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Tratamiento de agua para consumo

MSc. Ing. Fernando Álvarez Vega Departamento de Ingeniería Hidráulica Universidad de Oriente

TRATAMIENTO DE AGUA PARA CONSUMO INDICE Pág. 1

Capítulo 1. GENERALIDADES SOBRE LA POTABILIZACIÓN DE AGUAS

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1.1 Introducción

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1.2 Procesos y Operaciones Unitarias 1.2.1 Transferencia de sólidos 1.2.2 Transferencia de iones 1.2.3 Transferencia de gases 1.2.4 Transferencia molecular 1.2.5 Otros procesos utilizados

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1.3 Tipos de Plantas de Tratamiento 1.3.1 Plantas de filtración rápida 1.3.1.1 Plantas de filtración rápida de tecnología convencional clásica 1.3.1.2 Planta convencionales de filtración rápida a presión 1.3.1.3 Plantas de filtración rápida convencionales de alta tasa o de tecnología apropiada 1.3.1.4 Plantas de filtración rápida de tecnología importada, de patente o plantas paquete 1.3.2 Plantas de filtración lenta

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1.4 Selección de la tecnología 1.4.1 Selección de procesos de tratamiento para pequeñas comunidades 1.4.2 Criterios para la selección de procesos de tratamiento en asentamientos urbanos 1.4.3 Período de diseño 1.4.4 Capacidad nominal de las plantas 1.4.5 Ubicación de las plantas de tratamiento 1.4.6 Líneas de tratamiento

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Capítulo 2. COAGULACIÓN-FLOCULACIÓN 21

2.1 Introducción 2.1.1 Objetivos del proceso

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2.2 Coagulación 2.2.1 Fases de la coagulación 2.2.2 Tipos de coagulación 2.2.3 Factores que influyen en la coagulación 2.2.3.1 La calidad del agua cruda 2.2.3.2 Variables químicas

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2.3 Floculación 2.3.1 Factores que influyen en la floculación

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2.4 Dosificación de sustancias químicas 2.4.1 Sustancia químicas empleadas en la coagulación-floculación

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TRATAMIENTO DE AGUA PARA CONSUMO 2.4.1.1 Coagulantes 2.4.1.2 Modificadores de pH 2.4.1.3 Ayudantes de coagulación 2.4.2 Tipos de dosificadores 2.4.2.1 Equipos de dosificación en seco 2.4.2.2 Equipos de dosificación en solución 2.4.3 Selección de los equipos de dosificación 2.5 Etapas del proceso de coagulación-floculación 2.6 Mezcla rápida 2.6.1 Parámetros operacionales 2.6.2 Clasificación de los mezcladores 2.6.3 Mezcladores hidráulicos 2.6.3.1 Mezclador de resalto hidráulico 2.6.3.2 Mezclador hidráulico de línea 2.6.4 Diseño de unidades hidráulicas 2.6.4.1 Canal con cambio de pendiente o rampa 2.6.4.2 Canaleta Parshall 2.6.4.3 Vertedor rectangular 2.6.5 Mezcladores mecánicos 2.6.5.1 Mezclador en línea mecánico 2.6.5.2 Retromezclador 2.6.6 Diseño de unidades mecánicas. Retromezcladores 2.7 Floculadores 2.7.1 Parámetros operacionales 2.7.2 Clasificación de los floculadores 2.7.3 Floculadores de contacto de sólidos 2.7.4 Floculadores de potencia 2.7.4.1 Floculadores de potencia hidráulicos 2.7.4.2 Floculadores de potencia mecánicos 2.7.5 Diseño de floculadores hidráulicos de pantallas 2.7.5.1 Floculadores hidráulicos de pantallas de flujo horizontal 2.7.5.2 Floculadores hidráulicos de pantallas de flujo vertical 2.7.6 Diseño de floculadores mecánicos

