OPTIMIZACIÓN DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE DEL MUNICIPIO SORACÁ - BOYACÁ

MARIA PAULA AVELLA MUÑOZ LAURA ALEJANDRA COY CUEVAS

UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS INGENIERÍA CIVIL

TUNJA 2021

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OPTIMIZACIÓN DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE DEL MUNICIPIO SORACÁ - BOYACÁ

MARIA PAULA AVELLA MUÑOZ LAURA ALEJANDRA COY CUEVAS

Proyecto de grado en modalidad “tesis” presentado como requisito para

obtener el título de Ingeniera Civil

Director de tesis:

JUAN PABLO GONZÁLEZ GALVIS, Ph.D.

UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS INGENIERÍA CIVIL

TUNJA 2021

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DEDICATORIA

A mis padres Efraín Avella y Dolly Muñoz, a mi hermana Sara, que me apoyaron moral y económicamente durante

toda la carrera, a mi abuelita Melba que continuamente me demuestra su cariño, a mi pareja Leonardo que siempre está apoyándome cuando más lo necesito, a mi amiga y

compañera en esta investigación que estuvo conmigo a lo largo de ella; y a cada una de las personas que me han

guiado y acompañado para culminar esta etapa de mi vida.

María Paula Avella Muñoz

En primera medida a Dios quien me ha dado la sabiduría, salud y fortaleza para culminar este proceso formativo, a

mis padres Carmen Cuevas y Hilton Coy quienes han sido las personas que me ha brindado siempre su apoyo

incondicional a lo largo de toda mi vida y me han demostrado el significado de ser una persona ejemplar y

perseverante, a mi hermano Julián por su apoyo, a mi amiga y compañera de monografía por el apoyo y amistad que siempre me brindo a lo largo de este proceso; y cada

una de las personas que me han guiado en esta etapa.

Laura Alejandra Coy Cuevas

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AGRADECIMIENTOS

En primer lugar, agradecemos a nuestros padres por el apoyo que nos brindaron a lo largo del proyecto. Así mismo, deseamos expresar agradecimiento al director de esta tesis, Ph.D. Juan Pablo González, por la dedicación y respeto a nuestras sugerencias e ideas y el rigor que ha facilitado a las mismas. Por último, agradecemos a la Universidad Santo Tomas, la secretaria de Servicios Públicos de Soracá junto con su fontanero Ricardo Guayacán, los cuales nos bridaron recursos y espacios para el desarrollo de la investigación.

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Nota de Aceptación

Presidente del Jurado

Jurado

Jurado

Tunja 15 de junio 2020

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CONTENIDO

Pág. 1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 14

2. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN ................................................................................. 15

2.1 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA ................................................................. 15

2.2 PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN ............................................................................ 17

2.3 JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................ 17

2.4 OBJETIVOS ............................................................................................................... 17

2.4.1 Objetivo general................................................................................................... 17

2.4.2 Objetivos específicos ........................................................................................... 18

3. MARCO TEÓRICO .......................................................................................................... 19

3.1 MARCO CONTEXTUAL ............................................................................................. 19

3.1.1 Información general del municipio ...................................................................... 19

3.1.2 Agua potable ........................................................................................................ 20

3.1.3 Planta de tratamiento .......................................................................................... 21

3.1.4 Procesos de tratamiento de agua potable ..................................................... 24

3.2 ANTECEDENTES ...................................................................................................... 28

3.2.1 Filtración en Múltiples Etapas. ............................................................................ 30

3.2.2 Parámetros fuera de la norma en la PTAP Soracá – Boyacá. ........................... 33

4. MATERIALES Y MÉTODOS ........................................................................................... 36

4.1 MATERIALES ............................................................................................................. 36

4.2 METODOLOGÍA ......................................................................................................... 36

4.2.1 FASE 1: Investigación previa .............................................................................. 36

4.2.2 FASE 2: Diagnóstico de la planta de tratamiento de agua potable .................... 37

4.2.3 FASE 3: Proyección de población ....................................................................... 37

4.2.4 FASE 4 Dimensionamiento de las estructuras ................................................... 40

4.2.5 FASE 5: Determinación de dosis óptima de coagulante .................................... 41

4.2.6 FASE 6: Análisis de resultados ........................................................................... 41

4.2.7 FASE 7: Manual de operación ............................................................................ 42

4.2.8 FASE 8: Conclusiones y recomendaciones ........................................................ 42

5. DESARROLLO DEL PROYECTO ................................................................................... 44

5.1 DIAGNOSTICO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE........... 44

5.1.1 Descripción general de la planta de tratamiento de agua potable ..................... 44

5.1.2 Diagnostico de calidad de agua .......................................................................... 49

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5.2 PROYECCIÓN DE POBLACIÓN ............................................................................... 54

5.2.1. Métodos de cálculo ............................................................................................. 55

5.3 CÁLCULO DEL CAUDAL ........................................................................................... 56

5.3.1 Calculo dotación neta (dneta): ............................................................................ 57

5.3.2 Dotación bruta (dbruta):....................................................................................... 57

5.3.3 Caudal Medio Diario (Qmd): ................................................................................ 58

5.3.4 Caudal Máximo Horario (QMH): .......................................................................... 58

5.3.5 Caudal máximo diario (QMD): ............................................................................. 58

5.3.6 Caudal de diseño (QD): ....................................................................................... 59

5.4 DIMENSIONAMIENTO DE ESTRUCTURAS ............................................................ 60

5.4.1 Aireador de bandejas: ......................................................................................... 60

5.4.2 Cámara de aquietamiento ................................................................................... 62

5.4.3 Mezcla rápida ...................................................................................................... 64

5.4.4 Floculador ............................................................................................................ 69

5.4.5 Sedimentador ...................................................................................................... 75

5.4.6 Filtración .............................................................................................................. 79

5.5 DETERMINACIÓN DEL COAGULANTE ................................................................... 98

5.5.1 Laboratorio de jarras ........................................................................................... 98

CONCLUSIONES .............................................................................................................. 108

RECOMENDACIONES ...................................................................................................... 109

GLOSARIO ......................................................................................................................... 110

BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................. 113

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LISTA DE TABLAS Tabla 1 ACTIVIDADES TURISTICAS ................................................................................. 20 Tabla 2 CONTAMINANTES PRESENTES EN EL AGUA .................................................. 21 Tabla 3 NIVEL DE COMPLEJIDAD ..................................................................................... 38 Tabla 4 HISTORICO CALIDAD DE AGUA .......................................................................... 50 Tabla 5 CALIFICACIÓN CALIDAD DE AGUA (IRCA) ........................................................ 51 Tabla 6 PUNTAJE INDICE DE TRATAMIENTO ................................................................. 52 Tabla 7 POBLACIÓN CENSADA ........................................................................................ 54 Tabla 8 ESTADÍSTICA ALUMNOS INSTITUCIÓN SIMÓN BOLÍVAR ............................... 57 Tabla 9 COEFICIENTE DE CONSUMO.............................................................................. 58 Tabla 10 CAUDALES ........................................................................................................... 60 Tabla 11 CRITERIO DE DISEÑO AIREADOR DE BANDEJAS ......................................... 60 Tabla 12 CARACTERISTICAS DE LOS LECHOS ............................................................. 61 Tabla 13 PARÁMETROS DE DISEÑO CÁMARA DE AQUIETAMIENTO ......................... 63 Tabla 14 PARÁMETROS MEZCLA RÁPIDA ...................................................................... 64 Tabla 15 VALORES DE CARACTERISTICAS DE LA MEZCLA RÁPIDA ......................... 65 Tabla 16 PARAMETROS FLOCULADOR HIDRAULICO DE TABIQUES DE FLUJO HORIZONTAL ...................................................................................................................... 70 Tabla 17 PARAMETROS SEDIMENTADOR LAMELAR .................................................... 75 Tabla 18 VALORES DE "S" SEGÚN TIPO DE CELDA ...................................................... 76 Tabla 19 CRITERIOS DE DISEÑO FGDi ............................................................................ 80 Tabla 20 CONDICIONES DE DISEÑO SISTEMA DE DRENAJE ...................................... 83 Tabla 21 PERDIDAS DE CARGA EN LECHO FILTRANTE ............................................... 87 Tabla 22 PERDIDA DE CARGA POR ACCESORIOS........................................................ 89 Tabla 23 PARAMETROS DE DISEÑO FILTRO LENTO DE ARENA................................. 91 Tabla 24 FILTRO DE ARENA .............................................................................................. 93 Tabla 25 PÉRDIDA DE CARGA EN FLA ............................................................................ 94 Tabla 26 PÉRDIDA DE CARGA POR ACCESORIOS........................................................ 96 Tabla 27 DOSIFICACIÓN DE COAGULANTE .................................................................. 100 Tabla 28 RESULTADOS DOSIS OPTIMA ........................................................................ 103

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LISTA DE GRÁFICAS Gráfica 1 POBLACIÓN CENSADA ...................................................................................... 54 Gráfica 2 PROYECCION DE POBLACIÓN ......................................................................... 56 Gráfica 3 TURBIEDAD FINAL ........................................................................................... 102 Gráfica 4 REMOCIÓN DE TURBIEDAD ........................................................................... 102

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LISTA DE IMAGENES

Imagen 1 LIMITES DEL MUNICIPIO DE SORACÁ, BOYACÁ .......................................... 19

Imagen 2 TRANSFERENCIA DE GAS AL LIQUIDO ......................................................... 25

Imagen 3 METODOLOGIA .................................................................................................. 43

Imagen 4 ZONA DE RECOLECCIÓN (CABEZAL) ............................................................ 44

Imagen 5 BOCATOMA ....................................................................................................... 45

Imagen 6 SEDIMENTADOR ............................................................................................... 45

Imagen 7 CAJA DE RECOLECCIÓN ................................................................................. 46

Imagen 8 FILTRO GRUESO DINAMICO ........................................................................... 47

Imagen 9 FILTRO ASCENDENTE ..................................................................................... 48

Imagen 10 FILTRO LENTO DE ARENA ............................................................................ 49

Imagen 11 RECOLECCIÓN MUESTRA AGUA CRUDA ................................................... 99

Imagen 12 TEST DE JARRAS ......................................................................................... 100

Imagen 13 MEZCLA RAPIDA ........................................................................................... 101

Imagen 14 SIMULACIÓN SEDIMENTACIÓN .................................................................. 101

Imagen 15 MUESTRA HIERRO TOTAL - AGUA CRUDA ............................................... 104

Imagen 16 HIERRO TOTAL - DOSIS OPTIMA................................................................ 104

Imagen 17 Resultado Cloro residual libre ........................................................................ 107

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LISTA DE ANEXOS ANEXO 1 Diámetros comerciales tubería presión PVC – PAVCO ................................... 120

ANEXO 2 Ficha técnica Sulfato de Aluminio ..................................................................... 121

ANEXO 3 Coeficientes para pérdidas en accesorios y codos .......................................... 122

ANEXO 4 Levantamiento Topográfico planta de tratamiento de agua potable del municipio

de Soracá, Boyacá ............................................................................................................. 123

ANEXO 5 Estructuras hidráulicas actuales en la Planta de tratamiento de agua potable del

municipio de Soracá, Boyacá. ........................................................................................... 124

ANEXO 6 Planimetría y vistas 3D planta de tratamiento de agua potable proyectada ... 131

ANEXO 7 TOMO I Manual de operación y mantenimiento PTAP Soracá (Boyacá) ........ 145

ANEXO 8 TOMO II Manual de operación y mantenimiento PTAP Soracá (Boyacá) ....... 146

ANEXO 9 Memoria de calculo ........................................................................................... 147

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RESUMEN

En la actualidad, la planta de tratamiento de agua potable (PTAP) del municipio de Soracá sirve a 1461 habitantes según estadísticas del Departamento Administrativo Nacional de Estadística DANE para el año 2018. Esta planta fue diseñada con unidades de filtración en múltiples etapas (FIME) y un proceso de desinfección para garantizar la eliminación de organismos patógenos, proveyendo una óptima calidad de agua en términos de las regulaciones colombianas. Estas regulaciones están amparadas bajo el decreto 1575/2007, por el cual se establece el Sistema para la Protección y Control de la Calidad del Agua para Consumo Humano; la resolución 2115/2007, 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, de la normativa colombiana, y el Reglamento Técnico para el Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico (RAS 2000), el cual fue modificado por la resolución 0330 de 2017. De acuerdo con los análisis fisicoquímicos y microbiológicos de calidad de agua a la salida de la PTAP suministrados por la empresa de servicios públicos de Soracá, se pudo evidenciar que el agua tratada no cumple con tres parámetros de calidad establecidos en la resolución 2115 de 2007. Estos parámetros son: 1) aluminio, el cual excede la concentración máxima de 0.20 mg/L, 2) fosfatos, los cuales están por encima de 0.5 mg/L, y 3) hierro, el cual excede la concentración máxima permitida de 0.30 mg/L. Por tal motivo, en el presente trabajo de grado se propone hacer el diseño de procesos unitarios complementarios como aireación, coagulación y floculación, que permitan garantizar la reducción de las concentraciones de aluminio, fosfatos y hierro a los valores máximos permisibles consignados en la resolución 2115 de 2007. Como aporte adicional, se elaborará un manual de mantenimiento y operación de la PTAP, en caso de que las unidades propuestas sean construidas en un futuro. PALABRAS CLAVE: Planta de tratamiento, filtración en múltiples etapas, aeración, coagulación, sedimentación, calidad de agua.

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ABSTRACT The drinking water treatment plant (WTP) of Soracá Boyacá’s town serves 1461 inhabitants according to data provided by the National Administrative Department of Statistics (DANE) in 2018. This plant was designed with multi-stage filtration units (MEF) and a disinfection process to ensure the elimination of pathogenic organisms providing optimal water quality enforcing the drinking water Colombian regulations. These regulations are controlled by the ordinance 1575/2007, which establishes the water quality, control, and protection system for human consumption and the act 2115/2007, which describes the characteristics, basic instruments and frequencies of the water quality control and monitoring and the regulations for the drinking water and sanitation sector, which was amended by the resolution 0330 of 2017. According to the physicochemical and microbiological water quality analyses at the end of the MEF units of the drinking water treatment plant provided by the Soracá utility, it could be seen that the treated water does not meet three essential parameters required in the act 2115 of 2007. These parameters were: 1) Aluminum, which exceeds the maximum concentration of 0.20 mg/L; 2) Phosphates, which are above of their allowed limit concentration of 0.5 mg/L; and 3) Iron, which goes beyond the maximum allowable limit concentration of 0.30 mg/L. Therefore, the main objective of this undergraduate work was to design a set of complementary water treatment processes such as aeration, coagulation, and flocculation to ensure the reduction of the after mentioned parameters to the maximum permissible values according to the act 2115 of 2007. In addition, the operational and maintenance manual of the projected units will be written in case that the proposed solution will be implemented in the WTP. KEY WORDS: Water treatment plant, multi-stage filtration, aeration, coagulation, water quality.

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1. INTRODUCCIÓN

La presente monografía se enfoca en la planta de tratamiento de agua potable del municipio de Soracá, la cual se abastece del nacedero el Salitre. Para su potabilización, el municipio cuenta con una planta de filtración de múltiples etapas (FiME), la cual no se encuentra en condiciones favorables y no cumple su función adecuadamente, generando así parámetros fisicoquímicos que sobrepasan los valores admisibles establecidos en la resolución 2115 de 2007. La OMS (2011) indica que la calidad del agua potable es una situación fundamental en países desarrollados y en camino de desarrollo alrededor del mundo por su repercusión en la salud de la población. A lo largo del tiempo, se ha implementado una vigilancia continua de la calidad de agua, lo que ha mitigado enfermedades relacionadas a ello. En el presente trabajo, se siguió una metodología descriptiva evaluativa llevada a cabo por medio de visitas de campo, con el fin de identificar el estado general de las instalaciones y de los procesos de tratamiento actuales. Gracias a esto, se encontró que la planta de tratamiento actual tiene varias deficiencias en su calidad de agua, las cuales se relacionan con concentraciones de aluminio, hierro y fosfatos que sobrepasan ligeramente los valores permitidos en la resolución 2115 de 2007. En esta monografía, se presentan los objetivos de estudio a cumplir, planteamiento del problema, seguido de la justificación de la investigación, reporte de laboratorios del agua a la entrada y a la salida de la PTAP y, finalmente, se muestran las conclusiones y recomendaciones, con el fin de contribuir con el objetivo principal de diseñar unidades de tratamiento complementarias adicionales como aireación, coagulación y floculación para garantizar un agua segura y potable para los habitantes del municipio de Soracá, Boyacá, de acuerdo a la normatividad Colombiana vigente. Además, se construirá un manual de operación y mantenimiento de las unidades de tratamiento actuales y proyectadas, que permita la operación efectiva de las mismas por parte de los operadores del sistema.

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2. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN

2.1 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA De acuerdo con lo consignado en la constitución política de Colombia (1991), tener acceso continuo a agua potable y de buena calidad es uno de los derechos fundamentales del ciudadano, con el fin de mantener intacta su salud. Al encontrarnos en un estado de emergencia, se establece en el decreto 417 del 17 de marzo de 2020 emitido por el Departamento Administrativo de la Función Pública, que durante la pandemia asociada a la enfermedad del COVID-19, “se debe garantizar la prestación continua y efectiva de los servicios públicos”. En consecuencia, se ha elegido proponer una optimización de la planta de tratamiento de agua potable del municipio de Soracá – Boyacá, para que garantice en el futuro cercano la provisión continua y de buena calidad de agua potable a sus pobladores. Asimismo, la constitución política de Colombia, en su artículo 366 señala que “el bienestar general y el mejoramiento de la calidad de vida de la población son finalidades sociales del Estado. Será objetivo fundamental de su actividad la solución de las necesidades insatisfechas de salud, de educación, de saneamiento ambiental y de agua potable. Para tales efectos, en los planes y presupuestos de la Nación y de las entidades territoriales, el gasto público social tendrá prioridad sobre cualquier otra asignación”. Ante estas directivas, la Universidad Santo Tomás no es ajena, y destina recursos presupuestales para incentivar la investigación articulando su campo de acción sociedad y ambiente. El municipio de Soracá, Boyacá, se encuentra ubicado en la cordillera central de los Andes en la meseta cundiboyacense, y para el suministro de agua potable, el municipio se abastece del nacedero El Salitre, ubicado dentro de predios de la alcaldía en la vereda El Rosal del municipio de Soracá, más exactamente en las coordenadas 5°29´03.11” N 73°19´22.80” O. La estructura de captación consta de bocatoma y desarenador (secretaria de salud de Boyacá, 2012), estas estructuras se encuentran en estado regular, debido a que hay invasión de material orgánico, como algas, que genera una desoxigenación del agua. Adicionalmente, aguas arriba de la bocatoma, hay áreas de uso agrícola que generan una posible contaminación por aspersión de plaguicidas y escorrentía de residuos de fertilizantes utilizados en esta actividad. En referencia a la prevención, la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO, 2018) señala que “deben adoptarse las medidas adecuadas para evitar que las actividades agrícolas deterioren la calidad del agua e impidan posteriores usos de ésta para otros fines”. Así mismo, se presenta

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ganadería alrededor de la microcuenca, debido a su falta de cerramiento y precauciones exigidas en la normativa colombiana (Reglamento Técnico para el Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico, 2000) generando contaminación por patógenos. En cuanto al proceso de potabilización, el municipio de Soracá cuenta con una planta de tratamiento de agua potable tipo FIME. Esta planta de tratamiento presenta falencias en su proceso operativo, principalmente a que ya cumplió su vida útil desde hace más de 10 años aproximadamente (Secretaría de Salud de Boyacá, 2012). La falla fundamental que se presenta es en las unidades de filtración lenta de arena, la cual está relacionada con una velocidad de filtración baja (no determinada), que se puede observar en el tiempo que requiere el filtro para ejecutar su carrera de filtración. Esta deficiencia puede estar asociada a cargas hidráulicas excesivas que colmatan su capacidad, deficientes labores de mantenimiento (limpieza de lavados, cambio de lecho filtrante) y la acumulación de partículas sólidas en los poros del material filtrante. Como resultado de esta deficiencia, no llega suficiente agua al tanque de almacenamiento, obligando así a que esta sea enviada mediante seis tubos de una pulgada (1”) de diámetro sin el tratamiento de su último filtro. Esto se pudo evidenciar en las visitas de campo, lo que trae consecuencias negativas en su calidad, generando que el servicio de agua sea intermitente y no supla las necesidades de la comunidad. De acuerdo con los resultados de calidad del agua presentados al Instituto Nacional de Salud (INS) hasta el año 2017, el municipio de Soracá indica que se encuentra en un nivel de riesgo medio. Esto se debe a que las instalaciones de la PTAP no se encuentran en condiciones favorables para el proceso de potabilización, ya que la única unidad que se encuentra funcionando de manera regular actualmente es el proceso de desinfección con cloro. En temporada de lluvias, no se tiene control de la calidad del agua; por lo tanto, en este periodo aumentan las concentraciones de turbiedad, sedimentos y posiblemente la concentración de organismos patógenos. En consecuencia, las unidades de tratamiento de la planta no logran eliminar de manera eficiente estos parámetros poniendo en alto riesgo de enfermedad a sus pobladores. Por esto, la Universidad Santo Tomas, a través de la Facultad de Ingeniería Civil y a través de este proyecto de grado, propone una alternativa de solución adaptable técnica y económica para la solución definitiva de este problema.

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2.2 PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN ¿Qué unidades de tratamiento podrían mejorar la calidad del agua removiendo eficientemente turbiedad, aluminio, hierro y fosfatos? 2.3 JUSTIFICACIÓN El agua potable de buena calidad es indispensable para la vida de los seres humanos. La calidad del agua depende de factores naturales como, los periodos de lluvias, sequias y factores antropogénicos derivados de la actividad humana como minería, agricultura, ganadería, etc. (Velasco, I y Ochoa, L. 2005). Por esta razón, es necesario la acción del hombre a través de la aplicación de la ingeniería civil, para diseñar unidades de tratamiento que garanticen una buena calidad de agua protegiendo la salud humana. La población del municipio de Soracá cuenta con una planta de tratamiento de agua potable (PTAP) tipo FIME construida aproximadamente hace más de 30 años (Secretaría de salud de Boyacá, 2012), de manera que ya cumplió con su periodo de vida útil establecido en 25 años. Por ende, es necesario evaluar cada una de las estructuras a nivel de su capacidad hidráulica y de los procesos de tratamiento con el fin de verificar y diagnosticar el funcionamiento de estas mismas. Con base al histórico de calidad del agua potable en el municipio, se identificaron parámetros como fosfatos, hierro y aluminio con valores superiores a los establecidos como aceptables en la resolución 2115 de 2007. Por lo anterior, en la presente monografía se realizó una evaluación hidráulica y de los procesos de tratamiento actuales (filtración rápida y filtración lenta), complementándolos con diseños de unidades de coagulación y floculación, para reducir las concentraciones de aluminio, hierro y fosfatos a sus límites máximos permisibles. 2.4 OBJETIVOS

2.4.1 Objetivo general Hacer un diagnóstico y proponer una optimización del sistema de tratamiento actual en la PTAP del municipio de Soracá, para garantizar el cumplimiento de todos los parámetros de calidad de agua enmarcados en la resolución 2115 de 2007.

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2.4.2 Objetivos específicos

Realizar un diagnóstico de calidad de agua con base a los resultados de análisis de calidad del agua suministrados por la secretaria de servicios públicos o el Instituto Nacional de Salud. Proyectar las unidades de tratamiento complementarías necesarias para la disminución de las concentraciones de turbiedad, fosfatos, hierro y aluminio de acuerdo con los valores máximos establecidos en la resolución 2115 de 2007. Diseñar un manual de mantenimiento y operación de la PTAP que incluya las nuevas unidades de tratamiento y que sirva de guía a los operarios y administradores del sistema.

