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EVALUACIÓN DE LA PLANTA DE POTABILIZACIÓN DE AGUA EMPRESAS PUBLICAS DE ARMENIA - QUINDÍO

GLORIA KATHERINE MARTÍNEZ PINEDA Línea de profundización: Ingeniería Ambiental LAINA SOLANA BETANCOURTH RINCÓN Línea de profundización: Ingeniería Ambiental

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALES FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA INGENIERÍA QUÍMICA MANIZALES 2003

EVALUACIÓN DE LA PLANTA DE POTABILIZACIÓN DE AGUA EMPRESAS PUBLICAS DE ARMENIA - QUINDÍO

GLORIA KATHERINE MARTÍNEZ PINEDA Línea de profundización: Ingeniería Ambiental LAINA SOLANA BETANCOURTH RINCÓN Línea de profundización: Ingeniería Ambiental

Trabajo de grado para optar al titulo de Ingeniero Químico MODALIDAD: Pasantía

DIRECTOR UNIVERSIDAD: Ing. Adela Londoño Carvajal. DIRECTOR AD–HOC: Ing. Jhon Jairo Toro

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALES FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA INGENIERÍA QUÍMICA MANIZALES 2003

Gracias....

A Rosa, mi Madre, que es mi mayor ejemplo de superación y fortaleza. Por enseñarme a ir en busca de mis sueños y a superar mis límites. A Nelson mi Padre, porque hasta su muerte compartió conmigo su espíritu de Solidaridad y entrega por lo demás. Por enseñarme a defender mis posiciones y luchar por mis ideales. A Camilo y Tania, mis hermanos porque crecimos juntos y con todas nuestras diferencias, somos ahora el mejor testimonio de nuestros padres. A mis Amigos, por su amor y por compartir conmigo tantos momentos. Por enseñarme a disfrutar de las pequeñas cosas.

Laina Solana

A Dios, quien esta siempre conmigo en cada paso que doy por darme el tiempo necesario para alcanzar mis metas. A la vida por haberme brindado tantas oportunidades que me han dejado grandes enseñanzas. A mi padre que con su cariño, esfuerzo y apoyo incondicional me permitió cumplir un objetivo más en la vida. A mi madre, amiga y compañera quien con su tesón y amor ha compartido todos mis logros y ha sido apoyo en los momentos más difíciles A mi hermana, quien con su alegría y entusiasmo me ha permitido compartir grandes momentos y experiencias. A mi compañera, porque sin su amistad, comprensión y compromiso no hubiese sido posible alcanzar esta meta. Por último a todas aquellas personas que formaron parte de mi vida y ahora no están porque me dieron la oportunidad de crecer como persona con sus valiosos consejos y me enseñaron el verdadero sentido de la vida.

Gloria Katherine Martínez Pineda

AGRADECIMIENTOS

Adela Londoño Carvajal John Jairo Toro Zuluaga Juan Carlos Marín Bedoya Lucy Fernández Gómez Adriana Maria Colorado Torres Alba Lucero Ordoñez Arias Clara Inés Rivera Salgado Isabel Cristina Urrea Patiño Operarios y Personal en general que labora en la Planta y Empresas Públicas de Armenia y, A la Universidad Nacional de Colombia por permitirnos hacer parte del grupo de egresados.

CONTENIDO Pág. RESUMEN INTRODUCCIÓN 1.

ARMENIA Y SU PLANTA DE TRATAMIENTO.

4

1.1

CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL MUNICIPIO DE ARMENIA.

4

1.2

DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESAS PUBLICAS DE ARMENIA.

6

1.3

DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA DE ABASTECIMIENTO.

7

1.3.1

Fuente de Abastecimiento.

7

1.3.2

Captación.

8

1.3.3

Pre-sedimentación.

8

1.3.4

Conducción de Agua Cruda.

9

1.4

DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO.

9

1.4.1

Cámara de Entrada.

10

1.4.2

Desarenador.

10

1.4.3

Canal de Agua Cruda.

10

1.4.4

Mezcla Rápida.

10

1.4.5

Floculación – Sedimentación.

11

1.4.6

Filtración.

12

1.4.7

Desinfección.

13

1.4.8

Sistema de Distribución

14

2.

EVALUACIÓN DE LOS PROCESOS DE POTABILIZACIÓN.

16

2.1

COAGULACIÓN.

16

2.1.1

Selección de parámetros óptimos.

16

2.1.2

Manejo y almacenamiento de las sustancias químicas.

21

2.1.3

Dosificación de las sustancias químicas.

23

2.1.4

Mezcla Rápida.

28

2.1.5

Conducción de agua coagulada.

31

2.2

FLOCULACIÓN.

33

2.2.1

Variables de Floculación.

33

2.2.2

Distribución de Agua en las Unidades

35

2.2.3

Tiempo Real de Retención en las Unidades

35

2.2.4

Análisis Hidráulico.

36

2.2.5

Gradiente en unidades Compactas.

40

2.2.6

Gradiente de velocidad de las unidades mixtas.

41

2.3

SEDIMENTACIÓN.

43

2.3.1

Determinación de la Eficiencia.

43

2.3.2

Distribución de Agua en las Unidades

48

2.3.3

Tiempo Real de Retención en las Unidades

48

2.3.4

Determinación de Condiciones hidráulicas.

49

2.3.5

Caracterización de la Zona de entrada.

50

2.3.6

Caracterización de la zona de Salida.

51

2.4

FILTRACIÓN.

53

2.4.1

Características del Proceso.

53

2.4.2

Características del lecho filtrante.

55

2.4.3

Características del proceso de lavado.

56

2.5 DESINFECCIÓN.

61

2.5.1

Tiempo de contacto.

61

2.5.2

Dosis óptima.

62

2.6 CALIDAD DE AGUA SUMINISTRADA.

64

3. EVALUACIÓN ADMINISTRATIVA.

66

3.1 Evaluación de la organización Administrativa.

66

3.2 Evaluación de la gestión del personal de la planta de tratamiento.

66

3.3 Higiene en el trabajo.

67

3.4 Evaluación de la gestión de materiales.

67

3.5 Evaluación de los servicios generales.

68

3.6 Análisis de costos.

69

4. ANÁLISIS DE VULNERABILIDAD.

71

5. CONCLUSIONES

73

6. RECOMENDACIONES

79

BIBLIOGRAFÍA

83

ANEXOS

86

LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 1. Proyección poblacional para el municipio de Armenia. Tabla 2. Capacidad de la conducción. Tabla 3. Capacidad de Almacenamiento del Agua tratada. Tabla 4. Propiedades del Agua cruda para las turbiedades trabajadas. Tabla 5. Dosis de Sulfato de Aluminio aplicado. Tabla 6. Dosis óptima correspondiente a cada turbiedad trabajada. Tabla 7. Concentración de Sulfato aplicado. Tabla 8. Concentración óptima correspondiente a cada turbiedad trabajada. Tabla 9. pH trabajado en cada una de las calidades de agua utilizadas. Tabla 10. pH óptimo de acuerdo a cada turbiedad trabajada. Tabla 11. Grado de exactitud de los dosificadores de Sulfato. Tabla 12. Flexibilidad de los Dosificadores de Sulfato y Cal. Tabla 13. Caudal en cada cámara de solución. Tabla 14. Tiempo de retención en los dosificadores. Tabla 15. Propiedades del Agua Cruda Tabla 16. Condiciones reales y tipo de la Canaleta Parshall. Tabla 17. Condiciones hidráulicas del Resalto. Tabla 18. Dimensiones del canal de agua coagulada. Tabla 19. Pérdidas de carga en el canal de agua coagulada. Tabla 20. Gradientes en los canales de conducción de agua coagulada. Tabla 21. Tiempo óptimo de mezcla lenta. Tabla 22. Tiempo óptimo de mezcla lenta para cada turbiedad trabajada. Tabla 23. Gradiente óptimo de mezcla lenta. Tabla 24. Gradiente óptimo de mezcla lenta para las turbiedades trabajadas. Tabla 25. Distribución de agua en el Floculador Hidráulico. Tabla 26. Tiempos de retención. Floculador Hidráulico. Tabla 27.Distribución de Flujos según el modelo de Wolf Resnick. Floculador Hidráulico. Tabla 28. Pérdidas de Carga en el Floculador Hidráulico. Tabla 29. Gradientes de velocidad en el Floculador Hidráulico. Tabla 30. Potencia Unitaria y Gradiente. Unidad Compacta Nº1. Tabla 31. Potencia Unitaria y Gradiente. Unidad Compacta Nº2. Tabla 32. Potencia Unitaria y Gradiente. Unidades Mixtas. Tabla 33. Potencia disipada en las unidades Compactas. Tabla 34. Potencia disipada. Unidades mixtas Tabla 35. Turbiedades máximas, mínimas y medias de las unidades de sedimentación. Tabla 36. Datos de turbiedad de agua sedimentada y agua cruda. Tabla 37. Relaciones de eficiencia de los sedimentadores. Tabla 38. Parámetro de eficiencia de las unidades de sedimentación. Tabla 39. Velocidad de sedimentación. Tabla 40. Eficiencia de las unidades de sedimentación.

6 9 14 17 18 19 19 20 20 21 26 26 27 27 28 29 31 32 32 32 33 32 34 34 35 36 37 38 39 40 41 41 42 42 44 44 44 45 46 47

Tabla 41. Carga superficial en las unidades de sedimentación. Tabla 42. Distribución de Caudales en las unidaes de Sedimentación Tabla 43. Tiempo real de retención en las unidades de sedimentación. Tabla 44. Distribución de flujos en los sedimentadores con base en el análisis de Wolf Resnick. Tabla 45. Gradientes a la entrada de los sedimentadores. Tabla 46. Carga unitaria en vertederos. Tabla 47. Volumen perdido en la zona de sedimentación. Tabla 48. Caudal y velocidad de filtración. Tabla 49. Valor máximo, promedio y mínimo para las turbiedades en las unidades de filtración. Tabla 50. Eficiencia en función de la calidad de agua filtrada. Tabla 51. Tamaño de granos para la arena y la antracita. Tabla 52. Características del proceso de lavado. Tabla 53. Porcentaje de expansión para los filtros. Tabla 54. Turbiedad agua de lavado. Tabla 55. Análisis fisico – químico y bacteriológico del agua cruda y del agua tratada. Tabla 56. Producción de agua año 2001.

47 48 49 49 51 51 52 53 55 55 56 57 58 58 64 69

LISTA DE FIGURAS

Pág Fig 1. Mapa del Departamento del Quindío. Fig 2. Variación de la turbiedad del agua cruda en el año 2001. Fig 3. Comportamiento de la turbiedad remanente con la dosis de Sulfato aplicada. Fig 4. Comportamiento de la turbiedad remanente con la concentración de Sulfato aplicada. Fig 5. Comportamiento de la turbiedad remanente de acuerdo al pH. Fig 6. Calibración del dosificador de Sulfato de Aluminio Nº1. Fig 7. Calibración del dosificador de Sulfato de Aluminio Nº2. Fig 8. Calibración del dosificador de Cal. Fig 9. Esquema de la Canaleta Parshall. Fig 10. Resalto hidráulico. Fig 11. Tiempo óptimo de mezcla lenta. Fig 12. Gradiente óptimo de mezcla lenta. Fig 13. Turbiedad remanente en función de la velocidad de sedimentación. Fig 14. Periodo de recuperación del filtro después del lavado. Fig 15. Proceso de lavado de los filtros convencionales. Fig 16. Proceso de lavado de los filtros de auto lavado. Fig 17. Tiempo de contacto de Cloro desde la planta al tanque de Corbones. Fig 18. Tiempo de contacto de Cloro desde la Planta al Cementerio Jardines de Armenia. Fig 19. Dosis óptima de Cloro.

4 17 18 18 21 24 24 25 29 30 33 34 43 54 59 59 61 62 63

LISTA ANEXOS pág ANEXO A Datos estadísticos del municipio de Armenia. ANEXO B Planos ANEXO C Registro Fotográfico ANEXO D Mapas ANEXO E Ensayo de Jarras. ANEXO F Coagulación. ANEXO G Prueba de Trazadores. ANEXO H Floculación ANEXO I Sedimentación. ANEXO J Filtración. ANEXO K Desinfección. ANEXO L Administración ANEXO M Vulnerabilidad

87 90 108 127 132 143 152 230 233 239 258 260 306

RESUMEN

La Planta de tratamiento de Agua Potable de Armenia, manejada por las Empresas Públicas del municipio, fue evaluada siguiendo la metodología establecida por la Organización Mundial de la Salud (OMS), la Organización Panamericana de la Salud (OPS), el CEPIS y acogida por el Ministerio de Salud de Colombia en 1989, para la Evaluación de Plantas de Tratamiento de Agua para Consumo Humano. El presente documento recopila la información de los aspectos analizados durante el desarrollo del trabajo sobre el funcionamiento y operación de la planta con el fin de establecer la eficiencia de los procesos de potabilización a partir de los parámetros establecidos para la evaluación de cada una de las etapas: Coagulación, Floculación, Sedimentación, Filtración y Desinfección. Se incluye el análisis de vulnerabilidad ante posible presentación de desastres o situaciones de emergencia de diferente naturaleza y el análisis administrativo, basado en el sistema organizacional y aspectos de este tipo que tienen incidencia en la calidad del servicio prestado en materia de agua potable. Con la información obtenida durante esta evaluación, se realizó una valoración y se plantearon conceptos, conclusiones y recomendaciones que puedan ser implementados de acuerdo a la prioridad considerada, con el fin de mejorar el proceso de producción de Agua Potable en la Ciudad de Armenia.

ABSTRACT The Plant of treatment of Drinkable Water of Armenia, managed by the Public Companies of the municipality, it was evaluated following the methodology settled down by the World Organization of the Health (OMS), the Pan-American Organization of the Health (OPS), the CEPIS and welcome for the Ministry of Health of Colombia in 1989, for the Evaluation of Plants of Treatment of Water for Human Consumption. The present document gathers the information of the aspects analyzed during the development of the work on the operation and operation of the plant with the purpose of establishing the efficiency of the potabilización processes starting from the established parameters for the evaluation of each one of the stages: Clotting, Floculación, Sedimentation, Filtration and Disinfection. The vulnerability analysis is included before possible presentation of disasters or situations of emergency of different nature and the administrative analysis, based on the organizational system and aspects of this type that have incidence in the quality of the borrowed service as regards drinkable water. With the information obtained during this evaluation, he/she was carried out a valuation and they thought about concepts, conclusions and recommendations that can be implemented according to the considered priority, with the purpose of improving the process of production of Drinkable Water in the City of Armenia.

INTRODUCCIÓN El abastecimiento de agua con criterio de calidad es esencial para el mejoramiento de la calidad de vida y se constituye en uno de los principales objetivos de los planes de desarrollo en el sector de Agua y Saneamiento. Esta condición ha derivado en una mayor atención al sector que se manifiesta en un incremento de la cobertura de los servicios de abastecimiento y acueducto, sin que esto sea una garantía de la calidad de agua potable para la comunidad que recibe estos servicios. En Colombia los avances de la infraestructura de abastecimiento de Agua y Saneamiento ocurren en un marco caracterizado por escasez de fondos, prioridades competitivas y sistemas sociales que confirman y determinan la demanda real. Demanda que está afectada constantemente por el crecimiento de la población, el desarrollo industrial y agropecuario, la explotación minera y la apertura económica, que han traído consigo aumentos en los consumos de agua en el país, generando importantes volúmenes de agua no tratada y posteriormente la contaminación de los cuerpos de las fuentes receptoras, con el incremento de enfermedades de origen hídrico incidentes en el desarrollo humano y social de las poblaciones. Algunas entidades estatales de nivel nacional y local como Ministerio y Secretarias de Salud y Desarrollo son asignadas para la atención y solución de necesidades y problemas del sector de Agua y Saneamiento Ambiental. La Universidad se ha unido a esta labor y es así como ha suministrado herramientas necesarias para contribuir al mejoramiento de la calidad de vida de una determinada comunidad, a través del intercambio Universidad – Empresa, que permite a los estudiantes ubicar una empresa prestadora del servicio y realizar la evaluación de la operación y funcionamiento de la Planta de Tratamiento de Agua para consumo humano. En cumplimiento con este compromiso social de la Universidad Nacional con el desarrollo y progreso de la sociedad y en respuesta a la necesidad planteada por las Empresas Públicas de Armenia de mejorar la prestación del servicio mediante el suministro de una buena calidad de agua, se realizó el estudio y evaluación de la Planta de Tratamiento de Agua Potable en este municipio, por ser una ciudad intermedia con 300.026 habitantes, donde el aumento poblacional es cada vez mayor y por tanto el consumo de agua. Con aportes de la Empresa, quien facilitó los medios necesarios para el desarrollo del trabajo, se realizó la evaluación del funcionamiento de la planta de tratamiento, en el área administrativa, vulnerabilidad y proceso de potabilización, donde se involucraron todos los componentes del sistema en todas sus etapas, desde la captación del recurso hídrico hasta el tratamiento de desinfección. Se empleó la metodología establecida en los módulos de Evaluación, Operación y Mantenimiento de Plantas de tratamiento de Agua para consumo Humano, en atención a las normas y parámetros planteados por la Organización Mundial de la Salud (OMS), la 2

Organización Panamericana de la Salud (OPS), el CEPIS y acogida por el Ministerio de Salud de Colombia en 1989, utilizada en numerosos proyectos y estudios de gran escala en diferentes ciudades y países de Latinoamérica, que son adaptadas a los recursos disponibles del medio y al tipo de agua a tratar. La utilización de esta metodología permitió la aplicabilidad de las bases teóricas ofrecidas por la Universidad Nacional en su Línea de profundización Ingeniería Ambiental, con la cual se evidencia una de las posibilidades que tiene el programa de Ingeniería Química de contribuir al desarrollo de un país mediante el planteamiento de fallas encontradas durante la evaluación y recomendación de posibles soluciones que ayuden al mejoramiento del proceso. La realización de este tipo de trabajos, sirven de soporte para los profesionales que están a cargo de las Empresas Prestadoras del Servicio de Agua Potable y se convierten en motivación y guía para el desarrollo de nuevos proyectos.

