memoria

UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS Y MATEMATICAS

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE PLANTA PILOTO DE

TRATAMIENDO DE AGUA POTABLE CON FINES

DOCENTES

RICARDO ALFONSO OPAZO CONTRERAS

Profesor Guía: Gerardo Ahumada T. Profesora Co-Guía: Maria Pía Mena P. Profesor Integrante: Daniel Rodríguez

Santiago, Chile Octubre 2004

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UNIVERSIDAD DE CHILE

FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS Y MATEMATICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE PLANTA PILOTO DE TRATAMIENDO DE

AGUA POTABLE CON FINES DOCENTES

RICARDO ALFONSO OPAZO CONTRERAS

COMISIÓN EXAMINADORA: CALIFICACIONES PROFESOR GUÍA: SR. GERARDO AHUMADA T. ___________________________________ PROFESOR CO-GUÍA: SRA. MARÍA PÍA MENA P. ___________________________________ PROFESOR COMISIÓN SR. DANIEL RODRÍGUEZ ___________________________________ NOTA FINAL EXAMEN DE TÍTULO: ___________________________________

MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL

SANTIAGO DE CHILE 2004

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Dedicatoria

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Agradecimientos

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Resumen

Planta piloto de tratamiento de agua potable con fines docentes Por Ricardo Opazo C. Contenido

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Contenido 1 INTRODUCCIÓN................................................................................................................................... 1 2 PROCESOS UTILIZADOS EN UNA PLANTA DE TRATAMIENTO CONVENCIONAL.......... 3

2.1 PROCESOS DE TRATAMIENTO USADOS EN CHILE............................................................................... 3 2.2 TRATAMIENTO PRELIMINAR ............................................................................................................. 5 2.3 COAGULACIÓN ................................................................................................................................. 5

2.3.1 Tipos de coagulador ................................................................................................................... 6 2.4 FLOCULACIÓN .................................................................................................................................. 8

2.4.1 Tipos de floculador ................................................................................................................... 10 2.5 SEDIMENTACIÓN O DECANTACIÓN.................................................................................................. 16

2.5.1 Tipos de sedimentación............................................................................................................. 16 2.5.2 Sedimentación horizontal.......................................................................................................... 18 2.5.3 Sedimentador de placas paralelas ............................................................................................ 20

2.6 FILTRACIÓN.................................................................................................................................... 25 2.6.1 Determinación pérdida de carga de un filtro durante la filtración .......................................... 28 2.6.2 Determinación pérdida de carga de un filtro durante el lavado............................................... 30

2.7 DESINFECCIÓN Y FLUORURACIÓN................................................................................................... 31 3 PLANTA PILOTO DE TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE................................................... 33

3.1 UNIDADES DE LA PLANTA............................................................................................................... 33 3.2 DISEÑO DE UNIDADES DE TRATAMIENTO ........................................................................................ 36

3.2.1 Estanque.................................................................................................................................... 36 3.2.2 Coagulación.............................................................................................................................. 36 3.2.3 Floculador ................................................................................................................................ 42 3.2.4 Sedimentador ............................................................................................................................ 45 3.2.5 Filtros........................................................................................................................................ 47

3.3 EJE HIDRÁULICO............................................................................................................................. 55 3.3.1 Modalidad de filtración ............................................................................................................ 55 3.3.2 Modalidad de auto lavado ........................................................................................................ 57 3.3.3 Eje hidráulico en proceso de lavado con estanque:.................................................................. 59

4 IMPLEMENTACIÓN PLANTA PILOTO......................................................................................... 60 4.1 INTRODUCCIÓN............................................................................................................................... 60 4.2 ETAPAS........................................................................................................................................... 60

4.2.1 Planta piloto primera etapa...................................................................................................... 60 4.2.2 Planta piloto segunda etapa ..................................................................................................... 66

4.3 UBICACIÓN PLANTA PILOTO EN EL LABORATORIO .......................................................................... 71 4.4 CONSTRUCCIÓN DE UNIDADES........................................................................................................ 72

4.4.1 Estanque.................................................................................................................................... 72 4.4.2 Coagulador ............................................................................................................................... 74 4.4.3 Estanque acumulación agua coagulada ................................................................................... 76 4.4.4 Filtros........................................................................................................................................ 78

4.5 VERTEDERO DE SALIDA .................................................................................................................. 86 4.6 ESTRUCTURA METÁLICA: ............................................................................................................... 87 4.7 MONTAJE DE UNIDADES.................................................................................................................. 91

5 PUESTA EN MARCHA ..................................................................................................................... 101 5.1 INTRODUCCIÓN............................................................................................................................. 101 5.2 ELIMINACIÓN DE FUGAS ............................................................................................................... 101 5.3 PREPARACIÓN DE LA PLANTA PARA OPERACIÓN ........................................................................... 103 5.4 FILTRACIÓN.................................................................................................................................. 107 5.5 LAVADO DE FILTROS..................................................................................................................... 109 5.6 VACIADO DE LOS FILTROS Y DEL ESTANQUE................................................................................. 113


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6 MANUAL DE OPERACIONES ........................................................................................................ 117 6.1 ESPECIFICACIONES DE LA PLANTA ................................................................................................ 117 6.2 ESQUEMA GENERAL Y DISTRIBUCIÓN DE LAS VÁLVULAS.............................................................. 118 6.3 LLENADO DE FILTROS................................................................................................................... 120 6.4 FILTRACIÓN.................................................................................................................................. 126

6.4.1 Operación Filtracion .............................................................................................................. 126 6.4.2 Experiencias propuestas ......................................................................................................... 127

6.5 AUTO LAVADO ............................................................................................................................. 128 6.5.1 Operación Auto lavado ........................................................................................................... 128 6.5.2 Experiencias propuestas ......................................................................................................... 129

6.6 LAVADO CON ESTANQUE .............................................................................................................. 130 6.6.1 Operación lavado con estanque.............................................................................................. 130 6.6.2 Experiencias propuestas ......................................................................................................... 133

6.7 TÉRMINO DE LAS OPERACIONES, SECADO DE LA PLANTA.............................................................. 133 7 CONCLUSIONES............................................................................................................................... 138 8 BIBLIOGRAFÍA................................................................................................................................. 140 ANEXOS........................................................................................................................................................ 141


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Índice de Tablas

TABLA 2.1 TIPOS DE SEDIMENTACIÓN ............................................................................................................... 16 TABLA 2.2 SENTIDO DEL FLUJO DEL SEDIMENTADOR ........................................................................................ 17 TABLA 2.3 VELOCIDADES DE SEDIMENTACIÓN DE PARTICULAS........................................................................ 20 TABLA 2.4 CLASIFICACIÓN DE LOS FILTROS ...................................................................................................... 26 TABLA 3.1 CARACTERÍSTICA DE UN LECHO ....................................................................................................... 48 TABLA 3.2 ESPESOR DE LOS LECHOS EN CADA FILTRO....................................................................................... 48 TABLA 3.3 DISTRIBUCIÓN DEL LECHO EN UN FILTRO......................................................................................... 48 TABLA 4.1 ESTANQUE ....................................................................................................................................... 72 TABLA 4.2 COAGULADOR.................................................................................................................................. 74 TABLA 4.3 ESTANQUE AGUA COAGULADA ........................................................................................................ 77 TABLA 4.4 FILTROS ........................................................................................................................................... 78 TABLA 4.5 VERTEDERO DE SALIDA.................................................................................................................... 86 TABLA 4.6 ESTRUCTURA ................................................................................................................................... 87 TABLA 6.1 ESPECIFICACIONES DE LA PLANTA ................................................................................................. 117 TABLA 6.2 VALVULAS EN LLENADO DE FILTROS Y ESTANQUE......................................................................... 125 TABLA 6.3 VÁLVULAS EN MODALIDAD DE FILTRACIÓN................................................................................... 127 TABLA 6.4 VÁLVULAS EN MODALIDAD DE AUTO LAVADO............................................................................... 129 TABLA 6.5 VÁLVULAS EN MODALIDAD DE LAVADO CON ESTANQUE ............................................................... 133 TABLA 6.6 VÁLVULAS EN MODALIDAD DE DESAGÜE....................................................................................... 137


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Índice de Figuras

FIGURA 2.1 ESQUEMA GENERAL: ETAPAS DE PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE............................... 3 FIGURA 2.2 TIPOS DE MEZCLADORES HIDRÁULICOS ............................................................................................ 7 FIGURA 2.3 OTROS TIPOS DE MEZCLADORES HIDRÁULICOS ................................................................................. 7 FIGURA 2.4 UNIDADES DE MEZCLA MECÁNICA - RETROMEZCLADOR................................................................... 8 FIGURA 2.5 FLOCULADOR DE PANTALLAS DE FLUJO HORIZONTAL..................................................................... 11 FIGURA 2.6 FLOCULADOR DE PANTALLAS DE FLUJO HORIZONTAL..................................................................... 11 FIGURA 2.7 EJEMPLO GRADIENTES DE VELOCIDAD Y TIEMPOS DE RETENCIÓN QUE OPTIMIZAN EL PROCESO ..... 12 FIGURA 2.8 FLOCULADOR DE PANTALLAS DE FLUJO VERTICAL ......................................................................... 13 FIGURA 2.9 FLOCULADOR DE EJE VERTICAL ...................................................................................................... 15 FIGURA 2.10 FLOCULADOR DE EJE HORIZONTAL ............................................................................................... 15 FIGURA 2.11 TIPOS DE SEDIMENTADORES ......................................................................................................... 17 FIGURA 2.12 SEDIMENTADOR HORIZONTAL....................................................................................................... 18 FIGURA 2.13 ESQUEMA VELOCIDADES DEL FLUJO ............................................................................................. 19 FIGURA 2.14 CINÉTICA DE UN SEDIMENTADOR.................................................................................................. 19 FIGURA 2.15 SEDIMENTADOR DE PLACAS PARALELAS DE FLUJO ASCENDENTE.................................................. 21 FIGURA 2.16 GEOMETRÍA DE SEDIMENTADOR PARA UNIDADES GRANDES ......................................................... 21 FIGURA 2.17 SEDIMENTADOR CON TOLVAS SEPARADAS Y COLECTOR MÚLTIPLE DE LODOS .............................. 22 FIGURA 2.18 EJEMPLO EFICIENCIA RELACIÓN LARGO-DISTANCIA ENTRE PLACAS ............................................. 23 FIGURA 2.19 GEOMETRÍA DE LAS PLACAS EN UN SEDIMENTADOR DE PLACAS ................................................... 23 FIGURA 2.20 ESQUEMA DE FLUJOS EN UN FILTROS ............................................................................................ 27 FIGURA 2.21 LAVADO DE UN FILTRO ................................................................................................................. 28 FIGURA 2.22 LAVADO DE UN FILTRO CON EL FLUJO QUE PRODUCE EL RESTO DE LA BATERÍA............................ 28 FIGURA 3.1 TIPO DE FLOCULADORES HIDRÁULICOS........................................................................................... 35 FIGURA 3.2 RESALTO PRODUCIDO POR COMPUERTA.......................................................................................... 37 FIGURA 3.3 RESALTO POR CAMBIO DE PENDIENTE............................................................................................. 38 FIGURA 3.4 RESALTO PRODUCIDO EN VERTEDERO TRIANGULAR ....................................................................... 39 FIGURA 3.5 RESALTO PRODUCIDO EN CANALETA PARSHALL............................................................................. 41 FIGURA 3.6 ESQUEMA FLOCULADOR ................................................................................................................. 42 FIGURA 3.7 AUTO LAVADO DE FILTROS ............................................................................................................. 49 FIGURA 3.8 FILTRO PLANTA PILOTO .................................................................................................................. 54 FIGURA 3.9 EJE HIDRÁULICO FILTRACIÓN IDEAL .............................................................................................. 55 FIGURA 3.10 EJE HIDRÁULICO PROCESO FILTRACIÓN PLANTA PILOTO ............................................................... 56 FIGURA 3.11 EJE HIDRÁULICO AUTO LAVADO DE DE FILTROS ........................................................................... 57 FIGURA 3.12 EJE HIDRÁULICO EN AUTO LAVADO EN PLANTA PILOTO ................................................................ 58 FIGURA 3.13 EJE HIDRÁULICO LAVADO CON ESTANQUE .................................................................................... 59 FIGURA 4.1 ESQUEMA PRIMERA ETAPA.............................................................................................................. 61 FIGURA 4.2 COAGULACIÓN CON VERTEDERO TRIANGULAR ............................................................................... 62 FIGURA 4.3 FILTRO BASE DE DISEÑO ................................................................................................................. 63 FIGURA 4.4 VERTEDERO DE SALIDA .................................................................................................................. 64 FIGURA 4.5 PRIMERA ETAPA VISTA FRONTAL FIGURA 4.6 PRIMERA ETAPA VISTA IZQUIERDA ...................... 65 FIGURA 4.7 PRIMERA ETAPA VISTA DERECHA FIGURA 4.8 PRIMERA ETAPA VISTA TRASERA ......................... 65 FIGURA 4.9 PRIMERA ETAPA VISTA EN PLANTA ................................................................................................. 66 FIGURA 4.10 ESQUEMA SEGUNDA ETAPA........................................................................................................... 67 FIGURA 4.11 SEDIMENTADO DE PLACAS SEGUNDA ETAPA ................................................................................. 68 FIGURA 4.12 SEGUNDA ETAPA VISTA FRONTAL FIGURA 4.13 SEGUNDA ETAPA VISTA DERECHA ................... 69 FIGURA 4.14 SEGUNDA ETAPA VISTA IZQUIERDA FIGURA 4.15 SEGUNDA ETAPA VISTA TRASERA................. 69 FIGURA 4.16 SEGUNDA ETAPA VISTA EN PLANTA .............................................................................................. 70 FIGURA 4.17 UBICACIÓN UTILIZADA EN EL LABORATORIO ................................................................................ 71 FIGURA 4.18 ESTANQUE PROYECTADO FIGURA 4.19 ESTANQUE REAL ......................................................... 72 FIGURA 4.20 VÁLVULA ESTANQUE.................................................................................................................... 73 FIGURA 4.21 PLANO COAGULACIÓN PLANTA ..................................................................................................... 74 FIGURA 4.22 COAGULADOR ESPERADO Y ESTANQUE ACUMULACIÓN AGUA COAGULADA ................................. 75 FIGURA 4.23 CANAL PARA RESALTO CON VERTEDERO TRIANGULAR ................................................................. 75


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FIGURA 4.24 VERTEDERO TRIANGULAR. ........................................................................................................... 76 FIGURA 4.25 ESTANQUE AGUA COAGULADA ..................................................................................................... 77 FIGURA 4.26 MATRIZ DEL FILTRO...................................................................................................................... 78 FIGURA 4.27 MOLDAJE FILTRO.......................................................................................................................... 79 FIGURA 4.28 MOLDAJE FILTRO.......................................................................................................................... 79 FIGURA 4.29 COLUMNA DESMOLDADA.............................................................................................................. 80 FIGURA 4.30 FLANCHE QUE SE USA PARA LAS TAPAS ........................................................................................ 80 FIGURA 4.31 UNIÓN DE LAS DOS COLUMNAS ..................................................................................................... 81 FIGURA 4.32 COLUMNA TERMINADA Y PROBADA CONTRA LA FILTRACIÓN ....................................................... 81 FIGURA 4.33 SISTEMA DRENANTE ..................................................................................................................... 82 FIGURA 4.34 SISTEMA DRENANTE INSTALADO .................................................................................................. 83 FIGURA 4.35 MEDIDA TOMAS PIEZOMÉTRICAS................................................................................................... 83 FIGURA 4.36 TOMAS PIEZOMÉTRICAS ................................................................................................................ 84 FIGURA 4.37 FORMA DE LOS FILTROS ESPERADA............................................................................................... 85 FIGURA 4.38 PLANTA PILOTO TERMINADA ........................................................................................................ 85 FIGURA 4.39 PLANO VERTEDERO DE SALIDA ..................................................................................................... 86 FIGURA 4.40 CORTES VIGA ESTRUCTURA, VIGAS DE ANCLAJE Y PELDAÑOS ESCALERA ..................................... 87 FIGURA 4.41 PILARES ESTRUCTURA Y ESCALERA .............................................................................................. 88 FIGURA 4.42 SIERRA PARA CORTAR LOS FIERROS .............................................................................................. 88 FIGURA 4.43 UNIÓN DE DOS PANELES................................................................................................................ 89 FIGURA 4.44 ESTRUCTURA CON ESCALERA ....................................................................................................... 89 FIGURA 4.45 PLATAFORMA Y BARANDA Y ESTANQUE ....................................................................................... 90 FIGURA 4.46 ESTRUCTURA PINTADA Y LISTA PARA INICIAR MONTAJE............................................................... 90 FIGURA 4.47 ESTRUCTURA SUJETA ESTANQUE .................................................................................................. 91 FIGURA 4.48 CANAL Y ESTANQUE DE CARGA Y SALIDA DE AGUA COAGULADA ................................................. 92 FIGURA 4.49 VÁLVULA REGULADORA DE CAUDAL (ENTRADA DE ESTANQUE)................................................... 92 FIGURA 4.50 VERTEDERO TRIANGULAR PARA MEDIR CAUDAL .......................................................................... 93 FIGURA 4.51 ENTRADA AGUA COAGULADA AL SISTEMA DE VÁLVULAS............................................................. 93 FIGURA 4.52 SISTEMA DE VÁLVULAS, ENTRADA DE AGUA COAGULADA, SALIDA AGUA SUCIA DE LAVADO....... 94 FIGURA 4.53 SISTEMA DRENANTE Y DE AUTO LAVADO...................................................................................... 94 FIGURA 4.54 MEDIDOR PARA MEDIR LAS TASAS................................................................................................ 95 FIGURA 4.55 SALIDA A VERTEDERO DE SALIDA ................................................................................................. 95 FIGURA 4.56 VERTEDERO DE SALIDA ................................................................................................................ 96 FIGURA 4.57 VÁLVULA PARA SECAR LOS FILTROS............................................................................................. 96 FIGURA 4.58 DESAGÜE DE AGUAS COLECTOR AGUA LIMPIA, AGUA SUCIA DE LAVADO Y AGUA PARA SECAR

FILTROS.................................................................................................................................................... 97 FIGURA 4.59 COLOCACIÓN DEL LECHO FILTRANTE, LECHO SOPORTANTE, LA ARENA SE DISTRIBULLE EN FORMA

