Introducción.
En
este tema nos ocuparemos de las cuestiones relacionadas con la cantidad y la
calidad de agua que se requiere para satisfacer las diversas necesidades de la
sociedad: la selección de fuentes alternativas de agua, los medios para mejorar
la calidad del agua no han sido tratada aplicando métodos adecuados, y el
transporte y distribución del agua, con especial énfasis en el abasto público.
El agua para irrigación, para abasto público y para la industria se debe extraer
de la fuente. Los usos del agua que no implican extracción de la fuente incluyen
el transporte, la recreación y la pesca. Cada uno de estos plantea diferentes
restricciones a la calidad del agua.
La
irrigación, con mucho el uso
extractivo del agua de mayor magnitud, hace posible la agricultura en muchas
áreas que de otro modo no podrían sustentar cultivos.
El
abasto público de agua se refiere
al agua limpia y segura para uso en hogares, escuelas, lugares de trabajo, en
hospitales, actividades comerciales y algunas industriales, limpieza de calles y
protección contra incendios. El agua para beber, para la higiene personal y para
fines sanitarios es de importancia capital para la salud y el bienestar de la
sociedad.
La
industria depende en alto grado de
un abastecimiento adecuado de agua que se utiliza como componente de productos
(por ejemplo, en bebidas), o de manera indirecta en el control del proceso de
producción, como el enfriamiento de máquinas que generan
calor.
El
transporte en barco ha sido desde
tiempos antiguos un medio práctico y conveniente para trasladar personas y
productos. El transporte por agua todavía es la forma de desplazamiento más
económica en esta era de aviones, ferrocarriles y automóviles. La contaminación
de aguas superficiales causada por las embarcaciones se ha convertido en un
problema importante, y se han introducido normas para
impedirla.
La
recreación tiene alta prioridad en
términos de los beneficios que la sociedad obtiene una fuente de agua no
contaminada. La natación y el baño, en particular, dependen de la disponibilidad
de agua limpia. La contaminación de las aguas superficiales afecta de manera
directa la propagación de los peces y demás flora y fauna
acuáticas.
Requerimientos en la cantidad de agua.
Demanda de agua.
La
demanda total de agua sobre un sistema de abastecimiento de agua municipal es la
suma de todas las demandas individuales (por limpieza de inodoros, riego de
prados, enfriamiento industrial, lavado de calles, etc.) durante un periodo
indeterminado. La demanda no es constante, sino que varía durante el día y de
acuerdo con la estación. Las variaciones disminuyen a medida que aumenta el
periodo a lo largo del cual medimos la demanda, de cada hora a cada día, cada
mes o cada año. En consecuencia, la demanda de agua en una comunidad particular
se especifica normalmente en términos de la demanda
media diaria, la cual se define como sigue:
Las
unidades son de 
o
millones de ![clip_image004[1]](https://drive.google.com/uc?id=1_6kIHbk6L89xuCJSNnTxhb7L8315mB8M "clip_image004[1]")
, o galones por día
(gdp), o millones de galones por día (mgd).
Es
conveniente expresar la tasa de demanda por persona:
En
este caso las unidades pueden ser litros por persona (per cápita) por día (lpd)
o galones por persona por día (gdp).
La
tabla 1 proporciona información del consumo medio diario de agua per cápita para
diversos usos en las ciudades estadounidenses y canadienses. Los datos
representan un promedio de las tasas reales de utilización en varias ciudades y
de distintas referencias. Se producen amplias variaciones respecto a estas
cifras promedio, las cuales principalmente depende del grado de actividad
industrial y comercial y del clima de la ciudad. El consumo de agua ha aumentado
a un ritmo de ½ al 1% por año en las últimas dos décadas. En la categoría de
“otros” se incluyen usos como el combate a incendios, el lavado de calles y el
agua que se pierde por fugas en uniones de tuberías.
Tabla 1 Uso del
agua en las ciudades de Estados Unidos.
|
| |||
|
|
| ||
|
Uso
|
Lpd
|
Gpd
|
Porcentaje de uso
total
|
|
Doméstico
|
300
|
79
|
45
|
|
Comercial
|
100
|
26
|
15
|
|
Industrial
|
160
|
44
|
25
|
|
Otros
|
100
|
26
|
15
|
|
TOTAL
|
660
|
175
|
100
|
En
el hogar, el uso del sanitario y el baño con agua caliente o fría son los dos
usos individuales más grandes del agua, casi equivalentes al 80% del uso
doméstico total. El agua para beber y el uso en la cocina constituyen alrededor
del 10%, y el 10% restante es para lavar ropa, limpiar la casa y el automóvil y
regar el jardín.
El
consumo de agua en otros países desarrollados es en general más bajo que en
Estados Unidos y Canadá. En los países subdesarrollados el consumo de agua puede
ser mucho menor. La cantidad de agua que se utiliza depende de la existencia de
un sistema hidráulico público; de la capacidad de este para entregar agua; de si
el agua se transporta por tuberías, camiones o a mano; de la disponibilidad de
plomería en la vivienda; de la existencia de usuarios industriales; del clima; y
también de las condiciones sociales y económicas en general.
En
la tabla 2 se muestran los resultados de un estudio realizado por el Banco
Mundial en 1976 sobre el uso de agua en las áreas rurales de los países en vías
de desarrollo. En las ciudades del mundo en desarrollo, en particular en las
áreas de negocios y residenciales más Rivas, es normal la instalación de
sistemas hidráulicos completos, por lo tanto, el consumo de agua se aproxima más
bien a las cifras correspondientes a Estados Unidos y
Canadá.
Tabla 2 Uso de
agua en áreas rurales del mundo en vías de desarrollo
|
| ||
|
|
Consumo
medio diario de agua por
persona
| |
|
Región
|
Mínimo
|
Máximo
|
|
África
|
15
|
35
|
|
Sureste
asiático
|
30
|
70
|
|
Pacifico
occidental
|
30
|
95
|
|
Mediterráneo
oriental
|
40
|
85
|
|
Latinoamérica y el
Caribe
|
70
|
70
|
|
|
|
|
|
Intervalo
normal
|
35
|
90
|
La
tabla 3 proporciona cifras de consumo de agua para algunas industrias
seleccionadas. Aquellas que requieren grandes cantidades de agua suelen
desarrollar su propio abasto y no utilizan agua de proceso tomada del sistema
público.
Tabla 3 Agua de
uso industrial.
|
USO
DE AGUA EN ÁREAS RURALES DEL MUNDO EN VÍAS DE DESARROLLO
| ||
|
|
Uso
del agua
| |
|
Industria/producto
|
Litros/unidad
|
Galón/unidad
|
|
Refinación
de petróleo
|
18,000/toneladas
|
770/bbl
|
|
Papel
|
160,000/tonelada
|
39,000/ton
|
|
Acero
|
150,000/toneladas
|
35,000/ton
|
|
Termoelectricidad
|
300/kWh
|
80/kWh
|
|
Tejido
de lana
|
580,000/tonelada
|
140,000/ton
|
El
consumo de agua en una comunidad específica varía en función de diversos
factores. Por ejemplo, las condiciones climáticas influyen en actividades como
el riego de prados, el baño y el acondicionamiento de aire. Además, el uso de
agua tiende a aumentar en proporción directa con la posición económica y el
nivel de vida de las personas que la utilizan. El grado y tipo de actividad
industrial puede aumentar de manera significativa las necesidades de agua, y el
precio también puede ser un factor de consumo de agua, en particular en donde el abasto es escaso y por
consiguiente costoso. Muchos otros factores, como la presencia o ausencia de
alcantarillas, la calidad del agua, la presión en la tubería maestra, y el
control de fugas, afectan también el uso de agua.
Fluctuaciones en el uso del agua.
Las
demandas que se plantean a un sistema hidráulico varían no solo de un año a otro
y con las estaciones, sino además día con día y hora con hora. En la figura 1 se
muestra un ejemplo de variación de corto plazo en la demanda residencial de agua
durante el verano y el invierno. Observe que durante las primeras horas de las
tardes de verano se puede producir un aumento considerable en el consumo de agua
debido al riego de prados. Es práctica común expresar las fluctuaciones como
fracciones de la demanda media diaria. De esta manera, los registros de demanda
de agua en áreas similares se pueden analizar estadísticamente para obtener
relaciones como las que se muestran en la tabla 4.
Tabla 4
Variaciones de la demanda
|
VARIACIONES
DE LA DEMANDA
| |
|
Tasa
media diaria
|
|
|
Anual
|
1.0
|
|
En
verano
|
1.25
|
|
En
invierno
|
0.80
|
|
Tasa
máxima diaria
|
1.5
(intervalo, 1.2 – 2.0)
|
|
Tasa
máxima por hora
|
2.5
(intervalo, 1.5 – 3.5)
|
Ilustración 1
Fluctuaciones en el uso de agua residencial.
Casi
todos los departamentos de bomberos comunitarios obtienen el agua de la toma de
agua para incendios más próxima, conectada al sistema local de distribución de
agua. Si no hay tomas de agua para incendios, es necesario traer agua de la
fuente más cercana en camiones cisterna o por medio de bombas portátiles y
mangueras. Un sistema de distribución de agua se proyecta para suministrar la
demanda máxima por hora o la demanda diaria máxima, la mayor de las dos, más la
demanda para combate de incendios a cualquier grupo de tomas de agua para
incendio del sistema. Esta demanda por incendio suele ser la
necesidad que gobierna el establecimiento del tamaño de las tuberías, la
capacidad de bombeo y la capacidad de los embalses para las ciudades de menos de
200,000 habitantes. El flujo necesario para extinguir, o al menos contener, un
incendio en un grupo individual de construcciones se puede calcular a partir de
la fórmula empírica que recomienda la Insurance
Services Office (Oficina de Servicios de Seguros,
1974):
En
donde:
F
= flujo para incendio (L/min)
C
= coeficiente que toma en cuenta el tipo de construcción, la existencia de
rociadores automáticos y la separación de los edificios (su valor es de 1.5 para
construcciones con armazón de madera, 1.0 para construcciones ordinarias, 0.8
para construcciones no combustibles y 0.6 para construcciones resistentes al
fuego).
A
= área total o área construida del edificio (m2)
La
fórmula equivalente en el American Engineering System (AES;
Sistema estadounidense de ingeniería) es:
En
donde F se da a gpm y A en ft2.
Para
áreas residenciales con viviendas unifamiliares o dúplex, los flujos para
incendio varían desde un mínimo de 1800 L/min (500 gpm), cuando la distancia que
separa las construcciones es de más de 30 m (100ft) hasta 9,600 L/min (2,500
gpm) para edificaciones contiguas. Para el caso normal con distancias de
separación de 3 a 9 m (de 10 a 30 ft), el flujo para incendio necesario sería de
entre 3,600 y 5,700 L/min (de 950 a 1,500 gpm).