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1. ARMENIA Y SU PLANTA DE TRATAMIENTO 1.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL MUNICIPIO DE ARMENIA La ciudad de Armenia, Capital del Departamento del Quindío, se ubica en la vertiente occidental de la Cordillera Central a los 40º32’20” de latitud norte y los 75º40’37” de longitud oeste. Fue fundada en Octubre 14 de 1889, erigida distrito en 1903, convertida en municipio del Departamento de Caldas en 1910 y por último en Capital del Departamento del Quindío en Enero 7 de 1966.

Fig 1. Mapa del Departamento del Quindío.

4

El área del municipio es de 114.5Km2, de los cuales 10.9Km2 corresponde al área urbana y 103.6Km2 al área rural, con una densidad poblacional de 2425.27Hab/Km2. Limita al norte con Circasia; al este con Salento y Calarcá; al sur con Calarcá y al oeste con Montenegro y La Tebaida. El Río Espejo le sirve de límite natural con Circasia y Montenegro, en tanto que el Río Quindío determina sus límites con Salento y Calarcá. Ver Fig. 1. Hidrográficamente el perímetro urbano de la ciudad, está dividido por una gran línea en dos zonas, una de las cuales corresponde casi a dos tercios del Departamento y tiene afluentes de agua provenientes de altitudes superiores a los 2000m.s.n.m. En la parte nor-occidental del sistema hidrográfico montañoso de la Cordillera Central se encuentra el nacimiento del Río Quindío del cual se toma el agua para el acueducto de la ciudad y la producción de energía. El clima de Armenia va del tropical húmedo al tropical semi-húmedo; de régimen térmico templado y temperatura promedio de 22ºC en la parte baja de la ciudad y 19ºC en la parte alta. La altura sobre el nivel del mar es 1483m y la precipitación media anual 1996mm. Las precipitaciones mínimas se presentan en Junio y Julio y un mínimo parcial en Diciembre y Enero. El máximo primario (período alto) de lluvias se produce en los meses de Octubre y Noviembre, mientras que los máximos secundarios en Marzo, Abril y Mayo. El área agrícola del municipio es de 8262.7Has, y la producción esta conformada principalmente por plátano con 65724Tns/año, seguida de café con 8810Tns/año, cítricos 8352Tns/año, yuca 5231.9Tns/año y otros 2043.35Tns/año. El área correspondiente a pastos es de 1760Has, bosques 698.7Has (Natural: 461.3Has y Guadua: 237.4Has) y el espacio destinado a otros usos es 2334Has. En cuanto a salud, en el año 2001, la ciudad de Armenia registra 20 causas de mortalidad y 22 causas de consulta externa y urgencias, de las cuales se pueden relacionar con el consumo del agua las enfermedades del aparato digestivo, enteritis y enfermedades diarréicas. Estos datos son suministrados por la Seccional de Salud del Quindío y se muestran en el Anexo A. La ciudad cuenta con las siguientes empresas prestadoras de servicios: Telearmenia, Empresa de energía eléctrica del Quindío (EDEQ), Gases del Quindío y Empresas Públicas de Armenia (EPA) encargada de: central de beneficio, aseo, alcantarillado, alumbrado público y acueducto cuya cobertura es del 95.54% y suministra agua potable aproximadamente a 68636 suscriptores en los diferentes sectores socio-económicos de la ciudad. Según el censo de 1993 la población ajustada fue 258990 habitantes en total, de los cuales 250883 habitantes pertenecen a la cabecera municipal y 8107 habitantes al sector rural. De acuerdo a los datos registrados en el DANE sobre crecimiento poblacional, se estima que el número de habitantes para el año 2005 será de 321378. La proyección hasta el año 2025 se realizó por medio de una regresión lineal y se muestra en la Tabla 1.

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Tabla 1. Proyección poblacional para el municipio de Armenia

Año 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

PROYECCIONES AÑO 1995 – 2005 Número de Año Número de habitantes habitantes 266363 264085 269814 283249 288977 294501 300026 305551 311000 316301 321378 329012 335041 341070 347098 353127

2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 -

359155 365184 371213 377241 383270 389299 395327 401356 407385 413413 419442 425470 431499 437528 443556 -

1.2 DESCRIPCIÓN EMPRESAS PUBLICAS DE ARMENIA Las Empresas Públicas de Armenia, fueron creadas por el Consejo Municipal como establecimiento público descentralizado del orden municipal mediante acuerdo No. 43 del 25 de Diciembre de 1962, con el fin de prestar los servicios públicos como: energía eléctrica, alumbrado público, aeropuerto, plaza de ferias, plaza de mercado, teléfonos, acueducto, alcantarillado, aseo, y central de beneficio. La prestación de éstos servicios se han ido especializando y sectorizando de acuerdo a los procesos de modernización de la administración pública, por lo cual la empresa en la actualidad es operadora de los servicios de acueducto, alcantarillado y aseo según la ley 142 de 1994 como servicios públicos domiciliarios, central de beneficio y alumbrado público. Los restantes servicios han salido de su esfera mediante diferentes convenios así: energía eléctrica con la EDEQ – S.A. E.S.P, aeropuerto con la Aeronáutica Civil, plaza de ferias y de mercado con el municipio de Armenia y teléfonos con la empresa de teléfonos de Armenia, Telearmenia E.S.P. Según el acuerdo 11 aprobado por el consejo municipal el día 23 de Mayo de 1996, se transformaron las Empresas Públicas de Armenia, en Empresa Industrial y Comercial del Orden Municipal, cuyo objetivo es “lograr la prestación de servicios públicos domiciliarios de Acueducto, Aseo y Alcantarillado de excelente calidad y costo para los clientes, protegiendo el medio ambiente en toda su extensión, desarrollando el Talento Humano, interactuando con la comunidad y sirviendo de instrumento para el desarrollo de los planes de gobierno”.

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1.3 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA DE ABASTECIMIENTO 1.3.1 Fuente de Abastecimiento La fuente de agua superficial es la cuenca alta del Río Quindío. Se localiza al noreste del departamento sobre la vertiente occidental de la cordillera central en la jurisdicción del municipio de Salento, cuya zona más alta forma parte del Parque Natural de los Nevados y en un recorrido de 71.3Km se une con el Río Barragán conformando la cuenca del Río La Vieja a una altura de 1000m.s.n.m, para finalmente desembocar en el Río Cauca, en inmediaciones de la ciudad de Cartago, en el departamento del Valle del Cauca. El límite oriental está constituido por el Paramillo del Quindío, la Laguna de la Virgen y el Páramo de Frontino. El límite occidental se ubica a lo largo de la Quebrada Boquía hasta su confluencia con el Río Quindío. El límite norte lo define la cuenca del Río Otún y el límite sur está constituido por la carretera Salento – Armenia y la carreteable Salento – Toche – Ibagué. Presenta características de altas precipitaciones (1996mm anuales) y pendientes entre 30% y 60%. Posee en su parte superior numerosos nacimientos de quebradas que más abajo forman el Río Quindío y su afluente principal, la Quebrada Cárdenas, ubicada dentro del Parque Natural de los Nevados. Las fuentes de agua son utilizadas para consumo humano y fines agropecuarios e ictiológicos de gran importancia como los estanques de Cocora. El uso potencial de la tierra, corresponde en el nacimiento del Río Quindío a una zona improductiva. En la parte alta predominan cultivos forestales de especies nativas, algunas coníferas y bosques nativos, en su mayoría propiedad de la Corporación Regional del Quindío (C.R.Q.); no obstante, se observan pequeños predios dedicados al cultivo de productos hortícolas, papa y frutales. Luego entre las alturas de 2000m.s.n.m a 3500m.s.n.m una zona forestal y finalmente entre 2800m.s.n.m y 2500m.s.n.m una zona pastizal. El sistema hidrológico del Río Quindío, se presenta como una cuenca con aguas procedentes del régimen de lluvias que alimenta las cabeceras, originando fuentes subterráneas, pequeños arroyos, quebradas y por último el cuerpo principal del río, el cual discurre por lechos de piedra a gran velocidad. La red hidrológica del río, depende directamente del clima, de las condiciones de cobertura natural y del sistema ecológico y geológico. Presenta los siguientes afluentes: Santa Rita: Nace en el sitio denominado Uribia, tiene un recorrido de 12Km y desemboca en el sitio llamado Santa Rita, 2Km arriba de Boquía. San Pacho: Nace a 4300m.s.n.m, tiene un recorrido de 35Km antes de desembocar al río en el sitio conocido como El Molino. Cárdenas: Nace en el sitio conocido como Amarguras a 4000m.s.n.m, tiene un recorrido de 10Km antes de desembocar en el puente Cárdenas. La Plata y Las Mirlas: Nacen a unos 4000m.s.n.m, tienen un recorrido de 2.5Km y son los primeros afluentes que le llegan al río. 7

Santa Isabel: Nace en la parte alta de la cordillera a 4000m.s.n.m, tiene un recorrido de 5Km, para desembocar al río en el sitio llamado Puente Cárdenas a unos 100m de la confluencia del Río Quindío con la Quebrada Cárdenas. Aguas Claras: Conformada por las aguas de las quebradas Las Nieblas y Las Pampas a 4000m.s.n.m, su recorrido es de 11Km para desembocar en el sitio llamado La Palmera frente a la hacienda Portugal. Guayaquil: Nace a una altura de 3900m.s.n.m, tiene un recorrido de 5Km para desembocar en el sitio conocido como La Marina. La Rivera: Nace en la parte inferior de la hacienda Alaska en el sitio denominado La Rivera, hace un recorrido de 6Km, desembocando al río en el sitio llamado El Escobal. Boquía: Nace en el sitio conocido como La Muleta en la hacienda El Porvenir a 3500 m.s.n.m, tiene un recorrido de 25Km, para desembocar al río en la vereda Boquía en el sitio conocido como El Agrado. Sus afluentes y quebradas son: Arrayanal, Tolda Nueva, El Roble y El Rosario. La información anterior fue recopilada de informes suministrados por la Corporación Autónoma Regional del Quindío. C.R.Q 1.3.2 Captación Hasta el año 1983 la toma del agua se hacía por medio de una desviación de las aguas, conformando en la margen derecha del río un brazo de piedra suelta de unos 400m de longitud, que posteriormente llegaba a una cámara para ser conducida por gravedad a través de una tubería de longitud 14Km. Para el año 1983, se dieron al servicio las nuevas obras de captación – conducción, ubicadas en el municipio de Salento sobre la vertiente occidental de la cordillera al noreste del departamento del Quindío, a 1.5Km aguas abajo de la Vereda Boquía y constituidas por una presa India con un muro de concreto que forma un vertedero para la estabilización de niveles de agua y una cámara lateral de donde se derivan las tuberías de conducción a un sistema de presedimentación con una capacidad de 3m3/s. La Cámara de captación es una caja de concreto reforzado diseñada con una forma trapezoidal de una longitud de 11m. La placa de fondo está al mismo nivel del canal que se encuentra enrocado de la presa. A la entrada de la cámara se tiene una rejilla de varillas de 0.0381m (1½”) de diámetro que se pueden sacar independientemente. En la salida de la cámara hacia las tuberías de conducción existen dos rejillas removibles una para cada tubería, con el fin de evitar que entren al sistema de conducción piedras y materiales de mayor tamaño. Tiene dos compuertas rectangulares para desagüe y lavado de la cámara con salida al enrocado aguas abajo del vertedero. Ver Plano 1 del Anexo B La aducción consta de dos tuberías cada una de 0.84m (33”) de diámetro y capacidad de 1.5m3/s. Están construidas en concreto con una longitud de 290m y funcionan por gravedad. 1.3.3. Pre-sedimentación Está diseñada como un sistema de seis módulos (Ver Plano 2 del Anexo B), cada uno de los cuales consta de un tanque de 21.7m de longitud útil y 4.94m de ancho. Con 8

capacidad de 0.5m3/s cada uno. Es un diseño con placas planas de asbesto – cemento de 2.4*1.2m2 y espesor 0.01m, colocadas en un ángulo de 70º con la horizontal y separadas 0.1m una de la otra. Sobre éstas placas están colocados longitudinalmente tubos de 0.3048m (12”) de diámetro (5 tubos para cada unidad) con orificios en su parte superior de 0.064m (2½”) de diámetro por donde se recoge el agua desarenada y va por ellas a un canal recolector, el cual entrega un caudal de 1.5m3/s al sistema que conduce a la planta de tratamiento. Este caudal se establece por medio de una regla marcada de cero a dos metros, la cual se encuentra ubicada en el empalme de la tubería y el canal de entrega. 1.3.4 Conducción de Agua Cruda Se encuentra ubicada al nor – oriente de la ciudad de Armenia, iniciándose al lado derecho del Río Quindío aguas abajo de la desembocadura de la Quebrada La Vibora, continuando con ésta orientación hasta cercanías de la Quebrada La Florida. Inicialmente tenía una longitud de 17000m y en la actualidad cubre una distancia de 9858.2m desde los desarenadores hasta la planta de tratamiento. En su totalidad es gravitacional, cubierta y revestida y comprende tuberías, túneles, viaductos y canales cuyas capacidades se muestran en la Tabla 2. Tabla 2. Capacidad de la conducción Elemento

Capacidad (m3/s)

Tuberías

1.500

Túneles de tierra

1.800

Box culvert

1.500

Túneles revestidos

1.800

Canales

1.500

1.4 DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA PLANTA La Planta de Potabilización de Agua, se encuentra ubicada en el sector de Regivit, al norte de la ciudad en la carrera 14 con calle 44N y fue construida en dos etapas. La primera etapa en 1952 cuya construcción fue diseñada para tratar un caudal nominal de 0.25m3/s, para una población de 78000 habitantes y la ampliación en el año 1967 se construyó para tener una capacidad adicional de 0.25m3/s y cubrir una población de 130000 habitantes. Teniendo un total de 0.5m3/s de agua tratada. Con el crecimiento de la ciudad los consumos de agua se hacían cada vez mayores, por lo que las Empresas Públicas de Armenia en Julio de 1974, contrataron un estudio de optimización de la planta con el Ingeniero Consultor Carlos Hernán Ortega, obras que tardaron casi una década en realizarse sin observar los resultados esperados. Posteriormente en 1983 el Ingeniero Arturo Medina Angulo optimizó la planta de tratamiento para un caudal adicional de diseño de 0.4m3/s. En el año 1992 se realizó un nuevo estudio a cargo de la firma Gandini y Orozco Ltda. Ingenieros cuyas obras solo se realizaron para un caudal adicional de 0.09m3/s. En 1998 la firma Hidrosan Ltda.

