TRATAMIENTO DE AGUA Ingº GASPAR MENDEZ

Con este alcance se pretende explicar la etapa de clarificación en el tratamiento de agua potable, la cual consiste en la eliminación de partículas finas. El agua consta de tres tipos principales de impurezas: físicas, químicas y biológicas. Desde el punto de vista físico se puede hablar que los sólidos totales que son impurezas del agua se pueden clasificar como partículas no filtrables o en suspensión, filtrables o disueltas y una tercera posibilidad es el caso intermedio que corresponde a los coloides. En general los coloides no tienen un límite fijo de tamaño y se suelen estudiar bajo un enfoque fisicoquímico desde el punto de vista de sus propiedades. Un material coloidal puede tardar 755 días en sedimentar por tanto es importante cambiar esta condición. Para comprender mejor el estudio del proceso de clarificación del agua se introduce el concepto de turbiedad. Se entiende por turbiedad a la propiedad óptica de una muestra de diseminar y absorber la luz en lugar de transmitirla en línea recta. Existen dos tipos de equipos para medir turbiedad. En la primera clase de equipos están el turbidímetro de aguja de platino y la bujía de Jackson, los cuales son aptos para medir turbiedades altas. En la segunda clase de equipos está el turbidímetro Hach, que se utiliza para medir turbiedades bajas (nefelometría). Además de turbiedad es posible también definir color. Se habla de color aparente si no se ha removido la turbiedad y de color verdadero del agua en caso contrario. En general el color se determina con tubos Nessler. El color del agua se debe principalmente a materia orgánica o minerales en suspensión o en estado coloidal. En general las sustancias liofílicas son responsables de la coloración del agua. En cuanto a los coloides, se pueden clasificar en el rango de tamaño entre 1 mu a 1000 mu mediante un microscopio electrónico. Los coloides se pueden clasificar según varios

aspectos. Pueden considerarse liofílicos si se estabilizan con capas de hidratación o bien liofóbicos si presentan repulsión por el solvente y por tanto son más inestables. También pueden clasificarse según sea su duración en Caduco (cambian rápidamente) o Diuturno (larga duración). Del punto de vista de la química hay dos clases: orgánicos o inorgánicos. Según sea el tipo de aglomerado que conforman se clasifican en moleculares (polímeros) y en miscelares. Por último bajo un punto de vista de su forma, se puede decir que los cilíndricos son más propensos a aglutinarse que los esféricos o poliédricos. El tratamiento del recurso agua se puede dividir en dos categorías, según sea si se trata de agua dulce que no ha sido utilizada para cubrir las necesidades del hombre, o de agua que éste ha emitido como residuo después de usarla. Tratamiento de aguas continentales de origen superficial o subterráneo. Tratamiento de aguas residuales de origen doméstico o industrial. El agua pura no se encuentra en forma natural porque está normalmente contaminada por el aire y el suelo. Las impurezas pueden ser orgánicas y/o inorgánicas ya sea disueltas, o en forma de material particulado. Estas impurezas pueden provenir de la degradación biológica de sustancias orgánicas que producen ácidos grasos, carbohidratos, aminoácidos e hidrocarburos; de sustancias inorgánicas como metales tóxicos, material particulado como arcillas y sedimentos y de microorganismos como bacterias, virus y protozoos. Los contaminantes químicos corrientes son metales pesados como hierro, manganeso, plomo, mercurio, arsénico, cobre, cinc, compuestos nitrogenados tales como amoníaco, nitrito y nitrato, carbonato o bicarbonato de calcio y magnesio, aniones como cloruro, fluoruro, sulfato y silicatos y las mencionadas, sustancias orgánicas. Aparte de estas

sustancias, existen otros contaminantes de carácter antropogénico tales como cianuros, fenoles, cromo y detergentes. Los contaminantes biológicos del agua y sus efectos se dan en la siguiente tabla: Para asegurar la salud de la población, al agua potable se le exige que no contenga microorganismos patógenos. Como no es práctico examinar todos éstos, se recurre a examinar bacterias del grupo coliforme, indicativa de la contaminación de animales y de la bacteria Escherichia coli, indicativa de contaminación fecal.

Coliformes Cantidad

NMP/100mL

totales <5

fecales <5

I. COAGULACION

Los coagulantes se añaden al agua, para contribuir a la separación de las impurezas pequeñísimas o coloides que requieren una aglomeración previa para poder ser mas efectivamente separados por sedimentación y filtración. Varias sustancias químicas agregadas al agua que contienen carbonatos y bicarbonatos de cal o de magnesia, forman compuestos algo gelatinosos, que actuando como coagulantes reúnen las materias finas en suspensión, agrupándolas en masas relativamente grandes que sedimentan rápidamente, privando al mismo tiempo al agua de color en gran proporción. Para aumentar la velocidad de sedimentación y eliminar partículas muy finas en suspensión, se agrega coagulante al agua. Sin los coagulantes las partículas muy finas no se sedimentan debido a su elevada relación entre el área de superficie y masa y por la presencia de cargas negativas en ellas La velocidad a la cual las fuerzas de electrostáticas de repulsión que tienden a mantener separadas y evitan la aglomeración. Cuando se mezclan los coagulantes con el agua, introducen núcleos con fuerte carga positiva que atraen y neutralizan al material suspendido que tiene carga negativa. Los compuestos de hierro y aluminio son de uso común como coagulantes, debido a su fuerte carga iónica positiva. La alcalinidad del agua que se va tratar debe ser lo bastante

Microorganismo Nombre Enfermedad

Bacteria Salmonella tiphi tifus

Bacteria Vibrio cholerae cólera

Bacteria Shigellas disentería

Bacteria Grupo de salmonella gastroenteritis

Virus - hepatitis

Ameba Entamoeba hystolica disentería amébica

Lombriz Taenia saginata triquinosis

alta para que se forme un hidrato o hidróxido insolubles de estos metales. Estos flóculos insolubles de hierro y aluminio, que se combinan entre si y con las otras partículas suspendidas. Se precipitan cuando se torna un flóculo de suficiente tamaño. A.- PROCESO DE COAGULACION

Se realiza en tres formas diferentes: Adición de los coagulantes. Dispersión de los coagulantes (mezcla rápida). Aglutinación de partículas (mezcla lenta).

