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• Mario Gregorio Martínez

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MANUAL DE POTABILIZACION DE AGUAS.

MIGUEL ANTONIO SUAREZ RUIZ ING.QUIMICO

BARRANCABERMEJA, MARZO 2012

INTRODUCCION

El agua ha sido desde siempre el fundamento de la vida. Ella como recurso natural básico, tiene hoy día una gran importancia para nuestro ambiente. El agua está en todas las cosas; y lo está, rigiendo en gran medida el destino humano de supervivencia. El Ciclo Hidrológico, cuyo principal eslabón lo constituye el intercambio de agua entre los océanos (gigantescos vaporizadores) y la tierra, le brinda al agua esa maravillosa propiedad de renovarse continuamente. Este ciclo además, es el principal mecanismo de abastecimiento de agua para la humanidad. Tanto la humedad de las masas terrestres como la de los mares, se evapora dejando las sales. A continuación se forman las nubes y la humedad se precipita en forma de lluvia o nieve. Esta agua de la atmósfera rellena los depósitos superficiales como los ríos y los lagos, rehumedece el suelo y recarga los acuíferos (estratos subterráneos de suelo permeable o roca). La mayor parte de la precipitación vuelve al mar directamente a través del flujo de agua subterránea costera o a través de las corrientes superficiales que se dirigen al mar, completando de esta manera el ciclo hidrológico. Entonces, Qué es un agua Potable? Es aquella que puede ser consumida por el ser humano, sin que le produzca efectos adversos a su salud y que reúna los requisitos físicos, químicos y bacteriológicos, exigidos por las autoridades normativas. Es así, como debemos pensar en no mal usar las cuencas de las principales fuentes de agua con que contamos y en no alterar la composición de este recurso tan maravilloso que nos ha regalado la naturaleza. En otras palabras; NO CONTAMINEMOS MAS EL AGUA.

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PRINCIPIOS DE CLARIFICACION Y POTABIILIZACION

1.1 IMPUREZAS DEL AGUA El agua, tal como se presenta en la naturaleza contiene una mayor ó menor cantidad de impurezas en la forma de: Sólidos suspendidos (arcillas, limos, algas, plancton, materia orgánica, etc.)  Sólidos disueltos (cloruros, sulfatos, dureza, etc.), y  Gases Disueltos (O.D., CO2, H2S, CH4, etc.)  Veamos algunas de las características más importantes a considerar en agua para usos domésticos. 1.2 TURBIEDAD Se debe la turbiedad a la materia en suspensión que interfiere con el paso de la luz. Es causada por una amplia variedad de materia suspendida con tamaños desde coloidal hasta dispersiones gruesas. El material suspendido principalmente es arcilla, cieno, lodos, etc.; aunque crecimientos de algas, bacterias y materia orgánica también contribuyen a causar turbiedad. La materia suspendida causante de la turbiedad es removida por procesos de clarificación y filtración. El conocer los valores de la turbiedad es importante pues en agua cruda es la base para la dosificación de coagulantes y en agua sedimentada y filtrada permite evaluar la eficiencia del tratamiento del agua. 1.2.1 SIGNIFICADO SANITARIO DE LA TURBIEDAD   

ESTETICO: La turbiedad en el agua hace dudar de su potabilidad INTERFERENCIA: Interfiere con la desinfección, ya que las bacterias patógenas quedan ocluidas en las partículas, no existiendo un buen contacto con el Cloro y otros desinfectantes. DEPOSITOS: Forma depósitos en tanques de almacenamiento

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1.2.2 DETERMINACION DE LA TURBIEDAD Dada la gran variedad de materiales que causan la turbiedad, inicialmente se estableció un patrón arbitrario u “operacional”, el cual fue: 1 mg. de SiO2/litro = 1 unidad de turbiedad Con este patrón se calibró el turbidímetro JACKSON de llama que fue el instrumento estándar. Hoy día, la unidad de turbiedad se expresa como NTU basada en un patrón hecho de formazida. La solución patrón se hace con sulfato de Hidracina más Hexametilentetramina, aprobado por la EPA (Enviromental Protection Agency). 1.3 COLOR Junto con la turbiedad, el color del agua es una de las características más importantes pues constituyen la base para evaluar la eficiencia del tratamiento del agua. El color es debido a compuestos orgánicos complejos resultantes de la degradación de la materia orgánica; es función del pH y aumenta cuando se incrementa el pH del agua. Los coloides causantes del color son electronegativos y pueden removerse por coagulación-floculación. Son más pequeños que los coloides formadores de la turbiedad y por lo tanto requieren mayores dosis de cargas positivas para su coagulación. Las aguas pueden aparecer con alto color debido a materia suspendida coloreada, aun cuando el agua en si, no tenga color. Se distinguen:  

Color causado por materia suspendida, que se refiere como color APARENTE. Color causado por degradación vegetal o extractos orgánicos, que se refiere como color VERDADERO.

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1.3.1 SIGNIFICADO SANITARIO DEL COLOR     

Desde el punto de vista estético, el color hace dudar de la potabilidad del agua El ácido Húmico, causante del color, comunica sabor al agua El color interfiere con la cloración, ejerce alta demanda de cloro El color interfiere con la coagulación de la turbiedad por formar complejos con los iones Fe+++ y Al+++. El color acompleja el Hierro y el Manganeso, interfiriendo con la separación de estos metales.

El método oficial de determinación del color es por comparación visual contra patrones de Cloroplatinato de Potasio 1 mg. / 1Pt = 1 u.c. 1.4 OLOR Y SABOR El consumidor promedio juzga la calidad del agua por el olor, la claridad y el sabor. Las principales causas de la presencia de olores y sabores en el agua cruda son: la contaminación con aguas residuales industriales, residuos humanos, crecimientos de maleza acuática y productos de descomposición biológica. Durante el tratamiento del agua los olores y sabores pueden producirse o intensificarse como consecuencia de la reacción del cloro con sustancias de tipo fenólico. En los sistemas de distribución la presencia de olores y sabores pueden deberse a crecimientos de bacterias de hierro, azufre, etc. El olor y sabor en el agua se pueden controlar bien sea eliminando las fuentes de producción en el agua o bien mediante tratamientos complementarios en la planta de filtración. Entre tales tratamientos se pueden citar la aplicación de Carbón Activado pulverizado, filtración a través de Carbón Activado granulado, desinfección con dióxido de Cloro u Ozono, etc.

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1.5 ALCALINIDAD Es la capacidad que tiene el agua para neutralizar ácidos y se debe principalmente a la presencia de Carbonatos (CO3 -2 ), Bicarbonatos ( HCO3- ) e Hidróxidos ( OH- ). Se expresa como CaCO3. Se distinguen tres tipos de Alcalinidades:  Alcalinidad total o M; Neutraliza ácido hasta pH de 4.3.  Alcalinidad a la phenolftaleina o P; neutraliza ácido hasta pH de 8.3.  Alcalinidad al OH; es la fracción debido al ión OH -; se obtiene por cálculos: Alcalinidad al OH = 2P – M En aguas naturales generalmente la Alcalinidad es debida a bicarbonato de Calcio y Magnesio. Al usar Alumbre (Sulfato de Aluminio Al 2 (SO4)3 ) en el proceso de coagulación la alcalinidad del agua tratada disminuye como se puede ver en la siguiente reacción: Al2 (SO4)3 + HCO3- --------------- 2Al (OH) 3 + 3SO4-2 + 6CO2 El valor de Alcalinidad igualmente es importante en el agua tratada, por cuanto está relacionada al carácter corrosivo o incrustante del agua. 1.6 PH Es una medida de la concentración actual de iones H +, y se define por la ecuación: PH = - logaritmo (H+) El pH es una medida de la fortaleza ácida de una solución. La escala de valores de pH varia entre 0 y 14 con pH igual a 7 considerado como neutro. El pH es importante en el agua porque: 



Influye de manera importante en la tendencia corrosiva o incrustante del agua Bajos pH favorecen la Corrosión; Altos pH favorecen la Incrustación. Controla el fenómeno de coagulación en la clarificación del agua ya que existe un pH óptimo al cual se logra una mejor coagulación del agua. Esto es especialmente cierto cuando se usan coagulantes metálicos o inorgánicos.

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1.7 DUREZA Es una medida del contenido de sales, principalmente de Calcio y Magnesio, presentes en el agua. Se expresa como CaCO 3. En aguas crudas es quizá la característica que más contribuye al contenido mineral del agua. No existe un criterio para fijar un valor máximo de dureza en el agua de consumo humano. Sólo se ha establecido que el contenido de sólidos disueltos totales no exceda las 500 ppm. Sin embargo, muchas comunidades consideran que durezas por encima de 150 ppm son objetables. La siguiente clasificación da una idea de los tipos de durezas más frecuentes:    

Aguas Muy Duras: Mayor de 300 ppm de CaCO3 Aguas Duras: Entre 150 y 300 ppm de CaCO 3 Aguas Moderadamente Duras: Entre 50 y 150 ppm de CaCO 3 Aguas Suaves o Blandas: Menor de 50 ppm de CaCO 3.

Durezas excesivas en el agua se remueven por procesos de precipitación química (Cal-Soda) o por procesos de Intercambio Iónico. 1.8 CLORUROS SULFATOS SOLIDOS DISUELTOS Los Cloruros están presentes en toda agua natural en mayor o menor concentración. La importancia de Cloruros, Sulfatos y Sólidos Disueltos en el agua gira alrededor de las propiedades laxativas y de sabor que tales elementos comunican al agua. Tanto para Sulfatos (SO4-2) como para Cloruros (Cl-) se ha establecido un máximo de 250 ppm en el agua para consumo humano. Igualmente el contenido máximo de Sólidos Disueltos es de 500 ppm. 1.9 HIERRO Y MANGANESO Tanto el Hierro como el Manganeso son elementos que presentan inconvenientes en los suministros de agua para usos domésticos e industriales. El Hierro mancha la ropa y los aparatos sanitarios, e igualmente modifica notablemente el sabor del agua. Este sabor puede describirse como amargo y astringente.

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La cantidad de hierro aceptado por el control de calidad del agua para evitar el sabor desagradable y el manchado de la ropa es de 0.3 ppm Fe. Este valor no tiene ninguna importancia desde el punto de vista de la toxicidad. Existen dos razones básicas para limitar la concentración de Manganeso (Mn) en el agua potable: Por razones estéticas Y Para evitar cualquier efecto fisiológico causado por una ingestión excesiva. Aún cantidades mínimas de Manganeso manchan la ropa y comunican sabor al agua y a las bebidas preparadas con esa agua. Desde el punto de vista de la salud, no existen datos que indiquen los efectos dañinos del Manganeso cuando se ingiere. El máximo de Manganeso en agua potable se ha establecido en 0.05 ppm Mn. 1.10 NITRATOS – NITRITOS Los estándares establecidos para el agua potable determinan un límite de 10 ppm N de Nitratos más Nitritos. Se ha establecido este límite combinado debido a que además de los efectos abrasivos y tóxicos de los Nitratos, los Nitritos son causantes de enfermedades serias en los niños. 1.11 CARACTERISTICAS BACTERIOLOGICAS El cumplimiento de las exigencias bacteriológicas estará basado en los exámenes de las muestras obtenidas en lugares representativos a lo largo del sistema de distribución. La cantidad mínima de muestras que deben obtenerse y analizarse deberá estar de acuerdo con la siguiente tabla:

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TABLA Nº 1.1 Cantidad mínima de muestras por mes de acuerdo a la población servida. POBLACION SERVIDA 2.000 y menos 10.000 25.000 100.000 1.000.000 2.000.000 5.000.000

NUMERO MINIMO DE MUESTRAS POR MES 2 14 30 100 300 400 500

Fuente: GIL B. ANTONIO. Principios de Clarificación de Agua. QUIMICA NALCO DE COLOMBIA S.A. Bogotá 1982 1.11.1 LIMITES La presencia de organismos del grupo Coliforme en las muestras examinadas no debe exceder de los límites siguientes: 

Cuando se examinan proporciones estándar de 10 ml. no debe aparecer en ningún mes la presencia del grupo coliforme en una proporción mayor del 10%. La presencia del grupo coliforme en tres o más proporciones de 10 ml. de una muestra estándar no debe permitirse si ocurre:

o En dos muestras consecutivas o En más de una muestra por mes, cuando se examinen menos de 20 en el mismo lapso o En más del 5% de las muestras, cuando se examinen más de 20 por mes. 

Cuando se verifica la presencia del grupo Coliformes en tres o más porciones de 10 ml. de una sola muestra estándar, deberán obtenerse muestras diarias del mismo sitio de muestreo inmediatamente, y examinarlas, hasta que los resultados que se obtengan, de por lo menos dos muestras consecutivas, manifiesten ser de agua de calidad satisfactoria.

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

Cuando se examinen porciones estándar de 100 ml. no deben acusar estas la presencia del grupo coliforme en un porcentaje mayor de 60 en cualquier mes. La presencia del grupo coliforme en las cinco porciones de 100 ml. de una muestra estándar, no será aceptable si esto ocurre: o En dos muestras consecutivas o En más de una muestra por mes cuando se examinan menos de cinco en el mismo lapso; ó o En más de 20% de las muestras, cuando se examinan cinco o más en el mismo lapso.



Cuando todas las cinco porciones de 100 ml. de una sola muestra estándar acusan la presencia de organismos del grupo coliforme, deberán obtenerse muestras diarias del mismo sitio de muestreo inmediatamente, y examinarse hasta que los resultados obtenidos, de por lo menos dos muestras consecutivas, manifiesten ser de agua de calidad satisfactoria.



Cuando se usa la técnica del filtro de membrana, el promedio aritmético de densidad de coliformes de todas las muestras estándar examinadas mensualmente, no deberá exceder de uno por 100 ml. Las colonias de organismos coliformes no deben exceder de: 3/50 ml., 4/100 ml.. 7/200 ml., o 13/500 ml. por muestra estándar en:

o Dos muestras consecutivas o Más de una muestra estándar, cuando se examinan menos de 20 por mes. o Más de cinco por ciento de las muestras estándar cuando se examinan 20 o más por mes. 

Cuando las colonias del grupo coliforme exceden a los valores antes mencionados, deberán obtenerse muestras diarias del mismo sitio de muestreo inmediatamente, y examinarlas hasta que los resultados que se obtengan, de por lo menos dos muestras consecutivas, manifiesten ser de agua de calidad satisfactoria.