9

llevó a cabo reformas a las baterías de filtros para ampliar la capacidad de la planta al trabajar en filtración directa.. Actualmente la planta maneja caudales entre 0.985 y 1.135m3/s, mediante un tratamiento convencional que consta de: un sistema de desarenación, una unidad de Floculación – Sedimentación hidráulica de tipo Alabama, dos unidades de Floculación – Sedimentación mecánica de eje horizontal tipo Permutit, cuatro unidades de Floculación – Sedimentación mixta de eje vertical, diez unidades de Filtración y desinfección con Cloro. Ver Plano 3 del Anexo B. 1.4.1 Cámara de Entrada Es una estructura de la cual se derivan 3 tubos de 0.508m (20”) de diámetro cada uno y que alimentan un canal de 13m de longitud encargado de distribuir el agua hacia dos estructuras desarenadoras. 1.4.2 Desarenador La planta posee dos estructuras desarenadoras convencionales de flujo horizontal de 330 m3 cada una y constan de: un canal de entrada provisto de dos compuertas; un paso directo controlado por una compuerta; un canal de salida; un canal de rebose aguas abajo en la salida; una cámara de desagüe y dos tuberías de desagüe controladas por válvulas de compuerta dos por cada estructura. Sus dimensiones son: profundidad media 2.5m; largo 18m y ancho 4.91m. Ver Plano 4 del Anexo B y registro Fotográfico en el Anexo C. 1.4.3 Canal de Agua Cruda Es un canal rectangular de 1.2m de ancho, 17.4m de longitud y 1.25m de profundidad, cuya trayectoria describe un ángulo de casi 90º, después del cual se encuentra una Canaleta Parshall, que sirve como medidor de caudal construida en fibra de vidrio y con las siguientes características: ancho aguas arriba 1.55m; ancho de la garganta 0.9m; ancho aguas abajo 1.2m. Ver Plano 5 del Anexo B. La lámina de agua en el canal es de aproximadamente 0.80m. 1.4.4 Mezcla Rápida La mezcla rápida se efectúa sobre el resalto hidráulico, ubicado aguas abajo de la Canaleta Parshall y es el lugar donde se lleva a cabo la dosificación del Sulfato de Aluminio. El agua mezclada es conducida por un canal de 1.18m de ancho por 1.1m de alto, el cual va distribuyendo el agua hacia las unidades de Floculación – Sedimentación hidráulica, las unidades de Floculación – Sedimentación mecánica y las unidades de Floculación Sedimentación Mixta. Ver Plano 6.

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1.4.5 Floculación – Sedimentación Para la Floculación-sedimentación existen tres sistemas: Floculación – Sedimentación Hidráulica tipo Alabama; Floculación – Sedimentación Mecánica de eje horizontal (unidades compactas Permutit 1 y 2) y Floculación - Sedimentación Mixta de eje vertical (4 módulos). •

Floculación – Sedimentación Hidráulica:

Esta estructura es de Tipo Alabama. La zona de Floculación consta de dos series de compartimientos. En la primera serie el agua se divide en dos zonas iniciales cada una comprendida por cinco cámaras diseñadas para 0.2m3/s cada una. El agua ingresa a estas zonas, por compuertas de 1m por 1.15m. Los orificios de paso entre las cámaras son rectangulares y están ubicados en el fondo de las mismas, adicionalmente, cuentan con vertederos que obligan el cambio de dirección en el agua. Posteriormente se unen los caudales en un canal de 9m de largo por 1m de ancho, antes de pasar a la segunda serie de Floculadores, la cual esta comprendida por seis cámaras dispuestas en serie y de mayor volumen a través de las cuales pasa un caudal de 0.4m3/s. Estas dos series de compartimientos van compactas con la sedimentación (dos unidades diseñadas para 0.2 m3/s cada una), las cuales van a lado y lado de la segunda serie de compartimientos de Floculación. Ver Plano 7 y Plano 8 del Anexo B. En la última cámara de Floculación existen dos orificios en el fondo en cada lado de la misma, por donde el agua pasa hacia dos canales de sección trapezoidal (uno para cada unidad de sedimentación) y sale a través de 34 orificios rectangulares (0.4m * 0.15m), por donde el agua pasa a los sedimentadores, los cuales están formados por tubos paralelos colocados transversalmente y compuestos de 24 orificios separados 0.2m entre sí y son los encargados de entregar el agua en unos canales ubicados a lo largo de la unidad para que posteriormente salga a un canal recolector principal que la lleva a la zona de Filtración. En el flujo ascendente se encuentran las placas paralelas de asbesto – cemento (680 placas, con una inclinación de 60º y separadas entre si por 0.07m). Ver Plano 9 y Plano 10 del Anexo B y registro fotográfico en el Anexo C. •

Floculación – Sedimentación Mecánica

Se lleva a cabo en dos unidades compactas denominadas Tanques Precipitadores Permutit o Spaulding – Precipitador, que trabajan con el principio de manto de lodos, de suspensión hidráulico – mecánico. Diseñados para una capacidad de 0.25m3/s cada uno. Para el proceso de Floculación una de éstas unidades posee paletas giratorias de madera, de 2.65m de largo por 0.08m de ancho y dos por cada agitador a lo largo de toda la unidad. En la otra unidad compacta, se reemplazaron las paletas por mallas de 3.45m de largo y 0.80m de ancho (20cm de malla 5.6mm, 20cm de malla 25mm y 40cm de malla 73mm), cuyo alambre es soldado a una platina. El agua ingresa a cada unidad por un canal central de forma trapezoidal, de base inferior 1.29m, base superior 0.51m y altura 0.63m; con orificios en el fondo, por donde desciende hacia la zona de Floculación cuya sección transversal es trapezoidal de base superior 1.29m, base inferior 2.3m y altura 1.14m. Se ubica en la parte central de cada 11

unidad, donde se encuentran dos ejes con paletas o mallas giratorias espaciadas a lo largo del tanque y accionadas por un sistema de motor reductor de cuatro velocidades alojados en una cámara independiente en la cabecera de la unidad. Continúa por la parte de abajo hacia dos módulos de sedimentación y asciende a través de colmenas metálicas con una inclinación de 60º, después de las cuales es recogida en canaletas rectangulares de 0.16m de ancho por 0.50m de alto con orificios de recolección de 0.0254m (1”) en el fondo de las paredes laterales, separados por 0.3m. Estas canaletas de recolección están ubicadas a lo ancho de cada una de las zonas de sedimentación. Posteriormente el agua es entregada a un canal de recolección ubicado en los extremos de la cada unidad, luego pasa al canal que trae parte del agua sedimentada proveniente de la zona de Floculación – Sedimentación Hidráulica para ser conducida a las unidades de Filtración. Ver Registro fotográfico. •

Floculación – Sedimentación Mixta de eje Vertical

En ésta unidad el agua llega a través de un tubo de PVC de 0.254m (10”) a una cámara encargada de distribuir el agua a cuatro módulos de Floculación, cada uno de los cuales posee dos unidades dispuestas en serie con un agitador mecánico metálico, con cuatro mallas de eje vertical de dos separaciones, 0.2m de 35mm y 0.5m de 103mm para un total de 0.7m y motor a la intemperie. Cada cámara de Floculación tiene 2.4m de ancho, 1.8m de largo y 3m de profundidad. El agua sale de las unidades Floculadoras hacia la zona de Sedimentación (una por cada módulo) a través de una pared permeable con seis orificios de 0.152m (6”) de diámetro cada uno. Cada uno de los cuatro sedimentadores posee las siguientes dimensiones: profundidad 4.22m; ancho 2.4m; largo 7.1m y están formados por placas paralelas de asbesto – cemento, inclinadas 60º y separadas 5cm entre sí. Después de ascender el agua por las placas paralelas, es recolectada por tuberías de 0.152m (6”) con orificios de 0.0127m (½”) y llevada a un canal ubicado en el centro del tanque, que luego lleva el agua hasta el canal que recoge el agua de los cuatro módulos y la comunica con el canal de recolección que trae parte del agua sedimentada proveniente de la zona de Floculación – Sedimentación Hidráulica y Mecánica. Ver plano 13 del Anexo B y Registro fotográfico en el Anexo C. 1.4.6 Filtración Se realiza a través de diez filtros denominados: Filtros Convencionales y Filtros de Auto Lavado, su diferencia radica en el agua de lavado. Reciben el agua sedimentada a través de un canal a manera de anillo de 1.2m de ancho y 1m de profundidad. Ver Plano 14 del Anexo B. •

Filtros Convencionales

Constan de dos módulos cada uno provisto de dos cámaras dispuestas en paralelo y están provistos de lechos mixtos de arena (0.15m) y antracita (0.5m) con los respectivos medios de grava como soporte. Las dimensiones de cada uno son: ancho neto 5.5m y largo 8.2m.Ver Plano 15 del Anexo B y registro fotográfico en el Anexo C. 12

La recolección del agua filtrada y lavado se hace por el sistema de falso fondo tipo “Leopold”. El lavado se realiza utilizando el agua proveniente del tanque elevado. Las aguas de lavado se recolectan por unas canaletas auxiliares de 0.3m de ancho por 0.38m de altura que descargan a un canal central de 0.5m de ancho y 1.1m de profundidad. •

Filtros de Auto Lavado

Constan de dos módulos cada uno provisto de tres cámaras dispuestas en paralelo y están provistos de lechos mixtos de arena (0.25m) y antracita (0.5m) con los respectivos medios de grava como soporte. Cada tanque tiene 3.8m de ancho 7.6m de longitud y 4.7m de profundidad total. Ver Plano 15 del anexo B y registro Fotográfico en el Anexo C. Para el lavado de éstos Filtros se aprovecha el agua filtrada que va por el canal a la Galería de Filtros proveniente de estas mismas unidades, después de abrir y cerrar las cámaras y compuertas correspondientes, siendo por tanto un sistema de lavado mutuo. Cada Filtro posee una canaleta central metálica de 0.7m de ancho y 0.6m de altura y un escalón final de 0.23m de altura que la acopla a la compuerta de descarga de agua sucia de lavado. El sistema de recolección de agua de lavado se hace por medio de tubos que desagüan a la canaleta central. La recolección del agua filtrada se hace por el sistema de falso fondo de viguetas prefabricadas donde el agua asciende hasta el canal de agua filtrada que interconecta los Filtros de Auto Lavado, para una posterior descarga al tanque de agua filtrada común tanto a los Filtros de Auto Lavado, como a los Filtros Convencionales donde se encuentra un vertedero de control. Las carreras de filtración tanto en los Filtros Convencionales como los de Auto Lavado tienen una duración promedio de 12 a 24 horas, dependiendo de las condiciones del agua cruda, si esta es muy turbia la carrera se disminuye notoriamente. 1.4.7 Desinfección Se realiza mediante la adición de Cloro gaseoso a través de tres dosificadores de tipo vacío, controlados manualmente por medio de rotámetros que indican la descarga de Cloro en 24 horas. En la planta de tratamiento se realiza pre-cloración con dosis que oscilan entre 0.17 mg/L y 0.4 mg/L (en el canal de salida del agua sedimentada del sistema Floculación – Sedimentación Hidráulico y Mecánico) y cloración con dosis que oscilan entre 1.0 mg/L y 1.3 mg/L (para los Filtros Convencionales en la cámara ubicada debajo de la Sala de Filtros y para los de Auto Lavado en el vertedero de salida de éstos). Junto al edificio de dosificación y almacenamiento de Cloro se encuentra un tanque de Soda Caústica utilizado para el control de cualquier fuga de Cloro que se pueda presentar en dicho edificio. Ver registro fotográfico en el Anexo C.

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El agua tratada finalmente sale de la planta por cuatro tuberías de la siguiente manera: Una tubería hacia el Norte de la ciudad, dos tuberías van a los Tanques de Regivit donde se encuentran dos Tanques denominados Tanque Viejo y Nuevo respectivamente, encargados de abastecer el Norte y Centro de la ciudad y finalmente una tubería al Tanque Corbones del cual salen dos tuberías una distribuye el agua al Occidente de la ciudad y la otra va al Tanque 5 (tanque de paso), que alimenta el tanque 6 y distribuye el agua en el Sur de la ciudad. Ver Mapa 1. del Anexo D. La capacidad de almacenamiento de cada tanque se muestra en la Tabla 3. y en el Mapa 2 del Anexo D, se muestra la ubicación de los tanques en la ciudad y la red de distribución. Tabla 3. Capacidad de Almacenamiento del Agua tratada TANQUE

CAPACIDAD (m3)

Tanque Viejo 1

4492

Tanque Nuevo 2

4201

Tanque Corbones

5247

Tanque 5 (Margaritas)

3000

Tanque 6 (Monteprado)

1500

1.4.8 Sistema de Distribución Se cuenta con una red de distribución de 333Km aproximadamente para el suministro de agua potable a la ciudad, el 88.7% del total de ésta red, presenta edades, que en promedio ya sobrepasan los 25 años y está conformada por un sistema de medición, acometidas domiciliarias, redes primarias y redes secundarias, cuyos diámetros oscilan entre 0.0508m (2”) y 0.6096m (24”). Siendo el material predominante asbesto cemento (67%), seguido por PVC (33%). Como el objetivo general del trabajo es evaluar la operación y funcionamiento de la Planta con base en la Metodología establecida por la Organización Panamericana de la Salud en los módulos de evaluación operación y mantenimiento de plantas de tratamiento de agua para consumo humano, a partir de la información establecida se procedió a dar cumplimiento a los siguientes objetivos: • • •

Evaluar cada una de las etapas de tratamiento (abastecimiento, coagulación, floculación, sedimentación, filtración y desinfección), en la planta de potabilización de agua de la empresas públicas de Armenia. Establecer la calidad de agua suministrada por la planta, de acuerdo con la legislación colombiana sobre potabilización de agua (Decreto 475 de 1998). Analizar la vulnerabilidad de la planta frente a agentes externos que puedan afectar su funcionamiento y operación (desastres naturales y humanos), con base en diagnósticos realizados anteriormente.

14

• •

Analizar la estructura administrativa (manejo de personal, esquema organizacional, gestión de materiales, etc) de la planta de potabilización de agua. Identificar las diferentes fallas del proceso de tratamiento detectadas durante la evaluación de la planta y plantear posibles alternativas de solución.

15

2. EVALUACIÓN DE LOS PROCESOS DE POTABILIZACIÓN La evaluación comprende cada una de las etapas que integran el sistema de tratamiento del agua llevado a cabo en la Planta con base en las condiciones bajo las cuales operaba cada una de las unidades, Coagulación, Floculación, Sedimentación, Filtración y Desinfección en el momento de realizarse. 2.1 COAGULACIÓN La evaluación de este proceso incluye la selección de parámetros óptimos, el manejo y almacenamiento de las sustancias químicas, la dosificación de las sustancias y Mezcla Rápida. 2.1.1 Selección de parámetros óptimos En la determinación de los parámetros óptimos (dosis, concentración de coagulante, tiempo de mezcla lenta, gradiente óptimo de mezcla lenta, pH óptimo de coagulación), la turbiedad fue la propiedad a controlar. Los ensayos se realizaron en el laboratorio mediante la Prueba de Jarras (el equipo utiliza Jarras cuadradas en acrílico transparente de 2L cada una, sin deflectores y un motor de velocidad variable que permite el movimiento de seis paletas ubicadas sobre ejes verticales y un tacómetro para indicar el número de revoluciones por minuto de 0 a 130 rpm). Se tomaron los datos de turbiedades de agua cruda registradas en las planillas de la planta cada hora durante el año 2001 (Ver Fig. 2.) y mediante un análisis estadístico de distribución de frecuencias se escogieron 5 datos representativos de la calidad de agua que ingresa a la planta en las diferentes épocas del año. Las turbiedades escogidas fueron 5, 15, 50, 150 y 250NTU, de acuerdo al análisis estadístico, donde se observa que de los 8722 datos de turbiedad registrados, 7103 (81.44 %), son menores a 5NTU, valor de turbiedad recomendado para el agua antes de ingresar a los filtros, por tal razón no se hizo Prueba de Jarras para este valor. El análisis estadístico se presenta en el Anexo E. Debido a las limitaciones del equipo de Prueba de Jarras usado, para la definición de parámetros óptimos de Mezcla Rápida en el proceso de Coagulación, se determinó el tiempo óptimo correspondiente a la máxima intensidad de agitación dada por el equipo (130rpm, es decir 80s-1). No se realizó prueba de ayudantes de coagulación, debido a que no se utilizan en la planta.

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VARIACION TURBIEDAD AÑO 2001 410 400 390 380 370 360 350 340 330 320 310

TURBIEDAD (NTU

300 290 280 270 260 250 240 230 220 210 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

0

1 000

Enero

Febrero

2000

M arzo

3000

Abril

M ayo

4000

Junio

5000

Julio

6000

Agosto

TIEMPO (Horas)

7000

Septiembre

8000

9000

Octubre Noviembre Diciembre

Fig 2. Variación de la turbiedad del agua cruda en el año 2001 Las siguientes son las propiedades del agua cruda para las diferentes turbiedades trabajadas: Tabla 4. Propiedades del Agua cruda para las turbiedades trabajadas TURBIEDAD (NTU) Color (U. Pt-Co) Alcalinidad (mg/L de CaCO3) pH Temperatura (°C)

•

15 35 24.5 7.26 18.7

50 125 32.0 7.17 18.3

150 450 29 7.29 18.3

250 480 31 7.17 19.4

Determinación de la Dosis Óptima de Coagulante:

Se busca determinar la dosis de coagulante que bajo determinadas condiciones de operación produzca la mejor desestabilización de las partículas coloidales y que permita la formación de un floc compacto y pesado que pueda ser removido por Sedimentación o que pueda ser retenido en los filtros, es decir, la dosis que de mayor rendimiento en el proceso de clarificación. La determinación de la dosis se realizó utilizando el procedimiento de Prueba de Jarras. El Sulfato de Aluminio tipo B se preparó en una solución al 2%, en cada ensayo se determinaron la turbiedad remanente, alcalinidad, pH y temperatura. Los resultados obtenidos en cada uno de los ensayos para las diferentes turbiedades escogidas, se encuentran en el Anexo E. Las dosis aplicadas al agua cruda de acuerdo a las diferentes turbiedades trabajadas se muestran en la Tabla 5.

