco, Zootecnia, Lavanderia están conectados para abastecer a toda la
Universidad de esa manera cuando se presentan problemas los demás suministran el
líquido.
De acuerdo con la información recabada, años atrás hasta el agua que se consumía en
los comedores solo recibía tres tratamientos avanzados, en el siguiente orden:
intercambio iónico, filtros de fibra y filtros de carbón activado. Estos dos últimos a un se
encuentran colocados como muestra de su deterioro. El tratamiento de intercambio
iónico lleva funcionando más de cinco años y la regeneración de la resina se hace con
sal de mar (NaCl), cabe aclarar que es un pre tratamiento antes de entrar a la caldera.
Actualmente las autoriadades de la universidad se han preocupado por mejorar y tener
un control en las aguas que utiliza en sus comedores para la preparación de alimentos,
café, te, lavado de verduras, entre otros usos, además que tienen una red que abastece
a algunas oficinas donde algunos trabajadores la consumen para la preparación de
café.
El tratamiento que opera desde inicios del 2002 tiene una capacidad para purificar 50
m3/diarios. El tren que sigue el agua es el siguiente: filtros de carbón activado- filtro de
pulidor de agua - Rayos Ultravioleta. Teniendo el mayor consumo en las horas de
servicio 7-9 am, 12-3 pm, 7-8.30 pm.
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III.1.4.2 Consumo de agua embotellada en Departamentos de Enseñanza y Oficinas
Por otra parte, la preocupación por la calidad sanitaria del agua que se bebe se ha
incrementado por el consumo de agua purificada embotellada en las oficinas tanto
académicas como administrativas de cada departamento, puesto que prefieren comprar
agua de una cierta calidad (Higiene) y aun precio accesible.
Es así como se consumen varias decenas de garrafones de agua purificada, que cada
departamento compra para su consumo. Sin embargo la disponibilidad no la tienen
todos, ya que el abasto no es suficiente, por lo que se ven en la necesidad de comprar
en presentaciones de un litro o bien hervir agua en su casa. Esta última es una manera
que la Secretaría de Salud recomienda para prevenir enfermedades gastrointestinales,
ya que se destruyen los microorganismo pero no se eliminan los sólidos (minerales)
contenidos en el agua.
En lo que respecta al consumo de agua por los alumnos la mayoría la adquiere en los
comedores a la hora de sus alimentos, y algunos sin el conocimiento de su origen y
calidad la consumen directamente de la llave sin algún tratamiento (canchas deportivas
y dormitorios) previo o bien en su caso prefieren algún líquido gasificado. En pocos
casos prefieren comprar agua purificada.
La universidad está integrada por tres grupos que son los Académicos (1232 personas),
Administrativo (2782) y Alumnos (6802).
III.1.5 Tecnologías Empleadas para la Purificación del Agua
La necesidad por obtener agua con menores contaminantes, ha permitido al hombre,
buscar nuevas alternativas más eficientes, con un mínimo de recursos económicos para
purificar el agua y de esa manera tener un mercado competitivo, a precio accesible a la
población.
Para iniciar un procedimiento de selección es indispensable realizar análisis del agua,
ya que su realización nos permite conocer su calidad, y reduce la desconfianza por
parte del usuario, pues es que tomando como base los resultados obtenidos, se
selecciona el equipo adecuado para su purificación.
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A continuación se muestran algunas opciones para resolver algunos problemas que se
presentan en el agua (neWater,2002).
Tabla 3..11 Opciones para recuperar el agua contaminada.
IIIIII..22 PPaarráámmeettrrooss ddee CCaalliiddaadd ddee llaass AAgguuaass
III.2.1 Caracterización del Agua
El agua pura es un líquido incoloro, inodoro e insípido. Tiene un matiz azul, que sólo
puede detectarse en capas de gran profundidad. A la presión atmosférica (760 mm de
mercurio), el punto de congelación del agua es de 0° C y su punto de ebullición de
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100°C. El agua alcanza su densidad máxima a una temperatura de 4° C y se expande
al congelarse. Como muchos otros líquidos, el agua puede existir en estado sobre
enfriado, es decir, que puede permanecer en estado líquido aunque su temperatura
esté por debajo de su punto de congelación; se puede enfriar fácilmente a unos -25° C
sin que se congele. Tiene un peso molecular de 18 gr/ mol.
Los parámetros del agua son características físicas, químicas, biológicas y radiológicas
que permiten detectar cual es el grado de contaminación que presenta el agua, la razón
principal de este problema es su estructura molecular que es dipolar, con una constante
dieléctrica muy alta superior a cualquier otro liquido. Algunos de estos se utilizan en el
control de los procesos de tratamiento realizando mediciones de forma continua o
discreta.
Los parámetros se pueden clasificar en cuatro grandes grupos: físico, químico,
biológico y radiológico.
III.2.1.1 Parámetros físicos
Turbidez
Es la dificultad del Agua para transmitir la luz debido a materiales insolubles en
suspensión, que varían en tamaño desde dispersiones coloidales hasta partículas
gruesas, entre otras arcillas, limo, materia orgánica e inorgánica finamente dividida,
organismos planctónicos, microorganismos etc.
Actualmente la turbidez se mide con un nefelómetro expresando los resultados Unidad
de Turbidez nefelométrica, UTN.
Las aguas subterráneas suelen tener valores inferiores a 1 ppm de sílice, pero las
superficiales pueden alcanzar varias decenas. Las aguas con 1 ppm son muy
transparentes y permiten ver a su a través hasta profundidades de 4 a 5 m. Con 10
ppm, que seria el máximo deseable para una buena operación de los filtros, la
transparencia se acerca al metro de profundidad. Por encima de 100 ppm las
transparencias están por debajo de los 10 cm y los filtros se obstruyen rápidamente. La
Turbiedad mayor de 5 ppm es detectable, para lo cual se debe disminuir mediante los
procesos de coagulación, decantación y filtración y debe de disminuir a menos de 5
ppm y en plantas que operan con agua de pozo deben disminuirla a menos de 1 ppm.
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Color
El color es la capacidad del agua para absorber ciertas radiaciones del espectro visible.
El color natural en el agua existe debido al efecto de partículas coloidales cargadas
negativamente. En general el agua presenta colores inducidos por materiales orgánicas
de los suelos vegetales como el color amarillento debido a los ácidos humicos. La
presencia de hierro puede darle un color rojizo y la del manganeso un color negro.
Normalmente el color se mide en laboratorio por comparación de un estándar arbitrario
a base de cloruro de cobalto, Cl2Co y Cloroplatinato de potasio, Cl6PtK2 y se expresa en
una escala de Unidades de Pt-Co (unidad Hazen) o Pt, las aguas superficiales pueden
alcanzar, varios centenares de ppm de Pt.
La eliminación suele hacerse por coagulación- floculación con posterior filtración
(disminuyendo a menos de 5 ppm) o la absorción con carbón activado.
Olor y Sabor
Estos parámetros son determinaciones organolépticas y determinación subjetiva, para
dichas observaciones no existen instrumentos de observación, ni registros, ni unidades
de medida. Tienen un interés evidente en las aguas potables destinadas al consumo
humano. Las aguas adquieren un sabor salado a partir de 300 ppm de Cl- y un gusto
salado y amargo con mas de 450 ppm de SO4-.
EL CO2 libre en el agua le da un gusto ―picante‖. Trazas de fenoles u otros compuestos
le confiere un olor y sabor desagradable.
Conductividad y resistividad
La conductividad eléctrica es la medida de la capacidad del agua para conducir
electricidad. Es indicativo de la materia ionizable total presente en el agua. El agua pura
contribuye mínimamente a la conductividad y por lo general es el resultado del
movimiento de los iones de las impurezas.
La resistividad es la medida reciproca de la conductividad. El aparato utilizado es el
conductivimetro cuyo fundamento es la medida eléctrica de la resistencia al paso de la
electricidad entre las dos caras opuestas de un prisma rectangular comparada con la de
una solución de ClK a la misma temperatura y referida a 20°C.
La unidad estándar de resistencia eléctrica es el ohm y la resistividad de las aguas, se
expresa en megaohms-cm., la conductividad se expresa en el valor reciproco,
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normalmente como microsie-mens por cm. Para el agua ultrapura los valores
respectivos son de 18.24 Mohms.cm y 0.05483µs/cm a 25 °C.
III.2.1.2 Parámetros químicos
Alcalinidad
La alcalinidad es una medida de la capacidad para neutralizar ácidos. Contribuye a la
alcalinidad los iones bicarbonato, CO3H-, carbonato, CO3= y oxhidrilo, OH-, pero
también los fosfatos y ácido silito u otros ácidos de carácter débil. Los bicarbonatos y
los carbonatos pueden producir CO2 en el vapor, que es una fuente de corrosión en
las líneas de condensado. También puede provocar espumas, o provocar arrastre de
sólidos con el vapor y fragilizar el acero de las calderas.
Se mide por titulación con una solución valorada de un álcali o un ácido según sea el
caso y estos dependen de la concentración de los iones hidroxilos (OH)-, carbonato
(CO3)= y bicarbonato (HCO3).
Cuando la alcalinidad es menor de 10 ppm es recomendada para el uso doméstico.
Se corrige por descarbonatación con cal; tratamiento con ácido, o desmineralización por
intercambio iónico.
Coloides
Es una medida del material en suspensión en el agua que por su tamaño alrededor de
los 10-4 - 10-5 mm, se comporta como una solución verdadera y atraviesa el papel del
filtro.
Los coloides pueden ser de origen orgánico (macromoléculas de origen vegetal) o
inorgánico (óxidos de hierro y manganeso).En el agua potable la molestia solo es
estético.
Se elimina por floculación y precipitación, precipitación y eliminación de barros. La
filtración es insuficiente y requiere ultrafiltración.
Acidez mineral
La acidez es la capacidad para neutralizar bases. Es bastante raro que las aguas
naturales presenten acidez, no así las superficiales. Es responsable de corrosión se
mide en las mismas unidades que la alcalinidad y se corrige por neutralización con
álcalis.
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Sólidos
Incluye toda la materia sólida excepto el agua contenida en los materiales líquidos y se
clasifican:
Sólidos Disueltos. Los sólidos disueltos son una medida de la cantidad de materia
disuelta en el agua. El origen puede ser múltiple tanto en las aguas subterráneas
como en la superficial. Para las aguas potables se fija un valor máximo deseable de 500
ppm, este dato por si sólo no es suficiente para catalogar la bondad del agua.
Los procesos de tratamiento son múltiples en función de la composición incluyendo la
precipitación, intercambio iónico, destilación, electrodialisis y osmosis inversa.
Sólidos en suspensión. Se suelen separar por filtración y decantación. Son sólidos
sedimentables, no disueltos, que pueden ser retenidos por filtración. Las aguas
subterráneas suelen tener menos de 1 ppm, las superficiales pueden tener mucho más
dependiendo del origen y forma de captación.
Sólidos totales. Es la suma de los dos anteriores y en suspensión. Es la materia que
permanece como residuo después de evaporación y secado a 103 °C. El valor de los
sólidos incluye tanto material disuelto (residuo filtrable) y no disuelto (suspendido).
Residuo Seco. Se llama así al peso de los materiales que quedan después de
evaporar un litro de agua en cuestión. Si previamente le hemos hecho una buena
filtración corresponderá al peso total de sustancias, sean volátiles o no. La temperatura
a que se hace la evaporación influye en los resultados, por las transformaciones que
puede haber y las pérdidas, por ejemplo, de gas carbónico CO2.
Cloruros
El Ion cloruro (Cl-) forma sales muy solubles, suele asociarse con el Ion Na+, esto
lógicamente en aguas muy salinas. Las aguas dulces contienen entre 10 y 250 ppm de
cloruros, pero también se encuentran valores muy superiores fácilmente. Las aguas
salobres contienen millares de ppm de cloruros, el agua de mar está alrededor de las
20,000 ppm de cloruros.
Las aguas con cloros pueden ser muy corrosivas debido al tamaño del ión que puede
penetrar la capa protectora en la interfase óxido-metal y reaccionar con el hierro
estructural.
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La determinación argentométrica de los cloruros se basa en la formación de cromato de
plata de color rojizo, esto ocurre cuando se adicionan al agua iones cromato como
indicador y iones de plata como reactivo precipitante.
Titulando con una solución valorada de nitrato de plata se determina la cantidad
necesaria para precipitar todos los cloruros como cloruro de plata e inmediatamente se
observa la formación de cromato de plata de color rojizo.
El Ion cloruro se separa con intercambio Iónico, aunque es menos retenido que los
iones polivalentes, por lo cual las aguas de alta pureza requieren un pulido final.
Sulfatos
El ión sulfato (SO4=), corresponde a sales moderadamente solubles a muy solubles. Las
aguas dulces entre 2 y 250 ppm y el agua de mar alrededor de 3000 ppm. Recordemos,
como ya hemos dicho que el agua pura se satura de SO4Ca a unas 1500 ppm. Lo que
ocurre es que la presencia de otras sales de calcio aumenta la solubilidad.
En cantidades bajas no perjudica seriamente al agua pero algunos centenares de ppm
pueden perjudicar la resistencia del hormigón. Su eliminación se realiza por intercambio
iónico.
Nitratos
El ión nitrato (NO3-) forma sales muy solubles y estables. En un medio reductor puede
pasar a nitritos, nitrógeno gas e incluso amoniaco. Las aguas normales menos de 10
ppm, y el agua de mar hasta 1 ppm. Aguas con filtración de zona de riego con
contaminación por fertilizantes pueden tener hasta varios centenares de ppm.
Concentraciones muy elevadas en agua de bebida puede producir la cianosis infantil.
Su presencia junto con fosfato, en aguas superficiales, provocan la aparición de un
excesivo crecimiento de algas es lo que se conoce como eutrofización.
Su determinación se realiza por espectrofotometria.
Se elimina por intercambio iónico, siendo un método no económico en los proceso de
potabilización en grandes volúmenes.
Fosfatos
El ión fosfato (PO4-3) en general forma sales muy poco solubles y precipita fácilmente
como fosfato cálcico. Como procede de un ácido débil contribuye, como ya hemos visto,
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a la alcalinidad del agua. No suele haber en el agua más de 1 ppm, salvo en los casos
contaminación por fertilizantes.
Fluoruros
El Ión fluoruro (F-), corresponde a sales de solubilidad muy limitada, suele encontrarse
en cantidades superiores a 1 ppm. Hay quien mantiene que alrededor de dicha
concentración puede resultar beneficioso para la dentadura, en nuestra opinión no es
aconsejable añadirlo al agua con este objeto, ya que también se almacena en el
organismo y no existen estudios a largo plazo de efectos secundarios. La determinación
suele hacerse por métodos colorímetros o método del electrodo del Ión selectivo.
Sílice
La sílice, SiO2 se encuentra en el agua disuelta como ácido silícico SiO4H4 y como
materia coloidal; contribuye a provocar algo de alcalinidad en el agua. Las aguas
naturales contienen entre 1 y 40 ppm, pudiendo llegar a las 100 ppm(si son aguas
carbonatadas sódicas). La determinación se hace por colorimetría.
Su eliminación se consigue por precipitación aunque suele hacerse con resinas de
intercambio Iónico fuertemente básicas.
Bicarbonatos y carbonatos
Como ya hemos visto anteriormente, existe una estrecha relación entre los iones
bicarbonato CO3H-, carbonato CO3
=, el CO2 gas y el CO2 disuelto.
El equilibrio, como ya vimos, está muy afectado por el pH; todos estos iones
contribuyen fundamentalmente a la alcalinidad del agua.
Las aguas dulces suelen contener entre 50 y 350 ppm de ión bicarbonato, y si el pH es
inferior a 8.3, no habrá ión bicarbonato. El agua de mar contiene alrededor de 100 ppm
de ión bicarbonato.
Otros componentes aniónicos
Los sulfuros, S=, y el ácido sulfhídrico son muy característico de medios reductores,
pero en general las aguas contienen menos de 1 ppm, su principal característica es que
el agua tiene muy mal olor.
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Los compuestos fenólicos afectan a la potabilidad, con olores y gustos especialmente
desagradables, sobre todo después de un proceso de cloración.
Los detergentes son ligeramente tóxicos y presentan problemas de formación de
espumas y consumen el oxigeno del agua.
Los ácidos húmicos pueden afectar a procesos de pretratamiento e intercambio iónico.
Sodio
El ión sodio, Na+, corresponde a sales de solubilidad muy elevada y difíciles de
precipitar. Suele estar asociado al ión cloruro. El contenido de las aguas dulces esta
entre 1 y 150 ppm, pero se pueden encontrar casos de hasta varios miles de ppm. Las
aguas de mar contienen alrededor de 11,000 ppm. Es un indicador potencial de la
corrosión. La determinación se hace por fotometría de llama.
El sodio se elimina por intercambio iónico, pero como ión monovalente es una de las
primeras sustancias que fugan de la columna catiónica o del lecho mixto.
Potasio
El ión potasio K+, corresponde a sales de muy alta solubilidad y difíciles de precipitar.
Las aguas dulces no suelen tener más de 10 ppm y el agua de mar alrededor de 400
ppm, eso es menos significativo que el sodio. Su determinación se hace por fotometría
de llama. Se elimina por intercambio iónico.
Calcio
El ión calcio Ca++ forma sales desde moderadamente soluble a muy insolubles.
Precipita fácilmente como carbonato de calcio (CO3Ca). Es el principal componente de
la dureza del agua y causante de incrustaciones. Las aguas dulces suelen contener de
10 a 250 ppm, pudiendo llegar hasta 600 ppm. El agua de mar alrededor de 400 ppm.
Se determina por complejometría con EDTA o NTA. Su eliminación se hace por
precipitación e intercambio iónico.
Magnesio
El ión magnesio, Mg ++ tiene propiedades muy similares a las del ión calcio, aunque sus
sales son un poco más solubles y difíciles de precipitar. El hidróxido de magnesio es,
sin embargo, menos soluble. Las aguas dulces suelen contener entre 1 y 100 ppm. El
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agua de mar contiene alrededor de 1300 ppm. Su aparición en el agua potable con
varios centenares de ppm provoca un sabor amargo y efectos laxantes. Contribuye a la
dureza del agua y a pH alcalino, puede formar incrustaciones de hidróxido.
Su determinación es analítica por complejometría. Se puede precipitar como hidróxido
pero su eliminación se realiza por intercambio iónico.
Hierro
Es un cation muy importante desde el punto de vista de contaminación, aparece en dos
formas: ión ferroso, Fe++, o mas oxidado como ión férrico, Fe+++. La estabilidad y
aparición en una forma u otra depende del pH, condiciones oxidantes o reductoras, ó
composición de la solución. Afecta a la potabilidad de las aguas y es un inconveniente
en los procesos industriales por provocar incrustaciones.
Por todo lo anterior las aguas subterráneas solo contienen el ión ferroso disuelto, que
suele aparecer con contenidos entre 0 y 10 ppm, pero al airear el agua se precipita el
hidróxido férrico de color rojizo, y se reduce el contenido a menos de 0.5 ppm. Solo las
aguas de pH ácido pueden tener contenidos en hierro de varias decenas de ppm.
Su determinación se hace analíticamente por colorimetría y espectrofotometría de
absorción atómica, dando el hierro total que incluye las formas solubles, coloidal y en
suspensión final.
La eliminación se hace por coagulación - filtración. También se puede emplear el
intercambio Iónico.
Manganeso
El ión manganeso se comporta en la mayoría de los casos muy parecido al ión hierro
además de poder ser bivalente y trivalente positivo puede también presentarse con
valencia +4 formando el MnO2 que es insoluble. Rara vez el agua contiene más de 1
ppm y requiere un pH ácido.
La forma manganeso Mn++ que es más general por aireación se oxida y precipita con un
color negrusco de MnO2. Se determina por oxidación a permanganato y colorimetría de
la solución oxidada y espectrometría de absorción atómica.
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Metales Tóxicos
Los más comunes son el arsénico, el cadmio, el plomo, el cromo, el bario y el selenio.
Todos ellos deben ser estrictamente controlados en el origen. Las mediciones se
realizan por espectrofotometría de absorción atómica.
Arsénico. Este se pasa al agua por contacto con ella. Es bien conocido desde hace
siglos como tóxico, ya que afecta a la salud humana, produciendo daños al sistema
nervioso y respiratorio, produce graves consecuencias en la piel, hígado y riñones. Uno
de los principales síntomas de una ingestión prolongada es la hiperqueratósis de las
palmas de pies y manos. La OMS establece un contenido máximo de arsénico en el
agua de 10g./l.
Dentro de las técnicas que figuran para la eliminación del arsénico figuran:
Coagulación- Decantación- filtración.
Adsorción con alúmina activada.
Ablandamiento con cal.
Intercambio cationico y
Osmosis inversa.
Gases Disueltos
El dióxido de carbono, CO2, es un gas relativamente soluble que se hidroliza formando
iones bicarbonato y carbonato, en función del pH del agua. Las aguas subterráneas
profundas pueden contener hasta 1500 ppm pero las superficiales se sitúan entre 1 y
30 ppm, un exceso hace que el agua sea corrosiva. Se elimina por desgasificación o
descarbonatación.
Él oxigeno, O2, por su carácter oxidante juega un papel importante en la solubilidad o
precipitación de iones que presenta alguna forma insoluble, su presencia en el agua es
vital para la vida superior y para la mayoría de los microorganismos. Su ausencia puede
representar la presencia de metano, ácido sulfhídrico y otros gases objecionables.
El ácido sulfhídrico, SH2 causa un olor a huevos podridos y es corrosivo.
El amoniaco (NH3) es un indicador de contaminación del agua, y en forma no iónica es
tóxico para los peces. Con la cloración produce cloraminas, también tóxicas.
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III.2.1.3 Parámetros biológicos
Estos parámetros son indicativos de la contaminación orgánica y biológica; tanto la
actividad natural como la humana contribuyen a la contaminación orgánica de las
aguas: la descomposición animal y vegetal, los residuos domésticos, detergentes, etc.
Este tipo contaminante es más difícil de controlar que la química o física y además los
tratamientos deben estar regulándose constantemente.
Demanda Biológica de Oxigeno (DBO)
Mide la cantidad de oxígeno consumida en la eliminación de la materia orgánica del
agua mediante procesos biológicos aerobios, se suele referir al consumo en 5 días
(DBO5), también suele emplearse (DBO21) días. Se mide en ppm de O2 que se
consume.
Las aguas subterráneas suelen contener menos de 1 ppm, contenido superior es
sinónimo de contaminación por infiltración freática. En las aguas superficiales es muy
variable y depende de las fuentes contaminantes aguas arriba. En aguas residuales
domesticas se sitúa entre 100 y 350 ppm. En las industriales alcanza varios miles de
ppm.
Demanda Química de Oxigeno (DQO)
Mide la capacidad de consumo de un oxidante químico, dicromato, permanganeto, etc.
Por el total de materias oxidables orgánicas e inorgánicas. Es un parámetro mas rápido
que el anterior ya que es la medición casi inmediata, la unidad de medida son ppm de
O2.
Las aguas no contaminadas tienen valores de DQO de 1 a 5 ppm. Las aguas residuales
domesticas están entre 260 y 600 ppm.
Hay un índice que indica que tipo de aguas estamos analizando y se obtiene con la
relación (DBO/DQO) si es menor de 0.2 el vertido será de tipo inorgánico y si es mayor
de 0.6 se interpretara que aguas arriba tenemos un vertido orgánico.
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Carbón orgánico total
El COT es una medida del control de materia orgánica del agua. Es especialmente
utilizable en pequeñas concentraciones. En presencia de un catalizador el carbón
orgánico se oxida a CO2; últimamente se está popularizando por la rapidez en la
realización del análisis. Se mide en un analizador infrarrojo.
III.2.1.4 Parámetros bacteriológicos
La bacteria Escherochis coli y el grupo coliforme en su conjunto, son los organismos
más comunes utilizados como indicadores de la contaminación fecal. Las bacterias
coliformes son microorganismos de forma cilíndrica, capaces de fermentar la glucosa y
la lactosa. Otros organismos utilizados como indicadores de contaminación fecal son
los estreptococos fecales y los clostridios.
Estos últimos son anaerobios, formadores de esporas; estas son formas resistentes de
las bacterias capaces de sobrevivir largo tiempo.
El análisis del agua se realiza con el método de los tubos múltiples y se expresa en
términos de el ―numero más probable‖ (índice NMP) en 100 ml de agua. Las aguas con
un NMP inferior a 1, son potables.
Según el destino del agua, la eliminación de bacterias se realiza por filtración, o
esterilización por luz ultravioleta, cloración u ozonización.
III.2.1.5 Parámetros radiológicos
Hasta hace poco tiempo este tipo de parámetros no era importante, pero conforme
avanza el desarrollo industrial la presencia de sustancias radiactivas en el agua es un
riesgo de relevancia creciente. Su importancia es más sanitaria que industrial.
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IIIIII..33 SSiisstteemmaass ddee TTrraattaammiieennttoo ddee AAgguuaa ppaarraa CCoonnssuummoo
HHuummaannoo
Tipos de plantas de purificación
La calidad del agua cruda oscila gradualmente de una fuente a otra; por ello el tipo de
tratamiento requerido para producir agua potable, también varia. Dependiendo de la
calidad de esta, el grado de complejidad del tratamiento es diferente. El diseño de una
planta de tratamiento eficiente y económica requiere un estudio basado en la calidad de
la fuente y en la selección apropiada de los procesos y operaciones de tratamiento más
adecuadas y económicos para producir agua de la calidad requerida (Romero, 1999).
III.3.1 Filtración
III.3.1.1 Generalidades
Es sabido que los recursos hídricos, tanto subterráneos como cuerpos superficiales,
presentan contaminantes que no permiten su uso directo para consumo humano.
La turbiedad, el fierro, el manganeso, el arsénico, el cadmio, el flúor, los sulfatos, el
amonio, los nitritos y nitratos son los principales contaminantes o parámetros que deben
corregirse con la filtración.
La humanidad buscó la manera de corregir algunos problemas del agua y es en
Escocia en 1804 donde se inventó el primer filtro. En 1829 la Compañía del Río
Támesis, en Londres emprendió la construcción de filtros lentos de arena y en 1892 se
demostró su eficiencia para el control biológico de la epidemia de cólera ocurrida en
Hamburgo.
En las plantas de purificación la filtración remueve el material suspendido (turbiedad)
compuesto de flóculos, suelos, metales oxidados y microorganismos que resisten a la
desinfección.
Cuando la filtración se usa en la potabilización se emplea con o sin pretratamiento de
coagulación y sedimentación para eliminar los sólidos presentes en las aguas y los
precipitados de tratamiento químico. (Ramalho, 1996).
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Definición: La filtración se define como la separación de partículas sólidas o semisólidas
que están suspendidas en un fluido (Mendez, 2002).
El filtro es un aparato que sirve para separar las partículas sólidas de un medio fluido
por intercepción y retención de las partículas sobre una superficie o en el seno de una
masa porosa a través de las cuales se hace circular el fluido.
En el diseño óptimo de un filtro debe considerarse (Rogola, 1999):
Tamaño del medio y la altura del lecho.
Velocidad de filtración.
Presión disponible.
El modo de filtrar.
III.3.1.2 Mecanismos de remoción
La filtración depende de una combinación compleja de mecanismos físicos y químicos;
en aguas de consumo, la adsorción juega el papel importante (AWWA,1984), ya que a
medida que el agua pasa a través del lecho del filtro las partículas suspendidas hacen
contactos y son adsorbidas sobre la superficie de los granos del medio o sobre
material previamente depositado.
Las fuerza que atraen y retienen las partículas sobre los granos son las mismas que en
la coagulación y floculación y por lo tanto es muy importante tener una buena
coagulación antes de la filtración.
III.3.1.3 Descripción de la filtración
La operación de la filtración supone dos etapas: filtración y lavado o regeneración.
El filtro rápido por gravedad es el más usado en tratamiento de aguas; el final de la
etapa de filtración se alcanza cuando los sólidos suspendidos (turbiedad) en el efluente
aumentan; cuando la pérdida de carga es alta que el filtro ya no produce agua a la tasa
deseada o cuando la filtración es de 36 horas o más.
Presentándose una de las condiciones anteriores se procede a lavar para remover el
material suspendido acumulado dentro del lecho filtrante y recuperar su capacidad
como tal. El método de retrolavado es invertir el flujo a través del filtro.
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III.3.1.4 Sistemas de filtración
La clasificación de los sistemas de filtrado es de acuerdo a la dirección del flujo, el tipo
de lecho filtrante, la fuerza impulsora, la tasa de filtración y el método de control de la
tasa de filtración.
Dirección del flujo. Puede ser hacia ascendente o descendente.
Tipo de lecho filtrante: un solo medio arena o antracita, un medio dual, arena y
antracita, o un lecho mezclado: arena, antracita y granata o ilmenita.
Fuerza Impulsora: Esta es utilizada para vencer la resistencia y la friccion ofrecida por el
lecho filtrante, los filtros se clasifican como filtros de gravedad o de presión.
Método de Control.
La tasa de filtración se expresa asi (Clasby, 1977):
Tasa de filtración = (fuerza Impulsora / Resistencia del Filtro)
La fuerza impulsora representa la pérdida de presión en el filtro, la cual empuja el agua
a través del filtro. A medida que se efectúa la filtración los sólidos suspendidos
removidos se acumulan, lo que implica que la fuerza impulsora debe vencer la
resistencia ofrecida por el lecho taponado. Por tal para una tasa de filtración constante
la Filtración debe aumentar proporcionalmente a la resistencia del filtro.
III.3.1.5 Variables del proceso de filtración
III.3.1.5.1 Características del agua a filtrar
Las características principales son la concentración de sólidos en suspensión, el
tamaño y la distribución de tamaños de las partículas, así como la consistencia de los
flóculos. Las partículas se encuentran en dos intervalos de tamaño distintos:
pequeñas(1 y 15 micras de diámetro circular), grandes( 50 y 150 micras).
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III.3.1.5.2 Características del medio filtrante
El tamaño del grano afecta tanto a la pérdida de carga en la circulación del agua a
través del filtro como a la tasa de variación de dicho aumento durante el ciclo de
filtración. Si el tamaño es demasiado pequeño, la mayor parte de la fuerza actuante se
empleará para vencer la resistencia de fricción provocado por el lecho filtrante.
III.3.1.5.3 Velocidad de filtración
Las velocidades de filtración elevadas tenderán a romper los flóculos y a arrastrar gran
parte de los mismos a través del filtro. Se tiene un intervalo de 4.8 a 19.2 m3/m2h no
afecta la calidad del efluente del filtro.
III.3.1.6 Hidráulica de la filtración
Muchas son las ecuaciones utilizadas para determinar la pérdida de carga en el filtro
limpio; entre las más conocidas las de Carmen Kozeny, Fair y Hatch, Rose y Hazen.
El flujo de agua a través de un filtro, a las tasas empleadas en tratamiento de agua,
obedece a la ley de Darcy.
Por tanto la tasa de filtración es directamente proporcional a la cabeza o energía
disponible de filtración y a la permeabilidad del lecho e inversamente proporcional al
espesor del medio.
Según Rose citado por Romero (1999) estableció una ecuación para determinar
analíticamente la pérdida de carga por fricción a través de material granular, granos de
arena esféricos de tamaño uniforme. Teniendo aplicación en el cálculo de pérdida de
energía a través de un filtro limpio.
La ecuación de Rose es la Siguiente (Fair, 1954).
g
v
d
L
eCh D
2
4
1067.1 (3.1)
donde: h = es la pérdida de carga a través del lecho, m
CD = coeficiente de arrastre
e = es la porosidad del lecho
L = es la profundidad del lecho, m
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v = es la velocidad de filtración, m/s
d = es el diámetro característico de los granos, m
g = aceleración de la gravedad, m/s2
Esta es fácil de aplicarse si se supone un lecho de filtración de tamaño uniforme. Sin
embargo para lechos filtrantes estratificados como los filtros rápidos se remplaza el
termino del diámetro de los granos quedando (Fair, 1954).
34.0324
RERE
DNN
C (3.2)
vdvdNRE (3.3)
donde: = Densidad del agua, kg/m3
NRE = Número de Reynolds
= Viscosidad dinámica, Pa.s
= Viscosidad cinemática, m2/s
La ec. 3.1 es de fácil aplicación si se supone un lecho de filtración de tamaño uniforme.
Sin embargo para lechos filtrantes estratificados como los filtros rápidos se remplaza el
término del diámetro de los granos quedando (Fair, 1954).
Se tiene A = d2
V = d3
A
V
bd .
(3.4)
3/2
2
2
84.4d
d
A
Ao o
donde: A = Área superficial real del grano
= Factor de forma de área superficial
d = Diámetro medio del grano
V = Volumen real del grano
= Factor de forma de volumen
= Factor de esfericidad
Ao = Área superficial de la esfera de diámetro do
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Do = Diámetro del grano esférico de volumen equivalente
Para partículas esféricas de diámetro d:
dd
d
V
A 6
6
3
2
A
Vd
6;0,6
Remplazando en la Ec. 4.1
Vge
AvC
L
h D
4
2
178.0 (3.5)
Si todos los gramos del medio filtrante son de tamaño y forma uniforme el valor (A/V)
para un solo grano es el mismo que para el lecho total y se cumple la Ec. 3.4.
Si los granos varían en tamaño pueden estar empacados homogéneamente dentro del
lecho. Caso para lechos estratificados, filtros rápidos. Suponiendo que las partículas o
granos entre tamices adyacentes son de tamaño uniforme se puede encontrar el valor
de A/ V en términos de la componente o proporción en peso retenido entre tamices.
di
PiC
V
ADi
donde: Pi = Fracción en peso de partículas de tamaño di
di = (d1/d2)1/2, tamaño promedio geométrico de las aberturas de los tamices
adyacentes
CDi = Coeficientes de arrastre para los granos de tamaño promedio di.
Por tanto le Ecuación de Rose para filtros rápidos será:
i
iDi
d
PC
ge
v
L
h
.178.0
4
2
(3.6)
Para lechos empacados homogéneamente, caso de filtros lentos,
i
i
d
P
V
A
(3.7)
Por tanto para filtros lentos la ecuación es:
i
iD
d
P
ge
vC
L
h
.178.0
4
2
(3.8)
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III.3.1.7 Flujo a través de lechos expandidos
Una vez que el agua de lavado es admitida en el fondo del filtro, el lecho comienza a
expandirse y existe una pérdida de carga inicial. A medida que el lecho se expande, la
tasa de incremento de la pérdida de carga disminuye y cuando todo el lecho esta
fluidizado la pérdida de carga se vuelve constante (fuerza de lavado = fuerza de
gravedad).
Cuando el lecho de partículas de tamaño uniforme alcanza el punto de fluidización, el
peso efectivo de las partículas, o sea la fuerza gravitacional, está equilibrada por la
fuerza hacia arriba del agua; es decir:
Fuerza hacia arriba del agua = peso efectivo del medio
p.S = LS(1-e) (s-)g
h1 = L(1-e)
)( s
h1 = L(1-e)(Ss-1)
Donde: p= Caída de presión por fricción a través del lecho fluidizado, N/m2; S =
Sección transversal del lecho, m2; L = Profundidad del lecho, m; s=Densidad de las
partículas, kg/ m3; = Densidad del fluido, kg/ m3;e = porosidad del lecho fijo; Ss =
Densidad relativa de las partículas; g = Aceleración de la gravedad m/s2; H1= Pérdida
de carga por fricción a través del lecho fluidizado, m;
Teniendo en cuenta que la masa total de partículas permanece constante, tanto en el
lecho fijo como el expandido se puede encontrar entre las porosidades y las
profundidades del lecho fijo y las del expandido.
e
ee
eLL
1
1 (3.9)
donde: Le = profundidad del lecho expandido, m y ee = porosidad del lecho expandido.
Finalmente Fair y Geyer encontraron que la suspensión del medio granular del filtro.
22.0
s
be
v
ve (3.10)
Por lo tanto para la fluidización del lecho:
5.4evv sb (3.11)
Donde: vb = velocidad del agua de lavado, m/s; vs = velocidad de asentamiento de las
partículas del medio, m/s; e = porosidad del lecho filtrante.
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III.3.1.8 Filtración en medio granular
Dentro del estrato granular, la eliminación de los sólidos en suspensión contenidos en el
agua se realiza mediante un complejo proceso en el que intervienen uno o mas
mecanismos de separación como el tamizado, interceptación, impacto, sedimentación y
adsorción (Metcalf & Eddy, 1996).
La retención de partículas puede tener lugar sobre la capa más externa del medio
granular (arena, antracita) sobre el cual incide el agua o profundamente en el seno de la
masa porosa.
En instalaciones para grandes caudales el tratamiento del cuerpo de filtro suele ser de
hormigón y con forma de rectángulo que se adopta a la construcción de varias unidades
en paralelo de unos 100 m2 cada uno.
Para caudales menores de agua los filtro se construyen con cuerpos cilíndricos,
(Metcalf & Eddy, 1996) cerrados, bajo condiciones de presión conseguidas mediante
una bomba máxima admisible, la cual conduce a ciclos de filtración más largos y
menores necesidades de lavado.
La posición que se suelen emplear es vertical que permite 5 m2 unitarios. La horizontal
permite 30 m2 unitarios.
Finalmente aunque se utilizan velocidades de filtración elevada la mayor parte de los
sólidos se eliminan en las capas superiores (primeros 25 cm) del medio filtrante.
La presión menor que en la atmósfera se presenta cuando la pérdida de carga excede a
la columna de agua disponible. La presión favorece la formación de bolsas de aire
(liberación de gases disueltos en el agua) lo cual reduce el área efectiva de filtración y
por consiguiente se da la filtración (Martínez & Gonzáles, 2000).
III.3.1.9 Lavado de filtros
Según Romero, (1999) el lavado de filtros consiste en hacer pasar agua en sentido
contrario al funcionamiento del filtro a través del lecho filtrante, a una velocidad tal que
los granos del medio filtrante se muevan a través del flujo y se frotan unos contra otros
para limpiarse de los depósitos formados sobre ellos.
Si solamente hay una unidad, se debe disponer de un tanque de almacenamiento de
agua filtrante. Para lavar los filtros cuando la pérdida de carga es excesiva o la calidad
es deteriorada, se hace a atravesar una corriente de agua y aire en contracorriente.
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Cuando se dispone de filtros en paralelo el lavado de uno de ellos se puede realizar
forzando el caudal en el resto de los filtros.
Según Kawamura, (1975) a 20 °C para arena y antracita típica usadas para filtros, con
densidades 2.65 y 1.55 respectivamente se tiene.
Vb >5 mm/s;
Para arena vt = 10D60; (3.12)
Para antracita vt = 4.7 D60. (3.13)
Donde: Vt = velocidad de arrastre m/min; D60 = Producto del tamaño efectivo por el
coeficiente de uniformidad mm.
Kawamura prueba que la abrasión o fruto en un medio granular ocurre cuando la
velocidad de lavado es igual al 10 % de la velocidad de arrastre.
Vb = 0.1 vt = velocidad apropiada de lavado. (3.14)
Es decir que para el lavado de arena a 20 °C la velocidad apropiada es vb = D60 (3.15)
Producto del tamaño efectivo por el coeficiente de uniformidad o percentil –60 del
análisis granulométrico, mm. Para antracita vb= 0.47D60. (3.16)
Para una temperatura diferente a 20 °C se hace una corrección correspondiente.
La expansión del lecho durante el lavado es otro parámetro usado para medir su
efectividad. Baylis citado por Kawamura (1975) enfatiza una expansión del 50 % en la
arena. Otros autores 40 y 25 %.
III.3.1.9.1 Retrolavado con agua a contracorriente
El lavado con agua requiere de una dosificación muy exacta de agua para provocar la
fluidización (expansión) del medio filtrante no menos de 15 % con una duración de 3 a
15 min.
El coeficiente de expansión depende sobre todo del tamaño y el peso especifico de los
granos, y la viscosidad del agua.
La desventaja es que se utiliza un elevado consumo de agua y que produce una
concentración granulométrica ubicando los finos del material filtrante en la superficie,
esto es desfavorable en una filtración descendente(Metcalf & Eddy, 1996).
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III.3.1.9.2 Retrolavado con agua, combinada con lavado superficial
Este sistema cuenta con tuberías perforadas para distribuir el agua del lavado a presión
considerable uniformemente por toda el área del filtro, colocadas cerca de la superficie
del medio filtrante con la función de romper la capa superficial del material granular y
ayudar al desprendimiento de las partículas adheridas a los granos y facilitando el
transporte de las mismas provocadas por el agua de retrolavado.
Este proceso tiene dos fases: la primera es el lavado superficial ( 2 min. duración) y el
retrolavado con una intensidad de 1.2 –2.4 m3/m2.h para filtros de una capa filtrante y
3.6 – 4.8 m3/m2.h para filtros de dos capas filtrantes (Martínez y Gonzáles, 2000).
III.3.1.9.3 Retrolavado con agua y aire sucesivamente
Este lavado se aplica cuando la naturaleza del material filtrante no permite el lavado
combinado de agua y aire con agua simultáneamente, por riesgos de pérdida de
material filtrante en el proceso de lavado. Generalmente estos son los filtros de arena
con granulometría más fina o de material de baja densidad como antracita, carbón
activado. El lavado se lleva en dos fases; en la primera se aplica aire, para desprender
las partículas adheridas al medio filtrante; en la segunda se aplica solo agua, sin aire,
con alta intensidad, provocando la expansión del lecho filtrante y asegurar transporte y
evacuar las pérdidas desprendidas en la primera fase. Cuando los materiales
suspendidos son muy pesados y difícilmente removibles, se aplican lavados en
pulsaciones o varios lavados de aire y agua.
III.3.1.9.4 Retrolavado con agua y aire con agua simultáneamente
Este lavado permite la mejor eficiencia del proceso, el aire comprimido que se introduce
al principio del proceso de lavado, rompe la capa superficial del medio filtrante y no
permite la creación de bolas de lodos, de esta manera el filtro tiene una mayor
capacidad de retensión de material suspendido.
Las fases del lavado son tres: en la primera es solo aire y sin expansión de la capa
filtrante, la segunda es aire con agua simultáneamente y la tercera es agua pura.
Habiendo en estas dos últimas una expansión de 30 a 50%.
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Como puede verse los métodos tienen sus ventajas y desventajas pero el más
adecuado será aquel que seleccione el diseñador para el tratamiento de agua
especificada.
III.3.1.10 Número y tamaño de los filtros
Romero, (1999) indica que el número de filtros en plantas pequeñas es dos como
mínimo y una si no hay suficiente almacenamiento de agua tratada para el lavado del
filtro y durante la puesta fuera de servicio del filtro. En plantas grandes el número
mínimo de filtros es cuatro.
Morris y Wallace, en 1934, sugirieron la expresión siguiente para calcular el número de
filtros N:
QN 044.0 (3.17)
Donde: Q = Caudal de la planta en m3/d.
Cleasby demuestra que para un diseño de costos mínimo se debe satisfacer las
relaciones siguientes:
Para una sola fila de filtros sobre un costado de la galería:2
21
)1(
2
CN
NCNC
W
L
(3.18)
Para dos filas con una galería central: 2
21
)2(
4
CN
NCNC
W
L
(3.19)
Donde: L = Longitud óptima del filtro (perpendicular a la galería); W = Ancho óptimo del
filtro (paralelo a la galería); N = Número de filtros; C1 = Costos por unidad de la longitud
de galería de filtros: No se incluyen válvulas ni accesorios, puesto que no son función
de la longitud de la galería sino del número de filtros; C2 = Costos por unidad de longitud
de pared del filtro.
III.3.1.11 Selección del medio filtrante
Según Kawamura, la selección del medio filtrante es determinada por la durabilidad
requerida, el grado deseado de purificación, la duración de la carrera del filtro y la
facilidad deseable de su lavado.
El medio ideal debe poseer un material durable, capaz de retener un efluente
satisfactorio; debe ser de un material durable, capaz de retener la máxima cantidad de
sólidos y ofrecer facilidad para limpiar con una cantidad mínima de agua de lavado.
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Allen Hazen (1892) definió el tamaño efectivo, TE (usado para caracterizar medios
filtrantes) como el tamaño de partículas o del grano, en mm tal que un 10 % del material
en peso es más pequeño que dicho tamaño. En otras palabras el TE es el tamaño del
tamiz, en mm que permite el paso del 10 % del medio filtrante. De la misma manera
Hazen definió el Coeficiente de uniformidad (CU) como la relación del tamaño de
granos que tienen un 60 % mas fino que el mismo, al tamaño que tiene un 10 % mas
fino que el mismo. Es decir:
TE = d10
TE
d
d
dCU 60
10
60
pasa que 10% del particulas las de Tamaño
pasa que 60% del particulas las de Tamaño (3.20)
EL CU representa la pendiente promedio de la curva granulométrica, en la región
comprendida entre los tamaños correspondientes al 60 y 10 % que pasan. Entre más
bajo sea el valor, más uniforme será la gradación de la arena, consecuentemente, entre
más alto sea su valor, menos uniforme será la arena.
III.3.1.11.1 Materiales del medio filtrante
Arena
La arena es el medio filtrante mas usado, posiblemente por ser el más económico. La
arena para filtros debe tener una solubilidad en ácido clorhídrico al 40 %, en 24 hr,
menor del 5%; una densidad relativa mayor de 2.5 y debe ser limpia y bien gradada,
según la norma AWWA A B100-53.
Antracita
En ocasiones se usa carbón de antracita triturado en vez de arena como medio granular
filtrante. Según la AWWA, estándar B100-72, la antracita para filtros debe ser limpia,
dura, con una dureza mayor de 2.7 en la escala del 1 % y coeficiente de uniformidad
menor de 1.7.
En filtros de antracita se puede usar un lecho de 60 –70 cm con tamaño efectivo de
0.70 mm o mayor (Steel, 1979).
Arena- Antracita
Debido a la diferencia de densidades. Antracita 1.4 y arena 2.65, la antracita, de
tamaño apropiado según el tamaño de la arena, permanece encima de la arena durante
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el lavado y permite purificar aguas con turbiedad menores de 15 UTJ a tasas de
filtración de 240–300 m/d (Fischerstrom,1955 citado por Romero, 1999).
Teóricamente, el tamaño y el espesor libre de las partículas de un medio filtrante deben
variar uniformemente, entre grueso y fino, en la dirección del flujo, a través del filtro, con
el objeto de remover en la zona de medio grueso el material más fino.
Por tanto el espesor de la capa de arena suele oscilar entre 0.7 y 1 m y la talla efectiva
entre 0.8 y 1mm con un coeficiente de uniformidad entre 1.5 y 1.7. En el caso de lechos
bicapa, el espesor de arena es 1/3 del total y sobre ella una capa de antracita de 2/3 del
espesor total y talla efectiva entre 1.2 y 2.5mm.
III.3.1.12 Tipos de filtros
III.3.1.12.1 Filtros de grava
El tamaño y profundidad de la capa inferior de la grava depende del sistema de drenaje
usado; asimismo, el tamaño y la profundidad de la capa superior de grava dependen del
tamaño de la capa inferior de medio fino (arena o antracita) que soporte.
El lecho de grava ideal es uno en el cual ésta es casi esférica en forma y existe un
incremento uniforme en tamaño desde el techo hasta el fondo. La profundidad del lecho
de grava puede variar entre 15 y 60 cm. Piedras tan grandes como de 7.5 cm pueden
colocarse cerca de los drenajes del filtro pero se prefiere un tamaño máximo de 2.5 cm.
