Diseño de un sistema de aprovechamiento de aguas lluvias ...

Universidad de La Salle Universidad de La Salle

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Ingeniería Ambiental y Sanitaria Facultad de Ingeniería

2020

Diseño de un sistema de aprovechamiento de aguas lluvias para Diseño de un sistema de aprovechamiento de aguas lluvias para

abastecimiento en la planta de producción de una empresa abastecimiento en la planta de producción de una empresa

ubicada en Cota Cundinamarca ubicada en Cota Cundinamarca

Natalia Rátiva Algarra Universidad de La Salle, Bogotá

María Fernanda Moreno Hernández Universidad de La Salle, Bogotá

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DISEÑO DE UN SISTEMA DE APROVECHAMIENTO DE AGUAS LLUVIAS PARA

ABASTECIMIENTO EN LA PLANTA DE PRODUCCIÓN

DE UNA EMPRESA UBICADA EN COTA CUNDINAMARCA.

NATALIA RATIVA ALGARRA

MARIA FERNANDA MORENO HERNANDEZ

PROGRAMA DE INGENIERÍA AMBIENTAL Y SANITARIA

UNIVERSIDAD DE LA SALLE

BOGOTÁ D.C

2020

DISEÑO DE UN SISTEMA DE APROVECHAMIENTO DE AGUAS

LLUVIAS PARA ABASTECIMIENTO EN LA PLANTA DE PRODUCCIÓN

DE UNA EMPRESA UBICADA EN COTA CUNDINAMARCA.

NATALIA RATIVA ALGARRA

MARIA FERNANDA MORENO HERNANDEZ

Proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Ambiental y Sanitario

DIRECTOR

JULIO CÉSAR RAMÍREZ RODRÍGUEZ

INGENIERO QUÍMICO - UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

UNIVERSIDAD DE LA SALLE

PROGRAMA DE INGENIERÍA AMBIENTAL Y SANITARIA

BOGOTÁ D.C

2020

Nota de aceptación:

___________________________

___________________________

___________________________

___________________________

___________________________

Ing. Julio César Ramírez Rodríguez

Director de Tesis

___________________________

Ing. José Luis Díaz

Jurado

Bogotá D.C., 2020

La información presentada en este

documento es responsabilidad de los Autores

y en ningún momento compromete a la

Universidad de la Salle.

Agradecimientos

En primer lugar, agradecemos a Dios por habernos dado la oportunidad de estudiar,

ser nuestro guía a lo largo de nuestra carrera, llenarnos de fuerza en los momentos de

debilidad y así poder culminar esta etapa tan importante en nuestras vidas.

A nuestros padres Jaime Moreno y Walter Rátiva, a nuestras madres Adriana

Hernández y Olga Lucia Algarra, por su amor, trabajo y sacrificio durante todo este

proceso. Gracias por ser promotores de nuestros sueños, por el apoyo incondicional,

paciencia y habernos dado la oportunidad de formarnos en esta prestigiosa universidad.

A nuestras hermanas Isabella Moreno y Juliana Rátiva, por su amor, compañía y apoyo

durante nuestra vida universitaria, esto ha hecho de nosotras personas comprometidas y

felices.

A nuestro director Julio César Ramírez, por habernos guiado en la elaboración de este

trabajo y durante nuestra carrera profesional, gracias por el apoyo y los consejos que

permitieron que creciéramos personal y profesionalmente.

A la empresa por permitirnos desarrollar este trabajo y darnos la confianza para

ejercer y enriquecer nuestros conocimientos.

TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN 1

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 3

OBJETIVOS 4

Objetivo general 4

Objetivos específicos 4

MARCO CONCEPTUAL 5

ABREVIATURAS 8

1. MARCO TEÓRICO 9

1.1 Descripción General 9

1.2 Uso del agua lluvia 10

1.3 Descripción de los componentes del sistema 13

1.3.1 Sistema de captación 13

1.3.2 Conducción 13

1.3.3 Tanque interceptor de primeras aguas 14

1.3.4 Sistema de recolección 15

1.3.5 Tratamiento 15

1.3.6 Sistema de distribución 17

1.4 Calidad del agua 17

1.5 Uso del agua tratada 18

1.6 Uso de información pluviométrica 20

2. METODOLOGÍA 21

2.1 Materiales y herramientas 21

3. ESTADO DEL ARTE 25

4. MARCO LEGAL 30

5. RESULTADOS DE CALIDAD DEL AGUA LLUVIA 31

6. DISEÑO DEL SISTEMA DE APROVECHAMIENTO DE AGUAS LLUVIAS 33

6.1 Área de contribución 33

6.2 Información Pluviométrica de la zona 35

6.3 Curvas de intensidad, duración y frecuencia (IDF) 37

6.4 Estimativa del caudal en los canales 41

6.5 Recolección y conducción 43

6.5.1 Calculo caudal a tubo lleno 44

6.5.2 Velocidad real del fluido 45

6.6 Dimensionamiento del tubo conductor horizontal 46

6.6.1 Calculo caudal a tubo lleno 47

6.6.2 Velocidad real del fluido 47

6.7 Dimensionamiento del tanque interceptor de primeras aguas 48

6.9 Dimensionamiento del tanque de almacenamiento 49

7. DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO 51

7.1 Filtro ascensional profundo multimedio 51

7.2 Sistema de desinfección 55

8. DISEÑO DEL SISTEMA DE BOMBEO 56

9. COSTOS DEL SISTEMA DE APROVECHAMIENTO 62

9.1 Costos del sistema 62

9.2 Tasa de retorno de la inversión 63

10. ANÁLISIS DEL SISTEMA DE APROVECHAMIENTO 65

11. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 65

12. BIBLIOGRAFIA 71

ANEXO 1. Precipitación mensual 1991-2018 75

ANEXO 2. Precipitación máxima en 24 horas 1991-2018 76

ANEXO 3. Cálculos para las curvas IDF 77

ANEXO 4. Tabla de relaciones hidraulicas 78

ANEXO 5. Características bomba centrifuga 79

ANEXO 6. Dimensiones de tubería PVC cedula 40 80

LISTA DE TABLAS

Tabla 1.Ventajas y desventajas del agua lluvia. ............................................................. 11

Tabla 2.Parámetros Resolución 2115 de 2007. .............................................................. 18

Tabla 3.Estado del arte ................................................................................................... 25

Tabla 4.Normatividad ..................................................................................................... 30

Tabla 5.Resultados agua lluvia. ...................................................................................... 31

Tabla 6.Puntajes de riesgo IRCA. ................................................................................... 32

Tabla 7.Nivel de riesgo IRCA. ........................................................................................ 32

Tabla 8.Precipitación mensual y anual 1991-2018 ........................................................ 35

Tabla 9.Promedio de precipitación y demanda. ............................................................. 36

Tabla 10.Precipitación máxima en 24 horas (1991-2018). ............................................ 37

Tabla 11.Precipitaciones máximas en 24 horas y 1 hora (1991-2018) .......................... 38

Tabla 12.Constantes de Gumbel ..................................................................................... 38

Tabla 13.Valores extremos para distribución de Gumbel y Cr ...................................... 40

Tabla 14.Coeficiente de escorrentía. .............................................................................. 42

Tabla 15.Tiempos de retorno y caudales. ....................................................................... 42

Tabla 16. Coeficiente de Manning, Hazen-Williams y Rugosidad. ................................ 43

Tabla 17.Características para el tanque de almacenamiento ........................................ 49

Tabla 18.Abastecimiento acumulado del sistema ........................................................... 49

Tabla 19.Cálculo de la demanda acumulada. ................................................................. 50

Tabla 20.Cálculo de la diferencia mayor acumulada ..................................................... 50

Tabla 21.Características de filtros multimedios para tratamiento de aguas ................. 52

Tabla 22.Selección medio filtrante.................................................................................. 52

Tabla 23.Guía de diseño para filtros ascendentes .......................................................... 53

Tabla 24.Dimensiones filtro ascensional multimedio ..................................................... 55

Tabla 25.Propiedades del agua ...................................................................................... 58

Tabla 26.Coeficientes de resistencia para válvulas y uniones........................................ 60

Tabla 27.Presupuesto del sistema ................................................................................... 62

Tabla 28.Datos para el cálculo de la tasa de retorno de inversión ................................ 63

Tabla 29.Estimación de la tasa de retorno de la inversión (TIR) ................................... 63

Tabla 30.Beneficios económicos, sociales y ambientales del sistema. ........................... 64

Tabla 31.Comportamiento de los volúmenes para el año de menor precipitación. ....... 68

Tabla 32.Comportamiento de los volúmenes para el año de mayor precipitación ........ 69

LISTA DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1.Ubicación de la empresa Productos La Carreta Ltda. ............................... 9

Ilustración 2.Techos, sistema de captación. ................................................................... 13

Ilustración 3.Canales de conducción del agua lluvia..................................................... 14

Ilustración 4.Filtro ascensional profundo multimedio ................................................... 16

Ilustración 5.Torre de tiro forzado. ................................................................................ 20

Ilustración 6.Toma muestra de agua lluvia. ................................................................... 22

Ilustración 7.Dimensiones del techo ............................................................................... 33

Ilustración 8.Área de contribución. ................................................................................ 34

Ilustración 9.Promedio precipitación mensual periodo 1991-2018............................... 36

Ilustración 10.Curva IDF periodos de retorno de 5, 10,75 y 100 años. ........................ 41

Ilustración 11.Esquema del sistema de bombeo ............................................................. 56

Ilustración 12.Perdida de entrada de depósito a tubería ............................................... 59

Ilustración 13.Perdida de salida de una tubería a un depósito...................................... 60

RESUMEN

En el presente documento se expone el diseño de un sistema de aprovechamiento

de aguas lluvias para el abastecimiento en la planta de producción ubicada en Cota

Cundinamarca. Su objetivo es abastecer las torres de enfriamiento de la empresa con el

fin de disminuir la dependencia del suministro público de agua potable y por ende sus

costos. Para la elaboración de este sistema, se recopiló información meteorológica de la

zona, se realizó un análisis situacional de la planta y, posteriormente, se diseñó el

sistema de recolección, conducción, tratamiento y almacenamiento del agua.

Finalmente, el análisis de costos permitió conocer la viabilidad del proyecto y un

periodo de recuperación de inversión de siete años, disminuyendo así el 40% del

consumo de agua potable suministrado por la empresa de servicio público Aguas de la

Sabana.

Palabras claves: Tratamiento, Agua lluvia, Costos, Abastecimiento, Diseño.

ABSTRACT

This document presents the design of a rainwater management system for the supply of

the production plant located in Cota Cundinamarca. Its objective is to supply the company‟s

cooling towers in order to reduce dependence on the public supply of drinking water and

hence its costs. For the development of this system, meteorological information of the area

was collected, a situational analysis of the plant was carried out and, subsequently, the

system for collecting, conducting, treating and storing water was designed

Finally, the cost analysis allowed knowing the viability of the project and a recovery

period of investment of seven years, thus decreasing 40% of the consumption of drinking

water supplied by the public service company Aguas de la Sabana.

Key words: Treatment, Rainwater, Costs, Supply, Design

1

INTRODUCCIÓN

El agua es uno de los recursos naturales renovables más importantes para la humanidad

y los demás seres vivos del planeta, pues casi ninguna actividad podría realizarse sin ella.

Hoy en día la sociedad enfrenta graves y complejos problemas relacionados con el agua. La

contaminación, deforestación y la sobreexplotación de acuíferos, han mermado las reservas

abastecedoras de muchas ciudades.

Es por esto, que los sistemas de captación y aprovechamiento de aguas lluvias son una

alternativa para el acceso al recurso agua, puesto que trae beneficios de carácter económico,

social y ambiental; este ha demostrado ser una herramienta útil y efectiva para el

abastecimiento parcial del recurso.

Teniendo en cuenta lo mencionado por Montero (2016), Colombia posee gran cantidad

de recursos hídricos por lo que muchas comunidades obtienen el agua proveniente de ríos,

embalses, lagos y quebradas. Sin embargo, existen muchas otras donde el recurso es escaso

o sus fuentes son poco confiables, por ende, muchas de estas recurren a sistemas de

aprovechamiento de lluvias, los cuales en su gran mayoría no se encuentran correctamente

diseñados y, por lo tanto, la calidad del recurso no cuenta con los parámetros de calidad

aptos para el consumo.

Además de esto, “estudios realizados por la Comisión de Regulación de Agua Potable y

Saneamiento Básico de Colombia en comunidades de Buenaventura, Cartagena, Vichada y

Cali, en el transcurso del 2015 se reportaron varios problemas de salubridad respecto al

agua que se consume”. (Montero, 2016)

Según Ortiz et al. (2017) existe la alta probabilidad que, en un futuro, Bogotá podría

quedarse sin agua suficiente para suplir las necesidades de los ciudadanos, debido a que el

agua utilizada en la ciudad depende de sistemas naturales vulnerables al cambio climático,

2

lo cual, conlleva a que el recurso hídrico pueda agotarse rápidamente; sin embargo, según

Torres (2011), esta no es una problemática reciente, pues a través de la evolución

tecnológica e industrial desenfrenada , el ser humano ha traído como consecuencia niveles

críticos de inconformidad de calidad de vida, obligando al racionamiento de agua dulce

debido a la poca oferta de precipitación hídrica natural, produciendo un impacto y girando

la atención hacia alternativas como lo son los sistemas de aprovechamiento de aguas

lluvias, incrementando la conciencia sobre su uso, conducción y almacenamiento.

La empresa ubicada en Cota, Cundinamarca está dedicada a la producción y

comercialización de productos derivados de la leche y de las frutas, por lo tanto, requiere

que sus máquinas se encuentren a temperaturas óptimas, para lo cual, se utilizan las torres

de enfriamiento. Estas torres, necesitan 5 m3 de agua potable al día para abastecer los

reactores o vaporizadores, que se encargan de concentrar los lácteos.

Con el diseño de un sistema de captación de aguas lluvias, se pretende minimizar dicho

consumo, disminuyendo así los altos costos cobrados por la empresa Aguas de la Sabana de

Bogotá (ASB), para lo cual se dará respuesta a: ¿Qué características debe tener el diseño de

un sistema de captación y aprovechamiento de agua pluvial para la empresa, que permita

abastecer las torres de enfriamiento, mitigando el uso del agua proveniente del acueducto?