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3. MARCO TEÓRICO

3.1 MARCO CONTEXTUAL

3.1.1 Información general del municipio Soracá es un municipio colombiano ubicado en el departamento de Boyacá, en las coordenadas 5° 30' 0'' N - 73° 19' 1'' O a 2930 m.s.n.m., cuenta con una extensión territorial de 57Km2, están divididos en pisos térmicos frío y páramo, correspondientes a 54 Km2 y 3 Km2 respectivamente, la temperatura media se encuentra entre los 7°C a 12°C. (ANONIMO, 2018) El municipio limita con:

Municipio de Chivata, dirección norte.

Municipios de Siachoque, Viracachá y Ramiriqui, dirección oriente

Municipio de Boyacá - Boyacá, dirección sur

Municipio de Tunja, dirección occidente.

Los límites del municipio de Soracá se muestran en la imagen 1.

Imagen 1 LIMITES DEL MUNICIPIO DE SORACÁ, BOYACÁ

Fuente: Google imágenes

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Las principales actividades económicas del municipio corresponden a la producción de papa de excelente calidad, lo que le ha dado una representación favorable a nivel departamental, comercialización de carne y pastos para ganadería. Así mismo, se ha dado a conocer por las misas de sanación celebradas por el padre Álvaro de Jesús Puerta el primer sábado de cada mes, la cual se extiende desde el jueves anterior con la Eucaristía de la Imposición de las Manos, el viernes, Misa de Liberación y el sábado el Rosario en honor a la Virgen de la Esperanza en la mañana y en la tarde la Misa de Sanación (ANONIMO, 2018).

Soracá no cuenta gran variedad de actividades turísticas; en el año 2010, la consultoría encargada de realizar el plan maestro de acueductos y alcantarillados realizo una encuesta a 60 personas. Los resultados mostraron que el 93.33% (ver tabla 1) está de acuerdo que el mayor atractivo turístico del municipio es la misa de sanación anteriormente mencionada. En la tabla 1, se muestra la encuesta que determina las actividades turísticas que tiene el municipio de Soracá.

Tabla 1 ACTIVIDADES TURISTICAS

EVENTOS CULTURALES No. PERSONAS %

Eventos Religiosos 56 93,33%

Deportes 1 1,67%

Artísticos 3 5,00%

TOTAL 60 100,00%

Fuente: Plan maestro de acueductos y alcantarillados 2010

En cuanto al recurso hídrico el municipio de Soracá cuenta con nacederos ubicados en las veredas del Rosal, Faitoque, Chaine, Quebrada grande y Quebrada vieja. En la actualidad, el sistema de acueducto se abastece principalmente de una fuente hídrica denominada Nacedero El Salitre (El Manantial), ubicado dentro de predios de la alcaldía en la vereda El Rosal del municipio de Soracá, este nacedero se abastece también de aguas provenientes de nacederos aledaños (Secretaría de salud de Boyacá, 2012).

3.1.2 Agua potable

El agua potable es aquella que cumple con todas las condiciones físicas, químicas y microbiológicas, por lo cual es apta para el consumo humano de manera directa o indirecta. Lo anterior, se determina de acuerdo con la calidad del agua, a través de la comparación de las características físicas, químicas y microbiológicas con los

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valores establecidos en la resolución 2115 de 2007. (Rojas et.al, 2017). La clasificación de los contaminantes presentes en el agua se muestra en la tabla 2.

Tabla 2 CONTAMINANTES PRESENTES EN EL AGUA

Fuente: Tratamiento de agua para consumo humano, 2011

3.1.3 Planta de tratamiento Una planta de tratamiento de agua potable es la combinación de una serie de estructuras construidas en mampostería, concreto, fibra de vidrio o laminas metálicas, que tienen como objetivo reducir y/o eliminar concentraciones químicas, biológicas y físicas presentes en el agua a consumir, con el fin que sean aptas para el consumo humano sin causar daños en la salud de la población. Cada planta de tratamiento debe cumplir con un tratamiento integrado del recurso, combinación de barreras, es decir, debe estar diseñada en etapas con el fin de alcanzar bajas concentraciones que afecten la salud humana y cada tratamiento propuesto debe tener un objetivo específico relacionado con la sustancia a eliminar (Acuatécnica S.A.S, 2016). A continuación, se presenta el propósito de cada uno de los procesos presentes en una planta de tratamiento de agua potable (Lozano y Lozano, 2015).

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3.1.3.1 Tratamiento preliminar

Desbaste y remoción de flotantes: Eliminación de material grueso tales como animales o residuos vegetativos, con el fin de evitar daños en las estructuras que le preceden.

Presedimentación y remoción de material en suspensión: Eliminación de limos, arcillas y arenas que son abrasivos y pueden provocar bajo rendimiento en los procesos siguientes.

Oxidación química: Remoción de sustancias orgánicas e inorgánicas que causan olor y sabor.

Aireación: Remoción de olor y sabor, transferencia de oxígeno, eliminación de dióxido de carbono (CO2), hierro (fe), manganeso (Mn) y otros compuestos volátiles.

Aforo: Medir el caudal a tratar.

3.1.3.2 Clarificación

Coagulación y floculación: Es la aglomeración de coloides y otras sustancias no sedimentables hasta la formación de flóculos.

Sedimentación: Eliminación de flóculos suspendidos, eliminar sustancias que generan color y turbiedad al agua.

Filtración: Elimina sólidos en suspensión, especialmente bacterias y protozoos.

3.1.3.3 Desinfección Proceso de eliminación de organismos patógenos, como virus y bacterias que no fueron retenidos en procesos anteriores, aseguramiento de niveles residuales de desinfectante, que eviten contaminaciones posteriores en la red de abastecimiento. 3.1.3.4 Procesos adicionales

Ablandamiento: Remoción de dureza.

Adsorción: eliminación de sustancias inorgánicas y color.

Estabilización: Ajustes de potencial de hidrogeno para evitar corrosión.

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3.1.3.5 Tipos de plantas potabilizadoras Planta convencional: Se usan cuando las características del agua de la fuente hídrica a tratar son de baja calidad. Son capaces de remover turbiedad, sedimentos, microorganismos, dureza, olor, color y las características que se requieran dependiendo del estado en que se encuentre el agua, este tipo de planta está conformada por los procesos de: coagulación, mezcla rápida, floculación, sedimentación, desclasificación, filtrado y desinfección (Fibras y normas de Colombia, 2019). Planta compacta: Son plantas potabilizadoras de agua donde los procesos de coagulación, floculación y sedimentación ocurren en una misma unidad para posteriormente enviar el agua ya tratada hacia los filtros, el tiempo de residencia del recurso en este tipo de plantas son bajos. Tienen la ventaja de mejorar el sistema de floculación a través de medios porosos ya que aumenta la eficiencia de la planta generando así una disminución de productos químicos en el sistema de potabilización (Fibras y normas de Colombia, 2019). Planta de filtración directa: Son plantas potabilizadoras que cuentan con un proceso de coagulación, floculación y filtración media dual, en este tipo de plantas se usa coagulante químico como sales de hierro o aluminio. Es un sistema que purifica el agua a través de medio granulares, y principalmente se usa para cuerpos de agua que mantengan un rango menor a 8 UNT de turbidez (Academia Nacional de Ciencias, 2007). Existen otros sistemas no convencionales los cuales son utilizados en zonas rurales con poblaciones pequeñas, debido a que son económicas y factibles en cuanto a su operación y mantenimiento, entre ellas están: Filtración lenta en arena (FLA): Es un conjunto de procesos físicos y biológicos que destruyen los microorganismos patógenos presentes en el agua no apta para consumo humano. Consiste en la circulación del agua de manera descendente a una velocidad baja por medio de un lecho de arena de diferentes granulometrías, debido a sus facilidades y bajo costo en operación y mantenimiento son recomendadas para zonas rurales (Torres y Villanueva, 2014). Filtración en múltiples etapas (FiME): Está conformada por dos o tres procesos de filtración dependiendo a las características del agua a tratar, los procesos que la integran son el filtro dinámico grueso, filtro grueso ascendente en capas o serie la

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cual tienen como fin reducir concentraciones de solidos suspendidos, finalmente se encuentra el filtro lento de arena donde se eliminan las sustancias más pequeñas. Este tipo de planta es conocido por su tecnología simple, confiable y eficiente debido a que produce agua de baja turbiedad y libre de impurezas suspendidas, virus baterías o protozoarios (Organización Panamericana de la Salud, 2005).

3.1.4 Procesos de tratamiento de agua potable

3.1.4.1 Aireación: Es un proceso en el cual se le transfiere oxígeno al agua, con el fin de modificar las concentraciones de sustancias volátiles que se encuentran en ella. Este sistema se usa principalmente como pretratamiento en aguas que contienen bajos niveles de oxígeno y altas concentraciones de hierro y manganeso. Entre las funciones de esta estructura están (Lozano y Lozano, 2015):

Transferir oxígeno al agua

Disminuir concentraciones de dióxido de carbono

Remover gases y compuestos orgánicos volátiles

Oxidar hierro y manganeso

En la aireación, hay un intercambio continuo de moléculas del aire al agua y viceversa, la absorción de O2 se produce en cuatro etapas:

1) El gas pasa de la fase gas a la interface gas-liquido. 2) El gas pasa a través de una película de gas de la interface. 3) Pasa a través de una película líquida. 4) Se dispersa en todo el líquido.

La solubilidad del gas condiciona cuál de las dos películas limitan la transferencia a través de la interface. En el oxígeno, de baja solubilidad, la etapa tres es la que requiere mayor tiempo y limita la tasa de transferencia del gas. (Weber, 1972 como se citó en Hernandez,2019). En la ilustración 2 se muestra el proceso de transferencia de gas al líquido.

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Imagen 2 TRANSFERENCIA DE GAS AL LIQUIDO

Fuente: Weber, 1972

Existe varios tipos de aireación entre los más usados están: Aireador de bandejas: Son torres de bandejas con perforaciones en su base con un material filtrante grueso, tienen como finalidad el intercambio de gases y mejorar la distribución del flujo. Aireador de cascadas y vertederos: Son estructuras escalonadas con camas de agua que permite mejorar la aireación y disminuir el impacto de caída de agua, permiten entre un 50 y 60% de remoción de dióxido de carbono. Entre estos se encuentra los vertederos de caída libre, vertedero escalonado y escalera. Aireadores de fuente: Es una serie de toberas fijas sobre una malla con tuberías que transportan el agua por goteo de manera vertical, usualmente lo utilizan para la adición de oxígeno y remoción de dióxido de carbono. 3.1.4.2 Mezcla rápida: Esta estructura tiene como fin la dispersión instantánea y uniforme del coagulante a través del agua cruda. Para el proceso, se pueden utilizar dispositivos mecánicos el cual dispersa el coagulante por medio de impulsores rotatorios. Este sistema se diseña bajo los parámetros de gradiente de velocidad, que debe estar en un rango de 500 a 1000 s-1 y un tiempo de retención de 1 a 7s o hidráulicos donde la mezcla es ejecutada por la turbulencia generada en el régimen de flujo. En este último, se pueden encontrar las canaletas Parshall, vertederos, tubos Venturi o dispersores de tubos perforados, cuentan con la ventaja que no requieren de energía eléctrica o

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equipo mecánico. Este tipo de estructura se diseña con un gradiente de velocidad entre 700 y 1300 s-1 y tiempos de retención menores a 1s, adicionalmente se trabaja con un número de Froude entre 4,5 y 9 (Lozano y Lozano, 2015). 3.1.4.3 Floculación La floculación es la mezcla suave del agua floculada con el fin de aumentar la posibilidad de contacto entre partículas después de la adición de productos químicos llamados coagulantes. Un mayor contacto entre partículas favorece la formación de flocs; sin embargo, si la desestabilización fuese demasiado fuerte rompería el floc en las partículas más pequeñas. La agitación debe controlarse con sutileza de modo que los flóculos sean del tamaño adecuado y se sedimenten rápidamente (Lozano y Lozano, 2015). Existen dos tipos de floculador, el mecánico, que realiza su funcionamiento por medio de equipos mecánico como paletas, turbinas, entre otros, y el floculador hidráulico que trabaja por disipación de energía hidráulica, diferencia de nivel, pérdida de carga o movimiento del flujo (Carreño y Castiblanco, 2016). Para el diseño de estas estructuras, se tiene en cuenta que los gradientes de velocidad que optimizan el proceso normalmente varían entre 70 y 20 s-1, donde en el primer tramo de la unidad el gradiente no debe ser mayor que el que se está produciendo en la interconexión entre el mezclador y el floculador. Así mismo, se debe tener un tiempo de retención entre 10 y 30 minutos, dependiendo del tipo de unidad y de la temperatura del agua (Vargas, 2009). 3.1.4.4 Sedimentación Corresponde a la remoción de partículas suspendidas, por medio de la fuerza de gravedad. Las dos formas de sedimentación más usadas son la sedimentación simple, que corresponde a la remoción de partículas no floculentas, es una sedimentación no interferida, y la sedimentación después de coagulación y floculación, esta hace referencia a dos partículas que se aglomeran durante su asentamiento pierden su velocidad individual de sedimentación y, por consiguiente, se sedimentan con otra velocidad característica de la nueva partícula formada, generalmente mayor que las velocidades originales. (Romero, 1999)

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En el tipo de sedimentación después de coagulación, la suspensión diluida de partículas floculentas puede determinarse a partir de un análisis con columnas de sedimentación el cual relaciona tiempo y profundidad. El proceso consiste en llenar de agua una determinada profundidad dejar sedimentar durante un tiempo determinado sin ningún tipo de agitación, al culminar este tiempo se determina la concentración de partículas tomadas a diferentes profundidades y a diferentes intervalos de tiempos, obteniendo con esto el % de remoción con respecto al estado inicial del agua (Portilla, 2017). 3.1.4.5 Filtración La filtración está encargada de remover material suspendido, medido en parámetros como turbiedad, flocs, suelo, metales oxidados y microorganismos, la eliminación de microrganismos es de vital importancia dado que algunos como el Cryptosporidium y la Giardia son muy resistentes a la desinfección, pero logran ser removidos por medio de la filtración. La filtración tiene nueve mecanismos de remoción; Cribado, sedimentación, impacto inercial, intercepción, adhesión, adsorción química, absorción física, floculación y crecimiento biológico, cada una de ellas logra la remoción de estas partículas de una manera diferente y efectiva. Así mismo, existen varios sistemas de filtración como lo son, por dirección del flujo, tipo de lecho filtrante, fuerza impulsadora, tasa de filtración y método de control de la tasa de filtración (Romero, 1999). Filtración dinámica: En este tipo de filtración el caudal se divide en dos flujos, uno superficial encargado del barrido superficial del lecho para finalmente salir de la unidad y la otra es filtrada a través del lecho; una de las diferencias más destacadas del filtro dinámico, en comparación a otras filtraciones gruesas, es que su lecho es gradado del más fino en su capa superior al más grueso al fondo (Cinara, 1998). Según CINARA e IRCWD, el requerimiento que deba cumplir el filtro y dependiendo de la calidad del agua cruda, se pueden diferenciar los dos siguientes tipos de filtro grueso dinámico: - “El primer tipo se utiliza para fuentes con un valor alto de sólidos. El filtro reduce principalmente este contenido para proteger las siguientes etapas del tratamiento.

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Sin embargo, por la baja velocidad en la cual es operado, este tipo logra también remociones sorprendentes de parámetros como turbiedad y coliformes fecales. - El segundo tipo se utiliza para fuentes que regularmente transportan pocos sólidos pero que presentan picos muy pronunciados. El filtro se opera con una velocidad más alta y funciona como una 'válvula automática', cerrándose rápidamente en caso de altos valores de sólidos suspendidos en el agua cruda, evitando que los picos llegan a las siguientes etapas. Claramente, la alta velocidad de filtración evita la remoción amplia y permanente de otros contaminantes, pero eso ya no es la función principal del filtro.” (Cinara, s.f.)

Filtración lenta en arena: Estos filtros pueden eliminar efectivamente los microorganismos que causan enfermedades transportadas por agua, es generalmente conocido como filtración biológica. Para este tipo de filtración, hay que tener muy en cuenta el mantenimiento de los filtros, ya que no lo requieren de manera seguida, debido a que después del uso repetido, la arena se convierte en una portadora de bacterias, algas, protozoos, y gusanos acuáticos y estos microorganismos ayudan al proceso de filtración mediante la eliminación de contaminante. Puede ser necesario que transcurran varias semanas para que la arena llegue a una buena concentración de microorganismos, dependiendo del contenido y la temperatura del agua. El proceso eventualmente obstruye el lecho de arena y reduce las velocidades de los flujos hasta el punto en que sea necesario eliminar las obstrucciones mediante retro-lavado (Academia Nacional de Ciencias, 2007). 3.2 ANTECEDENTES

La importancia del tratamiento de aguas para consumo humano está directamente relacionada con la salud humana debido a los diferentes contaminantes de tipo físico, químico y microbiológico (microorganismos) que representan un riesgo de enfermedades diarreico-agudas, especialmente en niños menores de cinco años (Organización Mundial de la Salud OMS, 2011). En un estudio conducido por Rodríguez (2006), se encontró que en los procesos de potabilización del agua existen factores que intervienen en su contaminación; estos se asocian en la fase de captación y aducción, lo cual genera un factor de riesgo contaminante (FRC) que contribuye a un aumento en la probabilidad de afectar tanto a los parámetros fisicoquímicos como microbiológicos, trayendo, así como

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consecuencia, una falta de potabilidad en el agua. Algunos de estos factores pueden ser la presencia de heces fecales de animales presentes en el cuerpo de agua o alrededores, escorrentías, impregnación de sustancias toxicas procedentes de la agricultura o maleza. La escorrentía por su parte trae un aporte importante de sedimentos y materia orgánica natural lo cual impacta la calidad del agua en cuanto a turbiedad, color y probablemente con precursores de subproductos de la desinfección con lo cual es necesario plantear sistemas adecuados de tratamiento para minimizar estos riesgos. La calidad de agua en fuentes superficiales depende de factores naturales y de la intervención del ser humano. Sin la mediación humana, el agua se suministraría con productos contaminantes provenientes de erosión de minerales, procesos atmosféricos, nutrientes del suelo por factores hidrológicos y procesos biológicos del medio ambiente que alteran la composición del agua. La calidad de agua se determina por medio de una comparación de datos tomados en campo y otros establecidos por la norma que se rija en cada país. Por ejemplo, para el caso de sustancias consideras de interés a la salud humana como pesticidas y metales pesados, normalmente se basan en niveles de toxicidad científicamente aceptables para el ser humano y seres vivos presentes en el agua. (Departamento de asuntos económicos y sociales de naciones unidas, 2014). Por tal motivo para el municipio de Soracá, se hace necesario garantizar el estricto cumplimiento de los parámetros de calidad de agua enmarcados en la resolución 2115 de 2007. La calidad de agua potable analiza el agua en dos categorías que son, la calidad química del agua se basa en la comparación de resultados de análisis en base a valores de referencia, estos valores de referencia son pertenecientes a las sustancias químicas de origen natural como el arsénico, bario, boro, cromo, fluoruro y manganeso, por otro lado, se encuentran los de origen agropecuario. En este caso, la mayoría de los productos químicos que están presentes en el suelo representan peligro para la comunidad cuando estos llegan por escorrentía a fuentes de aguas superficiales y no son removidos eficientemente en plantas de tratamiento. En cuanto a la calidad microbiológica del agua, se tiene en cuenta los indicadores de contaminación fecal o concentraciones de patógenos específicos, uno de los más importantes es la verificación de la presencia de Escherichia coli debido a que es una bacteria indicadora de contaminación fecal. El deterioro de la calidad del agua se ha convertido en motivo de preocupación a nivel mundial con el crecimiento de la población humana, la expansión de la actividad industrial y agrícola y la amenaza del cambio climático como causa de importantes alteraciones en el ciclo hidrológico (Organización mundial de la salud OMS, 2006).

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Los contaminantes presentes en el agua que más afectan la salud humana son los patógenos del ganado, plaguicidas, nitratos en las aguas subterráneas, oligoelementos metálicos y los contaminantes emergentes, incluidos los antibióticos y los genes resistentes a los antibióticos excretados por el ganado (FAO, 2018). Por esta razón, se hace necesario estudiar y actualizar los sistemas antiguos de tratamiento en Boyacá y en Colombia para proveer una barrera efectiva contra los agentes contaminantes como pesticidas, patógenos y materia orgánica natural que impactan la calidad del agua. De acuerdo con Guevara (2014), la gestión integral del recurso hídrico consiste en actividades de conservación, protección y educación ambiental asociadas con el uso y manejo del agua. El mismo autor explica que en Colombia el tema del entendimiento de gobernanza local es uno de los factores más importantes para tener en cuenta debido a que en la mayoría de los sectores rurales no hay una intervención o acompañamiento por parte del estado obligando a la comunidad a decidir por ellas mismas la manera en que se debe proteger los recursos hídricos. Los integrantes de la comunidad rural por medio de juntas de acción comunal son los que logran la gestión y obtención de los recursos económicos ante las autoridades estatales para la creación, mantenimiento y distribución del agua (acueductos rurales). Sin embargo, gran parte de los acueductos rurales en Colombia no tienen un buen manejo lo que trae como consecuencia una distribución de agua en malas condiciones de calidad. Finalmente, en su artículo de evaluación ambiental estratégica para cuencas prioritarias de los Andes colombianos: dilemas, desafíos y necesidades manifiesta que se deben incorporar más estudios de calidad de agua que se enfoquen en el uso de este recurso, donde se tenga en cuenta las distintas variables fisicoquímicas y ambientales ajustadas a una realidad territorial. Así mismo, se debe mantener un monitoreo constante que permitan reconocer las variables biofísicas y entes que modifican el cuerpo hídrico. Desde esta perspectiva la optimización de la planta de tratamiento de agua potable de Soracá busca contribuir con la gestión integral de los recursos hídricos en el departamento de Boyacá.

