DEPARTAMENTO DE IRRIGACIÓN
DISEÑO DE UN TREN DE TRATAMIENTO TERCIARIO AVANZADO PARA OBTENER AGUA EMBOTELLADA
TESIS PROFESIONAL
QUE COMO REQUISITO PARCIAL
PARA OBTENER ÉL TITULO DE:
INGENIERO EN IRRIGACIÓN PRESENTAN:
JUAN MARTÍNEZ JOSÉ SOLORIO ELIZALDE NAHIELLI
C
C
C
Co
o
on
n
nt
t
te
e
en
n
ni
i
id
d
do
o
o
Índice de Tablas ... vi
Índice de Figuras ... viii
Resumen ... ix Summary ... ix I II... IIInnntttrrroooddduuucccccciiióóónnn ... 111 I IIIII... OOObbbjjjeeetttiiivvvooosss ... 333 Objetivo General ... 3 Objetivos Particulares ... 3 I IIIIIIII... RRReeevvviiisssiiióóónnn dddeee LLLiiittteeerrraaatttuuurrraaa ... 444 III.1 Antecedentes ... 4
III.1.1 Panorama Mundial de la Contaminación del Agua. ... 4
III.1.2 Aspectos Generales de la Problemática del Agua en México ... 5
III.1.3 Importancia de la Potabilización del Agua ... 5
III.1.4 Consumo de Agua Potable en la Universidad Autónoma Chapingo. ... 7
III.1.4.1 Consumo de agua en Comedores ... 7
III.1.4.2 Consumo de agua embotellada en Departamentos de Enseñanza y Oficinas ... 8
III.1.5 Tecnologías Empleadas para la Purificación del Agua. ... 8
III.2 Parámetros de Calidad de las Aguas ... 9
III.2.1 Caracterización del Agua ... 9
III.2.1.1 Parámetros físicos ...10
III.2.1.2 Parámetros químicos...12
III.2.1.3 Parámetros biológicos ...19
III.2.1.4 Parámetros bacteriológicos ...20
III.2.1.5 Parámetros radiológicos ...20
III.3 Sistemas de Tratamiento de Agua para Consumo Humano ...21
III.3.1 Filtración ...21
III.3.1.1 Generalidades ...21
III.3.1.2 Mecanismos de remoción ...22
III.3.1.3 Descripción de la filtración ...22
III.3.1.4 Sistemas de filtración ...23
III.3.1.5 Variables del proceso de filtración ...23
III.3.1.5.1 Características del agua a filtrar ...23
III.3.1.5.2 Características del medio filtrante ...24
III.3.1.5.3 Velocidad de filtración ...24
III.3.1.6 Hidráulica de la filtración ...24
III.3.1.7 Flujo a través de lechos expandidos ...27
III.3.1.8 Filtración en medio granular ...28
III.3.1.9 Lavado de filtros ...28
III.3.1.9.1 Retrolavado con agua a contracorriente ...29
III.3.1.9.2 Retrolavado con agua, combinada con lavado superficial ...30
III.3.1.9.3 Retrolavado con agua y aire sucesivamente ...30
III.3.1.9.4 Retrolavado con agua y aire con agua simultáneamente ...30
III.3.1.10 Número y tamaño de los filtros ...31
III.3.1.11 Selección del medio filtrante ...31
III.3.1.12.3 Filtros a presión ...34
III.3.1.12.4 Filtros de diatomea ...35
III.4 Tratamiento para Eliminar o Remover el Sabor y Olor ...35
III.4.1 Filtros de Carbón Activado ...36
III.4.1.1 Definición ...36
III.4.1.2 Generalidades ...36
III.4.1.3 Descripción ...36
III.4.1.4 Producción de carbón activo ...37
III.4.1.5 Proceso de activación ...38
III.4.1.6 Perspectivas en desarrollo para la adsorción - regeneración del carbón activado ...40
III.4.1.6.1 Oxidación catalítica ...40
III.4.1.6.2 Utilización de microondas ...40
III.4.1.7 Consideraciones al aplicar el carbón activo en el tratamiento del agua ...40
III.4.1.8 Proceso de adsorción ...41
III.4.1.9 Filtros de carbón activado granular ...44
III.4.1.10 Ventajas y desventajas de carbón activo en polvo y en lechos filtrantes en grano ...45
III.4.1.11 Perspectivas en desarrollo para el carbón activo ...46
III.4.1.11.1 Las fibras de carbón activado ...46
III.4.1.11.2 Las membranas de carbón activado ...46
III.4.1.12 Principales usos del carbón activo ...47
III.4.1.12.1 Potabilización ...47
III.4.1.13 Capacidad de retención de cloro ...47
III.4.1.14 Concentración de cloro ...48
III.4.1.15 Sanitización de los lechos de carbón ...48
III.4.1.16 Extracción de carbón activo ...49
III.5 Tratamiento para el Ablandamiento del Agua ...50
III.5.1 Intercambio Iónico ...50
III.5.1.1 Aspectos generales ...50
III.5.1.2 Definición ...50
III.5.1.3 Principios de funcionamiento ...51
III.5.1.4 Dureza ...52
III.5.1.5 Materiales de intercambio ...53
III.5.1.5.1 Zeolitas ...54
III.5.1.6 Intercambio y regeneración ...55
III.5.1.7 Resinas sintéticas...58
III.5.1.7.1 Estructura física y química de las resinas. ...58
III.5.1.8 Selectividad de resinas ...59
III.5.1.9 Tasa de intercambio ...60
III.5.1.10 Tipos de resinas de intercambio iónico usadas para el tratamiento de aguas ...60
III.5.1.11 Desmineralización ...62
III.5.1.11.1 Diseño de los equipos de desmineralización ...64
III.5.1.12 Ventajas del proceso iónico ...64
III.5.1.13 Cálculo de un suavizador ...64
III.6 Tratamientos para Desinfectar el Agua ...65
III.6.1 Métodos Físicos o Desinfección Sin Químicos. ...65
III.6.1.1 Luz Ultravioleta ...66
III.6.1.1.1 Aspectos generales ...66
III.6.1.1.2 Reseña histórica ...66
III.6.1.1.3 Luz UV ...66
III.6.1.1.4 Fuentes y tecnología de lámparas...67
III.6.1.1.5 Generación de la UV ...68
III.6.1.1.6 Mecanismos de desinfección ...69
III.6.1.1.9 Componentes de los equipos esterilizadores ...72
III.6.1.1.10 La luz ultravioleta ofrece seguridad en la desinfección ...73
III.6.1.1.11 Desinfección de agua potable ...75
III.6.1.1.12 Operación y mantenimiento ...75
III.6.1.1.13 Subproductos de desinfección...76
III.6.1.1.14 Costos de desinfección UV ...76
III.6.1.1.15 Aplicaciones de la UV ...77
III.6.1.1.16 Ventajas de la UV ...77
III.6.1.1.17 Recomendaciones de seguridad ...78
III.6.1.1.18 Criterios para seleccionar la luz UV ...78
III.6.1.1.19 Guía de instalación ...79
III.6.1.2 Osmosis Inversa ...80
III.6.1.2.1 Generalidades...80
III.6.1.2.2 Antecedentes científicos ...80
III.6.1.2.3 Descripción del proceso ...81
III.6.1.2.4 Presión osmótica ...82
III.6.1.2.5 Osmosis inversa ...83
III.6.1.2.6 Funcionamiento de la ósmosis inversa ...84
III.6.1.2.7 Diferencia entre ósmosis y otros procesos de membrana ...85