Cuando
se produce un incendio, el sistema de abastecimiento público de agua debe ser
capaz de entregar el flujo para incendio necesario durante un periodo de 2 a 10
h. por tanto, es necesario contar con agua suficiente almacenada en un embalse y
disponer de capacidad de bombeo adicional para conseguir esto, incluso durante
una interrupción del suministro de electricidad. La forma en que se encuentren
los edificios que deben protegerse determina la rapidez y duración del flujo
necesario. El periodo recomendado varía desde un mínimo de 2 h para flujos
contra incendio de 9,600 L/min (2,500 gpm) o menos hasta un máximo de 10 h para
incendios de gran magnitud.
Ejemplo 1.
Calcule
el consumo de agua (tasa media diaria, tasa diaria máxima, tasa máxima por hora
y flujo de incendio) de una ciudad estadounidense o canadiense mixta
industrial/comercial/residencial de 100,000 habitantes. El área total de
construcción del complejo de edificios de oficinas más grande del centro de la
ciudad es de 25,000 m2 (269,100 ft2). Suponga que el
coeficiente C es 1.0 para esta construcción; determine la capacidad necesaria
del sistema de distribución por tubería.
Solución: Con base en la tabla 1,
suponga que el consumo medio diario de agua es de 600 lpd.
Entonces:
a) Tasa diaria máxima =
Con
base en la tabla 4, suponga que:
Tasa
diaria máxima =1.5 x tasa media diaria
Tasa
máxima por hora = 2.5 x tasa media por hora
Entonces:
c) Tasa máxima por hora =
d) El flujo para incendio se determina por medio de la
ecuación:
e) El flujo De diseño para la red de distribución por
tubería es el valor que sea mayor entre:
(1) la suma de
la demanda diaria máxima y el flujo para incendio,
Por
tanto, la capacidad de la tubería debe ser de ![clip_image024[1]](https://drive.google.com/uc?id=1cHmUswI4TlugoSC-7IWFOokBHylrwq4R "clip_image024[1]")
Ejemplo 2.
Se
va a construir una acerería que produce 1,000 ton de acero por día cerca de una
ciudad de 100,000 habitantes que se describió en el ejemplo 1. La obra está
ubicada adyacente a un gran río, del cual la ciudad obtiene su abasto de agua.
Calcule la cantidad de agua procesada que requiere la acerería diariamente y
compárela con las necesidades de la ciudad.
Solución:
Con
base en la tabla 3, 1 ton de acero requiere 35,000 gal de agua. Por
consiguiente, la demanda diaria de la acerería será de 
. Puesto que se
calculó que la demanda media diaria de la ciudad es de 
0
17.4 mgd, la acerería necesitará alrededor de dos veces más agua para proceso
que la ciudad entera. Es obvio que debe construir su propio sistema
hidráulico.
Necesidades de calidad del agua.
Estándares de calidad del agua.
el
agua Contiene diversas sustancias químicas, físicas y biológicas disueltas o
suspendidas en ella. desde el momento en que se condensa en forma de lluvia, en
el agua disuelve los componentes químicos de sus alrededores a medida que cae en
la atmósfera, corre sobre la superficie del suelo y se filtra a través de este.
Además, el agua contiene organismos vivos que reaccionan con sus elementos
físicos y químicos. por estas razones suele ser necesario tratarla a fin de
hacerla adecuada para su uso. El agua contiene ciertas sustancias químicas u
organismos microscópicos pueden ser perjudicial para determinados procesos
industriales y al mismo tiempo perfectamente idónea para otros. los
microorganismos causantes de enfermedades (patógenos) del agua la hacen
peligrosa para consumo humano. las aguas subterráneas de áreas como piedra
caliza pueden tener un alto contenido de bicarbonato de calcio (dureza)y
requerir ablandamiento previo a su uso.
Los
requisitos para la calidad del agua se establecen de acuerdo con el uso al que
se destina la misma. Por lo común su calidad se juzga como el grado en el cual
el agua se ajusta a los estándares físicos, químicos y biológicos que fija el
usuario. La calidad no es tan fácil de medir como la cantidad de agua en virtud
de las múltiples pruebas que se necesitan para verificar que alcanzan estos
estándares. Es importante conocer los requisitos de calidad para cada uso a fin
de determinar si se requiere un tratamiento del agua y, de ser así, qué procesos
se deben aplicar para alcanzar la calidad deseada. Los estándares de calidad del
agua también son fundamentales para vigilar los procesos de
tratamiento.
El
agua se evalúa en cuanto a calidad en términos de sus propiedades físicas,
químicas y microbiológicas. Es necesario que las pruebas que se utilizan para
analizarla en relación con cada una de estas propiedades produzcan resultados
congruentes y tengan aceptación universal, a fin de que sean posibles las
comparaciones significativas con los estándares de calidad del agua. Los Standard methods for the
examination of water and wastewater (Los
estándares de métodos para la examinación de aguas y aguas residuales)
(APHA et al.,1992) constituyen un compendio de métodos analíticos que siguen en
Estados Unidos y Canadá para evaluar la calidad del agua. En la tabla 5 presenta
una lista de los límites permisibles fijados por Estados Unidos, Canadá y La
Organización Mundial de la salud para diversos contaminantes del agua potable.
Las sustancias químicas que se enumeran bajo el título de “estética” se han
limitado, como se indica, porque causan sabores, olores o colores indeseables y
(a menos que se encuentren en gran exceso) rara vez constituyen una amenaza para
la salud. Los límites sugeridos se pueden exceder en ciertas áreas en donde el
tratamiento es difícil y los usuarios del agua se han acostumbrado a un sabor u
olor específico. De las características que se enumeran bajo la categoría
“salud” se sabe que afectan de manera adversa a los humanos; el hecho de que se
excedan los límites especificados puede ser razón suficiente para rechazar el
abasto de agua.
Los
estándares de la EPA de Estados Unidos para el agua potable están sujetos a
revisión y expansión continuas. En enero de 1994 existían 84 estándares
primarios (6 microbiológicos, 17 para sustancias químicas inorgánicas y 61 para
sustancias químicas orgánicas sintéticas) y 15 estándares secundarios. De
acuerdo con la enmienda de 1986 a la Safe
Drinking Water Act (ley para el agua potable
segura), la EPA está obligada a promulgar estándares para 25 contaminantes
nuevos cada tres años. Como reflejo del énfasis actual en las sustancias tóxicas
en el control de la contaminación del agua, los nuevos estándares para el agua
potable se concentrarán probablemente en sustancias químicas orgánicas
sintéticas y radionúclidos.
Características físicas.
En
el abasto público de agua se tiene especial cuidado con los sabores, olores,
colores y también con la turbidez del agua, en parte porque dan mal sabor al
agua potable, pero también a causa de su uso en la elaboración de bebidas, el
procesamiento de alimentos y la fabricación de textiles. Los saberes y olores se
deben a la presencia de sustancias químicas volátiles y la materia orgánica en
descomposición. Las mediciones de estos se hacen con base en la dilución
necesaria para reducirlos a un nivel apenas detectable por observación humana.
El color del agua se debe a la presencia de minerales como hierro y manganeso,
materia orgánica y residuos coloridos de las industrias. El color en el agua
doméstica puede manchar los accesorios y opacar la ropa. Las pruebas se llevan a
cabo por comparación con un conjunto estándar de concentración de una sustancia
química que produce un color similar al que presenta el agua. La turbidez,
además de que es objetable desde el punto de vista estético, causa preocupación
en cuanto a la salud porque las partículas en cuestión pueden albergar agentes
patógenos. El agua con suficientes partículas de arcilla en suspensión (10
unidades de turbidez) se aprecia a la vista. Las fuentes de agua superficial
varían en cuanto a turbidez de 10 hasta 1,000 unidades; los ríos muy opacos
pueden tener hasta 10,000 unidades de turbidez. Las mediciones de turbidez se
basan en las propiedades ópticas de la suspensión que causan que la luz se
disperse o se absorba en vez de transmitirse en línea recta a través de la
muestra. Los resultados se comparan después con los que se obtienen de una
suspensión estándar.
|
Contaminante
|
Estados
Unidos (U. S. EPA 1993)
|
Canadá
(NHW, 1993)
|
Internacional
(WHO, 1984)
|
|
Coliformes
totales
|
ESTÁNDARES
PRIMARIOS (salud) MCL
|
0/100
mL
|
0
|
|
Giardia
lamblia
|
TTb
|
|
|
|
Liogenella,
recuento normal en placa, virus
|
TT(SW)b
|
--
|
--
|
|
Turbidez
(NTU, unidades de turbidez nefelométrica
|
0.5
– 1.0 (NTU)
|
1.0
(NTU)
|
1.0
(NTU)
|
|
Sustancias químicas inorgánicas
|
|
| |
|
Amonio
|
6
|
--
|
--
|
|
Arsénico
|
50c
|
25c
|
50
|
|
Asbesto
(fibras de >10mm
de longitud)
|
7
x 106/L
|
--
|
--
|
|
Bario
|
2000
|
1000
|
--
|
|
Berilio
|
4
|
--
|
--
|
|
Cadmio
|
5
|
5
|
5
|
|
Cromo
(total)
|
100
|
50
|
50
|
|
Cobre
|
TTb
|
1
|
1
|
|
Flúor
|
4000c
|
1500
|
1500
|
|
Plomo
|
TTb
|
10
|
50
|
|
Mercurio
|
2
(inorgánico)
|
1
|
1
|
|
Níquel
|
100
|
--
|
--
|
|
Nitrato
+ nitrito (como N)
|
10,000
|
10,000
|
10,000
|
|
Selenio
|
50
|
10
|
10
|
|
Talio
|
2
|
--
|
--
|
|
Sustancias químicas orgánicas
seleccionadas
|
|
| |
|
Endrin
|
2
|
--
|
--
|
|
Lindano
|
0.2
|
4
|
3
|
|
Metoxiclor
|
40
|
900
|
30
|
|
Toxafeno
|
3
|
--
|
--
|
|
2,
4-D
|
70
|
100c
|
100
|
|
2,
4, 5-TP
|
50
|
--
|
--
|
|
Trihalometanos
(total)
|
100
(1995) 80c
|
350
(1995) 100c
|
--
|
|
|
ESTÁNDARES
SECUNDARIOSC (estética)
|
|
|
|
Aluminio
|
0.5
– 0.20 mg/L
|
--
|
0.2
mg/L
|
|
Cloruro
|
250
mg/L
|
250
mg/L
|
250
mg/L
|
|
Color
|
15
unidades de color
|
15
unidades de color
|
15
unidades de color
|
|
Cobre
|
1.0
mg/L
|
1.0
mg/L
|
1.0
mg/L
|
|
Corrosividad
|
No
corrosivo
|
--
|
--
|
|
Agentes
espumantes
|
0.5
mg/L
|
--
|
--
|
|
Flúor
|
2.0
mg/L
|
--
|
--
|
|
Hierro
|
0.3
mg/L
|
0.3
mg/L
|
0.3
mg/L
|
|
Manganeso
|
0.05
mg/L
|
0.05
mg/L
|
0.1
mg/L
|
|
Olor
(TON, Número de olor de umbral)
|
3
TON
|
No
ofensivo
|
--
|
|
pH
|
6.5
– 8.5
|
6.5
– 8.5
|
6.5
– 8.5
|
|
Plata
|
0.1
mg/L
|
--
|
--
|
|
Sulfato
|
250
mg/L
|
500
mg/L
|
400
mg/L
|
|
Sólidos
disueltos totales
|
500
mg/L
|
500
mg/L
|
1000
mg/L
|
|
Zinc
|
5.0
mg/L
|
5.0
mg/L
|
5.0
mg/L
|
Características químicas.
