Este documento trata sobre la potabilización del agua para consumo humano. Explica conceptos como agua potable, calidad del agua, características físicas y químicas del agua, características microbiológicas, plantas de tratamiento, procesos de coagulación, floculación y sedimentación. También describe los diferentes tipos de unidades utilizadas en cada proceso como mezcladores, floculadores de flujo horizontal y vertical.

1. INGENIERIA SANITARIA II UNIDAD 1: POTABILIZACIÓN DEL AGUA PARA CONSUMO HUMANO ING. MOISES SUAREZ.

2. ¿Qué es el Agua Potable?Es considerada agua potable, o más precisamente agua apta para el consumo humano, toda agua, natural o producida por un tratamiento de potabilización que cumpla con las Normas de calidad establecidas para tal fin. CALIDAD DEL AGUA A pesar de la definición química del agua como una sustancia constituida exclusivamente por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, en la naturaleza no se encuentra nunca en ese grado de pureza sino que está siempre impurificada con una serie de componentes inorgánicos y orgánicos.

4. Aguas subterráneas (son aguas claras)

5. Agua de lluvias

8. Color:Lequita transparencia al agua. Su origen es vegetal o por desechos agrícolas o industriales.

9. Olor y Sabor: Su presencia puede causar rechazo por el consumidor. Se debe a la descomposición de la materia orgánica y otras sustancias de origen industrial o por la presencia de elementos químicos.

11. Acidez: Es la capacidad del agua de neutralizar la alcalinidad.

12. Alcalinidad: Capacidad del agua para neutralizar la acidez. Se debe a la presencia de carbonatos,calcio,Mg,etc.

13. Dureza: Se debe a la presencia de sales de Ca y Mg.

14. Hierro y Manganeso: Produce mal sabor y un color rojizo.

15. Cloruros: Se presentan en forma de NaCl o sal común.

17. El proceso de tratamiento a utilizar estará en dependencia de la cantidad de coliformes presentes en la muestra de agua. PLANTAS DE TRATAMIENTO DEL AGUA Una planta de tratamiento es una secuencia de operaciones o procesos unitarios convenientemente seleccionados con el fin de remover totalmente los contaminantes microbiológicos presentes en el agua cruda y parcialmente los físicos y químicos, hasta llevarlos a los límites aceptables. Operaciones Unitarias: son aquellas donde se aplican predominantes fuerzas físicas como: mezclado, floculación, sedimentación,etc. Procesos Unitarios: son aquellos medios de tratamientos en los que se adicionan productos químicos o por actividad biológica. Ejemplo: coagulación, ablandamiento, oxidación biológica.

20. FLOCULACION

21. SEDIMENTACION

22. FILTRACION Y

24. Con la coagulación se elimina la turbiedad y el color. Los coloides son las partículas que conforman la turbiedad y el color, son muy pequeñas difíciles de sedimentar. COAGULANTES: Son sustancias inorgánicas con propiedades coagulantes utilizados en el proceso de tratamiento. Dentro de éstas se encuentran las Sales de Hierro y Aluminio. Las sales de hierro forman flóculos más grandes los cuales se sedimentan más rápidos. Estas sales son más costosas para su aplicación continua. Ejemplo: Cloruro Férrico, Sulfato Ferroso.

25. Las Sales de aluminio forman flóculos ligeramente pesados, los más conocidos son el sultafo de aluminio, el sulfato de Al amoniacal y el aluminato de sodio. El Sulfato de Aluminio por su bajo costo y fácil aplicación en las plantas de tratamientos es el más usado en Nicaragua. Se conoce comúnmente como ALUMBRE. PROCESO DE COAGULACION Consta de dos partes: La primera consiste en un proceso químico donde ocurre propiamente la desestabilización de las partículas coloidales mediante la adición de productos químicos.(COAGULANTES) La segunda parte es un proceso de mezclado de los coagulantes con el uso de una fuerte agitación o turbulencia del agua en un corto tiempo.(MEZCLA RAPIDA)

26. DOSIS DE COAGULACION Y CONCENTRACION DEL COLOIDE La dosis de coagulante está en función de la concentración de coloides. Una buena solución es del 1 al 3%. El coagulante se aplica donde ocurre la mayor turbulencia debido a que en ese punto se dará la mezcla rápida. Cuando se usan sales de Fe y Al, es aconsejable que la mezcla sea lo más corta y rápida posible, el tiempo de mezcla no debe ser mayor a 1 seg. La velocidad o intensidad de la mezcla debe ser mayor a 1000 s-1.

