INGENIERÍA SANITARIA

INGENIERÍA SANITARIA

Ingeniería Sanitaria Universidad de Burgos

INTRODUCCIÓN La ingeniería sanitaria es la aportación de la ingeniería civil al campo de la salud pública. La población sedentaria genera residuos, que si no se tratan correctamente pueden dar lugar a graves problemas sanitarios. Por ejemplo la gran epidemia en Londres de 1854 debido a aguas no tratadas hizo ver la necesidad de mejorar la salud. La comida, los medicamentos y los tratamientos sanitarios (agua potable...) disminuyen la mortalidad en el mundo. Por tanto la ingeniería sanitaria repercute en la salud y en el bienestar. Se encarga de:     

Gestión de residuos urbanos (ya visto en asignatura de Ing. Ambiental) Aire contaminación y tratamiento Contaminación acústica Agua Medioambiente (vertido de residuos…)

Gabriel Sanz Martín

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1. EL AGUA 1.1 LA VIDA EN LA TIERRA Depende de:   

Fuente de energía: Sol, energía interna Carbono Agua

En cuanto al agua, algunas de sus propiedades son:  

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Es un compuesto inorgánico (no tiene carbono) Es importante en las reacciones o Es un soporte inerte (la reacción se hace en el medio acuoso pero no reacciona). o Participa en reacciones bioquímicas formando parte de la reacción. Única sustancia en naturaleza que se manifiesta en los 3 estados clásicos.

El agua es abundante el 7% del total de la masa de la tierra y ¾ de la superficie terrestre; y sin embargo muy escasa en cuanto a la apta para consumo humano. El 97% es agua de mar, muy cara de aprovechar. El 3% restante se divide en 2,3% en casquetes polares (lejos de zonas de uso) y el 0,7% en ríos, lagos acuíferos, vapor de agua. Al final, sólo el 0,03% del total es fácilmente de captar y utilizar. No coincide con la distribución zonal de la población. Si se devuelve sin tratar empeoramos calidad del agua aprovechable. 1.2 LA MOLÉCULA DE AGUA La molécula de agua es un compuesto formado por la combinación de 1 átomo de oxígeno y dos de hidrógeno. El hidrógeno tiene tres formas isotrópicas:   

Hidrógeno – Un protón (Estable) Deuterio – Un protón y un neutrón (Estable) Tritio – Un protón y dos neutrones (Reactivo)

El oxígeno tiene tres formas isotrópicas.   

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O – 8 protones y 8 neutrones O – 8 protones y 9 neutrones 18 O – 8 protones y 10 neutrones 17

Tipos de moléculas de agua:    

H2O Habitual D2O (agua pesada) se usa en procesos de laboratorio, afecta a reacciones atómicas. HDO (agua semipesada) T2O (agua hiperpesada)


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Forma de la molécula de agua Tiene un enlace de tipo covalente y forma una molécula estable. El oxígeno es altamente electronegativo (atrae electrones). Por ello, Tiene un carácter dipolar (oxigeno – hidrógeno+), siendo neutra en conjunto, en el centro de gravedad, pero pudiéndose orientar en un campo eléctrico. Además, el enlace tiene también un cierto carácter iónico. Por último, existen ciertas atracciones electrostáticas entre moléculas llamadas puentes de hidrógeno. Estos puentes hacen que las moléculas de agua se unan en racimos. Cada molécula tiene 4 vecinas (polimerización no estable). 1.3 CARACTERÍSTICAS DEL AGUA Debido a los puentes de hidrógeno, las características del agua son muy diferentes a las habituales en otros compuestos, empezando por la evolución anómala de densidad y viscosidad o los valores excepcionales de características como el calor específico, la conductividad térmica o los puntos de fusión y ebullición. Densidad Disminuye con el aumento de la temperatura, siendo la máxima densidad es a 4 °C, en este caso si temperatura cambia tanto a más como a menos, disminuye la densidad. Esto se debe a los efectos contrapuestos de la vibración de las moléculas y los puentes de hidrógeno, de 0°C a 4°C predomina el efecto de los puentes de hidrógeno, pero de 4°C en adelante predomina la energía de vibración de las moléculas. Suponemos que el agua en un lago se enfría por parte superior. Al enfriarse las capas superiores, estas tienen más densidad a los 4 °C y se hunde. Si se sigue enfriando el agua a menos de 4°C el agua fría de arriba se queda arriba (flota porque ahora es menos densa que el agua inferior que está a 4°C). Se congela la parte superior permitiendo el mantenimiento de la vida por debajo al mantenerse la temperatura de 4°C, siempre que no se congele todo, lo que permite el mantenimiento de la vida. En terrenos porosos con agua en su interior si baja la temperatura, se congela el agua aumentando su volumen, lo que supone un aumento de las tensiones en el terreno (en poros) pudiendo llegar a romper. Esto provoca meteorización de rocas, favoreciendo la erosión. Viscosidad Resistencia que ofrece un fluido a su deformación como consecuencia de tensiones tangenciales, efecto del rozamiento entre moléculas. Depende de la presión (p) y temperatura (Ta). Para agua pura, a mayor temperatura mayor viscosidad, aunque hay discontinuidades o saltos a 15, 30, 45 y 60 °C. La presión afecta a la viscosidad. En agua a baja temperatura, a mayor presión menor (caso habitual). Se debe a que hay puentes de hidrógeno => al aumentar la presión se rompen y se separan las moléculas. A alta temperatura sucede al contrario. Las Sales disueltas en agua hacen el agua más viscosa (agua de mar).