Los
múltiples compuestos químicos disueltos en el agua pueden ser de origen natural
o industrial y ser benéficos o dañinos de acuerdo con su composición y
concentración. Por ejemplo, las cantidades pequeñas de hierro y manganeso no
sólo causan color, también se oxidan para formar depósitos de hidróxido férrico
y óxido de manganeso en tuberías maestras de agua y equipos industriales. Estos
depósitos reducen la capacidad de los tubos y su extracción es
costosa.
Las
aguas duras se consideran en general como aquellas que requieren cantidades
considerables de jabón para producir espuma, y que también forman incrustaciones
en tuberías de agua caliente, calentadores, carreteras y otras unidades en las
cuales la temperatura del agua se incrementa materialmente. La dureza del agua
se expresa en miligramos equivalentes de carbonato de calcio por litro. Dos de
carbonatos de calcio y de magnesio se precipitan como carbonatos insolubles
cuando el dióxido de carbono se expulsa por ebullición. Esta dureza “temporal”,
llamada dureza carbónica, se debe
limitar en los casos en que causa formación de incrustaciones en calderas y
equipos industriales. Los orfanatos, cloruros y nitratos de calcio y de magnesio
no se eliminan por ebullición. Estas sales causan dureza
no carbónica, la cual se describe a veces como dureza
“permanente”.
Los
compuestos orgánicos sintéticos, que son productos o subproductos de sustancias
químicas que se utilizan en la agricultura y en la industria (por ejemplo, DDT),
se pueden acumular hasta niveles tóxicos en el agua y en los organismos vivos.
Las técnicas de medición han avanzado mucho más que nuestra capacidad para
establecer la correlación entre los compuestos orgánicos sintéticos actualmente
en uso y la salud humana. La mayor parte de los gobiernos han fijado límites
arbitrarios para las más peligrosas de estas sustancias químicas hasta disponer
de un conocimiento más completo en esta área.
Fuentes de agua.
La
calidad y cantidad de agua procedente de aguas superficiales y subterráneas, las
dos fuentes principales, experimenta la influencia de la geografía, el clima y
las actividades humanas. Las aguas subterráneas normalmente se pueden utilizar,
o hubo ningún tratamiento. El agua superficial, por otra parte, suele necesitar
tratamientos extensos, en especial si está contaminada. En las regiones áridas
del mundo la falta de aguas subterráneas o superficiales puede hacer necesaria
la desalinización del agua de mar y la recuperación de aguas residuales
tratadas. Estos tratamientos son costosos, pero se produce agua de calidad
adecuada para cualquier propósito.
Aguas subterráneas
Las
aguas subterráneas son aquellas que
se han filtrado desde la superficie de la tierra hacia abajo por los poros del
suelo. Las formaciones de suelo de roca que se han saturado de líquido se
conocen como depósitos de agua subterránea, o
acuíferos. El agua normalmente se extrae de estos depósitos por medio de
pozos. El tamaño de los poros del suelo, la viscosidad del agua y otros factores
se combinan para limitar la velocidad a la cual el agua se mueve a través del
suelo para rellenar el pozo. Este flujo (velocidad) puede variar de 1 m/día
hasta 1 m/año. Un depósito de aguas subterráneas sólo puede soportar una rapidez
de extracción de la misma magnitud que la del suministro que recibe de manera
continua por infiltración. Una vez que este flujo se excede, el nivel freático
comienza a bajar, con lo cual los pozos existentes se secan y se requiere de una
costosa perforación para localizar nuevos pozos. Existe una preocupación
creciente de que grandes extensiones de granjas productivas pierdan agua de
irrigación a medida que los pozos se secan. La tabla seis muestras cómo se
reparte cada categoría entre aguas subterráneas y aguas superficiales en Estados
Unidos. Observe que la provisión de aguas públicas y rurales sólo constituido
una pequeña fracción de toda la extracción de agua, y que el uso de irrigación y
el industrial son cada uno un orden de magnitud más grande. La mayor parte de
los usuarios de aguas rurales recurren a las aguas subterráneas porque las
mismas se pueden extraer y utilizada en el lugar donde se les necesita, con lo
cual se elimina la necesidad de costosas tuberías y procesos de purificación. La
figura dos muestra el uso total de agua por fuente.
|
EXTRACCIÓN
DE AGUA EN Estados Unidos, 1990
| ||||
|
|
Fuente
|
Total[2]
| ||
|
Uso
de agua en Estados Unidos, 1900
|
Aguas
subterráneas
|
Aguas
superficiales
|
Km3/año
|
Miles
de millones
|
|
Abasto
público
|
20.9
|
32.3
|
53.2
|
38.5
|
|
Abasto
privado
|
|
|
|
|
|
Doméstico
y comercial
|
5.8
|
1.4
|
7.2
|
5.2
|
|
Rural
y ganadero
|
3.7
|
--
|
3.7
|
2.7
|
|
Irrigación
|
70.5
|
118.5
|
189.0
|
136.8
|
|
Industrial
|
|
|
|
|
|
General
|
5.5
|
35.8
|
41.3
|
29.9
|
|
Otros[3]
|
3.5
|
169.5
|
173.0
|
125.3
|
|
Agua
salina
|
--
|
96.0
|
96.0
|
69.5
|
|
Extracción
total (excluyendo el agua salina)
|
109.9
|
357.5
|
467.4
|
338.4
|
Las
aguas subterráneas no son tan susceptibles a la contaminación como las de
superficie, aunque, una vez contaminadas, su restauración aún si es posible es
difícil y de largo plazo. Casi todos los organismos patógenos y muchas
sustancias indeseables se eliminan por la acción filtrante de las partículas de
suelo. Esta es la razón por la cual los municipios, incluso los que están
situados cerca de aguas superficiales, prefieren los pozos para el abasto de
agua. Se necesita mucho menos tratamiento y, por ende, menos gastos, para llevar
las aguas subterráneas al nivel de agua potable. El agua de los pozos, aunque en
cantidad limitada, es por lo general de calidad uniforme y carece de turbidez,
aunque puede requerir ablandamiento. La calidad de las aguas subterráneas es
difícil de vigilar cuando se está utilizando un gran número de pozos. Una
construcción correcta de los pozos es fundamental para impedir la contaminación
del agua de estos y por tanto del nivel freático. La ubicación de los tanques
sépticos en relación con los pozos es de importancia crítica para evitar la
contaminación de la fuente de agua.
Ilustración 2
Uso total de agua en Estados Unidos por fuente, 1950 – 1990 (no se incluye la
extracción de agua salina) (100,000 millones de gdp = 138
)
El
agua lluvia que escurre a través de terrenos de rellenos industriales y
sanitarios disuelve sustancias que constituyen un serio peligro para la calidad
de las aguas subterráneas locales. Esto se puede impedir con un sistema
apropiado de manejo de lixiviados.
Aguas superficiales.
Las
aguas superficiales de ríos y lagos
son fuentes importantes de abastecimiento de aguas públicas en virtud de las
altas tasas de extracción que soportan normalmente. Una desventaja de utilizar
aguas superficiales es que están expuestas a la contaminación de todo tipo. Los
contaminantes llegan a los lagos y ríos desde fuentes diversas e intermitentes,
como residuos industriales y municipales, drenaje de áreas urbanas y agrícolas,
y erosión de suelos. El agua de turbidez variable y una diversidad de sustancias
que contribuyen al sabor, olor y color del agua pueden hacer necesario un
tratamiento extenso.
Los
problemas que causan las algas con relación al tratamiento del agua, junto con
los costos adicionales del:
1) Control de algas en la fuente de abastecimiento de
agua con sulfato de cobre.
2) Del lavado más frecuente de los filtros a
contracorriente.
3) De la cantidad adicional de cloro u otro
desinfectante que consume la materia orgánica algacea
Son
las razones por las cuales la eutroficación de los lagos constituye un problema
desde el punto de vista del tratamiento del agua. Es obvio que la eliminación de
fósforo y en ocasiones de nitrógeno en nuestras plantas de tratamiento de aguas
residuales, la limitación del fósforo en los detergentes y las restricciones en
cuanto a nutrientes en el desagüe agrícola no se aplican solo por razones
estéticas, sino que existen además motivos económicos para
hacerlo.
El
uso directo de agua de lluvia es una fuente limitada, aunque importante de agua
en unas pocas áreas que están lejos de las fuentes de agua dulce pero que
reciben precipitación pluvial con regularidad. En las islas Bermudas, por
ejemplo, el agua de lluvia se recoge en los techos y se almacena en cisternas
para su utilización posterior.
Agua de mar.
El
agua de mar, disponible en cantidad casi ilimitada, se puede transformar en agua
dulce por diversos procesos. No obstante, los costos de conversión (sin contar
los de eliminación del residuo de sal que se genera) son quizá de dos a cinco
veces más altos que los del tratamiento del agua dulce. Desalinización
es el término general que se emplea para describir la extracción de las
sales disueltas en el agua. La destilación, que es la técnica de desalinización
más antigua, depende de la evaporación y condensación del agua. El proceso
consume mucha energía, pero el uso de la energía solar para evaporar el agua
puede resultar práctica en países con abundante luz solar. Otro método, el de
congelación, reduce la temperatura del agua hasta que se pueden separar de la
salmuera cristales de hielo libres de sal. La electrodiálisis implica el
movimiento reforzado de iones con carga a través de membranas permeables a los
cationes o los aniones, esto por aplicación de un potencial eléctrico a una
celda que contiene agua mineralizada. La ósmosis inversa emplea membranas que son permeables solo al agua; sin embargo, en este caso la
fuerza impulsora es la presión que suministran las bombas. Este proceso parece
promisorio porque los costos energéticos son inferiores a los de otras
tecnologías. En la actualidad se utilizan ampliamente plantas desalinizadoras
para el abastecimiento de agua municipal en el Medio Oriente. El uso futuro
tendrá lugar en las áreas con escasez extrema de agua dulce, en particular para
usos industriales.
Aguas residuales recicladas.
Las
aguas residuales recicladas (o
recuperadas) son aquellas que han recibido el tratamiento suficiente para volver
a ser utilizadas directamente en la industria y en la agricultura, y para ciertas
aplicaciones municipales limitadas. Estas operaciones de reciclado o de
circuito cerrado pueden ofrecer la única alternativa en áreas donde es
imposible obtener suficiente agua dulce. Los sólidos en suspensión, las
sustancias orgánicas biodegradables y las bacterias se pueden eliminar o
degradar por aplicación de los procesos normales de tratamiento de aguas
residuales, por el color, las sales inorgánicas de magnesio, sodio y calcio,
los compuestos orgánicos sintéticos como los plaguicidas, y otras sustancias
tóxicas se deben eliminar por medio de técnicas avanzadas similares a las que se
emplean para la desalinización. El carbón activado es eficaz para extraer
muchos contaminantes orgánicos porque tiene un área superficial muy grande
(»1,000
m2/g) capaz de capturar y absorber impurezas del agua. Permitir que
el agua se limpie a si misma por filtración a través del suelo es otra técnica
que elimina impurezas del agua y tiene amplia aplicación en la recarga de
reservas de aguas subterráneas. En la actualidad, el uso de aguas residuales
recicladas como fuente de agua se práctica principalmente en el Medio Oriente,
en Sudáfrica y en regiones áridas de Estados Unidos.