27. MEZCLADORES La unidades que normalmente se utilizan para producir mezcla rápida son dos tipos:mecánicos e hidraúlicos.

28. MEZCLADORES

29. RESALTO HIDRAULICO Es una sobreelevación de la superficie libre del agua que fluye en un canal. Ocurre cuando en un tramo del canal se pasa del régimen Supercrítico a Subcrítico. F= Régimen Crítico F<1 Régimen Subcrítico F>1 Régimen Supercrítico

30. PARAMETROS DE DISEÑO PARA MEZCLA RAPIDA El gradiente de velocidad “G” 1000 s-1≤ G ≤2000s-1 Tiempo de retención de mezcla debe ser menor o igual a 1 segundo (T ≤ 1seg) Flujo debe ser estable para ello el Número de Froude debe estar en el siguiente rango 4.5 ≤ F ≤ 9

32. Calidad del agua.

33. Tiempo de floculación.

37. Regularidad del caudal y período de operación.

38. Capacidad de operación y mantenimiento.

39. Costo

41. Los gradientes de velocidad que optimizan el proceso normalmente varían entre 80 y 20 s-1. En todo caso 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.

42. El gradiente de velocidad debe variar en forma uniformemente decreciente, desde que la masa de agua ingresa a la unidad hasta que sale.

44. Pueden operar indefinidamente sin riesgos de interrupción, debido a que solo dependen de la energía hidráulica. Por esta razón, son muy confiables en su operación.

45. Por su bajo costo de construcción, operación y mantenimiento, se considera a los floculadores como una tecnología apropiada para países en desarrollo.Tanque del floculador dividido en cuatro compartimentos. Cada compartimento está a su vez dividido en pantallas para mayor retención del agua en el.

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

48. Se pueden utilizar pantallas removibles de concreto prefabricadas, fibra de vidrio, madera, plástico, asbesto-cemento u otro material de bajo costo, disponible en el medio y que no constituya un riesgo de contaminación. De esta manera, se le da mayor flexibilidad.

49. Con pantallas de asbesto-cemento, se recomienda diseñar unidades de máximo un metro de profundidad útil, colocando las pantallas con la dimensión de 1,20 metros en el sentido vertical.

51. 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.

52. 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.

54. SEDIMENTACION Se entiende por sedimentación ala remoción por efecto gravitacional de las partículas en suspensión presentes en el agua. Estas partículas deberán tener un peso específico mayor que el fluido. La remoción de partículas en suspensión en el agua puede conseguirse por sedimentación o filtración. De allí que ambos procesos se consideren como complementarios. La sedimentación es, en esencia, un fenómeno netamente físico y constituye uno de los procesos utilizados en el tratamiento del agua para conseguir su clarificación. Está relacionada exclusivamente con las propiedades de caída de las partículas en el agua. Cuando se produce sedimentación de una suspensión de partículas, el resultado final será siempre un fluido clarificado y una suspensión más concentrada.

55. Clasificación Las partículas en suspensión sedimentan en diferente forma, dependiendo de las características de las partículas. Es así que podemos referirnos a: Sedimentación de partículas discretas osedimentación simple: Se depositan manteniendo su forma este es el caso que ocurre en unidades llamadas DESARENADORES. Sedimentación inducida (partículas floculentas): Partículas floculentas son aquellas producidas por la aglomeración de partículas coloides desestabilizadas a consecuencia de la aplicación de agentes químicos (coagulantes). Las partículas se presentan principalmente en estado coloidal y es necesario añadirles coagulantes químicos y someterlas a procesos de coagulación y floculación para incrementar su tamaño o densidad antes del proceso de sedimentación.

56. El diámetro de los flóculos es variable desde menos de 0,001 mm hasta más de 5 mm, dependiendo de las condiciones de mezcla y floculación (gradientes de velocidad y tiempo de retención). Willcomb clasifica los flóculos por su tamaño, tal como se indica en la figura:

57. Funciones La función primaria consiste en la eliminación de materia en suspensión. La unidad de decantación o clarificación debe también recoger y descargar un volumen de lodos. Recoger los lodos con el menor volumen posible de agua, para facilitar su posterior manejo y tratamiento. Zonas que conforman un sedimentador a) Zona de Entrada: La zona de entrada en un sedimentador es un conjunto de estructuras que debe permitir una distribución uniforme del flujo de agua hacia la zona de sedimentación. Las alteraciones del flujo en la zona de entrada deben evitarse y su presencia puede deberse a una velocidad excesiva del flujo en la entrada del sedimentador, o a que los orificios de ingreso sean muy grandes y el movimiento de las paletas del floculador sea tal que comunica demasiada energía al flujo.