3.2.1 Filtración en Múltiples Etapas. True (1923) expone que el primer filtro de potabilización del agua que se implementó para comunidades con un tamaño considerable para la época se dio en el año 1829 en la ciudad de Chelsea, Londres, el cual le dio lugar al filtro lento de arena; esta nueva tecnología se fue expandiendo por toda Europa y 48 años después a Estados Unidos de América, con el transcurso del tiempo era evidente la disminución de

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enfermedades epidémicas producidas por los patógenos presentes en el agua para consumo humano. Las plantas de tratamiento tipo (FIME) fue un avance tecnológico en el área de tratamiento de agua para América Latina, y esta fue expuesta en el año 1989 por el Instituto Cinara de la Universidad del Valle en Cali, Colombia. Estas plantas, están fundamentadas en la combinación de sistemas de filtración gruesa en grava y filtros lentos de arena. (Galvis & Latorre, 1999). El modelo de plantas FIME puede estar conformada por dos o tres procesos de filtración, esto depende directamente de la calidad de agua en la que se encuentre la fuente de abastecimiento. En plantas tipo FIME, se pueden presentar varias configuraciones de los sistemas de filtración. Sin embargo, el que recomienda la Organización Panamericana de la salud (OPS) consiste en tres diferentes tipos de filtros: 1) Filtros Gruesos Dinámicos (FGD), 2) Filtros Gruesos Ascendentes en Capas (FGAC) y 3) Filtros Lentos de Arena (FLA). Los dos primeros procesos constituyen la etapa de pretratamiento, que permite reducir la concentración de sólidos suspendidos. Conforme circula el agua las partículas más pequeñas son eliminadas, hasta llegar al filtro lento de arena, reconocido como una tecnología sencilla, confiable y eficiente, pues puede producir agua de baja turbiedad, libre de impurezas suspendidas y virtualmente libre de entero- bacterias, enterovirus y quistes de protozoarios (Organización Panamericana de la Salud OPS, 2015). Una de las problemáticas más comunes de la filtración en múltiples etapas es el taponamiento de los filtros por partículas que no han sido tratadas (desestabilizadas) con anterioridad y el paso de materia orgánica natural y sustancias húmicas hacia las redes de distribución. El objetivo principal de la coagulación es desestabilizar químicamente las partículas coloidales que se encuentran en suspensión y no se logran sedimentar naturalmente, para favorecer su aglomeración; en consecuencia, se logra una eliminación satisfactoria de las materias en suspensión. La coagulación no solo elimina la turbiedad sino también la concentración de la materia orgánica natural (MON) y los microorganismos, estas partículas se aglomeran para formar partículas más grandes llamadas flocs luego de haber adicionado una cantidad suficiente de coagulantes, habitualmente sales de metales como el sulfato de aluminio Al2 (SO4)3, o Cloruro Férrico FeCl3. (Cárdenas, 2000) En su estudio Cotton (2002) explica que antes que el agua pase por filtros de arena lenta se deben someter a tratamientos de tipo químico, oxidación con ozono, o centrifugación el cual permite la remoción de las partículas más pequeñas y materias disueltas. En ocasiones el agua es sometida a extensos tratamientos, pero en muchos casos quedan existentes partículas vivas y muertas que deben ser eliminadas antes que el agua pase a ser potable. Los flocs producidos en procesos

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de coagulación y floculación son retenidos por medio de sedimentación o por medio de filtración que combina filtros gruesos y filtros lentos (FIME). El agua que pasa por filtros de arena lentos puede experimentar dos procesos de purificación: 1) la columna de agua donde existe una filtración de luz ultravioleta en la interfaz de aire-agua, el cual cumple una función importante ya que tiene un efecto bactericida, y 2) en la columna de agua existen bacterias, algas y otros organismos donde se liberan exo-polímeros que promueven la floculación y coagulación natural. Por otro lado, en el lecho de arena se cumple la función de tamizaje de partículas, las cuales pueden ser removidas a través de impacto por inercia, sedimentación por gravedad, impacto dentro del filtro y finalmente un tamizaje de partículas acumuladas, estos procesos son generados por medios hidrodinámicos y fisicoquímicos. Finalmente, se habla de una capa de arena mixta, la cual puede retener ciertos microorganismos patógenos de tamaño grande y también se pueden retener una parte mínima de la materia orgánica natural. Jafari, Nabi, Nasrabadi, Habibi y Hoveidi (2007) dan a conocer en su investigación que al implementar el diseño de filtración de desbaste horizontal en el Rio Zayadenhroud en sus peores condiciones de turbiedad, se obtiene una mejora en la calidad de agua, el sistema mencionado cuenta con un filtro divido en tres partes con capas de arena y grava, estos elementos están ubicados de manera decreciente. El desarrollo del proyecto se llevó a cabo en un periodo de tiempo de tres meses (julio – septiembre) en el cual se registraron los resultados de las muestras de agua tomadas en la entrada y salida del sistema de diferentes parámetros tales como: turbiedad, hierro, manganeso, solidos suspendidos totales (SST) y color. Se logra identificar que, con la implementación de este diseño, hay una disminución aceptable de los parámetros anteriormente mencionados y se presenta una eliminación de microorganismos con un tamaño de arena menor en el lecho filtrante; finalmente se logra observar una eliminación total de coliformes de más del 98% para arenas de tamaño efectivo de 0,29mm versus una eliminación del 96% para arena de 0,62mm. Pearce (2015), en un estudio sobre filtración de medios granulares, indica que entre los mecanismos de remoción de partículas se debe al tamaño de poro nominal menor a las partículas que ingresan a este. También recomienda que para la construcción de filtros granulares se debe tener en cuenta las siguientes características: 1) el tipo de medio donde los más comunes son la antracita y la arena; la antracita permite que se desarrolle un mecanismo de biofiltración para así mejorar las remociones orgánicas, y en muchos casos se encuentra el carbón activado granular el cual mejora las características organolépticas del agua como el sabor; 2) el número de capas de los filtros granulares pueden configurarse desde una a cuatro capas, cabe resaltar que el filtro de tratamiento estándar contiene una

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capa de antracita gruesa y otra de arena fina; 3) el rango de velocidad el cual va aumentando con el número y profundidad de capas, normalmente en las plantas de pretratamiento de dos capas (duales) se maneja una velocidad de 8-12 m/h y de 20 60 m/h para filtros de cuatro capas. 4) el diámetro del grano el cual varía entre los 0,5mm para lechos finos y 1,5 mm para lechos gruesos. Finalmente se tiene la profundidad de los lechos filtrantes, la cual establece que para filtros no profundos se maneja de 1.0 m y para filtros profundos entre 2.5m y 3.0m. Uno de los parámetros fácil y rápidos para medir la calidad del agua en cuanto a remoción de partículas es la turbiedad. Entonces este estudio sugiere que la calidad de agua filtrada se determina por medio de la turbidez la cual debe ser menor a 0,1 NTU (unidades Nefelométricas de turbiedad). También se debe tener en cuenta la eliminación del carbono orgánico disuelto ya que una presencia alta de este producto puede aumentar la turbidez, color, sabor etc. De acuerdo con Vedavyasan (2016), en un estudio conducido sobre filtros de arena, se concluye que una gran parte del rendimiento de los filtros lentos de arena dependen sobre la actividad biológica desarrollada en su superficie y sus características física en cuanto a la granulometría de sus lechos para remover diferentes patógenos. La principal función de estos filtros se puede establecer en la eliminación de algunos patógenos (ej. coliformes fecales), algunas bacterias, y partículas pequeñas, cuando el tamaño efectivo de la arena es de 0,1mm. Este sistema es ideal para comunidades pequeñas ya que presenta grandes ventajas como lo es un bajo o ningún consumo de energía, su construcción es de bajo costo y el mantenimiento es mínimo. Para la implementación de este sistema, se debe tener en cuenta que la arena a utilizar debe ser fina es decir entre 0,15 mm y 0,35mm y debe estar libre de arcilla y materia orgánica Tener coagulación en las platas de tratamiento es un beneficio para la vida útil de estas, como lo concluye Sánchez y Alonso (2017), en su propuesta de mejora para la planta de agua potable, en donde gracias a la implementación de coagulación y floculación es más eficiente la eliminación de lodos a través de actividades de retro lavado, evitando el taponamiento de los lechos filtrantes, aumentando así su vida útil.

3.2.2 Parámetros fuera de la norma en la PTAP Soracá – Boyacá. 3.2.2.1 Aluminio en aguas superficiales.

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El aluminio es uno de los elementos más abundantes que se puede encontrar en la tierra, se estima que en la superficie terrestre esta aproximadamente un 8% de este elemento. La mayoría de las rocas cuentan con este elemento por medio de silicatos, los cuales se disuelven por medio de la lluvia logrando así que este metal sea diluido en los distintos cuerpos de agua. El aluminio se puede encontrar en condiciones naturales en concentraciones de 2mg/L. (Ecofluidos Ingenieros S.A, 2012) El aluminio que se encuentra en el agua superficial es proveniente de la disolución de silicatos y filosacatos la cual se puede encontrar por medio de sales solubles o compuestos coloidales, se pueden encontrar en concentraciones entre 0,1 mg/L y 10 mg/L. El proceso de este elemento inicia con la meteorización de rocas el cual genera un aluminio coloidal y seguido de esto un aluminio disuelto. En embalses y lagos las presencias de aluminio en estos cuerpos de agua aumentan en profundidad a causa del aporte de aguas ricas en arcillas con concentraciones considerables de este metal. La presencia de Aluminio en un cuerpo de agua superficial se puede determinar por medio de dos métodos que son la espectrofotometría de absorción molecular o mediante la absorción atómica sin llama. (Universidad de Jaén, 2010). El aluminio es un elemento natural del agua debido a que forma parte de las arcillas, puede estar presente de manera soluble o coloidal, el cual puede ayudar al deterioro de la calidad del agua en cuanto a color y turbiedad. Para la remoción de Aluminio en su estado soluble en plantas de tratamiento debe hacerse por medio de la formación de hidróxido de aluminio teniendo control del PH debido a que si su valor incrementa significativamente se pueden formar aluminatos, finalmente cuando este elemento se encuentra en agua cruda es recomendable usar coagulantes de sales de hierro o polímeros sintéticos para su remoción a través de la formación de compuestos precipitables. (Organización Mundial de la Salud OMS, 2017) 3.2.2.2 Fosfatos en aguas superficiales. Bolaños, Cordero y Segura (2017), en busca de la determinación de fosfatos nos aportan que “el ion fosfato se forma a partir del fósforo inorgánico que existe como mineral y contribuye directamente en el ciclo de este elemento en el ambiente. También puede existir en solución como partículas, como fragmentos sueltos o en los cuerpos de organismos acuáticos. El agua de lluvia puede contribuir a la lixiviación de concentraciones de fosfatos producto de la infiltración y escorrentía de los suelos agrícolas a los cursos de agua próximos”. Los fosfatos, también pueden contribuir a fenómenos de eutroficación que, según estos autores, un aumento significativo en la concentración de fosfatos en el agua del Lago Erie en Canadá

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tuvo como consecuencia la muerte de los peces y muchas especies marinas y ya que este sirve como nutriente para el crecimiento desmedido de algas, reduciendo las concentraciones de oxígeno disuelto en el agua. Finalmente, los autores concluyen que este fenómeno de eutroficación fue atribuido al excesivo uso de fertilizantes en las actividades agrícolas de la zona y al crecimiento demográfico, que conlleva a generar aguas residuales que no reciben tratamiento, afirman que los medios de propagación y dispersión son los procesos de escorrentía y plantean como recomendación mantener un control más estricto sobre el uso de fertilizantes y la lixiviación de estos cuerpos de agua. Pütz (2009) presenta una gran cantidad de aspectos referentes a los fosfatos y su presencia en el agua superficial. Uno de estos es lo que denominó eliminación de fosfato, en el cual expone que ¨puede suponerse que la concentración media de fosfatos a la entrada de una depuradora municipal de aguas residuales es 9 mg/L como fosforo (P) total¨. Esta concentración debe reducirse, durante los procesos de depuración del agua residual, hasta el valor límite establecido a la salida. Existen dos modos de llevar esto a cabo: 1) la eliminación biológica de fósforo; o 2) la precipitación química de fosfato. afirma que las desventajas asociadas a los métodos de precipitación son el aumento de la salinidad del agua residual y receptora. Por este motivo, recomienda en la práctica sea utilizada una combinación de eliminación biológica y química de fósforo para minimizar el consumo de precipitante. La eliminación biológica de fósforo consiste en “almacenamiento de más fosfato de lo que es normalmente necesario en el fango activo floculado. Esto se produce cuando el fango está en un entorno unas veces aeróbico y otras veces anaeróbico (entrada de oxígeno activada/desactivada). La eliminación biológica eficaz del fósforo depende de: 1) la presencia de suficientes materias orgánicas fácilmente biodegradables (DBO5); 2) una relación P/DBO5 de < 0,03; y 3) una relación N/DBO5 de < 0,25 en la entrada del tanque de aireación favorecen el aumento de la degradación biológica de fósforo”. Por lo tanto, para aguas naturales que contienen concentraciones de fosfatos, una precipitación química usado coagulantes puede ser una alternativa viable para su eliminación. 3.2.2.3 Hierro en aguas superficiales. La presencia de hierro en agua de consumo humano genera problemas para la infraestructura de redes, válvulas y micromedidores como lo expresan Burbano y Sánchez (2004), quienes se centraron en estudiar dos opciones para la remoción de este metal, la primera opción se basó en un sistema de oxidación con hipoclorito de sodio más filtración gruesa ascendente, y el segundo método probado fue oxidación por aireación y filtración en múltiples etapas. Los procesos de aireación +

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FiME fue realizado en escala real a una velocidad de 0.5m/h. El estudio concluyo que la combinación de aireación + FiME presento una remoción de hierro del 92%. El estudio también recomienda que para implementar sistemas de oxidación + filtración para la remoción de hierro se deben considerar parámetros de importancia como: a) cuantificación de la concentración del cloro a ser adicionado al tratamiento, b) velocidad de filtración, c) longitud del medio filtrante, d) distribución y tamaños de la grava y e) la pérdida de carga en el sistema.

4. MATERIALES Y MÉTODOS 4.1 MATERIALES Para dar cumplimiento a los objetivos planteados, para el desarrollo del proyecto de investigación, se emplearon las siguientes herramientas:

Libros y documentos digitales y físicos:

Microsoft office:

Aplicación de Autodesk

Laboratorio de Jarras:

Turbidímetro Lovibond Water

PH-metro de laboratorio Hanna

Multiparametro Lovibond 4.2 METODOLOGÍA La metodología por utilizar en este proyecto con base a sus objetivos es descriptiva evaluativa. En este caso, el trabajo se desarrolla a partir de la información preliminar recolectada en la secretaria de servicios públicos, bases de datos y laboratorios, se hará un análisis identificando los factores que afectan la calidad de agua y así proyectar las unidades de tratamiento necesarias para garantizar el cumplimiento de los parámetros establecidos en la resolución 2115 de 2017.

4.2.1 FASE 1: Investigación previa Se realiza una revisión de la literatura sobre los sistemas de tratamiento de Filtración en Múltiples etapas (FIME) desde los conceptos generales hasta puntualizar con la

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problemática encontrada en la planta de tratamiento de Soracá, esto es logrado con ayuda de bases de datos, repositorios universitarios, CRAI USTA y datos de acceso público para el ciudadano colombiano, como lo son normativas, decretos y resoluciones vigentes de importancia relevante para la investigación. Los aspectos relevantes de esta fase se consignaron en la sección 3 Marco Teórico. Seguido de esto, se recopila la información presente en la alcaldía del municipio relacionada con el diseño y funcionamiento de la planta de tratamiento de agua potable como lo es el Plan Maestro de Acueductos y Alcantarillados y el histórico de calidad de agua.

4.2.2 FASE 2: Diagnóstico de la planta de tratamiento de agua potable Se visita la planta de tratamiento donde se realiza el diagnostico de cada una las unidades de filtración teniendo en cuenta el estado físico externo de las estructuras y el cumplimiento mínimo de las condiciones planteadas en el RAS 2000 para los lechos filtrantes con lo cual se corrobora la problemática planteada; así mismo, se define las unidades complementarias de tratamiento necesarias que garanticen el cumplimiento de cada uno de los parámetros establecidos en la resolución 2115 de 2007 en cuanto a la calidad de agua.

4.2.3 FASE 3: Proyección de población Uno de los factores más importantes para el diseño de estructuras hidráulicas es la proyección de población, el cual de acuerdo al Instituto Vasco de Estadística (Eustat, 2018) son estimaciones de la población futura, a corto y medio plazo, basadas en el conocimiento de los fenómenos demográficos y utilizando los indicadores demográficos de mortalidad, fecundidad y migraciones, para llevar a cabo este proceso se recolecta los datos históricos de censo poblacional del DANE y se realiza la estimación de acuerdo a los métodos que se encuentran en el titulo B del RAS 2000. El método de cálculo para la proyección de población se define de acuerdo con el nivel de complejidad establecido en el RAS 2000 (ver tabla 3), el municipio de Soracá está en nivel bajo debido a que tiene una población menor a 2500 habitantes. En la tabla 3 se muestra el nivel de complejidad de acuerdo con el número de habitantes.

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Tabla 3 NIVEL DE COMPLEJIDAD

FUENTE: Reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico (RAS 2000)

Los métodos de cálculo permitidos según el nivel de complejidad del sistema para la proyección de la población de acuerdo con el RAS 2000. Los métodos por utilizar para el cálculo de la proyección de población usados en esta monografía son el aritmético, geométrico y exponencial. 4.2.3.1 Método Aritmético El método aritmético supone un crecimiento vegetativo balanceado por la mortalidad y la emigración (RAS,2000). La ecuación para calcular la población proyectada es la siguiente:

𝑃𝑓 = 𝑃𝑢𝑐 + 𝐾𝑎 × (𝑇𝑓 − 𝑇𝑢𝑐) Ecuación 1

Donde:

Pf= Población final PUC: Población último censo Ka: Índice de crecimiento

Tf= Año a proyectar TUC: Año último censo

4.2.3.2 Método Geométrico: El método geométrico es útil en poblaciones que muestren una importante actividad económica, que genera un apreciable desarrollo y que poseen importantes áreas

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de expansión las cuales pueden ser dotadas de servicios públicos sin mayores dificultades (RAS, 2000). La ecuación que se emplea es:

𝑃𝑓 = 𝑃𝑢𝑐(1 + 𝑟)𝑇𝑓−𝑇𝑢𝑐 Ecuación 2

𝑟 = (𝑃𝑢𝑐

𝑃𝑓)

1

(𝑇𝑢𝑐−𝑇𝑐𝑖)− 1 Ecuación 3

Donde:

Pf= Población final PUC: Población último censo r: Índice de crecimiento Tf= Año a proyectar TUC: Año último censo

4.2.3.3 Método Exponencial Se recomienda su aplicación a poblaciones que muestren apreciable desarrollo y posean abundantes áreas de expansión (RAS, 2000). La ecuación empleada por este método es la siguiente:

𝑃𝑓 = 𝑃𝑐𝑖 × 𝑒𝑘𝑥(𝑇𝑓−𝑇𝑐𝑖) Ecuación 4

𝑘 =𝑙𝑛𝑃𝑐𝑝−𝑙𝑛𝑃𝑐𝑎

𝑇𝑐𝑝−𝑇𝑐𝑎 Ecuación 5

Donde: Pf= Población final PCI: Población censo inicial e: Exponencial K: Índice de crecimiento Tf= Año a proyectar TUC: Año último censo ln: Logaritmo natural

Seguido de la selección del método a emplear se calcula el caudal de diseño teniendo en cuenta la dotación bruta, perdidas incremento poblacional y de consumo. (Ver Anexo 9)

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4.2.4 FASE 4 Dimensionamiento de las estructuras Se ejecutará el diseño de las unidades de tratamiento para la optimización del sistema de potabilización, dentro de las opciones evaluadas anteriormente que pueden mejorar la calidad del agua en el municipio de Soracá están: 4.2.4.1 Aireación: Para el dimensionamiento de esta estructura, se escoge el sistema de aireador de bandejas con carbón coque como material filtrante, el cual ayudara a la remoción de compuestos de ácidos húmicos, fúlvicos y geoesmin responsables de la generación de olores y sabores indeseables en el agua. Este mecanismo de pretratamiento, permite la transferencia de oxígeno al agua, además de disminuir sustancias como hierro y fosfatos los cuales son parámetros que se encontraron por fuera del rango admisible en la planta de tratamiento de Soracá según la resolución 2115 de 2017. (Lozano y Lozano, 2015) 4.2.4.2 Mezcla rápida: Se diseña un vertedero rectangular como método de coagulación debido a que se tiene un nivel de complejidad baja y es recomendado para caudales mayores a 6L/s (Lozano y Lozano, 2015 como se citó en Terraza Aragón, 1981). Esta estructura facilita la medición del caudal de entrada y permite generar un resalto hidráulico, este se diseñó de acuerdo con el método de Ritcher complementándolo con el método de Lozano Rivas. 4.2.4.3 Floculador: Se selecciona un floculador hidráulico de tabiques de flujo horizontal, debido a que este tipo mezcla lenta es recomendada para caudales menores o iguales a 50L/s, se diseñan dos unidades para garantizar un adecuado funcionamiento en su proceso de mantenimiento y lavado, el material escogido para los tabiques es la madera debido a su bajo costo, no se deforman fácilmente y son de simple manejo e instalación. (Lozano y Lozano, 2017)

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4.2.4.4: Sedimentador: Se diseña un sedimentador de tipo lamelar o de alta tasa de flujo ascensional, esta estructura trabaja con un flujo laminar, permite que la distancia recorrida por las partículas sea menor y con ello incrementa el proceso de clarificación. 4.2.4.5: Filtro dinámico: Para el diseño del filtro dinámico, se tiene en cuenta los parámetros establecidos en la guía para diseño de sistemas de tratamiento de filtración en múltiples etapas por IRC junto con la universidad del valle y CINARA. Este pre-filtro permite disminuir los picos de turbiedad y protege de solidos suspendidos a las estructuras siguientes. (Sánchez, 2006). 4.2.4.6 Filtro lento de arena: Para el diseño de un filtro lento en arena se tiene en cuenta los parámetros de diseño establecidos por Cinara e IRC, este filtro reduce la presencia de materia orgánica y microorganismos aeróbicos. (Sánchez, 2006)

4.2.5 FASE 5: Determinación de dosis óptima de coagulante Para el cálculo de la dosis óptima de coagulante, se condujo un ensayo de jarras el cual simula el proceso de coagulación y floculación de la planta de tratamiento de agua potable. Los ensayos de jarras se ejecutaron en los laboratorios de la Universidad Santo Tomas Tunja, siguiendo los procedimientos estandarizados para este tipo de pruebas tomando como referencia el procedimiento planteado en “Teoría y práctica de la purificación del agua” de Jorge Arboleda Valencia, (2000).

4.2.6 FASE 6: Análisis de resultados En esta fase, se realizó el análisis de los resultados obtenidos en el laboratorio de la fase 4, se describirá el cálculo de las nuevas unidades proyectadas para subsanar la deficiencia en su tratamiento. En los anexos del informe, quedaran consignados los planos generales y memorias cálculo de las unidades propuestas.

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4.2.7 FASE 7: Manual de operación Se entregará como producto un manual de operación y mantenimiento de la PTAP el cual incluirá la integración de las nuevas unidades y las existentes, que servirán como guía a los operarios y administradores del sistema.

4.2.8 FASE 8: Conclusiones y recomendaciones Finalmente, se presentan las conclusiones con respecto a los resultados y análisis obtenidos en cada una de las fases y, de igual manera, se plantean recomendaciones en cuanto a las necesidades encontradas en el sistema de potabilización y las estructuras existentes. En la imagen 3, se muestra el resumen de la metodología seguida para el desarrollo de esta investigación de acuerdo con las necesidades diagnosticadas en la PTAP de Soracá y los objetivos de este trabajo.

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Imagen 3 METODOLOGIA

FUENTE: Autoras

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5. DESARROLLO DEL PROYECTO 5.1 DIAGNOSTICO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE

5.1.1 Descripción general de la planta de tratamiento de agua potable

5.1.1.1 Zona de recolección: La zona de captación carece de cerramiento y seguridad que generan como consecuencia que la fuente hídrica sea intervenida por agentes externos tales como personas o animales, permitiendo que estos puedan realizar daño estructural como de salubridad, cuenta con un cabezal de ancho de 1.00 m, alto 1.30 m, unas aletas de 1.30 m de longitud con un ángulo de 45° y una caja de inspección de 1m x 1m; seguido de esto el agua captada es transportada por una tubería de 3” semienterrada hacia la caja de inspección final encargada de recolectar el agua a transportar hacia la PTAP estas estructuras se encuentran en deterioro e invadidas por la cobertura vegetal; el caudal de agua que no es recolectado en el proceso anterior se conduce por un canal superficial natural directo a la bocatoma, ubicado a 15m aproximadamente aguas debajo del cabezal. (Imagen 4)

Imagen 4 ZONA DE RECOLECCIÓN (CABEZAL)

FUENTE: Autoras

5.1.1.2 Bocatoma: Es una estructura irregular que carece de cerramiento y seguridad, presenta invasión por vegetación y es evidente la presencia de materia fecal de equinos y

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vacunos. Esta estructura recibe el caudal proveniente del cabezal por la parte superior, en uno de sus costados cuenta con 3 tubos de ½ pulgada que transportan el agua recolectada de la montaña, estos se encuentran protegidos con una malla (costal) para evitar la infiltración de animales y hojas. (Imagen 5).

