IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE POTABILIZACIÓN EN LÍNEA PARA ELIMINACIÓN DE HIERRO Y MANGANESO DE AGUA PROVENIENTE DE POZO PROFUNDO (caso: Ocumare de la Costa de Oro, Estado Aragua, Venezuela) Zulay Marina Niño Ruiz(*) Universidad de Carabobo. Master en Administración de Empresas. Mención Gerencia; M.Sc.A. en Ingeniería Química; Ph.D en Ingeniería Química. Profesor, Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Carabobo Agustín Macías Hidrocentro Joselys Salazar Universidad de Carabobo Sergio Alejandro Pérez P Universidad de Carabobo Dirección postal del autor principal: Avda. Auyantepui. Residencias Atlantis, piso 1. Apartamento 1-C. Terrazas del Country. Guataparo. Valencia. Venezuela Teléfono: (58) 414-4294108. Fax: (58) 0241-8674828, e-mail [email protected] RESUMEN En la actualidad los estudios de potabilización buscan obtener métodos que permitan suministrar agua que cumpla con las concentraciones permisibles establecidas por la Gaceta Oficial de Venezuela Nº 36.395. Es debido a esto que es necesario agotar recursos técnicos, económicos y humanos, con el objeto de ofrecer agua de óptima calidad. A esto se debe la preocupación en la eliminación del hierro (Fe) y manganeso (Mn) en el agua proveniente de pozo profundo en el sector “Las Monjas” de Ocumare de la Costa, ya que los mismos, en concentraciones elevadas producen precipitados coloreados y manchas perjudiciales, además estimula la presencia de “Bacterias del Hierro” que causan un desagradable olor y sabor, sumándosele a esto el inconveniente que causan en las redes de distribución al aumentar el grado de corrosión. Frente a esto se implementó un sistema en línea en las aguas de pozo profundo del sector. Dicho sistema consta de tres unidades fundamentales: aireación, cloración y filtración a presión, en lecho doble (antracita y arena) que ofrece los principios de operación de una planta de tratamiento: confiabilidad, flexibilidad, mano de obra y automatización; cumpliéndose los requerimientos de calidad, con menos espacio y equipos, a un bajo costo. Encontrándose que el proceso de filtración con lecho doble, permite remover el Fe y Mn en un 98% y 82%, respectivamente; así como el color se elimina en un 100 % y la turbiedad se reduce en un 99% en el agua tratada. Palabras Claves: potabilización de agua, agua de pozo profundo, remoción de hierro, remoción de manganeso. INTRODUCCIÓN Dentro de las actividades que desempeña la Hidrológica del Centro (HIDROCENTRO), se encuentra la exploración de nuevas fuentes de abastecimiento de agua potable, entre ellas el agua subterránea (pozo profundo), que permita cubrir la creciente demanda de agua potable por parte de la población. Dentro de la zona que comprende la región central de Venezuela se encuentra Ocumare de la Costa de Oro en el estado Aragua, en donde el suministro de agua

potable se realiza mediante el aprovechamiento de tres fuentes de pozo profundo, ubicados en le sector “Las Monjas”. De esta agua solo la proveniente del pozo identificado como el III recibe tratamiento de cloración y la adición de polifosfato de sodio zinc como pasivador. Al mezclarse el agua proveniente de los tres pozos, para su distribución, esta no cumple con los estándares para la calidad del agua, establecidos en la Gaceta Oficial de la Republica de Venezuela Nº 36395. Aunque los contaminantes que contiene esta agua se clasifican como secundarios y no afectan la salud humana, si afectan las cualidades estéticas del agua haciendo que sea poco atractiva para beber o bañarse, producen un color café oxidado o manchas amarillas, grises o negras en la ropa cuando se lava y afectan la preparación de los alimentos. Una preocupación adicional es el crecimiento de las bacterias tolerantes al hierro y manganeso que aumentan la fricción en las líneas de distribución de las aguas y hacen que las bombas consuman mas energía. El objetivo general de la presente investigación fue: Diseñar un sistema de potabilización para agua proveniente de pozo profundo en Ocumare de la Costa del Oro, estado Aragua, Venezuela. Para el logro de esta meta fue necesario cumplir los siguientes objetivos específicos: o Determinar las condiciones actuales del agua, en puntos seleccionados en los pozos Las Monjas I, II y III, y en la plaza “Julio Lartiguez” (Puntos A, B, C y D, en la figura 1) o Seleccionar los mecanismos más idóneos para la potabilización del agua proveniente de pozo profundo. o Seleccionar la alternativa más adecuada para la potabilización del agua. o Dimensionar los equipos para la alternativa seleccionada o Evaluar la factibilidad económica para el diseño seleccionado Cloro