58. b) Zona de Sedimentación: En esta zona se debe tener un número de Reynolds lo más bajo posible y el número de Froude más elevado para tender a un flujo laminar y estabilizar el flujo. En esta zona las líneas de flujo no deben encontrarse con ningún tipo de obstrucciones que alteren su trayectoria. Lo anterior colabora con la remoción de los sólidos del agua. c) Zona de salida: Esta zona se caracteriza por permitir una recolección uniforme de agua sedimentada a una velocidad tal que evite arrastrar flóculos en el efluente. d) Zona de depósitos de lodos: Almacena lodos sedimentados hasta el momentos que se retire el reactor.

59. Factores que influyen en el proceso Calidad de agua: Adicionalmente, variaciones de concentración de partículas o de temperatura producen variaciones de densidad del agua y originan corrientes cinéticas o térmicas que, a su vez, generan cortocircuitos hidráulicos en las unidades. Al entrar agua más fría al sedimentador, la masa de agua se desplaza por el fondo de este y produce el tipo de corriente indicada en la figura (a). En cambio, con agua más caliente, se produce el fenómeno inverso, que aparece indicado en la figura (b).

60. 2. Condiciones hidráulicas: Los criterios y parámetros hidráulicos de diseño (N° Reynolds y Froude) tienen gran influencia en la eficiencia de los sedimentadores o decantadores. 3. Factores Externos: Paradójicamente, los factores externos al proceso de sedimentación son: acondicionamiento previo, prácticas operacionales y factores ambientales, son los que tienen más influencia en la eficiencia de un sedimentador o decantador. Buena o inadecuada coagulación y floculación ocasionan, respectivamente, altas o bajas eficiencias en los decantadores. Idéntico comentario cabe realizar acerca de la operación y el estado de la unidad, así como sobre los programas de mantenimiento existentes. A la vez, el viento, al soplar sobre la superficie de los sedimentadores, puede producir corrientes de suficiente intensidad como para inducir cambios en la dirección del flujo y alterar el precario equilibrio de las masas de agua. En unidades grandes el viento puede crear oleajes de cierta magnitud, lo que interfiere el proceso o desequilibra la distribucióndel flujo en las canaletas de salida.

61. CONSIDERACIONES GENERALES Eficiencia y aplicación: Depende de la turbiedad del agua cruda. Si la turbiedad está en estado coloidal, es preferible utilizar: coagulación, floculación, sedimentación y filtración rápida. Criterios de selección: Parámetros de laboratorio (Velocidad de sedimentación y turbiedad). Selección del tipo de unidad: calidad del agua cruda, carga, costos, facilidad de operación y mantenimiento, usos y recursos locales, facilidad de diseño y construcción. Caudal de diseño: El caudal total entre el número de unidades, es el caudal de diseño de c/u. Deben existir por lo menos 2 unid de sedimentación. Diseño de las zonas de sedimentación (Estructuras de: entrada, salida, drenaje y detalles constructivos).

63. Carga Superficial

64. Período de retención ( de 2 a 3 hrs :3 a 4 hrs : máximo 6)

65. Profundidad: Cuánto menor es la profundidad del sedimentador menor es el período de retención necesario.

66. Relación LARGO-ANCHO.

69. c) Zona de Lodos 1. Almacenamiento de lodos: Se recomienda almacenar del 10 al 20% del volumen del sedimentador. 2. Descarga: Se recomienda que la tolva de lodos tenga un fondo con un ángulo inclinación de 45 a 60° o con pendiente del 4 a 8%. d) Zona de Salida Se realiza por vertederos, canaletas o tuberías perforadas. EL PASO DE LA ZONA DE LODOS A LA ZONA DE SALIDA, MEDIANTE CANALES O TUBERÍAS.

