XV CONGRESO DE INGENIERIA SANITARIA Y AMBIENTAL AIDIS CHILE. Concepción, Octubre de 2003

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1 XV CONGRESO DE INGENIERIA SANITARIA Y AMBIENTAL AIDIS CHILE Concepción, Octubre de 2003 EXPERIENCIA DE PROYECTO PILOTO PARA ABASTECER DE AGUA POTABLE A LAS LOCALIDADES RURALES DE LASANA Y CHIU CHIU Tomas Rogers Mac-Lean; Nicolás Gálvez Soto; Teresa Almarza Jofré Departamento Programas Sanitarios, Dirección de Obras Hidráulicas Moneda 1040 piso 4, Santiago, Chile TomasRogers@moptt.gov.cl; teresa.almarza@usach.cl RESUMEN El Programa Nacional de Agua Potable Rural, logrará abastecer de agua potable a la totalidad de las localidades rurales concentradas durante el año Para cumplir con este objetivo, el Departamento de Programas Sanitarios de la Dirección de Obras Hidráulicas ha desarrollado e implementado diversos proyectos pilotos utilizando innovaciones tecnológicas que permitan mantener una tarifa adecuada a la realidad socioeconómica de estas localidades rurales. En particular, las localidades de Lasana y Chiu Chiu, ubicadas cerca de la ciudad de Calama, se caracterizan por presentar problemas de altas concentraciones de arsénico y sales en las fuentes de agua potable. Los contenidos de arsénico en el agua superan en más de diez veces lo exigido por la legislación Chilena. El alto riesgo toxicológico al que estuvieron sometidas estas poblaciones durante numerosos años fue confirmado por estudios que demostraron que el 75 % de ingesta de arsénico correspondía al consumo de agua. Es por ello que, hace dos años, fue instalada una planta abatidora de arsénico, la cual cuenta con procesos de oxidación, adsorción, floculación-decantación, filtración y desinfección. La energía eléctrica necesaria para operar esta planta es suministrada por un sistema híbrido, compuesto por paneles fotovoltaicos, generadores eólico y de combustible; Esta planta posee una capacidad máxima de tratamiento de 7.2 (m 3 /hr). El presente trabajo tiene como objetivo principal dar a conocer las tecnologías utilizadas para estas localidades, evaluando el funcionamiento operativo de la planta a objeto de replicar esta experiencia en localidades con características similares.

2 Introducción y Objetivos El agua es un recurso vital para la vida del hombre y para su desarrollo productivo. Por lo general, el agua se encuentra en la naturaleza en forma superficial o subterránea, desde donde es captada, conducida y finalmente tratada, para así obtener un agua apta para el consumo humano. En la II Región de Antofagasta este recurso es escaso y de mala calidad, ya que presenta una alta contaminación con arsénico, elemento que se encuentra en forma natural, ligado principalmente a rocas volcánicas cenozoicas presentes en territorio andino. En Chile en 1970, se establece el primer límite máximo para la concentración de arsénico en el agua potable, con un valor de 0.12 [mg/l]. En el año 1984, a través de la Norma Chilena NCh 409 Of. 84 este valor límite fue cambiado a 0.05 [mg/l], el cual rige en el presente. En la población de la Segunda Región, la principal vía de exposic ión al arsénico es a través del agua de consumo. Se ha demostrado que a largo plazo, el consumo de este elemento tóxico puede llegar a producir cáncer a la piel y a algunos órganos internos. Actualmente, en las ciudades de la zona, este problema está controlado, ya que ESSAN S.A., que está a cargo del abastecimiento de agua potable para la II Región, cuenta con tres plantas de tratamiento, dos en Antofagasta y una en Calama, las que entregan agua potable que cumple con todos los límites establecidos por la Norma Chilena de Agua Potable NCh 409 Of. 84. Además ESSAN S.A. abastece a algunos pueblos rurales de la región que se encuentran cerca de su red de distribución de agua potable. Sin embargo, existen casos en que los pueblos están muy alejados de la red, siendo operacionalmente imposible abastecerlos de este vital elemento. Este es el caso de las localidades de Lasana y Chiu-Chiu, se encuentran ubicadas a unos 33 y 45 Km. de Calama respectivamente a 2700 m.s.n.m., su principal actividad económica es la agricultura, estos pueblos eran abastecidos de distintas fuentes que contienen un alto contenido de arsénico. La población consumía esta agua sin ningún tratamiento previo, excepto de una desinfección, quedando expuestas a este peligroso elemento..