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Calor específico Cantidad de calor a aportar a la unidad de masa de esa sustancia para aumentar la temperatura 1°C. Se mide en J/(kg·ºC) Es una propiedad de la sustancia no constante, la capacidad de una sustancia para almacenar energía en forma de calor. En el agua tiene en 35°C el valor mínimo: 4,18, en el caso del agua es un valor alto del calor especifico porque el agua tiene una gran capacidad de absorción de calor necesario para romper los puentes de hidrógeno (el amonio es el que tiene más valor) Importancia del calor especifico en el agua: 

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Tiene efecto termo-regulador de la temperatura ambiente. (Almacena calor cuando hay radiación solar y suelta ese calor cuando desaparece => En ciudades de mar poca oscilación de temperatura entre día y noche.) Regulación termal de los seres vivos Empleo del agua en la industria como fluido portador de calor (calefacción o enfriar)

Calores latentes de cambio de estado Cuando una sustancia pasa de un estado a otro (manteniendo constante la presión) se mantiene la temperatura constante (mientras dure el cambio). Y hay un intercambio de calor con el medio:  

Si pasamos de una fase ordenada a una fase desordenada, hay que aportar calor. Si pasamos de una fase desordenada a fase ordenada, hay que extraer energía.

De Sólido a Líquido (calor latente de fusión = calor latente de congelación) - 330 De Líquido a Gas (calor latente de VAPORZACIÓN = Calor latente de condensación) – 2250 (valor muy alto) Esto supone que el vapor de agua tiene alto contenido energético, por lo que es un medio efectivo de transferencia de calor, así masas de vapor en la Tierra tiene efecto apreciable en el clima (nieblas, nubes,..) Conductividad térmica El calor se propaga por Radiación (sol), Convección (masas fluidas, dilata cambia densidad y hay movimientos) y Conducción ( ej, metal que se calienta un extremo) La conductividad térmica es la transferencia de calor a través de un cuerpo considerando cantidad de calor por unidad de tiempo que pasa entre dos puntos a través de un conducto formado por la sustancia separados por 1 metro cuando la diferencia de temperatura es de 1°C. En el agua es menor que los metales pero es muy superior a los compuestos orgánicos. El hielo tiene una conductividad térmica 4 veces más que el agua a 0°C. Puntos de fusión y de ebullición Temperaturas a las cuales se produce el paso brusco de una fase a otra. El valor de la temperatura va a depender de la presión, a presión atmosférica, la fusión es a 0°C y la de ebullición a 100°C. Si presión aumenta en una masa de hielo la temperatura para que funda será más baja de 0°C. Sin embargo si se aumenta la presión tarda más hervir. Son Gabriel Sanz Martín