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FUENTES Y CAPTACION

2.1 FUENTES DE AGUA Los suministros de agua no son puros en el sentido de que están desprovistos de todos los productos químicos disueltos, como sucede con el agua destilada, des ionizada. Por conocerse el agua como el disolvente universal, debido a su capacidad para disolver lentamente cualquier cosa con la que llegara a estar en contacto, desde gases hasta rocas; entonces, los suministros de agua tienen una variedad natural en la calidad, la cual depende enormemente del origen del suministro y de sus características Físico-Químicas, pero el CICLO HIDROLOGICO es en ultimas, la principal fuente de nuestras aguas y es este proceso el que controla nuestros recursos de aguas. Los recursos hídricos de nuestro país, según lo determinó el antiguo HIMAT (hoy IDEAN), se pueden clasificar en seis categorías: aguas lluvias, aguas superficiales, aguas subterráneas, aguas termo-minerales, aguas marinas y oceánicas y aguas de los nevados. 2.1.1 AGUAS LLUVIAS Las precipitaciones en las diferentes regiones que comprende nuestro país no son iguales, debido a las características de la circulación atmosférica y a la deferencia en el contenido de humedad en las masas de aire. Se presentan en el país, cuatro tipos de precipitaciones: 

TIPO OROGRAFICO: Este tipo de lluvia es originado por el ascenso de las masas de aire al encontrar obstáculos, como las montañas.



TIPO CONVECTIVO: Causada por fuerte calentamiento de la superficie terrestre debido a la radiación solar, generalmente con días de poca nubosidad y alto contenido de humedad en la atmósfera.



ZONA DE CONFLUENCIA INTERTROPICAL: Es la zona donde los vientos Alisios del noreste y del sureste confluyen en el hemisferio. Esta confluencia da origen a la formación de grandes masas nubosas y abundantes precipitaciones.

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

CICLONES TROPICALES: Es el fenómeno meteorológico más peligroso en los trópicos y presenta una configuración nubosa de apariencia redonda u ovalada, con diámetros hasta de 500 Km., siendo ocasionados por depresiones tropicales o tormentas.

Las aguas lluvias son consideradas como las fuentes de todas las fuentes de agua, ya que en el CICLO HIDROLOGICO,(figura 2.1), fenómeno natural que le brinda al agua la maravillosa propiedad de renovarse constantemente ya que la separa de las sales al evaporarse, ellas juegan un papel muy importante. De otro lado, en zonas rurales, en muchos casos el agua lluvia es la principal fuente de agua potable, aunque sólo por temporadas, pues no durante todo el año está lloviendo. Figura 2.1 Ciclo Hidrológico.

Fuente: GIL B. ANTONIO. Principios de Clarificación de Agua. QUIMICA NALCO DE COLOMBIA S.A. Bogotá 1982

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2.1.2 AGUAS SUPERFICIALES Aguas superficiales es un término general que describe cualquier tipo de agua que se encuentra discurriendo o estancada en la superficie terrestre, tales como arroyos, ríos, estanques, lagos, lagunas y embalses. Ellas se originan por una combinación de procedencias:  ESCORRENTIAS SUPERFICIALES: Lluvia que ha caído sobre el terreno y que fluye directamente sobre la superficie hacia la masa de agua.  PRECIPITACION DIRECTA: Lluvia que cae directamente sobre la masa de agua.  MANTO INTERMEDIO: Exceso de humedad en el suelo que está continuamente drenando en la masa de agua.  DESCARGA DE LA CAPA FREATICA: Donde hay un acuífero debajo de una masa de agua y la capa freática es lo suficientemente alta, el agua se descargará directamente desde el acuífero a la masa de agua. La calidad y cantidad de agua superficial dependerá de una combinación entre el CLIMA y FACTORES GEOLOGICOS. En los ríos, el caudal, es en general mayor en invierno que en verano debido a la mayor cantidad y duración de las lluvias. Pequeñas fluctuaciones en el caudal, sin embargo, son más dependientes de la geología de la zona de captación; algunas zonas de captación liberan a los arroyos un mayor porcentaje de la lluvia caída, que otras. Así, el actual perfil de lluvias, es menos importante para las aguas estancadas, como los lagos y embalses, donde el agua se recoge durante un período largo y se almacena, mientras que en ríos y arroyos donde el agua es un sistema dinámico de constante movimiento, el volumen de agua depende de las condiciones atmosféricas. La calidad del agua se puede ver afectada también por las precipitaciones que traen cantidades apreciables de materia sólida a la tierra como es el polvo, polen, cenizas de volcanes, bacterias, esporas, e incluso, en ocasiones organismos mayores; igualmente por la lluvia ácida que contiene disolventes orgánicos y óxidos de Nitrógeno y Azufre.

También puede ser afectada la cantidad y calidad del agua por la geología de la cuenca de captación. 15

2.1.3 AGUAS SUBTERRANEAS. En general, las aguas subterráneas suelen recargarse con las precipitaciones que se infiltran en el suelo, cursos de aguas y embalses naturales o artificiales. Las aguas penetran en la tierra hasta que llegan a un estrato rocoso impermeable. Aunque las aguas subterráneas se pueden emplear principalmente para beber, debido a su gran valor biológico y a sus beneficiosas características físicas y bacteriológicas, también cabe dedicarlas a otras finalidades como agua potable en regiones industriales densamente pobladas. En Colombia, las aguas subterráneas son un recurso hídrico de gran importancia en la mayoría de las regiones y con mayor razón si hay escasez de agua superficial. Infortunadamente la información al respecto es aun preliminar, es decir, la disponibilidad total de aguas subterráneas en Colombia, e incluso, la cantidad en que esta se extrae anualmente, no está todavía establecida. Económicamente, el agua subterránea es mucho más barata que el agua superficial ya que está disponible en el punto de demanda a un relativo bajo costo y no requiere la construcción de embalses o largas conducciones. Es generalmente de buena calidad, libre de sólidos en suspensión y, excepto en limitadas áreas donde han sido afectadas por la contaminación, libre de bacterias y otros patógenos. Por todo ello, no requiere un extensivo tratamiento antes de su uso. Los ACUIFEROS se clasifican como CAUTIVOS Y LIBRES. Un acuífero libre es uno que se recarga donde la roca porosa no está cubierta por un estrato impermeable de suelo o de otra roca. La capa no saturada de roca porosa está separada de la capa insaturada de agua por una interfase denominada CAPA FREATICA. La capa no saturada es rica en oxígeno. Un acuífero cautivo es aquel que está cubierto por una capa impermeable y el agua de la superficie no puede penetrar en la roca porosa, en cambio el agua migra lentamente en forma lateral desde las áreas libres. Debido a que los acuíferos cautivos están entre dos capas impermeables, el agua generalmente está bajo una presión hidráulica considerable, de forma que el agua

alcanzará la superficie por su propia presión a través de perforaciones y poros, lo cual es conocido como POZOS ARTESIANOS. 16

Es desde los acuíferos libres desde donde se realiza la mayoría de las extracciones de aguas subterráneas. El agua subterránea de los acuíferos libres se origina principalmente por las precipitaciones y por eso es particularmente vulnerable a la presencia de los focos de contaminación difusa, especialmente debido a las prácticas agrícolas y a la deposición de contaminación atmosférica proveniente principalmente de la industria. En general, la calidad del agua subterránea depende de una serie de factores:    

La naturaleza del agua lluvia, la cual puede variar considerablemente, especialmente en términos de acidez debido a la contaminación y a los efectos del aerosol marino que afecta especialmente a las zonas costeras. La naturaleza de las aguas subterráneas existentes, las cuales pueden tener una edad de decenas de miles de años. La naturaleza del suelo a través del cual el agua se debe infiltrar La naturaleza de la roca que forma el acuífero.

Así, el agua subterránea consiste en un número de iones mayoritarios, los cuales forman los compuestos. Estos son: el Calcio, el Sodio, el Potasio y en menor cantidad el Hierro y el Manganeso. Todos estos son cationes (carga positiva) los cuales se hallan en el agua combinados con un anión (carga negativa), para formar compuestos denominados sales. Los aniones mayoritarios son el Carbonato Acido (bicarbonato), sulfatos y cloruros. La mayoría de los acuíferos tienen aguas duras. La dureza total se debe a la dureza del Carbonato formado por la presencia de carbonato ácido de Calcio (CaHCO3) y carbonato ácido de Magnesio (MgHCO 3), mientras que la dureza no carbonato o permanente se debe a otras sales de Calcio y Magnesio. 2.1.4 AGUAS TERMOMINERALES Uno de los aspectos importantes de las aguas subterráneas son las aguas termominerales que brotan a una temperatura superior a la ambiental e inferior a

100º C y que contienen en disolución varias sales minerales, procedentes de capas acuíferas muy profundas.

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Esta agua contiene sales disueltas disociadas. Además de vapor de agua, hay presencia de gases disueltos y ocluidos, entre los que se destacan el gas carbónico (más frecuente y abundante) y el Nitrógeno; como también gases raros, tales como el Helio, Argón, Criptón y Xenón, que aunque sólo existen en trazas, son frecuentes. La temperatura es la característica más importante de las aguas termominerales. Una fuente se dice termal cuando las aguas tienen una temperatura superior a 5 ó 6º C con respecto a la temperatura promedio ambiente de la zona de influencia. 2.1.5 AGUAS OCEANICAS Y MARINAS Son aguas que se caracterizan por su alto contenido de sales principalmente de Yodo, Potasio y Sodio. En Colombia contamos con costas sobre el océano Pacifico y el mar Caribe que constituyen una tercera parte del perímetro continental, aunque su desarrollo ha sido ante todo de actividad comercial y pesquera. 2.1.6 AGUA EN LOS NEVADOS Estas son aguas debidas a glaciaciones del pasado reciente. Al igual que las aguas Termo minerales y las oceánicas y marinas, son aguas no usadas para tratamiento de potabilización; bien sea por su alto contenido de sales, por su alto costo de tratamiento o por su dificultad para ser tratadas. 2.2 CAPTACION DE AGUAS El agua se capta de los ríos por medio de la construcción de presas para asegurar mínima profundidad de agua en la presa ó con el uso de pontones flotantes.

La captación no debe interferir con otros usos del rio, tales como la navegación, pero debe asegurar que se pueda tomar agua durante todo el año. La cantidad de agua que se puede captar está limitada por el caudal mínimo necesario para:

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   

Proteger la calidad biológica de la fuente, incluyendo la pesca. Diluir los vertidos industriales y domésticos. Recordar que los ríos son vitales para eliminar los vertidos y en cierta medida para tratarlos a través de procesos naturales de purificación. Para asegurar que otros usos del rio no se vean afectados por la captación. (tales como una suficiente profundidad para la navegación) Para permitir un caudal adecuado, con el fin de prevenir que la marea invada la corriente aguas arriba y convierta el agua dulce en salobre.

Para mantener la integridad del rio se debe calcular el caudal mínimo en condiciones atmosféricas de sequedad y mantenerse todo el tiempo. Una vez calculado, cualquier exceso de agua sobre este caudal mínimo en condiciones secas se puede, en teoría, utilizar para la captación. A la inversa, si el caudal del rio disminuye hasta o por debajo de este caudal mínimo, entonces la captación se debe reducir o detenerse inmediatamente. De otra parte todos los vertidos depositados o productos químicos utilizados en una cuenca de captación, finalmente se dirigirán hacia el rio deteriorando la calidad de sus aguas por lo cual se deben extremar las precauciones para asegurar que la calidad del agua este protegida y se controla continuamente. La mayoría de las captaciones tienen una capacidad de almacenamiento de forma que el agua bruta se puede almacenar hasta siete (7) días antes de ser tratada y suministrada. Esto tiene una doble función, en primer lugar proteger al consumidor del efecto de la contaminación del rio, o de vertidos accidentales de materiales tóxicos, permitiendo un tiempo suficiente para dispersar la contaminación en el rio antes de que se vuelva a reanudar la captación sin cortar el suministro a los consumidores; y en segundo lugar, el almacenamiento de agua de esta manera mejora la calidad del agua antes de su tratamiento, pues permite ser aireada y decantada. Para maximizar la disponibilidad de agua para el abastecimiento, los hidrólogos examinan el ciclo hidrológico dentro de la cuenca de captación, midiendo las

precipitaciones, caudal de los arroyos y escorrentías superficiales y donde corresponda, los recursos de aguas subterráneas. Frecuentemente, se puede suplir la captación de agua de los ríos , en los períodos de caudales muy bajos, tomando agua de otros orígenes, tales como aguas subterráneas o pequeños embalses de almacenamiento, utilizando estos limitados recursos para completar la fuente de suministro principal en los períodos críticos. 19

Más común es la construcción de embalses en las cabeceras, los cuales se pueden usar entonces para controlar el caudal del rio mismo, en un proceso conocido como COMPENSACIÓN. Estos depósitos de compensación están diseñados como una parte integral del sistema del rio. Se recoge el agua de las escorrentías de las tierras aguas arriba y se almacena durante la época húmeda. El agua entonces se libera cuando se necesita para mantener el caudal mínimo en la época seca y para permitir que las captaciones continúen. Debido a que para la captación se usan sistemas de bombeo, con el fin de transportar el agua desde la fuente hacia la planta de tratamiento, examinemos algunos conceptos sobre Bombas e Hidráulica. 2.3 BOMBAS E HIDRAULICA 2.3.1 BOMBAS Una bomba es una máquina que da energía a un líquido. Las bombas se usan para mover líquidos de un lugar a otro; los líquidos fluyen de áreas de mayor energía potencial a sitios de menor energía potencial, lo que es lo mismo, de un área de mayor presión a un área de menor presión. Las bombas pueden cambiar la dirección del flujo, es decir, mover un líquido de un área de menor presión a un área de mayor presión. La bomba aplica energía para forzar el líquido de la línea de succión a la línea de de4scarga. La diferencia entre la presión de succión y la presión de descarga es la energía dada al líquido por la bomba.

Igualmente, la bomba puede cambiar la rata de flujo, haciendo que el líquido fluya a una rata mayor. En resumen, una bomba aplica energía mecánica a un líquido, debido a esta energía la bomba hace que el líquido fluya:  De un sitio a otro más alto  De un área de menor presión a otra de mayor presión  A mayores ratas de flujo.

