Capítulo 3 EXPERIENCIAS EN LA EVALUACIÓN DE UN SISTEMA DE POTABILIZACIÓN APLICADO A COMUNIDADES RURALES CON SEDIMENTACIÓN POR MANTO DE LODO . En el presente trabajo se realizó la operación
y determinación de la calidad del agua de la planta potabilizadora
piloto, existente en el Centro Interamericano de Recursos del Agua (CIRA),
la cual está enfocada a suministrar agua potable a poblaciones
menores de 2500 habitantes. Palabras clave: potabilización, comunidades rurales, manto de lodo, planta paquete. Introducción La calidad del agua en estado natural y tratada son temas relacionados con nuestro ambiente. Uno de los usos con mayor prioridad de atención, en cantidad y calidad del agua, es el uso y consumo humano. El agua se extrae de fuentes subterráneas y superficiales, la calidad de la fuente nos conduce al tratamiento requerido según sean las necesidades esperadas por el usuario. Actualmente, la cantidad y la calidad de las fuentes de abastecimiento se han visto disminuidas por el crecimiento poblacional y por la presencia de sustancias contaminantes. México enfrenta diversos problemas de abastecimiento
de este recurso, tales como escasez y contaminación. En las zonas
rurales los principales problemas de disponibilidad del agua son el desabasto
y su falta de potabilización. En numerosas ocasiones el agua que
llega a las viviendas de muchas comunidades rurales proviene de manantiales,
ríos, arroyos, ojos de agua u otro tipo de fuentes naturales superficiales
expuestas a la contaminación debida a la exposición y arrastre
de partículas orgánicas e inorgánicas. Situación del servicio de agua potable en México. En México los servicios de agua potable, saneamiento y alcantarillado se han desarrollado de acuerdo con las capacidades económicas y sociales de sus pobladores, atendiendo a un criterio de autosuficiencia financiera y técnica; características de las cuales carecen en su mayoría las comunidades cuyo número de habitantes es menor a 2500. Los estados que tienen mayor cantidad de comunidades rurales son: Veracruz, Chiapas, Chihuahua, Jalisco, Oaxaca, Michoacán y Tamaulipas; éstos concentran el 41.4% de los habitantes que viven en condiciones rurales. De acuerdo con el XII Censo General de Población y Vivienda 2000, en febrero del año 2000 México tenía una cobertura de servicios de 88% de agua potable y 76% en alcantarillado. En el ámbito de zonas urbanas las coberturas eran de 95% en agua potable y 90% para drenaje, y en las zonas rurales eran 68% y 37% respectivamente. Como se observa en la Tabla 1, de 1990 a 2000 la cobertura de agua ha aumentado en aproximadamente un 10 %, a pesar de que el crecimiento poblacional ha ido en aumento. Tabla 1. Cobertura de servicio de agua potable en el ámbito nacional 1990-2000. Problemas de salud pública presentes en comunidades que no tienen agua potable de calidad para consumo El servicio de agua potable asegura la salud de la población, al reducir la incidencia de enfermedades diarreicas e infecto contagiosas, las cuales se encuentran entre las 20 principales causas de enfermedad en el país. La población más afectada por ésta, son los niños menores de 1 año hasta los de cinco, así como los adultos mayores. La mayor parte de las enfermedades infecto contagiosas, resultan en altos índices de mortalidad por falta de estos servicios o deficiencias en los mismos; es por lo tanto un derecho fuera de discusión para una vida digna, el contar con una fuente de agua potable y alcantarillado. La falta de ambos (o de letrinas para disposición de excretas) incrementa los riesgos de brotes de cólera, que han ido en aumento a partir de 1995; en 1994 se presentaron 4 075 casos y en 1995 16430 (CNA 1996). De acuerdo con la Secretaría de Salud, una de las principales causas de muerte infantil en México, son las infecciones gastrointestinales (cólera, disentería, fiebre tifoidea, hepatitis tipo A, rotavirus, fiebre amarilla, salmonelosis, etc.); siendo la más común la infección intestinal (segundo lugar a nivel nacional), con un 5.2%. De las 401 plantas que están inventariadas, 336 operan con un gasto tratado de 78 321 L/s que representan el 24% del volumen de agua suministrada a nivel nacional; esto se estima en 319 563 L/s. Las plantas que están fuera de operación son 