PUESTA EN MARCHA DE UN SISTEMA DE POTABILIZACION DE AGUA PARA COMUNIDADES RURALES PAVON SILVA T. B.,* CHÁVEZ C.,* GARRIDO HOYOS S.** *FACULTAD DE QUIMICA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL ESTADO DE MÉXICO. PASEO COLON Y PASEO TOLLOCAN S/N TOLUCA, ESTADO DE MÉXICO: 01(72) 175109 FAX 01(72) 173890. **FACULTAD DE INGENIERÍA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL ESTADO DE MEXICO CENTRO INTERAMERICANO DE RECURSOS DEL AGUA. SAN CAYETANO Km 14.5 CARRETERA TOLUCA-IXTLAHUACA. [email protected] RESUMEN

Se presenta la puesta en marcha de un sistema de potabilización de agua aplicado a comunidades rurales, en el cual las operaciones unitarias establecidas son manejadas hidráulicamente. Así mismo, la planta ésta integrada por tres unidades concéntricas ubicando las operaciones unitarias de coagulación-floculación, sedimentación (por manto de lodos) y filtración. Al salir el agua tratada del sistema se realiza la desinfección por medio de la tecnología MOGGOD. Se obtiene una concentración de 3 mg/l de cloro residual después de 5 horas de funcionamiento partiendo de 1.5 kg de sal común. Una vez obtenidas las condiciones óptimas de: dosis, pH, velocidad de agitación para los procesos de coagulación y floculación en la prueba de jarras, se corrieron pruebas en la planta integrada con cloruro férrico (25 mg/l) y povimal CPL (hidroxicloruro de aluminio dosis 1 %). Obteniéndose turbiedades menores a 5 UTN. ANTECEDENTES Marco de referencia de agua en el país. En el territorio nacional confluyen dos grandes regiones biogeográficas: la neártica y la neotropical, que dan como resultado diferentes climas, y diversidad de especies en flora y fauna. De la superficie total del país, el 52% es árido y semiárido, el 13% es trópico seco, el 20% es templado y el 15% trópico húmedo. Existen ecosistemas con escasez de agua que limitan su extracción y otros en donde se requiere regular las condiciones de abundancia extrema.

De acuerdo con la información del Consejo Nacional de Población (CONAPO), en 1995 el total nacional es de 91.6 millones de habitantes. De esa población, el 71% se concentra en las áreas urbanas (22% en el Valle de México) y el 29% restante habita en 153,813 localidades rurales, de las cuales 108,307 tienen menos de 100 habitantes. El bajo nivel de cobertura de los servicios de agua potable, alcantarillado y saneamiento, se reflejan en aspectos de salud pública. Si bien se observa que han disminuido las tasas de mortalidad, en algunas poblaciones existen problemas de salud. Es por esto necesario mejorar el nivel actual de los servicios básicos señalados en el medio rural y suburbano, como una medida sanitaria preventiva. La disponibilidad de agua se concentra principalmente en el sureste del país donde la densidad de población y la demanda de agua son bajas. En contraste, en el centro, norte y noreste donde la densidad de población es mayor y las demandas son altas, el agua es escasa. Es importante hacer notar que el 80% de los recursos hidrológicos se encuentran debajo de la cota de los 500 msnm y es justamente arriba de este nivel donde se encuentra asentada más del 70% de la población total y donde se desarrolla el 80% de la actividad industrial del país; de esta última, el 55% se encuentra en el Valle de México, con graves problemas de agua. El agua subterránea es otra fuente importante del recurso; se ha estimado en 17,409 millones de metros cúbicos el promedio de la recarga anual y en 16,395 millones de metros cúbicos el de extracción, así como en 110,350 millones de metros cúbicos el volumen total de almacenamiento. De la capacidad total de almacenamiento de agua en las presas, el 33% es utilizado en zonas de riego, sobre todo en las zonas semiáridas del norte, y el 37% es destinado a la generación de la energía eléctrica, principalmente en el sur y sureste del país, se considera que el 15% se utiliza en el control de avenidas en época de lluvias, y el 15% restante corresponde a la capacidad muerta. Respecto a la distribución volumétrica de almacenamiento, el 95% corresponde a 59 presas con capacidad superior a los 100 millones de metros cúbicos, mientras que el otro 5% está repartido en 1,250 presas en todo el país. (Programa Hidráulico 1995-2000). Dentro de los programas de modernización se tiene contemplado la división del país en trece regiones con el fin de facilitar el trabajo, formando Comisiones Estatales de agua a cargo de los gobiernos correspondientes. También se destaca la necesidad de participación social en coordinación con organismos institucionales, promoviendo una cultura del agua fomentando a usarla con mayor eficiencia disminuyendo la contaminación de cuerpos de agua y usar de manera sustentable los recursos naturales. En el Estado de México se tienen contabilizados 11,859 embalses con superficies que varían desde menos de una hectárea, hasta más de 1,000 hectáreas, destacando que aproximadamente el 89% de los embalses tiene una superficie menor a una hectárea. Se tiene un inventario estatal de cuerpos de agua clasificados de acuerdo a hectáreas a fin de obtener la diversidad de ambientes propicios para cría y variaciones de diversas especies piscícolas. (Carta Acuícola del Estado e México, 1994). Actualmente se desarrollan sistemas integrados para tratamiento de agua, (Clark M. R., 1994, 1981, 1980) de fácil operación y con la posibilidad de utilizar distintos tipos de agua,