Procesos de tratamiento de aguas.
Plantas de tratamiento de agua.
Uno
de los grandes logros de la tecnología moderna ha sido la reducción drástica de
las enfermedades de transmisión por agua como la cólera y la fiebre tifoidea.
Estas afecciones ya no constituyen los grandes peligros para la salud pública
que fueron en una época. La clave de este avance fue el reconocimiento de que
la contaminación del abasto público de agua con desechos humanos era la fuente
principal de infección y se podía eliminar tratando el agua de manera más eficaz
y eliminando los residuos de una forma más apropiada. La filtración del agua
potable fue utilizada en 1802 por Paisley, en Escocia, y por los vendedores de
agua de Londres, Inglaterra, en 1828. En Estados Unidos, la ciudad de
Poughkeepsie, Nueva York, práctico por primera vez la filtración del agua
potable en 1872. A principios de este siglo, ciertas mejoras a la tecnología
para hacer segura el agua para uso público se habían generalizado en Europa,
Estados Unidos y Canadá.
Las
actuales plantas de tratamiento de aguas se proyectan para suministrar de manera
continua agua que satisfacen los estándares de agua potable en la llave. Para
conseguir estado interviene en cuatro consideraciones principales: selección de
fuentes, protección de la calidad del agua, métodos de tratamiento por aplicar y
prevención de la contaminación. Entre las precauciones comunes para impedir la
contaminación de las aguas superficiales y subterráneas se cuentan la
prohibición de descarga de alcantarillado sanitarios y pluviales cerca del
embalse de agua, la instalación de cercas para impedir la contaminación por usos
recreativos y las restricciones a la aplicación de fertilizantes y plaguicidas
en áreas que drenan al embalse. Instinto y reglamentos que se ocupen con
amplitud de la protección de la fuente puede ser difícil por qué en un proyecto
específico pueden participar a varias jurisdicciones, desde locales hasta
federales. Por consiguiente, una considerable cooperación política es un
requisito previo para la creación de muchos sistemas de abastecimiento de agua
en gran escala que ofrezcan seguridad.
Las
principales operaciones unitarias que intervienen en el tratamiento de aguas
superficiales son las de tamizado, coagulación/floculación, sedimentación,
filtración y desinfección. Las operaciones de tratamiento de agua llevan a cabo
uno o más de tres tareas fundamentales: separación de sustancias
particuladas como arena y arcilla, materia orgánica, bacterias y algas;
extracción de sustancias disueltas
como las que causan color y dureza; extracción o destrucción de
bacterias y patógenos. La selección de los procesos de tratamiento depende
del tipo de fuente de agua y de la calidad que se desea. En la figura tres
muestra un bosquejo de:
a) Una planta química de tratamiento de aguas
superficiales.
b) Una planta de tratamiento de aguas
subterráneas.
En
la primera fila agua fluye por gravedad a través de una estructura y un tubo de
toma, los tamices quitan los objetos más grandes, como veces, palos y hojas, y
unas bombas de cargas suben el agua que entra hasta el nivel de la planta de
tratamiento. Desde este punto en adelante el agua recorre la planta por
gravedad.
En
ocasiones, el agua sin tratamiento y de baja turbidez se trata por sedimentación
simple (sin aditivos químicos) para ser tirar las partículas más grandes, y
después la filtración para eliminar las pocas partículas que no se sedimentaron.
Sin embargo, por lo común las partículas del agua sin tratamiento son demasiado
pequeñas para separarse en un tiempo razonablemente breve solo por la
sedimentación y filtración siempre. A fin de remediar esto se le agrega un
producto químico para coagular/flocular las partículas pequeñas, llamadas coloides, en otras más grande
susceptibles de sentarse en tanques de sedimentación por separarse de manera
directa en un filtro. Cuando una sedimentación antecede a la filtración, los
filtros pueden operar por períodos más largos, o a velocidades mayores, antes de
que sea necesario elaborar los a contracorriente. El agua clarificada que se
toma de la parte superior de los tanques de sedimentación se lleva a los
filtros, donde todas las partículas residuales la suspensión se separan, por un
lado, un asentamiento y adhesión a la herida u otro material filtrante a medida
que el agua fluye por los pequeños por voz del lecho del filtro. La filtración
del agua coagulada/floculada sin
previa sedimentación (llamada filtración
directa) es eficaz del agua de baja a moderada turbidez (de 5 a 20 unidades)
y de hecho constituye la práctica en muchas de las recientes plantas de
tratamiento de agua.
Ilustración 3 Un
esquema de una planta de tratamiento de agua que utilizada (a) una fuente de
agua superficiales, y (b) una fuente de aguas
subterráneas.
Después
de su filtración y antes de que fluye al depósito del almacenamiento del agua se
desinfecta, por lo general con cloro. En ciertos casos se agregan también
fluoruro por su capacidad para retardar las caries dentales. Después, el agua
tratada se bombea (por medio de bombas de carga alta) al sistema de distribución
para surtir a los clientes y para mantener los niveles en los depósitos de
almacenamiento si es necesario. La rapidez con la que se puede procesar del agua
en una planta de tratamiento normalmente se basa en la demanda diaria máxima,
más que en la media, con lo cual se reduce la necesidad de contar con una gran
capacidad de almacenamiento y, durante las horas de baja demanda, se pueden
parar secciones de la planta para su mantenimiento.
Es
importante reconocer que el tratamiento del agua todavía es una especie de arte,
no obstante, los múltiples avances científicos de la comprensión de los
principios físicos y químicos que intervienen. Se necesita más investigación
para satisfacer las crecientes demandas que se plantean a nuestros limitados
recursos hidráulicos. En el resto de esta sección examinaremos cada una de las
operaciones unitarias agrupados bajo o las funciones principales de una planta
de tratamiento de agua.
Eliminación de materia particulada.
Las
operaciones unitarias que se emplean para eliminar la materia particulada del
agua comprenden las de tamizado, sedimentación, coagulación/floculación y
filtración.
El
tamizado para separar sólidos
grandes, como troncos, ramas, trapos y pequeños peces, es la primera etapa del
tratamiento del agua. La entrada de este tipo de restos en la planta de
tratamiento podría dañar las bombas y obstruir tuberías y canales. Las tomas de
agua se localizan bajo la superficie del lago o río por las mismas razones:
excluir los objetos flotantes y reducir al mínimo el daño físico que podría
causar el hielo. En un lago, es tanto, se localizan aguas adentro a una
suficiente distancia para minimizar los efectos de contaminación por vegetación
de la costa o las descargas de residuos; en los ríos se sitúan en un área
protegida. En el punto de emisión se colocan tamices puntos construidos por
barras verticales separadas por una distancia aproximada de 25 mm (1 in o pulg)
o más para excluir los objetos más grandes. El agua fluye entonces por gravedad
a lo largo del tubo de tomar hasta la estación de bombeo de cargas baja, esto lo
hace a una velocidad suficiente para impedir la sedimentación de partículas en
el tubo. Inmediatamente al frente de las bombas de carga baja, que elevan el
agua hasta el nivel de la planta, se colocan tamices de barras de limpieza
mecánica y tamices finos (de 6 mm o ¼ in de separación). Estos tamices finos
también se utilizan en la base de los pozos de aguas subterráneas para excluir
las partículas de tierra más grandes que podrían dañar las bombas y obstruir las
tuberías.
La sedimentación, es la forma de
tratamiento de agua y de aguas residuales más antigua y de un uso más extendido,
emplea el asentamiento por gravedad para separar las partículas del agua. Es un
método relativamente sencillo y económico que se puede aplicar en estanques
redondos, cuadrados o rectangulares. Como ya hemos señalado, la sedimentación se
puede hacer después de una coagulación/floculación (para aguas muy turbias) u
omitirse por completo (con aguas de turbidez moderada). Las partículas
suspendidas en las aguas de superficie varían en cuanto a tamaño: de
10-1 a 10-7 mm de diámetro, que es el tamaño de la arena
fina y de las pequeñas partículas de arcilla, respectivamente. La turbina o
nebulosidad se debe a las partículas mayores de 10-4 mm, en tanto que
las de menos de 10-4 mm contribuyen al color y sabor del agua. Este
tipo de partículas muy pequeñas se pueden considerar, para fines de tratamiento,
como disueltas y no como particuladas.
El
agua que contienen materia particulada fluye con lentitud a través de un tanque
de sedimentación, y de esta manera se retiene el tiempo suficiente para que las
partículas más grandes se asienten en el fondo antes de que el agua calificada
salga del tanque por un vertedero en el extremo de salida. Las partículas que
sean sedimentado en el fondo del tanque se extraen de forma manual o por medio
de resplandores mecánicos para descargarse en una alcantarilla, de volverse a la
fuente de agua si ello es permisible, o almacenarse en el local con vistas a un
posterior tratamiento o eliminación. De sedimentaron partículas cada vez más
pequeñas a medida que se incremente el tiempo de retención utilizando tanques
más grandes. La separación de partículas más pequeñas por sedimentación simple
sería poco práctica debido al alto costo de construcción de un tanque de
sedimentación del tamaño suficiente para permitir el tiempo de sedimentación
necesario. El tiempo de retención típico es de tres horas en tanque de 3 a 5 m
de profundidad. Las partículas demasiado pequeñas para sedimentarse en este
tiempo se deben eliminar por filtración o por otros métodos.
La coagulación/floculación es un
procedimiento químico y físico por el cual las partículas que son demasiado
pequeñas para separarse por sedimentación siempre se desestabilizan y se
aglomeran para acelerar su asentamiento. Un porcentaje significativo de
partículas en suspensión en el agua es tan pequeño que su sedimentación hasta
el fondo del tanque tomaría días o semanas. Estas partículas coloidales nunca
se asentarían por sedimentación simple.
La coagulación es un proceso químico que
se utiliza para desestabilizar partículas coloidales. El mecanismo exacto no se
conoce bien, pero el concepto General consiste en agregar un producto químico
que aporta iones con carga positiva al agua que contienen coloides con carga
negativa. Las reacciones que se producen reducen la tendencia de los coloides a
repelerse entre sí. Requiere un esclavo rápido de alrededor de 30 segundos para
dispersar el coagulante. Enseguida se lleva a cabo un mezclado suave de la
suspensión, llamado floculación, a
fin a favorecer el contacto entre partículas. Esto se consiguió por mezclado
mecánico mediante el uso de paletas que gira lentamente en dentro del tanque de
coagulación/floculación, por mezcla de hidráulico, el cual se produce cuando el
flujo se deje por encima y alrededor de los deflectores del tanque. El tiempo de
retención en el tanque de coagulación/floculación varía por lo común entre los
20 y 40 minutos en tanques de 3 a 4 m de profundidad. Por medio del proceso
químico y físico combinado de coagulación/floculación, las partículas, ideales
que no se sientan por sedimentación simple se aglomeran para formar sólidos más
grandes llamados flóculos. Estas
tienen un aspecto de grumos esponjosos de forma irregular y son capaces de
atrapar las partículas pequeñas no coagulada sala sentarse en el fondo. Del
sulfato de aluminio (alumbre) es el coagulante más común, pero se pueden
utilizar también polímeros orgánicos, solos o en combinación con el alumbre,
para mejorar la floculación. La suspensión de flóculos se transfiere con cuidado
de los tanques de coagulación/floculación a tanques de sedimentación, o
directamente a filtros donde se separan los flóculos. En la figura cuatro se
muestra un corte transversal de un tanque de coagulación/floculación y
sedimentación.