65, con una capacidad de 5 115 L/s. La Secretaría de Salud, en coordinación con la CNA, estableció la Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA1-1994, salud ambiental, agua para uso y consumo humano-límites permisibles de calidad y tratamiento a que debe someterse el agua para su potabilización, publicada el 18 de enero de 1996 y modificada el 22 de noviembre del 2000. El objetivo de este trabajo fue evaluar el agua obtenida de la planta potabilizadora piloto para pequeñas comunidades rurales, verificando que ésta sea apta para el consumo humano y determinando si su desinfección produce subproductos secundarios de la cloración. La PPP se encuentra ubicada en las instalaciones de la Universidad Autónoma del Estado de México, Unidad San Cayetano formando parte de las instalaciones del Centro Interamericano de Recursos del Agua (CIRA). Es un sistema de tratamiento integral con el fin de obtener agua para uso y consumo humano a bajo costo, en especial para pequeñas comunidades. Este prototipo en especial está construido en lámina de acero inoxidable No. 18 (1.2141 mm), formado por cuatro unidades concéntricas de acuerdo con la siguiente descripción. En el Plano A-01 se observa la PPP en perspectiva con sus dimensiones, las cuales tienen una altura de 3000 mm conformada por cuatro cilindros concéntricos de 50, 200, 1100 y 1700 mm de diámetro respectivamente. Así mismo, se observan una serie de válvulas de compuerta la cuales corresponden a los puntos de muestreo de la etapa de manto de lodo y clarificación (puntos de muestreo 4 a 13 lado izquierdo de la PPP) y cuatro válvulas del lado derecho; tres de ellas corresponden al control de salida de agua de retrolavado y la cuarta corresponde a la purga de lodo en la tolva de formación del manto de lodo. Se observa en detalle la tubería de entradas y salidas de agua a la planta de acuerdo con la operación de que se trate: una válvula de alimentación a la planta (V1), una válvula de alimentación del tanque elevado (V2), una válvula de alimentación de la cisterna (V3), una válvula de salida de agua tratada que será llevada a la unidad de desinfección (V4), y finalmente la válvula de retrolavado del medio filtrante (V5). Se observa el punto de inyección del trazador, el diámetro de esta tubería es de 3/4”. También se muestra la tubería de alimentación de coagulante (¼”) a través de una bomba dosificadora. Este sistema de tubería tiene 3/4” de diámetro, es de acero galvanizado, cuenta con 1 cople metálico ¾”, 1 cople plástico ½”, 5 codos ¾”, 5 válvulas de compuerta ¾”, una Tee modificada de diámetro ¾” , 6 Tees de ¾”, una bomba casera de ¾ HP con una alimentación máxima de 1.2 L/s (la alimentación promedio durante las pruebas está en función de la concentración de sólidos y tiempo de operación), 1 válvula de no retorno, 1 tanque marca Rotoplas® de 4 m3 de capacidad dentro de una cisterna y 1 bomba dosificadora de capacidad variable (dosificación máxima 1.8 L/h), En el Plano A-02 se muestra una vista en planta de la PPP manejando un corte transversal A-A´ donde se describen las diferentes etapas de la planta, puntos de muestreo para evaluación de cada una de las etapas, y dos detalles: de tubería de alimentación y recirculación de lodo como ampliación de partes específicas de la planta de acuerdo a la siguiente descripción. La entrada de agua cruda indica el punto de muestreo 1 (parte inferior de la planta) pasando a un tubo de 50 mm de diámetro y 3000 mm de longitud donde se lleva a cabo la coagulación. En la parte superior de este punto y debido a la velocidad del flujo, se forma un chorro donde el agua desciende por una tubería de 200 mm de diámetro (primera etapa de la unidad de mezclado lento) con 1850 mm de longitud hasta llegar a la tolva 2 (segunda etapa de mezclado lento) en este punto se separan las partículas por peso donde las mas pesadas son conducidas a la parte inferior de la tolva 1 donde se tiene la recirculación de lodo recién coagulado, las partículas de menor peso pasan a la siguiente etapa donde se forma el manto de lodo por la parte superior de la tolva 2, donde al terminar la pendiente de inclinación (45°) pasan a la zona de clarificación con una longitud de 1850 mm en flujo ascendente. En el plano A-02 se observan 10 tubos