ASCENDENTE DE 0, 14, 28, 42, 56 Y 70 CM. .............................................................................................. 98 FIGURA 4.60 COLOCACIÓN DE CARBÓN EN FORMA DESCENDENTE DE 70, 56, 42, 28, 14 Y 0 CM. ....................... 98 FIGURA 4.61 TUBERÍA PARA TOMA CARGA EN EL FILTRO .................................................................................. 99 FIGURA 4.62 TOMAS PIEZOMÉTRICAS DE LOS 6 FILTROS.................................................................................... 99 FIGURA 4.63 VISTA PLANTA TERMINADA Y LISTA PARA PUESTA EN MARCHA.................................................. 100 FIGURA 5.1 VÁLVULA REPARADA ................................................................................................................... 101 FIGURA 5.2 FLANCHE FILTRO REPARADO CON SILICONA ................................................................................. 102 FIGURA 5.3 PIEZÓMETRO REPARADO CON SILICONA........................................................................................ 102 FIGURA 5.4 ESTANQUE DE CARGA REPARADO ................................................................................................. 103 FIGURA 5.5 VÁLVULA DE PASO PARA LLENAR ESTANQUE ............................................................................... 103 FIGURA 5.6 VÁLVULA DE DESAGÜE CERRADA................................................................................................. 104 FIGURA 5.7 VÁLVULA BY PASS ESTANQUE CERRADA ...................................................................................... 104 FIGURA 5.8 VÁLVULA VERTEDERO DE SALIDA ABIERTA.................................................................................. 105 FIGURA 5.9 VERTEDERO DE SALIDA CON AGUA FILTRADA .............................................................................. 105 FIGURA 5.10 NIVEL DE LOS PIEZÓMETROS CON LOS FILTROS LLENOS.............................................................. 106 FIGURA 5.11 VÁLVULA ENTRADA COAGULADOR ............................................................................................ 107 FIGURA 5.12 NIVEL EN CÁMARA DE CARGA..................................................................................................... 107 FIGURA 5.13 PIEZÓMETROS DE UN FILTRO EN PROCESO DE FILTRACIÓN .......................................................... 108 FIGURA 5.14 SALIDA AGUA FILTRADA............................................................................................................. 108


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FIGURA 5.15 VERTEDERO DE SALIDA .............................................................................................................. 109 FIGURA 5.16 CAMINOS PREFERENCIALES EN EL LAVADO................................................................................. 110 FIGURA 5.17 MOVIMIENTO DE LOS FINOS DEL ARENA EN FORMA ASCENDENTE............................................... 110 FIGURA 5.18 LAVADO DE FILTROS CON LECHO MIXTO..................................................................................... 111 FIGURA 5.19 SEPARACIÓN DE LOS LECHOS ...................................................................................................... 111 FIGURA 5.20 CONDICIÓN INICIAL DEL LAVADO ............................................................................................... 112 FIGURA 5.21 CONDICIÓN TRANSITORIA DEL LAVADO...................................................................................... 112 FIGURA 5.22 CONDICIÓN FINAL LECHO DURANTE EL LAVADO......................................................................... 113 FIGURA 5.23 VÁLVULA DE LLENADO DE ESTANQUE CERRADA ........................................................................ 114 FIGURA 5.24 VÁLVULA QUE DE SEGURIDAD EN ARRANQUE ............................................................................ 114 FIGURA 5.25 VÁLVULA DE DESAGÜE ABIERTA ................................................................................................ 115 FIGURA 5.26 VÁLVULA DE SISTEMA DRENANTE ABIERTA................................................................................ 115 FIGURA 5.27 VÁLVULA BY PASS ABIERTA ....................................................................................................... 116 FIGURA 5.28 VÁLVULA DEL VERTEDERO DE SALIDA ABIERTA......................................................................... 116 FIGURA 6.1 ESQUEMA GENERAL DE LA PLANTA............................................................................................... 117 FIGURA 6.2 VISTA IZQUIERDA PLANTA ............................................................................................................ 118 FIGURA 6.3 VISTA DERECHA PLANTA .............................................................................................................. 119 FIGURA 6.4 DETALLE VÁLVULA AGUA FILTRADA Y VERTEDERO DE SALIDA.................................................... 120 FIGURA 6.5 VÁLVULA DE DESAGÜE CERRADA................................................................................................. 120 FIGURA 6.6 VÁLVULA DE AGUA COAGULADA ABIERTA Y VÁLVULA DE AGUA SUCIA DE LAVADO CERRADA ... 121 FIGURA 6.7 VÁLVULA AGUA FILTRADA ABIERTA ............................................................................................ 121 FIGURA 6.8 VÁLVULA VERTEDERO DE SALIDA ABIERTA.................................................................................. 122 FIGURA 6.9 VÁLVULA BY PASS ESTANQUE CERRADA ...................................................................................... 122 FIGURA 6.10 VÁLVULA ENTRADA AL COAGULADOR ABIERTA......................................................................... 123 FIGURA 6.11 VÁLVULA DE LLENADO DE ESTANQUE ABIERTA.......................................................................... 123 FIGURA 6.12 LLAVE DE SEGURIDAD ................................................................................................................ 124 FIGURA 6.13 VÁLVULA DEL COAGULADOR CERRADA ..................................................................................... 124 FIGURA 6.14 NIVEL DEL ESTANQUE................................................................................................................. 125 FIGURA 6.15 VÁLVULA DE COAGULADOR ABIERTA ........................................................................................ 126 FIGURA 6.16 NIVEL EN CÁMARA DE CARGA PARA FILTRACIÓN Y LAVADO ...................................................... 126 FIGURA 6.17 VÁLVULAS EN MODALIDAD DE LAVADO ..................................................................................... 128 FIGURA 6.18 VÁLVULA SALIDA AL VERTEDERO CERRADA .............................................................................. 130 FIGURA 6.19 VÁLVULA DE DESAGÜE CERRADA............................................................................................... 130 FIGURA 6.20 VÁLVULAS AGUA FILTRADA CERRADAS ..................................................................................... 131 FIGURA 6.21 VÁLVULA AGUA FILTRADA ABIERTA .......................................................................................... 131 FIGURA 6.22 VÁLVULAS EN MODALIDAD DE LAVADO ..................................................................................... 132 FIGURA 6.23 VÁLVULA DE BY PASS ABIERTA .................................................................................................. 132 FIGURA 6.24 VÁLVULA DE LLENADO DE ESTANQUE CERRADA ........................................................................ 134 FIGURA 6.25 LLAVE DE SEGURIDAD EN ARRANQUE......................................................................................... 134 FIGURA 6.26 VÁLVULA DE DESAGÜE ABIERTA ................................................................................................ 135 FIGURA 6.27 VÁLVULA DE AGUA FILTRADA ABIERTA ..................................................................................... 135 FIGURA 6.28 VÁLVULA BY PASS ABIERTA ....................................................................................................... 136 FIGURA 6.29 VÁLVULA DEL VERTEDERO DE SALIDA ABIERTA......................................................................... 136

Planta piloto de tratamiento de agua potable con fines docentes Por Ricardo Opazo C. 1 Introducción

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1 Introducción

El agua es necesaria para la vida del hombre, los animales y las plantas. Es parte importante de la riqueza de un país, el agua es indispensable para la vida y que si dejáramos de tomarla moriríamos en pocos días. Además de agua para beber, nosotros los seres humanos utilizamos agua en casi todas nuestras acciones, es decir, la requerimos para preparar alimentos, lavar ropa, aseo personal, etc. Se llama agua potable a la que se puede beber, el agua potable es indispensable para la vida del hombre.

En el antiguo Egipto utilizaban un método muy sencillo para purificar el agua que consistía en vaciar el agua en vasijas de barro, en donde permanecía durante un año. Al cabo de este tiempo, las impurezas se habían depositado en el fondo. Luego por medio de un sifón extraían de la parte superior de la vasija, el agua purificada. Las antiguas culturas orientales, usaban la arena o barro poroso a manera de filtros, a través de los cuales pasaban el agua para limpiarla de las impurezas.

A medida que la población de las ciudades fue en aumento, las fuentes de agua limpia comenzaron a escasear, haciéndose cada vez más necesario buscar métodos efectivos para purificarla.

Las fuentes para la obtención de agua potable provienen de aguas superficiales como lagos, ríos, embalses y otras de aguas subterráneas. Eso depende de la calidad y de la cantidad de agua disponible para el futuro. En chile la gran mayoría del agua que se trata es de fuentes superficiales y se utiliza en la mayoría de sus casos el tratamiento convencional planteado por Jorge Arboleda Valencia

Dada la gran cantidad de métodos de tratamiento de agua potable hace falta ver a lo menos una en escala piloto y con fines docentes, para lo cual el mejor procedimiento a considerar es el sistema convencional, dado que es el método más usado en Chile. Dentro de las etapas, las más importantes son la de coagulación y filtración, combinación que se conoce como filtración directa. Pero dado que es con fines docentes, lo ideal es tener la mayor cantidad de unidades posibles, por lo que el proyecto que se detallará a continuación considera el diseño completo de una planta de agua potable con el método tradicional. Éste consta en una primera instancia de una planta de filtración directa, pero se ira ampliando a medida que se obtengan los recursos.

Dentro de esta memoria se pueden encontrar la teoría, diseño, construcción, montaje,

puesta en marcha y manual de operaciones de la planta piloto de agua potable con fines docentes que se construyó en el laboratorio de hidráulica “Francisco Javier Domínguez”, ubicado en el edificio de Ingeniería Civil y Geofísica en la Escuela de Ingeniería y Ciencias de la Universidad de Chile.

La memoria tiene como objetivo preliminar conocer de una manera práctica el

funcionamiento de una planta de tratamiento de agua potable, la cual se puede operar de

Planta piloto de tratamiento de agua potable con fines docentes Por Ricardo Opazo C. 1 Introducción

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diversas modalidades. Su marcha permite constatar los riesgos que pueden suceder si el operador olvida abrir o cerrar una válvula, situación que podría derivar en un accidente como el rebalse de un filtro o del estanque de carga de los filtros.

Pero lo más interesante es que al ser una planta armada con materiales transparentes

permite observar, de manera muy clara, los procesos que ocurren dentro de ella, por ejemplo, de qué manera se expande el lecho al lavarse, cómo se ve el agua que entra y que sale, cómo sale el agua sucia de lavado, además de determinarse las pérdidas de carga en cada uno de los filtros gracias a las tomas piezométricas que éstos poseen.

En esta memoria explica en detalle:

Los procesos utilizados en una planta de tratamiento convencional, o sea, el tratamiento preliminar, la coagulación, la floculación, sedimentación, filtración, fluoración y cloración.

Se muestra cómo se diseñó la planta piloto en todas sus unidades y el eje

hidráulico.

Se detallan las etapas de la planta, ubicación dentro del laboratorio, cómo se construyó cada unidad y cómo fue montada hasta completar su implementación y puesta en marcha.

Se realizó una puesta en marcha donde se eliminaron las fugas. Se preparó la planta

para la operación, donde se modificó y ajustó los parámetros para su correcto funcionamiento.

Finalmente, se elaboró un manual de operaciones de la planta donde se detalla

cómo poder realizar cualquier metodología de operación de ella y algunas experiencias a realizar.

Planta piloto de tratamiento de agua potable con fines docentes Por Ricardo Opazo C. 2 Procesos utilizados en una planta de tratamiento convencional

3

2 Procesos utilizados en una planta de tratamiento convencional

El tratamiento de agua potable se realiza mediante una serie de etapas secuénciales, la primera etapa corresponde a una fase preliminar, que consiste en una captación mediante una bocatoma o por medio de una planta elevadora de una fuente superficial, seguido de un desarenador, posteriormente se inician los procesos propiamente tal, éstos son: la coagulación, donde los químicos coagulantes se mezclan con el agua cruda, cuya mezcla puede ser con mezcladores hidráulicos o mecánicos, posteriormente, y siguiendo el recorrido del agua, tenemos el floculador, el cual permite que el flocs aumente de tamaño y peso para poder sedimentar en la unidad siguiente; luego viene el sedimentador, que nos permite que el flocs producido pueda sedimentar y así disminuir el trabajo de las unidades siguientes. Por ultimo son filtradas las partículas que quedan retenidas en el lecho de los filtros, Finalmente el agua es fluorada y clorada para ser almacenada en un estanque y distribuida a la población. En la Figura 2.1, se muestra un esquema de las etapas de una planta de tratamiento convencional.

Figura 2.1 Esquema general: etapas de planta de tratamiento de agua potable

2.1 Procesos de tratamiento usados en Chile

Las plantas de tratamiento de agua potable en Chile, al igual que en la mayoría de los países del mundo, utilizan procesos cuyo esquema conjunto se conoce como convencional (coagulación, floculación, sedimentación, filtración). En algunos casos se utiliza filtración directa, pero depende fundamentalmente de las características de la fuente. El objetivo de estas instalaciones es la producción de aguas que cumplan con límites máximos de contaminantes definidos en la norma NCh. 409 Of. 84 Parte I: “agua potable, requisitos” y las modificaciones posteriores que ha incluido el Ministerio de Salud.

En nuestro país el sistema más empleado por disponibilidad de fuentes superficiales, que emplea el sistema convencional de filtración rápida.

Agua Cruda Etapa Preliminar

Coagulación floculación

Sedimentación

FiltraciónFluoración desinfección

Estanque almacenamiento

Agua potable


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La selección del tipo y nivel de tratamiento de agua dependerá de la turbiedad

(NTU) y de la presencia o no de parámetros críticos (cloruros, sulfatos, sólidos disueltos, nitritos y nitratos) que excedan los niveles establecidos por la norma en el punto de captación. En este sentido, el criterio que se deberá utilizar para definir los procesos adecuados para remoción de turbiedad del agua cruda será el que se indica a continuación (bases definitivas estudio tarifario siss periodo 2005-2010):

• Fuente tipo I y fuente tipo II con turbiedad de hasta 50 NTU, y sin parámetros

críticos:

o Para fuentes superficiales, siempre será obligatoria una etapa de filtración en lecho granular.

o Para fuentes subterráneas, con turbiedades mayores a 5 NTU, será obligatoria una etapa de filtración en lecho granular.

• Fuente tipo II que no están en el rango indicado anteriormente:

o En caso de utilizarse sistemas del tipo compacto, podrán considerarse los procesos

de flocodecantación más filtración. o Se considerarán los procesos de floculación, sedimentación más filtración para

turbiedades comprendidas entre los 100 NTU y 500 NTU. o Se considerarán los procesos de presedimentación, coagulación-floculación,

sedimentación, y alternativamente flocodecantación, más filtración para turbiedades sobre 500 NTU.

La Figura 2.1 antes mostrada expone la secuencia completa. No es necesario que

tengan que ir todas las etapas, ya que depende del tipo de fuente a tratar.

Etapas de tratamiento: A continuación se describen las etapas de tratamiento de una planta convencional de tratamiento, las que considera:

• Tratamiento preliminar • Coagulación • Floculación • Sedimentación • Filtración • Desinfección


5

2.2 Tratamiento preliminar

• Desarenado:

El desarenado tiene por función eliminar las partículas inorgánicas sólidas en suspensión.

En el interior del desarenador las partículas sólidas de mayor tamaño sedimentan

gravitacional mente. La arena resultante se dispone en lugares adecuados y el agua sigue su recorrido.

Para el diseño se calcula como si fuera un sedimentador, pero ahí que considerar

que en esta etapa se quiere eliminar solo la arena y sólidos sedimentables.

2.3 Coagulación

El término coagulación deriva del latín “coagulare”, que quiere decir juntar. Este proceso describe el efecto producido por la adición de un producto químico a una dispersión coloidal, que se traduce en la desestabilización de las partículas por una reducción de aquellas fuerzas que tienden a mantenerlas separadas.

Los coloides son partículas de tamaño intermedio entre las moléculas y las

partículas suspendidas que, tarde o temprano, decantan por efecto de la gravedad. Es decir, el estado coloidal está entre las soluciones y las suspensiones. Aunque las partículas coloidales son muy pequeñas, son lo suficientemente grandes como para dispersar la luz (efecto Tyndall), por lo que podrían dar un aspecto turbio al agua, a menos que estén muy diluidas. La mayoría de los coloides están cargados negativamente, por lo que en agua son estables debido a

la repulsión electrostática entre ellas. Esta repulsión impide que actúen las fuerzas de atracción de Van der Waals, por lo que no se aglomeran y, por lo tanto, no precipitan.


6

Coagulación mezcla rápida

La eficiencia del proceso depende básicamente de la relación entre los mecanismos de coagulación predominantes, los parámetros de mezcla rápida y las condiciones químicas de dosificación.

Se ha demostrado que los parámetros de mezcla, gradiente de velocidad (G) y tiempo de retención (T), son importantes para optimizar el proceso cuando el mecanismo de coagulación predominante es el de adsorción. Si el mecanismo de coagulación es el de barrido, los parámetros de mezcla son indiferentes. Para la coagulación por barrido son más importantes las condiciones químicas para la rápida precipitación de los hidróxidos amorfos.

Estudios indican que la tasa de desestabilización mínima ocurre dentro de un rango de gradientes de velocidad de 1,500 s-1 a 3,500 s-1. Se obtiene una máxima eficiencia, dependiendo de la calidad del agua y del tipo de mezclador, con gradientes de 700 s-1 a 1,000 s-1 y de 3,500 s-1 a 5,000 s-1. Gradientes de velocidad mayores retardan la formación del flóculo.

Asimismo, las unidades de mezcla que producen gradientes de velocidad altos y tiempos de retención instantáneos, como los del tipo de resalto hidráulico y mezcladores en línea, optimizan el proceso con aguas que coagulan predominantemente por adsorción.

2.3.1 Tipos de coagulador

Existen dos tipos de coagulador, estos son: hidráulicos y mecánicos.

