ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA.
UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LOPEZ MATEOS.
REUTILIZACIÓN SANA Y AHORRO DE AGUA EN UN EDIFICIO
MULTIFAMILIAR.
TESIS COLECTIVA.
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN.
PRESENTAN:
ENRIQUE RAMÍREZ JAIME.
ANAYELI RUIZ CHÁVEZ.
OSWALDO MANUEL TREJO ALMAZÁN.
ASESORES:
ING. IGNACIO MARTÍNEZ SÁNCHEZ.
ING. ALFREDO CONTRERAS MONDRAGÓN.
Objetivo i
Justificación ii
Introducción iii
Antecedentes vi
CAPÍTULO 1 – Usos domésticos del agua.
1.1. Ventajas e inconvenientes de la reutilización de agua. 2
1.2. Agua potable. 2
1.3. Usos interiores del agua potable. 6
1.3.1. Regaderas. 6
1.3.2. Llaves de lavabos y fregaderos. 6
1.3.3. Lavadoras. 6
CAPÍTULO 2 – Características del agua gris e introducción al proceso de reutilización.
2.1. Características del agua gris. 8
2.2. Reutilización de aguas tratadas en las viviendas 13 2.3. Funcionamiento y características técnicas para el sistema de
aguas. 13
CAPÍTULO 3 – Diseño del sistema, cálculos y selección de instrumentos y equipo.
3.1. Diseño del sistema para la reutilización de las aguas. 18 3.1.1. Trampa de grasas (Sumidero Sifónico). 20 3.1.2. Filtración multicapas (Filtros multimedia o de Lecho Profundo). 24 3.1.3. Filtros con adsorción en carbón activado. 26
3.1.3.1. Soluciones de filtración. 27
3.1.4.3. Control de Regeneración Automática 33
3.1.5. Sistemas de osmosis inversa. 33
3.1.5.1. Osmosis inversa. 35
3.1.6. Purificación por rayos UV. 39
3.2. Condiciones de operación del sistema de reutilización. 42
3.3. Cálculos de tubería 44
3.4 Elección de los elementos para la construcción del sistema de
reutilización de aguas. 50
3.4.1. Equipo de recepción y almacenamiento. 50
3.4.1.1. Tanques de recepción. 50
3.4.1.2. Tanque de almacenamiento. 50
3.4.2. Bomba. 51
3.4.3. Electroválvula. 54
3.4.4. Tubo Sanitario de PVC. 58
3.4.4.1. Características de la Tubería de PVC Sanitaria. 58 3.4.4.2. Ventajas del uso de la tubería de PVC. 59 3.4.4.3. Limitaciones en el uso de tubería PVC. 60
3.5. Control de nivel. 60
3.5.1. Introducción al control de procesos. 60
3.5.2. Medición y control de nivel. 63
3.5.2.1. Alarmas. 63
3.5.2.2. Control. 63
3.5.2.3. Indicadores. 65
3.5.3. Consideraciones especiales en el control de nivel. 66 3.5.4. Nivel de líquidos y resonancia hidráulica. 67
3.5.5. Selección del instrumento. 69
3.5.6. Método de detección de nivel por conductividad. 73 3.5.6.1. Principio de operación de la detección de nivel por
conductividad. 74
3.6. Análisis del agua tratada como producto final del sistema de
reutilización de aguas. 80
3.6.1. Análisis del color del agua tratada. 81
3.6.1.1. Absorbancia. 81
3.6.1.2. Transmitancia. 82
3.6.2. Análisis de pH del agua tratada. 82
3.6.2.1. Método de la tira de papel tornasol. 84 3.6.2.2. Método de los electrodos o electrodo diferencial. 84 3.6.3. Análisis de la turbidez del agua tratada. 86
3.6.3.1. Método de la luz reflejada. 86
3.6.3.2. Método de la luz absorbida. 88
3.6.4. Análisis de los sólidos suspendidos en el agua tratada. 88 3.6.4.1. Método gravimétrico para medir los sólidos en
suspensión. 89
3.6.4.2. Controlador de analizadores de color, pH, turbidez
y sólidos suspendidos. 91
3.7. Monitoreo de las variables nivel, color, pH, turbidez y sólidos en
suspensión. 94
3.7.1. Gestión de alarmas. 94
3.7.2. Mantenimiento. 95
3.7.3. Generación de informes. 96
3.7.4. Hardware del sistema de control automatizado. 96 3.7.4.1. Controlador lógico programable. 97
3.7.4.2. Unidades terminales remotas. 97
3.7.4.3. Sistemas de control distribuido. 97 3.7.5. Software del sistema de control automatizado. 97
3.7.5.1. Sistemas expertos. 98
3.7.5.2. Redes neuronales. 98
3.7.5.3. Infamación del flujo para aplicaciones del
desde Internet 100 3.8.2. Configuración del controlador de analizadores para
monitorearlo desde Internet. 103
CAPÍTULO 4 – Análisis de costos y beneficios del proyecto.
4.1. Inversión para el sistema de reutilización de aguas tratadas. 106 4.2. Lista de equipos e instrumentos del sistema de reutilización de
aguas tratadas “Water Wisely” 109
4.3. Características de los tanques de recepción 1 y 2 de almacenamiento 110
4.4. Características de la trampa de grasas. 110
4.5. Características de las bombas. 112
4.6. Características del filtro multicama. 113
4.7. Características del filtro de carbón activado. 113 4.8. Características de los suavizadores de agua. 114
4.9. Características del purificador UV. 115
4.10. Características de válvulas operadas por solenoide y manuales
montadas en PVC. 116
4.11. Características del medidor de nivel por conductividad. 117 4.12. Características del analizador de color. 118
4.13. Características del medidor de pH. 119
4.14. Características del medidor de turbidez y sólidos en suspensión. 120 4.15. Características del controlador de analizadores. 121 4.16. Relación costo-beneficio del uso del agua. 122
4.17. Amortización de la inversión 127
Recomendaciones 131
Conclusiones 132
OBJETIVO.
JUSTIFICACIÓN.
Hoy en día es muy importante aprovechar al máximo los recursos naturales. Hacer conciencia sobre el uso adecuado de dichos recursos tiene grandes beneficios para optimizar su uso ya que son elementos esenciales en la vida del hombre.
La reutilización de aguas tratadas es una técnica que puede cambiar la vida de todo el mundo. Con este sistema se logra economizar el uso del agua que se utiliza en todas las actividades domésticas.
Así, al ahorrar parte de este vital líquido, se puede asegurar que en un futuro no muy lejano el problema de la escasez de agua no será un tema crítico de la sociedad y de la economía o que pueda ser causa de grandes conflictos.
La importancia y la gran ventaja de este nuevo proyecto radica en que no se altera la forma de vivir, es decir, no es necesario sacrificar o dejar de hacer aquellas actividades en las cuales se hace uso del agua como regar los jardines o incluso, lavar el automóvil; el sistema de reutilización de aguas tratadas a partir de las aguas grises está inmerso en la dinámica de las instalaciones de agua del hogar.
INTRODUCCIÓN.
Debido a que en los hogares es donde más se desperdicia agua, la contaminación de agua de uso doméstico ha tomado un papel importante para la preservación del líquido vital y en un futuro la racionalización del mismo será básica para su preservación.
Es un desperdicio irrigar jardines, huertos y árboles con grandes cantidades de agua potable, cuando las plantas pueden florecer con agua previamente utilizada, que contiene pequeñas cantidades de composta, grasa y minerales. Lavar el auto o limpiar el piso con agua de la llave es otro ejemplo del desperdicio doméstico común.
El agua que sale de los hogares e industrias no tiene la misma calidad después de haber sido usada. La mayor parte del agua que se destina a estos lugares debe ser tratada antes de ser regresada al ambiente.
El agua con cierto grado de contaminación, puede resultar inservible a primera vista, sin embargo su reutilización consigue disminuir el gasto en agua potable, así como reducir el vertido de aguas residuales.
