DISEÑO DE LA AUTOMATIZACIÓN DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EN LA MINA DE CARBÓN DE LA EMPRESA SANOHA
LTDA., UBICADA EN LA VEREDA REGINALDO, MONGUÍ, BOYACA
JAHIR MAURICIO MERCHÁN JIMÉNEZ JOHN SERGIO RODRÍGUEZ SIERRA
UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA FACULTAD SECCIONAL SOGAMOSO
ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA SOGAMOSO
DISEÑO DE LA AUTOMATIZACIÓN DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EN LA MINA DE CARBÓN DE LA EMPRESA SANOHA
LTDA., UBICADA EN LA VEREDA REGINALDO MONGUÍ BOYACA
JAHIR MAURICIO MERCHÁN JIMÉNEZ JOHN SERGIO RODRÍGUEZ SIERRA
Monografía
Directora
Ing. Liliana Fernández Samacá, PhD
UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA FACULTAD SECCIONAL SOGAMOSO
ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRÓNICA SOGAMOSO
Nota de aceptación _______________________________ _______________________________ _______________________________ _______________________________ _______________________________ _______________________________ _______________________________ Firma del Presidente del Jurado
_______________________________ Firma del Jurado
_______________________________ Firma del Jurado
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN ... 19
1. GENERALIDADES. ... 18
1.1 ANTECEDENTES ... 18
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. ... 19
1.3 JUSTIFICACIÓN ... 20
1.4 OBJETIVOS ... 21
1.4.1 Objetivo General: ... 21
1.4.2 Objetivos Específicos: ... 21
1.5 MARCO TEÓRICO ... 22
1.5.1 Extracción y manejo de aguas residuales de las minas. ... 22
1.5.2 Agua acida: ... 22
1.5.2.1 Efectos del Agua Acida. ... 23
1.6 MARCO LEGAL ... 24
1.7 ESTADO DEL ARTE ... 26
1.7.1 Técnicas Correctoras ... 26
1.7.1.1 Tipos de planta de tratamiento de agua residual (PTAR) ... 26
2. INGENIERÍA CONCEPTUAL ... 30
2.1. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO DE DESCONTAMINACIÓN Y NEUTRALIZACIÓN DE AGUAS EXTRAÍDAS DE LA MINA DE CARBÓN EN SANOHA ... 30 2.2. VIABILIDAD ... 33 2.2.1. Seguridad ... 34 2.2.2. Calidad ... 34 2.3. REQUERIMIENTOS DE LA EMPRESA ... 35 3. INGENIERÍA BÁSICA... 38
3.1 DESCRIPCIÓN E INSTRUMENTACIÓN DE LA PTAR: ... 38
3.1.1 Primera sección: Tanques de decantación ... 39
3.1.1.2 Instrumentación para el control de nivel de agua ... 48
3.1.2 Segunda Sección ... 54
3.1.2.1 Instrumentación para control de pH ... 55
3.1.2.2 Instrumentación para evitar la Compactación de cal ... 62
3.1.3 Tercera sección. ... 67
3.2 FUNDAMENTOS PARA EL CONTROL DE PH ... 69
3.2.1 Prueba de jarras ... 70
3.2.1.1 Materiales y equipos ... 70
3.2.1.2 Procedimiento: ... 70
3.2.2 Análisis matemático ... 74
3.2.2.1 Variables físicas ... 74
3.2.2.2 Modelo matemático del reactor ... 76
3.3 POSIBLES ARQUITECTURAS PARA LA AUTOMATIZACIÓN... 85
3.3.1 Selección del datalogger ... 85
3.3.2 Diseño con controladores independientes ... 87
3.3.2.1 Controladores independientes con el variador de gama baja ... 88
3.3.2.2 Controladores independientes con el variador de gama media ... 90
3.3.3 Diseño con controlador central: ... 91
3.3.3.1 Con controlador central y registrador independiente. ... 91
3.3.3.2 Controlador central y registrador integrado... 98
3.3.4 Selección de la mejor arquitectura de control... 100
4. INGENIERÍA DE DETALLE ... 103
4.1. CONFIGURACIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN 103 4.1.1. Sistema de registro. ... 103
4.1.1.1. Sensores... 103
4.1.1.2. Montaje del datalogger DI-710... 105
4.1.2. Sistema de Control ... 107
4.1.2.1. Sensor de nivel ... 107
4.1.2.3. Contactor y guarda motor (Sirius 3RA1115-1C) ... 113
4.1.2.4. Motor ... 113
4.1.2.5. PLC ... 114
4.1.2.6. Fuente ... 118
4.2. Diagramas y Planos de instrumentación ... 120
4.3. Obras civiles ... 122
LISTA DE TABLAS
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Tabla 1: Necesidades y actividades a realizar ... 36
Tabla 2: Tabla de actividades ... 37
Tabla 3. Valores máximos y mínimos de las variables de la PTAR en el tanque de almacenamiento ... 42
Tabla 4: Requerimientos Para Medición De Ph ... 43
Tabla 5. Comparación sensores de pH según la casa fabricante ... 44
Tabla 6: requerimientos para medición de conductividad ... 46
Tabla 7. Comparación de sensores de conductividad según la casa fabricante .... 46
Tabla 8. Comparación de sensores de nivel según su fabricación. ... 50
Tabla 9: Comparación de sensores de nivel según la casa fabricante. ... 51
Tabla 10. Comparación de válvulas según su sistema de activación. ... 53
Tabla 11: comparación de válvulas según su casa fabricante. ... 53
Tabla 12. Composición del reactor y dosificador ... 55
Tabla 13: Características del variador de gama baja ... 59
Tabla 14: características de variador de velocidad de gama media ... 61
Tabla 15: características motores aptos para la PTAR ... 64
Tabla 16: características de los posibles guarda motores y contactores ... 66
Tabla 17. Valores máximos y mínimos de las variables de la PTAR en el tanque de clarificado ... 69
Tabla 18. Regla de aforo del vertedero ... 75
Tabla 19 comparación de controladores de pH según la casa fabricante ... 89
Tabla 20. Listado de señales entrada y salida del PLC ... 93
Tabla 21. Comparación de PLC según la casa fabricante ... 94
Tabla 22. Listado de señales entrada y salida del PLC D-700... 96
Tabla 23. Características de PLC de gama baja ... 97
Tabla 25. Ventajas y desventajas de las diferentes arquitecturas ... 100
Tabla 26.(continuacion) Ventajas y desventajas de las diferentes arquitecturas . 101 Tabla 27. Parámetros para programar PID del variador FR-D720 ... 111
Tabla 28 (continuación). Parámetros para programar PID del variador FR-D720112 Tabla 29. Funciones usadas en la programación del PLC Alpha ... 117
Tabla 30 (continuación). Funciones usadas en la programación del PLC Alpha . 118 Tabla 31. Consumo de electricidad de la instrumentación de la PTAR. ... 118
Tabla 32. Características de las fuentes de alimentación propuestas ... 119
Tabla 33. Identificación funcional de los elementos de la PTAR... 121
LISTA DE FIGURAS
Pág
Figura 1 Planta De Neutralización De Aguas Acidas ... 27
Figura 2: Sistema de aireación y corrección de ph para aguas residuales de la mina ... 29
Figura 3. Proceso de neutralización de pH en la PTAR de SANOHA ... 30
Figura 4 Tanques de almacenamiento ... 31
Figura 5: Dosificador ... 31
Figura 6: Tanque de clarificado ... 32
Figura 7: Pozos de lodos ... 33
Figura 8: Diagrama de la planta de tratamiento de aguas residuales en la mina Sanoha... 38
Figura 9: Primer tanque con el sistema de decantación y aireación ... 39
Figura 10. pH de entrada ... 40
Figura 11. Temperatura de entrada ... 40
Figura 12. Conductividad de entrada ... 41
Figura 13. Sensor 3-2764-2 de George++Fisher (a). ... 45
Figura 14. Electrodo de conductividad. (a)... 48
Figura 15. Segundo tanque de almacenamiento ... 49
Figura 16 sonda conductiva FTW31 y relé FTW325 ... 52
Figura 17 Electroválvula SUW-50#316 ... 54