III.6.1.2.8 Teorías de la ósmosis ...85
III.6.1.2.9 Ecuaciones fundamentales ...86
III.6.1.2.10 Membranas de ósmosis y módulos de ósmosis ...89
III.6.1.2.11 Diferencias entre membranas...92
III.6.1.2.12 Características de las membranas ...93
III.6.1.2.13 Rendimiento de los módulos ...94
III.6.1.2.14 Colocación de las membranas ...95
III.6.1.2.15 Usos de la ómosis ínversa ...95
III.6.1.2.16 Ventajas de la ómosis inversa ...96
III.6.2 Métodos Químicos ...97
III.6.2.1 Ozonización ...97
III.6.2.1.1 Aspectos generales ...97
III.6.2.1.2 Propiedades del ozono ...100
III.6.2.1.3 Acciones fundamentales del ozono ...102
III.6.2.1.4 Formas de producción del ozono ...105
III.6.2.1.5 Ozono vs. cloro ...114
III.6.2.1.6 Ventajas y desventajas ...116
III.6.2.1.7 Factores ambientales y de seguridad ...117
III.6.2.1.8 Aplicaciones ...118
III.6.2.2 Cloración ...120
III.6.2.2.1 Aspectos generales ...120
III.6.2.2.2 Factores que influyen en la cloración ...120
III.6.2.2.3 Reacciones del cloro en el agua ...121
III.6.2.2.4 Demanda de cloro...123
III.6.2.2.5 Cloro residual en la red de distribución ...124
III.6.2.2.6 Desinfectantes con contenido de cloro ...124
III.6.2.2.7 Elección del desinfectante residual ...125
III.6.2.2.8 Equipos de cloración ...125
III.6.2.2.9 Protección de la salud pública ...126
III.6.2.2.10 Subproductos de desinfección...127
I IIVVV... MMMaaattteeerrriiiaaallleeesss yyy MMMééétttooodddooosss ...129
IV.3.1 Perspectiva de las Aguas Embotelladas. ...129
IV.3.2 Crecimiento del Mercado de Agua Puricada ...131
IV.3.3 Disponibilidad de la Materia Prima e Insumos de Producción ...132
IV.3.4 Determinación de la Demanda ...133
IV.3.5 Presentación y Descripción del Producto ...134
IV.3.6 Agua Purificada en México ...135
IV.3.7 Comportamiento de la Demanda ...136
IV.3.8 Análisis de la Demanda ...137
IV.3.9 Demanda Actual ...137
IV.3.10 Proyección de la Demanda ...138
IV.3.11 Estimación de la Oferta ...139
IV.3.12 Tipo de Proceso del Oferente de Mayor Mercado ...140
IV.3.13 Importancia del Precio ...141
IV.3.14 Comercialización ...142
IV.3.15 Canal de Comercialización Propuesto ...143
IV.3.16 Parámetros de Competitividad ...144
IV.3.17 Estrategias para la Penetración y Venta del Agua en el Mercado ...144
IV.3.18 Justificación del Proyecto ...144
IV.4 Tamaño de la Planta ...145
IV.4.1 Agua Purificada en Presentación de 19 litros ...145
IV.4.2 Presentaciones de 500 ml ...147
IV.4.3 Presentaciones de 1500 ml ...147
IV.4.4 Localización de la Planta ...149
IV.4.5 Microlocalización ...149
IV.5 Ingeniería Básica del Proceso de Purificación de Agua ...149
IV.5.1 Descripción de la Calidad del Agua y Tecnología Disponible. ...150
IV.5.2 Descripción del Proceso para la Purificación del Agua ...152
IV.5.3 Cálculo y Descripción del Equipo ...160
IV.5.3.1 Cálculo del diámetro de la tubería ...160
IV.5.3.2 Cálculo de la potencia de la bomba ...163
IV.5.3.2.1 Cálculo de la presión en la succión ...164
IV.5.3.2.2 Cálculo del número de Reynolds ...164
IV.5.3.2.3 Pérdidas de carga en la succión ...165
IV.5.3.2.4 Pérdidas de carga en la descarga...166
IV.5.3.2.5 Cálculo de la potencia de la bomba o caballos hidráulicos ...169
IV.5.3.2.6 Potencia del motor ...169
IV.5.3.3 Cálculo de la potencia consumida por el motor operando ...170
IV.5.4 Especificaciones del Equipo ...173
IV.5.4.1 Filtro de lecho profundo ...174
IV.5.4.2 Filtro de carbón activado ...174
IV.5.4.3 Intercambio iónico ...175
IV.5.4.4 Osmosis inversa ...177
IV.5.4.5 Radiación ultravioleta ...178
IV.5.4.6 Generador de ozono. ...179
IV.5.4.7 Lavadora de garrafones. ...179
IV.5.4.8 Llenadora de garrafones ...179
IV.5.4.9 Sistema de transporte ...179
IV.5.4.10 Superficie para la instalación ...180
IV.6 Estimación de Costos ...180
IV.6.1 Constitución de la Empresa ...180
IV.6.2 Requerimientos de la Mano de Obra. ...181
IV.6.2.1 Descripción del puesto ...181
IV.6.4 Estudio Económico ...183
IV.6.4.1 Presupuesto de costos de producción ...183
IV.6.4.1.1 Costos de bombeo de la materia prima ...183
IV.6.4.1.2 Costos de la materia prima y envases para el primer año ...188
IV.6.4.1.3 Otros materiales ...190
IV.6.4.1.4 Consumo de energía eléctrica ...190
IV.6.4.1.5 Costos de mano de obra directa ...191
IV.6.4.1.6 Combustible ...191
IV.6.4.1.7 Mantenimiento ...191
IV.6.4.1.8 Costo de control de calidad ...192
IV.6.4.1.9 Presupuesto de costos de producción ...193
IV.6.4.1.10 Presupuesto de gastos de administración ...193
IV.6.4.1.11 Presupuesto de gasto de venta...194
IV.6.4.1.12 Costos totales de producción ...194
IV.6.4.1.13 Costo total de operación de la empresa ...195
IV.6.4.1.14 Ingresos de la planta con una capacidad del 73.58%...196
IV.6.4.1.15 Inversión inicial en activo fijo y diferido ...196
IV.6.4.1.16 Obra civil ...197
IV.6.4.1.17 Activo diferido ...199
IV.6.4.1.18 Inversión total del activo fijo y diferido ...199
IV.6.4.1.19 Depreciación y amortización ...199
IV.6.4.1.20 Determinación del capital de trabajo ...200
IV.6.4.1.21 Determinación del punto de equilibrio o producción mínima económica ...201
IV.6.4.1.22 Determinación de los ingresos por ventas sin inflación ...203
IV.6.4.1.23 Estado de resultados sin inflación y con producción variable hasta el quinto año ...203
IV.6.5 Evaluación Económica ...205
IV.6.5.1 Cálculo del VPN y la TIR con una producción variable, sin inflación ...205
IV.6.6 Costos Cubiertos por la Universidad Autónoma Chapingo. ...207
V VV... RRReeesssuuullltttaaadddooosss yyy DDDiiissscccuuuccciiióóónnn ...211 V VVIII... CCCooonnncccllluuusssiiiooonnneeesss ...213 V VVIIIIII... BBBiiibbbllliiiooogggrrraaafffíííaaa ...214 V VVIIIIIIIII... AAAnnneeexxxooosss ...222
Índice de Tablas
Núm. De Descripción Pág.