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Capítulo 3. SEDIMENTACIÓN 3.1 Introducción 3.2 Clasificación de la sedimentación 3.3 Cinética de la sedimentación 3.3.1 Sedimentación de partículas discretas 3.3.2 Sedimentación de partículas floculentas en caída libre 3.4 Factores que influyen en la sedimentación 3.5 Tanque de sedimentación ideal 3.6 Trayectoria de una partícula en placas paralelas

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TRATAMIENTO DE AGUA PARA CONSUMO 3.7 Unidades de sedimentación 3.7.1 Sedimentadores y decantadores estáticos 3.7.1.1 Unidades de flujo horizontal 3.7.1.2 Unidades de flujo vertical 3.7.1.3 Unidades de flujo helicoidal 3.7.2 Decantadores dinámicos 3.7.2.1 Decantadores de manto de lodos pulsantes 3.7.2.2 Decantadores de manto de lodos de separación dinámica 3.7.2.3 Decantadores de manto de lodos de agitación simple 3.7.3 Decantadores laminares 3.7.3.1 De flujo horizontal 3.7.3.2 De flujo inclinado 3.7.4 Criterios de diseño

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Capítulo 4. FILTRACIÓN 4.1 Introducción 4.1.1 Objetivos de la filtración 4.2 Mecanismo de la filtración 4.2.1 Transporte de partículas dentro de los poros 4.2.2 Adherencia de los granos al medio 4.2.3 Cinética de la filtración 4.3 Factores que influyen en la filtración 4.3.1 Características de la suspensión 4.3.2 Características del medio filtrante 4.3.3 Características hidráulicas 4.3.4 Pérdidas de carga 4.3.5 Lavado de los filtros 4.4 Tipos de unidades de filtración 4.4.1 Filtros lentos 4.4.1.2 Elementos componentes de un filtro lento 4.4.2 Filtros rápidos 4.4.2.1 Filtros de lecho simple 4.4.2.2 Filtros de lecho múltiple 4.4.2.3 Filtros a gravedad 4.4.2.4 Filtros a presión 4.4.2.5 Filtros ascendentes 4.4.2.6 Filtros descendentes 4.4.2.7 Filtros ascendente-descendente 4.4.2.8 Filtros de tasa constante y nivel variable 4.4.2.9 Filtros de tasa constante y nivel constante 4.4.2.10 Filtros de tasa declinante 4.4.2.11 Elementos componentes de un filtro rápido 4.5 Filtración directa 4.5.1 Ventajas y desventajas de la filtración directa

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TRATAMIENTO DE AGUA PARA CONSUMO 4.6 Aspectos generales del diseño 4.6.1 Área y número de filtros 4.6.2 Tasas de filtración 4.6.3 Drenaje, falso fondo y capa soporte de grava 4.6.4 Lecho filtrante 4.6.5 Hidráulica del lavado 4.6.5.1 Pérdida de carga en el lecho filtrante expandido 4.6.5.2 Pérdida de carga en las canaletas de lavado 4.6.5.3 Pérdida de carga en el drenaje 4.6.5.4 Cálculo de la pérdida de carga en la grava 4.6.5.5 Cálculo de la carga necesaria para el lavado 4.6.6 Hidráulica del proceso de filtración 4.6.6.1 Pérdida de carga en el lecho filtrante 4.6.6.2 Pérdida de carga en los orificios del drenaje 4.6.6.3 Pérdida de carga en la compuerta de entrada 4.7 Resumen de los principales criterios de diseño de las unidades de filtración

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Capítulo 5. DESINFECCIÓN 5.1 Introducción 5.2 Factores que influyen en la desinfección 5.3 Métodos de desinfección 5.4 La desinfección con cloro 5.4.1 Métodos de aplicación de los compuestos de cloro 5.4.2 Comportamiento del cloro en el agua 5.4.3 Curva de demanda de cloro 5.4.4 Requisitos para el manejo del cloro 5.4.5 Equipos dosificadores de cloro 5.4.5.1 Dosificación de cloro gaseoso 5.4.5.2 Dosificación de hipoclorito 5.4.6 Punto de aplicación del cloro 5.4.7 Cámara de contacto 5.4.8 Algunos aspectos toxicológicos de la cloración

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Generalidades sobre la potabilización de aguas

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En este capítulo se explican la importancia que tiene la potabilización de las aguas para el consumo humano y los principales procesos y operaciones unitarias que se llevan a cabo para el tratamiento. Se clasifican las plantas potabilizadoras y se establecen algunos criterios relacionados con su selección y diseño.