Imagen 5 BOCATOMA

FUENTE: Autoras

5.1.1.3 Sedimentador primario (Desarenador): Se cuenta un sedimentador de 20m de largo y 1,20m de profundidad, la estructura no está en buenas condiciones y por el momento no se encuentra en funcionamiento, es evidente el abandono de la estructura puesto que hay presencia vegetal floreciendo en su interior. Esta estructura también sirve como desarenador. (Imagen 6).

Imagen 6 SEDIMENTADOR

FUENTE: Autoras

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5.1.1.4 Caja de recolección: Se encuentra al costado oriental del sedimentador, cuenta con dimensiones, largo 1,70m, ancho 1,70m y 1,20m de profundidad. Esta estructura se encuentra invadida por vegetación (pastos), se encarga de recibir el caudal proveniente de aguas arribas del humedal por medio de tres tubos de PVC de 3” pulgadas, como también de la bocatoma y el cabezal. (Imagen 7)

Imagen 7 CAJA DE RECOLECCIÓN

FUENTE: Autoras

5.1.2 Unidades de tratamiento encontradas en la PTAP

5.1.2.1 Filtro dinámico grueso: El caudal a tratar ingresa por medio de una tubería PVC 4 pulgadas, seguido cuenta con un macromedidor, continua a la cámara de entrada donde el caudal es dividido en dos canales controlados por una válvula de lenteja. Este canal, en su parte final, cuenta con un vertedero triangular en fibra de vidrio encargado de medir el caudal y la lámina de agua, el flujo desciende a la caja de filtros donde se puede observar un lecho de grava de diversos tamaños (granulometría desconocida), el caudal desciende y es recolectada por medio de un sistema de flautas para finalmente pasar a la cámara de salida donde se controla el caudal por medio de dos registros de 4 pulgadas conectados a una tubería PVC del mismo diámetro, el fontanero a cargo realiza raspado superficial de 10 cm como mantenimiento dos veces en la semana. Las dimensiones de esta estructura se muestran en el anexo 5 De las visitas realizadas durante el desarrollo del proyecto se puede evidenciar que el macro-medidor de entrada no está en funcionamiento, por lo cual no es posible

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llevar un control de caudal de entrada dejando como único mecanismo de medición la regla de aforo. Así mismo, es notorio que el lecho filtrante no está organizado de manera correcta, es decir, la grava más fina en la capa superior y la más gruesa en el fondo, lo que genera un fallo en el proceso de adherencia de partículas coloidales. Esto también deja ver que el filtro no posee suficiente cabeza para trabajar de acuerdo con lo establecido en el RAS Titulo C (1.8 – 3.0 m), para este tipo de estructuras. Además, no se evidencian estructuras para labores de retro lavado del lecho filtrante. (Imagen 8). Las dimensiones especificadas se pueden consultar en el anexo 5

Imagen 8 FILTRO GRUESO DINAMICO

FUENTE: Autoras

5.1.2.2 Filtro lento ascendente: Recibe el agua por medio de dos tuberías PVC 4 pulgadas, el caudal llega una cámara de entrada encargada de distribuir el caudal a cada una de las dos unidades del filtro, esta operación se realiza por medio de un canal transversal regulado por dos válvulas de lenteja, el flujo ingresa por la parte inferior del filtro por medio de sistema difusor de tuberías perforadas, seguido de esto el flujo asciende generando una lámina de agua de aproximadamente 0,80m y es drenada a la cámara de salida por medio de una tubería PVC ½ pulgada , finalmente, el caudal se distribuye al filtro lento de arena por medio de dos tuberías PVC de 4”. el mantenimiento es realizado por el operador de la planta de tratamiento una vez a la semana. Las dimensiones especificadas se pueden consultar en el anexo 5

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En la visita, se logra observar que la cámara de entrada y canal de distribución presenta residuos de materia orgánica en su fondo; en la caja filtros es evidente la presencia de una capa biológica adherida y suspendida en la lámina de agua lo que genera una mala operación del filtro, tampoco cuenta con un manejo de lodos, aunque su estructura esté presente, no se encuentra en funcionamiento. (Imagen 9)

Imagen 9 FILTRO ASCENDENTE

FUENTE: Autoras

5.1.2.3 Filtro lento arena: El caudal proveniente del filtro lento de arena llega a la cámara de entrada por medio de una tubería PVC 4 pulgadas y es distribuida por medio de un vertedero a un canal con dos válvulas para el control de la velocidad, seguido de esto el flujo pasa al lecho filtrante por medio de una ventana de acceso ubicada en la parte superior del lecho de arena, finalmente sale por una tubería de 4 pulgadas hacia la cámara de recolección donde se encuentran dos registros de control que dan continuidad al flujo hacia el tanque de almacenamiento. El mantenimiento es realizado cada 6 meses. (Imagen 10) Se logra concluir que esta estructura no realiza su función de manera correcta debido a que su proceso de filtración es demasiado lento y no alcanza a realizar la operación adecuadamente para el caudal entrante, generando un tiempo de retención hidráulico excesivo provocando un estancamiento de partículas en su interior. Por esta razón, es evidente la presencia de algas sobre la superficie del agua, y debido a esto, el filtro se encuentra fuera de servicio y el agua es enviada directamente al tanque de almacenamiento por medio de 6 tubos PVC de 1 pulgada, como consecuencia, el agua es almacenada sin su último proceso de filtración. Los detalles de esta estructura se encuentran en el anexo 5.

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Imagen 10 FILTRO LENTO DE ARENA

FUENTE: Autoras

5.1.3 Diagnostico de calidad de agua

EL municipio de Soracá se abastece del nacedero el Salitre ubicado en la vereda El Rosal en el cual se cuenta con una estructura hexagonal en concreto encargada de almacenar el agua cruda y seguido de esto dirigirla a la planta de tratamiento, en esta instalación es evidente la falta de cerramiento y el fácil acceso que tiene cualquier individuo, corriendo el riesgo que filtren o depositen elementos externos que generen problemas en la calidad del agua a tratar. De igual manera, cabe resaltar que el mantenimiento no es constante lo cual permite el crecimiento de plantas acuáticas nativas como la lenteja de agua que trae como consecuencia la desoxigenación del agua. Igualmente, a sus alrededores hay presencia de ganadería y agricultura que conlleva a la presencia de materia orgánica y residuos de fertilizantes aumentando las concentraciones de fosfatos. En la tabla 4, se muestra el histórico de calidad de agua desde el mes de marzo de 2019 a noviembre de 2019 y marzo de 2020 a noviembre de 2020 los cuales fueron suministrados por la empresa de servicios públicos de Soracá.

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Tabla 4 HISTORICO CALIDAD DE AGUA

FUENTE: Servicios públicos de Soracá

De acuerdo con la tabla 4, se evidencia que el agua tratada en la PTAP del municipio de Soracá para el parámetro de fosfatos un 72% de las muestras registradas superan los valores establecidos en la resolución 2115 de 2007 el cual corresponde a 0,5 mg/L como PO4

3. También se observa que hay mayor presencia de hierro total

PHALCALINIDAD

TOTALALUMINIO CALCIO

CLORO

RESIDUAL

LIBRE

CLORUROS COLOR

APARENTE CONDUCTIVIDAD

PARAMETRO

RESOLUCIÓN 2115/076,5 - 9 200 0,2 60 0,3 - 2 250 15 1000

Mes/Unidad UND mg CaCO₃/L mg Alᶟ/L mg Ca/L mg Cl₂/L mg CL/L UPC mS/cm

Marzo 2019. 7,40 52,40 0,44 24,90 0,60 5,38 8,00 111,90

Abril 2019. 7,4 52,4 0 20,5 0,8 5,38 9 98,2

Mayo 2019. 7 37,7 0,19 16,3 0,4 4,89 3 84,4

Junio 2019. 7 26,4 0,22 16,5 1,6 8,32 3 100,1

Julio 2019. 7 43,2 0,19 17,8 0,4 1,96 3 96,4

Agosto 2019. 7,2 31,9 0,28 14,5 0,4 8,32 1 96,5

Septiembre 2019. 7 37,6 0,19 15 1 6,85 4 96,15

Octubre 2019. 6,8 32,9 0,06 17,8 1,4 6,85 2 104,2

Noviembre 2019. 7,6 39,5 0,17 16,9 1,8 7,83 2 102,7

Marzo 2020. 7,20 58,30 0,02 22,50 1,20 6,36 3,00 117,00

Abril 2020. 7,20 60,90 0,16 22,10 1,50 5,38 2,00 121,00

Mayo 2020. 7,40 49,70 0,00 20,80 0,40 2,45 4,00 106,20

Junio 2020. 6,90 51,70 0,12 17,10 0,99 4,40 4,00 101,80

Julio 2020. 6,98 37,80 16,20 6,85 6,00 9,90

Agosto 2020. 6,70 47,70 1,24 20,80 0,80 7,34 9,00 102,10

Septiembre 2020. 7,00 59,60 0,33 17,80 1,22 6,85 6,00 109,60

Octubre 2020. 7,00 64,60 0,25 22,70 1,40 5,38 6,00 117,70

Noviembre 2020. 7,00 41,70 0,19 20,70 0,98 10,30 10,00 101,50

DUREZA

TOTAL FOSFATOS

HlERRO

TOTAL MAGNESIO NITRATOS NITRITOS SULFATOS TURBIEDAD

PARAMETRO RESOLUCIÓN

2115/07300 0,5 0,3 36 10 0,1 250 2

Mes/Unidad mg CaCO₂/L mg PO₄ᶟ mg Fe/L mg Mg/L mg NO₃/L mg NO₂/L mg SO₄2/L UNT

Marzo 2019. 62,70 0,11 0,11 0,13 0,44 0,01 1,00 0,00

Abril 2019. 56,5 0,9 0,02 1,26 0,44 0,01 0 0

Mayo 2019. 43,7 0,28 0,17 0,72 0,44 0,01 0 0,69

Junio 2019. 45,7 0,45 0,07 1,09 1,32 0,01 0 0

Julio 2019. 45 0,66 0,35 0,15 0,44 0 0 0

Agosto 2019. 44,2 0,65 0,12 1,97 2,2 0,02 0 0

Septiembre 2019. 46,9 0,6 0,35 2,31 0 0,01 1 0

Octubre 2019. 50 0,69 0,14 1,37 2,64 0,01 1 0

Noviembre 2019. 48,4 0,39 0,1 1,52 1,32 0,02 6 0

Marzo 2020. 59,60 0,84 0,15 0,81 1,76 0,01 0,00 0,00

Abril 2020. 59,00 0,09 0,11 1,09 0,88 0,01 2,00 0,00

Mayo 2020. 53,80 0,84 0,12 0,45 0,00 0,00

Junio 2020. 56,90 0,70 0,09 3,46 1,76 0,01 0,00 0,00

Julio 2020. 49,10 0,73 0,12 2,08 1,32 0,02 1,00 0,00

Agosto 2020. 52,50 0,54 0,03 0,15 1,32 0,01 1,00 0,62

Septiembre 2020. 57,30 0,73 0,15 3,12 1,76 0,01 1,00 0,35

Octubre 2020. 64,50 0,77 0,16 1,88 1,76 0,01 1,00 0,28

Noviembre 2020. 53,80 0,60 0,31 2,96 0,44 0,00 5,00 0,00

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lo que genera con el tiempo oxidación en los accesorios utilizados en la planta provocando un mal funcionamiento de la misma, finalmente se entiende que el 28% de las muestras registradas en el aluminio exceden los 0,2 mg Al3/mg. Como parte del diagnóstico de calidad de agua, se tienen en cuenta los parámetros, procedimientos, características, instrumentos básicos y frecuencias del sistema de control y vigilancia de la calidad del agua para consumo humano establecidos en la resolución 2115 de 2007, se calcula el Índice de Riesgo de la Calidad del Agua para Consumo Humano (IRCA) e Índice de Riesgo por Abastecimiento de Agua para Consumo Humano (IRABAm). Se realiza el cálculo del %IRCA a los dos últimos datos del histórico de calidad correspondientes a los meses octubre y noviembre del 2020, con el fin de tener el promedio mensual de este porcentaje (ver tabla 5)

𝐼𝑅𝐶𝐴(%) =∑ 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑟𝑖𝑒𝑠𝑔𝑜 𝑎𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑛𝑜 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑛𝑡𝑜

∑ 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑟𝑖𝑒𝑠𝑔𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑎 𝑎𝑛𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑟× 100 Ecuación 6

Los resultados de calificación de calidad de agua (IRCA) de los últimos dos meses registrados en el histórico de calidad de agua que corresponde a octubre y noviembre de 2020 se puede observar en la tabla 5.

Tabla 5 CALIFICACIÓN CALIDAD DE AGUA (IRCA)

FUENTE: Autoras

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Según el artículo 15 de la resolución 2115, el municipio de Soracá se encuentra en un nivel de riesgo “sin riesgo” apta para el consumo humano y se debe continuar con la vigilancia. Se continua con el cálculo del Índice de riesgo por abastecimiento de agua de la persona prestadora (IRABApp), como está indicado en la resolución anteriormente mencionada en su artículo 18, se tienen en cuenta un listado de puntajes asignados para tratamiento, ensayos básicos de laboratorio en planta de tratamiento y trabajadores certificados de la persona prestadora del servicio (IT). Para el caso del municipio de Soracá, se obtiene un IT de 52 puntos especificados en la tabla 6 y siguiendo la ecuación 7.

Tabla 6 PUNTAJE INDICE DE TRATAMIENTO

Puntajes para el índice de tratamiento del agua para consumo humano. Ref. Resolución 2115/07

Directriz Puntaje

asignado

Si se realizan todos los procesos requeridos según las características del agua cruda y su

tratamiento es intermitente 25

Prueba de jarras 3

Demanda de cloro 0

Turbiedad 3

Color 3

pH 3

Entre el 90% y el 100% de los trabajadores que son operadores de planta están

certificados 15

Total 52

IC: 10.1-18 horas/día 10

FUENTE: Autoras

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𝐼𝑅𝐴𝐵𝐴𝑝𝑝 = 100 − (𝐼𝑇 + 𝐼𝐶) Ecuación 7

𝐼𝑅𝐴𝐵𝐴𝑝𝑝 = 100 − (52 + 10) = 38% Donde: IRABApp: Índice de riesgo por abastecimiento de agua de la persona prestadora. Pp: Persona prestadora del servicio IT: índice de tratamiento IC: índice por continuidad Se obtiene un nivel de riesgo a la salud MEDIO, por ende, la resolución establece en su artículo 19 que “la persona prestadora debe disminuir, mediante gestión directa, las deficiencias en el tratamiento y continuidad del servicio” Prosiguiendo con el cálculo del índice de riesgo por distribución en el municipio IRBm (ver ecuación 8), se tienen en cuenta variables como el puntaje asignado para clasificar la forma de distribución (E1=90), en el casco urbano del municipio de Soracá el suministro es 100% mediante la red de distribución,

𝐼𝑅𝐵𝑚 = 100 − [(𝐸1 ∗ %𝑟𝑒𝑑) + (#𝐶𝑜𝑛𝑒𝑥𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑𝑜𝑚𝑖𝑐𝑖𝑙𝑖𝑎𝑟𝑖𝑎𝑠

#𝑑𝑒 𝑣𝑖𝑣𝑖𝑒𝑛𝑑𝑎𝑠∗ 𝐹)] Ecuación 8

𝐼𝑅𝐵𝑚 = 100 − [(90 ∗ 100%) + (506

712∗ 10)] = 2.89%

Donde: IRBm: Índice de riesgo por distribución en el municipio E1: 90puntos: %Red E2: 50 puntos: %Pilas E3: 10 puntos: %Carrotanques E4: 5 puntos: %Otros F: Constante

Para finalizar con el cálculo del IRABAm, se sigue con la ecuación presentada a continuación:

𝐼𝑅𝐴𝐵𝐴𝑚 = (𝐼𝑅𝐴𝐵𝐴𝑝𝑝

#𝑒𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑎𝑠 𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛𝑎𝑠 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑒𝑟𝑖𝑐𝑖𝑜) ∗ 0.6 + 𝐼𝑅𝐵𝑚 ∗ 0.4 Ecuación 9

54

𝐼𝑅𝐴𝐵𝐴𝑚 = (38

1) ∗ 0.6 + 2.89% ∗ 0.4 = 23.95%

Se obtiene un nivel de riesgo a la salud BAJO por ende la resolución establece en su artículo 19 que “el alcalde propondrá y ejecutará acciones correctivas para eliminar el índice de riesgo por distribución”. 5.2 PROYECCIÓN DE POBLACIÓN El desarrollo del proyecto se lleva a cabo con la población de la cabecera municipal de Soracá, Boyacá. Para la proyección de población, se tienen en cuenta los censos proporcionados por el Departamento Administrativo Nacional de Estadística (DANE) los cuales son: Los últimos censos realizados al municipio de Soracá se pueden observar en la tabla 7.

Tabla 7 POBLACIÓN CENSADA

AÑO CENSADO POBLACIÓN

1985 391

1993 486

2005 730

2018 1461 FUENTE: Departamento Administrativo Nacional de Estadística (DANE)

Gráfica 1 POBLACIÓN CENSADA

FUENTE: Autoras

391 486730

1.461

0

500

1.000

1.500

2.000

1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020NÚ

MER

O D

E P

ERSO

NA

S

AÑO CENSADO

POBLACIÓN CENSADA

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De acuerdo con la gráfica 1, se puede entender que en el lapso de tiempo entre 1985 y 1993 se muestra un incremento poblacional del 24,5% con un aumento aproximado de 12 personas anualmente, entre 1993 a 2005 se presentó un índice del 50,3% con un crecimiento de 20 personas cada año; finalmente, en el transcurso de 2005 a 2018 se expresa un aumento del 100% con una tasa de 56 personas año a año.

5.2.1. Métodos de cálculo El método de cálculo para la proyección de población se define de acuerdo con el nivel de complejidad del municipio de Soracá, el cual está establecido en el RAS 2000 en la tabla 3, el municipio hasta el año 2018 contaba con una población de 1461 habitantes (ver tabla 7). Por lo tanto, se define con un nivel de complejidad Bajo, para el año 2045 se proyecta una población de 3095 habitantes por lo cual nivel de complejidad a cambia a medio. De acuerdo con la Tabla B.2.1 del RAS 2000 Métodos de cálculo permitidos según el nivel de complejidad del sistema para la proyección de la población los métodos a utilizar para este ejercicio son el aritmético, geométrico y exponencial. Se realiza la proyección de población de acuerdo con los métodos anteriormente mencionados, siguiendo las ecuaciones 1, 2, 3, 4 y 5. Los resultados se muestran en la gráfica 2. Datos adicionales tomados para el cálculo de la población se muestran en el anexo 9

Los resultados de cada uno de los métodos de proyección de población a trabajar se pueden observar en la Grafica 2.

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Gráfica 2 PROYECCION DE POBLACIÓN

FUENTE: Autoras

Teniendo en cuenta la gráfica 2 Métodos para Cálculo de Población, se logra evidenciar que en el método aritmético se presenta un comportamiento lineal con un crecimiento anual del 2,7% el cual corresponde a 39 personas, en cuanto a los métodos geométrico y exponencial se presenta un comportamiento similar donde existe un crecimiento anual de 3,7% y 3,5% respectivamente con base al año anterior. Se propone trabajar para la proyección poblacional el método aritmético debido a que es el más recomendado en cuanto a poblaciones pequeñas y presenta un crecimiento estable. 5.3 CÁLCULO DEL CAUDAL

Una vez seleccionado el método para el cálculo de la proyección de población, con la ecuación 1 se obtiene una población residencial final de 3094 habitantes para su periodo de diseño, el municipio tiene proyectado una urbanización que consta de 200 apartamentos, por ello se adiciona un promedio de 600 personas para cada año proyectado. Así mismo, se proyecta la población estudiantil partiendo del último dato registrado en el Sistema Integrado de Matrícula- SIMAT (ver tabla 8), para el número de estudiantes matriculados en la institución educativa Simón Bolívar en el año 2020, continuo a esto se suma un promedio de 200 estudiantes presentes intermitentemente en la universidad Juan de Castellanos, dando como resultado 2163 estudiantes para el año 2045.

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Tabla 8 ESTADÍSTICA ALUMNOS INSTITUCIÓN SIMÓN BOLÍVAR

Fuente: Sistema Integrado de Matrícula- SIMAT

5.3.1 Calculo dotación neta (dneta): La resolución 0330 de 2017 en su la tabla 1 del artículo 4, estipula para fines prácticos la dotación máxima por habitante según la altura sobre el nivel del mar de la población, el municipio de Soracá se encuentra a 2799 msnm, por ende, la dotación neta máxima residencial es de 120 L/Hab*día, debido a que su altura promedio es mayor a 2000 msnm, así mismo establece una dotación neta máxima estudiantil de 25 L/Hab*día.

5.3.2 Dotación bruta (dbruta):

Para el cálculo de la dotación bruta, se tiene en cuenta el porcentaje de pérdidas que estipula la resolución 0330 de 2017, este porcentaje engloba el total de las pérdidas técnicas esperadas en todos los componentes del sistema y necesidades de la planta el cual no debe superar el 25%.

𝑑𝑏𝑟𝑢𝑡𝑎 = 𝑑𝑛𝑒𝑡𝑎

1−%𝑝 Ecuación 10

𝑑𝑏𝑟𝑢𝑡𝑎 = 120 𝐿

ℎ𝑎𝑏 ∗ 𝑑í𝑎⁄

1 − 25%= 160 𝐿

ℎ𝑎𝑏 ∗ 𝑑í𝑎⁄

Se continua con la demanda de agua por población, mediante el caudal medio diario (Qmd), caudal máximo diario (QMD) y caudal máximo horario (QMH), para el cálculo de estos datos se debe tener en cuenta el coeficiente de consumo (ver tabla 9).

58

Tabla 9 COEFICIENTE DE CONSUMO

Coeficiente de consumo

Población >

12.500 hab Población <

12.500 hab

k1 1.3 1.2

k2 1.6 1.5 Fuente: Resolución 0330 de 2017

5.3.3 Caudal Medio Diario (Qmd):

Es el caudal medio calculado para la población proyectada, teniendo en cuenta la dotación bruta asignada, se calcula con la siguiente ecuación:

𝑄𝑚𝑑 =𝑃𝑜𝑏𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑝𝑟𝑜𝑦𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑎∗𝑑𝑏𝑟𝑢𝑡𝑎

86400 𝑠𝑒𝑔 Ecuación 11

𝑄𝑚𝑑 =3094.6 ℎ𝑎𝑏 ∗ 160 𝐿

ℎ𝑎𝑏 ∗ 𝑑í𝑎⁄

86400 𝑠= 5.73 𝐿/𝑠

5.3.4 Caudal máximo diario (QMD): Corresponde al consumo máximo registrado durante 24 horas en el periodo de un año, el cual se multiplica por un coeficiente de consumo máximo diario k1, en caso del municipio de Soracá se toma 1.2 debido a que su población tanto actual como proyectada es menor a los 12500 habitantes como se indica en la tabla 9, es calculado con la siguiente ecuación:

𝑄𝑀𝐷 = 𝑄𝑚𝑑 ∗ 𝑘1 Ecuación 12

𝑄𝑀𝐷 = 5.73 𝐿𝑠⁄ ∗ 1.2 = 6.88 𝐿/𝑠

Donde: QMD: Caudal máximo diario Qmd: Caudal medio diario k1: Coeficiente de consumo máximo diario

59

5.3.5 Caudal Máximo Horario (QMH): El caudal máximo horario es el consumo máximo registrado durante una hora del día en un período de un año, Se calcula multiplicando el caudal máximo diario por el coeficiente de consumo diario k2, en caso del municipio de Soracá se toma 1.5, debido a lo anteriormente mencionado (ver tabla 9), se usa la siguiente ecuación.

