Plantas de filtración rápida

Transcripción

1 Contenido i OPS/CEPIS/PUB/ Original: español Tratamiento de agua para consumo humano Plantas de filtración rápida Tomo II Ing. Lidia de Vargas (coordinadora) Lima, 2004

2 ii Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente, 2004 El Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS/OPS) se reserva todos los derechos. El contenido de este documento puede ser reseñado, reproducido o traducido, total o parcialmente, sin autorización previa, a condición de que se especifique la fuente y de que no se use para fines comerciales. El CEPIS/OPS es una agencia especializada de la Organización Panamericana de la Salud (OPS/OMS). Los Pinos 259, Urb. Camacho, Lima, Perú Casilla de correo 4337, Lima 100, Perú Teléfono: (511) Fax: (511) cepis@cepis.ops oms.org oms.org

3 Contenido iii INTRODUCCIÓN Este volumen, Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida., está orientado al personal profesional que labora en las plantas de tratamiento de agua para consumo humano. En él se han sintetizado los más recientes conceptos teóricos correspondientes a la calidad del agua de las fuentes superficiales de abastecimiento y de los procesos utilizados en su purificación. Se ha buscado explicar en forma profunda y a la vez sencilla los complejos procesos de tratamiento utilizados en los sistemas de purificación de agua, con el fin de que los profesionales de diversa formación que se encuentran laborando en este campo ingenieros sanitarios, civiles, químicos y agrícolas, biólogos, geógrafos, arquitectos e incluso zootecnistas tengan una clara comprensión del tema y, de este modo, mediante el estudio y dedicación, puedan llegar a convertirse en especialistas. La experiencia acumulada en el programa de capacitación desarrollado por el CEPIS/OPS en este campo nos permite asegurar que de esta forma, será posible obtener proyectos de mejor calidad y formar supervisores de operación y mantenimiento más conscientes de la problemática del agua, para que afronten con responsabilidad la importante función de producir el agua que beberán los habitantes de América Latina y el Caribe.

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5 Contenido v RECONOCIMIENTOS Este libro, elaborado por el CEPIS/OPS, reúne y actualiza los textos publicados por el mismo Centro en 1992 con los títulos Manual I: El agua. Calidad y tratamiento para consumo humano, Manual II: Criterios de selección y Manual III: Teoría. En este proceso de actualización participaron los profesores que conforman el equipo técnico encargado de los cursos de capacitación sobre tratamiento de agua para consumo humano en el CEPIS/OPS, bajo la coordinación de la Ing. Lidia Cánepa de Vargas, Asesora en Tratamiento de Agua para Consumo Humano, bajo la dirección del Dr. Mauricio Pardón, Director del Centro. En esta edición se contó con la colaboración del Ing. Víctor Maldonado Yactayo, de la Facultad de Ingeniería Ambiental de la Universidad Nacional de Ingeniería, de Lima, Perú, de la Quím. Ada Barrenechea y de la Bióloga Margarita Aurazo. Igualmente, se reconoce la asistencia del editor del CEPIS/OPS, Lic. Luis Andrade, y de las Sras. Inés Barbieri e Irma Sánchez, del cuerpo de secretarias del Centro, quienes apoyaron en el procesamiento del texto, así como la ayuda del Sr. Washington Macutela, responsable de la impresión.

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7 Contenido vii CONTENIDO INTRODUCCIÓN... AGRADECIMIENTOS... iii v TOMO I CAPÍTULO 1. ASPECTOS FISICOQUÍMICOS DE LA CALIDAD DEL AGUA Quím. Ada Barrenechea Martel Introducción El agua: un disolvente universal Las fuentes de agua de origen superficial Aspectos fisicoquímicos Calidad del agua Características físicas Turbiedad Sólidos y residuos Color Olor y sabor Temperatura ph Características químicas Aceites y grasas Agentes espumantes Alcalinidad Aluminio Amonio Antimonio Arsénico Asbesto Bario Boro Cadmio Cianuro Cinc Cloruros Cobre... 26