La
química de la coagulación es compleja, pero el proceso se puede ilustrar por
medio de ecuaciones simplificadas. Los campeones con carga positiva que se
necesitan para coagular los coloides con carga negativa pueden ser aportados por
sales metálicas, de las cuales las sales de aluminio y hierro son las más
comunes.
Se
considera cada proceso de coagulación con la lumbre para filtros, Al2
(SO4)314.3H2O (el coagulante normal para
tratamiento de aguas), se verifica en las tres etapas
siguientes:
1. El alumbre se ioniza en el agua y produce
Al+3 y SO4-2. Algunos de los iones Al
(OH)3 neutralizan la carga negativa de los coloides,
pero
2. La mayor parte de los iones Al-3 se
combinan con iones OH- (del agua) para formar Al (OH)3
coloidal, el cual absorbe iones positivos de la solución:
3. Entonces, el Al (OH)3 en la solución con
carga positiva ayuda a neutralizar los coloides negativos, y el exceso es
neutralizado por el SO4-2 para producir un precipitado de
Al (OH)3 y sulfatos absorbidos.
Observe
que el exceso de iones H+ es la forma en la etapa dos tiende a
deprimir el pH, lo cual detendría la formación del Al (OH)3 puesto
que depende del pH. Normalmente, el acceso de iones H+B es
neutralizado por la alcalinidad (HCO3-) presentan el agua
de acuerdo con la ecuación:
La
reacción global que combina las ecuaciones es:
La
cual nos indica que 600 partes de lumbre para filtros han consumido 300
partes de alcalinidad (expresada como CaCO3).
El
efecto químico global es una disminución del pH del agua, una conversión de
parte de la dureza de calcio [Ca (HCO3)2] en dureza de
sulfato (CaSO4), y la producción de CO2. Si la alcalinidad
presente en el agua es insuficiente para que esta reacción se lleve a cabo, se
debe aumentar el pH adicionando cal [Ca (OH)2], carbonato de sodio
(Na2CO3) o sosa (NaOH).
Ilustración 4
Corte transversal de un tanque de mezclado rápido con floculación y
sedimentación.
El
pH óptimo para la coagulación con alumbre es aproximadamente 6. La coagulación
no requiere mucho control adicional del pH, porque la introducción del alumbre
reduce el pH de las aguas superficiales, que casi siempre son neutras, a un
valor aceptable.
Normalmente
no es posible conseguir una transparencia adecuado de las aguas superficiales
por sedimentación simple o con la combinación de coagulación/floculación y
sedimentación. Por consiguiente, estos procesos unitarios van seguidos de filtración en prácticamente todas las
plantas de tratamiento de agua. La filtración es un proceso en donde el agua
pasa a través del lecho filtrante compuesto originalmente de arena fina
dispuesta sobre una capa de grava de soporte. En la actualidad son comunes otros
medios filtrantes y soportes. Los mecanismos que intervienen en la filtración
incluyen el cuadrado de partículas de mayor tamaño que los poros, la
floculación, que se produce cuando las partículas entran en contacto más
estrecho dentro del filtro, y la sedimentación de las partículas en los poros
del filtro. Con el tiempo, los poros del filtro en particular los de la
superficie, se obstruyen y se hace necesario limpiar el filtro mediante un
lavado a contracorriente.
Se
emplean dos tipos de filtro: el de arena lento y el de arena rápido. Los filtros de arena lentos se utilizaron
por primera vez en Gran Bretaña en el siglo XIX. Estos procesan agua a una
velocidad de 3 a 4 L/min · m2 (menos de 0.1 gpm/ft2). El
agua de río o lago se bombea al interior de grandes filtros de arena lentos al
aire libre, con o sin previa sedimentación siempre, tengo una calidad del agua
sin tratar. El espesor del hecho de filtraciones aproximadamente de 0.6 a 1.2 m,
con desagües que transportan el agua filtrada al depósito de almacenamiento.
Cuando los bonos del filtro se obstruyen en grado excesivo, es necesario
interrumpir de la aplicación de agua y retirar de forma manual las capas
superiores de arena para limpiar el filtro. Los filtros de arena lentos se
requieren grandes áreas de terreno y mucha mano de obra a causa de la frecuente
limpieza necesaria para producir cantidades suficientes de agua. Aunque los
filtros de harina lentos pasaron de moda con la introducción de filtros de arena
rápido, al inicio del presente siglo en Europa y Estados Unidos, ofrecen un
medio práctico de filtración de agua para pequeñas comunidades y municipios en
países en vías de desarrollo, en particular donde el clima es más favorable que
en el norte de Estados Unidos o en Canadá. En comparación con los filtros de
arena rápidos, so construcción es más económica, su operación más sencilla y
elimina mejor las bacterias, lo cual es una consideración importante y otros
medios de desinfección son poco confiables.
Los filtros de arena rápidos procesan agua
a una velocidad de 80 a 160 L/min · m2 (de 2 a 4 gpm/ft2)
o más, es decir 40 veces mayor que la de los filtros de arena lentos. El medio
filtrante también es una capa de arena fina o de antracita y otros materiales
que se sostienen sobre una capa de grava hubo otra estructura de soporte. La
figura 5 muestra un corte transversal de un lecho filtrante de harina y la
figura 6 representa un hecho filtrante de arena y antracita. Las figuras a ese
es un corte transversal de un filtro de arena rápido representativo, el cual
muestra la caja del filtro, el hecho y los accesorios. Estos filtros se alojan
ordinariamente en un edificio para proteger el agua deleitar a pedir y de
posibles fuentes de contaminación. El agua clarificada de los tanques de
sedimentación o de floculación fluye al interior de la caja del filtro y recorre
por gravedad del hecho filtrante hasta los desagües inferiores, los cuales
conducen a depósitos de almacenamiento para el agua tratada. La velocidad a la
cual el agua atraviesa un filtro disminuye a poco a poco a medida que se
acumulan partículas en los granos del filtro y se reduce el tamaño de los
bordos. Para conseguir un gasto uniforme, cero utilice un controlador externo
del gasto (alguna forma de restricción ajustable en el tubo de salida) para
mantener aproximadamente constante la pérdida total de desnivel a través del
filtro y, en consecuencia, el flujo.
Ilustración 5
Construcción de un lecho de filtro.
Nota:
La dificultad que presentan los filtros de arena es que se produce obstrucción
en las capas superiores de arena fina. La antracita (carbón), puesto que tiene
un diámetro de partícula mayor y es más ligera que la arena, permanece sobre la
misma y consigue una mayor proporción del filtro sea eficaz para eliminar
sólidos en suspensión.
Ilustración 6
Corte transversal de un filtro de arena rápido.
La
profundidad de 2.5 a 3.0 m de la caja del filtro limita el desnivel disponible
para forzar el paso del agua por el lecho filtrante. Cuando se excede el límite
de pérdida de desnivel, el filtro se limpia por medio de una operación que se
conoce como lavado a
contracorriente. Se bombea agua a presión a través de los tubos y desagües
inferiores y hacia arriba, a través del filtro. Este flujo inverso expande el
lecho filtrante hasta en un 50% y permite eliminar las partículas de suciedad
más ligeras con el agua de lavado que rebosa hacia los canales destinados a la
misma y se vierte en la alcantarilla. Cuando no se dispone de alcantarilla, el
agua de lavado se trata localmente y, si es necesario, los sólidos se llevan a
otro lugar para eliminarlos.
La
rapidez del lavado a contracorriente se debe controlar para impedir que los
granos de arena o de antracita sean arrastrados por el agua de lavado. El lavado
a contracorriente toma de 10 a 15 min y se efectúa de manera tradicional una vez
al día, o con mayor frecuencia si es necesario. El agua que se emplea para el
lavado es por lo general el 4% del agua producida. Cuando se interrumpe la
operación de lavado a contracorriente, el medio filtrante se sedimenta en su
lugar para quedar como estaba antes del lavado, puesto que, de acuerdo con la
ley de Stokes, las partículas más grandes (o más densas) se sedimentan con mayor
rapidez que las partículas más pequeñas (o más ligeras).
Para
instalaciones municipales pequeñas, aplicaciones industriales y sistemas de
albercas, suelen utilizarse filtros de
presión. Estos son recipientes cerrados, casi siempre cilíndricos, que
contienen material filtrante a través del cual se fuerza el paso de agua por
presión, no por gravedad, como en el caso de los filtros de arena
rápidos.
La
eficacia relativa de las operaciones de tratamiento estudiadas hasta este punto
es en términos generales como sigue. El agua lacustre turbia, hasta 100 TU
(unidades de turbidez), se reduce por coagulación/floculación y sedimentación a
aproximadamente 10 TU. La filtración disminuye aún más la turbidez hasta menos
de 1 TU. Una regla práctica general es que la turbidez se reduce en un orden de
magnitud por cada proceso. Las aguas de río muy turbias (1,000 TU) requieren una
sedimentación previa antes de someterse a los procesos descritos. Por otra
parte, el agua lacustre que se extrae en invierno puede tener una turbidez de
menos de 10 TU, y es posible que no sea necesaria la
coagulación/floculación.
Ejemplo 3.
La
figura 7 es un plano de una planta de tratamiento de agua propuesta para la
ciudad de 100,000 habitantes del ejemplo 1. El tiempo de retención para la
coagulación/floculación es de 25 min, y el tanque (A) tiene una profundidad de
3.7 m. el tiempo de retención en el tanque de sedimentación (B) es de 2 h, y la
profundidad del tanque es de 5.0 m. el gasto a través de los filtros (C) es de
110 L/min · m2. Seleccione las dimensiones apropiadas para las
unidades. Los tres conjuntos paralelos de tanques proporcionan flexibilidad de
operación.
Solución.
La
rapidez de procesamiento que se requiere es la tasa diaria máxima para la ciudad
del ejemplo 2, o 99 x 106 L/día. Cada tanque maneja un tercio de este
flujo, o 33 x 106 L/día (22,916 L/min). En consecuencia, la capacidad
que se requiere para el tanque de coagulación/floculación es
de:
De
modo que el ancho del tanque de coagulación/floculación (A)
es:
La
capacidad necesaria del tanque de sedimentación (B) es:
Por
tanto, la longitud del tanque de sedimentación (B) es
Ilustración 7
Cada
filtro maneja un doceavo del gasto total, o 5,729 L/min. Por tanto, el área
necesaria en cada filtro es:
Y
la longitud de cada caja de filtro ( c ) es
Comentario: en la práctica se
acostumbra a prever la satisfacción de la máxima demanda diaria con cualquiera
de las unidades fuera de servicio. En este caso probablemente se construiría un
cuarto conjunto de tanques en paralelo. Como alternativa, cada uno de los tres
conjuntos de tanque se pudo haber proyectado para dar cabida al 50% de la máxima
demanda diaria. La disposición de las unidades es compacta y simétrica por
varias razones:
· Para asegurar un flujo uniforme con el menor número
de cambios de dirección y por tanto la menor turbulencia
posible.