• Hidráulicos:

Este tipo de coagulador forma la mezcla rápida por medio de una turbulencia, la cual se forma a través de un resalto hidráulico (en canales abiertos) o por la turbulencia producida dentro de una tubería al momento de inyectar el coagulante, tal como muestran las Figura 2.2 y Figura 2.3:


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Unidades de resalto hidráulico

Figura 2.2 Tipos de mezcladores hidráulicos

Mezcladores evaluados por Vrale y Jorden

Figura 2.3 Otros tipos de mezcladores hidráulicos


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• Mecánicos:

Este tipo de coagulador permite la mezcla rápida a través de una turbulencia, la cual se forma por medio de una fuerza externa que produce agitación para inducir los gradientes necesarios. Existen mezcladores de una sola cámara o de cámaras en serie, tal como observa en la Figura 2.4, donde además se muestra el punto de inyección de coagulante:

Figura 2.4 Unidades de mezcla mecánica - retromezclador

2.4 Floculación

Floculación deriva del latín “floculare”, que quiere decir, formar un flóculo fibroso. Al revés que en la coagulación, donde la fuerza primaria es del tipo electroestático o inter-iónico, la floculación se debe a un mecanismo de formación de puentes químicos o enlaces físicos. Desde el punto de vista operativo, la floculación consigue que partículas coaguladas de tamaño sub-microscópico se transformen en otras suspendidas, discretas y visibles. En esta fase la partícula tiene un tamaño y peso suficiente como para sedimentar rápidamente por efecto de gravedad.

La floculación es el fenómeno por el cual las partículas ya desestabilizadas chocan entre sí para formar coágulos mayores. Tal como lo indica la palabra flocular, que significa hacer grumos.

En la floculación se distinguen dos tipos: la ortocinética y la pericinética. La primera es inducida por la energía comunicada al líquido mediante fuerzas externas (paletas, hélices), y la segunda, es promovida internamente dentro del líquido por el movimiento de agitación que las partículas tienen dentro del fluido (movimiento browniano).

• Cinética de la floculación

o Bombardeo de partículas (movimiento browniano). Sólo influye en partículas menores de 1 micrón (duración 6-10 segundos).


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o Turbulencia del líquido. Es efectivo en partículas mayores de 1 micrón (duración 20-30 min.).

La primera es independiente del tamaño de la partícula (partícula menor 1 micrón) y es función directa del cuadrado del número de ellas y de la constante de Boltzmann. Sólo actúa al comienzo del proceso durante los primeros 6 a 10 segundos, pues tan pronto como se alcanzan tamaños del orden de 10 micrones, un gradiente de velocidad de 0,01 s-1 iguala a la efectividad de los contactos producidos por difusión.

La segunda está determinada por los gradientes de velocidad inducidos por la turbulencia en la masa líquida, y es la que actúa durante el resto del proceso (20 a 30 minutos).

La floculación tiene tres aspectos diferentes, pero interrelacionados:

o El químico. o La interacción entre las partículas, o sea, la probabilidad de colisiones entre ellas. o La mecánica de los fluidos que se relaciona con el régimen del flujo que se

establece en el floculador, según el cual puede haber mayor o menor probabilidad de choques interparticulares.

• Gradiente de velocidad

La expresión del gradiente de velocidad es:

[ ]⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−−

==−2

31 981

cmgrcms

cmgrPsG

µµ

Donde P es la potencia total disipada en el floculador dividida por el volumen total del reactor, y µ es la viscosidad absoluta. En la práctica actual, G (gradiente de velocidad) y T (tiempo de retención hidráulico) son los parámetro de diseño para los floculadores reales.

Cada gradiente de velocidad optimiza con un tiempo de retención específico. La máxima eficiencia se obtiene con un desarrollo decreciente de gradientes. El rango de gradientes óptimos para floculación varía entre 70 s-1 y 20 s-1. Las unidades más sencillas, económicas y de eficiencia aceptable, son las de pantallas de flujo horizontal o vertical. La floculación en medios porosos permite reducir el volumen de la unidad a 1/3 de lo usual (5 a 6 minutos de tiempo de retención), permitiendo diseños compactos, eficientes y económicos.


10

2.4.1 Tipos de floculador

Hidráulicos:

o Flujo horizontal: Mezcla lenta por pérdida de carga que se produce principalmente en las curvas, cambios de dirección del flujo.

o Flujo vertical: Mezcla lenta por la pérdida de carga que se produce principalmente en las curvas, cambios de dirección del flujo.

Mecánicos:

o Eje horizontal: Mezcla lenta que se produce por movimiento de paletas.

o Eje vertical: Mezcla lenta que se produce por el movimiento de paletas.

Floculadores hidráulicos de pantallas:

Pueden ser de flujo horizontal o vertical, se eligen de acuerdo a las dimensiones de la planta si la planta es pequeña se eligen de flujo horizontal, en cambio si es grande se eligen de flujo vertical.

Floculador de pantallas de flujo horizontal:

Descripción:

La unidad puede estar configurada de diversas formas. Puede constar de un solo tanque con tres o cuatro tramos con diferentes anchos de canales o, tres o cuatro tanques con anchos de canales diferentes en cada uno. El agua circula horizontalmente por entre los canales.

Los canales pueden estar conformados por muros o tabiques de concreto, o bien, por pantallas de fibro-cemento o madera machihembrada. Los muros de concreto impiden que se puedan efectuar modificaciones o ampliaciones posteriores, por lo que lo más usual es construirlas con pantallas removibles. El fondo debe tener un desnivel o pendiente de acuerdo a la pérdida de carga en cada tramo para que la altura de agua sea uniforme y, por lo tanto, la velocidad y el gradiente de velocidad también.

Las placas deben estar sujetas de tal manera que no se muevan al paso del agua y mantengan su paralelismo. La Figura 2.5 muestra un floculador de placas planas sujetas con perfiles y listones metálicos. La Figura 2.6 muestra otra unidad similar, pero con placas de asbesto cemento onduladas, sujetas con listones de madera. Este es un sistema muy económico, sencillo y efectivo de sujeción.


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Figura 2.5 Floculador de pantallas de flujo horizontal

Ventajas:

• Es una unidad muy simple de construir y operar. Es muy eficiente. Cuando está bien diseñada, el tiempo de retención teórico y el nominal son prácticamente iguales, anulándose la posibilidad de formación de espacios muertos y cortocircuitos. Su funcionamiento es totalmente hidráulico, por lo que la operación es muy confiable y económica al no requerir de energía eléctrica.

Desventajas:

• Ocupa demasiado espacio, por lo que no es recomendada para plantas pequeñas. • Poca flexibilidad en la variación de caudal.

Figura 2.6 Floculador de pantallas de flujo horizontal


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Criterios básicos:

Previo al diseño se debe determinar a nivel de laboratorio, mediante pruebas de jarras, los parámetros que optimizan el proceso:

o gradientes de velocidad y tiempos de retención. Ver ejemplo en Figura 2.7

Figura 2.7 Ejemplo gradientes de velocidad y tiempos de retención que optimizan el proceso

o Deben considerarse por lo menos tres tramos o canales con gradientes de velocidad en orden decreciente.

o El ancho de los pasos entre un canal y otro debe ser una vez y media el espaciamiento entre pantallas.

Criterios de diseño:

• El rango de tiempo de retención que optimiza el proceso es de 10 a 30 minutos. • El rango de gradientes de velocidad para optimizar el proceso se encuentra entre 70

y 20 S-1.

Criterios de operación y mantenimiento:

• El nivel del agua dentro de la unidad debe mantenerse siempre por debajo del nivel máximo de las placas para evitar la formación de cortocircuitos, que corresponde a un porcentaje del caudal que no participa del proceso.

• Debe mantenerse el caudal de diseño de las unidades para que no se alteren los parámetros de diseño. Al disminuir el caudal, el tiempo de retención se incrementa y los gradientes de velocidad disminuyen; al aumentar el caudal, el efecto es a la inversa, el tiempo de retención disminuye y los gradientes de velocidad se incrementan. Estas variaciones afectan la formación del flóculo.


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Floculador de pantallas de flujo vertical

Descripción:

La unidad debe tener un volumen que reproduzca el tiempo total de floculación que optimiza el proceso. Debe estar compuesta por varios canales con compartimentos de diferentes anchos que reproduzcan velocidades decrecientes entre el primer y el último canal. El agua circula por los canales en forma vertical. Las pantallas para formar los compartimentos en cada canal pueden ser tabiques de concreto, placas de fibro-cemento o madera machihembrada.

Ventajas:

• Es una unidad muy simple de construir y operar. • Es muy eficiente. Cuando está bien diseñada, el tiempo de retención teórico y el

normal son prácticamente iguales, anulándose la posibilidad de formación de espacios muertos y cortocircuitos.

• Su funcionamiento es totalmente hidráulico, por lo que la operación es más confiable y menos costosa al no requerir de energía eléctrica.

• Solución adecuada para plantas medianas a grandes. Por su mayor profundidad, requiere de áreas pequeñas. Se logran diseños muy compactos.

Figura 2.8 Floculador de pantallas de flujo vertical

Restricciones:

1. Falta de flexibilidad para variación de caudal.


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Criterios básicos:

• La unidad debe tener el volumen apropiado para obtener el tiempo de floculación con el que se optimiza la formación del flóculo, el que debe determinarse en el laboratorio por simulación del proceso.

• Las velocidades en los canales de los tramos deben estar ordenadas en forma decreciente para acompañar la formación del flóculo.

• Las velocidades en los canales deben corresponder a los gradientes de velocidad que optimizan el proceso, los cuales se deben determinar en el laboratorio por simulación del proceso.

• La velocidad en los pasos entre un canal y otro debe ser 2/3 de la velocidad en los canales.

Criterios de diseño:

• El rango de tiempo de retención en el que optimiza el proceso, es de 10 a 30 minutos.

• El rango de gradientes de velocidad recomendables para flocular se encuentra entre 70 y 20 S-1.

• La profundidad de la unidad es de 3 a 4 metros.

Criterios de operación y mantenimiento:

o El nivel del agua dentro de la unidad debe mantenerse siempre por debajo del nivel máximo de las placas, para evitar la formación de cortocircuitos (porcentaje del caudal que no participa del proceso).

• Debe mantenerse el caudal de diseño de las unidades para que no se alteren los parámetros de diseño. Al disminuir el caudal, el tiempo de retención se incrementa y los gradientes de velocidad disminuyen; al aumentar el caudal, el efecto es a la inversa, el tiempo de retención disminuye y los gradientes de velocidad se incrementan. Estas variaciones afectan la formación del flóculo.

Floculadores Mecánicos

Se entiende por floculadores mecánicos aquellos que requieren una fuente de energía externa que mueva un agitador en el tanque o serie de tanques. Los agitadores están constituidos por paletas que giran a baja velocidad y pueden ser de eje vertical o de eje horizontal. A mayor velocidad de giro, mayor energía entregada. Los agitadores pueden tener 2 ó 3 paletas o travesaños unidos por una pieza central al eje. Cuando se usan agitadores de eje horizontal se requiere, por lo general, un pozo seco al lado del tanque de floculación para acomodar los motores que impulsan el sistema.


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En general, estos floculadores se diseñan teniendo en cuenta que el área de las paletas no debe ser mayor del 15% al 20% de la sección transversal del tanque, para evitar la rotación general del líquido. Además, la distancia entre los extremos de los agitadores se suele hacer no menor de 0,60 m. y el espacio entre ellos y el fondo del tanque, no menor de 0,30 m.

El defecto de los floculadores mecánicos es la facilidad con que se producen cortocircuitos. Por esta causa, la permanencia en este tipo oscila entre 15 y 45 minutos. Se diseñan siempre 2 o más cámaras, con gradientes de velocidad decrecientes.

Figura 2.9 Floculador de eje vertical

Figura 2.10 Floculador de eje horizontal


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2.5 Sedimentación o decantación

La sedimentación emplea la fuerza de gravedad para que las partículas presentes en el agua se depositen en el fondo de un sedimentador, de donde son extraídas posteriormente. Sólo sedimentarán aquellas partículas cuya densidad sea mayor que la densidad del agua. Mientras mayor sea la densidad de la partícula, más rápido se depositará.

2.5.1 Tipos de sedimentación

En un sentido amplio, el término sedimentación comprende un grupo de acciones diferentes según el tipo y concentración de sólidos o partículas en suspensión, los que se resumen a continuación:

Sedimentación Tipo

Características de los sólidos en suspensión

Descripción del proceso Ejemplos

I

Partículas discretas y aisladas en soluciones diluidas.

No hay interacción entre las partículas y el resto del fluido. Luego, las partículas no cambian de densidad, tamaño o forma al descender en el líquido.

Movimiento de sedimentación de partículas en desarenadores o pre-sedimentadores.

II

Partículas aglomerables en soluciones relativamente diluidas.

Las partículas se aglomeran agrupándose en partículas de mayor tamaño. Luego, al descender, se adhieren entre sí cambiando de tamaño, forma y peso específico durante la caída.

Sedimentación de flocs en decantadores horizontales o de placas.

III Soluciones de concentración intermedia.

Las partículas interfieren entre si en su descenso manteniendo posiciones estables. Se forma un manto de lodos que flota en el líquido.

Deposición de lodos en decantador de flujo ascendente.

IV Soluciones de alta concentración.

Se forma una estructura entre las partículas que va modificándose lentamente con el tiempo. Se forma un manto de lodos que flota en el líquido.

Compactación de depósitos de Lodos.

Tabla 2.1 Tipos de sedimentación


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Los sedimentadores se clasifican según el sentido del flujo. El tipo de sedimentación que se genera se resume a continuación:

Sentido de flujo Tipo de sedimentación Ejemplo Tasa (m3/m2-d)

200 - 420 Horizontal I y II Desarenadores 15 - 30 Vertical II y III Manto de lodos 45 - 60 Inclinado (ascendente o descendente)

I y II Sedimentadotes con módulos o placas 120 - 180

Tabla 2.2 Sentido del flujo del sedimentador

Figura 2.11 Tipos de sedimentadores


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2.5.2 Sedimentación horizontal

El modelo fue desarrollado por Hazen, en 1904, y luego retomado por Camp, en 1946, y se basa en la concepción de un sedimentador ideal. Camp lo definió como "el decantador hipotético en el cual la sedimentación se realiza exactamente en la misma manera que en un recipiente de igual profundidad que contenga un líquido en reposo".

El modelo responde a las siguientes características (ver Figura 2.12).

1. Se identifican en el tanque de sedimentación cuatro zonas independientes: de Entrada, de Salida, de Sedimentación y de Retención de partículas sedimentadas.

2. Hay una distribución uniforme de partículas en la entrada. La concentración de partículas de cada tamaño es, por lo tanto, la misma en todos los puntos de la sección transversal de entrada.

3. En la zona de sedimentación, la dirección del flujo es horizontal y la velocidad es la misma en todos los puntos, por lo que responde a un modelo de flujo tipo pistón.

4. Toda partícula que entra a la zona de lodos queda atrapada y se considera removida. 5. Las partículas, aun siendo de diferentes tamaños, se comportan como partículas

discretas y aisladas en la zona de sedimentación, o sea, se produce clarificación tipo 1.

Figura 2.12 Sedimentador horizontal

El comportamiento de partículas de diferentes velocidades de sedimentación corresponde a trayectorias rectas en la zona de sedimentación debido a la composición de los dos movimientos: el de desplazamiento con el fluido de velocidad Vf y el de sedimentación respecto al fluido de velocidad Vs, tal como se explicó antes.


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Según sea pequeña o alta la velocidad de sedimentación, Vs de las partículas se pueden producir las situaciones indicadas en la figura.

Figura 2.13 Esquema velocidades del flujo

Ahora bien, el sedimentador ideal se diseña para eliminar el 100% de partículas que tengan una determinada velocidad de sedimentación crítica Vsc o mayor, que son las que estando en las posiciones extremas a-a de la zona de sedimentación son retenidas en las posiciones extremase b-b de la zona de lodos (Figura 2.14).

Figura 2.14 Cinética de un sedimentador

Donde: VF= Velocidad de del flujo Vs= Velocidad de sedimentación

HBQVF •

=

Vs se determina según el tipo de partícula, estos valores se sacan de una tabla:


20

Tabla 2.3 Velocidades de Sedimentación de Partículas

Material Densidad Relativa

Diámetro (cm.)

Temperatura del agua oC

Viscosidad 10-2 cm2/s

Velocidad de sedimentación

cm./s

Carga superficial m3/m2/d

Zona

10 1.310 4.16x10-7 0.00036 Laminar Microfloc Liviano 1.01 0.0001 15 1.176 4.63x10-7 0.00040 Laminar

10 1.310 1.25x10-4 0.108 Laminar Floc 1.02 0.001 15 1.176 1.39x10-4 0.120 Laminar 10 1.310 1.25x10-2 10.80 Laminar Floc 1.03 0.01 15 1.176 1.39x10-2 12.00 Laminar 10 1.310 2.08x10-1 179.7 Laminar Partículas

orgánicas 1.5 0.01 15 1.176 2.31x10-1 199.5 Laminar 10 1.310 6.11x10-1 528* Intermedia Arena

fina 2.6 0.01 15 1.176 6.75x10-1 583 Intermedia 10 1.310 27.76 23980 Intermedia Arena 2.6 0.2 15 1.176 28.16 24330 Intermedia

*NOTA: Obsérvese que arena fina de d=0.01 tiene cagas superficiales altas, pero estos valores son validos solo para condiciones estáticas, para condiciones dinámicas este valor debe multiplicarse por un factor menor que uno.

Ref: Teoría y practica de la purificación del agua tercera edición Tabla V.4a

De la semejanza de triángulos se tiene:

LH

VV

F

s = Si remplazamos VF nos queda

SFs A

QLB

QLHB

HQLHVV =

•=

•••

=•=

Donde As= Área superficial del sedimentador

2.5.3 Sedimentador de placas paralelas

Este tipo de sedimentador se denomina sedimentador de alta tasa o de flujo laminar y las tres diferencias entre tipo y el anteriormente dicho son:

1. El fondo del sedimentador no es horizontal sino inclinado. 2. la profundidad del decantador es muy bajo (unos pocos centímetros) de forma que

ahí que construir un número considerable de celdas superpuestas para poder tratar los volúmenes de agua con que se acostumbra en la práctica.

3. El flujo del sedimentador es laminar con NR menor de 500

Descripción:

• La zona de ingreso a la zona de decantación, está compuesta por tubos de PVC con orificios en las unidades pequeñas o canales centrales o laterales, que distribuyen el flujo mediante orificios a lo largo del módulo de placas en las unidades grandes.