La solución a la problemática de la poca cultura que existe de reutilizar el agua y brindar un tratamiento para que no sea nociva al medio ambiente que ofrece “Water Wisely” 1 es la modificación de las tuberías de una construcción, en especial, de un edificio multifamiliar para reunir en un solo punto, el agua proveniente de lavabos, cuartos de lavado o lavadoras, fregaderos y regaderas, donde se filtrará para obtener agua con ciertas características químicas, de tal forma que, el producto pueda reutilizarse en tareas como limpieza en el hogar, llenado de caja del retrete de un baño, limpieza del auto, regado de áreas verdes, etc.
La Figura 1 muestra el diagrama de la distribución de los capítulos a tratar y la estructura utilizada para el desarrollo del presente proyecto.
FIGURA1. Temas a tratar el desarrollo de este proyecto.
En el CAPITULO 1, se describen los diversos usos que se le dan al agua dentro de las viviendas, así también explica las ventajas y las desventajas que se presentan para la reutilización de las aguas tratadas, y las características químicas que el agua potable debe cumplir para su utilización.
En el CAPÍTULO 2, se proporciona información acerca de las características químicas con las que cuenta el agua gris, de igual forma señala el funcionamiento general del proceso de tratamiento de las aguas grises, además de indicar las actividades domésticas en las cuales el agua tratada se puede utilizar.
En el CAPÍTULO 4, se calcula y explica el coste que dicho proyecto genera, además de mostrar todos los beneficios que brinda a mediano y largo plazo para los habitantes del edificio, tanto en lo económico como en lo ecológico.
En los diferentes capítulos encontraremos también figuras, tablas, gráficas, diagramas, expresiones químicas, especificaciones de la integración de equipos, expresiones matemáticas y cálculos, anotaciones subindicadas numéricamente en el texto ampliándose la información o fuente utilizada para tal fin respetándose los derechos de autor.
ANTECEDENTES
El agua en el planeta.
Aunque con frecuencia puede pensarse en el agua como un recurso natural abundante e infinito esto no es así, de toda el agua existente en el planeta solo una fracción mínima es agua directamente utilizable y ésta se encuentra distribuida de manera muy poco uniforme. El 97% del agua del planeta es salada y se encuentra en mares y océanos y el 3% restante es agua dulce. De esta cantidad, como se muestra en la
[image:12.612.140.498.316.556.2]Figura 2, el 77.8% está concentrada en los casquetes polares y glaciares, es agua profunda e inaccesible, por lo que sólo está disponible para el consumo humano el 0.6% del total.
Figura 2. Distribución del agua en el Planeta.
En los últimos 30 años, la actividad humana ha tenido efectos negativos sobre el ciclo del agua, debido principalmente a 3 causas:
La modificación de la superficie terrestre. La contaminación.
Panorama mundial.
Uno de los problemas en relación con el agua es que su distribución en el planeta es muy desigual, que se indica en la Figura 3. Además de las condiciones climáticas, la distribución y abundancia del agua en el mundo dependen de la geología, la orografía, el tipo de suelo y la cubierta vegetal.
Figura 3. Disponibilidad del agua según la época y la región.
El consumo de agua por persona en el mundo también es muy desigual, mientras que 3400 millones de personas cuentan con una dotación de 50 litros por día, en países desarrollados este valor sobrepasa los 400 litros por habitante al día.
Por otro lado, para aumentar el suministro de agua potable, cada vez más países se han visto obligados a utilizar sus reservas de agua subterránea mediante la perforación y el bombeo. Esta fuente de agua abastece aproximadamente a la tercera parte de la población mundial, y es la única fuente de agua para los habitantes rurales de muchas partes del mundo. La sustentabilidad de este recurso depende de lograr un equilibrio entre el ritmo de extracción con el de recarga. La sobreexplotación de los acuíferos trae consecuencias a corto plazo como el agotamiento de manantiales, la desaparición de ríos y lagos, la reducción de sus caudales, la eliminación de vegetación nativa y la pérdida de ecosistemas. La sobreexplotación también ha ocasionado que la calidad del agua de numerosos acuíferos se haya deteriorado, principalmente por la intrusión salina en los acuíferos costeros y la migración de agua fósil de mala calidad inducida por los efectos de bombeo.
Todos los países del mundo han subsidiado el costo del abastecimiento del agua para proteger a los usuarios. El Banco Mundial estima que en promedio, en los países en desarrollo los usuarios municipales pagan el 35% del costo del suministro.
El Banco Mundial ha advertido que el agua dulce se convertirá en uno de los principales factores limitantes del desarrollo económico.
Otro factor que cada vez se asocia más con el problema del agua es el calentamiento global debido a la creciente acumulación de gases de efecto invernadero en la atmósfera. Aunque los pronósticos sobre el cambio del clima mundial son inciertos, el abastecimiento de agua podría reducirse aun más al elevarse la temperatura, lo que provocaría cambios en los patrones de lluvia y vientos, sequías y lluvias torrenciales.
Panorama nacional.
Como en otros muchos países del mundo el problema del agua en México se debe a una desigual distribución del recurso, un creciente deterioro de la calidad debido a la contaminación y la sobreexplotación.
La disponibilidad natural del agua en el país presenta marcados contrastes asociados por la intensidad variable con la que se dan las lluvias y su ocurrencia durante el año, por ejemplo, como podemos notar en la Figura 4, en las zonas del norte y centro, el clima y la vegetación son desérticas y llueve muy poco, mientras que en el sureste las lluvias son abundantes, en Tabasco la precipitación anual es de 2430 mm3 en tanto que
en Baja California Sur es de 178 mm3.
Además, de los 772 mm3 de agua de lluvia que en promedio se precipitan en el territorio
nacional, el 67% ocurren de junio a septiembre, lo que dificulta su aprovechamiento.
A estas condiciones naturales se suma el hecho de que parte de la población y de la actividad económica de nuestro país se concentra en las regiones centro y norte, en donde el agua es más escasa.
Figura 4. Precipitación media anual por estados en el periodo 1941 – 2000.
Situación del agua en la ciudad de México.
La zona metropolitana de la Ciudad de México, uno de los centros urbanos más grandes y de mayor crecimiento en el mundo, que abarca menos del 1% del territorio nacional, concentra cerca de la quinta parte de la población del país.
El rápido crecimiento de la ciudad en los últimos años se ha caracterizado tanto por la expansión de las áreas urbanas y residenciales planeadas como por las invasiones ilegales de tierra y los asentamientos no planificados en las áreas periféricas, que al paso del tiempo reciben servicios urbanos que incluyen el abastecimiento del agua.
Garantizar el abasto de agua para una población de más de 18 millones de habitantes en continuo crecimiento y una industria en expansión resulta cada día más difícil.
El caudal de agua que se suministra a la zona metropolitana en promedio al día es de 32.7 m3/s. El 71% de este se obtiene de los mantos acuíferos del valle sobre los que está asentada la ciudad.
El 26.5% llega a nosotros a través de grandes acueductos desde el acuífero del valle de Lerma a 60 Km de la ciudad y del sistema Cutzamala a 127 Km de distancia, y el 2.5% restante proviene de las pocas fuentes superficiales que aún quedan en la cuenca de México.
El agua es captada por 267 pozos profundos que alimentan a acueductos que conducen el líquido hacia un túnel que cruza la Sierra de las Cruces para suministrar el agua en el valle de México. Para poder dotar de agua a las partes altas de la Ciudad de México, el agua tiene que ser bombeada por 102 plantas que incrementan la presión de la red. Importar agua de regiones tan alejadas y elevarla hasta la altura de la Ciudad tiene altos costos tanto económicos como sociales, políticos y ambientales.
Actualmente, el volumen de agua que se extrae de los acuíferos es mucho mayor que la que se recupera naturalmente. La expansión de la mancha urbana ha provocado la reducción de las áreas naturales de infiltración que alimentan al acuífero. Cada segundo se extraen del subsuelo 45 m3, mientras que se reponen naturalmente tan solo
25 m3. Este desequilibrio ha ocasionado la deshidratación y compactación de las
arcillas que cubren el Valle y el asentamiento o hundimiento del terreno, el cuál va de 6 a 30 cm al año en zonas como Xochimilco, Tláhuac, Ecatepec, Netzahualcóyotl y Chalco.