La capa del fondo debe extenderse por lo menos 10 cm sobre el punto de salida mas
alto del agua de lavado proveniente del sistema de drenaje. La grava debe ser dura y
de una densidad promedio no menor de 2.5.
III.3.1.12.2 Filtros de arena multicama o lecho profundo
A diferencia de los filtros convencionales que se tapan fácilmente o tienen una alta
caída de presión casi desde el comienzo del ciclo de filtración, los filtros multicama
llevan por lo menos cinco capas de mineral filtrante (arena silica o de mar) de diferente
densidad y granulometría que van reteniendo las partículas de mayor tamaño en las
capas superiores y las más pequeñas son detenidas en las siguientes capas.
Grados de filtración:
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De excelente calidad entre 10 y 15
De alta calidad entre 15 y 20
De calidad normal entre 20 y 30
Funcionamiento. El agua sin filtrar entra a la válvula y fluye en dirección de arriba
hacia abajo por el interior del tanque a través del material filtrante para después subir,
ya filtrada, por el tubo central y salir del equipo (ver figura 3.1).
El lavado es generalmente a contracorriente. El cambio del material filtrante es cada
tres años. Al pasar el agua por este proceso el agua no debe tener substancias a la
vista del ojo humano.
3.1.a: Filtración. 3.1.b: Retrolavado
Figura 3.1 Filtro de lecho profundo.
III.3.1.12.3 Filtros a presión
En los filtros a presión el agua entra y sale del filtro a una presión muy superior a la
atmósfera 0.4 al 0.6 Mpa, y la fuerza impulsora es la presión de bomba. Este tipo de
filtros consta de un tanque metálico herméticamente cerrado, que contiene un medio
granular.
La acción de filtros a presión es idéntica a los de gravedad, se emplean generalmente
en los sitios donde el espacio es limitado, tal como en fábricas, industriales. Se aplican
en la filtración de aguas floculadas, sin sedimentación previa (filtración directa), y
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también sin coagulación (filtración en línea) para turbiedad hasta 30 mg/l de sólidos
suspendidos.
Dependiendo de la posición del tanque de acero se distinguen dos tipos de filtro a
presión horizontal y vertical, con tasa de filtración entre 8 y 15 m3/m2.h, el lavado se
realiza solo con agua o con agua y aire.
La desventaja es que la arena puede incrustarse y formar bolas de lodo, sin que el
operador sé de cuenta.
III.3.1.12.4 Filtros de diatomea
Estos filtros son ampliamente usados en la industria cuando se necesita de un efluente
muy limpio sin el uso de reactivos y están basado en el principio de filtrar agua a través
de tubos o placas porosas, en lugar de lechos de arena, antracita u otros materiales. El
material se prepara en suspensión acuosa y se aplica previamente sobre el elemento
de soporte, fabricado de materiales anticorrosivos.
Este tipo de filtro tiene altas cualidades de adsorción, removiendo microorganismos de
1.60-6 fierro manganeso y materia orgánica. Las tasas de filtración que tienen es de 1 a
2 m3/m2.h. Los parámetros del agua cruda son de turbiedad hasta 40 mg/l. La duración
de la corrida de filtración es de 8 a 24 horas (para tasas de filtración de 1 a 3 m3/m2.h),
el lavado se realiza a contracorriente. Estos filtros requieren de esquemas de alta
presión y el costo del agua es alto.
IIIIII..44 TTrraattaammiieennttoo ppaarraa EElliimmiinnaarr oo RReemmoovveerr eell SSaabboorr yy OOlloorr
El Agua con mal sabor y olor debe tratarse a fin de hacerla apta y agradable para
beber, cocinar y asearse. Hay dos maneras principales de eliminar estos problemas una
de ellas es oxidar el agua, es decir, mezclarla con oxígeno o con sustancias oxidantes.
Actualmente los avances de la ciencia se han inclinado por eliminar estos problemas
del sabor y olor mediante la absorción de las sustancias que los provocan mediante el
carbón activado.
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III.4.1 Filtros de Carbón Activado
III.4.1.1 Definición
Carbón Activo es un tipo de carbón amorfo que se produce al calentar madera u otro
material orgánico en ausencia de aire. Su estructura es microporosa y ésta
característica lo hace absorber moléculas orgánicas tanto gaseosas como las disueltas
en los líquidos.
III.4.1.2 Generalidades
Desde tiempos remotos los Egipcios descubrieron que el carbón de madera podía
utilizarse para purificar otros productos e incluso para usarse con fines medicinales.
En el siglo XVIII, Sheele reconoce las propiedades de adsorción del carbón en
experimentos con gases. Hoy día está muy extendido su empleo, tanto para eliminar
contaminante del agua como del aire; en el agua se emplea cada vez más para eliminar
compuestos orgánicos que comunican color, olor y sabor desagradables. Las
propiedades de adsorción del carbón se deben a su elevada porosidad, que le
proporciona una gran superficie.
III.4.1.3 Descripción
Para comprender mejor la actividad del carbón activado es necesario realizar un
análisis de la adsorción. La adsorción es un proceso por el cual los átomos en la
superficie de un sólido, atraen y retienen moléculas de otros compuestos. Tales fuerzas
son conocidas como ― Fuerzas de Van Der Waals‖.
Las características fundamentales en las que se basan las aplicaciones del carbón
activo son:
La elevada Capacidad de eliminación de sustancias se debe a la alta superficie interna
que posee, donde la porosidad y la distribución del tamaño de poros tienen un papel
importante. Así los microporos (< 2 nm) le confiere una elevada superficie y capacidad
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de retensión, mientras los mesoporos (2 –50 nm) y microporos (>50nm) son necesarios
para retener moléculas de gran tamaño (colorantes o coloides).
Baja selectividad de retensión.
El carbón activo retendrá moléculas apolares de alto volumen molecular (hidrocarburos,
fenoles, colorantes.....), mientras que sustancias como el nitrógeno, oxígeno y agua no
se retienen a temperatura ambiente. Cuado la sustancia a eliminar tenga una polaridad
apreciable, bajo volumen molecular y esta muy diluida en aire la retensión puede ser a
temperatura ambiente, por el carbón solo si se impregna con reactivos específicos o se
aprovechan las propiedades catalíticas del carbón.
La selección de una adecuada retensión en columnas de carbón activo requiere de un
análisis de diversos factores, además de los económicos y ambientales como:
Calidad y Caudales del agua a tratar.
Vida útil de la planta.
Posibles cambios en los Usos finales de las Aguas tratadas.
Ciclos de regeneración del C.A.
Destrucción o recuperación de los contaminantes retenidos en las columnas de
carbón activo.
III.4.1.4 Producción de carbón activo
El proceso de elaboración de Carbón Activo se basa en un carbón a partir de materiales
tales como las cortezas de almendras, cáscaras de coco, nogales o palmeras, otras
maderas y carbón mineral. La obtención es calentando el material al rojo vivo para
expulsar hidrocarburos, pero sin aire suficiente para mantener la combustión (Metcalf &
Eddy, 1996).
Por ello el carbón activado es un material que se prepara en la industria para que tenga
una elevada superficie interna y así poder absorber (retener sobre su superficie) una
gran cantidad de compuestos, diversos tanto en fase gaseosa como en disolución
(Rodríguez y Reinoso, 1987).
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III.4.1.5 Proceso de activación
Para Clarimex, (2000) el proceso de activación consiste en reordenar los átomos de
carbono en anillos tipo benceno para lograr una estructura cristalina reticular similar a la
del grafito, en otras palabras la activación consiste en multiplicar la cantidad de poros
de un carbón dando como resultado una estructura extremadamente porosa de gran
área superficial (del orden de 1500 m2/g de carbón) disponible para llevar a cabo el
proceso de adsorción de impurezas que provocan olor, calor o sabor indeseable.
Los principales procesos de Activación son: Físico y Químico.
Proceso Físico. Consiste en Oxidar la materia prima a altas temperatura en presencia
de un agente oxidante usualmente vapor de agua. Debido a que la reacción es
endotérmica, por tal es necesario generar una temperatura constante dependiendo de
la materia prima esta es de 800 °C.
Proceso Químico. Esta se basa en la deshidratación de la materia prima, mediante
substancias químicas a una temperatura media (400 – 600°C), ésta depende de la
substancia química a utilizar para activar el carbón, generalmente son el ácido fosfórico,
el cloruro de zinc y el ácido sulfúrico.
Según Martínez y Gonzáles, (2000) La reactivación puede ser más de 30 veces sin
pérdida apreciable de poder de adsorción. Tal operación puede realizarse en hornos de
hogar múltiple o en hornos rotativos, donde los productos orgánicos se queman.
Si el agua a tratar por el carbón, contiene compuestos orgánicos metálicos de hierro,
magnesio, calcio, sodio o potasio, es conveniente que estos iones metálicos sean
eliminados del carbón con ClH, antes de proceder a la regeneración.
En el proceso de activación el carbón se puede separar o dividir en diferentes tamaños
con diferente capacidad de adsorción. Los dos tipos de clasificación son: C.A en polvo
(con diámetro < al tamiz 200), y granular (con diámetro > 0.1 mm). Tienen una
estructura formada por placas grafiticas (Metcalf & Eddy, 1996).
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Figura 3.2 Estructura del carbón activado en anillos tipo benceno.
En el proceso de activación el C.A granular pierde entre un 5 y un 10 % de su poder de
absorción, en tanto que quede agotada su capacidad deberá ser necesario
reemplazarlo por un carbón nuevo. En el caso del C.A en polvo no es necesario
regenerar el carbón consumido (Metcalf & Eddy, 1996).
El Carbón Granular suele emplear una columna como medio de contacto de agua,
mientras que el carbón en polvo se puede añadir al efluente de procesos de tratamiento
biológicos, directamente en las unidades de tratamiento o formando parte de los
diagramas de flujo del proceso fisicoquímico.
En el caso de la adición al efluente se añade a un tanque de contacto. Al finalizar el
tiempo deseado de contacto se deja que el carbón sedimente en el fondo del tanque
para sacar el agua tratada. Como el polvo es muy fino se recomienda un coagulante
(poli electrolito).
Cuando la eficiencia del CAG ha disminuido el tiempo para la remoción del color excede
unas dos horas del promedio de las semanas anteriores se debe cambiar.
El tamaño apropiado de los gránulos es como mínimo de unos 4 mm de diámetro.
Teniendo la presentación en forma de sacos cilíndricos formados a partir de polvo de
carbón que se moldea a presión y otros de forma irregular. Es a sí como la naturaleza
del carbón se tiene CAG en lignita (mejor adsorción), turba, Carbón bituminoso,
Cáscara de Coco, Maderas duras. Todas eliminan sustancias orgánicas coloreadas, la
única diferencia es la eficiencia de realizarlo (Salas y García, 1997-2002).
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III.4.1.6 Perspectivas en desarrollo para la adsorción - regeneración
del carbón activado
III.4.1.6.1 Oxidación catalítica
El carbón activado se modifica con óxidos de metales activos catalíticamente. La
temperatura del aire caliente está entre 240-300ºC, que es relativamente baja y permite
llevar a cabo la regeneración. Esperando un gran número de ciclos de adsorción-
regeneración sin pérdidas de capacidad. Sin embargo disminuye el área superficial del
carbón activado debido a la impregnación con óxidos y se puede producir dilución de
metales y presencia de éstos en los efluentes (Matatov-Meytal y Sheintuch, 1997).
III.4.1.6.2 Utilización de microondas
Se estudia la posibilidad de utilizar radiación microondas en el proceso térmico(físico),
se irradia la muestra en un horno microondas doméstico. Este método permitiría la
regeneración del carbón activado en polvo y daría ciclos más rápidos de adsorción-
regeneración (Fang y Lai, 1996).
III.4.1.7 Consideraciones al aplicar el carbón activo en el tratamiento
del agua
La efectividad de un carbón activo en cuanto a la adsorción de sustancias
contaminantes, depende de varios factores:
1) Solubilidad del contaminante en el agua: En general cuanto más soluble es en el
agua, presenta más dificultad de ser adsorbido por el carbón.
2) Polaridad del contaminante: Las moléculas con menor o nula polaridad son mejor
adsorbidas.
3) Tamaño de las moléculas del contaminante: El tamaño de la molécula contaminante
debe ser algo más pequeño que la dimensión de los poros del carbón. Las moléculas
mayores también son adsorbidas pero provocan rápidamente la inactivación del carbón
al disminuir la superficie útil de adsorción. Se suele establecer que el tamaño de los
poros debe ser del orden de 1 a 5 veces el diámetro de las moléculas a retener.
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Las moléculas orgánicas ramificadas son mejor adsorbidas que las lineales, también las
moléculas orgánicas con átomos de cloro, bromo o yodo son generalmente adsorbidas
con más intensidad.
4) pH: El grado de adsorción de sustancias orgánicas se incrementa en general al
disminuir el pH del agua. A pH = 9 el grado de adsorción es relativamente bajo.
A la hora de elegir un carbón activo, se deben tener en cuentas las propiedades
además de la intensidad y capacidad de adsorción, como son la dureza, permeabilidad,
densidad y solubilidad.
La eficacia para eliminar sustancias orgánicas con bajo peso molecular (< de 2 átomos
de carbono) es menor que en el caso de sustancias con mayores pesos moleculares,
este hecho ha de tenerse en cuenta al emplear la ozonización conjuntamente con el
carbón activo. El ozono al oxidar a determinados compuestos orgánicos y romper sus
cadenas, aumentará el número de compuestos con menores pesos moleculares, más
difíciles de ser adsorbidos por el carbón.
Las sustancias o moléculas que originan olores y sabores en el agua, suelen ser
moléculas pequeñas fácilmente adsorbibles por el carbón activo con porosidad tipo
microporos, mientras que para la adsorción de moléculas mayores, ejemplo los ácidos
húmicos y fúlvicos, precursores de trihalometanos, es más adecuado el carbón con
poros de mayor tamaño o macroporos. El carbón activo es también empleado como
medio para minimizar la formación de subproductos de la desinfección.
El carbón en polvo se debe aplicar después de la coagulación y formarse el flóculo, es
decir, antes de la sedimentación y filtración, tratando así de evitar la película o capa que
el coagulante empleado podría llegar a rodear a las partículas de carbón, impidiendo o
dificultando la adsorción. En el caso de empleo de filtros de carbón, esta fase del
proceso debe tener lugar después de la filtración por arena y antes de la desinfección
final del agua.
III.4.1.8 Proceso de adsorción
La adsorción se tiene lugar en tres etapas (Metcalf & Eddy, 1996):
Macrotransporte. Esta engloba el movimiento por advección y difusión de la materia
orgánica a través del líquido hasta alcanzar la interfase liquido - sólido.
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Microtransporte. Hace referencia a la difusión del material orgánico a través del
sistema de macroporos del CAG hasta alcanzar las zonas de adsorción que se hallan
en los microporos y submicroporos de los gránulos del CA.
Sorcion. Mecanismo por el cual la materia orgánica se adhiere al CAG. El equilibrio se
alcanza cuando se iguala la tasa de sorción y desorción, momento en que se agota la
capacidad del Carbón. La capacidad teórica de adsorción de un contaminante por
medio del CA se puede calcular con su isoterma de adsorción.
Las formulas más empleadas para el tratamiento de los datos experimentales de las
isotermas es la desarrollada por Freundlich, para describir características de adsorción
del CA.
Isoterma de Freundlich. Derivada a partir de consideraciones empíricas.
n
ef CKm
x /1 (3.21.)
Donde:
X/m = Cantidad de adsorbida por peso unitario de adsorbente (carbón).
Ce = concentración de equilibrio del adsorbato en solución después de la
adsorción.
Kf, n = constantes empíricas.
Las constantes de las isotermas de Freundlich se determinan representando
gráficamente la relación entre (x/m) y C, empleando la ecuación 3.21 rescrita de la
forma:
ef Cn
Km
xlog
1loglog
La zona donde se produce la sorción recibe el nombre de Zona de transferencia de
masa (ZTM). Una vez que el agua contaminada haya circulado a través de una región
del lecho del carbón cuya profundidad sea igual a la ZTM, la concentración del
contamínante en el agua se habrá reducido a su valor mínimo. En tal la adsorción no se
continuará produciendo por debajo de este nivel. Conforme se vallan saturando los
estratos superiores el carbón granulado, la ZTM se irá desplazando hacia abajo hasta
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producirse el agotamiento. Pero para que la ZTM se desarrolle por completo dentro del
lecho es necesario que transcurra un cierto tiempo mínimo de contacto sin lecho.
El grosor de la ZTM varia en función del caudal que circula por la columna.
La capacidad de adsorción del carbono se puede determinar a partir de los datos de las
isotermas, representando los datos en una gráfica. La capacidad de adsorción del
carbón se obtiene prolongando las isotermas hasta la intersección con una línea vertical
trazada por el punto correspondiente a la concentración inicial Co. Entonces el valor de
(x/m) Co se lee en el eje de las abcisas del grafico, este valor representa la cantidad de
materia adsorbida por unidad de peso de carbón activado una vez alcanzado el punto
de equilibrio.
Figura 3.3 Isotermas de Freundlich. Fuente: http://www.activatedcarbon.com.mx
La capacidad de adsorción de agotamiento de una columna de contacto de CAG a
escala real, (x/m), es un % de la capacidad teórica de adsorción obtenida a partir de la
isoterma. Pudiendo asumir un valor de la capacidad de adsorción de agotamiento entre
el 25 y 50 % de la capacidad de adsorción teórica (x/m)o. Una vez determinado el valor
de (x/m)r, el tiempo de agotamiento se puede determinar con la ecuación siguiente:
c
rri
c
r
r M
tCCQ
M
X
m
x
2 (3.22)
Donde (x/m)r = capacidad de adsorción real, g/g.
Xb = masa de material orgánico adsorbido en la columna de CAG al
producirse el fenómeno de agotamiento.
Mc = masa de carbón contenido en la columna, g.
Ci = concentración de materia orgánica al producirse el agotamiento, mg/l.
tr = tiempo hasta el agotamiento, d.
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La ecuación 3.23 se basa en la consideración de que Ci se mantiene constante, y en
que la concentración del efluente varía linealmente entre 0 y Cb, despejando la
ecuación, el tiempo hasta el agotamiento se puede expresar como:
)]2/([
)/(
bi
cbb
CCQ
Mmxt
(3.23)
La aplicación de esta ecuación es en el diseño de una columna de carbón activado.
Con el fenómeno de agotamiento en la practica habitual consiste en utilizar dos
columnas conectadas en serie e invertir su posición relativa al llegar a su agotamiento,
o bien utilizar múltiples columnas conectadas en paralelo de tal modo que el
agotamiento de una columna no afecte la calidad del efluente.
III.4.1.9 Filtros de carbón activado granular
El empleo de lechos de carbón se está extendiendo cada vez más en el tratamiento del
agua potable, a veces sustituyendo en los filtros convencionales de arena, este material
por carbón, como solución más económica, aunque no la más recomendable, lo
aconsejable es colocar los filtros de carbón tras la filtración por lechos de arena.
El tiempo de contacto generalmente aceptable en los filtros de carbón es del orden de 5
a 10 minutos para un espesor del lecho de 1 metro y una velocidad superficial
generalmente algo mayor a los 12 m/h. El tamaño de los granos oscila entre 0.55 a 1.35
mm. En cuanto al lavado a contracorriente de estos lechos, hay que preveer un
resguardo suficiente de cara a la expansión que suele variar entre el 20% y el 40% del
espesor inicial.
En la adsorción de sustancias orgánicas por el carbón puede darse el fenómeno de la
desorción, que es el desprendimiento de la sustancia que había sido adherida al
carbón, por otras moléculas con algún grupo funcional que se adhiere más
estrechamente al carbón. Finalmente, hay que considerar que en los lechos de carbón
activo pueden quedar atrapados diversos microorganismos.
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Están diseñados para la filtración de líquidos, adsorbiendo la materia orgánica, que es
la causante del olor, color o sabor en el agua. También ayudan a retener acidez,
alcalinidad e hidrocarburos (Acosta, 2000).
Según Instapura, (2000) las sustancias orgánicas que pueden pasar más
frecuentemente a través de un lecho de CA, son moléculas orgánicas hidrófilas, como
los carbohidratos y algunas otras sustancias muy oxigenadas.
Estos filtros además se utilizan para reducir efectivamente el sabor y el olor que
produce el cloro en el agua. El agua entra por la parte superior del filtro pasa por toda la
cama del carbón activado granular, logrando así un máximo tiempo de contacto y en
consecuencia una adsorción excelente.
Beneficios:
Altos flujos
Larga vida: no se corroen.
Mayor cantidad de agua filtrada entre retrolavados.
Menor desperdicio de agua en retrolavados.
Tanques de menor diámetro.
III.4.1.10 Ventajas y desventajas de carbón activo en polvo y en lechos
filtrantes en grano
Empleando carbón en polvo se puede escoger la calidad y tipo de éste, así como la
dosis a emplear según el contaminante a eliminar, es decir su empleo ofrece gran
flexibilidad y disponibilidad mientras que el empleo del carbón granular a través de
filtración, requiere estructuras más complejas y de mayor costo inicial de instalación, así
como la necesidad periódica de regeneración del carbón activo, una vez agotada su
capacidad de adsorción.
Para un empleo discontínuo, se utiliza generalmente el carbón en polvo.
Los principales inconvenientes del carbón en polvo, es que su dosis depende de la
concentración de equilibrio del contaminante residual en el agua, es decir depende de
la pendiente de la isoterma y del porcentaje de eliminación que se desea conseguir del
contaminante. Si se quiere eliminar porcentajes entre el 80 y 98 % del contaminante
inicial, es más aconsejable el empleo de carbón en grano en filtros, sin olvidar que en el
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caso de los filtros de carbón, la mayor eliminación, puede suponer un alargamiento del
frente de adsorción dentro del lecho filtrante.
El carbón en granos en lechos filtrantes se ve más afectado por la variaciones en la
concentración de los contaminantes. En estos filtros de carbón unos contaminantes
pueden fijarse en mayores cantidades que otros y por otra parte algunos contaminantes
pueden desplazar a otros ya adsorbidos (desorción).
En los lechos de carbón activo de los filtros puede tener lugar la proliferación de
determinados microorganismos.
La filtración por carbón activo requiere instalaciones con estructuras más complejas y
de mayor costo inicial.
Una de las grandes ventajas del carbón activo es la no-pérdida o eliminación del
producto, al poder regenerarse.
III.4.1.11 Perspectivas en desarrollo para el carbón activo
En los últimos años se han buscado otras formas de empleo del carbón activado que
permitan reducir el costo del tratamiento.
III.4.1.11.1 Las fibras de carbón activado
Estas se obtienen mediante pirólisis de fibras de materiales poliméricos como el
poliacrilonitrilo, celulosa, resinas fenólicas y apartir de residuos pesados del petróleo.
Las fibras se disponen en forma de tejido antes del proceso de activación. Teniendo
una elevada velocidad de adsorción, superior a la del CAG, y además, la disposición de
sus macroporos en la superficie de la fibra permite una menor resistencia a la
transferencia externa (Brasquet y Cloirec, 1997).
III.4.1.11.2 Las membranas de carbón activado
Se obtienen a partir de películas de polímeros como polivinilalcoholes y el policloruro de
vinilideno, soportadas sobre materiales cerámicos. La ventaja es que solo en una etapa
se realiza la adsorción del contaminante y la filtración del efluente (Sakada y col., 1996).
la desventaja es que solo esta en fase experimental.
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III.4.1.12 Principales usos del carbón activo
Los usos más destacados por su especificidad, o por lo extendido en el área del
tratamiento de agua (García, 1988).
Separación para agua potable, de contaminantes orgánicos, biológicos, eliminando
las propiedades organolépticas molestas, color, olor, sabor.
En abastecimientos de aguas subterráneas, a veces se presenta una contaminación
especial debido a aceites minerales.
Filtración de los lodos producidos como consecuencia de los procedimientos de
separación de hierro y Manganeso por medio de la adición de agentes oxidantes.
Tratamientos de acabados posterior a la cloración de aguas potables.
III.4.1.12.1 Potabilización
Económicamente su mayor aplicación se encuentra en la potabilización de aguas
superficiales, tanto tomadas directamente de los causes y mejor las extraídas del área
sumergida de los causes. Actualmente empleado en las plantas purificadoras de
cervecerías, de gaseosas, bebidas espumosas no alcohólicas, así como en los cafés y
restaurantes.
Una de las principales acciones del CA en agua que contiene cloro es su facultad
catalítica de transformar el cloro libre en Cl- ya que no es adsorbido por el, sino que lo
transforma en cloro combinado (cloruros). Esta actividad se aprovecha para permitir la
supercoloración (destrucción de gérmenes y descomposición de materia orgánica por
medio de oxidación) de las aguas sin que esta afecte al consumidor.
III.4.1.13 Capacidad de retención de cloro
Según Unitek, (1986) una forma confiable y efectiva de eliminar los microorganismos
que pudieran estar presentes en el agua es adicionar suficiente cloro, como para
asegurar que un nivel adecuado de cloro libre permanezca en el agua después de 2
horas de contacto.
Durante este proceso, el exceso de cloro libre es removido mediante una reducción y
una acción catalítica del carbón, que ocurre sobre su superficie, y en el interior de los
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macroporos. Simultaneamente durante el pasaje del agua por el lecho de carbón se
producirá también la remoción de sabores y olores desagradables, y de los THM.
En la filtración recién mencionada se producen trazas de ácido clorhídrico, que es
rápidamente neutralizado por los bicarbonatos presentes en el agua.
Para las plantas embotelladoras significa que en el agua tratada, luego de la
desinfección (es decir del agregado de cloro), se conservará cloro en exceso que debe
ser removido mediante una circulación de arriba hacia abajo a través de un lecho de
carbón activado granulado (CAG). La cantidad de cloro libre presente es, para la
generalidad de la industria, de 2 a 6 ppm.
III.4.1.14 Concentración de cloro
El cloro "ataca" lentamente partículas de carbón en cantidades típicas para agua
potable con una concentración de 1 a 2 ppm; pero si se usan concentraciones muy altas
mayores de 10 ppm de cloro, este efecto de arranque se magnifica, y la cantidad de
carbón liberado del lecho le impartirá un color gris al agua de salida. A su vez, las
partículas se hacen tan pequeñas que el filtro no puede retenerlas generándose un
problema de finos en el agua a tratar.
III.4.1.15 Sanitización de los lechos de carbón
El acto de eliminar el cloro convierte al agua en susceptible a la invasión de
microorganismos. Así como las capas superiores del lecho eliminan el cloro del agua,
las capas más bajas mayormente ricas en nutrientes y no expuestas al cloro son
portadoras de proliferación orgánica. El control efectivo de la proliferación de
microorganismos en los lechos de carbón es, por otra parte difícil y costoso.
El vaporizado del lecho de carbón es considerado generalmente como el mejor método
de sanitizarlo. Obviamente, la carcaza que contienen el carbón debe ser capaz de
soportar el vapor. Son aconsejables las cañerías de acero inoxidable o bien de bronce o
cobre pero no de PVC.
Los tratamientos con enjuagues cáusticos sirven para sanitizar los lechos de carbón por
su alto pH. Sin embargo, el material cáustico puede requerir 24 horas y más para ser
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eliminado por enjuague con agua, particularmente si el agua es fría. Los residuos
cáusticos pueden tener efectos nocivos en los filtros de la ósmosis inversa.
Si el agua al introducirse en el nuevo lecho (seco) es tratada primero con UV antes de
encontrarse con el carbón, esto serviría para prolongar su estado libre de microbios
vegetativos y de microorganismos heterotróficos tales como pseudomonas.
En casos donde una contaminación resultaría crítica, el lecho de carbón debe estar bajo
constante recirculación para evitar crecimiento orgánico. La velocidad de circulación
puede ser lenta, del orden de 2600 lt/h.m2. Una bomba de baja potencia puede estar
dedicada a la recirculación a través de una luz ultravioleta, constituyéndose esto en el
esquema más conveniente.
III.4.1.16 Extracción de carbón activo
Se está desarrollando la extracción con fluidos supercríticos (SFE), preferentemente
dióxido de carbono (Tc=31,1 ºC), debido a las excelentes propiedades de solubilidad y
difusividad. En esta técnica no hay residuos de disolvente ya que se puede recuperar y
se observa que no disminuye la capacidad de adsorción del carbón activado. Este
proceso tiene ciertas desventajas, como que el contaminante sólo es concentrado, se
necesita una elevada presión y el costo es elevado (Tomasko y col., 1993).
Una aplicación de la oxidación húmeda es la regeneración de carbón activado saturado.
Esta técnica regenera el carbón y simultáneamente destruye los contaminantes
adsorbidos. Para la regeneración por oxidación húmeda el lodo de carbón activado (5-
10% sólidos) es sometido a oxidación húmeda con aire, a una temperatura entre 200-
240ºC. Las ventajas de este tratamiento son que supone la regeneración directa del
lodo sin pérdidas de agua, no hay emisiones de partículas, las pérdidas de carbón
activado son inferiores al 7%, puede ser autosostenida y su costo es relativamente
inferior a la regeneración térmica (Mishra y col., 1995).
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IIIIII..55 TTrraattaammiieennttoo ppaarraa eell AAbbllaannddaammiieennttoo ddeell AAgguuaa
El método más comúnmente usado para suavizar el agua es a base de filtros de
zeolita. Consiste en un tanque o deposito cerrado, del tamaño de un tanque de
gas doméstico, lleno de zeolita o resinas catiónicas.
III.5.1 Intercambio Iónico
III.5.1.1 Aspectos generales
El intercambio iónico es un fenómeno muy frecuente en la naturaleza. Las arcillas,
coloide y humus vegetales del suelo, tienen la propiedad de intercambiar, algunos de
sus cationes transportados por las corrientes de agua (calcio y magnesio); así la
nutrición de la litósfera en lo relativo a sales minerales, depende de las propiedades
químicas del suelo especialmente de sus cationes intercambiables y de la capacidad
de intercambio del mismo.
En los suministros de agua natural contienen sales disueltas, las cuales se disocian en
el agua para formar partículas con carga, conocidas como iones. Estos iones están
presentes por lo general en concentraciones relativamente bajas, y permiten que el
agua conduzca electricidad. Algunas veces se conocen como electrolitos. Los iones
comunes que se encuentran en la mayoría de las aguas incluyen los cationes de carga
positiva; calcio y magnesio cationes que generan dureza, los cuales hacen que el agua
sea ―dura‖ (sodio y potasio). Los aniones de carga negativa incluyen alcalinidad, sulfato,
cloruro, y silicio.
III.5.1.2 Definición
El Intercambio iónico es una reacción química reversible de un Ion de una dilución es
intercambiador por un Ion similarmente cargado, adheridos a una partícula sólida
inmóvil. Esos Iones sólidos intercambiables son obtenidos naturalmente o producidos
sintéticamente (Creremisinoff, 1995).
El intercambio ionico es un proceso de adsorción que emplea el intercambio reversible
de iones entre un medio intercambiador de iones y una solución (Gray, 1999).
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Según Ramahlo, (1996). El Intercambio iónico es un proceso en que los iones que se
mantienen unidos a grupos funcionales sobre la superficie de un sólido por fuerzas
electrostáticas se intercambian por iones de una especie diferente en disolución.
III.5.1.3 Principios de funcionamiento
El intercambio iónico es un fenómeno dinámico, corresponde al proceso de sorción lo
que implica el contacto que se establece entre una fase fluida con una fase
macromolecular, generalmente en forma de gel que contienen grupos ionizables y
constituyen un gran Ion insoluble, asociado a iones móviles de carga opuesta. A lo
largo de la reacción la estructura física del cambiador mantiene la propiedad de tomar
y almacenar en forma selectiva una o más especies de soluto contenidos originalmente
en el fluido.
Es una red macromolecular mineral u orgánica portadora de cargas eléctricas que
retienen a sus alrededor, por simple atracción electrostática, las cargas del signo
contrario; estas cargas constituyen los iones móviles o contraiones susceptibles de
cambio y capaces de pasar a una disolución.
El proceso de intercambio iónico para remoción de compuestos inorgánicos consiste
en el paso sucesivo del agua sobre un sólido intercambiados de cationes y un sólido
intercambiador de aniones, los cuales reemplazan los cationes y aniones por iones
hidrógeno y iones hidróxido, respectivamente (Staniey, 1994).
Este método se usa principalmente para eliminar la dureza del agua. Este método de
tratamiento consiste en la remoción de los iones indeseables que existan en el agua,
transfiriéndolos a un material sólido llamado intercambiador. Cuando este llega a su
capacidad máxima se requiere un retrolavado, regeneración, enjuagado y servicio.
Los intercambiadores de iones suelen ser del tipo columna con flujo descendente. El
agua entra por la parte superior de la columna sometida a una cierta presión, circula en
el sentido descendente a través del lecho de resina, y se extrae por la parte inferior.
Cuando se agota la capacidad de la resina, la columna se somete a un ciclo de lavado
a contracorriente para eliminar los sólidos atrapados y proceder a la posterior
regeneración. La resina de intercambio catiónico se regenera con un ácido fuerte,
como el ácido sulfúrico o el hidroclórico. El regenerador de resinas aniónicas más
comúnmente empleado es el hidróxido de sodio (Gray,1999).
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Las elevadas concentraciones de sólidos en suspensión en el agua que entra en las
unidades de proceso pueden taponar los lechos de intercambio iónico, provocando
grandes pérdidas de carga y rendimientos ineficaces (Eddy y Metcalf, 1996).
III.5.1.4 Dureza
Como aguas duras se consideran aquellas que requieren cantidades considerables de
jabón para producir espuma y producen incrustaciones en las tuberías de agua caliente.
En términos de dureza (en mg/l como CaCO3)las aguas pueden clasificarse así
(Sawyer, 1967):
0-75 mg/l Blanda
75 – 150 mg/l Moderadamente dura
150 – 300 mg/l Dura
>300 mg/l Muy dura.
Causas de la Dureza. Se considera que es causada por iones metálicos divalentes
capaces de reaccionar con el jabón para formar precipitados y con ciertos aniones
presentes en el agua para formar incrustaciones.
Los principales cationes que causan dureza en el agua y los principales aniones
asociados con ellos son los siguientes:
Cationes: Ca+, Mg++, Sr++, Fe++, Mn++
Aniones: HCO-3, SO=
4, Cl-, NO-3, SiO=
3
En menor grado Al+++ y Fe+++ son considerados como iones causantes de dureza. En
general, la dureza es igual a la concentración de cationes polivalentes del agua.
Desde el punto de vista sanitario las aguas duras son tan satisfactorias para el
consumo humano como las aguas blandas. La desventaja que se tiene es que
depositan incrustaciones sobre las superficies en las cuales entra en contacto y en los
recipientes.
En la mayoría de las aguas se considera que la dureza total es aproximadamente igual
a la dureza producida por los iones calcio y magnesio, es decir:
Dureza total = dureza por Ca + dureza por Mg.
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La distinción es importante para el cálculo de la dosis de cal y soda Ash usada en la
precipitación de la dureza con estos materiales. Cuando la alcalinidad es mayor o igual
a la dureza total, entonces,
Dureza carbonatada (mg/L) = dureza total (mg/l).
Esta desaparece cuando se hierve el agua. Esto se produce porque los bicarbonatos
sirven como fuente de iones carbonato para precipitar C++ como CaCO3 a temperaturas
elevadas, la cual sucede en calderas.
Ca++ + 2HCO-3 CaCO3 + CO2 + H2O
El cálculo de la dureza causada por cada Ion se efectúa usando la fórmula siguiente:
Dureza en mg / L como CaCO3 = M++ (mg / L)X 50 / Masa eq. De M++
En que M++ representa cualquier ion metálico divalente causante de dureza.
Según Sawyer, (1967) se requieren aproximadamente 3 mg de NaCl para desplazar
cada mg, de dureza removida. De acuerdo con Hammer (1977) las características de
operación de una resina de Intercambio Iónico de poliestireno son: capacidad operativa
de intercambio 45-80 g/l, tasa de flujo 120-350 m3/m2d, tasa de regeneración 300-350
m3/m2d y tiempo de contacto con la salmuera 25 – 45 min.
III.5.1.5 Materiales de intercambio
La mayor parte de los materiales de esferas de intercambio iónico se fabrican usando
un proceso de polimerización de suspensión, que utiliza estireno y divinilbenceno
(DVB). El estireno y el DVB, ambos líquidos en un principio, se colocan en un reactor
químico con más o menos la misma cantidad. Así mismo está presente un agitador para
mantener todo disperso (Avilla, 2002). Estas resinas son polímeros insolubles a los que
se le añaden grupos básicos mediante reacciones químicas (Ramahlo, 1996).
La mayoría de los materiales para el intercambio se basan en resinas sintéticas
(poliestireno copolimerizado con DVB), ya que cuando se usaban los cambiadores
naturales su capacidad de cambio era débil (Martínez y Gonzáles, 2000).
En el tratamiento de intercambio iónico no se producen lodos, sin embargo al
regenerarlas se genera un desecho concentrado del contaminante original.
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III.5.1.5.1 Zeolitas
Las zeolitas son una familia de minerales aluminosilicatos hidratados altamente
cristalinos, que al deshidratarse desarrollan, en el cristal ideal, una estructura porosa
con diámetros de poro mínimos de 3 a 10 angstroms.
Su estructura forma cavidades ocupadas por iones grandes y moléculas de agua con
gran libertad de movimiento que permiten el cambio iónico y la deshidratación
reversible.
Las zeolitas están compuestas por aluminio, silicio, sodio, hidrógeno, y oxígeno. La
estructura cristalina está basada en las tres direcciones de la red con SiO4 en forma
tetraédrica con sus cuatro oxígenos compartidos con los tetraedros adyacentes.
Según Breck (1974) citado por Servin (2000) las zeolitas son caracterizadas por las
siguientes propiedades:
1. Alto grado de hidratación.
2. Baja densidad y un gran volumen de vacíos cuando es deshidratado.
3. La estabilidad de su estructura cristalina cuando se deshidrata.
4. Las propiedades de intercambio del catión.
5. Presenta canales moleculares uniformes clasificados en los cristales
deshidratados.
6. Por su habilidad de absorber gases y vapores.
7. Por sus propiedades catalíticas.
Una alta capacidad de intercambio iónico corresponde a zeolitas con baja relación
SiO2/Al2O3 (Zsostack, 1989).
Las zeolitas pueden ser sintéticas y naturales (ceniza volcánica, arcilla, feldespato,
sílice biogénico y formas de cuarzo).
Cuando se usan para el ablandamiento del agua, las zeolitas naturales intercambian
sus iones de sodio por los iones de calcio y magnesio en el agua, lo que permite la
eliminación total de la dureza. Esto es, si se representa una zeolita por Na2X.
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NaXMg
CaareXNa
Mg
Ca2)sin(2
El agua así obtenida tiene un alto contenido de sodio, que no es probable que cause
problema, a no ser que el agua fuera originalmente muy dura.
III.5.1.6 Intercambio y regeneración
Cuando se han intercambiado todos los iones de sodio en la estructura, ya no hay
remoción de dureza. La regeneración se logra con el uso de una solución de sal que
suministre una alta concentración de iones de sodio para invertir la reacción de
intercambio.
222 ClMg
CaXNaNaClX
Mg
Ca
Con lo que se libera la dureza como una corriente concentrada de cloruro. Una zeolita
de ciclo de sodio natural tendrá una capacidad de intercambio de 200 equivalentes
gramo/m3 con un requerimiento de material regenerante de 5 equivalentes/equivalente
intercambiado.
También se dispone de intercambiadores de cation de ciclo de hidrógeno obtenidos de
compuestos carbonosos naturales o sintéticos con los que se produce agua de dureza
cero. Para tal fin intercambian todos los cationes por iones de hidrógeno de modo que
la corriente del producto es ácida y su uso principal es como la primera etapa de las
operaciones de desmineralización.
Na
Mg
Ca
ZH
Na
Mg
Ca
22
2
La regeneración es por tratamiento ácido:
Na
Mg
Ca
ZHHZ
Na
Mg
Ca
2
2
2
2
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Las características comunes de rendimiento para un intercambiador de ciclo de
hidrógeno son 100 equivalentes gramo/m3 de capacidad de intercambio y un
requerimiento de material regenerante de cerca de 3 equivalentes/equivalente
intercambiado. Los intercambiadores de iones que normalmente son derivados
sintéticos del amoniaco, aceptarán el agua producto de un intercambiador del ciclo del
hidrógeno y producirán agua desmineralizada para laboratorio y otros usos especiales.
De manera general, la regeneración de los aniones se realiza con sosa diluida, con
agua descationizada para evitar la precipitación de carbonatos o hidróxidos. La
regeneración de las resinas catiónicas se realiza con ácido clorhídrico o con el ácido
sulfúrico.
Las etapas del proceso de permutación ióica son:
1. Intercambio o ablandamiento.
2. Retrolavado a contracorriente, se realiza provocando la expansión del
lecho para dejar sueltas las partículas de resinas y asegurar su limpieza.
Las velocidades de paso del agua de lavado son de 6 a 8 m/hr para las
resinas aniónicas y de 10 a 18 m/hr para las cationicas. La duración es de
10 a 15 min.
3. La regeneración se hace con una sustancia que permita recuperar el ion
perdido de la resina (ver tabla 3.2).
Tabla 3.2 Modelo de resinas comúnmente en mercado.
Modelos Tipo Base Forma Aplicación.
CGS-BL Catiónica Fuerte Na Suavización.
CG-8 Catiónica Fuerte Na Suavización, desmineralización.
CG-8H Catiónica Fuerte H Suavización, desmineralización.
WAC-MP
Catiónica Débil H Desmineralización.
SGG1 Aniónica Fuerte Cl Desmineralización, de alcalinización.
WBMP Aniónica Devil OH Desmineralización.
MBO Mixta Fuerte H/OH Desmineralización.
Fuente: www.econext.com.mx
Configuraciones para el intercambio Iónico en base a la calidad del agua de
alimentación.
Doble columna: (cation – anion).
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Triple columna: (cation – anion – cation). Cuatro columnas: (cation – anion – cation – anion). Mixta : (cation – anion).
4. Enjuague. La finalidad es eliminar los compuestos originados
posiblemente por regenerador.
Los ablandadores modernos tienen un método de "regeneración" de la resina con una
solución de salmuera (agua salada). La salmuera encharca la resina por tiempo
suficiente para permitir la substitución por el sodio del calcio y magnesio fijados en el
lecho de resina. El calcio y magnesio son lavados y removidos, dejando el lecho de
resina regenerado y listo para ser nuevamente utilizado. Los ciclos de regeneración son
establecidos en el momento de la instalación y son basados en la demanda de agua, la
calidad del agua de alimentación y el caudal máximo de servicio necesario para atender
al usuario.
Los ablandadores realizan de igual manera el intercambio y el retrolavado,
posteriormente (ver figura 3.4).
3. Aspiración de la salmuera: la solución de salmuera es aspirada del tanque de
almacenamiento de la salmuera y entra en el lecho de resina.
4. Enjuague lento: el enjuague de salmuera es lentamente forzado a través del
lecho de resina, permitiendo que el sodio force los iones de calcio y magnesio
para fuera del lecho de resina.
5. Enjuague rápido: es forzado el pasaje rápido de agua bruta a través del lecho
de resina para retirar la salmuera residual y los iones de calcio y magnesio.
6. Completar el tanque de salmuera: el tanque de salmuera es completado con
agua para quedar preparado para el próximo ciclo de regeneración.
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Figura 3.4 Instalación del ablandador.
III.5.1.7 Resinas sintéticas
Según Avilla (2002) estas consisten en una red de radicales hidrocarburo a los cuales
están unidos grupos funcionales iónicos solubles. Las moléculas de hidrocarburos están
unidas transversalmente formando una matriz tridimensional que imparte una
insolubilidad y tenacidad global a la resina. La extensión, o grado de reticulación,
determina la estructura porosa interna de la resina, y esta no debe ser tan grande que
restrinja el movimiento libre de los iones cambiables.
Los intercambiadores cationicos son resinas que llevan cationes cambiables y
contienen grupos funcionales ácidos, como: el sulfónico, R-SO3H; fenólico, R-OH;
carboxílico, R-COOH; y el fosfórico, R-PO3H2. La letra R representa la red orgánica de
las resinas. Las resinas aniónicas contienen grupos funcionales tales como; amina
primaria, R-NH2; amina secundaria, R-R'NH; amina terciaria R-R'2N; y el grupo amonio
cuaternario, R-R'3N+OH-. R' representa radicales orgánicos como el metilo.
III.5.1.7.1 Estructura física y química de las resinas.
Los requisitos básicos de los materiales de las esferas de intercambio iónico son la
insolubilidad, el tamaño de la esfera, y su resistencia a las fracturas. Las resinas de
intercambio iónico son fabricadas en dos estructuras físicas, gelatinosa o macroporosa.
Las resinas gelatinosas son polímeros homogéneos entrecruzados y son las resinas
más comúnmente disponibles.
La cantidad de entrecruzamiento de DVB que se utiliza en la síntesis de una esfera
determina su fortaleza relativa. La resina catiónica de ácido fuerte que se usa para la
suavización, la cual es el medio más común de intercambio iónico, consiste casi
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siempre de un material gelatinoso de 8% DVB. Por lo general estas son más
económicas y duran más.
Actualmente se encuentran disponibles resinas con un contenido de DVB entre 2% y
20% y aún más. Un mayor contenido de DVB le da aun más fortaleza a la resina, pero
el entrecruzamiento adicional puede obstruir la cinética, haciendo que la esfera sea
demasiado resistente a la contracción e hinchamiento durante el funcionamiento
normal.
Las resinas macroporosas tienen una estructura con apariencia esponjosa esto permite
que la porción activa de la esfera contenga un nivel elevado de entrecruzamiento de
DVB sin afectar la cinética del intercambio. Los ―poros‖ pueden ocupar entre 10% y
30% del polímero. Esto reduce proporcionalmente la capacidad de intercambio iónico.
Mientras mayor sea el área en una resina aniónica macroporosa, mejor será su
resistencia a la incrustación. En una resina catiónica, un mayor nivel de
entrecruzamiento proporciona mejor resistencia a la oxidación.
Existen dos tipos principales de estructuras químicas, estirénicas y acrílicas. Las
primeras son hidrocarburos aromáticos. Las resinas acrílicas son hidrocarburos de
cadena recta basadas en poliacrilato y polimetacrilato.
Cuando una resina acrílica se degrada químicamente, ocurre en el sitio de intercambio,
destruyendo su estructura física, y cuando se oxida ésta se hinchará y ablandará. Sus
usos están limitados a aplicaciones industriales.
III.5.1.8 Selectividad de resinas
La selectividad o afinidad de resinas de intercambio iónico es influida por las
propiedades de la esfera, los iones intercambiados, y la solución en la cual están
presentes los iones. El agua es un componente esencial en las resinas de intercambio
iónico. Las resinas cationicas de ácido fuerte contienen más o menos 50% de humedad
este contenido tiene un impacto sobre la selectividad. El alto contenido de humedad
ocasiona una mayor porosidad y los grupos activos se encuentran más separados uno
del otro. Las resinas de intercambio iónico por lo general tienen una mayor selectividad
hacia los iones de mayor valencia o carga. Entre los iones con una misma carga se
encuentran mayores afinidades hacia los iones con un número atómico más alto.