17

Tabla 5. Dosis de Sulfato de Aluminio aplicado 15 NTU

50 NTU

Dosis de coagulante

Turbiedad remanente

Dosis de coagulante

Turbiedad remanente

20 24 27 30 33 35 38 40 50 60 70

3 3 2.9 2.1 2.0 2.4 2.6 2.5 8 7 8.5

20 30 32 34 36 38 40 50 60 70 -

17 11 10 6 8 9 12 20 28 34 -

150 NTU

250 NTU

Dosis de coagulante

Turbiedad remanente

Dosis de coagulante

Turbiedad remanente

20 30 40 50 60 70

20 22 14 13 15 16

20 30 40 50 60 70

36 25 18 14 19 31

El comportamiento de la turbiedad remanente obtenida en cada uno de los ensayos se muestra en la Fig 3. DOSIS OPTIMA DE COAGULANTE 38

TURBIEDAD REMANENTE (NTU)

36 34 32 30 28 26 24 Turbiedad 15 NTU

22

Turbiedad 50 NTU

20

Turbiedad 150 NTU

18

Turbiedad 250 NTU

16 14 12 10 8 6 4 2 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

DOSIS DE SULFATO DE ALUMINIO (mg/L)

Fig 3. Comportamiento de la turbiedad remanente con la dosis de Sulfato aplicada

18

Tabla 6. Dosis Optima correspondiente a cada turbiedad trabajada DOSIS OPTIMA DE COAGULANTE

TURBIEDAD (NTU)

•

15

30

50

34

150 250

50 50

Concentración Óptima de Coagulante

La concentración del coagulante afecta la eficiencia del proceso por lo cual es necesario determinar experimentalmente cómo se comporta el agua bajo condiciones de una dosis determinada de coagulante, pero adicionada bajo diferentes concentraciones. Se realizó en ensayo empleando los parámetros óptimos encontrados en la prueba anterior. Tabla 7. Concentración de Sulfato aplicado Concentración de Coagulante (%)

15 NTU

50 NTU

150 NTU

250 NTU

Turbiedad remanente

Turbiedad remanente

Turbiedad remanente

Turbiedad remanente

3.4 4.0 2.0 1.1 1.6 9.8

43 33 14 7 8 27

63 50 20 14 16 24

17.3 14.7 8.1 5.3 7.8 15

0.1 0.5 1.0 2.0 3.0 5.0

CONCENTRACION OPTIMA DE COAGULANTE 70

TURBIEDAD REMANENTE (NTU)

65 60 55 50 45 Turbiedad 15 NTU

40

Turbiedad 50 NTU Turbiedad 150 NTU

35

Turbiedad 250 NTU

30 25 20 15 10 5 0 0

1

2

3

4

CONCENTRACION DE COAGULANTE (%)

5

6

Fig 4. Comportamiento de la turbiedad remanente con la concentración de Sulfato aplicada 19

Tabla 8. Concentración Óptima correspondiente a cada turbiedad trabajada

•

TURBIEDAD (NTU)

CONCENTRACION OPTIMA DE COAGULANTE (%)

15 50 150 250

2.0 2.0 2.0 2.0

pH Óptimo de Coagulación

Para determinar el pH óptimo, en el que la remoción de tubiedad fuese mejor, se manejaron diferentes valores de pH (4.5 – 9.0), adicionando H2SO4 y NaOH para bajar y subir el pH respectivamente. Para la realización de estos ensayos se utilizaron las condiciones óptimas determinadas anteriormente. Tabla 9. pH trabajado en cada una de las calidades de agua utilizadas 15 NTU

50 NTU

150 NTU

250 NTU

pH de coagulación

Turbiedad remanente

pH de coagulación

Turbiedad remanente

pH de coagulación

Turbiedad remanente

pH de coagulación

Turbiedad remanente

4.56

6

4.53

25

4.64

25

4.38

18

5.44

7.1

5.6

18

5.53

13

5.43

16

6.33

7.2

6.85

5

6.59

5

5.68

11

7.26

1.8

7.17

4.4

7.29

4

7.17

6.3

8.44

2.3

7.85

7.6

7.81

5.1

8.02

9.2

9.0

7.5

8.29

7.3

8.27

8.5

8.49

16

20

pH OPTIMO DE COAGULACION 28 26

TURBIEDAD REMANENTE (NTU)

24 22 20 18 Turbiedad 15 NTU

16

Turbiedad 50 NTU 14

Turbiedad 150 NTU Turbiedad 250 NTU

12 10 8 6 4 2 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

pH

Fig 5. Comportamiento de la turbiedad remanente de acuerdo al pH Tabla 10. pH óptimo de acuerdo a cada turbiedad trabajada TURBIEDAD (NTU)

pH OPTIMO DE COAGULACION

15 50 150 250

7.26 7.17 7.29 7.17

2.1.2 Manejo y almacenamiento de las sustancias químicas En la planta de tratamiento de agua se utiliza esencialmente Sulfato de Aluminio, Cal y Cloro para el proceso de potabilización •

Sulfato de Aluminio tipo B

Utilizado como coagulante, su uso depende de las características del agua cruda, se adquiere en estado sólido en forma granular y empacado en sacos de 50Kg cada uno. Su proveedor es Derivados Industriales del Valle LTDA. Existen dos equipos para la dosificación en seco (Pennwat Wallace Tiernan) y tanque de disolución respectivos. La solución se prepara al 2% y el control de la dosificación es manual y depende del operario en turno. Cuando el agua presenta una turbiedad mayor a 15NTU, se realiza la prueba de jarras y se adiciona la cantidad de Sulfato necesaria para 21

que el valor de turbiedad disminuya considerablemente. Este se adiciona aguas abajo de la Canaleta Parshall antes del resalto para la Mezcla Rápida. El material es almacenado en una bodega ubicada en el segundo piso de la sala de operación, cuyas dimensiones son: ancho 3.8m, alto 2.9m y largo 8.9m con capacidad de almacenamiento aproximadamente de 43 toneladas. Ver registro fotográfico en el Anexo C. El trasporte de los bultos es llevado a cabo por empleados de la transportadora, que lo depositan sobre unas bases de madera, para evitar la humedad. En la planta se tiene un sistema mecánico de trasporte, pero no es utilizado. Debido a las ampliaciones del edificio de operación, éste quedó mal ubicado y para tener acceso a él, es necesario atravesar el laboratorio de operación, impidiendo el desempeño normal de los operarios. En una época se realizó de esta forma, pero adicional a la interrupción de las labores, hubo pérdidas de elementos de trabajo. En este momento, para tener acceso a la bodega, es necesario utilizar las escaleras para el almacenamiento de los bultos. De los dosificadores existentes, normalmente se utiliza uno (dosificador 1) y cuando los requerimientos de coagulante son muy altos se ponen en funcionamiento los dos. En cuanto al manejo del Sulfato, en la bodega se cuenta con un delantal de caucho y un tapabocas. Sobre precauciones y primeros auxilios, cada bulto lleva anexado un rótulo en donde se encuentran el tipo de Sulfato, el lote, la fecha, el supervisor de área, mantenimiento y producto terminado, las precauciones y los primeros auxilios en caso de algún accidente. •

Cal Hidratada

Es utilizada para estabilizar el pH del agua tratada, se aplica cuando hay dosificación de coagulante y la cantidad adicionada depende del resultado de la Prueba de Jarras realizada por los operarios en turno. Sin embargo, en la planilla para registro de éstas, no se incluye la dosis necesaria. Se adquiere como sólido en polvo empacado en sacos de 25Kg y en algunas ocasiones en sacos de 10Kg cada uno. Su proveedor es Cementos Nare cuyas características son las siguientes1: CaO útil 64.57%, Insolubles agua 4%, Insolubles HCl 0.7%, Pérdidas al fuego 24.75%, CaO total 71.9%, Si O2 1.47%, Al2O3 0.51% y Fe2O3 0.48 %. La aplicación se hace en el pozo de agua filtrada a través de un dosificador (Omega Machine Universal Feeder Serial OU-1647), que es operado manualmente. El material es almacenado en una bodega ubicada contiguo a la Batería de Filtros, cuyas dimensiones son: ancho 4.5m, alto 3.6m y largo 6.4m; con capacidad de almacenamiento de 30 toneladas aproximadamente. Ver registro Fotográfico en el Anexo C.

1

www.cementosnare.com 22

El transporte de los bultos es llevado a cabo por empleados de la trasportadora y lo depositan sobre unas bases de madera con el fin de evitar la humedad. En cuanto al manejo de la Cal, en la bodega no se encuentra ningún tipo de protección, esta depende del operario que manipule la sustancia. Sobre precauciones y primeros auxilios, en la sala se encuentra un cuadro donde se sugiere lavado de manos para prevenir la dermatitis. El algunas ocasiones, debido a la humedad la Cal se atasca en la tolva, impidiendo el movimiento de las paletas giratorias que hacen que la dosificación sea mas uniforme, siendo necesario utilizar una varilla para ayudar a liberar la Cal adherida a ellas. •

Cloro

Es utilizado como desinfectante. Se adquiere en estado líquido en cilindros de 907Kg o 1Ton. Su proveedor es Prodesal S. A. y sus características son (tomadas de las actas del proveedor): Pureza 99.5%, Humedad < 0.015%, Residuo no volátil < 0.015%, Tetracloruro de Carbono < 0.002%, Plomo < 0.001%, Mercurio < 0.0001% y Arsénico < 0.0003%. Del camión trasportador se bajan los cilindros con ayuda de un diferencial (polipasto) y se acomodan sobre formaletas de madera con el aparejo mecánico. Se cuenta con tres dosificadores del tipo solución bajo vacío, con capacidad para 800 lb/día cada uno. La bodega de almacenamiento, se ubica en un espacio aislado de la edificación principal. Sus dimensiones son: ancho 5m, alto 6m y largo 20m; la sala tiene capacidad para almacenar 10 cilindros aproximadamente, pero la existencia es de 3 cilindros normalmente. En caso de alguna fuga la bodega cuenta con un sistema de alarma y fuera de ella se encuentra un lava ojos. En el rótulo de los cilindros se encuentran precauciones y primeros auxilios. Ver registro fotográfico en el Anexo C. 2.1.3 Dosificación de las sustancias químicas Las dosis de Coagulante y de Cal empleadas en el tratamiento del agua, constituyen el parámetro mas importante entre todas las variables químicas del proceso. La evaluación de este aspecto, se determinó con base en las condiciones reales de trabajo de los dosificadores. Todos los valores calculados correspondientes a los siguientes puntos se hallaron y evaluaron utilizando las ecuaciones y criterios que aparecen en el Anexo F. •

Determinación del grado de exactitud de dosificación

Se calibraron los dosificadores de Sulfato y de Cal. Los datos obtenidos se encuentran en el Anexo F. Con base en los resultados obtenidos se realizaron las siguientes gráficas, en las que se relacionan el peso real de la sustancia dosificada y el porcentaje de abertura. 23

Para los dosificadores de Sulfato de Aluminio se graficó la curva teórica, obtenida de acuerdo con el manual del equipo. Para la Cal no se realizó esta curva, pues en la planta no se dispone de dicho manual para este dosificador. PESO REAL DE SULFATO DE ALUMINIO (Kg/h)

300 285 270 255 240 225 210 195 180 165 150 135 120 105 90 75 60 45 30 15 0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

Curva teórica Curva experimental

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

105

110

115

120

125

130

PORCENTAJE DE ABERTURA

PESO DE SULFATO DE ALUMINIO (Kg/h)

Fig 6. Calibración del dosificador de Sulfato de Aluminio 1

260 250 240 230 220 210 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 5 10 15 20 25 Curva teórica Cuurva experimental

0

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

105

110

115

PORCENTAJE DE ABERTURA

Fig 7. Calibración del dosificador de Sulfato de Aluminio 2

24

120

125

130

42 40 38 36 34

PESO DE CAL (Kg/h)

32 30 28 26 24 22

Curva experimental

20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

105

110

115

PORCENTAJE DE ABERTURA

Fig 8. Calibración del dosificador de Cal Los porcentajes de abertura sobrepasan el 100% porque la perilla que indica el porcentaje gira un poco mas del señalado como límite superior en la perilla de control. En la curva del dosificador de cal, se observa que no hay intersección con el eje x, lo que significa que mientras el dosificador se encuentra encendido siempre hay dosificación ya que la perilla no gira menos del 2% de abertura impidiendo que la válvula de salida se cierre totalmente. Para calcular el grado de exactitud, es necesario conocer el peso real y el peso teórico. Sin embargo, en la planta no se utiliza la perilla del tablero de control para referenciar el peso dosificado. Cuando es necesario realizar dosificación, el operario en turno, se encarga de calibrar el equipo para la dosis obtenida en la Prueba de Jarras, luego la dosificación es la correcta. Para establecer el funcionamiento de los dosificadores, se calculó un grado de exactitud de acuerdo con la curva de calibración teórica de los equipos de dosificación de Sulfato de Aluminio frente a los valores de peso real obtenidos en los diferentes porcentajes de abertura indicados por la perilla de control. De acuerdo con observaciones de los operarios, el porcentaje de abertura normal utilizado en la planta es de 65% para el dosificador 1, porcentaje para el cual los valores de peso usados en el cálculo, son 144.111Kg/h peso real y 163Kg/h peso teórico, obtenidos de la curva de la Fig 6. Como el dosificador 2 no es utilizado de manera frecuente, no se tiene un valor promedio de porcentaje de abertura, por lo tanto, el porcentaje utilizado fue de 60% y los valores leídos en la Fig 7. son 141.045Kg/día peso real y 150Kg/día peso teórico. Los resultados se muestran en la Tabla 11.

25

Tabla 11. Grado de exactitud de los dosificadores de Sulfato Grado de exactitud I Dosificador 1 Dosificador 2

11.59 5.97

Según los resultados obtenidos, el grado de exactitud del dosificador 1 de Sulfato de Aluminio es Regular y del dosificador 2 es Bueno. Para el dosificador de Cal no se determinó el grado de exactitud por no disponer de la curva teórica. •

Determinación de la flexibilidad

Este parámetro determina el rango de dosificación que ofrecen los equipos utilizados para suministrar las sustancias químicas y depende de las descargas máximas y mínimas de los dosificadores. Los valores para cada equipo y los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 12. Tabla 12. Flexibilidad de los Dosificadores de Sulfato y Cal

Descarga Mínima (Kg/h)

DOSIFICADORES DE SULFATO DE ALUMINIO Dosificador 1 Dosificador 2 15.930 20.254

DOSIFICADOR DE CAL 12.040

Descarga Máxima (Kg/h)

275.742

232.756

38.947

Flexibilidad (Kg/h)

259.812

212.502

26.907

•

Determinación del grado de concentración

Este parámetro se calculó utilizando el peso real dosificado y el caudal que entra a la cámara de disolución de cada dosificador. El caudal de agua que ingresa a los tanques se calculó utilizando el método volumétrico para cada uno de los dosificadores. El peso dosificado se halló a partir de la dosis necesaria de Sulfato aplicada al agua para una turbiedad de 67NTU, cuyo valor fue 33mg/L La dosis de Cal aplicada para esta turbiedad fue 12mg/L. Los valores de caudal, peso dosificado y concentración se muestran en la Tabla 13.

26

Tabla 13. Caudal en cada cámara de solución DOSIFICADOR

CAUDAL

DOSIS

PESO

L/s

mg/L

DOSIFICADO

Sulfato 1

3.82

33

g/s 0.1260

Sulfato 2

3.01

33

0.0993

Cal

2.93

12

0.0352

Por lo tanto la concentración real de trabajo en los dosificadores es 3.29%. •

Determinación del Período de Retención en las Cámaras de Solución

Se determina para los caudales máximos y mínimos de agua que entra en las cámaras de solución. Los datos para los diferentes dosificadores, se presentan en la Tabla 14. Tabla 14. Tiempo de retención en los dosificadores DOSIFICADORES DE SULFATO DE ALUMINIO Dosificador 1 Dosificador 2 170 180

V (L)

DOSIFICADOR DE CAL 150

qmáx (L/s)

3.82

3.01

2.93

qmín (L/s)

0.2358

0.1161

0.062

Tomín

(mín)

0.75

0.97

0.85

Tomáx

(mín)

12

25.8

40.32

En los tres dosificadores se tienen períodos de retención por debajo de 1mín para los caudales máximos, para caudales mínimos de entrada de agua a los tanques de solución, se obtienen períodos de retención mucho mayores a los recomendados. (5 minutos o preferentemente 10 minutos para permitir la polimerización de los coagulantes y mejorar su eficiencia2).

