Unidad 3. Potabilización de agua

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1 Unidad 3. Potabilización de agua Introducción En esta unidad del programa de formación se desarrollan los temas relacionados con la potabilización del agua y las operaciones más importantes que intervienen en este proceso, como lo son: la coagulación, la floculación, la sedimentación y la filtración. Por medio de las actividades de esta unidad se desarrollan y retroalimentan los conocimientos sobre el tema. Descripción del material del programa de formación Estos textos le van a permitir al aprendiz, comprender todo acerca de la unidad que va a desarrollar, también los puede utilizar como apoyo para realizar las actividades propuestas. Tema 1. Potabilización del agua La potabilización del agua se efectúa para mejorar los parámetros físicos, químicos y bacteriológicos, y de esta manera ofrecer agua de muy buena calidad para el consumo del hombre, sin afectar su salud. La potabilización es un trabajo que se lleva a cabo en las plantas de tratamiento, las cuales son diseñadas de acuerdo a la calidad de agua de cada lugar. De ahí que las plantas de tratamiento no sean todas iguales, pues el diseño depende de las necesidades específicas. Tratamiento de agua Es un conjunto de operaciones y procesos que se realizan para producir agua potable para el suministro de la comunidad.

2 Tecnologías de tratamiento Existen básicamente dos tecnologías de tratamiento que son: Tratamiento con químicos. Tratamiento biológico. El tratamiento químico implica las siguientes operaciones y procesos: Cribado - desarenación. Medición del caudal del agua cruda. Dosificación de coagulante. Floculación. Sedimentación. Filtración. Cloración. Acondicionamiento de ph. El tratamiento biológico implica: Cribado- desarenación. Filtración dinámica. Filtración en medios gruesos. Filtración lenta en arena. Cloración. La selección de la tecnología para el tratamiento se realiza con base en los siguientes criterios: La calidad del agua cruda. El caudal a tratar. Disponibilidad de energía. Disponibilidad de recursos para inversión, operación y mantenimiento.

3 Disponibilidad de terreno. Disponibilidad de mano de obra calificada para la operación. Disponibilidad de materiales para construcción. Aceptabilidad por parte de la comunidad y las autoridades locales. Cualquiera de las tecnologías de tratamiento comprende fundamentalmente los siguientes procesos: Clarificación: es la remoción de sólidos suspendidos y sedimentables. Filtración: remoción de sólidos suspendidos muy finos y de microorganismos, principalmente bacterias y protozoos. Cloración: esta se realiza para proteger el agua de posteriores contaminaciones. (SENA y Ministerio de Desarrollo Económico, 1999) Tratamientos comunes para tecnologías biológicas y químicas Cribado: es un proceso mecánico en el cual se separan sólidos de gran tamaño, por medio de rejas de distintos espacios y/o mallas en serie o placa perforada. Fuente: Centro de investigación en Medio Ambiente y Desarrollo

4 Desarenación o decantación Este procedimiento consiste en separar las partículas más pesadas que trae el agua como: gravas, arenas, arenillas y piedras, que por la fuerza de gravedad se sedimentan. Esta teoría se basa en el principio de que todo sólido más pesado en el agua tiende a precipitarse en el fondo del recipiente que lo contiene. Este proceso se lleva a cabo en tanques desarenadores, mediante este método se eliminan los sólidos más grandes para evitar daños en las instalaciones o inferir en otros tratamientos. Aireación Este proceso consiste en airear el agua y así oxigenarla, este método también es utilizado para eliminar gases que pueden causar olores y sabores desagradables. Tratamiento químico La medición de caudal es importante para saber la cantidad de químicos que se van a adicionar en el agua para su tratamiento, además para realizar el cálculo de tiempos y eficiencia en los procesos, esta medición se realiza en canaleta, vertedero o canal, para la lectura se utiliza la regleta o también el sensor electrónico o ultrasonido. Coagulación La coagulación se entiende como la desestabilización de partículas mediante la adición de sustancias químicas, es decir los coagulantes. Este trabajo se realiza en tanques de mezcla rápida en los cuales el agua es sometida a una agitación muy fuerte, para generar así una solución homogénea del coagulante y el agua en poco tiempo. Este proceso se usa para remover del agua: Separación de la turbiedad orgánica e inorgánica que no se sedimenta rápidamente. Eliminación de color verdadero y aparente. Eliminación de algas y plancton general. Extraer sustancias productoras de sabor y olor. Bacterias y virus.