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Una resina catiónica agotada que se utiliza para suavizar por lo general se encuentra
en forma de calcio o magnesio, de los cuales ambos son iones bivalentes. La resina es
restaurada a su condición regenerada, la forma del sodio, introduciendo una solución de
10% de cloruro de sodio. Esta solución de cloruro de sodio se encuentra lo
suficientemente concentrada 100,000 partes por millón (ppm) como para revertir la
selectividad. La fuerza impulsadora del Ion monovalente de sodio luego convierte la
resina a la forma de sodio.
III.5.1.9 Tasa de intercambio
La tasa de intercambio, o cinética, de las reacciones de intercambio iónico es
gobernada por varios factores. La solución que está siendo tratada; las concentraciones
más altas de solución pueden acelerar la velocidad de la reacción. La cantidad de
entrecruzamiento de DVB en la esfera determina la porosidad de la esfera y, además, la
movilidad iónica dentro de la esfera. El tamaño de los iones que están siendo
intercambiados influye en la velocidad cinética y depende un tanto del tamaño de los
poros en la estructura de la resina. La resina tiene una mayor afinidad hacia los iones
de mayor valencia, por lo que la predominancia de iones de alta valencia puede causar
una mayor tasa de reacción. Otros elementos que influyen la temperatura, la forma
iónica de los sitios de intercambio, y la fortaleza de los sitios de intercambio. Una mayor
temperatura puede acelerar las reacciones químicas. Además, la fortaleza del sitio de
intercambio, ya sea fuerte o débilmente ácido o básico, afecta la tasa de reacción.
III.5.1.10 Tipos de resinas de intercambio iónico usadas para el
tratamiento de aguas
Según Rogola (1999) la mayoría de las resinas empleadas hoy en día son sintéticas,
basadas en un copolimero de estireno-divinilbenceno, tratado apropiadamente para
añadirles los grupos funcionales. La sulfonación da lugar a resinas cationicas y la
afinación a resinas aniónicas. Algunas resinas tienen una matriz acrilica en lugar de
estireno, u otros grupos polimerizantes (opoxi).
Resinas catiónicas de ácido fuerte: Derivan su funcionalidad de los grupos ácidos
sulfónicos. Estos intercambiadores funcionan a cualquier nivel de pH, dividen todas las
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sales, y su regeneración es mas frecuente. Esta es la resina que se escoge para las
aplicaciones de suavizado (en ciclo sodico, regenerando con ClNa, al 10 % empleando
100 a 300 g de ClNa por litro, (reaccion1 y 2) y como primera unidad en un
desmineralizador (en ciclo ion hidrógeno, regenerado con ácido reacción 3 y 4) de dos
lechos, o como componente catiónico de un lecho mixto. Estas tienen selectividad para
cationes trivalentes, intermedia divalentes e inferior los monovalentes. La velocidad del
I.O (intercambio ionico) es rápida y de poca fuga iónica. Son muy estables y pueden
durar hasta mas de 20 años. Se hinchan poco menos del 8 % al pasar de la forma Na+
a la H-. Operan a temperaturas altas de más del 1000 °C.
Resinas catiónicas de ácido débil: Contienen grupos carboxílicos como sitios de
intercambio. Captan el calcio y magnesio de la alcalinidad bicarbonatada, liberando
ácido carbónico (reacción 5) que se puede eliminar de manera simple y barata por
desgasificación mediante aeración no operan a pH inferior a 7, necesitando una acción
tamponante. Su capacidad es el doble que la catiónica fuerte, aunque su fuga de calcio
es baja, es alta la de sodio. Incluso se puede emplear en su regeneración el exceso de
ácido usado en la regeneración de la cationica fuerte. Su inchamiento al pasar de la
forma Na+ a H+, del orden del 90 %. También son más resistentes a oxidantes como el
cloro.
Las resinas catiónicas débiles están sujetas a una menor capacidad por un aumento en
la velocidad de flujo, temperaturas bajas, y una proporción entre la dureza y la
alcalinidad menor de 1.0.
Resinas aniónicas de base fuerte: Son capaces de eliminar todos los aniones de
ácidos débiles o fuentes operando a cualquier ph (reacción 6 y 7). Su selectividad para
los aniones divalentes es superior a los monovalentes. Son menos estables que las
homólogas catiónicas, su duración bastante inferior y resisten temperaturas límite
inferiores. Absorben irreversiblemente los ácidos húmicos de descomposición vegetal,
perdiendo capacidad. Para su protección se puede usar una columna previa de resina
aniónica débil o de carbón activo.
Resinas aniónicas de base débil: Eliminan los aniones de los ácidos fuertes, Cl=, SO4-
, NO3-, pero no los de los ácidos débiles, CO3
=, CO3H-, SiO3H
-, y no funciona a pH
superior a 6. Su capacidad es el doble de las aniónicas fuertes y resisten el
ensuciamiento orgánico. Su hinchamiento es del orden del 20 % en la forma OH-.
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Aunque no eliminan el carbónico o la sílice, son utilizadas después de una catiónica
fuerte para disminuir el costo de regenerantes y proteger las aniónicas fuertes de la
materia orgánica, y hasta eliminar color del agua.
Según Rogola (1999) las principales reacciones de Intercambio Iónico son:
III.5.1.11 Desmineralización
La desmineralización es un proceso mediante el cual se eliminan sólidos disueltos en el
agua en base a resinas de intercambio Iónico. La cantidad de sólidos disueltos en el
agua se puede medir en base a conductividad eléctrica o resistencia que es
inversamente proporcional, para aguas que tienen muy pocos sólidos disueltos es más
eficiente medir la resistividad, no hay agua que tenga ―cero‖ absoluto, lo mas cercano a
cero expresado en resistividad es 18.3 millones de ohms (Rogola, 1999).
Las etapas para elegir el sistema de desmineralización son las siguientes
(Rogola,1999):
Determinar la calidad y volumen diario del agua requerida.
Analizar la calidad de los suministros de agua disponible.
Seleccionar el tipo de pretratamiento necesario.
Decidir el sistema de desmineralización y el tipo de resina.
Especificar la duración del ciclo, el tiempo de regeneración y la disponibilidad de
almacenamiento de agua tratada.
Determinar en función de las capacidades de intercambio, velocidades de paso,
nivel de regenerante y parámetros físicos, los volúmenes de resina y demás
características del sistema.
La operación de intercambio Iónico debe ir precedido del pretratamiento adecuado. Se
debe eliminar la materia en suspensión y la materia coloidal que puede ensuciar las
ClNaOHRNaOHClR
OHClRClHOHR
HCOCaRSOCaHCOHRSO
CaClHRSOClHCaRSO
HSOCaRSOCaSOHRSO
CaClNaRSOClNaCaRSO
NaSOCaRONaRSOCaSO
][])[7(
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][][2)1(
2
2323233
2323
24234
2323
242334
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resinas, reduciendo la cinética de difusión de los iones y colmatarlas creando caminos
preferenciales con disminución de la eficiencia.
Los pretratamientos, según la calidad del agua de partida pueden incluir una
descarbonatación previa, una decantación y una filtración.
El sistema de dos columnas cation fuerte-anion fuerte se aplica en instalaciones de
baja inversión. El sílice admisible es de 0.02 a 15 ppm. Si la alcalinidad es alta
conviene disponer de un desgasificador entre ambas resinas para eliminar el CO2
liberado aunque implica un bombeo adicional.
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III.5.1.11.1 Diseño de los equipos de desmineralización
El diseño de los recipientes de intercambio ionico responde al requisito de operar con
lecho profundo de resinas introducidas en columnas, dando un flujo de agua
estacionaria y tranquilo.
El material de construcción debe ser resistente a la corrosión. En el ablandamiento es
suficiente que sea resistente a la solución salina, pero en la desmineralización se
emplea generalmente muy corrosivos. En pequeños diámetros se pueden emplear
columnas de poliéster reforzado, pero en caudales importantes se construye de acero,
interiormente ebonitado.
La altura de los lechos de resina se sitúa entre 70 y 150 cm a mayores alturas
representarían pérdidas de eficiencia hidráulica. La cámara de expansión para el
lavado y la dilución de las resinas se suele formar de un 50 a un 75 % de la altura del
lecho para las catiónicas y de un 100 % para las aniónicas menos densas.
III.5.1.12 Ventajas del proceso iónico
Las ventajas del proceso iónico en el tratamiento de aguas son las siguientes:
Se adopta a las necesidades de las aguas en que las concentraciones de las impurezas
iónicas son relativamente bajas.
Las resinas actuales tienen alta capacidades de intercambio que permiten conseguir
procesos compactos requiriendo inversiones moderadas.
Las resinas son estables químicamente, de larga duración y fácil regeneración.
III.5.1.13 Cálculo de un suavizador
A continuación se muestra el procedimiento para seleccionar un modelo de suavizador,
para ello es necesario reunir la siguiente información:
Flujo de Agua (expresado en galones)
Horas de Operación
Dureza Total del Agua (expresados en ppm o mg/l)
Divida la dureza del agua entre el factor de conversión 17.7 y obtendrá los Granos de
resina que se necesitan para suavizar un galón de agua (GPG = Granos Por Galón).
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Dureza total (ppm) ÷ 17.7 = GPG (Granos por galón)
Multiplique los GPG por el consumo de agua diario (gpd), para obtener cuantos granos
son necesarios para suavizar toda el agua que se consume en un día
GPG x Galones por día = Granos necesarios en un día
Para obtener la cantidad de resina, es necesario definir cuanta sal requerimos para
regenerar. Si la regeneración se hace con 15 lbs de sal por cada pie cúbico (ft3) de
resina, se obtendrá mayor capacidad de resina, pero un mayor consumo de sal. Por lo
contrario, si se regenera con 5 lbs de sal por cada pie cúbico (ft3) de resina se obtendrá
menor capacidad de resina pero un ahorro de sal.
1 ft3 = 30,000 granos por 15 lbs. de sal
1 ft3 = 25,000 granos por 10 lbs. de sal
1 ft3 = 30,000 granos por 5 lbs. de sal
Es importante decir que los equipos siempre se diseñan con una regeneración a 15 lbs
por ft3, lo que hace que el equipo sea el mas pequeño disponible. Recuperación de
inversión rápida, alto consumo de sal.
Cuando se tiene grandes consumos de resina, los suavizadores se regeneran con 5 lbs
de sal, esto es un 50% menor capacidad en la resina y un consumo de solo 33% de
sal. Ahorro a largo plazo y retorno de inversión lenta.
IIIIII..66 TTrraattaammiieennttooss ppaarraa DDeessiinnffeeccttaarr eell AAgguuaa
La eliminación de los microbios del agua para beber y cocinar es tarea primordial
para la salud y debe ser el principal objetivo de cualquier sistema de purificación
de aguas domesticas.
III.6.1 Métodos Físicos o Desinfección Sin Químicos.
Hay tres métodos físicos para eliminar los microbios del agua: uno es mediante
la aplicación del calor; otro mediante la radiación ultravioleta y el tercero a través
de una membrana de ósmosis inversa.
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III.6.1.1 Luz Ultravioleta
III.6.1.1.1 Aspectos generales
La luz ultravioleta es un método de desinfección del agua que es relativamente nuevo
en México y han provocado el retiro de los medios tradicionales de desinfección
química, siendo la opción conveniente para la ecología. Además de resolver los
problemas microbiológicos de desinfección, sin el cambio del sabor ni el olor del agua.
III.6.1.1.2 Reseña histórica
Los efectos germicidas de la energía radiante del sol fue reportado por primera vez por
Downs y Blunt en 1878. La aplicación practica de UV requirió sin embargo el desarrollo
de la lámpara de vapor de mercurio como fuente de luz UV artificial en 1901 y el
reconocimiento del cuarzo como la envoltura ideal de la lámpara en 1905. Los primeros
intentos experimentales para usar rayos UV como desinfectante de agua se hicieron en
Marsella, Francia en 1910. La luz UV fue usada en los Estados Unidos entre 1916 y
1926, para la desinfección de agua y empleado en barcos para proveer agua potable.
Sin embargo, el bajo costo de la desinfección de agua con cloro combinado con
problemas operativos y de confiabilidad observados en los primeros equipos retardaron
el crecimiento en la aplicación de radiación UV hasta el decenio de 1950 (Wolfe, 1990).
Las instalaciones prácticas de desinfección UV para agua potable ocurrieron en Suiza y
Austria en 1955. González, (2001) las longitudes de onda fueron de 254 nm y las
aplicaciones se realizaron para el agua. Con el descubrimiento de subproductos
clarinados, la desinfección UV se hizo popular en Noruega, ocurriendo la primera
instalación en 1975, y en Holanda en 1980.
III.6.1.1.3 Luz UV
Según Dias y Liliana, (2002) aseveran que la luz UV es una fuente de energía del
espectro electromagnético de radiación la cual tiene la capacidad para penetrar la pared
celular de un microorganismo vivo, modificando la estructura del ADN (ácido
desoxirribonucléico) y evitando con ello su reproducción (ver figura 3.5). A pesar de que
la secuencia genética es alterada mayormente a 254 nm encontramos ventajas
adicionales en los emisores multi-onda (presión media), los cuales proporcionan el
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intervalo completo del espectro UV, que alteran las enzimas del citoplasma, y proteínas
de la pared celular (ver figura 3.5).
Figura 3.5 Secuencias de ADN normal y modificado.
Figura 3.6 Efecto de UV de presión media en un microorganismo.
Fuente: (http://www.germ-ex.com.mx)
Los microorganismos que se encuentran en el agua con mayor frecuencia presentan
una amplia variedad de estructuras celulares, y para su identificación se agrupan en
bacterias, virus, protozoarios, hongos, algas, fermentos y moho. Debido a la estructura
individual de las células, los niveles de energía necesaria para una acción germicida
destructiva pueden variar.
Esta fuente de energía esta situada entre las bandas de rayos X y la luz visible, con
longitudes de onda que van desde 180 hasta 400 nanómetros (nm). Cuanto menor es la
longitud de onda, mayor es la energía producida.
La luz UV, está constituida de cuatro regiones del espectro o áreas (Meulemans, 1986):
UV vacio (100 – 200 nm), específicamente en una longitud de onda de 185, es
apropiada para la producción de ozono.
UV-A ( 315 – 400) o luz ultravioleta de larga longitud de onda, que ocurre entre los
325 y los 390 nm, está representada por la luz del sol. Este rango tiene muy bajo valor
germicida.
UV-B (280 – 315) o luz ultravioleta de mediana longitud de onda (Eriteme o golpe
solar) ocurre entre los 295 y los 325 nm y es más conocida en las lámparas usadas
para bronceado. Estas ondas medianas también pueden encontrarse en la luz del sol y
tienen algo de efecto germicida con la exposición prolongada.
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UV-C (200 – 280) es una luz ultravioleta de pequeña longitud de onda que ocurre entre
los 200 y los 295 nm y es donde ocurre la acción más germicida. La acción germicida
óptima de la UV ocurre a los 265 nm. Es la apropiada para la eliminación de microbios.
III.6.1.1.4 Fuentes y tecnología de lámparas
El sol es una fuente de la luz ultravioleta, la absorción de radiación de longitud de onda
corta por la capa de ozono de la tierra impide que alcancen la tierra cantidades
significativas de UVB y UVC, NASA, (1972) citada por Martinez y Gonzales (2000). Por
ello, las aplicaciones prácticas de desinfección UV depende de fuentes artificiales de
UV. Las fuentes de UV más comunes son lámparas de arco de mercurio de baja y
mediana presión.
Básicamente, se utilizan dos tipos de lámparas en un proyecto de luz ultravioleta:
Presión de mercurio baja
Presión de mercurio mediana
Actualmente se utilizan lámparas de baja presión y alta potencia. La ventaja reside en la
reducción del número de lámparas, lo que aumenta la potencia del sistema y disminuye
el costo.
Por lo general las lámparas de UV consisten de un tubo herméticamente cerrado de
sílica vitreosa o cuarzo (transmisores ambos de UV), con electrodos a ambos extremos
(Phillips, 1983). El tubo es llenado con una pequeña cantidad de mercurio y un gas
inerte, usualmente argón a presión de algunos torricellis (torr). Los electrodos están
compuestos usualmente de tungsteno con una mezcla de metales de tierra alcalinos
para facilitar la formación del arco dentro de la lámpara. Una descarga de gas es
producida por un voltaje elevado a través de los electrodos. La luz UV es emitida desde
la lámpara cuando el vapor de mercurio excitado por la descarga, retorna a un nivel
menor de energía. El argón presente ayuda para el arranque de la lámpara, extender la
vida del electrodo, y reducir las pérdidas térmicas.
Debido a las características de resistencia eléctrica negativa de las descargas de
gases, la operación estable de una lámpara de arco de mercurio requiere de un balasto
adecuado. Los balastos pueden ser caracterizados como electromagnéticos o
electrónicos, figura 3.7 (O’Brian et al, 1995).
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Figura 3.7 Construcción de una lámpara de arco de mercurio y diseño de balasto. Fuente: Phillips, 1983.
III.6.1.1.5 Generación de la UV
La luz ultravioleta es producida como resultado del flujo de corriente a través del vapor
de mercurio entre los electrodos de la lámpara (Pietrobon, 2002).
La luz UV es radiada por tubos de cuarzo que contienen vapor de mercurio (misor).
Cuando se conduce una corriente eléctrica en los polos, se genera un arco voltaico que
ioniza a los átomos de esta manera (Hg), en donde los electrones incrementan su
energía hasta que son convertidos en fotones de luz UV (Dias y Liliana, 2002) (ver
figura 3.8).
Figura 3.8 Generación de UV. Fuente: (http://www.germ-ex.com.mx)
(Gonzáles, 2001) menciona que la luz UV se genera mediante las lámparas UV,
conocidas como germicidas, que son similares en diseño a las fluorescentes. La luz UV
es emitida como resultado de un flujo de corriente (arco foto voltaico), a través de vapor
de mercurio a baja presión, entre los electrodos de la lámpara, produciendo la mayor
parte de su emisión a 253.7 nm = 2.537 A°.
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III.6.1.1.6 Mecanismos de desinfección
Dimerización DNA
Los microorganismos son inactivados por luz UV como resultado del daño fotoquímico a
sus ácidos nucleicos. La radiación UV es absorbida por nucleotidos, los bloques de
construcción del DNA y RNA celulares en una manera dependiente de la longitud de
onda con picos de cerca de 200 y 260 nm (Sonntag y Schuchmann, 1990). El UV
absorbido promueve la formación de uniones entre nucleotidos adyacentes, creando
moléculas dobles o dímeros (Jagger, 1967). La formación de dímeros de tiamina-
tiamina dentro de un microbio impide que éste duplique su DNA y RNA, impidiendo así
su reproducción. El espectro de E.Coli alcanza su punto máximo a las longitudes de
onda de cerca de 265 nm y de cerca de 220 nm.
Mecanismos de Reparación
Muchos microbios tienen un sistema metabólico con varios mecanismos de reparación
de los ácidos nucleicos dañados (Jagger, 1967).
Los virus no tienen mecanismos de reparación para invertir el daño creado por la luz
UV. La habilidad de la bacteria y otros microbios para fotorepararse está relacionada
directamente a la extensión del daño UV, la exposición a la luz reactivadora entre 300 y
500nm, al pH y temperatura del agua. Debe ocurrir exposición a luz entre 300 y 500nm
dentro de dos a tres horas para que pueda propiciarse el efecto fotoreparador
(Groocock, 1984).
La Cinética de Inactivación y el Concepto de Dosis UV
La cinética de inactivación microbiana por UV es citada a menudo siguiendo la ley de
Chick:
klt
oeNN (3.24)
Donde: No es la concentración inicial de microbios previa a la aplicación de UV,
N es el número de microbios que restan después de la exposición a la luz UV.
I es la intensidad UV,
t es el tiempo de exposición, y
k es la constante del ritmo de inactivación.
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Una interpretación útil de esta ley es que por cada incremento en dosis UV igual a 2.3/k
hay una reducción en el orden de magnitud de la población microbiana.
La dosis germicida generada por una lámpara de presión mediana de arco de mercurio
puede ser definida como:
nm
nm
tGIUVDosis315
200
)()(
(3.25)
Donde:
I() = es la energía de salida de la lámpara de mediana presión dependiente de
la longitud de onda,
G() = es el espectro de acción dependiente de la longitud de onda del microbio
siendo inactivado.
III.6.1.1.7 Tasas de inactivación
Las tasas de inactivación microbiana varían dependiendo de la especie microbiana, y la
longitud de onda de la luz UV. Es así como las bacterias son menos resistentes a UV a
254nm que los virus, los cuales a su vez son menos resistentes que las esporas de
bacterias. Mientras que quistes de protozoarios son considerados como los patógenos
microbianos más resistentes a UV a 254nm. La temperatura de agua y pH tienen poco
o ningún impacto en la tasa de inactivación de microbios por UV (USEPA, 1996). En
estos casos se requiere dosis UV más altas caso especial de esporas bacterianas
(Munakata et al, 1991).
El virus humano patogénico más resistente a UV descrito por varios autores es el
Rotavirus (Reovirus) el cual fue reportado ser 11 veces más resistente a UV que
E.Coli (Harris et al, 1987) y el virus de poliovirus y hepatitis A, son solamente de
2,5 veces más resistentes que el E. coli.
Sin embargo las evidencias de estudios realizados por el Grupo del IAWPRC (1991)
sobre microbiología del agua indica que hay una diferencia menor de cuatro veces en la
resistencia del E.coli y virus a UV. Así los Rotavirus fueron encontrados similares al
E.coli en su sensibilidad al cloro, pero poliovirus y algunos virus entéricos fueron
reportados ser 40 o más veces más resistentes al cloro que E.coli (Engelbrecht et al,
1978; Scarpino et al, 1974). Victor Cabelli reporta (comunicación verbal) que el virus
Norwalk que cuenta entre 20 y el 40% de la gastroenteritis aguda causada por el agua
es resistente más de 100 veces al cloro que el E.coli.
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Trabajos pasados indican que parásitos protozoarios como el Giardia Llamblia y el
Cryptosporidium Parvum son más resistentes a UV que bacterias y virus, requiriendo
una dosis UV de 80 mWs/cm2 para obtener una reducción de un log.
III.6.1.1.8 Requerimientos de dosis
Los requerimientos de dosis UV pueden ser determinados usando ya sea un aparato de
rayo colimado usado como patrón en un laboratorio o una unidad piloto de desinfección
instalada in situ.
El estándar de la Fundación Nacional de Sanidad (NSF) ANSI/NSF estándar 55- 1991
define dos estándares para sistemas UV de punto de uso (POU) y punto de entrada
(POE).
Los estándares son:
Clase A. Diseñada para desinfectar virus y bacteria a niveles seguros. Asi
mismo deben proveer una dosis de 38 µWs/cm2.
Clase B. Diseñada para desinfección suplementaria de agua pública tratada y
desinfectada. Ellas deben proveer una dosis de 16 µWs/cm2.
NSF estableció que una dosis de 16 mWs/cm2 suministraría una reducción mayor de 2
logaritmos de una bacteria heterotrópica no formadora de esporas y una dosis de 38
mWs/cm2 proveería 4 logs de remoción de virus. El estándar NSF 55 no está diseñado
para aguas de fuentes contaminadas como aguas residuales. Además, si se va a tratar
aguas superficiales, se debe usar un prefiltro para reducción de quistes.
A continuación se muestra una tabla de dosis recomendada para agencias y algunos
países.
Tabla 3.3 Dosis recomendadas y exigidas de UV.
Recomiendan y Exigen Dosis recomendada(mWs/cm
2)
Lugar aplicado
EPA (Agencia de Protección del Medio Ambiente), de los estados Unidos.
21 a 36 (requiere) para proveer respectivamente una reducción de 2 a 3 logaritmos del virus de hepatitis A.
Agencia Americana de plantas de agua potable
40(recomendado) Sistemas municipales pequeños.
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Continuación...
Estados unidos 16 (exigen) Utah, New Jersey y Pennsylvania
Estados unidos requieren cumplimiento con el Estándar ANSI/NSF 55 Clase A
Arizona, Delaware, Massachusetts, North Carolina y Wisconsin
Europa 16,30 y 25(requeridas) Noruega, Austria y Francia.
Fuente: USEPA, (1993).
III.6.1.1.9 Componentes de los equipos esterilizadores
Las lámparas germicidas
Estas funcionan a diferentes potencias variando de 10 a 50 o más watts. El diámetro es
de 15 mm y las longitudes son variadas, según la aplicación. La emisión germicida de la
lámpara disminuye gradualmente en su vida útil, debido a que el cristal se solariza
(opaca) disminuyendo la intensidad emitida.
Los rangos de vida útil de las lámparas existentes en el mercado oscilan entre 6000 hr
para el caso de las utilizadas para los acuarios hasta las 10000 hr. Para una adecuada
emisión la lámpara debe operar a 40 °C.
El Reactor y su diseño
La hidrodinámica del reactor determina el tiempo de contacto. Es importante su diseño
por que en él actúa la dosis de UV. Las variables involucradas son: el caudal, el tipo de
flujo en el reactor, los efectos de sombra y la configuración de las lámparas en el caso
de sistemas múltiples.
El material del reactor puede ser de Acero inoxidable, acero esmaltado al horno, de
plástico. Para la industria embotelladora y farmacéutica la calidad del material debe ser
en acero inoxidable 316L ó 304, soldado en ambiente inerte y con terminaciones de
grado sanitario, es decir pasivo y electro pulido, (Esp.: MIL S-5002).
En el Reactor se deben considerar, los coeficientes de absorción de la radiación de la
luz UV los cuales determinaran el grado de esterilización (González, 2001):
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* Agua potable : de 0.005 a 0.15
* Agua destilada : 0.01 aprox.
* Agua desmineralizada : 0.005
* Agua superficial : 0.3 a 0.5
Los diseños de reactores UV pueden ser clasificados ya sea como sistemas de canal
abierto (desinfección de aguas residuales), sistemas de canal cerrado sin contacto, o
sistemas de contacto en canal cerrado (desinfección de agua potable).
La camisa de cristal de cuarzo protege las lámparas de daño y en el caso de las
lámparas de baja presión, aíslan térmicamente las lámparas del agua permitiendo por
ello su operación a una temperatura óptima independientemente de la temperatura del
agua.
Cuando un reactor UV ha sido diseñado hidráulicamente para aproximarse a un reactor
UV ideal, la dosis UV administrada por el reactor puede ser calculada usando:
QVolxItxIDosisUV reactor
promedioresidencia
reactor
promedio (3.26)
Donde: el t residencia es el tiempo de residencia del reactor con un volumen efectivo, Vol,
pasando un flujo de agua Q. El volumen efectivo dentro del reactor es el volumen de
agua expuesta a la luz UV y la intensidad promedio dentro del reactor es calculada para
el volumen efectivo. La dosis UV calculada usando la intensidad promedio es a menudo
mayor que la dosis calculada usando la intensidad medida en la pared del reactor.
III.6.1.1.10 La luz ultravioleta ofrece seguridad en la desinfección
La luz UV elimina completamente la presencia infecciosa de virus, bacterias, hongos,
etc. Los virus y bacterias tan peligrosas como: hepatitis, cólera, influenza, E coli, Hanta
y staphylococus son esterilizados por la luz UV, impidiendo replicarse.
Factores que afectan la Administración de la Dosis UV
Los factores operativos que impactan la administración de dosis por un reactor UV a los
microbios incluyen el suministro de electricidad, envejecimiento de la lámpara,
incrustación de la camisa de cuarzo, los aspectos hidráulicos del reactor, absorbencia
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de UV por el agua, temperatura del agua y la localización de los microbios dentro de la
particulata.
El envejecimiento de la lámpara puede ser atribuible a fallas de electrodos (apagado y
encendido), solarización de la cobertura de la lámpara e impregnación de mercurio
dentro de la envoltura de la lámpara (Phillips, 1983). El ensuciado de la camisa de
cuarzo debido a la acumulación de incrustaciones inorgánicas (cuando esta operando)
y biopelículas orgánicas (Blatchley et al, 1993).
Según Lupal, (2001) la efectividad de la UV en la eliminación de contaminación
microbiológica depende de las cualidades físicas de la alimentación de agua.
Los parámetros más importantes a considerar en el uso de un sistema de UV son:
Sólidos suspendidos. Causan un problema en que los microbios se esconden tras la
coraza de los sólidos así pueden pasar a través de los esterilizadores sin tener una
penetración directa de la UV.
Fierro manganeso. Causan incrustaciones en el tubo de cuarzo a niveles bajos de 0.03
ppm de fierro y 0.05 ppm de manganeso.
Calcio y magnesio. Su dureza permite la incrustación en la lámpara o en el tubo de
cuarzo, este problema se hace notar especialmente a bajos flujos cuando estos se unen
a los carbonatos y sulfatos para formar la incrustación dentro de la cámara del
esterilizador y en la lámpara o tubo de cuarzo.
Otros compuestos absorbentes como el ácido húmico o fúmico así como las taninas
reducen la cantidad de energía ultravioleta para que penetre a través del agua y afecte
el material genético.
Con aguas potables tratadas, los compuestos que absorben UV resultan a menudo en
una transmitancia UV de 70 a 98% a 254nm sobre una distancia de 1 cm.
La temperatura del agua puede tener un impacto directo sobre la energía UV de salida
y la transmisión de calor de la lámpara al agua circundante dependerá del diseño de la
camisa de cuarzo.
La dosis administrada a los microbios en el agua variará dependiendo si estos están
presentes como células individuales (más susceptibles a la desinfección) o encerrados
dentro de particulados; por lo que su inactivación de particulados dependerá del tamaño
de partícula, estructura, y composición.
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Los modelos actuales constan de partes o medidores de partículas para cuantificar su
presencia de particulados en agua potable. Mediciones de Sólidos Suspendidos Totales
(SST) y turbiedad entre otros.
III.6.1.1.11 Desinfección de agua potable
En el agua de pozo, la tierra actúa como un biofiltro masivo reduciendo la concentración
de COA(carbón orgánico asimilable) y filtrando quistes de protozoa, bacterias y virus.
En el caso de agua subterránea que no esté bajo la influencia de agua superficial, la
desinfección UV puede ser usada directamente sobre el agua con mínimo pre-
tratamiento.
Una posible preocupación es la presencia de iones inorgánicos que pudiesen contribuir
a la formación de incrustaciones sobre las camisas de las lámparas. En el caso de
aguas superficiales, la presencia de quistes de protozoarios, SST, y niveles mayores de
COA tiene que ser tomada en consideración. Mientras que dosis más elevadas de cloro
pueden ser usadas para inactivar quistes de Giardia, el cloro es inefectivo contra
Cryptosporidium. La filtración ofrece la solución más práctica para la remoción de
quistes protozoarios y la remoción de SST. Al aplicar UV para inactivar bacteria
patogénica y virus, se deben usar cloraminas o control de COA para proteger el sistema
de distribución de crecimiento microbiano.
III.6.1.1.12 Operación y mantenimiento
Las unidades de desinfección UV deben ser ubicadas para facilitar acceso fácil para
fines de mantenimiento. Los operarios deben poder calibrar los sensores de
supervisión, revisar los dispositivos contrafalla, limpiar camisas de lámpara,
inspeccionar y limpiar superficies internas del reactor, examinar sellos, reemplazar
lámparas viejas, y supervisar la calidad del agua. Se debe efectuar el llenado de la
unidad UV de desinfección y del sistema de distribución usando un desinfectante
químico antes del arranque del sistema UV y siempre que se necesite en el futuro.
Se debe tener un suministro adecuado de piezas de repuesto incluyendo por lo menos
una lámpara, camisa y balasto para facilitar el mantenimiento.
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III.6.1.1.13 Subproductos de desinfección
La habilidad de la luz UV de promover reacciones fotoquímicas sirve de base a dos
tecnologías UV del medio ambiente: Desinfección UV y oxidación avanzada. La
oxidación avanzada usa la energía de la luz UV sola o en combinación con oxidantes
que se agregan para promover la destrucción de químicos orgánicos peligrosos. Sin
embargo, la oxidación avanzada usa una dosis mayor que la utilizada para desinfección
UV para obtener resultados prácticos de oxidación con una amplia variedad de
compuestos orgánicos.
Varios estudios indican que la UV genera subproductos pero Kool (1985) y Kruithof y
van der Leer (1990) confirman que de la desinfección UV no resulta la formación de
subproductos mutagénicos o carcinogénicos ni causa la descomposición por oxidación
de polímeros microbianos con base de azúcar. A diferencia de cloro y ozono (Rice et al,
1991; Akhlaq et al, 1990).
La radiación UV bajo 240nm puede promover la conversión de nitrato a nitrito.
Groocock (1984) reportó una conversión de 1% de nitrato a nitrito durante la
desinfección de agua potable usando UV. En síntesis la formación de subproductos de
desinfección durante la desinfección de agua potable es despreciable y no se ha podido
determinar un nivel medible de incremento en la toxicidad del agua atribuible a
subproductos de la desinfección por UV.
III.6.1.1.14 Costos de desinfección UV
El rango de precios de los equipos de desinfección UV varían ampliamente, de US$300
a más de US$1000 dependiendo del caudal y marca. Aproximadamente dos tercios de
los equipos UV son adquiridos a través de contratista; 19% directo del fabricante y 14%
a través de distribuidor o terceros. Dado que el costo del equipo es una parte
importante del costo de capital, se estima que el costo de capital sea el costo del equipo
más 20% (USEPA, 1996).
Los mayores costos de operación y mantenimiento incluyen costo de repuestos, costo
de energía y mano de obra.
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III.6.1.1.15 Aplicaciones de la UV
La tecnología UV actualmente se usa en un conjunto extenso de aplicaciones
desde la protección básica de agua potable doméstica debido a un pozo
contaminado hasta un tratamiento final para enjuagues de limpieza de partes
electrónicas libre de gérmenes.
Para González, (2001) las aplicaciones de esterilizar el agua son:
Procesos industriales tales como: bebidas, laboratorios, etc, donde se requiere
agua sin presencia de cloro y libre de gérmenes patógenos.
Uso domiciliario donde existe peligro de contaminación microbiólogica y no se
desea agregar químicos.
Para esterilizar las aguas que emiten las plantas de tratamiento de Aguas
Servidas.
III.6.1.1.16 Ventajas de la UV
Las principales ventajas de usar luz ultravioleta se citan a continuación:
El mantenimiento es muy simple, pues solo necesita un reemplazo anual de la
lámpara y limpieza de tubo de cuarzo de vez en cuando. Dependiendo de la
calidad del agua, la limpieza no puede ser necesaria.
Proceso de tratamiento inmediato, ninguna necesidad de tanques de retensión.
Sumamente económico, centenares de galones pueden tratarse por centavos de
costos de operación.
A diferencia de los desinfectantes químicos, UV no le agrega químicos tóxicos al
agua potable ni promueve la formación de subproductos mutagénicos ni
carcinogénicos. Por lo que no hay ningún cambio en el olor, pH o en la
conductividad, y tampoco en la química general del agua.
Destruye en más de 99.9 % los microorganismos (González, 2001).
Es más efectivo que el cloro contra los virus.
Compatible con todos los demás procesos de tratamiento de agua, como con
filtración ósmosis inversa, intercambio iónico.
Los rayos UV no causan corrosión.
De fácil instalación, solamente dos conexiones en la tubería del agua y una
electrónica.
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III.6.1.1.17 Recomendaciones de seguridad
La luz UV bien aplicada no presenta riesgos. Los peligros son solo para los operadores
del montaje y de mantención de los equipos o de las lámparas.
En el caso de los Materiales. La luz UV de onda corta (UV-C) destiñe los colores
y altera la superficie y composición de muchos materiales.
En el caso de los seres humanos y animales. La exposición directa y prolongada o
exposiciones a altas intensidades de luz ultravioleta pueden causar conjuntivitis
(inflamación de la membrana externa de los ojos), luego Cataratas, y por ultimo
ceguera. Adema, produce un enrojecimiento o incluso quemaduras de la piel.
Se debe tener cuidado que la luz ultravioleta no entre a los ojos por los lados, ni
tampoco que se refleje desde la parte de atrás de los anteojos hacia adentro de los
ojos.
Es bueno recordar que cuando las concentraciones de energía ultravioleta germicida
son especialmente altas, la protección de las manos y brazos se hace necesaria. La
ropa y los guantes proveen una adecuada protección.
La máxima exposición sin protección es de 0.5 µW/ cm2 de 2.537 °A de energía en un
período de 7 horas. Equivale a una lámpara de 30 watts durante un minuto y a 46 cm
de distancia o en una hora a 3.60 metros de distancia.
III.6.1.1.18 Criterios para seleccionar la luz UV
A continuación se muestran algunos criterios que se deben tomar en cuenta en el
momento de decidir que tipo de tratamiento utilizar en la desinfección de su agua.
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Tabla.3.4. Comparación de los tres medios más utilizados para la desinfección del
agua.
Operación / Condición Luz Ultravioleta Cloro Hipoclorito Ozono
Costo de capital Medio Medio Alto
Costo de operación El más bajo Bajo Medio
Instalación Simple Simple Compleja
Mantención
Dificultad Fácil Moderada Difícil
Costo Bajo Medio Medio
Eficiencia Excelente Medio Excelente
Claridad requerida en el agua Alta Baja Media
Efecto germicida Alto Medio Alto
Peligro para los operadores Medio (ojos, piel) Medio (ojos, piel) Medio (oxidante)
Productos químicos tóxicos No Si Si
Efecto residual No Si Alguno
Efecto en el agua subproductos
Ninguno Trihalometanos Organoclorados
Sub-productos tóxicos
Problemas operativos Bajo Bajo - Medio Medio
Tiempo de contacto 1 - 5 seg. 30 - 40 min. 5 - 10 min.
Fuente: (http://www.biolight.cl/html/faq-uv.html)
III.6.1.1.19 Guía de instalación
Según Aguamarket, (2000) considera que para el tratamiento con UV, el diseñador del
sistema de tratamiento de agua, normalmente no se tiene que preocupar del cálculo de
la dosis requerida. Esto lo determina el fabricante del equipo UV en el diseño de su
equipo. Los niveles de dosificación los establece el fabricante para las diversa
velocidades de flujo y calidad de agua.
Las únicas variables de dimensionamiénto en que se debe interesar el diseñador del
sistema, tiene que ver con la velocidad del flujo y la calidad de transición lumínica del
agua. La calidad de la transmisión generalmente se indica como Coeficiente de
Absorción.
Como precaución se debe instalar un regulador de flujo en cualquier esterilizador para
asegurarse que sé esta alimentando el flujo recomendado por el fabricante.
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El esterilizador UV debe de ser el último punto de tratamiento. Cualquier pretratamiento
debe instalarse antes de la UV. Si el agua de alimentación contiene Giardia Lamblia, se
puede usar una medida de filtración mecánica alterno, antes de la UV.
III.6.1.2 Osmosis Inversa
III.6.1.2.1 Generalidades
Este es un método utilizado a partir de la segunda Guerra Mundial para desalinizar el
agua de mar. Desde entonces se han venido perfeccionando las membranas, a la vez
que han bajado su precio, al grado de que ahora se producen, no solo para quitar la sal
del agua de mar, sino como equipos caseros de purificación del agua. Actualmente se
pueden conseguir equipos de ósmosis Inversa que pueden proporcionar desde 5 a mas
de 500 litros diarios.
III.6.1.2.2 Antecedentes científicos
Los primeros estudios sobre la ósmosis o como se le llamó entonces proceso osmótico
se desarrollan en los principios de la medicina, la biología, la fisiología.
La ósmosis se basa en la teoría de soluciones y a pesar de que Graham (1805 – 1869)
fue el padre de los estudios y experimentos sobre el flujo de difusión de un gas a través
de un tapón poroso, en estos años está apareciendo el concepto de hacer pasar
substancias a través de una membrana semipermeable, sin consumo de energía
exterior.
Fick (1829–901) quien planteándose los experimentos de Graham dijo que: ―la
presencia de un flujo de difusión es debida a una diferencia de concentraciones. Tanto
Gram como Fick explicaban el fenómeno de manera descriptiva y cuantitativa pero no
eran capaces de aclarar ―él porque‖.
En 1748 Nollet (1700 – 1770), profesor de la Universidad de Navarra experimento con
una membrana realizada a partir de la pared de la vejiga de un animal (cerdo)
colocando alcohol a un lado y agua al otro y comprobó que el agua fluía de un lado a
otro para mezclarse con el alcohol pero el proceso contrario nunca se producía.
En el siglo XVIII Nollet ya descubrió la existencia de ―membranas semipermeables‖ y
definió el proceso osmótica que permitía el paso de una de los componentes de una
solución pero no el de otros, manejando los términos de solvente (sustancia que es
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capaz de atravesar la membrana), soluto (la que no puede fluir sobre ella). Pero no fue
capaz de explicar por que ocurría este fenómeno.
Él médico Henri Dutrochet (1776 – 1847) quien realiza el descubrimiento del fenómeno
osmótico a través de membranas semipermeables.
Pfeffer (1845 – 1920), consolidó las bases en el empleo de membranas sintéticas en
sus estudios que realizaba sobre fotosíntesis.
En 1958 se dió una explicación racional de la Osmosis por Kedem y Katchalsky.
Agua Crystalinn, (2002), dice que el proceso de Osmosis Inversa fue desarrollada hace
unos cuarenta años, como proceso industrial y en grandes plantas de desalación de
agua de mar. En los procesos industriales se emplean presiones muy elevadas (desde
200 hasta 800 Ibs /in2) para separar los sólidos disueltos.
A mediados de la década de 1950 los trabajos del Dr. Sourirajan y otros de la
Universidad de los Ángeles, adelantaron la tecnología de OI, hasta el punto que
pudieron fabricarse membranas artificiales.
III.6.1.2.3 Descripción del proceso
Según Medina (1999) la tecnología de la osmosis inversa se basa en el proceso de
ósmosis, que es un fenómeno natural que se produce en las células de los seres vivos,
por el cual dos soluciones de distinta concentración salina puesta en contacto a través
de una membrana semipermeable tienden a igualar sus concentraciones.
Para ello se produce un movimiento desde la solución más diluida hacia la más
concentrada, que se detiene cuando se alcanza un equilibrio entre ambas
concentraciones. La fuerza que provoca ese movimiento se conoce como presión
osmótica y está relacionada con la concentración de sales en el interior de ambas
soluciones. El proceso queda esquematizado en las figuras 3.9 y 3.10.
Cuando dos soluciones de diferente concentración o salinidad están colocadas en dos
recipientes separados por una pared impermeable, cada una de ellas alcanza el
depósito correspondiente una altura que es función únicamente del volumen de la
solución y del diámetro del depósito. Si igualamos la altura de las soluciones en los dos
recipientes, tendríamos la figura 3.9.a.
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Si sustituimos la citada pared por una membrana semipermeable (permeable al agua,
no a las sales) se produce un movimiento a través de la membrana desde la solución
más diluida a la más concentrada,(ver figura 3.9.b) que se detiene cuando se alcanza
un desnivel entre ambos tubos, h que corresponde a la presión osmótica de la
solución más concentrada, o más propiamente a la diferencia de presiones osmóticas
entre ambas soluciones.
Este valor h es la presión diferencial que impulsa el agua a través de la membrana. Si
invertimos el proceso aplicando una presión en el tubo de la solución más concentrada,
figura 3.9.a, el movimiento se produce desde ésta hacia la más diluida.
Finalmente se alcanza una posición de equilibrio como en de la figura 3.9.-b. La altura
que alcanza la solución en el nuevo equilibrio es función de la presión aplicada, de las
características de la membrana y de las concentraciones de ambas soluciones.
Cheremisinoff (1995) define a la ósmosis como el transporte espontáneo de un líquido
diluido a una solución más concentrada, cruzando una membrana ideal semipermeable,
dejando pasar el solvente (agua) pero no los sólidos disueltos (soluto).
Fig.3.9.-a Fig.3.9.-b
Figura 3.9 Principios del proceso de ósmosis.
III.6.1.2.4 Presión osmótica
González y Martínez, (2000) mencionan que la presión osmótica es la diferencia de
energía potencial entre las soluciones de cada lado de la membrana semipermeable, y
la presión neta de trabajo es la diferencia hidrostática total menos la contrapresión
ejercida por la presión osmótica. Esta presión es la se tiene que vencer para que haya
caudal de agua.
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Los datos de Pfeffer, indicaron que la presión osmótica es proporcional a la
concentración y temperatura absoluta. Van’t Of. Observo que la presión osmótica, °
varia con la concentración y temperatura de la misma forma que un gas ideal.
Para el agua:
RtV
ñ
m
(3.27)
Donde: ñ = numero de moles de soluto; Vm = volumen molar del agua; R = Constante
universal de los gases; t = Temperatura absoluta.
Para la Presión Osmótica:
MT )273(12.1 (3.28)
= presión osmótica, psi; T = Temperatura, °C; M = Suma de moles de compuestos
iónicos y no iónicos.
Cheremisinoff (1995), define la presión osmótica como una propiedad de una solución,
que incrementa con la concentración.
Según Deming (1981) la presión osmótica en soluciones diluidas también se puede
calcular de la siguiente manera:
P= 0.0821 CT (3.29)
Donde:
P = presión osmótica; C = concentración;T = Temperatura.
III.6.1.2.5 Osmosis inversa
Según García (2002) la ósmosis inversa es el proceso de filtrado de baja presión(mayor
a la presión osmótica) a través de membranas semipermeables. En el cual el agua y las
Sustancias disueltas se mueven de las áreas de mayor concentración de sólidos a las
áreas de menor concentración. Esto se hace forzando el agua con mayores
concentraciones de sólidos a que pase hacia el otro lado que solo tiene agua pura, es
por esto que es el único filtro de membrana semipermeable que elimina prácticamente
todos los sólidos en suspensión o en solución (ver figura 3.10).
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El objetivo de la ósmosis inversa es obtener agua purificada partiendo de un caudal de
agua que esta impura o salada, el proceso inicia aplicando presión al caudal que tiene
mayores concentraciones de sales para forzar un caudal menor de agua pura.
Figura. 3.10 Fenómeno de ósmosis inversa.
Para Medina, (1999) la osmosis inversa no es necesario vencer la presión osmótica de
la solución de alimentación, sino sólo la diferencia de presión osmótica entre las
soluciones de alimentación y producto. Esta presión depende del flujo de agua a través
de la membrana y cambia de cero hasta un límite dado por las características de la
membrana. Por tal los elementos fundamentales para poder reproducir este fenómeno a
escala lo constituye la bomba necesaria para aplicar la presión y la membrana capaz de
realizar la separación de sales, para lo cual esta debe reunir una serie de
características:
Debe ser capaz de resistir las presiones a que se va a someter la solución.
Suficientemente permeable al agua para que el flujo que proporcione sea
elevado.
Rechazar un % de sales elevados para que el producto sea de buena calidad.
III.6.1.2.6 Funcionamiento de la ósmosis inversa
La osmosis inversa es un proceso sensible a temperatura y funciona con presión para
que reduzca en el agua la cantidad de sólidos disueltos mediante la separación a través
de una membrana de osmosis inversa. Esta membrana a medida de electroquímica
rechaza iones mientras no le impida cruzar el agua. (Martínez y Gonzáles, 2000).
Stanley E. Manahan, (1994) si el espesor de la sorción de agua en la capa es del
diámetro del poro para una separación óptima será de 2d que depende sobre el
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espesor de la sorción de la capa de agua y puede ser varias veces el diámetro de
soluto y moléculas solventes.