1. ADICIÓN DE LOS COAGULANTES

Los coagulantes se pueden clasificar en:

Los Polielectrolitos o ayudantes de manipulación

Coagulantes metálicos.

Ambos actúan como polímetros además de la carga eléctrica que poseen.

En los polielectrolitos, las cadenas polimétricas se encuentran ya formadas y en las segundas recién se inician cuando están en contacto con el agua.

La sedimentación depende esencialmente del peso de las partículas y no de los coagulantes.

Polielectrolitos

Este tipo de coagulantes es muy usado en Europa y en EEUU. Pueden ser naturales o sintéticos y actúan como coagulantes o ayudantes de la coagulación. Son una serie de compuestos orgánicos muy variados en su estructura química. Como derivados del algodón, celulosa, materiales proteicos y otros.

A continuación daremos algunas características de este tipo de coagulante:

Los polielectrolitos sintéticos no se conoce su composición por ser patentados. Los polielectrolitos usados con coagulantes metálicos comunes produce un floc

que sedimenta rápidamente. Con ciertas aguas, la dosificación de polielectrolitos en pequeñas cantidades

reduce el gasto de coagulantes. Las algas son rápidamente coaguladas. Todos los polielectrolitos no son igualmente efectivos con todas las aguas.

Coagulantes metálicos

Existen diversos coagulantes metálicos, que los clasificaremos en tres tipos:

Coagulantes con sales de aluminio:

Son los que forman un floc ligeramente pesado dentro de ellas el más conocido es el sulfato de aluminio, que por su bajo costo y su manejo relativamente sencillo se usa con mayor frecuencia en las plantas de tratamiento de agua potable. La sustancia química mas frecuentemente usada como coagulante es el sulfato de aluminio, el cual al ser introducido en el agua que contiene bicarbonatos de cal o

de magnesio, se descompone; el ácido sulfúrico se combina con la cal o el magnesio para formar sulfatos, el DIOXIDO de carbono es puesto en libertad y el hidróxido de aluminio forman un precipitado floculento que es el que actúa como coagulante por su naturaleza gelatinosa. El sulfato de aluminio es un polvo de color marfil, ordinariamente hidratado.

Coagulación con sales de hierro.

Estas sales tienen ventaja sobre las anteriores con respecto a:

Forman un floc más pesado que las sales de aluminio. Mayor velocidad de almacenamiento. Trabajan con un rango de pH mucho más amplio. Se usan cuando los sulfatos de aluminio no producen una coagulación adecuada o

cuando los sedimentadotes están demasiado recargados y resulta económico aumentar el peso del floc.

Las sustancias más usadas de las sales de hierro son: el fluoruro férrico, sulfato férrico y sulfato ferroso.

Otros compuestos.

Existen varios compuestos que pueden ser utilizados para coagular el agua, uno de los más aparentes es el carbono de magnesio, que da una solución blanca que no se obtiene en forma comercial pero puede producirse en la misma planta.

La suficiente cantidad de cal en agua que contenga bicarbonato de magnesio, produce un precipitado de hidróxido de magnesio el cual tiene características similares al hidróxido de aluminio.

DOSIFICADORES

Son aquellos que sirven para realizar una dosificación continua y automática del compuesto a la cámara de solución con lo que se hace que requiera poca mano de obra. Estos compuestos químicos pueden medirse en:

Dosificadores en seco o en polvo. Dosificadores en solución o líquido.

Dosificadores en seco o en polvo:

Pueden ser volumétricos y gravimétricos, en los primeros el polvo es colocado en una tolva alta, desde donde el material cae hasta un mecanismo de medida consistente en un disco giratorio, un tornillo sin fin u otro elemento que se desplaza con una velocidad prefijada variable a voluntad encerrando un cierto volumen de sólidos. Vertiéndose en una cámara de solución con agua, provista de un sistema de agitación.

En los dosificadores gravimétricos el polvo es dosificado por una balanza que regula el peso del material que pasa y permite que una correa sin fin u otro mecanismo, lo vierta en la cámara de solución, desde donde fluye por mangueras y tubos hasta el punto de aplicación. Estos dosificadores son más costosos.

Dosificadores en solución o líquido:

Son menos costosos que los anteriores. Requieren un menor número de piezas y son, por eso, más fácilmente responsables por un operador no entrenado.

Desgraciadamente la costumbre de las naciones no industrializadas de de imitar a las mas industrializadas, atraído como consecuencia en algunos países de la región el uso indiscriminatorio de costosos equipos de dosificación en seco, cuyo mecanismo es desconocido por los operarios locales y su trabajo es por eso deficiente y pobre.

Esta dosificación puede hacerse por gravedad o por bombeo.

POR GRAVEDAD

Consta de tres partes:

Tanques en solución.

Tanque dosificador.

Elemento hidráulico de medida.

En instalaciones pequeñas el tanque dosificador y el elemento hidráulico de medida pueden incluirse dentro del tanque se solución haciendo un diseño integrado que por lo común resulta más económico.