5 Por qué se utiliza la coagulación? Las aguas crudas naturales contienen dos tipos de sólidos no sedimentables: suspendidos y disueltos, los sólidos suspendidos incluyen en el limo fino bacterias, partículas de turbiedad, etc. Los disueltos como materia orgánica e inorgánica, son visibles separadamente, pero generalmente causan diferentes problemas de color y sabor, a menos que sean precipitados y removidos mediante métodos físicos y químicos. Dosificación de un coagulante Consiste en adicionar una sustancia química en una cantidad exacta a todo un caudal, esto se realiza mediante ensayos de jarras, para obtener dosis exacta de coagulante, como resultado después de cada proceso. La coagulación se realiza mediante la adición de sulfato de aluminio o cloruro férrico, también se utilizan sales polihidroxiladas, polímeros, entre otros. Estos compuestos se usan porque son los que aglutinan los sólidos en suspensión, presentes en el agua. Tipos de dosificación Existen dos tipos de dosificación de acuerdo al tipo de sustancia química que se va utilizar: En solución (líquido). En seco (polvo). Dosificadores en seco: Constan de tres elementos: 1) La tolva: es el recipiente en el cual se deposita y mantiene el coagulante. 2) Los mecanismos que regulan el descargue de las sustancias: son los que permiten la descarga del material en forma constante. Los hay de compuertas, tornillos sinfín, discos, correas, plato, bandeja vibratoria.

6 3) La cámara de mezcla: es el recipiente donde llega un flujo constante de agua y donde cae la sustancia química seca en cantidad, velocidad y concentración determinadas. Clases de dosificadores en seco: Volumétricos Dosifican un volumen constante del producto dentro de un tiempo dado, no tienen balanza. Gravimétricos Dosifican un peso constante del producto. Tienen gran precisión, amplio rango de dosificación. Pueden tener controles automáticos, alarmas, etc. Clase Por gravedad Consta de tres partes que pueden encontrarse en un modelo separado o integrado. Estos son: Tanque de solución. Tanque dosificador. Elemento hidráulico de medida. Por bombeo Consta de: Tanque de solución. Bomba dosificador. Calibración de dosificadores Para que el dosificador descargue las cantidades óptimas de coagulante, al calibrarlo, es necesario saber qué cantidad se descarga en una unidad de tiempo. Para esto es muy útil aplicar la siguiente fórmula:

7 Para hallar los gramos por minuto que debe descargar el dosificador se multiplica el caudal (dado en metros cúbicos por día) por los miligramos por litro que nos dio el ensayo de jarras y todo esto se divide por 1440 minutos (un día = 24 horas x 60 minutos = 1440 minutos). Ejemplo: En una planta de tratamiento de potabilización está tratando un caudal (Q) m 3 /d y se está dosificando 14 ppm de sulfato de aluminio. Cuánto debe descargar el dosificador de alumbre en gramos por minuto? Solución Q = m 3 / día Dosificación: 14 mg / L de sulfato de aluminio = 14 gr / m 3 = 14 ppm de sulfato de aluminio. Descarga en gr / min = m 3 x 14 gr / m 3 = 97.2 gr / min 440 min. Principales factores que influyen en la coagulación Factores Características del agua. Características de las Condiciones de sustancias químicas: la estructura de Turbiedad. Tipo de sustancias. la planta: Alcalidad. ph. Color. Cantidad. Si la calidad es exacta altera la coagulación. Intensidad de la mezcla. Tiempo de Concentración de la retención. solución. (SENA y Ministerio de Desarrollo Económico, 2002)

8 Clases de coagulantes Los coagulantes que se utilizan en la práctica para agua potable son los siguientes: Sales de aluminio: forman un floc ligeramente pesado. Las más conocidas son: el Sulfato de Aluminio, Al 2 (SO 3 ) 14 H 2 O, que en la práctica se le denomina como Alumbre; el Sulfato de Aluminio Amoniacal y el Aluminato Sódico. El primero es el que se usa con mayor frecuencia dado su bajo costo y manejo relativamente sencillo. Sales de hierro: se utiliza el Cloruro Férrico (FeCl 3 ) y los Sulfatos de Hierro Férrico y Ferroso, Fe (SO 4 ) 3 y FeSO 4. Forman un floc más pesado y de mayor velocidad de asentamiento que las sales de aluminio. Polímeros o polielectrolitos: son compuestos complejos de alto peso molecular que se utilizan no propiamente como coagulantes, sino como ayudantes de coagulación. La dosificación de estas sustancias se lleva a cabo en concentraciones muy bajas, lo cual es una gran ventaja y compensa el costo del polímero. Están siendo ampliamente empleados en el tratamiento de aguas potables ya que se produce una menor cantidad de lodos, adicionalmente el lodo producido es más fácilmente tratable. (Restrepo, 2009) Floculación Es un proceso en el cual se realiza una agitación moderada del agua para que haya una aglomeración de las partículas y se desestabilicen durante la coagulación, lo más importante de este proceso de floculación es formar microfloculos con un peso superior al del agua, compactar el floculo disminuyendo el grado de hidratación y así producir baja concentración volumétrica para ser removidos fácilmente por sedimentación y filtración. La velocidad de la agitación no debe ser tan alta que fraccione los floculos ni tan lenta que permita que esto se sedimente.

