CÁLCULO Y DIMENSIONADO DE UNA INSTALACIÓN POTABILIZADORA DE AGUA CON APROVECHAMIENTO DE ENERGÍA SOLAR EN NIKKI, BENIN.

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1 CÁLCULO Y DIMENSIONADO DE UNA INSTALACIÓN POTABILIZADORA DE AGUA CON APROVECHAMIENTO DE ENERGÍA SOLAR EN NIKKI, BENIN. Autor: Valero Solesio, Inés. Directores: Cledera Castro, Mar. Morales Polo, Carlos. Entidad colaboradora: Fundación para el Desarrollo de Benín (FUNDEBE) y OAN RESUMEN DEL PROYECTO 1. Objetivos y Motivación El objetivo de este proyecto es diseñar una pequeña E.T.A.P. (Estación de Tratamiento de Agua Potable) con el fin de abastecer de agua potable a las instalaciones del colegio Nuestra Señora del Carmen, situado en Nikki (Benín). Dicha E.T.A.P. estará alimentada con energía solar fotovoltaica, de manera que se aprovechen al máximo los recursos naturales de los que se dispone en esta localización. Esta instalación se ha diseñado para tener una capacidad de 900 habitantes equivalentes y un caudal de 100L por habitante al día. Por lo tanto, puesto que la E.T.A.P. ha de trabajar en continuo, durante las 24h del día, el caudal de diseño de la E.T.A.P. es de 3,75 m 3 /h. 2. Metodología A la hora de diseñar este proyecto, se ha tenido muy presente que se trata de un país del Tercer Mundo, especialmente pobre y aislado. Por ello, los criterios fundamentales para el diseño de esta instalación son el bajo coste de los procesos y un mantenimiento lo más sencillo posible, sin comprometer de modo alguno la calidad del agua tratada. Este proyecto se basa en el aprovechamiento más efectivo posible de dos grandes recursos naturales al alcance del hombre, como son el agua subterránea disponible en un acuífero y la radiación solar incidente en esta ubicación privilegiada. De esta forma se busca una instalación sostenible y eficiente, a la vez que explotable por los propios benineses. Además, se ha buscado en todo momento que la solución propuesta se adapte a las necesidades reales de los habitantes de Nikki.

2 3. Desarrollo y Resultados 3.1. Dimensionado de la E.T.A.P. Partiendo de la muestra de agua analizada del pozo de captación existente en el colegio, se han estudiado los resultados de contaminación y se han encontrado niveles especialmente elevados de carga microbiológica y de turbidez. Parámetros Valor Normativa/Directrices OMS Unidad Físico-Químicos Microbiológicos Temperatura 29,8 - ºC Ph 7,5 6,5 < ph < 8,5 - Conductividad 460 < 2000 μs/cm TDS UNT Cloro Residual Libre 0 0,5-1 mg/l Coliformes Totales 58 0/100 ml ml Escherichia Coli 272 0/100 ml ml Para poner solución a esta contaminación se ha optado por un tratamiento que consiste en un pretretamiento físico, seguido de un tratamiento físico-químico estándar y una etapa final de desinfección. En la primera etapa de pretratamiento, se ha optado por una aireación escalonada de hormigón, destinada principalmente a oxigenar el agua para las posteriores etapas de tratamiento, y liberarla de gases presentes en aguas confinadas.