El hundimiento ha provocado debilitamiento de los cimientos de las construcciones, la inestabilidad de la red de drenaje y de agua potable, la dislocación de tuberías, la modificación de las principales estructuras de desalojo y fugas en las redes de drenaje y agua potable.
La excavación cada vez más profunda de los pozos también ocasiona la alteración físico-química del agua la cual presenta un mayor contenido de hierro y manganeso, disminuyendo su calidad y representando un riesgo para la salud.
Aunque el consumo promedio de agua por persona en la zona metropolitana de la Ciudad de México es de 327 litros diarios, uno de los más elevados del mundo, existen diferencias considerables entre las distintas colonias de la Ciudad: de acuerdo con la
Tabla 1, en las zonas de nivel económico alto el consumo puede ser de hasta 600 litros
de agua por habitante al día, mientras que en otras zonas el consumo es de apenas 20 litros, mismos que son surtidos por medio de carros tanque con un costo muy alto para el consumidor.
La delegación que tiene el consumo per cápita más elevado es Magdalena Contreras y la de menor consumo es Tláhuac.
El agua que llega a la ciudad se potabiliza y se almacena para distribuirse posteriormente a los hogares, comercios e industrias a través de la red de distribución.
DELEGACIÓN CONSUMO POBLACIÓN Domestico Comercial y servicios Total
(m3/s) Lts/hab/día (m3/s) Lts/hab/día (m3/s) Lts/hab/día Total Álvaro
Obregón 1.61 204.98 0.261 33.31 1.867 238.29 676,930 Azcapotzalco 0.76 143.33 0.358 67.96 1.113 211.29 455,131 Benito Juárez 0.73 170.49 0.540 126.11 1.270 296.60 369,956 Coyoacán 1.36 179.94 0.230 30.41 1.591 210.35 653,489 Cuajimalpa 0.42 263.86 0.054 34.09 0.472 297.95 136,873 Cuauhtémoc 0.90 143.26 1.171 187.23 2.067 330.49 540,382 Gustavo A.
Madero 2.22 152.74 0.722 49.63 2.944 202.37 1,256,913 Iztacalco 0.67 138.37 0.316 65.16 0.987 203.53 418,982 Iztapalapa 2.73 139.13 0.785 39.98 3.517 179.10 1,696,609 Magdalena
Contreras 0.45 181.85 0.400 163.10 0.846 344.95 211,898 Miguel
Hidalgo 1.30 308.95 0.048 11.38 1.351 320.33 364,398 Milpa Alta 0.14 149.15 0.035 37.29 0.175 186.43 81,102 Tláhuac 0.41 137.08 0.104 35.11 0.510 172.20 255,891 Tlalpan 1.12 174.98 0.143 22.36 1.262 197.35 552,516 Venustiano
Carranza 0.75 135.04 0.496 88.25 1.255 223.28 485,623 Xochimilco 0.59 154.18 0.117 30.42 0.710 184.60 332,314 Distrito
Federal 16.2 164.44 5.780 58.83 21.900 223.30 8,489,007
Tabla 1. Disponibilidad, consumo de agua y tratamiento de aguas residuales en la zona metropolitana de la Ciudad de México.
Una vez que ha sido usada el agua es necesario sacarla de la cuenca, esto se logra a través del sistema general de drenaje. En el Valle de México se genera un promedio anual de 6.3 m3/ s de aguas residuales municipales. La mayor parte de esta se elimina
del sistema sin recibir tratamiento alguno.
Solo una parte de ella se procesa en plantas y se reutiliza, principalmente en el riego de jardines. El agua así desalojada pasa al río Moctezuma, después al río Pánuco y finalmente desemboca en el Golfo de México.
Se estima que en los próximos años las necesidades del agua aumentarán y requerirá de un mínimo de 19 m3/s adicionales para abastecer a su nueva población, sin
USO DOMÉSTICO DEL
AGUA.
OBJETIVO ESPECÍFICO:
1.1. Ventajas e inconvenientes de la reutilización de agua.
Los beneficios de la reutilización de las aguas tratadas incluyen menor uso del agua potable, menor caudal a las fosas sépticas o plantas de tratamiento, purificación altamente efectiva, es una solución viable para aquellos lugares donde no se puede utilizar otro tipo de tratamiento, menor uso de energía por bombeo y tratamiento, la posibilidad de construir plantas donde no hay otro tipo de agua o la recuperación de nutrientes que se pierden.
Ahora bien, los sistemas de reutilización de aguas no pueden instalarse en cualquier lugar, puesto que es necesario un espacio suficiente que permita desarrollar el proceso de tratamiento del agua y que reúna las condiciones climáticas adecuadas. Hay que tener en cuenta que aunque las aguas grises normalmente no son tan peligrosas para la salud o el medio ambiente, como las aguas negras provenientes de los retretes, poseen cantidades significativas de nutrientes, materia orgánica y bacterias, por lo que si no se realiza un tratamiento eficaz previo a su descarga o reutilización, causan efectos nocivos a la salud, contaminación del medio y mal olor.
1.2. Agua potable.
El agua potable es aquella incapaz de transmitir enfermedades, libre de toxicidad, de concentraciones excesivas de sustancias minerales y orgánicas; agradable a los sentidos y apta para el consumo humano.1
Generalmente es un recurso escaso y susceptible de contaminación por las aguas negras procedentes de los inodoros cargadas con materias fecales; y las aguas grises provenientes de cocinas y lavamanos con grandes cantidades de detergentes, restos de alimentos y materia orgánica.
En las casas los usos del agua pueden clasificarse en interiores y exteriores. Los domicilios que tienen jardines pueden llegar a utilizar el 50 % del agua potable en cada tipo de uso. La reutilización, la depuración y el retorno al ambiente en óptimas condiciones son los principios que rigen la gestión del agua en la bioconstrucción.
El consumo de agua en las viviendas es un factor de gran importancia ambiental.
En primer lugar se debe utilizar algún sistema de ahorro de agua en las cajas del inodoro, sistemas de reducción de caudal de agua en la grifería de los aparatos sanitarios de ducha, lavabo y fregadero, tener algún sistema de ahorro de consumo de agua y la utilización de grifería termostática, que permite seleccionar la temperatura adecuada de consumo sin necesidad de manipular la grifería.
1
Se recomienda utilizar algún sistema de detección de fugas de agua en tubos enterrados u ocultos permitiendo controlar desde el primer momento el problema y poder dar solución más rápidamente. También es indicado aislar térmicamente las tuberías de agua fría y caliente, sobre todo en instalaciones colectivas y cuando estas pasan por espacios ventilados o descubiertos, pues se evitan muchas pérdidas de calor.
Asimismo se ha de considerar la instalación de captadores solares para la producción de agua caliente sanitaria con sistemas auxiliares convencionales de apoyo.
Otra medida a tener en cuenta a la hora de planificar un edificio es diseñar instalaciones de saneamiento diferenciadas para aguas limpias y aguas negras, de esta manera podrán aprovecharse las aguas limpias de lluvia, por ejemplo para riego, y se debe considerar la posibilidad de proveer a la vivienda de instalaciones de recogida y aprovechamiento de las aguas grises provenientes de lavadoras, lavabos o bañeras para el llenado de las cajas de los inodoros. En este caso se ha de disponer de un buen sistema de tratamiento de agua almacenada que garantice las calidades higiénicas para su reutilización.
Según la Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA1-1994, "Salud ambiental, agua para uso y consumo humano-límites permisibles de calidad y tratamientos a que debe someterse el agua para su potabilización", las características del agua potable para uso humano están dadas por los siguientes datos:
CARACTERÍSTICA LIMITE PERMISIBLE
Organismos coliformes totales 2 NMP/100 ml 2 UFC/100 ml
Organismos coliformes fecales No detectable NMP/100 ml Cero UFC/100 ml
TABLA 1.1.Características bacteriológicas del agua y límites permisibles según SSA.
Las características físicas y organolépticas deberán ajustarse a lo establecido en la
Tabla 1.2.
CARACTERÍSTICA LÍMITE PERMISIBLE
Color 20 unidades de color verdadero en la escala de platino-cobalto.