Tanques en solución. El mayor problema para almacenar o transportar coagulantes en solución concentrada, es la corrosión. Pudiendo ser construido de asbesto cemento o concreto (siempre que estén protegidas con resinas metálicas o a base de caucho) cuando se usa materiales tales como: cobre, bronce, estaño, hierro fundido son atacados con mas o menos rapidez. Por tanto, llaves, tubos o accesorios de estos materiales no deben quedar en contacto permanente con la solución

Tanque dosificador por gravedad: Los más comunes son:

De orificio regulable. Pueden ser:

Modelo integrado: pueden ser calibrados para producir un flujo determinado. Modelo separado: conserva el nivel constante en las cámaras centrales.

De orificio fijo:

Consiste en una casilla separada a nivel constante acoplado por una manguera al tanque de solución. También pueden ser de modelo separado o integrado.

Dosificador proporcional.

Utiliza la turbulencia para le mezcla. Torres de saturación. Su dosificación son en bloques los cuales son producidos localmente, entonces el agua es inyectada por la parte superior de la torre a través de un difusor, de manera que descienda filtrándose en el lecho poroso formado por los bloques de coagulantes. Se produce así una solución saturada.

POR BOMBEO. Los sistemas de bombeo constan de:

Bombas dosificadoras. Es uso de este sistema bastante generalizado. Se emplea generalmente bombas reciprocantes (pistón), de diafragma y rotatorias.

Las bombas de pistón son quizás las comunes, pues producen una dosificación muy precisa. Son además mas baratas que los dosificadores en seco, y permiten mayor flexibilidad en el diseño.

2. DISPERSIÓN DE LOS COAGULANTES

La dispersión de los coagulantes puede considerarse que progresa entre fases distintas que son conceptual y prácticamente diferentes.

1ra fase: Hidrólisis de los iones de Al (III) y Fe (III), esta fase se realiza en un tiempo

extremadamente corto, que ha sido estimado entre 10-10

seg. y 10-3

seg. 2da fase: Polimerización o reacción de los iones hidratos, para formar especies diméricas

y poliméricas, se realizan en un tiempo que pueden variar entre 10-2

seg. y 1 seg. 3ra fase: Difusión de los compuestos formados y desestabilización de lo coloides, varia

entre 8.5* 10-5

segundo mínimo y 2.4* 10-4

segundos máximos.

Una vez desestabilizados los coloides empiezan a aglutinarse formando primero partículas, con diámetro inferior a una micra, luego estos núcleos se aglutinan en partículas mayores, y por ultimo se hidratan aumentando su volumen.

VELOCIDAD DE LA MEZCLA

La velocidad con la cual los coagulantes deben dispersarse en toda la masa de agua, depende de la velocidad de las reacciones de éstos con la alcalinidad y con el agua misma, es por ello que para que una mezcla sea eficiente el tiempo de mezcla debe ser menor que el tiempo de reacción. Ahora bien el tiempo de reacción parece estar influenciado por las características de la fase acuosa, esto por el Ph y por la alcalinidad del agua.

METODOS PARA REALIZAR LA MEZCLA RÁPIDA

En plantas de tratamiento la mezcla rápida se puede realizar en dos formas:

Con mezcladoras de flujo de pistón.

Con retromezcladores.

En los mezcladores de flujo de pistón, la adicción de coagulantes se hace al pasar la masa de agua por un punto determinado, en el cual se produce una fuerte turbulencia producida por un aparato hidráulico (orificio, vertedero, etc.).

Los sistemas más comunes de mezcladores de flujo de pistón son: salto hidráulico, canaleta parshall, tubo venturi y dispersores.

En el retromezcladores el agua es retenida en una cámara espacial por un tiempo de detención (10 a 60 seg.), en donde se aplican los coagulantes, mientras se agita con una turbina o paleta rotatoria i cualquier sistema para crear turbulencia.

La diferencia entre ambos métodos es amplia. En los retromezcladores, el agua que entra y acaba de ser dosificada con un coagulante se mezcla con el agua previamente retenida en la cámara y que hace un tiempo recibió la dosis de coagulante. Esto produce una interacción entre los compuestos químicos iniciales, que se forman en la masa de agua que llega y los previamente formados en la masa de agua retenida en el tanque, lo q2ue no parece veneficiar el proceso.

En ambos casos la turbulencia puede crearse hidráulica o mecánicamente, esto es utilizando la energía cinética que trae el agua o introduciendo en el flujo energía procedente de una fuente externa.

3. AGLUTINACIÓN DE PARTICULAS

Viene a ser el proceso por el cual las partículas se aglutinan en pequeñas masas con peso específico superior al del agua llamadas FLOC.

Una vez realizado el proceso de dispersión de coagulantes hay que producir una lentas agitación en al agua para permitir el crecimiento del FLOC. Inducido por el contacto entre partículas de diámetro mayor a 1 micra (1u) creado por el gradiente de velocidad de la masa liquida.

OBJETIVOS: los objetivos básicos que se persiguen son:

- Reunir los microfóculos para formar partículas mayores con peso específico

superior al del agua. - Compactar el floc (disminuir el grado de hidratación) para producir una baja

concentración volumétrica.

USOS Y COMPETENCIAS.

Dicho proceso se usa para:

Remoción de turbiedad orgánica o inorgánica (principalmente arcillas) que no se sedimentan fácilmente.

Remoción de color verdadero y aparente.

Eliminación de bacteria, virus orgánicos y organismos patógenos susceptibles de ser separados por coagulación.

Destrucción de algas y plancton.

Eliminación de sustancias generadoras de sabor y olor en algunos casos y de precipitados químicos suspendidos en otros.