Teniendo como base y fundamento que según lo mencionado por Reyes et al (2014), un

sistema básico de captación de agua está compuesto por la captación, recolección-

conducción y almacenamiento, los cuales deben estar complementados con un sistema de

drenaje, que permita verter el agua que no es posible utilizar porque la demanda es menor a

la precipitación sobre la construcción.

3

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La empresa está dedicada a la producción y comercialización de productos derivados de

la leche y de las frutas, se encuentra ubicada en el municipio de Cota, Cundinamarca, tiene

un consumo mensual de agua de 350 m3 dependiendo la producción, aproximadamente el

20% de esta agua se utiliza para la hidratación de materias primas y como vehículo de

homogeneización, el 40% es usado para las torres de enfriamiento, las cuales utilizan 5m3

diarios, se estima que el porcentaje restante está dividido entre los procesos de lavado e

instalaciones sanitarias.

Como solución a esto, los sistemas de captación y aprovechamiento de aguas lluvias han

demostrado ser una herramienta útil y efectiva para el abastecimiento parcial de agua, y han

mostrado resultados en diferentes ciudades de Colombia, debido a que es una alternativa

que disminuye la dependencia del suministro público y con ella los costos, beneficia el

medio ambiente e incentiva en la población la preservación y conciencia ambiental; es por

esto que es necesario disminuir el consumo que generan estas actividades y minimizar los

costos en la tarifa del agua cobrada por la empresa Aguas de la Sabana de Bogotá (ASB).

4

OBJETIVOS

Objetivo general

Diseñar un sistema de almacenamiento de aguas lluvias que permita abastecer las torres

de enfriamiento de la empresa, con el fin de disminuir la dependencia del suministro

público de agua potable y por ende sus costos.

Objetivos específicos

1. Diagnosticar el estado actual del uso del agua dentro de las instalaciones de

la empresa.

2. Establecer las operaciones unitarias necesarias para el sistema de captación y

tratamiento de acuerdo al análisis previamente realizado.

3. Determinar los costos de la implementación del sistema de aprovechamiento

de agua.

5

MARCO CONCEPTUAL

Con el fin de contextualizar el propósito de este proyecto es importante aclarar

diferentes conceptos los cuales se encuentran directamente relacionados a los objetivos

planteados.

Agua de lluvia: Aguas provenientes de precipitación pluvial. (Agencia de Cooperación

Técnica IICA- México, 1998)

Almacenamiento: Son cisternas o tanques donde se almacena el agua de lluvia captada,

que puede utilizarse previo al tratamiento. Los materiales utilizados para la construcción de

las cisternas o tanques de almacenamiento pueden ser los siguientes: plástico, metales,

concreto y madera. (Phillips et al., 2008)

Análisis físico-químico del agua: Es un método que permite determinar en los análisis

de productos químicos la naturaleza de las interacciones entre los componentes de un

sistema mediante el estudio de las relaciones entre las propiedades físicas y la composición

del sistema. (Laboratorios Anderson, 2018)

Bajante: Son las tuberías verticales que recogen las aguas residuales provenientes de las

derivaciones y las conducen hacia los colectores. También pueden recoger las aguas

pluviales provenientes de los desagües de los canalones y de las terrazas, patios o cubiertas

planas. (Rull et al., 2012)

Captación: La captación de agua de lluvia es una técnica de recolección y

almacenamiento de agua pluvial mediante diferentes estructuras. (FAO, 2013)

Caudal: volumen de agua que fluye a través de una sección transversal de canal

proveniente de la precipitación en una unidad de tiempo. (OMM, 2006)

Ciclo hidrológico: Es la circulación del agua desde los océanos a la atmósfera, de ésta a

los continentes, para volver nuevamente a los océanos en forma de agua superficial o

subterránea. El agua en forma de vapor se mueve sobre el mar y los continentes formando

6

parte de las vastas masas de aire que se desplazan alrededor de la tierra, se condensan en

nubes y se precipitan en forma de lluvia, nieve o granizo. (Duarte, 1991)

Coeficiente de escorrentía: El coeficiente de escorrentía es la relación entre la parte de

la precipitación que circula superficialmente y la precipitación total. (Almazán, s.f)

Conducción: Aquel que permite que se transporte el agua desde el punto de captación

de la fuente hasta el tanque de almacenamiento. (Roberti, 2018)

Curva Intensidad-Duración-Frecuencia: Son curvas que resultan de unir los puntos

representativos de la intensidad media en intervalos de diferente duración, y

correspondientes todos ellos a una misma frecuencia o período de retorno. (Pizarro et al.,

s.f)

Desinfección: Tiene por finalidad la eliminación de los microorganismos patógenos

contenidos en el agua que no han sido eliminados en las fases iníciales del tratamiento del

agua. (CEPEX, 2018)

Distribución de Gumbel: Ley de distribución de frecuencias que se utiliza para el

estudio de los valores extremos. (Aparicio, 1992)

Escorrentía superficial: Es la porción de lluvia que no es infiltrada, interceptada o

evaporada y que fluye sobre las laderas. (Ordoñez, 2011)

Filtración: La filtración es el proceso para separar un sólido del líquido en el que está

suspendido, al hacerlos pasar, a través de un medio poroso (filtro) y por el cual el líquido

puede pasar fácilmente. (Filtración, s.f)

Intensidad: Es la razón de incremento de la altura que alcanza la lluvia respecto al

tiempo. (Secretaria Ejecutiva para Asuntos Económicos y Sociales, s.f)

Periodo de retorno: Es una representación usada comúnmente para presentar un

estimativo de la probabilidad de ocurrencia de un evento determinado en un periodo

determinado. (UPC, 2007)

7

Precipitación (pluvial): La precipitación es la caída de agua desde la atmósfera hacia la

superficie terrestre. Se genera por la condensación de agua, o sea, la acumulación de agua

en la atmósfera creando nubes. (UPC, 2007)

Torre de enfriamiento: Son estructuras diseñadas para disminuir la temperatura del

agua y otros medios. (Instituto Tecnológico de Minatitlán, 2018)

8

ABREVIATURAS

CAR Corporación Autónoma Regional

FAO Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y

la Agricultura

IDEAM Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales

IDF Intensidad, Duración y Frecuencia

In Pulgada

LTDA Limitada

MINAMBIENTE Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible

NTU Unidades Nefelométricas de turbidez

OMM Organización Meteorológica Mundial

OPS Organización panamericana de la salud

pH potencial de Hidrógeno

PVC Policloruro de vinilo

TDS Sólidos Totales Disueltos

UNGRD Unidad Nacional para la Gestión del Riesgo de Desastres

http://portal.gestiondelriesgo.gov.co/






9

1. MARCO TEÓRICO

1.1 Descripción General

Productos LA CARRETA LTDA inauguró sus instalaciones en el año 2015. Esta se

dedica a la producción y comercialización de productos derivados de la leche y de las

frutas: leche condensada, manjares, arequipes y salsas de frutas. Se encuentra ubicada en el

Km 2.2 vía Medellín (vía parcelas de Cota), en el municipio de Cota, Cundinamarca. La

empresa cuenta con un equipo de trabajo de 60 personas aproximadamente, distribuidas de

la siguiente manera: 40 en el área operativa y 20 en el área administrativa. Su ubicación

geográfica es: 4°45‟09.35” N 74°08‟11.13” O

Ilustración 1.Ubicación de la empresa Productos La Carreta Ltda. Fuente: Google Earth Pro.

10

1.2 Uso del agua lluvia

Las fuentes hídricas son la base para la supervivencia de la humanidad, su uso se ve

reflejado en cada una de las actividades diarias realizadas por las comunidades, su

obtención varía desde fuentes superficiales, subterráneas, océanos y el agua lluvia, esta

última:

Ha sido utilizada desde hace siglos por la humanidad para satisfacer las

necesidades básicas asociadas a la agricultura, aseo del hogar y personal,

saneamiento y alimentación; es por esto, que los sistemas de captación de aguas

lluvias son un sistema alternativo, de necesidades no cubiertas, sea por escasez, por

el no acceso a servicios básicos o para aprovechar los recursos naturales, que

pueden dar como beneficio paralelo el ahorro, pues es gratuito. En lo único que se

invierte es en el diseño y construcción del sistema y su mantenimiento (Loucel et

al., 2008).

Sin embargo, para que esta pueda ser implementada para consumo humano se requieren

diversos procesos de filtración y desinfección teniendo en cuenta las características

fisicoquímicas de esta, así como el medio de captación, conducción y almacenamiento.

Colombia es un país privilegiado con respecto al uso potencial que puede llegar a tener

el agua lluvia como alternativa de reutilización en diferentes áreas, pues según Ortiz et al.

(2017) esta cuenta con un potencial hidrológico que hace que en muchas zonas se tenga una

oferta hídrica adecuada en términos de cantidad, calidad y regularidad de las

precipitaciones, lo que permite la viabilidad de múltiples proyectos que contemplan el

aprovechamiento de aguas lluvias.

La implementación de un sistema de captación, conducción, almacenamiento y

tratamiento de agua requiere un análisis de las ventajas y desventajas que se tienen al

implementar esta alternativa, en la Tabla 1 se observa un comparativo de estas.

11

Tabla 1.Ventajas y desventajas del agua lluvia.

Fuente: (Cortés, 2015)

Por otro lado, como menciona Cortés (2015), en la gran mayoría de los casos, los techos

son los principales sistemas de captación del agua lluvia, es por esto, que las superficies de

cubiertas conforman un importante volumen del recurso hídrico pluvial cuando se

presentan las temporadas de invierno, lo que permite el aprovechamiento del recurso y por

consiguiente es necesario determinar su calidad, según las necesidades de los usuarios en

las grandes ciudades por déficit en la demanda y en pequeñas comunidades por la dificultad

del abastecimiento o escasez del recurso.

Para el caso de la empresa, el agua lluvia será utilizada en las torres de enfriamiento, las

cuales requieren estándares de calidad semejantes a las usadas para el consumo humano, es

por esto, que en la actualidad la empresa utiliza este recurso directamente de la empresa de

acueducto Aguas de la sabana.

12

En la actualidad, teniendo en cuenta lo mencionado por Reyes et al (2014), el agua cobra

cada día un valor mayor, pues las fuentes de abastecimiento son cada vez más reducidas y

con un recurso de menor calidad, en especial en las captaciones superficiales, lo cual, ha

obligado a los acueductos municipales a abastecerse en muchas ocasiones de pozos

profundos para obtener un agua de mejor calidad y cantidad, con unos sobre costos de

bombeo. Para dar solución a esto, nacen los sistemas de captación y tratamiento de agua

lluvia, los cuales “permiten aumentar la oferta de agua potable para consumo humano,

agrícola y ganadero, y contribuir a la adaptación de los efectos adversos del cambio

climático, al hacer que la población no dependa totalmente del sistema de acueducto”

(PNUD, 2016)

Así mismo, según Reyes et al, (2014), los sistemas están diseñados para captar,

recolectar, conducir, tratar y almacenar el agua lluvia para ser aprovechada según las

necesidades. Dando como resultado, una reducción de los costos en materia de consumo

pagado a las empresas de acueducto, pues se disminuye el uso de agua proveniente de los

sistemas municipales y, por otro lado, se realiza un aporte al medio ambiente.

Para poder realizar un sistema eficiente de aprovechamiento de agua lluvia se utiliza un

sistema de captación, en este caso implementado por el techo de dos bodegas y media; el

agua es conducida por medio de canales y tuberías hacia un tanque de almacenamiento,

para luego ser utilizada en las torres de enfriamiento.

Este sistema se complementa con procesos de tratamiento para el mejoramiento de la

calidad del agua. Un sistema básico de captación de agua está compuesto por los procesos

de captación, recolección-conducción y almacenamiento, los cuales “deben estar

complementados con un sistema de drenaje de excesos, que permite verter el agua que no

es posible utilizar porque la demanda es menor a la precipitación sobre la construcción”.

(Reyes et al, 2014). Además de esto, el sistema debe ir acompañado de accesorios que

permitan su funcionamiento y eficiencia, su elección depende del nivel de complejidad que

13

se vaya a trabajar, la magnitud de agua a tratar y el uso posterior que se le va a dar

influyendo directamente en los costos.

1.3 Descripción de los componentes del sistema

Como ya se mencionó, el diseño del sistema cuenta con cuatro componentes que

permitirán el eficiente aprovechamiento del agua, a continuación, se realiza la descripción

de cada uno de ellos:

1.3.1 Sistema de captación

El techo de la empresa es de lámina de acero perfil de alta resistencia en poliéster

reforzado con fibra de vidrio en clase siete, su forma convexa facilita la captación

dirigiendo el agua hacia las canaletas y así dando inicio al proceso, es importante recordar

que la captación se realizará en dos bodegas y media, puesto que esta es el área ocupada por

la empresa. “En el cálculo se debe considerar la proyección horizontal del techo”.

(Organización Panamericana de la Salud, 2005)

Ilustración 2.Techos, sistema de captación.

Fuente: Autores.

1.3.2 Conducción

Está conformado por las canaletas que van adosadas en los bordes más bajos del techo,

en donde el agua tiende a acumularse antes de caer al suelo. El material de las canaletas

debe ser liviano, resistente al agua y fácil de unir entre sí, a fin de reducir las fugas de agua.

14

Al efecto se puede emplear materiales, como el bambú, madera, metal o PVC (para este

caso será PVC), cada una de las bodegas posee sus respectivas canaletas, es por esto que se

unirán todas las bajantes a una sola tubería horizontal con tres conexiones tipo “tee”

elevada a 3 metros sobre el suelo, la cual que llevará toda el agua recolectada hasta el

tanque de almacenamiento. “Para las primeras aguas es necesario contar con un dispositivo

de descarga, pues constituyen una posible fuente de contaminación”. (Organización

Panamericana de la Salud, 2004)

Ilustración 3.Canales de conducción del agua lluvia

Fuente: Autores

1.3.3 Tanque interceptor de primeras aguas

La función de este tanque interceptor es “captar las primeras aguas lluvias que

corresponde al lavado de la cubierta contaminada debido al polvo, heces de aves, hojas,

entre otros. Este dispositivo capta las impurezas, evitando el paso del agua contaminada

hacia el tanque de almacenamiento”. (Solano et al., 2017)

De acuerdo con el Instituto Internacional de Recursos Renovables A.C. (2012) cuando

empieza a llover el agua entra al interceptor y este empieza a llenarse, debido a que en los

primeros 10 o 15 minutos de lluvia se arrastran la mayoría de la contaminación proveniente

15

del techo, posteriormente, el flotador interno tranca el paso del agua contaminada, dando

paso al agua lluvia más limpia.

