MICROPLANTAS POTABILIZADORAS DE AGUA COMO PROPUESTA DE SOLUCIÓN PARA COMUNIDADES AISLADAS DEL DEPARTAMENTO DE CAAGUAZÚ

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1 MICROPLANTAS POTABILIZADORAS DE AGUA COMO PROPUESTA DE SOLUCIÓN PARA COMUNIDADES AISLADAS DEL DEPARTAMENTO DE CAAGUAZÚ Marcos Darío Levy Beczko Estudiante del último curso de Ingniería Civil. Trabajo de Tesis de Grado. Facultad de Ciencias y Tecnología, Universidad Católica Nuestra Señora de la Asunción. Julio Manuel Mongelós Peña Estudiante del último curso de Ingniería Civil. Trabajo de Tesis de Grado. Facultad de Ciencias y Tecnología, Universidad Católica Nuestra Señora de la Asunción. Roberto A. Lima Morra Tutor de tesis, Ingeniero Civil egresado de la Facultad de Ciencias y Tecnología de la Universidad Católica Nuestra Señora de la Asunción. Especialista en Desarrollo Sustentable y Master en Gestión y Tratamiento de Residuos. Profesor de Grado de las Carreras de Arquitectura, Ingeniería Civil e Ingeniería Ambiental y en las Maestría de Ciencias de la Ingeniería Civil y en Ingeniería Ambiental de la Facultad de Ciencias y Tecnología. RESUMEN La elaboración del proyecto se centró en las comunidades aisladas de menos de 50 (cincuenta) conexiones, aproximadamente 250 (doscientos cincuenta) personas, que se abastecen de agua por medio de pozos abiertos, del departamento de Caaguazú. Se determinó el número de muestras más representativo del departamento seleccionado para dar un panorama claro de los parámetros tanto técnicos como socioeconómicos que se deberán tener en cuenta para la elaboración del proyecto. Dado el estado de contaminación en que se encuentran; tanto los cauces de aguas superficiales como las napas poco profundas; se puede inferir que, debido a la poca cobertura de los sistemas de provisión de agua potable (44%), un elevado porcentaje de la población, más de 3 millones de habitantes, se encuentra en situación de riesgo de contraer enfermedades. El diseño de la microplanta se efectuó para solucionar la problemática característica más típica encontrada en las zonas seleccionadas. El alcance del diseño se realizó a nivel de proyecto ejecutivo. Incluidos planos, cortes, especificaciones técnicas y manual de operación. Se construyó un prototipo de la microplanta que respalde las conclusiones de la investigación. PALABRAS CLAVES Agua Cruda, Agua Tratada, Filtro Lento de Arena, Pozos Norias, Schmutzdecke. 1

2 INTRODUCCIÓN En el departamento de Caaguazú, se encontraron 240 localidades con las características mencionadas. Ante la necesidad de caracterizar la calidad del agua, pero sin las posibilidades de un estudio estadístico serio por una elevada relación costo beneficio, debido al excesivo costo de los ensayos físico químico bacteriológicos, se determinó realizar un muestreo no probabilístico de juicio, en donde se selecciona un grupo que a juicio del criterio de un experto, represente adecuadamente a la población en cuanto a las características que se desean estudiar. Este tipo de muestreo es muy importante dado que es el único razonable en los casos en que el tamaño planeado de la muestra es muy pequeño. Para el muestreo se seleccionaron, con el asesoramiento del supervisor de SENASA del departamento de Caaguazú, 8 localidades de diferentes distritos. CAAGUAZÚ Mapa 1 División Política de la República del Paraguay Con la ubicación del departamento de Caaguazú 2