Además se debe distinguir dos aspectos fundamentales en la coagulación – floculación del agua:

La desestabilización de las partículas suspendidas, ósea la remoción de las fuerzas que las mantienen separadas, y el transporte de ellas dentro del liquido para que hagan contactos, generalmente estableciendo puentes entre si y formando una malla tridimensional de coágulos porosos.

II.- FLOCULADORES

El objetivo del floculador es proporcionar a la masa de agua coagulada una agitación lenta aplicando velocidades decrecientes, para promover el crecimiento de los flóculos y su conservación, hasta que la suspensión de agua y flóculos salga de la unidad. La energía que produce la agitación del agua puede ser de origen hidráulico o mecánico. En este capítulo trataremos sobre el diseño de unidades de agitación hidráulica. FLOCULADORES DE PANTALLAS

Las unidades de pantallas son las más eficientes y económicas de todos los floculadores actualmente en uso. Debido a la gran cantidad de compartimientos que tienen, confinan

casi perfectamente el tiempo de retención; el tiempo real es prácticamente igual al tiempo teórico. Debido a que no se requiere energía eléctrica para su funcionamiento, el costo de producción es muy bajo. Floculadores de flujo horizontal

Parámetros y recomendaciones de diseño • Recomendables para caudales menores de 50 litros por segundo. • Se proyectará un mínimo de dos unidades, salvo que la planta tenga alternativa para

filtración directa, porque en ese caso, podrá darse mantenimiento al floculador durante los meses en que la planta opera con filtración directa.

• En este tipo de unidades predomina el flujo de pistón, por lo que se consigue un buen ajuste del tiempo de retención.

• Se pueden utilizar pantallas removibles de concreto prefabricadas, fibra de vidrio, madera, plástico, asbesto-cemento u otro material de bajo costo, disponibles en el medio y que no constituya un riesgo de contaminación.

De esta manera, se le da mayor flexibilidad a la unidad y se reduce el área construida, disminuyendo por consiguiente el costo de construcción • Entre los materiales indicados para las pantallas, los que ofrecen mayor confiabilidad

son la fibra de vidrio, el plástico, los tabiques de concreto prefabricados y la madera. En cada caso, la elección del material dependerá del tamaño de la planta, del costo del material y de los recursos disponibles. Si se empleara madera, se pueden disponer tabiques de madera machihembrada, tratada con barniz marino aplicado en varias capas, cada una en sentido opuesto a la anterior, de tal manera de formar una gruesa capa impermeabilizante.

También puede emplearse madera revestida con una capa de fibra de vidrio. La unidad puede tener una profundidad de 1,00 a 2,00 metros, dependiendo del material utilizado en las pantallas.

Floculador de pantallas de flujo Horizontal

Unidades de flujo vertical

En este tipo de unidades el flujo sube y baja a través de canales verticales formados por las pantallas. Es una solución ideal para plantas de medianas a grandes, porque debido a la mayor profundidad que requieren estas unidades, ocupan áreas más reducidas que los canales de flujo horizontal. Otra ventaja importante es que el área de la unidad guarda proporción con respecto a los decantadores y filtros, con lo que resultan sistemas más compactos y mejor proporcionados. Cuando se emplean floculadores de flujo

horizontal en plantas grandes, el área de los floculadores es mucho mayor que el área de todas las demás unidades juntas. Parámetros y recomendaciones de diseño

• Las unidades de flujo vertical son una solución recomendable para plantas de capacidad mayor de 50 litros por segundo.

• Se proyectan para profundidades de 3 a 4 metros, por lo que ocupan un área menor que las unidades de flujo horizontal.

• Los tabiques pueden ser de fibra de vidrio, prefabricados de concreto, de madera o de asbesto-cemento.

• Las restricciones para el uso de pantallas de asbesto-cemento son las mismas que se indicaron anteriormente.

Floculador de pantallas de flujo Vertical

DECANTACION

El proceso de sedimentación de los flocs, toma el nombre de decantación, pudiendo ser este del tipo convencional o del tipo de alta velocidad (tecnología relativamente nueva). Es importante analizar el paso del decantador al filtro, para ello se debe tener en cuenta que su velocidad sea la mínima.

FILTRACIÓN I. TEORÍA DE LA FILTRACIÓN

La filtración consiste en la remoción de partículas suspendidas y coloidales presentes en una suspensión acuosa que escurre a través de un medio poroso. En general, la filtración es la operación final que se realiza en una planta de tratamiento de agua y, por consiguiente, es la responsable principal de la producción de agua de calidad coincidente con los patrones de potabilidad.

El avance logrado por la técnica de filtración es el resultado de un esfuerzo conjunto dirigido a lograr que la teoría exprese los resultados de las investigaciones experimentales, de tal modo que sea posible prever en el diseño, cómo va a operar la utilidad de filtración en la práctica. II. MECANISMOS DE FILTRACIÓN

Como las fuerzas que mantienen a las partículas removidas de la suspensión, adheridas a las superficies de los granos del medio filtrante son activas para distancias relativamente pequeñas (algunos angstroms), la filtración es usualmente considerada como el resultado de dos mecanismos distintos, pero complementarios: transporte y adherencia. Inicialmente, las partículas a removerse son transportadas de la suspensión

a la superficie de los granos del medio filtrante. Ellas permanecerán adheridas a los granos, siempre que resistan la acción de las fuerzas de cizallamiento debidas a las condiciones hidrodinámicas del escurrimiento. El transporte de partículas es un fenómeno físico e hidráulico, afectado principalmente por los parámetros que gobiernan la transferencia de masas. La adherencia entre partículas y granos es básicamente un fenómeno de acción superficial, que es influenciado por parámetros físicos y químicos.