Figura 18. Dosificador y reactor planta de tratamiento de aguas residuales en la mina SANOHA ... 54
Figura 19. pH salida del tratamiento ... 56
Figura 20. Lazo de control para la PTAR de la mina Sanoha ... 57
Figura 21 Variador de velocidad J7 ... 60
Figura 22: Variador de velocidad FR-D720-025-EC ... 62
Figura 23: Sistema de agitación ... 63
Figura 24: Motor ASSI-NORD ... 65
Figura 25: Contactor y guarda motor sirius 3RT ... 67
Figura 27. pH de salida del tratamiento tomado en el tanque de clarificado ... 68
Figura 28 conductividad de salida del tratamiento en el tanque de clarificado ... 68
Figura 29 Sensor de pH 2764 y transductor 2750. (a). ... 69
Figura 30. Sistema de agitación mostrado en el laboratorio ... 71
Figura 31. Curvas de pH con agitación constante y variación de cantidad de cal . 71 Figura 32. Curvas de pH con 5 gr de cal y variación de agitación ... 72
Figura 33. curvas de pH con 6 gr de cal y variación de agitación ... 73
Figura 34. Dimensiones de sistema de aforo ... 75
Figura 35. Reactor de la PTAR ... 76
Figura 36. Diagrama de bloques de la función de transferencia del reactor ... 77
Figura 37. Comportamiento pH vs concentración de mol de hidrogeno ... 79
Figura 38: zona lineal del comportamiento pH vs concentración de mol de hidrogeno ... 80
Figura 39. Diagrama de bloques de lazo cerrado de control con PI ... 81
Figura 40. Diagrama de bloques para realizar el control de pH en el reactor ... 84
Figura 41. Comportamiento teórico de control de pH en el reactor ... 84
Figura 42: Arquitecturas de control ... 85
Figura 43. Datalogger DI-710 ... 86
Figura 44. Interconexión del datalogger con los sensores y memoria portatil... 87
Figura 45. Diseño de arquitecturas con controladores independientes. ... 88
Figura 46. Controlador pH EZ-Zone ... 90
Figura 47. Diseño de arquitecturas con controladores independientes. ... 91
Figura 48: Diseño arquitectura con controlador central, variador J7y registrador independiente ... 92
Figura 49. PLC FX3G ... 95
Figura 50: diseño arquitectura con controlador central, variador FR-D700 y registrador independiente ... 95
Figura 51. PLC Alpha de Mitsubishi ... 97
Figura 52. Diseño de arquitectura con controlador central y datalogger integrado 98 Figura 53. Scadapack314 ... 99
Figura 54. Recomendaciones para el montaje en planta de los sensores ... 104
Figura 56. Diagrama de conexión eléctrica del sensor de pH (izquierda) y sensor
de conductividad. (derecha) ... 105
Figura 57. Terminales del datalogger (a), circuito de conexión con sensores (b) 106 Figura 58. Panel trasero del datalogger ... 107
Figura 59. Conexión Sonda conductiva FTW31 con relé FTW325 ... 108
Figura 60. Configuraciones del relé con las sondas ... 108
Figura 61. Distancias mínimas de instalación del variador de velocidad ... 109
Figura 62: Asignación de bornes y conexión de la tensión de alimentación y del motor ... 110
Figura 63. Panel de control y visualización del variador D720 ... 110
Figura 64 Diagrama de bloques para hacer el control PID con el variador ... 111
Figura 65. Conexión típica de lazo de control PID ... 112
Figura 66.Dispositivo Sirius 3RA1115 (a.) ... 113
FIGURA 67. Placa de características ... 114
Figura 68. Partes PLC compacto Alpha ... 115
Figura 69. Fuente 24V 5 A de Schneider Electric ... 119
Figura 70. Diagrama de instrumentación de la PTAR de SANOHA ... 120
Figura 71. Lazo de control de pH ... 121
LISTA DE ANEXOS
pág
Anexo A Registro de las variables fisicoquímicas del agua realizada de CD SANOHA LTDA.
Anexo B Sensor de pH. CD CD
Anexo B-1 Hoja de especificaciones electrodo de pH 2724-2726 de CD George++Fisher
Anexo B-2 Manual de instalación electrodo de pH 2724-2726 de CD George++Fisher
Anexo B-3 Hoja de especificaciones transmisor de pH 2750 de CD George++Fisher
Anexo B-4 Manual de instalación transmisor de pH 2750 de George++Fisher CD
Anexo B-5 Hoja de especificaciones del electrodo de Ph ORBIPAC CD CPF81K de Endress+Hauser
Anexo B-6 Hoja de especificaciones transmisor de pH Liquiline CM442 de CD Endress+Hauser
Anexo C Sensor de conductividad CD
Anexo C-1 Hoja de especificaciones electrodo de conductividad CD 2839-2842 CD de George++Fisher
Anexo C-2 Manual de instalación electrodo de conductividad 2839-2842 de CD George++Fisher
Anexo C-3 Hoja de especificaciones transmisor de conductividad 2850 de CD George++Fisher
Anexo C-4 Manual de instalación transmisor de conductividad 2850 de CD George++Fisher
Anexo C-5 Hoja de especificaciones del electrodo de conductividad CD Condumax CLS50 de Endress+Hauser
Anexo C-6 Hoja de especificaciones transmisor conductividad Liquiline M CD CM42 de Endress+Hauser
Anexo D Sensor de nivel
Anexo D-1 Hoja de especificaciones de la sonda conductiva FTW31 de CD Endress+Hauser
Anexo D-2 Hoja de especificaciones del relé FTW325 de Endress+Hauser CD Anexo D-3 Manual de instalación del relé FTW325 de Endress+Hauser CD Anexo D-4 Hoja de especificaciones de la sonda conductiva y el relé CD NES-RAPE3 y NE-3042 de Kobold.
Anexo E Electroválvula
Anexo E-1 Hoja de especificaciones de la electroválvula (suw-50#316) de CD Uni-D.
Anexo E-2 Hoja de especificaciones de la electroválvula Burkert CD Anexo F Variador de velocidad de gama baja CD Anexo F-1 Guía rápida de instalación variador J7 de Yaskawa CD Anexo F-2 catalogo del variador Sinamic G110 de Siemens CD Anexo G Variador de velocidad de gama media CD Anexo G-1 Instrucciones de operación variador FR-D700 de Mitsubishi CD Anexo G-2 Catalogo del variador Altivar 12 de Schneider Electric CD
Anexo H Motor CD Anexo H-1 Características de motores reductores trifásicos de Sumitomo CD
Anexo H-2 Manual de instalación de motores reductores trifásicos de CD Sumitomo
Anexo H-3 Características del motor reductor trifásico cnvm05-6105–51 de CD Sumitomo
Anexo H-4 Características del motor reductor trifásico SK 372.1 IEC 71 L/4 CD de Assi-Nord
Anexo I Guarda motores y contactores CD Anexo I-1 Catalogo del guarda motores y contactores Sirius de Siemens CD CD
Anexo I-2 Catalogo del guarda motores y contactores de Schneider Electric CD Anexo J controlador de pH CD Anexo J-1 Manual de instalación del controlador (EZ-ZONE® PM) de CD Watlow
Anexo J-2 Catalogo del controlador UT35A de Yokogawa CD Anexo K Datalogger CD Anexo K-1 Catalogo del datalogger DI-710 de DATAQINSTRUMENTS CD Anexo K-2 Manual de instalación del del datalogger DI-710 de CD DATAQINSTRUMENTS
Anexo L PLC Para El Variador J7 CD Anexo L-1 Catalogo del PLC Twido de Schneider Electric CD Anexo L-1 Catalogo PLC FX3G de Mitsubishi CD Anexo M PLC Para El Variador D700 CD Anexo M-1 Catalogo PLC Zeilo de Schneider Electric CD Anexo M-2 Catalogo PLC Alpha Mitsubishi
Anexo M-3 Manual de Instalación PLC Alpha Mitsubishi CD Anexo N Catalogo RTU Scadapack de Microsystem CD Anexo O COTIZACIONES CD Anexo O-1 Cotización de instrumentación y elementos de control de CD George++Fisher, Watlow, Yokogawa,Schneider Electric Realizada Elecmer
Anexo O-2 Cotización de instrumentación de Endress+Hauser realizada por CD Colsein.