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Existen muchos tipos de bombas: de vacío, de Desplazamiento Positivo (Recíprocas y Rotatorias), Centrífugas, etc. En los sistemas de purificación para bajos caudales y altas presiones y las centrífugas para necesidades altas de flujo. 2.3.2 BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO Se puede mover un líquido por desplazamiento. Si en bloque se mete en un balde con agua, el bloque desplaza el agua del balde en un volumen igual al del bloque. De igual manera, al tener un conjunto cilindro-pistón, a medida que el pistón se mueve dentro del cilindro, desplaza un volumen de fluido. El desplazamiento del pistón es positivo o Constante y el volumen de líquido desplazado es el volumen del pistón en el cilindro. Una bomba que desplaza un volumen constante de líquido se llama BOMBA DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO. Esta bomba primero atrapa un volumen de líquido en el cilindro y luego la parte móvil desplaza un volumen de líquido del cilindro. Las bombas de desplazamiento positivo se clasifican en Rotatorias y Recíprocas. Una bomba Rotatoria es aquella llamada de engranajes (gear pump) y usa un movimiento rotatorio para atrapar y desplazar el líquido. Una bomba Recíproca es una bomba de pistón. El volumen de líquido que la bomba de desplazamiento positivo puede desplazar en una revolución, se llama DESPLAZAMIENTO (V) V=AxL

Donde: V: Desplazamiento, A: Área, L: Longitud de la carrera del pistón. La capacidad, Q, de una bomba, es el volumen de líquido que mueve en un período de tiempo. Ejemplo: gal/min (gpm), L/s (litros por segundo), m 3/h (metros cúbicos por hora), etc. Se conocen dos tipos de capacidad de las bombas: Capacidad teórica y capacidad real. La Capacidad Teórica se calcula mediante la siguiente expresión matemática: Q=Vxv Donde: V: Desplazamiento y v: velocidad en rpm. 21

La capacidad teórica de una bomba de desplazamiento positivo es el volumen de líquido desplazado por la bomba multiplicado por la velocidad en rpm, a la cual funciona. En la operación real, parte del líquido se desliza por las partes mecánicas haciendo que la capacidad de la bomba disminuya. A esta se le conoce como Capacidad Real y es la cantidad de líquido que realmente está mandando la bomba desde la succión hacia la descarga. La relación entre la capacidad real y la capacidad teórica de la bomba se llama EFICIENCIA VOLUMETRICA (E) y se expresa comúnmente como porcentaje: E = ( Q real/ Q teórica) x 100 A medida que la eficiencia volumétrica decrece, la capacidad real de la bomba disminuye, debido generalmente al desgaste de las partes móviles, por fricción, aumentando la filtración del líquido. 2.3.3 PRINCIPIOS DE HIDRAULICA 2.3.3.1 FLUJO EN TUBERIAS La ecuación de BERNOULLI es considerada como la ecuación fundamental del flujo en tuberías, descrita entre dos puntos: P1/r + V12/2g + z1 = P2/r + V22/2g + z2 + HL1-2 Donde:

P1/r: Cabeza de presión V2/2g: Cabeza de velocidad

HL: Pérdida de cabeza HL1-2 incluye pérdidas de energía causadas por la fricción en tuberías y por cambios de cantidad de movimiento en accesorios.

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2.3.3.2 REGIMENES DE FLUJO Reynolds identificó dos tipos de regímenes de flujo: Laminar y Turbulento. En el flujo laminar las líneas de corriente permanecen paralelas, sin que ocurra mezcla entre las láminas o capas adyacentes. En este tipo de flujo, el esfuerzo cortante resulta de la viscosidad del fluido. En el flujo turbulento, la mezcla ocurre a través de la tubería. En este tipo de flujo, el esfuerzo cortante resulta de intercambios de cantidad de movimiento que ocurren como consecuencia del movimiento de partículas de fluido de una capa a otra. Reynolds encontró que la transición de flujo laminar a flujo turbulento se relaciona con el siguiente parámetro adimensional: NRe = DVd/u = DV/ p donde:

NRe: Número de Reynolds, adimensional D: Diámetro de la tubería, m V: Velocidad del fluido en la tubería, m/s D: Densidad del fluido, Kg/m3 U: Viscosidad absoluta del fluido Kg/m.s p: Viscosidad cinemática del fluido, m2/s.

Si NRe menor 0 igual que 2100, entonces se tiene flujo Laminar. Si NRe está entre 2100 y 4000, entonces se tiene flujo de transición. Si NRe mayor de 400, entonces se tiene flujo turbulento. Para efectos de nuestros estudios consideraremos: Si NRe menor o igual a 2100, se tiene Flujo Laminar, y Si NRe mayor que 2100, se tiene Flujo Turbulento.

Para el transporte de agua, en la mayoría de las circunstancias, dado que las velocidades en tuberías están generalmente en el rango de 0,6 m/s o mayores, es claro que habrá pocas ocasiones en las cuales ocurrirá flujo laminar. Esto no implica que el flujo laminar no exista tanto en los sistemas de agua potable como en los de aguas negras, ya que el agua no es el único fluido que debe ser manejado. Los polímeros y coagulantes metálicos manejan viscosidades entre 20 y 1000 de la del agua.

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2.3.3.3. ECUACION DE DARCY-WEISBACH Estos investigadores propusieron, con base en experimentos, que la pérdida de energía resultante de la fricción, varía como: HL = f x L/D x V2/2g

donde: f: factor de fricción, adimensional L: longitud de la tubería, m D: diámetro de la tubería, m V: velocidad del fluido, m/s G: aceleración de la gravedad, m/s2 Se puede demostrar, mediante análisis dimensional, que f depende sólo y únicamente de NRe y de otro parámetro adimensional, e/d, llamado Rugosidad relativa. Donde e es la altura de la rugosidad de la superficie en la pared de la tubería. Ahora, para flujo laminar f = 64/NRe Sin importar que régimen de flujo haya dentro de la tubería, existirá una capa laminar cerca a la pared. Si dicha capa es sustancialmente más gruesa que la rugosidad e de la tubería, la tubería será hidráulicamente lisa. El grosor real de la capa está dado mediante: G = 32.8 D/ NRe f0,5 Si e/G menor que 0,25, la tubería se puede considerar lisa; pero si e/G es mayor de 6,0, la tubería es totalmente rugosa. Dentro del régimen de flujo turbulento, cuando la velocidad y el NRe se incrementan, es evidente que tanto el grosor de la capa laminar como el efecto de fricción viscosa disminuirán mientras que la rugosidad aumentará. En la región descrita como completamente turbulenta, f depende sólo de e/d. Nikuradse desarrolló la ecuación

f-0,5 = 1,14 + 2,0 log. e/d La cual refleja este fenómeno. En la región entre flujo laminar y completa turbulencia, ambos, los efectos viscosos (NRe) y la rugosidad (e/d), afectan a f.

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PROCESOS DE TRATAMIENTO DEL AGUA

3.1 GENERALIDADES Para producir agua potable a partir de una fuente de agua contaminada, especialmente en forma natural o como resultado de la actividad humana, se requiere llevar a cabo uno o varios procesos, los cuales reciben el nombre de Operaciones Unitarias. Desde el punto de vista del tratamiento del agua, una Operación Unitaria es un proceso químico, físico o biológico, mediante el cual las sustancias no deseadas contenidas en las aguas crudas, se separan o se transforman en sustancias aceptables. La gran mayoría de los procesos de potabilización origina cambios en la concentración de una determinada sustancia, fenómeno que recibe el nombre de Transferencia de Fase. Las principales fases son la gaseosa, la líquida y la sólida, sin perder de vista otros estados específicos como son el Disuelto y el Coloidal, maneras en las cuales existen en el agua una gran cantidad de sustancias. 3.2 PROCESOS UNITARIOS Se presentan a continuación los procesos de mayor utilización en el tratamiento de las aguas, pero se debe tener en cuenta que no siempre es necesario utilizarlos en su totalidad pues esto dependerá de la calidad de la fuente. 3.2.1 TRANSFERENCIA DE GASES Es el proceso en el cual el agua, expuesta al aire, permite absorber o escapar un gas. El ejemplo más importante es el de la adición de oxígeno por medio de la aireación, mediante la aspersión o el burbujeo. Otro ejemplo importante es el de la oxidación del hierro y el manganeso, usando como catalizador el Carbón Coque, para su posterior retirada en el proceso de clarificación.

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3.2.2 TRANSFERENCIA DE IONES Entre los diferentes procesos por los que se efectúa la transferencia de iones, se pueden citar los siguientes: 







Coagulación Química. Proceso que consiste en la adición de una sustancia química soluble (llamada Coagulante) al agua, la cual transfiere sus iones a sustancias poco o no sedimentables o a sólidos coloidales, formando agregados o sólidos fácilmente sedimentables. Para la adición del coagulante se deben tener en cuenta las condiciones de pH y alcalinidad del agua. Un ejemplo es la adición de Sulfato de Aluminio como coagulante, para la remoción de turbiedad y color. Precipitación Química. Este proceso consiste en la adición de una sustancia química soluble al agua, de la cual, los iones reaccionan con los iones de la sustancia que se desea remover, formando un precipitado. Ejemplos de este proceso son la adición de Cal para la remoción de hierro y para el ablandamiento del agua precipitando la dureza carbonatada. Intercambio Iónico. Es el cambio de iones específicos del agua por iones complementarios que son parte de un medio sólido de intercambio. Un ejemplo típico, el ablandamiento del agua por intercambio de iones de Calcio y Magnesio por iones iones de Sodio, al pasar el agua por un manto de zeolitas de Sodio, las cuales se pueden regenerar con agua una salmuera. Adsorción. Este proceso consiste en la remoción de iones y moléculas (adsorbatos) de la solución, mediante su concentración en la interface del medio adsorbente, por medio de fuerzas inter faciales. Un ejemplo es la remoción de sustancias productoras de olores y sabores, mediante la adición de carbón activado pulverizado, el cual se remueve posteriormente por sedimentación y filtración.

3.2.3 ESTABILIZACION DE SOLUTOS Operación en la cual solutos objetables son convertidos en formas no objetables, sin llegar a su remoción. Por ejemplo, la adición de cal al agua para la conversión de dióxido de carbono en bicarbonato soluble, o la sobre cloración del agua para la oxidación de sustancias productoras de olor. 27

3.2.4 TRANSFERENCIA DE SOLIDOS En este tipo de proceso, los sólidos son separados del agua, por las siguientes operaciones: 

 



Cribado. Conocido también como Cernido, consiste en hacer pasar el agua a través de barras o mallas las cuales retienen los sólidos suspendidos mayores que sus aberturas, tales como hojas, trozos de madera, y hasta algas mediante el micro cernido. Sedimentación. Proceso en el cual se remueven los sólidos en suspensión más pesados que el agua, por medio de la fuerza gravitacional. Este es un proceso de desarenado. Flotación. Consiste en la remoción de sólidos más livianos que el agua, en condiciones de quietud o por la adición de agentes de flotación. Esas sustancias más livianas, ascienden siempre hasta la superficie, de donde son retiradas por desnatado. Ejemplo, la remoción de aceites y grasas. Filtración. Este es un proceso complejo en el cual se combinan el cernido, la sedimentación, el contacto interfacial y aún la floculación, para transferir sólidos suspendidos y flóculos a granos de arena, carbón o antracita, del cual son posteriormente retirados. Son ejemplos, la filtración lenta en lechos de arena y la filtración rápida.

3.2.5 TRANSFERENCIA MOLECULAR O DE NUTRIENTES En la purificación natural de las aguas, los organismos saprófitos convierten sustancias orgánicas complejas en material celular vivo, o en sustancias más simples o estables, incluyendo los gases de descomposición, y los organismos

fotosintéticos convierten sustancias simples inorgánicas en material celular, utilizando la luz solar y produciendo dióxido de carbono y oxígeno como subproducto. Estos son los procesos que ocurren en la estabilización aeróbica y anaeróbica de la materia orgánica. Vale la pena mencionar, además, el proceso de desinfección, mediante el cual se destruyen organismos potencialmente peligrosos. Son ejemplos, la cloración, la aplicación de rayos ultravioleta y la utilización de ozono.

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PROCESO DE AIREACION

4.1 GENERALIDADES Se entiende por aireación el proceso mediante el cual el agua es puesta en contacto íntimo con el aire con el fin de modificar las concentraciones de sustancias volátiles contenidas en ella. Dentro de las funciones más importantes de la aireación se encuentran:       

Transferir oxígeno al agua para aumentar el oxígeno disuelto, OD Disminuir la concentración de CO2 Disminuir la concentración de H2S Remover gases como metano, cloro y amoníaco Oxidar hierro y manganeso Remover compuestos orgánicos volátiles Remover sustancias volátiles productoras de olores y sabores

Cuando se trata de aguas residuales, la función más común del sistema de aireación es la de transferir oxígeno al líquido, a las tasas requeridas para que el oxígeno no limite la utilización de la materia orgánica y las funciones metabólicas de los microorganismos. La aireación es una de las operaciones de mayor consumo de energía en los sistemas de tratamiento, mediante equipos de aireación difusa, equipos de turbina y aireadores mecánicos. La aireación también se usa para la remoción de olores y sabores causados por sustancias volátiles en el agua, sin embargo, en la mayoría de los casos es poco efectiva en la solución de este problema.

El agua aireada es más agradable al paladar; la aireación reduce el nivel de CO 2 hasta unos 4,5 mg/l, pero la corrosión sólo se previene si la alcalinidad del agua excede de 100 mg/l. Los principales aireadores, utilizados comúnmente en purificación de aguas, son los de cascadas, de bandeja y toberas. En aguas residuales se utilizan aireadores por difusores y aireadores mecánicos superficiales o sumergidos.