1. MECANISMOS DE TRANSPORTE

La mayor parte de los trabajos realizados con el objeto de verificar los factores que influencian el transporte de las partículas, destacan la diferencia que existe entre la filtración de acción superficial y la de profundidad. En el primer caso, la formación de un manto de partículas removidas está localizado encima de las primeras capas del medio filtrante, es responsable por aproximadamente el 90% de la pérdida de carga total, mientras que, en el segundo caso, la penetración de partículas es profunda, produciéndose una distribución de pérdidas de carga en todo el medio filtrante. La acción física de cernido es un mecanismo dominar1te en la filtración de acción superficial, mientras que, en la filtración de acción a profundidad, este mecanismo es el de menor importancia entre, otros responsables por el transporte de las partículas. A continuación se describen los principales mecanismos de transporte.

1.1. Impacto inercial

Durante el escurrimiento, las líneas de corriente divergen al estar cerca a los granos del medio filtrante, de modo que las partículas suspendidas, con cantidad de movimiento suficiente para mantener su trayectoria, colisionan con los granos.

1.2. Intercepción

Normalmente, el régimen de escurrimiento durante la filtración es laminar, y por lo tanto, las partículas se mueven a lo largo de las líneas de corriente. Debido a que las partículas suspendidas tienen densidad aproximadamente igual a la del agua, ellas serán removidas de la suspensión cuando, en relación a la superficie de los granos del medio filtrante, las líneas de corriente están a una distancia

menor que la mitad del diámetro de las partículas suspendidas.

1.3. Sedimentación

El efecto de la gravedad sobre las partículas suspendidas durante la filtración fue sugerido hace más, de 7 años, cuando Hazen consideró los poros de los filtros lentos de arena como pequeñas unidades de sedimentación. Sin embargo, durante mucho tiempo la contribución de este mecanismo no se consideró significativa, pues la velocidad de sedimentación de las partículas suspendidas y, especialmente, la de los pequeños flóculos, es mucho más pequeña en comparación con la velocidad intersticial.

1.4. Difusión

Se ha observado que las partículas relativamente pequeñas presentan un movimiento errático cuando se encuentran suspendidas en un medie líquido. Este fenómeno, resultado de un bombardeo intenso a las partículas suspendidas por las moléculas de agua, es conocido como movimiento Browniano, y es debido

al aumento de la energía termodinámica y a la disminución de la viscosidad del agua. El movimiento de partículas mayores que 1 um es afectado por la fuerza de arrastre y de inercia de las mismas, y por lo tanto, la intensidad del movimiento de difusión resulta inversamente proporcional al tamaño de las partículas suspendidas.

2. MECANISMOS DE TRANSPORTE COMBINADO.

Es probable que todos los mecanismos actúen simultáneamente durante la filtración sin embargo, el grado de importancia de cada uno de ellos depende de las características de la suspensión y del medio filtrante. Normalmente se ha dado poca importancia a los efectos de la acción física de cernido y de impacto inercial durante la filtración.

La eficiencia del medio filtrante para remover partículas de la suspensión por acción de los mecanismos de transporte, puede expresarse adecuadamente como una función de la intercepción, difusión, sedimentación y acción hidrodinámica.

3. Mecanismos de Adherencia

La adherencia entre las partículas transportadas y los granos está gobernada principalmente, por las características de las superficies de las partículas suspendidas y de los granos. Las partículas se pueden adherir directamente tanto a la superficie de los granos como a partículas previamente retenidas. La importancia de las características de las superficies es evidente cuando se considera la filtración de una suspensión de arcilla en un lecho de arena con una velocidad de aproximación del orden de l. 5mm/s. La eficiencia de remoción es inferior al 20% cuando no se emplea coagulante; por lo tanto, la filtración de la misma suspensión coagulada con una sal de Al++ o Fe++ puede producir una eficiencia de remoción superior a 95%., En el primer caso se tiene una cantidad elevada de partículas estables, en, tanto que en el segundo caso, la mayor parte de las partículas fue desestabilizada.

La adherencia se atribuye a dos tipos de fenómenos: interacción entre las fuerzas eléctricas y las de Vander Waals, y al enlace química entre las partículas y la

superficie de los granos por un material intermediario. Se ha sugerido inclusive, que la filtración no es más que un caso especial de la floculación, donde algunas partículas, son fijas (aquéllas adheridas inicialmente a los granos), y otras suspendidas.

CARACTERISTICAS ENTRE DIFERENTES TIPOS DE FILTROS

CARACTERISITCAS Filtro rápido con lecho mixto (arena y antracita)

Filtro rápido con lecho de arena Filtro lento con lecho de arena

CARGA SUPERFICIAL DE FILTRACIÓN

m3/m

2/día 235.00 350.00 590.00 m

3/m

2/día 87.50 117.50 157.00 m

3/m

2/día 7.00 9.33 14.00

l/seg/m2 2.72 4.05 6.83 l/seg/m

2 1.01 1.36 2.03 l/seg/m

2 0.081 0.108 0.162

VELOCIDAD DE FILTRACIÓN

cm/seg 0.272 0.405 0.683 cm/seg 0.101 0.136 0.203 cm/seg 0.0081 0.0108 0.0162

PROFUNDIDAD DE LECHO FILTRANTE

30 – 45 cm de grava 45 – 60 cm de antracita

15 – 30 cm de arena

30 -45 cm de grava 60 – 75 cm de arena

30 cm de grava 90 -110 cm de arena

DRENAJE

Falsos fondos o similares Tuberías metálicas perforadas o placas

porosas, falsos fondos, etc.