8 viii Cromo Dureza Fenoles Fluoruros Fosfatos Hidrocarburos Hierro Manganeso Materia orgánica Mercurio Nitritos y nitratos Oxígeno disuelto (OD) ph Plaguicidas Plata Plomo Selenio Sulfatos Criterios de calidad para la selección de una fuente de agua cruda Criterios fisicoquímicos Contaminantes inorgánicos Contaminantes orgánicos Contaminantes radiológicos Criterios de selección de la fuente de agua cruda tomando en cuenta los aspectos fisicoquímicos El agua potable Aspectos fisicoquímicos Criterios de calidad del agua para consumo humano: las Guías de Calidad para Aguas de Consumo Humano de la OMS Referencias bibliográficas CAPÍTULO 2. ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA CALIDAD DEL AGUA Bióloga Margarita Aurazo de Zumaeta Introducción Características biológicas de las aguas superficiales Organismos propios de las aguas superficiales Bacterias patógenas Escherichia coli Virus entéricos... 69

9 Contenido ix 2.4 Enteroparásitos Protozoarios patógenos Helmintos enteropatógenos Cyanobacterias (algas azul verdes) Organismos cuya presencia en el agua tratada origina reclamos en los usuarios Indicadores microbiológicos de la calidad del agua Criterios biológicos de calidad para la selección de una fuente de agua cruda El agua potable. Aspectos biológicos Las guías de calidad de la OMS. Aspectos microbiológicos Referencias bibliográficas CAPÍTULO 3. PROCESOS UNITARIOS YPLANTAS DE TRATAMIENTO Ing. Lidia de Vargas Introducción Principales operaciones unitarias empleadas en el tratamiento del agua Transferencia de sólidos Transferencia de iones Transferencia de gases Transferencia molecular Otros procesos utilizados Plantas de tratamiento de agua o plantas potabilizadoras Tipos de plantas de tratamiento de agua Plantas de filtración rápida Plantas de filtración lenta Clasificación de las plantas de filtración rápida por el tipo de tecnología utilizada Sistemas convencionales Sistemas convencionales de alta tasa o de tecnología CEPIS/OPS Tecnología importada, de patente o plantas paquete Selección de la tecnología de tratamiento de agua Criterios de selección de una solución tecnológica Selección de procesos de tratamiento considerando las condiciones socioeconómicas de la comunidad Fase predictiva Fase evaluativa

10 x Aplicación Referencias bibliográficas CAPÍTULO 4. COAGULACIÓN Quím. Ada Barrenechea Martel Introducción Partículas coloidales Tipos de coloides de acuerdo con su comportamiento en el agua Características de las partículas coloidales y las sustancias húmicas Características de las arcillas Propiedades de los coloides Propiedades cinéticas Propiedad óptica: Efecto Tyndall Faraday Propiedad de superficie: adsorción Propiedad electrocinética: electroforesis Naturaleza de la turbiedad y el color Turbiedad Color Estabilidad e inestabilidad de los coloides Carga eléctrica de los coloides. Fuerza de estabilización La doble capa eléctrica Energía potencial de interacción de las partículas coloidales Efecto del aumento de la concentración iónica Sustancias químicas empleadas en la coagulación Coagulantes Sulfato de aluminio Cloruro férrico FeCl Sulfato ferroso FeSO 4.7 H 2 O Sulfato férrico Fe 2 (SO 4 ) Interacción de los coagulantes inorgánicos con el agua y la alcalinidad Modificadores de ph Ayudantes de coagulación Mecanismos de coagulación Compresión de la doble capa Adsorción y neutralización de la carga Captura en un precipitado de hidróxido metálico o captura por barrido Adsorción y puente interparticular Cinética o etapas de la coagulación