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valores altos y el intervalo también es grande, lo que es importante para la vida, pues tenemos agua de forma líquida. Tensión superficial Propiedad de los líquidos que hace que su superficie en contacto con un gas se comporte como una membrana elástica. Son fuerzas por unidad de longitud que aparecen en los bordes de esta membrana, la cantidad de trabajo necesaria para incrementar en 1 unidad la superficie libre. La tensión superficial del agua es elevada debido a los puentes de hidrógeno. Disminuye con la temperatura y resulta muy afectada por la presencia de sustancias disueltas en el agua, sustancias hidrófilas (atracción por el agua), aumentan ligeramente la tensión superficial, mientras que sustancias hidrófobas (repelen el agua) o sustancias tensoactivas disminuyen bruscamente la tensión superficial. Son sustancias que generan espumas con facilidad. La tensión superficial está relacionada con la capilaridad (alimentación de los vegetales). Detergentes hace que el agua llegue a las fibras de la ropa y que el agua disuelva o arrastre la suciedad. Constante dieléctrica del agua Número adimensional que mide la relación que hay entre la capacidad de un condensador cuando sus placas están en con una sustancia, que en el caso del agua es de e = 80 (valor muy alto), lo que le da un alto poder ionizante y disolvente, que le permite disolver bien sustancias de carácter iónico (sales). Conductividad eléctrica El agua en estado pura es ligeramente conductora de la electricidad, pero esta conductividad aumenta significativamente si tiene sales iónicas disueltas (partículas cargadas iónicamente) que se mueven y crean conductividad eléctrica. Depende concentración de sales => por eso la conductividad nos indica de manera indirecta la concentración de sales. Características ópticas del agua El sol manda ondas de diversas longitudes de onda radiaciones electromagnéticas. La molécula de agua reacciona de forma diferente según la longitud de onda. Radiación:   

ULRAVIOLETA (longitud de onda inferior a 380 nm): atraviesa muy bien el agua (no afecta al agua) INFRARROJA: penetra muy poco, son absorbidas por el agua rápidamente. Calientan la capa superior del agua. ESPECTRO VISIBLE (380 nm < x < 780 nm): absorbe bastante bien los Rojos y los Naranjas. No absorbe los Azules y Verdes, lo que explica el color del mar.

Carácter disolvente del agua: El agua es el disolvente universal (es abundante y disuelve muchas sustancias). Una disolución es la dispersión o mezcla de esta sustancia en otra. Mezcla intima (muy bien mezclados).


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La sustancia que tiene la disolución se llama (fase dispersante) DISOLVENTE o la que tiene mayor cantidad, mientras que SOLUTO es la sustancia que se disuelve (fase dispersa o tiene menor cantidad. El agua puede disolver gases, líquidos y sólidos. El poder disolvente del agua se debe a 4 fenómenos distintos:  

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HIDRÓLISIS: Reacción que origina descomposición del agua o de la sustancia. HIDRTACIÓN: Penetración del agua en las estructuras de algunas sales. REACCIÓN REDUCCIÓN-OXIDACIÓN: o Reducir →pierde oxigeno → gana electrones o Oxidación → combinar con oxígeno → pierde electrones que lo gana él oxígeno. REACCIÓN ÁCIDO-BASE: o Ácido → aporta H+ (protones) o Base → acepta H+

Disolución de gases en agua Cantidad de gas que se puede disolver en un agua con unas características y a qué velocidad se disuelve. Se rige por la Ley de Henry-Dalton: A cada temperatura, la máxima cantidad de gas disuelto en un líquido es proporcional a la masa específica (densidad) del gas y a la presión del gas. Lo que nos interesa es el oxígeno disuelto en el agua, afecta a los microorganismos (aerobios). En condiciones normales 20,9% del aire es O2, N2 aprox. 80%. Aire a 1 atm entonces la presión del O2 = 0,209 atm ya que la presión estará en proporción. Debido a las temperaturas en que nos movemos la solubilidad del O2 en agua oscila entre 8-9 ppm. En aguas más frías hay más oxígeno disuelto, lo que permite más nutrientes, y aumenta el número de peces en esa agua. También tiene más oxígeno disuelto en cabecera, por eso los peces desovan en cabecera. La solubilidad del oxígeno en el agua también depende de las sales. Si tenemos una cantidad de OD mayor que ODSAT y se quiere llegar a la de saturación, se puede hacer modificando la temperatura. Así podemos hacer descender el valor de ODSAT. A mayor temperatura, disminuye la solubilidad. Otros gases importantes en el agua son CO2 y SO2: CO2: dióxido de carbono disuelto en agua; parte puede reaccionar con el agua (no todo) puede dar H2CO3 que es un ácido, carbónico. Este ácido reacciona con las calizas que son insolubles dando el soluble el bicarbonato de calcio. Es decir, el CO2 disuelve las calizas y da lugar a formaciones cársticas.