· Para permitir la construcción económica de paredes
comunes y simplificar la inclusión de la planta en un
edificio.
· Para permitir la fácil interrupción de una corriente
en paralelo para su mantenimiento mientras las otras unidades abastecen la
demanda.
· Para facilitar la futura expansión de la
planta.
Desinfección.
Para
asegurar que el agua está libre de bacterias perjudiciales es necesario desinfectarla. La cloración
es el método más común para desinfectar el abasto público de agua. Se agregan
cantidades suficientes de cloro gaseoso o hipocloritos al agua tratada para
matar las bacterias patógenas. La
cloración es un método de desinfección confiable, relativamente económico y
fácil de aplicar. Otros desinfectantes incluyen cloraminas, dióxido de cloro,
otros halógenos, ozono, luz ultravioleta y alta temperatura. La ozonización,
extensamente utilizada en Francia, está ganando aceptación en Estados Unidos y
Canadá, en especial como alternativa de precloración cuanto están presentes
sustancias orgánicas naturales. Aunque es eficaz, el ozono no deja un residuo
duradero que permita una desinfección a largo plazo. La planta de filtración de
2,000 x 106 L/día (600 mgd) de Los Ángeles contiene uno de los
sistemas municipales de desinfección por ozono más grandes del mundo, pero el
agua se somete a la cloración de todos modos antes de su
distribución.
El
cloro gaseoso se hidroliza en agua en forma casi completa para formar ácido
hipocloroso:
El
ácido hipocloroso, HOCl, se disocia en iones hidrógeno (H+) y iones
hipoclorito (OCl-) en la reacción reversible
siguiente:
El
cloro reduce el pH del agua a causa de los iones hidrógeno que se producen en
las reacciones anteriores. El pH del agua es muy importante para determinar el grado en el que el ácido hipocloroso se disocia para
producir iones hipoclorito. El ácido hipocloroso, que es el agente desinfectante
primario, predomina a un pH menor de 7.5 y es alrededor de 80 veces más eficaz
que el ion hipoclorito que predomina con un pH mayor de 7.5. el HClO y el
ClO- se describen como el cloro libre disponible, en el sentido
utilizable para la desinfección. Las cualidades desinfectantes del ácido
hipocloroso aumentan en grado considerable a niveles de pH bajos en virtud de la
mayor proporción de HClO presente.
Cuando
se adiciona al agua, el cloro, un elemento muy reactivo, oxida la materia
orgánica y la inorgánica por igual. Por consiguiente, no todo el cloro que se
agrega al agua da por resultado la producción de cloro libre disponible. La
cantidad de cloro que reacciona con los compuestos inorgánicos (Fe+2,
Mn+2, NO-2 y NH3) y las impurezas
orgánicas se conoce como la demanda de
cloro, y es necesario satisfacerla para que se forme cloro libre disponible.
La aplicación de cloro al agua hasta el punto en que hay cloro libre residual
disponible se llama cloración hasta el
punto de cambio.
La
reacción del cloro con las impurezas nitrogenadas como el amoniaco
(NH3) es de especial interés porque se producen cloraminas. Las
cloraminas son eficaces como desinfectantes, pero en menor grado que el cloro
libre disponible y sirven como protección contra una posible contaminación en el
sistema de distribución, causada por construcción o mantenimiento inadecuados.
La adición de amoniaco al agua clorada para producir cloraminas se llama cloraminación. El cloro combinado
disponible es el residual que existe en combinación química con amoniaco
(cloraminas) o compuestos orgánicos nitrogenados. En ciertos casos es necesario
utilizar cloro para eliminar sabores y olores del agua. Esto requiere la adición
de cantidades mucho mayores de cloro en un proceso que se domina supercloración.
Para eliminar el exceso de cloro es necesario desclorar con dióxido de azufre,
sulfito, o metabisulfito de sodio. El mecanismo exacto de ataque del cloro a los
microorganismos en el agua se desconoce, pero lo que si se sabes es que el agua
debe estar relativamente libre de materia orgánica para que la desinfección sea
completa. En consecuencia, la cloración no es un sustituto de las prácticas de
deficientes de tratamiento de agua.
Los
dos parámetros fundamentales para una cloración eficaz con la dosificación y el
tiempo de contacto. La velocidad de muerte bacteriana para una dosificación
específica no sigue una cinética de reacción de primer orden, por lo cual se
emplean ecuaciones empíricas para correlacionar la dosificación y el tiempo de
contacto para destrucción porcentual deseada. Se debe agregar agua cloro
suficiente para satisfacer la demanda de cloro y para producir una concentración
de cloro libre disponible de 0.2 mg/L después de 10 minutos de contacto y con un
pH de 7. El equivalente mínimo combinado de cloro residual disponible es de 1.5
mg/L después de 60 min de contacto y con un pH de 7. Es indeseable exceder los
niveles de dosificación apropiados porque esto causa un sabor desagradable
producido por el cloro que está en el agua. Con frecuencia se deben efectuar
pruebas para determinar la dosificación de cloro apropiada. A fin de asegurar el
tiempo suficiente para que el cloro mate las bacterias en condiciones variables
de pH y temperatura, es necesario proporcionar al menos 30 min de tiempo de
contacto. Muchas autoridades estipulan 2 h al flujo de
diseño.
Si
la cloración es la única forma de tratamiento que se requiere, como suele
suceder en el caso de una fuente de aguas subterráneas, entonces se aplica en el
pozo de bombea del sistema de distribución. En las plantas de tratamiento de
aguas superficiales la cloración normalmente se lleva a cabo en la última etapa
de tratamiento, justo antes de que el agua fluya hacia el depósito de
almacenamiento.
El
cloro, que es un gas en condiciones de presión y temperatura normales, se puede
comprimir para formar un líquido que se guarda en cilindros o recipientes.
Puesto que el cloro gaseoso es venenoso, se disuelve en agua al vacío, y esta
solución concentrada se aplica al agua que se está tratando. En las plantas
pequeñas se utilizan cilindros de alrededor de 70 kg (150 lb); para plantas de
medianas a grandes, son comunes los recipientes de una tonelada, y para las
plantas muy grandes, el cloro se entrega en carros cisterna de ferrocarril. El
cloro está disponible también en forma granular o de polvo como hipoclorito de
calcio, Ca (ClO)2, o en forma líquida como hipoclorito de sodio,
NaClO (blanqueador).
Uno
de los problemas que presenta el cloro es que se combina con sustancias
orgánicas naturales que pueden estar presentes en el agua (de la vegetación en
descomposición) para formar trihalometanos (THM), entre ellos cloroformo, que es
carcinógeno. Puesto que los THM no se eliminan por los métodos de tratamiento
convencionales, el agua que se va a clorar debe estar libre de sustancias
orgánicas naturales; en caso contrario, se debe utilizar otro
desinfectante.
Ejemplo 4.
Calcule:
a) La cantidad de cloro en kilogramos que se necesita
al día.
b) La capacidad del tanque de contacto de una planta de
tratamiento de agua que abastece a la ciudad de 100,000 habitantes que se
describe en el ejemplo 1. La demanda de cloro es de 1 mg/L.
Solución:
a) Sabemos que se deben adicionar al menos 1.2 mg
de cloro a cada litro para superar la demanda de cloro de 1 mg/L y producir una
concentración de cloro libre disponible de 0.2 mg/L. puesto que la planta de
tratamiento debe ser capaz de operar al gusto máximo diario podemos hacer el
cálculo siguiente para determinar la cantidad de cloro necesaria
b) Si suponemos un tiempo mínimo de contacto de 30
min, entonces la capacidad necesaria del tanque de contacto = gasto x tiempo de
contacto
El
tiempo de contacto en las plantas de tratamiento de agua ordinariamente lo
proporciona una gran cámara de almacenamiento llamada pozo
de aguas claras o depósito de agua
clarificada. La función primordial del pozo de aguas claras es aislar la
planta respecto a la fluctuación por horas de la demanda de agua municipal, pero
también sirve para permitir el tiempo de contacto suficiente para la
concentración de cloro libre disponible se estabilice en el valor correcto antes
de que el agua se bombee a los usuarios.
La
ozonización es la desinfección de
agua por adición de ozono (O3), el cual es un poderoso oxidante de
impurezas inorgánicas y orgánicas. Sus ventajas respecto al cloro son: es eficaz
contra Cryptosporidium,
no deja sabores ni olores y, a diferencia del cloro, parece ser que no reacciona
con las sustancias orgánicas naturales para formar compuestos peligrosos para
los humanos. La ozonización se aplica extensamente en Europa, en particular en
Francia, donde muchos municipios lo utilizan para desinfectar el agua potable
pública. En Estados Unidos y Canadá, a excepción de las ciudades de Montreal y
Los Ángeles, la desinfección con ozono se limita a unas cuantas plantas
pequeñas. Es probable que esto cambie en el futuro. Las desventajas del ozono
son que:
1) No se puede transportar con facilidad y por ende se
debe generar localmente
2) No proporciona un residuo combinado como las
cloraminas como protección contra la infección en los sistemas de
distribución.
3) Todavía es muy costoso.
Eliminación de sustancias disueltas.
Varias
de las operaciones unitarias que hemos analizado hasta este punto son
parcialmente eficaces para eliminar sustancias disueltas objetables. Por
ejemplo, el color del agua que causa la materia coloidal o disuelta se reduce
por coagulación/floculación. En general, los procesos convencionales no tienen
como objetivo la eliminación de sustancias disueltas o gases. Si estos
constituyen un problema, se dispone de otras operaciones
unitarias.
La
aireación se utiliza para eliminar
las cantidades excesivas de hierro y manganeso de las aguas subterráneas. Estas
sustancias causan problemas de sabor y color, interfieren con el lavado de la
ropa, manchan los accesorios de plomería y favorecen el crecimiento de bacterias
férricas en tuberías maestras. Al burbujear aire en el agua, o al crear contacto
entre el aire y el agua por aspersión, el hierro o manganeso disuelto
(Fe+2, Mn+4) que se precipita y se puede separar en un
tanque de sedimentación o un filtro. La aireación elimina también los olores que
causa el sulfuro de hidrógeno (H2S) gaseoso.
El
ablandamiento del agua es un
proceso que quita la dureza, causada por la presencia de iones metálicos
divalentes, principalmente Ca+2 y Mg+2. La dureza del
agua es consecuencia del contacto con los suelos y rocas, en particular la
piedra caliza, en presencia de CO2. Las concentraciones de dureza tanto
carbónica como no carbónica se expresan como
CaCO3.