3 Vaqueria Yhu Santa Rosa Mbutuy Simón Bolívar San Joaquín La Pastora Cecilio Báez Carayao 3 de Febrero Raúl A. Oviedo Mcal. López Nueva Londres R.I. 3 Corrales J. M. Frutos J. E. Estigarribia Cnel. Oviedo Caaguazú J. D. Ocampos San José de los Arroyos Repatriación Mapa 2 - Departamento de Caaguazú Con los distritos visitados sombreados Los resultados de los análisis físico químico bacteriológicos realizados pueden observarse en el siguiente cuadro. ENSAYOS CALIDAD DE AGUA - DEPARTAMENTO DE CAAGUAZÚ Cnel. Distrito Santa Rosa Simón Bolivar Carayao Oviedo Cnel. Oviedo Santiago L. Localidad Mondori Franco Juan E. Estigarribia Juan M. Frutos Caaguazú María Auxiliadora Calle Arena Don Bosco Florido Calle 4 Ñurumi Nivel 9,55 m. 12,35 m. 2,0 m. 17,55 m. 6,0 m. 13,0 m. 20,0 m. 8,0 m. Análisis Físico - Químico Aspecto Turbio Turbio Turbio Límpido Límpido Cristalino Turbio Límpido Color No Aceptable No Aceptable No Aceptable Aceptable Aceptable Aceptable No Aceptable Aceptable Olor Aceptable Aceptable Aceptable Aceptable Aceptable Aceptable Aceptable Aceptable ph 4,79 4,8 5,81 4,81 4,63 4,38 4,34 5,02 Conductividad (µs/cm) 54,4 127,0 422,0 34,6 30,7 21,5 51,4 109,3 Turbidez (U.N.T.) 12,0 120,0 12,5 1,8 2,0 1,0 20,0 3,4 Análisis Bacteriológico Colif. Fecales (UFC/100 c.c.) Colif. Totales (UFC/100 c.c.)

4 En relación a la turbiedad del agua de las muestras se encuentran dentro del rango para clasificarlas como de turbiedad media, según la OPS. Con respecto al análisis bacteriológico, se puede observar la presencia en todos los pozos analizados de coliformes fecales y totales, la presencia de organismos asociados fecales indica que con toda probabilidad habrá organismos patógenos. Dado que el proyecto esta orientado a comunidades rurales aisladas dispersas, es imprescindible que el sistema de tratamiento esté adaptado a las posibilidades de estas para operarlo y mantenerlo. De todos los parámetros antes descritos se proponen plantas modulares de filtración lenta como el método de tratamiento más conveniente por su mínima necesidad de operación y mantenimiento. Por la simplicidad del método, no se requieren equipos costosos y complicados para personas sin capacidad técnica. Además, es un sistema de comprobada eficiencia remocional de coliformes, bacterias y virus. Dado el nivel de turbiedad medio obtenido del análisis físico, no es necesario ningún pretratamiento para la remoción de la turbiedad, ya que uno de los beneficios del filtrado es la reducción hasta valores aceptables de turbiedad que posibilita en dicho aspecto la potabilidad del agua. MÉTODOLOGÍA DEL PROYECTO Durante el análisis in situ de las localidades se pudo determinar la factibilidad técnica de promover soluciones individuales que puedan dar una respuesta inmediata a los problemas sanitarios planteados. Asimismo, en el caso de las viviendas agrupadas se plantean soluciones colectivas para distribuir y disminuir los costos de inversión, así como optimizar el funcionamiento del filtro lento de arena. Consumo de Agua de Diseño El uso de agua puede recibir varias aplicaciones teniendo en cuenta las necesidades que se presentan como por ejemplo el uso público, doméstico, industrial, comercial, etc. Este proyecto sólo se orienta a solucionar el problema del consumo doméstico, el más importante, ya que la falta de agua potable que afecta a las familias influye en la salud y la economía familiar. 4

5 Descripción Para beber Para cocinar Lavado de utensillos Lavado de verduras y frutas Higiene personal Total Consumo 5 lts. 5 lts. 5 lts. 5 lts. 5 lts. 25 lts/hab/día Demanda Diaria de Agua de Diseño Para la vivienda unifamiliar rural se ha establecido un consumo de agua estimado de 25 litros por persona por día. La demanda diaria de agua de diseño puede calcularse: 6 ( personas ) 25 ( l.p.d.) = 150 lts / día = 0,15 m 3 / día Se adopta una demanda diaria de Agua de Diseño por vivienda de 0,15 m 3 /día. En caso de emplearse la solución colectiva de pequeños grupos, se evaluó el caso de cuatro viviendas agrupadas, la demanda diaria de agua de diseño sería: 4 ( viviendas ) 6 ( personas ) = 24 personas 24 ( personas ) 25 ( l.p.d.) = 600 lts / día = 0,60 m 3 / día Se adopta una demanda diaria de Agua de Diseño para 4 viviendas de 0,60 m 3 /día MICROPLANTA PILOTO. CARACTERÍSTICAS El diseño de la microplanta piloto no se ajusta estrictamente al diseño de la solución individual planteado, debido a que los materiales utilizados para su montaje fueron donados por empresas ligadas al ramo de la construcción de acuerdo a lo que tenían disponible en sus respectivos depósitos. Asimismo, con la experiencia obtenida en la operación, se realizaron modificaciones hasta llegar al diseño final presentado. 5