(agua de pozo, de algún cuerpo de agua-lago, río, presa, etc.- agua pluvial) según se disponga en el lugar, beneficiando así, a un número importante de comunidades con la obtención del vital líquido. Es por tanto necesario el desarrollo de tecnología que cumpla con lo anteriormente expuesto, en donde a bajo costo se pueda obtener agua en condiciones óptimas para el consumo humano sin riesgo de enfermedades entéricas. Según el censo realizado en 1995 por la Comisión Nacional del Agua (CNA) la población urbana del Estado de México que cuenta con agua potable es el 92.66% y en poblaciones rurales que se consideran de menos de 2500 habitantes solo el 59% en promedio cuentan con el vital líquido. Los requisitos fisico-químicos y microbiológicos que debe reunir el agua potable se establecen en las Normas Oficiales de nuestro País Norma Oficial Mexicana NOM-127SSAl- 1994, (NOM 1996). Salud ambiental, agua para uso y consumo humano limites permisibles de calidad y tratamientos a que debe someterse el agua para su potabilización.

METODOLOGÍA

Caracterización del agua problema Se realizaron las pruebas con agua sintética que simula agua de un cuerpo superficial, con turbiedad residual mayor a 110 UTN. La caracterización del agua se realizo según la metodología de las Normas Oficiales Mexicanas, 1996. Evaluaciones con la prueba de jarras Las pruebas de jarras se realizaron según la metodología de Arboleda (1974) y Fernández (1990). Todas la pruebas se realizaron primeramente a condiciones de gradientes y tiempos establecidos en la literatura y posteriormente a los valores calculados de acuerdo al sistema integrado de potabilización, los coagulantes empleados fueron: • Sulfato de aluminio grado industrial Al 2(SO4)3.18 H2O. • Cloruro férrico grado industrial FeCl3.6 H2O. • NALCO 8100, polímero policationico de moderado peso molecular. • NALCO 8103, polímero cationico de moderado peso molecular. • POVIMAL, CPL, hidroxicloruro de aluminio o Clorhidróxido de aluminio, el cual contiene 23.5% de óxido de aluminio y 8.15 de cloruro. Pruebas en planta Una vez obtenidos los óptimos con prueba de jarras, se realizaron pruebas en planta primeramente de periodos de tiempo cortos -menor a una hora- ampliando los periodos de tiempo hasta aproximadamente seis horas. Se aplicaron los diversos coagulantes, ya que como no se conocía el comportamiento de la planta se considero la posibilidad de que la prueba de jarras no fuera representativa de la formación de un tamaño adecuado de floc y la velocidad adecuada para mantener el manto de lodos. En el presente trabajo se