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4.2 FUNDAMENTOS DE LA AIREACION Los solutos, en general, tienden a difundirse en una solución hasta que la composición se hace homogénea. La tasa a la cual un soluto se difunde a través de un área transversal uniforme depende de su tamaño y forma molecular así como del gradiente de concentración de las sustancias. Una sustancia se mueve espontáneamente de una zona de alta concentración a una zona de concentración inferior; por lo tanto, la concentración de las sustancias volátiles en el aire y en el agua, así como la concentración de saturación, son factores que controlan la tasa a la cual se efectúa el intercambio. Como las temperaturas altas aumentan la volatilidad de los compuestos y disminuyen su valor de saturación, la aireación, para la remoción de sustancias volátiles, es más eficiente en aguas cálidas que en aguas frías. De la misma manera, la remoción, por aireación, de gases como el H 2S, CO2 y NH3 es función del pH del agua. De acuerdo con la primera ley de la difusión de Fick y la teoría de la capa líquida estacionaria, la tasa de cambio en la concentración de una sustancia volátil se expresa por la ecuación: dC/dt = - Q.A( Cs – C )/V Donde: dC/dt: tasa de cambio en la concentración, mg/l.s K: Coeficiente de transferencia de la sustancia volátil, m/s A: área de contacto entre la fase gaseosa y la fase líquida, m 2 V: volumen de la fase líquida, m3 Cs: Concentración de saturación del gas en el líquido, mg./l C: Concentración del gas o sustancia volátil en el líquido, mg./l

Esta ecuación nos indica que la tasa de cambio en la concentración del gas, durante la aireación, es directamente proporcional al área de contacto A, al déficit de saturación y al coeficiente de transferencia, e inversamente proporcional al volumen del líquido expuesto. Por lo tanto, cualquier factor que afecte estos parámetros afecta la tasa de transferencia del gas. En la desorción (figura 4.1) o liberación de un gas, o sea cuando la concentración del gas disminuye con el tiempo o se desgasifica una solución sobresaturada, la tasa de difusión, dC/dt, aumenta a medida que la concentración C disminuye (ver figura 4.1), y la ecuación resulta: C = Cs + (Co – Cs) e-KAt/V 31

Figura 4.1 Desorción de un gas.

Fuente: Romero Rojas. Jairo Alberto. PURIFICACION DEL AGUA

En la absorción de gases (figura 4.2), o sea cuando la concentración del gas aumenta con el tiempo o período de aireación la ecuación es diferente: (ver figura 4.2) C = Cs – ( Cs – Co ) e-KAt/V

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Figura 4.2 Absorción de un gas.

Fuente: Romero Rojas. Jairo Alberto. PURIFICACION DEL AGUA

Donde: C: concentración del gas para el tiempo t, mg./l Co: concentración inicial del gas en el líquido o concentración para t=0, mg/l. T: tiempo de aireación, s.

En este caso la tasa de absorción del gas disminuye a medida que la concentración aumenta. Las ecuaciones anteriores, conocidas como ecuaciones de Lewis y Whitman, indican: La tasa de transferencia del gas para cualquier tiempo t es proporcional a la diferencia entre la concentración de la saturación C s y la concentración C del gas en el agua. La tasa de transferencia es directamente proporcional a la relación del área de contacto entre la fase gaseosa y la fase líquida con el volumen de la fase líquida, A/V.

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La tasa de transferencia es directamente proporcional al coeficiente de transferencia del gas, K. La cantidad de gas transferido es mayor a medida que aumenta el tiempo de aireación. La temperatura y la presión son factores importantes porque afectan los valores de Cs, de la difusividad y del coeficiente de transferencia del gas, K De acuerdo con lo anterior, los factores más importantes en el diseño de aireadores son:  El tiempo de aireación  La relación A/V  Una ventilación adecuada. 4.3 TIPOS DE AIREADORES 4.3.1 AIREADORES DE FUENTE O SURTIDORES Consisten usualmente en una serie de toberas fijas, sobre una malla de tuberías, las cuales dirigen el agua hacia arriba, verticalmente o en ángulo inclinado, de tal manera que el agua se rompe en gotas pequeñas. Este tipo de aireadores ha sido usado para la remoción de CO2 y la adición de oxígeno; tienen gran valor estético, pero requieren un área muy grande.

El tamaño, el número y la distancia entre toberas depende de la energía a consumir, del área disponible y de la interferencia entre fuentes adyacentes. Generalmente se usan toberas de 2,5 a 3,8 cm. (1.0 a 1.5 pulg.) de diámetro con descargas entre 4,7 a 11,0 l/s (75 a 175 GPM) a presiones de 69 KPa, espaciadas 0,6 a 3,6 m. El área requerida varía generalmente entre 0,11 y 0,32 m 2 por l/s de agua tratada. Como la corrosión, tanto interior como exterior, puede ser un problema serio en las tuberías de aireación, es deseable que la instalación sea de material anticorrosivo.

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Figura 4.3 Trayectoria teórica de un chorro de agua en un aireador de fuente.

Fuente: Romero Rojas. Jairo Alberto. PURIFICACION DEL AGUA.

4.3.2 AIREADORES DE BANDEJAS MULTIPLES

Un aireador de bandejas múltiples consiste en una serie de bandejas equipadas con ranuras, fondos perforados o mallas de alambre, sobre los cuales se distribuye el agua y se deja caer a un tanque receptor en la base. En muchos aireadores de bandeja se coloca medio grueso de coque, piedra, ladrillo triturado o cerámica, de 5,0 a 15,0 cm. de diámetro, para mejorar la eficiencia del intercambio de gases y la distribución del agua; en plantas de remoción de hierro y manganeso, para usar el efecto catalítico de los depósitos de Fe y Mn. Generalmente se usan de 3 a 9 bandejas, comúnmente 3 a 5; el espaciamiento entre bandejas es de 30 a 75 cm. El área requerida para las bandejas varía entre 0,05 y 0,15 m2 por l/s de agua tratada, generalmente menos de 0,06 m 2. La altura del aireador de bandejas suele ser de 2 a 3 m

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La ventilación es un factor importante en el diseño de estos aireadores y debe estudiarse cuidadosamente para la selección del sitio de localización. La corrosión, la formación de lamas biológicas y crecimientos algales son también factores de Importancia en el diseño de aireadores; por ello, se construyen con materiales durables como acero inoxidable, aluminio, concreto o maderas resistentes. Los crecimientos biológicos y de algas pueden controlarse mediante tratamiento del agua cruda con cloro y sulfato de cobre. Figura 4.4 Aireador típico de bandejas.

Fuente: Romero Rojas. Jairo Alberto. PURIFICACION DEL AGUA.

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4.3.3 AIREADORES EN CASCADAS Y VERTEDEROS En este tipo de aireadores el agua se deja caer, en láminas o capas delgadas, sobre uno o más escalones de concreto. El aireador de cascada produce una pérdida de energía grande, pero es muy sencillo y se diseña como una escalera; entre más grande sea el área horizontal más completa es la aireación. La aireación ocurre en las áreas de salpicamiento en forma similar a la que ocurre en un rio turbulento; por ello se acostumbra colocar salientes, bloques o vertederos en los extremos de los escalones. La carga hidráulica de estos aireadores puede

ser de 10 a 30 l/s. m2, donde la carga hidráulica es la relación entre el caudal aplicado y el área horizontal del aireador. La altura de los escalones es de 20 a 40 cm. y la altura total, de 1,0 a 3,0 m. Figura 4.5 Aireador de cascadas

Fuente: Romero Rojas. Jairo Alberto. PURIFICACION DEL AGUA.

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Figura 4.6 Esquema de vertedero para aireación.

Fuente: Romero Rojas. Jairo Alberto. PURIFICACION DEL AGUA.

La aireación en vertederos es factible cuando existe suficiente energía disponible; en ese caso el sistema es económico, no se requiere energía adicional y el mantenimiento es sencillo. El sistema de aireación con vertederos es más eficiente que el de aliviaderos. Es posible mejorar la aireación creando turbulencia, mayor relación de área/volumen, cuando el agua cae libremente de un nivel superior a uno inferior que cuando cae deslizándose sobre la cara del vertedero. En un vertedero, la aireación ocurre durante la formación de la capa agua-aire en la cresta del vertedero en caída libre. La transferencia de gases se mejora por entrapamiento y salpicamiento en la superficie inferior de agua.

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PROCESO DE CLARIFICACION

5.1 GENERALIDADES El proceso de clarificación del agua, es por decirlo así, la etapa más importante del tratamiento del agua potable ya que en este paso del tratamiento se retiran no sólo

las partículas coloidales presentes en ella sino además son retirados cerca del 95% de los microorganismos patógenos que puedan hallarse en solución. Se debe tener en cuenta que además este proceso es de gran importancia para la elaboración de la mayoría de los sistemas de tratamiento de agua, tales como, agua de enfriamiento, agua para calderas, agua desionizada, agua suavizada, etc. El proceso de clarificación consiste en tres etapas fundamentales: Coagulación, Floculación y Sedimentación, para así poder retirar todas las partículas coloidales presentes en el agua. 5.2 SUSPENSIONES COLOIDALES Las sustancias presentes en el agua se pueden hallar en ella de varias maneras:  Si una molécula de una sustancia se encuentra disgregada dentro del agua, se dice que dicha sustancia está en SOLUCION.  Si partículas muy pequeñas de la sustancia están dispersas en el agua, se dice que están en ESTADO COLOIDAL O DISPERSION COLOIDAL.  Si estas partículas son relativamente grandes y se encuentran flotando dentro del agua, se dice que están en SUSPENSION. La tabla 5.1 nos aclara esta clasificación de acuerdo al tamaño de las partículas. Cualquier material que sea insoluble en agua, puede formar DISPERSIONES, en las cuales el material sólido no está disuelto sino que permanece disperso o suspendido en el agua. La dispersión coloidal consiste de partículas muy finas que están separadas unas de otras por el medio de dispersión, cuya remoción por sedimentación es sumamente lenta, debido al tamaño tan fino de las partículas. La turbiedad y el color son ejemplos típicos de una dispersión coloidal. Tabla 5.1 Tamaño de las partículas coloidales Partículas gruesas Arenas gruesas Hasta 1 mm

Partículas finas Arenas finas 1.0 - 0.1 mm

Partículas coloidales 0.1 – 0-001 mm

Fuente: Romero Rojas. Jairo Alberto. PURIFICACION DEL AGUA. 40

Es importante anotar que no existen límites definidos del tamaño de las partículas coloidales, pero, en general, se estima que tienen dimensiones comprendidas entre 1,0 y 1.000 milimicras aproximadamente. Es importante anotar, que además

de estos límites de tamaño, también determina si la partícula es coloidal, la naturaleza del material. Existen diferentes tipos de sistemas coloidales, pero los más importantes para el tratamiento de aguas son los HIDROFILICOS y los HIDROFOBICOS. Los coloides hidrofílicos son aquellos que muestran gran atracción por el agua y comprenden soluciones verdaderas, ya sea se moléculas grandes o de agregados de moléculas pequeñas, cuyas dimensiones están dentro de los límites coloidales y comprenden polímeros, proteínas, ácidos nucleicos, almidones, etc. Son considerados generalmente como los causantes del COLOR en el agua. Los coloides hidrofóbicos muestran menos atracción por el agua e incluyen sustancias como arcillas, limos, algas, plancton, materia orgánica y óxidos metálicos. Son generalmente considerados como los causantes de la TURBIEDAD en el agua. 5.3 PROPIEDADES DE LOS COLOIDES La particularidad que tienen los coloides de permanecer suspendidos en el agua demuestra que su naturaleza es tan propia que los distingue en forma precisa debido a sus propiedades, entre las que podemos resaltar: 5.3.1 PROPIEDADES CINETICAS Son aquellas propiedades debidas al movimiento de las partículas y comprenden: 

MOVIMIENTO BROWNIANO: Consiste en el movimiento constante e irregular de las partículas coloidales dentro de la fase líquida, detectado por primera vez por el inglés Robert Brown en 1.928. La teoría cinética explica este fenómeno como resultado del bombardeo caótico de las partículas en suspensión por parte de las moléculas de agua, situación que aumenta al elevarse la temperatura del líquido.

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 

DIFUSION: Este fenómeno está muy relacionado con el movimiento browniano, ya que debido a este, las partículas coloidales tienen la tendencia a dispersarse por todas partes en el agua. PRESION OSMOTICA: Cuando un solvente, agua, y un sistema coloidal, agua más coloides, se encuentran separados por un membrana, la cual es permeable al solvente pero no a los coloides, la dilusión puede ocurrir solamente con el movimiento del solvente hacia el sistema coloidal a través de la membrana. Esto ocurre en forma espontánea y se llama FLUJO OSMOTICO. Si se aplica una presión hidrostática apropiada de forma que el flujo osmótico se detenga, se alcanza un estado de equilibrio. La presión balanceante es la PRESION OSMOTICA, propiedad muy interesante ya que sus determinaciones experimentales nos ayudan a calcular el número de partículas y el peso promedio de dicho número en sistemas coloidales.

5.3.2 PROPIEDADES OPTICAS Se basan en el efecto de Tyndall-Faraday. Describe el fenómeno de dispersión de la luz al pasar a través de una dispersión coloidal. La dispersión es directamente proporcional al tamaño de las partículas. Se utiliza este fenómeno en la determinación de la turbiedad por medio de un nefelómetro. Sin embargo, esta determinación no tiene relación con el número de partículas de turbiedad ni con la masa total. 5.3.3 PROPIEDADES DE SUPERFICIE Las partículas coloidales se caracterizan por tener una gran superficie específica, definida esta como la relación entre el área superficial y la masa de una partícula. La tabla 5.1 muestra el efecto de la disminución del tamaño de las esferas sobre el área total superficial y el tiempo de sedimentación requerido.

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Tabla 5.2 Efecto del tamaño decreciente de las esferas Diámetro de partículas, mm 10 1 0,1 0,01 0,001 0,0001 0,00001 0,000001

Orden de tamaño Grava Arena gruesa Arena fina Limo Bacterias Partículas coloidales Partículas coloidales Partículas coloidales

Área superficial total1 3,142 cm2 31,42 cm2 314,2 cm2 0,31 m2 3,14 m2 3,17 m2

Tiempo necesario para la sedimentación2 0,3 s 3s 38 s 33 min55 h 230 días

2.833 m2

6,3 años

28.328 m2

Mínimo de 63 años.

Fuente: Romero Rojas. Jairo Alberto. PURIFICACION DEL AGUA.

1 Superficie para partículas del tamaño indicado, producidas a partir de una sola partícula de 10 mm de diámetro y una densidad de 2,65 g/cm 3. 1 Estos cálculos se basan en una esfera de una densidad de 2,65 g/cm 3 para descender una distancia de 0,30 m. 5.3.4 PROPIEDAES ELECTROCINETICAS Se ha observado que al pasar una corriente directa a través de una dispersión coloidal, las partículas son atraídas a los electrodos positivo o negativo; fenómeno conocido con el nombre de electroforesis, e indica que las partículas coloidales tienen carga eléctrica y que se mueven, de acuerdo a su carga, hacia el electrodo de signo opuesto. Por su naturaleza, la mayoría de los coloides poseen carga negativa, lo cual es muy importante para comprender la estabilidad de las dispersiones coloidales.