Rara
vez es necesario el ablandamiento para aguas de superficie (donde una dureza
mayor de 200 mg/L es poco común), pero en ocasiones es deseable para las aguas
subterráneas (donde se observan con cierta frecuencia durezas superiores a los
1,5000 mg/L). el agua dura es aceptable para consumo humano, pero puede no se
adecuada para uso industrial debido a los problemas de formación de
incrustaciones que causa en las calderas. El ablandamiento con cal-carbonato y
el intercambio de iones son dos de los métodos disponibles para ablandar el agua
dura. En el ablandamiento con
cal-carbonato, la cal (CaO) que se agrega al agua se hidrata a Ca
(OH)2, el cual elimina la dureza carbónica convirtiendo el
CaHCO3 soluble en CaCO3
insoluble, y el MgHCO3 soluble en CaCO3
insoluble MgCO3 soluble.
Este MgCO3 soluble se precipita después como Mg (OH)2 y
CaCO3 con la adición de más cal. La dureza no carbónica (por ejemplo,
CaSO4 y MgSO4 solubles) se precipita como CaCO3
agregando carbonato de sodio (Na2CO3). Con el intercambio
de iones, el agua dura se fuerza a través de una resina de intercambio
iónico como la zeolita, la cual extrae de manera preferente los iones
Ca+2 y Mg+2 del agua y libera iones Na+, los
cuales forman sales solubles.
El
carbón activado es un material muy
absorbente que se utiliza en el tratamiento de agua para extraer contaminantes
orgánicos. El carbón activado se produce en un proceso de dos etapas. Primero,
un material base idóneo, como madera, turba, materia vegetal o hueso, se
carboniza calentándolo en ausencia de aire. Después, el material carbonizado se
activa calentándolo en presencia de aire, CO2 o vapor de agua para quemar los
alquitranes que contiene y aumentar el tamaño de sus poros. La absorción de
gases, líquidos y sólidos por el carbón activado está influida por la
temperatura y el pH del agua, así como por la complejidad de las sustancias
orgánicas que se extraen. El carbón activado en polvo se puede agregar al agua
inmediatamente después de las bombas de carga baja o en cualquier punto adelante
de los filtros. Este material principalmente se ha utilizado para extraer
sustancias orgánicas que causan sabores y olores. Sin embargo, a medida que
crece la preocupación por la presencia de compuestos orgánicos tóxicos en
nuestro abasto de agua, el papel de carbón activado granulado (fabricado a
partir de antracita) habrá de adquirir mayor importancia.
En
la ósmosis inversa (OI) el agua
dulce se fuerza a través de una membrana semipermeable en sentido opuesto al que
se presenta en la ósmosis natural. Puesto que la membrana quita las sales
disueltas, la aplicación principal de la OI se ha dado en la desalinización. Sin
embargo, el proceso también elimina materiales orgánicos, bacterias y virus, y
su aplicación en el tratamiento del agua va en aumento.
Transmisión, distribución y almacenamiento de agua.
En
esta sección solo consideraremos la distribución y el almacenamiento de agua
municipal potable; esto, es agua que es satisfactoria para casi todos los fines.
El agua de calidad superior o inferior que puede ser idónea para usos
específicos normalmente se suministra a través de una red de lo privado en el
que no interviene el municipio. Son ejemplos de esta clase de necesidades
especiales las siguientes:
· Agua ablandada: necesaria para lavanderías y
fábricas textiles
· Agua filtrada por carbono: necesaria para ciertos
fabricantes de bebidas
· Aguas residuales recicladas: útil espada
enfriamiento industrial, limpieza, conservación de pantanos
· Agua sin tratamiento (sistema dual): aceptable para
la agricultura, campos de golf, parques, combate de incendios y lavado de
calles.
Transmisión.
El
traslado de grandes cantidades de agua a lo largo de una distancia relativamente
grande entre los puntos de suministro y distribución se llama
transmisión. En Estados Unidos y en Canadá, una ciudad pequeña de 30000
habitantes requiere alrededor de 15000 m3/día (4 mgd) de agua (casi
15000 toneladas diarias). La línea de transmisión tendría un tamaño apropiado,
pero al menos el doble de esta cantidad para dar cabida al gasto diario máximo
al final del periodo de diseño, más los márgenes necesarios para los aumentos de
población y de un sol de agua per cápita durante ese tiempo. Cuando es posible,
el flujo por gravedad es el método que se prefiere para transportar estas
grandes cantidades. El agua a una altura por encima de la de su destino tiene
energía potencial veces puede transformar la energía cinética del agua en
movimiento por efecto de la pendiente de un acueducto. Cuanto más abrupta es la
pendiente, mayor es la velocidad del agua y más pequeño puede ser el acueducto.
Puesto que las pérdidas por fricción son directamente proporcionales al cuadrado
de la velocidad del agua, existe una pendiente óptima del acueducto para
desplazar agua a un flujo deseado al mismo tiempo que se reducen al mínimo las
pérdidas debidas a la fricción. La ruta más económica para el flujo por
gravedad, en la cual se toman en consideración los efectos del tamaño y la
pendiente del acueducto en los costos de excavación, sede de comparar sobre una
base del costo anual, con un sistema con sobrepresión donde los costos de la
energía para el bombee o se pueden compensar con la construcción de un conducto
más pequeño y menos profundo.
Existen
tres tipos básicos de acueducto. Los canales abiertos trabajan a presión
atmosférica y se llaman canalones si
están sostenidas al nivel del suelo o más arriba. Este tipo se elige por lo
común cuando las condiciones topográficas son favorables para el flujo por
gravedad con un mínimo de excavación. Puede ser necesario forrar los canales
abiertos con materiales impermeables si el suelo local es demasiado poroso y las
pérdidas por filtración son significativas. Los problemas de evaporación y
contaminación también pueden hacer necesario cubrir el canal. Se pueden
utilizar materiales como concreto, caucho de Butilo y telas sintéticas para
forrar los canales abiertos. Se construye tuberías
cuando las condiciones topográficas obligan a descartar el uso de canales
abiertos. Colocados arriba o abajo del suelo, estos conductos suelen trabajar
mejor cuando se someten a altas presiones de operación, así que se construyen
con tubos de concreto reforzado, acero, acero forrado de cemento o hierro
colado. Para un funcionamiento confiable se requieren la instalación de un
sistema de válvulas de retención, equipo para control de oleadas, junta de
expansión, puertos de inspección, bombas y muchos otros accesorios. Los aumentos
masivos de presión causados por cambios repentinos en el flujo se conocen como
oleadas hidráulicas y se deben reducir al mínimo y controlar para evitar daños
costosos en las tuberías. Se utilizan
túneles cuando no resulta práctico abrir zanjas para una
tubería.
Distribución.
Un
sistema de distribución de agua debe ser capaz de entregar ya sea el flujo
máximo por hora una demanda diaria máxima más la necesidad es para incendio (lo
que sea mayor) en cualquier punto del municipio. Se necesitan tuberías maestras
de al menos 150 mm (6 in) de diámetro para hacer esto en áreas residenciales. El
patrón de tuberías maestras de distribución, la disposición de calles, la
topografía y el tamaño de las tuberías, todo ello afecta el costo de la
confiabilidad del sistema. La figura o ejes un ejemplo de un sistema de
distribución de rejilla que continúan surtiendo a la mayor parte de los usuarios
del agua por al menos una ruta diferente en caso de falla de una tubería. Las
válvulas de cierre en las uniones de la rejilla pueden aislar cada segmento de
tubería para fines de mantenimiento o reparación sin interrumpir el servicio a
otras partes. Esta es una característica importante para la confiabilidad del
sistema, en especial en caso de incendio. Las tarifas de seguros contra incendio
que se manejan en los municipios se basan en gran medida en la disponibilidad de
una presión y gastos mínimos en las tomas de agua para incendios, al mismo
tiempo que el sistema satisface las necesidades de los usuarios normales.
La
presión del agua en la red de distribución varía en 130 y 260 kPa (20 a 40
lb/in2) en áreas residenciales con edificios de no más de cuatro
pisos de altura y de 400 a 500 kPa (60 a 75 lb/in2) en áreas con
edificios comerciales o residenciales más altos. No es practicar la instalación
de costosas bombas tradicionales en la planta o depósito para aumentar la
presión del sistema, lo suficiente como para abastecer los pisos superiores de
edificios muy altos con la cantidad de agua adecuada. Para resolver este
problema se utilizan bombas reforzado horas en los edificios que bordean agua a
depósitos ubicados en el pecho, los cuales pueden surtir a los pisos más altos y
suministrar agua para el combate de incendios.
Las
tuberías maestras se ubican dentro de los derechos de vía municipales a fin de
que sean accesibles para su mantenimiento. En los climas templados el hemisferio
norte se prefiere la instalación en los lados norte y este de la calle (los
lados más cálidos), a una profundidad suficiente para que estén a salvo de las
cargas de tráfico y abajo del nivel de penetración de la helada (de 1 a 3 m). La
figura nueve muestra una disposición típica para servicios de agua (y de
alcantarillado).
Ilustración 8
Disposición típica de los servicios de agua y alcantarillado en una calle
residencial.
La
topografía es otro factor en el diseño de los sistemas de distribución. Las
variaciones extremas de altura en un día pueden causar una presión excesiva en
las tuberías maestras en las áreas bajas y presiones suficiente en los puntos
más altos. La presión alta en los tubos aumentar las fugas de agua y puede dañar
los tanques de agua caliente; la presión baja no solo es inconveniente, sino que
pueden ocasionar contaminación en la tubería maestra y una protección inadecuada
contra incendios. La solución está en dividir el sistema de distribución en
zonas separadas, con un depósito y una estación de bombeo en cada zona de
alimentación de manera directa por una tubería maestra alimentadora de alta
presión proveniente de la planta de agua o del depósito principal. El diseño de
una red de tubería implica la selección de un sistema de tubo de tamaño variable
capaces de suministrar los flujos y presiones deseados para cualquier
combinación razonable de demandas en diferentes lugares.
Almacenamiento.
El
almacenamiento es necesario cualquier sistema de suministro de agua municipal
para satisfacer la demanda variable de agua, para proporcionar protección contra
incendios y para necesidades de emergencia. Se utilizan tres tipos de depósitos:
depósitos de superficie, columnas reguladoras y tanques elevados. Los depósitos
de superficie se ubican en donde proporcional suficiente presión de agua, ya sea
por altura natural en una colina o por medio de bombas. Por lo General, estos
depósitos están cubiertos para evitar su contaminación. Las columnas reguladoras
son básicamente tal de cilíndricos altos cuya parte superior constituye el
almacenamiento útil para producir la carrera de presión necesaria y cuya sección
inferior sirve para sostener la estructura. Las columnas reguladoras de más de
quince metros de altura no son económicas, y arriba de esta altura los tanques
elevados de almacenamiento se convierten en la opción
preferente.