11 Contenido xi 6. Mecanismos de coagulación predominantes Coagulación por adsorción Coagulación por barrido Diagramas de coagulación Diagrama de coagulación con sulfato de aluminio Aplicabilidad de los diagramas de solubilidad del sulfato de aluminio en la coagulación Mecanismos de coagulación remoción de turbiedad Restricciones del uso del diagrama de coagulación de sulfato de aluminio (figura 4 26) Diagrama de coagulación para remoción del color Diagrama de coagulación para filtración directa Diagrama de coagulación con hierro Factores que influyen en el proceso Influencia de la concentración de coagulante Factores de mayor influencia en el desarrollo del proceso La calidad del agua cruda Temperatura Variables químicas Uso de polímeros como auxiliares Consideraciones generales Polímeros como auxiliares de filtración Referencias bibliográficas Bibliografía adicional CAPÍTULO 5. MEZCLA RÁPIDA Ing. Lidia de Vargas Introducción Mezcla rápida para coagulación de barrido Mezcla rápida turbulenta para neutralización de cargas Desestabilización de partículas en campos turbulentos Comprobación experimental Evidencia práctica Mezcla rápida con polímeros Parámetros operacionales Gradiente de velocidad Factores que modifican el proceso Intensidad y tiempo de mezcla Sistema de aplicación del coagulante Tipo de dispositivo de mezcla

12 xii 8 Mezcladores Hidráulicos Mecánicos Ventajas y desventajas de los mezcladores hidráulicos y mecánicos 260 Referencias bibliográficas CAPÍTULO 6. FLOCULACIÓN Ing. Lidia de Vargas Mecánica del proceso Teoría básica Parámetros operacionales Factores que influyen en la floculación Naturaleza del agua Influencia del tiempo de floculación. Compartimentalización Influencia del gradiente de velocidad Influencia de la variación del caudal Floculadores Floculadores de contacto de sólidos Floculadores de potencia Hidráulicos Mecánicos Referencias bibliográficas TOMO II CAPÍTULO 7. SEDIMENTACIÓN Ing. Víctor Maldonado Yactayo Conceptos generales Sedimentación de partículas discretas Sedimentación de partículas floculentas Sedimentación por caída libre e interferida Expresiones de velocidad de sedimentación Partículas discretas con caída libre Sedimentación interferida Sedimentación de partículas floculentas Factores que influyen en el proceso Calidad de agua... 18

13 Contenido xiii Condiciones hidráulicas Factores externos Clasificación de unidades Sedimentadores y decantadores estáticos Criterios generales Componentes de una unidad Tipos de unidades Decantadores dinámicos Criterios generales Componentes de una unidad Tipos de unidades dinámicas Decantadores laminares Teoría de la sedimentación laminar Trayectoria de una partícula en placas paralelas Factores que influyen en el proceso Tipos de decantadores laminares Referencias bibliográficas Bibliografía adicional CAPÍTULO 8. FLOTACIÓN Ing. Lidia de Vargas Conceptos teóricos Ecuaciones de la velocidad ascensional Sistemas de flotación Flotación por aire disperso Flotación electrolítica Flotación por aire disuelto Parámetros de proyectos Relación aire sólidos Cámara de presurización y recirculación de agua clarificada Cámara de flotación Pretratamiento Referencias bibliográficas Bibliografía adicional CAPÍTULO 9. FILTRACIÓN Ing. Víctor Maldonado Yactayo Introducción Mecanismos de la filtración... 83