GENERALIDADES SOBRE LA POTABILIZACIÓN DE AGUAS UNITARIOS Y PLANTAS DE TRATAMIENTO 1.1. Introducción A lo largo de la historia, e incluso ya a.n.e., se conocía la necesidad de tratar el agua para mejorar su calidad y de esta forma evitar enfermedades y epidemias. Por eso se dice que el agua es un recurso básico de salud, pero puede ser también un factor de enfermedad. Una de las causas comunes de contaminación de los recursos hídricos superficiales es su uso como destino final de residuos domésticos e industriales. Estas descargas son las principales responsables de la alteración de la calidad de las aguas naturales, que en algunos casos llegan a estar tan contaminadas que su potabilización resulta muy difícil y costosa. Las enfermedades trasmitidas por el agua, especialmente las diarreas, son unas de las principales causas de morbilidad y mortalidad en el mundo. Según el Reporte de Salud Mundial realizado por la OMS a fines del siglo XX, las diarreas eran la séptima causa de muerte mundial (después de las enfermedades coronarias, accidentes cerebrovasculares, infecciones respiratorias agudas, HIV/SIDA, obstrucciones pulmonares y condiciones adversas perinatales), y la primera causa de morbilidad en humanos. Los grupos más vulnerables ante estas enfermedades son los niños, ya que al disminuir sus defensas o deshidratarse, se ven comprometidos la nutrición, el crecimiento y desarrollo normal. Los niños malnutridos o inmunodeprimidos son los que presentan mayor riesgo de enfermedades diarreicas potencialmente mortales. De hecho, las enfermedades diarreicas son la segunda causa a nivel mundial de muerte de niños menores de cinco años. Si una comunidad no cuenta con acceso a agua segura, entonces tendrá menores oportunidades de desarrollo, pero el propio desarrollo industrial ha exigido cada vez más, una mejor calidad del agua de proceso. Paralelamente al aumento de la exigencia por la calidad de las aguas para uso industrial y humano y a la escasez de fuentes de abasto adecuadas, se han desarrollado procesos Dpto. Ingeniería Hidráulica, Universidad de Oriente MSc. Ing. Fernando Álvarez Vega

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y sistemas de tratamiento que permiten la obtención de aguas cada vez mejores. Hoy en día es posible, por ejemplo, potabilizar aguas residuales para su reutilización. Para hacer frente a este problema, es necesario someter al agua a una serie de operaciones o procesos unitarios, a fin de purificarla o potabilizarla para que pueda ser consumida por los seres humanos. Se entiende por tratamiento de agua, la remoción por métodos naturales o artificiales de todas las materias objetables presentes en el agua, para alcanzar las metas especificadas en las normas de calidad de agua para consumo humano. El agua potable, es aquella que por cumplir con los requisitos físicos, químicos y microbiológicos establecidos en las normas nacionales de calidad de agua vigentes en el país, puede ser utilizada para la bebida y en la elaboración de alimentos. La Potabilización del agua comprende una serie de pasos cuya finalidad es transformar la materia prima inicial (agua cruda) en un producto final (agua potable), que se corresponda con los requisitos impuestos por la norma de agua potable. Para ello se utilizan una serie de operaciones y procesos en una secuencia tal, que el proceso u operación siguiente va removiendo las impurezas que no removieron la operación o proceso anterior. Es fácil deducir que todas las aguas no se tratan de la misma manera, por lo que para escoger los procesos y operaciones unitarias hay que tener en cuenta tres aspectos fundamentales: 1. La calidad del agua a tratar. 2. La cantidad de agua a tratar 3. Uso al que está dirigido el agua.