Gonzáles y Martínez, (2000) para que el agua pase a través de las membranas, se
requiere una bomba de alta presión para proveer energía de tal manera que a mayor
presión mayor producción de agua o ―permeado‖. Un restrictor de flujo o una válvula de
concentrado puesta en la línea hace que la presión force el permeado con poros del
orden de 5 a 20 amgstrons. Es tan reducido el diámetro de estos poros, que sustancias
con peso molecular de 200, son retenidos o filtrados por esta membrana osmótica. A la
porción de agua que no pasa a través de la membrana y que contiene la mayoría de las
sales y otros contaminantes se le llama ―concentrado‖. Y al porcentaje de agua
purificada sobre el total de agua alimentada se le llama ―Recuperación‖.
III.6.1.2.7 Diferencia entre ósmosis y otros procesos de membrana
Los tres aspectos que marcan claramente la diferencia son:
En la filtración todo el caudal atraviesa el elemento separador, que impide
únicamente el paso de partículas sólidas de un determinado tamaño. En la ósmosis
inversa en cambio, solo una parte del caudal de alimentación atraviesa la
membrana.
En la ósmosis inversa no se produce la acumulación del material separado sobre la
superficie de la membrana, pues precisamente el rechazo produce el arrastre de
dicho material.
En la filtración el flujo de agua a tratar es perpendicular a la membrana, mientras
que en la ósmosis es paralelo a ella.
En la electrodiálisis son los iones que constituyen las sales los que abandonan el
agua, atraídos por electrodos de distinta carga. Además que la fuerza en éste es el
potencial eléctrico.
III.6.1.2.8 Teorías de la ósmosis
Según Medina, (1999) la membrana de ósmosis debe ser capaz de efectuar las
propiedades termodinámicas de transporte del agua y de las sales, mediante fuerzas
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que no dependan en principio de los o moléculas que han de separarse. Estas fuerzas
pueden ser de rango corto como las de Van der Waals o de largo como las de Columb.
La forma en que se produce el paso de agua a través de la membrana responde a dos
teorías:
Según Sourirajan, existe un flujo convectivo de agua a través de los poros de la
membrana, que se produce en dos etapas:
En la primera el agua es absorbida preferencialemente sobre la superficie de la
membrana.
En la segunda esta capa con el agua absorbida es drenada a través de los poros
en la membrana.
Según este modelo, el tamaño molecular de los materiales del agua de alimentación
juega un importante papel en la determinación de su rechazo por la membrana.
La teoría alternativa propuesta por Merten parte de que la membrana no tiene poros y
por tanto el flujo convectivo no puede existir.
En su lugar se disuelve en la capa superficial de la membrana y después se difunde a
través de una capa sin poros de la misma.
En este segundo modelo el rechazo es función de la solubilidad relativa del soluto del
solvente. Ambos modelos predicen con bastante exactitud el flujo neto de agua, que
desciende al aumentar la presión osmótica a causa de la acumulación de solutos cerca
de la superficie.
III.6.1.2.9 Ecuaciones fundamentales
EL proceso de osmosis queda enmarcada por una serie de ecuaciones que definen o
aclaran los distintos aspectos que deben conocerse.
Si partimos de los flujos o caudales que se generan en el proceso podemos distinguir:
- Flujo o caudal de alimentación, que es el que se pretende desalar: Fa.
- Flujo o caudal de producto, al que se le han eliminado o reducido las sales: Fp.
- Flujo o caudal de concentración (rechazo), que arrastra las sales que han sido
separadas por la membrana y que se depositarían sobre ella: Fr.
La relación entre las citadas magnitudes es:
Fa = Fp + Fr (3.30)
Del mismo modelo tendríamos las concentraciones del agua de alimentación, Ca,
producto, Cp; y rechazo, Cr, relacionados también entre si mediante:
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Ca. Fa = Cp.Fp+Cr.Fr (3.31)
A partir de aquí se consideran las dos ecuaciones principales que hacen referencia a la
membrana que son:
Fa = A(Pm -m) (3.32)
Siendo:
Fa = el caudal de agua que atraviesa la membrana en l/m2/hora.
A = coeficiente de transporte de la membrana en l/m2/hora atm. Este valor
depende de varios factores como el espesor de la membrana, la temperatura, o
la composición química de la solución
Pm = Presión diferencial a través de la membrana en atm, o kg/cm2.
m= presión osmótica diferencial a ambos lados de la membrana, en atm o kg/
cm2.
Ecuaciones del transporte de sales
Fs = Ks. (Ca-Cp) (3.33)
Donde:
Fs = flujo de sales, en g/cm2/seg.
Ks = coeficiente de transporte de sales en cm/seg.
Ca =concentración de sales en el agua de alimentación en g/cm3
Cp = concentración de sales en el agua producto, en g/cm3.
La polarización aumenta la concentración de sales en el agua de alimentación, Ca, a
medida que el caudal avanza a lo largo de la membrana. Por tanto aumenta el flujo de
sales Fs y hace empeorar la calidad del producto. En esta ecuación se ve que no existe
dependencia directa entre la presión y el flujo de sales; es decir, al aumentar la presión
no mejora el transporte de sales, ni el rechazo de sales.
Rechazo de Sales
RS(%) = (1-Cp/Ca)x100 (3.34)
Es el parámetro más importante de la membrana y se basa en le proceso de fabricación
y en los polímeros que forman la membrana. Este valor varía para los distintos iones.
Los iones trivalentes, por ejemplo, son rechazados mejor que los divalentes y estos a
su vez mejor que los monovalentes. El sílice coloidal es también rechazado en % muy
elevado.
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Paso de Sales
PS(%) = Cp/Cax100; Por tanto también RS = 100-PS (3.35)
La determinación de estos parámetros se hace en condiciones especificas por cada
fabricante auque suelen estandarizarse en cuanto a presión, temperatura, salinidad del
agua preparada artificialmente.
Recuperación
Es el porcentaje de producto que se obtiene a partir de un determinado volumen de
agua de alimentación:
R (%) = Fp/Fa x100 (3.36)
Fp y Fa medidos en las mismas unidades, m3/hora o m3 /día.
En las membranas espirales, la recuperación no suele ser superior de 12 -15 % si se
trata de agua salobre y del 10 % en caso de agua de mar. En las membranas de fibra
hueca, dicho factor se eleva hasta el 85 %.
Concentración del producto
Cp = (1- Rs).(Ca+Cr)/2 (3.37)
Concertación del rechazo
Cr = RS-Ca/(1-R) (3.38)
Este es un parámetro importante en el diseño, para establecer la forma de eliminación
de un caudal, que según los casos puede ser importante y potencialmente
contaminante.
Proporción (ratio) de reducción
Ca/Cp = 1/(1-RS) (3.39)
Este es un factor indicativo de la calidad de la membrana y sobre todo permite ver
claramente la diferencia entre unas y otras.
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Según Martines y González, (2000) de una manera más general la difusión a través de
la membrana se fundamenta en la ley de Fick, la cual postula que en el transporte de
solvente y soluto, el flujo molar de cada uno es proporcional al gradiente químico.
Así se tiene que para el transporte del agua:
)(.1 oaw PPKPQ (3.40)
Para el transporte de soluto:
rsCKQ 2 . (3.41)
Siendo que: Ks / Ka (P-Po). (1-R)/R
Donde:
Q1 = Transporte del agua pura; Q2 = Flujo del soluto; Pw = Densidad del agua; Ka =
Constante de membrana al agua pura en m/seg; Ks = constante de membrana a la
solución salina en m/seg; P= Diferencia de Presión osmótica; R= Rechazo de
membrana al soluto; Cr= Diferencia de concentración salina en cada lado de la
membrana.
III.6.1.2.10 Membranas de ósmosis y módulos de ósmosis
En la naturaleza existen materiales semipermeables (membranas de animales y
vegetales) que se han usado como el colodión, celofanes, el vidrio poroso, vidrio
finamente molido y precipitados inorgánicos como ferrocianuro de cobre y fosfato de
zinc y uranio. La desventaja de estos es que producen grietas por lo que tienen corta
duración y una baja uniformidad de producción.
Cheremisinoff, (1995) menciona que las membranas de OI son capaces de remover
hasta 90% de los sólidos disueltos en agua como pueden ser: materia orgánica,
bacterias, nitratos, calcio, magnesio, arsénico, plomo, mercurio, plaguicidas y muchas
otras impurezas. Que no pueden ser removidas con los filtros de arena o de cartucho,
pero no son costeables cuando los sólidos disueltos son bajos.
Las Membrana de OI se construyen básicamente con Acetato de Celulosa (usadas
industrialmente) y Poliamida, esta última permite la separación de las substancias tanto
orgánicas como inorgánicas con tamaños entre 1 y 10 A. Figura .3.11.
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Figura 3.11 Membranas construidas con poliamida. Fuente: ( http://www.hidrotec.es/nueva/osmosis/MIX.htm)
Sourirajan, Agrava, y Loeb, desarrollan la técnica para la preparación de membranas de
acetato de celulosa con permeabilidades elevadas y un gran rendimiento a la
separación de solutos a partir de soluciones acuosas de ClNa.
Según García (2002) las membranas de OI se comercializan con las diferentes
configuraciones:
Tubular. Consiste en largos tubos porosos con longitud que oscila entre 1.5 a 3 m y con
diámetros entre 0.5 y 1 in, los cuales llevan, concentricamente, en su interior la
membrana. El agua bruta se hace circular por el interior, recogiéndose el agua
permeada entre la pared exterior de la membrana y la interior del tubo contenedor. La
desventaja es que es muy voluminosa en relación con su capacidad productiva.
Figura 3.12 Proceso de membrana tubular. Fuente:Garcia, (2002)
Fibra Hueca. Construida por miles de fibras huecas (tubos capilares) formando un haz en
el interior del contenedor y cuyos extremos se insertan en un soporte de resina epoxi(le
da rigidez). El diámetro exterior de estos capilares oscila entre las 60 y 80 micras para
la poliamida y 200 a 300 micras para el acetato. El agua es obligada a pasar a través de
la pared del capilar de espesor aproximado de 20 micras.
Las primeras fibras que se desarrollaron de este tipo sefun Medina (1999) eran de
acetato de celulosa y producían un caudal muy pequeño. Más tarde se redujo el tamaño
y se empaqueto en poco espacio, dentro de un tubo cilíndrico que constituye la carcasa
protectora y permite la circulación de la solución. Este tubo es de material plástico
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PRFCV que evita la corrosión. El agua a tratar entra por el extremo de este tubo o
carcasa y se distribuye a través de un tubo central provisto de perforaciones en
dirección hacia las paredes del tubo.
Figura 3.13 Proceso de membrana fibra hueca. Fuente:Garcia, (2002).
Espirales. Consiste en hojas de membranas que se sitúan sobre un soporte poroso y un
espaciador, ese conjunto se enrolla sobre un tubo de PVC que servirá como colector de
agua permeada. Medina,(1999) para el enrollamiento de las láminas desaladas se
dispone éstas alternadas con un separador impermeable y una malla.
La malla plástica determina los canales hidráulicos por los que circula el agua a tratar y
por forma cuadriculada garantizar un régimen de funcionamiento turbulento lo que
reduce las posibilidades de obstrucción por elementos extraños.
El separador impermeable permite aislar que el caudal que pasa por cada una de las
láminas o membranas y separarlo de la salmuera.
El enrollamiento permite introducir una superficie de membrana en un espacio reducido.
Estas dos últimas configuraciones son las que han permitido reducir el espacio ocupado
por las membranas, aumentando la capacidad del módulo y reducido su precio.
Hoy en día el 60 % de las membranas utilizadas son de este tipo.
Figura 3.14 Proceso de membrana de espirales. Fuente:Garcia, (2002).
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La razón para esta popularidad son la buena relación área membrana/volumen del
modulo y un diseño que permite ser usado en la mayoría de las aplicaciones, además
de que admite una turbiedad más de tres veces mayor que los otros sistemas y permite
trabajar con régimen turbulento.
El Comportamiento de las membranas respecto a diferentes contenidos en el
agua (García, 2002):
PH. La poliamida es estable dentro de una gama de pH de 3 a 11, pudiendo resistir
durante cortos periodos, máximo 30 minutos, un pH comprendido entre 1 y 12.
El Acetato de Celulosa al ser un éster orgánico esta sometido a hidrólisis con pH ácido
y alcalino, por lo cual la gama de trabajo óptimo se encuentra por pH entre 4 y 7.
Oxidantes. La poliamida es atacada por los oxidantes, por lo que el cloro libre superior a
0.1 ppm destruye la membrana.
El acetato de celulosa resiste la acción de oxidantes pudiendo soportar cantidades de
cloro libre del orden de 2 ppm.
Temperatura. Los rendimientos de todos los módulos están dados en unas condiciones
prefijadas de salinidad, recuperación, presión, temperatura.
Para este parámetro se considera 25 °C, favoreciendo el rendimiento, pero
generalmente las temperaturas máximas de trabajo oscilan entre los 30 °C para el
acetato y 45 °C para la poliamida.
El trabajar a temperaturas altas favorece el fenómeno de compactación que sufre la
membrana debido a la presión de trabajo, produciendo con el tiempo una disminución
de la producción.
Las sobre presiones pueden incrementar su temperatura de 1 a 2 grados.
III.6.1.2.11 Diferencias entre membranas
Dependiendo de la configuración de membranas adoptadas, también existen
diferencias en los rendimientos y operación.
Caudal. Una diferencia fundamental entre un módulo de fibra hueca y uno en espiral es
el régimen de circulación del agua por su interior, siendo este laminar para la fibra
hueca y turbulento para la espiral.
Presión de Funcionamiento. La menor permeabilidad de las membranas de fibra hueca
exige mayores presiones transmembrana para vencer la presión osmótica.
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La presión. A lo largo del tiempo produce una compactación de la membrana que a su
vez reduce el caudal y puede alcanzar hasta 25 %. El paso de agua para las
membranas produce una caída de presión o pérdidas de carga que reduce la presión
neta que se aplica a cada membrana.
Ensuciamiento. Las membranas de fibra hueca son más propensas a ensuciarse u
obstruirse que las espirales.
Zeta Corporation, (2000), el ensuciamiento de membranas es el principal problema que
afecta la operación de los sistemas de ósmosis inversa. Generalmente se previene
cuando se impide que las partículas se depositen sobre las superficies y membranas.
El ensuciamiento es producido por la alteración de la densidad de carga superficial
tanto de las partículas en el fluido como de las superficies húmedas y membranas.
El ensuciamiento suele manifestarse con un aumento en la presión de alimentación
para mantener el flujo del permeado, reducción en el flujo normalizado del permeado,
aumento en el diferencial de presión, aumento en el porcentaje de sales permeadas y
reducción del porcentaje de recuperación, reducción en la calidad del permeado.
Respecto a la limpieza, de las membranas las que ofrecen mayor facilidad en orden de
importancia son: tubulares, espirales, fibra hueca respectivamente.
Rechazo de Sales. Las membranas de fibra hueca suelen tener rechazos inferiores a las
de arrollamiento en espiral. Estas últimas con un 99.5 % de rechazo mientras que las
de fibra hueca no superan el 99.4 %.
III.6.1.2.12 Características de las membranas
Con lo referente al rechazo de iones solo actúa como un filtro para las moléculas que
tienen un peso molecular superior a 200 (Garcia, 2002).
El rechazo de bacterias de los Poros de la membrana es suficiente pequeño para que
su poder de desaparición de la bacteria, virus y pirógenos sea total, y es un método
seguro como esterilizador, para ello es preferible aplicar un tratamiento de desinfección
al agua que será a tratar, pero los virus, bacterias y otros microorganismos que llegan a
las membranas, se depositan sobre ellas y puedan proliferar.
Los compuestos orgánicos solubles de bajo peso molecular como los ácidos orgánicos
y las aminas pasan a través de las membranas en mayor proporción que los iones.
Otras sustancias que originan el color de las aguas son eliminadas en su totalidad. Las
ligninas, los ácidos húmicos y fúlvicos también.
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El rechazo al cloro. Las membranas de Acetato de Celulosa admiten dosis de Cl en
contínuo de hasta 1 ppm.
Las membranas de triacetato de celulosa son algo más resistentes. Sin embargo las
membranas de poliamida no son resistentes al cloro teniendo graduaciones. Las
membranas de arrollamiento en espiral, las de poliamida alifático son destruidas por el
cloro de forma instantánea mientras que las de poliamida aromática solo soportan muy
pequeños de 0.1 ppm en periodos breves.
III.6.1.2.13 Rendimiento de los módulos
La productividad de las membranas esta efectuada por varios factores como: la presión
de trabajo, salinidad del agua de alimentación, temperatura, tiempo de funcionamiento,
recuperación.
La fuga Iónica de una membrana, está afectada por tres factores que son la presión de
trabajo, la concentración de alimentación y la recuperación.
La capacidad de las membranas de ósmosis inversa aumenta en proporción directa con
el incremento de la valencia del soluto. Por tanto, cationes como el magnesio y calcio
(divalentes) son rechazados mas eficazmente que el sodio o potasio (monovalente).
Para mayor detalle de lo que rechazan las membranas se presentan tablas completas
sobre la eliminación de compuestos inorgánicos y orgánicos con ósmosis inversa
(Garcia, 2002).
Tabla 3.5 Porcentaje de rechazo de membranas.
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III.6.1.2.14 Colocación de las membranas
Para Medina, (1999) la producción adecuada del sistema debe colocarse por tanto los
distintos módulos en paralelo. De aquí surgen los distintos tipos de estructuras de
producción en que se colocan las membranas.
Etapa. Las unidades de producción son alimentadas desde una fuente única.
Paso. Son alimentados con los caudales de agua que salen de las membranas de la
primera etapa precisan de otra fuente de energía distinta de la anterior para recuperar
un nuevo caudal.
Simple. Este sistema es demasiado ineficiente solo se usa en instalaciones piloto,
experimentales, para la extracción de jugos o sólidos de gran valor.
Etapa de Salmuera. Es la estructura más frecuente de producción y consiste en una serie
de tubos colocados en paralelo y otros en serie, de forma que la salmuera de los
primeros es utilizada como alimentación de los segundos.
Etapas de producto. Este tipo de instalación se emplea cuando se quiere mejorar la
calidad del agua producto y para ello se pasa de nuevo por otro conjunto de
membranas, utilizando para ello una bomba independiente. Solo se aplican en zonas de
alta salinidad.
III.6.1.2.15 Usos de la ómosis ínversa
Según Cherremisinoff, (1995) debido a su gran versatilidad para eliminar las sales
disueltas (80 a 98 %) su uso se ha ampliado en varios países. La ómosis ha sido
empleada en la industria como un pretratamiento para intercambio iónico.
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La ómosis inversa para tratamiento de agua es mundialmente reconocido como un
sistema eficiente.
Con frecuencias se usan para:
Eliminar todas las sales que producen el agua dura, generando agua pura.
Tratar aguas salobres que contienen muchos sólidos en solución.
El resultado es agua de alta pureza, llamada "permeado" la cual es utilizada en una
gran variedad de procesos, tales como: manufactura de semiconductores y
componentes microelectrónicos, producción de agua purificada para bebidas para
consumo humano; farmacéuticos, medicamentos y otros productos medicinales e
industriales.
III.6.1.2.16 Ventajas de la ómosis inversa
Permite eliminar la mayoría de los sólidos (inorgánicos y orgánicos hasta un 99
%). Así como los materiales suspendidos y microorganismos.
Realiza el proceso de purificación en una sola etapa y de forma contíua.
Es una tecnología muy simple en su utilización, no requiere de mucho
mantenimiento ni personal especializado.
Su campo de aplicación es extenso y aumenta día con día.
La desventaja importante es que no son costeables cuando se emplean para filtrar agua
con pocos sólidos en suspensión y eliminar microorganismos.
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III.6.2 Métodos Químicos
III.6.2.1 Ozonización
III.6.2.1.1 Aspectos generales
Las características Generales del Ozono son:
- Peso molecular ............................................................... 48
- Temperatura de condensación ........................................ - 112 º C
- Temperatura crítica .......................................................... - 12.1 º C
- Temperatura de fusión ..................................................... - 192.5 º C
- Presión crítica .................................................................. 54 atm.
- Densidad (líquido a -182 1 °C) ......................................... 1,572 gr/cm3
- Peso del litro de gas (a 0 1 °C y 1 atm.) .......................... 2,144 gr
- Es 1.3 veces más pesado que el aire.
El ozono es un componente básico del aire limpio, puro y seco, el cual es un compuesto
alotrópico del oxígeno.
Debido a las velocidades de reacción y fuerzas impulsoras, el ozono se ha incorporado,
en diversos países desarrollados del mundo, como oxidante fuerte no sólo para
garantizar la inmunidad de las redes de agua potable respecto de eventuales
patógenos, sino por que remueve orgánicos, oxidándolos, sin generar compuestos
exógenos a la fuente de agua. Un efecto de interés es que la ozonización, en aguas
fuente con microorganismos y materia orgánica mejora el funcionamiento de las
operaciones de floculación, decantación y filtración tanto porque produce la lisis de los
microorganismos como por el efecto de cargas sobre sólidos y materia orgánica.
Ingol y Fether, (1957), han mostrado que la destrucción de las células de E. Coli con
ozono, es mucho más rápida que el cloro, una vez que se ha hecho la demanda inicial
del ozono. Weber, (1979), por su parte señala la reactividad del ozono presenta un
problema en la desinfección de aguas que contengan elevadas cargas de material
orgánico o impurezas inorgánicas oxidables. La descomposición del ozono en el agua
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presenta un nuevo problema, ya que no permite una protección a largo plazo contra el
nuevo crecimiento del organismos patógenos y/o una recontaminación y obliga a una
posterior cloración de las aguas tratadas con ozono.
A pesar de su gran efectividad no se ha usado en todo el mundo por las plantas de
tratamiento, ya que la razón es que la industria del agua siempre ha estado preocupado
por los costos y se ha tratado de proporcionar agua al costo más bajo posible (DeMers,
1996).
Desarrollo del uso de Ozono a lo largo de la Historia (Rice, 1986):
1785 Von Marum describe un color característico en una máquina electrostática
(descubridor).
1801 Cruikshank percibe el mismo olor en un ánodo.
1840 Sconbein le denomina a la sustancia ozono por la palabra griega ―Ozein‖.
1856 El ozono es utilizado para desinfectar salas de cirugía.
1857 Werner Von Siemens diseña un generador de ozono, de tipo dieléctrico,
cilíndrico, con fines industriales.
1893 Oudshoorn, se construye la primera planta en Holanda.
1906 Niza, Francia, Planta Bon Voyage, ―lugar de nacimiento de la
ozonización en una planta de tratamiento de agua‖.
1940 El ozono es instalado en Whiting, Indiana para el control del sabor y del
olor en el agua potable.
1960 El ozono fue empleado por primera vez como un agente coagulante y
microfloculante.
1970 Comienza la aceptación de las instalaciones de Ozono en Estados Unidos.
1980 Se realizan instalaciones de sistemas de Ozono en albercas, balniarios,
sistemas de calentamiento, bañeras, etc.
Las características que hacen atractivo al ozono para la purificación del agua son:
Elimina color (Holluta, 1963; O’Donovan, 1965);
Elimina gusto y olor (hopf, 1964; Schenk, 1962);
Desinfectante (Stumm, 1958);
Elimina hierro y manganeso (Hooft, 1964);
Oxida el fenol (Eisenhauer, 1968); y,
Oxida el cianuro (Khandelwal et al., 1959; Anon., 1958).
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Viresi, (2000) a su vez por razones de gusto, el agua mineral o el agua potable no debe
contener más de:
- 0.1 mg Fe+/l
- 0.05 mg Mn/l
Si los contenidos anteriores son superiores deberán eliminarse con una filtración
convencional la que disminuirá algo el hierro pero no actua sobre el manganeso, por
ello se debe realizar(Interozone, 2002):
Pre - ozonización: El objetivo principal es la optimización de procesos de
floculación - coagulación, la remoción de fierro y manganeso, y el control de
algas en el agua de la fuente.
Procesos de ozonización intermedia: Esta se produce en etapas posteriores a la
coagulación y previo a la etapa de filtrado en lechos de arena. Lo que se
pretende es la optimización de características organolépticas, ya sea olor, sabor,
color, a la precipitación de fierro y manganeso y al aumento de la
biodegradabilidad de materias orgánicas.
Procesos de post - ozonización: Esta se produce en la etapa final de tratamiento,
vale decir posterior a la filtración y previo distribución. Sus objetivos principales
son la desinfección y el control final de algas.
La oxidación del hierro tiene lugar según la siguiente reacción:
2Fe2+ + O3 + H2O = 2Fe3+ +O2 + 2OH-
Esta oxidación requiere 0.44 mg O3/mg Fe2+ y es muy rápida, sobre todo en presencia
del bióxido de carbón (CO2). La oxidación del manganeso depende mucho de la
cantidad de ozono que hay en la reacción:
2Mn2++2O3 +4H2O = 2MnO(OH)3 +2O2 +4H+
2Mn2++5O3 +3H2O = 2MnO4-+5O2 + 6H+
y las cantidades de ozono serán respectivamente:
0.88 mg O3/mg Mn
2.18 mg O3/mg Mn
Todos estos tratamientos nos garantizan un buen sabor del agua y una desinfección
bacteriológica satisfactoria. Pero está demostrado que es necesaria una
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postozonización, en algunas ocasiones se necesita un residual de 200 mg O3/ m3 de
agua para garantizar la desinfección no sólo del agua, sino del espacio de aire que
queda entre el agua y la cápsula. Esta acción se producirá por el ozono sobrante que
abandonará el agua. La experiencia nos dice que el agua embotellada tratada de esta
manera aguanta largo tiempo sin contaminación, incluso con residuales mucho
menores al indicado.
Podríamos indicar que si el agua fuese consumida con menos de tres días de
almacenamiento, al destaparla sentiremos un cierto olor a ozono pero la calidad estaría
garantizada.
Es obvio que la ozonización deberá realizarse sobre agua embotellada en vidrio o PET
resistente al ozono, ya que algunos plásticos comunican sabor al agua al soltar trazas
de materia orgánica.
III.6.2.1.2 Propiedades del ozono
a. Físicas
El ozono es un compuesto químico formado naturalmente en la atmósfera, el cual es un
gas incoloro a temperatura ambiente y con un olor muy picante, como el olor que se
puede percibir después de una tormenta eléctrica.
El umbral de percepción del sentido del olfato para el Ozono inicia aproximadamente a
0.01 ppm., Presentando un olor desagradable a concentraciones por encima del 0.1.,
Además de tener un color ligeramente azul a niveles mayores a 5 ppm (Steven,1997).
Sólo en ausencia de materia orgánica el Ozono sigue las leyes de los gases ideales, es
decir, de aquellos que no reaccionan.
b. Propiedades Químicas
Químicamente, el Ozono es una molécula triatómica, la cual pertenece a una de las
cuatro formas alotrópica del Oxígeno, siendo su símbolo químico O3, con un peso
molecular de 47.9982 g/g-mol.
El Ozono es relativamente estable en aire, con una vida media de varias horas a bajas
concentraciones, pero esta vida media cambia significativamente una vez que el Ozono
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es introducido dentro del agua, donde muchas reacciones químicas pueden suceder,
especialmente con átomos de carbono para producir principalmente CO2.
Esta forma de tres átomos de Oxígeno es relativamente inestable y altamente oxidativa
siendo el cuarto agente oxidante más agresivo conocido (detrás del F2, F2O y radicales
libres de Oxígeno), (ver Tabla 4.6).
A causa de que el Ozono es muy reactivo en un medio acuoso, este puede oxidar
material entre 10 y 1,000 veces más rápido que otros oxidantes usados en el
tratamiento del agua.
Tabla 3.6 Potenciales de oxidación.
REACTIVOS OXIDANTES POTENCIAL DE OXIDACION [V]
Fluor 3.06
Radicales Hidroxilos libres 2.80
Átomo de Oxigeno 2.42
Ozono 2.07
Permanganato 1.67
Ácido Hipobromoso 1.59
Bióxido de cloro 1.50
Ácido Hipocloroso 1.49
Cloro 1.36
Oxígeno 1.23
Bromo 1.09
Hipoclorito 0.94
Fuente: Steven,(1997)
Según Vega (1998) el Ozono es un poderoso oxidante (citoplasmático) que puede
eliminar una amplia variedad de virus, bacterias y otras toxinas, también es capaz de
oxidar Fenoles, pesticidas, residuos de industrias químicas y compuestos aromáticos
más rápida y efectivamente que el cloro, sin la producción de residuos que pueden
resultar peligrosos tanto para el medio ambiente como para la salud del hombre.
El tiempo de vida del Ozono en el agua es muy corto, por lo que no se llegan a obtener
productos indeseables en las reacciones de oxidación, situación que se presenta con el
cloro, ya que cuando se emplea dicha sustancia, se pueden producir compuestos
conocidos como Trihalometanos (THM), los cuales se sospechan son precursores del
cáncer.
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Al utilizar Ozono, el mecanismo de desinfección que se presenta, se relaciona
directamente con la siguiente reacción:
O3 O2+0-2
El Oxigeno obtenido produce una alta energía de oxidación mediante la vía del
mecanismo de radical libre. La oxidación primaria con Ozono ocurre paralelamente
cuando se realiza la transferencia de Ozono a un átomo de Oxígeno. Cuando el Ozono
es disuelto en agua, este puede reaccionar con los contaminantes mediante una de las
dos diferentes formas:
a) Reaccionando directamente con la molécula de Ozono.
b) A través de reacciones indirectas con radicales libres hidroxilos.
En soluciones fuertemente ácidas, principalmente ocurren las reacciones directas pero
por encima de 7 unidades de pH, predominan las reacciones indirectas, Steven, (1997).
III.6.2.1.3 Acciones fundamentales del ozono
De acuerdo con Savazzini, (1974) el Ozono introducido en un ambiente cualquier
realiza tres acciones fundamentales:
Acción Microbicida
Es quizás la propiedad más importante del Ozono y por lo que más aplicaciones se le
atribuyen. Estos seres vivos (microbios) permanecen muchas veces sobre todo tipo de
superficies, en todo tipo de fluidos, o bien flotan en el aire asociados a pequeñas motas
de polvo, minúsculas gotas de agua en suspensión de todo tipo de enfermedades
contagiosas, especialmente en sitios cerrados donde haya número de personas, y el
aire se renueve muy lentamente.
El Ozono debido a sus propiedades oxidantes, puede ser considerado como uno de los
agentes microbicidas más rápido y eficaz que se conoce. Su acción posee un amplio
espectro que engloba la eliminación de:
a) Bacterias (efecto Bactericida)
b) Virus (efecto viricida)
c) Hongos (efecto funguicida)
d) Esporas (efecto esporicida)
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a) Efecto Bactericida.
Es conocido que desde principios del siglo, se empezó a usar para el tratamiento de
agua. Actualmente sirve para el tratamiento de todo tipo de aguas y además se usa
directamente sobre el organismo humano con fines terapéuticos.
Una de las ventajas más importantes del Ozono, con respecto a otros bactericidas
(mata las bacterias) es que este efecto se pone de manifiesto a bajas concentraciones
(0.01 p.p.m. o menos) y durante periodos de exposición muy cortos. Incluso a
concentraciones mínimas de Ozono (del orden de 0.01 p.p.m.) es ya perfectamente
observable un efecto bacteriostático(impide su reproducción).
Según Viresi, 2000, el ozono es el desinfectante más rápido y efectivo que existe, sobre
bacterias de tipo:
a) Escherichia Coli.
b) Streptococos Faecalis.
c) Clostridium.
d) Staphylococcus Aureus, etc.
b. Efecto viricida.
Los virus son pequeñas partículas, hoy consideradas frontera entre los seres vivos y la
materia inerte, que no son capaces de vivir ni de reproducirse si no es parasitando
células a las que ocasiona su destrucción. Los virus son nocivos y provocan
enfermedades como: la gripe, el catarro, el sarampión, la viruela, varicela, rubéola,
poliomelitis, entre otras.
El ozono actúa sobre ellas oxidando las proteínas de su envoltura y modificando su
estructura tridimensional. Al ocurrir esto, el virus no puede anclarse a ninguna célula
hospedera por lo que no puede reproducirse y muere.
c. Efecto funguicida.
Los hongos provocan al hombre enfermedades y otros ocasionan alteraciones en
nuestros alimentos, haciéndolos inaceptables para su consumo como es el caso de los
mohos. El ozono les provoca un daño celular irreversible.
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d. Efecto esporicida.
Existen algunos hongos y bacterias que cuando las condiciones son adversas para su
desarrollo, fabrican una gruesa envoltura alrededor de ellas, y paralizan su actividad
metabólica, permaneciendo en estado de latencia. Cuando las condiciones para la
supervivencia vuelven a su forma normal y su metabolismo recupera su actividad.
Estas formas de resistencia se conocen como esporas y son típicas de bacterias tan
patógenas como las que provocan el tétanos, la gangrena gaseosa, el botulismo y el
ántrax.
Acción Desodorante
Esta acción se emplea generalmente en los grandes locales de uso público para el
tratamiento de ciertos olores de origen industrial. La propiedad del ozono es atacar
directamente sobre la causa (generalmente materia orgánica en suspensión) que los
provoca, y sin añadir ningún otro olor. Además el ozono puede eliminar algunos
compuestos de sulfuro, tales como el sulfuro de hidrógeno, mercaptanos o sulfuros
orgánicos, pueden con el Ozono ser oxidados a sulfatos.
Acción Oxigenante
El ozono, por su poder oxigenante, contribuye a mejorar la eficiencia de las células de
los organismos superiores en cuanto al aprovechamiento del oxígeno disponible,
mediante la estimulación de varias enzimas que intervienen en los procesos.
Destitec Servicio S. L., (2002) el ozono también realiza las siguientes acciones:
Eliminación de los Metales pesados.
El Ozono oxida los metales de transición a su estado de oxidación mas elevado (> 4
ppm), en el que ellos forman usualmente menos óxidos solubles, los cuales entonces
son fáciles de separar mediante una filtración. Algunos de estos metales son: el
arsénico (en presencia del hierro), cadmio, cromo, cobalto, cobre, plomo, manganeso,
níquel, y zinc.
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Eliminación de la Coloración
Generalmente se emplea para esta acción cuando se usan aguas superficiales las
cuales presentan normalmente una coloración producida por elementos orgánicos
naturales, tales como los ácidos húmicos, fúlvicos y tánicos. Para ello es necesario
decolorar el agua con una concentración de 2 a 4 ppm de Ozono.
III.6.2.1.4 Formas de producción del ozono
Martínez y González, (2000) mencionan que el ozono a causa de su inestabilidad, no
puede ser generado y almacenado para un uso en el futuro. Por lo que tiene que ser
generado y usado en el momento. El Ozono producido comercialmente destinado a
reacciones de oxidación, es siempre generado en forma de gas.
El Ozono puede ser formado por los siguientes mecanismos (Vega,1998):
A) Radiación Solar.
B) Electrólisis de Ácido Perclórico.
C) Exposición de Oxigeno a la Radiación Ultravioleta.
D) Corona de Descarga Eléctrica (CD).
Siendo los tres últimos métodos normalmente utilizados para la producción de Ozono,
de los cuales el método de Corona de Descarga Eléctrica (CD) es el único método
práctico para la producción a gran escala del Ozono, aunque únicamente el 10% de la
energía suministrada a un equipo generador de Ozono, es utilizado para obtener
Ozono, mientras que el resto se disipa en forma de calor, luz y ruido.
En el caso de que el ozono sea generado, por ejemplo, por radiación ultravioleta
empleando una lámpara de 185 nm, la máxima concentración de ozono obtenido en
fase gaseosa es aproximadamente de 0.1% peso (Snohomish, 1997).
La producción de ozono, mediante CD, según EDC, (1996) citado por Vega, (1998), es
capaz de producir altas concentraciones de ozono. El principio es el paso de alto
voltaje, alternando con descargas eléctricas a través de una corriente de gas que
contiene oxígeno, provoca la descomposición de las moléculas de oxígeno en oxígeno
atómico. Algunos de estos átomos liberados, pueden reordenarse de tal forma que se
produzca ozono, mientras que el resto vuelve a formar moléculas de oxígeno.
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En la Figura 3.15 muestra un diagrama simplificado de proceso para un generador de
Ozono de tubo vertical, en el cual el agua de enfriamiento está en contacto directo con
el cristal dieléctrico y empleando un electrodo aterrizado.
CORRIENTE ALTERNA
DIELÉCTRICO
AIRE ESPACIO DE OZONO
SECO DESCARGA Y
AIRE
TIERRA
EMF
REFRIGERANTE
ELECTRODO DE ALTO
VOLTAJE
REFRIGERANTE
ELECTRODO DE ALTO
VOLTAJE
Figura 3.15 Esquema de funcionamiento de un generador de ozono. (DEL INDUSTRIES, 1997).
Los electrones son acelerados a través de un intervalo de aire, de tal forma que se le
proporciona la suficiente energía para romper el doble enlace oxígeno-oxígeno,
produciéndose oxígeno atómico. Los átomos de oxígeno que fueron producidos por la
reacción de colisión, reaccionan con otras moléculas de oxígeno biatómicas, para
formar ozono de acuerdo a la siguiente ecuación (Steven, 1997):
3O2 + Energía ----- > 2O3
La cantidad de ozono producido es dependiente de varios factores, como son el voltaje
y la frecuencia de corriente alterna aplicada a las celdas de CD.
La generación de ozono por Corona de Descarga Eléctrica (CD), es una reacción físico-
térmica exotérmica, donde mucha de la energía usada para la generación de ozono es
perdida en forma de calor, por lo tanto la eficiencia de enfriamiento (generalmente
agua) es un factor importante en el diseño del generador.
En contraste, cuando el ozono es generado por Corona de Descarga Eléctrica, se
observa lo siguiente (Steven, 1997):
A) Usando aire ambiental (el aire es aspirado), se obtiene una concentración de ozono
en el rango de 0.15 y 1.0% en peso.
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B) Empleando aire seco con un punto de rocio de -45 °C. a -65 °C., se pueden obtener
concentraciones entre 1.0 y 3.0% en peso.
C) Utilizando oxígeno como gas de alimentación (de cilindros o a partir de un
concentrador de 02), se logran concentraciones entre 4.0 y 8.0 % peso.
Cuando se emplea aire ambiental generalmente este contiene humedad y
concentración arriba del 80 % de nitrógeno. Tal situación genera los siguientes
problemas:
1.- Reacciones con el ozono, lo que reduce la producción de ozono por Kw-hr de
energía eléctrica aplicada.
2.- Formación de ácido nítrico y/u óxidos nítricos (los cuales pueden crear olores
desagradables), dando como resultado severa corrosión de algunos componentes del
generador como equipos conductores de flujo o partes eléctricas y electrónicas
localizadas en las áreas de descarga.
Por estas razones se recomienda emplear preferentemente aire seco u oxígeno como
gas de alimentación, el cual produce el doble o triple cantidad de ozono por Kw-hr, que
el aire seco.
Desde su producción el ozono es altamente reactivo, siendo su vida media corta, por lo
que se dificulta su almacenamiento y su transporte. Como consecuencia el ozono es
siempre generado en el mismo sitio de la aplicación para su inmediato uso (Vega,1998).
Descripción de un Generador básico de ozono.
La generación de ozono es lograda por el paso de una corriente alterna con alto voltaje
(6 a 20 kV) a través de un espacio de descarga de un dieléletrico, en el cual se inyecta
aire (ver Figura 3.16). Como el aire es expuesto a la electricidad, las moléculas de
oxígeno se disocian y forman átomos simples de oxígeno, algunos de los cuales se
combinan con otras moléculas de oxígeno y forman ozono. Existen dos diferentes
configuraciones dieléctricas, en placas planas y tubos concéntricos (mayor facilidad
para el mantenimiento) (RGF,1997).
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ELECTRODO
METALICO
GENERADOR GAS
DE (O2 O AIRE)
CORRIENTE DIELÉCTRICO
A.C
ELECTRÓDO
METÁLICO
SECCIÓN A-A
Figura 3.16 Esquema básico de un generador de ozono de tubos concéntricos (www. Rgf.com).
Para optimizar el rendimiento de ozono, deben de prevalecer las siguientes condiciones
(RGF, 1997):
a) Mantener una presión de operación razonable alrededor de 10 a 15 psi para la
mayoría de las aplicaciones.
b) Se debe de usar un material dieléctrico delgado y con una alta constante dieléctrica.
El único material práctico con estas propiedades es alguna variedad de vidrio.
d) La disipación de calor debe ser lo más eficiente que sea posible, ya que la
descomposición del ozono es proporcional con la temperatura.
El voltaje requerido para una eficiente generación de ozono es dependiente de la
frecuencia suministrada a las celdas de generación y al espacio entre el electrodo
activo y el aislador eléctrico.
La mayoría de los generadores de ozono operan a baja frecuencia (50 ó 60 Hz.). Para
estos generadores de ozono, es comun emplear voltajes entre 12 y 20 kV (Steven,
1997).
Los generadores de ozono de baja frecuencia son generalmente bastante silenciosos y
viables, sin embargo, los diseños mas modernos utilizan una frecuencia media arriba de
1,000 Hz, ofreciendo muchas ventajas técnicas y operacionales (AZCO, 1997).
Según Vega (1998) los generadores de ozono de media frecuencia generan mayores
beneficios ya que se puede controlar el voltaje, el tipo de corriente y por lo tanto la
producción de ozono.
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Un sistema típico de producción de ozono por Corona de Descarga Eléctrica, consiste
de cuatro componentes fundamentales (Steven,1997):
1. Unidad de preparación de aire o producción de oxígeno.
2. Generador de Descarga de Corona.
3. Difusor de ozono.
4. Sistema destructor de ozono residual.
En la Figura 3.17. Se muestra el diagrama de flujo de un generador de Ozono típico de
tubos verticales (Steven, 1997).
Figura 3.17 Diagrama simplificado de un generador de ozono.
1. Compresor de aire. 9. Válvula de Alivio de Presión
2. Receptor de Aire. 10. Rotámetro de Flujo de Aire.
3. Prefiltro. 11. Chaqueta de Agua de Enfriamiento.
4.Refrigerante. 12. Unidad Generadora de Ozono.
5.Filtro Soldado de 0.01 u 13.Tubo Dieléctrico.
6.Desecador de Aire (-70°C) 14. Electrodo de Alto voltaje.
7.Filtro para polvos. 15. AL difusor de Ozono.
8.Válvula de Control de flujo. 16. Agua de Enfriamiento empleada como electrodo Aterrizado.
17. Transmisor de alto voltaje. 18. Señal de Control de 4 – 20 Ma.
19. Regulador de Voltaje/ Frecuencia 20. Suministro de 415 V y 50 Hz.
DESECHO DESECHO
AIRE SECO FILTRADO (-70 °c PTO DE ROCÍO)
AGUA DE
ENFRIAMIENTO
AGUA DE
ENFRIAMIENTO
A
I
R
E
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1. Preparación del Aire
La preparación del aire es crítica para la eficiencia y confiable operación de los
generadores de ozono vía CD. La humedad y las partículas de materia tienen un efecto
perjudicial en los electrodos de las celdas de generación y sobre el material dieléctrico,
además de que un aire seco es critico para la exitosa generación de ozono. Si se
emplea oxígeno por razones económicas, el oxígeno no convertido en ozono es
reciclado, una vez seco, al proceso.
2. Solubilidad del Ozono
El ozono es parcialmente soluble en agua. De acuerdo con la Ley de Henry, la
eficiencia de disolución de un gas específico en una fase acuosa está basada en la
presión parcial del gas en particular en el flujo total del gas, así como en la temperatura
de ésta.
Como es de esperarse, la solubilidad del ozono decrece conforme se incrementa la
temperatura del agua. Sin embargo, como una consecuencia de la Ley de Henry, la
solubilidad del ozono se incrementa con los incrementos de la concentración de ozono
en la corriente gaseosa. En aplicaciones prácticas, el ozono no tiene el suficiente
tiempo de contacto para alcanzar las condiciones de equilibrio, resultando menores
niveles de solubilidad que los mostrados en la Tabla 3.7.
Tabla 3.7 Solubilidad del ozono en el agua.
Concentración de Ozono (% Peso)
SOLUBILIDAD DEL OZONO [mg/L]
A 5 °C A 10°C A 15°C A 20°C A 25°C A 30°C
0.001 0.007 0.007 0.006 0.005 0.004 0.003
0.1 0.74 0.65 0.55 0.42 0.35 0.27
1.0 7.39 6.50 5.60 4.29 3.53 2.70
1.5 11.09 9.75 8.40 6.43 5.29 4.04
2.0 14.79 13.00 11.19 8.57 7.05 5.39
3.0 22.18 19.50 16.79 12.86 10.58 8.09
Fuente: Steven, (1997).
3. Difusión del Ozono en el Agua.
Considerando la relativa baja concentración de ozono producido en la corriente del
generador, junto con la limitada solubilidad del ozono gaseoso, el método de difusión
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del ozono en el agua es de gran importancia. Comúnmente se utilizan difusores de
burbuja fina e inyectores de alta eficiencia ambos resultan prácticos, efectivos y
económicos.
a. Difusores de Burbuja
Los sistemas de difusores de burbuja fina y tanques de contacto son muy usados
debido a su habilidad para operar sin energía adicional, aparte de la compresión inicial
del gas.
Fig. 3.18 Sistemas de tanques de contacto de ozono con difusores de burbuja fina. La última cámara todavía debe tener una concentración de ozono de 0.1 ppm (Deininger, 2000).
Algunas de las ventajas y desventajas de este tipo de difusión de burbujas son
resumidas a continuación (DEL, 1996):
Ventajas
Se alcanzan altas eficiencias (>90%), no obstante esto requiere de múltiples puntos de
inyección, profundas cámaras de contacto y frecuentemente reciclado de gas residual.
Las eficiencias elevadas de difusión no se alcanzan normalmente con tanques de
contacto de paso sencillo o de doble etapa.
El sistema puede ser diseñado para permitir bajas caidas de presión hidráulica a través
de los tanques.
Desventajas
El método de difusión requiere de profundos tanques de contacto para la efectiva
transferencia de ozono (5-7 metros) a obstrucción de los difusores es posible,
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particularmente cuando el flujo de agua y las dosis de ozono son intermitentes, o
cuando se desea la oxidación de hierro (Fe) y manganeso (Mn).
Es posible la formación de canalizamiento vertical de las burbujas, lo que representa un
efecto negativo en el contacto gas/líquido.
b. Inyector de Alta Eficiencia.
De acuerdo a los estudios de Steven (1997) el inyector puede proporcionar altas
eficiencias de difusión (> 95), no obstante requiere de energía adicional para producir
un vació parcial. Con este diseño el ozono disuelto se mezcla eficientemente con el
cuerpo principal, colocando tanques de contacto para lograr la mayor eficiencia en el
tratamiento del agua (ver figura 3.19).
Ventajas
Dependiendo del tiempo de retención deseado, la profundidad y el volumen del
tanque de contacto/reacción puede ser frecuentemente menores a los requeridos
por los de difusión de burbuja.
Este tipo de sistemas de difusión pueden ser adaptados a cualquier diseño
hidráulico de planta.
Correctamente diseñados, los contraflujos o vórtices de los mezcladores
estáticos proporcionan bajas caídas de presión hidráulicas a la planta.
Desventajas
Se requiere de energía eléctrica adicional para una operación eficiente del
inyector de vació. Estos sistemas no tienen una buena aceptación debido a su
limitada capacidad, del dispositivo de inyección.
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Figura 3.19 Métodos de difusión de ozono por inyección.