SO2: Sulfuro está presente en la naturaleza en pequeña cantidad, pero el ser humano en su actividad genera mucho SO2. Reacciona formando ácido sulfúrico, que es muy fuerte, con la lluvia forma lluvia ácida y puede destrozar bosques enteros.


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Disolución de líquidos en agua Poco importante en sanitaria, depende de la polaridad de la molécula del líquido. Como regla general aproximada los líquidos polares son líquidos miscibles (tienen un radical, carga) ejemplo alcoholes. Los líquidos no polares o inmiscibles no se mezclan con el agua aunque se pueden emulsionar, es decir, la sustancia es dividida en pequeñas partículas que se cargan eléctricamente. La disolución de líquidos en agua depende de la temperatura y no hay regla general, algunos líquidos por debajo de una temperatura no se mezclan y si se supera esa temperatura crítica si se mezclan aunque también hay otros que no son así. Disolución de sólidos en agua Las moléculas de agua se disponen cerca de la pared del cristal según la polaridad del ion más cercano. Acaban arrancando el ion y lo incorporan al agua, es decir, se va diluyendo la sal. La concentración de soluto es mayor en las proximidades de la pared del cristal, ya que hay más densidad en ese lugar que en otros puntos del líquido. Por convección hay un movimiento del líquido que hace que la concentración baje en esa zona y sigue el proceso de disolución. El proceso termina por dos motivos, cuando se produce toda la disolución del sólido o cuando se alcanza la saturación, al no poder contener más cantidad de soluto, aunque sí que se está produciendo el proceso de disolución, lo que pasa es que también se está precipitando iones de soluto que pasan al sólido. La velocidad y el grado de disolución dependen de la concentración de soluto en el agua, el tiempo, la superficie de contacto agua-soluto, la temperatura o la agitación mecánica. Disociación iónica del agua Algunas moléculas de agua van a reaccionar químicamente con otras moléculas de agua (no todas), actuando una molécula de agua como base y otra como ácido. Equivale a que H2O « H+ + OH- Aunque son muy pocas las moléculas que intervienen en esta reacción. Es el caso de agua pura: son iguales las concentraciones de [H+]= [OH-] = 10-7. Se ha comprobado que pequeñas variaciones de ese número tiene efecto en los seres vivos del agua. Se mide con el pH.

Concepto de pH Se define: pH = - log[H+] - En el caso de un agua pura pH = 7 = pH neutro.  

Si aporto ácido → H+ → pH < 7 Acido. Si aporto base → Capto H+ → pH > 7 Básico o alcalino.

Condiciona reacciones químicas y condiciona a los seres vivos. La vida en el agua se desarrolla en general entre 6,5 < pH < 8,5 aunque no todos; por ejemplo hongos pH = 5. En sanitaria nos interesan las bacterias (microorganismos).