3 Con el fin de evitar la ingesta de arsénico vía digestiva, se implemento una planta de abatimiento de arsénico, la cual es capaz de abastecer a las localidades de Lasana y Chiu Chiu. La población actual de Lasana es de 237 habitantes y posee 100 arranques de distribución de agua potable. En el caso de Chiu Chiu, posee 368 habitantes y 126 arranques. Actualmente existe un sobreconsumo de agua en estas localidades, ya que como promedio en una localidad rural el consumo por habitante es de 100 a 115? L/hab.día?y en estas localidades es de 286? L/hab.día?. Esto se debe principalmente al bajo costo del metro cúbico de agua, ya que actualmente se está vendiendo a 150 [ $/m 3 ] en la localidad de Lasana y 250 [ $/m 3 ] en Chiu Chiu. El presente trabajo tiene como objetivo principal dar a conocer las tecnologías utilizadas para estas localidades, evaluando el funcionamiento de la planta a objeto de replicar esta experiencia en localidades con características similares. Descripción del proceso La planta de abatimiento de arsénico para las localidades de Lasana y Chiu Chiu tiene como objetivo la eliminación del arsénico presente en el agua, su clarificación y desinfección. Esta consiste en un proceso de oxidación, adsorción, floculación decantación, filtración y desinfección, el cual se conoce por el nombre de proceso convencional de abatimiento de arsénico. Esta planta posee una capacidad máxima de tratamiento de 7.2?m 3 /hr?. En la naturaleza el arsénico se encuentra en sus dos estados de oxidación, el estado pentavalente (As +5 ) y trivalente (As +3 ), siendo el primero más fácil de remover y menos tóxico que el arsénico trivalente. Principalmente, el arsénico presente en las aguas de la Región se encuentra en su estado pentavalente, pero existen pequeñas trazas de arsénico Trivalente; el objetivo de la etapa de oxidación, es oxidar todo el arsénico trivalente que pudiese contener el agua cruda a arsénico pentavalente. La oxidación se logra dosificando 0.15?mg/L? de permanganato de potasio, el cual es un oxidante enérgico. Después de la etapa de oxidación, al agua se le dosifica cloruro férrico, el cual se hidroliza al reaccionar con la alcalinidad del agua y con la molécula de ésta, formando precipitados de hidróxido de hierro en cadenas poliédricas insolubles, llamados coágulos, donde el arsénico es adsorbido

4 principalmente debido a fuerzas atractivas de superficie. Este es un proceso rápido que no dura más allá de cinco minutos. Para ayudar en el proceso de coagulación se dosifica cal apagada, la cual ayuda a la formación de los coágulos, haciéndolos más resistentes y pesados El agua pasa luego a un sedimentador de 19?m 3? de volumen aproximadamente. Esta etapa cumple con dos objetivos. Primero, la floculación de los coágulos de mayor tamaño llamados flóculos. El fenómeno que ocurre es el de adsorción y desestabilización basado principalmente en las fuerzas electrostáticas y las fuerzas de superficie que indicamos anteriormente. En segundo lugar, en estos equipos, se separan de la masa de agua, por decantación, el precipitado de hidróxido de hierro con arsénico adsorbido. El proceso es análogo a la remoción de turbiedad. El decantador posee tolvas de acumulación de lodos arsenicados, desde donde son extraídos cada tres días por medio del drenaje de estos. El lodo es conducido a dos piscinas de polietileno de alta densidad de evaporación solar de polietileno de alta densidad. El agua clarificada que sale del decantador pasa a dos filtros de lecho mixto a presión, conectados en paralelo, los cuales trabajan con una taza de filtración de 200?m 3 /m 2 /día?. Estos filtros utilizan como medio filtrante una capa de 80? cm? de antracita ( carbón activado) y una capa de 30? cm? de arena de cuarzo. Aquí se retienen los sólidos que no han sido captados por la etapa de sedimentación. Además, se produce un proceso de adsorción entre el arsénico remanente de las operaciones anteriores y la antracita con la que esta constituido el filtro. Los filtros son lavados a contracorriente con agua tratada cada dos días y las aguas de descarte son enviadas a las piscinas de evaporación. Finalmente, el agua es clorada con una solución de hipoclorito de sodio, con lo que se asegura que el agua que es tratada en la planta cumpla con todos los requisitos exigidos por la Norma Chilena de Agua Potable NCh 409/1 Of. 84. El agua tratada fluye luego a un estanque de almacenamiento, que está situado en la localidad de Lasana. Esta planta posee sistemas automáticos de operación, tales como bombas dosificadoras proporcionales al flujo. Con ello se logra mantener la dosificación estable, independientemente del flujo de agua con que se esté alimentando a la planta, Además, un sistema de control de rebalse, el cual detiene o pone en marcha la planta a través de sensores de altura instalados en el estanque de agua tratada, dependiendo de la cantidad de agua que se encuentre en el estanque.