6 Características de la Microplanta Piloto Capacidad de filtración 600 lts/día Área de filtración 0,25 m 2 Caudal de filtración 0,025 m 3 /h Sistema de drenaje 0,15 m. - Triturada IV 0,10 m. - Triturada V 0,03 m. - Triturada VI 0,02 m. Espesor lecho filtrante 0,60 m. Altura agua sobrenadante 0,10 m. Altura tanque del filtro 1,30 m. Volumen tanque de agua cruda 80 lts. Volumen tanque de agua filtrada 100 lts. Foto 1 - Microplanta Piloto Vista de los distintos componentes RESULTADOS La microplanta fue monitoreada por 90 días, en los cuales sus resultados variaron presumiblemente por los diversos motivos descritos más abajo. Sin embargo, fueron identificados y solucionados estos contratiempos, comprobándose la factibilidad de este método de tratamiento de agua en las condiciones recomendadas. Los resultados de los análisis físico químico bacteriológicos realizados pueden observarse en el siguiente cuadro. ENSAYOS CALIDAD DE AGUA - MICROPLANTA PILOTO Nro. de Muestras 1era. 2da. 3era. 4ta. 5ta. 6ta. 7ma. Fecha 30/09/04 11/10/04 15/11/04 23/11/04 13/12/04 20/12/04 27/12/04 Tipo de Agua Cruda Tratada Cruda Tratada Cruda Tratada Cruda Tratada Cruda Tratada Cruda Tratada Cruda Tratada Análisis Físico - Químico Turbidez (U.N.T.) 1,20 0,35 6,07 1,10 7,94 1,60 9,56 0,59 2,56 0,17 6,04 1,50 5,50 2,70 ph 6,76 7,27 6,97 7,09 7,2 7,28 7,12 7,55 6,98 7, Color ,0 5,0 20,0 3,0 15,0 3,0 OD (mg/l) ,60 0,70 2,10 2, Colif. Fecales (UFC/100 c.c.) Colif. Totales (UFC/100 c.c.) Análisis Bacteriológico >

7 COLIFORMES FECALES UFC/100 ml. 600,0 500,0 400,0 300,0 200,0 100,0 0,0 540,0 520,0 Agua Cruda Agua Tratada 157,0 120,0 66,0 75,0 48,0 0,0 16,0 27,0 14,0 4,0 2,0 0, Nro. de Muestras Gráfico 1 Coliformes Fecales en las diferentes muestras TURBIDEZ UNT 12,0 11,0 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 9,56 Agua Cruda 7,94 Agua Tratada 6,07 6,04 5,50 2,56 2,70 1,60 1,50 1,20 1,10 0,35 0,59 0, Nro. de Muestras Gráfico 2 Turbidez en las diferentes muestras 7

8 COLOR 30,0 25,0 Pt/Co 20,0 15,0 Agua Cruda Agua Tratada ,0 5, , Nro. de Muestras Gráfico 3 Color en las diferentes muestras INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS Muestra 1: El resultado obtenido en este ensayo indica un 100% de remoción de las bacterias coliformes fecales. Muestra 2: Descenso en el número de coliformes fecales presentes en el agua del pozo a niveles muy bajos. Del mismo modo, la efectividad del filtro fue mínima. Muestra 3: El nivel de remoción de los mismos fue de 94% aproximadamente. Muestra 4: El cuarto análisis refleja una disminución de la efectividad a un 64% y un nivel de fecales dentro de la media. Ante esta variación en la efectividad del filtro fue necesario recurrir nuevamente a las bibliografías para buscar mantener los niveles de remoción elevados. Basados en los resultados y 8