14 xiv 2.1 Mecanismos de transporte Cernido Sedimentación Intercepción Difusión Impacto inercial Acción hidrodinámica Mecanismos de transporte combinados Mecanismos de adherencia Interacción combinada de las fuerzas electrostáticas y las de Van der Waals Enlace químico entre las partículas y la superficie de los granos Cinética de la filtración Introducción Balance de masas Modelos para la remoción de partículas suspendidas Retención y arrastre de partículas Coeficiente de filtración modificado Modelos matemáticos que relacionan λ con σ Pérdida de carga en un medio filtrante Pérdida de carga inicial Lavado de medios filtrantes Fluidificación de medios porosos Expansión de medios porosos Pérdida de carga en medios filtrantes expandidos Factores que influyen en la filtración Características de la suspensión Tipos de partículas suspendidas Tamaño de las partículas suspendidas Densidad de las partículas suspendidas Resistencia o dureza de los flóculos Temperatura del agua por filtrar Concentración de partículas suspendidas en el afluente Potencial zeta de la suspensión ph del afluente Características del medio filtrante Tipo del medio filtrante Características granulométricas del material filtrante El peso específico del material filtrante El espesor de la capa filtrante

15 Contenido xv 4.3 Características hidráulicas Tasa de filtración Carga hidráulica disponible para la filtración El método de control de los filtros Calidad del efluente Tipos de unidades de filtración Clasificación Filtración por gravedad Filtración ascendente Filtración descendente Filtración ascendente descendente Métodos de control operacional Tasa constante y nivel variable Tasa y nivel constantes Tasa declinante Medios filtrantes Filtros de lecho simple Filtros de lecho múltiple Filtración a presión Filtración directa Clasificación de la filtración directa Ventajas de la filtración directa Desventajas de la filtración directa Bibliografía CAPÍTULO 10.DESINFECCIÓN Quím. Ada Barrenechea e Ing. Lidia de Vargas Introducción La desinfección Utilidad de la desinfección Teoría de la desinfección Factores que influyen en la desinfección Los microorganismos presentes y su comportamiento La naturaleza y concentración del agente desinfectante La temperatura del agua La naturaleza y calidad del agua El ph El tiempo de contacto Variables controlables en la desinfección Acción de los desinfectantes

16 xvi 3.4 Cinética de la desinfección: la ley de Chick Formas de desinfección Agentes físicos Sedimentación natural Coagulación floculación sedimentación La filtración El calor La luz y los rayos ultravioleta Agentes químicos Características de un buen desinfectante químico Los agentes oligodinámicos de desinfección: Ag Los agentes oxidantes Estabilidad de los desinfectantes químicos La cloración Características del cloro como desinfectante Comportamiento del cloro en el agua Reacciones del cloro en el agua Reacciones del cloro con el amoniaco Reacciones del cloro con otros componentes del agua Resumen de las reacciones del cloro en el agua y su relación con el proceso de cloración Otros compuestos de cloro Cal clorada Hipoclorito de calcio Hipoclorito de sodio Dióxido de cloro Cálculo de la cantidad de cloro activo de acuerdo con las especies usadas El gráfico del punto de quiebre Eficacia del cloro Algunos aspectos toxicológicos de la cloración Los trihalometanos Clorofenoles Cloraminas y sus derivados Dióxido de cloro Estaciones de cloración Almacén Sala de cloración Cámara de contacto

17 Contenido xvii Referencias bibliográficas Bibliografía adicional CAPITULO 11. CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE LOS PROCESOS Y DE LOS PARÁMETROS ÓPTIMOS DE LAS UNIDADES Ing. Lidia de Vargas Selección de alternativas de tratamiento en función de la calidad de la fuente Selección de parámetros óptimos de los procesos Fundamentos Equipos utilizados Antecedentes Descripción del equipo de prueba de jarras utilizado Sistema de dosificación Sistema de agitación Descripción de las jarras Sistema de toma de muestras Iluminación Equipo auxiliar Precauciones y limitaciones Consideraciones generales para la ejecución de ensayos en la prueba de jarras Soluciones químicas empleadas Tamaño del flóculo producido Tiempo inicial de formación del flóculo Determinación de ph, alcalinidad, coagulante y turbiedad o color residuales Parámetros de dosificación Selección del coagulante Aplicaciones prácticas Caso del proyecto de una planta nueva Referencias bibliográficas Bibliografía adicional

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