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Impurificación natural del agua Impurificación y contaminación. Los dos son incorporación al agua de sustancias extrañas, pero en la impurificación el origen de esas sustancias es natural y en la contaminación el origen de esas sustancias es humano, no estaría en la naturaleza en esa proporción. El agua químicamente pura en la naturaleza no existe. El agua se va cargando de sustancias a lo largo del ciclo hidrológico. Impurificación del agua En el mar el agua está muy cargada de sales procedentes de la corteza terrestre. No hay la misma concentración de sales en todos los mares (Mar Rojo o Muerto tienen mucha sal pero Mar Báltico tiene poca concentración de sal debido a corrientes de agua y menos evaporación). Valor medio => 34,5 g/l = 34.500 mg/l = 34.500 ppm. La proporción de distintas sales se mantiene constante aproximadamente => 80 % de NaCl. En la atmósfera es agua pura pero más dispersa. El agua está disuelta en el aire. En las nubes está principalmente en forma de líquido (gotitas microscópicas de agua), presentando mucha superficie que hace que se comiencen a disolver gases: N2, O2 disuelve mal pero hay mucho en la atmósfera, CO2 y SO2 que disuelve bien pero hay poco en la atmósfera. La precipitación es toda caída de agua a la atmósfera. Mientras cae sigue disolviendo gases, sobre todo CO2, importante el efecto sobre formaciones rocosocalizas. Parte del CO2 disuelto en el agua forma ácido carbónico que reacciona con las calizas. Es decir que el CO2 hace disolver las calizas. Además el agua disuelva sales en la atmósfera ya que en ella también hay sales en suspensión. Depende de si estamos en zonas costeras (50-100 mg/l) o zonas de interior (5-50 mg/l) Agua de escorrentía (se mueve sobre el suelo): Empieza a impurificarse mucho más. Puede coger residuos orgánicos de plantas y animales (excrementos, muertos, hojas, ramas). Son sólidos gruesos, algunos no se disuelven, son transportados, arrastrados y son fáciles de separar; Sales (sólidos disueltos) de más difícil es su separación, como por ejemplo formaciones de suelo con sales; materia orgánica degradada (C, N, O) que no favorece el crecimiento de microorganismos, pero sí de las plantas (humus) (comportamiento coloidal) y arcilla y limos, partículas pequeñas pero desde el punto de vista molecular son grandes, macromoléculas (comportamiento coloidal). Comportamiento coloidal: Moléculas de gran tamaño pero partículas pequeñas, muchas de ellas cargadas eléctricamente y que son difíciles de decantar debido a su tamaño y a que se repelen unas de otras. Dan turbidez al agua (falta de transparencia, efecto psicológico) limitando el paso de la luz a su través. Favorece vida de los microorganismos al quedar atrincherados detrás de las partículas. Los microorganismos causan enfermedades. Además disuelve más CO2 que cuando estaba en la atmósfera. En los poros hay mucha concentración de CO2 (100 veces más alta que en aire libre). Esto se debe a los microorganismos que hay ahí y que está mal ventilado. Como hay más concentración de CO2, hay más presión parcial de ese gas y por la ley de Henry se disuelve más CO2. El agua de infiltración es la que se mueve en el terreno. Fundamentalmente se va a cargar de sales solubles dependiendo de las formaciones geológicas que atraviese el agua.


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Si el terreno son:  

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Rocas Ígneas => Minerales cristalizados poco solubles. Un poco de SiO2 se disolverá. Rocas Sedimentarias => o Rocas Precipititas: Ha precipitado la sustancia dentro del agua. (agua retenida o Rocas Evaporitas: Agua con sales que se evapora y al final deja las sales. Hierro y manganeso dan color al agua. Terrenos volcánicos pueden cargar el agua de flúor.

Factores que influyen en la impurificación        

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Composición de los terrenos que atraviese. Depende de las características de la roca madre. Temperatura: Influye mucho y depende de la sustancia que impurifica el agua: En gases, a mayor temperatura, menor solubilidad, mientras que es al revés en sólidos. Superficie de contacto. A mayor superficie mayor incorporación de impurezas. En las aguas subterráneas hay más superficie de contacto. Tiempo. A más tiempo, más sales se incorporarán. En las aguas subterráneas hay más tiempo. Concentración de CO2 en el agua. A más CO2, más disolución de carbonatos. La concentración de sales disminuye la solubilidad de otras sustancias. Capacidad de intercambio iónico con los suelos. El agua tiene iones que se intercambian, disolviendo iones de la formación que atraviesa. Iones calcio (agua dura) se puede disminuir haciendo un intercambio iónico con arcilla (intercambia con el sodio) Evaporación. Provoca que disminuya la cantidad de agua, por lo que aumenta la concentración de impurezas.

Cuantificación de impurezas (índice de calidad) La calidad de un agua es un concepto relativo, está relacionado con el uso (hay que decir para que uso). Si se desaliniza el agua de mar, después hay que añadirle sal para que sea potable. Determinación de impurezas: 

Directas: (mediante análisis químicos) o Individual => cantidad, concentración de los compuestos del agua. La determinación directa individual es lenta y cara, cara debido al tiempo, reactivos personal especializado. Sólo encontraremos lo que buscamos, es decir por ejemplo no sabremos si hay arsénico. o Agrupada => Mediante análisis químico. Ejemplo => Buscamos la cantidad de sales indiferentemente de su tipo, sales agrupadas. Las sales tienen un efecto determinado en el agua.