tabla
Tabla 3.1 Opciones para recuperar el agua contaminada. ... 9
Tabla 3.2 Modelo de resinas comúnmente en mercado. ...56
Tabla 3.3 Dosis recomendadas y exigidas de UV. ...71
Tabla.3.4 Comparación de los tres medios más utilizados para la desinfección del agua. ...79
Tabla 3.5 Porcentaje de rechazo de membranas. ...94
Tabla 3.6 Potenciales de oxidación. ...101
Tabla 3.7 Solubilidad del ozono en el agua. ...110
Tabla 3.8 Propiedades del ozono durante el empleo en aguas para potabilizar. ...115
Tabla 3.9 Rango de ozono permisible. ...117
Tabla 3.10 Tiempo de exposición del hombre, en ciertos niveles de concentración de ozono. ...118
Tabla 3.11 La constante de ionización Ki varía con la temperatura. ...122
Tabla 3.12 Desinfectantes de agua potable a simple vista. ...125
Tabla 3.13 Agentes patógenos transmitidos por el agua. ...127
Tabla 4.1 Estudio de PROFECO a aguas purificadas en ocho ciudades del país. ...130
Tabla 4.2 Datos comparativos de la NOM-041 y el análisis de agua realizado. ...132
Tabla 4.3 Comportamiento de consumo de agua en garrafón. ...135
Tabla 4.4 Proyección del consumo de agua para la población de trabajadores de la UACH ...138
Tabla 4.5 Proyección del consumo de agua para la población de estudiantes. ...139
Tabla 4.6 Producción estimada de agua purificada en presentación de 19 litros para la UACH. ...140
Tabla 4.7 Comparación de precios de agua purificada en algunas presentaciones comerciales. ...141
Tabla 4.8 Producción de agua purificada para el primer año. ...145
Tabla 4.9 Producción estimada para el año 2 al 10. ...146
Tabla 4.10 Producción estimada de agua purificada en presentación menor de 500 ml. ...147
Tabla 4.11 Producción estimada de agua purificada en presentación de 1500 ml. ...148
Tabla 4.12 Producción estimada de agua purificada anualmente que será introducida al mercado. ...148
Tabla 4.13 Calidad del agua antes de operar el sistema de UV. ...156
Tabla 4.14 Dosis de ozono aplicadas según sus distintas aplicaciones...158
Tabla 4.15 Velocidad razonable del agua en tuberías. ...160
Tabla 4.16 Filtro de lecho profundo de uso comercial. ...174
Tabla 4.17 Filtro carbón activado de uso comercial...175
Tabla 4.18 Ablandamiento de uso comercial. ...176
Tabla 4.19 Sistemas de ósmosis inversa comerciales. ...177
Tabla 4.20 Lámparas de radiación ultravioleta comerciales. ...178
Tabla 4.21 Requerimientos de personal. ...181
Tabla 4.22 Materia prima requerida mensualmente para el primer año. ...183
Tabla 4.23 Tarifa 6 de energía eléctrica para el bombeo de agua potable. ...184
Tabla 4.24 Costo del equipo de bombeo a través de los años. ...188
Tabla 4.25 Costos de la materia prima y envases. ...188
Tabla 4.27 Otros materiales. ...190
Tabla 4.28 Equipos que requieren energía eléctrica. ...190
Tabla 4.29 Costo de la mano de obra directa. ...191
Tabla 4.30 Costos por mantenimiento al equipo del tren de tratamiento terciario. ...192
Tabla 4.31 Parámetros más importantes para iniciar en el mercado del agua purificada y envasada. .192 Tabla 4.32 Presupuesto de costos de producción. ...193
Tabla 4.33 Costos del personal administrativo. ...193
Tabla 4.34 Costos totales de producción. ...194
Tabla 4.35 Costos totales de operación del tren de tratamiento terciario. ...195
Tabla 4.36 Ingresos de la planta a lo largo del año. ...196
Tabla 4.37 Activo fijo de producción. ...196
Tabla 4.38 Activo fijo de oficina...197
Tabla 4.39 Activos diferidos. ...199
Tabla 4.40 Resumen de costos totales. ...199
Tabla 4.41 Depreciación y amortización de activo fijo y diferido. ...200
Tabla 4.42 Clasificación de los costos y gastos de operación. ...201
Tabla 4.43 Punto de equilibrio para el primer año. ...202
Tabla 4.44 Ingresos por ventas. ...203
Tabla 4.45 Costos que permanecen fijos, independientemente de la cantidad producida. ...204
Tabla 4.46 Estado de resultados sin inflación, con producción variable. ...204
Tabla 4.47 Ingresos y pago de la inversión de activo fijo y diferido...204
Tabla 4.48 El ingreso diario con $12.2 / garrafón. ...205
Tabla 4.49 Costos para una planta purificadora dentro de la UACH. ...207
Tabla 4.50 Clasificación de los costos y gastos de operación. ...208
Tabla 4.51 Ingresos por ventas. ...209
Tabla 4.52 Costos que permanecen fijos, independientemente de la cantidad producida. ...209
Tabla 4.53 Estado de resultados sin inflación, sin financiamiento y producción variable. ...209
Tabla 4.54 Ingresos y pago de la inversión de activo fijo y diferido...210
Índice de figuras
Núm. de Descripción Pág.
Figura
Figura 3.1 Filtro de lecho profundo. ...34
Figura 3.2 Estructura del carbón activado en anillos tipo benceno. ...39
Figura 3.3 Isotermas de Freundlich. ...43
Figura 3.4 Instalación del ablandador. ...58
Figura 3.5 Secuencias de ADN normal y modificado. ...67
Figura 3.6 Efecto de UV de presión media en un microorganismo. ...67
Figura 3.7 Construcción de una lámpara de arco de mercurio y diseño de balasto...68
Figura 3.8 Generación de UV...68
Figura 3.9 Principios del proceso de ósmosis. ...82
Figura 3.10 Fenómeno de ósmosis inversa. ...84
Figura.3.11 Membranas construidas con poliamida. ...90
Figura 3.12 Proceso de membrana tubular. ...90
Figura.3.13 Proceso de membrana fibra hueca. ...91
Figura 3.14 Proceso de membrana de espirales. ...91
Figura 3.15 Esquema de funcionamiento de un generador de ozono. ...106
Figura 3.16 Esquema básico de un generador de ozono de tubos concéntricos ...108
Figura 3.17 Diagrama simplificado de un generador de ozono. ...109
Figura 3.18 Sistemas de tanques de contacto de ozono con difusores de burbuja ...111
Figura 3.19 Métodos de difusión de ozono por inyección. ...113
Figura 4.1 Tanque de almacenamiento de agua cruda. ...152
Figura 4.2 Filtros de lecho profundo. ...153
Figura 4.3 Instalación de un filtro de lecho profundo y carbón activado. ...153
Figura 4.4 Filtro decarbón activado. ...154
Figura 4.5 Suavizadores de agua comercial. ...154
Figura 4.6 Unidad de ósmosis inversa. ...155
Figura 4.7 Lámpara de UV (uso industrial). ...156
Figura 4.8 Tanque de almacenamiento de agua purificada. ...157
Figura 4.9 Sistema generador de ozono. ...157
Figura 4.10.a Lavadora de garrafones. ...158
Figura 4.10.b Conexiones de lavadora de garrafones modelo L-3. ...159
Figura 4.11 Llenadora de garrafones fijo y movible. ...159
Figura 4.12 Esquema de bombeo. ...162
Figura 4.13 Gráfica de rendimiento de motobombas multipasos de ¾ a 2 HP. ...170
Figura 4.14 Esquema de bombeo del pozo Yucateco. ...170
Figura 4.15 Esquema de ubicación del sistema de producción. ...198
Figura 4.16 Punto de equilibrio de la producción. ...202
Figura 4.17 Diagrama de flujo para la evaluación económica sin inflación con producción variable. ....205
Figura 4.18 Diagrama de flujo para la evaluación económica sin inflación con producción variable (UACH). ...210
Diseño de un tren de tratamiento terciario avanzado para obtener agua embotellada. Arana Muñoz O.1 Juan Martínez J.2 Solorio Elizalde N.2 RESUMEN
En este trabajo se presenta la información necesaria de los sistemas de tratamiento terciario avanzado que hay en el mercado, filtros de lecho profundo, filtros de carbón activado, intercambio iónico, osmosis inversa, radiación ultravioleta, ozonización y cloración, así como la combinación de estos para obtener un producto que cumpla con los estándares nacionales e internacionales de calidad del agua embotellada comercial. Además, se realiza el diseño de un tren de tratamiento terciario para purificar agua a la Universidad Autónoma Chapingo de acuerdo a su calidad, siendo esencial el análisis financiero sin inflacióny sin financiamiento teniendo costos de producción con un precio de venta mínimo de $12.15 y $9.06 por garrafón.