La
demanda de agua residual varía de acuerdo con patrones razonablemente
predecibles a lo largo del día. Las bombas de cámara alta de la planta de
tratamiento del SUBPROYECTO normalmente para satisfacer estos cambios de
demanda. En cambio, la práctica común consiste en bomba el agua al sistema de
distribución a un régimen constante durante un periodo determinado y permitir
que un depósito suministre agua adicional, sea la demanda supera este régimen o
que reciba aguas si la demanda es menor que el régimen de bombeo. Los depósitos
que operan de esta manera se conocen como depósitos flotantes; esto es,
desempeñan su función reguladora sólo por presión hidrostática. En las grandes
ciudades los depósitos pueden estar ubicados en el centro de varias áreas de
distribución. La figura de estilos será como la ubicación de un depósito afecta
su capacidad para compensar las presiones de operación en todo el sistema de
distribución.
Ilustración 9 El
efecto de la ubicación del depósito de almacenamiento de agua en la distribución
de la presión.
Ilustración 10 Tanques elevados de almacenamiento de
agua.
Es
común el uso de tanques de agua elevados, ya sea de acero o de concreto, para
proporcionar una reserva compensadora en los sistemas de distribución de
agua.
a) La ciudad canadiense de Welland (50000 habitantes)
manejaban la demanda variable de agua en una parte de la ciudad con un tanque de
acero de 5700 m3 (1.5 x 106 gal) de 39 m (129 ft) de
altura, sostenido sobre dos empates ajustables que permiten un asentamiento
diferencial inicial.
b) La ciudad de A Kharji (100000 habitantes) Arabia
saudita almacenada 800 m3 (2.1 x 106 gal) de agua de puso
en un tanque de concreto de 116 m (380 ft) de altura en conjunto. La estructura
e incluye un restaurante giratorio con 400 asientos.
Observe
como el alto uso de agua y las pérdidas por fricción concomitantes aumenta la
pendiente del perfil de presión de modo que el agua comienza a fluir del
depósito el área circundante. Una vez que la demanda disminuye, la pendiente del
perfil hidráulico de la bomba al tanque también lo hace y permite que el agua
entre al tanque y reabastezca la reserva. En años recientes la popularidad de
los tanques elevados ha menguado, en parte a causa de su mayor costo y en parte
debido a la disponibilidad de bombas de velocidad variable y controles de costo
relativamente bajo que hacen posible el ajuste de los regímenes de bombeo de
acuerdo con las fluctuaciones de la demanda. La figura 10 muestra ejemplos de
fuentes elevados de almacenamiento de agua.
Además
de la selección del tipo y ubicación del almacenamiento es necesario determinar
las dimensiones de la reserva. Este parámetro depende de la población (demanda
de agua) y del propósito del almacenamiento. Los volúmenes para nuestros
propósitos (compensación de flujos, protección contra incendios y necesidades de
emergencia) se calculan por separado de acuerdo con el período a lo largo del
cual se les puede necesitar.
La
reserva de compensación, llamada
también reserva de operación, se
emplea para satisfacer las demandas variables de agua al mismo tiempo que se
mantiene una presión adecuada del sistema. cuando se dispone de información
sobre la demanda de agua, el volumen de la reserva se puede calcular o encontrar
por medios gráficos (a partir del diagrama de masa, por ejemplo). Sino se
dispone de información, la reserva de operación se toma como del 15 al 25% del
consumo diario máximo.
La reserva para incendios se calcula
como el producto del flujo para incendio por la duración de este. Los tiempos de
duración de flujos para incendios que sugiere la National
Fire Protection Association (NFPA; Asociación
nacional para la protección contra los incendios) de Estados Unidos se muestra
en la tabla 7. La capacidad de flujo para incendios se puede aumentar o reducir
de acuerdo con la confiabilidad de la fuente de suministro de agua. Por ejemplo,
un municipio puede aumentar su capacidad de almacenamiento para incendios sí se
utiliza una fuente de agua como un uso individual.
|
DURACIÓN
DEL FLUJO NECESARIO PARA INCENDIO
| ||
|
Flujo
necesario para incendio
|
| |
|
Millones
de galones por día
|
Litros
por segundo
|
Duración
(H)
|
|
3.60
o menos
|
160
o más
|
2
|
|
4.32
|
190
|
3
|
|
5.04
|
220
|
3
|
|
5.76
|
250
|
4
|
|
6.48
|
280
|
4
|
|
7.20
|
320
|
5
|
|
7.92
|
320
|
5
|
|
8.64
|
380
|
6
|
|
10.08
|
440
|
7
|
|
11.52
|
500
|
8
|
|
12.96
|
570
|
9
|
|
14.40
o menos
|
630
o más
|
10
|
La
Insurance Advisor
Organization (organización para la asesoría de
seguros) de Estados Unidos sugiere una reserva para emergencias hasta cinco
veces la demanda diaria máxima, a fin de suministrar agua durante claros por
mantenimiento o reparación del sistema. Esto rara vez se hace en la práctica, y
la reserva para emergencias por lo común se estima en un cuarto con un tercio de
la suma de las necesidades operación y de capacidad para combate de
incendios.
La
suma de los tres volúmenes para compensación, incendios y emergencias es la
capacidad de almacenamiento que se tienen un sistema de suministro de agua
municipal la cual equivale normalmente al consumo promedio de un
día.
Ejemplos 5.
Calcule
la capacidad de almacenamiento necesaria para la ciudad
industrial/comercial/residencial mixta de 100,000 habitantes que se utilizó del
ejemplo 1.
Solución:
Con
base del ejemplo 1, el consumo diario máximo de 99.0 x 106 L/día. El
flujo para incendios que es de 35400 l/min (589 L/s) y, por tanto, de la tabla
6, la duración del flujo recomendada es de 9 horas. Por consiguiente, tenemos
que:
Necesidades y desarrollo futuros.
No
obstante, los múltiples logros de la ingeniería de abastecimiento de agua que
han contribuido a la salud y el bienestar de la humanidad, aunque en tres
grandes obstáculos para el establecimiento de un equilibrio entre nuestra
necesidad de agua limpia y el funcionamiento correcto de los sistemas
ecológicos. Primero, al menos la mitad de los habitantes del mundo no disfrutan
de un suministro adecuado de agua limpia. Los habitantes de las naciones
desarrolladas se han criado con las infraestructuras financieras y técnicas de
sistemas e instituciones de abasto de agua firmemente establecidos. Con
frecuencia, los países menos desarrollados lo cuentan con esta ventaja
precisamente en el momento en que el crecimiento de la población y las mayores
necesidades de agua más y más imprescindible. La demanda de agua limpia para
las poblaciones tanto rurales como urbanos de los países menos desarrollados
fue identificada por las Naciones Unidas como el reto individual más urgente de
la década de 1980, la cual como ya se mencionó, fue designada como la Década
Internacional del Abasto y Saneamiento del Agua Potable. Lamentablemente, para
1900 90 se habría alcanzado menos de la mitad del objetivo. Segundo, la
dispersión en todo de la biósfera de un número creciente de compuestos químicos
de uso industrial ha generado ciertas dudas en cuanto a la eficacia de los
métodos actuales de tratamiento del agua, los cuales sirven para la prevención
de riesgos potenciales de largo plazo para la salud relacionados con el agua
potable. Tercero, en General la calidad de las fuentes de agua dulce se está
deteriorando en la actualidad a causa del uso cada vez más intensivo de estas
fuentes por nuestras sociedades industriales en crecimiento. Las dificultades
para enfrentar estos tres retos son de grandes dimensiones.
Un
suministro adecuado de agua limpia es un prerrequisito indispensable para el
cuidado de la salud, la nutrición y la industrialización apropiados. Las razones
por las cuales los avances en la tecnología del tratamiento del agua no se han
aplicado en los países menos desarrollados son tanto financieras como
institucionales. Los sistemas actuales de abastecimiento de agua de los países
desarrollados evolucionado un poco a poco en un entorno donde la disponibilidad
de recursos de capital para su instalación y conservación no era un problema
importante. Este enfoque no es posible en países más pobres que deben instalar
en poco tiempo sistemas de tratamiento y distribución de agua que exigir un acto
capital fijo para satisfacer la demanda de agua limpia que plantea a una
población en crecimiento exponencial. Aunque los métodos que se estudian en este
libro son aplicables a muchas áreas urbanas de países menos desarrollados, es
preciso crear otras tecnologías idóneas de abastecimiento de agua para las áreas
rurales remotas. La tecnología apropiada
es un concepto que reconoce el bajo costo como un factor crucial. Las
soluciones sencillas adaptados a la medida de las necesidades locales de los
países en desarrollo ahora están siendo objeto de más
atención.
La
barrera institucional para la implantación de tecnología de abastecimiento de
agua, aunque no es tan obvia es mucho más insidiosa. El financiamiento adecuado
no garantiza el éxito. En muchos casos instalaciones modernas de suministro de
agua gran escala han permanecido sin uso a causa de la falta de personal
calificado para conservarlas. Lowry (1980) señala que se deben utilizar métodos
susceptibles de enseñarse con rapidez a los técnicos locales, de implantarse de
forma correcta mediante mano de obra no calificada y semicalificada, y de tener
aceptación cultural por parte de los habitantes.
El
segundo reto para los ingenieros en abastecimiento de agua es el control de
muchas sustancias químicas nuevas para las cuales las plantas de tratamiento
convencionales no fueron proyectadas. Más de mil nuevas sustancias químicas se
incorporan cada año al enorme inventario de compuestos químicos que aparecen
como productos o subproductos de los procesos industriales. Las sustancias
orgánicas sintéticas como los PCB, los trihalometanos, el mirex y la dioxina no
se degradan en los ecosistemas naturales. El problema de mayor magnitud que en
cada los científicos de la salud es la identificación de las relaciones entre
diversas sustancias químicas y las dolencias humanas. Esta información es
necesaria para la elaboración de estándares de agua potable
coherentes.
El
tercer problema, el deterioro de la calidad de las fuentes de aguas, está
obligando a los municipios a examinan alternativas. Una de ellas es la búsqueda
de reservas maestro todas las lejanas. Se emprenden grandes proyectos de
transmisión de agua cuando el crecimiento de la población sencillamente hace
demasiado costosas otras alternativas. Los ambientalistas Sunkel expresado su
preocupación en cuanto al efecto de las extracciones masivas de agua de
depósitos remotos en lugares deshabitados podría tener en la vida silvestre. El
temor de no disponer de agua suficiente para los centros urbanos se pone de
manifiesto en las enormes sumas que los gobiernos gastan en la construcción de
estos proyectos de transmisión de agua.
Otra
alternativa es una mayor reutilización de aguas residuales sometidas a extensos
tratamientos para ciertas necesidades de agua. Ha sido mucho más difícil vencer
la reacción psicológica negativa de las personas ante la utilización de aguas
residuales municipales que crear los métodos de tratamiento. Es posible que las
objeciones el público se moderen a medida que los sistemas de reciclado de aguas
comiencen a probar su eficacia en arias que no tienen prácticamente otra opción
que aplicar estas técnicas.
Trabajos citados
J. Glynn, H., &
Heinke, G. W. (1996). En Ingeniería Ambiental (H. J. Escalona García,
Trad., 2da. Edición ed., pág. 647). Pearson Educación. Recuperado el 16 de
septiembre de 2019, de
https://www.u-cursos.cl/usuario/037b375d320373e6531ad8e4ad86968c/mi_blog/r/ingenieria-ambiental_glynn.pdf
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