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Igualmente, es conocido por todos que cargas iguales se repelen, y por esta razón las partículas coloidales, cargadas con un mismo tipo de carga, no pueden juntarse para aglomerarse en partículas de mayor tamaño. Esto hace que los coloides sean estables, es decir, permanezcan suspendidos en el líquido, siendo muy difícil su remoción. La remoción de partículas coloidales (como es la turbiedad y color del agua cruda) se lleva a cabo, entre otros, por medio de la Coagulación-Floculación de las mismas. 5.4 ESTABILIDAD E INESTABILIDAD DE LAS DISPERSIONES COLOIDALES Se entiende por estabilidad, la propiedad inherente de las partículas coloidales de permanecer en suspensión en el transcurso del tiempo, mientras que por inestabilidad, se expresa la tendencia de dichas partículas a aglomerarse, siempre que entren en contacto entre si. La estabilidad de las dispersiones coloidales se debe a las fuerzas de repulsión, originadas por la carga eléctrica de los coloides, generalmente del mismo signo, y por la hidratación de los coloides hidrofílicos que determinan que las moléculas de agua sean atraídas hacia la superficie de aquellos, formando una barrera que impide el contacto entre los mismos. La inestabilidad se debe a factores como la gravedad, el movimiento browniano y además a las fuerzas de Van der Waals. La gravedad produce un efecto insignificante y por lo tanto no es considerada. El movimiento browniano si tiene importancia porque hace posible que las partículas entren en contacto, lo cual es un requisito para la desestabilización. Otro factor muy importante lo constituyen las fuerzas de Van der Waals, las cuales son fuerzas débiles de origen eléctrico. Estas fuerzas, que son siempre de atracción, independientemente de la carga de las partículas, se deben al movimiento continuo de los electrones en sus orbitas, 5.4.1 FUERZAS DE ESTABILIZACION Las propiedades electrocinéticas de los coloides demuestran que estos tienen carga eléctrica, por lo general negativa, lo cual puede originarse de varias maneras, a saber: 44



IONIZACION: Muchos coloides contienen en su superficie grupos químicos como carboxilos, hidróxilos, etc., que pueden ionizarse, generando una carga eléctrica. Ejem.:

(Coloide- SiOH) + H2O -------------------- (Coloide – SiO)- + H3O+ Coloide con carga Negativa. 

ADSORSION PREFERENCIAL: Los coloides pueden cargarse al absorber iones de la solución acuosa en su superficie.



REEMPLAZO ISOMORFICO: Es una causa de adquisición de carga muy importante para las arcillas, como consecuencia de una imperfección en la estructura reticular. Como ejemplo se presenta el caso del tetraedro de SiO 4; el átomo de Si (valencia +4), puede ser reemplazado por uno de Al (valencia +3) en la estructura reticular, la cual queda cargada negativamente.

5.5 ETAPAS FUNDAMENTALES DEL PROCESO DE CLARIFICACION 5.5.1 ETAPA DE COAGULACION La COAGULACION constituye sólo el proceso de desestabilización de las partículas coloidales, destruyendo las fuerzas que separan los coloides. Ella comienza en el instante en que se agregan los químicos coagulantes (Alumbre, polímeros, etc.) y dura sólo fracciones de segundo. La coagulación básicamente consiste en una serie de reacciones físico-químicas entre coagulantes, superficie de coloides, agua y alcalinidad de la misma (esta última con coagulantes metálicos). Junto con la Floculación, la coagulación es el proceso más importante en la clarificación del agua. Para que los coloides puedan ser removidos del agua, estos deben coagularse previamente por las siguientes razones:

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 

Los coloides son tamaño extremadamente pequeño y su velocidad de sedimentación es supremamente lenta, y Las fuerzas de repulsión de coloides impiden que estos se aglutinen en partículas más grandes, lo cual contribuye a su lenta sedimentación.

La coagulación y floculación son procesos de desestabilización de partículas coloidales y aglutinación de las mismas, en pequeñas masas llamadas flocs, las cuales pueden separarse del agua por sedimentación. La coagulación-floculación se hace necesaria para:    

Remover la turbiedad que no puede sedimentar rápidamente Remover color verdadero y color aparente Reducir las bacterias u otros organismos patógenos susceptibles a coagulación ( es posible remover del 93 al 99% de los microorganismos patógenos con una apropiada coagulación-floculación ) Remover algas y plancton en general.

5.5.1.1 MECANISMOS DE DESESTABILIZACION O COAGULACION DE COLOIDES Existen esencialmente tres mecanismos que explican como se coagula o desestabiliza un coloide:  

Por Adsorción y neutralización de iones que posean una carga opuesta a la de los iones que determina el potencial. Por Precipitación y Atrapa miento

En este mecanismo se promueve la precipitación de Hidróxidos metálicos, cuya solubilidad es baja:

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Mediante este mecanismo las partículas coloidales quedan atrapadas u ocluidas en el precipitado, a medida que estos se forman. La remoción de turbiedad y color en aguas claras sigue este mecanismo. Figura 5.1 mecanismo por precipitación y atrapamiento

Fuente: Romero Rojas. Jairo Alberto. PURIFICACION DEL AGUA.



Puente Químico (Desestabilización con Polímeros)

En este mecanismo parte de los grupos funcionales de la molécula del polímero se adsorben en la superficie de la partícula, dejando otra parte de la molécula extendida en la solución. Una segunda partícula con polímero adsorbido y superficie vacante se une al segmento libre de votra, formando un puente y floc de mayor tamaño y peso.

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Figura 5.2 mecanismo de puente químico.

Polímero

Coloide

Partícula Estabilizada

Fuente: Romero Rojas. Jairo Alberto. PURIFICACION DEL AGUA.

5.5.1.2 QUIMICA DE COAGULANTES Como su nombre lo indica, coagulantes son sustancias capaces de producir la coagulación o desestabilización de las partículas coloidales. Básicamente los coagulantes son de tipo:  

Inorgánicos o Metálicos (Sulfato de Aluminio, Cloruro Férrico, etc.) Orgánicos (Polímeros sintéticos y Polímeros Naturales, generalmente de tipo catatónico).

La secuencia de operación de los coagulantes inorgánicos es: 1a Etapa: Reacciones de Hidrólisis Al2 (SO4)3 + 12 H2O ------------------------ 2(Al (H2O)6)+++ + 3SO4-2 Acido (AL (H2O)6)+++ + HCO3-1 ------------------ (AL (H2O)5OH)++ + CO2 + H2O (AL (H2O)5OH)++ ------------------------- AL (H2O)3(OH)3 + 2H+ Estas reacciones de Hidrólisis duran del orden de 10 -3 a 10-1 segundos. 48

2a Etapa: Reacciones de Polimerización La siguiente es una reacción típica de polimerización: 2 (AL(H2O)5OH)++ ------------------------- (Al2(H2O)8(OH)2)+4 + 2H2 Otros polímeros formados mediante otras reacciones son: (Al6 (OH) 15)+3 y (Al6 (OH) 20)+4 Estas reacciones duran del orden de 10-2 a 10-1 segundos. Estos polímeros contienen mucha agua de coordinación y en consecuencia producen un lodo que es muy voluminoso. 3a Etapa: Desestabilización En esta etapa es donde se lleva a cabo la neutralización de cargas, la adsorción de iones y el barrido de las partículas coloidales. Estas reacciones ocurren en tiempos tan cortos como: 1x10-4 – 2x10-4 segundos. 5.5.1.3 COAGULANTES ORGANICOS Los polímeros orgánicos son moléculas muy largas, hechas a partir de la agrupación de muchas unidades moleculares más pequeñas llamadas Monómeros. EJ: POLIACRILAMIDA Las dos características que determinan la utilidad de un polímero en un sistema, son sus propiedades físicas y químicas. La composición química se refiere a la estructura química del monómero que se polimeriza, así como también a la configuración que toman los monómeros en la molécula final del polímero. La composición física se refiere al tamaño(peso molecular) y forma de la molécula del polímero, grado de ramificaciones o que tan lineal es, densidad de carga, etc.

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5.5.1.4 APLICACIÓN DE POLIMEROS CATIONICOS El mecanismo de coagulación que se sigue cuando se emplean polímeros como coagulantes es el de la adsorción y neutralización de cargas y el de puente químico, Algunas de las características más notables de los polímeros tipo coagulante son: 



Reemplazan total o parcialmente al Sulfato de Aluminio y al Cloruro Férrico. Polímeros de peso molecular bajo, facilitan más el reemplazo total. La proporción de coagulante metálico reemplazado es muy amplia y es función de la turbiedad del agua y de la densidad de carga del polímero. Para un polímero dado, la proporción de coagulante metálico reemplazado, aumenta a medida que aumenta la turbiedad del agua. En la práctica, hay necesidad de realizar ensayos de Jarras para conocer las dosis óptimas de polímeros y otros coagulantes.



La remoción de color mediante la aplicación de sólo polímeros es muy difícil y generalmente requiere altas dosis.



La aplicación de polímeros no altera el pH del agua, lo cual podría disminuir costos de tratamiento por disminución en el consumo de Alcalis, cuando estos se emplean para ajustar pH.



Con el uso de polímeros se disminuye la producción de lodos en sedimentadores, lo cual es especialmente ventajoso en unidades que operan con purga manual de lodos, por cuanto las paradas para lavado no son tan frecuentes.



Los polímeros no aumentan la salinidad del agua, lo cual es muy beneficioso cuando el agua debe someterse a un tratamiento posterior de desmineralización.



El floc producido a partir de polímeros catiónicos tiene mayor capacidad de penetración del medio filtrante, lo cual se traduce en carreras de filtración más prolongadas, con ahorro en el consumo de agua de lavado.

50



El floc producido a partir de polímeros es más denso, con mayor velocidad de sedimentación y soporta velocidades de agitación más intensas. Por todo esto disminuye los arrastres de flocs en sedimentadores.

5.5.1.5 FACTORES QUE AFECTAN LA COAGULACIÓN Los factores más importantes que afectan la coagulación son: 

NATURALEZA DEL COLOIDE

Las arcillas que forman los coloides no son del mismo tipo; alguna de sus propiedades físicas, como por ejemplo, la Superficie específica, hace que las dosis de coagulante sean diferentes. El Color es producido por coloides más finos que los de la turbiedad, y por consiguiente su remoción requiere un mayor consumo de coagulante. 

pH DEL AGUA

Para cada agua en particular existe un pH óptimo al cual la coagulación del coloide es máxima. Los rangos de pH del agua para la coagulación con Alumbre o Cloruro Férrico se indican a continuación, tanto para la remoción de turbiedad como para el color: TABLA: 5.1 rangos de PH del agua para la coagulación CARACTERISTICA Turbiedad Turbiedad Color Color

COAGULANTE Alumbre Cloruro Férrico Alumbre Cloruro Férrico

pH OPTIMO 6,5 – 7,5 5,5 – 8,5 5,0 – 6,5 3,7 – 4,2

FUENTE: Principios de Clarificación del Agua ANTONIO Gil B, QUIMICA NALCO DE COLOMBIA S.A

51



COMPOSICION QUIMICA DEL AGUA

La composición del agua facilita el tipo de mecanismo de coagulación. Ejemplo: Alta Alcalinidad y baja mezcla rápida favorecen la formación de Hidróxidos metálicos, que son coagulantes pobres. 

GRADIENTE DE VELOCIDAD O GRADO DE AGITACIÓN DEL AGUA. “G”

ES QUIZA EL FACTOR MÁS IMPORTANTE. Las reacciones de coagulación son muy rápidas (< 1 segundo) y por lo tanto hay que dispersar rápidamente el químico para evitar su desperdicio. 

TEMPERATURA DEL AGUA.

Las reacciones químicas se aceleran con un aumento de temperatura. El efecto es más crítico en floculación que en coagulación. 5.5.1.6 EQUIPOS DE COAGULACION O MEZCLA RAPIDA Los equipos donde se realiza la coagulación se denominan MEZCLADORES RAPIDOS (Flash Mixing). Su función es producir una coagulación homogénea, causada por una dispersión completa del coagulante. El factor más importante en el diseño de un mezclador rápido, es el gradiente de velocidad o grado de agitación del agua, G, desarrollado en el agua para producir la agitación, La mezcla rápida puede efectuarse mediante turbulencia, provocada por medios hidráulicos o mecánicos, tales como resaltos hidráulicos en canales, canaletas Parshall, vertederos rectangulares, tuberías de succión de bombas, mezcladores mecánicos en línea, rejillas difusoras, chorros químicos y tanques con equipo de mezcla rápida.

52

En los mezcladores Hidráulicos la mezcla es ejecutada como resultado de la turbulencia que existe en el régimen de flujo; en los mecánicos la mezcla es inducida a través de impulsores rotatorios del tipo de hélice o turbina. Los de hélice, semejantes a hélices de barco, generan corrientes axiales fuertes que crean gran intensidad de mezcla y se han usado para mezcla de alta velocidad con rotaciones hasta de 2.000 rpm. Los impulsores de paletas generan principalmente corrientes radiales y tangenciales, y son más usados en Floculación con velocidades rotacionales bajas, 2 a 150 rpm, debido a la mayor área expuesta al agua. El término turbina se aplica, a una gran variedad de formas de impulsores, generalmente consisten en varias aletas montadas verticalmente sobre una placa plana, aunque también se usan las de aletas curvas. La rotación se hace a velocidades moderadas y las corrientes generadas son principalmente de dirección radial y tangencial. Los impulsores de flujo radial descargan el líquido desde el impulsor, a lo largo de un radio, en ángulo recto con su eje; en los de flujo axial el líquido entra al impulsor y es descargado desde él, en forma paralela a su eje. Mezcladores rápidos mecánicos FIGURA 5.3 Mezcladores rápidos mecánicos

.