𝑄𝑀𝐻 = 𝑄𝑀𝐷 ∗ 𝑘2 Ecuación 13

𝑄𝑀𝐻 = 6.88 𝐿𝑠⁄ ∗ 1.5 = 10.32 𝐿/𝑠

Donde: QMH: Caudal máximo horario QMD: Caudal máximo diario k2: Coeficiente de consumo máximo diario

5.3.6 Caudal de diseño (QD):

De acuerdo con el RAS 2000 en su título B, este caudal se define como la suma del caudal máximo diario (QMDtotal) de la población residencial, escolar; finalmente se suma el 5% del mismo, equivalente a la población flotante y caudal de incendio, debido a que el municipio de Soracá no cuenta con atractivos turísticos que representen una población flotante significativa.

𝑄𝑀𝐷𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑄𝑀𝐷𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 + 𝑄𝑀𝐷𝑒𝑠𝑐𝑜𝑙𝑎𝑟 Ecuación 14

𝑄𝑀𝐷𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 6.88 𝐿𝑠⁄ + 0.75 𝐿

𝑠⁄ = 7.63 𝐿𝑠⁄

𝑄𝑑 = 𝑄𝑀𝐷𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 + (5% ∗ 𝑄𝑀𝐷𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙) Ecuación 15

𝑄𝐷 = 7.63 + (5% ∗ 7.63) = 8.0 𝐿𝑠⁄

60

5.4 DIMENSIONAMIENTO DE ESTRUCTURAS El dimensionamiento de las estructuras propuestas se diseña teniendo en cuenta los caudales presentados en la tabla 10.

Tabla 10 CAUDALES

Qmd 6,4 L/s 0,00636 m3/s

QMD 7,6 L/s 0,00763 m3/s

QMH 11,4 L/s 0,01144 m3/s

Porcentaje adicional 5%

QD 8,0 L/s 0,00801 m3/s

Qd unidad 4,0 L/s 0,00400 m3/s FUENTE: Autoras

5.4.1 Aireador de bandejas: Se diseña un aireador de bandejas de cinco unidades rectangulares de 0.55m por 0.55m, con orificios de 0.5 cm, separados a 2 cm y una altura total de 2.75m, esta estructura cuenta con carbón coque como material filtrante, se decide utilizar este componente debido a su fácil acceso y economía; la finalidad de esta estructura en la planta de tratamiento del municipio de Soracá es oxigenar el agua cruda proveniente del reservorio El Manantial, como se mencionó en la sección anterior, la bocatoma no cuenta con cerramiento ni un mantenimiento periódico de las instalaciones, lo que trae como consecuencia un crecimiento de algas y plantas acuáticas reduciendo la capacidad de oxigenación del agua; otra función relevante de la estructura es la oxidación y/o disminución de sustancias como el hierro y fosfatos presentes en el agua y, que de acuerdo con los análisis de calidad de agua, estos parámetros superan los niveles permitidos en la resolución 0330 de 2017. (ver tabla 4). En la tabla 11, se muestra los criterios de diseño para el aireador de bandejas según Lozano Rivas, 2015.

Tabla 11 CRITERIO DE DISEÑO AIREADOR DE BANDEJAS

Criterios de diseño

Parámetro Valor o rango

Carga hidráulica 430 a 860 m3/m2*día

Altura total de torre 2 a 3 m

Número de bandejas 3 a 5 Und

61

Criterios de diseño

Parámetro Valor o rango

Distancia entre bandejas 30 a 50 cm

Profundidad de cada bandeja 20 a 25 cm

Altura máxima lámina de agua 10 a 12 cm

Diámetro medio de los orificios 0,5 a 0,6 cm

Área media de los orificios 0,2 a 0,4 cm2

Separación media entre los orificios 2,5 cm

Eficiencia esperada en remoción CO2 30 al 60%

FUENTE: Potabilización del agua: Principios de diseño, control de procesos y laboratorio, 2015

Tabla 12 CARACTERISTICAS DE LOS LECHOS

Características de los lechos

Material de lecho de contacto

Carbón coque

Carbón activado

Piedra

Ladrillo triturado

Esferas de cerámica

Tamaño del material 4 a 12 cm

Espesor del lecho 15 a 20 cm

FUENTE: Potabilización del agua: Principios de diseño, control de procesos y laboratorio,2015

Área de bandejas (At): el cálculo del área total de las bandejas se da de acuerdo con el caudal de diseño y carga hidráulica, esta es asumida por un valor de 500 m3/m2*día y debe estar en un rango de 430 a 860 m3/m2*día.

𝐴𝑡 =𝑄𝑑

𝐶𝐻 Ecuación 16

𝐴𝑡 =691,20

𝑚3

𝑑í𝑎

500 𝑚3

𝑚2 ∗ 𝑑í𝑎

= 1,38𝑚2

Donde: At: Área de bandejas (m2) Qd: Caudal de diseño (m3/día) CH: Carga hidráulica (m/día)

62

De acuerdo con anterior se proyectan 5 unidades cuadradas de 0.55m x 0.55m con perforaciones en el fondo con un diámetro asumido de 5mm (D= 0.5 – 0.6cm) separados cada 2cm.

Caudal por orificio (Qo): Se asume un coeficiente de descarga de 0.85, por medio de la ecuación 17 se garantiza y comprueba que la descarga sea suficiente por orificio con el fin de que el caudal no rebose.

𝑄𝑜 = 𝐶𝑑 ∗ 𝐴𝑜 ∗ 𝑦 Ecuación 17

𝑄𝑜 = 0,85 ∗ 1,96𝑥105𝑚2 ∗ √2 ∗ 9,81𝑚

𝑠2 ∗ 0,10𝑚 = 0,0234 𝐿

𝑠

Donde: Qo: Caudal a través del orificio (l/s) Cd: Coeficiente de descarga Ao: Área por orificio (m2) y: Altura lámina de agua (m)

Tiempo de exposición (T): De acuerdo con Lozano Rivas, 2015 para la remoción de compuestos orgánicos que causan olor y sabor se maneja un rango de 1s – 1.5s; siguiendo la ecuación 18 se verifica este rango teniendo en cuenta que se asume una altura de bandejas de 0,25m.

𝑇 = 𝑛 ∗ √2∗𝑠

𝑔 Ecuación 18

𝑇 = 5𝑢𝑛𝑑 ∗ √2 ∗ 0,40m

9,81𝑚𝑠2

= 1,43𝑠 𝑂𝐾

Donde: T: Tiempo de exposición (s) n: Número de bandejas (und) s: Separación entre bandejas (m)

5.4.2 Cámara de aquietamiento

63

La implementación de la cámara de aquietamiento permite la disipación de energía que trae el agua aguas arriba, en esta cámara el agua ingresa por la parte inferior, asciende y sale por la parte superior al vertedero. Se diseña una cámara de forma cuadrada siguiendo los criterios establecidos por Lozano Rivas, 2015 los cuales se muestran en la tabla 13.

Tabla 13 PARÁMETROS DE DISEÑO CÁMARA DE AQUIETAMIENTO

PARÁMETROS DE DISEÑO

Parámetro Valor

Velocidad ascendente Va 4 - 10 cm/s

Tiempo de retención hidráulica Trh 30 - 60 s

FUENTE: Potabilización del agua: Principios de diseño, control de procesos y laboratorio

Volumen de la cámara de aquietamiento: Para el cálculo del volumen se adopta un valor de tiempo de retención (Trh) de 40s.

𝑉 = 𝑄𝑑 ∗ 𝑇𝑟ℎ Ecuación 19

𝑉 = 0,008𝑚3

𝑠∗ 40𝑠 = 0,32𝑚3

Donde: V: Volumen de la cámara de aquietamiento (m3) Qd: Caudal de diseño (m3/s) Trh: Tiempo de retención hidráulica (s)

Área Superficial: para el cálculo de este punto se asume una velocidad ascendente de 5cm/s.

𝐴𝑠 =𝑄𝑑

𝑉𝑎 Ecuación 20

𝐴𝑠 =0,008

𝑚3

𝑠

0,05𝑚𝑠

= 0,40𝑚

64

Donde: As: Área superficial (m2) Qd: Caudal de diseño (m3/s) Va: Velocidad ascendente (m/s)

Se diseña una cámara de aquietamiento rectangular por lo tanto las dimensiones serán base de 0,40m, largo de 0,40m y una profundidad de 2m, con una capacidad de 0,32m3.

5.4.3 Mezcla rápida (Vertedero Rectangular) El proceso de mezcla rápida tiene como función la dispersión instantánea del coagulante, para cumplir dicha actividad se diseña un mezclador rápido hidráulico el cual permite usar un resalto hidráulico; este tipo de mezcladores son recomendados para caudales inferiores a 1000 L/s, tienen la ventaja de que para su funcionamiento no necesitan electricidad, repuestos o equipos, generando así un ahorro considerable en los gastos de la planta. Entre los mecanismos de la mezcla rápida hidráulica se encuentran las canaletas Parshall, vertederos y rampas de mezcla; para el diseño a trabajar se propone un vertedero rectangular debido a que es recomendado para caudales mayores a 6L/s. (Terraza Aragón, 1981). Para el diseño de esta estructura se trabaja el método de Lozano Rivas complementándolo con el método de Ritcher. (tabla 14)

Tabla 14 PARÁMETROS MEZCLA RÁPIDA

PARÁMETROS DE DISEÑO

Parámetro Valor

Gradiente de mezcla 1000 - 3000 s-1

Tiempo óptimo de mezcla <1 s

Número de Froude 4,5 a 9

FUENTE: Potabilización del agua: Principios de diseño, control de procesos y laboratorio, 2015

Caudal unitario (q): De acuerdo con los valores de características de la mezcla rápida obtenida por el método Lozano Rivas se toma un valor de 0,042 m3/s*m para caudal unitario. (tabla 15)

65

Tabla 15 VALORES DE CARACTERISTICAS DE LA MEZCLA RÁPIDA

Q (L/s) q (m3/s*m) G (1/s) P/B T (s)

1 0.015 1216 3.7 0.37

5 0.032 1379 2.6 0.47

10 0.049 1481 2.8 0.55

20 0.072 1579 2.6 0.62 FUENTE: Potabilización del agua: Principios de diseño, control de procesos y laboratorio

Caída de agua (P): De acuerdo con el valor admitido para caudal unitario se calcula la caída de agua con la ecuación 21

𝑃 = 4,2 ∗ 𝑞2

3 Ecuación 21

𝑃 = 4,2 ∗ (0,042𝑚3

𝑠 ∗ 𝑚)

23

= 0,51𝑚

Donde: P: Caída de agua (m) q: Caudal unitario (m3/s*m)

Ancho del vertedero (B):

𝐵 =𝑄

𝑞 Ecuación 22

𝐵 = 0,008

𝑚3

𝑠

0,042𝑚3

𝑠 ∗ 𝑚

= 0,19𝑚

Donde: B: Ancho del vertedero (m) Q: Caudal de diseño (m3/s) q: Caudal unitario (m3/s*m)

Profundidad critica de flujo (hc):

66

ℎ𝑐 = (𝑞2

𝑔)

1

3 Ecuación 23

hc = ((0,042

𝑚3

𝑠 ∗ 𝑚)

2

=

9,81𝑚

𝑠2

)

13

= 0.06𝑚

Donde: hc: Profundidad critica del flujo (m) q: Caudal unitario (m3/s*m)

Distancia al punto de aplicación del coagulante (Xi): De acuerdo con la ecuación 11 se usa el valor de la profundidad crítica y se calcula la distancia para la aplicación del coagulante con la expresión de Scimeni.

𝑋𝑖 = 4,3 ∗ 𝑃0,1 ∗ ℎ𝑐0,9

Ecuación 24

𝑋𝑖 = 4,3 ∗ (0,51𝑚)0,1 ∗ (0,06𝑚)0,9 = 0,30𝑚

Donde: Xi: Distancia al punto de aplicación del coagulante (m) P: Caída de agua (m) hc: Profundidad critica del flujo (m)

Profundidad del agua en zona de máxima turbulencia (h1): Este parámetro se relaciona con la profundidad critica mediante la expresión de White.

ℎ1 =√2∗ℎ𝑐

1,06∗√𝑃

ℎ𝑐+1,05

Ecuación 25

h1 =√2 ∗ 0,06𝑚

1,06 ∗ √0,51𝑚

0,06𝑚+ 1,05

= 0,02𝑚

67

Donde: h1: Profundidad del agua en zona de máxima turbulencia (m) hc: Profundidad critica del flujo (m) P: Caída de agua (m)

Número de Froude (NF): Este parámetro garantiza un resalto estable y una mezcla eficiente, para cumplir este fin el número de Froude debe estar entre 4.5 a 9.

𝑁𝐹 =

𝑞

ℎ1

√𝑔∗ℎ1 Ecuación 26

𝑁𝐹 = 2,27

𝑚𝑠

√9,81𝑚𝑠2 ∗ 0,02𝑚

= 5,30

Donde: NF: Numero de Froude q: Caudal unitario (m3/s*m) h1: Profundidad del agua en zona de máxima turbulencia (m)

Con un numero de Froude igual a 5,30 se confirma que si hay un resalto estable.

Profundidad después del resalto (h2):

ℎ2 =√1+(8∗𝑁𝐹2)−1

2∗ ℎ1 Ecuación 27

ℎ2 =√1 + (8 ∗ 5,302) − 1

2∗ 0,02 = 0,13𝑚

Donde: h2: Profundidad después del resalto (m) NF: Numero de Froude h1: Profundidad del agua en zona de máxima turbulencia (m)

68

Pérdidas por energía (hf): Las perdidas por energía presentadas durante el resalto se calculan por medio de la fórmula de Belanger.

ℎ𝑓 = (ℎ2−ℎ1)3

4∗ℎ2∗ℎ1 Ecuación 28

ℎ𝑓 =(0,13𝑚 − 0,02𝑚)3

4 ∗ 0,13𝑚 ∗ 0,02𝑚= 0,14𝑚

Donde: hf: Perdidas de energía (m) h1: Profundidad del agua en zona de máxima turbulencia (m) h2: Profundidad después del resalto (m)

Longitud del resalto (Xr): Para tener un resalto estable la longitud del resalto se calcula por medio de la fórmula de Smetana. Se asume un valor de 0,70m por facilidades de construcción.

𝑋𝑟 = 6 ∗ (ℎ2 − ℎ1) Ecuación 29

𝑋𝑟 = 6 ∗ (0,13𝑚 − 0,02𝑚) = 0,67𝑚

Xr: Longitud del resalto (m) h1: Profundidad del agua en zona de máxima turbulencia (m) h2: Profundidad después del resalto (m)

Tiempo de mezcla (T): Para garantizar una mezcla eficiente se busca un tiempo menor a 1 segundo.

𝑇 =𝑋𝑟

(𝑞

ℎ2−

𝑞ℎ1

)

2

Ecuación 30

𝑇 =0,67𝑚

1,29𝑚𝑠

= 0,52𝑠

Donde:

69

T: Tiempo de mezcla (s) Xr: Longitud del resalto (m) q: Caudal unitario (m3/s*m) h1: Profundidad del agua en zona de máxima turbulencia (m) h2: Profundidad después del resalto (m)

Gradiente de mezcla (G): Este parámetro debe estar en el rango de 1000 a 3000 s-1, se trabaja con la viscosidad dinámica del agua de acuerdo con su temperatura.

𝐺 = √𝛾∗ℎ𝑓

𝜇∗𝑇 Ecuación 31

𝐺 = √

1000𝑘𝑔𝑚3 ∗ 0,14𝑚

1,27𝑥10−4 𝑘𝑔𝑠

𝑚2⁄∗ 0,52𝑠

= 1481,83𝑠−1

G: Gradiente de mezcla (s-1)

: Peso especifica del agua (kg/m3) hf: Perdidas de energía (m)

m: Viscosidad dinámica del agua (kg*s/m2)

T: Tiempo de mezcla (s)

5.4.4 Floculador Para el proceso de floculación se propone un floculador hidráulico de flujo horizontal, son recomendados para caudales menores a 50L/s y tienen la ventaja de que no necesitan electricidad para su funcionamiento generando así disminución de gastos en su mantenimiento y operación. Para la optimización de la planta de Soracá se plantea un floculador con dos unidades, cada uno dividido por tabiques de madera, este accesorio permite que el caudal recorra la estructura en zigzag, permitiendo un tiempo hidráulico de retención adecuado para que las partículas colisionen unas con otras formando partículas más grandes llamadas flocs. A continuación, se muestran los parámetros para el diseño del floculador (tabla 16).

70

Tabla 16 PARAMETROS FLOCULADOR HIDRAULICO DE TABIQUES DE FLUJO HORIZONTAL

PARAMETROS DE DISEÑO

Parámetro Rango

Caudal de diseño <50 L/s

Gradiente óptimo de mezcla 20 a 60 s-1

Número de secciones con gradientes diferentes 2 a 4

Tiempo de retención hidráulica 10 a 40min

Profundidad de la unidad 1 a 2 (1,6) m

Velocidad de flujo entre los tabiques 0,10 a 0,6

m/s

La pendiente del fondo de la unidad debe ser igual a la perdida de carga

FUENTE: Potabilización del agua: Principios de diseño, control de procesos y laboratorio, 2015

Tabiques: Se escogen tabiques de madera con una base (b) de 3m, profundidad (l) de 1,20m y un espesor (e) de 0,015m.

Velocidad del flujo entre tabiques (V): Este parámetro de diseño debe estar en el intervalo de 0.10 a 0.60 m/s, por lo cual se asume una velocidad de 0.15 y 0.12 m/s para la unidad uno y dos respectivamente.

Tiempo de retención hidráulico (Trh): Este parámetro de diseño debe estar en el intervalo de 10 a 40 min, se asume un tiempo de 15 y 20 min para la unidad uno y dos respectivamente.

Longitud del canal de floculación (L): La longitud total de cada una de las zonas del floculador se calculan de acuerdo con su velocidad (m/s) y tiempo de retención (s).

𝐿 = 𝑉 ∗ 𝑇𝑟ℎ Ecuación 32

𝐿1 = 0,15𝑚

𝑠∗ 900𝑠 = 135𝑚

𝐿2 = 0,20𝑚

𝑠∗ 1200𝑠 = 144𝑚

Donde:

71

L: Longitud del canal de floculación (m) V: Velocidad (m/s) Trh: Tiempo de retención hidráulica (s)

Ancho de la canaleta (a): el ancho de la canaleta se calcula de acuerdo la profundidad útil (J) que corresponde a 1,10m y el área transversal de cada canal (A).

𝑎 = 𝐽 ∗ 𝐴

𝑎1 = 1,10𝑚 ∗ 0,05𝑚 = 0,05 𝑚 𝑎2 = 1,10𝑚 ∗ 0,07𝑚 = 0,06 𝑚

Donde: a: Ancho de la canaleta (m) J: Profundidad útil (m) A: Área transversal de cada canal (m2)

Espacio de tabiques entre muros (c): Por facilidades de construcción en las dos zonas se asume una separación de tabiques entre muros de 0,10m

𝑐 = 1,5 ∗ 𝑎

𝑐1 = 1,5 ∗ 0,05𝑚 = 0,07𝑚 𝑐2 = 1,5 ∗ 0,06𝑚 = 0,09𝑚

Donde: c: Espacio de tabiques entre muros (m) a: Ancho de la canaleta (m)

Revisión de velocidades en cada espaciamiento(Vc): Este parámetro de diseño debe ser menor a 0,15 m/s.

𝑉𝑐 =𝑄𝑑

𝑐1 ∗ 𝐽

𝑉𝑐1 =0,008

𝑚3

𝑠0,10𝑚 ∗ 1,10𝑚

= 0,07𝑚/𝑠

72

𝑉𝑐2 =0,008

𝑚3

𝑠0,10𝑚 ∗ 1,10𝑚

= 0,07𝑚/𝑠

Donde: Vc: Velocidad en cada espaciamiento (m/s) c: Espacio de tabiques entre muros (m) J: Profundidad útil (m)

Ancho total de tabiques (ba):

𝑏𝑎 = 𝑏 + 𝑐 𝑏𝑎1 = 3,00𝑚 + 0,10𝑚 = 3,10𝑚 𝑏𝑎2 = 3,00𝑚 + 0,10𝑚 = 3,10𝑚

Donde: ba: Ancho total de tabiques (m) c: Espacio de tabiques entre muros (m) b: Base del tabique de madera (m)

Número de tramos de tabiques (N):

𝑁 =𝐿

𝑏𝑎− 1

𝑁1 =135𝑚

3.10𝑚− 1 = 43,54 𝑢𝑛𝑑 ≈ 44 𝑢𝑛𝑑

𝑁2 =144𝑚

3.10𝑚− 1 = 46,45 𝑢𝑛𝑑 ≈ 47 𝑢𝑛𝑑

Donde: N: Número de tramos de tabiques (und) L: Longitud (m) b: Base del tabique de madera (m)

Perdidas de carga (Hm): Es la sumatoria de las perdidas por cambio de sección, giros o turbulencia (h1) y fricción en los tramos rectos (h2). Se asume un valor adimensional “k” de acuerdo con las características de los tabiques, este valor debe estar en un rango cercano a 3.0 (Arboleda Valencia, 2000).

73

𝐻𝑚 = ℎ1 + ℎ2 Ecuación 33

ℎ1 = 𝑘 ∗ 𝑁 ∗𝑉1

2

2∗𝑔 Ecuación 34

ℎ2 = (𝑛∗𝑉2

𝑅ℎ

23

)

2

∗ 𝐿2 Ecuación 35

Zona 1:

ℎ1−1 = 2,5 ∗ 43 ∗0,15

𝑚𝑠

2 ∗ 9,81𝑚𝑠2

= 0,13𝑚

ℎ2−1 = (0,011 ∗ 0,15

𝑚𝑠

0,08𝑚)

2

∗ 135𝑚 = 0,06𝑚

𝐻𝑚 = 0,13𝑚 + 0,06𝑚 = 0,19𝑚 Zona 2:

ℎ1−2 = 2,5 ∗ 46 ∗0,12

𝑚𝑠

2 ∗ 9,81𝑚𝑠2

= 0,09𝑚

ℎ2−2 = (0,011 ∗ 0,12

𝑚𝑠

0,10𝑚)

2

∗ 144𝑚 = 0,03𝑚

𝐻𝑚 = 0,09𝑚 + 0,03𝑚 = 0,12𝑚

Donde: Hm: Perdidas de carga (m)

74

h1: Perdidas por cambio de sección, giros o turbulencia (m) h2: Perdidas por fricción k: Coeficiente de acuerdo a las características del tabique N: Numero de tabiques (und)

V: Velocidad (m/s) n: coeficiente de manning Rh: Radio hidráulico (m) L: Longitud (m)

Gradiente de mezcla (G): Este parámetro de diseño debe estar en un rango de 20s-1 – 60s-1, con gradientes de mezcla dentro de este rango se evita la rotura o separación de las partículas coloidales que forman los flocs, de ser así es difícil formar nuevamente los flóculos para una sedimentación correcta. Para el cálculo de gradiente de mezcla se utiliza la ecuación 36 en el cual se trabaja con la viscosidad cinemática del agua de acuerdo con su temperatura.

𝐺 = √𝑔∗ℎ𝑚

𝛾∗𝑇𝑟ℎ Ecuación 36

𝐺1 = √9,81

𝑚𝑠2 ∗ 0,19𝑚

1,224𝑥10−6 ∗ 900𝑠= 40,82𝑠−1

𝐺2 = √9,81

𝑚𝑠2 ∗ 0,12𝑚

1,224𝑥10−6 ∗ 1200𝑠= 28,11𝑠−1

Donde: G: Gradiente de mezcla (s-1) hm: Perdidas de carga (m)

: Viscosidad del agua Trh: Tiempo de retención hidráulica (s)

Se aconseja que se mantenga un gradiente decreciente de acuerdo con el número de zonas trabajadas debido a que estudios demuestran que de ser así la eficiencia es mayor que manteniendo un solo gradiente en toda la unidad.