Anexo O-3 Cotización de sonda conductiva de Kobold realizada por CD Rodriguez y Urbina LTDA.
Anexo O-4 Cotización de la electroválvula Burkert realizada por Steamcontrol CD S.A.
Anexo O-5 Cotización de la electroválvula Uni-D realizada por Via Industrial CD Anexo O-6 Cotización de variadores, PLC, contactores y guardamotores de CD Siemens y Schneider Electric realizada por Elecmer.
Anexo O-7 Cotización del variador J7 de Yaskawa.realizada por Variadores CD S.A
Anexo O-8 Cotización del variador D700 de Mitsubishi realizada por CD Mavicontrol LTDA.
Anexo O-9 Cotización del motor de Sumitomo realizada por Tramec CD Anexo O-10 Cotización del motor Assi-Nord realizada por Variadores S.A CD
Anexo O-11 Cotización del datalogger DI-710 realizada por Dataqinstruments CD Anexo O-12 Cotización del PLC FX3G y accesorios de Mitsubishi realizada CD por Mavicontrol LTDA.
Anexo O-13 Cotización del PLC Alpha de Mitsubishi realizada por CD Mavicontrol LTDA.
Anexo O-14 Cotización de la RTU scadapack de microsystem realizada por CD Saufer Soluciones
Anexo O-15 Cotización de la instrumentación de Hach realizada por CD Unicontrol
Anexo P Fuente
Anexo P-1 Fuente Signet 7300 de George++Fisher CD
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INTRODUCCIÓN
En la actualidad la conservación de la naturaleza es un tema de gran interés para la población mundial, y por esta razón el desarrollo de proyectos que protejan el medio ambiente, hagan un manejo adecuado de los residuos tóxicos y se comprometan con el cuidado de los ecosistemas se convierte en un importante desafío para la ingeniería. Entre los retos que implica el cuidado del medio ambiente está el tratamiento de aguas residuales que tiene como propósito hacer que el agua vertida a los afluentes sea lo menos contaminada posible. Al respecto, legislaciones y normas sobre los estándares que deben cumplir las aguas residuales para su vertimiento son expedidas por diferentes entidades y las industrias están cada vez más interesadas en encontrar mecanismos y desarrollar estrategias orientadas al manejo de las aguas residuales de sus procesos. Las empresas mineras colombianas y en particular las del departamento de Boyacá tampoco están ajenas a este compromiso con el medio ambiente, buscando cumplir el decreto 1594 de 1984 expedido por el ministerio del medio ambiente el cual enfatiza en el control de los vertimientos de agua a los afluentes.
Este trabajo presenta el diseño de la instrumentación y de la automatización de la planta de tratamiento de agua residual (PTAR) de la mina Sanoha ubicada en la vereda Reginaldo del municipio de Monguí Boyacá y que pertenece a la empresa SANOHA LTDA. Para realizar el estudio del diseño de la automatización de la PTAR se siguió la metodología utilizada en el desarrollo de proyectos de automatización de ingeniería que comprende la ingeniería conceptual, la básica y la de detalle, profundizando en la ingeniería conceptual y básica, y haciendo un estudio teórico de la ingeniería de detalle.
En el primer capítulo se presenta un estudio de las generalidades que orientan este trabajo, donde se verán los antecedentes de las plantas de tratamiento de agua en las minas de carbón tanto a nivel mundial como a nivel nacional y regional, el problema que existe actualmente en la planta de tratamiento y el por qué es necesario realizar una automatización a la PTAR, los objetivos planteados, el marco teórico que comprende las diferentes definiciones de lo que es el tratamiento de aguas acidas y el marco legal donde se exponen las leyes que rigen el vertimiento de aguas residuales describiendo los benéficos para la empresa y para los trabajadores.
En el segundo capítulo se presenta la ingeniería conceptual, donde se describe el proceso de neutralización del agua acida y el registro de los datos de interés para la empresa, identificando las diferentes variables que rodean la PTAR, y los diferentes problemas que se observan por el manejo manual de la planta, tanto a nivel técnico, como a nivel social, económico y ecológico, y de esta forma se formula un plan de actividades para dar cumplimiento a los objetivos planteados. Apoyados en la ingeniería conceptual y en los objetivos a cumplir, se realiza la ingeniería básica descrita en el tercer capítulo. La PTAR se dividió en secciones y
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se reconocieron los problemas y las necesidades puntales de cada una de ellas con el fin de dar soluciones de instrumentación. Para la selección de dispositivos se tuvieron en cuenta las condiciones ambientales a las que van a estar sometidos, el rango de medida de las variables a tomar y su costo. Para la selección de la casa fabricante de los productos se tuvo en cuenta que tengan distribución en Colombia y que suministre información y soporte técnico, por lo que se podrá observar un estudio técnico-económico, y diferentes opciones de arquitecturas para la automatización. También se hace un análisis de las posibles arquitecturas que se ajustan a las necesidades de la PTAR de la mina Sanoha, seleccionando la que cumple en mayor grado con los requerimientos de SANOHA LTDA.
Tras revisar la ingeniería básica, en el cuarto capítulo se realiza la ingeniería de detalle. Para el caso de este trabajo se estudió la configuración e implementación de cada dispositivo de la arquitectura escogida, con el fin de realizar los diferentes planos eléctricos y electrónicos, y especificar la ubicación en planta de la instrumentación seleccionada. Este capítulo presenta una explicación de cada dispositivo y su configuración general; sin embargo, no es un manual de instalación, por lo que se sugiere adquirir los manuales en el momento de la puesta en marcha del diseño.
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1. GENERALIDADES.
Este capítulo explica por qué es importante el tratamiento del agua extraída de las minas, identificando las causas que provocan que esta agua sea perjudicial para los ecosistemas y las consecuencias si no se hace el tratamiento adecuado. También describe el proceso general de la Planta de Tratamiento de Agua Residual (PTAR) de la mina de carbón SANOHA LTDA., identificando las deficiencias del tratamiento de agua debido al control manual que tiene actualmente este proceso. Finalmente el capítulo presenta los principales objetivos que cumplirá el proyecto para realizar el diseño de la automatización de la planta de tratamiento de aguas residuales en la mina de carbón de la empresa SANOHA LTDA., ubicada en la vereda Reginaldo, Monguí, Boyacá
1.1 ANTECEDENTES
En la extracción de carbón de minas subterráneas, también se extraen aguas del interior de la mina, las cuales han sufrido un proceso químico llamado drenado acido (DAM), de acuerdo con [1] , el drenaje de roca acida (DRA) es un proceso natural, el cual produce acido sulfúrico por la exposición de las rocas con sulfatos al aire y al agua. Al hacer una explotación minera se extraen grandes cantidades de rocas por lo que se magnifica el proceso de DRA y es llamado ahora drenaje de minería acida (DAM), afectando grandes cantidades de agua y con ayuda de la bacteria Tiobacilus Ferroxidante se aceleran los procesos de oxidación y acidificación, lixiviando aun más los residuos de metales de desecho. El DAM degrada severamente la calidad del agua, lo cual trae severas consecuencia a la población residente aledaña al rio, ya que esta agua acida es utilizada para cultivos, ganadería, piscicultura y consumo humano, provocando efectos nocivos para el ecosistema, como la muerte de la vida acuática, afecciones tanto a los animales, cultivos y personas que consumen el agua, los cuales se explicaran en la sección 1.5.2.1
La reciente promulgación, en Colombia y en general en el mundo, de legislaciones de tipo ambientalista, ha llevado a las explotaciones mineras a instalar plantas de tratamiento a sus vertimientos de agua residual. En Colombia se expidió el decreto 1594 de 1984, artículo 72 el cual establece que: “Todo vertimiento a un cuerpo de agua deberá cumplir, por lo menos, con las siguientes normas: el pH debe estar entre 5 a 9 unidades, la temperatura debe ser menor a 40ºC, no debe tener material flotante, las grasas y aceites, sólidos suspendidos, domésticos o industriales deben tener una remoción no menor del 80% en la carga, y la demanda bioquímica de oxígeno para desechos domésticos y para desechos industriales deben tener una eliminación de al menos un 70% en carga total’’, [2]. Haciendo cumplimiento al anterior artículo, SANOHA LTDA., implementó una
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planta de tratamiento de aguas residuales la cual se encuentra en funcionamiento sin automatización.