Tuberías perforadas de PVC o de polietileno

LAVADO

Invirtiendo el flujo con agua proveniente de un tanque elevado o una bomba de lavado

(0.6-1.0 m/min o 0.6-1.0 m3/m

2/min)

Igual a los filtros rápidos con lechos mixtos (0.8-1.2 m/min)

Raspando la superficie de la arena

PERDIDA DE CARGA De 20 cm hasta 2.70 m máximo De 30 cm hasta 2.70 m máximo De 16 cm hasta 1.20 m máximo

TIEMPO ENTRE LIMPIEZAS

12-48 horas

24-48-72 horas

20-30-60 días

PENETRACIÓN DEL FLOR

Profunda

5 cm superiores (mayor cantidad)

superficial

CANTIDAD DE AGUA USADA EN EL LAVADO

1-3 % de agua filtrada

1- 6 % del agua filtrada

0.2 – 0.6 % del agua filtrada

TRATAMIENTO PREVIO DEL AGUA

Coagulación, floculación, decantación

Igual al anterior Ninguna o aireación (rara vez floculación y

decantación)

COSTO DE LA CONSTRUCCIÓN

Mas bajo que de los filtros rápidos de arena

Mas abajo que el de los filtros lentos

Alto

COSTO DE LA OPERACIÓN

Igual al de los filtros rápidos de arena

Mas alto que el de los filtros lentos

bajo

ÁREA OCUPADA POR LOS FILTROS

½ - 1/5 de la de los filtros rápidos de arena

--------- Mas grande que la de los filtro rápidos de

arena (aprox. 12 veces mas)

DESINFECCION (Cloración)

INTRODUCCIÓN

La historia del desarrollo humano está asociada, en gran medida, al estado sanitario de los distintos grupos que han habitado este planeta. En ocasiones, pestes y plagas, muchas veces aleatorias, coyunturales y únicas, han diezmado a países o regiones enteras. Sin embargo, hay enfermedades que parecen ser tan antiguas como el ser humano y su vigencia y protagonismo son parte de la vida cotidiana. Se trata de las enfermedades diarreicas. El “Reporte de Salud Mundial” de la Organización Mundial de la Salud de fin de siglo XX, ubica a las diarreas como la séptima causa de muerte en el mundo después de las enfermedades coronarias, los accidentes cerebro vasculares, las infecciones respiratorias agudas, el HIV/SIDA, las obstrucciones crónicas pulmonares y las condiciones adversas peri natales. Si bien esa colocación evidencia la importancia de las mismas, el dato de séptima causa de mortalidad queda empalidecido cuando la misma Organización Mundial de la Salud reporta que las diarreas son, de lejos, la primera causa de morbilidad en el ser humano, con cuatro mil millones de causas anuales. Se estima que en todo momento, casi la mitad de la población que habita el mundo en desarrollo está soportando un episodio de diarrea. Infelizmente, esa prolongada presencia en la vida de los seres humanos ha hecho que se pierda de vista la magnitud y el peso que la misma representa sobre la salud y la calidad de vida de los individuos y sobre la economía de la humanidad en su conjunto. Las diarreas tienen como causas, una deficiente nutrición, la inapropiada disposición de excretas, inadecuadas prácticas higiénicas, y una mala calidad del agua de bebida. Las primeras de esas causas podrían englobarse dentro del contexto de pobreza y de pautas culturales inapropiadas que aquejan a tantos, mientras que el último punto, el de la mala calidad del agua de consumo aparece como una responsabilidad de la ingeniería sanitaria y de otras ciencias asociadas. En todo el mundo, el mecanismo de desinfección más aplicado en los sistemas de abastecimiento de agua es el que emplea el cloro y sus compuestos derivados como agentes desinfectantes. Fue introducido masivamente a principios del siglo XX y constituyó una revolución tecnológica, que complementó el proceso de filtración que ya era conocido y utilizado para el tratamiento del agua. La cloración, tal como se ha expresado líneas arriba, incrementó en 50% la esperanza de vida de los países desarrollados. La clave de su éxito es su accesibilidad en casi todos los países del mundo, su razonable costo, su alta capacidad oxidante, que es el mecanismo de destrucción de la materia orgánica, y su efecto residual. Todo ello permite en forma bastante simple, asegurar la inocuidad del agua desde que se produce hasta el momento que se usa, lo que resulta muy beneficioso, tanto en sistemas pequeños como en grandes ciudades con redes de distribución extendidas. Aunque el cloro y sus derivados no son los desinfectantes perfectos muestran las siguientes características que los hacen sumamente valiosos:

Tienen una acción germicida de espectro amplio. Muestran una buena persistencia en los sistemas de distribución de agua, pues presentan

propiedades residuales que pueden medirse fácilmente y vigilarse en las redes después que el agua ha sido tratada o entregada a los usuarios.

El equipo para la dosificación es sencillo, confiable y de bajo costo. Además, para las pequeñas comunidades hay dosificadores de “Tecnología apropiada” que son fáciles de usar por los operadores locales.

El cloro y sus derivados se consiguen fácilmente, aun en lugares remotos de los países en desarrollo.

Es económico y eficaz en relación con sus costos.

Los productos de la familia del cloro disponibles en el mercado para realizar la desinfección del agua son:

cloro gaseoso. cal clorada. hipoclorito de sodio. hipoclorito de calcio.

Para elegir cuál de estos productos se ha de emplear, así como el mecanismo para suministrarlo, el(los) responsable(s) de esta selección deberá(n) basar su decisión en la respuesta a las siguientes interrogantes:

¿Qué cantidad de desinfectante se necesita? ¿Cuáles son las posibilidades de abastecimiento del producto? ¿Con qué capacidad técnica se cuenta para el uso, operación y mantenimiento de los

equipos? ¿Existen recursos necesarios para evitar que los trabajadores estén expuestos a riesgos a

la salud durante el almacenamiento y manipuleo? ¿Se dispone de la capacidad económica y financiera para asumir los costos de inversión,

operación y mantenimiento?