1.2. Procesos y operaciones unitarias Una operación unitaria es un proceso químico, físico o biológico mediante el cual las sustancias objetables que contiene el agua son removidas o transformadas en sustancias inocuas. La mayor parte de estos procesos originan cambios en la concentración o en el estado de una sustancia, la cual o es desplazada o es incorporada en la masa de agua. Este fenómeno recibe el nombre de transferencia de fase. Los principales procesos de transferencia utilizados en el tratamiento del agua para consumo humano son los siguientes: 1. Transferencia de sólidos; 2. Transferencia de iones; 3. Transferencia de gases, y 4. Transferencia molecular o de nutrientes.

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1.2.1. Transferencia de sólidos Se consideran en esta clasificación los procesos de cribado, sedimentación, flotación y filtración. Cribado o cernido Consiste en hacer pasar el agua a través de rejas o tamices, los cuales retienen los sólidos de tamaño mayor a la separación de las barras, como ramas, palos y toda clase de residuos sólidos. Sedimentación Consiste en promover condiciones de reposo en el agua, para remover, mediante la fuerza gravitacional, las partículas en suspensión más pesadas. Este proceso se realiza en los desarenadores, presedimentadores, sedimentadores y decantadores; en estos últimos, con el auxilio de la coagulación. Flotación Su objetivo es promover condiciones de reposo, para que los sólidos cuya densidad es menor que la del agua asciendan a la superficie de la unidad de donde son retirados por desnatado. Mediante este proceso se remueven especialmente grasas, aceites, turbiedad y color. Filtración Consiste en hacer pasar el agua a través de un medio poroso, normalmente de arena, en el cual actúan una serie de mecanismos de remoción cuya eficiencia depende de las características de la suspensión (agua más partículas) y del medio poroso. Este proceso se utiliza como único tratamiento cuando las aguas son muy claras o como proceso final de pulimento en el caso de aguas turbias. 1.2.2. Transferencia de iones La transferencia de iones se efectúa mediante procesos de coagulación, precipitación química, absorción e intercambio iónico. Coagulación química La coagulación química consiste en adicionar al agua una sustancia que tiene propiedades coagulantes, la cual transfiere sus iones a la sustancia que se desea remover, lo que neutraliza la carga eléctrica de los coloides para favorecer la formación de flóculos de mayor tamaño y peso. Este proceso se utiliza principalmente para remover la turbiedad y el color. Precipitación química La precipitación química consiste en adicionar al agua una sustancia química soluble cuyos iones reaccionan con los de la sustancia que se desea remover, formando un Dpto. Ingeniería Hidráulica, Universidad de Oriente MSc. Ing. Fernando Álvarez Vega

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precipitado. Tal es el caso de la remoción de hierro y de dureza carbonatada (ablandamiento), mediante la adición de cal. Intercambio iónico Consiste en un intercambio de iones entre la sustancia que desea remover y un medio sólido a través del cual se hace pasar el flujo de agua. Este es el caso del ablandamiento del agua mediante resinas, en el cual se realiza un intercambio de iones de cal y magnesio por iones de sodio, al pasar el agua a través de un medio poroso constituido por zeolitas de sodio. Absorción La absorción consiste en la remoción de iones y moléculas presentes en la solución, concentrándolos en la superficie de un medio adsorbente, mediante la acción de las fuerzas de interfaz. Este proceso se aplica en la remoción de olores y sabores, mediante la aplicación de carbón activado en polvo. 1.2.3. Transferencia de gases Consiste en cambiar la concentración de un gas que se encuentra incorporado en el agua mediante procesos de aereación, desinfección y recarbonatación. Aereación La aereación se efectúa mediante caídas de agua en escaleras, cascadas, chorros y también aplicando el gas a la masa de agua mediante aspersión o burbujeo. Se usa en la remoción de hierro y manganeso, así como también de anhídrido carbónico, ácido sulfhídrico y sustancias volátiles, para controlar la corrosión y olores. Desinfección Consiste en la aplicación principalmente de gas cloro y ozono al agua tratada. Recarbonatación Consiste en la aplicación de anhídrido carbónico para bajar el pH del agua, normalmente después del ablandamiento. 1.2.4. Transferencia molecular En el proceso de purificación natural del agua. Las bacterias saprofitas degradan la materia orgánica y transforman sustancias complejas en material celular vivo o en sustancias más simples y estables, incluido los gases de descomposición. También los organismos fotosintéticos convierten sustancias inorgánicas simples en material celular, utilizando la luz solar y el anhídrido carbónico producto de la actividad de las bacterias y, a la vez, generan el oxígeno necesario para la supervivencia de los microorganismos aeróbicos presentes en el agua. Este tipo de transferencia se lleva a cabo en la filtración, Dpto. Ingeniería Hidráulica, Universidad de Oriente MSc. Ing. Fernando Álvarez Vega