Olor y sabor
Agradable (se aceptarán aquellos que sean tolerables para la mayoría de los consumidores, siempre que no sean resultados de condiciones objetables desde el punto de vista biológico o químico).
Turbiedad 5 unidades de turbiedad nefelométricas (UTN) o su equivalente en otro método.
TABLA 1.2. Características físicas organolépticas y límites permisibles
El contenido de constituyentes químicos deberá ajustarse a lo establecido en la Tabla 1.3. Los límites se expresan en mg/l, excepto cuando se indique otra unidad.
CARACTERÍSTICA LÍMITE
PERMISIBLE
Aluminio 0.20
Arsénico 0.05
Bario 0.70
Cadmio 0.005
Cianuros (como CN-) 0.07
Cloro residual libre 0.2-1.50
Cloruros (como Cl-) 250.00
Cobre 2.00
Cromo total 0.05
Dureza total (como CaCO3) 500.00 Fenoles o compuestos
fenólicos 0.001
Fierro 0.30
Fluoruros (como F-) 1.50
Manganeso 0.15
Mercurio 0.001
Nitratos (como N) 10.00
Nitritos (como N) 0.05
Nitrógeno amoniacal (como N) 0.50 pH (potencial de hidrógeno) en
Plaguicidas en microgramos/l: Aldrín y dieldrín (separados o
combinados) 0.03
Clordano (total de isómeros) 0.30 DDT (total de isómeros) 1.00
Gamma-HCH (lindano) 2.00
Hexaclorobenceno 0.01
Heptacloro y epóxido de
heptacloro 0.03
Metoxicloro 20.00
2,4 – D 50.00
Plomo 0.025
Sodio 200.00
Sólidos disueltos totales 1000.00
Sulfatos (como SO4=) 400.00
Sustancias activas al azul de
metileno (SAAM) 0.50
Trihalometanos totales 0.20
Zinc 5.00
TABLA 1.3. Contenido de constituyentes químicos.
Los límites permisibles de metales se refieren a su concentración total en el agua, la cual incluye los suspendidos y los disueltos.
El contenido de constituyentes radiactivos deberá ajustarse a lo establecido en la Tabla 1.4. Los límites se expresan en Bq/l (Becquerel por litro).
CARACTERÍSTICA LÍMITE PERMISIBLE
Radiactividad alfa global 0.1 Radiactividad beta
global 1.0
1.3. Usos interiores del agua potable.
Los dispositivos domésticos para el uso eficiente del agua potable tienen un papel primordial, para el ahorro de agua en una casa puede utilizarse hasta 35 % del consumo interior en los retretes, 30 % en las regaderas, 20 % en las lavadoras de ropa, entre 3 - 10 % en las llaves de fregaderos y lavabos, y 5 % en las lavadoras de trastos2. El consumo promedio de agua potable de una persona en la zona metropolitana de la Ciudad de México es de 327 litros al día.
1.3.1. Regaderas
Es el segundo dispositivo demandante de agua dentro de una casa, debido a ello en países como México se ha reglamentado que la descarga en estos dispositivos no debe ser mayor de 10 Iitros por minuto. Esto se logra mediante el empleo de regaderas modernas o utilizando reductores de flujo. La instalación de reductores de caudal permite reducir el flujo de agua manteniendo su presión, pueden instalarse en las duchas aunque también se instalan fácilmente en cualquier grifo sustituyendo el filtro y/o el difusor.
1.3.2. Llaves de lavabos y fregaderos.
La reducción del flujo de estos dispositivos se logra por medio de aereadores los cuales incluyen aire y dispersan el chorro incrementando el área de cobertura y, por lo tanto, la eficiencia de lavado. Un aereador puede llegar a reducir el flujo hasta en un 6 %.
Otra opción que se ha explorado y que brinda excelentes resultados es la colocación de válvulas o sensores que hacen que salga agua sólo cuando se colocan las manos bajo de ellos.
1.3.3. Lavadoras.
Los ahorros en este tipo de máquinas se consiguen colocando cargas adecuadas de ropa, utilizando los niveles de agua necesarios para una correcta operación o con lavadoras de poco uso de agua. Existen básicamente dos tipo de lavadoras, las de carga frontal y las de tina, las primeras pueden llegar a utilizar la mitad del agua, un 50% de agua caliente, y un 33% del detergente que demanda la segunda. La construcción de lavadoras de ropa eficientes ha logrado ahorros de hasta en un 24 % del consumo de agua en comparación con las lavadoras tradicionales.
2
CARACTERÍSTICAS DEL
AGUA GRIS E
INTRODUCCIÓN AL
PROCESO DE
REUTILIZACIÓN.
OBJETIVO ESPECÍFICO:
2.1. Características del agua gris.
El agua gris o "agua no cloacal" es el agua generada por procesos de un hogar, tales como el lavado de utensilios y ropa, así como el baño de las personas.
El agua gris se distingue del "agua cloacal" contaminada con desechos del retrete, llamada agua negra (Ver Fig. 2.1) (más común en plural: aguas negras), porque no contiene bacterias.
El agua gris generalmente se descompone más rápido que el agua negra y tiene mucho menos nitrógeno y fósforo. Sin embargo, el agua gris contiene algún porcentaje de agua negra, incluyendo patógenos de varias clases. El agua gris reciclada de la bañera o de una tina de baño puede ser utilizada en los retretes, lo que ahorra grandes cantidades de agua.
FIGURA 2.1. Aguas Grises.
El agua gris posee diferentes propiedades cuando ésta se encuentra como desecho después de algún uso que se le haya dado, es por eso que a continuación se enlistan algunos de los compuestos y características más importantes que este tipo de agua tiene, enfocándose específicamente hacia el proyecto a realizar:
Principales sustancias químicas y orgánicas del agua gris:
Acetaldehído Gasolina Acetona Glicol
Ácido acético Herbicidas
Soluciones de frotado para purificación del aire. Alcohol
Ácido sulfhídrico Aminas
Insecticidas Anticongelante Yodo
Acetato isopropílico y alcohol isopropílico Acetato de amilo y alcohol amílico
Ácido láctico Benceno Cetonas
Agentes bioquímicos Metal etil cetona (mek) Soluciones de blanqueo
Acetato de metilo y alcohol metílico Nafta
Acetato de butilo y alcohol butílico Nitrobenceno
Hipoclorito de calcio
Agentes para lavar latas y tambores Compuestos orgánicos
Agua de lavado para tanques químicos
Cloro
Cloral Cloramina Clorofenol Cresol
Agua de lavado para lecherías Materia orgánica en descomposición Desfoliadores
Detergentes Aceite disuelto Colorantes
Acetato de etilo y alcohol etílico Xileno
Olores
Fenol Solventes
Sabores (Orgánicos)
Tolueno o toluol Tricloruetileno
Adelgazadores (de fluidez) Turpentina
Vinagre Agua de pozo Mercaptanos
La Fig. 2.2 muestra la diferencia visual entre el agua gris y el agua potable.
FIGURA 2.2. Diferencias entre el agua gris y el agua pura.
La Tabla 2.1 que se dará a conocer contiene los principales agentes patógenos en el
agua gris, cuyas unidades están dadas en µwatt-s/cm3.
Bacillus anthracis B. Megatherium sp.(veg) S. enteritidis B. Megatherium sp.(sporas) B. peratyphosus B. subtilis spores
B. subtilis Clostridium tetani Corynebacterium diphtheriae Escherichlia coli Eberthella typosa Micrococcus candidus Neisseria catarrhalis Mycobacterium tuberculosis Phytomonas tumefaciens Streptoccus lactis
Proteus vulgaris Streptoccus viridans Pseudomonas aeryginosa Salmonera
Pseudomonas fluorescens Sarcina lutea
S. typhimurium Serratia marcescens Shigella paradysenteriae Dysentry bacilli Spirillum rubrum Streptoccus lactis Staphylococcus alous Streptoccus viridans Staphylococcus aureus Streptoccus hemolyticus
La Tabla 2.2 muestra los principales organismos patógenos en el agua gris
LEVADURA ESPORAS VIRUS ALGAS
Saccharomyces
ellipsoideus Penicillium roqueforti Bacteriophage (E. coli )
Chlorella vulgaris (Alga)
Saccharomyces sp. Penicillium expansum Influenza virus Saccharomyces
cerevisiae Mucor racemosus A Hepatitis virus Brewers yeas Mucor racemosus B Poliovirus (Poliomyelitis) Bakers yeast Oospora lactis Rotavirus Common yeast
cake
TABLA 2.2. Principales organismos patógenos en el agua gris
Comparando las tablas presentadas anteriormente, la Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA1-1994, que se citó, sugiere los siguientes procesos de potabilización (Tabla 2.3):
CONTAMINANTE PROCESO
Bacterias, helmintos, protozoarios
y virus. Desinfección con cloro, compuestos de cloro, ozono o luz ultravioleta.