21

Figura 2.15 Sedimentador de placas paralelas de flujo ascendente

• La zona de decantación está constituida por un módulo de placas espaciadas entre 10 a 15 cm. en el plano horizontal e inclinadas a 60 grados, instaladas de tal modo que tengan por encima una altura de agua de 1.0 m. y el agua floculada ingrese, como mínimo 0.50 m. por debajo de las placas. Las placas pueden ser de fibro-cemento, plástico o lonas de vinilo reforzadas con hilos de poliéster.

• La recolección del agua decantada se puede efectuar mediante tuberías perforadas o canaletas en las unidades grandes o vertederos perimétricos en las pequeñas.

• La zona de almacenamiento de lodos esta compuesta por una tolva corrida o varias tolvas a lo largo del módulo de placas, dependiendo del tamaño de la unidad.

Figura 2.16 Geometría de sedimentador para unidades grandes

• El sistema de extracción hidráulica de los lodos en las unidades pequeñas puede ser un canal de colección uniforme techado con losas removibles con orificios y, en las

Agua sedimentada

Entrada agua Floculada

Colectores lodos 1.-canaleta lodos 2.-canal agua floculada 3.-canal agua sedimentada


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unidades grandes, colectores múltiples de colección uniforme. En ambos casos se considera una válvula de accionamiento rápido al final del canal o del colector.

Figura 2.17 Sedimentador con tolvas separadas y colector múltiple de lodos

Ventajas:

• El área superficial de esta unidad, comparada con un decantador convencional, es mucho menor, dado que la superficie de decantación, en este caso, es la suma de las proyecciones horizontales de todas las placas, a diferencia de la unidad convencional, en que sólo es la superficie del fondo.

• La eficiencia es superior a la de un decantador convencional, debido a que la altura de caída de los flóculos entre las placas es menor, pudiendo remover partículas flocúlenlas más pequeñas, esto se produce pues el flujo es laminar.

• La remoción del lodo de las tolvas se efectúa en forma automática, al abrir la válvula de extracción.

Las tres grandes diferencias respecto a los convencionales son:

o El fondo de sedimentador no es plano, sino inclinado, y el ángulo es de 600 , pues por estudios está definido como el ángulo óptimo para que no se queden los sedimentos en el fondo de este, además los lodos son extraídos por bombas.

o La profundidad del sedimentador de placas respecto al horizontal es un poco mayor a uno horizontal, pero en área es mucho menor que uno horizontal, por lo cual hay que poner muchas placas para tratar los volúmenes de agua que se acostumbran en la práctica.

o El flujo en el sedimentador es laminar, o sea NR < 500.

Un factor a considerar es la relación entre el largo de la placa y la distancia entre ellas. Esta correspondencia ha sido estudiada antes (ver Ref: Teoría y practica de la purificación del agua

tercera edición Figura V.23

Figura 2.18):


23

Ref: Teoría y practica de la purificación del agua tercera edición Figura V.23

Figura 2.18 Ejemplo eficiencia relación largo-distancia entre placas

A continuación se muestra una figura con la relación geométrica de un sedimentador de placas o módulos:

Figura 2.19 Geometría de las placas en un sedimentador de placas

Relación L/e

Turb

ieda

d R

emov

ida

%

Carga equivalente m

3/m2/dia

Valores experimentales

Carga equivalente calculada 25q=200 m3/m2/dia


24

La teoría básica del calculo es igual a la de un sedimentador horizontal, pero con la diferencia que este sedimentador son muchos sedimentadores horizontales

xy VleV =

θCosVV scy =

θCosVVV scx −= 0

Donde Vx es la velocidad de traslación de la partícula que depende de θ si

remplazamos y despejamos tenemos:

θθ LCosSenVVsc +

= 0

Donde V0 se obtiene dividiendo el flujo Q que entra al sedimentador, por su área

horizontal Ah que ahí que proyectar perpendicularmente a las placas

00 A

QSenAQV

h

==θ

Ah= Área horizontal superficial neta del decantador de placas. A0= Área neta perpendicular a las placas =Ah*Senθ Las placas tienen un espesor ep

phpo

hT AASenA

AA +=+=θ

Donde: Ap= Área perpendicular a las placas ocupadas por ellas

θsenaen

A pp

••=

Donde “n” es el numero de placas y “a” es el largo de las placas

)( p

h

eeasenAn+

=θ

Remplazando los términos anteriores tenemos:


25

ε•=+

= Tp

hp Aee

eAA

Donde:

p

p

eee+

=ε

Resumiendo nos queda:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+•

•=•

•=•

•= ∑∑

== ee

senVQ

senVQ

senVQA p

n

i

in

i

iT 1

0000 0 θε

θε

θ

Por ultimo para que estas ecuaciones sean validas se debe cumplir el régimen

laminar o sea el Numero de Reynolds no debe ser mayor a 280 para partículas flocúlenlas y no mayor a 600 para partículas discretas

νeVN R

02= Se debe tener cuidado en que unidades se ingresan los datos.

2.6 Filtración

El objetivo básico de la filtración es separar las partículas y microorganismos objetables que no han quedado retenidos en los procesos de coagulación y sedimentación. En consecuencia, el trabajo que los filtros desempeñan depende directamente de la mayor o menor eficiencia de los procesos preparatorios.

La filtración puede efectuarse en muchas formas: con baja carga superficial (filtros

lentos) o con alta carga superficial (filtros rápidos); en medios porosos (pastas arcillosas, papel de filtro) o en medios granulares (arena. antracita, granate o combinados); con flujo ascendente de abajo hacia arriba o descendente de arriba hacia abajo, o mixto (parte ascendente y parte descendente). Por último, el filtro puede trabajar a presión o por gravedad según sea la magnitud de la carga hidráulica que exista sobre el lecho filtrante.

La tasa de filtración depende de que tan sucio o limpio este el lecho, por lo cual se

puede considerar de velocidad variable.


26

Según la velocidad de filtración

Según el medio filtrante usado

Según el sentido del flujo

Según la carga sobre el lecho

Rápidos: 120-360 m3/m2/día

1. Arena (h=60-75 cm.) 2. Antracita (h=60-75 cm.) 3. Mixtos: Antracita (h=35-50 cm.) Arena (20-35 cm.) 4. Mixtos: Arena, Antracita, Granate

Ascendente Descendente Flujo Mixto

Por Gravedad Por Presión

Lentos: 7-14 m3/m2/día

Arena (h=60-100 cm.) Descendente Ascendente Horizontal

Por Gravedad

Tabla 2.4 Clasificación de los filtros

Uno de los parámetros más indicativos del comportamiento del filtro es la turbidez del agua filtrada. Al comenzar el período de filtración, partiendo de un lecho filtrante limpio, hay un período inicial de tiempo, relativamente corto, conocido como "período de maduración", en el cual la turbidez del agua filtrada va disminuyendo hasta alcanzar un punto a partir del cual la turbidez se mantiene casi constante por un período largo de tiempo que dependerá de la altura de capa del lecho.

Continuando la filtración, se llegará a un punto a partir del cual la turbidez inicia un incremento, conociéndose como el comienzo del "período de perforación" del filtro.

La pérdida de carga, en el caso de un filtro, en definitiva, nos indica el grado de dificultad que encuentra el agua a su paso a través del medio filtrante, lo que sirve para hacer un seguimiento del estado de atascamiento del lecho de arena con el transcurso de tiempo de filtración. Al construir los filtros se fija la pérdida de carga máxima a la que podrá llegarse, y deberá ser tal, que el tiempo que tarda en alcanzarse, sea igual o ligeramente inferior al tiempo al cabo del cual se alcanzará la perforación del filtro. De esta forma se aprovecha el atascamiento de la casi totalidad de la altura del lecho de arena utilizado.

Para conseguir una tasa o velocidad de filtración constante se pueden utilizar filtros que operan a nivel constante, con regulación aguas arriba y abajo mediante flotadores, válvulas de mariposa o sifones, o bien, emplear filtros de nivel variable, en los cuales el nivel va aumentando a medida que aumenta la pérdida de carga, como consecuencia del atascamiento o colmatación del lecho filtrante.

Llegado el momento de la máxima pérdida de carga de alguno de los filtros que forman la instalación, se interrumpe la entrada de agua a filtrar y se procede al lavado a contracorriente. Éste consta de tres fases: 1) esponjamiento del lecho con aire a baja presión


27

(entre 30 y 60 segundos). 2) lavado con aire y agua (entre 3 y 6 minutos) y 3) Aclarado con agua (entre 12 y 7 minutos).

En la figura siguiente se representa el esquema de un filtro (de nivel constante) con indicación de los flujos de filtración y de lavado a contracorriente, así como los niveles de filtración y de lavado.

Figura 2.20 Esquema de flujos en un filtro

En el lavado a contracorriente, el lecho de arena se expande (también se puede aplicar aire para mejorar el proceso cuando sea necesario) provocando que los granos de arena al rozar uno contra otro se desprendan de las partículas retenidas, que después serán arrastradas por el agua de lavado hacia los vertederos o canales de recogida del agua de lavado. El proceso de lavado finaliza cuando esta agua resultante del lavado presenta una turbiedad baja.


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Figura 2.21 Lavado de un filtro

Figura 2.22 Lavado de un filtro con el flujo que produce el resto de la batería

2.6.1 Determinación pérdida de carga de un filtro durante la filtración

Para el diseño de los filtros hay que considerar las pérdidas de cargas en la filtración y en el lavado, y así, poder determinar cuáles son las cotas dentro del filtro. A continuación se determina cuáles son las más importantes y cómo se calculan estas:

1. Pérdida de carga en el manto filtrante:

La forma típica para determinar la pérdida de carga en un lecho granular se determina por la Ley de Darcy:

VKLh

'=


29

Donde h= Pérdida de carga en un lecho granular con flujo laminar L= Espesor del lecho K’= Coeficiente de permeabilidad V= Velocidad del flujo Pero 1/K’ se puede remplazar por K el cual se calcula usando la ecuación de

Kozeny-Fair-Hatch para flujo laminar:

vdx

gKK

n

i i

i⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−== ∑

=123

02

20 )1(150

'1

ρψρν

Donde ρ= Porosidad del lecho filtrante ν= Viscosidad cinemática L= Espesor del lecho filtrante xi= Tanto por ciento de la arena retenida entre dos cedazos di= Diámetro promedio de dichos cedazos ψ= Coeficiente de esfericidad g= Gravedad. Resumiendo nos queda una función de la forma: h= KxV=K Q/A Q= Caudal A= Área del lecho filtrante

2. Pérdida de carga en lecho soportante:

La pérdida de carga en el lecho soportante se puede considerar proporcional al 10% del espesor del mismo.

3. Pérdida de carga en el sistema drenante:

La pérdida de carga en el sistema drenante con tuberías perforadas y el sistema de válvulas se expresan como:

he= Keq2

Donde: Ke= Coeficiente de pérdidas turbulentas q= Caudal de un filtro


30

4. Carga en vertedero de salida:

Para determinar la pérdida de carga en el vertedero de salida se utiliza la ecuación

de vertedero:

3/2

243,0 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

××=

gLQh

5. Otras pérdidas y factores de seguridad:

Para determinar las otras pérdidas se consideran factores como seguridad, desgaste

de tuberías y lo que se ensucia el lecho durante el uso, y es un porcentaje del valor calculado Ht=h1+h2+h3+h4 y redondeando hacia arriba para facilitar la construcción.

2.6.2 Determinación pérdida de carga de un filtro durante el lavado

1. Pérdida de carga en canaleta de lavado

Se puede considerar la pérdida de carga como si fuera un vertedero, o sea, si utilizamos la ecuación de vertedero tenemos:

3/2

243,0 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

××=

gLQh

Donde L es el largo total del vertedero y Q es el caudal de lavado para el filtro.

2. Pérdida de carga en la expansión del lecho La pérdida por expansión del lecho es aproximadamente de un 30-40%. Para este caso se considera una pérdida de carga: h=(1-P0)(Ss-1)L Donde P0 es la porosidad inicial, y SS es el peso específico.

3. Pérdida de carga en lecho soportante

La pérdida de carga se considera un 10% del espesor de este, o sea: h=Lx0,1 Donde L es el espesor del lecho soportante


31

4. Pérdida de carga en sistema drenante

La pérdida de carga se considera con un valor fijo de 0,3 m., y es dado según la

configuración de tuberías perforadas a 600 desde el fondo con orificios de 4mm. h=0,3m.

5. otras pérdidas y revancha

Para determinar las otras pérdidas se consideran factores como seguridad, desgaste de tuberías y lo que se ensucia el lecho durante el uso, y es un valor que se impone y redondea para facilitar la construcción, para este caso, del orden de 0,3 mt.

2.7 Desinfección y fluoruración

Respecto a la desinfección, existen diferentes métodos de desinfección del agua, sin embargo en el caso de aguas que contienen precursores de trihalometanos, algunos son superiores a otros. Adicionalmente algunos desinfectantes son óptimos en el control de sabor y olor.

En chile la normativa dice que debe existir una concentración residual de

desinfectante activo e la red en forma permanente. Por otro lado los servicios de agua potable deben asegurar un tiempo mínimo de contacto desinfectante-agua, en forma previa a la distribución.

En el caso del cloro según el tipo de fuente y el ph, es el tiempo de contacto mínimo

exigido. Y el cloro residual no debe ser menor a 0,2 ml/L en cualquier punto de la red.

Tipos de desinfectantes:

o Cloro: EI cloro ha sido la alternativa preferida de desinfección del hemisferio occidental

para el abastecimiento de agua potable desde 1920. Es un desinfectante fuerte y sus aplicaciones son bien conocidas a través de la experiencia obtenida por muchos años de uso. Sin embargo, el cloro en combinaciones con componentes orgánicos disueltos creará trihalometanos.


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o Cloraminas:

Las cloraminas están formadas por reacciones químicas entre el cloro y el amonio. Mono, di y tricloraminas se forman dependiendo de las concentraciones moleculares relativas de cloro y amonio que participan en la reacción. Mono y dicloraminas tienen fuerza de desinfección, a pesar de que son más lentos en reaccionar que el cloro. Las cloraminas tienen la capacidad de mantener un desinfectante residual en el sistema de distribución sin formar trihalometanos. Las cloraminas son también usadas en situaciones donde los sabores y olores del agua cruda son magnificados por el uso de cloro.

o Dióxido de cloro:

El dióxido de cloro es un desinfectante poderoso que es usado junto con procesos de tratamiento estándares en agua cruda de baja calidad donde los problemas de sabor y olor son exacerbados por el uso de cloro. El dióxido de cloro es formado por la reacción del cloro y agua en regímenes de pH bastantes bajos.

o Ozono: El uso de ozono para desinfectar el agua es ampliamente practicado en Europa,

particularmente en Francia. El ozono tiene ventajas definitivas sobre todo el cloro en control del color, sabor y olor, mejorando la floculación de material coloidal en el agua cruda y matando los quistes de criptosporidia. En la actualidad, se utiliza una combinación de ozono para desinfección inmediata y cloraminas para protección en el sistema de distribución sin la formación de trihalometanos. El ozono es generado en el lugar con descargas eléctricas de alto voltaje a través del aire u oxígeno. La eficiencia de generación de ozono mejora significativamente con el uso de oxígeno puro como alimentación de gas para el generador de ozono.

Respecto a la fluoruración, el objetivo de estos procesos es cumplir con los requerimientos del Ministerio de Salud actualmente en vigencia. Esto implica un valor óptimo para cada subsistema de 0.6 ppm de Ion fluoruro (F), con un rango de variación diario máximo permitido de +/- 20% mensual +/- 10% y de un +/- 5% semestral-anual. Para el diseño y operación se utiliza lo disponible en el mercado.

Planta piloto de tratamiento de agua potable con fines docentes Por Ricardo Opazo C. 3 Planta piloto de tratamiento de agua potable

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3 Planta piloto de tratamiento de agua potable

Esta planta piloto está orientada a permitir, desde el punto de vista docente, observar el funcionamiento de los procesos reales de tratamiento de agua, desde que llega hasta que sale de la planta. Es decir, ver la inyección de coagulante, cómo se origina la mezcla, cómo se produce la floculación y cómo aumenta de tamaño el flocs. Luego, ver cómo sedimenta el flocs en los sedimentadores, el funcionamiento de los filtros y el lavado de estos, para finalmente observar cómo sale el agua después de todos estos procesos.

La planta se diseñó para un caudal de 0,7 l/s, la cual va a estar abastecida por agua

potable y almacenada en un estanque. La turbiedad se crea sólo para situaciones específicas, esta se crea con tierra y se mezcla en el estanque con paletas, también se puede usar algún trazador como la sal, y medir conductividades, por ejemplo, para determinar la eficiencia de las unidades con el propósito de comparar turbiedad inicial con turbiedad en cada proceso. En el caso de la mezcla rápida la idea es precisar (fuera de la planta propiamente tal, sino que en el canal del laboratorio), cuál es el punto óptimo de coagulante según el tipo de coagulador hidráulico que se esté utilizando. Lo mismo ocurre con el coagulador mecánico, en el que se puede experimentar respecto a las rpm del agitador, el tipo de agitador a utilizar y la inyección ideal de coagulante. Situación similar sucede para cada uno de los procesos, en el caso del floculador, se puede determinar el tiempo de retención y gradientes óptimos para algún tipo de agua especifico; para el sedimentador, se puede determinar el espaciamiento de las placas o el módulo más adecuado, como asimismo visualizar las líneas de flujo, utilizando algún trazador para determinar las velocidades y no producir turbulencia. El caso más interesante es el de los filtros, donde se pueden determinar las tasas de éstos según la configuración del lecho, establecer las pérdidas de carga a distintos niveles del lecho, visualizar el lavado de los filtros, ver su expansión, determinar la pérdida de carga en el lavado, las velocidades del flujo durante este proceso, ver cómo afecta el lavado en los otros filtros, tales como carga en cada filtro, tasa en cada uno.

3.1 Unidades de la planta

La planta piloto va a tener las unidades básicas de una planta piloto convencional, es decir: coagulación, floculación, sedimentación y filtración.