1.3.4 Sistema de recolección

Según la Organización Panamericana de la Salud (2004), esta es la estructura encargada

de recoger el volumen de agua lluvia necesaria para el uso diario, la cual también está

destinada para las épocas de menor precipitación. Es por esto que debe ser lo

suficientemente duradera, por lo tanto, debe ser impermeable, con tapa para impedir el

ingreso de polvo, insectos y de la luz solar y el rebose deben contar con mallas para evitar

el ingreso de insectos y animales.

1.3.5 Tratamiento

Según los resultados obtenidos en el análisis fisicoquímico del agua, se propone un

sistema compuesto por unidades de filtración para que retenga posibles impurezas que lleve

el agua, y desinfección para que logre cumplir las condiciones mínimas de calidad y pueda

ser utilizada en las torres de enfriamiento de la empresa.

Filtración: con el fin de mejorar la calidad del agua y cumplir con los parámetros

establecidos para la torre de enfriamiento se selecciona el filtro ascensional

profundo multimedio, el cual como su nombre lo indica, recibe el fluido por la parte

inferior, de modo que este asciende gradualmente por cada una de las capas de

grava, arena y antracita y posteriormente el fluido filtrado sale por la parte superior

del filtro. Entre las principales características se encuentran:

Sirven para un proceso de filtración de Grueso a Fino.

•La capa gruesa del fondo del lecho de filtro criba la mayor parte de las

impurezas suspendidas, inclusive del agua cruda turbia, sin ningún

16

aumento grande de la resistencia del lecho de filtro, debido a los poros

grandes del lecho.

Las capas dinas sobrepuestas tienen poros más pequeños, pero aquí

también la resistencia del filtro aumentará solo lentamente, ya que no

quedan muchas impurezas que filtrar.

Ilustración 4.Filtro ascensional profundo multimedio

Fuente: (Romero, J. 2002)

Desinfección: La desinfección dentro de los sistemas de potabilización y tratamiento de

aguas, es una medida esencial de salud pública, y su importancia se ha demostrado tanto en

la teoría como en la práctica. Para este caso, se implementa el cloro, el cual es un

desinfectante de gran poder bactericida, aún en dosis pequeñas. Es económico y de fácil

empleo, aunque requiere precaución en su manejo. Es el reactivo más usado a nivel

mundial tanto en los sistemas de agua potable como residual. (Comisión Nacional del

Agua, S.F)

Cabe mencionar que, “la dosis de cloro ideal es la necesaria para destruir todos los

organismos patógenos presentes en ella, antes de que sea consumida por la población o

descargada al medio ambiente” (Comisión Nacional del Agua, S.F):

17

1.3.6 Sistema de distribución

El sistema de distribución en este caso, consiste de una tubería en PVC con una bomba

centrifugas que conducen el agua tratada a las torres de enfriamiento, acompañadas de

válvulas que permiten o restringen el paso del agua según la producción de la empresa y la

demanda de agua por parte de las torres de enfriamiento.

1.4 Calidad del agua

Las torres de enfriamiento utilizadas en la empresa requieren que el agua cuente con los

parámetros del agua potable, esto debido a que no debe contar con microorganismos que

puedan adherirse a las paredes de las torres y posteriormente generar bacterias que afecten

la transferencia de calor, pues, el agua en la torre debe mantenerse a una temperatura entre

40ºC a 60 °C.

La temperatura es uno de los parámetros más importantes que condicionan el

crecimiento y la supervivencia de los microorganismos. “El margen entre la temperatura

mínima y máxima se suele llamar margen de crecimiento y en muchas bacterias suele

comprender los 40º C” (Iañez, s.f); temperatura a la cual trabajan las torres de enfriamiento

diariamente, por ello es de suma importancia asegurar las condiciones de agua potable para

evitar la incubación de bacterias.

Aunque el agua lluvia no tiene contacto directo con el suelo ni está expuesto a altos

niveles de contaminación, deben tenerse en cuenta factores importantes como su pH,

“debido a que es característico que el pH del agua lluvia sea bajo, con valores entre 5 o 6, e

influya en la probabilidad de corrosión” (Ospina et al., 2014). De igual manera sucede con

la alcalinidad, pues “valores por encima de lo recomendado incrementan la probabilidad de

incrustaciones y finalmente, los niveles de dureza están usualmente asociados con la

tendencia del agua de enfriamiento a formar o no incrustaciones (DMLN, 2018).

18

Tal como lo menciona Shester (s.f), la presencia de excesivos limos y bacterias puede

producir olores desagradables. Las algas muertas y el limo alojado en las unidades de

condensación causan obstrucciones de los filtros, y los hongos causan deterioro de los

metales con las que se construyen las torres de enfriamiento.

Según el informe realizado por Cortés (2015), la calidad del agua también depende del

uso y disposición final del recurso, por ello es necesario evaluar: alcalinidad, dureza,

sólidos totales disueltos (TDS), hierro, cloruro, calidad microbiana, nitrato y turbidez.

Teniendo en cuenta lo anterior, los principales parámetros a tener en cuenta en este

proyecto serán los exigidos en la resolución 2115 de 2007 “determinación de la calidad del

agua para consumo humano”, cuyos resultados no podrán sobrepasar los valores máximos

aceptables para cada una de las características físicas y químicas que se señalan en esta, los

cuales se presentan en la Tabla 2.

Tabla 2.Parámetros Resolución 2115 de 2007.

Resolución 2115 de 2007

Características físicas Valor máximo aceptable

Olor y sabor Aceptable

Turbiedad 2

Características Químicas Valor Máximo Aceptable

pH 6.5 a 9.0

Alcalinidad Total 200

Dureza Total 300

Hierro total 0.3

Sólidos totales -

Características Biológicas Valores máximos aceptables Escherichia Coli 0

Coliformes Totales 0

Fuente: (EPM, s.f)

1.5 Uso del agua tratada

Las aguas lluvias tratadas serán usadas para las 4 torres de enfriamiento de la empresa,

las cuales son las encargadas de regular la temperatura de los evaporadores que trabajan a

altas presiones y elevadas temperaturas con el fin de remover el agua de la leche sin la

19

adición de azúcar y usualmente con un contenido específico de grasa y sólidos para obtener

leche evaporada (leche condensada no endulzada).

De acuerdo con Cooling Technology Institute (2015), en las torres se consigue

disminuir la temperatura del agua caliente que proviene de un circuito de

enfriamiento mediante la transferencia de calor y materia al aire que circula por el

interior de la torre. A fin de mejorar el contacto aire-agua, se utiliza un entramado

denominado “relleno”. El agua entra en la torre por la parte superior y se distribuye

uniformemente sobre el relleno utilizando pulverizadores. De esta forma, se

consigue un contacto óptimo entre el agua y el aire atmosférico. El relleno sirve

para aumentar el tiempo y la superficie de intercambio entre el agua y el aire. Una

vez establecido el contacto entre el agua y el aire, tiene lugar una cesión de calor del

agua hacia el aire. Ésta se produce debido a dos mecanismos: la transmisión de

calor por convección y la transferencia de vapor desde el agua al aire, con el

consiguiente enfriamiento del agua debido a la evaporación. En las torres de tiro

forzado, el aire se descarga a baja velocidad por la parte superior de la torre, estas

son más eficientes, puesto que la presión dinámica convertida a estática realiza un

trabajo útil. El aire que se mueve es aire frío de mayor densidad que en el caso de

tiro inducido. Esto también significa que el equipo mecánico tendrá una duración

mayor que en el caso de tiro inducido, ya que el ventilador trabaja con aire frío y no

saturado, menos corrosivo que el aire caliente y saturado de la salida; como

inconveniente debe mencionarse la posibilidad de que exista recirculación del aire

de salida hacia la zona de baja presión, creada por el ventilador en la entrada de aire.

20

Ilustración 5.Torre de tiro forzado.

Fuente: (Cooling Technology Institute, 2015)

Las cuatro torres de enfriamiento funcionan con alrededor de 5m3 de agua potable

durante 7 o 9 horas, sin embargo, esto depende de la producción diarias, por lo que no todos

los días se ponen en funcionamiento las cuatro torres.

1.6 Uso de información pluviométrica

Con respecto al diseño, se debe tener en cuenta la información pluviométrica pertinente,

abarcando los fenómenos del niño y la niña, las curvas de intensidad-duración y frecuencia

(IDF) y los debidos análisis de precipitación durante los últimos 27 años, eso con el fin de

tener fuentes confiables y mucho más aproximadas a los eventos futuros; “la precipitación

registrada puede ajustarse a una función de distribución, lo que permite conocer la

probabilidad de lluvia. Las funciones de distribución de probabilidad más usadas en

hidrología aplicada son la Normal, Log-Normal, Pearson y Gumbel”. (López et al., 2017).

Dicha información será tomada de la estación meteorológica más cercana, la cual

corresponde a Guaymaral ubicada en latitud 4°47'27, „„N y longitud 74°3‟12,4‟‟

(Cundinamarca)

21

Para este proyecto se utiliza el método de Gumbel, que es un “método probabilístico que

arroja datos cuando se trabaja con valores extremos y variables meteorológicas, así como

en los casos de valores máximos de precipitación en diferentes intervalos de tiempo”.

(Galindo, 2017)

Por otro lado, se debe conocer el tipo de material con el que se construirá la unidad, pues

esta debe prevenir las pérdidas de agua por infiltración y evaporación, así, como el número

de personas beneficiadas de manera directa e indirecta y la demanda de agua en la empresa.

2. METODOLOGÍA

Para el diseño del sistema de aprovechamiento de aguas lluvias de la empresa se utilizó

una metodología de tipo cuantitativa. Principalmente se identificó el uso actual del recurso,

las características fisicoquímicas del agua lluvia (turbiedad, coliformes, pH, alcalinidad,

dureza, hierro y Escherichia Coli) y se recopila información bibliografía y de entidades

como la CAR y el IDEAM para establecer las características meteorológicas e hidrológicas

del lugar, una vez se tiene está información, se procede a identificar las operaciones

unitarias que requiere el sistema y sus respectivos cálculos. Por último, se analizan los

costos del sistema.

2.1 Materiales y herramientas

Se utilizaron programas como AutoCad 2018, SketchUp 2019 y Excel 2010. Mediante

estos programas se realizó el diseño y modelamiento de los componentes del sistema de

aprovechamiento, así como los cálculos necesarios para el dimensionamiento del mismo.

Por otro lado, se utilizaron los datos hidrológicos otorgados por la CAR (2018), e

información que facilitó la empresa como planos, recibos de consumo y controles que ésta

misma realiza. En cuanto a materiales para el trabajo en campo, se utilizaron decámetros,

metros, botellas ámbar y una nevera, suministrados por la Universidad de la Salle.

22

La metodología de este proyecto se dividió en tres fases, iniciando desde la recopilación

de información y análisis actual de la empresa, diseño y descripción de los componentes del

sistema, finalizando con la entrega de documentos como planos y cotizaciones que

permiten determinar la viabilidad del proyecto.

Fase 1: Recopilación de información y análisis situacional de la planta

Para esta fase, fue importante conocer las principales características físico-químicas del

agua lluvia que cae sobre el tejado de la empresa, tales como pH, alcalinidad total, E. Coli,

coliformes totales, turbiedad, hierro total, sólidos totales y dureza total ya que de su

resultado se determinó el tratamiento a efectuar, para esto se tomó una muestra de los

respectivos puntos (tubería) por los cuales desemboca el agua lluvia captada por el techo de

las bodegas, como se observa en la Ilustración 6.

Ilustración 6.Toma muestra de agua lluvia.

Fuente: Autores.

Además, se realizó la compilación y verificación de los documentos dados por la

empresa tales como planos, estadísticas y recibos del servicio público de acueducto, así

como la información recolectada de la CAR (2018), con respecto a las estaciones cercanas

a la empresa: valores totales mensuales de precipitación, valores totales anuales de

precipitación y valores totales mensuales de precipitación máxima en 24 horas.

23

Seguido a esto, se identificaron las zonas potenciales para la adecuación del sistema de

tratamiento y almacenamiento de agua lluvia, teniendo en cuenta la infraestructura

disponible de la empresa y la ubicación de las torres de enfriamiento.

Fase 2: Diseño del sistema de recolección, tratamiento y almacenamiento de agua

lluvia.

El diseño del sistema de aprovechamiento de agua lluvia se realizó tomando como

referencia la infraestructura disponible en la empresa y la cantidad de agua a tratar; esto se

determinó teniendo como guía los planos otorgados por la empresa; además, se tuvo en

cuenta ciertos criterios tales como: la demanda de agua requerida por las torres de

enfriamiento, las características y condiciones óptimas para que el agua trabaje en las

torres, información pluviométrica, entre otros, los cuales han sido adquiridos en la fase 1.

Por otro lado, se calculó la cantidad de agua que cae en la zona, esto a partir de los datos

de precipitación de los últimos 27 años, de manera que se pudiera conocer el volumen del

tanque de recolección y almacenamiento necesario. Además, se calculó el área de

contribución y una estimación del caudal en los conductores verticales o bajantes, esto con

el fin de dimensionar el conductor horizontal que se encargará de llevar el agua al tanque de

recolección.

Una vez se realizados los cálculos del sistema de captación, conducción y los resultados

de los análisis físico-químicos del agua lluvia, se estableció el tratamiento con las

operaciones unitarias adecuadas. Dentro de estas operaciones se planteó un sistema de

tratamiento basado en filtración y desinfección, para esto se utilizó un filtro ascensional

profundo multimedio un sistema de dosificación de cloro.