2

CEPIS / OMS / OPS. Módulos de evaluación operación y mantenimiento de plantas de tratamiento de agua para consumo humano. Mod.10. Página 7.

27

2.1.4 Mezcla Rápida • Eficiencia del proceso de Mezcla rápida: Mediante la realización de la Prueba de Jarras se determinaron las condiciones óptimas de concentración de coagulante y tiempo óptimo de mezcla. Se calculó la eficiencia por comparación entre el Indice de Aglomeración (índice de Adhesión de partículas) Real y Aparente, el cual se halla a partir de la turbiedad de agua cruda y turbiedad remanente después de la Sedimentación. Las condiciones del Agua Cruda con que se trabajó, se muestran en la Tabla 15. La turbiedad remanente obtenida para el ensayo fue 14 NTU valor con el cual se calculó el Indice de Aglomeración Aparente (AL=0.0565). Para calcular el Indice de Aglomeración Real, se tomó la dosis hallada en la Prueba de Jarras y se calibró el dosificador para aplicar esta dosis en la planta (11.82gr/min). Una vez realizada la dosificación se tomó una muestra de agua coagulada en la planta inmediatamente después de la mezcla rápida y en el laboratorio, se simuló el proceso de Floculación - Sedimentación en el Equipo de Jarras (20 mín de Mezcla Lenta y 30 mín de Sedimentación), obteniendo una turbiedad final de 22 NTU y con este valor se calculó el Indice de Aglomeración Real (AR=0.003053 ). Tabla 15 . Propiedades del agua cruda Turbiedad (NTU) Color (U.Pt-Co) Alcalinidad (mg/L de CaCO3)

67 140 31.5

pH Temperatura (ºC)

7.63 19.3

Con los datos obtenidos de AR y AL se calcula la eficiencia (I) de la unidad de Mezcla Rápida cuyo valor fue 54.034 valor que indica una eficiencia regular de Mezcla Rápida. •

Determinación del tiempo de Mezcla

El tiempo de mezcla puede determinarse por medio del Ensayo de Trazadores o determinando la longitud del resalto y la velocidad media del agua. Con la realización de la Prueba de Trazadores, se obtuvo un tiempo de mezcla de 2.8s. Esta prueba se realizó adicionando Cloruro de Sodio en el resalto donde se efectúa la dosificación del Sulfato. Las muestras para determinación de cloruros se tomaron aguas abajo del mismo. Los resultados y las condiciones de realización del ensayo se presentan en el Anexo G. Calculando la velocidad media del agua y la longitud del resalto, se obtuvo un tiempo de mezcla de 1.301s. Las ecuaciones para el cálculo se muestran en el anexo F.

28

•

Determinación de la Intensidad de mezcla

En la determinación de la intensidad de mezcla, se calcula el gradiente de velocidad en la unidad, para esto es necesario realizar un Análisis Hidráulico de la misma. Como anterior al Resalto Hidráulico donde se realiza la Mezcla Rápida se encuentra una Canaleta, también se realiza la evaluación hidráulica a esta unidad. Las ecuaciones fueron tomadas del libro de Arboleda Valencia y se presentan en el Anexo F. Canaleta Parshall

Fig 9 Esquema de la Canaleta Parshall Tabla 15. Dimensiones de la Canaleta

A B C D E

REAL 1.65m 1.6m 1.2m 1.6m 0.92m

TIPO 1.677m 1.645m 1.22m 1.572m 0.915m

F G K N W

REAL 0.6m 0.93m 0.076m 0.23m 0.88m

TIPO 0.61m 0.915m 0.076m 0.229m 0.915m

En la tabla 15 se observa que las medidas reales de la Canaleta, son muy similares a los valores tipo encontrados en la bibliografía. (Arboleda Valencia). Con estos valores se calculan las condiciones de entrada, de la garganta y de salida, al igual que las pérdidas de carga . Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 16. De acuerdo con los resultados obtenidos, se observa que en la Canaleta se produce un Resalto muy débil y que el valor de sumergencia está por encima del recomendado, sin embargo esto no ocasiona problemas, porque esta estructura no es utilizada como dispositivo de Mezcla Rápida.

29

Tabla 16. Condiciones reales y tipo de la Canaleta Parshall CONDICIONES DE LA CANALETA Parshall Caudal Altura de la lámina de agua a la entrada de la canaleta (ha) Ancho de la canaleta en la sección de medida D’ Velocidad en la sección D’ (vo) Energía específica (E) Velocidad antes del resalto (v1) Altura antes del salto hidráulico (h1) Número de Froude (Nf) Altura después del resalto (h2) Sumergencia (S) Pérdida de carga (hf)

MEDIDAS REALES 1.138 m3/s 0.66 m 1.327 m 1.299 m/s 0.967 m 3.387 m/s 0.382 m 1.751 0.774 m 0.824 m 0.116

MEDIDAS TIPO 1.138 m3/s 0.66 m 1.353 m 1.274 m/s 0.972 m 3.467 m/s 0.359 m 1.848 0.776 m 0.829 m 0.113

Análisis del Resalto donde ocurre la dosificación

Fig 10. Resalto hidráulico El Análisis Hidráulico del Resalto se realiza de forma similar al de la Canaleta. Las ecuaciones utilizadas, los datos y los criterios de evaluación se encuentran en el Anexo F. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 17. El tiempo de mezcla utilizado para el cálculo del gradiente en esta unidad, fue el calculado a partir de las velocidad media del agua y la longitud del resalto, ya que es mas aproximado que el determinado mediante la prueba de trazadores.

30

Tabla 17. Condiciones Hidráulicas del Resalto CONDICIONES DEL RESALTO HIDRAULICO Profundidad del Agua Profundidad Crítica Caudal por unidad de ancho del vertedero Velocidad antes del resalto Número de Froude Altura conjugada Velocidad después del Resalto Velocidad Media Pérdida de carga Longitud del Resalto Tiempo de mezcla Gradiente de Velocidad

VALORES 0.217m 0.4509m 0.9483 m2/s 4.38m/s 3.0 0.819m 1.16m/s 2.77m/s 0.3068m 3.612m 1.301s 1480.372s-1

Con relación a lo recomendado el gradiente generado en la cámara de coagulación, se encuentra dentro del rango óptimo para mezcladores hidráulicos que se encuentra entre 1000s-1 y 2000s-1. Con respecto al punto de adición de Coagulante, este debe ubicarse a una longitud Lm del vertedero (Zona 1 de la figura 10), para asegurar una dispersión homogénea y continua del coagulante en toda la masa de agua. En el caso de la planta, la distancia a la que se encuentra el punto de aplicación es menor, lo que implica que el coagulante no sea adicionado de la manera correcta, disminuyendo la eficiencia del proceso. La distancia Lm, se relaciona con las variables H y P, de acuerdo a la ecuación de Scimeni3: Lm = 1.45 * P 0.54 * H 0.46 (1)

Reemplazando los valores de P y de H, se obtiene una longitud de 1.138m desde el vertedero hasta el punto donde debería ser aplicado el coagulante. 2.1.5 Conducción de agua coagulada

Se calcularon las pérdidas de carga para los canales de agua coagulada que van a las diferentes unidades de floculación, utilizando las fórmulas para canales rectos que se encuentran en el Anexo F. Las dimensiones de cada uno de ellos se presentan en la Tabla 18 y los resultados obtenidos en la Tabla 19.

3

CEPIS / OMS / OPS. Módulos de evaluación operación y mantenimiento de plantas de tratamiento de agua para consumo humano. Mod.7. Página 27.

31

Tabla 18. Dimensiones del canal de agua coagulada Ancho (m)

Alto (m)

Altura lámina de agua

Largo (m)

1.2 1.17 1.17

2.0 1.14 1.14

1.8 1.0 1.0

32 3.8 12

CANAL

Canal de Entrada Unidad hidráulica Canal de Entrada Unidad Compacta 1 Canal de Entrada Unidad Compacta 2

Tabla 19. Pérdidas de carga en el canal de agua coagulada Unidad

C

Hidráulico

60

L Q R (m) (m3/s) (m) 50 0.4 0.45

At (m2) 2.16

V (m/s) 0.1851

hf (m) 0.004

Compacta 1

60*

14

0.25

0.369

1.17

0.2136

0.0018

Compacta 2

60

30

0.25

0.369

1.17

0.2136

0.0038

Mixtas 150 25 0.09 0.061 0.047 1.915 0.2751 * Este valor fue hallado en www.unesco.org.uy/phi/libros/microcentrales/lauter5.html

Los valores de pérdidas de carga medidos experimentalmente con una manguera de nivel fueron para el Hidráulico 0.07m, la Unidad Compacta uno 0.2m y la Unidad Compacta dos 0.35m. Los tiempos de retención del agua coagulada se hallaron utilizando trazadores y se utilizaron en el cálculo de los gradientes de velocidad para cada canal. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 20. Tabla 20. Gradientes en los canales de conducción de agua coagulada Unidad

Gradientes -1 (s )

Hidráulico

Tiempo de retención en el canal (s) 26.3

Compacta 1

8.9

42.991

Compacta 2

16.1

46.834

Mixtas

19

366.818

37.623

Los gradientes de velocidad de las estructuras de interconexión entre Unidades de Mezcla Rápida y Unidades de Floculación, no deben exceder a 100s-1, por lo tanto, se observa que los gradientes en los canales de conducción de agua coagulada hacia las Unidades Hidráulica y Unidades Compactas 1 y 2, se encuentran por debajo de éste rango, mientras que la Unidad Mixta sobrepasa de manera considerable este valor, lo que puede influir de manera perjudicial el proceso de Floculación en éstas unidades.

32

2.2 FLOCULACIÓN

Para la evaluación de este proceso, se tuvieron en cuenta las variables de Floculación (halladas en el laboratorio), los caudales de trabajo, gradientes y características de cada una de las unidades de Floculación. 2.2.1 Variables de Floculación

Para encontrar las variables de Floculación se trabajaron las mismas calidades de agua cruda escogidas anteriormente, a las cuales se le aplicaron los datos óptimos encontrados de Coagulación y Mezcla Rápida. Los ensayos se realizaron en el laboratorio utilizando la Prueba de Jarras y los resultados fueron los siguientes:

Tabla 21. Tiempo óptimo de mezcla lenta TIEMPO DE MEZCLA LENTA

TURBIEDAD REMANENTE 50 NTU 150 NTU

15 NTU

5 10 15 20 25 30 35 40

6.3 4.1 1.0 1.3 1.5 2.1 -

26 18 12 10 4.5 7 -

8.7 5.3 5.5 4.2 4.4 4.5 -

250 NTU 21 17 10 9.5 8.4 12

TIEMPO OPTIMO DE MEZCLA LENTA 30

TURBIEDAD REMANENTE (NTU)

25

20

Turbiedad 15 NTU Turbiedad 50 NTu Turbiedad 150 NTu Turbiedad 250

15

10

5

0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

TIEMPO DE MEZCLA LENTA ( mïn)

Fig 11. Tiempo óptimo de mezcla lenta

33

Tabla 22. Tiempo óptimo de Mezcla Lenta para cada turbiedad trabajada TURBIEDAD (NTU) 15 50 150

TIEMPO OPTIMO DE MEZCLA LENTA (mín) 15 25 25

250

35

Gradiente óptimo de Mezcla Lenta

Los resultados obtenidos para cada una de las turbiedades trabajadas se muestran en la Tabla 23. Tabla 23. Gradiente óptimo de mezcla lenta CONDICIONES DEL ENSAYO Rpm G (s-1) 10 6 15 9 20 12 25 19 30 23 35 30 40 34

TURBIEDAD REMANENTE 15 NTU 5.5 3.0 1.6 1.9 3.5 4.0 -

50 NTU 23 13 10 5.5 8.1 25 -

150 NTU 16 13 5.5 5.3 3.8 4.3 -

250 NTU 10.3 8.5 4.3 5.1 14 26

GRADIENTE OPTIMO DE MEZCLA LENTA 26 24

TURBIEDAD REMANENTE

22 20 18 16 Turbiedad 15 NTU

14

Turbiedad 50 NTU Turbiedad 150 NTU

12

Turbiedad 250 NTU

10 8 6 4 2 0 0

5

10

15

20

25

30

35

GRADIENTE DE MEZCLA LENTA (RPM)

40

45

Fig 12. Gradiente óptimo de mezcla lenta

34

Tabla 24. Gradiente óptimo de mezcla lenta para las turbiedades trabajadas TURBIEDAD (NTU) 15 50 150 250

GRADIENTE OPTIMO DE MEZCLA LENTA (s-1) 18 18 23 18

2.2.2 Distribución de agua en las unidades

La distribución de los flujos de agua se halló con Trazadores para las cámaras de Floculación de la Unidad Hidráulica y las cámaras de las Unidades Mixtas. En la Unidad Hidráulica el diseño del canal establece que el agua se divida en dos zonas iniciales de igual caudal, 200L/s cada una, y después se unen para pasar por la zona dos. Para las Unidades Mixtas, se tiene un cámara de donde se distribuye el agua a los cuatro módulos de Floculación - Sedimentación. En las Unidades Compactas, se trabajó con un caudal de 250L/s en cada una. Teniendo en cuenta los volúmenes útiles de cada zona y los resultados de la Prueba de Trazadores, se obtuvo el siguiente porcentaje de flujo que ingresa en cada zona y se muestra en la Tabla 27. Tabla 25. Distribución de agua en el Floculador Hidráulico Cámara de Floculación Unidad Hidráulica

Zona1

Unidades Mixtas

Lado derecho 1 Lado Izquierdo 1 2 3 4

Porcentaje de Flujo que ingresa %

Caudal que ingresa L/s

46.05 53.95 29.75 23.65 24.49 22.11

184.2 215.8 26.77 21.28 22.04 19.91

2.2.3 Tiempo real de retención en las unidades.

Los tiempos de retención se calcularon a partir de los volúmenes útiles de cada unidad y los caudales de trabajo. Los resultados se muestran en la Tabla 26. Se determinaron mediante el uso de Trazador con NaCl y se obtuvieron los siguientes resultados: 35

Tabla 26. Tiempos de retención Floculador Hidráulico Cámara de Floculación

Tiempo de Retención Teórico (mín)

Tiempo de Retención Real (mín)

1.61 1.599 1.656 1.58 1.572

1.75 1.73 1.79 1.71 1.70

1.61 1.599 1.656 1.58 1.572

1.49 1.48 1.53 1.46 1.45

4.99 4.98 4.89 4.87 4.86 4.85 38

3 3 4 4 4 6 38

38 9.3 9.3 9.3 9.3

38 7.47 9.39 9.07 10.05

Zona 1 Lado derecho 1 1 2 3 4 5 Lado Izquierdo 1 2 3 4 5 Zona 2 6 7 8 9 10 11 Unidad Compacta 1 Unidad Compacta 2 Unidades 1 Mixtas 2 3 4

De acuerdo con estos datos, el agua debería permanecer dentro de las Unidades de Floculación alrededor de 8mín. en la Zona 1 y 29.5mín. en la Zona 2 teóricamente. Tomando en cuenta los valores reales, el tiempo de permanencia en cada Zona son 8 mín. y 24mín. respectivamente, tiempo que no se ve alterado para la Zona 1 y ligeramente para la Zona 2. Sin embargo, estos tiempos no corresponden en todos los casos a los tiempos individuales de cada una de las cámaras. 2.2.4 Análisis Hidráulico

•

Unidad de Floculación Hidráulica

Para el análisis se utilizó el modelo simplificado de Wolf Resnick el cual considera explícitamente fracción pistón (P), fracción mezclada (1-P) y fracción muerta (m), como características hidráulicas. No se incluye de manera explícita la evaluación de cortocircuitos. Los datos se hallaron mediante la Prueba de Trazadores, utilizando 36

Cloruro de Sodio En el Anexo G se encuentran los datos de los resultados y las gráficas obtenidas de acuerdo con este análisis. Tabla 27. Distribución de Flujos según el modelo de Wolf Resnick Floculador Hidráulico φ

tang α

Fracción Pistón P

Fracción Mezclada (1-P)

Fracción muerta m

1

0.3106

0.2932

0.1731

0.8269

-0.7943

2

0.3106

1.9052

0.5763

0.4237

0.4610

3

0.3106

4.2748

0.2339

0.7661

-0.3279

4

0.6211

3.8219

0.8451

0.1549

0.2651

5

0.9317

3.4624.