PALABRAS CLAVE: Filtración, carbón, intercambio, osmosis, ozono, cloro, evaluación económica.
Design of a train of advanced tertiary treatment to obtain bottled water.
SUMMARY
In this work the necessary information of the systems of advanced tertiary treatment is presented that there is in the market, filters of deep channel, filters of activated coal, exchange ionic, inverse osmosis, ultraviolet radiation, ozone and chlorine, as well as the combination of these to obtain a product that fulfills the national and international standards of quality of the commercial bottled water. Also, this is carried out the design of a train of tertiary treatment to purify water of the Autonomous University Chapingo according to their quality, being essential the financial analysis without inflation and without financing having production costs, with a minimum sale price of $12.15 and $9.06 for carafe.
KEY WORDS: Filtration, coal, exchange, osmosis, ozone, chlorine, design, economic evaluation.
I
I
.
.
I
I
n
n
t
t
r
r
o
o
d
d
u
u
c
c
c
c
i
i
ó
ó
n
n
El agua es imprescindible para la vida. La necesitan tanto animales y plantas así como el hombre en la agricultura, la ganadería, la industria o la generación de energía.
En el hombre constituye el 70% del cuerpo y la utiliza todos los días para satisfacer necesidades fundamentales. A pesar de que se puede vivir con sólo 5 litros o menos de agua al día, generalmente necesitamos mucha más agua para conservarnos saludables; unos 50 litros o más para satisfacer las necesidades personales y del hogar. Pero en los países desarrollados se gasta mucho más, un promedio de 400 a 500 litros por persona diariamente, cantidades que no siempre son un lujo, sin embargo resulta costoso.
Las aguas dulces que podemos aprovechar son superficiales, como los ríos, arroyos y lagos; o subterráneas. También se puede captar agua de lluvia en presas de almacenamiento.
Desde tiempos remotos, la lluvia ha sido tan escasa e irregular que su aprovechamiento directo es muy difícil, afortunadamente la naturaleza nos permite disponer de ésta durante una parte del año. Posteriormente parte del agua llega hacia las corrientes de agua, otra parte llega a los almacenamientos y otra se filtra en el suelo lentamente hacia los acuíferos.
Con la tecnificación de la agricultura, la aplicación de productos químicos afecta la calidad del agua subterránea, debido a que en el proceso del ciclo hidrológico una parte del agua de lluvia escurre y otra se infiltra llevando consigo residuos tóxicos. El abatimiento de los acuíferos por sobre explotación de agua para uso doméstico e industrial, en áreas circundantes de las grandes urbes, ha deteriorado la disponibilidad del recurso por lo que es necesario la construcción de plantas de tratamiento para reutilizar el agua.Garantizar un aporte suficiente de agua no es suficiente para resolver los problemas de suministro, es necesario asegurar que esa agua sea potable, es decir, apta para el consumo humano. De hecho, las grandes ciudades estuvieron expuestas a graves epidemias por transmisión hídrica, hasta que se desarrollaron sistemas eficaces
de potabilización, que garantizaran a la población un agua con una calidad y en una cantidad adecuadas.
El avance de la ciencia y la necesidad de seguir obteniendo agua de mejor calidad, ha permitido que se usen nuevos métodos y equipos para obtener agua a un precio accesible a la población.
Por eso en este trabajo se propone un tren de tratamiento terciario para tratar el agua y obtener un producto de calidad, tal que permita su confiabilidad para entrar en el mercado del agua purificada certificada.
I
I
I
I
.
.
O
O
b
b
j
j
e
e
t
t
i
i
v
v
o
o
s
s
O
O
b
b
j
j
e
e
t
t
i
i
v
v
o
o
G
G
e
e
n
n
e
e
r
r
a
a
l
l
Proyectar un tren de tratamiento terciario avanzado para obtener agua purificada embotellada y ser consumida por la comunidad de la Universidad Autónoma Chapingo.
O
O
b
b
j
j
e
e
t
t
i
i
v
v
o
o
s
s
P
P
a
a
r
r
t
t
i
i
c
c
u
u
l
l
a
a
r
r
e
e
s
s
Realizar una revisión bibliográfica de los métodos terciarios avanzados que más se utilizan para purificar agua.
Realizar análisis de muestras de agua en diferentes fuentes que serán la materia prima, que mediante los tratamientos terciarios avanzados reúnan las características para embotellar.
Determinar costos de la obra civil.
Determinar la rentabilidad del tren de tratamiento terciario avanzado propuesto. Contar con un trabajo que apoye la enseñanza y el diseño de un sistema de
I
I
I
I
I
I
.
.
R
R
e
e
v
v
i
i
s
s
i
i
ó
ó
n
n
d
d
e
e
L
L
i
i
t
t
e
e
r
r
a
a
t
t
u
u
r
r
a
a
I
I
I
I
I
I
.
.
1
1
A
A
n
n
t
t
e
e
c
c
e
e
d
d
e
e
n
n
t
t
e
e
s
s
III.1.1 Panorama Mundial de la Contaminación del Agua
La senda del desarrollo económico seguida en este siglo ha afectado drásticamente la cantidad y calidad de los recursos hídricos. De continuar por este camino, en las próximas décadas habrá una enorme disparidad entre la demanda y la disponibilidad del agua. Existe el riesgo de que se produzca una crisis del agua a escala mundial. El agua durante la presente década se ha convertido en una preocupación sin precedentes, por la escasez de recursos de agua dulce para satisfacer la demanda de los 8,500 millones de personas que habrá en el año 2025. Las lluvias anuales en los continentes proporcionan unos 7000 m3 por persona, pero su distribución desigual en el tiempo y en el espacio hace que sólo parte de este volumen pueda explotarse económicamente, aunque cabe mencionar que el 45 por ciento de ella es absorbida por la demanda existente (Arana, 1996).
Actualmente, la cuarta parte de los países del mundo tiene insuficiencia de agua tanto en cantidad como en calidad, con lo cual no cabe duda que un uso más intensivo e inapropiado del recurso aumentará los riesgos para la población y supone una grave rémora para la producción alimentaría, para el desarrollo económico y para la protección de los ecosistemas. Es tan grave la escasez de agua dulce en el mundo que el Banco Mundial advierte que el problema presenta una amenaza para la economía y la salud de 80 países, es decir 40 % de los habitantes de la tierra - más de dos millones de personas—no tienen acceso al agua limpia ni a condiciones sanitarias (Cazares, 1992, citado por Arana, 1996).
Algunas investigaciones han estimado que el 80% de todas las enfermedades y el 33% de las muertes en los países en desarrollo están relacionados con la inadecuada calidad del agua y según el estudio del PNUMA (Programa de las Naciones Unidas
países en vías de desarrollo se deben al agua sucia o a la falta de instalaciones sanitarias" y la Organización Mundial de la Salud (OMS) informó que las enfermedades ligadas al modo de vida y al ambiente son responsables de las tres cuartas partes de los 49 millones de defunciones que se producen en el planeta cada año, y medio mundo 2.500 millones de personas- sufren enfermedades asociadas a la contaminación del agua y a la falta de higiene, señalando una estrecha correlación entre la insuficiencia y calidad del recurso y la ocurrencia de enfermedades de origen hídrico (Fierros, 1992).
III.1.2 Aspectos Generales de la Problemática del Agua en
México
En nuestro país se ha dado un mal uso del agua, puesto que cada familia desperdicia en promedio unos 150 litros diarios a causa de los malos hábitos, elevando con ello el consumo promedio por persona a 200 y hasta 300 litros al día, cuando 100 litros serían suficientes para el uso doméstico per cápita urbano (Arana, 1996).
La calidad del agua superficial se está deteriorando en las principales cuencas a causa de los residuos urbanos agrícolas e industriales. Las aguas freáticas se contaminan desde la superficie y en otros casos se deterioran irreversiblemente con la intrusión de agua salada del mar, cuando el bombeo ha sido excesivo, tal es el caso de la Costa de Hermosillo en Sonora y Santo Domingo B. C. (Arana,1996).