Finalmente, se dimensionó la red de distribución, para que el agua tratada fuera llevada a

las torres de enfriamiento.

24

Fase 3: Determinación de costos

Inicialmente, se realizó un análisis de costo de la construcción del sistema, el cual está

acompañado de una lista de materiales para el sistema, con el fin que la empresa conozca la

viabilidad del proyecto, para esto se tuvo en cuenta el IVA para el año 2020 y los precios

actuales del mercado. Finalmente, se crearon los planos correspondientes al sistema.

25

3. ESTADO DEL ARTE

Tabla 3.Estado del arte

Título -

Autores

Objetivo

general y

problema

Materiales y

métodos

Resultados y

discusión

Vacíos de

la

investigación

Melo, J. (2018). Evaluación

del sistema

de captación

y

aprovechami

ento del agua

lluvia implementad

o en el

Aeropuerto

Internacional

el Dorado de

Bogotá.

Universidad la Salle.

Se hace necesario realizar una correlación de cantidad de agua requerida para los empleados del aeropuerto, así como la cantidad de agua pluvial que se lograra recaudar en cierta cantidad de tiempo, esto con el fin de determinar si las dimensiones del tanque de almacenamiento son correctas y óptimas.

Para determinar estos valores realizan diversas curvas a partir de datos recolectados como la curva IDF para conocer la intensidad máxima que se puede esperar en una lluvia y adicionalmente usan el CEPIS (guía de diseño para captación de aguas).

El método del bloque alterno consiste en obtener un Hietograma que especifica la profundidad de precipitación que ocurre en “n” intervalos de tiempo sucesivos de duración, a partir de valores puntuales de precipitación. Se calcula el volumen del tanque, se realizó el análisis en cuanto al porcentaje de agua ahorrada, en donde se puede observar que el mayor porcentaje fue el método de bloque alterno.

No existen procedimientos estandarizados para determinar el volumen del tanque de almacenamiento por lo que a largo plazo estos espacios resultan muy grandes o insuficientes para mantener un funcionamiento óptimo de los sistemas propuestos.

Rojas, M,

Gallardo, J, & Martínez,

J. (2012).

Implementa

ción y

caracteriza-

ción de un

sistema de captación y

aprovechami

ento de agua

de lluvia.

Su fin es determinar la calidad del agua proveniente de la precipitación de una zona puntual y establecer una alternativa de captación y tratamiento del agua pluvial para que pueda ser aprovechada dentro de las instalaciones para limpieza, uso de inmuebles sanitarios e incluso para uso personal o para beber.

La metodología se dividió en dos fases: la primera se enfocó al diseño y captación del agua y en la segunda fase se hizo una caracterización fisicoquímica y microbiológica del agua de lluvia.

Se logró identificar varias bacterias, con reporte de que causan infecciones, intoxicación alimentaria por parte de Bacillus subtilis, bacteriemia, E. Coli, Enterobacter aerogenes, también, un hongo, el cual pertenece al género Aspergillus spp.

Se consideran vacíos en la investigación, al no contar con propuesta de solución hacia la problemática encontrada.

26

Fuentes. L.,

Arias L., Soría. J.

(2016)

Sistemas de

captación y

Aprovecha-miento de

agua

de lluvia en

el programa

educativo de

ingeniería

hidráulica de la

Universidad

de

Guanajuato

Con el

propósito de cambiar el paradigma de abastecimiento centralizado, y Propiciar el manejo y uso eficiente del agua, se pretende introducir el esquema de abastecimiento alternativo que la captación del agua de lluvia en el programa de ingeniería hidráulica en la universidad.

Se abordan los

siguientes temas: Situación del

agua a nivel nacional y local

*Captación del agua lluvia.

*Componentes y diseño de sistemas de captación del agua lluvia.

*Normatividad y caracterización del agua

*Tratamiento del agua captada

Esta práctica

representa una alternativa de abastecimiento con bajos impactos negativos hacia el ambiente e impactos sociales positivos. Se propicia el compromiso social y ambiental

de los alumnos del programa de Ingeniería Hidráulica, para establecer alternativas de abastecimiento de agua considerando las implicaciones técnicas, sociales y ambientales.

En la investigación no se hace presente la práctica del sistema de aprovechamiento por parte del grupo investigador, se restringe únicamente a la parte teórica describiendo cada una de sus fases.

Palacio

Castañeda, N.R. (2010).

Propuesta de un sistema de

aprovechami

ento de agua

lluvia, como

alternativa

para el

ahorro de agua potable,

en la

institución

educativa

maría

auxiliadora

de Caldas,

Antioquia.

Explica cada uno de los pasos para la implementación de un sistema de captación de agua lluvia y su posterior implementación en los sanitarios de una institución, por ende, la metodología aquí implementada puede servir de guía para la elaboración del proyecto planteado.

Explica de manera detallada los cálculos tales como: la demanda de agua al mes, la oferta de agua mensual, la demanda y oferta acumulada, los volúmenes de almacenamiento a tener en cuenta, el potencial del ahorro, la red de distribución, el sistema de bombeo, entre otros.

Se considera que el

proyecto cumple el objetivo general en cuanto a que, se logra abastecer los sanitarios y lavaescoba durante 9 meses del año, y los 3 meses restantes se abarca más del 90% de la demanda, siendo necesario suplir menos del 10% con agua potable.

27

García

Velásquez, J.H. (2012).

Sistema de captación y

aprovecha-

miento

pluvial para

un eco barrio

de la ciudad

de México. Universidad

Nacional

Autónoma de

México.

Dirigida al uso doméstico, enseña los parámetros y el diseño más indicado para el uso de este recurso, evaluando las mejores alternativas dependiendo los microorganismos encontrados en el análisis fisicoquímico del agua y la densidad poblacional.

Mediante metodologías de evaluación sencillas, se eligieron los componentes del tratamiento primario, que en orden de aparición cuenta con: un separador de sólidos grandes, un separador de primera lluvia y un desarenador.

Las metodologías

propuestas por este trabajo pueden utilizarse y adaptarse para el desarrollo de dispositivos similares.

Ortiz. W. (2017).

Propuesta

para la

captación y

uso de agua

lluvia en las

instalaciones

de la universidad

católica de

Colombia a

partir de un

modelo físico

de

recolección

de agua.

Se habla de la efectividad del sistema de captación, por ende, la metodología logra demostrar la viabilidad y la disminución efectiva del recurso agua. Se dan recomendaciones en el diseño para mejorar la eficacia del mismo, como hacer ensayos y procedimientos de potabilización para tener usos más complejos del agua lluvia recolectada.

Construcción de un modelo físico en el edificio R (sede el Claustro de la Universidad Católica de Colombia) para recolección y distribución de agua lluvia, usando la ecuación de Darcy-Weisbach.

Se demuestra que el

uso y aprovechamiento de aguas lluvias se está convirtiendo en una gran alternativa no común, que permite reducir el impacto causado en las fuentes de abastecimiento convencionales. Se concluye que el modelo creado brinda una solución sostenible para la construcción, además está proporcionando agua de una calidad aceptable según la Resolución 2115 de 2007.

FAO, (2013)

Captación y

almacena-

miento de

agua de

Documento dirigido a los profesionales extensionistas que trabajan

Permite la visualización y comprensión de los conceptos, roles, destinos y

Ofrece análisis de las estrategias y posibilidades para adecuar los sistemas productivos a la

Fuentes de información y complementos técnico-científicos de

28

lluvia:

opciones

técnicas para

la

agricultura

familiar en

América Latina y el

Caribe

donde el agua es un factor limitante para la producción animal y vegetal. Brinda orientaciones sobre los conceptos, estrategias y métodos acerca de cómo mejorar la captación y el aprovechamiento del agua en el medio rural, sobre todo donde la disponibilidad de este recurso es deficiente o descontinuada

comportamiento del agua en un territorio mediante la Identificación y cuantificación del déficit hídrico

disponibilidad, para captar y abastecer la cantidad que falte. Las diferentes formas para recoger y almacenar agua de lluvia con diferentes finalidades.

los temas tratados. Orientación para la selección, diseño, construcción, operación, mantenimiento y aplicación de técnicas y obras para mejorar la captación y la oferta de agua para los cultivos, animales y uso doméstico rural.

Díaz, G. Landita, B.(2017)

Diseño de un

sistema de aprovechami

ento de aguas

lluvia para la

alimentación

de la planta

de

producción de Herrajes

S.A.S en la

localidad de

Font ibón.

Implementación de un sistema de aprovechamiento de aguas pluviales, que consiste en una serie de reservatorios en los cuales se va a almacenar el agua proveniente de las precipitaciones en el sector

La alternativa propuesta para el consumo de agua en el proceso productivo se lleva a cabo para reducir el consumo de agua potable en la fábrica de producción.

El sistema está compuesto por cuatro tanques, los cuales, son alimentados por una sección de tubería, que se encuentra ubicada posterior a un sistema de filtración, que estará compuesto por unos tamices y unas rejillas ubicadas en las canaletas de aguas lluvias

Sistema completamente explicado

Márquez F, Ortega,

M.(2017)

Percepción

social del

servicio de

agua potable

en el municipio de

Xalapa,

Veracruz

Es importante realizar registros regulares sobre la percepción que tienen los usuarios acerca de la calidad, siendo uno de los propósitos de esta actividad o tesis.

Se llevo a cabo un tipo de muestreo probabilístico y se realizó un proceso la información con el programa estadístico para las ciencias sociales, y se encontró que los estudios de opinión arrojan suficientes datos actuales y reales para evaluar servicios.

La ciudadanía, sin importar el nivel de marginación, considera aceptable el servicio prestado, calificándolo de regular a bueno.

29

Jiménez. V.

(2017).

Estudio de

factibilidad

técnico

económica de la captación

y tratamiento

de agua de

lluvia en

zona urbana

Explica la determinada implementación del sistema de captación, y su nivel financiero. Además de esto, realizando valoración de beneficios, cálculos de los indicadores de eficiencia y la rentabilidad económica.

Las variables

principales para tomar en cuenta son el número de integrantes de la familia, las diferentes costumbres de consumo, nivel socio-económico y el uso que se le pretende dar, con el fin de evaluar a nivel domiciliario y el consumo actual

Se da prioridad entre

los diferentes usos del agua y estos en forma global se definen en dos usos.

Usos simples: limpieza de pisos, inodoros o excusados, limpieza de ropa, riego de plantas, limpieza de autos y otros.

Usos complejos: Limpieza corporal, agua para beber y cocinar.

Fuente: Autores

30

4. MARCO LEGAL

Tabla 4.Normatividad

Norma Título Descripción

Ley 373 de 1997

“Reúso obligatorio del agua.”

Las aguas utilizadas, sean éstas de origen superficial, subterráneo o lluvias, en cualquier

actividad que genere afluentes líquidos, deberán ser reutilizadas en actividades

primarias y secundarias cuando el proceso técnico y económico así lo ameriten y

aconsejen según el análisis socio-económico y las normas de calidad ambiental.

Decreto 1090 del 2018

“Por el cual se adiciona al Decreto 1076 de 2015,

Decreto Único Reglamentario del Sector

Ambiente y Desarrollo Sostenible, en lo relacionado con el programa para el Uso Eficiente y ahorro de agua”

Reglamentar la Ley 373 de 1997 en lo relacionado con el Programa para el Uso Eficiente y Ahorro de Agua y aplica a las

Autoridades Ambientales, a los usuarios que soliciten una concesión de aguas y a las entidades territoriales responsables de implementar proyectos o lineamientos

dirigidos al uso eficiente y ahorro del agua.


Por medio de la cual se señalan características, instrumentos básicos y

frecuencias del sistema de control y vigilancia para la

calidad del agua para consumo humano.

El objeto de la presente resolución es determinar las características que debe tener el

agua potable para consumo humano y los parámetros para esta.


Por la cual se reglamenta el artículo 126 del Decreto-ley 019 de 2012 y se dictan

otras disposiciones.

Establece los requisitos sanitarios que deben cumplir las personas naturales y/o

jurídicas que ejercen actividades de fabricación, procesamiento, preparación, envase, almacenamiento, distribución y

comercialización de alimentos.

Fuente: Autores.

31

5. RESULTADOS DE CALIDAD DEL AGUA LLUVIA

Las muestras de agua lluvia fueron tomadas el día 22 de octubre en dos de las tres

tuberías encargadas de transportar el agua captada en techo hasta el drenaje , estas fueron

llevadas al laboratorio Anascol S.A.S, el cual está acreditado por el IDEAM, bajo los

lineamientos de la norma NTC-ISO/IEC 17025 “Requisitos Generales de Competencia de

Laboratorios de Ensayo y Calibración”, y según lo estipulado en el Decreto 1076 de 2015,

“Decreto Único Reglamentario del Sector Ambiente y Desarrollo Sostenibles” artículo

2.2.8.9.1.7. Resolución No. 1615 del 15 de mayo de 2015 por la cual se autoriza al

laboratorio para la realización de análisis físicos, químicos y microbiológicos al agua para

consumo humano. Adicionalmente el servicio de caracterización hidrobiológica para

cuerpos lénticos y lóticos con identificación de comunidades.

Para esto se tuvieron en cuenta los principales parámetros para la potabilización del agua

lluvia, los cuales fueron: alcalinidad total, dureza total, hierro total, sólidos totales,

turbiedad, pH, coliformes totales y Escherichia Coli.

Los resultados se muestran a continuación en la Tabla 5.

Tabla 5.Resultados agua lluvia.

Fuente: (Anascol, s.f)

Teniendo los resultados, se realizó la sumatoria de los puntajes de riesgos dados en la

resolución 2115 de 2007 y la sumatoria de los puntajes que sobrepasaron los límites

permisibles, en este caso la turbiedad y los coliformes totales (Tabla 6).

32

Para conocer el porcentaje de riesgo del IRCA se utilizó la siguiente fórmula:

A: Sumatoria de puntajes asignados

B: Sumatoria de puntajes variables no aceptables

Tabla 6.Puntajes de riesgo IRCA.

Fuente. (Anascol, s.f)

Dado que el porcentaje de riesgo dio un valor del 50%, se logró determinar mediante el

uso de la Tabla 7 que el nivel de riesgo es ALTO, pues los coliformes totales y la turbiedad

sobrepasaron los límites permisibles a diferencia de los demás parámetros.