Para responder estas preguntas será necesario realizar un diagnóstico de las condiciones técnicas, económicas y sociales de la localidad. La cantidad necesaria de desinfectante está en función del caudal de agua a tratar, la dosis requerida según la calidad del agua y las normas de calidad de agua bebida del país. Existe, sin embargo, una regla no escrita que establece un límite entre el uso de cloro gas y otras formas. Tal frontera la marca el caudal de 500 m3/día. El uso de cloro gas no es recomendable para caudales menores de 500 m3/día, lo que a una dotación de 100 litros por habitante por día, típica del medio rural, significa que el cloro gas solo es recomendable para poblaciones mayores de 5,000 habitantes. El abastecimiento del producto es un factor que condiciona la selección del mismo, ya que en muchos casos las zonas rurales se encuentran alejadas de las ciudades y son de difícil acceso, lo cual podría sugerir la necesidad de emplear otro desinfectante o bien preparar hipoclorito de sodio en la localidad. La capacidad técnica disponible debe ser considerada para la selección, ya que operar instalaciones de cloro gaseoso requiere de personal capacitado y competente, lo que es difícil de encontrar y remunerar en zonas rurales. Así mismo, el acceso a energía eléctrica de manera continua y estable es requisito indispensable para el empleo de bombas. Dado que el cloro gaseoso es extremadamente peligroso, es importante disponer de medios técnicos y personal capacitado para minimizar y controlar los riesgos inherentes a las instalaciones de este equipo, ya que una fuga no detectada y controlada a tiempo podría ocasionar serios accidentes que podían poner en peligro vidas humanas. Por último, en lo que se refiere a los costos de la desinfección, se habrá de tener en cuenta las circunstancias, por ejemplo, podría convenir una solución más costosa si la fiabilidad, durabilidad, sencillez de la operación y disponibilidad de los repuestos y suministros fueran mejores que los del sistema menos costoso. Generalmente, conviene pagar un poco más si la inversión adicional asegura el éxito; a la larga puede que inclusive resulte más económico. Dado que las concentraciones del cloro activado en los diferentes productos varían, el volumen requerido del mismo también variará, por lo que se deberán considerar los costos de transporte que serán distintos esos volúmenes. En todo caso, la salud debe ser la consideración principal al momento de seleccionar la alternativa más adecuada.

PROPIEDADES DE LOS PRODUCTOS DE CLORO Y DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO.

Las variedades comerciales del cloro se obtienen por métodos diferentes y de ellos dependen la concentración del cloro activo, su presentación y estabilidad. En el cuadro siguiente se listan las principales propiedades de cada una de estas variedades en un cuadro comparativo. Vale en este punto aclarar el concepto de “cloro activo” que se utiliza continuamente. “Cloro activo” significa el porcentaje en peso de cloro molecular que

aporta un determinado compuesto en cualquier estado; lo que quiere decir que si una solución tiene 10% de cloro activo, ello se debe a que se han burbujeado 10 gramos de cloro gas en 100 ml de agua y que el gas se ha absorbido totalmente y sin pérdida en ella. La solución tiene entonces 10 gr de cloro en 100 gr de agua (ya que 100 ml son prácticamente 100 gramos) y de allí el “10%”. La palabra “activo” significa que ese cloro está listo para entrar en acción; está pronto y “esperando” para atacar la materia orgánica o cualquier otra sustancia que sea oxidable por él.

Nombre y fórmula

Nombre comercial o

común

Características

% Cloro activo

Estabilidad en

el tiempo

Seguridad

Envase usual

Cloro gas Cl2

Cloro licuado Cloro gaseoso

Gas licuado a presión

99.5% Muy buena. Gas altamente tóxico.

Cilindros de 40 a 70 kg. Recipientes de 1 a 5 toneladas.

Cal clorada CaO.2CaCl2

O. 3H2O

Cal clorada, polvo blanqueador hipoclorito de cal, cloruro de cal

Polvo blanco seco

15 a 35%

Media. Se deteriora rápidamente cuando se expone a temperatura alta, humedad o luz solar. Pérdida de 1% al mes.

Corrosivo

Latas de 1.5 kg. Tambores de 45 a 135 kg. Bolsas plásticas o de papel de 25 a 40 kg.

Hipoclorito de sodio Na ClO

Hipoclorito de sodio, blanqueador líquido, lejía, agua lavandina, agua sanitaria

Solución líquida amarillenta

1 a 15% como máximo. Las concentraciones mayores de 10% son inestables.

Baja. Pérdida de 2 a 4% por mes; mayor si la temperatura excede los 30 °C

Corrosivo

Diversos tamaños de botellas de plástico y vidrio, y garrafones.

Hipoclorito de sodio por electrólisis in situ

Solución líquida amarillenta

0.1 – 0.6 %

Baja.

Oxidante

Cualquier volumen.

Hipoclorito de calcio

Ca(ClO)2.4H

2O

HTH, preclorón

Polvo, gránulos y tabletas. Sólido blanco

Polvo: 20 a 35%. Granulado: 65 a 70 %. Tabletas: 65 a 70%

Buena: Pérdida de 2 a 2.5% por año.

Corrosivo. Inflamación posible al entrar en contacto con ciertos materiales ácidos.

Latas de 1.5 kg. Tambores de 45 a 135 kg. Baldes de plástico.

El método de desinfección con cloro y sus derivados se deberá implementar en tres pasos sucesivos, cada uno de los cuales variará, en mayor o menor grado, según el producto que se va a utilizar:

Paso 1: Evaluación de la cantidad de cloro que se va a dosificar en la red. La cantidad de cloro que se va a dosificar equivale a la demanda total de cloro (la cual está estrechamente ligada a la calidad química y microbiológica del agua) a la que debe adicionarse la cantidad de cloro residual esperada en el extremo de la red. Por tanto, antes de llevar a cabo el proceso de desinfección es conveniente realizar ensayos de consumo instantáneo de cloro. Este ensayo se denomina”ensayo de demanda de cloro”.