resumen tres etapas de prueba, la primera consiste en tiempos cortos de operación con el fin de establecer el gasto de entrada y calibrar la dosis de coagulante determinado con prueba de jarras, la segunda con una modificación al equipo para obtener una mayor turbulencia al adicionar el producto químico y en tercera se realizan pruebas de aproximadamente seis horas para establecer el equilibrio de formación del manto de lodos. Descripción de la planta piloto. La planta es un desarrollo empírico de un sistema integrado de tratamiento de agua, (Diseñado por el Dr. Ignacio Allende Abreu) con aplicación a pequeñas comunidades, con el fin de obtener agua para consumo humano a un bajo costo de operación y mantenimiento. La planta cuenta con una versatilidad de adaptaciones según las características del agua a tratar. El modelo de estudio está construido de lámina de acero calibre No. 18 (1.2141 mm), unidas a base de soldadura de arco manual con electrodo protegido, formando tres unidades concéntricas para cada uno de los procesos de potabilización. En la parte inferior forma una tolva de recolección de lodos, con taludes de 45º, cada una de las unidades a continuación se describen con mayor detalle. Unidad de Mezclado: Consiste en la primera unidad concéntrica, que contiene una tubería central de acero galvanizado de 2” de diámetro (50.8 mm) que se utiliza para recibir a los productos químicos en su parte inferior, existiendo una reacción que provoca el efecto de venturi y realiza la mezcla rápida del reactivo. Esta misma tubería es utilizada para realizar el mezclado rápido La longitud de esta tubería es de 2.70 m. (zona 2). Unidad de floculación : La unidad circular tiene una altura de 2.30 m. y radio de 21 cm., no contiene mamparas o accesorios que provoquen agitación del líquido a través de ellas, el flujo es descendente incorporándose después a los 1.85 m a una amplitud de área para obtener un cambio en la velocidad y pasar a la siguiente etapa. (zona 5). Unidad de Sedimentación : Se considera a la tercera unidad concéntrica, con la parte inferior cónica en taludes de 45º y una altura de 40 cm., se ha considerado esta unidad de sedimentación de un diámetro de 1,10 m., un área superficial de 0.92 m2, una altura de 2.30 m y un volumen de 2.55 m3. Esta unidad se ha considerado de flujo vertical con una zona de manto de lodos. Cuenta con una tubería para la extracción de los lodos acumulados en la parte superior de la tolva de lodos. (zonas 6 y 7). Unidad de Filtración : Esta se considera la tercera unidad concéntrica, teniendo una cámara de lecho filtrante a base de arena sílica de h = 45 cm, soporte de grava de ½ “ de h = 10 cm grava de ¾ 7 cm y gravilla de 3/32 de h = 10 cm. Cuenta con una cámara colectora del agua tratada de 30 cm, cuenta con una tubería para colectar el agua tratada y otra proveniente de un equipo de bombeo para el retrolavado del medio filtrante. Cuenta con tres tuberías a diferentes alturas para colectar el caudal de retrolavado del medio filtrante. (zona 9). Unidad de desinfección: Se encuentra fuera del sistema y se han propuesto dos tratamientos de desinfección el primero generando cloro in situ por medio de una celda solar aplicando el método Moggod (Barrott L.P. et. al 1994) y el segundo con cloración directa utilizando cloro en solución. En la figura 1 se presenta un diagrama de la planta piloto.

Equipo de laboratorio utilizado • Prueba de Jarras, Phipps and Bird Inc. Modelo No 300 • Nefelómetro, modelo TAI Monitek • pHmetro, modelo Corning 5 Para comprender el comportamiento de la planta se realiza una breve descripción de la misma.