9 los datos encontrados, se trazó la hipótesis que los niveles tan bajos de coliformes fecales presentes en el pozo implicaban la baja efectividad del filtro. Asimismo se cuidó de mejor manera el cargado regular del agua para evitar que por la disminución del oxígeno disuelto presente en el filtro mueran las bacterias limpiadoras presentes en el schmudecke. Muestras 5, 6 y 7: Con el cuidado antes mencionado y con el aumento del nivel de coliformes fecales presentes en el agua del pozo, presumiblemente por efecto del aumento de la temperatura, la efectividad remocional del filtro aumentó nuevamente en el análisis realizado 8 días después de la puesta en marcha de estas acciones a 77%, siguiendo en forma ascendente hasta el 99% obtenido días después. PARÁMETROS DE DISEÑO DE LAS MICROPLANTAS Velocidad de Filtración de Diseño En los filtros lentos de arena los mecanismos de transporte, fijación y purificación funcionarán en forma efectiva en el agua que va a ser tratada sólo si se permite un tiempo de retención suficiente en el lecho filtrante, para el cual se debe adoptar una baja velocidad de filtración logrando de está manera la efectividad de todos lo mecanismos de remoción. Se adopta una velocidad de filtración de diseño de 0,1 m/h. Modo de Operación de la Planta La solución individual funcionará con un régimen de filtración a velocidad constante y la operación se realizará en forma intermitente. La altura del agua sobrenadante será de 10 cm, la misma se mantendrá constante en todo momento. Se regulará la entrada de agua al filtro a un caudal de 0,025 m 3 /h. Esta forma de operación producirá el volumen de consumo diario en 2,5 horas. Sin embargo, por la necesidad de renovar el oxígeno disuelto en interior del filtro, se debe mínimo cargar el agua dos veces al día. Se evitará el uso de operadores con turnos fijos y sólo será necesario que un integrante de la familia cargue agua en el tanque de almacenamiento de agua cruda. La solución colectiva funcionará con un régimen de filtración a velocidad constante y la operación se realizará en forma permanente. La altura del agua sobrenadante sobre el lecho del filtro es de 45 cm, de los cuales 10 cm corresponderán al agua mínima y 35 cm al agua sobrenadante a ser filtrada. Esta forma de operación producirá el volumen de consumo diario en aproximadamente 4 horas. Sin embargo, por la automatización prevista en el sistema de conexión 9

10 de la bomba, la extracción de agua del pozo se producirá cada vez que descienda el nivel del agua en cualquiera de los tanques que componen el sistema. Por ello, la cantidad de efluente que generará la planta será mayor que el necesario estrictamente para el consumo, dependerá del uso que se le dé al agua y únicamente estará regulado por el rendimiento del filtro. Tanque de Filtro Para contener el sistema de drenaje y el lecho del filtro se prevé para la solución individual la utilización de un tanque metálico de 200 litros. Para la solución colectiva está prevista la construcción de un tanque de mampostería armada. Sistema de Drenaje Las alturas adoptadas para el sistema de drenaje de la solución individual son: 1 ra capa: 10 cm Piedra triturada IV (25 19 mm) 2 da capa: 5 cm Piedra triturada V (18 12 mm) 3 ra capa: 5 cm Piedra triturada VI (11 8 mm) Las alturas adoptadas para el sistema de drenaje de la solución colectiva son: 1 ra capa: 10 cm Piedra triturada IV (25 19 mm) 2 da capa: 10 cm Piedra triturada V (18 12 mm) 3 ra capa: 5 cm Piedra triturada VI (11 8 mm) Tanque de Almacenamiento del Agua Filtrada El agua filtrada es almacenada en un reservorio de agua potable, para el efecto, se utilizará un tanque metálico de 100 litros de capacidad para la solución individual, en el mismo se dispondrá de una boya tipo cisterna para evitar reboses. Para la solución colectiva, el agua potable se almacenará en cuatro tanques metálicos de 200 litros de capacidad conectados entre sí. El primero de la serie contará con una boya tipo cisterna para evitar reboses. Tipo de Arena para el Filtro Los parámetros a los que debe ajustarse el tipo de arena elegida son: diámetro efectivo entre 0,10 a 0,35 mm y coeficiente de uniformidad recomendado entre 1,8 a 2 siendo aceptados valores de hasta 3. 10