53

Fuente: Romero Rojas. Jairo Alberto. PURIFICACION DEL AGUA

FIGURA 5.4 Mezcladores rápidos mecánicos

Fuente: Romero Rojas. Jairo Alberto. PURIFICACION DEL AGUA

54

5.5.2 ETAPA DE FLOCULACION La Floculación se define como el proceso de aglomeración de partículas previamente coaguladas para formar partículas más grandes llamadas FLOCS. Es un fenómeno de transporte de partículas que se produce por la agitación suave del agua. 5.5.2.1 MECANISMOS RESPONSABLES DE LA FLOCULACION A continuación se describen los mecanismos que explican el porque las partículas se aglomeran o floculan: 

ATRACCION POR FUERZAS DE VAN DER WALL. Por medio de este mecanismo, las partículas, que poseen el movimiento Browniano, se sienten atraídas por otras partículas, con las que chocan y se aglomeran, después de ser coaguladas-

FIGURA 5.9 atracción de fuerzas

FUENTE: Principios de Clarificación del Agua ANTONIO Gil B, QUIMICA NALCO DE COLOMBIA S.A

55



PUENTE DE HIDROGENO En este caso las moléculas polares del agua, adheridas a las partículas, ejercen fuerzas de atracción debidas al puente de Hidrógeno. Figura: 5.10 puente de hidrogeno

FUENTE: Principios de Clarificación del Agua ANTONIO Gil B, QUIMICA NALCO DE COLOMBIA S.A

56



PUENTE QUIMICO. La floculación por Puente Químico, se presenta cuando se usan polímeros como Coagulantes, como ayudantes de Coagulación o como Floculantes. Este mecanismo se explicó previamente.

Figura 5.11 mecanismo de puente químico.

FUENTE: Principios de Clarificación del Agua ANTONIO Gil B, QUIMICA NALCO DE COLOMBIA S.A



ATRAPAMIENTO En este mecanismo las partículas son atrapadas en la red del Floc producido por Hidróxidos metálicos. Este también se conoce como “Barrido”.

57

Figura 5.12 mecanismo de puente químico.

FUENTE: Principios de Clarificación del Agua ANTONIO Gil B, QUIMICA NALCO DE COLOMBIA S.A

5.5.2.2 RATA DE FLOCULACION La rata de floculación o aglomeración de partículas, está dada por la siguiente ecuación: N = 1/6 n1n2 (d1d2) G Donde: N = Frecuencia de choques n1 = Número de partículas con diámetro d1 n2 = Número de partículas con diámetro d2 d1 = Diámetro de partículas n1 d2 = Diámetro de partículas n2 G = Gradiente de velocidad o grado de agitación del agua. La anterior ecuación indica que la rata de Floculación depende de:   

Número de partículas por unidad de volumen, o sea de la turbiedad del agua cruda ( n1n2 ) Tamaño o volumen de las partículas coloidales ( d 1d2 ) Intensidad de la mezcla (G). 58

Esta ecuación explica los siguientes hechos:   

Aguas Turbias (alto n1n2), floculan más rápido que aguas claras bajo (n1n2). Coloides grandes, presentes en aguas turbias, floculan más rápido que coloides pequeños, presentes en aguas con color. Para condiciones iguales de n1n2 y d1d2, es decir para igual turbiedad y color, a medida que la agitación, G se hace más intensa, se acelera la floculación, hasta su valor óptimo.

5.5.2.3 FACTORES QUE AFECTAN LA FLOCULACION Los siguientes son los factores que afectan la velocidad de floculación: 

GRADIENTE DE VELOCIDAD O GRADO DE AGITACION DEL AGUA, G.

Como lo indica la siguiente gráfica, la velocidad de floculación es directamente proporcional al gradiente de velocidad o grado de agitación del agua, hasta un valor óptimo. 

TIEMPO DE AGITACION

Se requiere un tiempo mínimo para lograr la aglomeración de partículas. Existe también un tiempo máximo, después del cual se rompe el Floc. Para un valor dado de G existe también un tiempo de floculación óptimo. G y t dependen uno del otro, por lo que se prefiere hablar del parámetro Gt. 

COMPOSICION QUIMICA DEL FLOC.

La composición química del floc es muy importante. El floc de color es débil, quebradizo y flocula muy lentamente. El floc de turbiedad es fuerte y flocula relativamente rápido. Flocs hechos con polímeros de bajo peso molecular floculan más rápido que los formados con polímeros de alto peso molecular-

59



TIPO DE COAGULANTE USADO

Flocs producidos con polímeros catiónicos soportan agitaciones más intensas y tiempos de floculación prolongados, comparados con los producidos con sales inorgánicas. 

ADICION O NO DE POLIMEROS AYUDANTES DE FLOCULACION.

Los polímeros ayudantes de floculación aceleran la etapa de floculación, requiriéndose así menos tiempo para ésta.  VISCOSIDAD DEL AGUA. Aguas frías requieren mayor potencia para desarrollar la misma agitación, por cuanto a menor temperatura mayor viscosidad del agua. G = P/U La anterior ecuación indica que la rata de agitación disminuye con la temperatura para una misma potencia consumida. 

PRESENCIA O NO DE CORTOCIRCUITOS HIDRAULICOS.

Los cortocircuitos hidráulicos disminuyen la eficiencia de la floculación, debido a variaciones en tiempo de residencia. 

NUMERO DE COMPARTIMIENTOS EN FLOCULADORES.-

A mayor número de compartimientos en los floculadores hidráulicos, más eficiente es la floculación, por disminución en los cortocircuitos hidráulicos. 5.5.2.4 AYUDANTES DE FLOCULACION ORGANICOS (POLIMEROS) Los ayudantes de floculación orgánicos son productos que facilitan y aceleran la aglomeración de flocs finos en flocs granulados y pesados de rápida sedimentación, dado su alto peso molecular.

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El mayor beneficio derivado de los polímeros ayudantes de floculación es el gran aumento en el tamaño del floc, debido a que su alto peso molecular hace más eficiente y efectivo el mecanismo de puente. Esto contrasta con los polímeros cationicos de bajo peso molecular, los cuales funcionan como coagulantes primarios. Los ayudantes de floculación no funcionan normalmente como coagulantes primarios, excepto en casos donde la carga eléctrica es baja. Los ayudantes de floculación pueden ser catiónicos, aniónicos o no iónicos. Las reacciones de los polímeros ayudantes de floculación son muy rápidas, el 85% del polímero se absorbe dentro de los 10 segundos aproximadamente, y el 15% adicional es absorbido después de un contacto más prolongado. Con esto en mente, es evidente porque hay que diluir al máximo las soluciones de estos polímeros para que se distribuyan muy bien en el medio a flocular, Generalmente estos se diluyen al 0,02% o menos, antes del punto de aplicación. Estos polímeros dan lugar a reacciones reversibles, es decir, si se rompe el floc, los segmentos de la molécula del polímero pueden hacer una floculación secundaria. En contraste, los flocs producidos a partir de sales metálicas son quebradizos, livianos y no floculan una vez se han roto. La dosis de floculante, generalmente está en el rango de 0.05 a 1.00 ppm y deen aplicarse en sitios donde exista turbulencia máxima, por esta razón se aplican en la etapa de coagulación. No debe aplicarse en los floculadores, por cuanto allí no existe una agitación adecuada para la distribución del producto. Los Polímeros ayudantes de floculación tienen gran aplicación en las siguientes situaciones: 

Como complemento del Alumbre, en aguas de baja turbiedad, para acelerar la floculación, dar más peso al floc y aumentar la sedimentación.



Como complemento del Alumbre, en la remoción del color, para acelerar la floculación, hacer el floc más fuerte y de mayor penetración en filtros.



Donde quiera que haya problemas de floculación debido a tiempos de residencia muy cortos, cortocircuitos hidráulicos, mala operación de floculadores, etc.

61



Para aumentar capacidad de tratamiento, si otras etapas de este lo permiten hidráulicamente.



Para disminuir el arrastre de flocs en sedimentadores.

5.5.2.5 EQUIPOS DE FLOCULACION O DE MEZCLA LENTA Básicamente existen dos tipos de floculadores o mezcladores lentos:  

Mezcladores lentos de Agitación mecánica Mezcladores lentos de agitación Hidráulica.

FIGURA: 5.13 floculadores mecánicos

Fuente: Romero Rojas. Jairo Alberto. PURIFICACION DEL AGUA

La eficiencia de estos equipos depende del número de compartimientos que tenga la unidad; en unidades de un solo compartimiento se presentan cortocircuitos hidráulicos. En estas unidades es ventajoso que los agitadores sean de velocidad variable para poder variar la intensidad de agitación, G; pero presentan la gran desventaja del alto consumo de energía.

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

FLOCULADORES HIDRAULICOS

Estos floculadores son excelentes para evitar cortocircuitos hidráulicos ya que disponen de un gran número de compartimientos y tienen la ventaja de que no poseen partes mecánicas y en consecuencia el consumo de energía es bajo y su mantenimiento es mínimo y su gran desventaja consiste en que el grado de agitación, G, es función del flujo del agua que pasa a través de la unidad. Figura 5.14 Floculador hidráulico de tabiques con flujo horizontal

Fuente: Romero Rojas. Jairo Alberto. PURIFICACION DEL AGUA

5.5.3 ETAPA DE SEDIMENTACION Después que el agua ha sido coagulada y floculada, la etapa siguiente es la separación de los sólidos o partículas, del medio en el cual están suspendidas, Esto se puede conseguir po sedimentación y filtración del agua. La sedimentación y la filtración deben entonces considerarse como procesos complementarios.

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La sedimentación realiza la separación de los sólidos más densos que el agua, y que tienen una velocidad de caída relativamente rápida. La filtración en cambio, separa aquellos sólidos que tienen una densidad muy cercana a la del agua, o que no han sido removidos en el proceso anterior de sedimentación. 5.5.3.1 TIPOS DE SEDIMENTACION. Dependiendo de las características y concentración de las partículas a separar en una suspensión, la sedimentación puede ser de dos tipos, a saber: 

SEDIMENTACION DE PARTICULAS DISCRETAS Es aquella en que los sólidos o partículas no cambian de densidad, tamaño o forma al descender en el líquido. Es decir es la sedimentación de suspensiones diluidas de partículas que no tienen tendencia a flocular. En este tipo de sedimentación el parámetro más importante es el área del sedimentador. Ejemplo de este tipo de sedimentación es la presedimentación de agua cruda, por baja turbiedad.



SEDIMENTACION DE PARTICULAS AGLOMERABLES O FLOCULABLES. Es aquella en que los sólidos, al descender en el líquido, se pegan o aglomeran entre si, cambiando de tamaño, forma y peso específico durante la caída. Este es el tipo de sedimentación que se presenta en los procesos normales de clarificación, donde el agua es sometida a las etapas de coagulación-floculación antes de pasar a la etapa de sedimentación.

5.5.3.2 CLASIFICACION DE LOS SEDIMENTADORES Los sedimentadores se clasifican: Según la dirección del flujo y según la carga hidráulica. Según la dirección del flujo, estos pueden ser:  De Flujo horizontal, Convencionales o Rectangulares.  De Flujo vertical, Compactos o Circulares

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Según la Carga Hidráulica, estos pueden ser:  

De Baja Velocidad de Separación. De Alta Velocidad de Separación, también conocidos como de Placas, de Pantallas o de Celdas.

5.5.3.3 SEDIMENTADORES DE FLUJO HORIZONTAL La Sedimentación con Flujo Horizontal se hace en tanques rectangulares en los cuales la masa líquida se traslada de un punto a otro con una velocidad Vs. En un sedimentador horizontal se puede considerar que existen cuatro (4) Zonas Hipotéticas, como se indica en la Figura Nº 5.15

Figura 5.15 sedimentador de flujo horizontal

FUENTE: Principios de Clarificación del Agua ANTONIO Gil B, QUIMICA NALCO DE COLOMBIA S.A

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ZONA DE ENTRADA: Evita la entrada brusca del agua floculada a la zona de sedimentación. Distribuye mejor el agua en toda el área transversal del sedimentador. ZONA DE SALIDA: Evita los cambios bruscos del flujo, de la zona de sedimentación a las canaletas de recolección de agua sedimentada. Distribuye uniformemente la salida del agua sedimentada, disminuyendo el fenómeno de arrastre de floc. ZONA DE LODOS: Recibe el material sedimentado y evita que los lodos interfieran con la sedimentación de las partículas en la zona de sedimentación. ZONA DE SEDIMENTACION: Es la zona donde propiamente dicho las partículas sedimentan libre de la interferencia de las otras zonas. En el sedimentador hipotético presentado en la Fig. Nº 5.15 se ha establecido que una partícula queda removida del agua cuando llega a la zona de lodos. Igualmente, una partícula queda removida del agua, cuando tiene una velocidad de caída, Vsc tal que, si entra a la zona de sedimentación a una altura igual a la de la superficie del agua, sale de ella cuando la capa o lámina de agua que la transportaba pasa de la zona de sedimentación a la zona de salida ( línea A-B de la Fig. Nº ). Esta partícula recibe el nombre de partícula Crítica. Por definición, el tiempo en el cual la partícula crítica llega al fondo, es igual al tiempo teórico de retención, to. to = V/Q En donde: V: volumen del sedimentador Q: Caudal de tratamiento. Si A es el área superficial del tanque y h su altura, tenemos: to = Ah/Q = ___h_____ = ______h_____ Q/A Vsc

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Vsc = h/to = _____h_____ = A h/Q

Q/A

La relación Q/A se denomina carga superficial o Carga Hidráulica del sedimentador y es el parámetro más crítico en la operación de la unidad. La carga superficial de un sedimentador depende, entre otros, del tipo de unidad: TIPO DE UNIDAD Horizontales Verticales Unidades con placas

CARGA SUPERFICIAL. ( m3/día m2 ) 15 - 30 30 - 60 60 - 180.

5.5.3.4 SEDIMENTADORES DE FLUJO VERTICAL Llamados también sedimentadores Circulares o compactos, En estos sedimentadores, las etapas de mezcla rápida, floculación y sedimentación se realizan en la misma unidad. Existen dos tipos generales de sedimentadores de flujo vertical:  Los Clarificadores con manto o colchón de lodos, y  Los Clarificadores con recirculación de lodos. 

CLARIFICADORES CON MANTO O COLCHON DE LODOS

En este tipo de clarificadores el agua cruda y el coagulante se mezclan en una zona central de reacción, mediante agitación mecánica o hidráulica, y finalmente se hace pasar a través de un colchón o manto de lodos formado previamente. Al fluir el agua en forma ascendente a través del manto de lodos, las partículas finas o micro-flocs, recientemente coaguladas, se aglomeran al floc existente, formando más lodo. El manto de lodos que contiene los precipitados formados por acción de los coagulantes se mantiene suspendido por agitación mecánica y acción hidráulica. En una unidad operada correctamente, es posible ver la línea de demarcación donde termina la superficie superior del colchón o manto de los lodos.