Color, olor, sabor y turbiedad
Coagulación-floculación-precipitación-filtración; cualquiera o la combinación de ellos, adsorción en carbón activado u oxidación.
Arsénico Coagulación-floculación-precipitación-filtración; cualquiera o la combinación de ellos, intercambio iónico u ósmosis inversa. Aluminio, bario, cadmio, cianuros,
cobre, cromo total y plomo Intercambio iónico u ósmosis inversa.
Cloruros Intercambio iónico, ósmosis inversa o destilación.
Dureza Ablandamiento químico o intercambio iónico.
ósmosis inversa.
Fluoruros Osmosis inversa o coagulación química.
Materia orgánica Oxidación-filtración o adsorción en carbón activado.
Mercurio
Proceso convencional:
coagulación-floculación-precipitación-filtración, cuando la fuente de abastecimiento contenga hasta 10 microgramos/l. Procesos especiales: en carbón activado granular y ósmosis inversa cuando la fuente de abastecimiento contenga hasta 10 microgramos/l; con carbón activado en polvo cuando la fuente de abastecimiento contenga más de 10 microgramos/l.
Nitratos y nitritos Intercambio iónico o coagulación-floculación-sedimentación-filtración; cualquiera o la combinación de ellos.
Nitrógeno amoniacal
Coagulación-floculación-sedimentación-filtración, desgasificación o desorción en columna.
pH (potencial de hidrógeno) Neutralización.
Plaguicidas Adsorción en carbón activado granular.
Sodio Intercambio iónico.
Sólidos disueltos totales Coagulación-floculación-sedimentación-filtración y/o intercambio iónico.
Sulfatos Intercambio iónico u ósmosis inversa. Sustancias activas al azul de
metileno Adsorción en carbón activado.
Trihalometanos Aireación u oxidación con ozono y adsorción en carbón activado granular.
Zinc Destilación o intercambio iónico.
2.2. Reutilización de aguas tratadas en las viviendas.
Los sistemas de aprovechamiento de aguas grises se fundamentan en la reserva del agua potable (Ver Tabla 2.4) para los usos más exigentes, como la higiene, cocinar alimentos, y la utilización del agua procedente de lavadoras, duchas, lavabos y bañeras para usos que no precisan agua potable, como las cajas de los inodoros, el riego de jardines o la limpieza de determinados lugares, etc.
El agua puede proceder de: El agua puede ser utilizada para:
Lavabos Inodoros
Duchas (bañeras) Riego
Lavadoras Limpieza
TABLA 2.4. Procedencia de las aguas grises y su uso.
Aunque el sistema varía en función del tamaño y las necesidades de cada edificio multifamiliar, el funcionamiento y el circuito son semejantes en todas las instalaciones, puesto que todo se rige con un modelo o estructura en general.
2.3. Funcionamiento y características técnicas para el sistema de reutilización aguas.
Una vez realizada la evaluación sobre cuáles son los consumos de agua potable que pueden sustituirse por aguas grises debe dimensionarse el sistema.
En primer lugar es necesario canalizar el agua de las duchas, lavadoras, fregaderos, lavabos y lavaderos hasta un depósito acumulador, que puede colocarse o situarse en la parte inferior del edificio (garage, sótano, etc)
FIGURA 2.3. Diagrama general para el sistema de reutilización de aguas grises.
Cuando el agua ya ha pasado por todo el proceso de tratamiento se envía al depósito acumulador, cuya capacidad varía en función del tamaño de la instalación.
Todos los depósitos disponen de un rebosadero para evacuar el exceso de agua, aunque en este caso el agua podrá ser evacuada en otro contenedor.
La distribución de las aguas grises hasta las cajas de los inodoros se realiza a través de un sistema de tuberías con las correspondientes derivaciones (llave de agua).
Para llevar el agua hasta las cajas de los inodoros o de la fuente de aguas grises será necesario disponer de un equipo de presión (bomba). Ver Figura 2.4
A pesar de que no existe normatividad específica que regule el uso de las aguas grises, es conveniente tomar determinadas precauciones que todos los instaladores recomiendan:
Diseñar y establecer los circuitos de manera que no entren en contacto las aguas grises con la red de agua potable y diferenciar visualmente las cañerías de aguas grises.
Asegurar que las entradas de agua potable a la red de aguas grises dispongan de válvulas de retención.
Prever una reserva mínima de agua (depósito) para el correcto funcionamiento del sistema.
DISEÑO DEL SISTEMA,
CÁLCULOS Y SELECCIÓN
DE INSTRUMENTOS Y
EQUIPO.
OBJETIVO ESPECÍFICO:
3.1. Diseño del sistema para el reutilización de las aguas tratadas.
En este capítulo se explicará paso por paso el funcionamiento del sistema de reutilización de aguas tratadas. A continuación se mostrará el dibujo de un departamento modelo para el desarrollo de este proyecto. Ver Figura 3.1.
Para la recolección de aguas grises consideramos los siguientes elementos, que son: la lavadora, la regadera para la ducha, fregadero, lavabo y lavadero los cuales pueden estar colocados en cualquier parte de la casa, pero se ubican, para fines demostrativos, de la siguiente manera:
FIGURA 3.1a. Diagrama de planta de un departamento detallando los dispositivos a usar.
El agua del lavabo (1), de la regadera para ducha (2), del fregadero (3), del lavadero (4) y de la lavadora (5) (Fig. 3.1a), tiene que ir directamente a una trampa de grasas que retendrá el exceso de las mismas y los restos de comida que pudiesen llegar ahí, una vez hecho esto pasará por otros cinco procesos, que son: filtración por multicapas, adsorción en carbón activado, ablandamiento, osmosis inversa y finalmente purificación por rayos UV.
Dichos procesos están relacionados con la Tabla 2.3. “Procesos de potabilización según la norma NOM-127-SSA1-1994”, que están recomendados para tratar el agua y pueda ser reutilizada.
A continuación se describe en qué consiste cada uno de ellos.
3.1.1. Trampa de grasas (Sumidero Sifónico).
FIGURA 3.2. Trampa de grasa rectangular.
Es un dispositivo ubicado entre la línea de desagüe del edificio multifamiliar y el proceso de tratamiento que permite separar fácilmente grasas, aceites etc., mezclados en aguas grises para así evitar que ingresen a la siguiente etapa del proceso. Las trampas de grasa es el primer elemento en un sistema de reutilización de aguas tratadas. Existen dos tipos de trampas, las rectangulares (Fig. 3.2) y las circulares (Fig. 3.3)
En ambos tipos se trata de una cámara impermeable de tamaño reducido por donde ingresan los líquidos provenientes del edificio.
Las trampas de grasa reducen el flujo del agua procedente de los departamentos, con lo que las grasas y el agua tienen tiempo para enfriarse. Este enfriamiento hace que las grasas se coagulen y floten en la superficie mientras que otros sólidos más pesados se depositan en el fondo de la trampa. (Ver Fig. 3.4)
FIGURA 3.4. Trampa de grasa, bastidor para extracción de nata flotante.
Dentro de este receptáculo las grasas, que son más livianas que el agua, quedan a flote y pueden ser extraídas periódicamente por medio de un bastidor metálico con una malla de alambre. El bastidor, que reposa en el fondo del dispositivo es subido en forma manual para retirar la grasa o nata que se encuentran flotando en la superficie. Luego se vuelve a colocar en el mismo lugar. (Ver Fig. 3.5)
El resto del agua pasa libremente por medio de un conducto sumergido hacia la siguiente etapa del proceso.