III.1.3 Importancia de la Potabilización del Agua
Es innegable que la problemática no natural del agua es provocada por el hombre en su interacción con el medio natural. Y está determinada por la forma de aprovechar, usar y administrar, tanto el agua como los otros recursos, los cuales son inherentes al equilibrio ecológico y al sano fluir del ciclo hidrológico. La cual se hace crítica en los centros de uso, particularmente en los centros de mayor población. Como representativa de las aglomeraciones humanas tenemos a la Ciudad de México y su zona metropolitana.
Esta situación impide que la población cuente con un servicio adecuado de agua potable, lo que obliga a bombear de distancias muy alejadas (Valle de Bravo, Cutzamala), en este proceso es cuando se contaminan y para solucionar el problema
los gobiernos de las ciudades optan por un sistema que no resulte una inversión cuantiosa, seleccionando los métodos tradicionales que incrementan los problemas para el consumidor (CEAS, 1993).
A pesar de lo anterior es necesario disponer de agua que no tenga mal sabor, olores extraños, tanto fría como caliente, de manera que solo desprenda leve alcalinización que le confieren las sales y gases disueltas en ellas, desde luego conviene que contenga cierta cantidad de sal, pues en caso contrario, resulta insípida.
El agua potable es indispensable para la mayoría de los seres vivos ya que es el constituyente mayor de seres vivos; estando incorporada a los tejidos y órganos. Así, podemos indicar que el tejido adiposo contiene entre un 22% y un 34% de agua, y en el hígado y corazón la proporción oscila entre un 70% y 80%. El tejido con mayor contenido en agua es el nervioso, con una proporción entre el 82% y 94% (Delta, 2001). El agua puede estar libre, conteniendo sustancias minerales u orgánicas en disolución o combinada con ciertos cuerpos. También se presenta retenida, por absorción, por ciertas sustancias dentro de las células, Su papel es muy importante, hasta el punto que una pérdida de agua del 15% produce graves trastornos en los animales superiores. En los inferiores, da lugar al enquistamiento, o a la adopción del estado de vida latente. Es el medio de disolución de los componentes minerales y orgánicos del protoplasma celular y gracias a ella pueden realizar varias acciones vitales para el organismo. Lo anterior nos pone en tela de juicio para decidir el tipo de agua que deseamos incorporar al organismo para prevenir las enfermedades que se pueden transmitir mediante el agua (Delta, 2001).
Por tal la transformación en su calidad esta debe estar acorde a las necesidades de la sociedad, y pasó de ser un elemento esencial natural a un producto elaborado y comercializado.
III.1.4 Consumo de Agua Potable en la Universidad Autónoma
Chapingo
Para el abastecimiento de agua de uso Doméstico la Universidad cuenta con cuatro pozos (Yucateco, Zootecnia, Lavanderia y Sociología) activos que funcionan mas de una hora diaria, para almacenarla se dispone de cisternas con una capacidad aproximada de 50 m3. Cabe aclarar que en los pozos el nivel estatico está a una profundidad del orden de 60 m (Gutiérrez, 2002), comunicación personal.
III.1.4.1 Consumo de agua en Comedores
Los pozos Yucateco, Zootecnia, Lavanderia están conectados para abastecer a toda la Universidad de esa manera cuando se presentan problemas los demás suministran el líquido.
De acuerdo con la información recabada, años atrás hasta el agua que se consumía en los comedores solo recibía tres tratamientos avanzados, en el siguiente orden: intercambio iónico, filtros de fibra y filtros de carbón activado. Estos dos últimos a un se encuentran colocados como muestra de su deterioro. El tratamiento de intercambio iónico lleva funcionando más de cinco años y la regeneración de la resina se hace con sal de mar (NaCl), cabe aclarar que es un pre tratamiento antes de entrar a la caldera. Actualmente las autoriadades de la universidad se han preocupado por mejorar y tener un control en las aguas que utiliza en sus comedores para la preparación de alimentos, café, te, lavado de verduras, entre otros usos, además que tienen una red que abastece a algunas oficinas donde algunos trabajadores la consumen para la preparación de café.
El tratamiento que opera desde inicios del 2002 tiene una capacidad para purificar 50 m3/diarios. El tren que sigue el agua es el siguiente: filtros de carbón activado- filtro de pulidor de agua - Rayos Ultravioleta. Teniendo el mayor consumo en las horas de servicio 7-9 am, 12-3 pm, 7-8.30 pm.
III.1.4.2 Consumo de agua embotellada en Departamentos de
Enseñanza y Oficinas
Por otra parte, la preocupación por la calidad sanitaria del agua que se bebe se ha incrementado por el consumo de agua purificada embotellada en las oficinas tanto académicas como administrativas de cada departamento, puesto que prefieren comprar agua de una cierta calidad (Higiene) y aun precio accesible.
Es así como se consumen varias decenas de garrafones de agua purificada, que cada departamento compra para su consumo. Sin embargo la disponibilidad no la tienen todos, ya que el abasto no es suficiente, por lo que se ven en la necesidad de comprar en presentaciones de un litro o bien hervir agua en su casa. Esta última es una manera que la Secretaría de Salud recomienda para prevenir enfermedades gastrointestinales, ya que se destruyen los microorganismo pero no se eliminan los sólidos (minerales) contenidos en el agua.
En lo que respecta al consumo de agua por los alumnos la mayoría la adquiere en los comedores a la hora de sus alimentos, y algunos sin el conocimiento de su origen y calidad la consumen directamente de la llave sin algún tratamiento (canchas deportivas y dormitorios) previo o bien en su caso prefieren algún líquido gasificado. En pocos casos prefieren comprar agua purificada.
La universidad está integrada por tres grupos que son los Académicos (1232 personas), Administrativo (2782) y Alumnos (6802).
III.1.5 Tecnologías Empleadas para la Purificación del Agua
La necesidad por obtener agua con menores contaminantes, ha permitido al hombre, buscar nuevas alternativas más eficientes, con un mínimo de recursos económicos para purificar el agua y de esa manera tener un mercado competitivo, a precio accesible a la población.
Para iniciar un procedimiento de selección es indispensable realizar análisis del agua, ya que su realización nos permite conocer su calidad, y reduce la desconfianza por parte del usuario, pues es que tomando como base los resultados obtenidos, se selecciona el equipo adecuado para su purificación.
A continuación se muestran algunas opciones para resolver algunos problemas que se presentan en el agua (neWater,2002).
Tabla 3..11 Opciones para recuperar el agua contaminada.
I
I
I
I
I
I
.
.
2
2
P
P
a
a
r
r
á
á
m
m
e
e
t
t
r
r
o
o
s
s
d
d
e
e
C
C
a
a
l
l
i
i
d
d
a
a
d
d
d
d
e
e
l
l
a
a
s
s
A
A
g
g
u
u
a
a
s
s
III.2.1 Caracterización del Agua
El agua pura es un líquido incoloro, inodoro e insípido. Tiene un matiz azul, que sólo puede detectarse en capas de gran profundidad. A la presión atmosférica (760 mm de mercurio), el punto de congelación del agua es de 0° C y su punto de ebullición de
100°C. El agua alcanza su densidad máxima a una temperatura de 4° C y se expande al congelarse. Como muchos otros líquidos, el agua puede existir en estado sobre enfriado, es decir, que puede permanecer en estado líquido aunque su temperatura esté por debajo de su punto de congelación; se puede enfriar fácilmente a unos -25° C sin que se congele. Tiene un peso molecular de 18 gr/ mol.
Los parámetros del agua son características físicas, químicas, biológicas y radiológicas que permiten detectar cual es el grado de contaminación que presenta el agua, la razón principal de este problema es su estructura molecular que es dipolar, con una constante dieléctrica muy alta superior a cualquier otro liquido. Algunos de estos se utilizan en el control de los procesos de tratamiento realizando mediciones de forma continua o discreta.