5 Dosificación de KmnO 4 = 0.15 ppm Dosificación de FeCl 3 = 25 ppm AGUA CRUDA Caudal =2 L/s Concentración de Arsénico = 0.42 ppm Concentración de Hierro = 0 Turbiedad = 0.4 NTU ph = 7.9 Presión = 2 bar SEDIMENTACIÓN Eficiencia = 70 % Concentración de Arsénico a la salida = 0.12 ppm Cloración con hipoclorito de sodio = 0.5 ppm FILTRACIÓN Tasa de filtración = 200 [m 3 /m 2 /día] Lecho de antracita = 50 cm Lecho de arena = 30 cm AGUA TRATADA Figura 1 Descripción de la planta de remoción de arsénico Caudal =2 L/s Concentración de Arsénico = 0.04 ppm Concentración de Hierro = 0 Turbiedad = 0.4 NTU ph = 7.9 Seguimiento de la operación de la planta Esta planta fue puesta en servicio (marcha blanca) el 8 de enero del 2001, comenzó a funcionar con filtración directa. Para esa fecha, no estaba instalado el decantador. Según las especificaciones de los proveedores de la planta SIHI, se debía dosificar 5?mg/L? de cloruro férrico. En el seguimiento se observó que no existe una buena coagulación con lo cual la concentración de arsénico se mantuvo fuera de los niveles establecidos en la norma NCh 409 Of. 84, obteniéndose una concentración

6 promedio de 0.25? mg/l?. Además, la concentración de hierro aumenta considerablemente en el agua de salida, mostrando que no hay formación de flóculos grandes que puedan ser retenidos por el filtro. Teniendo en cuenta los resultados anteriores, se hizo una prueba de jarras en el laboratorio de control de procesos de Essan S.A. de Calama, en donde se encontró que la dosis óptima de cloruro férrico para abatir arsénico a los niveles establecidos por la norma es de 20 a 25 ppm de cloruro férrico. A continuación se muestran estos resultados (tabla 1). Tabla 1 Pruebas De Jarras Dosis Muestras Fe Cl3 Decantado Filtrado (ppm) Turbiedad Turbiedad ph Temperatura Alcalinidad Arsénico Fierro (NTU) (NTU) ºC (ppm) (ppm) (ppm) 1 5 1,14 0,75 7, ,259 0, ,00 1,16 7, ,181 1, ,00 0,53 7, ,053 0, ,38 0,34 7, ,022 0, ,18 0,31 7, ,016 0, ,71 0,34 7, ,011 0,03 Al inicio de la marcha blanca, la planta no funcionaba las 24 horas del día debido a problemas en el grupo electrógeno que operan los Comités de Agua Potable Rural de las Localidades de Lasana y Chiu Chiu. El déficit de agua era suplido con agua cruda que se traspasaba al estanque de almacenamiento durante la noche. Hasta el día 19 de enero de 2001, no se realizo ninguna modificación en el sistema en cuanto a la dosificación de coagulante. Se puede observar, en la tabla 2, que la concentración de hierro y arsénico están en todas las ocasiones fuera de la norma, en un valor mínimo de 0.06?ppm? y un máximo de 0.32?ppm? en el caso del arsénico y un mínimo de 0.02?ppm? y un máximo de 1.28?ppm? en el caso del hierro.