La determinación agrupada se usa para la dureza de un agua. Las aguas duras con presencia de iones Ca+2 y Mg+2:


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Son aguas con las que se cuecen mal las legumbres, exigen más tiempo de cocción (iones Ca+2 y Mg+2 reaccionan con las sales de las legumbres dando lugar a sustancias insolubles que dificultan cocción). Requieren el empleo de más jabón en lavado. (Con jabón quitamos dureza requiriendo más consumo de jabón debido a esto. Tenemos menos efecto tensoactivo.) Originaban incrustaciones en tuberías, calderas... (donde hay intercambio de calor).

Dureza total es la presencia de sales de calcio y magnesio. Sulfato, cloruros. Pueden ser:

Permanente o no carbonatada: Presencia de sulfatos y cloruros de Ca+2 y Mg+2. Se mide retirando primero la carbonatada, la temporal, ebullición durante media hora y después se mide la dureza y esa dureza que quede es la permanente. Temporal o carbonatada: La dureza temporal se produce a partir de la disolución de carbonatos en forma de hidrógenocarbonatos (bicarbonatos) y puede ser eliminada al hervir el agua o por la adición del hidróxido de calcio (Ca(OH)2).

El carbonato de calcio es menos soluble en agua caliente que en agua fría, así que hervir (que contribuye a la formación de carbonato) se precipitará el bicarbonato de calcio fuera de la solución, dejando el agua menos dura. Los carbonatos pueden precipitar cuando la concentración de ácido carbónico disminuye, con lo que la dureza temporal disminuye, y si el ácido carbónico aumenta puede aumentar la solubilidad de fuentes de carbonatos, como piedras calizas, con lo que la dureza temporal aumenta. Todo esto está en relación con el pH de equilibrio de la calcita y con la alcalinidad de los carbonatos. Este proceso de disolución y precipitación es el que provoca las formaciones de estalagmitas y estalactitas.

Medición de la dureza del agua Antes, mediante solución jabonosa patrón. Primero el jabón elimina la dureza y no aparece su efecto tenso-activo y no hace espuma. Cuando agitando aparezca espuma se habrá eliminado la dureza y podremos saber cuánto jabón fue necesario. En la actualidad se mide en mg/l de CaCO3 = ppm de CaCO3. No quiere decir que sea carbonato cálcico, sino que tendría la misma dureza con esos ppm de CaCO3 que el agua a analizar. Ejemplo el agua equivale a la dureza de 100 ppm de CaCO3, pero pueden ser sulfatos, carbonatos, bicarbonatos, cloruros. También hay grados franceses = °F, que equivale a 10ppm de CaCO3. El efecto del agua con dureza en la salud parece ser que no da problemas, aunque otros dicen que puede generar cálculos renales. Alcalinidad de un agua Medida de la capacidad de un agua de neutralizar la acción de un ácido. Es una característica amortiguadora que le permite recibir sustancias ácidas sin variación significativa del pH. Varía menos de lo que debería haber bajado. Es debido a la presencia


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de ciertos iones (aniones): Carbonato CO3-2, bicarbonato HCO3-, oxidrilo o hidróxilo OH. En consecuencia no hay variación significativa del pH del agua. Hay 2 tipos de alcalinidades: 

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Alcalinidad total o alcalinidad m = Titulo Alcalenimétrico completo (TAC) Se añade ácido clorhídrico HCl a un agua hasta tener un agua francamente con pH ácido => 3,1 < pH < 4,4 => Con esto se eliminan todos los iones OH-) al combinarse con los H+. TAC es equivalente a la dureza carbonatada ppm. Alcalinidad simple o p =Título Alcalimétrico (TA). 8,2 < pH < 9,8 hasta este pH básico. Habremos retirado todo el OH- y la mitad de los carbonatos. La unidad es la misma.