0.8812

0.1188

-0.0573

Cámara de floculación

Zona 1 Lado derecho

Lado Izquierdo 1

0.3106

3.011

0.6825

0.3175

0.5449

2

0.3106

3.7703

0.7292

0.2708

0.5741

3

0.3106

4.2064

0.7502

0.2498

0.5859

4

0.6211

3.9244

0.8485

0.1515

0.2680

5

0.9317

4.0137

0.8956

0.1044

-0.0403

6

1.0204

2.8031

0.8679

0.1321

-0.1757

7

1.0204

3.9047

0.9015

0.0985

-0.1319

8

2.2088

3.2164

0.9423

0.0577

-1.3441

9

3.2128

2.5233

0.9090

0.091

-2.3751

10

3.6144

2.3823

0.9519

0.0481

-2.7970

11

4.2168

0.3422

0.7684

0.2316

-4.4877

Zona 2

De acuerdo con estos resultados, se observa un porcentaje alto de fracción pistón en la mayoría de las cámaras, de esta manera, esta fracción de flujo que ingresa a cada una de las cámaras, permanece en ellas el mismo tiempo. Los resultados para fracción mezclada, nos indican que existe una mezcla parcial o total del fluido que entra a la cámara con el que se encuentra allí, lo que indica que estas fracciones de masa líquida pueden estar sometidas a períodos de tratamiento mayores o menores al especificado. La fracción muerta, registra un indicativo de la existencia en las cámaras de espacios que no son alcanzados por el flujo de agua, dejando parte del volumen útil de la unidad sin aprovechar, también esto puede ser causado por la acumulación de lodos en las estructuras. Los valores negativos de esta fracción se deben a que parte del flujo que sale de las cámaras, retorna posteriormente a ellas, después de aprovechar temporal y reiteradamente parte del espacio de la siguiente cámara. 37

•

Determinación de gradientes reales

Para calcular los gradientes totales por unidad de floculación se empleó la siguiente ecuación: hf * g G= (2) v * to Donde: G = Gradiente (s-1) hf = Pérdidas de carga totales (m) g = Aceleración de la gravedad (m/s2) ν = Viscosidad cinemática = 1.01x10-6 m2/s a 20°C* to = Tiempo de retención (s) * Valor suministrado por el Libro Teoría y Práctica de la Purificación del Agua. El tiempo de retención utilizado para la evaluación de los gradientes en las diferentes cámaras de Floculación, fue el tiempo de retención real, ya que es calculado con base en los datos de caudal real y volumen de las unidades. La diferencia con el tiempo determinado experimentalmente mediante la prueba de trazadores, está relacionada con la presencia de espacios muertos, cortocircuitos y errores en la realización de las pruebas. •

Pérdidas de Carga

Las pérdidas de carga estarán constituidas por las ocasionadas en los orificios rectangulares de entrada y salida de las cámaras en donde se produce la pérdida de carga más importante de la estructura. El vertedero ubicado en la parte media de cada cámara obliga al agua a dar un cambio de dirección cerrado, pero las pérdidas de carga son despreciables por la baja velocidad y porque el vertedero funciona sumergido. Para obtener la pérdida en la unidad es necesario calcular la pérdida de carga en cada una de las cámaras. Los cálculos se hicieron utilizando las ecuaciones para pérdidas de carga en orificios rectangulares de pared gruesa, que se presenta en el Anexo H y cuyos resultados se presentan en la Tabla 28. Allí se observa además, que los datos obtenidos para pérdidas de carga tanto teóricos como de manera experimental, son muy similares.

Tabla 28. Pérdidas de Carga en el Floculador Hidráulico Entrada a cámara número

Área (m2)

Perímetro mojado (m)

Radio hidráulico (m)

Velocidad (m/s)

Pérdida de carga teórica (m)

Pérdida de carga experimental (m)

Lado derecho 1

1.0

2

0.36

4.0

0.25

0.1842

0.003

0.005

2.6

0.138

0.5116

0.023

0.03

3

0.405

4

0.468

2.7

0.15

0.4548

0.018

0.015

2.84

0.165

0.3935

0.0134

0.01

5

0.468

2.84

0.165

0.3935

0.0134

0.01

Zona 1

38

Lado Izquierdo 1

1.0

4.0

0.25

0.2158

0.0043

0.004

2

0.36

2.6

0.138

0.5994

0.0318

0.025

3

0.405

2.7

0.15

0.5328

0.025

0.020

4

0.468

2.84

0.165

0.4611

0.0186

0.01

5

0.468

2.84

0.165

0.4611

0.0186

0.01

6

0.52

3.04

0.171

0.7692

0.0537

0.025

7

0.61

3.22

0.189

0.6557

0.0387

0.02

8

0.81

3.62

0.224

0.4938

0.0216

0.014

Zona 2

9

1.1

4.2

0.262

0.3636

0.0116

0.005

10

1.65

5.2

0.317

0.2424

0.0051

0.005

11

1.65

5.2

0.317

0.2424

0.0051

0.0051

En la tabla 29 se muestran los diferentes gradientes de velocidad correspondientes a: Gradiente 1: Calculado utilizando el tiempo de retención real y las pérdidas de carga experimentales. Gradiente 2: Calculado utilizando el tiempo de retención teórico y las pérdidas de carga teóricas. Gradiente de Diseño: Diseño inicial del Ing. Arturo Medina 1983. Con estos valores se calcularon los gradientes que se muestran en la tabla 29.

Tabla 29. Gradientes de velocidad en el Floculador Hidráulico Entrada a cámara número

Gradiente 1 (s-1)

Gradiente de Diseño (s-1)

Gradiente 2 (s-1)

1

23.217

90

17.358

2

44.052

80

48.229

3

34.826

70

41.925

4

32.834

70

37.033

5

56.871

70

37.128

1

20.106

90

20.782

2

41.043

80

56.710

3

56.871

70

49.410

4

27.112

70

43.631

5

44.960

70

43.742

6

36.710

60

41.717

Zona 1 Lado derecho

Lado Izquierdo

Zona 2

39

7

32.834

50

35.450

8

23.790

40

26.726

9

14.217

30

19.626

10

14.217

20

23.2761

11

11.724

20

13.040

En la tabla anterior se observa que los resultados experimentales y los teóricos son muy similares, pero difieren de manera considerable con respecto a los datos del diseño inicial planteado por el Ingeniero Arturo Medina en 1983, sin embargo, son mas próximos a los óptimos encontrados en la realización de la prueba de jarras, por lo tanto no son tan relevantes los valores del diseño inicial.

2.2.5 Gradiente en Unidades Compactas •

Gradiente de velocidad de la Unidad Compacta 1 (Permutit de Mallas)

El cálculo de los gradientes requiere la determinación de la potencia unitaria cuando giran las hélices dentro del agua estableciendo un régimen de flujo que varía con la forma de la cámara y el tipo de impelente que se use. Esta se determina mediante las ecuaciones presentadas en el Anexo H. En la Tabla 30, se recopilan los resultados obtenidos para potencia y gradiente.

Tabla 30. Potencia Unitaria y Gradiente. Unidad Compacta 1

•

rpm

rps

0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5

Gradiente (s-1)

0.0083 0.0250 0.0416 0.0583

Potencia unitaria (kilográmetros/s) 0.00272 0.0745 0.3434 0.9452

Potencia unitaria (w/L) 0.0266 0.7303 3.3657

9.2630

1.7970 9.3941 20.1645 33.4543

0.075 0.092

2.0123 3.7143

19.720 36.400

48.8136 66.3179

Gradiente de velocidad de la Unidad Compacta 2 (Permutit de Paletas)

Para la determinación de la potencia unitaria y los gradientes, se utilizó el mismo procedimiento que para la unidad compacta 1. Los resultados se muestran en la Tabla 31:

40

Tabla 31. Potencia Unitaria y Gradiente. Unidad Compacta 2 rpm

rps

0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5

0.0083 0.0250 0.0416 0.0583 0.075 0.092

Potencia unitaria (kilográmetros/s) 0.00136 0.03667 0.16980 0.46610 0.99070 1.80880

Potencia unitaria (w/L) 0.0133 0.3595 1.6647 4.5681 9.7089 17.7265

Gradiente (s-1)

1.2751 6.6659 14.3083 23.7384 34.6370 47.0577

2.2.6 Gradiente de velocidad de las Unidades Mixtas Para el caso de eje vertical, la potencia unitaria se calcula de igual manera que para eje horizontal, pero el gradiente de velocidad difiere. La ecuación utilizada para el cálculo se presenta en el Anexo H y los resultados en la Tabla 32.

Tabla 32. Potencia Unitaria y Gradiente. Unidades mixtas rpm

rps

0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5

0.0083 0.0250 0.0416 0.0583 0.075 0.092

Potencia unitaria (kilográmetros/s) 0.0036 0.1009 0.4649 1.2798 2.7247 5.0292

Potencia unitaria (w/L) 0.0361 0.9892 4.5569 12.5421 26.7021 49.2859

Gradiente (s-1)

6.9339 36.2469 77.8038 129.081 188.344 255.883

Es importante que los gradientes de velocidad hallados en las pruebas de jarras sean aplicados en forma experimental a la planta de tratamiento, por lo cual es indispensable hacer una calibración de los floculadores con el fin de conocer las potencias disipadas por ellos en la masa de agua. Los gradientes recomendados de trabajo en los floculadores, se encuentran en un rango entre 25 y 65s-1, por lo tanto deben manipularse los agitadores de manera que se coincida con los gradientes recomendados y los hallados en el laboratorio. Para determinar el valor de la potencia disipada se midió experimentalmente con un vatímetro la potencia que requiere el motor para desplazarse a diversas revoluciones cuando está trabajando con el tanque de floculación tanto lleno como vacío. La diferencia entre la potencia en uno y otro caso representa la potencia disipada en la masa líquida así: P (disipada ) = Pl (lleno) − Pv (vacío) (3) Los resultados obtenidos para las diferentes unidades Compactas de Floculación mecánica se muestran en la Tabla 33 y para las unidades mixtas en la Tabla 34. 41

Tabla 33. Potencia disipada en las Unidades de floculación mecánicas. Unidad Compacta 1 Revoluciones (rpm) 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5

Potencia Floculador lleno (A) 10.0 13.4 18.0 12.5 13.2 15.0

Potencia Floculador vacío (A) 9.0 10.4 12.8 10.2 10.2 12.0

Potencia disipada (A) 1.0 3.0 5.2 2.3 3.0 3.0

Potencia disipada (W) 220 660 1144 506 660 660

Unidad Compacta 2 Revoluciones (rpm) 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5

Potencia Floculador lleno (A) 9.7 12.5 17.0 11.5 12.6 15.0

Potencia Floculador vacío (A) 8.6 9.6 11.8 9.6 9.6 11.0

Potencia disipada (A) 1.1 2.9 5.2 1.9 3.0 4.0

Potencia disipada (W) 242 638 1144 418 660 880

Los valores iguales de potencia disipada para diferentes revoluciones por minuto, pueden estar influenciados por la medición de las potencias del floculador lleno y vacío, por lo tanto, los resultados no son confiables para ser aplicados a estas unidades.

Tabla 34. Potencia disipada en las unidades mixtas Unidades mixtas Floculador

# del motor

1

1 2 1 2 1 2 1 2

2 3 4

Potencia Floculador lleno (A) 6.8 7.8 7.2 8.3 5 2.7 7.6 8.6

Potencia Floculador vacío (A) 6.4 7.4 6.4 7.0 4.9 2.5 6.7 7.4

Potencia disipada (A) 0.4 0.4 0.8 1.3 0.1 0.2 0.9 1.2

Potencia disipada (W) 88 88 176 286 22 44 198 264

El gradiente de velocidad en unidades mecánicas se distribuye en forma poco uniforme en la masa de agua, (en la parte mas alejada del eje se produce un gradiente mucho mayor que junto al eje), por lo que el floc se forma y se rompe continuamente, por esta razón, se recomienda que el gradiente en los primeros compartimientos del floculador sea mayor.

42

2.3 SEDIMENTACIÓN En esta parte del proceso se determinaron la eficiencia de los sedimentadores, las condiciones hidráulicas y se caracterizaron las zonas de entrada y de salida.

2.3.1 Determinación de la Eficiencia Esta determinación se realizó con base en los registros de las planillas y se realizan en función de la calidad de agua sedimentada, de la calidad del agua que ingresa a la planta, en función del pretratamiento y en función de la carga superficial. •

En función de la calidad de agua sedimentada

Para este análisis se tomaron los datos de turbiedad de agua sedimentada registrados en las planillas de la planta cada hora durante el año 2001. El registro se hace tomando muestra del agua a la salida de la unidad hidráulica, a la salida de las unidades compactas y a la salida de los módulos mixtos, por lo que el análisis se hizo para estas tres unidades de sedimentación. Se realizó un estudio de distribución de frecuencias y se determinaron las eficiencias respectivas. Los datos del análisis de distribución de frecuencias y los criterios de evaluación se encuentran en el Anexo I.

Sedimentador Hidráulico De este análisis se observa que el 85.8% del tiempo el sedimentador hidráulico tiene una excelente eficiencia, pues produce agua con una turbiedad < 5NTU y el 99,55% del tiempo la eficiencia es buena, pues la turbiedad obtenida es < 15NTU.

Unidades Compactas Se observa que el 81.4% del tiempo los sedimentadores de las unidades compactas funcionan con una eficiencia excelente, pues la turbiedad de agua clarificada es < 5NTU y con eficiencia buena el 97.02% del tiempo con valores de turbiedad < 15NTU

Unidades Mixtas (Sedimentación hidráulica) Estas unidades de sedimentación funcionan con una eficiencia excelente el 82.67% del tiempo, con turbiedades < 5NTU, el 98,92% la eficiencia es buena con turbiedades por debajo de 15NTU. De acuerdo a los valores de turbiedad máximos, mínimos y promedio de cada unidad, se establece cual de ellas tiene mejor eficiencia. De acuerdo a la siguiente tabla, la unidad que presenta mejor eficiencia en función de la calidad de agua sedimentada es la unidad hidráulica, seguida de las unidades mixtas y por último las unidades compactas.

43

Tabla 35. Turbiedades máximas, mínimas y medias de las unidades de sedimentación

•

Turbiedad máxima (NTU)

Unidad Hidráulica 32.1

Unidades Compactas 45

Unidades Mixtas 32

Turbiedad promedio (NTU)

3.1

3.87

3.42

Turbiedad mínima (NTU)

0.1

1

0.2

En función de la calidad de agua cruda

Para este análisis los datos de calidad de agua cruda se agruparon en los rangos antes determinados en el análisis para escoger las turbiedades de trabajo y se establecieron a su vez los correspondientes a la calidad de agua sedimentada del año 2001 en cada unidad de donde se obtuvo la Tabla 36.

Tabla 36. Datos de turbiedad de agua sedimentada y agua cruda TURBIEDAD DE AGUA CRUDA

VALORES MEDIOS DE TUTRBIEDAD DE AGUA SEDIMENTADA (NTU) Unidad Unidades Unidades Hidráulica Compactas Mixtas

Log (TAC)

Intervalo de clase

Puntio medio de clase

Frecuencia parcial

0-5 5.1-15 15.1-30 30.1-50 50.1-150 150.1-250

2.5 10.05 22.55 40.05 100.05 200.05

7103 1083 292 119 107 15

2.2602 5.9269 7.5547 14.4336 9.0772 10.8333

3.0524 7.9370 13.1383 12.4285 16.2727 12.6222

2.13 6.25 11.79 9.67 14.86

0.3979 1.0021 1.3531 1.6026 1.8753

24.82

2.1762

250.1-300

275.05

1

11.775

13.5500

15.59

2.3980

300.1-400

350.05

2

13.9

12.5000

9.00

2.5441

Se grafican los logaritmos correspondientes de agua cruda vs los valores medios de agua sedimentada para cada unidad, luego se aplican mínimos cuadrados y se obtiene las rectas respectivas, cuyas ecuaciones se muestran en la Tabla 37. Mientras menor es la pendiente, menor es la eficiencia de los sedimentadores. Las gráficas se presentan en el Anexo I.

Tabla 37. Relaciones de eficiencia de los sedimentadores

Unidad

Pendiente (B)

Hidráulica Mecánica Nueva

0.15 0.1408 0.1309

Términos de la ecuación Corte con el eje y Factor de correlación (A) (R2) 0.2480 0.8465 0.0572 0.7851 0.3816 0.7262

44

Ecuación de la Recta Y = A + BX 0.2480 + 0.15 X 0.0572 + 0.1408X 0.3816 + 0.1309X

De la ecuación de la recta obtenida para cada unidad, se despeja la turbiedad de agua sedimentada, que sería una turbiedad teórica, que se calculó usando una turbiedad de agua cruda de 400NTU se comparan estos datos con los ensayos de sedimentación a nivel de laboratorio y se determina el grado de eficiencia comparativa del proceso de acuerdo con el índice de comparación presentado en el Anexo I. En la siguiente tabla se presentan los valores de turbiedades y el índice de comparación respectivo.