Para su construcción se determinaron dos etapas, las cuales se explican más adelante

en el Capítulo 4. Una cosa importante en esta planta, dado que tiene fines docentes, es que las

unidades se han diseñado para que se puedan observar, por lo que va a estar diseñada en materiales transparentes. Además se van a montar la mayor cantidad de unidades diferentes para cada proceso, lo que se analiza a continuación:


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1. Estanque de almacenamiento de agua a tratar:

El estanque cumple con la tarea de almacenar agua y mantener una carga lo más constante posible. En función de la ubicación puede encontrarse elevado o dar presión al sistema mediante una bomba. El tamaño de este estanque se determinó según el espacio físico disponible. Sin embargo, lo recomendable es que sea igual o superior a 1000 litros, pues con los 1000 litros tenemos una autonomía de 15 min., tiempo en el cual se alcanza a realizar una experiencia. En caso que no se pueda elevar el estanque, se considerará el uso de una bomba para dar carga al sistema.

2. Sistema de dosificación de coagulante:

Para dosificar el coagulante se considera un sistema de gotario tal como se utiliza en los hospitales, es decir, se cuelga una bolsa con la solución de coagulante y se deja caer en gotas. Con este dispositivo se controla la cantidad de coagulante o ayudante de coagulante. Su sistema de dosificación es el mismo en el canal o en la planta misma. En el caso del coagulador mecánico se utiliza el mismo sistema, pero la con la ayuda de una bomba que permite regular la inyección de coagulante en el reactor.

3. Coagulación o mezcla rápida:

La planta piloto consta de una unidad hidráulica que además sirve como aforador, pues considera un vertedero triangular. Se diseñarán distintos coaguladores hidráulicos, los cuales se instalaran en el canal hidráulico del laboratorio, para poder observar y experimentar con los diferentes tipos de unidades y así poder operar con cada uno ellos. En esta unidad, como se trata de un fin docente, nos interesa ver la forma del coagulante disuelto, o sea, observar cómo se mezcla el coagulante. Para ello se usará un trazador y no un coagulante para desarrollar esta experiencia.

La función de la mezcla rápida es la dispersión homogénea del coagulante en el

agua cruda. Para alcanzar este objetivo es necesario obtener una mezcla muy intensa donde el tiempo de mezcla es menor al tiempo que tarda en reaccionar los coagulantes con el agua.

Coagulación hidráulica:

El tiempo de mezcla en estos mezcladores es muy corto, del orden de un segundo. Las experiencias que se tendrán para fines docentes serán (ver Figura 2.2 Tipos de mezcladores hidráulicos):

• Resalto hidráulico: Este tipo de mecanismo se utiliza por la gran cantidad de energía

consumida por él y que es transformada en turbulencia. Puede ser una compuerta, un cambio de pendiente o un vertedero triangular como el que se utilizará en la planta piloto.


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• Canaleta Parshall: Es una de las formas más comunes de producir una mezcla rápida. Debido a su forma, la velocidad del flujo aumenta en la sección de aproximación y pasa por la profundidad crítica al comienzo de la garganta. Debido al incremento brusco de la pendiente, acelera el agua creando un régimen supercrítico produciendo un resalto hidráulico al encontrarse con una pendiente negativa.

• Dispersores: Pueden producir una mezcla rápida de los coagulantes. Se basa en el

empleo de múltiples puntos de aplicación. Estos pueden estar en un canal o en una tubería.

Coagulación mecánica:

Este tipo de coagulación necesita energía externa para que sea capaz de producir

turbulencia en el agua que queda detenida algún tiempo en el mezclador. Estos mezcladores pueden clasificarse según la posición del eje del agitador, es decir, horizontal o vertical. También se encuentran mezcladores de turbina y de escurrimiento axial (ver Figura 2.4 Unidades de mezcla mecánica - retromezclador).

4. Floculadores o mezcla lenta:

Al igual que en los coaguladores, existen floculadores hidráulicos, mecánicos e hidromecánicos. En la planta piloto, el proyecto final es tener por lo menos un tipo hidráulico de flujo horizontal y uno vertical y, al menos, uno de tipo mecánico.

Floculadores hidráulicos:

Se consideran de dos tipos: los de flujo horizontal y de flujo vertical. Respecto al tiempo de retención es entre 10 y 60 min., siendo 20-40 min. los valores más utilizados. En cuanto al gradiente de velocidad, éste debe asegurar que no destruya los flocs ya formados, sólo deben aumentar de tamaño, por lo que se recomiendan gradientes entre 10 y 100 S-1 y normalmente entre 20 y 60 S-1 .

Figura 3.1 Tipo de floculadores hidráulicos

Floculadores mecánicos:

Se entienden por floculadores mecánicos aquellos que requieren una fuente de

energía externa que mueva un agitador en un tanque, que se mantiene un tiempo de


36

retención teórico. Este tipo de floculador se clasifica según el movimiento del agitador, o sea, están los de tipo giratorio y reciprocante. La planta va a constar de floculadores mecánicos del tipo giratorio vertical (ver Figura 2.9, y Figura 2.10).

5. Sedimentador:

La planta piloto tendrá un sedimentador de placas inclinadas o de módulos, los que serán intercambiables. Se podrán colocar placas de distinto largo y separación, de la misma manera se podrán colocar distintos tipos de módulos.

6. Filtros:

En la planta piloto se considerarán a lo menos 6 unidades de filtración para así

poder mostrar cómo se produce el auto lavado y el orden de los movimientos de válvulas. Otra particularidad es que en cada unidad de filtración pueden haber distintos lechos, con los que se puede determinar cuál lecho es el más adecuado para distintos tipos de fuentes de agua, pero en este caso como se trata de una planta piloto, la turbulencia va a ser generada según los requerimientos que se necesiten, o se puede usar un trazador como lo es la sal, y se puede medir conductividad.

3.2 Diseño de unidades de tratamiento

3.2.1 Estanque

El estanque se eligió dentro de lo existente en el mercado, según el espacio que se tenía disponible en el laboratorio, pero con un volumen mínimo de 1000 litros.

3.2.2 Coagulación

La planta tiene considerada dos tipos de coagulación: una hidráulica y otra mecánica. Éstas se describen a continuación:

3.2.2.1 Coagulación Mecánica

Por consideraciones practicas, la planta consta de una unidad mecánica de una sola cámara. En esta unidad, la agitación del agua se debe a una fuente externa de energía que transfiere potencia al fluido a través de unas paletas adheridas al eje del motor.

Los tiempos de retención son de 10-60 segundos, pero se recomienda 30-45

segundos. Si consideramos un tiempo de retención de 60 segundos (para poder variar tiempos de retención) y el caudal de la planta es de 1 l/s, el volumen útil de nuestra unidad de coagulación mecánica es de:


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Vol= 60 (seg.) * 1 (l/s)= 60 litros Para este volumen se consideran agitadores que cumplan los requerimientos y que

existan en el mercado.

3.2.2.2 Coagulación Hidráulica

Para poder ver como son los coaguladores hidráulicos se utilizará el canal del laboratorio para poder producir los resaltos hidráulicos por medio de compuerta, cambio de pendiente, vertedero triangular, canaleta Parshall.

La inyección de coagulante se aplicará sobre la superficie del agua en forma de

goteo. La idea es determinar el punto óptimo de inyección para lo que se utilizará un trazador y no coagulante propiamente tal. El canal puede tener caudales de hasta 30 l/s.

Resalto producido por compuerta

Para la formación de este resalto se utiliza la compuerta existente en el laboratorio, donde se puede variar la altura, el caudal y la pendiente del canal, con lo cual se consigue formar el resalto.

La compuerta restringe la sección del escurrimiento, peraltando el flujo hacia aguas

arriba de ésta, acelerando el escurrimiento que retorna a su nivel normal por medio del resalto que se produce aguas abajo de ella.

Esquema de compuerta.

Figura 3.2 Resalto producido por compuerta


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Resalto por cambio de pendiente

Por su forma, la velocidad del flujo aumenta en la sección de aproximación y pasa por la crisis justo antes del incremento brusco de pendiente, donde se acelera el agua creándose un régimen supercrítico, el cual se resuelve en un resalto hidráulico que alcanza luego un régimen sub-crítico en la zona de menor pendiente.

Se diseñó para un gasto de hasta 5 l/s considerando una pendiente del 15%. Este

valor lo garantiza, pues el canal del laboratorio permite variar el caudal hasta valores de 30 l/s.

Debido al incremento brusco de la pendiente se produce un escurrimiento crítico,

caracterizado por Hc=0.468*q2/3, donde Hc es la altura crítica y q es el gasto por unidad de ancho. Si tomamos Q=5 l/s y b=30 cm.= 0.3 m.=> Hc=3.1 cm.

El esquema es el siguiente:

Figura 3.3 Resalto por cambio de pendiente


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Resalto por vertedero triangular

Esta singularidad que provoca un peralte del nivel de escurrimiento hacia aguas arriba de él, se caracteriza por una contracción triangular que produce la aceleración del fluido, que luego cae creando una zona de turbulencia que se calma aguas abajo del vertedero.

La curva de descarga de un vertedero triangular se expresa como

)**2(*** 2 hghtgmQ α= donde Q= caudal, m es el coeficiente de gasto, 2*α es el ángulo del vertedero, h la carga sobre el vertedero y g la aceleración de gravedad.

Por ejemplo, para un ángulo α =15º se recomienda un coeficiente de gasto de 0.33.

Luego para el caudal de 5 l/s se obtiene una carga sobre el vertedero de 17.5 cm. En el laboratorio existen dos tipos de vertederos triangulares: uno de 30º y de 45º. La siguiente figura muestra en elevación y planta un vertedero triangular:

Figura 3.4 Resalto producido en vertedero triangular


40

Canaleta Parshall

La forma de este dispositivo permite un aumento de la velocidad del flujo cuando disminuye la sección de escurrimiento, incrementándose bruscamente la pendiente en la garganta de la canaleta, creándose así un régimen turbulento que se utiliza para la dispersión del coagulante. Luego, al llegar a la zona de baja pendiente donde se ensancha la sección, cambia el régimen a través de un resalto.

Considerando un caudal de 5 l/s (pues trabajamos en el canal del laboratorio y no en

la planta piloto propiamente tal donde podemos variar el caudal, incluso hasta 30 l/s) y las condiciones geométricas del canal del laboratorio de fluidos, se optó por una garganta de W=3’ (7.6 cm.).

De acuerdo a la literatura, la curva de descarga es del tipo Q=K*Hn donde Q es el

caudal, H la altura del escurrimiento, K, y n son factores que dependen del ancho de la garganta. Para el caso de W=3’ los valores son K= 0.176, y n=1.547, con lo cual la curva de descarga es:

Q=0.176*H1.547 o Para esta garganta los caudales que se recomiendan son entre 0.85 y 53.8 l/s, lo

cual está dentro de los márgenes del canal. Todas las medidas están estandarizadas y sacadas de tablas (ver Figura III.11 y tabla III.3 Jorge Arboleda Valencia (2000) / Teoría y práctica de la purificación del agua - Santa Fe de Bogotá. McGraw-Hill.)

A continuación se muestra una figura de las dimensiones que caracterizan la

canaleta (en cm.).


41

Figura 3.5 Resalto producido en canaleta Parshall


42

3.2.3 Floculador

El floculador de la planta piloto es hidráulico de tabiques horizontales. El diseño permite transformar el espacio entre tabiques, para así poder variar la velocidad dentro del floculador. Se considero dos secciones, una primera parte a velocidades medias (0.15 m/s), una parte con velocidades bajas ( 0.1 m/s). El gradiente Hidráulico G, que se utilizo en el diseño es de alrededor de 50 s-1(los valores recomendados son 10-100 s-1 para no romper el flocs, pero usualmente se utiliza 20-60 s-1). Un factor a considerar es que la separación entre el tabique y el muro debe ser a lo menos 1.5 veces la separación entre los tabiques. Además, se considero un tiempo de retención hidráulica de 20 minutos (los períodos de retención varían entre 10-60 min. y los valores más comunes son de 20-40 min.).

Figura 3.6 Esquema floculador

Con estos valores se obtuvo un floculador que debe tener un volumen de: Vol= tiempo*caudal considerando un tiempo de retención de 20 min. y el floculador

va a funcionar con 0,7 l/s, nos queda: Vol= 20 min. *60 seg./min. *0,7 l/s = 840 litros Ahora se debe determinar el largo de cada tramo, recordemos que: Tramo 1: 0.15 m/s, 10 min. Tramo 2: 0.10 m/s, 10 min.


43

Con estos datos se determinan los lagos: L=vel*tiempo L1: 0.15m/s*10min*60s/min= 90 m L2: 0.10m/s*10min*60s/min= 60 m La sección del canal es A= Q/v

A1= 005.015.0

0007.0= m2 A2= 007.0

10.00007.0

= m2

Si consideramos placas de dimensiones de 0.3m de alto, con un borde libre de 0.095

m, con lo cual la profundidad del canal será de 0.215 m y los espaciamientos serán de: a=A/(altura útil de floculador)

a1= 022.0215.0005.0

= m=2,2 cm. a2= 033.0215.0007.0

= m=3,3 cm.

Los espaciamientos entre la punta del tabique y la pared serán: Esp=1,5*a Esp1= 1.5*0.022=0.017m=3.3 cm. Esp2=1.5*0.033= 0.05m=5 cm. Con estos datos podemos determinar el ancho del tanque: Si consideramos que el ancho del floculador es fijo de 1.5 mt. O sea que el ancho de

los tabiques es variable siendo: I=ancho-esp I1=1.5-0.033=1.467 m I2=1.5-0.05=1.45 m N= largo/ancho

1º tramo= N1= 605.1

90= => el largo del primer tramo es de 60*0.022=1,33 mt.

2º tramo= N2= 405.1

60= => el largo del segundo tramo es de 40*0.033= 1,33 mt.

Si consideramos el espesor de los tabiques de 3mm., tenemos el tamaño completo

del floculador:


44

Largo total= Largo primer tramo + espesor placa * Numero de placa primer tramo + Largo Segundo tramo +espesor placa * Numero de placas segundo tramo

Largo total= 2,97 mt 30 cm. de profundidad, 1.5 m. de ancho y 2,97 m. de largo. Las pérdidas de carga se determinaron de la siguiente forma:

Tramo Vel h1 A Perímetro

mojado R^(2/3) S S*L=h2 ht=h2+h1

cm/s cm. m^2 m M cm. cm. 1 15 20,7 0,005 0,463 0,046 0,0001 0,9 21,56 2 10 6,1 0,007 0,479 0,059 0,0001 0,6 6,72

R = Radio Hidráulico h1=3*N*v^2/(2*g) S=Pendiente

La potencia disipada en cada tramo es la siguiente:

P=ht/Tr ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==

r

ff

Th

VhQ

Pγγ

P1= =60*1056.21 0.0359 g-cm./cm./s P2= =

60*1072.6 0.0112 g-cm./cm./s

El gradiente se calcula se la siguiente forma:

[ ]⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

−−−

==−2

31 981

cmgrcmscmgr

PsGµµ

G1= =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

01.00359.0*981 59.376 S-1 G2= =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

01.00112.0*981 33.152 S-1

Con estos valores se puede ver que está dentro de los rangos que esperamos, es

decir, entre 20-60 S-1.


45

3.2.4 Sedimentador

El sedimentador que se diseñará en esta planta será de placas inclinadas con la opción de poder montar módulos y variar el largo y espaciamiento de las placas. Primero hay que determinar el sistema de entrada: la velocidad de entrada a las placas debe ser tal, que sea un flujo laminar evitando las turbulencias, y se debe a que funciona como un flujo pistón. Las velocidades de entrada no deben ser inferior a 0.2 m/s, y no mucho más que esto, pues se quiere evitar la ruptura del floc. Para el cálculo del sedimentador se usa una tasa de entre 120-185 m3/m2-día (estos valores son recomendados en la bibliografía existente). La salida es tan importante como la entrada del flujo, esto quiere decir, que debemos preocuparnos de este diseño de igual forma. Cabe notar que el método más recomendado es el de tubos perforados, donde escurre el agua libremente (no puede estar a diámetro lleno, pues la idea es que la extracción sea igual en todos los orificios). La carga debe ser entre 5-10 cm. sobre el orificio, o sea, el vertedero como tubo perforado debe estar a 5-10 cm. bajo el pelo de agua.

Es importante para este diseño que las placas y módulos que se considerarán sean fáciles de sacar y poner, además de poder variar el largo de las placas y el espaciamiento entre ellas (Figura 2.19).

Cálculo de las dimensiones del sedimentador: Vamos a considerar una tasa de 120 m3/m2-día. Pues si aumentamos el caudal,

poder mantenerlos dentro del rango recomendado, o sea, 120-180 m3/m2-día. Tenemos que determinar el número de sedimentadores, en este caso se considera

una unidad. Parámetros de diseño: Tasa superficial: T=120 m3/m2-día Viscosidad: ν =0.01 cm2/s(T =20ºC). Inclinación de placas α =60º Espaciamiento entre placas esp=3 cm. Espesor de placas e=0.005 m. Caudal Q=0,7 l/s. Determinemos entonces la velocidad del flujo entre las placas:

dm

senTasav 6.138

)(0 ==θ

Factor epsilon:


46

143.0005.003.0

005.0=

+=

+=

p

p

eee

ε

Área que debe cubrirse con placas

59.0)143.01(866.0*6.138

0007.0*86400)1)((*0

=−−

=εθν sen

QAT m2

Si consideramos un ancho de placas de 75 cm. y un largo de placas de 0,6 m.

podemos determinar el largo del sedimentador.

59.0159.0

º===

Sed

Tsed N

AA m2

81.075.059.0

===PlacaAncho

AL sedsed mt

Ahora determinaremos el Nº de Reynolds (T=20ºC)

22.9686400*

1*10000*/*/

01.003.0*6.138*2**2

2

2

20 =⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡⎥⎦⎤

⎢⎣⎡==

smdcm

scmmdm

veNR

υ

Dado que tenemos un Reynolds dentro de los valores esperados podemos continuar

calculando el sedimentador. Calculo de carga superficial equivalente:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+

=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+

=)60cos(*346.148*013.0

03.06,0)60(

6,138

cos**013.0

0

SenNeLsen R

sc

θθ

υυ

diammsc //5,13 23=υ

Determinación del número de placas por sedimentador

)(**

p

sed

eeasenAn+

=θ Donde a es el ancho de la placa =0.75 m.

16)005.003.0(*75.0

)60(*42.0=

+=

senn


47

Dado que es una planta piloto, se puede optar si se utiliza o no esta unidad, y se puede variar. Se considera tuberías con orificios en la entada, y en la salida colocar una canaleta con dientes triangulares en la salida, o una tubería con perforaciones que se encuentre sumergida.