Tabla 7.Nivel de riesgo IRCA.

Fuente: (Anascol, s.f)

33

6. DISEÑO DEL SISTEMA DE APROVECHAMIENTO DE AGUAS LLUVIAS

Uso actual del agua en la empresa

Para la realización del diseño del sistema de aguas lluvias es necesario conocer los

metros cúbicos de agua consumidos por la empresa anualmente y así poder identificar el

volumen de agua que el proyecto puede abastecer. Actualmente, en promedio se consumen

4.525 m3 de agua al año, valor obtenido del registro histórico que lleva internamente la

empresa. De este valor, el 40% va dirigido a las torres de enfriamiento y el otro 60%

distribuido en el lavado de equipos e instalaciones sanitarias.

La empresa cuenta con cuatro torres de enfriamiento, que utilizan diariamente para su

funcionamiento 5m3 de agua, estas están encendidas en un rango de 7 a 9 horas al día.

Actualmente, el agua que alimenta las torres proviene del servicio de acueducto prestado

por Aguas de la Sabana.

6.1 Área de contribución

La empresa cuenta con tres bodegas disponibles para realizar la recolección del agua, su

cubierta es de tipo elipse lo que facilita el transporte del agua hacia las canaletas. A

continuación, se muestra el área de contribución existente:

Ilustración 7.Dimensiones del techo

Fuente: Autores

34

Ilustración 8.Área de contribución.

Fuente: (Earth, 2018)

Para conocer el área total de contribución es necesario calcular el área de la bodega 1, 2

y la mitad de la bodega número 3, pues al ser el techo de forma convexa solamente la mitad

del agua de esta última se captará mediante la canaleta que se encuentra entre esta y la

bodega número 2.

Cálculo del área total de captación

Aunque el techo está diseñado de forma convexa, se asume como área de captación un

área rectangular, pues corresponde a la superficie de contacto directo con el agua lluvia,

entonces:

El cálculo del área 3 (A3), corresponde a la mitad de una cubierta como se

mencionó anteriormente. Entonces:

35

El área total de contribución del sistema de aprovechamiento será:

6.2 Información Pluviométrica de la zona

De acuerdo con los datos pluviométricos de la estación Apto Guaymaral (Tabla 8),

ubicada en latitud 4°47'27,''N y longitud 74°3'12,4''(Cundinamarca), cuya estación es la

más cercana a la empresa, se establecen los promedios de la precipitación mensual de los

últimos 27 años (ilustración 9). Obteniendo como resultado que el mes con mayor

precipitación es noviembre con un valor de 114,3 mm, valores que permiten conocer el

abastecimiento en la zona y el tamaño del tanque de almacenamiento.

Tabla 8.Precipitación mensual y anual 1991-2018

Fuente: CAR.

AÑO ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DICTOTAL

ANUAL

1991 26,2 24,8 40,2 55,5 63,9 31,0 80,0 60,7 39,8 41,5 132,9 38,9 635,4

1992 22,9 37,5 58,5 66,1 52,4 31,0 55,5 44,3 80,1 52,4 129,6 97,1 727,4

1993 42,5 50,9 90,4 137,2 124,5 36,9 71,5 33,1 43,3 49,7 159,9 18,5 858,4

1994 28,0 116,0 79,0 93,2 111,1 61,8 37,8 50,1 28,9 103,2 76,5 13,5 799,1

1995 48,0 74,5 121,4 136,4 41,3 113,6 65,6 105,0 32,2 59,5 162,6 112,5 1072,6

1996 53,3 102,4 133,0 70,7 108,0 42,5 75,4 59,4 41,6 80,3 74,6 75,2 916,4

1997 50,5 0,0 65,0 44,2 82,7 36,0 27,8 18,4 63,5 47,5 18,7 454,3

1998 31,8 22,9 90,3 37,0 125,9 59,6 79,1 43,9 74,8 120,5 82,3 94,8 862,9

1999 19,6 62,7 76,4 105,3 35,6 125,4 24,0 42,7 130,3 162,2 89,6 47,7 921,5

2000 18,7 89,4 111,1 50,1 60,5 52,6 73,3 48,6 144,8 98,3 90,4 32,5 870,3

2001 40,4 38,4 68,7 10,2 131,0 81,9 21,6 38,3 106,0 35,8 61,7 45,3 679,3

2002 22,0 27,4 84,4 132,5 119,9 76,0 30,8 41,8 49,5 61,1 25,4 55,1 725,9

2003 4,1 61,5 57,4 146,1 40,6 51,0 14,0 118,9 85,0 173,5 46,3 798,4

2004 16,0 91,5 51,2 159,9 115,2 44,3 40,1 37,6 81,5 172,2 78,2 2,0 889,7

2005 27,7 81,6 56,9 88,3 3,4 41,7 91,1 85,7 65,9 37,0 579,3

2007 13,3 39,7 118,4 32,2 51,5 38,4 12,5 43,8 12,9 287,9 137,3 109,0 896,9

2008 23,0 58,6 72,3 78,5 71,3 93,0 77,5 84,3 55,4 95,6 203,0 55,3 967,8

2009 39,6 115,5 71,3 55,1 37,0 73,6 38,5 18,9 18,1 206,8 60,1 28,3 762,8

2010 34,8 19,7 16,1 201,8 150,5 95,8 155,5 51,3 83,4 118,4 179,2 121,2 1227,7

2011 121,3 108,4 152,3 193,8 131,1 65,8 55,4 66,7 56,5 201,0 252,1 85,6 1490,0

2012 89,0 66,0 79,6 189,1 34,5 38,8 75,8 43,2 24,1 116,7 59,6 69,4 885,8

2013 23,4 118,8 52,1 96,7 139,6 18,6 26,5 69,1 35,0 51,1 116,1 53,8 800,8

2014 74,9 89,2 74,8 29,6 49,3 44,6 39,5 24,5 44,9 103,2 104,8 99,1 778,4

2015 53,7 32,0 70,7 53,8 17,3 49,7 52,8 30,8 36,7 14,6 153,7 2,0 567,8

2016 21,8 19,1 117,3 100,6 144,6 45,5 38,2 68,0 70,5 79,5 134,7 30,9 870,7

2017 44,5 45,4 174,5 99,5 123,8 89,8 23,8 67,3 50,5 77,1 157,8 101,0 1055,0

2018 52,9 45,8 57,9 141,1 170,0 61,7 34,6 45,8 52,0 41,8 77,0 9,4 790,0

PROMEDIO 38,3 63,1 80,6 97,2 85,1 62,2 52,8 48,2 60,0 98,7 114,3 53,7 818,5

PRECIPITACION MENSUAL 1991-2018

36

En la ilustración 9 se muestran gráficamente los promedios mensuales de precipitación

del periodo de 1991 a 2018.

Ilustración 9.Promedio precipitación mensual periodo 1991-2018.

Fuente. Autores.

De esta información es posible establecer el volumen de agua lluvia que se puede

aprovechar cada mes (Tabla 9). Para ello, se toma un área de 3300 m2, que corresponde al

área total de las bodegas de la empresa.

Tabla 9.Promedio de precipitación y demanda.

MES PROMEDIO DE

PRECIPITACIÓN (mm) OFERTA (m3)

Enero 38,3 126,39

Febrero 63,1 208,23

Marzo 80,6 265,98

Abril 97,2 320,76

Mayo 85,1 280,83

Junio 62,2 205,26

Julio 52,8 174,24

Agosto 48,2 159,06

Septiembre 60 198,00

Octubre 98,7 325,71

Noviembre 114,3 377,19

Diciembre 53,7 177,21

TOTAL ANUAL 854,2 2818,86

Fuente: Autores.

37

6.3 Curvas de intensidad, duración y frecuencia (IDF)

Para el cálculo de la intensidad, se realizó la curva IDF de la zona a partir de los valores

máximos de precipitación en un periodo de 24 horas durante los últimos 27, se escoge este

método ya que la información disponible en el país por parte de las entidades encargadas de

las mediciones es escasa e incompleta para realizar otros métodos más dispendiosos que

dependen de información más precisa como registros pluviográficos. De acuerdo con

Galindo et ál. (2017), para este tipo de casos es factible trabajar bajo las constantes de

Gumbel. En la tabla 10 se observan la precipitación máxima en 24 horas, tomados de la

estación (Apto Guaymaral), los cuales permiten la realización de las curvas IDF y así

conocer la intensidad de precipitación en la zona de estudio.

Tabla 10.Precipitación máxima en 24 horas (1991-2018).

Fuente: CAR

AÑO ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DICMAXIMO

ANUAL

Prec. max

por hora

1991 11 10 10 17 13 7 17 20 10 18 35 7 35 14

1992 8 14 24 13 10 12 10 6 22 42 35 22 42 16,8

1993 14 12 31 25 19 9 10 16 10 20 30 6 31 12,4

1994 16 35 26 18 20 14 16 10 7 15 16 10 35 14

1995 33 24 48 23 12 25 8 23 14 17 42 27 48 19,2

1996 10 33 40 12 14 8 12 19 14 21 26 22 40 16

1997 24 0 14 13 39 11 9 8 31 16 15 39 15,6

1998 14 5 29 11 32 11 18 21 16 25 37 21 37 14,8

1999 18 15 35 41 13 36 10 11 32 26 22 28 41 16,4

2000 8 33 28 17 13 22 24 19 34 17 22 12 34 13,6

2001 26 16 30 3 38 44 10 17 32 15 18 8 44 17,6

2002 19 14 34 24 33 13 8 8 15 18 12 16 34 13,6

2003 4 15 29 48 13 10 5 61 20 36 24 61 24,4

2004 16 80 20 27 39 10 7 6 24 69 31 2 80 32

2005 19 24 17 24 2 16 11 27 13 13 27 10,8

2007 8 14 37 13 8 19 5 15 2 33 36 22 37 14,8

2008 6 35 14 27 38 24 23 26 12 25 31 29 38 15,2

2009 16 48 11 13 26 19 6 6 8 51 24 10 51 20,4

2010 15 9 11 32 37 26 25 12 17 33 33 35 37 14,8

2011 28 28 33 47 27 18 30 23 21 40 39 27 47 18,8

2012 27 15 27 34 10 8 17 8 5 36 14 23 36 14,4

2013 18 30 18 24 23 6 10 17 16 13 34 23 34 13,6

2014 31 27 20 6 11 10 10 5 13 29 23 34 34 13,6

2015 30 14 36 21 5 8 9 11 10 9 59 2 59 23,6

2016 12 7 59 27 35 12 5 16 19 33 36 10 59 23,6

2017 10 19 37 26 32 29 8 27 11 26 27 57 57 22,8

2018 13 26 18 36 31 18 8 14 17 27 30 9 36 14,4

Maximos 33 80 59 48 39 44 30 27 61 69 59 57 41,4

PRECIPITACIÓN MÁXIMA EN 24 HORAS (mm)

38

En este caso, como se cuenta con el registro de lluvias máximas en 24 horas, debe

calcularse la lluvia máxima en una hora, para lo cual se multiplica el valor de la lluvia

máxima en 24 horas, por un coeficiente de reducción (Cp.) que varía de 0,1 a 0,5, para

mediciones en Colombia se utiliza Cp. = 0,4. Posteriormente se calcula la media y

desviación estándar (Tabla 11).

P.máx.hora = P.máx.día (máximo, anual) * Cp.

Tabla 11.Precipitaciones máximas en 24 horas y 1 hora (1991-2018)

Año Max. Anual

(mm) Prec. Max por

hora (mm) Año

Max. Anual (mm)

Prec. Max por hora (mm)

1991 35 14 2005 27 10,8

1992 42 16,8 2007 37 14,8

1993 31 12,4 2008 38 15,2

1994 35 14 2009 51 20,4

1995 48 19,2 2010 37 14,8

1996 40 16 2011 47 18,8

1997 39 15,6 2012 36 14,4

1998 37 14,8 2013 34 13,6

1999 41 16,4 2014 34 13,6

2000 34 13,6 2015 59 23,6

2001 44 17,6 2016 59 23,6

2002 34 13,6 2017 57 22,8

2003 61 24,4 2018 36 14,4

2004 80 32

Media 15

Desviación 5,359

Fuente: Autores.

De la teoría de Gumbel se tiene que existen dos valores Yn y σn, que dependen de la

longitud de registro, que en este caso corresponde a 27 años.

Tabla 12.Constantes de Gumbel

Longitud de registro (años) Yn n

27 0.53319 1.10054

Fuente: (Galindo, 2017)

39

Posteriormente se debe realizar el cálculo de la variable Y, K, Precipitación máxima y Cr,

haciendo uso de las siguientes formulas:

Donde:

Y= Variable reducida que depende de la probabilidad de ocurrencia de un evento

Tr= Periodo de retorno

Seguido a esto se calcula la constante “K” a partir de la expresión:

Y: Variable reducida que depende de la probabilidad de ocurrencia del evento.

: Constante de Gumbel

K: Constante de frecuencia.

Teniendo estos datos, se puede calcular el valor del evento según el tiempo de retorno a

trabajar:

Donde:

X media: Media aritmética de la serie

K: Constante de proporcionalidad para la serie

S: Desviación estándar a partir de la serie.

40

La ecuación general de una curva IDF se muestra a continuación, dentro de ella existen

varias constantes que se definen enseguida:

Donde:

I: Intensidad en mm/h

t: 60 minutos

Cr, b y n: Constantes

La constante “b” se expresa en unidades de minutos y tiene un rango entre 5 y 20

minutos, para este caso se asumen 10 minutos (tiempo promedio de un aguacero); la

constante “n” corresponde a 0,5 ya que es el valor asignado para Colombia, y para el

cálculo de la constante “Cr” se asumen los valores obtenidos en la precipitación máxima

para cada periodo de retorno.

Tabla 13.Valores extremos para distribución de Gumbel y Cr

tr P Y k Prec. máx.

(mm/h) Cr

5 0,20 1,50 0,88 19,75 165,25

10 0,10 2,25 1,56 23,44 196,11 50 0,02 3,90 3,06 31,56 264,02

75 0,01 4,31 3,43 33,57 280,83 100 0,01 4,60 3,70 34,99 292,73

Fuente: Autores.