SANOHA LTDA., es una empresa extractora y comercializadora de carbón, ubicada en el Kilometro 4 vía Sogamoso-Nobsa, que cuenta con una experiencia especifica de más de 21 años, en la exploración y explotación de minerales principalmente en minas localizadas en los municipios de Monguí, Corrales, Gameza, Topaga y Mongua, dedicándose a la comercialización de minerales básicos, la planeación y la ejecución de proyectos forestales, con amplia trayectoria en la elaboración de estudios de proyectos mineros. Comprometida con el impacto social y ambiental, SANOHA LTDA., ha estado en constante mejoramiento y cumplimiento de las normas establecidas por el gobierno, en cuanto a seguridad industrial, salud ocupacional y manejo ambiental; teniendo como objetivo desarrollar proyectos que mejoren la calidad de vida de los trabajadores y de la población que se impacta con la extracción del carbón. [3] En el aspecto ambiental, la empresa ha tratado de minimizar al máximo las contaminaciones por aguas acidas extraídas de las minas, implementando diferentes plantas de tratamiento de agua residual según los requerimientos: tipo de agua, infraestructura, tipo de materiales explotados, localización de la mina. En la mina SANOHA ubicada en el municipio de Monguí, se tiene en cuenta el programa de manejo del recurso hídrico, en manejo de aguas residuales, propuesta por la guía minero ambiental, [4]; pero con cambios en cuanto a la infraestructura de la planta, acomodándolo a mejores beneficios y resultados, para dar cumplimiento con el decreto 1594 de 1984, articulo 72 ya mencionado.
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
El proceso de tratamiento de aguas residuales de la mina de carbón de SANOHA LTDA., desde el año 2009 cuenta con un método de neutralización y decantación. El primer tratamiento al agua que sale de la mina consta de dos tanques de almacenamiento de 5000 litros cada uno, para el aireación del agua y decantación de materias solidas expuestas en el agua extraída de la mina, luego el agua pasa por un proceso de dosificación de cal la cual produce floculación de materiales sólidos y neutralización de pH. Para el proceso de dosificación se cuenta con una tolva de almacenamiento y un motor de regulación para la adición de cal al agua contaminada, es importante mencionar que la adición de cal apagada a la tolva, es realizada de forma manual por el operario quien a su vez debe revolver la cal manualmente para evitar su compactación, por lo que el operario se expone a la inhalación de cal, generándose un problema de seguridad industrial.
Adicionalmente, el operario tiene la función de incorporar la cal apagada al agua acida, prendiendo y apagando manualmente el motor acoplado a la tolva de suministro, proceso que no es muy confiable para el control de pH debido a que no se realiza una medición diaria del pH del agua, y a que las características
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fisicoquímicas del agua a tratar cambian debido a que todos los días se extraen aguas en diferentes cantidades y de diferentes lugares de la mina. Como se observa el suministro de cal no es adecuado ya que el operario no conoce con certeza la cantidad de cal que debe suministrar para mantener el pH estable. Luego del proceso de dosificación de cal, el agua es depositada en un tanque de 5000 litros, donde el lodo se decanta y se deposita en la parte inferior del tanque para ser enviado al pozo de lodos, y el agua neutralizada se sitúa en la parte superior del tanque que después se envía al pozo de aguas claras y por último, es vertida al rio Monguí.
En lo anteriormente descrito, se observa la debilidad de las condiciones de seguridad y la necesidad de realizar un tratamiento eficiente del agua contaminada extraída de la mina carbón localizada en la vereda Reginaldo, Monguí Boyacá. En este proyecto se realizará el diseño de una automatización de la planta de tratamiento de agua residual, la cual mejoraría las condiciones operativas, de confiabilidad y de seguridad en el proceso.
1.3 JUSTIFICACIÓN
La empresa SANOHA LTDA., busca estar a la vanguardia en procesos tecnológicos para la extracción de carbón con el fin de lograr mayor eficiencia y aumento de la calidad de sus productos, extrayendo una mayor cantidad de carbón; sin embargo, esto provoca que los desperdicios mineros y el agua acida también se multipliquen. Tal y como se indica en [1], “esta tendencia requiere que la industria minera adopte y aplique practicas que minimicen el impacto ambiental de la producción de desechos”. Por lo anterior, este proyecto se enfoca en el diseño de la automatización para la planta piloto de tratamiento de agua residual de la mina Sanoha, cumpliendo con las normas legales, ambientales, y estructurales, y buscando que sirva como referencia para la implementación de otros proyectos mineros que mejoren las condiciones operativas, de confiabilidad y de seguridad en el proceso de la extracción de carbón.
La empresa SANOHA LTDA., tiene como uno de sus objetivos, ser certificada en las normas ISO 14000:2004 (normas medioambientales) y OSHAS 1800:2007 (seguridad industrial), con el propósito de obtener mayor viabilidad en sus negociaciones nacionales e internacionales, dar cumplimiento a requisitos legales y ofrecer mayor protección a la salud de sus trabajadores. Un paso fundamental para alcanzar el objetivo propuesto es el de resguardar al máximo los cuerpos de agua en todos sus procesos, tomando como herramienta la automatización de su planta de tratamiento de agua, con el fin de optimizar las aguas de salida y mitigar el riesgo del operario encargado de la adición de cal apagada sobre el agua contaminada; proceso utilizado actualmente en la neutralización de acido contenido en el agua extraída de minas subterráneas como parte del proceso de tratamiento de aguas residuales.
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Otros beneficios de la automatización de la planta de tratamiento de agua son: el uso eficiente de cal apagada utilizada para mantener el nivel de pH del agua extraída de la mina, con el fin de dar cumplimiento a lo establecido en el decreto 1594 de 1984, logrando minimizar costos en este proceso y la automatización permitirá mayor rapidez en el registro de datos relacionados con los cambios físicos y químicos de las diferentes variables de la planta, logrando así su monitoreo en línea y facilitando su almacenamiento en una base de datos para ejercer un mayor control de las variables durante el proceso.
1.4 OBJETIVOS
Con el fin de contribuir a la solución del problema de control y del registro manual de la PTAR, este proyecto se desarrolló cumpliendo los siguientes objetivos.
1.4.1 Objetivo General:
Desarrollar el diseño de la automatización de la planta de tratamiento de agua residual extraídas de la mina de carbón Sanoha situada en la vereda Reginaldo del municipio de Monguí, Boyacá.
1.4.2 Objetivos Específicos:
Establecer las condiciones actuales de operación de la planta de tratamiento de aguas subterráneas, identificando los requerimientos y necesidades de automatización.
Identificar y seleccionar las variables que se manipulan en el proceso para hacer un control más acertado cumpliendo los requerimientos del sistema. Seleccionar los sensores, actuadores, sistemas de registro, sistemas de
control, y tecnologías para la automatización más adecuada del proceso. Evaluar una opción viable según el estudio técnico-económico para el
proceso automatizado de descontaminación de agua de acuerdo con las necesidades, requerimientos y restricciones de la empresa.
22 1.5 MARCO TEÓRICO
Para la realización de este proyecto, es importante el conocimiento en la extracción, manejo y formación de agua acida, y de las implicaciones que ésta puede tener sobre el medio ambiente, con el fin de mostrar la importancia de un buen tratamiento de aguas residuales, y lo beneficioso que puede traer la utilización de tecnología.