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en la cual los mecanismos de remoción más eficientes se deben a la actividad de los microorganismos. 1.2.5. Otros procesos utilizados Además de los procesos de transferencia expuestos, también se utilizan en el tratamiento del agua para consumo humano la estabilización de solutos, la desalinización y la fluoruración. Estabilización de solutos La estabilización de solutos consiste en transformar un soluto objetable en una forma inocua, sin llegar a su remoción. Ejemplos de este proceso es la transformación del anhídrido carbónico contenido en el agua en bicarbonato soluble mediante la adición de cal o el pasar el agua a través de lechos de mármol. También se puede citar la transformación de ácido sulfhídrico en sulfato. Desalinización Proceso mediante el cual se remueve el exceso de cloruros en el agua, transformando las aguas salobres en dulces. Este proceso se puede realizar mediante destilación, ósmosis inversa, etcétera. Fluoruración Adición de fluoruros al agua para evitar las caries dentales, principalmente en los niños menores de 5 años.

1.3. Tipos de plantas de tratamiento Una planta de tratamiento es una secuencia de operaciones o procesos unitarios, convenientemente seleccionados con el fin de remover totalmente los contaminantes microbiológicos presentes en el agua cruda y parcialmente los físicos y químicos, hasta llevarlos a los límites aceptables estipulados por las normas. Las plantas de tratamiento de agua se pueden clasificar según el tipo de procesos que las conforman en:  En plantas de filtración rápida, las que según su tecnología pueden ser:

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En plantas convencionales clásicas o antiguas.

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En plantas convencionales de alta tasa o tecnología apropiada.

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En plantas de tecnología importada o de patente.

 En plantas de filtración lenta.

1.3.1. Plantas de filtración rápida Estas plantas se denominan así porque los filtros que las integran operan con velocidades altas, según las características del agua, del medio filtrante y de los recursos disponibles para operar y mantener estas instalaciones. Dpto. Ingeniería Hidráulica, Universidad de Oriente MSc. Ing. Fernando Álvarez Vega

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

Planta de filtración rápida completa: Una planta de filtración rápida completa normalmente está integrada por los procesos de coagulación-floculación (en dos etapas, mezcla rápida y mezcla lenta), decantación, filtración y desinfección. Estos tipos de plantas, demandan recursos humanos capacitados, por lo que debe estudiarse con detenimiento la posibilidad de utilizarlos fuera de la zona urbana, en zonas marginales, rurales o, en general, en zonas económicamente muy deprimidas. En la figura 1.1, se muestra una planta potabilizadora convencional clásica de filtración rápida completa y en la figura 1.2, se muestra un diagrama de flujo de este tipo de tecnología.

Planta potabilizadora Quintero 1, Santiago de Cuba

Figura 1.1. Planta potabilizadora de filtración rápida completa

Figura 1.2. Diagrama de flujo de una planta de filtración rápida completa

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En la tabla 1.1, se muestran los límites de calidad del agua para plantas de filtración rápida completa. Tabla 1.1. Límites de calidad del agua aceptables para filtración rápida completa Parámetros Turbiedad (UNT) Color (UC) NMP de coliformes termotolerantes/100ml

90% del tiempo

80% del tiempo

Esporádicamente

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