Numero de Camp (Ncamp): Es la sumatoria de los gradientes por tiempo de retención, se debe encontrar en un rango de 20000 a 150000.

75

𝑁𝑐𝑎𝑚𝑝 = ∑ 𝐺 ∗ 𝑇𝑟ℎ Ecuación 37

𝑁𝑐𝑎𝑚𝑝 = (40,82𝑠−1 ∗ 900𝑠) + (28,11𝑠−1 ∗ 1200𝑠) = 70487,8

Ncamp: Numero de Camp G: Gradiente de mezcla (s-1) Trh: Tiempo de retención hidráulica (s)

5.4.5 Sedimentador La sedimentación es un proceso que tiene como fin la remoción de partículas por medio de la gravedad, el desarrollo del proyecto se realiza por sedimentación de partículas flocúlenlas por lo cual se plantea un sedimentador lamelar, este método se caracteriza por trabajar con un flujo laminar con numero de Reynolds entre 100 y 500, cuenta con placas planas paralelas ubicadas a 60° con la horizontal, con este ángulo se garantiza una autolimpieza del sistema, finalmente como material de las placas se escoge la madera debido a su economía, fácil acceso y durabilidad. (Lozano y Lozano, 2015). La tabla 17 muestra los parámetros de diseño de un sedimentador lamelar.

Tabla 17 PARAMETROS SEDIMENTADOR LAMELAR

Parámetro Valor o Rango

Angulo 60 °

Número de Reynolds 100 - 500

Velocidad media 0,20 - 0,22 cm/s

Espaciamiento entre placas 5 - 7 cm

Viscosidad 1,2416E-06

FUENTE: Potabilización del agua: Principios de diseño, control de procesos y laboratorio, 2015

Para el caudal desde el floculador hacia el sedimentador se diseña un sistema de múltiples recolectores de tuberías, en el cual cada sedimentador contara con dos múltiples en tubería PVC de 4” perforada con 14 orificios en la parte superior con un diámetro de 1,1in y separados cada 8cm. El diseño del sedimentador se presenta a continuación:

76

Longitud relativa (L): la longitud relativa se calcula dividiendo la longitud del tabique (l) y la separación entre tabiques (E).

𝐿 =𝑙

𝐸 Ecuación 38

𝐿 =1,20𝑚

0,07𝑚= 17,14

Donde: L: Longitud relativa (L) l: Longitud del tabique (m) E: Separación entre tabiques (m)

Velocidad critica de sedimentación (Vcs): Para el desarrollo de esta estructura se asume un valor de velocidad media igual a 0,20 cm/s como lo expone Arboleda Valencia, 2000 este valor no debe ser inferior y/o superior, para evitar que se presente rotura del floc; y una constante “S” de acuerdo con el tipo de celda a utilizar el cual será placas planas paralelas (ver tabla 18)

Tabla 18 VALORES DE "S" SEGÚN TIPO DE CELDA

Tipo de modulo Valor o Rango

Placas planas paralelas 1,0

Tubos circulares 4/3

Tubos cuadrados 11/8

Placas onduladas 1,3

Otras formas tubulares 1,33 - 1,42

FUENTE: Potabilización del agua: Principios de diseño, control de procesos y laboratorio

𝑉𝑐𝑠 =𝑆∗𝑉𝑚

𝑠𝑖𝑛 𝜃+ (𝐿∗𝑐𝑜𝑠 𝜃) Ecuación 39

𝑉𝑐𝑠=

1 ∗ 0,002𝑚𝑠

sin 60° + (17,14𝑚 ∗ cos 60°)= 0,00211

𝑚

𝑠

Donde: Vcs: Velocidad critica de sedimentación (m/s) S: Coeficiente de acuerdo con el tipo de modulo

77

Vm: Velocidad media (m/s) L: Longitud relativa (m)

: Angulo de inclinación de los tabiques (°)

Número de Reynolds (Re): se encuentra en un rango de 100 a 500 dado que se requiere un flujo laminar en la unidad de sedimentación, para permitir que las partículas desciendan hasta el fondo y evitar su resuspensión y se trabaja con la viscosidad dinámica del agua.

𝑅𝑒 =𝑉𝑚∗𝐸

𝛾 Ecuación 40

𝑅𝑒 =0,002

𝑚𝑠

∗ 0,07𝑚

1,24𝑥10−6 𝑚2

𝑠

= 112,76

Donde: Re: Numero de Reynolds

Vm: Velocidad media (m/s) E: Separación entre tabiques (m)

: Viscosidad del agua (m2/s)

Tiempo de retención entre las celdas (Trh): Esta unidad se diseña con un rango entre 10 a 20 min.

𝑇𝑟ℎ =𝑙

𝑉𝑚 Ecuación 41

𝑇𝑟ℎ =1,20𝑚

0,002𝑚𝑠

= 600𝑠 = 10𝑚𝑖𝑛

Donde: Trh: Tiempo de retención entre las celdas (s) l: Longitud del tabique (m)

Vm: Velocidad media (m/s)

Área superficial (As):

78

𝐴𝑠 =𝑄𝑑

𝑉𝑚∗𝑠𝑖𝑛 𝜃∗(1−𝜀) Ecuación 42

𝐴𝑠 =0,008

𝑚3

𝑠

0,002𝑚𝑠

∗ sin 60° ∗ (1 − 0,18)= 2,63𝑚

Donde: As: Área superficial de cada unidad (m2) Qd: Caudal de diseño (m3/s)

Vm: Velocidad media (m/s) : Épsilon (0,18)

5.4.5.1 Estructura de salida

Caudal por orificio (Qo):

𝑄𝑜 = 𝐴 ∗ 0.80 ∗ √2𝑔ℎ Ecuación 43

Qo = 0,000081𝑚2 ∗ 0.80 ∗ √2 ∗ 9,81𝑚

𝑠2∗ 0,30m = 0,000157

𝑚3

𝑠

Donde: Qo: Caudal por orificio (m3/s) A: Área por orificio (m2) h: Lámina de agua (m)

Número de orificio en cada múltiple (Norf):

𝑁𝑜𝑟𝑓 =𝑄

𝑄𝑜 Ecuación 44

Norf =0,008

𝑚3

𝑠

0,000157 𝑚3

𝑠

= 26und

79

Donde: Norf: Numero de orificios en cada múltiple (und) Q: Caudal de diseño (m3/s) Qo: Caudal por orificio (m3/s)

Distancia entre orificios (a):

𝑎 =𝑏−2𝑑

𝑁𝑜𝑟𝑓 Ecuación 45

𝑎 =2,19𝑚 − 2 ∗ 0,01016𝑚

26= 0,17𝑚

Donde:

a: Distancia entre orificios (m)

b: ancho (m)

d: Diámetro del orificio

Norf: Numero de orificios en cada múltiple (und)

5.4.6 Filtración De acuerdo con las características de la calidad de agua que presenta el cuerpo que abastece la región se escoge el tipo de FiME a utilizar, en los resultados presentados en el histórico de calidad de agua se evidencia que el caudal a tratar presenta niveles de turbiedad menores a 10und y coliformes totales menores a 500 UFC por lo tanto se decide proponer la eliminación del filtro grueso ascendente y mantener el filtro dinámico grueso (FGDi) y el filtro lento de arena (FLA). A continuación, se presentan los parámetros de diseño para estas dos estructuras. (Tabla19).

5.4.6.1 Filtro Grueso Dinámico (FGDi): La primera unidad de filtración serán los filtros gruesos dinámicos, se proyectan dos unidades operando en paralelo con capacidad conjunta para tratar el caudal máximo

80

diario, en la Tabla 19 se pueden apreciar los criterios de diseño utilizados para su dimensionamiento.

Tabla 19 CRITERIOS DE DISEÑO FGDi

Criterio Valores recomendados

Periodo de diseño 8 a 12 Años

Periodo de operación 24 h/d

Velocidad de filtración 2 a 3 m/h

Número mínimo de unidades en paralelo 2 Und

Área de filtración por unidad <10 m2

Velocidad superficial del flujo durante lavado superficial

0,15-0,3 m/s

Velocidad de agua a través de los orificios 3 a 5 m/s

Lecho filtrante

Longitud 0,6 m

Altura del vertedero de rebose 0,03-0,05 m

Posición de la unidad Espesor de capa

(m) Tamaño grava

(mm)

Superior 0,2 3 a 6

Intermedio 0,2 6 a 13

Inferior, fondo 0,2 13 a 25 FUENTE: Filtración en múltiples etapas: tecnología innovativa para el tratamiento de agua, 2006

Área superficial (As): El área superficial por unidad corresponde a la división del caudal de diseño (m3/h) y mantienen una velocidad de filtración entre 2 a 3 m/h, se adopta un valor de 2 m/h.

𝐴𝑠 =𝑄𝑑

𝑉𝑓 Ecuación 46

𝐴𝑠 =14,40

𝑚3

ℎ

2𝑚ℎ

= 7,20𝑚2

Donde: As: Área superficial (m2) Qd: Caudal de diseño (m3/h) Vf: Velocidad de filtración adoptada (m/h)

81

Área de filtración (Af): Corresponde a la multiplicación entre el ancho y longitud del filtro, esta debe ser menor a 10m2.

𝐴𝑓 = 𝑏 ∗𝐴𝑠

𝑏 Ecuación 47

𝐴𝑓 = 1,50𝑚 ∗ 4,80𝑚 = 7,20𝑚2

Donde: Af: Área de filtración (m2) b: ancho del filtro (m) L: Longitud del filtro (L)

Cámara de entrada (h): Se diseña la cámara de entrada con el fin que tenga la capacidad hidráulica para disipar la energía y controlar el caudal a tratar sin que se presente ningún rebose, para su diseño se asume un tiempo de retención (t) de 120s, ancho (b) de 1,20m y largo (L) de 1,00m.

ℎ = 𝑄𝑑∗𝑡

𝑏∗𝐿 Ecuación 48

ℎ =0,004

𝑚3

𝑠∗ 120𝑠

1,20𝑚 ∗ 1,00𝑚= 0,80𝑚

Donde: H: Profundidad cámara de entrada (m) Qd: Caudal de diseño por unidad (m3/s) b = Ancho adoptado (m) L = Longitud adoptada (m)

Carga sobre el vertedero (hv): Para el diseño del vertedero se utiliza el coeficiente adimensional de vertedero para pared ancha, c =1,84

ℎ𝑣 = 𝑄𝑑

(𝑐∗𝑏)23

Ecuación 49

82

ℎ𝑣 =0,008

𝑚3

𝑠

(1,84 ∗ 1,20𝑚)23

= 0,02𝑚

Donde:

hv = carga sobre el vertedero (m) Qd = Caudal de diseño (m3/s) C = Coeficiente vertedero b = ancho cámara de entrada (m)

Vertedero rectangular: Se diseña un vertedero rectangular de cresta aguda con dos contracciones (n) de acuerdo con la ecuación de Francis, establecida en el libro de Hidráulica de canales de Máximo Villon, 2007, teniendo en cuenta para este caso una longitud (l) de 0.35m y lámina de agua asumida (Y) de 0.15m, finalmente se calcula la lámina de agua real (Yr) siguiendo la ecuación 50

𝑄𝑣 = 1,84 ∗ (𝑙 − 0,1𝑛𝑌)𝑌3

2 Ecuación 50

𝑄𝑣 = 1,84 ∗ (0.35𝑚 − 0,1 ∗ 2 ∗ 0,15𝑚) ∗ (0,15𝑚)32 = 0,034

𝑚3

𝑠

𝑌𝑟 = (𝑄𝑣

1,34)

1

2,47 Ecuación 51

𝑌𝑟 = (0,034

𝑚3

𝑠1,34

)

12,47

= 0,23𝑚

Donde: Qv= Caudal que fluye por el vertedero (m3/s) l= Carga vertedero adoptado 0,35m n= Número de contracciones 2 und Y= Lámina de agua adoptada (0,15m) Yr= Lámina de agua real (m)

Canal de distribución: Se diseña un canal de distribución con un largo de 1,00m, ancho de 0,55m y 0.15m de profundidad con un vertedero triangular

83

al final que permite medir el caudal que ingresa a la unidad de los lechos filtrantes por medio de la regla de aforo.

Sistema de drenaje: Para este sistema se tiene en cuenta la estructura de diseño de múltiples el cual consiste en un conducto principal con laterales perforados encargados de recolectar uniformemente el caudal, para esto se tiene en cuenta los siguientes parámetros. (tabla 20)

Tabla 20 CONDICIONES DE DISEÑO SISTEMA DE DRENAJE

Ítem Rango

Relación del área del orificio y el área del lecho lavado

0,0015 – 0,005

Relación del área del tubo lateral a la suma de las áreas de los orificios

2 - 4

Relación entre el área de la tubería principal a la suma de las áreas de las tuberías laterales

1,5 - 3

Diámetro de los orificios 6,5 – 15 Espaciamiento entre los orificios 7,5 – 25 cm Espaciamiento entre laterales 0,5 – 1,0m

FUENTE: Filtración en múltiples etapas: tecnología innovativa para el tratamiento de agua, 2006

Caudal por lateral: Este parámetro se relaciona con el caudal de diseño por unidad (0,004m3/s) y el número de laterales (6 Und).

𝑞𝑙 = 𝑄𝑑𝑢

𝑁𝑙 Ecuación 52

𝑞𝑙 =0,004

𝑚3

𝑠6𝑢𝑛𝑑

= 0,00066𝑚3

𝑠

Donde: Ql: Caudal por lateral (m3/s) Qdu: Caudal de diseño por unidad (m3/s) Nl: Número de laterales (und)

Cálculo de orificios

84

- Caudal por orificio (Qo): Se adopta un valor de diámetro de orificios de

12,50mm, la velocidad debe estar entre 3 – a 5 m/s por lo tanto se asume un valor de 4m/s.

𝑄𝑜 =𝜋∗𝑑2

4∗ 𝑉𝑜 Ecuación 53

𝑄𝑜 = 0,00012𝑚2 ∗ 4𝑚

𝑠= 0,00049

𝑚3

𝑠

Donde: Qo: Caudal por orificio (m3/s) d: Diámetro orificio (m) Vo: Velocidad a través de los orificios adoptada (m/s)

- Número de orificios

𝑁𝑜 =𝑄

𝑄𝑂 Ecuación 54

𝑁𝑜 =0,004

𝑚3

𝑠

0,00049𝑚3

𝑠

= 8,15 𝑢𝑛𝑑 ≈ 15𝑢𝑛𝑑

Donde: No: Numero de orificios en tubería principal (und) Q: Caudal de diseño por unidad (m3/s) Qo: Caudal por orificio (m3/s)

Se adoptan un numero de orificios de 15 unidades, con el fin de darle cumplimiento a la relación entre el área total de los orificios 0.01104 m2 y el área total de filtración 7.20 m2 debe estar en el rango de 0.0015 - 0.05 a 1.0

𝐴𝑜

𝐴𝑓= 0,0015 − 0,05 Ecuación 55

0,01104𝑚2

7,20𝑚2 = 0,001533 OK

85

Donde: Ao: Área total de los orificios (m2) Af: Área de filtración

Separación entre laterales (Sl): La separación entre laterales de estar entre 0,50 m y 1,00m.

𝑆𝑙 =𝐿𝑥

𝑁𝑙 Ecuación 56

𝑆𝑙 =4,50𝑚6𝑢𝑛𝑑

= 0,75𝑚 𝑂𝐾

Donde: Sl: Separación entre laterales (m) Lx: Longitud tubería principal (m) Nl: Número de laterales (und)

- Área del tubo lateral: De acuerdo con la relación de área del tubo lateral, está en un rango de 2 a 3 y con la suma de las áreas de los orificios se calcula el área definitiva del tubo lateral. Se adopta un valor de R=2.

𝐴𝑙 = 𝑅 ∗ 𝐴𝑜𝑙 Ecuación 57

𝐴𝑙 = 2 ∗ 0,00170𝑚2 = 0,00340𝑚2

Donde: Al: Área de la tubería lateral (m2) R: Relación entre tubo lateral y área de los orificios (2-4) Aol: Área orificios por lateral (m2)

- Diámetro de la tubería lateral

∅ = √4∗𝐴𝑜𝑙

𝜋

2 Ecuación 58

86

∅ = √4 ∗ 0,00340𝑚2

π

2

= 0,066𝑚 ≈ 2 12⁄ "

Donde:

∅:Diametro de la tubería lateral (m2) Aol: Área orificios por lateral (m2)

De acuerdo a lo anterior se escoge el diámetro definitivo teniendo en cuenta los diámetros comerciales establecidos en el manual de PAVCO de tuberías PVC (ver anexo 1) Comprobación Con el fin de comprobar que el diámetro de los laterales es suficiente para el caudal a tratar se verifica de la siguiente manera

𝐴𝑡𝑙𝑎

∑ 𝐴𝑜= 2 − 4 Ecuación 59

0,003𝑚2

0,00170𝑚2= 3 ok

Donde: Atla: Área tubo lateral adoptado (m2) ∑Ao: Sumatoria área de los orificios (m2)

Tubería principal: El cálculo de orificios en la tubería principal se realiza

siguiendo las ecuaciones 54 y 55.

Pérdidas de carga

- Lecho filtrante: Para el cálculo de las pérdidas de carga en el material filtrante se procede a utilizar la ecuación estipulada por Corcho y Duque 2005, donde las variables corresponden a, “v” la velocidad de filtración adoptada, “L” profundidad de la capa de filtración y “do” diámetro de la partícula del lecho filtrante.

87

ℎ𝑚𝑓 =0,0608∗𝑣∗𝐿

100∗𝑑𝑜2 Ecuación 60

Donde: Hmf: perdidas de carga en el lecho filtrante (m) V: velocidad de filtración adoptada (cm/s) L: Altura de capa (cm)

𝑑𝑜: Diámetro de partícula capa filtrante (cm)

Tabla 21 PERDIDAS DE CARGA EN LECHO FILTRANTE

CAPA velocidad Lo Φ PARTICULA hmf

Superior 0,0556 cm/s 20 cm 0,30 cm 0,00751 m

Intermedio 0,0556 cm/s 20 cm 0,60 cm 0,00188 m

Inferior, fondo 0,0556 cm/s 20 cm 1,30 cm 0,00040 m

Pérdida en el lecho 0,00978 m 0,98 cm Fuente: Autoras

- Por descarga en el orificio lateral

ℎ𝑜 = 1,5 ∗

(0,90∗

𝑄𝑑𝑁𝑙∗𝑛𝐴𝑡𝑜

)

2

2𝑔 Ecuación 61

ℎ𝑜 = 1,5 ∗0,024

𝑚𝑠

2 ∗ 9,81𝑚𝑠2

= 0,0043𝑚 ≈ 0,43𝑐𝑚

Donde: Qd: Caudal de diseño (m3/s) Nl: Número de laterales N: Número de orificios en cada lateral Ho: Pérdida por descarga en el orificio lateral (m) Ato: Área total de los orificios (m2)

88

Se continua con el cálculo de las pérdidas de carga lineales y las pérdidas de carga singulares, estás hacen referencia a la disminución de la presión en el interior de las tuberías causada por el movimiento del fluido o por accesorios en puntos específicos. La sumatoria de estas pérdidas junto con las pérdidas de carga en el lecho filtrante permiten ubicar el nivel de agua a la entrada de la siguiente unidad de tratamiento.

- Pérdida de carga en tuberías: Donde VL corresponde a la velocidad por tubería y ɸ diámetro interno.

ℎ𝑝 = 1

3∗

0.0175∗𝐿

∅∗

𝑉𝐿2

2𝑔 Ecuación 62

𝑉𝐿 =𝑄𝑑

#𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠∗𝜋∅2

4

Ecuación 63

Donde: Vl: Velocidad en el lateral (m/s) Qd: Caudal de diseño por unidad (m3/s) NL: Número de laterales (und)

∅: Diámetro de la tubería lateral (m) hp: Perdida de carga por lateral (m)

- Lateral (hp):

𝑉𝑙 =0.004

𝑚3

𝑠

6 𝑢𝑛𝑑 ∗ 𝜋0.066072𝑚

4

= 0.194𝑚

𝑠

ℎ𝑝 =1

3∗

0,0175 ∗ 1,21𝑚

0,066m∗

( 0,194𝑚𝑠 )

2

2 ∗ 9,81𝑚𝑠2

= 0,00021𝑚

- Principal (hp):

𝑉𝑙 =0.004

𝑚3

𝑠

𝜋0.09342𝑚

4

= 0.583𝑚

𝑠

89

ℎ𝑝 =1

3∗

0,0175 ∗ 4,50𝑚

0,093m∗

( 0,583𝑚𝑠 )

2

2 ∗ 9,81𝑚𝑠2

= 0,0048𝑚

- Pérdida de carga lateral a principal:

ℎ𝑝𝐿 = 1,5 ∗(0,92∗𝑉𝐿)2

2𝑔 Ecuación 64

ℎ𝑝𝑙 = 1,5 ∗(0,179

𝑚𝑠

)2

2 ∗ 9,81𝑚𝑠2

= 0,0024𝑚

Donde: hpl: Perdida de carga lateral a principal (m) V: Velocidad (m/s)

- Pérdida de carga por accesorios: El coeficiente “k” es adimensional, hace referencia a las pérdidas en accesorios y codos de acuerdo con Saldarriaga. Los valores de pérdidas de carga por accesorios calculados para el sistema se muestran en la tabla 22.

ℎ𝑚 = 𝑘 (𝑣2

2𝑔) Ecuación 65

Tabla 22 PERDIDA DE CARGA POR ACCESORIOS

Fuente: Autoras

k Velocidad hm

7 0

0,2 0,282606055 m/s 0,00081413 m

0,3 0,000555556 m/s 4,7193E-09 m

0,3 0,000555556 m/s 4,7193E-09 m

0,3 0,000555556 m/s 4,7193E-09 m

0,3 0,000555556 m/s 4,7193E-09 m

0,3 0,000555556 m/s 4,7193E-09 m0,3 0,000555556 m/s 4,7193E-09 m

0,2 0,000555556 m/s 3,1462E-09 m

0,000814162 m

Accesorio

PERDIDA DE CARGA POR ACCESORIOS

PERDIDA TOTAL

Macromedidor

Válvula de compuerta 3

Tee 6Tee 5

Tee 4

Tee 3

Tee 2

Tee 1

Válvula de compuerta 1

90

Pérdida de carga por fricción: Se realizan siguiendo la ecuación de Darcy, donde las variables corresponden a “f” 64/Re, “L” longitud de la tubería, “V” velocidad a través de la tubería, “ɸ” diámetro interior de cada tubería y “ɣ” viscosidad cinemática de 1.1 x 10-6

𝑅𝑒 =𝑉∗∅

𝛾 Ecuación 66

ℎ𝑓 =𝑓∗𝑙∗𝑉2

2𝑔∗∅ Ecuación 67

Donde:

Re: Numero de Reynolds

V: Velocidad (m/s)

: Viscosidad del agua (kg/m*s)

hf: Perdidas por fricción

l: Longitud del lateral (m)

: Diámetro de la tubería (m)

- Tubería lateral: Para la tubería lateral la velocidad a través de la tubería corresponde a 0.194 m/s (ver ecuación 60).

ℎ𝑓 =0,0054 ∗ 1,20𝑚 ∗ (0,194

𝑚𝑠 )

2

9,81𝑚𝑠2 ∗ 0,066𝑚

= 0,00116𝑚

- Tubería principal: Para la tubería lateral la velocidad a través de la tubería

corresponde a 0.583 m/s (ver ecuación 60).

ℎ𝑓 =0,0054 ∗ 5,40𝑚 ∗ (0,583

𝑚𝑠 )

2

9,81𝑚𝑠2 ∗ 0,093𝑚

= 0,00108𝑚

Filtro lento en arena (FLA): Posterior al filtro dinámico grueso y con el fin de reducir al máximo la materia orgánica y el riesgo microbiológico se

91

diseñan los filtros lentos. La filtración lenta en arena presenta la mayor eficiencia de remoción bacteriológica, a continuación, en la Tabla 23 se pueden apreciar los valores y recomendaciones de diseño empleadas para el dimensionamiento de la unidad.