1.5.1 Extracción y manejo de aguas residuales de las minas.
Según [5], en la minería subterránea la extracción de minerales requiere extraer grandes cantidades de agua. Esta agua proviene de fallas naturales o grietas que se hacen por la misma explotación minera, las cuales acaban con la continuidad impermeable creando caminos de entrada para el agua a la mina. Según su profundidad el agua puede emanar de corrientes subterráneas o provenir por filtraciones superficiales.
De acuerdo con [5], “Cada año se invierten cantidades ingentes de dinero en la realización de nuevos proyectos mineros, uno de los requisitos más importantes para obtener el máximo rendimiento de estas inversiones es que se utilicen las técnicas más avanzadas y los equipos más eficaces, y por supuesto en ello se incluyen la evacuación del agua que se genera en las explotaciones’’. Lo que indica una gran importancia en la utilización de de tecnologías actuales que hagan más eficiente la extracción y el tratamiento del agua extraída de las minas.
El agua extraída de las minas no es pura ya que sale con partículas solidas haciéndola lodosa y pequeñas partículas de minerales que pueden ser dañinos para los equipos y el medio ambiente. El agua también contiene compuestos químicos producidos ya sea por los equipos usados o es acida debido a las reacciones que se generan dentro y/o fuera de la mina.
1.5.2 Agua acida:
El articulo "Vulnerabilidad del agua subterránea frente a la actividad minera y prevención de la generación de aguas ácidas de mina’’, [6], presenta una completa explicación de lo qué es el agua acida y sus efectos sobre el medio ambiente. A continuación se resumen los aspectos más importantes tratados por los autores sobre la temática:
El agua acida se produce de una forma muy variable, dependiente de la cantidad de explotación, y materiales hallados. En una mina de carbón se encuentran yacimientos de antracita, hulla, lignito, turba y pirita, los cuales están relacionados con ambientes sedimentarios y con procesos de reducción, muy aptos para la
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creación de sulfuros de hierro. El agua acida también depende de la profundidad de penetración de oxigeno, humedad, temperatura, características hidrogeológicas del lugar, entre otros. Aparte de esto algunas minas y escombreras abandonadas, pueden producir aguas ácidas durante más de cincuenta años, así que depende también de la forma de almacenamiento, tratado de residuos y exposición a fenómenos medioambientales.
En [6], Para la producción de aguas acidas en una mina es necesario la existencia del agua, el aire, bacterias, y elementos que se oxiden. El agua es un elemento que actúa como reactivo para la oxidación de los sulfuros que contienen las rocas y además es el medio de transporte de las sustancias acidas.
Los sulfuros que se encuentran en la rocas al explotar el carbón y en los mismos elementos carbonosos se oxidan formando sulfatos de hierro solubles, los cuales se mantiene sobre la superficie de las rocas formando costras salinas que luego serán disueltas e hidrolizadas por el agua que cae sobre ellas, siendo arrastrados estos componentes a través de la mina. El resultado de los diferentes procesos químicos, producen que las aguas adquieren bajo pH y altas concentraciones de sulfatos, cationes alcalinos, y metales pesados y de transición, creando el agua contaminada y acida. Esta reacción se vuelve un problema ambiental cuando el agua contaminada tiene contacto ya sea con sistemas hidrológicos superficiales como ríos o lagos, o sistemas acuíferos subterráneos los cuales son útiles para un ecosistema, [6].
1.5.2.1 Efectos del Agua Acida.
En la referencia [6], se hace énfasis en los efectos del agua acida, el cual indica que la mayoría de las aguas de ríos, arroyos y lagos que son contaminados por vertimientos ácidos de minas no son potables, y por esta razón el consumo para los seres humanos y animales se encarece con la degradación del agua original, lo que conlleva a grandes perjuicios económicos a las industrias que las utilizan, ya que deben tratarla para evitar pérdidas ambientales y humanas.
Además de causarle daños a las industrias el mayor daño es causado a las poblaciones que hacen uso de esta agua contaminada, ya que la acides del agua también es favorable para la concentración de metales pesados tales como Fe, Zn y Mg, los cuales pueden causar serios problemas digestivos entre los consumidores humanos (diarreas), fuerte disminución de la producción lechera y, muerte de peces, y demás seres que no soportan este tipo de características del agua.
En los lagos también repercute el efecto del agua acida ya que el DAM llega cargado de cationes metálicos por los ríos, y después de que se produce la neutralización se precipitan los metales que en parte se quedan en el sedimento
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del fondo del lago, y otra parte es absorbido por organismos bentónicos que los trasmiten a los depredadores que actúan sobre ellos, de esta forma sigue en la cadena alimenticia y se van concentrando en cada tejido de los seres vivos tanto que pueblan el lago como los consumidores externos, envenenado de esta forma varios ecosistemas. [6]
Estos conceptos hacen que las empresas explotadoras de carbón busquen soluciones a este problema, aplicando técnicas preventivas y/o correctoras, ya que si actúan bajo una conciencia ética y moral, pensando en el beneficio de la humanidad, deben tener en cuenta que “Toda vez que una mina entra en operación, la protección del agua debe permanecer como la meta primordial de la compañía, aun cuando esto signifique reducir la producción de mineral. Adoptar esta ética de sentido común, es la única forma en que podemos asegurar que los sueños dorados de la minería no se vuelvan una pesadilla de sueños contaminados”. [7].
1.6 MARCO LEGAL
El gobierno colombiano tiene la obligación de proteger el medio ambiente, según la Constitución Política de Colombiaen los artículos 79 y 80, [8] establece que es deber del estado proteger la diversidad e integridad del ambiente, para garantizar el derecho de todas las personas a gozar de un ambiente sano, previniendo y controlando los factores de deterioro ambiental, imponiendo sanciones legales y exigiendo la reparación de los daños causados. Teniendo en cuenta que el proyecto a desarrollar debe cumplir los decretos creados con respecto al manejo de vertimientos a cuerpos de agua, a continuación se nombran los principales. El primer decreto creado para controlar los vertimientos a cuerpos de agua es el decreto 1594 de 1984, [2], este decreto rige las normas de los vertimientos de los residuos líquidos, en el que se plantea el ordenamiento y usos del agua, asimismo, muestra los parámetros y normas restrictivas que deben cumplir los vertimientos arrojados a los diferentes cuerpos de agua, también se expone ecuaciones con base en los agentes contaminantes para fijar las tasas retributivas que deberán pagar las empresas que arrojan desechos al agua, y en sus últimos artículos explica el procedimiento para toma y análisis de muestras. Sin embargo según [9], el decreto 1594 en su momento reglamentó la prevención y control de la contaminación pero sus artículos son inapropiados ya que muchos de ellos no tienen un control por parte de las autoridades competentes restándoles eficiencia y efectividad en el cumplimiento de las normas para los vertimientos, perjudicado al medio ambiente en la actualidad. Por tal razón, el gobierno ha divulgado el decreto 3930 del 25 de octubre de 2010, [9] en el cual se desarrolla integralmente la figura del ordenamiento de recurso hídrico como instrumento de planificación por excelencia, y ajusta el procedimiento de otorgamiento de los permisos de
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vertimientos y los planes de cumplimiento, estableciendo el procedimiento para la reglamentación y reorganiza el registro de vertimientos.
El último decreto emitido por el ministerio del medio ambiente y vivienda, es el 4728 del 23 de diciembre de 2010, [10], el cual establece en el artículo 28 que “el ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial fijara los parámetros y los límites máximos permisibles de los vertimientos a las aguas superficiales, marinas, a los sistemas de alcantarillado público y al suelo’’, además en el artículo 32 establece que se expedirá el protocolo para el monitoreo de los vertimientos en aguas superficiales y subterráneas, en el cual se establecerán, entre otros aspectos: el punto de control, la infraestructura técnica mínima requerida, la metodología para la toma de muestras y los métodos de análisis para los parámetros a determinar en vertimientos y en los cuerpos de agua o sistemas receptores. Por tal razón el proyecto cumplirá los parámetros establecidos en el 1594, pero podrá modificarse según los cambios en los artículos creados por el ministerio del medio ambiente.