9 Factores que influyen en la floculación La concentración y naturaleza de las partículas: La velocidad de formación del floc es proporcional a la concentración de partículas en el agua y del tamaño inicial de estas. Tiempo de detención: La velocidad de aglomeración de las partículas es proporcional al tiempo de detención. Debe estar lo más cerca posible al óptimo determinado por medio de ensayos de jarras, esto se puede lograr dividiendo la unidad de floculación en cámaras. Se puede decir que una eficiencia dada, se obtiene en tiempos cada vez menores a medida que se aumenta el número de cámaras de floculación en serie. Por razones de orden práctico el número de cámaras no puede ser muy grande, estableciéndose un mínimo de tres (3) unidades. Gradiente de velocidad Este es un factor proporcional a la velocidad de aglomeración de las partículas. Existe un límite máximo de gradiente que no puede ser sobrepasado, para evitar el rompimiento del floc. El gradiente a través de las cámaras debe ser decreciente y no se deben tener cámaras intermedias con gradientes elevados. Prueba de jarras La coagulación química y la dosificación apropiada de reactivos deben ser seleccionadas por la simulación del paso de clarificación en un laboratorio a escala. La prueba de jarras es la que mejor simula la química de la clarificación y la operación llevada a cabo. Un arreglo simple de vasos de precipitado y paletas, permite comparar varias combinaciones químicas las cuales están sujetas a condiciones hidráulicas similares.

10 Esta prueba se realiza con el fin de determinar la concentración óptima de coagulante, necesaria para obtener un floc de las mejores características. (Restrepo, 2009) La floculación se lleva a cabo por medio de floculadores, algunos de ellos son: Floculadores mecánicos Están compuestos por paletas o rastrillos y son agitados por un motor para lograr el movimiento del agua. Entrada de agua Fuente: SENA y Ministerio de Desarrollo Económico Floculadores hidráulicos Se realiza por cámaras floculadoras colocadas en serie y la agitación del agua se da por velocidad. Fuente: SENA y Ministerio de Desarrollo Económico

11 La sedimentación Es una operación unitaria que va después de la floculación, esta hace parte del proceso de tratamiento de aguas potables. El propósito de la sedimentación es mejorar el proceso de filtración mediante la eliminación de partículas en suspensión. La sedimentación es el proceso por el cual las partículas en suspensión se eliminan del agua por medio de la gravedad o la separación. En este proceso de sedimentación, el agua pasa a través de una parte relativamente tranquila, las partículas (floc) que se forman en la floculación se sedimentan al fondo del tanque sedimentador por la fuerza de su propio peso. Lo que se busca con este proceso es la remoción de estas partículas las cuales salen por un deflector de efluentes de vertedero. A continuación se mostrará una figura donde se ve un sedimentador rectangular. Entrada Depósito Salida Entrada Vista de la planta Salida Vista lateral Fuente: SENA y Ministerio de Desarrollo Económico En este equipo los sólidos se acumulan en el fondo del tanque y se eliminan mediante un dispositivo mecánico desarenador. El depósito de recogida de los sólidos (lodos) de la raspadura, se bombea para el proceso de eliminación de lodos. La sedimentación implica clarificadores. Estos clarificadores son tanques relativamente grandes que son de forma circular o rectangular. En los clarificadores diseñados adecuadamente, la velocidad es un factor clave. La

12 velocidad a la que una partícula (floculo), cae fuera del agua tiene que ser más rápida que la velocidad a la que fluye el agua desde la entrada del tanque y ser lenta en la etapa final de la filtración. Otras formas de sedimentación que se utilizan en la potabilización son: 1. Tubos o placas. 2. Clarificadores de manto de lodo o de contacto. 3. Flotación por aire disuelto. Fuente: Manual Tratamiento de Agua Ecolab Vertedero Controlador Alimentador Detectores de flujo Calzada Tubería para el efluente Tubo de drenaje de lodos Fuente: SENA y Ministerio de Desarrollo Económico