3.2.5 Filtros

Para el diseño de esta unidad se consideran todas las unidades necesarias para que el lavado pueda ser con la ayuda de las otras unidades y se cumpla la velocidad mínima de lavado de 1 cm./s. Es decir, una unidad es lavada con el agua que están filtrando las otras unidades, las que poseen la particularidad de que tienen distintos lechos y con distintas configuraciones, o sea, utilizar lechos mixtos y simples con distintas granulometrías.

Para el cálculo se consideró un lecho mixto de antracita y arena para determinar las

pérdidas de carga en el lavado y en la filtración. Para el cálculo se estimó una tasa de 150 m3/m2/día y un caudal de 0,7 l/s. Lo que

nos da un área total de:

223

3

403.0//150

/48.60 mdmm

dmTasa

QAt ===

Si consideramos 6 unidades, el área de cada unidad es:

22 6720672.06403.0

ºcmm

unidadesnAA t

unidad ====

Existen dos alternativas para la forma del filtro, puede ser circular o cuadrada, las

dimensiones para cada alternativa es la siguiente: Circular => D= 0.29 m Cuadrado => L= 0.26 m Veamos si cumple con el criterio de velocidad de lavado, para esto debe cumplir

con que el caudal de lavado sea inferior al de entrada al sistema, o sea menos a 0,7 l/s: QL=Vlavado*Aunidad=0.01*0.0672=0.000672 m3/s =0.672 l/s Este valor cumple con ser menor que 0,7 l/s por lo cual el número de unidades es

correcta.


48

Las características del lecho para el cual se determinó la pérdida de carga es: Lecho filtrante

Antracita-arena

Tamaño Específico

Coef. Uniformidad.

D. Máx. D.min

Porosidad inicial

Peso específico

Espesor cm. mm mm mm Carbón Variable 1.1 1.54 2.38 1 0.48 1.5 Arena Variable 0.5 -- 1 0.595 0.43 2.65

Tabla 3.1 Característica de un lecho

espesor lecho\n filtro 1 2 3 4 5 6 Carbón (cm.) 70 56 42 28 14 0 Arena (cm.) 0 14 28 42 56 70

Tabla 3.2 Espesor de los lechos en cada filtro

Lecho soportante: Espesor Dmin Dmax cm. mm mm Arena Gruesa 5 1 2 Gravilla 10 2 3.36 Grava 15 3.36 6.36 Total lecho 100

Tabla 3.3 Distribución del lecho en un filtro

Respecto al lecho soportante, se considera este de tal forma que la velocidad de

sedimentación sea mayor a la del flujo, por lo cual este lecho no se mueve en el lavado. Ahora para poder determinar la altura del filtro tenemos que determinar la pérdida

de carga que se produce al lavar el filtro (cota sobre el vertedero de lavado para los filtros que aportan el agua) y la pérdida de carga durante el lavado, donde se puede determinar la altura del vertedero del canal recolector. Respecto a la altura del canal de agua filtrada, esto se representa en el esquema siguiente:


49

Hlab

Hfil

Figura 3.7 Auto lavado de filtros

Donde hf es la pérdida de carga durante la filtración, y hL es la pérdida de carga

durante el lavado.

3.2.5.1 Pérdida de Carga durante el lavado

h1: Pérdida de carga por expansión del lecho

La pérdida es aproximadamente de un 30-40%, para este caso se considerara una pérdida de carga: h1=(1-P0)(Ss-1)*L Para mantener el lecho suspendido se necesita entre 35-50 cm. de perdida de carga

cuando se usa arena y antracita (ver pagina 475 Jorge Arboleda Valencia. Teoría y práctica de la purificación del agua. Editorial McGraw-Hill. Santa Fe de Bogotá, 2000.)

Pero si consideramos la máxima pérdida de carga según la configuración del lecho,

nos da que esta es la del filtro seis (6) solo arena, y entonces no da: h1=(1-0.43)(2.65-1)0.70=0.65 m.


50

h2: Perdida de carga en lecho soportante Respecto al lecho soportante, se considera como perdida de carga un 10% del

espesor del lecho soportante, por lo tanto: h2=0.1*0.3=0.03m.

h3: Pérdida de carga por sistema drenante

Se considera una tubería de PVC con perforaciones laterales a 60º, para el cálculo, se estimó una perdida de carga de 1.3 m. h3=1.3 mt.

h4: Otras pérdidas y revancha h4=0.3 mt.

HL: altura total

Sumando todas las pérdidas, nos queda una pérdida de carga en el lavado de: HL=h1+h2+h3+h4= 0.65+0.03+1.3+0.3=2.27. Si consideramos un factor de seguridad de un 10% HL Final=1.1*2.27=2.5 mt. O sea, tomando cota 0 el fondo del filtro el espesor del sistema drenante 5 cm.=>

desde el fondo del filtro hasta el la canaleta de lavado tenemos: HVer=0.05(sistema drenante) + 0.30(lecho soportante) + 0.70(lecho filtrante) +

0.4*0.7(expansión lecho) + 0.18(revancha)=1.50mt


51

3.2.5.2 Pérdida de carga en filtración

h1: Pérdida de carga en el manto filtrante

Ocupando la formula de Fair & Hatch

∑=

−=

n

i i

i

e dx

CL

PPV

gfh

1233

0

20

0 *36*)1(*ν

0h =Perdida de carga en lecho limpio

f =Coeficiente empírico, experimental y adimensional, se utiliza 5 para motivos de diseño

ν =Viscosidad cinemática del agua (0,0131 a 100 C) g =Aceleración de Gravedad (980 cm./s) V =Tasa de filtración ( cm./s) P0 =Porosidad del lecho Ce =Coeficiente de esfericidad L =Espesor de la capa filtrante xi =Proporción de los granos de material de tamaño medio di (xi en tanto por

uno y di en cm.) Si recordamos los valores que tienen el carbón y arena es el siguiente:

Arena Carbón P0=0.44 P0=0.50 Ce=0.75 Ce=0.7

∑=

n

i i

i

dx

12 este valor es 211.06 para el arena y 46.83 para el carbón considerando las

curvas granulométricas

Si consideramos cada una de las configuraciones, tenemos en cada filtro:

Filtro No Espesor arena Espesor Carbón 1 0 70 2 14 56 3 28 42 4 42 28 5 56 14 6 70 0


52

Por la configuración del lecho, se puede resumir la pérdida de carga por:

Filtro 1 2 3 4 5 6 H0 carbón 0,056 0,045 0,034 0,022 0,011 0,000 H0 arena 0,000 0,081 0,162 0,242 0,323 0,404

h1= H0arena+ H0carbón 0,056 0,125 0,195 0,265 0,334 0,404

h2: Pérdida de carga en lecho soportante

Al igual que al lavar el filtro, la pérdida de carga alcanza un 10% del espesor de este, o sea :

h2= 0.3*0.1= 0.03 mt

h3: Pérdida de carga en el sistema drenante, medidor, cañerías, codos, tee y válvulas

Dada la confección del sistema drenante y sistema de cañerías y válvulas se estima:

h3= 0,52 mt.

h4: Carga sobre el vertedero de salida

Ocupando la fórmula de pérdida de carga en vertedero: h=3/2

*2*43.0* ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

gLQ

donde L se considera de 30 cm., obtenemos:

h4= 0.0027m

h5: Otras pérdidas

Un buen valor, considerando factores de seguridad, es de :

h5= 0.05 m

HL: Pérdida de carga total

HL= h1+h2+h3+h4+h5

Filtro 1 2 3 4 5 6 Total= 0,658 0,727 0,797 0,867 0,936 1,006

Ahora bien, si consideramos que el lecho no está del todo limpio y la carrera de los

filtros re realiza una vez al día, entonces, la pérdida de carga para lechos sucios y medio sucios, en promedio, considerando los seis filtros, registra una pérdida de carga en promedio de 0.11 m., lo que implica que la cota del pelo de agua a la entrada del filtro


53

(agua a filtrar o sea agua sedimentada), y si consideramos la peor situación que es el lecho solamente de arena nos queda

hfinal= HL +0.11= 1.01+0.11=1.12 m.

la diferencia de cota entre el pelo de agua del vertedero y el pelo de agua sobre el lecho filtrante es 2.00 m.

Si consideramos la pérdida de carga sobre el vertedero, h=0.0027=> la diferencia de

cota desde el vertedero hasta el pelo de agua del agua a filtrar es de:

Cota pelo de agua = cota vertedero + pérdida de carga durante el lavado Donde la cota vertedero = pérdida de carga lavado + pérdida de carga vertedero

filtro + cota salida agua sucia de lavado = 2,5+0,0027+1,50=4,0027m Cota pelo de agua =4,0027+1,006=5,0087≅ 5,01 m De estos mismos números podemos determinar la cota del vertedero de salida, pues

debemos considerar que para el lavado del filtro necesitamos una cota del vertedero de agua de salida más la pérdida de carga durante el lavado, o sea, la cota del vertedero de salida es:

Cota vertedero salida = cota vertedero Cota vertedero salida = 4,0027 ≅ 4,01 m.

Si consideramos un resguardo y aproximamos, los muros del filtro se realizarían de

5,5 mt de alto, aunque como sólo nos interesa ver la expansión del lecho, podemos poner una tubería de PVC por sobre la canaleta de lavado pues sólo necesitamos la altura de presión, y esta no cambia si ponemos esta tubería para asegurar una carga las tuberías van a extenderse 3,5 metros sobre el tope de la parte de acrílico que tendría un largo de 2 metros, o sea, la altura total del filtro es de 5,5 metros para que funcione con la modalidad de auto lavado.

Dado que no contamos con tanta altura en el laboratorio, se decidió lavar con

estanque para ver la expansión del lecho (la modalidad de auto lavado, pero sin alcanzar las velocidades para expandir el lecho, por lo cual, esta modalidad es solo docente para el manejo de válvulas).

El filtro se exhibe en detalle en el anexo de planos, pero aquí se muestra en tamaño

reducido para que se entienda más fácilmente.


54

Lech

o so

porta

nte

Lech

o Fi

ltran

te

Expa

ncio

nLe

cho

Filtr

ante

Revancha

Grava

Arena Gruesa

Gravilla

Arena

Carbon

Tube

ria P

VC

EntradaAgua Floculada

SalidaAgua de labado

Salida Agua FiltradaEntrada Agua Labado

NivelFiltracion

NivelLavado

Revancha

Figura 3.8 Filtro planta piloto


55

3.3 Eje hidráulico

Para terminar este capitulo, es necesario resumir el diseño con un eje hidráulico de cada proceso, se detallaran las dos situaciones, la ideal, y la de la planta piloto, estas se detallan a continuación:

3.3.1 Modalidad de filtración

3.3.1.1 Eje hidráulico en proceso de filtración ideal Tenemos que tomar como restricción cota en el vertedero de salida de agua filtrada, o

sea la cota de salida respecto a la referencia del fondo del filtro como cota 0 es: Cota vertedero de salida = 4,01 m. Cota pelo agua en filtros = 5,01 m. Cota en estanque de carga = 5,05 m. Cota en entrada coagulador = 5,25 m. Cota en estanque de acumulación = 6,00 m. Gráficamente se muestra en la Figura 3.9 que se muestra a continuación:

6 m

.

5,25

m.

5,05

m.

5,01

m.

4,01

m.

4,01

m.

5,01

m.

5,05

m.

6 m

.

Figura 3.9 Eje hidráulico Filtración ideal


56

3.3.1.2 Eje hidráulico en proceso de filtración en planta piloto:

Al igual que en la situación ideal, tenemos que considerar el vertedero de salida como cota fija, al igual que el caso anterior consideramos como cota 0 el fondo de los filtros

Cota vertedero de salida = 3,20 m. Cota pelo agua en filtros = 3,55 m. Cota en estanque de carga = 3,75 m. Cota en entrada coagulador = 3,95 m. Cota en estanque de acumulación = 5,00 m.

Gráficamente se muestra en la Figura 3.10 que se muestra a continuación:

5 m

.

3,95

m.

3,75

m.

3,50

m.

3,20

m.

Figura 3.10 Eje hidráulico proceso filtración planta piloto


57

3.3.2 Modalidad de auto lavado

3.3.2.1 Modalidad de auto lavado en sistema ideal

Para esta modalidad debemos recordar que la tasa de los filtros aumenta, y remplazamos el caudal en las tablas de Excel a un caudal de 0,14 l/s. , con los cual nos queda:

Cota vertedero de salida = 4,01 m. Cota pelo agua en filtros = 5,08 m. Cota en estanque de carga = 5,10 m. Cota en entrada coagulador = 5,25m. Cota en estanque de acumulación = 6,00 m.


6 m

.

5,25

m.

5,10

m.

5,08

m.

4,01

m.

4,01

m.

6 m

.

1,50

m.

Figura 3.11 Eje hidráulico Auto lavado de de filtros


58

3.3.2.2 Eje hidráulico en proceso de auto lavado en planta piloto:

Al igual que en la situación ideal, tenemos que considerar el vertedero de salida como cota fija, al igual que el caso anterior consideramos como cota 0 el fondo de los filtros

Cota vertedero de salida = 3,20 m. Cota pelo agua en filtros = 3,58 m. Cota en estanque de carga = 3,75 m. Cota en entrada coagulador = 3,95 m. Cota en estanque de acumulación = 5,00 m.


5,00

m.

3,95

m.

3,75

m.

3,58

m.

3,20

m.

1,50

m.

Figura 3.12 Eje hidráulico en auto lavado en planta piloto


59

3.3.3 Eje hidráulico en proceso de lavado con estanque:

Esta modalidad funciona muy bien en la planta piloto al igual que en la situación ideal, pues la carga que nos da el estanque alcanza sin problema para lavar el filtro.

Planta ideal:

Cota salida agua sucia de lavado = 1,50 m. Cota en estanque de acumulación = 6,00 m.

Planta piloto

Cota salida agua sucia de lavado = 1,50 m. Cota en estanque de acumulación = 5,00 m.

Gráficamente se muestra en la Figura 3.13 que se muestra a continuación: 1,

50 m

.

6,00

m.

Plan

ta id

eal

5,00

m. P

lant

a pi

loto

Figura 3.13 Eje hidráulico lavado con estanque

Planta piloto de tratamiento de agua potable con fines docentes Por Ricardo Opazo C. 4 Implementación Planta Piloto

60

4 Implementación Planta Piloto

4.1 Introducción

Dados los recursos existentes, se pudo finalmente construir la planta piloto inicial. Después de analizar las distintas alternativas se optó por la más cercana al presupuesto y por lo tanto la más funcional. Con estos criterios bien determinados, se decidió construir una planta de filtración directa de 0,7 l/s. en una primera etapa

4.2 Etapas

Primera etapa: Filtración directa. Segunda etapa: Tratamiento completo.

4.2.1 Planta piloto primera etapa

Las unidades incluidas en esta primera etapa son:

• Estanque de agua, alimentación de la planta. • Coagulador (vertedero triangular). • Filtros. • Vertedero de control de salida.


61

La distribución inicial de la planta es la siguiente:

Figura 4.1 Esquema primera etapa

Filtros

Coagulador y cámara de carga

Vertedero de salida Piezometros


62

1) Estanque:

Estanque alimentación: 1000 lt. (Para una autonomía de 30 min.).

2) Coagulación:

Coagulador hidráulico con vertedero triangular: Canal de 20 x 15 cm y pequeño estanque receptor de 40 x 40 x 40 cm

Figura 4.2 Coagulación con vertedero triangular

Vista en planta

Vista en corte

Vertedero triangular Entrada agua


63

3) Filtros:

Batería de 6 filtros con sistema de auto lavado: Detalle una unidad: Como se aprecia en el diseño para el cálculo de pérdidas de carga se consideró un

lecho mixto de antracita y arena sobre un lecho soportante de grava, gravilla y arena gruesa.

Los otros filtros se consideraron con otras configuraciones. Como se tiene una

batería de 6 filtros, se desea poder hacer todas las configuraciones de lechos que se pueda, o sea, en uno, poner solo antracita; en otro, solo arena; en el siguiente, colocar otro lecho filtrante, etc.

Como se menciona al comienzo de este capítulo, el lavado de filtros incorpora el

método de auto lavado, es decir, los filtros se lavan con agua filtrada de las otras unidades sin la necesidad de estanques extras o bombas adicionales. Aunque en el diseño también está estimado el lavado con bomba, esta es la misma que se consideró para llenar el estanque de agua sucia.

Para el control del nivel de agua en la filtración se consideró un vertedero de salida

el cual se puede ajustar el nivel, que sirve para determinar el nivel mínimo de lavado de filtros en la práctica.

Lech

o so

porta

nte

Lech

o Fi

ltran

te

Expa

ncio

nLe

cho

Filtr

ante

Revancha

Grava

Arena Gruesa

Gravilla

Arena

Carbon

Tube

ria P

VC

EntradaAgua Floculada

SalidaAgua de labado

Salida Agua FiltradaEntrada Agua Labado

NivelFiltracion

NivelLavado

Revancha

Figura 4.3 Filtro base de diseño


64

4) Vertedero regulador de nivel de lavado de filtros: Tal como se mencionó antes, este vertedero sirve para regular el lavado de los

filtros. Además, considera el nivel del vertedero un poco más alto de lo calculado debido a la variación de lechos y las pérdidas en tuberías para dejar un nivel adecuado de este. El detalle de este vertedero se muestra a continuación:

VertederoAjustable

Figura 4.4 Vertedero de salida

Para tener una noción de cómo es esta primera etapa, se construyó una maqueta a una escala 1:10 que se muestra a continuación:


65

Figura 4.5 Primera etapa vista frontal Figura 4.6 Primera etapa vista izquierda

Figura 4.7 Primera etapa vista derecha Figura 4.8 Primera etapa vista trasera


66

Figura 4.9 Primera etapa vista en planta

4.2.2 Planta piloto segunda etapa

El proyecto de la memoria consistía en una planta tradicional completa, es decir, con todas las unidades. Para una segunda etapa, se considera un sedimentador y un floculador aparte de las baterías de filtros existentes y el coagulador hidráulico de la planta piloto inicial. Por otro lado, también incluye otros sistemas de coagulación hidráulica como lo es el cambio de pendiente, una canaleta Parshall, que se consideran como experiencias anexas en el canal del laboratorio. Como experiencias en estos coaguladores hidráulicos, la inyección óptima del coagulante según el tipo de coagulador que se esté utilizando, para la cual se debe realizar en el canal del laboratorio, y no en la planta propiamente tal.