Para el desarrollo integral de la empresa, SANOHA LTDA., ha querido obtener la certificación de las normas ISO 14001:2004 y OHSAS 18001:2007, las cuales mediante la implementación de controles exhaustivos, aseguran que todos los procesos que han interferido en la extracción del carbón operen dentro de las normas con estándares internacionales. SANOHA LTDA., hace esto para lograr certificar la empresa, ya que a medida que existan empresas certificadas, comenzará la discriminación hacia empresas no certificadas por parte de grandes corporaciones nacionales internacional, que exigen la norma a todos sus proveedores. Se puede decir que cada día más compañías se ven enfrentadas a una mayor cantidad de regulaciones medioambientales que deben cumplir para no quedar fuera del mercado, donde las que mejor se planifiquen y preparen serán las que sobrevivirán y el resto desaparecerá, [11].
Las normas ISO 14000:2004, según [11] es un conjunto de documentos de gestión ambiental que, una vez implantados, afectará todos los aspectos de la gestión de una organización en sus responsabilidades ambientales y ayudará a las organizaciones a tratar sistemáticamente asuntos ambientales, con el fin de mejorar el comportamiento ambiental y las oportunidades de beneficio económico. Las normas OHSAS 18001:2007 según [12] establecen los requisitos que permite a las empresas controlar sus riesgos de seguridad y salud ocupacional, haciendo énfasis en las prácticas proactivas y preventivas, mediante la identificación de peligros y la evaluación de control de los riesgos relacionados en el sitio de trabajo, su objetivo es crear ambientes saludables y seguros, previniendo a los empleados de los riesgos relacionados con agentes físicos, mecánicos, químicos, biológicos, orgánicos, sustancias peligrosas y otros que puedan afectar la salud individual o colectiva en los lugares de trabajo.
26 1.7 ESTADO DEL ARTE
En la actualidad hay diferentes formas de corregir la acides del agua ya sea por técnicas preventivas y correctoras o por métodos pasivos o activos, y según la mina ya sea a cielo abierto o subterránea. En este trabajo tan solo se tratará el método correctivo (activo) el cual es utilizado por diferentes plantas de tratamiento que se encargan de purificar el agua de vertimiento.
1.7.1 Técnicas Correctoras
Las técnicas correctoras son aplicadas para purificar el agua acida producida por las minas y se aplican indistintamente a minas subterráneas o a cielo abierto. Según [6], se han venido desarrollando plantas de tratamiento después de que la legislación de muchos países obliga a las minas a tratar sus aguas acidas, porque a deteriorado muchos ecosistemas.
Existen diferentes tipos de plantas y su implementación depende de las diferentes variables y características propias de la mina. En este trabajo se mencionaran algunas de las más relevantes.
1.7.1.1 Tipos de planta de tratamiento de agua residual (PTAR)
Según [6] existen plantas de tratamiento por intercambio iónico aunque no tienen aplicación directa en relación a las aguas ácidas, si bien se usan en la minería del uranio, para resolver problemas de contaminación radioactiva, específicos de las aguas residuales de esta industria. El intercambio iónico puede tener aplicación en alguna mina concreta, en la cual la toxicidad del agua sea causada por un ión, no precipitable aumentando el pH, que pueda ser extraído de modo selectivo.
Otro tipo de tratamiento del agua acida es por los humedales aerobios artificiales que son muy recomendables para el abandono de minas ya que son debajo costo y poco mantenimiento, y en si se pretende asemejar los procesos naturales de descontaminación que tiene los humedales, pantanos, marismas, etc. plantando diferente tipos de plantas las cuales necesitan de los contaminantes y los reducen para limpiar el agua, eliminado metales y neutralizando el pH. [13]
Existen otros tipos de plantas de tratamiento para aguas de vertimiento, pero según [6] la mayor aplicación son las plantas de neutralización química, que son las únicas que tienen importancia industrial en la actualidad, y suelen emplear como agente neutralizante la cal u otros químicos. Esta técnica tiene numerosos inconvenientes: como la exigencia de manipular una sustancia caustica, y la planta produce un lodo de difícil almacenamiento.
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Un claro ejemplo de tratamiento por neutralización es el representado en la Figura 1, el cual está compuesto de un silo de cal, un dosificador, un tanque de preparación del reactivo y dos reactores en donde se promueve la corrección del pH. En este caso, son reactores con aeración, con el objetivo de promover la oxidación del hierro. De inmediato el afluente pasa por un clarificador, en donde se agrega un coagulante con la finalidad de promoverla precipitación de los hidróxidos metálicos; este precipitado se presenta en forma de pulpa con cerca de 4% de sólidos, que se dispone en un lecho de drenaje con la finalidad de desagüe. Parte de los lodos se re-aprovecha. El sistema de neutralización puede, no obstante, ser más simple, sin el empleo de equipos caros como el clarificador o el filtro-prensa, siendo suficientes el equipo de dosificación de reactivo y uno o dos tanques de neutralización; el efluente con pH corregido puede entonces ser enviado hacia la cuenca de desechos, donde los sólidos se precipitarán. [14]
La plata anteriormente mencionada,(ver Figura 1), ha sido implementada en muchos lugares del mundo como es el caso de una mina de cobre en Quebec, presentada en [14], donde se purifica casi en su totalidad el agua quitando metales como el hierro el cobre y el zinc aparte de neutralizarla, o minas de fluorita en Francia donde también es muy efectiva.
Figura 1 Planta De Neutralización De Aguas Acidas
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En Colombia generalmente se implementa la planta propuesta por la " Guía Minero Ambiental de minería subterránea y patios de acopio de carbón" [4], mostrada en la Figura 2, la cual propone el tratamiento de la siguiente forma:
Poseer un sistema de conducción y tratamientos de agua de la mina que incorpore las aguas de escorrentía de escombro, estériles, patios de acopio y de beneficio del carbón y de las aguas provenientes del interior de la mina.
Para el tratamiento de las aguas acidas de la minería, es necesario aplicar la técnica de neutralización, que en si es la aplicación de la cal por costo moderado y alta eficiencia. Esta técnica se hace en cinco etapas: homogenización, mescla de la cal, aireación, sedimentación y deposición final del lodo de desecho.
Es bueno que el bombeo de la mina sea constante y que el almacenamiento tenga la capacidad de contener el volumen de agua producido por lo menos por tres días de operación.
Se puede adicionar cal seca hidratada en el almacenamiento para no usar un sistema de alimentación de cal en suspensión liquida.
Para el tratamiento de los sólidos en suspensión se puede utilizar sedimentadores a gravedad, mediante el almacenamiento temporal de agua en pozos, tanques o lagunas de sedimentación, cuya condición esencial es la baja velocidad de flujo que permita la sedimentación.
El tratamiento de los sólidos disueltos y la estabilización del pH, se obtiene con la aireación de las aguas para favorecer su oxidación, circulando el agua en pendientes con cascadas, utilizando lechos de rocas de diferentes tamaños. La estabilización de pH se realiza utilizando como lecho rocas calizas.
A nivel regional las preocupaciones por el medio ambiente son relativamente nuevas, por lo que las minas están implementando plantas no muy modernas o en muchos casos, según [15] ,no tienen alguna, provocando el sellamiento de minas ya que han ocasionado la muerte de muchos ecosistemas, como es el caso de Socotá, Boyacá, donde por culpa de minas de la región que no controlaron el vertimiento de aguas acidas provocaron la muerte de miles de truchas. Otro ejemplo es presentado en [16] donde se sellaron aproximadamente 100 minas en Boyacá por mal manejo de tratamiento de aguas del vertimiento.