13 Estas formas típicas de sedimentación permiten mayores velocidades de descarga. Pre-sedimentación No todos los sistemas utilizan pre-sedimentación, pero este proceso se utiliza a menudo, cuando el agua tiene una turbidez alta o muy variable o cuando las partículas varían de tamaño. Dependiendo del flujo, el agua es a veces pre-tratada con un coagulante y/o un polímero, antes de entrar a pres-sedimentación. Efectos sobre la turbidez La sedimentación puede eliminar los sólidos en suspensión y reducir la turbidez de aproximadamente un 50 a 90%, dependiendo de la naturaleza de los sólidos. La filtración El propósito de la filtración es eliminar las partículas en suspensión en el agua, haciéndola pasar a través de un medio poroso, tal como la arena. A medida que el agua pasa a través del filtro se sedimentan las impurezas y quedan atrapadas en la arena, mientras el agua limpia pasa a través. El agua filtrada se acumula en el tanque de agua tratada en el que se desinfecta y luego se envían por tubería a la comunidad en general. La filtración es por lo general el paso final en el proceso de remoción de sólidos que se inició con la coagulación y se hace avanzar a través de la floculación y la sedimentación. En el filtro hasta el 99,5% de los sólidos suspendidos en el agua se puede eliminar, incluyendo: minerales, flóculos y microorganismos. Requerimientos La filtración se requiere para la mayoría de los sistemas de tratamiento de agua. Los filtros deben reducir la turbidez de menos del 0.5 NTU en el 95% de las mediciones de cada mes y la turbidez del agua tratada no podrá exceder del 5 NTU en cualquier muestra de agua de consumo humano. La filtración de arena elimina algunos microorganismos formadores de quistes, tales como Giardia, que no se puede eliminar por cloración tradicional. Los quistes son cubiertas resistentes que protegen el microorganismo, mientras que entre en un estado inactivo. Los reglamentos requieren que al menos el 99% de los quistes de Giardia deben ser retirados del agua potable. Puesto que es difícil detectar este microorganismo, la alta turbidez es un indicador de su presencia. Al exigir una

14 turbidez baja en aguas tratadas, las plantas de tratamiento se están asegurando que hay poca o ninguna presencia de Giardia en el agua potable final. Ubicación en el proceso de tratamiento En el proceso de tratamiento tradicional la filtración es la operación que sigue después de la sedimentación (si está presente) y precede a la desinfección. Dependiendo de la presencia de la floculación y la sedimentación, los procesos de tratamiento se dividen en tres grupos: filtración convencional, filtración directa y filtración en línea. Filtración convencional El método más común utilizado es la filtración convencional, que es un proceso que sigue después de la coagulación, floculación y sedimentación. Este tipo de filtración tiene resultados en el rendimiento fiable y flexible, especialmente cuando el tratamiento de agua es variable y tiene mucha turbiedad. Filtración directa Este método se utiliza en algunas plantas de tratamiento que funcionan sin ninguno de los procesos de eliminación de sedimentos que preceden a la filtración, esta operación se puede utilizar cuando el agua cruda tiene una baja turbidez. Filtración en línea Este método consiste en la operación de los filtros sin floculación o sedimentación. Un producto químico coagulante se añade al agua justo antes de la filtración y la coagulación se produce en el filtro. Este tipo de filtración se utiliza con filtros de presión, pero este método no es tan eficaz como la filtración convencional y en línea, para la eliminación de bacterias y la turbidez.

15 Clases de filtros

16 Referencias Cárdenas Andía, Y. (2000). Tratamiento de agua coagulación y floculación. Lima: SEDAPAL. Centro de investigación en Medio Ambiente y Desarrollo. (2012). Sistema de tratamiento de aguas. Manizales: Universidad de Manizales. Hernández Muñoz, A. (1993). Abastecimiento y distribución de agua. España: Colegio de caminos y puertos. Manual de tratamiento de agua. (2007). Unidad Potabilización de Agua. Consultado el 27 de junio de 2013, en Ordóñez Chiquitá, J. (2002). Operación y mantenimiento de sistemas de agua. Guatemala: Cruz Roja. Restrepo Osorno, H. A. (2009). Evolución del proceso de coagulación - Floculación de una planta de tratamiento de agua potable. Medellín: Universidad Nacional de Colombia. SENA y Ministerio de Desarrollo Económico. (1999). Calidad del agua. Bogotá: Ministerio de Desarrollo Económico. SENA y Ministerio de Desarrollo Económico. (1999). Operaciones y mantenimiento de plantas de potabilización de agua. Bogotá: Ministerio de Desarrollo Económico. Control de documento Nombre Cargo Dependencia Fecha Autor Ángela Viviana Páez Perilla Experta técnica Centro Agroindustrial Regional Quindío Mayo de 2013 Adaptación Paola Andrea Bobadilla Gutiérrez Guionista - Línea de producción Centro Agroindustrial Regional Quindío Junio de 2013