En la salud humana: alta alcalinidad en el agua produce mal sabor. Da rechazo aunque no tiene problemas sanitarios. La concentración de alcalinidad se puede quitar, mediante descarbonatación con cal, tratamiento con ácido o intercambio iónico. Residuo seco Conjunto de impurezas sólidas solubles que contiene el agua. Para determinarlo, evaporamos agua por ebullición (primero aparecen los carbonatos) al final queda una masa sólida que todavía contiene agua. Se lleva a estufa a 103-105°C (no más para evitar reacciones químicas; a 500°C se descompondrían o volatilizarían algunas sustancias) y se pesa el residuo seco en mg/l o ppm. Medida indirecta de las impurezas A través de la conductividad eléctrica, relacionado con la cantidad de sales en el agua. Agua pura - muy poco conductora, mientras que el agua con sales iónicas disueltas aumenta la conductividad. La temperatura de medición debe especificarse porque temperatura influye en la viscosidad que influye en la movilidad del fluido. Conductividad se mide en mg/l de NaCl = ppmNaCl que no quiere decir que sea NaCl, es para homogeneizar, es decir que esa agua a esa temperatura que tenga esa cantidad de NaCl tendría la misma conductividad. Contaminación de las aguas (actividad humana) Según origen de la contaminación del agua:  

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Aguas Residuales Domésticas (ARD) Consecuencia de vivir. Aguas Residuales Pecuarias (ARP) Consecuencia de actividad ganadera. Contaminación de origen agrícola La más importante en cuanto a volumen, la que más contamina en todo el mundo, es contaminación extensa y difusa. Evitar que se contamine lo menos posible ya que no se pueden recoger para tratar. Aguas Residuales Industriales (ARI) Son muy variables y cada una problemática distinta. Aguas de escorrentía Urbana (AEU)


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Aguas que circulan por la superficie del suelo. No son unas aguas limpias. Si es después de un periodo largo de sequía es un agua muy contaminada y hay que depurarlas. Aguas Residuales Urbanas (ARU) Acaban llegando a las redes de saneamiento de las ciudades:  ARD  ARP (no habitual)  ARI (pequeñas industrias, talleres, comercio)  AEU (incluye limpieza de calles regando, riego jardines)  Aguas de infiltración que pasan a la red.

AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICA (ARD) El agua sufre un incremento de temperatura, es más difícil que se congele el agua residual que la de abastecimiento, también debido a sales. El origen de la contaminación es las heces y orina, además de limpieza, lavado y aseo. Principales contaminantes:  

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Microorganismos: (contaminación biológica): seres vivos de pequeño tamaño que están en las aguas fundamentalmente provienen de las heces. Materia orgánica M.O. (microorganismos también son M.O.). Si se vierte al cauce sin disminuirla, metemos alimento al cauce. Primero se alimentan los microorganismos, que consumen O2 disuelto del río y no queda para los peces. Sólidos: o Sólidos en suspensión (SS) o Sólidos en suspensión coloidal o Sólidos disueltos (SD) No deja penetrar la luz. Seres no pueden realizar la función clorofílica y mueren. Detergentes: sustancias sintéticas (humanos). Contaminación visual que da mala sensación, espumas. Pueden hacer que se inhiban los organismos, se rodean de una película y se quedan sin hacer nada. Nutrientes (N,P): formación de tejido celular o microorganismos crecen y van a la parte inferior y cargan el agua de M.O. y mueren peces, eutrofización. Metales pesados (pinturas, pilas, baterías).

Microorganismos Contaminación biológica doméstica. Origen eutérico fundamentalmente (origen en el intestino) que una vez expulsados están en un ambiente hostil y a la larga En nuestro intestino no son perjudiciales excepto si estamos enfermos, los patógenos. Estos últimos darían problemas de epidemias si no se trataran.

Determinación de los gérmenes patógenos DIRECTA: procesos lentos, caros técnicas especiales y personal especializado. Sólo encontramos lo que buscamos; por ejemplo cólera. INDIRECTA: No buscamos en esa agua microorganismos, sino que buscamos si hay indicios de si ha habido contaminación fecal. Supondremos contaminación biológica. Ponemos en cuarentena esa agua, ya que puede ser que haya microorganismos Gabriel Sanz Martín

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patógenos. Se busca la presencia de ciertos microorganismos INDICADORES, es decir no buscamos concretamente la bacteria (del cólera por ejemplo). Estos microorganismos no son patógenos pero es fácil que si hay estos, hay de los patógenos. Características de estos microorganismos indicadores (tienen que ser): Abundantes, en gran número para que sean fáciles de detectar; resistentes, estando todos los microorganismos procedentes de las heces fuera del intestino, están en un ambiente hostil, es decir, estos indicadores deben ser más resistentes que los patógenos; y específicos.