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Figura 2: Sistema de aireación y corrección de ph para aguas residuales de la mina
Fuente: Guía Minero-Ambiental Colombiana
La empresa SANOHA LTDA., tiene en funcionamiento dos plantas de tratamiento de aguas acida basada en neutralización, las cuales difieren en que en la mina de la Florida del municipio de Monguí, el agente químico usado es la soda caustica, mientras que la de la vereda Reginaldo del mismo municipio es con cal apagada, siendo esta ultima la utilizada para el desarrollo de este proyecto.
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2. INGENIERÍA CONCEPTUAL
La ingeniería conceptual es la primera etapa de la metodología utilizada en el desarrollo de proyectos de automatización. Una vez se ha planteado la necesidad, esta etapa tiene el propósito de identificar la viabilidad técnica del proyecto y de orientar el desarrollo de la ingeniería básica y de detalle, [17]. La etapa de ingeniería conceptual se basa en el estudio de viabilidad y en la definición de los requerimientos del proyecto. En este capítulo se presentan los la descripción general de la planta de la empresa SANOHA LTDA., la viabilidad en cuanto a seguridad y calidad de la automatización de la PTAR, y se definirá un cronograma de actividades según los objetivos y requerimientos de la empresa.
2.1. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO DE DESCONTAMINACIÓN Y NEUTRALIZACIÓN DE AGUAS EXTRAÍDAS DE LA MINA DE CARBÓN EN SANOHA
La empresa SANOHA LTDA., tiene como objetivo obtener las licencias ambientales, para ello ha elaborado un plan ambiental para el manejo de aguas residuales extraídas de las minas. Tomando en cuenta la guía minero ambiental de la secretaria del medio ambiente, han diseñado varios tipos de tratamientos de agua residual basados en tratamientos principalmente físicos, el cual consiste en transportar el agua sobre capas de gravilla y otros materiales, tal y como se presenta en la sección 1.7.1.1, pero al hacer el análisis químico del agua tomado antes y después del tratamiento han demostrado que los índices de pH y alcalinidad no dan los resultados esperados. Debido a estos resultados los ingenieros ambientales de la empresa han optado por recurrir a tratamientos químicos y físicos basados en la incorporación de cal apagada al agua, disminuyendo en gran parte la acides en el agua que posteriormente es enviada al rio Monguí, como se puede observar en la Figura 3.
Figura 3. Proceso de neutralización de pH en la PTAR de SANOHA
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Actualmente, el tratamiento de agua que tiene la empresa consta de procesos físicos y químicos. Inicialmente el agua que nace en el interior de la mina de carbón es extraída a la superficie por medio de una motobomba, esta es depositada en un tanque con una capacidad de 5000 litros donde se decantan las materias sólidas contenidas en el agua, quedando en la parte superior el agua clara que luego desemboca por rebose en un segundo tanque de 5000 litros de capacidad como se muestra en la Figura 4, obteniendo de esta forma el agua apta para el proceso de dosificación.
Figura 4 Tanques de almacenamiento
Fuente: autor
En el proceso de dosificación se incorpora la cal apagada en el agua haciendo que se produzca una reacción química, la cual neutraliza la acides del agua. Para realizar este proceso el operario deposita cal apagada en una tolva (ver Figura 5) y por medio de un mecanismo situado en la parte inferior de la tolva, conformado por un tornillo sin fin acoplado a un motor monofásico, suministra la cal a un tanque en donde se agita el agua acida con la cal. La cantidad de cal apagada agregada al proceso de dosificación es manual.
Figura 5: Dosificador
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Según los índices de pH que arrojan los sensores portátiles muestreados una vez por semana por los técnicos ambientales en la PTAR, el operario prende o paga el motor durante cierta cantidad de tiempo, produciendo un control inadecuado de suministro de cal para la corrección de acides ya que todos los días varían las propiedades del agua debido a que se extraen en diferentes cantidades y de diferentes lugares de la mina.
Luego del proceso de dosificación el agua es transportada al tanque de decantación por medio de una tubería en forma de serpentín, garantizando que la cal se mezcle provocando una neutralización de agua más efectiva. En el tanque de decantación, la cal también actúa como un floculante formando un lodo en la parte inferior dejando en la parte superior el agua clara neutralizada, que es canalizada por un sistema de rebose y enviada a los pozos de aguas tratadas y posteriormente al rio Monguí Para que no se generen turbulencias durante el proceso de decantación de lodos, el tanque está diseñado en su interior en forma de cono como se muestra en la Figura 6 haciendo que el agua que ingresa baje suavemente sin agitar el agua clara con los lodos, mejorando el proceso de decantación.
Figura 6: Tanque de clarificado
Fuente: registro Sanoha
El lodo formado en el proceso de decantación se envía por medio de tubería a un pozo (ver Figura 7), del cual se decanta el agua clara para el río y los restos de lodo se secan por acción del sol quedando en el pozo un lodo semi-seco de cal y demás componentes extraídos de la mina.
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Figura 7: Pozos de lodos
Fuente: autores
La empresa actualmente realiza el registro de las variables fisicoquímicas del agua una vez por semana, antes y después del tratamiento, ayudando con el control manual de la PTAR y verificando el cumpliendo de las normas legales ya nombradas en la sección 1.6.
2.2. VIABILIDAD
SANOHA LTDA al realizar la automatización de la planta de tratamiento de agua, confirmaría gran interés en el manejo ambiental, logrando el cuidado de la naturaleza al evitar el envió de agentes tóxicos a los cuerpos de agua. Esto conlleva a fortalecer la relación entre comunidad- empresa, porque evitaría que la población aledaña al rio se vea afectada por aguas contaminadas.
La legislación colombiana esta trabajando en el cuidado de los recursos hídricos haciendo leyes y normas que día a día son más estrictas, ya que el medio ambiente cobra cada vez más valor. Una de estas normas es la mencionada en el artículo 143 del decreto 1594 del 26 de junio de 1984, [2] que explica con ecuaciones las tasas que tienen que pagar las empresa por la emisión de agentes contaminantes a cuerpos de agua. La automatización ayudaría a la empresa a evitar el pago de multas por contaminación y en la diminución en gastos de representación legal en el caso de violación de regulaciones ambientales.
La planta de tratamiento de agua automatizada se ajustará a los cambios de la legislación colombiana, acondicionando y controlando el pH según sea necesario, además permitirá modificaciones futuras para su mejoramiento dejando agregar más sensores o enlazar el proceso a un sistema general.
Aparte del cuidado ambiental que es el mayor objetivo de la planta de tratamiento de agua, también traerá beneficios en campos como:
34 2.2.1. Seguridad
El operario encargado de la PTAR debe abrir manualmente la válvula que da paso al suministro el agua acida para el tratamiento, también enciende el motor para la adición de cal apagada al agua acida, y es el encargado de suministrar y revolver la cal en la tolva manualmente; esto conlleva a que sea expuesto a accidentes laborales ya que según [18], la inhalación de la cal provoca enfermedades respiratorias, obligando a la empresa a el pago de obligaciones que la comprometen como son: el pago de seguros de vida, hospitalización y accidentes, indemnizaciones a familiares, costos de representación legal y multas provenientes de organismos reguladores de la actividad laboral.
En contraste, la PTAR automatizada necesitará la intervención del operario en una forma mínima, solo para la adición de cal dentro de la tolva, disminuyendo la permanencia del trabajador en este lugar, evitando de esta forma accidentes fortuitos, cumpliendo con el plan de seguridad propuesto para la empresa SANOHA LTDA., el cual establece que la permanencia de trabajadores en planta sea mínima, para evitar accidentes laborales.
2.2.2. Calidad
Actualmente en la empresa, los técnicos ambientales llevan un registro manual de pH, conductividad y temperatura en cinco puntos indicados, la automatización ayudará a que los tiempos de toma de datos se reduzcan, ya que los instrumentos digitales eliminan las tareas repetitivas de anotación de datos y de procesamiento de los mismos, porque que estos son programados y ejecutados automáticamente por los instrumentos. De esta forma, se entregaran datos mas exactos y continuos a los ingenieros de medio ambiente que les permitirá tomar mejores decisiones y mejorar diariamente el proceso.