67



CLARIFICADORES CON RECIRCULACION DE LODOS

Como su nombre lo indica, en estas unidades un volumen controlado de lodos se recircula desde la parte exterior de la zona de sedimentación, hasta la zona central de reacción. Como resultado de esta recirculación, siempre se mantiene una cierta concentración de lodos en la zona de reacción, los cuales actúan como “semilla” para aglutinar los flocs finos recién formados. En este tipo de unidades no son críticas las fluctuaciones en la turbiedad del agua cruda, ya que siempre se trata de mantener un cierto contenido de sólidos suspendidos o lodos en la zona de reacción. El diseño usualmente permite operaciones a ratas de tratamiento más altas que en unidades que no tienen recirculación de lodos.

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CAPITULO

6

PROCESO DE FILTRACION

6.1 GENERALIDADES El objetivo básico de la Filtración es remover las partículas y microorganismos que no han sido removidos en la etapa de sedimentación del proceso de clarificación. Este proceso se lleva a cabo haciendo pasar el agua a través de un medio poroso llamado medio o Lecho Filtrante. La rata a la cual el agua pasa a través del medio filtrante es la rata de Filtración y se expresa en m 3/día/m2. 6.2 MEDIO FILTRANTE El medio filtrante usado en plantas de tratamiento de agua está constituido por: Arena Silícea, Antracita, Carbón Activado o una combinación de dichos materiales. El medio más comúnmente usado en la filtración de agua municipal es la Arena Silícea. Las dos características básicas de un medio filtrante son: El tamaño efectivo, Te, y el coeficiente de uniformidad, Cu, (que en realidad es de desuniformidad, ya que su valor se aumenta a medida que el grano es menos uniforme). El Coeficiente de Uniformidad es la razón del 60% al 10% así: Apertura del tamiz que dejará pasar el 60%, mm Cu = __________________________________________ Apertura del tamiz que dejará pasar el 10%, mm. El Tamaño Efectivo es la apertura del tamiz que dejará pasar el 10%, mm. Ejemplo: Si al tamizar una arena se encuentra que el 10% pasó el tamiz con apertura de 0,5 mm y el 60% pasó el tamiz con apertura de 0,8 mm, el Coeficiente de Uniformidad y el tamaño efectivo serán: Cu = 0,8 mm/ 0,5 mm = 1,6 Te = 0,5 mm.

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6.3 TIPOS DE FILTROS Los Filtros pueden clasificarse en función de Medio Filtrante, de la Rata de Filtración, del Tipo de Construcción y del Tipo de operación. 6.2.1 SEGÚN EL MEDIO FILTRANTE. Según el medio filtrante los filtros pueden ser:     

Filtros de Arena Filtros de Antracita Filtros de Carbón Activado (C.A.) Filtros de Lecho Doble. (Arena-Antracita, Arena- C.A., Antracita- C.A. ) Filtros de Lecho Mezclado (Arena-Antracita-Carbón Activado).

6.3.2 SEGÚN LA RATA DE FILTRACION Según la rata de filtración las unidades pueden ser: Filtros Lentos de Arena y Filtros Rápidos (de arena, antracita o carbón activado). 

FILTROS LENTOS DE ARENA Fueron los primeros tipos de filtros. Están limitados a turbiedades promedio de 10 NTU y máxima de 30 NTU. Hacen uso de lechos del orden de 2.000 m 2, con espesores de lecho de 85 cm y arena fina con tamaño efectivo de 0,25 a 0,35 mm. La rata de filtración está en el rango de 0,93 a 9,3 m 3/día/m2, siendo la más representativa 2,8 m3/día/m2. La carrera del filtro entre limpiezas dura entre 20 y 60 días. La limpieza del filtro se realiza retirando la capa superficial de arena, donde se acumula la casi totalidad de los sólidos removidos del agua.



FILTROS RAPIDOS Este tipo de filtro es el de uso actual en las plantas de abastecimiento de agua municipal. El resto de la discusión que se sigue será sobre filtros rápidos.

71

6.3.3 SEGÚN EL TIPO DE CONSTRUCCION Según el tipo de construcción los filtros pueden ser: 

FILTROS A PRESION Son aquellos donde la unidad es de Acero, cerrada y opera con agua bajo presión. Figura: 6.1 filtro a presión

Fuente: Romero Rojas. Jairo Alberto. PURIFICACION DEL AGUA.

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

FILTROS A GRAVEDAD Son aquellos construidos en concreto y abiertos a la atmósfera, es decir operan a gravedad. Este tipo es el que tiene aplicación en la producción de grandes volúmenes de agua. Figura: 6.2 filtro por gravedad

Fuente: Romero Rojas. Jairo Alberto. PURIFICACION DEL AGUA.

6.3.4 SEGÚN EL TIPO DE OPERACIÓN Según el tipo de operación los filtros pueden ser: de Rata Constante o de Rata Declinante. 

FILTROS DE RATA CONSTANTE

En estos filtros la rata de filtración se mantiene constante durante toda la carrera del filtro, abriendo la válvula del efluente a medida que la unidad se va colmatando y consecuentemente disminuyendo la velocidad de filtración.

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

FILTROS DE RATA DECLINANTE

En estos filtros la unidad inicialmente, cuando el medio filtrante está limpio, opera con una alta velocidad de filtración, y se deja que la rata de filtración vaya disminuyendo al tiempo que la unidad se va colmatando. 6.3 PRINCIPALES MECANISMOS DE LA FILTRACION Los mecanismos que tienen que ver con la remoción de los sólidos suspendidos, en el filtro, son muy complejos. Los mecanismos dominantes dependen de las características físicas y químicas de los sólidos suspendidos, del medio filtrante, de la rata de filtración y de las características químicas del agua. En filtros de lecho granular, la remoción se lleva acabo dentro del lecho filtrante, y se refiere como Filtración de Profundidad. Algunos sólidos pueden ser removidos por un simple fenómeno de cernido entre los intersticios de los granos del medio filtrante. La remoción de otros sólidos, particularmente los más pequeños depende de dos mecanismos: Primero, un mecanismo de transporte que debe traer las partículas pequeñas desde la masa de fluido que está entre los intersticios hasta la superficie de los granos. Segundo, cuando las partículas se acercan a la superficie del medio filtrante, o a sólidos previamente depositados, se requiere un mecanismo de adhesión O unión que retenga la partícula. El mecanismo de unión puede ser por interacción electrostática, puente químico, o adsorción; los cuales están afectados por el tipo de coagulante aplicado en el tratamiento y las características químicas del agua y el medio filtrante. En los filtros de lecho granular la remoción es el resultado de una combinación de los anteriores mecanismos. Tanto la remoción superficial como la remoción dentro del lecho filtrante pueden tener lugar simultáneamente.

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Durante la filtración en unidades de lecho profundo, el sedimento o sólidos suspendidos se almacenan en el medio. Estas partículas se mantienen en el filtro en equilibrio con las fuerzas hidráulicas de deslizamiento que tienden a desprenderlas y llevarlas a las capas más profundas del filtro. A medida que estos depósitos se acumulan, la velocidad a través de las capas superiores, que casi están colmatadas, se aumenta y entonces estas capas vienen a ser menos efectivas para la remoción. Así, la carga de remoción se va haciendo cada vez más profunda en el lecho. Finalmente, sólo queda una capa de lecho limpia que no es suficiente para producir la calidad de agua deseada, y entonces debe terminar la Carrera del Filtro. 6.5 OPERACIÓN Y LAVADO DEL FILTRO El tipo de filtro más común para el tratamiento de agua es el Filtro por Gravedad. Su operación va produciendo el Agua Filtrada por medio de los mecanismos expuestos hasta finalizar la CARRERA DEL FILTRO, momento en el cual el filtro debe sacarse de servicio para realizar su lavado. Al quedar retenidas las partículas en el lecho del filtro este comienza a COLMATARSE (ensuciarse) y la caída de presión a través de la unidad aumenta. En la filtración por gravedad esta caída de presión se expresa en pérdida de cabeza, pies o metros de agua. Cuando la pérdida de carga alcanza un cierto nivel (usualmente 6 a10 pies), el filtro debe LAVARSE. Este lavado que realmente es un RETROLAVADO se hace invirtiendo el flujo de agua a una rata mayor que la rata de filtración, de manera que el lecho filtrante se expanda entre un 15% y un 25%. En esta forma los flocs acumulados se desprenden de los granos del medio, reduciéndose la condición que causa la pérdida de carga. Típicamente, el filtro se lava hasta cuando el agua que se descarga a la alcantarilla sale clara. Esto toma alrededor de 8 a 15 minutos. Para el lavado se usa agua filtrada. Después del contra lavado se comienza nuevamente el ciclo de filtración.

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6.6 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA FILTRACION Los factores más importantes que influyen en la filtración son: 

MEDIO FILTRANTE

Entre más fino sea el grano del medio filtrante, mayor será la eficiencia de remoción en el filtro. Generalmente, un medio Doble o mezclado es más eficiente que un medio sencillo. 

VELOCIDAD DE FILTRACION

La eficiencia de filtración es inversamente proporcional a la rata o velocidad de filtración, ya que la posibilidad de que el floc pase a través del medio filtrante, aumenta. 

TIPO DE SUSPENSION

El volumen, densidad y tamaño del floc se relacionan en varias formas con la rapidez con que aumenta la pérdida de carga en el filtro. El tamaño de las partículas influyen en el mecanismo que predomina en la remoción del material suspendido. Las característica químicas se relacionan al pH y potencial Zeta. El potencial Zeta es función del pH y en consecuencia éste hace que hayan variaciones en el tipo e intensidad de carga que tenga el floc que se va a filtrar, como también el medio filtrante. 

TEMPERATURA

La literatura a este respecto señala que a temperaturas bajas se obtiene menor pérdida de carga, debido probablemente, a una remoción de floc más lenta a menor temperatura.  DUREZA DEL FLOC Es la capacidad que tiene el floc de quedar retenido después de cierto tiempo de operación del filtro, o de salir prematuramente en el agua filtrada. La adición de polímeros de alto peso molecular endurece el floc, mejorando la calidad del agua filtrada, aun con unidades operando a altas ratas de filtración, pero en cambio aumentan la pérdida de carga.

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6.7 FILTROS CON MEDIO O LECHO SENCILLO El filtro de lecho sencillo más empleado es el de Arena. La antracita también se usa como lecho sencillo en algunos casos. Cuando el lecho sencillo de un filtro se retrolava, las partículas se clasifican hidráulicamente, con las más grandes en la parte de abajo y las más pequeñas encima. Como resultado de la filtración, la mayoría del material suspendido en el agua se remueve en la superficie del lecho o cerca de ella. Solamente una pequeña parte del total de poros del lecho son usados en almacenar partículas, y por ello la pérdida de carga aumenta rápidamente. La mitad superior del lecho de un filtro rápido de Arena tiene poco trabajo o este es nulo. 6.8 FILTROS CON MEDIOS O LECHOS DOBLES Un filtro ideal debería ser lo contrario de un filtro de Arena, es decir, debería tener el material más grueso arriba y el más fino abajo. En esta forma el tamaño del grano y el espacio entre poros viene a ser uniformemente graduado de grueso a fino, de arriba hacia abajo. El diseño de un filtro de lecho doble es un esfuerzo para lograr esta configuración. Usualmente los materiales son Arena y Antracita. Los filtros con lecho doble tienen generalmente un lecho de 30 pulgadas (76,2 cm.) de espesor, con la Antracita encima de la Arena. El espesor de la capa de Antracita, es mayor que el de la Arena. Aunque en el contra lavado se presenta alguna mezcla de Arena y Antracita, en la zona de separación, en general la Antracita permanece arriba de la Arena, debido a la diferencia de sus densidades. El propósito es entonces mantener el material más grueso, con espacio pero más grande, arriba del lecho, para tener mayor capacidad de almacenamiento del floc. Los filtros con medio doble tienen algunas ventajas sobre los filtros de Arena. Los primeros pueden operar a ratas de filtración más altas, el volumen de agua filtrada entre contra lavados es mayor y la calidad del agua filtrada puede mejorarse.

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6.9 FILTROS CON MEDIOS O LECHOS MEZCLADOS El lecho de medios mezclados está compuesto de tres (3) o más materiales de diferente gravedad específica, generalmente Arena-Antracita-Carbón Activado. Estos materiales se seleccionan de tal manera que el lecho final quede graduado con granos de tamaño efectivo de 1 a 2 mm arriba y de 0,5 mm abajo. La tabla 6.1 muestra el diseño típico de medios filtrantes. TABLA 6.1 DISEÑO TIPICO DE MEDIOS FILTRANTES Tamaño Efectivo Espesor Rata de retrolavado Mm pulg. Gpm/pie2 Medio sencillo Arena

0,4 - 1,0

23 – 30

Medio Doble Arena Antracita

0,35 1,0 – 1,5

12 18

Medio Mezclado Antracita Arena C.A.

1,0 – 1,1 0,42 – 0,48 0,21 – 0,23

18 - 20 9 – 10 3–4

15 - 20 15 – 17

15 -17

78

CAPITULO

7

PROCESO DE DESINFECCION

7.1 ORIGEN DE LA DESINFECCION DEL AGUA La desinfección del agua ha sido practicada hace muchísimos años, aunque inicialmente no muy entendida. Los record históricos señalan que el hervir el agua es una práctica recomendada desde el año 500 A. de C. Clásicamente, la desinfección se ha practicado con el propósito de destruir o inactivar organismos causantes de enfermedades u organismos patógenos, más particularmente bacterias de tipo intestinal. Aunque la desinfección del agua tiene como finalidad la destrucción o desactivación de organismos patógenos y otro tipo de organismos de significado sanitario, ella no necesariamente implica la destrucción completa de todos los organismos vivos, es decir no esteriliza. Entre las enfermedades más comunes transmitidas por la vía del agua tenemos: Fiebre tifoidea, fiebre paratifoidea, Disentería bacilar, disentería amebicida, cólera y hepatitis infecciosa. 7.2 METODOS DE DESINFECCION La desinfección del agua puede realizarse de varias formas. Excluyendo los procesos de tratamiento del agua (tales como clarificación, filtración, etc.) que remueven parcialmente microorganismos patógenos; los métodos más comunes y específicos de desinfección incluyen:    

Calentamiento hasta ebullición del agua Irradiación con luz ultravioleta (UV) Aplicación de metales, tales como plata (Ag). Aplicación de agentes oxidantes, tales como Halógenos (Flúor, Cloro, Bromo, Yodo), ozono y otros.