11 OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE LAS MICROPLANTAS Puesta en servicio de la microplanta El lecho filtrante se llena con agua cruda desde el fondo, o sea, por el dispositivo de salida del agua, para expulsar las burbujas de aire presentes en los intersticios de la arena y evitar la disminución excesiva de la altura de la arena por asentamiento. Una vez que el nivel de agua sobrenadante llega a una altura suficiente por encima del lecho de arena (10 cm), puede admitirse el agua cruda a través de la entrada normal de agua proveniente del tanque de almacenamiento de agua cruda en forma tal que no se produzcan turbulencias en el agua sobrenadante del filtro. Para que no se produzcan turbulencias en la entrada del agua cruda al lecho del filtro, el caudal de salida del tanque de almacenamiento de agua cruda se controla con una llave de paso, de manera que la misma no sobrepase los 0,025 m 3 /h en la solución individual y 0,177 m 3 /h en la colectiva. El filtro debe hacerse funcionar por una semana para permitir la formación del Schmutzdecke y de las capas adherentes que rodean los granos del lecho filtrante, este período se denomina proceso de maduración. Durante el mismo, el agua es almacenada en el tanque pero la misma no es potable. Operación de la microplanta Solución Individual La operación es intermitente, ya que el proceso de filtración se detiene por completo durante ciertos períodos, al terminar de filtrar cada cargado que se haga. El cargado del agua debe hacerse como mínimo dos veces al día para asegurar la renovación del oxígeno disuelto en el interior del filtro. Solución Colectiva La bomba se acciona para la extracción del agua cruda cada vez que baja el nivel de agua en cualquiera de los tanques, regulada por medio de una boya eléctrica ubicada en el tanque de almacenamiento de agua cruda y dos boyas tipo cisterna en el filtro y en el primer tanque de almacenamiento de agua tratada. 11

12 Limpieza del filtro Cuando, después de un período de operación de varios meses, la llave de paso está totalmente abierta y la tasa de flujo comienza a decrecer, la resistencia del Schmutzdecke se ha tornado muy alta y debe procederse a la limpieza. Se cierra la llave de paso de entrada de agua cruda al lecho del filtro y se permite que descienda el nivel de agua sobrenadante abriendo la unión doble ubicada a la salida del filtro y desenroscando los caños de PVC a la altura del la misma, única parte roscable del sistema, de manera que pueda descender el nivel de agua en el lecho filtrante hasta unos 0,20 metros por debajo de la superficie del lecho. Luego se raspa cuidadosamente el Schmutzdecke, usando una cuchara de albañil en una operación de limpieza tan breve como sea posible para prevenir el deterioro del lecho filtrante. El Schmutzdecke y la arena extraída, aproximadamente 3 cm, pueden ser desechados o ser lavados para usarse nuevamente. Los pasos a seguir para reiniciar el trabajo de un filtro limpio, período de remaduración, son similares a los aplicados a la puesta en marcha de un filtro nuevo, aunque los períodos necesarios para el llenado ascendente y la remaduración son bastante más breves que el período de puesta en servicio inicial. CARACTERISTICAS DE LAS MICROPLANTAS Solución Individual Características de la Solución Individual Capacidad de filtración 600 lts/día Área de filtración 0,25 m 2 Caudal de filtración 0,025 m 3 /h Sistema de drenaje 0,20 m. - Triturada IV 0,10 m. - Triturada V 0,05 m. - Triturada VI 0,05 m. Espesor lecho filtrante 0,50 m. Altura agua sobrenadante 0,10 m. Altura tanque del filtro 0,88 m. Volumen tanque de agua cruda 100 lts. Volumen tanque de agua filtrada 100 lts. 12