70. CORTE TRANSVERSAL DE LA ZONA DE LODOS EN UN SEDIMENTADOR

71. ESTRUCTURA DE SALIDA DE UN SEDIMENTADOR

72. FILTRACIÓN La filtración consiste en la remoción de partículas suspendidas y coloidales que no han quedado retiradas en los procesos anteriores (coagulación, floculación y sedimentación. En general, la filtración es la operación final de clarificación que se realiza en una planta de tratamiento de agua La filtración se logra empleando membranas porosas que retienen la fase sólida de la suspensión y dejan pasar su fase líquida. La forma simplificada de un filtro representa un recipiente dividido en dos partes por la membrana de filtración.

73. Mecanismos de la filtración La filtración usualmente es considerada como el resultado de dos mecanismos distintos pero complementarios: transporte y adherencia. Transporte: Inicialmente, las partículas por remover son transportadas de la suspensión a la superficie de los granos del medio filtrante. El transporte de partículas es un fenómeno físico e hidráulico. Adherencia: Ellas permanecen adheridas a los granos, siempre que resistan la acción de las fuerzas de cizallamiento debidas a las condiciones hidrodinámicas del escurrimiento. 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.

75. Difusión: Se ha observado que las partículas relativamente pequeñas presentan un movimiento errático (Movimiento Browniano) cuando se encuentran suspendidas en un medio líquido. El movimiento de las partículas es afectado por la fuerza de arrastre y contribuye a la adherencia de ellas en el lecho filtrante.

76. Impacto Inercial

78. Medio filtrante: Puede ser de arena (0.6-0.8)mm

79. Agua sobrenadante o carga hidráulica sobre el lecho filtrante (1-1.8m)

80. Grava de soporte: Soporta el medio filtrante.

81. Sistema de drenaje o falso fondo: Recoge agua de filtrado y agua de lavado.

83. Factores que influyen en la filtración La eficiencia de la filtración está relacionada con las características de la suspensión y del lecho filtrante, con la hidráulica de la filtración y con la calidad del efluente. Características de la suspensión: Tipo de partículas suspendidas, tamaño, temperatura, resistencia o dureza del flóculo, etc. Características del lecho filtrante: Tipo del medio filtrante, tamaño del material filtrante, coeficiente de uniformidad, coeficiente de esfericidad, espesor de la capa filtrante. Características hidráulicas: Tasa de filtración, carga hidráulica disponible, calidad del efluente.

86. Deben producir residuales en el agua que constituyen a una protección contra una eventual recontaminación antes de su utilización.Tipos de desinfectantes La desinfección puede llevarse a cabo mediante agentes físicos o químicos. Los agentes físicos más importantes son los rayos ultravioleta, calor, radiación gamma y rayos x. Los agentes químicos son los desinfectantes como: el cloro, yodo, bromo, el ozono, etc. La radiación ultravioleta es eficiente en aguas claras, pero su eficacia se reduce significativamente para aguas turbias.

88. Concentración del desinfectante y el tiempo de contacto

89. Características físicos-químicas del agua: La presencia de ciertas impurezas consume parte del cloro adicionado.

91. Ayuda a evitar formación de algas.El manejo del gas cloro debe estar encomendado exclusivamente a personas entrenadas pues su manipulación requiere de muchas precauciones. El gas cloro es venenoso y altamente corrosivo.

93. Hidroeyectores Métodos de cloración Cloración Simple: Es eficiente en aguas no contaminadas y no existe preocupación por la demanda de cloro en el agua, hasta aplicar una dosis tal que al final de un determinado tiempo de contacto por ejemplo 20 min, el cloro residual libre se mantenga entre 0.1 y 0.2 mg/l. En aguas muy contaminadas este método sería inadecuado ya que los residuos de cloro serían rápidamente consumidos, de tal forma que se aconseja clorar al punto de quiebre.

95. Destrucción de los compuestos orgánicos presentes responsables por problema de olor, color, desarrollo de microorganismos.Las desventajas son: Consumo más elevado de cloro.

96. Puntos de cloración La cloración puede ser hecha en los siguientes puntos: Toma de agua: Cloración Llegada del agua cruda a la planta de tratamiento: precloración. Después de los sedimentadores y antes de los filtros. A lo largo de las líneas de distribución y almacenamiento: Postcloración. Control de la cloración Para obtener una desinfección adecuada el cloro debe estar en contacto con el agua como mínimo 20 min (15-30min), transcurrido este tiempo el agua se considera clorada. La dosificación correcta se comprobará mediante la prueba bacteriológica y determinación del cloro residual. Como regla general las dosis seguras de cloro residual son de 0.2 a 1 ppm.