Finalmente, “Se calcula la curva teniendo en cuenta un rango de tiempo de 5 a 120

minutos que corresponde al rango usual en drenaje urbano de colectores primarios, para los

períodos de retorno establecidos” (Pizarro et al., 2013).

41

Ilustración 10.Curva IDF periodos de retorno de 5, 10,75 y 100 años.

Fuente: Autores

De acuerdo a la ilustración 10 es probable que para un periodo de retorno (Tr) de 5 años

y un tiempo de duración (t) de 5 minutos, la intensidad corresponda a 42,57 mm/h. Los

cálculos realizados para graficar las curvas se muestran en el Anexo 3

Se obtuvieron los valores de intensidad (i) probables para los diferentes periodos, los

cuales pueden definirse como el intervalo de recurrencia promedio entre eventos que

igualan o exceden una magnitud especificada; estos periodos de retorno han sido

seleccionados para una mejor representación del comportamiento de la curva IDF en los

periodos de corta y larga duración.

6.4 Estimativa del caudal en los canales

Para el caudal de diseño se tiene en cuenta el coeficiente de escorrentía según el tipo de

superficie por la cual se transporte el agua, los valores a utilizar se muestran en la siguiente

tabla:

5; 42,57

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

0 50 100 150

Inte

nsi

da

d (

mm

/h

)

Duracion (minutos)

Curva IDF para periodos de retorno de 5,10,50,75 y 100 años

5 años

10 años

50 años

75 años

100 años

42

Tabla 14.Coeficiente de escorrentía.

Fuente: Sociedad Julio Garavito (2007).

En este caso, se toman los valores asignados para geomembranas PVC (0,85-0,90);

según la literatura y estudios anteriores el valor más común para cubiertas es de 0,85 por lo

tanto se escoge como referencia este número.

A continuación, se muestra el caudal máximo calculado para los diferentes periodos de

retorno asumidos, su cálculo se hizo teniendo en cuenta el área total de una bodega puesto

que el volumen que cae en esta corresponde al área recolectada por una canaleta.

Tabla 15. Tiempos de retorno y caudales.

Tr

(años)

Coef. de

escorrentía

Intensidad de

precipitación Área Caudal max.

(m3/s)

5 0,85 42,57 1320 0,013

10 0,85 50,47 1320 0,015

50 0,85 67,84 1320 0,021

75 0,85 72,14 1320 0,022

100 0,85 75,19 1320 0,023

Fuente: autores

43

6.5 Recolección y conducción

La recolección de las aguas lluvias provenientes del tejado de la empresa se realiza

mediante una tubería de PVC con un largo total de 54m. Cada tubería se encuentra ubicada

en la unión de los tejados, para un total de 3 canales, al finalizar su recorrido (54 m) se

desprende otra tubería de PVC vertical (bajante) encargada de llevar el agua al desagüe.

El sistema de conducción está compuesto entonces por tres bajantes de PVC con un

diámetro de 6” y un largo de 10 m cada una, este diámetro corresponde a la tubería ya

existente en la empresa, sin embargo, se realizaron los respectivos cálculos que permitieron

determinar si esta tubería tiene la capacidad o no, para trabajar con el respectivo caudal.

El nivel de agua no debe superar el 75% del valor del diámetro debido a la presión y el

caudal a transportar debe ser equivalente al 80% del caudal a tubo lleno. Es importante

resaltar que para los cálculos se debe tener en cuenta el coeficiente de Manning (Tabla 16)

para tuberías PVC, las cuales son las utilizadas en la empresa.

Tabla 16. Coeficiente de Manning, Hazen-Williams y Rugosidad.

Fuente: (Meadows et al., 2002)

44

Para este caso esta regla se cumple como evidencia en los cálculos a continuación:

Q: caudal de diseño=0,013m3/s

S: pendiente = 0,5%

n : factor de Manning

(

)

(

)

(

)

(

)

Remplazando los valores en la anterior ecuación, obtenemos que:

(

)

6.5.1 Calculo caudal a tubo lleno

Qll : caudal lleno

d=6 in = 0, 1524 m

S = 0, 5 %

n = 0,009

𝑦

𝑑

Q = 0,80 Qll y

d

45

(

)

“La relación

debe oscilar entre 0,50 y 0,96 pues define la capacidad de conducción

por gravedad” (López, 1995) por ello el resultado anterior es acertado.

6.5.2 Velocidad real del fluido

Teniendo en cuenta la tabla de relaciones hidráulicas (Anexo 4) se toman los siguientes

valores que permitirán calcular la velocidad real que tendrá el fluido dentro de la tubería.

V: Velocidad inicial

Qll : Caudal lleno

A: Área circular

La velocidad real (VR) del fluido será:

46

A partir de estos valores, es posible establecer que las bajantes ya existentes en la

empresa tienen la capacidad para ser utilizadas en este proyecto y así evitar aumentar los

costos finales.

6.6 Dimensionamiento del tubo conductor horizontal

Con el fin de realizar un sistema que trabaje la mayor parte por gravedad, se propone

que la longitud de las bajantes se reduzca de 10 metros a 7 metros, y conectar a ellas una

tubería horizontal que recoja el agua de estas tres y las dirija hasta el tanque de

almacenamiento.

Para esto se tuvo en cuenta el caudal total recogido por las tres tuberías. Para hallar el

valor de este caudal se realizó la sumatoria, entonces:

(

)

(

)

(

)

(

)

47

Remplazando los valores en la anterior ecuación, obtenemos que:

(

)

6.6.1 Calculo caudal a tubo lleno

Qll:caudal lleno

d=8 in = 0,2032 m

S= 0,5 %

n =0,009

(

)

“La relación

debe oscilar entre 0,50 y 0,96 pues define la capacidad de conducción

por gravedad, por ello el resultado anterior es acertado” (López, 1995).

6.6.2 Velocidad real del fluido

Teniendo en cuenta la tabla de relaciones hidráulicas (anexo 4) se toman los siguientes

valores que permitirán calcular la velocidad real que tendrá el fluido dentro de la tubería.

48

V = Velocidad inicial

Qll = Caudal lleno

A = Área circular

La velocidad real (VR) del fluido será:

6.7 Dimensionamiento del tanque interceptor de primeras aguas

Se propone en primera medida la instalación de un tanque interceptor de las primeras

aguas lluvias, las cuales son las encargadas de limpiar el techo y por ende, contienen mayor

cantidad de contaminantes y materia gruesa.

Para que el agua llegue a este tanque se propone que la tubería horizontal que lleva el

agua de las tres bajantes tenga dos salidas de manera que por una de ellas el agua llegue al

tanque interceptor, y la otra salga hacia el desagüe, así no se sobredimensiona el sistema.

Según Solano et al. (2017), para determinar el volumen del tanque interceptor de

primeras aguas se considera 1 litro por metro cuadrado de cubierta para el lavado del techo.

Teniendo en cuenta esto:

Según lo anterior, se propone un tanque comercial de plástico de 4000 L (con capacidad

hasta de 6000 L).

49

6.9 Dimensionamiento del tanque de almacenamiento

Para el dimensionamiento del tanque de almacenamiento, se tiene en cuenta el mes de

mayor precipitación, el área de captación y el coeficiente de escorrentía:

Tabla 17.Características para el tanque de almacenamiento

TANQUE DE ALMACENAMIENTO

Mes mayor Prec. (mm) Noviembre

114,3

área de captación (m2) 3.300

Coef. Escorrentía (PVC) 0,85

Fuente: Autores

A partir de esto, se establece el volumen de agua que abastecería el sistema cada mes:

Tabla 18.Abastecimiento acumulado del sistema

CÁLCULO DE ABASTECIMIENTO ACUMULADO

Mes

promedio de

precipitación

(mm)

área de

captación

(m2)

coeficiente de

escorrentía

Abastecimiento

Parcial

(m3/mes)

Acumulado

(m3/mes)

Noviembre 114,3 3300 0,85 320,6 320,6

Octubre 98,7 3300 0,85 276,9 597,5

Abril 97,2 3300 0,85 272,6 870,1

Mayo 85,1 3300 0,85 238,7 1108,8

Marzo 80,6 3300 0,85 226,1 1334,9

Febrero 63,1 3300 0,85 177,0 1511,9

Junio 62,2 3300 0,85 174,5 1686,4

Septiembre 60 3300 0,85 168,3 1854,7

Diciembre 53,7 3300 0,85 150,6 2005,3

Julio 52,8 3300 0,85 148,1 2153,4

Agosto 48,2 3300 0,85 135,2 2288,6

Enero 38,3 3300 0,85 107,4 2396,0

Fuente: Autores

Los datos de la tabla 19 son organizados del mes de mayor precipitación al de menor

precipitación con el fin de calcular la capacidad máxima del tanque, y se calcula la

demanda mensual de agua en la empresa, teniendo en cuenta los metros cúbicos que

utilizan las torres de enfriamiento diariamente:

50

Tabla 19.Cálculo de la demanda acumulada.

CÁLCULO DE LA DEMANDA ACUMULADA

Mes No. Días Demanda

(m3/d)

DEMANDA

Parcial (m3/mes) Acumulada (m3/mes)

Noviembre 30 5 150 150

Octubre 31 5 155 305

Abril 30 5 150 455

Mayo 31 5 155 610

Marzo 31 5 155 765

Febrero 28 5 140 905

Junio 30 5 150 1055

Septiembre 30 5 150 1205

Diciembre 31 5 155 1360

Julio 31 5 155 1515

Agosto 31 5 155 1670

Enero 31 5 155 1825

Fuente: Autores

Finalmente, se obtiene la mayor diferencia entre el abastecimiento y la demanda

acumulada mensual, que corresponde el volumen de agua que será almacenado en el tanque

mensualmente, según lo anterior serian 649,7 m3.

Tabla 20.Cálculo de la diferencia mayor acumulada

CÁLCULO DE LA DIFERENCIA MAYOR ACUMULADO

Mes

Promedio de

precipitación

(mm)

Abastecimiento Demanda Diferencia

(m3) Parcial

(m3/mes) Acumulado

(m3/mes)

Parcial

(m3/mes)

Acumulada

(m3/mes)

Noviembre 114,3 320,6 320,6 150 150 170,6

Octubre 98,7 276,9 597,5 155 305 292,5

Abril 97,2 272,6 870,1 150 455 415,1

Mayo 85,1 238,7 1108,8 155 610 498,8

Marzo 80,6 226,1 1334,9 155 765 569,9

Febrero 63,1 177,0 1511,9 140 905 606,9

Junio 62,2 174,5 1686,4 150 1055 631,4

Septiembre 60 168,3 1854,7 150 1205 649,7

Diciembre 53,7 150,6 2005,3 155 1360 645,3

Julio 52,8 148,1 2153,4 155 1515 638,4

Agosto 48,2 135,2 2288,6 155 1670 618,6

Enero 38,3 107,4 2396,0 155 1825 571

Fuente: Autor

51

El dato anterior (649,7 m3), muestra la cantidad de agua máxima que podría llegar al

tanque, por esta razón se propone un tanque de 10.000 L, pues el agua no permanecerá

mucho tiempo en él y este no se saturará debido a la demanda constante por parte de las

torres.

7. DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO

Teniendo en cuenta los resultados obtenidos por el análisis fisicoquímico realizado para

el agua lluvia que cae en la empresa se propone: filtración y desinfección.

7.1 Filtro ascensional profundo multimedio

Se decide trabajar con este tipo de filtro debido a los resultados de laboratorio del agua

lluvia. Estos filtros son convenientes para tratar agua con turbiedad mayor o igual a 15

UNT y coliformes, para estos valores de turbiedad se aconseja crear un filtro con medio

dual o multimedio. En este caso se escoge multimedio para asegurar mayor retención. Las

ventajas que tiene trabajar con este filtro son las siguientes (OPS, 2005):

La filtración procede de medio grueso a fino. Permite usar un medio con tamaño

efectivo más grande y con mayor coeficiente de uniformidad.

El tiempo requerido para lavado es mejor porque el tiempo de drenaje es mínimo.

Se puede usar agua cruda para lavado disminuyendo la cantidad de agua que debe

filtrarse dos veces.

No requiere una caja muy alta porque no necesita cabeza estática para energía de

filtración.

Un filtro de este tipo generalmente está compuesto de: a) Cámaras de filtración, b)

Lecho filtrante, c) estructuras de entrada y de salida y d) accesorios de regulación y control.

52

a) Cámaras de filtración:

La altura total del filtro está determinada por la altura del lecho de grava, arena y antracita,

el nivel del agua sobrenadante (0,1 a 0,2m) y el borde libre.

b) Lecho filtrante:

Se propone la implementación de tres medios filtrantes: antracita con un tamaño efectivo

(TE) de 1,4mm, arena con un TE= 0,5 y granate TE= 0,3 mm.

Tabla 21.Características de filtros multimedios para tratamiento de aguas

Características Valor

Intervalo Típico

Antracita

Profundidad, cm 20-50 40

Tamaño efectivo, mm 1-2 1,4

Coeficiente de uniformidad 1,4-1,8 1,6

Arena


Tamaño efectivo, mm 0,4-0,8 0,5


Grava


Tamaño efectivo, mm 0,2-0,6 0,3


Fuente: (Chávez, 2014)

Según lo anterior, para este filtro se utilizan las siguientes dimensiones de lechos filtrantes:

Tabla 22.Selección medio filtrante.

Lecho Profundidad

Antracita 0,40 Arena 0,25 Grava 0,10 Total Altura 0,75

Fuente: Autores.

c) Estructuras de entrada y de salida:

La estructura de entrada consiste en una tubería que se desprende del tanque de

igualamiento y conduce el agua hasta la entrada al filtro. En esta tubería se reúnen tres

53

tuberías: Tubería de entrada y tubería de agua de lavado. La estructura de salida es por

recolección del agua sobrenadante por encima de la rejilla, en esta tubería se llevará a cabo

la desinfección del agua por cloración.

d) Accesorios de regulación y control.

Los accesorios utilizados incluyen válvulas para regulación de caudal, vertederos y

rejillas, dispositivos que se instalan en la estructura de entrada de cada etapa de tratamiento.