3 La segundo etapa consiste en una preoxidación química a base de cloro. El objetivo principal de esta etapa es conseguir la oxidación de compuestos como el H2S, Fe 2+, Mn 2+, NO2 -, y de esta forma garantizar más adelante una desinfección más efectiva contra la carga bacteriológica. A continuación, se incluye una etapa de coagulación-floculación-decantación con el objetivo de desestabilizar químicamente y aglomerar las partículas causantes de turbidez, dejándolas decantar finalmente por su propio peso. Como particularidad principal, se ha prescindido de la arqueta de coagulación aprovechando el resalto hidráulico de la aireación, y se ha dimensionado un tanque de floculación de hormigón con paletas, y de fácil construcción. Cabe destacar que se ha prescindido en todo momento de elementos mecánicos y eléctricos a fin de conseguir el mínimo consumo energético. Coagulante Coagulación Floculación A la salida del decantador, se encuentra una etapa de filtración mediante un filtro rápido de arena por gravedad, compuesto por dos medios filtrantes: arena y antracita, de sección rectangular y también construido en hormigón. Con ello se consigue una reducción efectiva de la carga bacteriológica así como de los sólidos en suspensión, para afinar así la reducción de color y turbidez. Finalmente, la etapa de desinfección no resulta tan agresiva al haber sido complementada por la preoxidación inicial y la filtración de arena. Se ha elegido el cloro como desinfectante al ser el más estudiado y conocido, además de ser aquel por el que se rigen todas las normas de desinfección a día de hoy.

4 3.2. Dimensionado del sistema fotovoltaico Finalmente, se ha diseñado el abastecimiento solar fotovoltaico necesario para el sistema de bombeo, aprovechando las buenas condiciones solares de Nikki. Si bien la bomba existente en la actualidad es una Grundfos SQFlex 2 5A-2, se ha dimensionado el consumo energético únicamente en función de las necesidades hidráulicas del bombeo (caudal y altura), y no de las características de la bomba, para poder contemplar un posible cambio del sistema de bombeo. El consumo de energía máximo de la instalación obtenido ha sido de 31,3 Whd. Para satisfacer ese consumo, ha sido necesario un único módulo fotovoltaico policristalino modelo ATERSA A 280P, en conexión con un regulador solar de carga LEO-20, un convertidor-cargador BCCR V y un banco de batería Sonnenschein A600 de 24V. La colocación del panel es fija e integrada en el edificio, con una inclinación óptima de 14º y azimut de -3º.

5 4. Conclusiones Se ha diseñado un sistema de potabilización adaptado a las necesidades del área sensible a tratar. Las etapas se han seleccionado atendiendo a los criterios sociales y recursos disponibles en Nikki. De tal manera, se han reducido al máximo los elementos mecánicos y eléctricos de la potabilizadora para reducir al máximo el consumo energético. Al utilizar este método se consigue una instalación robusta, compacta y sencilla, a la vez que efectiva. Las necesidades de mantenimiento son mínimas y no se requiere personal cualificado. Se aprovecha la disponibilidad de equipos fotovoltaicos existentes para diseñar la instalación de abastecimiento energético, atendiendo a posibles cambios en el sistema de bombeo. 5. Referencias [OMS_06] Organización Mundial de la Salud, OMS. Guías para la calidad del agua potable [METC96] Metcalf & Eddy. Reutilización del agua [GALV03] R, Martín Galvín. Fisicoquímica y microbiología de los medios acuáticos: tratamiento y control de la calidad de las aguas [AWWA02] American Water Works Association. Calidad y tratamiento de agua: manual de suministros de agua comunitaria [ROME99] JA, Romero Rojas. Potabilización del agua. 3º Ed [PARE10] M. Pareja Aparicio. Cálculo de una instalación aislada,2ºed [CASA12] M.Casa, M.Barrio. Instalaciones solares fotovoltaicas. 2012

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7 CALCULATION AND DIMENSIONING OF A WATER TREATMENT PLANT USING SOLAR ENERGY IN NIKKI, BENIN. Author: Valero Solesio, Inés. Directors: Cledera Castro, Mar. Morales Polo, Carlos. Collaborating Institutions: Foundation for Benin s Development (FUNDEBE) and OAN International. PROJECT SUMMARY 1. Objectives and Motivation The objective of this project is to design a small D.W.T.P (Drinking Water Treatment Plant) with the aim of providing safe water to Nuestra Señora del Carmen School in Nikki, Benin. This water treatment plant will use solar photovoltaic energy to run itself, in order to take maximum advantage of the natural resources available in that particular location. The infrastructure has been designed for a population capacity of 900 people using 100L a day. Therefore, as the station will be running continuously, 24h a day, the design flow is 3.75 m 3 /h. 2. Methodology This project has been designed keeping in mind that Benin is a Third World country, especially poor and isolated. For that reason, the two main criteria while designing the water treatment plant have been: the low cost of the treatment processes and the easiest possible operation and maintenance, without giving up on water quality. This project is based on the efficiency of using two important natural resources as groundwater from an aquifer and solar radiation in this privileged location. Sustainability and efficiency are essential, but also the proposed solution has to meet the real needs of Nikki s population.