Punto C

TG-10

Plaza " Julio Lartiguez" Punto D Punto B

Pozo III

A la Red de Distribución

Punto A Pozo II

Pozo I

Figura 1: Diagrama esquemático de los puntos de captación de muestras de agua de los pozos de “Las Monjas”, Ocumare de la Costa de Oro, estado Aragua. METODOLOGÍA EMPLEADA La primera etapa fue la determinación de las condiciones actuales del agua, para lo cual se tomaron muestras en cada uno de los pozos y en el punto de mezclado. Esto se hizo durante cinco semanas que abarcan la salida del tiempo de sequía y la entrada de las lluvias, a razón de una toma por semana, de manera aleatoria, en virtud que las condiciones de cada pozo son casi

constantes a lo largo del año, de acuerdo al historial de cada pozo que mantiene la empresa HIDROCENTRO. Luego se realizó la caracterización fisicoquímica y bacteriológica del agua cruda proveniente de los pozos a través de los siguientes análisis: aspecto al captar, temperatura, conductividad específica a 25 ºC, minerales disueltos, índice de Langelier, color (Pt /Co), turbiedad, pH, cloruros, sulfatos, hierro total, manganeso, fluoruro, nitritos, nitratos, zinc, calcio, magnesio, sulfuro, sílice, sodio/potasio, dióxido de carbono, cobre, dureza total, alcalinidad total, fosfato, demanda de cloro, oxigeno disuelto, coliformes totales, coliformes fecales y demanda química de oxigeno. A partir de los resultados de los análisis, se realizo la selección de los mecanismos más idóneos para el tratamiento del agua, los cuales fueron probados luego a nivel de laboratorio y de planta piloto. A escala de laboratorio se trabajó con dos alternativas: (1) oxidación con hipoclorito de calcio y posterior filtración y (2) aireación, oxidación con hipoclorito de calcio y posterior filtración utilizando el montaje cuyo esquema se muestra en la figura 2. En cada caso se determinó: concentración de cloro activo, pH, cloro libre residual, turbiedad, color, hierro total, manganeso, dióxido de carbono, conductividad y aspecto del agua, para cada una de las muestras del agua tratada.

Agua Cruda

Hipoclorito

Tanque de Reacción

Aire

Lecho Filtrante

Vacío

Agua Filtrada

Figura 2: Diagrama de montaje para ensayos a escala de laboratorio con aireación, oxidación y filtración A escala piloto se trabajó a partir de los resultados obtenidos a escala de laboratorio, para la alternativa de aireación, oxidación y filtración, considerando dos alternativas en el lecho filtrante (lecho doble y lecho triple). Se calcularon las dimensiones de los equipos requeridos y se acondicionaron los equipos disponibles. Se operó cada una de las opciones del lecho durante un periodo de quince días, según el esquema mostrado en la figura 3. Las pruebas a escala piloto se desarrollaron de manera similar para las dos alternativas de filtración, evaluando los parámetros de

P

P

V-12

Descarga lavado

Descarga lavado

V-11

PVC

V-9

V-10 P

2"

P

4

V-6

V-8

V-7

Filtro 1

Filtro 2

Descarga agua filtrada P

A la red de distribución

V-1 1

4"

HG HG

3

2

2"

2"

HG

V-3 V-4

Unidad cloración

Unidad aireación

V-5 Unidad aireación

Unidad cloración

Figura 3: Diagrama de flujo de la unidad de planta piloto pH, color, turbiedad, hierro, manganeso, cloro libre residual y conductividad del agua tratada a diferentes concentraciones de cloro, las cuales fueron: 6,56; 9,84 y 13,12 mg/L. El diagrama de la unidad de filtración de lecho triple es mostrado en la figura 4. Finalmente se dimensionaron los equipos para la alternativa seleccionada y se determino la factibilidad económica de la misma.

RESULTADOS De acuerdo a los resultados obtenidos de la caracterización del agua cruda se obtuvo que esta cumple con los parámetros microbiológicos (índice de coliformes) establecidos en la Gaceta Oficial Nº 36.395 para agua tratada y con los parámetros de la empresa (HIDROCENTRO) para agua que puede ser tratada. Los parámetros fisicoquímicos que exceden el nivel permisible en el agua fueron: hierro, manganeso, dióxido de carbono, color y turbiedad. Las figuras 5 y 6 muestran los resultados para el hierro y manganeso. Se puede observa la variación que presenta la cantidad de

P

Descarga lavado

P

Antracita a

Viene de la línea 1

A

Arena

G

H

h

Carbón Activado

Grava Soporte P

Agua Filtrda para retrolavado filtro 2 Soporte de Concreto

Descarga Agua Filtrada

D Filtro 2

Figura 4: Diagrama de flujo de la unidad de filtración de lecho triple utilizada en los ensayos a escala piloto

Concentración (m g*l-1)

hierro y de manganeso en comparación con la cantidad máxima permisible según la Gaceta antes mencionada, para los pozos I, II y III y para el punto de mezcla, en cada fecha de muestreo.