Tabla 38. Parámetro de eficiencia de las unidades de sedimentación Unidad

Turbiedad teórica TT

Hidráulica

15.694

Turbiedad en el Laboratorio TR 14

Indice de comparación I

Compactas

18.074

13

71.93

Mixtas

16.963

11

64.85

89.21

De acuerdo con el índice de comparación, la unidad Hidráulica presenta una buena eficiencia con respecto al agua cruda, mientras que las unidades compactas y las unidades mixtas, una eficiencia regular. •

En función del pre – tratamiento

Para la determinación de la eficiencia en función del pretratamiento, se realizaron pruebas de jarras para una turbiedad de 74NTU, reproduciendo las variables físicoquímicas de los procesos de mezcla y floculación (40 rpm (15 s-1) durante 20 mín) y finalmente en la sedimentación se tomaron muestras en diferentes intervalos de tiempo (30s), a una altura de 10cm. Igualmente se tomaron muestras de la salida de los floculadores hidráulico y módulos mixtos (condiciones reales de coagulación floculación), dejando sedimentar y tomando también muestras en intervalos de tiempo de 30s a 10cm de altura. Las unidades compactas no se realizaron, porque no es posible tomar muestra del agua floculada, porque la Floculación y la Sedimentación corresponden a un mismo sistema. Con estos datos se calculó la velocidad de sedimentación y los resultados obtenidos son presentados en la Tabla 39. Graficando los datos del valor medio de los datos obtenidos en el laboratorio y a nivel real para los diferentes valores de velocidad de sedimentación, utilizando escala logaritmo – aritmética, se obtienen las curvas de eficiencia real y teórica, presentadas en la Fig 13. La diferencia entre las curvas demuestran la importancia de los procesos de pretratamiento y se calcula para determinar la eficiencia I con base en la ecuación presentada en el Anexo I. Estos valores se presentan en la Tabla 40.

45

Tabla 39. Velocidad de Sedimentación Tiempo de sedimentación (s) 30 60 90 120 150 180 210 240 260 270 300 330 360 390 420 450

Velocidad de Sedimentación (cm/s) 0.333 0.167 0.111 0.083 0.0666 0.056 0.0476 0.042 0.0384 0.0370 0.03333 0.03030 0.02777 0.02564 0.02380 0.02222

Turbiedades (NTU) Laboratorio

Unidad hidráulica

1

2

3

Prom

1

2

3

Prom

Unidad mixta Valores medios 1 2 3 4

50 40 30 30 30 30 10 10 10 8 7 6 5 5 5 4.8

55 50 42 35 30 20 18 15 12 11 8 7 6 5 4 4

65 55 50 45 35 30 22 18 15 10 9 8 7 6 6 5

56.67 48.33 40.66 36.67 31.67 26.67 16.67 14.33 12.33 9.67 8 7 6 5.3 5 4.6

60 55 52 50 48 46 42 38 35 32 28 25 20 18 15 12

70 65 58 55 53 50 48 42 39 36 32 28 25 20 18 15

55 52 51 49 46 43 42 39 37 35 33 30 27 25 22 19

61.67 57.33 53.67 51.3 49 46.3 44 39.67 37 34.33 31 27.6 24 21 18.33 15.3

47 45 44 43 40 37 35 32 28 25 18 15 15 13 12 8

62 58 56 55 53 50 46 45 45 45 40 38 35 32 30 25

60 58 56 55 51 50 48 43 41 40 38 37 34 34 30 28

70 68 67 65 63 62 59 56 51 45 38 35 32 28 25 22

Para la gráfica siguiente se tomaron los logaritmos de los datos de turbiedades remanentes. TURBIEDAD REMANENTE vs VELOCIDAD DE SEDIMENTACION 2 1,8 1,6

Log (Tas) NTU

1,4 1,2 1 0,8

LABORATOR IO

0,6

HIDRAULICO

0,4

MODULO1

0,2

MODULO 2

0

MODULO 3

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

VELOCIDAD DE SEDIMENTACION (cm/s)

0,3

0,35

MODULO 4

Fig 13. Turbiedad remanente en función de la Velocidad de sedimentación

46

Tabla 40. Eficiencia de las unidades de sedimentación

Laboratorio Hidraulico Módulo 1 Módulo 2 Módulo 3 Módulo 4

Turbiedad

Valor de I

Clasificación

36.67 51.3 43

71.48 85.28

Bueno Muy bueno

55 55 65

66.67 66.67 56.41

Regular Regular Deficiente

Esta clasificación se hace con base en los criterios presentados en el Anexo I. •

En función de la carga superficial Real

Se calculó la carga superficial real y la carga superficial aparente con la ecuación presentada en el Anexo I. En la tabla siguiente se resumen los resultados obtenidos

Tabla 41. Carga superficial en las unidades de sedimentación UNIDAD DE SEDIMENTACION

Lado derecho Lado Izquierdo Modulo 1 Modulo 2 Módulo 3 Módulo 4

PROFUNDIDAD (m)

Tiempo de Retención (mín)

Teórico HIDRÁULICO 4.76 29.5 4.76 29.5 UNIDADES MIXTAS 4.22 44.44 4.22 44.44 4.22 44.44 4.22 44.44

q 3 2 (m /m /d)

Real

Aparente

Real

17.91 18.34

232.3525 232.352

382.62 373.65

38 34 35 39

136.74 136.74 136.74 136.74

159.91 178.79 173.62 155.81

De la tabla anterior se puede concluir que la carga superficial real del sedimentador hidráulico lado derecho es 1.64 veces la carga superficial aparente, por lo tanto, la eficiencia sería de 60.72%. Para el caso del lado izquierdo sería 62.18%, lo que indica una eficiencia muy baja. Para el caso de los sedimentadores de las unidades mixtas se tiene que la carga superficial real del sedimentador del módulo 1 es 1.17 veces la carga superficial aparente, por lo tanto, la eficiencia sería de 85.51%. Para el sedimentador del módulo 2 es 1.31 veces la carga superficial aparente, por lo tanto, la eficiencia sería de 76.48%. Para el sedimentador del módulo 3 es 1.27 veces la carga superficial aparente, por lo tanto, la eficiencia sería de 78.76% y para el sedimentador del módulo 4 es 1.14 veces la carga superficial aparente, por lo tanto, la eficiencia sería de 87.76%. Esto significa una eficiencia alta del sedimentador.

47

De acuerdo a los datos obtenidos de eficiencia en función de las diferentes aguas, la unidad hidráulica es la que mejor funciona.

2.3.2 Distribución de agua en las unidades El diseño del canal establece que el agua se divida en dos zonas iniciales de igual caudal, 200L/s cada una, y después se unen para pasar por la zona 2. Teniendo en cuenta los volúmenes útiles de cada zona y los resultado s de la prueba de trazadores, se obtuvo el siguiente porcentaje de flujo que ingresa en cada zona:

Tabla 42. Distribución de caudales en las unidades de Sedimentación UNIDAD DE SEDIMENTACIÓN

Lado derecho Lado Izquierdo TOTAL Lado Derecho Lado Izquierdo TOTAL Lado Derecho Lado Izquierdo TOTAL MODULO1 MODULO 2 MODULO 3 MODULO 4 TOTAL

Porcentaje de Flujo que ingresa % HIDRÁULICA 52.07 47.93 100 COMPACTA 1 44.98 55.02 100 COMPACTA 2 48.51 51.49 100 UNIDADES MIXTAS 25.96 23.21 28.83 22 100

Caudal que ingresa L/s 208.28 191.72 400 112.45 137.55 250 128.73 121.27 250 23.36 20.89 25.95 19.8 90

2.3.3 Tiempo real de retención en las unidades. Se determinaron con la prueba de trazadores y con los resultados de la Tabla 42, utilizando la siguiente ecuación: V t= (4) Q Donde: t = Tiempo de retención. V= Volumen de la unidad Q = Caudal

48

Tabla 43. Tiempo real de retención en las unidades de sedimentación UNIDAD DE SEDIMENTACION HIDRÁULICO

Tiempo de Retención Teórico (mín)

Tiempo de Retención Real PROMEDIO (mín)

29.5

16.5

UNIDAD COMPACTA 1

68.62

34.8

UNIDAD COMPACTA 2

68.62

37.75

MODULO 1

44.44

38

MODULO 2

44.44

34

MODULO 3

44.44

35

MODULO 4

44.44

39

2.3.4 Determinación de Condiciones Hidráulicas Se realizó el análisis utilizando el ensayo de trazadores y mediante el método simplificado de Wolf Resnick, reacomodado por Rebhun y Argaman. Las gráficas obtenidas y las tablas de datos se encuentran en el Anexo G. De acuerdo al modelo, se obtuvo la Tabla 44.

Tabla 44. Distribución de flujos en los sedimentadores con base en el análisis de Wolf Resnick UNIDAD DE SEDIMENTACIÓN

φ

tang α

LADO DERECHO

1.017

0.5929

LADO IZQUIERDO

1.119

0.5799

Fracción Pistón P HIDRÁULICO

Fracción Mezclada (1-P)

Fracción muerta m

0.5809

0.4191

-0.7507

0.5987

0.4013

-0.8690

COMPACTA 1 Lado Derecho ZONA 1

0.23

1.039

0.3545

0.6454

0.6436

ZONA 2

0.19

1.0689

0.3183

0.6817

0.7213

ZONA 1

0.28

0.9978

0.3911

0.6089

0.5401

ZONA 2

0.14

0.9642

0.2368

0.7632

0.8165

Lado Izquierdo

COMPACTA 2 Lado Derecho ZONA 1

0.14

0.9772

0.2392

0.7607

0.8159

ZONA 2

0.14

0.1414

0.2686

0.7314

0.8085

49

Lado Izquierdo ZONA 1

0.23

1.0058

0.3472

0.6528

0.6476

ZONA 2

0.19

1.0987

0.3243

0.6757

0.7188

Módulo 1

0.203

0.4659

0.1786

0.8214

-0.1366

Módulo 2

0.338

0.4859

0.1304

0.8695

-1.592

Módulo 3

0.135

0.4792

0.1294

0.8705

-0.043

Módulo 4

0.270

0.4996

0.2367

0.7633

-0.1407

UNIDADES MIXTAS

2.3.5 Caracterización de la Zona de Entrada Unidad Hidráulica Cómo se mencionó en la descripción de la planta, el agua floculada pasa a dos canales difusores de sección trapezoidal y de allí sigue a los sedimentadotes a través de 34 orificios rectangulares de 0.34m * 0.15m. La velocidad se calculó utilizando la ecuación de continuidad y los gradientes se calcularon utilizando la ecuación para orificios rectangulares, mostrados en el Anexo I. Los resultados se muestran en la tabla que resume los datos hallados para todas las unidades de sedimentación. Tabla 45. Se calculó también la velocidad en el canal de distribución del agua floculada a los sedimentadotes. El valor hallado fue 0.169 m/s y 0.155 m/s para el canal derecho y el izquierdo respectivamente.

Unidades compactas Esta Caracterización no se hizo para estas unidades, porque el agua pasa de la zona de floculación a la zona de sedimentación sin pasar por ningún canal ni orificios, solamente asciende de la zona de floculación hacia las colmenas metálicas en cada una de las unidades compactas..

Unidades mixtas Como se describió en el capitulo 1, el agua floculada pasa a los sedimentadotes por una pared permeable con 6 orificios de 6” de diámetro. Por lo tanto la velocidad y el gradiente se calcularon para orificios circulares. La ecuación se muestra en el Anexo I y los resultados se muestran en la tabla siguiente:

50

Tabla 45. Gradientes a la entrada de los sedimentadores UNIDAD DE SEDIMENTACIÓN

Caudal (L/s)

Lado derecho Lado Izquierdo

208.28 191.72

Caudal por orificio (cm3/s)

Perímetro mojado (cm)

Radio Hidráulico (cm)

Area (cm2)

Velocidad (cm/s)

Gradiente (s-1)

MODULO1

23.36

HIDRÁULICA 6125.8 110 5.4 5638.82 110 5.4 UNIDADES MIXTAS 3893.33 47.88 3.809

182.415

21.34

35.96

MODULO 2

20.89

3481.6

47.88

3.809

182.415

19.09

30.43

MODULO 3 MODULO 4

25.95 19.8

4325 3300

47.88 47.88

3.809 3.809

182.415 182.415

23.71 18.09

41.59 28.07

600 600

10.21 9.39

28.72 25.29

Las condiciones hidráulicas apropiadas en las obras de entrada a sedimentadores son dos velocidades generalmente sobre 0.15m/s y gradientes de velocidad entre 12s-1 y 15 s-1. Se observa que las velocidades en los orificios de paso a los sedimentadores hidráulicos son mas bajas a las recomendadas y los gradientes en las unidades son mas altos. En los orificios de paso en las unidades mixtas las velocidades se encuentran por encima de 0.15m/s que es lo recomendado, pero los gradientes se exceden.

2.3.6 Caracterización de la Zona de Salida En este punto se definen dos parámetros, la carga unitaria en vertederos y el volumen perdido en la zona de sedimentación debido a obras de salida.

Carga Unitaria en Vertedero Con el fin de calcularla se utilizó la ecuación que se presenta en el Anexo I y los resultados se muestran en la siguiente tabla:

Tabla 46. Carga Unitaria en Vertederos SEDIMENTADOR

CAUDAL (m3/s)

Lado derecho Lado Izquierdo

0.20828 0.19172

Lado Derecho Lado Izquierdo

0.11245 0.12873

Lado Derecho Lado Izquierdo

0.12873 0.12127

MODULO1 MODULO 2 MODULO 3 MODULO 4

0.02336 0.02089 0.02595 0.0198

LONGITUD CANAL (m) HIDRAULICA 25 25 COMPACTA 1 29 29 COMPACTA 2 29 29 UNIDADES MIXTAS 8 8 8 8

51

CARGA VERTEDERO (m3/h) 29.992 27.607 13.959 17.075 15.980 15.054 10.512 9.400 11.677 8.91

Como se aprecia en la Tabla, las cargas por vertedero de las Unidades Compactas e Hidráulicas superan a las recomendadas4, las cuales deben ser menores a 10 o preferentemente 12 m3/h. Los sedimentadores de las Unidades Mixtas si están dentro del rango estipulado.

Volumen Perdido en la Zona de Sedimentación Se determina con base en la carga lineal en vertederos, y la velocidad de aproximación, de acuerdo a las ecuación mostradas en el Anexo I. Realizando los cálculos, se genera la Tabla 47:

Tabla 47. Volumen perdido en la zona de Sedimentación Unidad

Caudal (m3/h)

n

e (m)

a (m)

Área (m2)

Velocidad Aproximación (m/h) HIDRÁULICA

Lado derecho Lado Izquierdo

0.20828

340

0.01

5

125

0.19172

340

0.01

5

125

Carga Unitaria (m3/h)

Volumen Perdido (m3)

8.217

29.992

0.1998

7.563

27.607

0.2171

UNIDADES MIXTAS Modulo1

84.096

108

0.01

2.4

24

4.054

10.512

0.288

Modulo 2

75.204

108

0.01

2.4

24

4.134

9.400

0.247

Modulo 3

93.42

108

0.01

2.4

24

5.135

11.677

0.199

Modulo 4

71.28

108

0.01

2.4

24

3.918

8.91

0.261

Estos valores encontrados, representan los volúmenes no aprovechables de cada uno de los sedimentadores.

Recolección y descarga de Lodos En la planta no se realiza un tratamiento para los lodos. La recolección de estos se realiza a través de tuberías de PVC de diámetro 0.30m (12”) colocadas a lo largo de los módulos de Sedimentación, con orificios de 0.0254m (1”) de diámetro separadas cada 0.37m, facilitando una recolección uniforme de los lodos. La evacuación se realiza hacia una cámara de alcantarillado que recoge todas las descargas de la planta, que finalmente son vertidas a la Quebrada la Florida.

4

Módulos de evaluación operación y mantenimiento de plantas de tratamiento de agua para consumo humano. Módulo 10. pág.31.

52

2.4 FILTRACIÓN En estas unidades se evaluaron las características del proceso, las características del lecho filtrante y las características del proceso de lavado.

2.4.1 Características del proceso •

Velocidad y Caudal de Filtración

Estos parámetros fueron determinados cerrando la válvula del afluente y tomando el tiempo promedio necesario para que le nivel bajara una altura de 10cm usando una regla graduada dentro de las paredes del filtro. El ensayo se realizó para las condiciones de filtro sucio y limpio (recién lavado). La Tabla 48 muestra los resultados del procedimiento llevado a cabo en la planta para los Filtros Convencionales y los de Auto Lavado, descritos en el Capitulo 1. Tabla 48. Caudal y Velocidad de Filtración

Area de la caja Filtro del filtro (m2)

Area del lecho filtrante (m2)

Filtro limpio Filtro sucio

∆h (m)

tP (s)

Q Vf (m/s) (m3/m2/d) Filtros Convencionales

∆h (m)

tP (s)

Q (m/s)

Vf (m3/m2/d)

1 2

45.10 45.10

42.98 42.98

0.1 0.1

32.63 0.1382 277.8476 50.38 0.0895 179.9557

0.1 0.1

28.13 26.54

0.1603 0.1699

322.2954 341.6040

3

45.10

42.98

0.1

37.46 0.1203 242.0226

0.1

29.72

0.1517

305.0528

4

45.10

42.98

0.1

58.02 0.0777 156.2593

0.1

30.23

0.1491

299.9063

Filtros de Auto Lavado 1

28.88

26.76

0.1

54.35 0.0531 171.5636

0.1

29.68

0.0973

314.1672

2

28.88

26.76

0.1

37.12 0.0778 251.1983

0.1

28.25

0.1022

330.0702

3

28.88

26.76

0.1

58.28 0.0495 159.5513

0.1

30.47

0.0948

306.0218

4

28.88

26.76

0.1

36.52 0.0791 255.3254

0.1

27.58

0.1047

338.0886

5

28.88

26.76

0.1

46.56 0.0620 200.2681

0.1

26.13

0.1105

356.8497

6

28.88

26.76

0.1

63.24 0.0457 147.4459

0.1

28.79

0.1003

323.8792

Para que la calidad del efluente no sufra una alteración sensible, se recomiendan velocidades de filtración de hasta 360 m3/m2/d. De acuerdo a las velocidades calculadas para los filtros de la planta, se observa que se tienen velocidades por debajo de este valor.