7 Tabla 2 Agua tratada en la planta Tipo de Agua Fecha Alcalinidad ph cloruro turbiedad arsénico hierro (ppm) (NTU) (ppm) (ppm) Cruda 08/01/ ,6 63 0,23 0,32 0,03 Tratada 08/01/ ,3 61 0,30 0,09 0,32 Tratada 08/01/ ,2 63 0,20 0,09 0,32 Tratada 10/01/2001 0,20 0,14 0,55 Tratada 11/01/2001 0,20 0,10 0,21 Tratada 12/01/2001 0,57 0,18 1,07 Tratada 15/01/2001 0,20 0,31 0,02 Tratada 17/01/2001 0,20 0,13 0,05 Tratada 19/01/ ,3 0,50 0,06 1,05 Tratada Casa 19/01/ ,7 0,70 0,16 1,28 El día 19 de enero del 2001, cuando se tomaron muestras en la mañana, la concentración de hierro en el agua tratada era de 5 ppm, indicando una coagulación deficiente. Por esta razón se optó por aumentar la dosis de cloruro férrico a 25 ppm aproximadamente (dosis encontrada en las pruebas de jarras), con el fin de favorecer la formación de flóculos de mayor tamaño de manera tal que quedasen estos últimos retenidos en el filtro. Utilizando esta concentración de coagulante, se logró bajar la concentración de hierro en el agua tratada hasta 2 ppm de hierro, valor que aún está fuera de la norma. En vista de lo mencionado anteriormente, se lavaron los dos filtros. Después de esperar media hora se tomaron muestras que indicaron concentraciones bajas de arsénico, en el orden de 0.01 ppm y 0.02 ppm de hierro. Estos parámetros se mantuvieron dentro de estos rangos solo por una hora, aumentando la concentración de hierro y arsénico a los valores que se indican en la tabla 2. Por esta razón se decidió dejar temporalmente fuera de funcionamiento la planta, regresando al antiguo sistema de distribución que poseen estas localidades. Durante ese tiempo, el agua de la aducción fue bypaseada a las localidades, por lo que la concentración de arsénico se mantuvo fuera de la norma promediando los 0.4? mg/l?.

8 Otro motivo por el cual se dejó fuera de servicio la planta, fue debido a que durante el lavado de los filtros se observó pérdida de material filtrante. Desde el 19 de enero hasta el 22 de febrero la planta estuvo fuera de servicio. El día 22 de febrero, personal de SIHI reguló el flujo de retrolabado de los filtros, evitando así la perdida de material filtrante. A su vez, reguló la dosificación de cloruro férrico a 5 ppm y dejo la planta en funcionamiento. La concentración de arsénico y hierro se mantuvieron en un promedio de 0.15 a 0.3 ppm respectivamente. Desde el mes de febrero hasta el mes de abril la planta sólo funcionaba 8 horas diarias debido principalmente a la falta de energía eléctrica. Durante la noche se detenía la planta y se by-paseaba el agua. A raíz del invierno altiplanico que rompió la red de distribución de las localidades de Lasana y Chiu Chiu, fue suspendido el proceso de marcha blanca de la planta, desde el 29 de febrero al 29 de marzo del El día 29 de marzo, una vez reparados los daños, con el fin de mejorar el proceso de floculación, la empresa SIHI resolvió instalar un agitador estático, el cual consiste en una argolla con paletas deflectores en un circulo interior, las cuales aumentan la turbulencia del flujo y crean una mezcla homogénea entre el agua y los productos químicos (cloruro férrico y permanganato de potasio). Se esperaba que este dispositivo lograra bajar la concentración de arsénico al nivel establecido por la norma de calidad de agua. Además del agitador estático, se instalaron dos manómetros: uno a la entrada de los filtros y otro a la salida de estos, con el objeto de medir la pérdida de carga que se produce en ellos. Personal de SIHI indicó que la pérdida máxima de presión que debe existir dentro de los filtros es de 0.5 Bar. Si aumenta la pérdida de carga, es necesario lavar los filtros para evitar su colmatación. Durante el día 28 de marzo, el personal de SIHI chequeó todos los equipos de la planta, constatando su buen funcionamiento. Además, reguló los flujos de alimentación, lavado de filtros y los flujos de dosificación de las bombas de cloruro férrico, permanganato de potasio e hipoclorito de sodio.

9 El día 29 de marzo se reinició el proceso de puesta en marcha blanca de la planta, con una dosificación de cloruro férrico de 5 ppm. Se tomaron muestras, a las cuales se les realizo análisis de arsénico y hierro. Los resultados indican que no se ha logrado bajar la concentración de arsénico a los niveles establecidos por la norma, ya que los valores se han mantenido en un promedio de 0.15 ppm Las condiciones de operación se indican a continuación:? Flujo de alimentación 2.02 (L/s)? Tasa de filtración 200 (m 3 /m 2 /día)? Flujo de lavado de filtros 2.92 (L/s)? Dosificación de Fe Cl 3 5 (mg/l)? Dosificación KmnO (mg/l)? Flujo de dosificación de Fe Cl (ml/hr)? Flujo de dosificación de KmnO (ml/hr)? % de tornillo de dosificación de Fe Cl 3 86%? % de tornillo de dosificación de KmnO 4 60%? Presión de línea 2 bar? Perdida de carga de los filtros 0.1 bar Las concentraciones de las soluciones madres de dosificación son las siguientes, cloruro férrico 64 (gr./l) y permanganato de potasio 2.5 (gr./l). Se tomaron muestras cada dos horas, a las cuales se les realizo análisis de hierro y arsénico en Planta de Filtros Cerro Topater. Los resultados se presentan en la tabla 3. Tabla 3 Fecha Hora Muestra Conc.As Conc.Fe % de (mg/l) (mg/l) abatimiento 29/03/ :00 Agua cruda 0,4 0,1 29/03/ :00 Agua Tratada 0,12 0, /03/ :00 Agua Tratada 0,15 0,61 63