20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 12/06/2002

27/06/2002

05/07/2002

08/07/2002

18/07/2002

Fecha de captación Concentración Máxima Permisible

Pozo I

Pozo II

Pozo III

Punto de Mezcla

Figura 5: Concentración de hiero en el agua sin tratar durante el periodo en estudio

-1

Concentración (mg*l )

3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 12/06/2002

27/06/2002

05/07/2002

08/07/2002

Fecha de captación

Concentración Máxima Permisible

Pozo I

Pozo II

Pozo III

18/07/2002 Punto de Mezcla

Figura 6: Concentración de manganeso en el agua sin tratar durante el periodo en estudio

Concentración de hierro (mg*l-1)

Las figuras 7 y 8 muestran el comportamiento del hierro y del manganeso después del tratamiento del agua en la unidad piloto para las dos alternativas consideradas (lecho doble y lecho triple). Se -1 observa una dosificación de cloro gaseoso optimo de 9,84 mg*l , así como una diferencia poco significativa en la remoción luego de utilizar el lecho triple o el doble. Este comportamiento fue observado igualmente en las otras variables analizadas por lo que se seleccionó el lecho doble, el cual permite remover el hierro en un 98% y el manganeso en un 82%. Adicionalmente, el carbón activado tiende a obstruirse con mayor rapidez y debe ser reemplazado o reactivado en periodos más cortos a fin de garantizar el correcto funcionamiento del filtro, lo que lo hace ineficaz para el caso en estudio.

0,3

0,25

0,2

0,15

0,1

0,05

0 Parámetro

6,56

9,84

13,12 Concentración de cloro (mg*l-1)

Lecho doble

Lecho triple

Figura 7: Concentración de hiero en el agua filtrada con los dos tipos de lecho utilizados

Concentración de Manganeso (mg*l-1)

0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

Parámetro

6,56 Lecho doble

9,84

13,12 Concentración de cloro (mg*l-1)

Lecho triple

Figura 8: Concentración de Manganeso en el agua filtrada con los dos tipos de lecho utilizados Se diseñaron los equipos que conforman las unidades de la alternativa seleccionada considerando: caudal de operación, características fisicoquímicas del agua de pozo, grado de remoción de contaminantes requerido, grado de mantenimiento operativo y efectividad del proceso. Este proyecto es del tipo proyecto público, en el cual se determinó la factibilidad económica estimándose la relación beneficio/costo, a fin de expresar el atractivo económico del mismo, al expresar la relación entre los beneficios percibidos por los usuarios y el costo en que incurre el Estado al realizar el proyecto. Considerando una tasa de financiamiento del 15% y un tiempo de vida útil de 25 años, se tiene que el costo para el Estado, como equivalente anual de la inversión y mantenimiento es de setenta y tres mil setecientos cuarenta y nueve dólares ($73.749), mientras que el equivalente anual de los ingresos, representado por la facturación mensual más el ahorro por el tratamiento aplicado actualmente fue de sesenta y siete mil trescientos noventa dólares ($67.390), por lo que el costo para el Estado es de seis mil trescientos cincuenta y nueve dólares al año ($6.359). El beneficio a la comunidad se aprecia cualitativamente, y dentro del presente estudio no es posible determinarlo con precisión, por lo que considerando que este proyecto beneficiaría un total de 3.500 suscriptores a un costo tan bajo para el Estado se estima que la inversión en el proyecto se justifica. CONCLUSIONES Una vez realizado el estudio, se llego a las siguientes conclusiones: El mecanismo para la remoción de hierro y manganeso, de agua de pozo profundo, en un sistema en línea, es mediante aireación, oxidación con cloro y filtración. El proceso de filtración con lecho doble, antracita y arena, permiten remover el hierro y manganeso en un 98% y 82%, respectivamente. El sistema de filtración de la planta piloto, conformado por dos (2) unidades de filtros operando en paralelo, es

-1

adecuado a la capacidad total del pozo. La concentración óptima de cloro es de 9,84 mg*L . De la relación beneficio / costo se estima que el proyecto es viable. BIBLIOGRAFIA Arboleda Jorge (2000) Teoría y Practica de la purificación del agua; 3erea edición. McGraw Hill, México. Hidrocentro (2001) Manual de planta, control de procesos, calidad y potabilización del agua. Valencia, Venezuela. Kemmer F.y McCalion J. (1989) Manual del agua: su naturaleza, tratamiento y aplicaciones. McGraw Hill, México. McGhee, Terence (1999) Abastecimiento de agua y alcantarillado. 6ta edición. McGraw Hill, Colombia. Méndez Manuel (1995) Tuberías a presión en los sistemas de abastecimiento de agua. Fundación Polar-UCAB, Caracas, Venezuela. Metcaff & Eddy INC (1996) Ingeniería de aguas residuales. McGraw Hill, México. Romero Juan (1999) Potabilización del agua. Editorial Alfa, México.