Los parámetros se pueden clasificar en cuatro grandes grupos: físico, químico, biológico y radiológico.
III.2.1.1 Parámetros físicos
Turbidez
Es la dificultad del Agua para transmitir la luz debido a materiales insolubles en suspensión, que varían en tamaño desde dispersiones coloidales hasta partículas gruesas, entre otras arcillas, limo, materia orgánica e inorgánica finamente dividida, organismos planctónicos, microorganismos etc.
Actualmente la turbidez se mide con un nefelómetro expresando los resultados Unidad de Turbidez nefelométrica, UTN.
Las aguas subterráneas suelen tener valores inferiores a 1 ppm de sílice, pero las superficiales pueden alcanzar varias decenas. Las aguas con 1 ppm son muy transparentes y permiten ver a su a través hasta profundidades de 4 a 5 m. Con 10 ppm, que seria el máximo deseable para una buena operación de los filtros, la transparencia se acerca al metro de profundidad. Por encima de 100 ppm las transparencias están por debajo de los 10 cm y los filtros se obstruyen rápidamente. La Turbiedad mayor de 5 ppm es detectable, para lo cual se debe disminuir mediante los procesos de coagulación, decantación y filtración y debe de disminuir a menos de 5 ppm y en plantas que operan con agua de pozo deben disminuirla a menos de 1 ppm.
Color
El color es la capacidad del agua para absorber ciertas radiaciones del espectro visible. El color natural en el agua existe debido al efecto de partículas coloidales cargadas negativamente. En general el agua presenta colores inducidos por materiales orgánicas de los suelos vegetales como el color amarillento debido a los ácidos humicos. La presencia de hierro puede darle un color rojizo y la del manganeso un color negro. Normalmente el color se mide en laboratorio por comparación de un estándar arbitrario a base de cloruro de cobalto, Cl2Co y Cloroplatinato de potasio, Cl6PtK2 y se expresa en una escala de Unidades de Pt-Co (unidad Hazen) o Pt, las aguas superficiales pueden alcanzar, varios centenares de ppm de Pt.
La eliminación suele hacerse por coagulación- floculación con posterior filtración (disminuyendo a menos de 5 ppm) o la absorción con carbón activado.
Olor y Sabor
Estos parámetros son determinaciones organolépticas y determinación subjetiva, para dichas observaciones no existen instrumentos de observación, ni registros, ni unidades de medida. Tienen un interés evidente en las aguas potables destinadas al consumo humano. Las aguas adquieren un sabor salado a partir de 300 ppm de Cl- y un gusto salado y amargo con mas de 450 ppm de SO4-.
EL CO2 libre en el agua le da un gusto ―picante‖. Trazas de fenoles u otros compuestos le confiere un olor y sabor desagradable.
Conductividad y resistividad
La conductividad eléctrica es la medida de la capacidad del agua para conducir electricidad. Es indicativo de la materia ionizable total presente en el agua. El agua pura contribuye mínimamente a la conductividad y por lo general es el resultado del movimiento de los iones de las impurezas.
La resistividad es la medida reciproca de la conductividad. El aparato utilizado es el conductivimetro cuyo fundamento es la medida eléctrica de la resistencia al paso de la electricidad entre las dos caras opuestas de un prisma rectangular comparada con la de una solución de ClK a la misma temperatura y referida a 20°C.
La unidad estándar de resistencia eléctrica es el ohm y la resistividad de las aguas, se expresa en megaohms-cm., la conductividad se expresa en el valor reciproco,
normalmente como microsie-mens por cm. Para el agua ultrapura los valores respectivos son de 18.24 Mohms.cm y 0.05483µs/cm a 25 °C.
III.2.1.2 Parámetros químicos
Alcalinidad
La alcalinidad es una medida de la capacidad para neutralizar ácidos. Contribuye a la alcalinidad los iones bicarbonato, CO3H-, carbonato, CO3= y oxhidrilo, OH-, pero también los fosfatos y ácido silito u otros ácidos de carácter débil. Los bicarbonatos y los carbonatos pueden producir CO2 en el vapor, que es una fuente de corrosión en las líneas de condensado. También puede provocar espumas, o provocar arrastre de sólidos con el vapor y fragilizar el acero de las calderas.
Se mide por titulación con una solución valorada de un álcali o un ácido según sea el caso y estos dependen de la concentración de los iones hidroxilos (OH)-, carbonato (CO3)= y bicarbonato (HCO3).
Cuando la alcalinidad es menor de 10 ppm es recomendada para el uso doméstico. Se corrige por descarbonatación con cal; tratamiento con ácido, o desmineralización por intercambio iónico.
Coloides
Es una medida del material en suspensión en el agua que por su tamaño alrededor de los 10-4 - 10-5 mm, se comporta como una solución verdadera y atraviesa el papel del filtro.
Los coloides pueden ser de origen orgánico (macromoléculas de origen vegetal) o inorgánico (óxidos de hierro y manganeso).En el agua potable la molestia solo es estético.
Se elimina por floculación y precipitación, precipitación y eliminación de barros. La filtración es insuficiente y requiere ultrafiltración.
Acidez mineral
La acidez es la capacidad para neutralizar bases. Es bastante raro que las aguas naturales presenten acidez, no así las superficiales. Es responsable de corrosión se mide en las mismas unidades que la alcalinidad y se corrige por neutralización con
Sólidos
Incluye toda la materia sólida excepto el agua contenida en los materiales líquidos y se clasifican:
Sólidos Disueltos. Los sólidos disueltos son una medida de la cantidad de materia
disuelta en el agua. El origen puede ser múltiple tanto en las aguas subterráneas como en la superficial. Para las aguas potables se fija un valor máximo deseable de 500 ppm, este dato por si sólo no es suficiente para catalogar la bondad del agua.
Los procesos de tratamiento son múltiples en función de la composición incluyendo la precipitación, intercambio iónico, destilación, electrodialisis y osmosis inversa.
Sólidos en suspensión. Se suelen separar por filtración y decantación. Son sólidos
sedimentables, no disueltos, que pueden ser retenidos por filtración. Las aguas subterráneas suelen tener menos de 1 ppm, las superficiales pueden tener mucho más dependiendo del origen y forma de captación.
Sólidos totales. Es la suma de los dos anteriores y en suspensión. Es la materia que
permanece como residuo después de evaporación y secado a 103 °C. El valor de los sólidos incluye tanto material disuelto (residuo filtrable) y no disuelto (suspendido).
Residuo Seco. Se llama así al peso de los materiales que quedan después de
evaporar un litro de agua en cuestión. Si previamente le hemos hecho una buena filtración corresponderá al peso total de sustancias, sean volátiles o no. La temperatura a que se hace la evaporación influye en los resultados, por las transformaciones que puede haber y las pérdidas, por ejemplo, de gas carbónico CO2.
Cloruros
El Ion cloruro (Cl-) forma sales muy solubles, suele asociarse con el Ion Na+, esto lógicamente en aguas muy salinas. Las aguas dulces contienen entre 10 y 250 ppm de cloruros, pero también se encuentran valores muy superiores fácilmente. Las aguas salobres contienen millares de ppm de cloruros, el agua de mar está alrededor de las 20,000 ppm de cloruros.
Las aguas con cloros pueden ser muy corrosivas debido al tamaño del ión que puede penetrar la capa protectora en la interfase óxido-metal y reaccionar con el hierro estructural.
La determinación argentométrica de los cloruros se basa en la formación de cromato de plata de color rojizo, esto ocurre cuando se adicionan al agua iones cromato como indicador y iones de plata como reactivo precipitante.
Titulando con una solución valorada de nitrato de plata se determina la cantidad necesaria para precipitar todos los cloruros como cloruro de plata e inmediatamente se observa la formación de cromato de plata de color rojizo.
El Ion cloruro se separa con intercambio Iónico, aunque es menos retenido que los iones polivalentes, por lo cual las aguas de alta pureza requieren un pulido final.