6 Tomas de Muestra

1

RESULTADOS Y DISCUSIÓN Etapa 1 En las tablas 1 y 2 se muestran los resultados de dos pruebas cortas con el coagulante Nalco 8100 con gastos de 1 y 0.5 lps Como se aprecia los valores de la turbiedad residual aumentan de la toma 6 del manto de lodos a la salida del sedimentador, esto es debido a la contaminación por el coagulante en la mezcla rápida. Por tal motivo, se opto por modificar la segunda unidad concéntrica aumentando su longitud en 40 cm. Así mismo se obtiene un tamaño de floc muy pequeño (menor a 1 mm) con un índice de Wilcomb de 2, lo cual se adiciono un aditamento al inicio del tubo de mezcla rápida, esto con el fin de que al momento que la planta este trabajando se succione parte del lodo recién coagulado para que el floc sea de mayor tamaño y peso.

Tabla .1. Turbiedad residual en distintos puntos de muestreo en la planta potabilizadora TURBIEDAD RESIDUAL EN DISTINTOS PUNTOS DE MUESTREO (UTN) CAUDAL A TRATAR: 1L/S; TURBIEDAD INICIAL: 198 UTN COAGULANTE: NALCO 8103; CONCENTRACIÓN: 40 PPM DURACIÓN: 60 MINUTOS. TIEMPO minutos 10 20 40 60

PRIMERA TOMA MANTO DE LODOS 34 106 144 131

ULTIMA TOMA MANTO DE LODOS 37 108 104 120

SALIDA SEDIMENTADOR 72 185 194 186

Tabla .2. Turbiedad residual en distintos puntos de muestreo en la planta potabilizadora PRUEBA # 2. TURBIEDAD RESIDUAL EN DISTINTOS PUNTOS DE MUESTREO (UTN) CAUDAL A TRATAR: 1L/S; TURBIEDAD INICIAL: >200 UTN COAGULANTE: NALCO 8103; CONCENTRACIÓN: 40 PPM DURACIÓN: 50 MINUTOS. TIEMPO PRIMERA TOMA Minutos MANTO DE LODOS 20 >200 30 160 50 79

ULTIMA TOMA MANTO DE LODOS

>200 >200 139

SALIDA SEDIMENTADOR 79 130 1214

Etapa 2. Una vez realizadas las modificaciones al equipo se corrieron una serie de pruebas, la primera con povimal al 1 % donde observamos que aproximadamente a los 90 minutos de prueba tenemos un aumento en la turbiedad residual gráfica 1, y al mismo tiempo la expansión del manto de lodos gráfica 2, consideramos que a pesar de que el gasto se considero contante en esta prueba, por algún motivo se incremento, aumentando la velocidad y por ende provocando la expansión del lecho. Una vez superados algunos problemas de operación, se realizo una prueba a mayor tiempo (300 minutos) con POVIMAL al 0.1% de concentración, donde se analizo el comportamiento del manto de lodos con respecto al tiempo, así mismo se analizo una variable más que fue la modificación del caudal respecto al tiempo, se aumento de 0.2 l/s a 0.7 l/s, observándose una buena formación y estabilidad del manto de lodos sin presentarse la fluidización del mismo. El equipo se lleno a un gasto aproximado de 0.6 lps, a los 20 minutos se disminuyo el gasto entre 0.2 y 0.3 lps para la formación adecuada del manto de lodos, en el minuto 40 se aumenta el gasto a 0.5 lps aumentando la turbiedad residual de 3.1 a 40 UTN, debido a la fluidización del manto de lodos, cerca de los 100 minutos en los cuales ya se mostró estabilidad del manto de lodos, se aumento el gasto a 0.7 lps observando una turbiedad residual de 1.6 UTN a los 230 minutos. Se observo que después de 200 minutos, el lodo que se acumula en la parte inferior del cono

obstaculiza la adición de coagulante y aumentando con esto la perdida de carga aunado a la adquirida con la formación del manto de lodos.

Gráfica 1. Comportamiento del nivel del manto de lodos con respecto al tiempo. Caudal Constante 0.5 l/s. 3

Povimal 1 % Turbiedad inicial 110 UTN La línea indica un valor mayor a 200 UTN

Toma.

2

1

0 0

20

40

60

80

100

120

140

160

Tiempo (min).