con su válvula que son los puntos de muestreo de la unidad de sedimentación (puntos 4 al 13, unidad concéntrica de 1100 mm). Al finalizar este cilindro se encuentra el punto de muestreo 14 y el agua pasa a la unidad de filtración (último cilindro 1700 mm de diámetro). En esta zona se observan 4 válvulas de compuerta, de las cuales tres corresponden al agua de salida del retrolavado y una a la purga de lodo, (mencionadas en el plano A-01). La composición del lecho filtrante es de soporte grava de ¾ " con altura de 70 mm, grava de ½ ‘’ con h = 100 mm y gravilla de 1/8 ‘’ con h = 100 mm, grava fina con una h = 100 mm, arena de río con h = 200 mm, arena sílica con h = 50 mm en la parte superior del filtro con un espesor total de 620 mm, cuenta con una cámara colectora de agua tratada. Una vez que el agua ha sido tratada pasa a la unidad de
desinfección. Esta cuenta con 2 paneles solares (1x75 m), que alimentan
con un amperaje máximo de 4.57 A, a un acumulador 12 V, esta batería
a su vez hace funcionar la celda electrolítica dividida por una
membrana semipermeable, en donde se encuentra una solución concentrada
de sal común y sosa cáustica respectivamente. El ánodo
es un electrodo de titanio-rubidio y el cátodo esta compuesto de
acero inoxidable. En la celda de la solución de sal se producen
gases oxidantes, ozono y cloro, estos gases son alimentados al agua que
sale de la planta por medio de un tubo venturi. (Barrott L.P. et. al 1994.
Rojas V., 2000a y 2000b. Brust-Carmona et al., 1996, 1998). Plano
A-03. Materiales y métodos Se trabajo con un tipo de agua que simula las características de agua superficial, con turbiedad entre 110 y 550 UTN (preparada a partir de la adición de tierra a agua de pozo almacenada por un tiempo 15 – 30 días en cisterna). Las pruebas realizadas son de acuerdo al diagrama 1. Las pruebas en planta se realizaron a un caudal de 0.0005 m3/s consistieron en realizar los cálculos teóricos de parámetros de diseño de la PPP debido a que el prototipo fue construido de forma empírica, en cada una de las secciones de la planta (operaciones unitarias) y corroborar si entran en un rango de operación óptimo, los parámetros evaluados fueron: la velocidad de flujo (v), el régimen de turbulencia de acuerdo al número de Reynolds (Re), la pérdida de carga (h), la potencia disipada (P), el gradiente de velocidad (G) y el número de Camp (C); con los dos últimos parámetros se determinó la operación óptima de la mezcla rápida y floculación; mediante el producto del gradiente de velocidad, el tiempo de retención y la concentración de los lodos formados Gx?xc. De acuerdo a las siguientes ecuaciones.
Conociendo las condiciones de turbulencia; se busca calcular la pérdida de carga para cada sección, para esto es necesario primero obtener el factor de fricción, para lo cual, se hizo uso de las ecuaciones 2 y 3, para determinar las constantes A y B que son adimensionales; y sustituyendo estos valores en la ecuación 4, determinar el factor de fricción ƒD adimensional. (Valiente, 1998). El factor ƒD nos permite determinar la pérdida de carga en el caso de una tubería de diámetro constante D en (m), mediante la siguiente ecuación (5), donde hL es la pérdida de carga en m, L y Leq, son la longitud y longitud equivalente respectivamente ambas, en m; y g es la constante de la gravedad, en m/s2. En caso de existir una reducción o ensanchamiento súbito del diámetro, esta ecuación toma la forma de la expresión (6); donde kcb es una constante adimensional cuyo valor es 1. Por otra parte, si la reducción o ensanchamiento es progresivo, la constante kex (adimensional) está en función del ángulo de reducción o ensanchamiento y se presenta en las ecuaciones 7 y 8, primero para expansión, donde θ es el ángulo en grados; Cex es un coeficiente de expansión, Dm es el diámetro menor en m y DM es el diámetro mayor, en m; y kex, es la constante de expansión adimensional. (Valiente, 1998) En caso de una reducción estas ecuaciones sufren las siguientes modificaciones; ecuaciones (7') y (8'), Cre es el factor de reducción, N es, el ángulo en grados, DM es el diámetro mayor y Dm el menor en m y kre constante de reducción, adimensional. Una vez que se ha calculado la pérdida de carga, se puede determinar, la pérdida de carga