Tabla 23.Guía de diseño para filtros ascendentes

Fuente: (Organización panamericana de la salud, 2005)

Dimensionamiento:

a) Área superficial (As):

Se asume una velocidad de filtración de 0,6 m/h , lo que significa una tasa de filtración

de 12 m/d. Para este filtro se propone un caudal diario de 10m3 de agua por dos razones: la

primera de ellas es no sobredimensionar el sistema para épocas de menor precipitación y,

así mismo no diseñar un sistema voluminoso que requiera bastante área ya que el espacio

con el que cuenta la empresa es limitado.

54

El área superficial del filtro se calculó teniendo en cuenta la tasa de filtración, entonces:

Dónde:

As: área superficial

Q: caudal (m3/d)

Tf: tasa de filtración (m/d)

N: número de unidades

b) Longitud y ancho de la unidad:

Para el cálculo de la longitud (L) y ancho (b) de la unidad de utilizaron las siguientes

expresiones respectivamente:

Donde:

As: Área superficial (m2)

b: Ancho del filtro (m)

L: Altura del filtro (m)

Para conocer la altura total del filtro (L) se tuvo en cuenta el lecho de antracita (0,40 m)

el lecho de arena filtrante (0,25 m), el lecho de grava (0,10m), la altura del agua

sobrenadante (0,15 m), borde libre (0,15 m), y un falso fondo (0,10 m), para una L de

1,15m.

55

Tabla 24.Dimensiones filtro ascensional multimedio

Fuente: Autores

7.2 Sistema de desinfección

Se propone un sistema de desinfección mediante un dosificador automático de cloro en

línea que se encarga de la aplicación del desinfectante. Teniendo en cuenta lo mencionado

por PureWater (2019), el sistema de dosificación de cloro utiliza tabletas las cuales al entrar

en contacto con el agua realizan un proceso físico de erosión liberando cantidades de cloro

precisas. Las tabletas que entran en contacto con el agua son las que quedan en el fondo del

equipo y las tabletas restantes permanecen secas y disponibles para entrar en uso una vez

las tabletas inferiores ya se han gastado. Los diámetros de succión y descarga de este

dosificador son de 1.5in.

Posterior a la filtración del agua, se propone un tanque de almacenamiento de 6.000 L

donde el agua permanecerá mientras es requerida por las torres de enfriamiento.

56

8. DISEÑO DEL SISTEMA DE BOMBEO

Se establece una bomba en el mercado según el uso en este sistema (centrifuga) que

cumpla con las características necesarias como: manejo del tipo de fluido, el diámetro de

succión y descarga, altura de succión, espejo de agua, la altura máxima que determina el

paso eficiente del agua desde el punto de inicio hacia el punto destino, la capacidad de

manejar el caudal establecido, recorrido, tipo de ducto y posibles accesorios que

complementen la funcionalidad de esta.

Para la selección de la bomba es necesario conocer la altura dinámica (HA) para ello se

realizaron los siguientes cálculos:

Ilustración 11.Esquema del sistema de bombeo

Fuente: Autores

57

El sistema de bombeo trabaja durante 8-9 horas al dia, periodo correspondiente a la jornada

laboral de la empresa, por lo tanto:

Q: caudal

d: día

Para el sistema de succión y de descarga se manejará el mismo diámetro, por lo tanto, los

cálculos realizados serán iguales para ambos casos. Se escoge diámetro de 1 pulgada para la

succión PVC C40” (Anexo 6)

As = Ad

As = Área de succión

Ad = Área de descarga

d = diámetro interno

Primero se debe obtener:

Q = Caudal

Vs = velocidad de succión

Vd = velocidad de descarga

58

As= área de succión

g = gravedad

Las propiedades del agua a 15ºC se muestran a continuación:

Tabla 25.Propiedades del agua

Fuente: (Mott, 2006)

Número de Reynolds (Succión y descarga)

V: velocidad

D: diámetro interno

Ρ: densidad

Ƞ: viscosidad dinámica

Como el flujo es turbulento para ambos casos, el factor de fricción se calcula teniendo en

cuenta la siguiente expresión:

59

* (

(

)

)+

Donde:

: Factor de fricción

NR : Numero de Reynolds.

(

): Rugosidad relativa =0,087*106

Teniendo todos estos datos se pueden calcular las diferentes perdidas:

K: utilizada para bordes cuadrados, obtenido de las tablas de Sevilla

Ilustración 12.Perdida de entrada de depósito a tubería

Fuente. (Mott, 2006)

(

)

L: longitud línea de succión

D: diámetro interno

Fdt : Factor de fricción de la válvula de globo abierto según teoría.

: Longitud equivalente para una válvula de globo (tabla 26)

60

: para codos de 90° (tabla 26)

Tabla 26.Coeficientes de resistencia para válvulas y uniones

Fuente: (Mott,2006)

L: longitud línea de descarga

Fd: factor de descarga

d: Diámetro de descarga

Ilustración 13.Perdida de salida de una tubería a un depósito.

Fuente: (Mott, 2006)

61

=

=(

= (5m) + (0,23

Potencia de la bomba

ϒ: peso específico

Q: caudal

: Eficiencia, para bombas centrifugas varia de 70 a 90%

Finalmente, para el sistema de distribución del agua hacia las torres de enfriamiento se

plantea que la tubería lleve consigo unas válvulas para que los operarios de la empresa

decidan cuándo hacer apertura de ellas, pues no siempre las cuatro torres funcionarán, esto

depende de la temporada de producción de la compañía.

Debido a los cálculos realizados y las características del sistema, se propone una bomba

centrifuga modelo CE 1 2-1 y referencia 1A0074, la cual tiene como aplicación la

recirculación de agua en torres de enfriamiento con una altura máxima de elevación de 14

metros y una potencia de 0.25 caballos de fuerza, a pesar de que esta potencia es superior a

la necesitada, esta puede regularse mediante llaves, según sea la necesidad; por otro lado,

esta es la bomba implementada en el sistema existente de la empresa. Las especificaciones

adiciones de la bomba se ilustran en el anexo 5.

62

9. COSTOS DEL SISTEMA DE APROVECHAMIENTO

Dentro de este análisis se presentarán los costos que conlleva la realización del proyecto

y el periodo de recuperación de dicha inversión. A su vez, los beneficios económicos,

ambientales y sociales que traerá la implementación del sistema de aprovechamiento.

9.1 Costos del sistema

En la siguiente tabla se muestran en detalle los costos para la construcción total del

sistema de aprovechamiento obtenidos a partir de diferentes cotizaciones, para ello se tuvo

en cuenta el IVA del 19%.

Tabla 27.Presupuesto del sistema

Fuente: autores

Características Unidad Valor unidad Valor total

1 Tubería 8 in diámetro x 6 metros 10 $ 170.000 $ 1.700.000

2 Codo de 8 in 1 $ 119.025 $ 119.025

3 Tee de 6 in 1 $ 101.900 $ 101.900

4 Tubería de 4 in x 3 metros 1 $ 46.172 $ 46.172

5 Flotador tanque de agua 2 $ 100.600 $ 201.200

6 Tanque de 10000 L Rotoplast 1 $ 5.544.900 $ 5.544.900

7 Tanque de 4000 L con adaptadores 1 $ 1.859.851 $ 1.859.851

8 Tanque de 6000 L con adaptadores 1 $ 2.572.900 $ 2.572.900

9 Materiales filtrantes del filtro 1 $ 1.560.430 $ 1.560.430

10 Cilindro fibra de vidrio 1 $ 600.000 $ 600.000

11 Codo de 4 in 1 $ 12.201 $ 12.201

12 Buje de 4 in a 2 in 2 $ 9.063 $ 18.126

13 Tubería de 6 in x 6metros 2 $ 206.900 $ 413.800

14 Clorador Automático 1 $ 429.000 $ 429.000

15 Buje de 6 in a 4 in 1 $ 67.119 $ 67.119

16 Abrazaderas de 8 in 16 $ 8.000 $ 128.000

17 Tee de 8 in pvc 2 $ 156.542 $ 313.084

18 Buje de 8 in x 6 in pvc 2 $ 94.963 $ 189.926

19 Adaptador Hembra 1in 5 $ 1.500 $ 7.500

20 Tubería de 2 in por x 6metros 1 $ 39.900 $ 39.900

21 Bomba de Agua BARNES ref. 1A0074 1 $ 408.000 $ 408.000

22 Tee 4 in 1 $ 10.950 $ 10.950

23 Solvente para accesorios pvc 3 $ 41.900 $ 125.700

24 Removedor pvc 3 $ 25.600 $ 76.800

25Malla Cerramiento Huecos 1/2x1/2 pulgada

1.20x3m-Colmallas1 $ 39.900 $ 39.900

26 Válvula de globo 7 $ 10.000 $ 70.000

27 Adaptador hembra 1 in 3 $ 1.500 $ 4.500

28 Buje de 2 in a 1 in 4 $ 4.800 $ 19.200

29 Tuberia 1 in x 6m 4 $ 27.600 $ 110.400

Mano de obra

30 Plomero 1 $ 1.300.000 $ 1.300.000

31 Ayudante Plomero 1 $ 877.803 $ 877.803

32 Mantenimiento Anual $ 450.000 $ 450.000

33 Análisis químico del agua Anual $ 200.000 $ 200.000

$ 19.618.287 Total

63

9.2 Tasa de retorno de la inversión

Actualmente, en promedio se consumen 4.525 m3 de agua al año, por estos metros

cúbicos de agua la empresa está pagando aproximadamente $14.027.364 al año teniendo en

cuenta la tarifa actual establecida por la empresa de servicio público.

Considerando lo anterior, se espera que el sistema aporte 1.800 m3 de agua al año, con

un porcentaje mínimo de ahorro anual de 12%. Para determinar la tasa de retorno de la

inversión del presente proyecto, se tienen en cuenta los siguientes datos:

Tabla 28.Datos para el cálculo de la tasa de retorno de inversión

Tarifa actual por m3 de agua $3.100

Aumento tarifa anual del acueducto 11%

Costo mantenimiento anual (Incluyendo análisis de agua) $650.000

Aumento mantenimiento anual 5%

Tasa interna de oportunidad (TIO) 12%

Costo total del sistema $19.618.287

Fuente: autores

En la tabla 29 se evidencian los parámetros a tener en cuenta para la estimación de la TIR

Tabla 29.Estimación de la tasa de retorno de la inversión (TIR)

Fuente: autores

64

A partir de la tabla anterior, se obtiene una tasa de retorno de inversión (TIR) del 28% lo

que representa la viabilidad del proyecto ya que es superior a la TIO con un valor de 12%,

así mismo, se espera que la inversión se empiece a recuperar en un periodo de 4 años.

Además, dentro de esta tabla se muestra el ahorro anual en la empresa suponiendo que el

sistema aporta constantemente este flujo de agua, es importante mencionar que los costos

por el servicio público pueden variar según el consumo que exista en las otras secciones de

la empresa como instalaciones sanitarias y lavado de equipos.

A continuación, se describen los beneficios en las tres áreas mencionadas anteriormente:

Tabla 30.Beneficios económicos, sociales y ambientales del sistema.

Económico Social Ambiental

Disminución en los

costos de la factura del

servicio público cobrada por

la empresa de acueducto

Aguas de la Sabana (ASB),

teniendo en cuenta que su

tarifa es determinada por la

cantidad de agua (m3) que

consume la empresa y su

uso comercial.

El sistema permitirá un

ahorro de dinero

representativo ya que el

sistema reduce un 40% el

uso del agua proveniente del

acueducto.

El sistema pretende ser una

herramienta de conciencia

ambiental sobre el uso y

ahorro del agua, que incentive

no sólo a las personas que

trabajan en esta compañía sino

a las empresas que se

encuentran alrededor, para que

este tipo de alternativa sea

adoptada en el amplio sector

industrial presente en la zona.

Representativa disminución

en el consumo de agua potable

necesaria para las torres de

enfriamiento, pues este proceso

requiere gran cantidad de agua

que proviene del acueducto y

que posterior a su utilización no

es aprovechada ni recirculada

influyendo en el desperdicio

excesivo de este recurso.

Fuente: Autores

65

11. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Según los resultados obtenidos en el análisis situacional de la planta de producción, para

su óptimo funcionamiento requiere de 5 m3 de agua diarios, los cuales serán suministrados

por el sistema diseñado. Este sistema tendrá un ahorro anual mínimo de 12% y su aporte

representa el 40% del consumo total de agua de la empresa. Cabe resaltar que el valor del

servicio público puede variar según el consumo que se dé en los otros sectores de la

empresa como instalaciones sanitarias y lavado de equipos.

La empresa cuenta con una estructura física que facilita la captación del recurso, pues

los techos al ser de forma convexa dirigen el fluido hacia los extremos laterales dirigiendo

el flujo de agua hacia la tubería de recolección y conducción.

El área trabajada es de 3300 m2, lo que representa dos bodegas y media, sin embargo, el

área total del complejo es de 6601 m2. Es por ello que este tipo de alternativa tiene

potencial para ser implementado dentro del parque industrial beneficiando económicamente

las otras industrias y disminuyendo el uso excesivo de este recurso dentro de los procesos

de producción.

La empresa se encuentra ubicada en una zona donde la precipitación es constante y llega

a alcanzar una intensidad de 42,57 mm/h, es por esto, que meteorológicamente se puede

implementar este sistema de captación de agua lluvia pues aún en los periodos de poca

precipitación puede suplir las necesidades de las torres de enfriamiento.

Se propone por razones estéticas que la tubería que recolecta el agua de las tres bajantes

(tubería de recolección horizontal) tenga un diámetro constante de 8 in para omitir el uso de

múltiples reducciones.

Aunque en los últimos años no se han registrado periodos de sequía fuertes, si llegase a

ocurrir y el volumen de agua captado no sea lo suficiente para abastecer las torres, el

sistema tendría que apoyarse en el servicio de acueducto.

66

Debido que los análisis fisicoquímicos del agua lluvia arrojaron que los únicos

parámetros que sobrepasan niveles de riesgo dados por el IRCA fueron la turbiedad y

coliformes, no es necesario un sistema complejo para el tratamiento, por lo tanto, el filtro

de flujo ascendente multimedio y el sistema de cloración son suficientes para dar

cumplimiento a la norma. Sin embargo, los costos del servicio público pueden variar

dependiendo el uso que se le dé al recurso por parte de los demás sectores de la empresa.