13 Solución Colectiva Características de la Solución Colectiva Capacidad de filtración 4250 lts/día Área de filtración 1,77 m 2 Caudal de filtración 0,177 m 3 /h Sistema de drenaje 0,25 m. - Triturada IV 0,10 m. - Triturada V 0,10 m. - Triturada VI 0,05 m. Espesor lecho filtrante 0,70 m. Altura agua sobrenadante 0,45 m. Altura tanque del filtro 1,72 m. Volumen tanque de agua cruda 200 lts. Volumen tanque de agua filtrada 200 lts. c/u CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Partiendo de los resultados descritos, se puede recomendar la desinfección del agua por medio de filtros compactos lentos de arena en el régimen de funcionamiento planteado. Es necesario sin embargo alertar a los usuarios del sistema del sumo cuidado que debe tenerse con el almacenamiento del agua, ya que por no tener ningún desinfectante con efecto residual (como el cloro) que evite su contaminación posterior, ésta se encuentra expuesta a ser nuevamente contaminada durante este periodo. Por ello, al final del día es recomendable eliminar toda el agua que no se ha consumido, para evitar la formación de algas. Asimismo, hay que tener en cuenta que existen periodos durante los cuales el filtro no tiene la efectividad adecuada para generar agua apta para el consumo; ya sea, en la etapa de maduración, o bien, en la etapa de remaduración posterior al mantenimiento. En la búsqueda de que el agua de consumo sea segura en todo momento, es recomendable la adición de hipoclorito al 3% (lavandina), para eliminar los riesgos antes descritos. La puesta en marcha de este proyecto, debe venir acompañada de un trabajo de concientización de los usuarios-operarios acerca de los riesgos para la salud que implica la operación inadecuada del filtro. Debe remarcarse el hecho de que no existe margen para errores u omisiones cuando se trata de un dispositivo que se encarga de prevenir enfermedades por un método de desinfección biológica. 13

14 Asimismo, debe tenerse en cuenta que la efectividad del filtro de arena como método de desinfección es baja cuando la cantidad de colonias de coliformes fecales no es suficiente para mantener la fauna del schmuckdeke. Por lo tanto, no es recomendable a niveles de contaminación fecal muy bajos, o sea, inferior a 100 UFC/100. La elección del departamento de Caaguazú como zona de aplicación del proyecto no limita la aplicación del mismo como solución a la problemática de acceso al agua potable de comunidades aisladas de todo el país, que se abastecen de agua de pozo abierto con los niveles de contaminación mínimos definidos anteriormente. Es necesario remarcar la excelente receptividad del sistema de tratamiento por parte de los beneficiarios. La simplicidad del diseño junto con su fácil operación, confirma la necesidad de que la solución planteada se adapte al grado de desarrollo del grupo beneficiado; principio indispensable para el éxito de este tipo de proyectos. AGRADECIMIENTOS A la Empresa de Servicios Sanitarios del Paraguay (ESSAP), Ing. Roberto Lima, Hugo Vera, Cirilo Riquelme, Herman Shittner. BIBLIOGRAFIA AZEVEDO NETTO, JOSÉ. Manual de Hidráulica. Instituto Nacional do Livro Brasil. McGHEE, TERENCE. Abastecimiento de Agua y Alcantarillado. Mc Graw Hill Colombia. LAMBE, WILLIAM. Mecánica de Suelos. LIMUSA México. MORA, VICTOR; ZALAZAR, ROBERTO Y BÁEZ, SILVIO. Las dosificaciones de morteros tradicionales utilizados en construcción, con empleo de cemento portland. Facultad de Ciencias y Tecnología. UCA ROGERS, PETER Y OTROS. El agua como bien económico y social. Aso mundial del agua Chile. ORGANIZACIÓN PANAMERICANA DE LA SALUD. Guías para la calidad del agua potable Estados Unidos. CENTRO PANAMERICANO DE INGENIERÍA SANITARIA Y CIENCIAS DEL AMBIENTE. Filtración lenta en arena para abastecimiento público de agua en países en desarrollo. OPS Perú. 14

15 DIRECCIÓN DE INGENIERÍA SANITARIA. Manual de Saneamiento. LIMUSA México. BOWLES, JOSEPH E. Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil. Mc. Graw Hill. CHANDÍAS, MARIO. Manual de Cómputos y Presupuestos. MOREIRA DA ROCHA, ADERSON. Novo Curso Prático de Concreto Armado. Científica Brasil. JIMENEZ MONTOYA, PEDRO. Hormigón Armado. Gustavo Pili España. WALPOLE, RONALD E. Probabilidad y Estadística para Ingenieros. Prentice Hill México. 15