debida a la presencia de sólidos en el fluido. Para la mezcla rápida y floculación; ésta se calcula mediante la ecuación (9); hlod, es la pérdida de carga debida a la presencia de sólidos, en m; c es, la concentración de sólidos en la corriente, en m3 de lodo/m3 de muestra; ρsol es la densidad de los sólidos, en kg/m3 y ρag es la densidad del líquido, en kg/m3. Donde el signo (+) indica un flujo ascensional y el signo (-) indica un flujo descendente. Una vez determinados estos parámetros se procedió a correr pruebas en planta optimizando cada una de las operaciones unitarias, buscando el equilibrio entre la velocidad de sedimentación de los floculos formados y la velocidad de flujo ascendente con el fin de que se forme el manto de lodo. Para esto se utilizaron los coagulantes optimizados en prueba de jarras (Chávez et al., 2000, Pavón et al., 1998), teniendo diferentes puntos de muestreo con el fin de ubicar el aumento en la concentración de sólidos, lo que sería indicativo de la ubicación del manto de lodo. La variable de respuesta fue en todos los puntos de muestreo la turbiedad y en el caso del manto de lodo la concentración de sólidos (mL/L). El muestreo se llevó a intervalos de 20-60 min preferentemente, determinando los parámetros de turbiedad del agua y concentración de sólidos (mL/L) en el caso de observar una turbiedad alta. Los diferentes puntos de muestreo se pueden observar en el plano A-02. No en todas las pruebas en planta se evaluaron todos los puntos de muestreo, ya que en una primera etapa se evaluaron los procesos de coagulación floculación y sedimentación (sin contar con medio filtrante en la PPP). Y una vez optimizada esta etapa se evaluó la operación completa de la planta. La eficiencia de la unidad de desinfección se evaluó al determinar la concentración de cloro residual inmediato a la aplicación y 30 minutos después de la aplicación de cloro gas, así mismo se realizó un monitoreo de producción de cloro con respecto a determinación de coliformes totales y fecales, evaluando algunas características fisicoquímicas y microbiológicas del agua tratada con respecto al agua cruda. En el caso de la evaluación de flujos y tiempos de retención se realizaron con el apoyo del paquete computacional AlduilDatos (Ilagorre y Rivas 2002) desarrollado en el CIRA. Siguiendo la metoología de Levenspiel (1987) con inyección instantánea del trazador. Resultados y discusión Los parámetros calculados de forma teórica a un caudal de 0.0005 m3/s se presentan en las Tabla 2 para áreas constantes en las unidades de mezcla rápida, floculación primera sección, y clarificación observando que el valor del gradiente de velocidad para la mezcla rápida (G = 1500.1 s-1) se encuentra dentro de lo recomendado por Arboleda (2000) y Amirtharajah and Trussler (1986), de entre 1000 – 2000 s-1 y 1000 – 3000 s-1 respectivamente. El tiempo de retención es de 12 s, el cual se encuentra por debajo del valor marcado por Amirtharaja para coagulación por barrido (30-180 s) y por encima del valor marcado por el mismo autor para coagulación por adsorción desestabilización (1–5 s), en cuanto al número de Camp es superior a lo recomendado por este mismo autor de entre 12,000 a 14,400 siendo el resultado obtenido experimentalmente de 18,001 Para mezcla lenta (floculación) se obtuvo para el
gradiente de velocidad un valor de 397.39 s-1 el cual esta por encima
del valor reportado por diversos autores con un máximo de 100 s-1
(Arboleda, 2001; Fair and Geyer, 1984). El tiempo obtenido es de 110 s
es superior a lo recomendado en la literatura por los autores arriba mencionados
(60 s). Sin embargo, el número de Camp se encuentra en lo recomendado
por la AWWA (30,000 – 150,000) con un valor de 43713.01. En el caso
de la etapa de sedimentación se determinó la carga superficial
que es de 46.9 m3/m2d lo cual esta dentro de lo reportado por Romero (1999)
de entre 22 a 58. Tabla 2. Parámetros calculados de acuerdo a las dimensiones de la planta piloto con un Q=0.0005 m3/s