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Entre todos los anteriores métodos de desinfección, el Cloro es el más ampliamente usado en el tratamiento de agua de abastecimiento público, debido a su fácil consecución y su gran efectividad desinfectante. 7.3 CLORACION El uso del Cloro como desinfectante del agua se remonta a 1.896, cuando se usó a manera experimental, en estudios de filtración en LOUSVILLE (USA). Posteriormente se usó, también en base experimental, en Inglaterra en 1.897, para desinfectar el sistema de distribución, después de una epidemia de Tifo. El primer uso continuo de Cloro se hizo en Bélgica, a comienzos de 1.902, con el doble propósito de ayudar a la coagulación de hacer el agua biológicamente “segura”. En los Estados Unidos de América, la primera aplicación continua de Cloro se hizo en 1.908 en la planta de New Jersey. A temperatura y presión normales, el Cloro existe como un gas. Sin embargo, puede ser fácilmente comprimido hasta un punto donde se licúa. Esto es ventajoso, ya que en esta forma puede comprarse y transportarse en recipientes de acero. El Cloro es dos y media veces más pesado que el aire, es de color amarillo verdoso, altamente irritante y de olor penetrante. No es corrosivo cuando está seco, pero es extremadamente corrosivo a los metales comunes en presencia de humedad. Además del Cloro, como elemento puro, otros productos derivados del cloro se usan como desinfectantes, especialmente en sistemas de abastecimiento de agua pequeños. Entre este tipo de productos tenemos el Hipoclorito de Sodio (NaOCl), el cual es suministrado comercialmente solamente en forma de solución que contiene entre el 5% y el 15% de Cloro disponible y el Hipoclorito de Calcio (CaOCl2), producto sólido que generalmente contienen alrededor del 70% de Cloro disponible

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7.3.1 DEMANDA DE CLORO Cuando se aplica suficiente Cloro al agua, inicialmente reacciona con la sustancia reductora, posteriormente reacciona con la materia orgánica y Nitrógeno orgánico para formar compuestos Cloro orgánicos. Estos no tienen ninguna acción desinfectante y pueden causar olores y sabores. Si se aplica suficiente Cloro para que reaccione con todos los compuestos reductores y materia orgánica, un poco más de Cloro reaccionará con cualquier Amoníaco que pueda estar presente en el agua para formar Cloro aminas. Cuando las reacciones anteriores se han completado, cualquier Cloro adicional que se aplique Estará presente como “Cloro Residual Libre Disponible”, el cual como hemos visto es un agente desinfectante muy activo. La Figura 7.1 es una presentación gráfica de las reacciones de Cloro en agua; tal curva se llama “La curva de Demanda de Cloro”. Figura 7.1 curva de demanda de cloro

FUENTE: http://tierra.rediris.es/hidrored/ebooks/ripda/jpg/cap_14/fig02.jpg

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La cantidad de sustancias reductoras, materia orgánica y Amoníaco varía con el tipo de agua y aún varía con la época del año para la misma agua. Consecuentemente la cantidad de Cloro que debe aplicarse al agua, también varía. La cantidad de Cloro consumida por las sustancias reductoras y la materia orgánica se define como la Demanda de Cloro. Cuantitativamente definida la demanda de Cloro es igual a la cantidad de Cloro aplicada menos la cantidad que está presente después de un período de reacción (generalmente 10 minutos) medido mediante el ensayo de Ortotolidina. La cantidad de Cloro que permanece después de un cierto tiempo escogido de reacción se define como Cloro Residual y se expresa en ppm. Como se ha visto el Cloro Residual puede existir como Clora mina en cuyo caso se llama “Cloro Combinado Disponible”, o como Cloro libre, en cuyo caso se llama “Cloro Residual Libre Disponible”. También puede presentarse tanto combinado como libre, en cuyo caso se llama “Cloro Residual Total Disponible”. En la práctica, en las plantas de tratamiento debe mantenerse CLORO RESIDUAL LIBRE en el agua tratada. 7.3.2 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CLORACION A continuación se presentan los factores más importantes que tienen influencia en el residual de Cloro deseado: 

TIEMPO DE CONTACTO. CONCENTRACION

Estos dos factores se relacionan mutuamente y se refieren al tiempo de reacción disponible para la desinfección y a la cantidad y tipo de Cloro Residual. Así por ejemplo, Cloro combinado por ser un desinfectante más débil requiere de una mayor concentración y que actúe por un tiempo largo. Un residual de Cloro libre, por otra parte, por ser un desinfectante más fuerte, requiere de menor concentración y menor tiempo de contacto.

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

TEMPERATURA

La temperatura del agua afecta sobremanera la acción desinfectante del Cloro Residual. A temperaturas más bajas la destrucción de las bacterias decrece y se necesitan residuales de Cloro más altos. 

pH

Como se mencionó antes, el pH del agua afecta la acción desinfectante del Cloro. A pH de 6.5 y una temperatura de 21º C, 0,3 ppm de Cloro Residual Combinado destruye el 100% de las bacterias. A la misma temperatura y a pH de 7.0, el Residual Combinado debe aumentarse a 0,6 ppm; y a pH de 8.5 a 1,2 ppm para tener el mismo grado de destrucción de las bacterias. 7.3.3 RECOMENDACIONES DE CLORACION Recomendaciones de concentraciones mínimas de Cloro Residual Libre vs Cloro Residual Combinado para asegurar una desinfección efectiva (1). Valor del pH

6.0 7.0 8.0 9.0 10.0

Concentración Mínima de Cloro libre período de Desinfección de 10 minutos Mínimo. 0.2 0.2 0.4 0.8 0.8

Concentración de Cloro Combinado, período de desinfección de 10 minutos Mínimo. 1.0 1.5 1.8 No aplicable No aplicable.

(1) “Manual of Instruction for Water Treatment Plant Operators” New York State Department. Pag.165-

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7.4 FLUORURACION 7.4.1 GENERALIDADES La aplicación de Flúor a las aguas de suministro público con el objeto de prevenir las caries dentales en los consumidores es una práctica establecida en muchos países. Pocas medidas de salud pública han sido causa de discusiones acaloradas como la Fluorización del agua. La decisión de fluorizar o no fluorizar el agua la toman las entidades gubernamentales de la localidad, y así la responsabilidad del operador de la planta de tratamiento radica sólo en llevar a cabo tal aplicación, de acuerdo a las normas que se establezcan. A continuación se presentan los efectos fisiológicos de los Fluoruros:    

En concentraciones adecuadas reduce las caries dentales En concentraciones mayores a las indicadas (0.6 a 1.2 ppm) produce manchas en el esmalte dental, especialmente en la población infantil. Es tóxico en concentraciones excesivas La concentración óptima de Fluoruro depende de la temperatura del ambiente, ya que de ésta depende la cantidad de agua que se toma

7.4.2 FLUORUROS Existen varios compuestos que cuando se disuelven en agua liberan el ión Fluoruro (F-). Los más comúnmente usados en el tratamiento del agua son: Fluoruro de Sodio. ( NaF) Silicofluoruro de Sodio ( Na2SiF6) Silicofluoruro de Amonio ( NH4)4SiF6 Acido Fluorosilícico (H2SiF6) Fluoruro de Calcio CaF2. Todos estos productos, excepto el ácido Fluorosilícico se suministran en bolsas en forma de cristales o pulverizados.

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El producto de mayor uso es el Silicofluoruro de Sodio. Este producto es un polvo blanco, inodoro, no higroscópico y de fácil fluidez. La pureza del producto comercial es de alrededor del 98%. La solución concentrada contiene alrededor de 0,8 gramos de producto por 100 gramos de agua a 25º C, y tiene un pH de 3,5, aproximadamente, siendo corrosivo. El Silicofluoruro de Sodio se prefiere como fuente de fluoruro para agua potable ante todo por ser un producto de bajo costo, su dosificación se hace mediante dosificadores tipo seco.

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CONTROL DE LA CORROSION Y AJUSTE DE pH

8.1 CONCEPTO DE CORROSION Uno de los propósitos del suministro de agua es la producción de agua tratada que no sea ni corrosiva, es decir, agua que no cause el deterioro de los metales en la red de distribución o tuberías domésticas o produzca “agua roja”, ni incrustante (producción de costras o incrustaciones en las tuberías) que reduzcan el diámetro de las tuberías, reduciendo así su capacidad de flujo. Dado que muchas aguas naturales y aguas tratadas son corrosivas, la prevención de la corrosión es a menudo una etapa necesaria en el suministro de agua. Se dice que un agua es corrosiva a un metal, si disuelve el metal o suministra sustancias que reaccionen con él en la interface metal agua. La corrosión típica del hierro está caracterizada por el llamado pitting o picadura del metal, la cual resulta de la disolución del hierro, y la llamada tuberculación, o deposición del Hidróxido férrico (producto resultante de la disolución del hierro en agua) y otros productos de la reacción. El “agua roja” es otro resultado común de la corrosión del hierro. La disolución gradual del metal puede debilitarlo hasta el punto de causar la destrucción del mismo; la tuberculación reduce la capacidad hidráulica de la tubería. La corrosión es un proceso electroquímico, es decir, depende de reacciones químicas y del flujo de la corriente eléctrica que generan las reacciones de corrosión. Esencialmente la corrosión tiene lugar en tres etapas: 

 

Los átomos del metal en contacto con el agua se ionizan quedando los iones en el agua y dejando un exceso de electrones (partículas cargadas negativamente y que forman parte de los átomos) sobre la superficie del metal, en una pequeña área que recibe el nombre de ANODO. Estos electrones fluyen a través del metal hacia otra pequeña área sobre el metal llamada CATODO. En el Cátodo estos electrones reaccionan con los iones hidrógeno (H +) encontrados en el agua para producir gas hidrógeno que se recoge sobre la superficie del metal, o reaccionan con otros iones disueltos en el agua para

formar productos de corrosión que se pueden depositar como precipitados en el área del Cátodo.

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En resumen, la corrosión puede verse como la combinación de dos tipos de procesos:  

Un proceso anódico en el cual los átomos del metal ( hierro por ejemplo) se disuelven para formar iones: Fe -------------------- Fe++ + 2eUn proceso catódico, en el cual el exceso de electrones reacciona con otros iones para remover los H+ del agua:

2H+ + 2e- -------------------- H2 O con otros iones en el agua, para formar productos de corrosión, como por ejemplo: Fe++ + 3/2 H2O + ¾ O2 + e- ---------------- Fe(OH)3 Es decir, los iones ferrosos reaccionan con el oxígeno del agua, en el agua misma y electrones para producir Hidróxido Férrico y óxido. 8.2 CARACTERISTICAS DEL AGUA QUE INFLUYEN EN LA CORROSION Las características del agua que más significativamente influyen en la velocidad o rata de la corrosión del metal son: 

Cantidad de oxígeno disuelto, ya que este elemento gobierna la formación o no formación de la película gaseosa de hidrógeno, a pH del agua mayor que 5,0, la reacción con el oxígeno disuelto es el único medio de remover el Hidrógeno: 2H+ + 2e- + 172 O2 ----------------------- H2O



La concentración de iones H + o pH del agua, ya que el pH gobierna la disolución del metal (a menor pH mayor dilución y viceversa), y el tipo de reacciones que ocurren en el cátodo.



La concentración del CO2 en el agua afecta su equilibrio con el Carbonato de Calcio, y así la solubilidad de este compuesto.



La concentración de otros iones inorgánicos tales como, Cloruros, Sulfatos, Calcio, etc., ya que estos aumentan la conductividad del agua. 89



La Temperatura, a mayor temperatura se aceleran las reacciones químicas, en consecuencia se acelera la corrosión.

8.3 METODOS DE CONTROL DE CORROSION-ESTABILIDAD QUIMICA Entre los diferentes métodos que existen para controlar la corrosión del hierro, el más comúnmente empleado en las plantas de tratamiento de agua potable es la adición de Cal (CaO) al agua filtrada, con el fin de aumentar el pH de la misma y de depositar en las paredes de las tuberías de hierro una película protectoras de Carbonato de Calcio. Se dice que un agua está saturada con Carbonato de Calcio (CaCO 3) cuando las tres formas de Alcalinidad (Carbonatos CO 3-2, Bicarbonatos HCO3-1 e Hidróxidos OH-) y el Dióxido de Carbono CO 2, contenidos en esa agua están en equilibrio, es decir: CO2 + H2O -------------- H2CO3 ---------------- H+ + HCO3HCO3- ------------------- H+ + HCO3CO3-2 + Ca++ ----------------------- CaCO3 (sólido) Un agua saturada con Carbonato de Calcio no disolverá ni depositará Carbonato de Calcio, es decir, será estable con respecto a esta sustancia, así como también con respecto al hierro. Existen diferentes métodos para medir la Saturación o Estabilidad Química del agua, entre los cuales el Índice de Saturación de Langelier es el más ampliamente conocido. Este índice se define por la siguiente ecuación: Índice de Saturación = pH – pHs. Donde pHs es el pH de saturación, calculado a partir de los valores de Alcalinidad Total, en mg/L como CaCO3, la Dureza al Calcio en mg/L como Ca, al pH del agua, contenido de sólidos disueltos y la Temperatura.

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Un valor positivo de este índice señala que el agua es incrustante, es decir, tiene la tendencia a depositar Carbonato de Calcio, en una medida que dependerá del valor del índice: a mayor valor, mayor será la tendencia incrustante. Un valor negativo del índice señala que el agua es corrosiva, es decir, tiene la tendencia a disolver el Carbonato de Calcio, previamente formado, y/o a disolver el metal, en una medida que dependerá del valor del índice; a mayor valor mayor será la tendencia corrosiva. En la práctica es muy difícil mantener este índice en cero (0), por lo que es conveniente y más fácil mantenerlo en el rango de 0.0 a 0,2. La idea de controlar la corrosión produciendo un agua químicamente estable, debe practicarse para cada planta en particular. Tentativamente la adición de Cal u otro material alcalinizante debe hacerse hasta que la Alcalinidad y el pH del agua indiquen que el agua está saturada en Carbonato de Calcio. Para un control más preciso sobre la estabilidad del agua, debe establecerse un índice de Saturación para cada tipo de agua y planta en particular, y para cada sistema de distribución.