Se recomienda realizar un mantenimiento al filtro invirtiendo el sentido del flujo en el

filtro inyectando agua a presión, esta operación dura de 5 a 15 minutos, ya que se colmatan

los medios filtrantes lo que genera un bajo rendimiento en el sistema de recolección de

agua lluvia.

Si el sistema abastece el 100% de la demanda de las torres de enfriamiento, se reduce el

40% de los costos anuales por consumo de agua de acueducto, por lo tanto, el dinero puede

ser implementado en otras áreas de la empresa, con la finalidad de buscar una mejora

continua.

Al estar enfocado el proyecto a la ingeniería conceptual, no se tiene en cuenta los costos

de la ingeniería de detalle, el transporte y la maquinaria necesaria para la construcción del

sistema, sin embargo, se propone el costo de la mano de obra externa.

La inversión del sistema se empezara a recuperar en un periodo de 4 años con una tasa

de inversión de retorno del 28%, lo que representa la viabilidad del proyecto. Dentro de

este cálculo se asumió un incremento del 5% en el mantenimiento anual del sistema, sin

embargo, este valor podría variar según el mercado.

El valor total del sistema es de $19.618.287 según varias cotizaciones, dentro de ellas se

tuvo en cuenta el IVA del 19%. Sin embargo, este valor es aproximado debido a que el

presente proyecto no está fundamentado en la ingeniería de detalle.

67

Se recomienda que la rejilla del tanque interceptor de primeras aguas sea sometida a un

mantenimiento constante con el fin de mitigar la acumulación de material grueso

proveniente del tejado.

68

10. ANÁLISIS DEL SISTEMA DE APROVECHAMIENTO

El sistema de aprovechamiento de agua lluvia propuesto en este proyecto tiene la

capacidad de abastecer a la planta de producción de la empresa con 1.800 m3 de agua

anuales, es decir, satisface las labores diarias de las torres de enfriamiento las cuales

necesitan para su óptimo funcionamiento 5m3 de agua, estos valores representan el 40% del

consumo total de agua potable que existe actualmente dentro de la empresa. Cabe resaltar

que estos 5 metros cúbicos de agua son para el rendimiento de las cuatro torres de

enfriamiento, las cuales son encendidas en temporada de alta productividad en la compañía.

Debido a la ubicación geográfica de la empresa, esta logra abastecerse de una gran

cantidad de agua gracias a las constantes lluvias a lo largo del año, además cuenta con un

área de captación amplia que permite aprovechar un gran porcentaje de esta agua. En la

Tabla 31 se observa el año con menores precipitaciones, en cual corresponde a 1997,

debido a que este año corresponde al periodo de mayor sequía registrado, “cuando el

fenómeno de El Niño provocó un déficit de agua de tal magnitud que fue necesario realizar

racionamientos de luz”. (Mayorga, 2005)

Tabla 31.Comportamiento de los volúmenes para el año de menor precipitación.

Fuente: CAR, modificada por Autores

Según el promedio de la precipitación total mensual de los últimos 27 años, se puede

decir que incluso en los meses con poca precipitación el sistema tendrá la capacidad de

Enero 50,2 0,85 3300 140,81 155 90,84

Febrero 0 0,85 3300 0 140 0

Marzo 0 0,85 3300 0 155 0

Abril 65 0,85 3300 182,33 150 121,55

Mayo 44,2 0,85 3300 123,98 155 79,99

Junio 82,7, 0,85 3300 231,97 150 154,65

Julio 36 0,85 3300 100,98 155 65,15

Agosto 27,8 0,85 3300 77,97 155 50,3

Sept. 18,4 0,85 3300 51,61 150 34,41

Octubre 63,5 0,85 3300 178,12 155 114,92

Noviem. 47,5 0,85 3300 133,24 150 88,83

Diciem. 18,7 0,85 3300 52,45 155 33,84

Aprov. (% )Precip.

(mm)Mes

Coef.

EscorrentíaÁrea (m

2)

Vol. Oferta

(m3)

Demanda

(m3)

69

almacenar y subsanar el déficit de agua dentro de este debido a que el mínimo de días con

lluvia en estos meses sería de 17, a excepción que presente un nuevo fenómeno del Niño

como el ocurrido en el año 1997, pues, se puede observar en la Tabla 31 para los meses de

febrero y marzo las precipitaciones en el sector fueron de 0 mm/mes, lo cual indica que el

sistema no puede abastecer las torres de enfriamiento y por ende, es necesario recurrir al

acueducto.

Por otro lado, se puede observar que los meses de enero, mayo, julio, septiembre,

noviembre y diciembre, se debe recurrir al acueducto para satisfacer la demanda del

sistema; contrario, a los meses restantes, donde el aprovechamiento sobrepasa el 100% y

existe un exceso de del recurso, y se debe recurrir al drenaje de este.

A su vez, se realiza la Tabla 32 donde se evalúa el comportamiento de los volúmenes de

lluvia para el año de mayor precipitación.

Tabla 32.Comportamiento de los volúmenes para el año de mayor precipitación

Mes Precipitación

(mm/mes) Coef.

Escorrentía Área (m

2)

Volumen

Oferta (m3)

Demanda

(m3)

Aprov.(%)

Enero 121,3 0,85 3300 340,25 155 219,52

Febrero 108,4 0,85 3300 304,06 140 217,19

Marzo 152,3 0,85 3300 427,20 155 275,61

Abril 193,8 0,85 3300 543,61 150 362,41

Mayo 131,1 0,85 3300 367,74 155 245,16

Junio 65,8 0,85 3300 184,56 150 123,04

Julio 55,4 0,85 3300 155,40 155 100,26

Agosto 66,7 0,85 3300 187,09 155 120,70

Septiembre 56,5 0,85 3300 158,48 150 105,65

Octubre 201 0,85 3300 563,81 155 363,75

Noviembre 252,1 0,85 3300 707,14 150 471,43

Diciembre 85,6 0,85 3300 240,11 155 160,07

Fuente: CAR modificado por autores

70

La evaluación del comportamiento de los volúmenes de lluvia para el año de mayor

precipitación indica que en todos los meses del año 2011 existe un exceso que en más de la

mitad de los meses supera el 200% de rendimiento, por lo tanto, se puede inferir que gran

volumen del agua recolectada en los techos es desperdiciada y podría ser utilizada para

abastecer otras áreas de la empresa que no requieran una alta calidad del agua, como lo

puede ser, la limpieza de las áreas comunes o los sanitarios.

Según información suministrada por la UNGRD (s.f), “el número de personas afectadas

en el territorio nacional a 16 de noviembre de 2011 fue de 323.567 personas, 97 muertos,

74 heridos, 7 personas desaparecidas, 55.902 viviendas averiadas y 433 destruidas”, según

la información adquirida de la CAR (2018), el mes de noviembre de 2011 corresponde al

más lluvioso de los últimos 27 años, donde el aprovechamiento pudo llegar a ser del

471,43% en caso de que el sistema hubiese estado implementado.

Sin embargo, cabe resaltar que los datos para la Tabla 31 y la Tabla 32 fueron tomados

de años donde las precipitaciones fueron extremas, es por esto, que los porcentajes de

aprovechamiento varían dependiendo el periodo y los fenómenos de la Niña y el Niño

presentes, los cuales repercuten en la capacidad de suministro del sistema.

71

12. BIBLIOGRAFIA

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trasporte de sedimentos. https://www.upct.es/~minaeees/hidrologia.pdf

https://cleanshester.com/producto/tratamiento-agua-torre-de-enfriamiento-s-531/

https://www.upct.es/~minaeees/hidrologia.pdf

75

ANEXO 1. Precipitación mensual 1991-2018

AÑO ENERO FEBRE MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOST SEPTI OCTUB NOVIE DICIETOTAL

ANUAL

1991 26,2 24,8 40,2 55,5 63,9 31,0 80,0 60,7 39,8 41,5 132,9 38,9 635,4

1992 22,9 37,5 58,5 66,1 52,4 31,0 55,5 44,3 80,1 52,4 129,6 97,1 727,4

1993 42,5 50,9 90,4 137,2 124,5 36,9 71,5 33,1 43,3 49,7 159,9 18,5 858,4

1994 28,0 116,0 79,0 93,2 111,1 61,8 37,8 50,1 28,9 103,2 76,5 13,5 799,1

1995 48,0 74,5 121,4 136,4 41,3 113,6 65,6 105,0 32,2 59,5 162,6 112,5 1072,6

1996 53,3 102,4 133,0 70,7 108,0 42,5 75,4 59,4 41,6 80,3 74,6 75,2 916,4

1997 50,5 0,0 65,0 44,2 82,7 36,0 27,8 18,4 63,5 47,5 18,7 454,3

1998 31,8 22,9 90,3 37,0 125,9 59,6 79,1 43,9 74,8 120,5 82,3 94,8 862,9

1999 19,6 62,7 76,4 105,3 35,6 125,4 24,0 42,7 130,3 162,2 89,6 47,7 921,5

2000 18,7 89,4 111,1 50,1 60,5 52,6 73,3 48,6 144,8 98,3 90,4 32,5 870,3

2001 40,4 38,4 68,7 10,2 131,0 81,9 21,6 38,3 106,0 35,8 61,7 45,3 679,3

2002 22,0 27,4 84,4 132,5 119,9 76,0 30,8 41,8 49,5 61,1 25,4 55,1 725,9

2003 4,1 61,5 57,4 146,1 40,6 51,0 14,0 118,9 85,0 173,5 46,3 798,4

2004 16,0 91,5 51,2 159,9 115,2 44,3 40,1 37,6 81,5 172,2 78,2 2,0 889,7

2005 27,7 81,6 56,9 88,3 3,4 41,7 91,1 85,7 65,9 37,0 579,3

2007 13,3 39,7 118,4 32,2 51,5 38,4 12,5 43,8 12,9 287,9 137,3 109,0 896,9

2008 23,0 58,6 72,3 78,5 71,3 93,0 77,5 84,3 55,4 95,6 203,0 55,3 967,8

2009 39,6 115,5 71,3 55,1 37,0 73,6 38,5 18,9 18,1 206,8 60,1 28,3 762,8

2010 34,8 19,7 16,1 201,8 150,5 95,8 155,5 51,3 83,4 118,4 179,2 121,2 1227,7

2011 121,3 108,4 152,3 193,8 131,1 65,8 55,4 66,7 56,5 201,0 252,1 85,6 1490,0

2012 89,0 66,0 79,6 189,1 34,5 38,8 75,8 43,2 24,1 116,7 59,6 69,4 885,8

2013 23,4 118,8 52,1 96,7 139,6 18,6 26,5 69,1 35,0 51,1 116,1 53,8 800,8

2014 74,9 89,2 74,8 29,6 49,3 44,6 39,5 24,5 44,9 103,2 104,8 99,1 778,4

2015 53,7 32,0 70,7 53,8 17,3 49,7 52,8 30,8 36,7 14,6 153,7 2,0 567,8

2016 21,8 19,1 117,3 100,6 144,6 45,5 38,2 68,0 70,5 79,5 134,7 30,9 870,7

2017 44,5 45,4 174,5 99,5 123,8 89,8 23,8 67,3 50,5 77,1 157,8 101,0 1055,0

2018 52,9 45,8 57,9 141,1 170,0 61,7 34,6 45,8 52,0 41,8 77,0 9,4 790,0

PROMEDIO 38,3 63,1 80,6 97,2 85,1 62,2 52,8 48,2 60,0 98,7 114,3 53,7 818,5

PRECIPITACION MENSUAL 1991-2018

Fuente. CAR

76

ANEXO 2. Precipitación máxima en 24 horas 1991-2018

AÑO ENERO FEBRE MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOST SEPTI OCTUB NOVIE DICIE

1991 11 10 10 17 13 7 17 20 10 18 35 7

1992 8 14 24 13 10 12 10 6 22 42 35 22

1993 14 12 31 25 19 9 10 16 10 20 30 6

1994 16 35 26 18 20 14 16 10 7 15 16 10

1995 33 24 48 23 12 25 8 23 14 17 42 27

1996 10 33 40 12 14 8 12 19 14 21 26 22

1997 24 0 14 13 39 11 9 8 31 16 15

1998 14 5 29 11 32 11 18 21 16 25 37 21

1999 18 15 35 41 13 36 10 11 32 26 22 28

2000 8 33 28 17 13 22 24 19 34 17 22 12

2001 26 16 30 3 38 44 10 17 32 15 18 8

2002 19 14 34 24 33 13 8 8 15 18 12 16

2003 4 15 29 48 13 10 5 61 20 36 24

2004 16 80 20 27 39 10 7 6 24 69 31 2

2005 19 24 17 24 2 16 11 27 13 13

2006 7 2

2007 8 14 37 13 8 19 5 15 2 33 36 22

2008 6 35 14 27 38 24 23 26 12 25 31 29

2009 16 48 11 13 26 19 6 6 8 51 24 10

2010 15 9 11 32 37 26 25 12 17 33 33 35

2011 28 28 33 47 27 18 30 23 21 40 39 27

2012 27 15 27 34 10 8 17 8 5 36 14 23

2013 18 30 18 24 23 6 10 17 16 13 34 23

2014 31 27 20 6 11 10 10 5 13 29 23 34

2015 30 14 36 21 5 8 9 11 10 9 59 2

2016 12 7 59 27 35 12 5 16 19 33 36 10

2017 10 19 37 26 32 29 8 27 11 26 27 57

2018 13 26 18 36 31 18 8 14 17 27 30 9

máximos 33 80 59 48 39 44 30 27 61 69 59 57

PRECIPITACIÓN MÁXIMA EN 24 HORAS (mm)

Fuente. CAR

77

ANEXO 3. Cálculos para las curvas IDF

78

ANEXO 4. Tabla de relaciones hidraulicas

79

ANEXO 5. Características bomba centrifuga

80

ANEXO 6. Dimensiones de tubería PVC cedula 40

(Durman,2018)

Diseño de un sistema de aprovechamiento de aguas lluvias ...

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