El intervalo de velocidad ascensional calculada está entre 0.0005 y 0.0098 m/s según la altura de la tolva 2, y la velocidad de sedimentación del lodo calculada experimentalmente es de 0.00079 y 0.00095 para cloruro férrico e hidroxicloruro de aluminio respectivamente, los cuales están mucho más cercanos al limite inferior del parámetro calculado lo que implica que con este gasto el manto de lodo se formará en la parte inferior de la zona de formación de manto de lodo. (Garrido, et al., 2001). En cuanto a los parámetros de evaluación del proceso se presenta gráficamente (Gráfica 2) como evoluciona la turbiedad residual con respecto al tiempo aplicando ambos coagulantes, donde se puede observar la turbiedad residual en los puntos de muestreo que corresponden a la salida del clarificador y después de la filtración que para el cloruro férrico presenta turbiedad residual de alrededor de 20 UTN y después de la unidad de filtración ésta baja hasta menos de 2 UTN, para el hicroxicloruro de aluminio la turbiedad residual en el clarificador es en promedio de 10 UTN y a la salida del filtro es menor a 1 UTN, por lo que con ambos coagulantes se cumple la normatividad en cuanto a turbiedad residual se refiere (5 UTN) Tabla 4. En cuanto a la determinación de tiempos de retención en la Tabla 3 se presenta una comparación entre el tiempo de retención teórico y el determinado experimentalmente de forma instantánea (Levenspiel, 1987), donde se observa que para las etapas de mezcla rápida y mezcla lenta coinciden con el tiempo calculado teóricamente, sin embargo, para las operaciones unitarias de sedimentación separando el inicio del manto de lodo, el final de éste y la clarificación del agua, el tiempo real es mucho mas corto que el calculado, esto se explica por la geometría del sistema, en el que el flujo después de pasar por la primera etapa del mezclado lento se dispersa y gran parte del trazador empieza a conducirse a través del la etapa de formación del manto de lodo, formando una distribución con una cola muy larga del lado derecho por lo que en promedio el tiempo es corto comparado con los cálculos realizados.
Gráfica 2. Comportamiento de la turbiedad residual después del clarificador y de la filtración Con respecto al comportamiento del manto de lodo, en función
del tipo de coagulante, (cloruro férrico o PACl con dosis de 20
y 5 mg/L respectivamente), se puede observar en la Gráfica
3, que al dosificar el cloruro férrico en el minuto 200 de
la prueba en planta se alcanza una altura del manto de lodo de 9 cm, en
este tiempo se realizó una purga de lodo con el fin de evaluar
la estabilidad del manto en cuanto a su fluidización y tiempo de
formación. Finalmente el manto de lodo alcanzó una altura
de 27 cm en el minuto 420. Para PACl se observó que la formación
del manto de lodo es lenta ya que hasta el minuto 250 su altura fue de
9 cm, sin embargo después de la purga, la formación del
manto es más rápido que para el cloruro férrico aumentando
de 9 a 45 cm en el minuto 450.
Gráfica 3. Comportamiento del manto de lodo En el caso del sistema de desinfección el comportamiento de la concentración de cloro residual medida al momento de aplicar el cloro gas se observa en la Gráfica 4, para cloruro férrico su máxima concentración es de 0.5 mg/L a los 50 minutos disminuyendo y manteniéndose en 0.4 mg/L a los 180 minutos y para PACl es de 1.4 mg/L a los 180 minutos. En la Tabla 4 se muestran los resultados en cuanto a la caracterización del efluente con respecto al agua cruda, donde observamos que el efluente cumple con las características fisicoquímicas de acuerdo a la normatividad correspondiente (NOM127-SSA1-1994) para ambos coagulantes, sin embargo para el caso de organismos patógenos no se eliminan en su totalidad quizá debido a que en la metodología de análisis empleada se aplica un método probabilístico, o bien revisar la metodología de toma de muestra. Gráfica 4. Concentración de cloro libre residual con respecto al tiempo.
Gráfica 5. Concentración de cloro libre residual con respecto a la temperatura Tabla 4. Caracterización del agua tratada en planta piloto.
¨ De forma general los parámetros de diseño
calculados caen dentro de lo recomendado en la literatura por diversos
autores, considerando un caso particular ya que las operaciones unitarias
con las que cuenta el sistema están continuas.
APHA AMERICAN PUBLIC HEALTH ASSOCIATION., AMERICAN
WATER WORKS ASSOCIATION WATER POLLUTION CONTROL FEDERATION (1992) Standard
Methods for examination of water and waste water. |