El volumen de este dispositivo no deberá ser menor a 120 litros pensando en 10 litros por persona. Es indispensable tomar en cuenta que debe caber en ella el líquido resultante de dos horas en el pico de gasto (lavado de ropa, duchas y especialmente limpieza de platos).
El tamaño de la trampa de grasas depende de la cantidad de desechos que salen de la instalación. El tamaño se mide en GPM (galones por minuto).
Consideraciones.
a) Las trampas de grasa deberán ubicarse próximas a los aparatos que descarguen desechos grasosos, y por ningún motivo deberán ingresar aguas residuales provenientes de los servicios higiénicos.
b) Las trampas de grasa deberán proyectarse de modo que sean fácilmente accesibles para su limpieza y eliminación o extracción de las grasas acumuladas. c) En el caso de grandes instalaciones como edificios, hoteles, hospitales, restaurantes que atiendan a más de 50 personas, deberá considerarse la instalación de dos trampas de grasa.
d) No es obligatorio diseñar trampas de grasa para viviendas unifamiliares.
e) Las trampas de grasa pueden ser construidas de metal, ladrillos y concreto, de forma rectangular o circular.
f) El volumen de la trampa de grasa se calculará para un período de retención entre 2.5 a 3.0 minutos.
g) La relación largo – ancho ( l : a ) del área superficial de la trampa de grasa deberá estar comprendido entre 2:1 a 3:2.
h) La profundidad no deberá ser menor a 0.80 m.
Es fundamental realizar un buen mantenimiento de las trampas de grasa para que ésta funcione de manera eficiente. Si no se controlan los niveles de grasa, aceite y sólidos acumulados, pueden generarse muchos problemas. Por ejemplo, obstrucciones, acumulaciones en los desagües y malos olores.
Según el tamaño, hay diferentes maneras de limpiar las trampas de grasa.
Muchos exigen que las trampas se bombeen con cierta frecuencia. Sin embargo, más allá de los bombeos obligatorios, existen otros métodos para limpiarlas.
Para trampas de grasa más grandes suelen emplearse los servicios de una empresa de reciclado o de transporte de dichos materiales para extraerlos por bombeo.
Obviamente, este método es más fácil que el anterior, pero puede resultar bastante caro, especialmente si el proceso se realiza semanal o mensualmente.
La rutina del mantenimiento que puede instrumentarse para controlar la acumulación de grasas y aceites y reducir la necesidad de extraerlas por bombeo es el uso de un aditivo bacteriano.
Las bacterias para la trampa de grasas ayudan a reducir grasas, aceites y demás desechos orgánicos, descomponiendo y digiriendo biológicamente los residuos, convirtiéndolos en dióxido de carbono y agua. Este procedimiento puede reducir en mucho la necesidad de bombeos frecuentes.
Las bacterias son de naturaleza aeróbica y la velocidad a la cual pueden degradar las grasas y aceites reducirá, también, la posibilidad de que se generen olores desagradables y que éstos emanen de la trampa de grasas, ya sea a su paso por las cañerías o fuera de la trampa cuando se bombea. Además, este tipo de trampas no son cáusticas ni corrosivas, lo que hace segura su aplicación para todo tipo de cañerías.
Es importante destacar que no es un producto enzimático. Los productos enzimáticos han generado mucho rechazo porque licúan las grasas y aceites, permitiendo que se coagulen aguas abajo causando muchos problemas de tratamiento de agua residual. Por el contrario, como algunas bacterias son barridas por el agua, la corriente receptora de desechos se verá beneficiada.
Las bacterias para las trampas de grasa son de distintos tipos. Probablemente, la más común sea la forma líquida, que puede verterse en los desagües o aplicarse directamente en la trampa.
Otra presentación muy popular es el bloque de bacterias; se trata de bloques de disolución lenta que se cuelgan de una soga y se sumergen en la trampa. Dependiendo del tamaño del bloque y de la trampa de grasas, los bloques pueden durar hasta cuatro semanas. También vienen en polvo.
Por último, a las trampas de grasas se les puede instalar una bomba de inyección para bombear automáticamente las bacterias dentro de la trampa a intervalos preestablecidos, con lo cual el tratamiento sería virtualmente sin mantenimiento.
Mezclando una solución de bacterias y vertiéndola en el desagüe, las cañerías se pueden mantener libres de acumulación de grasas y aceites que dificultan el vaciado de los fregaderos y provocan malos olores.
Tampoco enjuagar los desagües y la trampa de grasas con agua caliente, ya que esto implica hacer correrla por las tuberías y con ello, se impide que las grasas se enfríen en la trampa y que, por ende, vayan a parar a la siguiente etapa del proceso.
3.1.2. Filtración multicapas (Filtros multimedia o de Lecho Profundo).
Se entiende por filtración al proceso de eliminación de materia suspendida en el agua mediante su paso a través de un material poroso que puede estar contenido en un filtro.
La materia en suspensión (sólidos suspendidos) esta compuesta principalmente por partículas o gránulos de tierra, arena y sedimentos pero también incluye organismos vivientes como algas, bacterias, virus y protozoarios.
Los filtros multicapas (Fig. 3.6), tienen la finalidad de remover sólidos suspendidos en el agua de tamaños de hasta 10 micrómetros lo que quiere decir que todo sólido en suspensión (tierra, polen, basuras pequeñas, etc.) mayor a 10 micrómetros quedarán retenidos en el filtro para después ser desechados y de esta forma no permitir que los sólidos pasen a la siguiente etapa del proceso.
FIGURA 3.6. Muestra de un filtro multicapas.
La filtración se lleva a cabo por una diferencia de presión que hace necesario el uso de un equipo de bombeo o hidroneumático.
El proceso de filtración es del tipo profundo en donde la capa superior de material filtrante es la de mayor tamaño de fragmentos, después el agua pasa a una capa de menor tamaño de fragmentos y por último pasa por una capa fina de fragmentos que hacen la filtración final de 10 micrómetros.
Estas capas de material tienen diferente densidad, de tal forma que al realizar el mantenimiento las capas se acomodan siempre de fragmentos mayores en la parte superior a fragmentos finos en la parte inferior. Todo esto va soportado por una capa de grava proporcionando de esta forma una gran capacidad de retención de suspendidos.
Para saber el tamaño, las dimensiones o el volumen del filtro multicapas, que se requiere para un proceso dado, es necesario conocer el flujo, caudal o gasto de agua que se necesita filtrar, es decir, saber el flujo de agua a obtener y, además, el tipo de válvula o cabezal deseado en el filtro. (Ver Fig. 3.7)
La válvula puede ser manual o automática, mecánica o digital y esto es muy importante por que precisamente de eso depende si los retrolavados del filtro se harán automáticamente o si es necesario que se realicen manualmente.
El retrolavado del filtro multicapas no es otra cosa que invertir el flujo en el tanque de filtración para desechar o eliminar todas las partículas que han sido retenidas en el proceso. Por medio del retrolavado se limpia el filtro multicapas. Por lo general, ese flujo de agua se desecha a través del drenaje (ya que lleva consigo todas las partículas mayores a 30 micras retenidas) en no más de 15 minutos.
FIGURA 3.7. Ejemplo de un tanque filtro con válvulas manuales.
3.1.3. Filtros con adsorción en carbón activado.
La función del filtro de carbón activado es la de remover contaminantes, como son olor y sabor, del agua por medio de adsorción. (Ver Fig. 3.8)
La adsorción es un proceso por el cual moléculas de impurezas se adhieren a la superficie del carbón activado. La adherencia es gobernada por una atracción electro-química.
El carbón activado es preparado a partir de diversos materiales, tales como, carbón, madera, cáscaras de nueces y petróleo. El carbón se transforma en "activado" cuando es calentado a altas temperaturas (800 °C a 1000 ºC) en la ausencia de oxigeno. El resultado es la creación de millones de poros microscópicos en la superficie del carbón.
Esta enorme cantidad de área superficial proporciona grandes oportunidades para que tenga lugar el proceso de adsorción.