Dentro del espacio de la planta piloto inicial, se considera la ubicación del

sedimentador de placas. El esquema se muestra a continuación:


67

Sedi

men

tado

r

Figura 4.10 Esquema segunda etapa

1) Sedimentador:

En esta segunda etapa se considera como primera ampliación un sedimentador de placas, el cual va a estar dentro de la estructura tal como se muestra en el esquema anterior. La configuración permite operar los filtros o el sedimentador en forma independiente y, por supuesto, en serie, como en una planta real. Esta conformación entrega más experiencias a realizar y permite visualizar el funcionamiento de un sedimentador de placas donde se puede experimentar, por ejemplo, el caudal óptimo para su funcionamiento, la separación entre placas que funciona mejor. Ver cómo mejora el tratamiento al incluir un sedimentador, respecto a la filtración directa. La nueva unidad considerada en la segunda etapa es el sedimentador de placas que se muestra a continuación:

Filtros

Coagulador y estanque de carga

Vertedero de salida


68

Placas

Entrada Agua Floulada

Salida Aguas sedimentada

Figura 4.11 Sedimentado de placas segunda etapa

Las otras unidades se conservan de la primera etapa. En la configuración que se

mostró en el esquema de la segunda etapa, sólo se mueven los filtros y se ajustan las tuberías para tomar carga de los filtros indicados.

Una forma tentativa de cómo quedaría esta segunda etapa la podemos observar en la

maqueta a escala 1:10 que se muestra a continuación:


69

Figura 4.12 Segunda etapa vista frontal Figura 4.13 Segunda etapa vista derecha

Figura 4.14 Segunda etapa vista izquierda Figura 4.15 Segunda etapa vista trasera


70

Figura 4.16 Segunda etapa vista en planta

Respecto al floculador, este tendría que ir fuera de la estructura de la planta inicial,

lo que significa construir otra estructura y ubicarla dentro del laboratorio a un lado de la planta inicial.


71

4.3 Ubicación planta piloto en el laboratorio

Dentro del laboratorio de hidráulica Francisco Javier Domínguez, se analizaron los distintos lugares donde podía ubicarse la planta y se determinó que el mejor espacio para ésta era cerca de un desagüe de aguas lluvias que permitiera descargar el agua sucia. Se consideró también la cercanía con una toma de agua potable para llenar el estanque. Otro criterio tuvo que ver con no afectar a las otras instalaciones y que el suelo donde se soporta la unidad fuera firme, o sea, que existieran rejas que pudieran comprometer la estructura. Después de analizar todo en el laboratorio, se determinó que la mejor ubicación era la nor-poniente, la que se muestra a continuación:

Zentina

Can

al

Ventana

Zona

Ped

ida

Figura 4.17 Ubicación utilizada en el laboratorio

Zona

util

izad

a


72

4.4 Construcción de unidades

La planta piloto en su primera etapa considera las unidades de coagulación, considerando ésta como un canal con vertedero triangular, un estanque de carga para luego ir a los filtros y, finalmente, al vertedero de salida de agua sucia.

4.4.1 Estanque

A continuación se indican sus principales características y se adjuntan fotos de la maqueta y unidad construida:

Tabla 4.1 Estanque

Unidad Estanque. Dimensiones 1000 litros. Diseño 15 minutos de operación autónoma una ves

llenadas las unidades. Materiales Aluminio, fibra de vidrio. Ubicación Sobre estructura. Construcción Producto industrial.

Figura 4.18 Estanque proyectado Figura 4.19 Estanque real


73

Figura 4.20 Válvula estanque


74

4.4.2 Coagulador

A continuación se indican sus características principales y se adjuntan fotos de la maqueta y unidad construida:

Tabla 4.2 Coagulador

Unidad Coagulador. Diseño Coagulador hidráulico con vertedero

triangular. Dimensiones • Canal de 20 x 15 cm.

• Vertedero triangular. Materiales Acrílico de 10 mm. Ubicación Parte superior de la estructura. Construcción En taller del departamento, a partir de

planchas de acrílicos de 10 mm de 240 x 180 cm., las que se cortaron, pulieron y pegaron para darle la forma requerida. El detalle de estos cortes de detalla en el anexo corte.

Figura 4.21 Plano coagulación planta

Vista en planta

Vertedero triangular Entrada agua

Vista en corte


75

Figura 4.22 Coagulador esperado y estanque acumulación agua coagulada

Figura 4.23 Canal para resalto con vertedero triangular


76

Figura 4.24 Vertedero triangular.

4.4.3 Estanque acumulación agua coagulada

A continuación se indican sus principales características y se adjuntan fotos de la maqueta y unidad construida.

Para dar una carga más estable a los filtros se considera un pequeño estanque de

acumulación de agua coagulada, el que está ubicado inmediatamente a continuación del canal del coagulador. Este estanque puede ser de cualquier material, pero se prefiere en acrílico para que siga la estética de la planta, ésta se muestra la Figura 4.22, inmediatamente a continuación del canal. Finalmente se muestra en la foto de la figura siguiente como quedó:


77

Tabla 4.3 Estanque agua coagulada

Unidad Estanque agua coagulada. Diseño Estanque para acumular agua y dar carga a

las unidades siguientes. Dimensiones Estanque de 40x40x50 cm. Materiales Acrílico de 10mm. Ubicación Parte superior de la estructura. Construcción En taller del departamento, a partir de

planchas de acrílicos de 10mm de 240 x 180 cm., las cuales se cortaron, pulieron y pegaron para darle la forma requerida. El detalle de estos cortes se observa en el anexo corte.

Figura 4.25 Estanque agua coagulada


78

4.4.4 Filtros

A continuación se indican sus principales características y se adjuntan fotos de la maqueta y unidad construida:

Tabla 4.4 Filtros

• Para la construcción de filtros hay que considerar, en primer lugar, una matriz para

poder moldear la plancha de acrílico en el horno y así poder dejar el filtro del diámetro requerido. A continuación se muestra el método constructivo para la realización de los filtros, que consta primero en hacer tubos de un metro, los que son pegados para llegar a la altura deseada de los dos metros.

Figura 4.26 Matriz del filtro

Unidad Filtro Diseño 0,7 l/s con distintas configuraciones de

lecho. Dimensiones Diámetro interior 28 cm.

Alto 2 m. en acrílico + 1,6 m. tubería PVC. Total 2,6 m. de altura.

Materiales Acrílico de 8mm. Columnas. Acrílico de 10mm. Flanche.

Ubicación Dentro de la estructura pertinente a los filtros.

Construcción En taller del departamento, a partir de planchas de acrílicos de 8 y 10mm. de 240 x 180 cm., las cuales se cortaron, pulieron y pegaron para darle la forma requerida. El detalle de estos cortes se muestra en el anexo corte.


79

Figura 4.27 Moldaje filtro

Figura 4.28 Moldaje filtro


80

Figura 4.29 Columna desmoldada

• Estando lista las columnas de un metro, ésta se rectifica y se arma la columna completa, es decir, se juntan dos columnas de un metro quedando la columna a la altura necesaria. Una vez completa esta fase, se arman los flanches y se completa la etapa de las columnas.

Figura 4.30 Flanche que se usa para las tapas


81

Figura 4.31 Unión de las dos columnas

Figura 4.32 Columna terminada y probada contra la filtración


82

• Una vez armados los tubos de acrílico, la salida del filtro que consta de una

tubería de PVC a la que consideraremos como sistema drenante. Recordemos que necesitamos un 3,3% del área total del filtro. El área total de los orificios es de 2,05 cm2, si consideramos una distancia de 4 cm. entre orificios, y separados de 2 cm. de cada extremo y tenemos dos orificios en cada tramo a una ángulo 600 con la vertical tenemos 14 orificios en total, con lo cual para respetar el área total los orificios deben ser de 4,3 mm. Esta parte del filtro quedó de la siguiente manera:

Figura 4.33 Sistema drenante


83

Figura 4.34 Sistema drenante instalado

• Como última intervención a las columnas se consideran las tomas piezométricas, las

cuales se encuentran a la altura del sistema drenante, o sea, 5 cm., en la interfase lecho soportante y lecho filtrante 30 cm., en la mitad del lecho filtrante, es decir, 70 cm. y finalmente a 10 cm. sobre el lecho filtrante, o sea, a 110 cm. del fondo.

Carbon

Arena

Gravilla

Arena Gruesa

Grava

Figura 4.35 medida tomas piezométricas


84

Figura 4.36 Tomas piezométricas

• Para poder darle carga a los filtros hace falta a lo menos 1,34 m., lo cual se lo

damos con unas tuberías para, de esta manera, ahorrar en acrílico. Si consideramos una revancha aceptable de 26 cm. nos queda una tubería de 1,6 m. El filtro armado queda de la siguiente forma:


85

Figura 4.37 Forma de los filtros esperada

Figura 4.38 Planta piloto terminada


86

4.5 Vertedero de salida

La función del vertedero de salida es regular la altura para poder lavar los filtros con auto lavado.

Tabla 4.5 Vertedero de salida

VertederoAjustable

Figura 4.39 Plano vertedero de salida

Unidad Vertedero de salida. Diseño Estanque que regula la altura del vertedero. Dimensiones Estanque de 40x40x50 cm. Materiales Acrílico de 10 mm. Ubicación Dentro de la estructura metálica. Construcción En taller del departamento, a partir de

planchas de acrílicos de 10mm de 240x 180 cm., las cuales se cortaron, pulieron y pegaron para darle la forma requerida. El detalle de estos cortes de observa en el anexo corte.


87

4.6 Estructura metálica:

A continuación se indican sus principales características y se adjuntan fotos de la maqueta y unidad construida.

Tabla 4.6 Estructura

Pasos seguidos en la construcción:

1. Cortar los perfiles según se determinó. Ver anexo corte.

Figura 4.40 Cortes viga estructura, vigas de anclaje y peldaños escalera

Unidad Estructura Diseño Soporte todas las unidades y las contenga

en su interior. Dimensiones 2x2x4,5 m. Materiales • Perfiles cuadrados 50x3 mm.

• Perfiles cuadrados 40x3 mm. • Ángulos laminados 40x3 mm. • Ángulo Laminado 30x3 mm. • Tablones 2x6 pulgadas

Ubicación Determinada en capítulo 4.3. Construcción En taller del departamento, a partir de de

los perfiles metálicos recién mencionados, los que se cortaron y soldaron para darle la forma requerida. El detalle de estos cortes se muestra en el anexo corte.


88

Figura 4.41 Pilares estructura y escalera

Figura 4.42 Sierra para cortar los fierros


89

2. Armar los paneles. 3. Unir paneles.

Figura 4.43 Unión de dos paneles

4. Pegar escalera.

Figura 4.44 Estructura con escalera


90

5. Armar plataforma de madera. 6. Anclar estructura. 7. Armar baranda y anclarla.

Figura 4.45 Plataforma y baranda y estanque

8. Pintar estructura.

Figura 4.46 Estructura pintada y lista para iniciar montaje


91

4.7 Montaje de unidades

Para el montaje, lo primero que se necesita es el armazón para sujetar las unidades, que se logra con perfiles metálicos, los cuales se sujetan en la estructura. Primero tenemos que sostener el canal y el estanque de coagulación, luego, siguiendo la línea de agua, necesitamos sujetar los filtros y, finalmente, el vertedero de salida. Las estructuras se muestran a continuación y cumplen con las alturas requeridas.

Figura 4.47 Estructura sujeta estanque

Estas estructuras sujetan las unidades pertinentes quedando de la siguiente manera:


92

Figura 4.48 Canal y estanque de carga y salida de agua coagulada

Figura 4.49 Válvula reguladora de caudal (entrada de estanque)


93

Figura 4.50 Vertedero triangular para medir caudal

Figura 4.51 Entrada agua coagulada al sistema de válvulas


94

Figura 4.52 Sistema de válvulas, entrada de agua coagulada, salida agua sucia de lavado

Figura 4.53 Sistema drenante y de auto lavado


95

Figura 4.54 Medidor para medir las tasas

Figura 4.55 Salida a vertedero de salida


96


Figura 4.57 Válvula para secar los filtros


97

Figura 4.58 Desagüe de aguas colector agua limpia, agua sucia de lavado y agua para secar

filtros

Luego de todo el montaje hidráulico, la planta se prueba hidráulicamente para

detectar posibles filtraciones. Posteriormente falta colocar el lecho filtrante, lo que se hace desde la parte superior del filtro. Una vez terminado ésto, se sella con la tapa y se coloca la tubería que nos permite una carga adecuada para el funcionamiento.


98

Figura 4.59 Colocación del lecho filtrante, lecho soportante, la arena se distribuye en forma

ascendente de 0, 14, 28, 42, 56 y 70 cm.

Figura 4.60 Colocación de carbón en forma descendente de 70, 56, 42, 28, 14 y 0 cm.


99

Figura 4.61 Tubería para toma carga en el filtro

Figura 4.62 Tomas piezométricas de los 6 filtros


100

Figura 4.63 Vista planta terminada y lista para puesta en marcha

Planta piloto de tratamiento de agua potable con fines docentes Por Ricardo Opazo C. 5 Puesta en marcha

101

5 Puesta en marcha

5.1 Introducción

La puesta en marcha consiste en dejar operando la planta y ajustar los parámetros para que ésta funcione como es requerido. Entre otras cosas, hay que asegurar que el sistema opera sin fugas, para lo cual hay que tomar las medidas necesarias.

Otro factor a considerar es el funcionamiento de los filtros. Para esto hay que

determinar la altura del vertedero de salida con lo cual se aumenta o disminuye la carga en los filtros.

Este aumento o disminución de carga es necesario para el retro lavado de los filtros,

pues al aumentar la altura del vertedero, aumenta la carga sobre los filtros y así aumenta el caudal para el retro lavado, lo cual es útil si falta, pero, en caso contrario, el lecho puede irse por el desagüe, para lo cual se tendría que disminuir la altura del vertedero. Esto es posible gracias a que el vertedero tiene regulaciones que lo permiten.

5.2 Eliminación de fugas

Dentro las pruebas hidráulicas se encontraron fugas. En la primera prueba hidráulica se descubrió una fuga en una válvula de entrada de agua coagulada (válvula del filtro n0 3), la cual se corrigió sellándola con silicona, pues el sello de goma no funcionó correctamente.

Figura 5.1 Válvula reparada


102

En la segunda prueba hidráulica ya con lecho y presión, se encontraron dos fugas, una en el flanche del filtro n03, la cual se corrigió inmediatamente, y otra, en los piezómetros, los que se trizaron y por esas trizaduras se encontraron unas fugas, las que se corrigieron con un sello de silicona.

Figura 5.2 Flanche filtro reparado con silicona

Figura 5.3 Piezómetro reparado con silicona

Una vez reparados los piezómetros, se detectaron las últimas fugas en el estanque de

carga para los filtros.


103

Figura 5.4 Estanque de carga reparado

5.3 Preparación de la planta para operación

Para que la planta piloto opere adecuadamente, lo primero que hay que hacer es abrir la llave de paso hacia el estanque (ver Figura 5.5).

Figura 5.5 Válvula de paso para llenar estanque

Luego se deben llenar los 6 filtros con agua, para lo cual hay que cerrar la válvula de

desagüe de filtros (ver Figura 5.6), cerrar la válvula by pass del estanque (ver Figura 5.7) y abrir la válvula del vertedero de salida (ver Figura 5.8).


104

Figura 5.6 Válvula de desagüe cerrada

Respecto al aire que quedo retenido en el lecho, este se libera cuando se realiza el

retro lavado.

Figura 5.7 Válvula by pass estanque cerrada


105

Figura 5.8 Válvula vertedero de salida abierta

Una vez llenos los filtros, es decir, cuando empieza a salir agua por el vertedero de

salida (ver Figura 5.9), se debe llenar completamente el estanque, por lo que es necesario cerrar la válvula que va hacia el coagulador (ver Figura 5.11). El nivel de los filtros se puede observar a través de los piezómetros, los que deben estar estáticos y al mismo nivel del vertedero de salida (ver Figura 5.10).

Figura 5.9 Vertedero de salida con agua filtrada


106

Figura 5.10 Nivel de los piezómetros con los filtros llenos


107

Figura 5.11 Válvula entrada coagulador

Estando estos requerimientos cumplidos la planta puede empezar a operar.

Para la buena operación de la planta la apertura de la válvula del coagulador debe ser tal, que el caudal sea el suficiente para que pueda operar (teóricamente este es de 0,7 l/s). Teniendo este caudal satisfecho la planta debe funcionar sin problemas. Una forma fácil de determinar la apertura de la válvula, es que el nivel de agua en el estanque de carga no llegue al canal (ver Figura 5.12).

Figura 5.12 Nivel en cámara de carga

5.4 Filtración

El proceso de filtración durante la marcha blanca resultó de una manera adecuada, pues se puede apreciar muy bien la filtración y las pérdidas de carga en los piezómetros (ver Figura 5.13). Se puede determinar el caudal aforando la salida del agua filtrada (ver Figura 5.14) y se puede ver claramente el vertedero de salida (ver Figura 5.15).


108

Figura 5.13 Piezómetros de un filtro en proceso de filtración

Figura 5.14 Salida agua filtrada


109


Como se puede ver, en este tipo de operación se permite calcular pérdidas de cargas

según la tasa de filtración y según la configuración del lecho de cada uno de los filtros.

5.5 Lavado de filtros

Dentro de la marcha blanca el lavado de filtros es lo más crítico, pues es aquí donde se determina la variación de todos los factores importantes en el sistema y las diferencias con lo calculado.

Durante este período inicial se pudo determinar que las pérdidas de carga producidas

en todo el sistema de tuberías y válvulas son mucho mayor al esperado, por lo que no se puede alcanzar las velocidades de 1 cm/s. Para solucionar este problema primero se levantó el vertedero de salida y se agregó a la planta la opción de lavado con estanque. Otra solución posible es sacar los medidores para aplicar el sistema de auto lavado para lo que se considera una pieza que reemplace el medidor (tiene las mismas dimensiones de entrada y salida además de se del mismo largo que el medidor).