53

•

Calidad del Filtrado Inicial

Al poner un filtro en funcionamiento después del proceso de lavado, se obtiene por lo general un efluente con turbiedad más alta que durante el resto de la carrera, debido a que cierta proporción de las partículas que se desprendieron durante el proceso de lavado han quedado en el agua retenidas sobre el lecho y dentro de éste, saliendo al comenzar la operación. Por tal motivo, se detecta el comportamiento del filtro al inicio de su carrera y se determina el tiempo que demora en alcanzar la turbiedad normal. En el anexo J se muestran los resultados obtenidos en el procedimiento llevado a cabo en la planta. En la gráfica siguiente se muestra el comportamiento de la turbiedad del efluente con respecto a los Filtros Convencionales. Cómo es imposible tomar muestra de cada uno de los filtros de auto lavado, solo se toma muestra del agua a la salida de la batería de 6 filtros y se traza la curva que también se muestra en la Fig 14. TURBIEDAD INICIAL AGUA FILTRADA vs TIEMPO

TURBIEDAD INICIAL (NTU

7

6

5 CONV E NCI ONA L 1 CONV E NCI ONA L 2

4

CONV E NCI ONA L 3 CONV E NCI ONA L 4 A UT O LA V A DO

3

2

1

0 0

2

4

6 8 TIEMPO (mín)

10

12

14

Fig 14. Período de recuperación del filtro después del lavado De acuerdo a la gráfica, se observa que las turbiedades iniciales no son muy altas, esto puede ser un indicativo de el buen manejo de los filtros, de un lecho filtrante en buen estado y de un buen tiempo lavado.

•

Eficiencia del Proceso

Calidad del Agua Filtrada Los valores máximo, medio y mínimo de turbiedades de agua filtrada, de acuerdo a los datos registrados en la planta durante el años 2001, en cada una de las unidades de filtración se presenta en la Tabla 49.

54

Tabla 49. Valor máximo, promedio y mínimo para las turbiedades en las unidades de Filtración UNIDAD Filtro convencional 1 Filtro convencional 2 Filtro convencional 3 Filtro convencional 4 Filtro de autolavado

TURBIEDAD (NTU) VALOR PROMEDIO 1.94 1.96 2.01 1.94 1.62

VALOR MINIMO 0.1 0.3 0.2 0.3 0.2

VALOR MAXIMO 27.0 28.0 32.0 32.0 32.3

Con base en las turbiedades registradas en las planillas de la planta para cada una de las unidades de filtración, se realizó un estudio de frecuencias, que se encuentra en el Anexo J. De los resultados obtenidos, se extraen los porcentajes para los cuales la turbiedad es menor a 5 NTU, turbiedad establecida como límite de calidad por la OMS y la reglamentación colombiana para agua potable (Dec. 475 / 98). Estos porcentajes se muestran en la Tabla 50.

Tabla 50. Eficiencia en función de la calidad del agua filtrada Filtro Convencional 1 Convencional 2 Convencional 3 Convencional 4 Auto Lavado

Porcentaje de tiempo menor a 5 NTU 96.28 96.06 96.15 96.27 99.11

De manera general, se aprecia que el comportamiento de los filtros es bueno, ya que los porcentajes son muy altos y que la unidad de mejor eficiencia es la de Auto Lavado.

2.4.2 Características del Lecho Filtrante Las características del medio filtrante que mayor influencia tienen en la eficiencia de los filtros son el tamaño y forma de los granos, la porosidad del lecho filtrante y su profundidad.

•

Granulometría del Medio Filtrante

Para la realización de éste punto se determinó el tamaño de los granos que componen la muestra a analizar tanto en los filtros convencionales como de auto lavado. Del análisis granulométrico realizado para la arena y la antracita se generaron las gráficas mostradas en el Anexo J de donde se obtuvieron los datos de diámetros efectivos (P10 ) y P60 necesarios para calcular los coeficientes de uniformidad de cada uno. Los valores calculados se muestran en la Tabla 51.

55

Tabla 51. Tamaño de granos para la Arena y la Antracita Antracita Filtro

Arena P60 (mm)

de = P10 (mm)

C.U.

P60 (mm)

de =P10 (mm)

C.U.

0.68 0.67 0.65 0.72

2.1764 2.1492 1.2923 2.375

1.65 1.63 1.74 1.75

1.2 0.84 1.8 0.69 Antracita

1.375 1.9404 0.9666 2.5362

de = P10 (mm)

C.U.

P60 (mm)

de =P10 (mm)

C.U.

0.38 0.38 0.39 0.94 0.78 0.92

1.6578 1.6316 1.5384 1.4787 1.7307 1.5652

1.4 1.44 1.39 0.91 0.95 0.76

0.74 0.88 0.82 0.48 0.49 0.48

1.8918 1.6363 1.6951 1.8958 1.9387 1.5833

Convencionales 1 2 3 4

1.48 1.44 0.84 1.71

Filtro

Arena P60 (mm)

Auto Lavado 1 2 3 4 5 6

0.63 0.62 0.60 1.39 1.35 1.44

Comparando los resultados obtenidos con los recomendados por la bibliografía (Ver Anexo J), se observa que para la arena, el diámetro efectivo en los filtros convencionales es mucho mayor y en los de auto lavado, solamente los 3 primeros filtros se encuentran dentro del rango. Con relación al coeficiente de uniformidad, ningún convencional se encuentra dentro del rango y de los filtros de auto lavado solamente el filtro 5 se sale de este rango. En el caso de la Antracita, el diámetro efectivo se encuentra dentro del rango en los filtros convencionales 1 y 2 y en los de auto lavado 2 y 3. El coeficiente de uniformidad solo se encuentra en el rango recomendado en el filtro convencional 1 y en los de auto lavado 2, 3 y 6.

2.4.3 Características del Proceso de Lavado •

Lavado del filtro

Los parámetros determinados en este puntos fueron el volumen, caudal y velocidad de lavado, usando las fórmulas del anexo J y los resultados obtenidos se presentan en la Tabla 52.

56

Tabla 52. Características del proceso de lavado Filtro

Area de Area del la caja lecho del filtrante filtro (m2) 2 (m )

1 2 3 4

45.10 45.10 45.10 45.10

42.98 42.98 42.98 42.98

1 2 3 4 5 6

27.62 27.62 27.62 27.62 27.62 27.62

25.5 25.5 25.5 25.5 25.5 25.5

∆h (m)

V (m3)

Q (m3/s)

VL (m/min)

4.51 4.51 4.51 4.51

0.62 0.52 0.47 0.50

0.86 0.73 0.66 0.70

2.762 2.762 2.762 2.762 2.762 2.762

0.35 0.39 0.36 0.34 0.33 0.32

0.82 0.91 0.83 0.79 0.78 0.74

t (seg)

CONVENCIONALES 0.1 7.31 0.1 8.6 0.1 9.56 0.1 8.98 AUTOLAVADO 0.1 7.88 0.1 7.10 0.1 7.75 0.1 8.16 0.1 8.36 0.1 8.74

La velocidad de lavado normal de un filtro debe ser mayor a 0.6m/mín para efectuar una buena remoción de materia suspendida, sin embargo, no debe ser demasiado alta porque podría arrastrar el medio filtrante y en la tabla se observa que toda la batería de filtros funciona con velocidades mayores a este valor, por lo tanto la velocidad es la apropiada para el lavado de los filtros.

•

Expansión del lecho filtrante

Según la velocidad con la cual se inyecte el agua de lavado y el diámetro del medio granular, el lecho filtrante tenderá a expandirse. Este porcentaje de expansión se calcula utilizando la ecuación mostrada en el Anexo J. Los resultados se presentan en la siguiente tabla:

57

Tabla 53. Porcentaje de Expansión para los Filtros Filtros Convencionales Filtro 1 2 3 4

∆h (m) 0.155 0.15 0.15 0.15

h (m) 0.65 0.75 0.75 0.75

% de Expansión 23.85 20.00 20.00 20.00

Filtros Auto Lavado Filtro 1 2 3 4 5 6

∆h (m) 0.155 0.175 0.165 0.155 0.165 0.175

h (m) 0.65 0.75 0.70 0.65 0.70 0.75

% de Expansión 23.84 23.33 23.57 23.84 23.57 23.33

La expansión recomendada es del 20% al 50%, por lo tanto para todos los filtros de la batería se tiene buenos resultados.

•

Duración del proceso de lavado

Cuando se hace el lavado de un filtro, la turbiedad del agua aumenta rápidamente al principio, pudiendo llegar a valores superiores a 1000 NTU y luego, a medida que la arena se va limpiando, va disminuyendo hasta alcanzar cifras inferiores a 10 NTU, las cuales rara vez decrecen aunque se prolongue por largo tiempo el lavado. En ésta parte se determina cómo varía la turbiedad del agua de lavado durante el proceso, a fin de determinar el tiempo óptimo en que debe ejecutarse esta operación. Los resultados se muestran en la Tabla 54.

Tabla 54.Turbiedad de agua de lavado Filtros Convencionales 0

1

2

3

170 65 150 90

130 35 125 70

110 60 75 40

60 45 26 30

Filtro 1 2 3 4

Tiempo (min) 4 5 Turbiedad (NTU) 30 25 13 17

20 25 10 17

6

7

8

16 18 6 9

12 15 4.5 9

10 4.3 4 6

Filtros de Autolavado Filtro 1 2

0

1

2

3

4

5

150 180

190 180

195 160

130 100

120 80

110 75

Tiempo (min) 6 7 8 Turbiedad (NTU) 75 45 58

30 22

22 15

9

10

11

12

13

12 12

12 11

8 8

7.5 7.5

7.5 7

3 4 5 6

180 160 170 160

150 180 180 180

150 150 160 140

75 80 110 100

55 75 80 75

27 55 55 35

20 27 35 30

16 15 25 18

14 20 22 13

12 16 19 11

10 16 14 10

8.5 14 10 8.3

8 12 9.5 7.6

7.8 8.5 8.1 7.2

TURBIEDAD DE AGUA DE LAVADO PARA LOS FILTROS CONVENCIONALES 180

TURBIEDAD (NTU)

160 140 120 CONVENCIONAL 1

100

CONVENCIONAL 2 CONVENCIONAL 3

80

CONVENCIONAL 4

60 40 20 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

TIEMPO (mïn)

Fig 15. Proceso de lavado de los Filtros Convencionales

TURBIEDAD DEL AGUA DE LAVADO PARA LOS FILTROS DE AUTO LAVADO 250

TURBIEDAD (NTU)

200

150 AUTO LAVADO 1 AUTO LAVADO 2

100

AUTO LAVADO 3 AUTO LAVADO 4 AUTO LAVADO 5 AUTO LAVADO 6

50

0 0

2

4

6

8

TIEMPO (mïn)

10

12

14

Fig 16. Proceso de lavado de los Filtros de Auto Lavado

59

Como se puede apreciar en las curvas, el tiempo óptimo de lavado de los filtros convencionales oscila entre 6mín y 7mín, y en los filtros de auto lavado, entre 8mín y 10mín. A partir de este tiempo no tiene sentido alargar el proceso de lavado, porque no se obtiene una disminución significativa en la turbiedad del efluente y adicionalmente, implica realizar un gasto de agua ya tratada que se refleja en los costos teniendo en cuenta los volúmenes de agua que son utilizados para esta operación en los diez filtros.

60

2.5 DESINFECCIÓN Son varios los factores de influencia sobre la acción desinfectante del Cloro. Algunos son propios del agua a tratar, como el tipo y la concentración de microorganismos que se pretenden destruir. Otros como la concentración del desinfectante, periodo de contacto, pH y tipo de residual presente, son posibles de acondicionar en el proceso. Por lo tanto los parámetros mas importantes en la evaluación de este aspecto son el tiempo de contacto y la dosis de Cloro aplicada.

2.5.1 Tiempo de contacto Es el tiempo durante el cual el cloro permanece en el agua. Debe ser el necesario para matar o inactivar a los microorganismos presentes en ella. El tiempo de contacto en la red debe hallarse para asegurar que la dosis aplicada en la planta sea la correcta. Como se mencionó en la descripción de la planta, ésta cuenta con varios tanques de almacenamiento. Ver Mapa 3 en el Anexo D. De acuerdo con esta distribución de los tanques se decidió tomar como puntos de análisis el tanque de Corbones y el punto mas alejado en la red, que en este caso es el cementerio Jardines de Armenia, perteneciente a la zona 7 del mapa de sectorización de la ciudad. Se tomaron muestras a la salida de cada punto para determinar el cloro residual presente, luego se incremento la dosis aplicada en la planta y se tomaron muestras cada 5 mín. Con estos datos se determinó el tiempo de respuesta en la red. En las figuras 17 y 18, se encuentran graficados los valores encontrados de cloro residual en los dos puntos escogidos y en ellas se observa que el tiempo para tanque de almacenamiento de Corbones fue de 15mín y el tiempo en el Cementerio Jardines de Armenia fue de 65mín. Las Tablas de datos se encuentran en el Anexo K. CONCENTRACION DE CLORO VS TIEMPO CONCENTRACION DE CLORO (mg/L)

1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0

10

20

30

40

50

60

TIEMPO (mïn)

Fig 17. Tiempo de contacto de Cloro desde la Planta al tanque Corbones.

61

70

CONCENTRACION DE CLORO vs TIEMPO CONCENTRACION DE CLORO EN LA RED (mg/L)

1,2

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0 0

20

40

60

80

100

120

140

TIEMPO (min)

Fig 18. Tiempo de contacto de Cloro desde la Planta al Cementerio Jardines de Armenia. 2.5.2 Dosis Óptima Es importante tener en cuenta que en la planta se realiza pre-cloración (entre 0.17 mg/L y 0.4 mg/L) en el canal de salida de los sedimentadores con el fin de proteger el lecho filtrante contra el desarrollo de microorganismos y de reducir la ocurrencia de bolas de lodo por tanto, el agua filtrada posee un residual de cloro. Si no se hiciera esta precloración la dosis óptima hallada seria diferente. El agua utilizada para el análisis fue tomada a la salida de los filtros y para la obtención de la dosis óptima se realizó en el laboratorio la curva de dosis de cloro aplicado (mg/L) vs Cloro libre residual (mg de Cl-1/L), utilizando como tiempo de contacto el hallado en el ítem anterior, es decir 65mín Los datos obtenidos se presentan en el Anexo K y en la fig 19 se puede observar que a partir de 1.2 mg/L de cloro aplicado, empieza a aparecer cloro libre, después de haber reaccionado completamente con los compuestos amoniacales presentes en el agua, por lo tanto, para que en el punto más alejado de la red de distribución exista un mínimo de 0.2 mg/L de Cloro libre residual (según el decreto 475/98), es necesario aplicar una dosis de cloro de 1.5 mg/L

62

CLORO RESIDUAL vs DOSIS DE CLORO 1 0,9

CLORO RESIDUAL (mg/L)

0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

DOSIS DE CLORO APLICADA (mg/L)

Fig 19. Dosis Optima de Cloro

63

4,5

5

5,5

2.6. CALIDAD DEL AGUA SUMINISTRADA La planta de potabilización de agua de Armenia, posee un laboratorio con equipos , materiales y reactivos necesarios para la realización de las pruebas tanto físico – químicas como bacteriológicas del agua cruda y el agua tratada (en la planta y en las redes de distribución). Al iniciar y finalizar la evaluación de la planta de potabilización se realizó un seguimiento de las variables físico químicas del agua cruda y del agua tratada, con el fin de identificar las características del agua. En la Tabla 55 se relacionan los datos determinados:

Tabla 55. Análisis Físico químicos y bacteriológicos del agua cruda y del agua tratada OCTUBRE 31/2001 ANÁLISIS

PROCESO Agua Agua Cruda Tratada

AGOSTO 26/2002 PROCESO Agua Agua Cruda Tratada

DECRET O 475/98

Hora de la toma

8:00 Am

8:00 Am

8:00 Am

8:00 Am

-

Turbiedad

4.3

4.0

1.6

1.2