El proceso de adsorción trabaja como un imán para mantener las impurezas en la superficie del carbón activado. Esto es una acción diferente de aquella que actúa como una esponja en el proceso de absorción, en el cual un gas o líquido es succionado hasta el centro del cuerpo poroso y allí mantenido.
El carbón activado también es conocido por su extraordinaria habilidad en eliminar el cloro y su gusto y olor relacionados por la reducción química para una forma no detectable por los sentidos (por ejemplo, cloruros).
Los filtros de carbón activado remueven los compuestos orgánicos volátiles (VOC), los pesticidas y herbicidas, los compuestos con tribalometano, radón, los solventes y otros productos hechos por el hombre y que encontramos en el agua.
FIGURA 3.8. Filtros por absorción en carbón activado.
3.1.3.1. Soluciones de Filtración.
La adsorción por el carbón activado es en general referida como un proceso de filtración.
Los filtros de tratamiento pueden estar instalados en el punto del uso (POU) o en el punto de entrada (POE).
El sistema de tratamiento POE es recomendado para remover los VOC para el uso de todo tipo, sea para beber, cocinar, limpiar, o bañarse libre de toda contaminación.
Los filtros de carbón activado son unos filtros típicos usados para reducir el nivel de VOC en el agua para reutilización. Grandes concentraciones de contaminantes y de consumo de agua reducen la vida del carbón.
El agua que entra y pasa por el filtro puede ser testado periódicamente para indicar si el sistema de tratamiento funciona perfectamente.
Algunas bacterias pueden producirse sobre la superficie del filtro de carbón. Es recomendable que el agua sea desinfectada después de que pase a través del filtro para mayor seguridad. Muchos tipos de desinfección son utilizables. La luz ultravioleta (UV) es uno de ellos.
El carbón activado granular es un material que se utiliza para filtrar químicos y microorganismos nocivos del suelo y el agua contaminados.
Un filtro de carbón activado consiste en un recipiente o columna empacada o rellena de gránulos.
Su estructura y propiedades le permiten adsorber específicamente aquellos químicos peligrosos que se encuentran en el agua a tratar.
El tratamiento con carbón activado proporciona excelentes resultados al eliminar cloro, mal olor, microorganismos y patógenos como virus y bacterias, mejora el sabor y color del agua, retiene una amplia gama de químicos como pueden ser combustibles, bifenilos policlorados, dioxinas y desechos radioactivos. Asimismo, puede eliminar ciertos tipos de metales como plomo, cadmio o mercurio, siempre que los metales pesados se encuentren presentes en pequeñas cantidades.
Para hacer su función el filtro de carbón activado requiere un flujo pico (en usos no críticos) no mayor a 10 gpm en un pie de área transversal del tanque o recipiente que lo aloja, siendo el flujo óptimo de 5 gpm en un pie. El flujo de retrolavado debe ser de 10 gpm. El tiempo de contacto óptimo es de 5 minutos y la cama debe tener una profundidad mínima de 60 cm (24”).
3.1.3.2. Tipos de Carbón Activado para Filtros. Básicamente, existen 2 tipos de Carbón Activado:
Carbón Activado en Polvo ( P.A.C.)
Carbón Activado Granular, en grano. ( G.A.C.)
3.1.3.3. Regeneración de los Filtro de Carbón Activado.
FIGURA 3.9. Filtro de carbón activado con dispositivos opcionales.
3.1.4. Suavizadores (Ablandadores de agua o intercambio iónico).
Los suavizadores son equipos utilizados para remover las sales de calcio y magnesio presentes en el agua. Dichas sales son las causantes de problemas como incrustaciones en tuberías y boilers, exceso de gasto en detergentes, además de manchas en lavabos y otros artículos de uso común en el hogar. El agua dura requiere una excesiva cantidad de jabón para producir espuma.
El agua de lluvia, al filtrarse por la corteza terrestre y avanzar en el manto freático, disuelve ciertos minerales en su camino, causando que el agua se convierta en agua dura. Existen dos tipos de dureza y varios métodos de remoción.
3.1.4.1. Tipos y causas de dureza.
Dureza de carbonatos. Es causada por la combinación de carbonatos de calcio
Dureza de no carbonatos. La dureza no carbonatada o de no carbonatos es llamada dureza permanente, y se debe principalmente a los sulfatos de calcio y de magnesio. El nombre común para el sulfato de calcio es "gypsum" y para el sulfato de magnesio es "sales epsom". Los cloritos y nitratos de calcio y magnesio también forman agua no carbonatada pero no son tan comunes como los sulfatos. Los compuestos que causan la dureza no carbonatada no precipitan al hervirse. El carbonato de sodio comúnmente llamado “ceniza de sosa”, es usado para suavizar aguas con alto contenido de dureza no carbonatada.
El exceso de calcio en el cuerpo humano puede traer consecuencias graves a la salud, como el desarrollo de piedras en los riñones, esclerosis y problemas en los vasos sanguíneos. Este problema se encuentra de forma común en el agua con que se surten zonas de parcelas agrícolas.
El agua dura se encuentra prácticamente en todos los sitios y es la causante de los depósitos blancos y grisáceos que tapan las tuberías, en especial las de agua caliente. Por la dureza del agua aparecen manchas en la cristalería, loza, baños y en la pintura de los automóviles.
La solución al problema es atacar el calcio y el magnesio. La respuesta más popular es un ablandador de agua. Los suavizadores se encargan de eliminar la dureza en el agua (sarro). Estos equipos intercambian iones de calcio y magnesio por iones de sodio con la ayuda de una resina catiónica.
3.1.4.2. Intercambio Iónico.
El intercambio iónico es un proceso de separación de iones. Un ión es un átomo o grupo de átomos cargados eléctricamente. Estos iones se clasifican por su intercambio. Los iones cargados positivamente son llamados cationes, ya que estos emigran al cátodo o electrodo negativo. Los iones cargados negativamente son llamados aniones, ya que emigran al ánodo o electrodo positivo en una celda galvánica.
Los cationes comúnmente encontrados en el agua son calcio, magnesio, sodio, hierro, y manganeso. Los aniones comúnmente encontrados en el agua son bicarbonatos, carbonato, cloruro, sulfato y nitrato.
La dureza temporal puede ser causada por bicarbonato de calcio, carbonato de calcio, bicarbonato de magnesio, y puede ser removida mediante la ebullición del agua.
La dureza permanente es causada por el cloruro de calcio, sulfato de calcio, sulfato de magnesio, y cloruro de magnesio. Estos compuestos también son llamados dureza no carbonatada.
Los problemas de dureza son ocasionados por los cationes calcio y magnesio. Si los cationes de calcio y magnesio son removidos para remplazarlos por cationes de sodio, los problemas de la dureza pueden ser eliminados.
La separación de los iones y el intercambio es logrado por el uso de una columna de resina aniónica insoluble que es mantenida neutra por iones sodio. Al pasar el agua que contiene cationes, calcio, y magnesio, por la columna de resina, los cationes de calcio y de magnesio se adhieren a la resina y son reemplazados por cationes de sodio que tenía la resina. Los cationes de sodio no producen problemas de dureza, así el agua suave es descargada hacia el servicio. (Ver Fig. 3.10)
FIGURA 3.10. Principio de funcionamiento de un suavizador de agua dura.
La columna de resina puede suavizar el agua mientras contenga cationes de sodio, al alcanzar el contenido de sodio, la resina debe ser regenerada con sal (NaCl).
El proceso de intercambio es como sigue:
Dureza Resina Sodio Resina agotada
Para regenerar el suavizador, una solución fuerte de salmuera es usada. La solución fuerte de salmuera forzará al calcio y al magnesio de regreso a la solución. Los cationes de sodio se adhieren a la resina para mantenerla eléctricamente neutra.
Sodio Resina Agotada Resina Dureza
2Na+ + Ca R --- Na2R + Ca++ 2Na+ + Mg R --- Na2R + Mg++
Hay cuatro pasos básicos en la operación de un suavizador.
1. El contralavado. En el paso del contralavado, agua fresca fluye en una dirección hacia arriba a través de la cama de resina. La resina es expandida y los sólidos en suspensión que tienen una gravedad específica más baja que la resina son drenados. La cama es empacada otra vez por el flujo de servicio, así que el contralavado afloja la cama para un mejor contacto en los pasos de salmuera.