En este proyecto se estima que habrá un mejor manejo de energía eléctrica, y disminuirá el desgaste mecánico del motor y el uso de la cal, ya que se evitaran errores humanos como el descuido en la puesta de funcionamiento y en la desactivación de la planta, el aumento o disminución inadecuado de la cantidad de cal, por prender o apagar por mucho tiempo el motor
Teniendo en cuenta que la planta produce una gran cantidad de lodo rico en cal, con el control automático de pH se espera utilizar la cal justa para neutralizar el agua, haciendo que los desechos sean mínimos.
35 2.3. REQUERIMIENTOS DE LA EMPRESA
Con el fin de conocer los requerimientos de la empresa se llevaron a cabo entrevistas con encargados de la planta de tratamiento de agua en la mina Sanoha y se inspeccionó el proceso de descontaminación de aguas residuales. El principal requerimiento de la empresa es el control automático de la neutralización del agua acida extraída de la mina con adición de cal, cumpliendo con la reglamentación Colombiana para vertimientos de agua residual (pH entre 5 y 9), como se explico en la sección 1.7.1.1. Adicionalmente se generan otro tipo de requerimientos los cuales son:
Para la puesta en marcha de la planta de tratamiento de agua residual de la empresa SANOHA LTDA., el operario tiene que verificar visualmente el nivel de agua en el tanque de almacenamiento, para accionar la válvula y el motor utilizado en el mecanismo de suministro de cal, evitando el rebose de agua acida de los tanques de almacenamiento. Por tal razón, la empresa requiere que el sistema detecte exactamente cuando el nivel de agua acida es el adecuado para realizar el tratamiento de neutralización, evitando la intervención del operario.
Cuando la cal está depositada en la tolva se genera un proceso de compactación, (formando un hueco en la parte central de la tolva), el cual provoca un problema de dosificación ya que la cantidad de cal suministrada al agua acida es menor, dando como resultado que los índices de acidez del agua tratada estén por fuera del rango permitido, esto conlleva a que el operario tenga que agitar la cal manualmente, perjudicando su salud, ya que está en contacto permanente con esta sustancia toxica. Por esta razón el proceso necesita un sistema mecánico que evite la compactación de cal, e inicie automáticamente cuando comience el funcionamiento de la planta ayudando al proceso de dosificación.
La empresa carece de un registro constante de los índices de: pH, conductividad, para tener un control permanente de la calidad de agua extraída antes y después del tratamiento, los cuales son utilizados para llevar un plan de manejo ambiental Una síntesis del análisis de los requerimientos de la empresa anteriormente mencionados se presenta en la Tabla 1 con el fin de mostrar las actividades que hay que realizar para dar cubrimiento a las necesidades que existen actualmente en la PTAR de la mina Sanoha.
36 Tabla 1: Necesidades y actividades a realizar
Necesidades Actividades
Conocer los diferentes requerimientos de la empresa Sanoha.
1. Entrevista con encargados de PTAR de la Mina Sanoha
Identificar las variables que interactúan en el proceso.
2. Inspección general del proceso de la PTAR
3. Realizar los cálculos mecánicos, hidráulicos, y eléctricos que hacen parte del sistema.
4. Estudiar el comportamiento de pH en agua acida con respecto a la cantidad de cal suministrada.
5. Modelar la planta según las variables identificadas.
Instrumentación de la PTAR para automatizar: Registro de pH y conductividad. Control Nivel Control pH Agitador de cal
6. Estudio técnico-económico para la selección de sensores, transductores actuadores y accesorios, necesarios para instrumentar la PTAR
Diseño y selección de arquitecturas de control
7. Planteamiento de arquitecturas de control
8. Estudio técnico-económico para la selección de elementos de control y registro.
9. Selección de la arquitectura para el desarrollo de la automatización.
Estudio de instalación de los diferentes dispositivos
10. Diseño de planos de ubicación de planta, eléctricos y electrónicos
11. **La documentación se realizara durante todo el periodo de realización del proyecto. Fuente. Autores
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El cronograma de actividades se identifica en la Tabla 2
Tabla 2: Tabla de actividades Activi
dad
Año 2011
feb marzo abril mayo junio julio agosto Septie octubr 2 3 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Fuente. Autores
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3. INGENIERÍA BÁSICA
De acuerdo con la metodología de proyectos de automatización entre las actividades de la ingeniería básica están la selección del software y hardware que hace parte del proyecto, los cálculos preliminares del sistema y de cada subsistema, y la realización de un listado general de los equipos para proceder a hacer un estudio técnico-económico. En este capítulo se describen las variables de los sistemas que hacen parte de la planta de tratamiento (mecánicos, hidráulicos, químicos, eléctricos, etc.), los instrumentos y las arquitecturas que dan solución a las necesidades de automatización de la forma más acertada, haciendo especial énfasis en el control de pH, y el registro estadístico de los niveles de la variables necesarias.
El capitulo también hace especial énfasis en las necesidades y problemas de cada subproceso que hace parte de la PTAR utilizada en la mina Sanoha, presentando una lista con los elementos más adecuados para la automatización entre los que se incluyen: sensores, actuadores y sistemas de registro. A partir de la descripción del proceso total, se plantean algunas arquitecturas de control con el uso de tecnologías actuales, confiables y accesibles, buscando mejoramiento del proceso.
3.1 DESCRIPCIÓN E INSTRUMENTACIÓN DE LA PTAR:
Para llevar cabo un mejor análisis de la instrumentación para la automatización y de esta forma identificar las necesidades para darles solución, la PTAR se dividirá en tres secciones: decantación, dosificador-reactor y clarificador, tal y como se muestra en el diagrama de la Figura 8
Figura 8: Diagrama de la planta de tratamiento de aguas residuales en la mina Sanoha
39
3.1.1 Primera sección: Tanques de decantación
El tratamiento de neutralización del agua acida comienza almacenando el agua extraída de la mina en dos tanques de 5000 litros. En el primer tanque, se realizan dos procesos de tratamiento, la decantación de los mayores sólidos y aireación del agua, (ver Figura 9), adicionalmente, en este tanque se registra manualmente las variables fisicoquímicas del agua.
Figura 9: Primer tanque con el sistema de decantación y aireación
Fuente: autores
Posteriormente, el agua pasa por rebose a un segundo tanque, en el cual se hace un control manual del nivel de agua, para dar inicio al proceso de dosificación. Por lo tanto, en esta sección se realizan dos actividades importantes para la instrumentación y automatización del tratamiento de agua, que son: registro de las variables fisicoquímicas y el control de nivel de agua. A continuación se explica con mas detalle cada proceso.
3.1.1.1 Instrumentación para registro de variables fisicoquímicas.
La empresa SANOHA LTDA., para hacer cumplimiento de las normas vigentes, explicadas en la sección 1.6, lleva el registro de las variables fisicoquímicas del agua extraída de la mina, antes del tratamiento, en el tanque de decantación de sólidos. Esta operación la realiza un técnico ambiental con un sensor multiparamétrico el cual mide los índices de pH, conductividad, sólidos suspendidos y temperatura una vez por semana, en el Anexo A se muestran los registros desde el mes de enero del año 2010 al mes de abril del año 2011, estos datos están sintetizados en las Figura 10, 11,12
40
Como se observa en la Figura 10 las unidades de pH del agua en la salida de la bocamina oscilan entre 2.4 y 3.6, que según [19], es agua acida, altamente perjudicial para el medio ambiente. La curva indica que el agua se encuentra fuera de los rangos permisibles establecidos por el decreto 1594 de 1984, lo que conlleva a que esta agua debe ser tratada de forma adecuada antes de ser enviada a los afluentes naturales.
Figura 10. pH de entrada
Fuente: autores
Como se muestra en la Figura 11, la temperatura varía entre los 12ºC y 19ºC, esta medida no es trascendental ya que se encuentra entre los límites permisibles expuestos en el decreto 1594 de 1984.
Figura 11. Temperatura de entrada
Fuente: autores 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Tiempo pH 0 5 10 15 20 25 30 Tiempo Te m p e ra tu ra (° C )