Sulfatos
El ión sulfato (SO4=), corresponde a sales moderadamente solubles a muy solubles. Las aguas dulces entre 2 y 250 ppm y el agua de mar alrededor de 3000 ppm. Recordemos, como ya hemos dicho que el agua pura se satura de SO4Ca a unas 1500 ppm. Lo que ocurre es que la presencia de otras sales de calcio aumenta la solubilidad.
En cantidades bajas no perjudica seriamente al agua pero algunos centenares de ppm pueden perjudicar la resistencia del hormigón. Su eliminación se realiza por intercambio iónico.
Nitratos
El ión nitrato (NO3-) forma sales muy solubles y estables. En un medio reductor puede pasar a nitritos, nitrógeno gas e incluso amoniaco. Las aguas normales menos de 10 ppm, y el agua de mar hasta 1 ppm. Aguas con filtración de zona de riego con contaminación por fertilizantes pueden tener hasta varios centenares de ppm.
Concentraciones muy elevadas en agua de bebida puede producir la cianosis infantil. Su presencia junto con fosfato, en aguas superficiales, provocan la aparición de un excesivo crecimiento de algas es lo que se conoce como eutrofización.
Su determinación se realiza por espectrofotometria.
Se elimina por intercambio iónico, siendo un método no económico en los proceso de potabilización en grandes volúmenes.
Fosfatos
a la alcalinidad del agua. No suele haber en el agua más de 1 ppm, salvo en los casos contaminación por fertilizantes.
Fluoruros
El Ión fluoruro (F-), corresponde a sales de solubilidad muy limitada, suele encontrarse en cantidades superiores a 1 ppm. Hay quien mantiene que alrededor de dicha concentración puede resultar beneficioso para la dentadura, en nuestra opinión no es aconsejable añadirlo al agua con este objeto, ya que también se almacena en el organismo y no existen estudios a largo plazo de efectos secundarios. La determinación suele hacerse por métodos colorímetros o método del electrodo del Ión selectivo.
Sílice
La sílice, SiO2 se encuentra en el agua disuelta como ácido silícico SiO4H4 y como materia coloidal; contribuye a provocar algo de alcalinidad en el agua. Las aguas naturales contienen entre 1 y 40 ppm, pudiendo llegar a las 100 ppm(si son aguas carbonatadas sódicas). La determinación se hace por colorimetría.
Su eliminación se consigue por precipitación aunque suele hacerse con resinas de intercambio Iónico fuertemente básicas.
Bicarbonatos y carbonatos
Como ya hemos visto anteriormente, existe una estrecha relación entre los iones bicarbonato CO3H-, carbonato CO3=, el CO2 gas y el CO2 disuelto.
El equilibrio, como ya vimos, está muy afectado por el pH; todos estos iones contribuyen fundamentalmente a la alcalinidad del agua.
Las aguas dulces suelen contener entre 50 y 350 ppm de ión bicarbonato, y si el pH es inferior a 8.3, no habrá ión bicarbonato. El agua de mar contiene alrededor de 100 ppm de ión bicarbonato.
Otros componentes aniónicos
Los sulfuros, S=, y el ácido sulfhídrico son muy característico de medios reductores, pero en general las aguas contienen menos de 1 ppm, su principal característica es que el agua tiene muy mal olor.
Los compuestos fenólicos afectan a la potabilidad, con olores y gustos especialmente desagradables, sobre todo después de un proceso de cloración.
Los detergentes son ligeramente tóxicos y presentan problemas de formación de espumas y consumen el oxigeno del agua.
Los ácidos húmicos pueden afectar a procesos de pretratamiento e intercambio iónico.
Sodio
El ión sodio, Na+, corresponde a sales de solubilidad muy elevada y difíciles de precipitar. Suele estar asociado al ión cloruro. El contenido de las aguas dulces esta entre 1 y 150 ppm, pero se pueden encontrar casos de hasta varios miles de ppm. Las aguas de mar contienen alrededor de 11,000 ppm. Es un indicador potencial de la corrosión. La determinación se hace por fotometría de llama.
El sodio se elimina por intercambio iónico, pero como ión monovalente es una de las primeras sustancias que fugan de la columna catiónica o del lecho mixto.
Potasio
El ión potasio K+, corresponde a sales de muy alta solubilidad y difíciles de precipitar. Las aguas dulces no suelen tener más de 10 ppm y el agua de mar alrededor de 400 ppm, eso es menos significativo que el sodio. Su determinación se hace por fotometría de llama. Se elimina por intercambio iónico.
Calcio
El ión calcio Ca++ forma sales desde moderadamente soluble a muy insolubles. Precipita fácilmente como carbonato de calcio (CO3Ca). Es el principal componente de la dureza del agua y causante de incrustaciones. Las aguas dulces suelen contener de 10 a 250 ppm, pudiendo llegar hasta 600 ppm. El agua de mar alrededor de 400 ppm. Se determina por complejometría con EDTA o NTA. Su eliminación se hace por precipitación e intercambio iónico.
Magnesio
El ión magnesio, Mg ++ tiene propiedades muy similares a las del ión calcio, aunque sus sales son un poco más solubles y difíciles de precipitar. El hidróxido de magnesio es,
agua de mar contiene alrededor de 1300 ppm. Su aparición en el agua potable con varios centenares de ppm provoca un sabor amargo y efectos laxantes. Contribuye a la dureza del agua y a pH alcalino, puede formar incrustaciones de hidróxido.
Su determinación es analítica por complejometría. Se puede precipitar como hidróxido pero su eliminación se realiza por intercambio iónico.
Hierro
Es un cation muy importante desde el punto de vista de contaminación, aparece en dos formas: ión ferroso, Fe++, o mas oxidado como ión férrico, Fe+++. La estabilidad y aparición en una forma u otra depende del pH, condiciones oxidantes o reductoras, ó composición de la solución. Afecta a la potabilidad de las aguas y es un inconveniente en los procesos industriales por provocar incrustaciones.
Por todo lo anterior las aguas subterráneas solo contienen el ión ferroso disuelto, que suele aparecer con contenidos entre 0 y 10 ppm, pero al airear el agua se precipita el hidróxido férrico de color rojizo, y se reduce el contenido a menos de 0.5 ppm. Solo las aguas de pH ácido pueden tener contenidos en hierro de varias decenas de ppm.
Su determinación se hace analíticamente por colorimetría y espectrofotometría de absorción atómica, dando el hierro total que incluye las formas solubles, coloidal y en suspensión final.
La eliminación se hace por coagulación - filtración. También se puede emplear el intercambio Iónico.
Manganeso
El ión manganeso se comporta en la mayoría de los casos muy parecido al ión hierro además de poder ser bivalente y trivalente positivo puede también presentarse con valencia +4 formando el MnO2 que es insoluble. Rara vez el agua contiene más de 1 ppm y requiere un pH ácido.
La forma manganeso Mn++ que es más general por aireación se oxida y precipita con un color negrusco de MnO2. Se determina por oxidación a permanganato y colorimetría de la solución oxidada y espectrometría de absorción atómica.
Metales Tóxicos
Los más comunes son el arsénico, el cadmio, el plomo, el cromo, el bario y el selenio. Todos ellos deben ser estrictamente controlados en el origen. Las mediciones se realizan por espectrofotometría de absorción atómica.
Arsénico. Este se pasa al agua por contacto con ella. Es bien conocido desde hace
siglos como tóxico, ya que afecta a la salud humana, produciendo daños al sistema nervioso y respiratorio, produce graves consecuencias en la piel, hígado y riñones. Uno de los principales síntomas de una ingestión prolongada es la hiperqueratósis de las palmas de pies y manos. La OMS establece un contenido máximo de arsénico en el agua de 10g./l.
Dentro de las técnicas que figuran para la eliminación del arsénico figuran: Coagulación- Decantación- filtración.
Adsorción con alúmina activada. Ablandamiento con cal.
Intercambio cationico y Osmosis inversa.