Gráfica 2 Comportamiento de la Turbiedad residual con respecto al tiempo. Caudal constante 0.5 l/s. 18 16

Muestreo en la salida del sedimentador Povimal 1 %

Turbiedad Residual (UTN.)

14 12 10 8 6 4 2 0 0

20

40

60

80 Tiempo (min).

100

120

140

160

También se presenta una prueba en planta utilizando como coagulante cloruro férrico, ya que de acuerdo a los resultados obtenidos en jarras se obtiene una remoción de turbiedad adecuada, por lo que se procedió a utilizarlo en planta. Los resultados de la prueba se representan en las gráficas 3, 4 y 5, en la cuales se observa una formación el manto del lodos hasta después de los 150 minutos, (gráfica 5) la turbiedad residual mínima es alrededor de 20 UTN (gráfica 3) y el gasto se mantuvo entre 0.6 y 0.7 lps aunque se realizo el llenado del equipo a 0.9 lps.

Gráfica 3. Comportamiento de la turbiedad residual durante la prueba con cloruro férrico

TURBIEDAD RESIDUAL (UTN)

60 50 40 30 20 10 0 0

50

100

150

200

250

TIEMPO (min)

Gráfica 4. Comportamiento de la alimentación durante la operación de la planta aplicando cloruro férrico

CAUDAL (l/s)

1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0

50

100

150 TIEMPO (min)

200

250

Gráfica 5 Comportamiento del manto de lodos aplicando cloruro férrico 6 5

TOMA

4 3 2 1 0 0

50

100

150

200

250

TIEMPO (min)

CONCLUSIONES

De las diversas pruebas presentadas en este trabajo se concluye lo siguiente: Para afinar el funcionamiento de la planta se requiere una prueba con una duración mínima de 24h. El aditamento permite una recirculación mayor de lodos, sin embargo es necesario controlar la cantidad de los mismos para la correcta adición de coagulante fresco. Se considera que es posible trabajar con un gasto mayor a 1lps, sin y establecer tiempos de llenado y arranque del equipo debido a la formación del manto de lodos. Es necesario establecer el momento de purga de lodos y la eliminación de los mismos en la parte inferior del sistema (zona 1). BIBLIOGRAFIA. - Arboleda Valencia, Várgas Caballero y Correal H. (1969). Manual de tratamiento de aguas potables. Caracas Venezuela. - Arboleda V. J. (1981) Teoría diseño y control de los procesos de clarificación de agua Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente “CEPIS”. - Arboleda Valencia. J. Grinplastch B. y Kirchmer J. C. (1974). Métodos de Evaluación de Procesos en Plantas de Tratamiento de Agua. Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente “CEPIS”.

- Barrot L. P. Graham N. D. J. and Lloyd B. (1994). Further evaluation of an on-site chorine gas generator (Moggod) for small-community water desinfection in developing countries. J. Water SRT. Aqua. Vol. 43(4) : 145 - 153. Carta acuícola del Estado de México. (1994). Gobierno del Estado de México, Secretaría de Pesca, Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática y Universidad Autónoma del Estado de México. - Clark M. R., (1980). Small Water Systems: Role of Technology. Environmental Engineering division. EE1 February pp. 19 - 35.

Journal of The

- Clark M. R. and Morand M. J. (1981). Package Plants: a cost-effective solution to small water system treatment needs. Journal AWWA. January pp. 24 - 30 - Clark M. R., Goodrich J. A., and Lykins B. W. (1994). Package plants for small water supplies the US experience. J. Water of Supple Research and Technology. Vol. 43 No. 1 pp 23 - 34. - Comisión Nacional del Agua. (CNA). 1995. Gerencia en el Estado de México Subgerencia de Construcción. Km. 3.5 Carr. Metepec - San Mateo Atenco. - Normas Oficiales Mexicanas. Agua para uso y Consumo Humano (1996). NOM-127ssai-1994. Subsecretaría de Regulación y Fomento Sanitario Dirección General de Salud Ambiental. - Programa Hidráulico 1995-2000. Secretaría del Medio Ambiente Recursos Naturales y Pesca. Gobierno del Estado de México.