8 3. Development and Results 3.1. Water treatment dimensioning By analysing the water sample from the school well, the results reveal an especially high microbiological contamination and turbidity in the water. Physico-Chemical Microbiological Parameters In order to meet the water regulation levels, it has been decided to use a treatment consisting of a physical pre-treatment, followed by a physico-chemical treatment and finished with a disinfection stage. Results OMS Guidelines Unit Temperature 29,8 - ºC ph 7,5 6,5 < ph < 8,5 - Conductivity 460 < 2000 μs/cm TDS UNT Free Residual 0 Chlorine 0,5-1 mg/l Coliforms 58 0/100 ml ml Escherichia Coli 272 0/100 ml ml In the first pre-treatment stage, there is a stepped aeration, made of concrete, in order to oxygenate water for the following stages and to evacuate polluting gases. The second stage consists of a chemical pre-oxidation by adding liquid chlorine. The main objective of this stage is to reach the oxidation of the H2S, Fe 2+, Mn 2+, NO2 - particles, and to reach a more efficient bacteriological disinfection in the last stage.

9 After that, the third stage consists of a coagulation-flocculation-decantation in order to chemically destabilize and agglomerate turbidity particles, letting them decant downwards by the force of gravity. No use was made of the coagulation tank in order to take advantage of the final aeration step, and neither were mechanical and electrical elements used in order to minimise energy consumption. Coagulant Coagulation Flocculation After decantation, there is a filtration stage consisting of a gravity sand filter, composed by two different filtering materials: sand and anthracite. The filtration stage consists of a rectangular tank built in concrete. In this stage, a great elimination of bacteriological pollution and suspended solids is achieved. Finally, the last stage consists of a not particularly aggressive disinfection taking into account the previous stages of pre-oxidation and filtration. Chlorine is the disinfectant chosen for this purpose, due to the fact that current water regulations include chlorine levels Photovoltaic dimensioning To end up with, the photovoltaic solar system has been dimensioned for providing energy to the water pump, making use of good solar conditions in Benin. Even if the existent pump is a Grundfos SQFlex 2.5A-2, energy consumption has been dimensioned with the water flow and suction head, but not depending on the pump characteristics, in order to be able to change the pump if needed. The maximum energy consumption of the water treatment station is 31,3 Whd. To meet this consumption, only one photovoltaic cell was needed, connected to a solar regulator LEO-20, a converter-charger BCCR V and a Sonnenschein A600-24V battery. The collocation of the solar panel is fixed and integrated on the roof, with an optimal inclination of 14º and an azimuth of -3º.

10 4. Conclusions A water treatment plant has been designed in accordance with the real needs of the chosen location. Stages has been selected according to social criteria and available resources in Nikki. Therefore, mechanical and electrical elements have been reduced to the minimum in order to reduce energy consumption as much as possible. By this method, the result is a robust, compact and simple water plant, but effective at the time. Maintenance needs are small. the energy consumption is going to be supplied by taking advantage of the existent solar equipment, taking into account possible changes on the pumping system. 5. References [OMS_06] Organización Mundial de la Salud, OMS. Guías para la calidad del agua potable [METC96] Metcalf & Eddy. Reutilización del agua [GALV03] R, Martín Galvín. Fisicoquímica y microbiología de los medios acuáticos: tratamiento y control de la calidad de las aguas [AWWA02] American Water Works Association. Calidad y tratamiento de agua: manual de suministros de agua comunitaria [ROME99] JA, Romero Rojas. Potabilización del agua. 3º Ed [PARE10] M. Pareja Aparicio. Cálculo de una instalación aislada,2ºed [CASA12] M.Casa, M.Barrio. Instalaciones solares fotovoltaicas. 2012