Sin importar el método de difusión del azono en el Agua (Martínez y González, 2000)
indican que los rendimientos de ozono dependerán de los factores siguientes:
1. Geometría y tipo de ozonizador (placa o tubo),
2. Tipo de gas portador (aire u oxigeno),
3. Temperatura,
4. Caudal del gas,
5. Voltaje aplicado,
6. Humedad del gas.
Teóricamente pueden producirse 1058 g de ozono por KW-hr de energía eléctrica. Y en
la mayor parte de los generadores industriales se obtiene un rendimiento de 150 g/KW-
hr, debido a la elevada disipación del calor.
Purschrl, (1982), indica que para generar 4 g de ozono se requiere de un m3 de aire y
una descarga eléctrica de corriente de 8 000 a 20 000.
Por otra parte Martinez y González (2000) señalan que normalmente se requiere de 10
g O3 /m3 aire para obtener 1 g O3/m
3 es decir; 100 lts de aire ozonizado por cada m3 de
agua.
A. Difusión en línea.
B. Inyección.
A.
B
Tanque de contacto
Bomba impulsora de inyección
Inyección de O3
Tanque de contacto
Gas residual
Difusor de Burbuja
Agua
tratada.
Destructor de Ozono
Alimentación de Agua
Válvula de
desfogue de
gas residual
Mezclador estático
Tanque de contacto
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4. Destrucción del Ozono Residual.
El gas liberado de los contactores de ozono generalmente excede el límite establecido
por la Ocupation Safety and Health Administration (administración de la Seguridad y
Salud Ocupacional, HOSHA) de 0.1 ppm por volumen y consiguientemente el ozono
restante se tiene que reciclar o destruir (Demers, 1996).
La destrucción más simple consiste en la Reacción con Carbón Activado Granular
(CAG). El material empleado es carbón elemental el cual ha sido activado con vapor,
presentándose la siguiente reacción.
6C + 2O3 ----------- > 3CO2 + 3CO
Entonces como el carbón es un poderoso agente reductor, en contacto con el ozono
gaseoso, el carbón es oxidado a monóxido de carbono y bióxido de carbono, resultando
la destrucción de la molécula de ozono. Para las instalaciones donde el oxígeno se
emplea como gas de alimentación, los destructores de ozono por carbón no deben ser
empleados, debido a los peligros de combustión y explosión (Navarro, 1999).
III.6.2.1.5 Ozono vs. cloro
Aunque el cloro es el agente más usado en la desinfección del agua potable, Viresi
(2000) indica que el uso del ozono para este menester ha sido contínuo en Francia
durante los últimos cien años, y posteriormente se ha extendido a Alemania, Holanda,
Suiza y otros países de Europa, y más recientemente en Canadá y EE.UU.
Con el uso del cloro se tiene la formación de compuestos indeseables en las aguas
como:
1) Si las aguas a tratar contienen nitrógeno orgánico o amoniaco libre, se forman
cloraminas que producen olores en el agua y posiblemente sean agentes
cancerígenos.
2) Si las aguas contienen pequeñas cantidades de fenoles se forman, por adición de
cloro los denominados clorofenoles que producen en el agua olores y sabores
medicamentosos tan desagradables, que a concentración de 0,01 mg/l la hacen
inaceptable para el consumo.
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3) Si el agua es portadora de materia orgánica adecuada, habrá formación de
componentes clorados tales como los PCB'S (bifenilos policlorados) que tienen un
probado carácter cancerígeno, y cada vez son más frecuentes.
4) Formación de los trihalometanos (THM) en aguas potables al ser tratadas con
cloro. Estos son compuestos orgánicos potencialmente cancerígenos.
VVeennttaajjaass ddeell OOzzoonnoo vvss CClloorroo eenn llaa ddeessttrruucccciióónn ddee bbaacctteerriiaass yy vviirruuss::
Bringman observó que 0,1 mg/l de cloro requiere 4 horas para eliminar
6x104 células de E. Coli en agua, mientras que 0,1 mg/l de ozono necesita
únicamente 5 segundos.
Kessel encontró que para desinfectar un agua que contiene virus de la
poliomielitis con 1 mg/l de cloro se necesitaban 2 horas, y con sólo 0,05 mg/l
de ozono bastaban únicamente 2 minutos.
El ozono tiene un poder de desinfección de 300 a 3000 veces más rápido que el cloro
(Viresi, 2000).
A continuación se muestra una tabla con la comparación del uso de ozono y cloro en la
potabilización del agua.
Tabla 3.8 Propiedades del ozono durante el empleo en aguas para potabilizar.
Comparación de la acción del cloro y del ozono en la potabilización de las aguas
ACCIÓN CLORO OZONO
Olor Desagradable en el agua Ninguno
Sabor Desagradable en el agua Ninguno
Color Hacia el amarillo Incoloro
Poder oxidante Bueno Inferior sólo al flúor
Actividad antiviral Prácticamente ninguna Elevada
Actividad antibacteriana Muy variable de especie a especie
Capacidad de actividad antibacteriana muy elevada
Actividad destructiva contra los helmintos Leve Elevada
Actividad destructiva contra algas y protozoos Leve Elevada
Actividad destructiva contra hongos Leve Elevada
Actividad destructiva contra esporas y quistes Leve Elevada
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Continuación...
Actividad destructiva contra micro-contaminadores: hidrocarburos, fenoles, detergentes, sustancias colorantes, pesticidas
Desde ninguna a leve Elevada
Actividad contra moléculas orgánicas desagradables: olor y sabor
Ninguna Elevada
Mecanismo reacción producción intermedia Oxidación indirecta con producción de cloro fenoles ...
Oxidación directa con oxigenación del agua
Fuente: (http://www.chilnet.cl/interozone/Tratam~1.htm)
III.6.2.1.6 Ventajas y desventajas
InterOzone, (2002) el uso del ozono es uno de los esterilizantes más eficaces que
existen para aguas tratadas o naturales de mediana y buena calidad, ya que actúa
como agente bactericida, viricida y alguicida.
Frente a los inconvenientes del cloro, el ozono no forma productos que pueden
considerarse como cancerígenos ni produce sabores u olores al agua, sino que elimina
las posibilidades carcinógenas y elimina los sabores del agua, Gray (1999).
Agua Crystalinn, (2002), usualmente el ozono se aplica al agua justo antes de
envasarse como paso final de tratamiento, de manera que en el sellado del producto
estéril, en el envase todavía hay un residual de ozono, lo cual desaparece en cuestión
aproximada de una hora.
Ventajas.
Elimina el color causado por el hierro o manganeso o la materia carbonosa,
los sabores y olores debido a la presencia de materia orgánica.
Reduce la turbiedad, el contenido en sólidos en suspensión y las demanda
química (DQO) y biológica (DBO) de oxígeno.
Si no hay posterior recontaminación, el ozono residual es suficiente para
efectuar una desinfección común.
El ozono disuelto en agua no irrita la piel, nariz u oídos, además que no
reseca o deja una película de químicos sobre la piel. Ya que puede ser
detectado por el hombre mucho antes de que llegue al estado tóxico.
No produce en el agua aumento en el contenido de sales inorgánicas ni
subproductos nocivos (no afecta el balance del pH).
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El agua ozonizada puede utilizarse para el enjuague final de envases como
medida adicional de protección del producto terminado. Además protege
contra reinfección del agua por envase o el tapón.
No requiere de manejo de productos químicos.
Desventajas.
Altos costo en: los equipos, operación (energía eléctrica
El ozono realiza una desinfección solo si se ha realizado una buena
depuración y clarificación del agua.
Puede formar otros subproductos perjudiciales, entre los que destacan los
bromatos y aldehídos.
Las razones por las que no se ha utilizado el ozono en los EE.UU., para el
suministro de agua pública, ha sido el costo de inversión del equipo y el
hecho de que se proporciona una protección contra los contaminantes y se
debe utilizar una cloración Weber, (1979).
Puede formar óxido nítrico ó ácido nítrico, que causaran corrosiones en los
equipos.
III.6.2.1.7 Factores ambientales y de seguridad
En la siguiente tabla se muestran los niveles seguros de ozono más comunes y los
limites establecidos por diferentes agencias.
Tabla 3.9 Rango de ozono permisible.
O.3 (PPM) Observaciones
0.11 (100 pts. IMECA) Límite establecido para la calidad del aire en México, en una hora una vez al año, en un periodo de tres años.
0.121 Límite establecido por la Enviromental Protection Agency (EPA) para la calidad del aire ambiental en las ciudades.
0.10 Límite para exposiciones por 8 horas sin efectos colaterales establecidos por la American Conference of Governmental Industrial Hygienists.
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Continuación.
0.05 Limite para generadores de ozono clasificados como aparatos médicos establecido por la Food Drug Administration (FDA).También se usa un valor limite de ozono para precipitadores electrostáticos (Underwriters Laboratory).
0.03-0.06 Valor frecuentemente medido en las Ciudades.
0.01-0.015 Umbral de percepción olfativa para la mayoría de la gente.
0.005-0.01 Valor medido en aire fresco de campo.
Fuente: Sutton y Del Industries, (1993).
Al ser el ozono un oxidante fuerte, puede producir trastornos en los tejidos humanos y
particularmente en los ojos y pulmones. Por lo que para evitar esos problemas se han
establecido unos limites para los ambientes de trabajo que se exponen en la tabla 3.10.
Tabla 3.10 Tiempo de exposición del hombre, en ciertos niveles de concentración de ozono.
LIMITE EXPOSICIÓN
0,01 - 0,05 ppm
1 ppm
3 ppm
0,1 ppm
Olor detectable
8 minutos
15 minutos
8 minutos
Fuente: (http://www.aguapotable.netfirms.com.com/ozoniz2.html).
III.6.2.1.8 Aplicaciones
Tanto el cloro como el ozono son oxidantes, la desinfección utilizando cloro se lleva a
cabo por la oxidación de los grupos aminoácidos de las células bacteriales y de las
cápsulas proteínicas de los virus. Y el mecanismo de desinfección del ozono es la
oxidación citoplasmática completa de los virus y bacterias.
El ozono tiene una eficiencia rápida para desactivar los virus. Bajo condiciones
controladas el 99 % de los polivirus, pueden ser destruidos con 0.1 mg/l de ozono
residual en 10s. La misma concentración de cloruros requiere de 10 min.
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A continuación se entrega un listado con los campos de aplicación del ozono más
comunes:
Potabilización del agua.
Tratamiento de aguas residuales.
Aire al interior de edificios
Desinfección de agua en la
industria embotelladora (agua de
proceso y lavado de envases).
Acuicultura
Conservación de productos.
Plantas faenadoras y
procesadoras de carnes.
Procesado de verduras.
Invernaderos.
Agua ultrapura.
Criaderos de animales (control
microbiológico y de olores).
Piscinas comerciales
Uso del ozono en la industria embotelladora
El agua a ser empleada en la formulación de bebidas y otros productos, una vez
purificada, es dosificada con ozono hasta obtener los niveles residuales requeridos para
su completa desinfección. En el caso del agua purificada que será envasada sin
gasificar, el mantener un residual de ozono en el momento de su envasado, permite
que las botellas y las tapas estén libres de microorganismos. Incluso después de
muchos años de almacenaje, esta agua tendrá el mismo sabor tan fresco como el
primer día en el que fue envasada. Los procedimientos para alcanzar estos objetivos
son simples y fáciles de obtener en las condiciones normales de trabajo. El agua
ozonificada es empleada para el enjuague de botellas, a fin de asegurar la ausencia de
microorganismos previo al envasado (Bio Light, 2002).
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III.6.2.2 Cloración
III.6.2.2.1 Aspectos generales
En 1846, el doctor Ignaz Semmelweis instituyó un procedimiento de desinfección que
requería que los médicos se lavasen con jabón y agua de cloro. Uno de los primeros
usos conocidos del cloro para la desinfección del agua se dio en 1854, cuando el Dr.
John Snow intentó desinfectar el abastecimiento de agua de bombas de la calle Broad
en Londres después de un brote de cólera (Keith, 2001).
La filtración y la desinfección con cloro del agua potable han sido responsables del 50%
de aumento de la expectativa de vida en los países desarrollados durante el siglo XX.
El principal objetivo de la cloración es la destrucción de gérmenes, dado su gran poder
bactericida, pero no debe olvidarse que su elevado poder oxidante origina otros efectos
también muy importantes, como pueden ser la contribución a la eliminación del hierro y
manganeso, eliminación de sulfhídrico, sulfuros y otras sustancias reductoras,
reducción de sabores existentes antes de la cloración o bien producidos por los
compuestos de adición formados por el cloro, impedir el crecimiento de algas y otros
microorganismos que interfieren en el proceso de coagulación-floculación y filtración,
mantener los lechos filtrantes libres de posibles crecimientos de bacterias anaerobias,
reducción del color orgánico, etc. (netfirms, 2000).
III.6.2.2.2 Factores que influyen en la cloración
Naturaleza, concentración y distribución de los organismos que se van a
destruir, concentración y distribución de la sustancia desinfectante y de los
productos de su reacción con el agua, además de las sustancias disueltas o en
suspensión presente en el agua.
Naturaleza y temperatura del agua objeto del tratamiento.
Tiempo de contacto entre el cloro y el agua.
pH del agua.
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La exposición del cloro parece causar alteraciones físicas, químicas y bioquímicas en la
pared de la célula. Por lo tanto, destruye la barrera protectora de la célula, con lo que
concluyen las funciones vitales y da lugar a la muerte del microorganismo. (sitio Web
Scientific American, 1998 citado por Keith, (2001)
A partir de 0.1 a 0.2 ppm de cloro libre residual en el agua, ya se percibe sabor,
percibiéndose antes cuanto mayor sea la dureza y temperatura del agua (netfirms,
2000).
En agua con presencia de sustancias orgánicas, la acción desinfectante del cloro es
menor. Las bacterias y virus pueden quedar protegidos de la acción del cloro por los
sólidos suspendidos en el agua; de aquí que la eficacia de la cloración se vea
aumentada mediante la subsiguiente filtración y una posterior esterilización.
Respecto a la temperatura, la eficacia de cloración aumenta al aumentar aquélla,
naturalmente siempre que las demás condiciones permanezcan invariables.
El tiempo de contacto es otro factor importante a tener en cuenta, ya que durante este
tiempo tienen lugar las reacciones entre el cloro y el agua y las sustancias en ella
presentes. El tiempo de contacto mínimo suficiente para una cloración eficaz es, a su
vez, función de la temperatura, pH, concentración y naturaleza de los organismos y
sustancias presentes en el agua, así como de la concentración y estado en que se halle
el cloro. Como mínimo, el tiempo de contacto deber de ser de diez a quince minutos
(netfirms, 2000).
Para que la acción de un desinfectante sea eficaz, hay que mantener una determinada
concentración del desinfectante durante un período de tiempo, es decir, la expresión de
C. t., representaría la concentración del desinfectante final en mg/l (C) durante el tiempo
mínimo de exposición en minutos (t). La expresión que nos muestra el efecto de la
concentración del desinfectante sobre la velocidad de destrucción de bacterias, se
expresa más correctamente por Cn. t = Constante (netfirms, 2000). El exponente n para
el cloro varía entre 0.5 y 1.5, dependiendo de la temperatura y del pH.
El pH juega un papel de suma importancia, el poder bactericida del cloro es menor para
un pH superior a 7, que para otros valores de pH más bajos a éste (netfirms, 2000).
III.6.2.2.3 Reacciones del cloro en el agua
Al reaccionar el cloro con el agua, que son reacciones de hidrólisis, se originan ácidos
hipocloroso y clorhídrico:
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Cl2 + H2O ClOH + ClH
El ácido clorhídrico es neutralizado por la alcalinidad del agua y el ácido hipocloroso se
ioniza, descomponiéndose en iónes hidrógeno e iónes hipoclorito:
ClOH H+ + ClO -
La constante de ionización del anterior equilibrio es:
Ki
ClOH
ClOH
(3.42)
Tabla 3.11 La constante de ionización Ki varía con la temperatura.
Temperatura °C
0 5 10 15 20 25
Moles / l Ki 1.5* 10 -8
1.5*10 -8
2.0*10-8
2.2*10 -8
2.5*10-8
2.7*10-8
Fuente: netfirms, (2000).
La constante de hidrólisis de la reacción (1) es de tal orden que no existe en el agua una
concentración apreciable de Cl2 a no ser que la concentración de H+ sea elevada, es
decir, que el pH del agua sea bajo, menor de 3, y haya una concentración total de
cloruros mayor de 1 mg / l.
A las temperaturas ordinarias del agua, la hidrólisis del cloro es prácticamente completa
en algunos segundos y la ionización del ácido hipocloroso es una reacción reversible
instantánea. El sentido de esta reacción, es fácil ver que se encuentra dirigido por la
concentración de iónes hidrógeno, es decir del pH. Por tanto, se puede decir que según
sea el pH del agua, se obtendrán unos porcentajes diversos de ClOH y CIO-,
porcentajes que pueden calcularse mediante la ecuación 3.42 y la tabla anterior en la
que figuran los valores de Ki partiendo de la relación:
ClOH
ClO
ClOClOH
ClOH1/1 (3.43)
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Y deduciendo de la ecuación 3.42:
H
Ki
ClOH
ClO
sustituyendo en 3.43, resulta:
H
Ki
ClOClOH
ClOH1/1
III.6.2.2.4 Demanda de cloro
Al incorporar el cloro al agua, reacciona con las sustancias que ésta contiene,
quedando menos cloro en disposición de actuar como desinfectante. Entre estas
sustancias destacan el manganeso, hierro, nitritos, sulfhídrico y diferentes materias
orgánicas, las cuales, además de consumir cloro, producen compuestos orgánicos
clorados que pueden ser la causa de olores y sabores desagradables. Otra sustancia
presente, a veces, en el agua y que reacciona de una forma muy particular con el cloro
es el amoníaco. En este caso se forman compuestos denominados cloraminas, las
cuales poseen poder desinfectante, aunque en menor grado que el cloro (netfirms,
2000).
Una vez formados los diversos derivados orgánicos del cloro y las cloraminas, llegan a
destruirse mediante la adición de más cloro, formándose otros compuestos que no
suministran cloro residual. Cuando se han destruido estos compuestos clorados,
comienza a aparecer el cloro residual libre, y a medida que se añade cloro al agua
aumenta la concentración de cloro residual libre, pudiendo subsistir a la vez una pequeña
concentración de cloro residual combinado, debido a compuestos que no han sido
destruidos totalmente. Se considera que cuando el 85 % ó más del cloro residual del
agua está en forma libre, la desinfección se ha realizado al breakpoint (netfirms, 2000).
El control perfecto de la desinfección, se efectúa mediante los correspondientes
exámenes bacteriológicos del agua, pero para un control más rápido del contenido en
cloro libre y combinado de un agua tratada, se determina la concentración de cloro
residual mediante el método del DPD, o bien por yodometría y valoración con tiosulfato
sódico; también en instalaciones importantes suelen emplearse instrumentos
automáticos de medida permanente, mediante determinaciones colorimétricas o
determinaciones amperométricas (netfirms, 2000).
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III.6.2.2.5 Cloro residual en la red de distribución
El consumo de cloro en el agua de una red de distribución se debe, por una parte, al
consumo del cloro por la propia agua (sustancias presentes en ella y otras condiciones
físicas) y por otra, al consumo que se produce en la interfase con las paredes de las
conducciones (netfirms, 2000).
Para un agua correctamente pretratada, se debe mantener una concentración de cloro
en el tiempo (C. t.) del orden de 15 mg. min. /l. A título de ejemplo comparativo, se
muestran valores C. t. para diversos desinfectantes (netfirm, 2000):
Cloro = 15 (0.25 mg/l. durante 60 minutos)
Ozono = 1.6 (0.40 mg/l. durante 4 minutos)
ClO2 = 10 (0.30 mg/l. durante 33 minutos)
Monocloramina = 100 (0.80 mg/l. durante 120 minutos)
III.6.2.2.6 Desinfectantes con contenido de cloro
Cloraminas. En este proceso se agrega amoníaco y compuestos de cloro a una planta
de filtración de agua. Cuando se controla adecuadamente, la mezcla forma cloraminas.
Éstas se usan comúnmente para mantener un residuo en el tratamiento de distribución
del sistema posterior con un desinfectante más potente, como el cloro libre (White, 1986
citado por Keith, 2001).
Dióxido de cloro (ClO2). El dióxido de cloro se genera en las instalaciones de
tratamiento de agua. La popularidad del dióxido de cloro como un desinfectante de
agua aumentó en los años setenta cuando se descubrió que no promovió la formación
de THM (White, 1986 citado por Keith, 2001). Los iónes clorito y clorato pueden
formarse significativamente por desdoblamiento del ácido cloroso en aguas débilmente
alcalinas. Holluta y Haberer (1977) citados por González y Martínez (2000), han
indicado que al eliminar los compuestos clorofenólicos, que producen gusto por el
dióxido de cloro se forman cloroquímicos.
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III.6.2.2.7 Elección del desinfectante residual
Tabla 3.12 Desinfectantes de agua potable a simple vista.
Desinfectantes Eficacia de desinfección
Mantenimiento de residuos
Estado de información en la
química del subproducto
Remoción de colores
Remoción de olores comunes
Cloro Bueno Bueno Adecuado Bueno Bueno
Cloraminas Pobre Bueno Limitado Inadmisible Pobre
Dióxido de cloro
Bueno Inadmisible Adecuado Bueno Bueno
Ozono Excelente Inadmisible Limitado Excelente Excelente
Radiación Ultravioleta
Acertado Inadmisible Nulo N/A N/A
Fuente: Trussell, R. Rhodes, Control Stategy 1: Alternative Oxidants and Disinfectants. (1991)
citado por Keith, (2001).
Aunque no hay un desinfectante perfecto, el más adecuado y la cantidad a aplicar
dependerá de las condiciones y circunstancias locales que al fin nos lleve a disponer de
un agua con el más bajo olor y sabor al desinfectante y subproductos derivados de él, a
la vez que se consiga la mayor efectividad de desinfección (netfirms, 2000).
III.6.2.2.8 Equipos de cloración
En condiciones normales de temperatura y presión el cloro es un gas de color amarillo
verdoso de olor penetrante. Es extremadamente reactivo, por lo que en la naturaleza no
lo encontramos en estado puro sino combinado, formando mayoritariamente sales
metálicas, de las cuales la más abundante es el cloruro sódico. El cloro se obtiene en el
proceso de electrólisis de la sal (clorosur, 1999).
El cloro que se emplea en las instalaciones de cloración, en estaciones de tratamiento,
suele suministrarlo la industria en botellones de 50 kilogramos y tanques o bidones de
1000 kilogramos, en los cuales el cloro está a presión en fase líquida en equilibrio con
la parte gaseosa (netfirms, 2000).
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Los cloradores o clorómetros, a donde llega el cloro gas que sale de los evaporadores
(o directamente procedente de los contenedores en el caso de pequeñas instalaciones,
que no requieren evaporador), regulan la cantidad de cloro a dosificar. El principio de
funcionamiento de los cloradores se basa en la transmisión del vacío creado por la
circulación de agua a través de un inyector a una válvula diferencial, que mantiene una
presión diferencial constante en un regulador de caudal, con válvula de orificio de
sección variable, para regular el caudal. Por su parte, el cloro a presión llega a una
válvula reguladora de presión, hasta quedar a una presión inferior a la atmosférica, y de
aquí a un rotámetro para medir el caudal. El cloro pasa a la válvula de presión
diferencial y a continuación al inyector, donde se mezcla con una corriente de agua
auxiliar, obteniéndose un agua fuertemente concentrada (entre 1 y 3 gr/l) que es la que
se envía al agua objeto de la cloración (netfirms, 2000).
Conocidas las concentraciones de Fe, Mn, nitrito, amonio y DQO-Mn se puede estimar
aproximadamente la dosis de cloro requerida por un agua. En el orden práctico, según
netfirms (2000) aguas brutas de buena calidad suelen presentar demandas de cloro
inferiores a 4 - 5 g/m3, aguas de calidad media (contenidos moderados de Fe, amonio y
DQO-Mn) requieren hasta 10 - 12 g/m3, mientras aguas de mala calidad exhiben
demandas de cloro superiores a 20 g/m3.
III.6.2.2.9 Protección de la salud pública
Los agentes patógenos transmitidos por el agua que causan las enfermedades se
agrupan en tres clases generales: bacterias, virus y protozoos parasitarios, cada una
con diversas especies identificadas. Las bacterias y virus contaminan las aguas
superficiales y las subterráneas, mientras que los protozoos parasitarios aparecen
predominantemente en el agua superficial (Tardiff, 1993 citado por Keith, 2001).
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Tabla 3.13 Agentes patógenos transmitidos por el agua.
Bacterias Virus Protozoos
Campylobacter Escherichia coli Salmonella (no tifoidea) Shigella Yersinia Vibrio (no cólera) Salmonella (tifoidea) Vibrio (cólera) Legionella
Norwalk-like
Entero (poliomielitis, coxsackie,
echo, rotavirus)
Hepatitis A Rotavirus
Cryptosporidium parvum Giardia lamblia Entamoeba histolytica
Las bacterias y protozoos generalmente inducen a trastornos gastrointestinales con una
intensidad muy variable. Las bacterias también causan enfermedades potencialmente
mortales como tifoidea y cólera. Los virus causan graves enfermedades como la
meningitis aséptica, encefalitis, poliomielitis, hepatitis, miocarditis y diabetes (Payment,
1993 citado por Keith, 2001). Además, los trastornos gastrointestinales pueden
atribuirse a microorganismos no identificados o no especificados
Según la Organización Mundial de la Salud, la desinfección con cloro es aún la mejor
garantía del agua microbiológicamente potable (Oficina Regional de la OMS para
Europa, Drinking Water Disinfection), citado por Keith 2001.
III.6.2.2.10 Subproductos de desinfección
Un informe publicado en 1994 por la Sociedad Internacional de Legislación de
Toxicología y Farmacología declaró que "la reducción de la mortalidad debido a
enfermedades infecciosas transmitidas por agua, atribuida en gran parte a la cloración
de abastecimientos de agua potable, parece exceder cualquier riesgo de cáncer teórico
(tan bajo como 0) presentado por las cantidades de minutos de productos químicos
orgánicos clorados que se encontraron en las aguas potables desinfectadas con cloro"
(Coulston y Kolbye, 1994 citado por Keith 2001).
Uno de los mejores métodos para controlar los subproductos de desinfección (SPD) de
cualquier proceso de desinfección es eliminar los precursores orgánicos antes de la
desinfección. Otros métodos convencionales incluyen el cambio del punto de cloración,
usando cloramina en el sistema de distribución y disminuyendo la tasa de alimentación
Tesis Profesional
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de cloro, aunque esto pueda conducir a aumentos inadmisibles del riesgo microbiano.
Un informe del Comité de Calidad del Agua de la American Water Works Association
(AWWA) identificó procedimientos eficaces para reducir la formación de trihalometanos
(THM) de la siguiente manera (AWWA, 1991 citado por Keith 2001):
Coagulación y clarificación. La mayoría de las plantas de tratamiento optimizan su
proceso de coagulación para remover la turbiedad (partículas). Sin embargo, se pueden
optimizar los procesos de coagulación para remover naturalmente las sustancias
orgánicas. Los precursores se eliminan cuando el alumbre o sales de hierro se usan
como coagulantes para el control de turbiedad. La remoción adicional de precursores se
logra generalmente al reducir el pH antes de o durante el agregado de estos
coagulantes.
Adsorción. Los procesos de adsorción se han usado con éxito en algunas aplicaciones
para extraer el material de desinfección del precursor del subproducto. El carbono
activado puede proporcionar adsorción. Se ha realizado una significativa investigación
para determinar la capacidad disponible de carbono activado para las sustancias
orgánicas disueltas y para los micro-contaminantes específicos. Tanto el carbono
activado granular como el carbono activado en polvo cumplen esta función.
Tecnología de membrana. Las membranas se han usado desde hace mucho para
desalmar las aguas salobres. El proceso usa la presión hidráulica para forzar al líquido
a pasar a través de una membrana semipermeable. Se ha demostrado que con esta
tecnología se remueven con éxito los precursores de THM. En el informe de la AWWA
se señala que los procedimientos de la membrana "eliminan efectivamente los
precursores del producto finalizado (agua potable), lo que la convierte en una opción
prometedora para el control futuro de THM y otros subproductos de desinfección".
Tesis Profesional
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IIVV.. MMaatteerriiaalleess yy MMééttooddooss
IIVV..11 LLooccaalliizzaacciióónn GGeeooggrrááffiiccaa
La Universidad Autónoma Chapingo, se encuentra a 38.5 Km. de la Ciudad de México,
dentro de las coordenadas geográficas 19°29’ 05‖ latitud norte, 98°53’11‖ longitud oeste
y una altitud de 2240 msnm.
El Campus cuenta con una Preparatoria Agrícola (única en su tipo), 21 especialidades
de nivel licenciatura, doce Departamentos y 11 posgrados.
IIVV..22 CClliimmaa
Se presenta un clima templado semiseco con lluvias en verano ―C(w0)‖, la temperatura
media anuales es de 15 °C con una media máxima de 37 °C y una media mínima de 11
°C, con una precipitación media anual mayor a 800 mm.
IIVV..33 EEssttuuddiioo ddee MMeerrccaaddoo
IV.3.1 Perspectiva de las Aguas Embotelladas
La guerra de las aguas embotelladas es ya un hecho en México. Miles de empresas
purificadoras, ―pseudo-purificadoras‖ o simples ―llenadoras‖, saturan el mercado
nacional y ofrecen sus productos al mejor postor, convirtiéndose en una supuesta
alternativa al sistema de agua potable. Sin embargo, cerca del 85% de estos negocios
no cuentan con la infraestructura y los controles sanitarios necesarios para garantizar la
higiene y la seguridad que los consumidores merecen (Mundo Ejecutivo, 1996 citado
por Delta, 2001).
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A pesar de ser una industria que genera 300 mil empleos y que ha realizado
inversiones millonarias estimadas en más de 6,350 millones de pesos (provenientes
únicamente de una tercera parte de las empresas que conforman el sector), el agua
purificada se ha convertido en un negocio sencillo para quienes a costa de la salud e
incluso, de la vida de los consumidores, obtienen importantes utilidades. Así, el Distrito
Federal y el Área Metropolitana son las principales zonas del país que enfrentan el
problema de la ―infección embotellada‖. En esta región, en la que habitan mas de 20
millones de personas, operan las principales empresas dedicadas a la fabricación y
embotellado de agua purificada, pero la mayor parte de ellas no cumple con las normas
mínimas de higiene y pureza del líquido, ni con controles sanitarios en el manejo de los
recipientes que día con día llegan a millones de hogares capitalinos, sin contar que otro
tanto de empresas trabajan en la clandestinidad o con patentes ―piratas‖ (Mundo
Ejecutivo, 1996 citado por Delta, 2001).
En un estudio realizado por la PROFECO en ocho ciudades del país con 29 muestras
se tuvo la siguiente tabla 4.1 (Lobato,1995):
Tabla 4.1 Estudio de PROFECO a aguas purificadas en ocho ciudades del país.
Calidad Microbiológica
Estado # Muestra Nacional Importada Buena Mala
Acapulco 2 2 1 1
Cancún 5 5 2 3
DF y Zona Conurbada 5 4 1 3 2
Guadalajara 2 2 2
Monterrey 7 7 5 2
Durango 2 2 2
Pachuca 1 1 1
Tijuana 5 4 1 1 4
Fuente: Calidad de filtros, Desinfectantes de Agua y Aguas envasadas.
De las cuales el 41 % es de mala calidad; y el 7 % se importa.
En otra investigación reciente por la Universidad de Guadalajara, de 200 muestras (100
garrafones cerrados y el resto abiertos) de agua de garrafón de diferentes marcas
comerciales, se encontró que el 32 % de los garrafones cerrados no cumple con la
NOM-041. Además el 3 % de ellos contenía Aeromonas. En muestras que si cumplían
con la norma se aísla un 6 % de positivos de Aeromonas, se obtuvieron a partir de
muestras que si cumplían con la NOM-041. Por otra parte los resultados de muestras
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de agua obtenidas de garrafones abiertos en uso intra domiciliario, rebasan los
parámetros referidos en un 74 %. Del 37.8 % de positivos a Aeromonas, el 3.8 %
corresponde a muestras que si cumplían con los parámetros de la NOM-041
(Rodríguez, 2000).
De hecho, es evidente que las condiciones de suministro de agua a la población son, en
parte, las razones de la proliferación de las plantas purificadoras.
El surgimiento de enfermedades como el cólera ha propiciado también que las
autoridades federales excedan sus dosis de cloro en el líquido, lo cual representa un
contaminante más, sin considerar que el cloro deja mal sabor y olor en el agua (Lobato,
1995).
IV.3.2 Crecimiento del Mercado de Agua Puricada
El incremento de las ventas de esta industria supera en 20% la comercialización de
refrescos embotellados y envasados en el país, lo que denota su acelerada expansión.
Asi en los últimos 10 años, se ha registrado un crecimiento de esta actividad de entre
15 y 20 por ciento, Ezquer,(1996). En el año 2001 el incremento fue del 22 por ciento a
nivel nacional (Ramírez, 2002).
Para el año de 1996 de las empresas purificadoras solo 100 aceptaron ingresar al
programa denominado ―Agua Purificada de Calidad Certificada‖, avalado por la firma
NORMEX (Ezquer, 1996).
El mercado del agua embotellada representa una producción nacional de 1,440
millones de garrafones anualmente; en el DF se consumen diariamente 500 mil
garrafones, 150 mil en Jalisco y 36 mil en Puebla. El consumo per cápita nacional de
agua embotellada, de acuerdo con cifras de la Asociación, es de 0.72 litros por día. Es
así como de la producción total, el 90% se distribuye en garrafones con capacidad de
19 litros. El restante 10% se entrega en diversas presentaciones (Mundo Ejecutivo,
1996 citado por Delta, 2001).
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IV.3.3 Disponibilidad de la Materia Prima e Insumos de
Producción
El recurso principal para el proyecto lo constituye el agua, para ello conlleva a la
revisión de la ley de aguas nacionales, originada por él artículo 27 de la Constitución
Política de los Estados Unidos Mexicanos.
Para una mayor conveniencia, la materia prima que se procesara proviene de los
mantos freáticos y/o ríos subterráneos. De alguna otra manera como es el caso de
lagos o ríos que ya no dispone este lugar, ocasionaría en el proceso una calidad no
homogénea y una contaminación variable en el producto.
La Universidad cuenta con cuatro pozos para sus diversas actividades, sin mencionar
los ocupados para riego. Tres de ellos están conectados superficialmente mediante
tuberías, lo cual implica que no existe un problema para la selección de la fuente de la
materia prima ya que en el momento de no funcionar uno de ellos estarán disponibles
los dos restantes. El otro lo dispone el Departamento de Sociología para su propio uso.
Uno de los aspectos más relevantes es que la calidad del agua que se extrae
diariamente para los servicios de dicha institución es de buena calidad, con un buen
grado de potabilidad, y mediante un proceso se puede lograr un alto grado de pureza
para el consumo humano, sin que esto represente el manejo de tecnologías demasiado
caras.
Al verificar los resultados del análisis fisicoquímico y compararlos con los datos de las
normas mexicanas se observa que el sitio provee de materia prima de muy buena
calidad con requerimientos mínimos de purificación, ver tabla 4.2.
Tabla 4.2 Datos comparativos de la NOM-041 y el análisis de agua realizado.
PARAMETRO NOM-041 SSA1-1993 ANÁLISIS POZO (Yucateco)
Alcalinidad 300 ppm 202.66 ppm
Sol. Totales 500 ppm 356 ppm
pH (potencial de hidrógeno) 6.5-8.5 6.17
Dureza Total 200 ppm 135.954 ppm
Color 15 UCV -
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IV.3.4 Determinación de la Demanda
Se llevó acabo una serie de encuestas a la comunidad estudiantil, administrativa y
académicos, el cual es una manera muy sencilla para la recopilación de información
mediante un sondeo, además que permite una comunicación más directa con el usuario
obteniendo una información muy variada. Para este proceso se tuvo que segmentar la
población en dos grupos o muestras selectivas de individuos, una los administrativos y
académicos y la otra integrada por los estudiantes. El propósito era conocer las
preferencias del consumo de agua en garrafón así como aspectos económicos. Dentro
de la información se encontró que el primer grupo consume el agua por estar a su
disposición. En el caso de algunos Departamentos que no brindan este servicio a su
población, prefieren hervir el agua en su casa y en pocos casos comprarla.
Como este grupo está fijo en la Universidad por mas de 10 años, es necesario contar
con datos más precisos, es por eso que se visitó la empresa que tiene la oferta
oligopólica en la Universidad. En el caso de los Departamentos que no están con está
empresa, se acudió directamente a la oficinas administrativas donde se proporcionó la
información de la marca y total de agua consumida semanalmente.
La demanda actual se considera un bien social esencial, ya que la población requiere
este producto para su desarrollo y crecimiento diario, por ser un líquido imprescindible.
Y por la temporalidad contínua ya que todo el año se necesita consumir, y a la vez
estacional por incrementarse más su consumo en los periodos cálidos, así se considera
una demanda de bien fin; por que va destinada directamente al consumidor para su uso
o aprovechamiento.
Con respecto a la segunda muestra, se planteó una estrategia que consistió en realizar
un sondeo así como una visita a las principales tiendas que se encuentran a primera
instancia del consumidor.
El estudio realizado arrojo que la mayor demanda es la muestra uno, lo que otorga
mayores ventaja para el tamaño de la planta.
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IV.3.5 Presentación y Descripción del Producto
El agua purificada tiene múltiples usos, el principal en la Universidad es el consumo
directo y la elaboración de productos preparados, diluidos, concentrados, y por lo
general se utiliza para beber en forma directa.
A pesar de ser un líquido indispensable para el ser humano, puede transmitir
enfermedades infecciosas como la fiebre tifoidea, la disentería, el cólera, la
gastroenteritis entre otras por lo que sus beneficios a la salud humana dependen solo
de la calidad, y de esa manera no ingerir algunas impurezas u algunos agentes
infecciosos.
Por tal, la transformación del agua está acorde a la sociedad, y pasó de ser un
elemento esencial natural a un producto elaborado y comercializado.
La presentación del producto será en dos tipos básicamente en garrafón (19 lt) y en
envase menor fabricados de policarbonatos (PC) o vidrio con tapas elaboradas de
polietileno (PE) selladas a presión, además de las presentaciones de botellas
fabricadas de polietilentereftalato (PET), selladas con tapa roscas y un sistema
inviolable, así como tener una etiqueta adherida al envase con la información, que
establecen las NOM.
Respecto a algunos de los insumos de producción que serán indispensables se
presentan los siguientes:
Envases de PET, presentaciones de 500, 1500 ml.
Garrafones de 19 lts de Policarbonato de Sodio.
Garrafones de 19 lts de vidrio.
Etiquetas de tamaño según las presentaciones.
Taparoscas de las mismas características.
Tapones para garrafones de 19 lts.
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IV.3.6 Agua Purificada en México
La calidad microbióloca del agua en nuestro país, es un renglón que ha merecido
especial atención, debido al gran impacto que su consumo ha implicado para la salud
pública. No obstante los esfuerzos que las autoridades realizan día con día no ha
permitido garantizar a la fecha su inocuidad. Ante esta situación y la magnitud que se
tiene en el mercado, el producto ha sufrido una mayor diversificación en la
comercialización e innovaciones en la presentación del mismo. Por lo que para cubrir
los diferentes mercados existen presentaciones desde 19 litros hasta 250 mililitros.
El agua de garrafón es quizás la presentación más antigua que se conoce, habiendo
hoy de materiales de vidrio, plástico y poli carbonato.
Armenta, (2000) menciona que el consumo de Agua de garrafón toma cada día más
auge entre la población, que el crecimiento tiene un ritmo anual del 10 % en los últimos
siete años. Actualmente se estima que se consumen alrededor de un millón de
garrafones por día en la Ciudad de México. En lo que se refiere a presentaciones
personales se estima que el consumo es de 10 millones de litros diarios
aproximadamente. El consumo anual por individuo, es de 970 litros (incluyendo agua,
vinos, jugos, leche y cerveza) o sea 2.6 litros diarios por persona.
En lo que respecta al consumo de agua de garrafón en la UACH; tanto los trabajadores
académicos como administrativos, seria como se muestra en la tabla siguiente.
Tabla 4.3 Comportamiento de consumo de agua en garrafón.
Garrafón de 19 lts. %
0- 0.5 15.09
1 20.75
1.5 1.88
2.0 33.96
2.5 1.88
+3 5.66
Desconoce. 11.32
Ninguno. 9.43
Fuente: Datos de trabajo
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El promedio general de consumo de agua es de 9.5 litros por semana-persona, 5.43
litros por familia diariamente. Y a nivel institución es de 0.51 lts diariamente.
Por otra parte la gran mayoría de la distribución del agua de garrafón es a través de
camiones con entrega domiciliaria y los demás los adquieren en las tiendas,
súpermercados, carritos y en los depósitos.
Las exigencias de un mercado libre dieron lugar a que las plantas purificadoras
innovaran nuevas presentaciones de 330 ml hasta 3785 ml.
En cuanto a las presentaciones del agua se tiene la grafica:
Grafica. 4.1 Presentaciones de agua purificada en la UACH.
Finalmente, la distribución del agua purificada en envase menor es la que tiene mayor
demanda en las tiendas que se encuentran ubicadas dentro de la Universidad y en un
porcentaje bajo fuera de dicha institución.
IV.3.7 Comportamiento de la Demanda
La venta del agua de garrafón está garantizada ya que se está convirtiendo en una
necesidad cotidiana. Por lo que la demanda incrementa conforme se presenten las
variaciones de temperatura y de la ubicación del lugar donde se reside, de tal manera
que se sigue un comportamiento al que se presenta en la grafica 4.2.
Tesis Profesional
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Grafica 4.2 Comportamiento del consumo de Agua purificada en la UACH.
En esta gráfica se ve que los únicos meses donde no se consume agua es por el
término de cada semestre e inicio de tal.
IV.3.8 Análisis de la Demanda
Como la Universidad proporciona este servicio, no podemos tener un limitante al nivel
económico poblacional, pero si en brindar un gusto a las personas que buscan algo
natural contra la sed, que sea sano, que le garantice salud a su organismo buen sabor y
a demás sin azúcar o endulzante.
Se tiene el conocimiento que años atrás varias marcas ya estuvieron brindando su
servicio a este mercado, sin embargo la desconfianza de su calidad conllevó a que se
realizara un concurso donde las empresas purificadoras pondrían a la mesa la calidad
del producto que ofrece su precio. El resultado por una marca ganadora condujo a que
varios Departamentos optaran por escoger otra fuente y de esa manera garantizar su
salud.
IV.3.9 Demanda Actual
Actualmente la Universidad cuenta con tres poblaciones con ámbitos distintos, los
trabajadores: Académicos, administrativos; y los estudiantes. De los cuales los dos
primero son los principales beneficiados de agua purificada en las oficinas de cada
Departamento. Teniendo una demanda total por semana de 397 garrafones que les son
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insuficientes para cubrir los cinco días de trabajo, para esto se requieren de 496
garrafones para cubrir la semana el cual representa un 73.58 % de trabajadores.
Con respecto a la población de estudiantes el 11.32 % consume agua purificada de las
cuales el 7.93 % consume agua en presentaciones de 500 ml, el 1.47 % de un litro, el
1.72 % prefieren de 1500 ml, y el 0.2058 % compra en envases de 2000 ml.
IV.3.10 Proyección de la Demanda
La demanda del agua purificada está en función de la aceptación de la población
consumidora; sus características deben satisfacer los beneficios que las marcas
actuales le son de su confianza. El abastecimiento constante y oportuno es un aspecto
que debe considerar en la apertura de nuevos mercados.
Por otra parte considerando que el promedio de consumo de agua purificada es de 0.51
lts por día y un consumo percápita de 2.6 lts por semana se iniciara con una capacidad
del 73.58 % satisfaciendo la mayor demanda que la competencia tiene, e
incrementando anualmente de acuerdo a la necesidad y al comportamiento que se
tenga o se solicite. Se estima que para el año 2006 específicamente en el tercer mes,
se tendrá un beneficio del 100 % a los trabajadores tanto académicos como
administrativos; esto si la preferencia por el vital líquido sigue aumentando. Para
entonces se repartirán cerca de 677 garrafones por semana en todas las oficinas
departamentales, posteriormente esta demanda estará variando por algún evento u
cambio drástico. Con lo referente a presentaciones menores de 500 ml se asegura una
venta de 30 cajas a la semana e ir aumentando las ventas en las tiendas que se
encuentran a la primera instancia del consumidor.
La proyección de la Demanda para la Universidad Autónoma Chapingo se presenta con
mayor detalle en la tabla 4.4 y 4.5.
Tabla 4.4 Proyección del consumo de agua para la población de trabajadores de la UACH.
Año Población (administrativos y
académicos)
Consumo percápita
(lt/semana)
2003 3248 10371.62
2004 3573 11408.78
2005 3931 12549.66
2006 4014 12863.40
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Continuación... 2007 12863.40
2012 12863.40
Fuente: Cálculo de Trabajo.
Tabla 4.5 Proyección del consumo de agua para la población de estudiantes.
Año 500 ml (lts)
1000 ml (lts)
1500 ml (lts)
2000 ml (lts)
Consumo total
(lts/semana)
Población total de alumnos
2003 297.00 110 128.70 30.80 566.50 848
2004 326.70 121.0 141.57 33.88 623.15 932
2005 359.37 133.1 155.73 37.27 685.47 1026
2006 395.31 146.4 171.30 40.99 754.00 1128
2007 434.84 161.1 188.43 45.09 829.46 1241
2012 700.31 259.4 303.47 72.62 1335.80 1999
Fuente: Cálculo de Trabajo.
IV.3.11 Estimación de la Oferta
La oferta total de agua purificada a nivel nacional proviene de mas de 4 mil
purificadoras de los cuales solo mil cien están bien establecidos y según la Asociación
Nacional de Productores y Distribuidores de Agua Purificada en el año 2001 la inversión
nacional en plantas productivas en el sector sumó 9 millones 700 mil dólares (Ramírez,
2002).
Por otra parte en una investigación reciente en la Universidad se identificó que el agua
purificada en garrafón proviene de tres empresas; el 88.16 % de la purificadora Tucus,
el 11.33 % de Hidropura y tan solo el 0.5037 % de Electropura. De igual manera se
observó que el tamaño más común en el mercado de agua purificada es el de 500 ml
representando el 70 % del consumo total, el 12.985 % en presentaciones de 1000 ml, el
15.194 % en 1500 ml y tan solo el 1.81 % de 2000 ml.
Según la Asociación Nacional de Productores y Distribuidores de Agua Purificada el
crecimiento es increíble ya que varios factores tales como: la preocupación por la salud,
además de la apertura comercial y de su liberación del precio; alcanzó en el primer año
el 3 % del mercado de los refrescos para el segundo subió al 10 %, para el año 2001 el
mercado estuvo sobre los líquidos gasificados (Delta,2002).
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Como el mercado que se tendrá será la Universidad, las tiendas y algún restaurante
cercano a dicha institución; la calidad y manejo del producto deberá ser estricto, así
como poner en desventaja a la competencia para incrementar el mercado en
presentaciones menores por lo menos un 50 % en el primer año de operación. Para lo
cual se requerirán estrategias de publicidad.