Lo que se pudo observar durante el lavado de filtros son los caminos preferenciales

del flujo (ver Figura 5.16), estos ocurren al comienzo del lavado con estanque y un tiempo considerable en el proceso de auto lavado, y la interfase entre agua limpia y agua sucia en los filtros (filtro de arena ver Figura 5.17). Algo muy importante durante la marcha blanca es sacar el fino del carbón de los filtros (ver Figura 5.18). Este es el fino del carbón que se puede apreciar muy bien en la Figura 5.18. También se puede ver como se separan los lechos, o sea, ver cómo afecta la densidad de ellos. Esto se puede apreciar en la Figura 5.19.


110

Figura 5.16 Caminos preferenciales en el lavado

Figura 5.17 Movimiento de los finos del arena en forma ascendente


111

Figura 5.18 Lavado de filtros con lecho mixto

Figura 5.19 Separación de los lechos


112

Como se mencionó antes, se puede apreciar que con el lavado con estanque de los filtros la expansión del lecho resulta ser mucho mejor, pues el caudal que pasa es mayor que en el caso de auto lavado, dado que la pérdida de carga de los medidores es solo un medidor, además también se considera que no tenemos la pérdida del lecho filtrante de las otras unidades, con lo que ganamos aproximadamente 1,5 mt. Tal como se ve en las siguientes secuencias de fotografías:

Figura 5.20 Condición inicial del lavado

Figura 5.21 Condición transitoria del lavado


113

Figura 5.22 Condición final lecho durante el lavado

5.6 Vaciado de los filtros y del estanque

Por motivos de seguridad, por ejemplo un sismo o una manipulación externa, se debe dejar el sistema sin agua para evitar alguna inundación u accidente a personas ajenas. Lo primero que se debe hacer es cerrar el paso de agua al estanque (ver Figura 5.23) y la válvula de seguridad (ver Figura 5.24). Para dejar los filtros y estanque secos se deben abrir todas las válvulas, en primer lugar, la del desagüe de los filtros (ver Figura 5.25), al igual que las válvulas del sistema drenante (ver Figura 5.26). Para asegurarse que el estanque quede vacío se debe dejar abierto el by pass (ver Figura 5.27) y, posteriormente, cerciorarse de que la válvula del vertedero esté abierta (ver Figura 5.28). A continuación se muestra la secuencia correcta para vaciar toda la planta:


114

Figura 5.23 Válvula de llenado de estanque cerrada

Figura 5.24 Válvula que de seguridad en arranque


115

Figura 5.25 Válvula de desagüe abierta

Figura 5.26 Válvula de sistema drenante abierta


116

Figura 5.27 Válvula by pass abierta

Figura 5.28 Válvula del vertedero de salida abierta

Una vez abiertas todas estas válvulas es preciso no abandonar la planta hasta

cerciorarse que quedó toda la planta vacía.

Planta piloto de tratamiento de agua potable con fines docentes Por Ricardo Opazo C. 6 Manual de operaciones

117

6 Manual de operaciones

6.1 Especificaciones de la planta

Unidad Características Planta 0,7 l/s

Estanque 1000 litros coagulación Vertedero Triangular Filtración Batería 6 filtros con distintas configuraciones de lecho

Modos de operación o Filtración o Auto lavado o Lavado con estanque

Tabla 6.1 Especificaciones de la planta

Figura 6.1 Esquema general de la planta

Válvula seguridad estanque

V-EC Válvula Entrada Coagulador

V-AC Válvula agua coagulada

V-ASL Válvula Agua Sucia de Lavado

V-AF Válvula agua filtrada

V-BE Válvula by-pass estanque V-VS Válvula

de vertedero de salida

V-D Válvula desagüe


118

6.2 Esquema general y distribución de las válvulas

Figura 6.2 Vista izquierda planta


119

Figura 6.3 Vista derecha planta


120

Figura 6.4 Detalle válvula agua filtrada y vertedero de salida

6.3 Llenado de filtros

Cerrar válvula de desagüe (Ver Figura 6.5).



121

Válvula de agua sucia de lavado cerrada. Válvula de agua coagulada abierta (Ver Figura 6.6).

Figura 6.6 Válvula de agua coagulada abierta y válvula de agua sucia de lavado cerrada

Tomadas estas precauciones:

Abrir válvula agua filtrada (Ver Figura 6.7).

Figura 6.7 Válvula agua filtrada abierta


122

Abrir válvula de salida al vertedero (Ver Figura 6.8).

Figura 6.8 Válvula vertedero de salida abierta

Cerrar válvula del by pass del estanque (Ver Figura 6.9).

Figura 6.9 Válvula by pass estanque cerrada


123

Abrir válvula del coagulador (Ver Figura 6.10).

Figura 6.10 Válvula entrada al coagulador abierta

Tomadas estas medidas tomadas se puede empezar a llenar los filtros.

Abrir llave de llenado del estanque (Ver Figura 6.11).

Figura 6.11 Válvula de llenado de estanque abierta

Revisar si la válvula de seguridad está abierta (Ver Figura 6.12).


124

Figura 6.12 Llave de seguridad

El llenado de los filtros tarda aproximadamente 40 minutos, una vez que la salida de

agua filtrada empiece a verter, quiere decir que los filtros están llenos.

Cerrar válvula de entrada al coagulador (Ver Figura 6.13).

Figura 6.13 Válvula del coagulador cerrada


125

Esperar que el estanque se llene. Este proceso puede tardar otros 40 minutos. Para saber

el nivel del estanque basta con ver la graduación en el mismo. (Ver Figura 6.14).

Figura 6.14 Nivel del estanque

Tabla 6.2 Válvulas en llenado de filtros y estanque

Válvula Situación inicial Situación final

llenado de filtro Situación final

llenado de estanque V-E C A A

V-AC A A A V-AF A A A

V-ASL A C C V-VS A A A V-BE A C C V-EC A A C V-D A C C

A Abierta C Carrada


126

6.4 Filtración

6.4.1 Operación Filtración

Este proceso ocurrirá sólo si están llenos los filtros y el estanque, entonces se debe abrir la válvula del coagulador (Ver Figura 6.15).

Figura 6.15 Válvula de coagulador Abierta

La apertura de ésta, debe ser tal, que el nivel en el estanque de carga no supere el canal

del vertedero triangular, como se ve en la Figura 6.16.

Figura 6.16 Nivel en cámara de carga para filtración y lavado


127

Esperar que se entre en régimen permanente, o sea, que se estabilicen los niveles piezométricos donde se puede determinar pérdidas de carga según el filtro y su configuración de lecho. También se pueden determinar tasas en cada filtro, etc.

Tabla 6.3 Válvulas en modalidad de filtración

Válvula Situación inicial Situación final Filtración

V-E A A V-AC A A V-AF A A

V-ASL C C V-VS A A V-BE C C V-EC C A V-D C C

A Abierta C Carrada

6.4.2 Experiencias propuestas Dentro de esta modalidad se pueden realizar un sinnúmero de experiencias, tales como:

a. Determinar las tasas según el filtro (configuración de los lechos). b. Determinar las pérdidas de cargas según la tasa de cada filtro. c. Determinar las pérdidas de carga y tasa utilizando un solo filtro (el resto de los

filtros no operan). d. Determinar pérdidas de carga en un lecho particular (es decir, ver sólo carbón, arena

o lecho soportante).


128

6.5 Auto lavado

6.5.1 Operación Auto lavado

Para poder realizar esta modalidad de auto lavado es necesario que primero se encuentre en modalidad de filtración, tal como se indica en 6.4 Filtración, es decir, se deben tener las válvulas de desagüe cerradas, vertedero de salida abierta, by pass del estanque cerrada, válvula del agua filtrada abierta (todos los filtros), válvula de entrada agua coagulada abierta (todos los filtros) y válvula de agua sucia de lavado cerrada (todos los filtros).

Ahora que se encuentra en modalidad de filtración, se puede entrar en modalidad de

auto lavado.

Primero definir el filtro a lavar. Abrir la válvula de agua sucia de lavado. Cerrar la válvula de agua coagulada, tal como se muestra en la Figura 6.17.

Figura 6.17 Válvulas en modalidad de lavado


129

Lo que se puede observar en esta modalidad es el cambio de las cargas en los

piezómetros, la tasa de filtración en los filtros que están operando y la tasa de filtrado. También se puede observar una pequeña expansión del lecho y una interfase entre el agua y el lodo (para que esto ocurra debe estar sucio el lecho).

Tabla 6.4 Válvulas en modalidad de auto lavado

Válvula Situación inicial Situación final

filtros aportantes Situación final Filtro a lavar

V-E A A V-AC A A C V-AF A A A

V-ASL C C A V-VS A A V-BE C C V-EC C A V-D C C

A Abierta C Carrada

6.5.2 Experiencias propuestas

Dentro de la modalidad de auto lavado las experiencias son múltiples, tales como:

a. Determinar tasa de lavado en el filtro a lavar. b. Determinar tasa en los otros filtros durante el lavado y compararlos con los

obtenidos en el proceso de filtración. c. Determinar pérdidas de carga en el proceso de lavado en las unidades que aportan

agua y observar las pérdidas en el filtro que se encuentra lavando. Estas últimas se observan en las mangueras que van hacia los piezómetros.

d. Determinar expansión del lecho según la configuración de cada filtro.


130

6.6 Lavado con estanque

6.6.1 Operación lavado con estanque

Para entrar en la modalidad de lavado con estanque se deben tener los filtros y el estanque llenos, tal como se menciona en punto en el punto 6.3 Llenado de filtros. Con esta condición y con el estanque lleno (el estanque debe estar con 950 litros, aproximadamente) se puede comenzar a operar.

Cerrar válvula de salida al vertedero (ver Figura 6.18). Cerrar válvula de desagüe (ver Figura 6.19).

Figura 6.18 Válvula salida al vertedero cerrada



131

Cerrar todas las válvulas del agua filtrada (ver Figura 6.20)

Figura 6.20 Válvulas agua filtrada cerradas

Abrir válvula agua filtrada de filtro que se desea lavar (ver Figura 6.21).

Figura 6.21 Válvula agua filtrada abierta


132

Abrir la válvula de agua sucia de lavado y cerrar la válvula de agua coagulada. (Ver Figura 6.22).

Figura 6.22 Válvulas en modalidad de lavado

Abrir la válvula de by pass del estanque (ver Figura 6.23). El estanque tiene la capacidad de limpiar un filtro y este proceso dura entre 15-20 minutos. Éste queda seco, por lo cual si se quiere lavar otro filtro se debe cerrar la válvula del by pass estanque y esperar que se llene de nuevo y repetir el procedimiento y así, sucesivamente, si se quieren lavar más unidades.

Figura 6.23 Válvula de by pass abierta


133

Tabla 6.5 Válvulas en modalidad de lavado con estanque

Válvula Situación inicial Situación final filtros

que no se lavan Situación final Filtro a lavar

V-E A A V-AC A C C V-AF A C A

V-ASL C C A V-VS A C V-BE C A V-EC C C V-D C C

A Abierta C Carrada

6.6.2 Experiencias propuestas

En esta modalidad se pueden hacer las experiencias más interesantes tales como:

a. Determinar expansión del lecho según tasa de lavado. b. Determinar expansión del lecho según configuración del lecho.

6.7 Término de las operaciones, secado de la planta

Luego de operar la planta en cualquier modalidad y si no se van a realizar más experiencias, ésta debe quedar seca para evitar cualquier complicación, como inundaciones o daños a terceros.

Cerrar el paso de agua al estanque (ver Figura 6.24) y la Llave de seguridad (ver Figura 6.25).

Abrir válvula de desagüe de los filtros (ver Figura 6.26), Abrir válvulas del agua filtrada (ver Figura 6.27). Abrir válvula by pass (ver Figura 6.28). Abrir válvula del vertedero (ver Figura 6.29).

A continuación se muestra la secuencia correcta para vaciar toda la planta:


134

Figura 6.24 Válvula de llenado de estanque cerrada

Figura 6.25 Llave de seguridad en arranque


135

Figura 6.26 Válvula de desagüe abierta

Figura 6.27 Válvula de agua filtrada abierta


136

Figura 6.28 Válvula by pass abierta

Figura 6.29 Válvula del vertedero de salida abierta


137

Una vez abiertas todas estas válvulas no abandonar el laboratorio hasta asegurarse

que quedó toda la planta vacía.

Tabla 6.6 Válvulas en modalidad de desagüe

Válvula Situación Desagüe

V-E A V-AC A V-AF A

V-ASL A V-VS A V-BE A V-EC A V-D A

A Abierta C Carrada

Planta piloto de tratamiento de agua potable con fines docentes Por Ricardo Opazo C. 7 Conclusiones

138

7 Conclusiones

Luego de realizar este proyecto se puede concluir que se cumplió con el objetivo planteado, que consistió en el diseño, implementación, montaje y puesta en marcha de la planta piloto de agua potable para fines docentes. Esta consta del proceso de coagulación y filtración, lo que se denomina filtración directa. Dentro de la instalación lo que se pudo observar como relevante, corresponde a detalles hidráulicos, pues estos fueron los que mayor efecto tuvieron en la planta. Los medidores, codos, angostamientos y tee tienen muchas pérdidas, las cuales aunque no significativas, como consecuencia que no se cumpliera la condición de auto lavado que debe tener velocidades de 1 cm/s o en caudal 0,68 l/s dada el área de cada filtro. Esto se solucionó integrando a la planta la modalidad de lavado con estanque con lo que se logró llegar a un caudal muy cercano al requerido y donde se puede apreciar muy bien la expansión del lecho, el fenómeno de auto lavado se pude observar de igual manera, pero para optimizar esta modalidad se recomienda sustituir los medidores por piezas que los remplacen (tuberías con las mismas dimensiones de entrada y salida que el medidor), y así observar este método sin mayores complicaciones.

Otro objetivo cumplido, fue el de dejar un manual de operaciones y experiencias

propuestas, lo cual sirve para que la persona interesada pueda fácilmente operarla y conocer el funcionamiento de una planta real a escala piloto.

Una cosa que se debe tener en cuenta es que en este proyecto no se consideró la

cloración, pues este proceso no tiene una gran relevancia hidráulica y los equipos son costosos. Respecto a la fluoruración no se consideró, pues no corresponde a una etapa del tratamiento de agua potable, sino una medida de salud pública.

Como principal objetivo de la planta piloto se construyó para ser usada en el

laboratorio en el curso “Procesos de tratamiento de agua potable” (CI51K), dentro del cual se consideran experiencias que los alumnos deben realizar:

Modalidad de filtración

a. Determinar las tasas según el filtro. b. Determinar las pérdidas de cargas según la tasa de cada filtro. c. Determinar pérdidas de carga en un lecho particular (o sea, ver sólo carbón, arena o

lecho soportante).

Modalidad de auto lavado (solo para fines docentes, manejo de válvulas, y visualización)

a. Determinar tasa de lavado en el filtro con lecho limpio. b. Determinar tasa en los otros filtros durante el lavado y compararlos con los obtenidos

en el proceso de filtración.

Planta piloto de tratamiento de agua potable con fines docentes Por Ricardo Opazo C. 7 Conclusiones

139

c. Determinar pérdidas de carga en el proceso de lavado en las unidades que aportan agua y observar las pérdidas en el filtro que se encuentra lavando, cuando se encuentre en régimen permanente.

d. Determinar expansión del lecho según la configuración de cada filtro.

Modalidad de lavado por estanque

c. Determinar expansión del lecho según tasa de lavado. d. Determinar expansión del lecho según configuración del lecho.

Algunas recomendaciones que se deben tomar son: o Se recomienda construir una jaula en la escalera para asegurar el ascenso a la válvula

del coagulador. o Es recomendable tener otro arranque o aportar agua de la sentina con una bomba al

estanque para así poder operar por un mayor tiempo cada experiencia, pues en la modalidad actual solo se tiene una autonomía de 15 minutos.

o Se aconseja ampliar la planta a su segunda etapa la cual considera la unidad de sedimentación por placas inclinadas o módulos, con lo cual se puede determinar perdidas de carga y si es posible idear un método para crear turbiedad y así determinar la eficiencia de esta unidad.

o Se debe leer el manual de operaciones antes de operar la planta. o Después de realizar cualquier experiencia se debe dejar sin agua la planta en particular

el estanque.

Por último, esta memoria es de un gran aporte a la educación pues hace entender de una manera clara y sencilla en qué consiste el tratamiento de agua potable, sus principios básicos.

Planta piloto de tratamiento de agua potable con fines docentes Por Ricardo Opazo C. 8 Bibliografía

140

8 Bibliografía

Jorge Arboleda Valencia. 2000. Teoría y práctica de la purificación del agua. Tercera edición. Santa Fe de Bogotá. Editorial McGraw-Hill. 793p.

Pablo Alberto Marambio Jones. 2001. Puesta en marcha de planta de agua potable La

Florida. Memoria de ingeniero Civil. Santiago, Chile. Universidad de Chile. Profesor Guía Fernando Garcés, Profesor co-Guía María Pía Mena.

Jaime Chehade Fortuño 1988. Análisis de sistema para mezcla rápida de coagulantes

para una planta de tratamiento de agua potable. Memoria de ingeniero Civil. Santiago, Chile. Profesor Guía Gerardo Ahumada Theoduloz.

SISS. 2004 Bases definitivas estudio tarifario 2005-2010

Gerardo Ahumada Theoduloz (2002). Apuntes curso “Procesos de tratamiento de agua

potable” CI51K. Santiago, Chile.

Superintendencia de Servicios Sanitarios. 2004. Procesos sanitarios en curso. Antecedentes Generales. Legislación de tarifas. <http://www.siss.cl/> [consulta: 10 abril 2004]

Potabilización de aguas naturales.2004.

<http://www.puc.cl/quimica/agua/potabiliz.htm>. [Consulta: 15 abril 2004]

Cepis ops. 2004. Tecnología cepis para el tratamiento de agua: estado actual. <http://www.cepis.ops-oms.org/eswww/proyecto/repidisc/publica/hdt/hdt052.html>. [Consulta: 20 abril 2004]

Hispagua. 2004. <http://hispagua.cedex.es>. [consulta 15 abril 2004]

San Diego Natural Hystoy Museum. 2004. Proyecto bio regional de protección

ambiental. Importancia del agua para la vida. <http://www.sdnhm.org/education/binational/curriculums/agua/act1ante.html> [consulta: 10 agosto 2004]

Planta de tratamiento de agua potable con fines docentes Por Ricardo Opazo C. ANEXOS

141

ANEXOS

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