10 En vista de los resultados, se optó por bajar la dosificación de cloruro férrico para controlar la concentración de hierro. Además, se observó una leve pigmentación rosada debido a la presencia de permanganato de potasio, ya que éste no se estaba reduciendo por completo. Por lo tanto, se decidió bajar la dosificación de permanganato de potasio. Las nuevas condiciones operacionales se indican a continuación.? Dosificación de Fe Cl (mg/l)? Dosificación KmnO (mg/l)? Flujo de dosificación de Fe Cl (ml/hr)? Flujo de dosificación de KmnO (ml/hr)? % de tornillo de dosificación de Fe Cl 3 86%? % de tornillo de dosificación de KmnO 4 60% Los flujos de alimentación y la presión de línea no se modificaron. Tabla 4 Fecha Hora Muestra Conc.As Conc.Fe % de (mg/l) (mg/l) abatimiento 30/03/ :00 Agua Tratada 0,092 0, /03/ :00 Agua Tratada 0,112 0, /03/ :00 Agua Tratada 0,28 0, /03/ :00 Agua Tratada 0,33 0,3 18 Se puede observar (tabla 4) que la concentración de arsénico va aumentando durante el tiempo, aunque la concentración de hierro se ha mantenido en el valor de la norma. En vista de que ninguna de las modificaciones realizadas durante las pruebas logró controlar el proceso, se decidió dejar la planta funcionando todavía en carácter de marcha blanca con una dosificación de 5 ppm de cloruro férrico. Con esta dosificación logra mantener una concentración estable de arsénico en el agua tratada de 0.15 ppm (que es aproximadamente un tercio del contenido natural de arsénico). Para controlar la concentración de hierro en 0.2 a 0.3 (mg/l) en el agua de salida, todos los días se lavan los filtros.

11 El día 5 de abril se rompió una pieza especial en el sistema de alimentación de agua cruda a la planta, quedando ésta fuera de servicio hasta el 26 de abril. Conforme a indicaciones de SIHI, se realizaron pruebas durante los días 26 y 27 de abril, dosificando lechada de cal (experiencias propuestas por SIHI) con el fin de aumentar el ph y la alcalinidad en el agua cruda y de este modo mejorar la coagulación y adsorción de arsénico. No obstante, los resultados no indicaron una mejoría en el proceso. En el mes de abril se instala un generador eólico, con el cual es posible operar las 24 horas, la planta no es capaz de abatir la cantidad de arsénico que posee el agua cruda, obteniéndose concentraciones de arsénico erráticas. El 24 de septiembre se comienza a dosificar cal al agua cruda con el fin de aumentar la adsorción del arsénico, con lo cual se logra bajar la concentración de arsénico, no lo suficiente como para alcanzar los niveles deseados, aunque se observa una mayor estabilidad en este parámetro. En vista del mal funcionamiento de planta, se decide instalar un decantador, el cual se pone en funcionamiento el día 7 de diciembre obteniéndose de inmediato buenos resultados. El agua cumple entonces los parámetros establecidos por la Norma Chilena de Agua Potable NCh 409/1 Of. 84. Modificaciones realizadas Desde la puesta en marcha de la planta se han realizado modificaciones en el proceso con el fin de mejorar la operación y la calidad del agua tratada. El 09 de abril se instaló un generador eólico el cual alimenta a 16 baterías de ciclo profundo tipo gel de 210 Amp/hr a 20 horas, además de 4 paneles fotovoltaicos de 80 watt cada uno marca Kyocera, con lo cual se logra tener en operación a la planta las 24 horas del día. El 24 de septiembre se instala un sistema de dosificación de cal apagada, el cual consiste en un estanque de 800 litros, con un sistema de agitación continuo. La dosificación de cal se realiza a través de una bomba dosificadora de cal, la cual tiene un sistema de lavado para que no se obstruya a raíz de

12 las incrustaciones que produce la cal. La función que cumple este sistema es aumentar la alcalinidad del agua con tal que exista una buena adsorción del arsénico presente en el agua. Finalmente, el 7 de diciembre se puso en funcionamiento un decantador, el cual tiene como objetivo retener la mayor cantidad de flóculos arsenicados.