Actualmente se tiene un oferta Oligopólica donde destacan unos cuantos productores.
Como se había mencionado anteriormente se iniciará con una venta por año de(ver
tabla 4.6).
Tabla 4.6 Producción estimada de agua purificada en presentación de 19 litros para la UACH.
Año Garrafones / semana
2002-03 496.25
2003-04 545.87
2004-05 600.46
2005-06 660.50
2006-07 677.00
Es preciso aclarar que estos datos solo corresponden a lo que se consumirá en las
oficinas, no incluyen las presentaciones menores. Los cuales se presentaron en
proyección de la demanda.
La manera en que la gran mayoría de los oferentes a nivel nacional utilizan para
embotellar el agua destacan los siguientes (Lobato,1995):
Tamaño 1: Botellas PET con un contenido de 330 ml.
Tamaño 2: Botellas PET con un contenido de 500 ml.
Tamaño 3: Botellas PET con un contenido de 1.0 lt.
Tamaño 4: Botellas PET con un contenido de 1.5 lt.
Tamaño 5: Botellas PET con un contenido de 2.0 lt.
Tamaño 6: Botellas PET con un contenido de 3.785 lt.
Tamaño 7: Garrafones de PC con un contenido de 19.00 l.
IV.3.12 Tipo de Proceso del Oferente de Mayor Mercado
El proceso empleado para la purificación del agua que tiene el mayor mercado en la
Universidad consta de una filtración con lecho profundo el cual elimina arena; seguida
por un filtro de carbón activado proceso donde se eliminan los olores y sabores
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desagradables que pudiera tener el agua, posteriormente pasa a otro sistema de
membranas de ósmosis inversa donde se quitan las partículas finas que no pudieron
ser eliminadas en los tratamientos previos y finalmente un proceso de radiación
ultravioleta que se usa para desinfección o eliminación de microorganismos que
pudieran dañar al organismo humano.
IV.3.13 Importancia del Precio
El precio es una variable importante sin la cual no habría actividad comercial. Cuando
este es flexible al comprador se fomenta la máxima eficiencia de la Economía.
Por regla general la determinación de precios es un factor controlable. Salvo en raras
excepciones, como el agua purificada el cual a partir 28 de mayo de 1991, fecha en la
cual se liberó debido a la larga historia de control de precios, sin embargo existen
precios y calidades muy diferentes. Dependiendo de su precio hay plantas purificadoras
quienes venden el agua a un precio bajo, el cual variará en base al proceso de
purificación empleado (Lobato,1995) Pero todas determinan y aprueban el precio
cuando está por encima del extremo inferior de la escala de la utilidad por lo general
producirá ingresos, que excedan los costos al igual que un precio esté ligeramente
debajo del extremo superior de la escala. De manera más concreta se calculan los
costos totales en los diversos niveles de producción se calcula el porcentaje de
capacidad como va a funcionar en el periodo siguiente y por último estimar un
rendimiento meta. En conclusión el precio de venta lo impone el equilibrio de la oferta y
la demanda (Acosta, 2000).
De acuerdo a al estudio realizado se encontró una gran variación de precios del agua
de garrafón el cual se presentan a continuación ver tabla 4.7.
Tabla 4.7 Comparación de precios de agua purificada en algunas presentaciones comerciales.
Comparativo de Precios de Agua purificada
Marca Presentación Precio
Tucus 19 lt $ 12.0
Tucus 1.5 lt $ 6.0
Hidropura 19 lt $ 12.25
Ciel 1.5 lt $ 6.00
Ciel 0.5 lt $ 3.00
PuriAgua 19 lt $18
PuriAgua (vidrio) 19 lt $18
Electropura 19 lt $ 20.5 media
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Continuación.
Bonafont 1 lt $ 5.0
Pureza Aga 19 lt $ 18
En base a lo anterior y a un monitoreo en los puntos estratégicos de venta del producto
se vio que existe una gran variación de precios donde se determinó que la media del
precio del agua de garrafón de 19 litros es de $16.45.
IV.3.14 Comercialización
La comercialización se ocupa básicamente de las relaciones entre productos y
mercados, y de las consecuentes transferencias de propiedad. Teniendo como primer
partícipe al productor el cual es el que vende en la primera de la serie de transacciones
de comercialización que ocurren conforme se desplace hacia el mercado. En segundo
lugar está el intermediario que son empresas o negocios de terceros el cual tiene como
actividad primordial la transferencia directa o indirecta de la propiedad de productos al
fluir éstos de sus productores a hasta los compradores. Los productores consideran a
los intermediarios como prolongaciones de sus propias organizaciones pues de no
existir sus propias organizaciones comerciales tendrían que encargarse de llevar a cabo
todas las negociaciones de las ventas a los compradores últimos.
Los benéficios que los intermediarios aportan a la sociedad son (Acosta, 2000) :
Asignar a los productores el sitio y un momento oportuno para consumirlos.
Distribuyen grandes volúmenes en zonas alejadas.
Asumen los riesgos de transportación acercando el mercado a cualquier
consumidor.
Conoce los gustos de este y pide al primero la presentación que se debe
elaborar y el artículo que se debe elaborar.
Es el que sostiene a la empresa, pues compra grandes volúmenes.
Promueve créditos a los consumidores, asumiendo la responsabilidad en el
cobro.
Los beneficios que los productores aportan a la sociedad son:
El precio de los productos son más accesibles al consumidor.
El producto llega más oportunamente.
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Por otra parte los canales de comercialización son una vinculación o cadena
institucional a través de la cual los productos de los fabricantes fluyan al mercado, uno
de los problemas que más se enfrenta el fabricante es que se tiene que ajustar a las
necesidades y expectativas de los compradores en cada nivel de distribución.
Por lo general las grandes empresa de agua purificada en México utilizan canales de
comercialización ya establecidos por las grandes refresqueras, entregando su producto
a mercados, misceláneas, para presentaciones pequeñas y una distribución a domicilio
para presentaciones en garrafón.
IV.3.15 Canal de Comercialización Propuesto
La comercialización de un producto nuevo en el mercado tiene bajo nivel de aceptación
por lo que se requiere una estrategia de publicidad capaz de llegar a los consumidores
y convencerlos de probar el producto y de esa manera probar su calidad.
Antes de comprar las partes que integrarán el tren de tratamiento terciario se pretende
llegar a un acuerdo con los directores de cada departamento y de esa manera se haga
llegar a la Coordinación Administrativa que la Universidad purificará su propia agua que
consume, la cual estará cumpliendo con los estándares que establece la NOM-041,
IBWA y la Secretaria de Salud. Como etapa final certificarla o bien ser miembro de la
Asociación Nacional de Productores y Distribuidores de Agua Purificada para su mayor
confiabilidad y expansión en un futuro.
Para este proyecto el canal de comercialización será productor-consumidor, siendo esta
la vía mas corta, simple y rápida por tener un mercado limitado y selecto además de ser
el mas económico para el productor y consumidor. Para ello se establecerán tiendas
ubicadas en puntos estratégicos para vender en presentaciones menores y en garrafón.
En el caso del abasto a las oficinas se realizará de manera directa con la ayuda de una
camioneta de una tonelada.
Dentro de la comercialización, la identificación de la marca es importante para resaltar
ante él publico que el producto proviene de un proceso de purificación con la más alta
tecnología y dar a conocer los beneficios que obtendrán al comprar el producto.
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IV.3.16 Parámetros de Competitividad
La maquinaria seleccionada sera de la más alta tecnología lo que permitirá obtener un
producto de alta calidad.
Los métodos empleados en el proceso de purificación se regirán con las normas
nacionales e internacionales las cuales son estrictas en el control sanitario.
Cualquier queja sobre el producto recibirá una atención adecuada o un reembolso.
Una capacitación al repartidor para ofrecer un buen trato al consumidor.
Las tiendas dispondrán de refrigeradores para mantener el producto en condición
agradable al consumidor.
IV.3.17 Estrategias para la Penetración y Venta del Agua en el
Mercado
Para este producto es necesario alguna promoción que informe a los consumidores
sobre la calidad y precio del agua y de esa manera influir en la decisión de compra.
Para presentaciones menores se propone la atracción de clientes de la competencia
mediante:
Obsequio del producto durante determinado tiempo.
Intensificación promocional:
Repartición de boletines con la información de la calidad del agua acompañada
de una muestra.
Realizar sorteos cada dos meses de aparatos que le son indispensables a los
estudiantes durante su estancia en la Universidad.
IV.3.18 Justificación del Proyecto
La razón para hacer que se justifique este proyecto es que se tiene una desconfianza
del proceso que recibe el agua purificada que se consume en las oficinas de la
Universidad; para entonces la persona que tenga alguna inquietud la podrá aclarar con
una visita a la planta y comprobar su teoría.
Otra razón de esta planta es de producir un agua de mejor calidad de la que se dispone
hasta ahora. Además de que generaría ingresos para la Universidad.
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IIVV..44 TTaammaaññoo ddee llaa PPllaannttaa
Para determinar el tamaño de la planta es indispensable tomar en cuenta varios
factores que intervienen en el proceso de purificación los cuales se muestran a
continuación:
La demanda.
Los suministros e insumos.
La tecnología y los equipos.
El financiamiento y la organización.
Uno de los factores más importantes para determinar el tamaño de la planta es la
demanda; y de acuerdo al estudio de mercado que se detalla en él apartado 4.2, la
planta iniciara con una producción del 73.58 % anualmente, de agua purificada en
presentación de 19 litros (garrafónes) e incrementara hasta tener una producción del
100 % y una vida de 10 años a partir del año uno.
La relación entre el tamaño y tecnología influyen, ya que de ello depende qué tan
elevados sean los costos de producción. Respecto a los recursos financieros estos
deben ser suficientes para atender a las necesidades de la inversión del tamaño óptimo
de la planta y de esa manera no correr el riesgo de un bajo de capital y/o elevados
costos que genere el tamaño.
IV.4.1 Agua Purificada en Presentación de 19 litros
Para el primer año está proyectado iniciar con 600 garrafones por semana de agua
purificada teniendo una producción estimada que se muestra en la tabla 4.8.
Tabla 4.8 Producción de agua purificada para el primer año.
Mes Días / semanas
Garrafones / mes
Enero 14/2.8 1,682.45
Febrero 19/3.8 2,283.33
Marzo 14/2.8 1,682.45
Abril 22/4.4 2,643.85
Mayo 20/4 2,403.50
Junio 9/1.8 1,081.58
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Continuación... Julio 8/1.6 961.40
Agosto 22/4.4 2,643.85
Septiembre 19/3.8 2,283.33
Octubre 23/4.6 2,764.03
Noviembre 19/3.8 2,283.33
Diciembre 9/1.8 1,081.58
Total / anual: 198/39.6 23,794.65
Fuente: Cálculo de proyecto.
Según la Asociación Nacional de Productores y Distribuidores de Agua Purificada
(2001) a nivel nacional hay un crecimiento promedio del 10 % anual que cambia a este
vital líquido de tal manera que se tendrá la siguiente producción en los años de vida de
la planta (ver tabla 4.9).
Tabla 4.9 Producción estimada para el año 2 al 10.
Periodo Año 2 Año 3 Año 4... ...10 año
Garrafones / mes
Garrafones / mes
Garrafones / mes
Garrafones / mes
Enero 1,835.30 2,003.42 2,049.66 2,049.66
Febrero 2,490.76 2,718.93 2,781.68 2,781.68
Marzo 1,835.30 2,003.42 2,049.66 2,049.66
Abril 2,884.04 3,148.24 3,220.89 3,220.89
Mayo 2,621.85 2,862.04 2,928.09 2,928.09
Junio 1,179.83 1,287.92 1,317.64 1,317.64
Julio 1,048.74 1,144.81 1,171.23 1,171.23
Agosto 2,884.04 3,148.24 3,220.89 3,220.89
Septiembre 2,490.76 2,718.93 2,781.68 2,781.68
Octubre 3,015.13 3,291.34 3,367.30 3,367.30
Noviembre 2,490.76 2,718.93 2,781.68 2,781.68
Diciembre 1,179.83 1,287.92 1,317.64 1,317.64
Total / anual: 25,956.32 28,334.15 28,988.05 28,988.05
m3/anual 493.17 538.35 550.77 550.77
Fuente: Cálculo de trabajo. Nota: la producción es constate a partir del año 4 al 10.
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IV.4.2 Presentaciones de 500 ml
La producción de agua que se muestra en la tabla 4.10 corresponde a las posibles
demandas de agua que se tendrán a lo largo del año y vida de la planta, cabe hacer
mención que dentro de esta producción incluyen las 30 cajas que la Universidad se
abastece actualmente y el resto corresponde a la abertura que se tendrá dentro del
mercado del agua purificada.
Tabla 4.10 Producción estimada de agua purificada en presentación menor de 500 ml.
Botellas de 500 ml 2003 2004 2005 2006 2007..... ......2012
Años
año 1 año 2 año 3 año 4 año 5 año 10
Mes semanas /
mes cajas/ mes
cajas/ mes
cajas/ mes cajas/ mes cajas/ mes cajas/ mes
Enero 2.8 153.30 160.23 167.85 176.24 185.46 185.46
Febrero 3.8 208.05 217.46 227.80 239.18 251.70 251.70
Marzo 2.8 153.30 160.23 167.85 176.24 185.46 185.46
Abril 4.4 240.90 251.79 263.77 276.95 291.44 291.44
Mayo 4 219.00 228.90 239.79 251.77 264.95 264.95
Junio 1.8 98.55 103.01 107.91 113.30 119.23 119.23
Julio 1.6 87.60 91.56 95.92 100.71 105.98 105.98
Agosto 4.4 240.90 251.79 263.77 276.95 291.44 291.44
Septiembre 3.8 208.05 217.46 227.80 239.18 251.70 251.70
Octubre 4.6 251.85 263.24 275.76 289.53 304.69 304.69
Noviembre 3.8 208.05 217.46 227.80 239.18 251.70 251.70
Diciembre 1.8 98.55 103.01 107.91 113.30 119.23 119.23
Total /anual: 39.6 2,168.10 2,266.11 2,373.92 2,492.51 2,622.96 2,622.96
m3/anual 26.02 27.19 28.49 29.91 31.48 31.48
Fuente: Cálculo de trabajo
IV.4.3 Presentaciones de 1500 ml
Se pretende introducir esta presentación ya que es la segunda de 500 ml que tiene
mayor preferencia del consumidor. Además lo más importante en la venta del agua de
esta calidad es ofrecer la cantidad que el mercado más demande.
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Tabla 4.11 Producción estimada de agua purificada en presentación de 1500 ml.
Botellas de 1500 ml 2003 2004 2005 2006 2007
año 1 año 2 año 3 año 4 5..10 año
Mes semanas/mes
cajas/ mes cajas/ mes cajas/ mes cajas/ mes cajas/ mes
Enero 2.80 30.03 33.03 36.34 39.97 43.97
Febrero 3.80 40.76 44.83 49.31 54.24 59.67
Marzo 2.80 30.03 33.03 36.34 39.97 43.97
Abril 4.40 47.19 51.91 57.10 62.81 69.09
Mayo 4.00 42.90 47.19 51.91 57.10 62.81
Junio 1.80 19.31 21.24 23.36 25.69 28.26
Julio 1.60 17.16 18.88 20.76 22.84 25.12
Agosto 4.40 47.19 51.91 57.10 62.81 69.09
Septiembre 3.80 40.76 44.83 49.31 54.24 59.67
Octubre 4.60 49.34 54.27 59.70 65.66 72.23
Noviembre 3.80 40.76 44.83 49.31 54.24 59.67
Diciembre 1.80 19.31 21.24 23.36 25.69 28.26
Total /anual: 39.60 424.71 467.18 513.90 565.29 621.82
m3/anual 7.64 8.41 9.25 10.18 11.19
Cabe aclarar que no se producirá en presentaciones de 1 y 2 litros ya que los estudios
de mercado indican que es baja la preferencia en estas cantidades.
Finalmente en la tabla 4.12 se muestra una estimación de la cantidad de agua
purificada que se venderá anualmente;
Tabla 4.12 Producción estimada de agua purificada anualmente que será introducida al mercado.
Año m3/anual
1 485.76
2 528.77
3 576.09
4 590.86
5 593.44
6 593.44
7 593.44
8 593.44
9 593.44
10 593.44
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En caso que la producción real fuera superior, se seleccionarán los equipos que tengan
facilidades para aumentar tal demanda, sin poner en riesgo a todo el sistema.
IV.4.4 Localización de la Planta
Algunos de los factores más importantes que se deben considerar para la localización
de la planta son: la disponibilidad de materiales, disponibilidad de infraestructura,
conveniencia del terreno y del clima, espacios para ampliación, accesibilidad al
mercado, entre otros que por la ubicación de la planta ya son cubiertos por la
Universidad (disponibilidad de mano de obra, seguridad).
IV.4.5 Microlocalización
Los factores que se deben tomar en cuenta en esta parte son: la accesibilidad al
mercado y materias primas, disponibilidad de costos de transporte, facilidades locales,
servicios públicos, extensión y costo del terreno, impacto socioeconómico, e impacto a
la comunidad (Acosta, 2000).
Tomando en cuenta los factores anteriores y la fuente de la materia prima, se propone
que las instalaciones y proceso de producción se realicen a un costado del pozo que
esta al norte de la entrada principal de la Universidad.
IIVV..55 IInnggeenniieerrííaa BBáássiiccaa ddeell PPrroocceessoo ddee PPuurriiffiiccaacciióónn ddee AAgguuaa
El objetivo de la Ingeniería es elegir el proceso adecuado para la instalación de una
planta de agua purificada, basándose en los análisis de la fuente de abastecimiento.
De acuerdo a los análisis realizado al agua proveniente de los pozos pertenecientes al
patronato de la Universidad, se tiene un líquido, que reúne las características para ser
consumida como agua potable, además que su calidad esta dentro de los estándares
que establece la NOM-041 para purificarla. Por lo que se requiere un mínimo
tratamiento para competir con las marcas que están en el mercado y que abastecen a
tal institución.
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IV.5.1 Descripción de la Calidad del Agua y Tecnología
Disponible
Datos del Análisis de Agua
Dureza: ........... 135.954 ppm Alcalinidad: .............................202.66 ppm Cloruros: ......... 14.2 ppm Na+: .........................................65.1 ppm K: .................... 6.6 ppm Coliformes Fecales y Totales: .ND
STD: ............... 356 ppm Sulfatos:. ..………………………23.22 ppm
Fe: .................. 0.03 ppm Zn:………………………………..0.05 ppm Mn: .................. ND Pb:………………………………..0.02 ppm Cd: ................... 0.01 ppm Cr:………………………………...0.01 ppm
El agua purificada marca bonafont tiene las siguientes características:
Sulfatos: 4.8 ppm CE: 0.265 mmho / cm o dS / m Na+: 7.4mg/l
SDT: CE*640 =169.6 ppm PH: 6.03.
Como la fuente de abastecimiento son aguas subterráneas, la turbidez tiene valores
inferiores a 1 ppm con una transparencia de hasta 5 metros de profundidad; sin
embargo tal valor puede ser superior si los tanques elevados que se usan para
proporcionar presión y almacenamiento no reciben una limpieza periódicamente. Lo que
nos conlleva a utilizar un filtro de lecho profundo y de esa manera garantizar que en el
sistema, no pasaran sustancias o sólidos mayores que puedan ocasionar un
taponamiento o acumulación de estos en los procesos posteriores lo que reduciría la
eficiencia del sistema y calidad del producto.
El olor y sabor no son detectables ya que los cloruros y sulfatos que son los
responsables de transmitir un sabor salado y amargo respectivamente hacen su
presencia en concentraciones de 300 ppm de Cl- y 500 ppm de SO4-.
Es claro que no solo estos parámetros son los causantes de los olores y sabores por lo
que pueden existir una infinidad, y al no saber cuales pudieran surgir con el uso de
pesticidas, herbicidas, metilato de mercurio e hidrocarburos clorinados, que se aplicaron
hace más de 10 años, en los campos agrícolas es necesario prevenir este problema
con la instalación de una filtro de carbón activado y así el agua conserve su propiedad
inodora e insípida.
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La conductividad del agua refleja la concentración de los iones de las impurezas, en
este caso el valor es de 0.427 mmho/cm o dS/m, y si lo multiplicamos por 640 nos da
273.28 mg/l que corresponden a una aproximación de STD, y al estar dentro del rango
que establece la NOM-041 se considera aceptable para tal proceso.
La concentración real de STD es de 356 mg/l, y la que establece la NOM-041 es 500
mg/l, por tal el agua solo necesita unos retoques, sin embargo la variada concentración
de iones limita optar por un intercambiador ya que solo removería los iones que causan
la dureza, mientras que los restantes actuarían. Sin embargo para no saturar las
membranas de osmosis inversa y aumentar su eficiencia, se opta por utilizar un
intercambiador.
El proceso que cumple con ambas funciones de reducir los iones que causan la dureza
y los STD es la ósmosis inversa con una eficiencia de rechazo arriba del 90 %.
Según Gonzáles (2001), indica que un agua que tiene un total de sólidos disueltos de
200 o más, la ósmosis inversa es menos costosa que el intercambio de iones y que los
sólidos disueltos son menores que 200, es preferible el intercambio de iones para
remover los microorganismos. Es importante la reducción de los sólidos disueltos pues
pueden afectar adversamente la calidad, además que para el consumo humano, con
un alto contenido de sólidos disueltos, son por lo general da mal agrado para el paladar
y pueden inducir una reacción fisiológica adversa en el consumidor.
Respecto a los parámetros de dureza según Romero (1999) el agua se considera
moderadamente dura, por su parte INSTAPURA y su larga experiencia en el mercado
de agua purificada un valor con 135.954 mg/l es un agua dura y requiere de un
tratamiento como intercambio iónico y ósmosis Inversa para disminuir los iones que
causan este problema. Ha de considerarse que la dureza no afecta al organismo
humano y solo es importante cuando el agua se usará junto con un detergente y en la
preparación de alimentos lo cual aumenta el gasto por combustible.
Es sabido que el agua es la principal fuente de vida de los seres vivos, pero en esta
cuestión debemos eliminar toda vida que pudiera ocasionar y transmitir enfermedades
para ello es indispensable utilizar un germicida que anule la proliferación de bacterias,
gérmenes, virus, algas y esporas que en algún momento se llegaran a presentar.
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Finalmente como el ozono actúa sobre el agua eliminando por oxidación todos los
elementos nocivos para la salud como son virus, bacterias, hongos, además de eliminar
metales, los cuales pueden ser filtrados y eliminados del agua (AQUASYSTEM, 2000).
Se optará por inyectar una cierta cantidad de ozono en el agua que ya pasó por la UV y
que esta lista para ser consumida sin algún riesgo de salud. La razón de aplicar ozono,
es su capacidad para conservar y desodorizar.
IV.5.2 Descripción del Proceso para la Purificación del Agua
El proceso inicia con una recolección del agua cruda en un tanque de almacenamiento,
con una capacidad de 5000 litros, este almacenamiento puede ser de la marca
Rotoplas o Rotomex. El suministro de agua está regulado por un flotador.
Figura 4.1 Tanque de almacenamiento de agua cruda.
El suministro de agua está conformado por una bomba centrífuga multipaso de 1 HP la
cual alimenta la presión y caudal necesario al sistema de filtros de lecho profundo y
carbón activado para así llegar a un nuevo tanque de almacenamiento con una
capacidad de 5000 litros.
Filtro Multicama o de lecho profundo. Generalmente los filtros multicama, llevan de
cuatro a cinco capas de material filtrante de diferente densidad y granulometría que van
reteniendo las partículas selectivamente de acuerdo a su tamaño (mayores de 15
micras), logrando así quitar la turbidez del agua.
Su operación consiste, mediante la presión suministrada de la bomba el agua sin filtrar
entra a la válvula y fluye en dirección de arriba hacia abajo por el interior del tanque a
través del material filtrante para después subir, ya filtrada, por el tubo central y salir del
equipo.
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Figura 4.2 Filtros de lecho profundo.
El retrolavado se realiza con agua cruda la cual entra de arriba hacia abajo y fluye por
el tubo central para ir al fondo del tanque, pasar a través del distribuidor y fluir hacia
arriba para aflojar y lavar la cama del material filtrante enviándose al drenaje la
suciedad retenida por el filtro. Se recomienda por el fabricante que se revise la claridad
del agua en el drenaje para determinar el tiempo de retrolavado, es posible que si el
agua esta muy sucia se requiera de un mayor tiempo de retrolavado, hasta que salga
transparente en la línea de drenaje.
El retrolavado se debe realiza dependiendo de la calidad del agua a tratar, lo ideal es
realizarlo cuando menos cada 4 a 7dias o bien al finalizar el día de trabajo.
En el momento de la Instalación se recomienda, poner una válvula
check para evitar retorno de agua o contrapresión. Así como una
válvula para derivación o ―by-pass‖.
Figura 4.3 Instalación de un filtro de lecho profundo y carbón activado.
Filtro de Carbón Activado. Se utiliza un filtro. Estos están diseñados para la filtración
de líquidos, adsorbiendo la materia orgánica que es la causante del olor, color o sabor
en el agua. También ayudan a retener: acidez, alcalinidad e hidrocarburos. Además se
utilizan para reducir efectivamente el sabor u olor que produce el cloro en el agua.
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El carbón tiene una vida de dos a tres meses pero por seguridad se recomienda que se
cambie cada dos meses y medio.
Figura 4.4 Filtro de carbón activado.
La válvula del carbón es
automática y solo requiere al igual que la del filtro de lecho profundo una programación
de las horas de retrolavado y generalmente es a las dos horas, aunque esto dependerá
de la calidad del agua que se esta tratando.
Intercambio Iónico.
Figura 4.5 Suavizadores de agua comercial.
Se utiliza un filtro y están diseñados para el cambio de las sales de calcio y magnesio
por sales de sodio que son solubles. El suavizador, además de bajar la dureza del
agua, reduce otras impurezas como son el hierro, magnesio, sílice y otros metales.
Normalmente se emplea una resina cationica base fuerte ciclo sodio y se regenera con
sal industrial (NaCl).
Según Instapura (2002) los suavizadores disminuyen hasta un 30% la dureza del agua
a ser tratada, en algunos casos se usan para obtener una agua dentro de la dureza que
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establece la NOM-041 y/o cuando la dureza es muy alta como un proceso previo y dar
una mayor vida a las membranas del equipo de ósmosis inversa.
Las válvulas de estos sistemas son automáticas para la regeneración en nuestro caso
será necesario regenerarla cada tercer día. Con lo que respecta a la instalación se
recomienda poner válvulas como las indicadas en los filtros de lecho profundo.
Osmosis Inversa. Esta tiene como función la reducción de SDT y eliminación de
compuestos orgánicos e inorgánicos.
Figura 4.6 Unidad de ósmosis inversa.
Su operación consiste en:
El agua almacenado en el tanque es dirigida a la unidad mediante la presión que
genera la bomba de 1 HP, entonces el agua pasa al prefiltro de 5 micras, para
eliminar los sedimentos que pudieron desprenderse del carbón activado,
posteriormente se dirige al medidor de STD (1 a 999 ppm) donde la producción
esta basada en agua de alimentación a 25ºC @ 500 ppm de STD.
Una vez entrada el agua en la membrana se produce un agua permeada con una
concentración de alrededor del 10 % de SDT. El resto se rechazara con altas
concentraciones de sales, enviándose al drenaje.
Lámpara de Rayos Ultravioleta. Tienen como función la destrucción del 99.9 % de las
bacterias, virus y gérmenes que se pudieran presentar en el agua. La dosis promedio
de operación que la mayoría de los fabricantes venden es de 30,000 µws/cm2. La vida
media de las lámparas es de 8000 horas de operación, por lo que se recomienda
cambiarlas cada 10 meses.
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Generalmente deben permanecer encendidas las 24 horas, de lo contrario cada
apagada reduce su vida 8 horas.
Figura 4.7 Lámpara de UV (uso industrial).
Para que el sistema opere eficientemente se requiere que el agua esté libre de
sustancias en suspensión o disolución. En otras palabras el equipo purificador UV no
debe operar solo a menos de que la calidad del agua lo permita, por estar dentro de
los siguientes niveles (ver tabla 4.13).
Tabla 4.13 Calidad del agua antes de operar el sistema de UV.
Parámetro Unidad Parámetro Unidad
Turbidez < 5 NTU pH 6.5 a 9.5
Hierro < 0.3 ppm Manganeso < 0.05 ppm
Ácido Sulfhídrico < 0.05 ppm Dureza < 120 ppm
Sólidos suspendidos < 10 ppm Color ninguno
Fuente: Instapura
Con los niveles que se piden para este sistema sé justificá el uso de la ósmosis inversa
y de la filtración, este último con un grado nominal de por lo menos de 10 micras.
Con lo referente a las operaciones de mantenimiento se sugiere inspeccionar
visualmente el tubo de cuarzo a los 30 y 90 días después de la instalación para
determinar la frecuencia de limpieza. Generalmente todos los equipos constan de una
vara que desde el exterior se jala para limpiar la camisa de cuarzo y desprenderle las
láminas que los minerales generan en su paso. En el caso que se requiera remover la
camisa para su limpieza se deberá remojar en agua jabonosa o en una solución
conteniendo vinagre o amoniaco.
Algo importante de protección del sistema es la Instalación de válvulas de cierre antes y
después del equipo de purificación que impidan el paso del agua al equipo purificador a
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fin de poder efectuar el cambio de lámpara o del tubo de cuarzo. También puede
instalarse una válvula de paso ―bypass‖.
Tanque o cisterna de almacenamiento. Aquí se almacena el agua tratada además de
tener las reservas necesarias para alimentar el equipo de llenado de garrafones el
almacenaje puede ser de tipo Rotoplas, con una capacidad de 5000 litros.
Figura 4.8 Tanque de almacenamiento de agua purificada.
Equipo generador de ozono. La función es burbujear ozono al tanque de
almacenamiento de agua tratada y preservar la calidad bacteriológica del agua y mayor
vida de anaquel.
Figura 4.9 Sistema generador de ozono.
La aplicación del ozono en un proceso dado, debe tener un tiempo de contacto, debido
a que su acción está en función del tiempo de vida media del ozono. Para la generación
de ozono se puede usar aire seco u oxígeno.
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Según la aplicación se enlistan las dosis de ozono y tiempos de contacto (Econex,
2001):
Tabla 4.14 Dosis de ozono aplicadas según sus distintas aplicaciones.
Aplicación Mg/l O3 Tiempo de Contacto
Condensadores evaporadores y torres de enfriamiento 0.2-0.6 Contínuo
Tratamiento de agua potable:
Desinfección 1.5-3.0 5-10 minutos
Precursores de trihalometanos 1.5-3.0 5-10 minutos
Olor y sabor 1.0-5.0 5-10 minutos
Color y COD 3.0-10.0
Turbidez y microfloculación 1.0-3.0 5-10 minutos
Fierro y manganeso 1.0-8.0 5-10 minutos
Agua embotellada 2.0-3.0 5-10 minutos
Agua residual 5.0-20.0 15-30 minutos
Fuente: Econex.
Cálculo para convertir mg/l de ozono a libras por día es:
Flujo en galones por minuto X dosis en mg/L X 0.012 0 libras por día de ozono =
(1.8494 gpm X 1 mg/l O3 X 0.012 = 0.0221928. Ibs/dia O3.
De tal manera que el ozono residual se debe mantener en 0.3 ppm para no producir
compuestos.
De manera general cuando se requiere purificar agua por este excelente método, un
gramo corresponde a poder tratar entre 25 a 50 metros cúbicos, si se utiliza a travéz de
inyectarlo por un venturi (colibrí,2002).
Filtro de cartucho el cual se usa como pulidor y ya viene integrado a la llenadora y lavadora.
Lavadora de garrafones de agua de 19/20 litros.
Figura 4.10.a Lavadora de garrafones.
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El proceso inicia con la selección de los garrafones más sucios, el cual el proceso es
manual y posteriormente se lleva a la lavadora con detergentes especiales y soluciones
especiales, además que el agua utilizada es la que ha sido purificada y ozonizada.
Figura 4.10.b Conexiones de lavadora de garrafones modelo L-3.
Respecto a los garrafones que estén fuertemente sucios recibirán otro proceso más
especial para retirar las impurezas.
Llenadora para garrafones de agua de 19/20 litros. Una vez realizada la desinfección
del garrafón, este es enviado a la maquina de llenado. Realizado de manera manual.
Fig.4.11.a Fig.4.11.b
Figura 4.11 Llenadora de garrafones fijo y movible.
Desinfección del tapón. Todas las tapas son desinfectadas antes de ser colocadas en
el garrafón, la operación es realizada en forma manual, en la cual el personal debe
seguir las normas de higiene con lo que se minimiza el riesgo de contaminación. Tal
desinfección se realiza con agua ozonizada.
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Taponado del garrafón. La operación es realizada en forma manual, donde el tapón es
depositado en el orificio del garrafón y presionado manualmente para el tapado de este.
Colocación del sello de garantía. El sello es colocado en forma manual antes de ser
fijado con la pistola térmica, y al momento de pasar el garrafón con su sello se contrae
y finalmente sea puesto en unidades para su distribución.
IV.5.3 Cálculo y Descripción del Equipo
IV.5.3.1 Cálculo del diámetro de la tubería
Para el cálculo tomaremos como base la tabla de Crane Technical Paper citada por
Martínez, (1995):
Tabla 4.15 Velocidad razonable del agua en tuberías.
Condición Velocidad (m/s)
Alimentación en Calderas 2.4 - 4.5
Succión de bombas 1.2 – 2.1
Tuberías de drenaje 1.2 – 2.1
Servicio General 1.2 – 3.0
Servicios municipales 2.1
Tomando como base para este proyecto una condición general.
El gasto volumétrico es 420 l/h, esto si la membrana de ósmosis inversa tuviera una
recuperación del 100 %, como el modelo seleccionado puede desperdiciar del 50 al 33
%, el flujo a tratar hasta el intercambio iónico debe ser el doble; es decir, el Gasto de
masa es de 840 kg/h (233.3 g/s).
De esa manera el agua que no se aproveche se reingresará a la red.
Tomando los datos anteriores para la selección de la tubería y equipo que suministrará
la presión al sistema, nos enfrentamos a modelos que existen en mercado, pero no
trabajan a las condiciones que se desean. En esas cuestiones los diseños se deben
adoptar a los modelos que hay en el mercado. Por ello el gasto volumétrico será de
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161
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1200 l/h (20lpm); y los sistemas de filtración, carbón activado e intercambio iónico solo
operarán 5.6 horas diarias.
Como la Ecuación del Gasto para tuberías es:
Q = AV = VD
*4
2 (4.1)
Donde:
Q = gasto en m3/s, en este caso g/s
A = área de la tubería en m2 o cm2.
V = velocidad del flujo en m/s o cm/s.
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Figura 4.12. Esquema de bombeo.
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163
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Suponemos un diámetro interno de tubo de acero C 10 D in = 1.58 cm = 0.0158 m
sustituyendo en la ecuación siguiente:
.. liqXtuboSecc
MasadeGastoVelocidad
scmcmgcm
sgV /170.09
)/1*)58.1(785.0
/333.3332
V = 1.7 m/s = 5.58 ft/s.
Como la velocidad obtenida es mayor que 1.2 m/s y menor de 3 m/s se acepta el
diámetro seleccionado 1/2 ― en tubo de acero cédula 40.
IV.5.3.2 Cálculo de la potencia de la bomba
La bomba uno trabaja tomando el agua del tinaco de almacenamiento y la envía a los
primeros procesos de tratamiento (lecho profundo- carbón activado- Intercambio iónico).
Para la selección de la potencia de la bomba es necesario calcular la columna o carga
total de bombeo, la cual es la suma de todas las causas que generan pérdidas más la
carga de velocidad en el punto de descarga, pero además se deben considerar las
presiones diferentes a la atmosférica, teniendo la siguiente ecuación:
H = het + hfd + hvd +hfs + (hpd – hps) (4.2)
Donde:
H = Carga total.- Suma de las cargas que se tienen en el sistema cuando trabaja
la bomba a determinada capacidad.
het = carga estática total.- En general, la columna estática total de una bomba es
la diferencia de la elevación de descarga y la elevación del nivel del agua en la
succión.
hfd = Pérdida de carga en la descarga.- incluye todas las pérdidas de carga que
se tiene a partir de la boquilla de la bomba y en la tubería de descarga.
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hvd = Carga de velocidad en la descarga.
hfs = Pédidas de carga en la descarga. Es la que se necesita para vencer todas
las pérdidas de carga debidas al flujo en la tubería de succión.
hpd =Carga de presión en la descarga.
hps= Carga de presión en la succión.
IV.5.3.2.1 Cálculo de la presión en la succión
Datos:
Altura Z1 que es la condición de trabajo en que la bomba va a realizar el mayor
esfuerzo. Z1 =25 cm.
Altura Z2 es la máxima altura a la cual la bomba debe enviar el agua. Z2 = 1.95 cm.
La Presión Atmosférica se determina en base a la altitud del lugar que es de 2240 m,
posteriormente se entra a una gráfica (Sotelo,1980) donde se obtiene pa/po =0.76 y con
un po = 10333 kg / m2, la presión atmosférica resulta solo despejando a pa.
Presión Atmosférica = 0.76 x 10333 kg/m2 = 0.786 kg/cm2.
En este caso la presion atmosferica inicial es la misma en la descarga por lo que se anulan. Presión P1 que es la ejercida por el agua.
P1= (25 cm x 1 g/cm3) = 25 g/cm2.
Presión P2 es la requerida en el tanque de filtro de lecho profundo para que el
intercambiador funcione con una presión mínina de 2.1 kg/cm2.
IV.5.3.2.2 Cálculo del número de Reynolds
VDRe (4.3)
Donde V es la velocidad media, D el diámetro del conducto y v la viscosidad cinemática
del fluido, para este caso consideramos una temperatura del agua de 37 °C (mes mas
caliente) para lo cual v =0.0068 cm2/s (Sotelo, 1980).
Sustituyendo los valores en la Ecuación 4.3. para obtener el número de Reynolds.
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39522.30/0068.0
58.1*/0.170Re
2
segcm
cmscm
El coeficiente de fricción f para el tubo de acero usado D 1/2‖ C 10 en función del
Numero de Reynolds es de 0.034 (Gómez, 1981).
IV.5.3.2.3 Pérdidas de carga en la succión
Según la figura 4.12 para la succión requerimos de una válvula de compuerta, la cual es
importante para realizar algún mantenimiento de la motobomba.
Longitudes equivalentes por accesorios:
# Accesorios K Le = KD
1 Válvula de compuerta 13 20.54
Para las pérdidas de carga por ampliación se usa la fórmula de Borda-Carnot, la cual se
cita a continuación.
211
2
A
ACaK (4.4)
Donde Ca depende del ángulo del difusor. En caso de que la ampliación sea brusca
se usa la misma fórmula con Ca=1, posteriormente la pérdida de carga se obtiene
sustituyendo el valor de K en la Ecuación siguiente:
g
Vkhf
2
2
(4.5)
Donde k es la constante obtenida con la ecuación 4.4; V es la velocidad media m/s; y g
la gravedad 9.81 m/s2.
La pérdida de carga por accesorios se obtiene de la siguiente manera:
Longitud total = longitud física + longitud efectiva = 2.0 + 0.2054 m = 2.20m.
Sustituyendo este valor en la ecuación de Darcy –Weisbach para obtener las pérdidas
de carga por succión.
g
v
D
Lfhf
s
ts
2
2
(4.6)
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Donde f es el coeficiente de fricción sin dimensiones; g es la aceleración de la
gravedad, en m/s2; L la longitud del tubo, en m; D es el diámetro, en m; V es la
velocidad media, en m/s y hfs son las pérdidas por fricción.
msm
sm
mX
mhf s 88.0
/62.19
)/7.1(
1058.1
2.2034.0
2
2
2
Entonces la perdida de carga total por succión hfs = 0.88 m
IV.5.3.2.4 Pérdidas de carga en la descarga
Longitud total de la Tubería = 335 cm.
Accesorios K
Válvulas de globo 405
Válvula de retención 50
Válvula de compuerta 13
Codos de 90° 30
T 20
Para el cálculo de estas pérdidas es necesario empezar del intercambiador hasta la
bomba y de esa manera asegurar que el primer filtro está dentro de su presión de
trabajo.
El intercambiador funciona con una operación de trabajo mínima de 2.1 kg/cm2 y una
caída de presión de 0.9 kg/cm2.
Del filtro de carbón activado al intercambiador tenemos los siguientes accesorios:
# Accesorios Le = KD (cm)
1 Válvulas de globo 639.9
Longitud total = Long. Física + Le = 40 cm + 639.9 cm = 679.9 cm.
El valor anterior se sustituye en la Ecuación 4.5.
msm
sm
mX
mhf IOCAd 2.7196
/62.19
)/70.1(
1058.1
799.6034.0
2
2
2
Las pérdidas por reducción (3/4 a 1/2‖) a la salida del filtro del carbón activado se
calculan con la ayuda de una gráfica en la que se divide el diámetro más pequeño (D2)
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167
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por el más grande (D1), con el valor obtenido se entra a tal gráfica para tener el Kr y
sustituirlo en la ecuación 4.5.
msm
sm
g
Vkhreduccion 032.0
/62.19
)/70.1(*22.0
2 2
22
Por su parte las pérdidas de carga por ampliación (1/2 a ¾‖)el valor de K se calcula con
la Ec. 4.4 posteriormente se sustituye en la Ec. 4.5.
56.0158.1
09.2 2
2
2
CaK
msm
sm
g
Vkhampliacion 083.0
/62.19
)/70.1(*56.0
2 2
22
Entonces las pérdidas totales en este tramo resultan de la suma de ambas.
Hfdt ca-io = hfd CA-IO +h reducciones + h ampliaciones =2.71 m + 0.032 + 0.083 m = 2.83 m.
Por tanto el filtro de CA debe tener una operación de entrada capaz de proporcionarle al
IO la presión mínima de operación.
Datos:
P = 0.4 kg/cm2 = 4.0 m (Caída de presión del CA).
Pmínima. CA = 2.1 kg/cm2 = 21 m (presión de operación mínima del CA).
Hfdt ca-io= 2.83 m = 0.283 kg/cm2
Pt = 0.4 kg/cm2 + 2.1 kg/cm2 + 0.283 kg/cm2 = 2.783 kg / cm2 (presión total a la
entrada del filtro de CA).
El siguiente paso es comprobar si el filtro de lecho profundo estará dentro de su rango
de óperación a la que fue fabricado.
En este caso las pérdidas por accesorios y demás resultan ser iguales a los cálculos
anteriores, para lo cual solo se requiere hacer una suma de los datos de operación del
filtro.
Hfdt Filtro-CA = 2.83 m = 0.283 kg/cm2
El filtro de lecho profundo tiene una presión mínima de trabajo de 2.1 kg/cm2 y una
caída de presión de 0.9 kg/cm2.
Pt = 0.9 kg/cm2 + 0.283 kg/cm2 + 2.783 kg/cm2 = 3.967 kg/cm2.
Como su rango de trabajo normal es de 2.1 a 5 kg/cm2 y como máximo 7 kg/cm2,el filtro
estará trabajando sin algún riesgo al sistema.
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El siguiente paso es calcular las pérdidas de carga de la bomba a la entrada del filtro
de lecho profundo.
# Accesorios Le = KD (cm)
2 Válvulas de globo 1279.8
1 T 31.6
1 Codo de 90 ° 47.4
1 Válvula de retención 79
1 Válvula de
compuerta
20.54
Longitud total = 130 cm +1458.34 = 1588.34 cm = 15.8834 m, sustituyendo este valor
en la ecuación Darcy –Weisbach.
msm
sm
mX
mhf s 35.6
/62.19
)/70.1(
1058.1
88.15034.0
2
2
2
Para las pérdidas de carga por ampliaciones es el mismo resultado que en pasos
anteriores.
mh esampliacion 083.0
Por tanto la pérdida de carga de la bomba al filtro de lecho profundo resulta:
Hfd bomba-filtro = 6.35m + 0.083 m = 6.43m
Resultados:
Pérdidas de
carga
m
hfd 6.43
hfs 0.88
Finalmente como ya conocemos las presiones de entrada y de salida, se procede a
calcular la carga total con la ecuación siguiente.
H = het + hfd +hfs + hvd + (hpd – hps)
H = 1.95 m +6.43 m + 0.88 m + 0.14 m + (39.67 m – 0.25 m)= 48.82 49 m
A esta carga dinámica total le agregaremos un 10 % de factor de seguridad al sistema
por tanto tendremos 53 m.
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IV.5.3.2.5 Cálculo de la potencia de la bomba o caballos hidráulicos
76
QHP
(4.7)
donde:
P = potencia de la bomba en HP,
= peso específico del agua
H = es la carga total en m,
Q = es el gasto requerido en m3/s
Solución: HPmsmX
P 23.076
53*/1033.3*1000 34
IV.5.3.2.6 Potencia del motor
total
M
QHP
76 (4.8)
donde:
total = eficiencia del equipo de bombeo (cuando no se conoce se puede utilizar un valor
de 0.6 ó 60 %.
Solución: HPmsmX
PM 2/138.06.0*76
53*/1033.3*1000 34
Como puede verse, la potencia del motor es pequeña, el inconveniente que se presenta
en los equipos de un solo paso es la operación con una carga dinámica total menor a
30 metros. Para tal cuestión se realizó una búsqueda de una bomba multipasos que
pudiera satisfacer la demanda de 20 lpm y con una carga dinámica total minima de 48
metros, encontrando la marca HSC y el modelo HSC10 (1 HP).
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Figura 4.13 Gráfica de rendimiento de motobombas multipasos de ¾ a 2 HP.
IV.5.3.3 Cálculo de la potencia consumida por el motor operando
Figura 4.14. Esquema de bombeo del pozo Yucateco.
10 % sobre presión
Pozo Yucateco
C.E = 60.0 m
U
10.0 m
a = 3.83 m
14.0 m
20.0 m
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Con los datos que se presentan en la figura 4.14 y de datos de campo se tiene que la
bomba tarda un volumen de 40 m3 en 30 minutos, lo que equivale a tener un gasto de
22.22 litros por segundo, con este dato de la ecuación 4.1 se despeja la velocidad, ya
que el diámetro es conocido y corresponde a 6 pulgadas.
2
3
)0254.0*6(
/022.0*4
smv
v =1.2181 m/s
sustituyendo los valores en la ecuación 4.3
scm
cmscmR
/0068.0
24.15*/81.1212
R =272,997.70
Cálculo de las pérdidas en la descarga
El material de la tubería que se considerara para obtener el ε es fierro fundido oxidado
con un valor de 1.25 mm y una f de 0.021.
# Accesorio K Le =KD
2 Codos 90 ° 30 914.4
1 Válvula de retención 50 762
1 Válvula de compuerta 13 198.12
Total: 1874.16 cm
Longitud total = L tubería + Le = 20 m + 14 m + 60 m + 3.83 m + 10 m + 18.74 m = 126.57
m.
Sustituyendo valores en la ecuación 4.6.
2
2
/62.19
)/21.1(*
1524.0
57.126021.0
sm
sm
m
mhfd
hfd =1.32 m
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Pérdida de carga por bifurcación de 45° (k de 0.48 según Sotelo, 1980), sustituyendo
valores en la ecuación 4.5.