2. Salmuera y enjuague lento. En este paso, una cantidad medida de salmuera es traída del tanque de salmuera y fluye lentamente hacia abajo a través de la cama de resina. Después de que se introduce el monto medido de salmuera, un ciclo de enjuague lento limpia la solución de salmuera de la cama de resina. La resina retiene el sodio y el calcio y magnesio son drenados.
3. Enjuague rápido. El enjuague rápido lava la resina en un flujo hacia abajo para asegurar que toda la salmuera haya sido limpiada de la resina.
4. Servicio. El agua fluye a través de la cama de resina en un flujo hacia abajo, de tal forma que se introduce agua suave a las líneas de servicio.
Si el agua tiene un contenido de dureza alta en sodio en sus sólidos disueltos habrá un "sangrado" de dureza. Cuando el contenido de sodio en el agua es alto, la resina tenderá a regenerarse mientras suaviza. La dureza se fugará de la resina y aparecerá en el agua de servicio.
FIGURA 3.11. Muestra de un suavizador de agua con tanque de salmuera.
3.1.4.3. Control de Regeneración Automática.
La mayoría de los suavizadores de agua tienen un sistema automático de regeneración. El tipo más básico tiene un cronómetro eléctrico que limpia y recarga el sistema en un horario regular. Durante la recarga, el agua suave no está disponible.
El segundo tipo de control usa un computador que controla la cantidad de agua usada. Cuando bastante agua ha pasado a través del depósito mineral como para haber agotado los granos de sodio, la computadora acciona la regeneración.
Estos ablandadores tienen frecuentemente una capacidad de reserva de resina, para que agua ablandada este disponible durante la recarga.
Un tercer tipo de control usa una escala mecánica para medir la cantidad de agua usada y para poner en acción la recarga. La ventaja de este sistema es que no hay componentes eléctricos, y el depósito mineral sé recarga solo cuando es necesario. Cuando está equipado con dos depósitos de minerales, el agua suave está siempre disponible, aun cuando la unidad está recargando.
El pretratamiento de ablandadores de agua o intercambio iónico del agua es esencial para cuando se usan equipos de osmosis inversa.
3.1.5. Sistemas de osmosis inversa.
FIGURA 3.12. Osmosis normal, equilibrio de presión osmótica y osmosis inversa.
Una membrana semipermeable contiene muchos poros, al igual que cualquier otra membrana. El tamaño de los mismos es tan minúsculo que deja pasar las moléculas pequeñas pero no las grandes. Por ejemplo, deja pasar las moléculas de agua que son pequeñas, pero no las de azúcar que son muy grandes.
Debido a la temperatura, las moléculas se mueven de un lado para otro. Las moléculas de agua pasan por los poros en ambas direcciones: de la zona de agua pura a la de agua con azúcar y viceversa. Las moléculas de azúcar también se mueven, pero al no poder atravesar la membrana, rebotarán en ella, aunque algunas, momentáneamente obstruyan los poros.
En la zona de agua de baja concentración, todas las moléculas que llegan a los poros son de agua y la atraviesan. En la zona de alta concentración llegan a los poros moléculas de agua y moléculas de azúcar; por tanto, habrá menos moléculas de agua capaces de atravesar la membrana hacia la zona del agua pura.
El resultado final es que aunque el agua pasa de la zona de baja concentración a la de alta concentración y viceversa, hay más moléculas de agua que pasan desde la zona de baja concentración a la de alta. Dicho de otro modo, dando el suficiente tiempo, parte del agua de la zona sin azúcar habrá pasado a la de agua con azúcar. El agua pasa de la zona de baja concentración a la de alta concentración.
3.1.5.1. Osmosis inversa.
Lo descrito hasta ahora es lo que ocurre en situaciones normales, en las que los dos lados de la membrana están a la misma presión, pero si se aumenta la presión del lado de la solución con mayor concentración, puede lograrse que el agua pase desde el lado de alta concentración al de baja concentración. Se puede decir que se está haciendo lo contrario de la ósmosis, por eso a este fenómeno se le llama ósmosis inversa. Debe tenerse en cuenta que en la ósmosis inversa a través de la membrana semipermeable sólo pasa agua. Es decir, el agua de la zona de alta concentración pasa a la de baja concentración.
Si se tiene agua con contaminante "x" cuyas moléculas tienen un tamaño de "y" micras, siendo "y" mayor que el tamaño de la molécula de agua y se busca una membrana semipermeable que deje pasar moléculas de tamaño igual a las del agua pero no de tamaño "y" similar a las del contaminante, al aplicar presión (ósmosis inversa) se obtendrá agua sin contaminante.
La osmosis inversa consiste en separar un componente de otro en una solución, mediante las fuerzas ejercidas sobre una membrana semipermeable. (Ver Fig. 3.13)
FIGURA 3.13. Presión del lado de la solución con alta concentración.
FIGURA 3.14. El agua se limpia y aumenta el nivel del lado del agua.
La osmosis inversa logra separar del agua previamente tratada en los procesos anteriores los sólidos disueltos, orgánicos, pirogénicos, la materia coloidal microorganismos, virus, y bacterias del agua. La ósmosis inversa es capaz de quitar entre 95% y 99% de los sólidos disueltos totales (TDS) y el 99% de todas las bacterias, proporcionando así un agua segura.
Los componentes básicos de una instalación típica de osmosis inversa consisten en un tubo de presión conteniendo la membrana, aunque normalmente se utilizan varios de estos tubos, ordenados en serie o paralelo.
Una bomba suministra en forma continua el fluido a tratar hacia los tubos de presión y, además, es la encargada de suministrar la presión necesaria para iniciar el proceso. Una válvula reguladora en la corriente de concentrado es la encargada de controlar la misma dentro de los elementos (se denominan así a las membranas convenientemente dispuestas). (Ver Fig. 3.15)
Hoy en día, hay tres configuraciones posibles de la membrana: elemento tubular, elemento espiral y elemento de fibras huecas.
Más del 60% de los sistemas trabajan con elementos en espiral debido a dos ventajas apreciables:
1.- Buena relación área de membrana/volumen del elemento.
2.- Diseño que le permite ser usado sin dificultades de operación en la mayoría de las aplicaciones, ya que admite un fluido con una turbiedad más de tres veces mayor que los elementos de fibra hueca.
En la actualidad estos elementos se fabrican con membranas de acetato de celulosa o poliamidas y con distinto grados de rechazo y producción. Con un promedio de 0.001 mm, las bacterias son aproximadamente mil veces más grandes que los minúsculos poros. Puede prescindirse casi por completo del uso de sustancias químicas.
La tecnología del proceso de ósmosis inversa es bien conocida por su efectividad para reducir el total de sólidos disueltos y también contaminantes iónicos específicos.
En recientes pruebas, la Agencia de Protección Ambiental (EPA/USA) ha demostrado que el proceso es muy efectivo en la reducción de contaminantes orgánicos como los
trihalometanos, los productos químicos volátiles (VOC´s) y los productos químicos sintéticos (SOC´s).
Al porcentaje del agua purificada sobre el total del agua alimentada se le da el nombre de "recuperación". La recuperación es una variable de diseño del sistema y debe ser respetada. Si la recuperación es muy alta, se tendrá mayor flujo de permeado y en consecuencia mayores probabilidades de que la membrana falle por taponamiento. Si la recuperación es muy baja, se desperdiciará mucha agua.
A medida que se aplique más presión a la solución más concentrada, el agua empezará a fluir de la solución con más concentración a la de menos concentración. La cantidad de agua filtrada depende de la presión aplicada a la solución de más concentración, de la presión osmótica aparente, y del área de la membrana que esta siendo presurizada. La presión requerida para sobreponerse a la presión osmótica depende de la concentración molar de la solución y de la temperatura absoluta, 100 mg/l de sólidos disueltos son equivalentes a aproximadamente 1 psi de presión osmótica.
Las novedades del diseño y desempeño de la osmosis inversa son:
Entre un 90% y 99% de remoción incluyendo flúor, sodio, calcio y metales pesados.