Tabla 23 PARAMETROS DE DISEÑO FILTRO LENTO DE ARENA

Criterio Valor o Rango

Periodo de diseño 8 a 12 años

Periodo de operación 24 h/d

Velocidad de filtración 0,1 a 0,3 m/h

Número mínimo de unidades en paralelo 2 Und

Área de filtración por unidad <100 m2

Velocidad superficial del flujo durante lavado superficial 0,15-0,3 m/s

Velocidad de agua a través de los orificios 3 a 5 m/s

Lecho filtrante

Longitud 0,6 m

Altura del vertedero de rebose 0,03-0,05 m FUENTE: Filtración en múltiples etapas: tecnología innovativa para el tratamiento de agua

Área Superficial (At): Este parámetro debe ser menor a 100 m2, como también la velocidad de filtración se debe adoptar entre 0.1 a 0.3 m/h (ver tabla23) para este caso se seleccionó una velocidad de 0.3m/h.

𝐴𝑡 =𝑄𝐷

𝑛∗𝑉𝑓 Ecuación 68

At =28.80

𝑚3

ℎ

2 ∗ 0.3𝑚ℎ

= 48 𝑚2

Donde: At: Área superficial (m2) QD: Caudal de diseño (m3/h) Vf: Velocidad de filtración (m/s)

Esta unidad de filtración fue dimensionada teniendo en cuenta el coeficiente costo “k”, este permite dimensionar la unidad de tal manera que sea funcional y minimice los costos en su parte constructiva (Sánchez L. D., Sánchez, Galvis, & Latorre, 2007).

92

- Coeficiente de costo (k):

𝑘 =2𝑛

𝑛+1 Ecuación 69

k =2 ∗ 2

2 + 1= 1.33

Donde: k: Coeficiente de costo n: Número de unidades (und)

- Largo (L):

𝐿 = √𝐴𝑡 ∗ 𝑘2

Ecuación 70

L = √48𝑚2 ∗ 1.332

= 8𝑚

Donde: L: Largo (m) At: Área superficial (m2) k: Coeficiente de costo

- Ancho (b):

𝑏 = √𝐴𝑡

𝑘

2 Ecuación 71

b = √48𝑚2

1.33

2

= 6𝑚

Donde: b: base (m) At: Área superficial (m2) k: Coeficiente de costo

93

- Profundidad (H): Esta corresponde a la sumatoria de las alturas de los lechos, la Organización Panamericana de la Salud (OPS, 2005) recomienda un lecho de soporte entre 0.10m a 0.30m, como también una altura de lecho ente 1.0m y 1.5m, se seleccionó una altura de 1.10m y un lecho de soporte de 20cm, una profundidad de lámina de agua como recomienda la Guía para Diseño de Tratamiento tipo FiME de entre 1.0m y 1.5m y un borde libre de 0.40m, como se expresa en la tabla 24.

Tabla 24 FILTRO DE ARENA

Profundidad

Lecho de soporte Grava Hlsg 0,20 m

Grava Hg 0,05 m

Arena gruesa Hag 0,05 m

Arena de filtro Haf 0,80 m

Altura total lecho filtrante Htotal 1,10 m

Borde libre Hl 0,40 m

Altura de lámina agua Has 1,00 m

Profundidad total H 2,50 m

FUENTE: Autoras

Para la estructura de entrada se diseña la cámara inicial, seguido a esto se calcula el caudal que fluye por dos vertederos rectangulares con contracciones (ecuaciones 50 y 51), asumiendo una longitud (l) de 0.30m y lámina de agua de 0.15, dirigidos a la cámara de excesos y canal de distribución.

Cámara de inicial: Esta cámara es la encargada de la distribución del caudal, es dimensionada teniendo en cuenta un tiempo de retención de 90s, así mismo se asume las dimensiones de largo (l) y ancho (b) igual 0.90m y 1 m respectivamente, para así calcular la profundidad (ecuación 48) y volumen.

- Profundidad (h):

ℎ =0.004

𝑚𝑠

3∗ 90s

0.90𝑚 ∗ 1 𝑚= 0.80𝑚

Ventana de acceso: Esta estructura se ubica al inicio del lecho filtrante en la pared posterior del filtro con unas dimensiones de longitud (l) 0.60m, ancho

94

(b) 0.25m a una profundidad de 1.40m, debe cumplir con una velocidad (V) de entrada menor 0,10m/s.

𝑉 = 𝑄𝑑

𝑏∗𝑙 Ecuación 72

𝑉 = 0.004

𝑚3

𝑠

0.25𝑚∗0.60𝑚= 0.027 OK

Donde: V: Velocidad (m/s) Qd: Caudal de diseño por unidad (m3/s) b: ancho de la ventana de acceso (m) l: Largo de la ventana de acceso (m)

Sistema de drenaje: Este sistema está constituido de tuberías perforadas, conformadas por un dren principal de diámetro 168mm, con seis ramificaciones laterales unidas mediante tees a la tubería principal, separadas a 1.30m entre centro y centro con diámetro 114mm, dimensiones comerciales establecidas para tuberías de 6 y 4 pulgadas según PAVC (ver anexo 1), las laterales cuentan con 56 orificios de 5mm de diámetro.

Pérdidas de carga

- Lecho filtrante: Para el cálculo de las pérdidas de carga en el material filtrante se procede a utilizar la ecuación 59. Teniendo en cuenta la velocidad de filtración adoptada de 0.3m/h. El resumen de cálculos se presenta en la tabla 25.

Tabla 25 PÉRDIDA DE CARGA EN FLA

Capas Espesor Diámetro Velocidad hmf

Lecho de soporte Grava 20 cm 1,50 cm 0,0083cm/s 4,5037E-05 m

Grava 5 cm 0,50 cm 0,0083cm/s 0,000101333 m

Arena gruesa 5 cm 0,12 cm 0,0083cm/s 0,001759259 m

Arena de peña 80 cm 0,05 cm 0,0083cm/s 0,200164609 m

Pérdida total en el lecho 0,20205897 m

FUENTE: Autoras

95

La pérdida total del lecho filtrante es de 0.20m encontrándose en el rango admitido por el Ras 2000 en su índice C.7.5.2.8 que estipula la pérdida de carga del filtro debe estar entre 0.10 m a 1.0 m.120. Se continua con el cálculo de las pérdidas de carga lineales y las pérdidas de carga singulares, estás hacen referencia a la disminución de la presión en el interior de las tuberías causada por el movimiento del fluido o por accesorios en puntos específicos. La sumatoria de estas pérdidas junto con las pérdidas de carga en el lecho filtrante permiten ubicar el nivel de agua a la entrada de la siguiente unidad de tratamiento.

- Perdida por descarga en el orificio lateral (ho): Se usa la ecuación 55 del filtro dinámico grueso

ℎ𝑜 = 1,5 ∗0,0718

𝑚𝑠

2 ∗ 9,81𝑚𝑠2

= 0,038𝑚 ≈ 3.8 𝑐𝑚

- Pérdida de carga en tuberías y conexión del lateral al principal (hp): se

usa la ecuación 61 y 62 del filtro dinámico grueso respectivamente. Lateral (hp)

ℎ𝑝 =1

3∗

0,0175 ∗ 5.70𝑚

0,114m∗

( 0,0848𝑚𝑠 )

2

2 ∗ 9,81𝑚𝑠2

= 0,0000634𝑚

Principal (hp)

ℎ𝑝 =1

3∗

0,0175 ∗ 7.70𝑚

0,168m∗

( 0,226𝑚𝑠 )

2

2 ∗ 9,81𝑚𝑠2

= 0,000443𝑚

- Conexión lateral y principal (hpL):

ℎ𝑝𝑙 = 1,5 ∗(0,0593

𝑚𝑠

)2

2 ∗ 9,81𝑚𝑠2

= 0.000269𝑚

96

- Pérdida de carga por accesorios: El coeficiente “k” es adimensional, hace referencia a las pérdidas en accesorios y codos de acuerdo con Saldarriaga, 2007 (ver ecuación 63). El resumen de cálculos se muestra en la tabla 26

Tabla 26 PÉRDIDA DE CARGA POR ACCESORIOS

FUENTE: Autoras

5.4.7 Tanque de almacenamiento

El tanque de almacenamiento tiene como función almacenar la cantidad suficiente de agua para satisfacer la demanda de una población y regular la presión adecuada en el sistema de distribución dando así un servicio eficiente. (Pérez, 2012) Para el diseño del tanque se realizaron los siguientes cálculos,

- Se definen los porcentajes del consumo de caudal (%CQ) de cada hora del día los cuales fueron suministrados por la empresa de servicios públicos (Anexo 9)

Se resolverán las ecuaciones con los valores correspondientes a la hora entre 4 – 5, teniendo en cuenta que las demás horas se calculan de la misma manera.

- Porcentaje del suministro (%S)

%𝑆 =∑ %𝐶𝑄

24 Ecuación 73

k Velocidad hm

0,2 0,065314432 m/s 4,3486E-05 m

0,8 0,065314432 m/s 0,000174481 m

0,8 0,065314432 m/s 0,000174481 m

0,8 0,065314432 m/s 0,000174481 m

0,8 0,065314432 m/s 0,000174481 m

0,8 0,065314432 m/s 0,000174481 m

0,8 0,065314432 m/s 0,000174481 m

0,3 0,065314432 m/s 6,5229E-05 m

0,3 0,065314432 m/s 6,5229E-05 m

0,3 0,065314432 m/s 6,5229E-05 m

0,3 0,065314432 m/s 6,5229E-05 m

0,3 0,065314432 m/s 6,5229E-05 m

0,3 0,065314432 m/s 6,5229E-05 m

0,2 0,065314432 m/s 4,3486E-05 m

0,001525231 m

Tee 6

Válvula de compuerta 2

PERDIDA TOTAL

reducción 1

reducción 2

reducción 3

reducción 4

reducción 5

reducción 6

PERDIDA DE CARGA POR ACCESORIOS

Accesorio

Válvula de compuerta 1

Tee 1

Tee 2

Tee 3

Tee 4

Tee 5

97

%𝑆4−5 =100

24= 4,17

%S: Porcentaje de suministro

∑%CQ: Sumatoria del consumo de caudal

- Sumatoria consumo de caudal (∑ %𝑪𝑸): este valor consiste en la sumatoria acumulativa de los valores asignados de porcentaje de consumo de caudal en cada hora iniciando desde la hora 0-1. (Anexo 9)

- Sumatoria consumo de caudal (∑ %𝑺): este valor consiste en la sumatoria acumulativa del porcentaje de suministro iniciando desde la hora 0-1 (Anexo 9)

- - Volumen porcentual (%V): este valor corresponde a la sumatoria

acumulativa de la hora anterior con la diferencia del %S y %CQ.

%𝑉 = ∑ %𝑉 + (%𝑆 − %𝐶𝑄)Ecuación 74

%𝑉4−5 = 21,33 + (4,17 − 3) = 22,50

Donde:

%V: Volumen porcentual

∑%V: Sumatoria del volumen porcentual

%S: Porcentaje de suministro

%CQ: Porcentaje del coeficiente de consumo

- Volumen final tanque de almacenamiento (V): Para este resultado se trabaja con el valor más alto registrado en la casilla de volumen porcentual.

𝑉 = 𝑄𝑑 ∗ %𝑉Ecuación 75

𝑉 = 691𝑚3

𝑑í𝑎∗ 22,50 = 155,52𝑚3 ≈ 156𝑚3

98

Donde:

V: Volumen final tanque de almacenamiento (m3)

Qd: Caudal de diseño (m3/día)

%V: Volumen porcentual

- Dimensionamiento de la estructura Ancho: 6.0 m Largo: 8.0 m Profundidad: 3.5 m Borde libre: 0.5 m 5.5 DETERMINACIÓN DEL COAGULANTE

5.5.1 Laboratorio de jarras Los ensayos de laboratorio son obligatorios cuando se va a diseñar, ejecutar y/o modificar unidades de tratamiento; el ensayo de jarras permite determinar el tipo de coagulante y su respectiva dosificación a utilizar para el tratamiento de aguas, este proceso permite identificar una desestabilización de partículas coloidales adecuada formando flocs suficientemente pesados para que sean rápidamente separados en el proceso de sedimentación por gravedad (Lozano y Lozano, 2015). Con este laboratorio se medirán los parámetros fisicoquímicos del agua a tratar y se verifica que se encuentren en el rango establecido en la resolución 0330 de 2017. 5.5.1.1 Procedimiento El procedimiento para el ensayo de jarras siguió las recomendaciones estandarizadas para este tipo de ensayos (Arboleda, 1992; AWWA, 2011) y el procedimiento se ejecutó como se describe a continuación: 1. Se lava el recipiente en el que se va a tomar la muestra tres veces con el agua cruda a tratar.

99

2. Se toma la muestra de agua cruda la cual es recolectada en la entrada y salida de la planta (Ver imagen 11) y llevada a los laboratorios de la Universidad Santo Tomas Tunja, en donde se determinaron los siguientes parámetros

Temperatura: 8°C

pH: 7,17 Und

Turbiedad: 5,0 NTU

Color aparente: 82,50 UPC

Imagen 11 RECOLECCIÓN MUESTRA AGUA CRUDA

FUENTE: Autoras

3. Se coloca la muestra de agua cruda en cada uno de los vasos precipitados con un volumen de 1500 ml, seguido de esto se ubican bajo los agitadores del equipo sumergiendo las paletas en las muestras. 4. Se preparó una solución patrón de usando sulfato de aluminio [(Al2SO4)3 * 14 H2O] como coagulante. Se pesaron 100g de sulfato de aluminio en polvo con una balanza y se colocó en un vaso de precipitado de 2000 ml, al cual se le agregaron 1000ml de agua, destilada medidos con un cilindro graduado de 1000 ml. La mezcla se agito a 300 rpm durante 20 minutos, para asegurar la dilución completa del coagulante en polvo con lo cual se obtiene una solución con concentración del 10%. Para el ensayo de jarras, se diluyen 10ml de la solución patrón en 100ml con de agua destilada, usando un matraz aforado de 100 ml. Esto permite tener una solución de coagulante con una concentración de aluminio del 1%, la cual no se puede conservar por más de 24 horas (Arboleda, 1992).

100

Imagen 12 TEST DE JARRAS

FUENTE: Autoras

5. Se calcula las diferentes dosis de sulfato de aluminio para tratar cada jarra, (tabla 27) agregándolas justo en el momento en el que comienza la mezcla rápida, tomando en cuenta que para vasos precipitados de 1000 cc, 1ml de solución al 1%, equivale a 10 mg/L de coagulante aplicado en la jarra (Arboleda, 1992).

Tabla 27 DOSIFICACIÓN DE COAGULANTE

DOSIS DE COAGULANTE PARA 1500ML

DOSIS (mg/L) Volumen (ml)

10 1,5

20 3,0

30 4,5

40 6,0

50 7,5

60 9,0

70 10,5

80 12,0

90 13,5

100 15,0

FUENTE: Autoras

6. Para simular la mezcla rápida (coagulación) se aplica la dosis del coagulante simultáneamente y se pone a funcionar el equipo a una velocidad de 100 RPM durante 60s (1 minuto). (Ver imagen 13)

101

Imagen 13 MEZCLA RAPIDA

FUENTE: Autoras

7. Una vez terminada la mezcla rápida, se procede a simular la mezcla lenta (floculación), para lo cual se pone a funcionar el equipo a 40 rpm durante 15 min y se va registrando el proceso de formación de flocs 8. Al terminar el paso anterior se procede a imitar el proceso de sedimentación por lo cual se extraen las paletas con cuidado sin perturbar el agua y se mantienen inamovibles durante 30min. (Ver imagen 12)

Imagen 14 SIMULACIÓN SEDIMENTACIÓN

FUENTE: Autoras

9. Una vez finalizados los 30 min. de sedimentación, se extraen por medio de una pipeta de 50 ml una muestra del agua del sobrenadante y se miden los parámetros de turbiedad, pH y color verdadero. La grafica 3, muestra los valores de turbiedad final (cuadros azules) y pH final (triángulos rojos) medidos al finalizar el ensayo de jarras, el cual fue ejecutado en duplicado y el valor de las barras de error mostradas en la gráfica corresponden a la desviación estándar calculada del resultado de los dos ensayos.

102

Gráfica 3 TURBIEDAD FINAL

FUENTE: Autoras

La grafica 4, muestra la remoción de turbiedad en porcentaje alcanzada para cada

una de las dosis de coagulante probadas en el ensayo de jarras.

Gráfica 4 REMOCIÓN DE TURBIEDAD

FUENTE: Autoras

De acuerdo a las gráficas 3 y 4 se entiende que con la adición de coagulante de sulfato de aluminio en diferentes concentraciones se presenta una remoción de turbiedad del 80% entre los 20mg/L a 30 mg/L como Al2O3 y se mantiene un pH admisible superior a 6.5 de acuerdo con la resolución 2115 de 2007, en cuanto a las concentraciones siguientes de 40 mg/L a 60 mg/L como Al2O3 los resultados no son tan favorables debido a que se presentan remociones entre el 60 a 65% con un pH menor a 6,5 unidades, estando bajo este rango se convierte en agua acida

103

afectando la salud de la población. Por tal razón, la dosis optima de coagulante adoptada para el presente estudio fue de 20 mg/L como Al2O3. Los valores finales de turbiedad, pH y color aparente para esta dosis optima de coagulante fueron 1.16 UNT, 7.03 unidades y 30 UPC, respectivamente. Esto corresponde a una remoción de color aparente de 64%. Aunque el color aparente obtenido para la dosis optima de coagulante de 20 mg/L como Al2O3, aun no cumple con el valor máximo permisible de acuerdo con la resolución 2115 de 2007 (15 UPC), se espera que algunos compuestos causantes de color aparente como ácidos fúlvicos, ácidos húmicos y posibles trazas de manganeso, se puedan oxidar y absorber en el lecho de carbón activado, en la torre de aireación y los restantes se pueda remover en las unidades de filtración por lo tanto es posible hipotetizar que el color aparente obtenido después de las unidades de filtración sea menor a 15 UPC y así cumplir con la norma. Sin embargo, se debería ejecutar un ensayo de tratabilidad para esta agua de Soracá a nivel de laboratorio, usando peroxidación con cloro, complementado con coagulación, floculación y sedimentación, para verificar la remoción de manganeso como responsable en gran medida de la generación de color aparente en aguas superficiales (Sommerfeld, 1999).

Tabla 28 RESULTADOS DOSIS OPTIMA

Dosis optima 20mg/l pH (und) 7.03

Turbiedad (UNT)

1.16

Color (UPC) 30 Fuente: Autoras

10. Se mide el hierro total, mediante el Test kit de hierro – Hanna, a la muestra de agua cruda el cual fue de (1 mg Fe/L) (Ver imagen 13), con lo cual se corrobora que este valor sobre pasa el valor máximo permisible de 0.3 mg Fe/L de acuerdo con la resolución 2115 de 2007. También se midió la concentración de hierro con este método de la jarra correspondiente a la dosis optima de coagulante y se observó una remoción total de hierro, dado que su valor fue indetectable como se muestra en la imagen 16.

104

Imagen 15 MUESTRA HIERRO TOTAL - AGUA CRUDA

Fuente: Autoras

Imagen 16 HIERRO TOTAL - DOSIS OPTIMA

Fuente: Autoras

11. Para finalizar, con la muestra recolectada a la salida de la planta de tratamiento se midieron dos veces los siguientes parámetros consignados en la tabla 29.

Tabla 29 RESULTADOS PARAMETROS MEDIDOS A LA MUESTRA

RECOLECTADA A LA SALIDA

SALIDA PTAP

Muestra 1 Muestra2 Promedio

PH (Und) 6,9 6,85 6,88

Turbiedad (UNT)

2,96 2,9 2,93

105

Color aparente (UPC)

31 28 29,50

Fuente: Autoras

De acuerdo con los resultados obtenidos en cuanto a los parámetros de turbiedad y pH registrados en las muestras de salida de la PTAP y dosis optima de 20 mg/L como Al2O3,x se evidencia que el pH en las dos muestras da como resultado un valor dentro del rango establecido en la norma y la turbiedad en la muestra de salida de la PTAP registra un valor de 2,93 UNT el cual supera con 0,93 UNT al valor admitido, a diferencia de la dosis optima la remoción es del 61% obteniendo un valor de 1.16 UNT el cual se encuentra en el rango permitido. Por lo tanto, se espera que con las unidades diseñadas y propuestas en esta investigación (aireación, coagulación, floculación y sedimentación), se espera garantizar obtener agua con turbiedades ≤ 1.0 UNT, durante todo el año, incluyendo las épocas de intensas lluvias y tormentas eléctricas, lo cual barre materia orgánica natural y solidos que impactan la calidad del agua cruda. Esto también permitirá reducir los precursores responsables de la formación de subproductos de desinfección. Cabe resaltar que se compró un kit Hanna Instruments Inc. para la determinación de fosfatos, el cual se encontraba incompleto, por ende, no se pudo efectuar la medición de este parámetro objeto de estudio y uno de los objetivos de la presente monografía. 5.6 CLORACIÓN

La cloración tiene como objetivo la desinfección microbiana, además actúa como oxidante y puede ayudar a eliminar algunas sustancias químicas, por ejemplo, 1) descomponer los plaguicidas fácilmente oxidables, 2) oxidar especies disueltas, como el manganeso, 3) oxidar especies disueltas a formas más fáciles de eliminar como el arsenito a arseniato. Una desventaja del cloro es su capacidad de reaccionar con materia orgánica natural y producir trihalometanos y otros subproductos de la desinfección (SPD) halogenados. (Zúñiga y Samperio, 2019). Mediante la ejecución del proceso de cloración, por medio de hipoclorito de calcio al 70% Ca(ClO)2, se busca garantizar las características de potabilidad del agua para consumo para la comunidad del municipio de Soracá, Boyacá, facilitando el control microbiológico, eliminando posibles agentes patógenos y previniendo enfermedades transmitidas por el agua como las enfermedades diarreicas aguas (EDA), cólera, tifoidea, disentería y hepatitis A. Por otro lado, mediante el proceso de cloración se hace control de las moléculas de sulfuro de hidrogeno, amoniaco y otros compuestos nitrogenados, causantes de los malos olores en las aguas de consumo humano. (Zúñiga y Samperio, 2019).

106

De acuerdo con la resolución 2115 de 2007, en su artículo 9, define que el rango aceptable de la concentración de cloro residual libre esta entre 0,3 y 2,0 g/L, en cualquier punto de la red de distribución de cloro granulado necesario para cumplir con los parámetros en esta resolución para evitar la proliferación de poblaciones microbianas patógenas que puedas alterar las condiciones óptimas de agua para consumo humano.

𝐶𝑙𝑜𝑟𝑜 𝑎 𝑑𝑜𝑠𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑟 =𝑉∗(𝐶𝑓−𝐶𝑖𝑇𝑥)

𝐶𝑖∗10 Ecuación 76

Donde: V: Volumen (l) Cf: Concentración final deseada de cloro (mg/l) CiTx: Concentración inicial de cloro residual en el tanque Ci: Concentración inicial de cloro granulado (%)

5.5.1 Procedimiento 1. Se recolecta una muestra de agua en la salida de la planta de tratamiento 2. Se mide la concentración inicial de cloro residual libre presente en la planta por medio del colorímetro de cloro residual libre marca HACH la cual es un método visual de comparación, este consta de dos tubos en acrílico y un comparador visual. 3. Se adiciona una muestra de 25ml a uno de los tubos y se le agrega reactivo DPD que reacciona con el cloro residual libre, esta solución contiene sal de Carboxilato (N,N-dietil-para-fenilendiamina) y sal; lo que tornará la muestra de un color entre rosado y fucsia que dependerá de las concentraciones del cloro. 4. Seguido de esto se compara este color con un comparador que da un indicativo de la concentración de la muestra. Al realizar el procedimiento anterior en la planta de tratamiento se obtiene un indicativo de 0,8 mg/L (Imagen 15).