2
2
/62.19
)/21.1(48.0
sm
smhf
hf = 0.0362 m
Pérdida de carga por codo de 180 con bridas (k de 0.17), sustituyendo valores en la
ecuación 4.5.
2
2
/62.19
)/21.1(17.0
sm
smhf
hf = 0.0128 m
Finalmente la pérdida de carga total en la descarga es:
hft = 1.32 m + 0.0362 m +0.0128 m = 1.369 m
Calculo de la Carga dinámica total
CDT = a + C.E m + Elev. pozo + hft
Donde :
a es el abatimiento en m
C.E es la carga estática en m
CDT = 3.83 m + 60 m + 20 m + 1.369 m
CDT = 85.199 m
Sustituyendo este valor en la ec. 4.8.
Donde la eficiencia electromecánica media de operación es de 55 % (Potencia
consumida).
HPmsm
PM 3.4555.0*76
2.85*/022.0*1000 3
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IV.5.4 Especificaciones del Equipo
De acuerdo al estudio referente a la demanda, se requiere producir 160 garrafones
diarios para lo cual debemos tener una cantidad suficiente para satisfacer la producción
y el lavado de los botellones en un día, es por ello que se tiene que disponer de un
tanque con una capacidad de 5000 litros de los cuales solo 3200 litros se ocupan para
embotellarse y 160 litros para el lavado.
Al escoger el sistema más adecuado para el proceso, los fabricantes disponen de
catálogos que proporcionan con facilidad para la selección del equipo. En donde solo se
requiere la producción por hora y tipo de agua que se elaborara, así como el tiempo de
trabajo diario; en este caso se procedió de la siguiente manera:
La planta trabajara 8 horas diarias, teniendo una producción por hora lo siguiente:
(21 garrafones/1 hora) x (20 L/1 garrafón) x (1 h/60 min) = 7.0 l/min.
(7.0 l/min) x(1 galón / 3.785 l) = 1.849 galones/min.
Sin embargo por el porcentaje de recuperación de la osmosis se debe seleccionar los
equipos con una capacidad de 14 lpm (3.698). Pero por cuestiones hidráulicas y de
mercado se seleccionaran los equipos de filtración a Intercambio Ionico con capacidad
de 20 lpm (Esta cifra es el más útil para la selección del equipo), la cual se inicia con un
filtro de lecho profundo, para este y todos los procedimientos se procedió comparando
varias marcas que se encuentran en el mercado que a continuación se presenta en la
tabla 4.16
Algo importante que se debe mencionar respecto al mercado que existe es que no
todas las Empresas disponen de equipos con el flujo que se requiere, por lo que las
marcas que se presentan mas adelante son algunas que manejan caudales pequeños,
ya que por lo general las plantas purificadoras se diseñan con capacidades de mas 400
garrafones diarios y menor a esto los equipos son para uso domestico donde se usan
más los portacartuchos.
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174
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IV.5.4.1 Filtro de lecho profundo
La calidad del filtrado se clasifica en: excelente (10-15 micras); alta (15-20 micras) y
normal (20-30 micras), como nuestra fuente se trata de buena calidad se selecciona la
excelente.
Tabla 4.16 Filtro de lecho profundo de uso comercial.
Marca
Modelo
Flujo (lpm)
Retrolavado (lpm)
Presión (psi)
Caída de P (psi)
de entrada
de salida
T em. de operación
°C
Espacio ocupado
(in)
Consumo- válvula (watts/h)
Costo($) sin IVA
Instapura IPF-08-FV 10-
17-20 20 30-100 8 19 19 40 8x40 120 v $4,280.64
Aquaplus
LPF-M9 7-23 26 30-70 13 19 19 4-34 9x51.18 120 v $3,169.32
Eco-water
NASPFSSA M
7.57-15.14 20 30-70 13 19 19 40 10x48 120 v $6,523.86
Nota: El material de los filtros es de fibra de vidrio.
Selección:
Como podemos observar el filtro que más se adapta a nuestras necesidades es el
modelo LPF-M9, el cual tiene un flujo de 7-23 lpm de excelente calidad, con un área
filtrante de 0.95 ft3, además de ser el que requiere menor presión para su
funcionamiento, y de menor costo de adquisición. Por lo general todas las empresas
dan una garantía de un año. El espacio que se requiere para su instalación en el piso
es de 25x25 cm y una altura de 190 cm.
Los materiales de filtrado para su operación son: Grava de 1/8 a ¼ (9 kg), Gravilla
12/46 o Garnet (9kg), Arena Silica 20/30 (14kg), Arena Silica 30/40 (16kg) y Antracita
(6kg).
IV.5.4.2 Filtro de carbón activado
Algo importante que se debe considerar en la selección de un filtro de marcas
diferentes al proceso anterior es la igualdad de sus diámetros de lo contrario se tendrán
más pérdidas de carga por reducciones o ampliaciones.
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175
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Por otra parte en la selección del filtro, se debe tomar en cuenta si el agua a tratar ha
recibido algún tratamiento químico como cloración, si es así se debe elegir uno que
remueva este problema, ya que el usar uno para remoción de olores y sabores no sería
el indicado.
Los filtros activados del carbón son clasificados generalmente por el tamaño de
partículas que van desde 20 micrones (menos eficaces) abajo a 0,5 micrones (más
eficaces).
Tabla 4.17 Filtro carbón activado de uso comercial.
Marca
Modelo
Flujo (lpm)
Retrolavado (lpm)
Presión (psi)
Caída de P (psi)
de entrada
de salida
T em. de operación
°C
Espacio ocupado
(in)
Consumo- válvula (watts/h)
Costo($) sin IVA
Instapura IPC-09-FV 10 22 30-100 6 19 19 40 9x48 60 ??
Instapura IPC-10-FV 15 19 30-100 6 19 19 40 10x54 60 ??
Instapura IPC-08-FV 8 20 30-100 5 19 19 40 8x40 60 $4,579.05
Aquaplus CAF9 4, 7,15 15 21-
50,70 5.688 19 19 4-34 9x51.18 55 $4692.24
Aquaplus CAF12 9,15,30 30 21,50,70 5.688 19 19 4-34 12X51 55 $6256.32
ECO-WATER
NASPFSSA
C
7.57-
15.14 15 30-50 4 19 19 40 10x48 60 $6,544.44
Selección:
El filtro de carbón activado que se elige es el modelo CAF12, del que solo se necesita
uno; su material es carbón granular, soporte de mineral – grava fina, con una capacidad
de tanque de 43 litros, con un peso de 95 kilogramos, una válvula o control modelo
5000SE. El espacio que requiere para su instalación en el piso es de 25X25 cm y una
altura de 190 cm para el cambio del carbón. Según Aquaplus (2002) la eficiencia de la
mayoría de ellos es de 80 al 90 %.
IV.5.4.3 Intercambio iónico
Como este proceso es él ultimo de la primera parte y el destino del agua es un
depósito, para la selección del modelo no se considera mucho la caída de presión, pero
si la presión de operación.
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Tabla 4.18 Ablandamiento de uso comercial.
Marca
Modelo
Flujo (lpm)
Retrolavado (lpm)
Presión (psi)
Caída de P (psi)
de entrada
de salida
Tem. de operación
°C
Espacio ocupado
(in)
Consumo- válvula (watts/h)
Costo($) sin IVA
Instapura IPS-
22-FV 30-38
8 30-100
5-13 19 19 40 8x40 120/60 $4,177.74
Ecowater IRK38 7.57-15.14
9 40-50 12. 25.4 25.4 40 10X48 120/60 $7,017.78
Aquapluss G-20 30-45 9 30-70 8.532 19 19 4-34 9X45.27 120/60 $5,916.75
Selección:
El modelo seleccionado es el IPS-22-FV, tiene una capacidad de 22500 granos por
cada 5 kg de sal; la cantidad de agua para el flujo de retrolavado es menor respecto a
los demás; La pérdida o caída de presión al pasar el agua por su cuerpo filtrante es de
0.75 ft3,además acupa menos espacio y su válvula es totalmente automática.
El cálculo del modelo a seleccionar se realiza de la siguiente manera:
Dureza total (ppm) ÷ 17.1 = 135.95 ppm*17.1=7.950526 GPG (Granos por galón).
GPG x Galones por día = 7.95052 gpg*1775.429 gpd = 14115.59 Granos necesarios
en un día.
La regeneración se realizará con 15 Ibs por cada pie cúbico de resina, para que tenga
mayor eficiencia y menor tamaño del tanque.
Para encontrar el tamaño del tanque se dividen los granos necesarios en un día por los
granos que hay en 15 Ibs de sal.
Tamaño filtrante = 14115.59/30000 =0.47 ft.
Con este valor el diseñador entra a los catálogos para verificar que modelo esta mas
próximo a sus requerimientos. En este caso como ya nos indican la cantidad de granos,
lo que nos resta es solo dividir los granos que dispone nuestro modelo con los granos
necesarios en un día.
Tiempo de regeneración = 22500 granos/ 14115.59 granos / día = 1.59. días (12.72
horas).
Sin embargo Dávila (2002), la regeneración debe realizarse cada fin de semana
siempre que el tratamiento que le procede sea la ósmosis inversa.
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IV.5.4.4 Osmosis inversa
La característica esencial para la selección de este sistema es el tiempo de trabajo, ya
que se puede optar para un trabajo de 24 horas o un flujo contínuo para operar 8 horas
de jornada laboral y obtener el volumen al que fue diseñado todo el sistema.
Tabla 4.19 Sistemas de ósmosis inversa comerciales.
Marca
Modelo
Flujo (lpm)
Bomba (HP)
% de recuperación
Medidas de membranas
Cantidad de
membranas
Presión de
operación (psi)
Tem. de operación
°C
Consumo- válvula (watts/h)
Costo($) sin IVA
Instapura IPRO-HXL-2000
7.360 1 50-33 4X40 1 40 25 120/60 $39,822.30
Eco-water
R2F40 7.570 1 50-30 4X40 2 40 25 120/60 $49,783.02
Eco-water
R2D40 2.5236* ½ 50-60 4X21 1 40 25 120/60 $32,310.60
* se requiere de un tanque de almacenamiento para operar las 24 horas y producir 191 garrafones /día.
Seleccion:
De acuerdo a sus características se opta por el modelo IPRO-HXL-2000, las
consideraciones que se tomaron fueron, el número de membranas con las que
disponen, la potencia de su motor, el costo de adquisición y el gasto de operación más
cercano al requerido.
Características del Sistemas: Montaje Horizontal: Marco de metal con pintura
horneada, membranas TFC ULP-baja presión, portamembranas de PVC, manómetro,
switch de nivel para tanque de almacenamiento, válvula solenoide de bronce para la
entrada, válvulas de aguja para desecho y recirculación, medidores de flujo para
producto y desecho, bomba multipaso, prefiltro de 5 micras, tubería de alta presión y
caja de control de fibra de vidrio. La caja de control incluye: switch de encender/apagar,
switch de baja presión, controles de nivel de bajo voltaje, retraso de tiempo automático,
posición de encendido de luces, luz de baja presión, relay de encendido de 50 AMP.
Medidor de S.T.D. integrado marca Hanna, digital de 1 a 999 ppm. Notas: Los rangos
de recuperación son determinados por la alimentación de agua y el pretratamiento
utilizado. La producción está basada en agua de alimentación a 25ºC @ 500 ppm de
S.T.D.
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IV.5.4.5 Radiación ultravioleta
Tabla 4.20 Lámparas de radiación ultravioleta comerciales.
Marca
Modelo
Flujo (lpm)
Presión de operación máxima (psi)
Caída de presión (psi)
Dimensiones: frente-fondo-altura (cm)
Φ de entrada (mm)
φ de salida (mm)
Dosis µws / cm
3
Tempe-ratura °C
Consumo- (watts/h)
Costo($) sin iva
aquaplus 2SSUV
M 7.6 125 4.266 51X14X34 9.7 6.4 30,000 30 16 $2,630.64
aquaplus 2VEM 7.6 125 4.266 29X14X35 12.7 6.4 30,000 30 16 $1,893.36
Econext (Sterilght)
S2Q 7.57 125 5 47X6.5X6.5 12.7 12.7 32,000 30 45 $3,508.89
Sanitron S14 7.57 5-100 5 41X13.81X2
0.79 12.7 12.7 30,000 30 14 $8,452.50
Mighty Pure MP13 7.57 5-100 5 34.29X10.95
X21.27 12.7 12.7 30,000 30 10 $6,095.00
Eco-water (Sterilght)
S5Q 7.57-15.14
125 5 -------- 19 19 30,000 30 45 $3,848.46
Selección:
Los parámetros importantes para la selección de este tratamiento es la presión mínima
para su operación, el consumo de energía eléctrica, el diámetro de entrada y salida, y el
más actual en el mercado.
El modelo seleccionado es MP13, el cual opera arriba de 5 psi, sin embargo para una
buena aplicación de la radiación, el flujo debe ser turbulento. Como el sistema de
ósmosis inversa opera a 40 psi, la presión del permeado es baja y para aumentar la
velocidad del flujo el diámetro de entrada a las lámparas no debe disminuir la presión
de tal.
Este modelo consta de un prefiltro de 5 micras, un retardador de tiempo o de flujo para
permitir un periodo de calentamiento de tubo de 2 minutos antes de que el agua fluya a
través de la unidad válvula solenoide, válvula de control de flujo, monitor de UV, alarma
automática de funcionamiento, contador de horas, consumo eléctrico de 120v/60Hz,
una dosis mínima aplicación de 16,000 µws / cm3, las partes en contacto con el líquido
son de acero inoxidable y un soporte para montaje en la pared.
Los otros modelos tienen un precio bajo pero no incluyen los dispositivos para la
instalación adecuada.
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IV.5.4.6 Generador de ozono
El generador y dosificador de ozono al agua purificada es un modelo Wp/250 MG el
cual consta de un filtro secador de aire mod. IPSE que incluye un porta cartucho # 10
SL transparente, 1 soporte de muro #5, 2 conexiones Jac o 1 tapon 3/8, y una carga de
material IPTM.
El precio es de: $9,321.71 con IVA incluido.
IV.5.4.7 Lavadora de garrafones
El sistema de lavado modelo L-3 (3 garrafones simultáneamente) está construido
enteramente de acero inoxidable e incluye válvulas, tuberías, boquillas y está integrado
por una Tarja dividida en 3 partes, una para lavado exterior, lavado interior y enjuagado
interior fabricada de acero inoxidable. Un carro deslizable para lavado y enjuagado del
garrafón. dos bombas de 1 HP. (una para el lavado con detergente y la otra para el
enjuague) en acero inoxidable marca ESPA. Una regadera, sistema eléctrico y con
hidráulico integrado. Base en acero estructural recubierta con pintura epóxica. Cubierta
lateral de acrílico para que no salpique el agua.
El precio es de: $15,500.00 sin IVA.
IV.5.4.8 Llenadora de garrafones
El sistema de llenado L-2 (2 garrafones simultáneamente) consta de una mesa de
acero al carbón o aluminio móvil para evitar hacer obra, Equipo hidroneumático de 3/4
de HP con cabezal de acero inoxidable.
El precio es de: $8,232.00 sin IVA.
IV.5.4.9 Sistema de transporte
Se dispondrá de una camioneta pick-up Nissan, la cual se adquirirá en su momento con
un precio de adquisición de $147,839.
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IV.5.4.10 Superficie para la instalación
Se requiere un máximo 35.3 metros cuadrados.
IIVV..66 EEssttiimmaacciióónn ddee CCoossttooss
El siguiente estudio se realiza considerando los costos de una planta de tratamiento con
una inversion en: equipo de producción, equipo de oficina o mobiliario y de mas
accesorios, el pago por bombeo de la materia prima, la adquisicion de un vehículo para
el reparto, gastos por administración, construcción de la obra civil y considerando que
ya se tiene el terreno.
IV.6.1 Constitución de la Empresa
Para obtener el acta constitutiva de una empresa S.A. de C.V., es necesario acudir a la
Secretaria de Relaciones Exteriores, donde se autoriza la constitución de la sociedad,
posteriormente, se formaliza ante un notario público y se inscribe en el registro público
de Comercio de la SECOFI. Al mes siguiente se acude a la Secretaria de Hacienda y
Crédito Público para solicitar su inscripción en el Registro Federal de Contribuyentes,
donde se recibe una clave que le identifica ante la autoridad fiscal.
También debe de solicitarse una Licencia de Funcionamiento expedida por el gobierno
municipal de la localidad donde esta empresa se establezca. Ante la Secretaria de
Salud o de los gobiernos estatales donde se pide una autorización que tiene la forma de
Licencia Sanitaria o permiso sanitario.
Registrar la marca para tener propiedad autoral conocida como derechos de autor ante
México en el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial (IMPI).
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IV.6.2 Requerimientos de la Mano de Obra
El requerimiento del personal para iniciar la operación de la planta, se muestra en la
tabla 4.21, también se hace mención del salario que corresponde al área geografica A
que se tiene en la república mexicana.
Tabla 4.21 Requerimientos de personal.
Personal Cantidad Sueldo Diario total*
Operador 1 55.5
Chofer o distribuidor 1 60.9
Administración 1 54.9
Total: 3 $171.3
* Fuente: Comisión nacional de los salarios minimos
IV.6.2.1 Descripción del puesto
Operador. Tiene a su cargo el lavado, llenado, colocación de la tapa, sello y etiquetado
de los garrafones y envases; inspección del producto de acuerdo a las normas de
calidad y transporte al almacén y/o vehículo de repartición. Este se considera mano de
obra directa.
Chofer o distribuidor. Tiene a su cargo la distribución del producto conforme se solicite
en cada departamento. Este puesto se considera dentro del personal administrativo.
Administración. Su función es llevar acabo la administración financiera de la empresa y
la realización de pedidos de material u accesorios que se requieran.
IV.6.3 Programa de Producción
Para la elaboración del agua de garrafón, se tiene estipulado una demanda del 73.58 %
la cual corresponde a 12.266 metros cúbicos a la semana como inicio; e
incrementando anualmente un 10 % hasta llegar a lo que se tiene proyectado de 14.98
m3/semana, donde la producción se volverá constante el resto de vida de la planta.
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De acuerdo al estudio de mercado son necesarios las siguientes indicaciones de
trabajo:
Se trabajara un turno de lunes a viernes (un operador).
Cada turno será de 8 horas.
Comprenderá de 8-17 hrs.
Los días no laborables de acuerdo con políticas de la empresa y oficiales que se
otorgan a nivel nacional son 16 días y en base al calendario escolar se trabajara tan
solo 198 días (38.6 semanas).
IV.6.3.1 Requerimientos de la materia prima
Agua.- Se ministrara de la red del pozo (Yucateco) que esta al norte de la entrada
principal de la Uach (ver tabla 4.8).
Envases.- Serán de plástico de PVC, resistentes al frío, calor; como lo exige la norma
NOM-041-SSAA1-1993. En el caso de las presentaciones menores estas serán de
material PET. Los requerimientos anuales se presentan en la tabla 4.22.
Tapas.- Estas deberán ser material inocuo y resistentes de tal manera de no producir
sustancias toxicas u altere la calidad del producto.
Etiqueta.- En esta deberán contener los datos indispensables de la planta y producto
tales como: Logotipo de la empresa, nombre o marca comercial, nombre o razón social
del fabricante, dirección del fabricante, contenido en unidades de volumen, lugar de
fabricación, lote o clave de producción y fecha de caducidad.
Sellos.- Estos se adhieren alrededor de la botella donde debe llevar el nombre de la
empresa.
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Tabla 4.22 Materia prima requerida mensualmente para el primer año.
Materia prima
Periodo Agua Envases de 500 y 1500 ml Garrafones de 19 litros
Sellos Etiquetas Tapas Envase Etiquetas Tapas
Mes L millar millar
Enero 34,346.69 4.04 4.04 4.04 4.04 1.68 1.68
Febrero 46,613.37 5.48 5.48 5.48 5.48 2.28 2.28
Marzo 34,346.69 4.04 4.04 4.04 4.04 1.68 1.68
Abril 53,973.37 6.35 6.35 6.35 6.35 2.64 2.64
Mayo 49,066.70 5.77 5.77 5.77 5.77 2.40 2.40
Junio 22,080.02 2.60 2.60 2.60 2.60 1.08 1.08
Julio 19,626.68 2.31 2.31 2.31 2.31 0.96 0.96
Agosto 53,973.37 6.35 6.35 6.35 6.35 2.64 2.64
Septiembre 46,613.37 5.48 5.48 5.48 5.48 2.28 2.28
Octubre 56,426.71 6.64 6.64 6.64 6.64 2.76 2.76
Noviembre 46,613.37 5.48 5.48 5.48 5.48 2.28 2.28
Diciembre 22,080.02 2.60 2.60 2.60 2.60 1.08 1.08
Total/anual 485,760.33 57.13 57.13 57.13 57.13 23.79 23.79
m3/anual 485.76
IV.6.4 Estudio Económico
IV.6.4.1 Presupuesto de costos de producción
IV.6.4.1.1 Costos de bombeo de la materia prima
Los costos de bombeo se dividen en tres grupos: costos directos, costos de operación y
los costos de mantenimiento y reparación, según Palacios (1995). Para este caso, como
el equipo ya se encuentra instalado, los costos directos se dan por cubiertos y solo se
consideran los costos de operación de mantenimiento y reparación.
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1. Costos de operación (CO).
Para calcular estos costos fue necesario conocer el consumo horario de energía por el
motor y también la tarifa vigente de costos por kilowatts-h.
La potencia consumida por el motor operando es de 45.3 H.P. que convertidos a Kw da:
1HP = 0.745 KW
45.3 HP = 0.745* 45.3 = 33.74 KW
De dato de campo tenemos que la bomba trabaja aproximadamente 1 hora por día, y
de acuerdo al calendario de la Universidad, la bomba solo trabaja 318 (10.45 meses)
días al año; lo cual al mes resulta:
meshorasMensualOperacióndeHoras /30.41645.10
318*1
El consumo mensual es:
MesKWmes
h
h
KWMensualConsumo /52.0261
1
30.416
1
7.33
2.Costos por consumo de electricidad
Para calcular estos costos fue necesario conocer el consumo horario de energía por el
motor y también la tarifa vigente de costos por KW-h.
Tabla 4.23 Tarifa 6 de energía eléctrica para el bombeo de agua potable.
Cargos Ene. Feb. Mar. Abr. May. Jun. Jul. Ago. Sep. Oct. Nov. Dic. Fijo ($) 158.80 159.57 160.34 161.11 161.89 162.67 163.46 164.25 165.04 165.84 166.64 167.44 Energía ($/KWh)
0.874 0.878 0.882 0.886 0.890 0.894 0.898 0.902 0.906 0.910 0.914 0.918
Para estimar costos anuales se toman como costos de la tarifa el promedio de los
meses de Junio y Julio o también el promedio anual(Gutiérrez, 2002). En este caso
como los meses de Junio y Julio no se labora en su totalidad se considera la media
anual.
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Media anual: $0.896 Kwh.
Para cargos fijos: $163.088/ mes
Obtenidos los datos anteriores se calculó el consumo mensual de energía, y de esa
manera calcular los costos por consumo de electricidad con la siguiente expresión:
CCE = CF +CC*KC (4.9)
Donde:
CCE, es el costos por consumo de electricidad, en $.
CF, son los cargos fijos.
CC, son los cargos por KW-h consumido.
KC, son los KW/mes consumidos.
Sustituyendo los valores en la Ecuación 4.9 se tiene:
mes/ $1082.8552.0261*896.0088.163 CCE
CCE = 1082.85*10.45 = $11315.78/ Año.
CCE = $11 315.78/ Año.
3. Los Costos por operador se calcula con la siguiente expresión.
CO = SD (365 + 40) (4.10)
Donde:
CO, es el costo por operador, en $
SD, Salario diario del operador, en $
365, Son los días de operación al año, adimensional
40, son los días de aguinaldo anuales para el operador, adimensional.
De dato de Servicios de mantenimiento de la Uach tenemos que el salario diario del
operador es:$55.0.
De acuerdo a la ecuación (4.10) los costos por operador son:
CO = 55*(365+40) = $22 275/ Año
CO = $ 22 275 / Año
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Por lo que los costos totales anuales por operación son:
CO = CCE + CO (4.11)
CO = $11 315.78 + $22 275= $33 590.78/ Año
CO = $33 590.78/ Año
4.Costos de mantenimiento y reparación(CMR).
Los costos de mantenimiento y reparación se estiman como un 15 % de los costos de
perforación del pozo y de los costos de la red de agua potable mas un 4 % del equipo
de bombeo y subestación eléctrica ( FIRA,1995) citado por Gutiérrez (1999).
En este caso no se sigue el procedimiento que se menciona anteriormente, ya que por
fuente de Servios Mantenimiento de la Uach, los pozos se les realiza una inversión
cada tres años con un costo total de 28 mil pesos, por tanto anualmente se requiere
una acumulación de $9,333.3.
CMR = 9 333.33/año
Una vez obtenidos los costos de operación se obtienen los costos de bombeo con la
siguiente expresión:
CB = CO + CMR (4.12 )
Donde:
CB, son los costos de bombeo, en $
CO, son los costos de operación, en $
CMR, son los costos de mantenimiento y reparación, en $
Entonces los costos de bombeo (CB) anuales según la fórmula (4.12) son:
CB = $33 590.78+ 9 333.33 = $ 42 924.11/ año
Ahora se calculan los costos por metro cúbico bombeado (CMB).
De dato de campo se tiene que la bomba tarda en llenar un volumen de 40 m3 media
hora y que la población demanda 2 veces ese volumen por día. Por lo que al año
demanda el siguiente volumen:
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Volumen anual demandado = 40 * 2 * 318 = 25440m3/Año
Por lo que el costo por metro cúbico bombeado (CMB) es el siguiente:
25440
42,924.11 CMB $ 1.69 / m3
CMB = $1.69 / m3
5.Costo del equipamiento.
El costo del equipamiento (bomba y motor eléctrico) se estimó con el modelo siguiente.
(World Bank, 1999 citado por Gutiérrez, 1999).
826.008966...37.147 QTDCCE (4.13)
Donde:
CE es el costo de equipamiento, en pesos de 1996
CDT es la carga dinámica total, en m
Q es el gasto, en lps
Sustituyendo datos, en ecuación 4.13:
826.008966 22.22*2.85*37.147EC
CE = $102 719.24
Como los costos de equipamiento se estimaron en pesos de 1996, se lleva a valores
actuales con la siguiente expresión, según Thuesen et al (1986):
nPF )1( (4.14)
Donde:
F es el valor futuro, en $
P es el valor presente, en $
λ es la tasa de inflación anual, en decimal
n, es el número de años, adimensional
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Al pozo en cuestión se le realizo una inversión total en el año de 1995, si la vida útil de
la bomba es de 12 años y la del motor es 20 años (Turner & Anderson, 1980 citado por
Palacios, 1998), se puede tomar la media de ambos equipos (16 años) según Gutiérrez,
2003 (comunicación personal), ya que no siempre tienen la duración propuesta debido
a la variación de las condiciones de operación. Al equipo de bombeo sólo le restan 8
años de vida útil.
Tabla 4.24 Costo del equipo de bombeo a través de los años.
Año Inflación anual
acumulada (%)
Costo de equipamiento ($)
nPF )1(
1997 14.7 117,818.97
1998 17.2 138,083.84
1999 11.69 154,225.84
2000 8.61 167,504.68
2001 4.31 174,724.13
2002 5.57 184,456.27
2008 6* 293,995.27
*Valor propuesto del 2003 al 2008, según los valores
promedio de los últimos años.
El valor de adquisición de la Bomba y el Motor en el año 2008 será de $293 995.27, el
volumen que ocupa la Planta de Tratamiento es del 3.49% respecto al total del agua
bombeada anualmente, por lo que se tiene que disponer de $10,260.00 en el año 2008,
para realizar una inversión en la compra del nuevo equipo.
IV.6.4.1.2 Costos de la materia prima y envases para el primer año
Tabla 4.25 Costos de la materia prima y envases.
Costo de Materia Prima
Concepto Cantidad Requerida Costo Unitario (pesos) Costo total Anual (pesos)
Agua / L 485,760.33 1.69 820.93
5 % lavado 24288.0165 1.69 41.05
50 % segurid. 242880.165 1.69 410.47
subtotal: 752,928.51 1.69 $1,272.45
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Continuación...
Garrafones
Envase/pza 800 23.5 18800.00
Tapa/millar 23.79 175 4164.06
Etiquetas 23.79 80 1903.57
subtotal: $24,867.64
Envases de 0.5 litros
Envase/pza 52034.40 0.6 31220.64
Tapa/millar 52.03 100 5203.44
Etiq/millar 52.03 75 3902.58
sello/millar 52.03 80 4162.75
subtotal: $44,489.41
Envases de 1.5 litros
Envase/pza 5096.52 0.9 4586.87
Tapa/millar 5.10 100 509.65
Etiq/millar 5.10 75 382.24
sello/millar 5.10 80 407.72
subtotal: $5,886.48
Total: $76,515.98
*Se toma como inversión de activo fijo de producción.
Estos datos corresponde a una producción al 73.58 % de la planta, e incrementando
anualmente hasta el quinto año de vida, para posteriormente ser constante (ver tabla
4.26).
Tabla 4.26 Envases y embalajes para la producción de la planta a lo largo de su vida
útil.
Garrafones 0.5 litros 1.5 litros Monto total Año Tapas /sellos Envases Tapas-sellos-Etiq. Envases Tapas-sellos-Etiq.
1 23.79 52,034.40 52.03 5096.52 5.10 $76,515.98
2 25.96 54,386.64 54.39 5606.17 5.61 $79,779.69
3 28.33 56,974.10 56.97 6166.79 6.17 $83,369.77
4 28.99 59,820.31 59.82 6783.47 6.78 $86,720.98
5 28.99 62,951.15 62.95 7461.81 7.46 $90,188.10
6 28.99 62,951.15 62.95 7461.81 7.46 $90,188.10
7 28.99 62,951.15 62.95 7461.81 7.46 $90,188.10
8 28.99 62,951.15 62.95 7461.81 7.46 $90,188.10
9 28.99 62,951.15 62.95 7461.81 7.46 $90,188.10
10 28.99 62,951.15 62.95 7461.81 7.46 $90,188.10
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IV.6.4.1.3 Otros materiales
Tabla 4.27 Otros materiales.
Concepto Costo Mensual Costo Anual
Material eléctrico 45.0 $356.40
Útiles de Aseo 70.0 $554.40
Cofias, guantes, cloro. 20.0 $158.40
Detergente. 58.3 $461.74
Total 193.3 $1,530.94
IV.6.4.1.4 Consumo de energía eléctrica
En el tren de tratamiento se cuenta con sistemas que requieren de cierta presión y
algunos otros utilizan controles como: Válvulas automáticas; motores que funcionan con
energía eléctrica; en la tabla 4.28 se muestran los equipos que usan energía eléctrica.
Tabla 4.28 Equipos que requieren energía eléctrica.
Equipo # de
unidades
Hp kw-h / unidad
Kw-h / dia Kw-h / año 5% improvistos
Carga total (Kw/h)
Costo anual
Filtros 1 1.00 0.745 5.96 1180.08 1239.08 0.782 1,234.75
Osmosis 1 1.00 0.745 5.96 1180.08 1239.08 0.782 1,234.75
Llenadora 1 0.75 0.558 4.46 883.87 928.07 0.586 924.82
Lavadora 2 1.00 1.49 11.92 2360.16 2478.17 1.565 2,469.49
Inyec.Ozono 1 0.50 0.372 2.98 589.25 618.71 0.391 616.54
Válvulas 4 0.24 1.92 380.16 399.17 0.252 397.77
Lámpara Uv. 1 0.015 0.36 131.40 137.97 0.087 253.45
Generación O3 1 0.03 0.24 47.52 49.90 0.032 49.72
Pistola Termo.. 1 1.2 9.60 1900.80 1995.84 1.260 1,988.85
Total 5.395 43.40 8653.32 $ 9,170.15
Según los datos de tabla se tiene un consumo de 5.395 Kw.-h; siendo menor a 25 Kw.-
h, correspondiendo a una contratación de servicio de energía eléctrica de baja tensión
con una tarifa de $0.9965 kw-h y un costo de $ 300 por la bajada (CFE, 2002).
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IV.6.4.1.5 Costos de mano de obra directa
Tabla 4.29 Costo de la mano de obra directa.
Personal Cantidad Sueldo Diario total Sueldo mensual
Sueldo / anual
Operador 1 55.5 1688.125 20,257.5
A este total anual hay que agregarle un 35 % de prestaciones que incluye el pago al
fondo de vivienda (INFONAVIT en México), vacaciones, aguinaldos, y días de descanso
obligatorio. Por tanto el costo de la mano de obra directa es igual a:
20,257.5 $/año x 1.35 = $27,347.625/año.
IV.6.4.1.6 Combustible
El único gasto atribuible a combustible durante la producción es material (sal común)
para regenerar la resina el cual tiene un costo de $60 bulto. Si la regeneración se
realizara cada 12 horas con un consumo de 5 kg, la cantidad requerida anualmente
será la siguiente:
1584 horas/ año x 1 regeneración / 12 horas x 1 bulto / 6 regeneraciones x $60/bulto =
$1,320 /año.
Sin embargo por recomendación de Dávila (2002), la regeneración debe realizarse cada
fin de semana por lo tanto los costos son menores.
1584 horas/ año x 1 regeneración / 40 horas x 1 bulto / 6 regeneraciones x $60/bulto =
$463.5 / año.
IV.6.4.1.7 Mantenimiento
Los costos de mantenimiento implican una revisión periódica de los sistemas del tren de
tratamiento. Los equipos que requieren mantenimiento son los siguientes:
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Tabla 4.30 Costos por mantenimiento al equipo del tren de tratamiento terciario.
Equipos Unidad. Costo Unitario Tiempo Costo unitario / anual $ / anual *
Filtro de lecho profundo 1 1000 3 años 333 208
Filtro de carbón activado 1 250 3 meses 1000 663
Suavizador 1 422 3 años 141 88
Membrana de Osmosis Inversa 1 900 2 años 450 280
Lámpara de UV 1 422 1 año 422 422
Porta cartuchos 2 100 1 año 200 125
Total: $/anual $1,744.47
* Los costos son menores ya que se considero que la planta sólo operara 198 días.
IV.6.4.1.8 Costo de control de calidad
Según la Norma oficial Mexicana es de observancia obligatoria que las personas
físicas y morales que se dedican a este proceso deben acatarse a las especificaciones
que establece la NOM-041; y de esa manera dar confiabilidad y garantía de calidad del
producto.
Generalmente las plantas con gran producción tienen su propio laboratorio, en este
caso es más económico realizarlos en un laboratorio, con frecuencia de un mes.
Tabla 4.31 Parámetros más importantes para iniciar en el mercado del agua purificada
y envasada.
Análisis Químico
Parámetros $ / muestra
Carbonatos (CO3-2
) 28
Cloruros (Cl-1
) 32
Sulfatos (SO4-2
) 32
Calcio (Ca+2
) 31
Magnesio (Mg+2
) 31
Sodio (Na+1
) 28
pH 17
Total: $199
Fuente: Laboratorio General de Suelos.
Según Dávila (2002), la planta periódicamente se le debe realizar un análisis del agua
purificada.por lo menos cada dos meses (plantas pequeñas).
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El costo total anual = ($199 /mes) X (198 días /25 días-mes) x (1 análisis / 1 meses) = $
1576.08 año.
IV.6.4.1.9 Presupuesto de costos de producción
A continuación se muestra un resumen de los costos de producción.
Tabla 4.32 Presupuesto de costos de producción.
Concepto Costo total anual
Materia Prima $ 76,515.98
Otros materiales $1,530.94
Energía Eléctrica $7,506.21
Combustible $1,080.00
Mano de Obra directa $27,347.63
Mantenimiento $1,744.47
Control de Calidad $1576.08
Depreciación. $62,160.20
Total: $ 179,461.97
IV.6.4.1.10 Presupuesto de gastos de administración
Como la planta es muy pequeña esta contara con una persona encargada de la
administración y un chofer. El sueldo del personal se presenta a continuación.
Tabla 4.33 Costos del personal administrativo.
Personal Cantidad Sueldo Diario total Sueldo / anual
Administración 1 54.90 20,038.5
Chofer y repartidor 1 60.90 22,228.5.
Total: 2 115.8 42,267.0
Con prestaciones (35%) 156.33 $ 57,060.45
Fuente: Comisión Nacional de Salarios Mínimos, 2002.
Además la administración tiene otros egresos como los de oficina, los cuales influyen,
papelería, facturas, café, teléfono y otros.
El monto mensual estimado es: $500; descifrado de la siguiente manera:
Facturas = $ 60. Café = $30.
Hojas = $10. Teléfono = $400
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Monto total anual:$500 x 7.9 meses laborables = $ 3950
Por lo que el monto total por gastos de administración es el siguiente: $61,010.45
IV.6.4.1.11 Presupuesto de gasto de venta
En este apartado no se incluye otra persona para realizar el reparto, pues el chofer
cumple esta función; por lo cual solo se incluyen los gastos de mantenimiento del
vehículo de reparto, el combustible que consume. Teniendo los costos anuales
siguientes:
Mantenimiento anual de los vehículos:$2500 por llantas.
Combustible de los vehículos: ($22 aceite cada 10,000 km) + (15,800 gasolina) = $
15,822
Los $15,800 son considerando que la camioneta solo realizará maniobras en la
Universidad y periódicamente fuera de ella, por lo que se estima un gasto de $400
pesos en 5 días laborables.
Total anual = $ 18 322.0
IV.6.4.1.12 Costos totales de producción
Con todos los datos anteriores se calcula el costo de producción, que se muestra en la
siguiente tabla:
Tabla 4.34 Costos totales de producción.
Concepto Costo total anual
Materia Prima $ 76,515.98
Otros materiales $1,530.94
Energía Eléctrica $7,506.21
Combustible $1,080.00
Mano de Obra directa $27,347.63
Mantenimiento $1,744.47
Control de Calidad $1576.08
Depreciación. $62,160.20
Total: $ 179,461.97
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IV.6.4.1.13 Costo total de operación de la empresa
En la tabla 4.35 se muestra el costo total que tendría la planta para producir agua
purificada. Debe tomarse en cuenta que estos costos corresponden al año cero antes
de realizar la inversión.
Tabla 4.35 Costos totales de operación del tren de tratamiento terciario.
Concepto Costos
Costos de producción $ 179,461.97
Costos de administración $61,010.45
Costos de ventas $18,322.0
Total: $258,794.42
Costo Unitario/ m3 $258,794.42./(485.760 m
3/anual)
= $532.76/m3
Como un metro cúbico tiene 1000 litros, se procede a dividir el costo unitario. El cual se
presenta a continuación:
$ 532.76/ m3 x (1 m3/ 1000 litros) = $0.532 / litro.
Por lo que el precio mínimo de un garrafón de 19 litros es de $ 10.12 y el envase de 0.5
y 1.5 litros tendría un costo de $0.266 y $0.798 respectivamente.
Un precio de venta en el mercado de $12.15 pondría en desventaja a otras marcas, que
se entregan en las oficinas a $12.45.
Respecto a las presentaciones menores de 0.5 y 1.5 litros; se propone que el precio de
venta al distribuidor si lo hay sea de $ 1.5 y $3.5 respectivamente, lo anterior es de
acuerdo al estudio de mercado que se presento en la tabla 4.7, tal precio daría
oportunidad de introducir este producto al mercado con mayor éxito.
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IV.6.4.1.14 Ingresos de la planta con una capacidad del 73.58%
Tabla 4.36 Ingresos de la planta a lo largo del año.
año 1
Garrafones 0.5 litros 1.5 litros
Mes Ingresos/mes (pesos) (pesos) (pesos)
Enero 20,441.77 4,599.00 1,261.26
Febrero 27,742.40 6,241.50 1,711.71
Marzo 20,441.77 4,599.00 1,261.26
Abril 32,122.78 7,227.00 1,981.98
Mayo 29,202.53 6,570.00 1,801.80
Junio 13,141.14 2,956.50 810.81
Julio 11,681.01 2,628.00 720.72
Agosto 32,122.78 7,227.00 1,981.98
Septiembre 27,742.40 6,241.50 1,711.71
Octubre 33,582.90 7,555.50 2,072.07
Noviembre 27,742.40 6,241.50 1,711.71
Diciembre 13,141.14 2,956.50 810.81
Subtotal /anual 289,105.00 65,043.00 17,837.82
Total: $371,985.82
IV.6.4.1.15 Inversión inicial en activo fijo y diferido
Estos corresponden a todos los necesarios para la operación de la empresa desde los
puntos de vista de producción y administración y ventas.
Activo fijo de Producción
Tabla 4.37 Activo fijo de producción.
Activo fijo de Producción
Cotización de Maquinaria y Accesorios
Concepto Cantidad Costo Unitario sin IVA
5 % Fletes Costo total con 15 % IVA
Tanque para agua cruda* 3 5,631.00 300.00 16,893.00
Motobomba* 1 1,650.00 50.00 1,650.00
Filtro de lecho profundo 1 3,169.32 182.24 3,644.72
Filtro de Carbón Activado 1 4,692.24 269.80 5,396.08
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Continuación...
Suavizador 1 4,177.74 240.22 4,804.40
Osmosis Inversa 1 39,822.30 2,289.78 45,795.65
Filtro pulidor de 5 micras* 2 100.00 - 200.00
Equipo de rayos ultravioleta 1 6,095.00 350.46 7,009.25
Inyección de Ozono* 1 9,321.71 466.09 9,321.71
Lavadora L-3 1 15,500.00 891.25 17,825.00
Llenadora L-2 1 8,232.00 473.34 9,466.80
Pistola Maquita* 1 850.00 - 850.00
Válvula de compuerta* 2 25.00 - 50.00
Válvulas de retensión* 1 65.00 - 65.00
Válvulas de Globo* 5 18.00 - 90.00
Conexiones T* 2 32.00 - 64.00
Codos 90°* 6 5.50 - 33.00
Reducciones y ampliaciones* 8 6.00 - 48.00
Tubería Hidráulica C-10* 4 135.00 - 540.00
Subtotal: $101,091.89 $5,603.11 $124,695.29
Total: $130,298.41
Activo fijo de Oficina
Tabla 4.38 Activo fijo de oficina.
Concepto Cantidad Costo total en pesos
Computadora e impresora 1 $ 8000
Equipo y Mobiliario de Oficina Varios $ 5000
Teléfono $1600
Total: $14,600
Activo fijo de Ventas.
El activo fijo de ventas corresponde a la camioneta marca Nissan, mod.02 con un precio de adquisición de $147,839.00.
IV.6.4.1.16 Obra civil
El terreno, que se va a emplear de acuerdo al espacio que ocupa cada parte del tren de
tratamiento terciario y algunos otros aspectos importantes como oficina, almacén.
La superficie a construir es la siguiente: 35.31 m2 (5.5 x 6.42 m).
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3 Tanque de almacenamiento: 6.75 m2 Filtros- Carbón Activado e Intercambio Iónico: 0.355 m2
Osmosis Inversa: 1.065 m2 Lavadora de garrafones: 0.9 m2 Llenadora de Garrafones: 0.75 m2 Oficina: 3 m2
Otros: 22.49 m2 Total: 35.31 m2
Sabemos por fuente de Proyectos de Servicios Generales de la Uach que el costo por
metro cuadro de construcción es de $3897/m2. Este precio es atribuible a una
construcción con pisos de Loseta, paredes aplanadas y techo de concreto.
Oficina
Lavadora
Lle
nadora
Tanque
Tanque
Tanque
OI
FiltrosBomba
Almacen
Inyeción de O
UV
3
550
2.0 m
1.5 m
6.42 m
1.5 m
1.5 m 1.5 m1.42 m
0.25 m
N
0.5 m
1 m0.5 m1. m
0.75 m
Figura 4.15. Esquema de ubicación del sistema de producción.
El monto por la obra civil es: $3897/m2x 35.31 m2 = $137 564.10
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IV.6.4.1.17 Activo diferido
Este comprende todos los activos intangibles de la Planta tales como planeación e
integración (3 % de inversión total sin activos diferidos), ingeniería del proyecto (3.5 %
de inversión en activos de producción), supervisión (1.5 % de inversión total sin activos
diferidos) y administración del proyecto ( 0.5 % de inversión total sin activos diferidos)
hasta la puesta en funcionamiento de tal.
Tabla 4.39 Activos diferidos.
Concepto Costo
Planeación e integración del proyecto (3 %) = $12,909
Ingeniería del proyecto (3.5 %) = $4,560
Supervisión (1.5 %) = $6,455
Administración del proyecto (0.5 %) = $2,152
Total: $23,924
IV.6.4.1.18 Inversión total del activo fijo y diferido
Tabla 4.40 Resumen de costos totales.
Concepto Costo en pesos
Equipo de producción $130,298.41
Equipo de Oficina $ 14,600.00
Equipo de ventas $147,839.00
Obra civil $137 564.10
Activo Diferido $23,924.00
Subtotal: $454,225.52
+5 % imprevistos $ 22, 711.28
Total: $476,936.79
IV.6.4.1.19 Depreciación y amortización
Los cargos de depreciación y amortización son los gastos virtuales permitidos por las
leyes hacendarías para que el inversionista recupere la inversión inicial que ha
realizado.
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Tabla 4.41 Depreciación y amortización de activo fijo y diferido (pesos).
Depreciaciones
Equipo % de Depreciación * Valor real 1 - 3 año 4 año 5 -10 año
VS ($)
Maquinaria y Equipo 10 $130,298
13,029.84 13,029.84 13,029.84 0.00
Equipo de reparto 25 $147,839 36,959.75 36,959.75 0.00
Equipo y Mobiliario de Oficina 10
$5,000 500.00 500.00
500.00 0.00
Equipo de Computo 30 $8,000 2,400.00 800.00 0.00 0.00
Obra civil 5 $137,564 6,878.21 6,878.21 6,878.21 68,782.05
Inversión Diferida 10 $23,924 2,392.40 2,392.40 2,392.40 0.00
Subtotal: 62,160.20 60,560.20 22,800.45 68,782.05
*Fuente: Ley de impuesto sobre la renta.
IV.6.4.1.20 Determinación del capital de trabajo
Activo Circulante.
Para que la empresa tenga los primeros ingresos es necesario contar con un capital los
cuales cubrirán los costos para adquirir los envases y demás (ver tabla 4.25). Por tanto
consideramos indispensable adquirir los garrafones, envases, sellos, etiquetas que se
usaran en el primer mes de labores; teniendo un monto total de $25 926.71.
Pasivo Circulante.
Este comprende los salarios e impuestos. Según Baca (2001) estos parámetros son
difíciles de determinar; así mismo indica que las empresas bien administradas guardan
una relación promedio entre activos circulantes (AC) y pasivos circulantes (PC) de:
AC/PC = 2 a 2.5. (4.15)
Como ya se conoce el valor del activo circulante que es de $25,926.71 y considerando
un crédito con una relación de AC/AP =2, entonces el valor del PC tendrá un valor
aproximado a:
PC = AC/2 = $25 926.71/2 = $12 963.355.
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Como, el capital de trabajo es la diferencia entre el activo circulante y el pasivo
circulante este ultimo tiene un valor de $12,963.355, correspondiendo al capital para
iniciar a envasar la producción.
Capital de Trabajo: $12 963.355.