Gases Disueltos
El dióxido de carbono, CO2, es un gas relativamente soluble que se hidroliza formando iones bicarbonato y carbonato, en función del pH del agua. Las aguas subterráneas profundas pueden contener hasta 1500 ppm pero las superficiales se sitúan entre 1 y 30 ppm, un exceso hace que el agua sea corrosiva. Se elimina por desgasificación o descarbonatación.
Él oxigeno, O2, por su carácter oxidante juega un papel importante en la solubilidad o precipitación de iones que presenta alguna forma insoluble, su presencia en el agua es vital para la vida superior y para la mayoría de los microorganismos. Su ausencia puede representar la presencia de metano, ácido sulfhídrico y otros gases objecionables. El ácido sulfhídrico, SH2 causa un olor a huevos podridos y es corrosivo.
El amoniaco (NH3) es un indicador de contaminación del agua, y en forma no iónica es tóxico para los peces. Con la cloración produce cloraminas, también tóxicas.
III.2.1.3 Parámetros biológicos
Estos parámetros son indicativos de la contaminación orgánica y biológica; tanto la actividad natural como la humana contribuyen a la contaminación orgánica de las aguas: la descomposición animal y vegetal, los residuos domésticos, detergentes, etc. Este tipo contaminante es más difícil de controlar que la química o física y además los tratamientos deben estar regulándose constantemente.
Demanda Biológica de Oxigeno (DBO)
Mide la cantidad de oxígeno consumida en la eliminación de la materia orgánica del agua mediante procesos biológicos aerobios, se suele referir al consumo en 5 días (DBO5), también suele emplearse (DBO21) días. Se mide en ppm de O2 que se consume.
Las aguas subterráneas suelen contener menos de 1 ppm, contenido superior es sinónimo de contaminación por infiltración freática. En las aguas superficiales es muy variable y depende de las fuentes contaminantes aguas arriba. En aguas residuales domesticas se sitúa entre 100 y 350 ppm. En las industriales alcanza varios miles de ppm.
Demanda Química de Oxigeno (DQO)
Mide la capacidad de consumo de un oxidante químico, dicromato, permanganeto, etc. Por el total de materias oxidables orgánicas e inorgánicas. Es un parámetro mas rápido que el anterior ya que es la medición casi inmediata, la unidad de medida son ppm de O2.
Las aguas no contaminadas tienen valores de DQO de 1 a 5 ppm. Las aguas residuales domesticas están entre 260 y 600 ppm.
Hay un índice que indica que tipo de aguas estamos analizando y se obtiene con la relación (DBO/DQO) si es menor de 0.2 el vertido será de tipo inorgánico y si es mayor de 0.6 se interpretara que aguas arriba tenemos un vertido orgánico.
Carbón orgánico total
El COT es una medida del control de materia orgánica del agua. Es especialmente utilizable en pequeñas concentraciones. En presencia de un catalizador el carbón orgánico se oxida a CO2; últimamente se está popularizando por la rapidez en la realización del análisis. Se mide en un analizador infrarrojo.
III.2.1.4 Parámetros bacteriológicos
La bacteria Escherochis coli y el grupo coliforme en su conjunto, son los organismos más comunes utilizados como indicadores de la contaminación fecal. Las bacterias coliformes son microorganismos de forma cilíndrica, capaces de fermentar la glucosa y la lactosa. Otros organismos utilizados como indicadores de contaminación fecal son los estreptococos fecales y los clostridios.
Estos últimos son anaerobios, formadores de esporas; estas son formas resistentes de las bacterias capaces de sobrevivir largo tiempo.
El análisis del agua se realiza con el método de los tubos múltiples y se expresa en términos de el ―numero más probable‖ (índice NMP) en 100 ml de agua. Las aguas con un NMP inferior a 1, son potables.
Según el destino del agua, la eliminación de bacterias se realiza por filtración, o esterilización por luz ultravioleta, cloración u ozonización.
III.2.1.5 Parámetros radiológicos
Hasta hace poco tiempo este tipo de parámetros no era importante, pero conforme avanza el desarrollo industrial la presencia de sustancias radiactivas en el agua es un riesgo de relevancia creciente. Su importancia es más sanitaria que industrial.
I
I
I
I
I
I
.
.
3
3
S
S
i
i
s
s
t
t
e
e
m
m
a
a
s
s
d
d
e
e
T
T
r
r
a
a
t
t
a
a
m
m
i
i
e
e
n
n
t
t
o
o
d
d
e
e
A
A
g
g
u
u
a
a
p
p
a
a
r
r
a
a
C
C
o
o
n
n
s
s
u
u
m
m
o
o
H
H
u
u
m
m
a
a
n
n
o
o
Tipos de plantas de purificación
La calidad del agua cruda oscila gradualmente de una fuente a otra; por ello el tipo de tratamiento requerido para producir agua potable, también varia. Dependiendo de la calidad de esta, el grado de complejidad del tratamiento es diferente. El diseño de una planta de tratamiento eficiente y económica requiere un estudio basado en la calidad de la fuente y en la selección apropiada de los procesos y operaciones de tratamiento más adecuadas y económicos para producir agua de la calidad requerida (Romero, 1999).
III.3.1 Filtración
III.3.1.1 Generalidades
Es sabido que los recursos hídricos, tanto subterráneos como cuerpos superficiales, presentan contaminantes que no permiten su uso directo para consumo humano.
La turbiedad, el fierro, el manganeso, el arsénico, el cadmio, el flúor, los sulfatos, el amonio, los nitritos y nitratos son los principales contaminantes o parámetros que deben corregirse con la filtración.
La humanidad buscó la manera de corregir algunos problemas del agua y es en Escocia en 1804 donde se inventó el primer filtro. En 1829 la Compañía del Río Támesis, en Londres emprendió la construcción de filtros lentos de arena y en 1892 se demostró su eficiencia para el control biológico de la epidemia de cólera ocurrida en Hamburgo.
En las plantas de purificación la filtración remueve el material suspendido (turbiedad) compuesto de flóculos, suelos, metales oxidados y microorganismos que resisten a la desinfección.
Cuando la filtración se usa en la potabilización se emplea con o sin pretratamiento de coagulación y sedimentación para eliminar los sólidos presentes en las aguas y los precipitados de tratamiento químico. (Ramalho, 1996).
Definición: La filtración se define como la separación de partículas sólidas o semisólidas que están suspendidas en un fluido(Mendez, 2002).
El filtro es un aparato que sirve para separar las partículas sólidas de un medio fluido por intercepción y retención de las partículas sobre una superficie o en el seno de una masa porosa a través de las cuales se hace circular el fluido.
En el diseño óptimo de un filtro debe considerarse (Rogola, 1999):
Tamaño del medio y la altura del lecho.
Velocidad de filtración.
Presión disponible.
El modo de filtrar.
III.3.1.2 Mecanismos de remoción
La filtración depende de una combinación compleja de mecanismos físicos y químicos; en aguas de consumo, la adsorción juega el papel importante (AWWA,1984), ya que a medida que el agua pasa a través del lecho del filtro las partículas suspendidas hacen contactos y son adsorbidas sobre la superficie de los granos del medio o sobre material previamente depositado.
Las fuerza que atraen y retienen las partículas sobre los granos son las mismas que en la coagulación y floculación y por lo tanto es muy importante tener una buena coagulación antes de la filtración.
III.3.1.3 Descripción de la filtración
La operación de la filtración supone dos etapas: filtración y lavado o regeneración. El filtro rápido por gravedad es el más usado en tratamiento de aguas; el final de la etapa de filtración se alcanza cuando los sólidos suspendidos (turbiedad) en el efluente aumentan; cuando la pérdida de carga es alta que el filtro ya no produce agua a la tasa deseada o cuando la filtración es de 36 horas o más.
Presentándose una de las condiciones anteriores se procede a lavar para remover el material suspendido acumulado dentro del lecho filtrante y recuperar su capacidad como tal. El método de retrolavado es invertir el flujo a través del filtro.