107

IMAGEN 17 RESULTADO CLORO RESIDUAL LIBRE

Fuente: Autoras

5. Con la ecuación 76 se determina la cantidad de hipoclorito de calcio Ca(ClO)2 al 70% a dosificar para el tanque de almacenamiento

𝐶𝑙𝑜𝑟𝑜 𝑎 𝑑𝑜𝑠𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑟 =155520 𝐿 ∗ (2

𝑚𝑔𝐿 − 0,8)

70 ∗ 10= 266,61 𝑔

108

CONCLUSIONES De acuerdo con los informes mensuales de la caracterización física, química y microbiológica de calidad de agua suministrados por la empresa de servicios públicos del municipio de Soracá, Boyacá se conoció que son tres los parámetros por fuera de la resolución 2115 de 2007 con valores promedio de: 1) hierro con 0,34 mg Fe/L; 2) fosfatos con 0,71 mg PO4

3/L; y 3) aluminio con 0,49 mg Al3/L, evidenciando la falta de estructuras complementarias que permitan un mejor proceso de potabilización. El diagnóstico de la planta de tratamiento de agua potable del municipio de Soracá, permitió entender que las estructuras y sistemas de potabilización han cumplido con su vida útil, se identifican deficiencias en los equipos y el funcionamiento de la PTAP, debido a que algunos equipos están dañados, defectuosos o no existen, asimismo, carecen de sistemas que mejoren la calidad de agua; adicional a esto el crecimiento poblacional ha saturado el sistema y no tiene un mantenimiento adecuado. Según el análisis realizado a los reportes de calidad de agua mensual y antecedentes, se optó por incluir nuevas estructuras complementarias y rediseñar los filtros. Estas nuevas estructuras permitirán mitigar las concentraciones de los parámetros que superan los establecidos en la normatividad colombiana vigente, así mismo garantizar la capacidad hidráulica que permitirá una adecuada y continua operación durante su vida útil. Conforme a los resultados del laboratorio del Test de jarras, se determina que la dosis optima de coagulante de 20 mg/L de sulfato de aluminio (Al2(SO4)3 debido a que con esta dosificación el porcentaje promedio de remoción de turbiedad es del 80%. Asimismo, garantiza una remoción de color y un pH apto para el consumo humano, y finalmente, presenta la mejor formación de flocs facilitando así la sedimentación. Se definieron los procesos operativos de la PTAP, para garantizar su funcionamiento permanente. Igualmente, se estableció el proceso para los mantenimientos preventivos y correctivos de cada uno de los sistemas de potabilización, los cuales se dejan consignados en dos manuales de mantenimiento y operación de las unidades existentes y proyectadas una vez el municipio de Soracá tome la decisión de construirlos, los cuales se anexan al presente documento.

109

RECOMENDACIONES

Se recomienda un exhaustivo mantenimiento en la zona de recolección, así como la implementación de un cerramiento para evitar el ingreso de personal no autorizado y/o animales no deseados en esta zona. Es necesaria la reestructuración y el mantenimiento físico inmediato de las instalaciones de la planta de tratamiento de agua potable, para así garantizar la mejora de la calidad de agua. Se debe capacitar periódicamente al personal encargado para realizar las funciones necesarias de operación y mantenimiento de cada uno de los accesorios y sistemas de potabilización establecidos en el manual anexado. Se sugiere continuar con los análisis de calidad de agua de manera mensual tanto en temporada de invierno como de verano con el fin de corroborar que los parámetros físico-químicos y microbiológicos se encuentren dentro de la norma. Se recomienda dotar la planta de tratamiento con los equipos, químicos y materia prima necesarios para realizar cada uno de los mantenimientos, reparaciones y ensayos de laboratorio mínimos requeridos. Se propone verificar la disponibilidad de material necesario, mantenerlos ordenados y en un lugar seco, asimismo fuera del alcance de sustancias inflamables o que puedan afectar su composición. Así como seguir las recomendaciones técnicas de operación y mantenimiento consignados en el manual. Se sugiere ejecutar un ensayo de tratabilidad para esta agua de Soracá a nivel de laboratorio, usando peroxidación con cloro, complementado con coagulación, floculación y sedimentación, para evaluar la remoción de manganeso como uno de los posibles responsable de la coloración de esta agua. Se recomienda revisar los tiempos de retención de la unidad de desinfección con un estudio de trazadores u otro método que permita determinar la cinética de la desafección, ya que la unidad actual de mezcla no corresponde a una cámara de flujo pistón, recomendada para este tipo de unidades.

110

GLOSARIO Agua cruda: Es el agua natural que no ha sido sometida a proceso de tratamiento para su potabilización. Agua potable: Agua que, por reunir los requisitos físicos, químicos y microbiológicos, en las condiciones señaladas en la resolución 1575 de 2007, puede ser consumida por la población humana sin producir efectos adversos a la salud Base de datos: Conjunto de información que se almacena bajo esquemas particulares para su posterior consulta y análisis Casco urbano: Zona central del municipio. Caudal: Cantidad de fluido que pasa por determinado elemento en la unidad de tiempo. Caudal de diseño: Caudal estimado con el cual se diseñan los equipos, dispositivos y estructuras de un sistema determinado. Caudal máximo diario: Consumo máximo durante veinticuatro horas, observado en un período de un año, sin tener en cuenta las demandas contra incendio que se hayan presentado. Caudal máximo horario: Consumo máximo durante una hora, observado en un período de un año, sin tener en cuenta las demandas contra incendio que se hayan presentado. Caudal medio diario: Consumo medio durante veinticuatro horas, obtenido como el promedio de los consumos diarios en un período de un año Calidad del agua: Es el resultado de comparar las características físicas, químicas y microbiológicas encontradas en el agua, con el contenido de las normas que regulan la materia. Coagulante: Sustancia química que induce el aglutinamiento de las partículas Coagulación: Aglutinación de las partículas suspendidas y coloidales presentes en el agua mediante la adición de coagulantes. Dotación neta: cantidad mínima de agua requerida para satisfacer las necesidades básicas de un habitante sin considerar las pérdidas que ocurran en el sistema de acueducto

111

Filtración: Proceso mediante el cual se remueve las partículas suspendidas y coloidales del agua al hacerlas pasar a través de un medio poroso. Floculación: Aglutinación de partículas inducida por una agitación lenta de la suspensión coagulada. Flujo: Agua que recorre una estructura. Fuente de abastecimiento: Depósito o curso de agua superficial o subterránea, utilizada en un sistema de suministro a la población Lecho de filtrante: Medio constituido por material granular poroso por el que se hace percolar un flujo. Optimización: Proceso de diseño y/o construcción para lograr la mejor compatibilidad entre los componentes de un sistema o incrementar su capacidad o la de sus componentes, aprovechando al máximo todos los recursos disponibles. pH: Es una medida de acidez o alcalinidad de una disolución en donde se indica la concentración de iones hidronio [H3O]+ presentes en determinadas disoluciones. Planta de tratamiento: Conjunto de obras, equipos y materiales necesarios para efectuar los procesos que permitan cumplir con las normas de calidad del agua potable. Persona prestadora: Empresa encargada de prestar el servicio de acueducto al municipio Sedimentación: Proceso en el cual los sólidos suspendidos en el agua se decantan por gravedad, previa adición de químicos coagulantes. Turbiedad: Propiedad óptica del agua basada en la medida de luz reflejada por las partículas en suspensión. Valor aceptable: Es el establecido para la concentración de un componente o sustancia, que garantiza que el agua para consumo humano no representa riesgos conocidos a la salud. Válvula: Accesorio cuyo objetivo es regular y controlar el caudal y la presión de agua en una red de conducción y/o distribución de agua potable. CINARA: Instituto de Investigación y Desarrollo en Abastecimiento de Agua, Saneamiento Ambiental y Conservación del Recurso Hídrico DANE: Departamento Administrativo Nacional de Estadística

112

FGDi: Filtro Grueso Dinámico FiME: Filtración en Múltiples Etapas FLA: Filtro Lento en Arena IRC: Centro Internacional de Agua y Saneamiento IRCA: Índice de Riesgo de la Calidad del Agua para Consumo Humano OMS: Organización Mundial de la Salud OPS: Organización Panamericana de la Salud UNT: Unidades Nefelométricas

113

BIBLIOGRAFIA

Academia Nacional de Ciencias. (2007). El agua potable segura es esencial. Recuperado de: https://www.koshland-science-museum.org/water/html/es/Treatment/Filtration-Systems-technologies.html

Acuatecnica. (2016). Plantas de tratamiento. Acuatecnica S.A.S. Recuperado de: https://acuatecnica.com/una-planta-tratamiento-agua-potable/

Anónimo. (2018). Soraca. Colombia turismo. Recuperado de http://www.colombiaturismoweb.com/DEPARTAMENTOS/BOYACA/MUNICIPIOS/SORACA/SORACA.htm)

Arboleda Valencia. (2000). Teoría y práctica de la purificación del agua. Tomo I. p.130. Colombia. Nomos S.A

Azabache F. (2017) Efecto Del Proceso De Coagulación Floculación, En La Remoción Del Hierro (Ii), Presente En Las Aguas De La Quebrada Juninguillo, Moyobamba. Recuperado de http://repositorio.unsm.edu.pe/bitstream/handle/11458/2821/DOCT.%20CIENC.AMB.%20-%20Yrwin%20Francisco%20Azabache%20Liza.pdf?sequence=1&isAllowed=y

Bolaños-Alfaro, J; Cordero-Castro, G; Segura-Araya, G. (2017). Determinación de nitritos, nitratos, sulfatos y fosfatos en agua potable como indicadores de contaminación ocasionada por el hombre, en dos cantones de Alajuela. Tecnología en Marcha. Vol. 30-4. Pág. 15-27. Dio: 10.18845/tm. v30i4.3408 Recuperado de https://www.scielo.sa.cr/pdf/tem/v30n4/0379-3982-tem-30-04-15.pdf

Burdano, L y Sánchez, L, D (2007). Remoción De Hierro Y Manganeso Por Oxidación - Filtración Para Agua Potable. Recuperado de http://bvsper.paho.org/texcom/cd050704/burbano.pdf

Cárdenas, Y. (2000). Tratamiento de agua: coagulación floculación. Recuperado de: http://www.ingenieroambiental.com/4014/andia.pdf

Carreño Carvajal, E. y Castiblanco Torres, C. (2016). Optimización del floculador tipo Alabama en la planta de tratamiento de Acuanamay con la incorporación de mallas en cada una de sus cámaras. (Tesis de pregrado). Recuperado de: https://repository.ucatolica.edu.co/bitstream/10983/14031/4/DOCUMENTO_OPTIMIZACI%C3%93N%20DEL%20FLOCULADOR%20TIPO%20ALABAM

114

A%20EN%20LA%20PLANTA%20DE%20TRATAMIENTO%20DE%20ACUANAMAY%20CON%20L.pdf

CENSO POBLACIONAL. (s. f.). DANE. Recuperado 2 de mayo de 2020, de https://www.dane.gov.co/files/censo2005/PERFIL_PDF_CG2005/15764T7T000.PDF.

Cinara. (1998). Experiencia Colombiana con el Filtro Grueso Dinámico, su Operación y Mantenimiento.

Chulluncuy Camacho, N. (2011). Tratamiento de agua para consumo humano. Red de revistas científicas de América Latina, el Caribe. Recuperado de: https://www.redalyc.org/pdf/3374/337428495008.pdf

Constitución política de Colombia. [Const]. (1991). Recuperado de: https://uao.libguides.com/c.php?g=529834&p=5786314#Constitucion

Constitución política de Colombia [Const]. (1991). Recuperado de https://www.constitucioncolombia.com/titulo-12/capitulo-5/articulo-366

Departamento administrativo de la función pública, Decreto 417 de 2020. DO (2020). Recuperado de https://dapre.presidencia.gov.co/normativa/normativa/DECRETO%20417%20DEL%2017%20DE%20MARZO%20DE%202020.pdf

Departamento De Asuntos Económicos Y Sociales De Naciones Unidas, (2014). El agua fuente de vida. Recuperado de: https://www.un.org/spanish/waterforlifedecade/quality.shtm

Ecofluidos Ingenieros S.A. (enero, 2002). Estudio de la calidad de fuentes utilizadas para consumo humano y plan de mitigación por contaminación por uso doméstico y agroquímicos en Apurímac y Cusco Recuperado de https://www1.paho.org/per/images/stories/PyP/PER37/15.pdf

Eustat. (2018). Proyecciones de población [en línea]. Recuperado de: https://www.eustat.eus/estadisticas/tema_163/opt_0/tipo_5/ti_proyecciones-de-poblacion/temas.html

Fibras y normas de Colombia, (2019). Plantas de tratamiento de agua potable –PTAP: Funcionamiento y tipos. Recuperado de: https://fibrasynormasdecolombia.com/plantas-de-tratamiento-de-agua-potable-ptap-funcionamiento-y-tipos/#Plantas-de-Tratamiento-de-Agua-Potable-Convencionales

115

Food and Agriculture Organization. FAO. Contaminación agrícola de los recursos hídricos: introducción. En: E.D. Ongley. Lucha contra la contaminación agrícola de los recursos hídricos. Recuperado de: http://www.fao.org/3/W2598S/w2598s03.htm#efectos%20de%20la%20agricultura%20en%20la%20calidad%20del%20agua

Food and Agriculture Organization. FAO (2018). Los contaminantes agrícolas: una grave amenaza para el agua del planeta. Agricultura & Ganadería Recuperado de: https://www.agriculturayganaderia.com/website/los-contaminantes-agricolas-una-grave- amenaza-para-el-agua-del-planeta/

Galvis Castaño.G & Latorre Montero.D. (1999). Filtración en múltiples etapas tecnología incoativa para el tratamiento de agua Recuperado de https://www.ircwash.org/sites/default/files/255.9-99FI-17025.pdf

Guevara, G (2014). Evaluación ambiental estratégica para cuencas prioritarias de los andes colombianos: dilemas, desafíos y necesidades. Acta Biológica Colombiana, 19(1),11-24. ISSN: 0120-548X. Recuperado de: https://www.redalyc.org/articulo.oa?id=3190/319029827002

Hernández Ospina (2019). Evaluación de sistemas de aireación para transferencia de oxígeno en aguas subterráneas. (Tesis de grado). Recuperado de: https://bibliotecadigital.univalle.edu.co/bitstream/handle/10893/17815/CB0600081.pdf?sequence=1&isAllowed=y

Instituto Nacional de Salud. INS (2017). Estado de vigilancia de la calidad del agua para consumo humano en Colombia. Recuperado de: https://www.ins.gov.co/sivicap/Documentacin%20SIVICAP/Informe%20Nacional%20de%20Calidad%20del%20Agua%202016.pdf

Jafari Dastanai,A.; Nabi Bidhendi, GR.; Nasrabadi,T.; Habibi, R y Hoveidi,H. (2007). Use of horizontal flow roughting filtration in wáter drinking. [Uso de filtración de desbaste de flujo horizontal en el tratamiento de agua potable]. Int. J. Environ. Sci. Tech, 4. 379–382. Recuperado de https://doi.org/10.1007/BF0332629

Lozano Rivas. W. y Lozano Bravo.G. (2015). Potabilización del agua: Principios de diseño, control de procesos y laboratorio. Editorial Universidad Piloto de Colombia.

Ministerio de ambiente (2007, 9 mayo). DECRETO 1575 2007. ALCALDIA DE BOGOTA. Recuperado de: https://www.alcaldiabogota.gov.co/sisjur/listados/tematica2.jsp?subtema=20571&cadena=a

116

Organización Mundial De La Salud. OMS. (2006). Guías para la calidad de agua potable. Recuperado de: https://www.who.int/water_sanitation_health/dwq/gdwq3_es_fulll_lowsres.pdf

Organización Mundial De La Salud. OMS. (2011). Guías para la calidad del agua de consumo humano. Recuperado de https://apps.who.int/iris/bitstream/handle/10665/272403/9789243549958-spa.pdf?ua=1

Organización Mundial De La Salud. OMS. -(2017) Aspectos fisicoquímicos de la calidad de agua. Recuperado de: http://www.ingenieroambiental.com/4014/uno.pdf

Organización Panamericana De La Salud. OPS. (2005). Guía para diseño de sistemas de tratamiento de filtración en múltiples etapas. Recuperado de: http://www.elaguapotable.com/Guia%20dise%C3%B1o%20filtraci%C3%B3n%20en%20mu ltiples%20etapas.pdf

Pearce, G (enero, 2015). Granular media pretreatment filtration [ Filtración de pretratamiento de medios granulares]. 1-7 Recuperado de https://link.springer.com/content/pdf/10.1007%2F978-3-642-40872-4_2161-1.pdf

Pérez, Luis. (2012). Gestión de agua y saneamiento sostenible: tanque de almacenamiento. Recuperado de: https://sswm.info/es/gass-perspective-es/tecnologias-de-agua-y-saneamiento/tecnologias-de-abastecimiento-de-agua/tanque-de-almacenamiento

Portilla Narvaez, J. (2017). Determinación de las curvas características de la sedimentación tipo ii con diferentes coagulantes comerciales a nivel laboratorio. (Tesis de grado). Recuperado de: https://repository.ucatolica.edu.co/bitstream/10983/14455/1/PROYECTO%20SEDIMENTACION%20TIPO%20II.pdf

Pütz (2009). Analítica de laboratorio y sistema de control de proceso nutrientes- fosfato. Recuperado de https://www.upo.es/depa/webdex/quimfis/docencia/TAQ/curso0304/guiones0304.pdf

117

Rodríguez García, R. (2006). Calidad del agua de fuentes de manantial en la zona básica de salud de Sigüenza. Red Revista esa de Salud Pública. Recuperado de: http://ebookcentral.proquest.com/lib/bibliotecaustasp/detail.action?docID=3171215.

Rojas,J., Robayo, V. y Cordoba, D. (2017). Calidad del agua. Normatividad – Reporte de información- Diagnostico nacional. Recuperado de: https://www.superservicios.gov.co/sites/default/archivos/SSPD%20Publicaciones/Publicaciones/2018/Oct/ebook_calidad_de_agua-26-12-2017-vbibiana1.pdf

Romero Rojas, J. (1999). Potabilización del agua 3a edición. Escuela Colombiana de Ingeniería. Colombia.

Sánchez, L., Sánchez, A., Galvis, G., & Latorre, J. (2006). Filtración en Múltiples Etapas. Santiago de Cali, Colombia: Centro Internacional de Agua y Saneamiento

Sánchez Pulido.P.C & Alonso Rios.J.L. (2017). Propuesta de mejora para la planta de agua potable de la Empresa fertilizantes colombianos s.a. (Proyecto integral). Fundación Universidad de América. Bogotá. Colombia. Recuperado de: https://repository.uamerica.edu.co/bitstream/20.500.11839/6260/1/6111635-2017-1-IQ.pdf

Saldarriaga, J. (2007). Hidraulica de tuberías, abastecimiento de agua, redes, riegos. Bogota, Colombia. Alfaomega.

Secretaria De Salud De Boyacá. (2012). Mapa de riesgo de calidad de agua para consumo humano del nacimiento El Salitre, fuente abastecedora del casco urbano del municipio de Soracá – Boyacá. Recuperado de: https://www.boyaca.gov.co/SecSalud/images/Documentos/Salud_Publica/Ano_2014/AGUA_CONSUMO_HUMANO/MAPA%20DE%20RIESGO%20SORACA.pdf

Sommerfeld, E.O. (1999). Iron and Manganese Removal Handbook. AWWA, Denver, CO.

Torres Parra, C. y Villanova Perdomo, S. (2014). El filtro de arena lento: manual para el armado, instalación y monitoreo. Universidad Piloto de Colombia. Recuperado de: https://www.unipiloto.edu.co/wp-content/uploads/2013/11/El-filtro-de-arena-Lento-a-color-para-la-web.pdf

118

True, A. (Julio, 1923). THE IMPORTANCE OF FILTER SAND AND GRAVEL IN FILTRATION PLANTS. [La importancia de filtros de arena y grava en plantas de tratamiento]. (Journal: American Water Works Association), 10(6), 1014-1020. Recuperado de www.jstor.org/stable/41226775

Universidad de Jaén (2010). Análisis de aguas Recuperado de http://www4.ujaen.es/~mjayora/docencia_archivos/Quimica%20analitica%20ambiental/tem a%2010.pdf

Vargas, L. (2009). Capítulo 3 Floculadores. Recuperado de: http://www.ingenieriasanitaria.com.pe/pdf/manual2/ma2_cap3.pdf

Vedavyasan C.V. (2016) Sand Filter. [Filtros de arena] Drioli E., Giorno L. (eds) Encyclopedia of Membranas. Springer, Recuperado de https://doi.org/10.1007/978-3-662-44324-8_52.

Velasco, I. y Ochoa, L. (2005). Sequía, un problema de perspectiva y gestión. Recuperado de: http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1870-39252005000300002

Wotton, R. (2002). Water purification using sand [Purificación del agua usando arena] Hidrobilogia 69, 193–201 Recuperado de https://doi.org/10.1023/A:1015503005899

Zuñiga Carrasco, I. y Samperio Morales, H. (2019). Importancia de la cloración del agua: sitios de abastecimiento con presencia de bacterias patógenas. Recuperado de: https://www.medigraphic.com/pdfs/micro/ei-2019/ei193c.pdf

119

ANEXOS

120

ANEXO 1 Diámetros comerciales tubería presión PVC – PAVCO

121

ANEXO 2 Ficha técnica Sulfato de Aluminio

122

ANEXO 3 Coeficientes para pérdidas en accesorios y codos

ANEXO 4 Levantamiento Topográfico planta de tratamiento de agua potable del municipio de Soracá, Boyacá

ANEXO 5 Estructuras hidráulicas actuales en la Planta de tratamiento de agua potable del municipio de Soracá, Boyacá.

1. Filtro Grueso Dinámico (FGDi)

- Cámara de entrada

- Cámara de disipación de energía

125

- Caja de filtración

- Cámara de excesos

126

2. Filtro lento ascendente (FLA)

- Cámara de entrada

- Canales de distribución

127

- Caja lecho filtrante

- Cámara de salida

128

- Caja de válvulas

1. Filtro lento de arena

- Cámara de entrada

129

- Canales de repartición

- Caja lecho filtrante

130

- Cámara de salida

131

ANEXO 6 Planimetría y vistas 3D planta de tratamiento de agua potable proyectada

- AIREADOR DE BANDEJAS MULTIPLES PLANIMETRIA

132

- AIREADOR DE BANDEJAS MULTIPLES MODELADO 3D

133

- CUAGULACIÓN, FLOCULACIÓN Y SEDIMENTACIÓN PLANIMETRIA

134

CORTE A

CORTE B

135

CORTE C

CORTE D

136

CORTE E

137

- CUAGULACIÓN, FLOCULACIÓN Y SEDIMENTACIÓN MODELADO 3D

Vertedero rectangular

Floculador y sedimentador

A

138

CORTE A

139

- FILTRO DINAMICO GRUESO PLANIMETRIA

CORTE E

- FILTRO DINAMICO GRUESO MODELADO 3D

CORTE A

A

142

- FILTRO LENTO EN ARENA PLANIMETRIA

CORTE E

- FILTRO LENTO EN ARENA MODELADO 3D

145

ANEXO 7 TOMO I Manual de operación y mantenimiento PTAP Soracá (Boyacá)

146

ANEXO 8 TOMO II Manual de operación y mantenimiento PTAP Soracá (Boyacá)

147

ANEXO 9 Memoria de calculo