IV.6.4.1.21 Determinación del punto de equilibrio o producción mínima
económica
El punto de equilibrio nos indica el punto mínimo de producción al que debe operarse
para no incurrir en las pérdidas (Baca,2001), y se calcula en forma gráfica y matemática
con la siguiente expresión:
PQ
CV
CFPE
1
(4.16)
Donde:
PQ = es el producto del volumen vendido por su precio,
CF = Costos fijos,
CV = Costos variables.
Para ello fue necesario desglosar los costos totales en Fijos y Variables que se
muestran en la tabla 4.34.
Tabla 4.42 Clasificación de los costos y gastos de operación.
Concepto Fijos Variables
Materia prima y envases 76,515.98
Otros materiales 1,530.94
Consumo de energía eléctrica 7,506.21
Mano de obra directa 27,347.63
Combustible 1,080.48
Mantenimiento 1,744.47
Control de calidad 1,576.08
Depreciación 62,160.20
Gastos de Administración 61,010.45
Gastos de ventas 18,322.00
Total: $ 155,369.76 $ 103,424.7
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Resumiendo la tabla anterior.
Tabla 4.43 Punto de equilibrio para el primer año.
Concepto Costo ( en miles de pesos)
Ingresos * $371,986.00
Costos totales $258,794.00
Costos Variables $103,424.70
Costos fijos $155,369.00
* Los ingresos corresponden a una producción del 73.58 %.
Sustituyendo valores en la ecuación 4.16.
215,203.67
00.986,371
70.424,1031
00.369,155
PE
Como se puede observar con el 57.85 % de las ventas totales proyectadas se alcanza
el punto de equilibrio.
Punto de Equilibrio
Beneficio Neto = 114,381
Costo total = 258,795
Costos variables = 103,425
Costos fijos = 155,370
Unidad producida en m3
Ingresos y costos.
Ingreso
279.785 485.760
214.94
miles de pesos
Figura 4.16 Punto de equilibrio de la producción.
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IV.6.4.1.22 Determinación de los ingresos por ventas sin inflación
Partiendo de los estudios que se presentaron en la tabla 4.8 se presentan los ingresos
para cada año correspondiente.
Tabla 4.44 Ingresos por ventas.
Año $30/caja $42/caja $9.96/garrafón Monto total:
0.5 litros 1.5 litros $
1 65,043.00 17,837.82 289,105.00 371,985.82
2 67,983.30 19,621.60 315,369.23 402,974.13
3 71,217.63 21,583.76 344,259.88 437,061.27
4 74,775.39 23,742.14 352,204.81 450,722.34
5 78,688.93 26,116.35 352,204.81 457,010.09
6 78,688.93 26,116.35 352,204.81 457,010.09
7 78,688.93 26,116.35 352,204.81 457,010.09
8 78,688.93 26,116.35 352,204.81 457,010.09
9 78,688.93 26,116.35 352,204.81 457,010.09
10 78,688.93 26,116.35 352,204.81 457,010.09
IV.6.4.1.23 Estado de resultados sin inflación y con producción variable
hasta el quinto año
Este estado se forma con las cifras obtenidas en el año cero o antes de realizar la
inversión. Además en los ingresos y costos no se considerá la inflación.
Como la producción no es constante los flujos de efectivo tienen valores diferentes ya
que algunos costos varían proporcionalmente con el nivel de producción y otros que no
cambiarán independientemente de la producción, para tal análisis de resultados se
realizá una clasificación de costos.
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204
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Tabla 4.45 Costos que permanecen fijos, independientemente de la cantidad producida.
Concepto Monto
Otros materiales 1,530.94
Mantenimiento 1,744.47
Depreciación 62,160.20
Control de calidad 1,576.08
Costos de administración 61,010.45
Con estos datos se construye el estado de resultados que muestra la tabla 4.46.
Tabla 4.46 Estado de resultados sin inflación, con producción variable (en pesos).
Año 1 2 3 4 5 6,7,9,10 8
Producción /m3 485.76 528.77 576.09 590.86 593.44 593.44 593.44
+ Ingresos 371,985.82 402,974.13 437,061.27 450,722.34 457,010.09 457,010.09 457,010.09
- C. producción. 179,461.97 183,486.00 187,912.43 189,924.77 155,677.80 155,677.80 155,677.80
- C. Administración 61,010.45 61,010.45 61,010.45 61,010.45 61,010.45 61,010.45 61,010.45
- C. ventas 18,322.00 18,322.00 18,322.00 18,322.00 18,322.00 18,322.00 18,322.00
- C. equipamiento 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 10,260.00
=UAI 113,191.39 140,155.68 169,816.39 181,465.12 221,999.84 221,999.84 211,739.84
- Impuestos 44% * 49,804.21 61,668.50 74,719.21 79,844.65 97,679.93 97,679.93 93,165.53
= UDI 63,387.18 78,487.18 95,097.18 101,620.47 124,319.91 124,319.91 118,574.31
+ Depreciación 62,160.20 62,160.20 62,160.20 60,560.20 22,800.45 22,800.45 22,800.45
= FNE 125,547.38 140,647.38 157,257.38 162,180.66 147,120.36 147,120.36 141,374.76
* Impuesto sobre la renta 34% (ISR) más participación de los trabajadores en las utilidades 10%
(PTU).
La recuperación del capital sin inflación se muestra en la tabla 4.47.
Tabla 4.47 Ingresos y pago de la inversión de activo fijo y diferido.
Año FNE Pago a Activos
0 454,225.52
1 125,547.38 328,678.14
2 140,647.38 188,030.77
3 157,257.38 30,773.39
4 162,180.66 -131,407.27
5 147,120.36 -278,527.63
6 147,120.36 -425,647.99
7 147,120.36 572,768.35
8 147,120.36 719,888.71
9 147,120.36 867,009.07
10 147,120.36 1,014,129.43
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205
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Como se podrá observar la inversión total de activos se recupera en 3.2 años.
Tabla 4.48 El ingreso diario con $12.2 / garrafón.
año Ingreso /día año Ingreso /día
1 634.08 6 743.03
2 710.34 7 743.03
3 794.23 8 743.03
4 819.09 9 743.03
5 743.03 10 743.03
IV.6.5 Evaluación económica
IV.6.5.1 Cálculo del VPN y la TIR con una producción variable, sin
inflación.
La tasa interna de retorno (TIR) se define como la i que hace que la suma de los flujos
descontados sea igual a la inversión inicial y el valor presente neto (VPN) es el valor
monetario que resulta de restar la suma de los flujos descontados a la inversión inicial.
Según Baca (2001) en la operación práctica de una empresa se da el caso de que
exista en un determinado periodo una perdida. En tal situación recomienda no usar la
TIR como método de evaluación y usar el VPN.
De acuerdo a a tabla 4.46 no se presenta alguna condición parecida a la condicion que
se señala en la literatura, por tal analizaremos ambas cuestiones de VPN y TIR.
Con los FNE obtenidos en la tabla 4.46, se construye el siguiente diagrama de flujo
(Figura 4.17).
Figura 4.17 Diagrama de flujo para la evaluación económica sin inflación con producción variable.
125,547 140,647 157,257 162,181 147,120 141,375 147,120 147,120
0 1 2 3 4 5 ... 7 8 9 10
+ 68,782.05
454,225.52
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Con una TMAR = 8.9% (cetes a 28 dias) + 4 % de riesgo se calcula el VPN y la TIR con
la siguiente expresion:
10
10
2
2
1
1
)1(......
)1()1( i
VSFNE
i
FNE
i
FNEPVPN
(4.17)
Donde:
P = es la inversión total.
FNE = Flujos netos de efectivo para cada año.
VS = es el valor de salvamento del equipo en él ultimo año de vida de la planta.
Sustituyendo los valores en la ecuación 4.16 se tiene:
10987...54321 )129.1(
05.782,68932,471
)129.1(
932,147
)129.1(
142,186
)129.1(
147,932
)129.1(
162,992
)129.1(
158,051
)129.1(
141,374
)129.1(
126,21452.225,454
VPN
VPN = $ 357,679.44
Este valor representa las ganancias que se obtienen a lo largo de los diez años de
estudio con una TMAR de 12.9 %.
Mientras el VPN se acerque más a tasa cero indica que sólo sé esta ganando la tasa de
descuento aplicada.
Ahora se calcula la Tara Interna de Retorno (TIR), haciendo el VPN = 0, dejando como
incógnitas la i y se acepta hasta satisfacer la igualdad de esta, conociendo el
rendimiento real de esa inversión.
Por tanto el valor de la TIR resulta:
10987...54321 )129.1(
05.782,68932,471
)129.1(
932,147
)129.1(
142,186
)129.1(
147,932
)129.1(
162,992
)129.1(
158,051
)129.1(
141,374
)129.1(
126,21452.225,4540
TIR = 29.56 %.
Como el VPN > 0 indica que el proyecto genera ingresos y el indicardor TIR > TMAR
(12.9 %), lo cual muestra que el proyecto es redituable.
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207
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IV.6.6 Costos Cubiertos por la Universidad Autónoma
Chapingo
En este apartado trataremos algunos costos que la universidad cubre por actividad
diaria como es el caso de bombeo de la materia prima, salario de la administración de la
empresa, puediendo realizarlo el patronato, los costos de activos fijos de oficina y
ventas, no se toman ya que hay almacenes con muebles en buen estado, en el caso de
ventas no-se adquirira la camioneta y solo se tomara una en buen estado para el
reparto; Respecto a la obra civil se debe tomar la depreciación y el valor de salvamento
ya que al finalizar la vida de la planta no-se podra vender por ser construida en el
terreno que es patrimonio de la nación, pero se debe garantizar que la inversión se
recuperara; Él construirla fuera representaria costos elevados por el terreno, ademas de
permisos de construcción, compra de la materia prima y costos por vigilancia.
Con todos los puntos anteriormente tratados los costos por depreciación, producción
total y el costo unitario se ven más faborable para dejar en desventaja a otras marcas.
Tabla 4.49 Costos para una planta purificadora dentro de la UACH.
Concepto Costos
originales ($) Costos
cubiertos ($) Costos reales ($)
Materia prima y enbases 76,515.98 1,272.45 75,243.53
Otros materiales 1,530.94 1,530.94
Consumo de Energia electrica 7,506.21 7,506.21
Costos de mano de ibra directa 27,347.63 27,347.63
Combustible 1,080.48 1,080.48
Mantenimiento 1,744.47 1,744.47
Cosos de control de calidad 1,576.08 1,576.08
Depreciación y amortización. 62,160.20 40,590.73 21,569.47
Costo de producción = 179,461.97 137,598.80
Gastos de administración 61,010.45 23,988.50 37,021.95
Gastos de ventas 18,322.00 18,322.00
costo total de operación de la planta 258,794.42 192,942.75
Costo unitario / m3 532.76 397.20
costos por garrafon (19 lts) 10.122 7.55
Precio al publico (21.5 % de ganancia) 12.15 9.06
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208
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Continuación..
Inversion total de activo fijo y diferido
Activo fijo de producción 130,298.41 130,298.41
Activo fijo de oficina y ventas 162,439.00 162,439.00 0.00
Obra civil 137,564.10 137,564.10
Activo diferido 23,924.01 16,614.26
Total: 454,225.52 284,476.76
Determinacción del punto de Equilibrio
Tabla 4.50 Clasificación de los costos y gastos de operación.
Concepto Fijos Variables
Materia prima y envases 75,243.53
Otros materiales 1,530.94
Consumo de energía eléctrica 7,506.21
Mano de obra directa 27,347.60
Combustible 1,080.48
Mantenimiento 1,744.47
Control de calidad 1,576.08
Depreciacion 21,569.47
Gastos de Administracion 37,021.95
Gastos de ventas 18,322.00
Total: $ 90,790.51 $ 102,152.2
Cf = $ 90,791
CV= $ 102,152
Totales = $ 192,943
Ingresos = $ 298,460
Sustituyendo valores en la ecuación 4.16 se tiene:
PE = $ 138,034.86
Lo cual indica que con solo el 46.25 % de las ventas totales proyectadas se alcanza el
punto de equilibrio.
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209
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Determinación de los ingresos por ventas sin inflación.
Tabla 4.51 Ingresos por ventas.
Año Ingreso total $
Año Ingreso total $
1 298,460.35 6 367,437.02
2 322,769.12 7 367,437.02
3 349,508.76 8 367,437.02
4 361,149.27 9 367,437.02
5 367,437.02 10 367,437.02
Estado de resultados sin inflación, con producción variable hasta el quinto año.
Tabla 4.52 Costos que permanecen fijos, independientemente de la cantidad producida.
Concepto Monto
Otros materiales 1,530.94
Mantenimiento 1,744.47
Depreciación 21,569.47
Control de calidad 1,576.08
Costos de administración 37,021.95
Con estos datos se construye el estado de resultados que muestra la tabla 4.53.
Tabla 4.53 Estado de resultados sin inflación,con producción variable (en pesos).
Año 1 2 3 4 5,6,7,9,10 8
Producción /m3 485.76 528.77 576.09 590.86 593.44 593.44
+ Ingresos 298,460.35 322,769.12 349,508.76 361,149.27 367,437.02 367,437.02
- C. producción. 137,598.78 141,622.81 146,049.24 149,661.58 153,174.35 153,174.35
- C. Administración 37,021.95 37,021.95 37,021.95 37,021.95 37,021.95 37,021.95
- C. ventas 18,322.00 18,322.00 18,322.00 18,322.00 18,322.00 18,322.00
- C. equipamiento 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 10,260.00
=UAI 105,517.62 125,802.36 148,115.57 156,143.74 158,918.71 148,658.71
- Impuestos 47 % 46,427.75 55,353.04 65,170.85 68,703.24 69,924.23 65,409.83
= UDI 59,089.87 70,449.32 82,944.72 87,440.49 88,994.48 83,248.88
+ Depreciación 21,569.47 21,569.47 21,569.47 21,569.47 21,569.47 21,569.47
= FNE 80,659.34 92,018.79 104,514.19 109,009.96 110,563.95 104,818.35
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La recuperación del capital sin inflación se muestra en la tabla 4.54.
Tabla 4.54 Ingresos y pago de la inversión de activo fijo y diferido.
Año Ingresos FNE Año Ingresos FNE
0 284,476.76 6 110,563.95 322,853.43
1 80659.34 203,817.43 7 110,563.95 433,417.38
2 92018.79 111,798.63 8 110,563.95 543,981.33
3 104514.19 7,284.44 9 110,563.95 654,545.28
4 109009.96 -101,725.52 10 110,563.95 765,109.23
5 110563.95 -212,289.48
Como se podrá observar la inversión total de activos se recupera en 3 años.
Evaluación Económica.
Calculo del VPN y la TIR con una producción Variable, sin inflación y sin financiamiento.
Con los FNE obtenidos en la tabla 4.53, se construye el siguiente diagrama de flujo
(Figura 4.18).
Figura 4.18 Diagrama de flujo para la evaluación económica sin inflación con producción variable (UACH).
Con una TMAR = 8.9 (cetes a 28 dias, Febrero, 2003) + 4% al riesgo.
Sustituyendo los FNE del cuadro 4.55 en la expresión 4.16 se tiene:
VPN = $ 289,944.12
TIR = 32.82 %
Como el VPN > 0 y la TIR = 32.82 % > TMAR = 12.9 %, indica que el proyecto es
redituable.
80,659.34 92,018.79 104,514.19 109,009.96 110,563.95 104,818.35 110,563.95 110,563.95 + 68782.05
0 1 2 3 4 5..7 8 9 10
284,476.76
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VV.. RReessuullttaaddooss yy DDiissccuucciióónn
Del análisis económico sin inflación y una producción variable hasta el quinto año y a
los costos de producción se propone un precio de venta de $9.06/garrafón, $42/caja de
1.5 litros y $30/caja de 0.5 litros de agua purificada, teniendo un VPN (i de 8.9
equivalentes a cetes a 28 días y un 4 % al riesgo) de $ 289,944.12 lo cual indica que el
proyecto es viable, además la TIR > TMAR lográndose pagar la inversión total de
activos en el tercer año de instalada la planta.
Por otra parte cuando hay una independencia en pagos de administración, mobiliario de
oficina y ventas, se tiene un VPN de $ 357,679.44 y una TIR de 29.56% mayor a 12.9 %
de la TMAR, lo que indica que el proyecto es viable.
La revisión de literatura coincidió con el estudio del equipo que se ofrece en el mercado
para formar el tren de tratamiento terciario, resultando:
Filtración. El agua presenta una turbiedad menor a 1 ppm de sílice, haciéndola
transparente a cuatro metros de profundidad y como el material del sistema es de 10
micras se logra tener un agua que aumentara la eficiencia del carbón activado y del
intercambiador.
Carbón Activado. Si bien el agua no tiene sabor y olor que sea detectable al consumir,
con este sistema se garantizara la eliminación de estos.
Intercambio iónico. Como el agua tiene una dureza de 135 mg/l de CaCO3 se
considera dura y requiere este sistema mediante el ciclo de sodio para ablandar el agua
a menos de 94.5 mg/l de CaCO3 (30 % de eficiencia), aumentando el sodio a 2Na+
respecto a la original de 65.1 mg/l. Además este proceso ayuda a que la membrana de
osmosis no se sature con mayor facilidad.
Osmosis inversa. El agua tiene una concentración de SDT de 356 mg/l, una
concentración mayor de 65.1 mg/l de sodio, siendo importante la reducción este último,
ya que algunas personas con problemas cardiacos, renales y circulatorios requieren
dietas bajas de este metal. Como el sistema tiene una eficiencia del 90 % en la
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212
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eliminación de compuestos orgánicos e inorgánicos los SDT quedaran en 64.4 mg/l y el
sodio entre 5 - 15 mg/l aproximadamente.
Radiación ultravioleta. De acuerdo al análisis microbiológico del agua no se
detectaron Coliformes Fecales y Totales. Como el sistema funciona con una dosis de
30,000 µws / cm3 y una eficiencia del 99 %, evita la proliferación o la transmisión de
alguna enfermedad por la vía líquida.
Ozono. Este sistema de tratamiento tiene la misma función que el anterior y se propone
utilizarlo para darle un sabor agradable al producto, así como preservar la calidad
bacteriológica y mayor vida de anaquel. El sistema funciona con una dosis de 1 gr/h de
O3, ahora tomando en cuenta que con un gramo de ozono se puede tratar 25 metros
cúbicos de agua, y a la producción diaria de 3.36 m3 de agua purificada el sistema solo
aplicara 0.1344 gr de O3 en un tiempo de 8 minutos.
El agua como tal (sin tratamiento) por su naturaleza está dentro de los parámetros que
la NOM-041 establece, sin embargo comparándola con las marcas que tienen fuerte
liderazgo en la preferencia del consumidor, el agua de la UACH entra en desventaja,
pues tiene un exceso de carbonatos, que hacen necesario su tratamiento con el
sistema seleccionado y de esa manera sé obtendrá un agua purificada con calidad para
el mercado nacional e internacional.
Con el estudio de mercado y a la demanda que se tiene actualmente se proyecto una
necesidad del producto para los próximos 10 años de vida de la planta, la cual iniciara
con una producción del 73.58 % que equivale vender semanalmente 600 garrafones de
19 litros, 11 cajas de 1.5 litros y 55 cajas de 0.5 litros para posteriormente tener una
capacidad máxima de 732 garrafones, 16 cajas de 1.5 litros y 66 cajas de 0.5 litros
semanalmente.
La conformación del sistema de tratamientos terciarios reúne los equipos que
actualmente se presentan como uno de los más avanzados en este ramo, además
serviria para concientizar a la población universitaria que será parte de proyectos del
futuro, para que conozcan las instalaciones o bien realizar prácticas y estudios para
estar al día.
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VVII.. CCoonncclluussiioonneess
1. Es factible proyectar un tren de tratamiento terciario avanzado y obtener agua
purificada embotellada, cuya fuente es un pozo de la Universidad Autónoma
Chapingo.
2. El proyecto es factible de acuerdo a las variables financieras.
3. La calidad del agua tratada supera a las del mercado que abastece a la UACH.
4. La mejor alternativa de tratamiento de purificación del agua es la secuencia:
filtración – carbón activado - intercambio iónico - osmosis inversa - radiación
ultravioleta y ozonización.
5. En cuanto a los parámetros de calidad del agua, después del tratamiento de
purificación cumplen con la norma nacional NOM - 041, e internacional IBWA.
6. Con la utilización de ósmosis inversa se reduce los compuestos inorgánicos y
orgánicos presentes en el agua con una efectividad del 90 %.
7. La lámpara de rayos ultravileta elimina el 99 % de los patógenos presentes en el
agua; la aplicación de ozono al agua garantiza preservar la calidad bacteriológica
y da mayor vida de anaquel.
8. El intercambio iónico sustituye los iones que causan la dureza (Ca, Mg), por el
sodio contenido en la resina; el carbón activado absorve los elementos y materia
orgánica que causan el mal sabor y olor del agua y la filtración retiene los
sedimentos contenidos en el agua.
9. El tren de tratamiento terciario avanzado tendrá una producción que abastecerá
eficientemente la demanda de la Universidad.
10. El equipo tendría utilidad extraordinaria en docencia.
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VVIIII.. BBiibblliiooggrraaffííaa
Acosta Rivas Carina del Pilar. Anteproyecto para la instalación de una planta embotelladora de Agua purificada en el puerto de Veracruz. Facultad de Ingeniería Química Industrial. Instituto Politencnico Nacional. México DF.2000.
Agua Crystalinn S.A de C.V. Osmosis Inversa. Isidro Calera # 1004. Col. Gremial. 2002. Tels: 49 12-05-28 y 14-80-22. C.P. 20030. E-mail: [email protected]. http://www.aguacrystal.com.mx/osmosis.htm.
Aquamarket. Agua- Tecnología y Tratamiento – Saneamiento Ambiental. Año 25 N°
135, Santiago de Chile, 2000. (http://www.aguamarket.com/temas_interes/003asp).
Aquasystem Purificación de agua. México, 2000.
(http://mx.geocities.com/agua_cosmos/articulos.htm). Akhlaq, M.S., Schuchmann, H. P. and Sonntag, C. von. Degradation of the
polysaccharide alginic acid: A comparison of the effects of UV light and ozone. Env. Sc. Technol; vol. 24:379-383.1990.
Arana Muñoz Omar E. Tratamiento de Aguas residuales para reuso Agrícola
industrial y urbano. Tesis de Doctorado. Pacific Western University. 1996. Armenta García Angélica. Aguas con las Aguas. 2000. Tels: 01 55 5694-1523, 5694-
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VVIIIIII.. AAnneexxooss
Anexo 1.Control de Calidad del Producto
Normas de Calidad Aplicada al Agua Purificada
México cuenta con dos principales certificadoras, NORMEX y CANACINTRA que avalan
la calidad de los empresarios mexicanos, que se dedican a la producción de productos
envasados. A partir de 1993, el proceso de normalización es un proceso obligatorio
para las aguas purificadas y envasadas.
Las normas que regulan la fabricación del agua purificada y de Garrafón son:
Asociación Mexicana de la Normalización y Certificación, S.C (NORMEX).
Asociación Internacional de Agua Embotellada (IBWA).
De manera general el agua que ha sido sometida a un tratamiento físico o químico que
se encuentra libre de agentes infecciosos, cuya ingestión no causa efectos nocivos a la
salud y para su comercialización se presenta en botellones u otros envases con cierre
hermético puede estar certificada por alguna institución de prestigio en el ramo.
NORMA OFICIAL MEXICANA NOM-041-SSA1-1993, BIENES Y SERVICIOS. AGUA
PURIFICADA ENVASADA. ESPECIFICACIONES SANITARIAS.
Objetivo y campo de aplicación. Esta Norma Oficial Mexicana establece las
especificaciones sanitarias del agua purificada envasada. Es de observancia obligatoria
en el Territorio Nacional para las personas físicas o morales que se dedican a su
proceso o importación.
Referencias. Esta norma se complementa con lo siguiente:
NOM-031-SSA1-1993 Productos de la pesca. Moluscos bivalvos frescos-
refrigerados y congelados.
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Especificaciones sanitarias.
NOM-051-SCFI-1994 Especificaciones generales de etiquetado para alimentos y
bebidas no alcohólicas preenvasados.
NOM-092-SSA1-1994 Método para la cuenta de bacterias aerobias en placa.*
NOM-109-SSA1-1994 Procedimientos para la toma, manejo y transporte de
muestras de alimentos para su análisis microbiológico.*
NOM-110-SSA1-1994 Preparación y dilución de muestras de alimentos para su
análisis microbiológico.*
NOM-112-SSA1-1994 Determinación de bacterias coliformes.
Técnica del número más probable.*
NOM-117-SSA1-1994 Método de prueba para la determinación de cadmio,
arsénico, plomo, estaño, cobre, fierro, zinc, y mercurio en
alimentos, agua potable y agua purificada por absorción
atómica.*
NOM-120-SSA1-1994 Buenas prácticas de higiene y sanidad para bienes y
servicios.*
NOM-127-SSA1-1994 Agua para uso y consumo humano. *Proyecto en proceso de
expedición como Norma Oficial Mexicana.
Cuando en la presente norma se mencione al Reglamento, debe entenderse que se
trata del Reglamento de la Ley General de Salud en Materia de Control Sanitario de
Actividades, Establecimientos, Productos y Servicios.
Disposiciones sanitarias. El producto objeto de esta norma, además de cumplir con lo
establecido en el Reglamento, debe ajustarse a las siguientes disposiciones:
La fuente de abastecimiento de agua debe sujetarse a las disposiciones establecidas
en el Reglamento.
El lavado y desinfección de envases, debe realizarse con soluciones sanitizantes que
no alteren o cedan sustancias que modifiquen las características del producto y
evitando la contaminación por el arrastre de las mismas.
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Las plantas purificadoras de agua deben estar diseñadas y establecidas en
instalaciones que permitan efectuar correctamente las buenas prácticas de fabricación.
En las plantas purificadoras de agua se deben llevar registros de las pruebas
efectuadas a la materia prima (agua), producto en proceso, producto terminado, lavado
de envases, mantenimiento sanitario del equipo, líneas de producción, accesorios y
número de lote asignado al producto, los cuales deben conservarse por un año a
disposición de la autoridad sanitaria.
Especificaciones sanitarias
El producto objeto de este ordenamiento, debe cumplir con las siguientes
especificaciones:
Organolépticas y físicas
Olor Inodoro
Sabor Insípido
Límite Máximo.
Color 15 Unidades de color verdadero* en la escala de platino-cobalto.
Turbiedad 5 Unidades de UTN.
* Únicamente el producido por sólidos disueltos en el agua.
Fisicoquímicas
Ph 6,5 - 8,5
Características Límite Máximo mg/l
Alcalinidad total CaCO3 300.00
Aluminio 0.2 Arsénico 0.05 Bario 0.70 Cadmio 0.005 Cianuros como CN 0.05 Cloro residual libre después de un tiempo de contacto mínimo de 30 min.
0.10
Cloruros como Cl- 250.00
Cobre 1.00 Cromo total 0.05
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Dureza total como CaCO3 200.00 Fenoles o compuestos fenólicos 0.001 Fierro 0.30 Fluoruros como F
- 0.70
Manganeso 0.05 Mercurio 0.001 Nitratos como N 10 Nitritos como N 0.050 Nitrógeno amoniacal como N 0.50 Nitrógeno orgánico total como N 0.10 Oxígeno consumido en medio ácido 2.00 Ozono al envasar 0.40 Plata 0.05 Plomo 0.02 Sólidos disueltos totales 500.00 Sulfatos como SO4
= 250.00
Sustancias activas al azul de metileno 0.50 Trihalometanos totales 0.10 Zinc 3.00
Microbiológicas
Límite Máximo
Mesofílicos aerobios UFC/ml 100
Coliformes totales* NMP/100 ml no detectable
Coliformes totales** UFC/100 ml cero
Vibrio cholerae*** Negativo
* Técnica de número más probable.
** Método de filtración por membrana.
*** Bajo situaciones de emergencia sanitaria la Secretaría de Salud, sin perjuicio de las atribuciones de
otras Dependencias del Ejecutivo establecerá los casos en los que se habrá de determinar la presencia
de este agente biológico.
Muestreo. El procedimiento de muestreo del producto objeto de esta norma debe
sujetarse a lo que establece la Ley General de Salud.
Métodos de prueba. Se deben aplicar los métodos de prueba señalados en el apartado
de referencias. Para la determinación de las especificaciones físicas, químicas y de
plaguicidas se deben aplicar los métodos establecidos en el apéndice normativo A de
esta norma. Para la determinación de aluminio, bario, cromo, manganeso y plata se
debe aplicar el método de prueba establecido en la NOM-117-SSA1-1994. La
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determinación de Vibrio cholerae, se efectuará con el método contemplado en la Norma
Oficial Mexicana NOM-031-SSA1-1993. Moluscos bivalvos frescos-refrigerados y
congelados. Especificaciones sanitarias; la preparación de la muestra se establece en
el apéndice normativo B.
Para la determinación de coliformes totales por filtración por membrana se debe aplicar
el método establecido en el apéndice normativo B. Además de los métodos señalados
en el apartado de referencias y los incluidos en el apéndice normativo A y B de esta
norma, existen métodos alternos validados para la determinación de las
especificaciones de cada parámetro que pueden ser utilizados para el aseguramiento
de calidad del producto.
Etiquetado. La etiqueta del producto objeto de esta norma, además de cumplir con lo
establecido en el Reglamento y la Norma Oficial. Debe figurar el número o clave del lote
de producción.
Envase y embalaje. Este producto debe envasar en recipientes de tipo sanitario que
tengan tapa inviolable o sello o banda de garantía, elaborados con materiales inocuos y
resistentes a distintas etapas del proceso, de tal manera que no reaccionen con el
producto o alteren sus características físicas, químicas y organolépticas.
Se deben usar envolturas de material resistente que ofrezcan la protección adecuada a
los envases para impedir su deterioro exterior, a la vez que faciliten su manipulación,
almacenamiento y distribución.
Normas de la International Bottled Water Association (IBWA).
NORMAS IBWA. La industria del agua embotellada, normalmente emplea medidas
adicionales para mayor protección de su producto empezando desde la fuente hasta el
empaque. Estos requerimientos vienen escritos en el código de modelo IBWA. Los
miembros de la IBWA son convocados para pasar por una inspección de planta
improvisada; estas inspecciones son conducidas por una organización de tercer parte y
hacen cumplir con todas las regulaciones aplicables.
La IBWA actualmente contrata los servicios de la Fundación Internacional de
Saneamiento, una auditoria técnica independiente altamente calificada y una firma de
acuerdo para ejecutar estas auditorias otorgadas. A continuación se listan las reglas de
la IBWA
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Regla1: Buenas prácticas de fabricación y requerimientos operacionales.
Cuando una planta de agua embotellada, utiliza una tecnología en el tratamiento de
agua para reducir el nivel de cualquier constituyente por debajo de las normas de la
FDA para prevenir que un contaminante importante entre en el agua producto, exceda
las normas de calidad de la FDA serán adecuadamente mantenidas con el apoyo de un
informe, en acuerdo con los requerimientos y la programación de un plan de las
operaciones y mantenimiento.
Normas de control Microbiológico. La producción de agua embotellada, incluye
transportación, procesamiento, envasado y almacenamiento, se conduciría con tales
condiciones y controlada como sea necesaria para minimizar la contaminación
microbiológica potencial del producto final. Estas condiciones incluirían:
1. El agua embotellada se someterá a un tratamiento germicida efectivo por
ozonización o carbonación en un mínimo de 3 volúmenes de bióxido de carbono u otra
desinfección equivalente aprobada por el estado excepto aquellos por filtración y
tratamientos germicidas no se aplicarán por una excepción.
2. Podría permitirse una suspensión únicamente demostrando que:
1). Dicho producto y la fuente están en cumplimiento con la norma Codees
Alimentarius para agua mineral natural.
2). La embotelladora tiene que someterse a una inspección básica
hidrogeológica de la fuente y a una inspección anual sanitaria, preparado por
un hidrogeologista profesional calificado demostrando la pereza de la fuente:
a). El punto crítico de vigilancia consiste de una inspección de porciones del área de
drenaje, necesaria para identificar y una actual y probable fuente de contaminación.
b). Evaluación de construcción y protección de fuentes, lugar apropiado, estructuras de
entrada y facilidades de transmisión.
c). La evaluación de las instalaciones de almacenaje del agua producto.
d). La verificación continua de la fuente y el producto se demuestra: 1) por un oficial
ejecutada una vez cada 2 meses por las autoridades que tienen jurisdicción; 2) por una
prueba microbiológica semanalmente.
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e). Dicho producto es envasado en una cámara o cuarto de llenado que está bajo
presión positiva de aire filtrado.
f). El agua embotellada que no cumple con cualquiera de los requerimientos de arriba,
estará sujeta a los requerimientos de tratamiento de filtración y desinfección.
Esta sección aplica el manejo de agua suelta.
Se refiere al agua tratada para usos potables, transportada vía pipa o medios
equivalentes de un área a otra para propósitos de tratamiento, empaque y consumo
humano. Las pipas, tanque de almacenamiento, mangueras, bombas y conexiones
usadas para la carga, transporte y descarga del agua suelta serán construidos de
materiales que son del grado comestible FDA, suaves, no absorbente y fácilmente
limpiable tales como el acero inoxidable (serie 300).
Los camiones que son usados, sean exclusivamente dedicados para el transporte de
agua suelta. Los camiones serán limpiados, saneados e inspeccionados internamente
para la integridad del camión sobre una rutina fundamental.
Las mangueras y bombas empleadas para la carga y descarga del agua serán
cuidadas y almacenadas para prevenir contaminación.
Si es requerida por la agencia estatal que tiene jurisdicción local, el volumen de agua a
enviar antes de que éste sea enviado, deberá ser tratado con un desinfectante
efectivo. Muestras representativas serán tomadas de envíos de agua para análisis de
bacteria coliforme y heterotrophic plate count (HPC). La frecuencia mínima de
muestreo será una muestra de cada camión semanalmente.
Equipos multicomestibles.- El agua embotellada podría ser procesada a través de
líneas o equipos usados también para otro producto comestible bajo las siguientes
condiciones:
i) Las líneas de proceso, incluyendo carros de almacenamiento y equipo asociado,
serán exclusivamente para la producción de agua embotellada, excepto para el equipo
de llenado, podría ser usado también para llenado de otros productos comestibles.
ii) Antes de ser utilizado para embotellamiento del agua, será limpiado e higienizado a
fondo con las especificaciones del fabricante.
iii) Inmediatamente terminada la operación de llenado para otros productos diferentes
del agua, el llenador será perfectamente enjuagado interiormente y exteriormente con
agua potable.
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iv) Algunas partes que no están diseñadas para ser limpiadas en su sitio serán
desarmadas y removidas. Todas estas partes serán limpiadas e higienizadas antes de
reensamblarlas usando apropiadamente los procedimientos de limpieza e higiene.
v) Todas las superficies de llenado que no contacten con el producto serán limpiadas
manualmente.
vi) En cumplimiento con las instrucciones de llenado del fabricante la forma para
limpiar el llenador será:
a) Una solución limpiadora alcalina de cantidad apropiada será recirculada
directo en el llenador para proporcionar limpieza efectiva para todas las superficies en
contacto con el producto, con una recirculación mínima con un tiempo de 20 minutos a
una temperatura entre 140-170°F.
b) La solución será drenada y seguida con un enjuague de agua potable para
la eliminación de todo residuo limpiador alcalino. Este paso se completa por la
aplicación de un enjuague acidificado antes de un enjuague de agua potable con el
objetivo de neutralizar cualquier residuo alcalino.
c) Sigue reensamble de todas las partes del llenador, durante la colocación el
llenador será sanitizado.
d) Cualquier alternativa de limpieza, u operaciones de higienización no
descritos en esta sección serán de acuerdo a los requisitos de la FDA.
e) El agua embotellada que se origina de una fuente, la cual no está
protegida de una contaminación superficial se someterá a ozonización, filtración a
razón de una micra, u otro proceso efectivo, el cual destruya los quistes de Giardia
lamblia y Cryptosporidium.
f) Un monitoreo de coliformes totales realizado diariamente por la planta
sobre el producto final y pruebas trimestrales de enjuague y restregado, sobre
recipientes o contenedores entrantes y finales.
g) Con el objetivo de facilitar la identificación o remisión en el producto
incluirá un código designado el que será añadido al recipiente durante su uso y que
contenga cualquiera de los dos datos de fabricación: el lote o número de remesa.
h) Si un proveedor de agua embotellada se da cuenta que ha excedido la
norma de calidad no incluyendo los límites de contaminantes a la fuente, derrames,
accidentes, desastres naturales o descomposturas en tratamiento, lo notificará al
departamento rápidamente.
i) Si el departamento determina, basado sobre muestras representativas de
análisis de riesgos, información disponible para el departamento, el departamento
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podría ordenar al proveedor que modifique el producto rechazado y de ser necesario
se emitirá una forma de notificación a los clientes. El proveedor será responsable de la
diseminación de la noticia en una forma para informar a los clientes que podrían ser
afectados por el problema.
j) Si la norma de calidad ha sido excedida, indica que la violación de la norma
ha sido rápidamente corregido y ese producto ya distribuido no causará enfermedad y
no presenta riesgos de salud significativos, el departamento podría ordenar al
embotellados comunicar el excedente de la norma y la implementación de medidas
correctivas por envío directo a los clientes afectados.
k) Para propósitos de quejas las siguientes provisiones son aplicables:
l) No requiere que la identificación o localidad del manantial aparezca en la
etiqueta.
m) Ninguna persona operará una planta para propósitos de venta o
distribución sin obtener primeramente un permiso que demuestre que la fuente,
instalaciones de embotellamiento, prácticas de tratamiento y envasado y un agua como
producto final cumpla con los requerimientos de estas leyes y regulaciones adoptadas
bajo entendimiento.
El departamento por regulación podría establecer honorarios razonables para la
aplicación de un permiso, el cual será basado sobre el costo del proceso de aplicación.
1) Para agua embotellada importada, las muestras requeridas incluirán una
certificación en su país de origen que: a) describe los requerimientos de dicho país
para la fuente, instalaciones de embotellamiento, tratamiento, prácticas de
embotellamiento y para el agua como producto final; b) estado de la fecha de la última
inspección oficialmente autorizada por el departamento; y c) certifica que la fuente,
instalaciones, prácticas de tratamiento, embotellado y el producto de agua cumpla con
los estándares de la ciudad, país de origen.
2) Como condición de recibir un permiso anualmente, el embotellador recibirá una
inspección de planta, demostrando cumplimiento con las buenas prácticas de
manufactura y requerimientos operacionales de está ley.
n) La planta operará bajo la supervisión de una persona calificada
competente por experiencia, educación y entrenamiento para operar y mantener las
instalaciones de la planta. Dicha persona mantendrá un certificado; demostrando que
ha completado satisfactoriamente un curso de entrenamiento técnico, desarrollado y
administrado por el departamento, que cubre la prueba e instrucción periódica en la
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planta, fuente y sanidad del producto, operación y mantenimiento del tratamiento
tecnológico de agua y el mantenimiento, monitoreo de la fuente y el producto de agua
de calidad en concordancia con estos estándares.
Regla 2: Monitoreo del Agua.
La aprobación de la fuente, debe estar basada sobre una inspección constante de la
fuente de un hidrogeologista calificado procesionalmente que demostrará la integridad
de la fuente y seguridad de las operaciones de recepción o captación, y que incluirá:
1. - Una evaluación de las características químicas, físicas, microbiológicas y
radiológicas de la fuente.
2. - Un informe de especificaciones de la geología del lugar y sus alrededores. La
información será utilizada para definir el área de recarga del acuífero.
3. - Un informe que detalle el desarrollo de la fuente; método de construcción
incluyendo el diseño del manantial, buena instalación, superficie de captación e
instalaciones de transmisión apropiadas.
4. - Una inspección de la cuenca que identifique y evalúe fuentes actuales de
contaminación potencial, y que serán actualizadas cada 3 años.
5. - La planta realizará un monitoreo especial de cualquier contaminante significante y
pueda tomar medidas preventivas, restrictivas y correctivas que sean apropiadas para
proteger la fuente de agua. El operario de la planta será responsable para la toma de
muestra y análisis de todas las fuentes. Tal muestreo será una vez anual, excepto el
análisis de contaminantes microbiológicos será semanalmente. Cuando un
contaminante esté presente en la fuente a causa de un derramamiento, liberación de
una sustancia peligrosa, el operario de la planta monitoreará la fuente por dicho
contaminante. La detección de contaminantes será acompañada inmediatamente por
un programa de monitoreo periódico para confirmar la presencia de dichos
contaminantes. Si tales contaminantes son confirmados se emplearán las técnicas de
tratamiento apropiado para remover o reducir dicho contaminante, y empleará un
programa de monitoreo periódico, hasta que este contaminante no sea detectado en la
fuente.
Los análisis y el muestreo microbiológico realizados diariamente serán ejecutados por
personal calificado. Todos los análisis químicos requeridos serán ejecutados por un
laboratorio aprobado. Los registros de análisis o muestreos serán mantenidos en la
planta por 5 años.
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Regla 3: Monitoreo del producto final.
El producto se monitorea usando una muestra representativa derivada del producto
embotellado:
Para coliformes totales, se analiza diariamente una muestra representativa de un
segmento de la producción continua de cada tipo de agua embotellada producida por
la planta.
Para análisis químicos, físicos y de contaminantes radiológicos, anualmente se
toma una muestra representativa.
Para análisis microbiológicos, la muestra, debe ser tomada por un laboratorio
calificado, al menos una vez por semana. Las muestras diarias para muestreo
microbiológico deben ser realizados por el personal calificado de la planta. Los
análisis químicos deben ser realizados por un laboratorio certificado. Los registros
de muestras deben ser mantenidos en la planta no menos de 5 años.
Regla 4:Requerimentos de etiquetado.
Está sujeta a todas las provisiones aplicables:
Si el contenido TDS es menor a 500 ppm o si es mayor a 1500 ppm, se le
pondrá la leyenda "CONTENIDO BAJO DE MINERALES" o "CONTENIDO ALTO
EN MINERALES‖, el cual aparecerá en la etiqueta principal seguido de la
identificación del tipo de tamaño. Si el TDS del agua mineral está entre 500 y 1500
ppm, no necesita aparecer en la etiqueta.
Cuando provenga del sistema comunitario, estará etiquetada con la leyenda
"DEL SISTEMA COMUNITARIO DE AGUA" o alternativamente "DE LA FUENTE
MUNICIPAL», sin intervención de escrituras, dibujos u otras formas gráficas, para
esta sección, el tipo de tamaño no será menor a (1/16").
Cuando implique referencias para su uso en alimentos infantiles, la etiqueta
llevará la leyenda "NO ESTERIL, PARA USO DIRECTO O PARA USO DE
FORMULA INFANTIL".
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Lo siguiente es a criterio del panel de factores nutricionales: Cuando la calidad del
agua embotellada sea menor a la prescrita en CFR, la etiqueta portará la siguiente
leyenda de calidad:
"CONTENIDO EXCESIVO DE BACTERIAS‖. Si talla en los requerimientos del
CFR.
"TURBIDEZ EXCESIVA», si el agua embotellada calla en los
requerimientos.
―CONTIENE EXCESO‖ en el espacio en blanco se coloca el nombre del
químico.
Valores de contaminantes secundarios del agua para beber.
Componentes Inorgánicos Nivel de Contaminantes (mg/l) ppm
Antimonio 0.0066
Arsénico 0.050
Bario 1.00
Cloruros 250.0
Cloro < 0.10
Cromo 0.050
FDA NIVEL: 1.0 mg/l
Cobre 1.0
Cianuro 0.10
FDA NIVEL: 0.2 mg/l
Hierro 0.3
Plomo 0.005
Manganeso 0.05
Mercurio 0.001
Nitrato 10.00
Nitritos 1.00
Total de Nitratos + Nitritos 10.000 Selenio 0.010 Plata 0.025 Sulfatos 250.0 Talio 0.0022 TDS 500 0 Zinc 5.0
Nota: Estos valores fueron obtenidos de la revisión más actual del Mode Code del
IBWA, Enero del 2002.
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Calidad exigida en los requerimientos técnicos de la materia prima y producto
terminado.
Apariencia: El producto será en la presentación de garrafón, envase retornable, con
tapas de plástico rojo e impreso el nombre de la empresa. La tapa debe ser inviolable,
elaborado de materiales inocuos y resistan a distintas etapas del proceso de tal
manera que no reaccionen con el producto o alteren sus características físicas,
químicas y organolépticas.
Características de la metería prima: El agua será abastecida de la red municipal; el
envase será de acuerdo a las normas nacionales e internacionales que seguirá la
empresa; dada su presentación, será de un envase de plástico de PVC de primera
clase (material resistente, no produce sustancias tóxicas, ni altera las características del
agua), el cual debe llevar tapa inviolable y sello de garantía.
Evaluación de la Calidad del Agua Purificada
Para la evaluación de la calidad del Agua purificada se requiere de ciertos análisis
previos de la fuente de abastecimiento. Algunos de ellos son:
Determinación de Cloro residual
Determinación de cloruros.
Determinación de Color.
Determinación de Turbiedad (Método Nefelométrico).
Determinación del pH.
Determinación de la Acidez o alcalinidad total.
Determinación de la Dureza total.
Determinación de los sólidos disueltos totales.
Determinación de fluoruros (Método electrodo del ión selectivo).
Otros.
Estas son algunas de las determinaciones que se tiene que hacer; el fundamento de
estas y otras se detallan en la parte de Parámetros de Calidad de las Aguas.
Para que el agua purificada se a aceptada para el consumo, los resultado del análisis
de agua que ha pasado por el tren de tratamiento terciario debe cumplir con las
especificaciones de la NOM-041, NOM-127 y además de compararla con lo que
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establece la FDA (Administración Federal del Medicamento) las cuales son requisitos
indispensables para que el producto sea consumido. Algunas de las especificaciones
se indican en el cuadro 8.1.
Tabla 8.1 Límites permitidos de algunas determinaciones.
PARAMETRO NOM-127 IBWA NOM-041 FDA
Acidez o alcalinidad total 300 ppm 300 ppm
Cloro residual 0.2-1.5 ppm 0.10 ppm
Cloruros 250 ppm 250 ppm 250 ppm 250 ppm
Color 20 UCV 5 UCV 15 UCV 15 UCV
Dureza total 500 ppm 200 ppm
Hierro (como Fe) 0.3 ppm 0.30 ppm
Turbiedad 5 UTN 5 UTN 5 UTN 5 UTN
SDT (Sólidos disueltos totales) 1,000 ppm 500 ppm 500 ppm 500 ppm
SAAM 0.5 ppm 0.50 ppm
Sulfatos 400 ppm 250 ppm 250 ppm 250 ppm
pH 6.5-8.5 6.5 -8.5 6.5 -8.5 NA
Zinc 5 ppm 5 ppm 3.0 ppm 5 ppm
Fuente: Valores de las normas 041,127, IBWA y las normas de la FDA.
Herramientas de la Calidad Aplicables al proceso de Agua purificada
Diagrama de pareto.
Histograma.
Hojas de verificación.
Gráficos de control.
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Anexo 2. Resultados del Sondeo realizado a los trabajadores
académicos y administrativos de la UACH.
Pregunta:
1.- ¿Tipo de agua que consume?
2.- ¿Por qué prefiere este tipo de agua?
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3.- ¿Consumiría agua de garrafón?
4.- ¿Cuál es el consumo semanal de garrafón?
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5.-¿Marca de agua consumida en la UACH?
6.- ¿Precio del agua que consume?