Paso 2: Preparación de las soluciones de los productos no gaseosos. Cuando se emplea el cloro gaseoso, este se aplica directamente a través del dosificador. Lo mismo ocurre cuando se trata de otros productos de cloro que se comercializan en forma de sólidos o se encuentran en concentraciones que no se adaptan a los requerimientos necesarios. En estos casos, se debe proceder a su disolución, de acuerdo con el mecanismo de dosificación del equipo que se va a emplear.

Paso 3: Calibración del dosificador. Su calibración para aplicar la cantidad óptima de producto, depende de tres factores:

Las características físicas del producto a emplear: gaseoso, líquido o sólido.

La dosis de cloro necesaria para obtener la concentración de cloro residual esperada en el extremo de la red.

El caudal de agua a desinfectar: En caso de que no sea factible controlar las variaciones del caudal, por ejemplo en manantiales, se deberá considerar el caudal máximo de la fuente.

La dosis de cloro se obtendrá a través del estudio de la demanda de cloro y de la concentración de cloro residual esperada, la cual está usualmente definida por las normas de calidad del agua que rigen en cada país. Al respecto como referencia, la OMS considera que una concentración de 0.5 miligramos/litro en cloro residual libre en el agua, luego de un periodo de contacto de 30 minutos, garantiza una desinfección satisfactoria. MECANISMOS DE LA DESINFECCIÓN CON CLORO

La cloración del agua potable se lleva a cabo mediante el burbujeo del cloro gaseoso o mediante la disolución de los compuestos de cloro y su posterior dosificación: El cloro en cualquiera de sus formas, se hidroliza al entrar en contacto con el agua, y forma ácido hipocloroso (HOCl) de la siguiente forma: Cl2 + H2O = HOCl + H+ Cl, que se complementa hacia la derecha al cabo de varias horas, así: HOCl = H+ + OCl. La desinfección requiere, dependiendo del tipo de agua, un mayor o menor período de contacto y una mayor o menor dosis del desinfectante. Generalmente, un agua relativamente clara, pH cerca de la neutralidad, sin muchas materias orgánicas y sin fuertes contaminaciones, requiere de unos cinco a diez minutos de contacto con dosis menores a un mg/l. De cloro. En cada caso deberá ser determinada la dosis mínima requerida para que permanezca un pequeño residuo libre que asegure un agua exenta en cualquier momento de agentes patógenos vivos. Cuando se aplican soluciones, como las de hipoclorito de calcio o de sodio, deberá tomarse en cuenta su contenido de cloro, expresado en la forma de ácido hipocloroso, con objeto de fijar las dosificaciones. También deben considerarse las concentraciones de las soluciones. Por ejemplo: un producto comercial, el hipoclorito de calcio, con 98% de pureza, dará: (ClO)2 Ca + H2O 2ClOH + Ca, el peso molecular del ácido hipocloroso es de aproximadamente 52, y el del hipoclorito de calcio es de aproximadamente 144.

Luego 2 x 52 / 144 = 0.722 y 0.722 x 0.98 = 0.71; es decir, 71% de Cl utilizable en la forma de ácido hipocloroso. Durante el proceso químico de la desinfección se producen compuestos tales como cloraminas, dicloraminas y tricloraminas en presencia de amoníaco en el agua. Las cloraminas sirven igualmente como desinfectantes aunque reaccionen de una manera sumamente lenta. Asimismo, se forman el ácido clorhídrico (HCl) y los hidróxidos de calcio y sodio, los cuales no participan en el proceso de desinfección. La especie desinfectante es el ácido hipocloroso (HOCl), el cual se disocia en iones hidrogenios (H+) e hipocloroso (OCl-) y adquiere sus propiedades oxidantes:

HOCl = H+ + OCl-

Ambas fracciones de la especie microbicidas y actúan inhibiendo la actividad enzimática de las bacterias y virus y produciendo su inactivación.

Tanto el ácido hipocloroso (HCl) como el ión hipoclorito (OCl-) están presentes hasta cierto punto cuando el pH varía entre 6 y 9 (el rango usual para el agua natural y potable). Cuando el valor de pH del agua clorada es 7.5, el 50% de la concentración de cloro presente será ácido hipocloroso no disociado y el otro 50% será ión hipoclorito.

Las diferentes concentraciones de las especies significan una considerable diferencia en la propiedad bactericida del cloro, ya que estos dos compuestos presentan diferentes propiedades germicidas. En realidad, la eficiencia de HOCl es por lo menos 80 veces mayor que la del OCl- Por esta razón, cuando se monitorea el cloro del agua, es aconsejable vigilar el pH, ya que esto dará una idea del potencial real bactericida de los desinfectantes presentes. En ese sentido, es importante mencionar que la OMS recomienda para una desinfección adecuada un pH < 8.-. La turbiedad es otro factor de peso en la desinfección, ya que una excesiva turbiedad reducirá la efectividad por absorción del cloro y, por otro lado, protegería a las bacterias y virus de su efecto oxidante. Por tal, la OMS recomienda una turbiedad menor de 5 UNT, siendo lo ideal menos de 1 UNT.

CLORACIÓN DEL AGUA CON CLORO GAS (Cilindro)

CLORACIÓN DEL AGUA CAPTADO DE UN POZO

(Se puede distinguir el ingreso del cloro a través de la pequeña manguera blanca que conecta a la tubería)