Indicadores más comunes: Coliformes: forma de bastoncillo, son bacilos. Inconveniente es que no son específicos, pueden estar presentes en el terreno sin ser de origen fecal. La bacteria que se usa como indicador es la Escherichia Coli o (E-Coli), ya que son abundantes; coliforme fecal que existe en los microorganismos de los seres de sangre caliente. Para determinar el número de bacterias E-coli en el agua, se pasa el agua por un filtro que retiene estas bacterias y se mete en una cajita. Los puntos que crecen (como moho) se conocen como UFC (unidades formadoras de colonias). Previamente eliminar otras bacterias. Estreptococos fecales: se caracteriza por ser específico de las aguas fecales. Los cocos tienen forma muy compacta. Proceden del intestino de animales de sangre caliente. Es interesante ver la relación entre coliformes fecales y estreptococos fecales para saber que proporción de los fecales son de origen humano o de origen animal. CF/EF > 4,4 → Humano. CF/EF < 0,6 → animal. Clostridium: en concreto el clostridium per fringens. Bacilo. Son microorganismos anaerobios y se caracterizan por ser resistentes. En ambiente desfavorables se reproducen por esporas (forma muy resistente de reproducción). Muy resistentes, si sólo hay clostridium, esa agua fue contaminación fecal hace bastante. Son tan resistentes que no vale solo hervir el agua. Se destruyen con temperatura > 121°C. Materia orgánica Aquellos compuestos químicos cuya composición interviene fundamentalmente el elemento C, H O y además, de manera importante también el N, P, S. Esta materia llega al agua a través de las heces, pero también de lavar los cacharros de cocina, restos de comida. La M.O. de las aguas residuales puede ser viva o muerta. Los tipos fundamentales de M.O. en ARD (Aguas residuales domésticas) son: 

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Compuestos orgánicos nitrogenados (CHON y ocasionalmente S) Están en forma de: o Aminoácidos o Proteínas (moléculas grandes como polímeros, ej un filete para recomponer nuestro organismo). Son el 40-60% de M.O. o Urea Carbohidrato o hidratos de carbono: Son almacenes de energía y fácil y rápido de extraer esta energía. Están disueltas en agua. Más difícil de separar. 25-50% de M.O. en las ARD.


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o Azúcares - glucosa C6H12O6 o Almidón o Celulosa Grasas y aceites (lípidos) (C H y algo de O): son poco solubles en agua y solubles en disolventes orgánicos. También son almacenes de energía pero se puede disponer de esa energía lentamente. Al ser poco solubles en agua, son HIDROFOGOS, huye del agua y son fáciles de separar, van a la superficie. Biodegradación lenta, por eso se quita al principio y se hace por separado, se retira o se incinera.

La problemática de la M.O. es que moléculas grandes enturbian el agua parcialmente impidiendo el paso de la luz, y que, por otro lado, una parte de la M.O. va a ser consumida por microorganismos, lo que hará que aumente el número de microorganismos en el agua, microorganismos de tipo aerobio que consumen oxígeno, que hacen el agua no sea capaz de regenerarse y mueren peces que se quedan sin oxígeno. Cuantificación de la M.O. DIRECTA: cuantas proteínas hay de tal tipo concretamente. Proceso lento y no encontramos lo que no buscamos. Es caro, reactivos, equipamientos, personal especializado. Por ello no es habitual. INDIRECTA: Se hace mediante oxidación de esta M.O. Hay diferentes técnicas de oxidación:   

Térmica: Quemar la M.O. => M.O. se combina con el O2 y se mide el CO2 que se produce. Calcinar: 1° quito agua quedando el residuo seco y calcinar lo que queda) Química: Emplear reactivo químico oxidante y se mide el O2 empleado para reducir M.O. Biológica: Echamos mano de microorganismos que consumen M.O. y O2 y producen CO2.

Oxidación térmica Sometemos al residuo seco a calcinación, temperatura elevada que forma que la M.O. se combine con O2 y se queme. Tenemos dos índices para medir:

COT (carbono orgánico total): temperatura a unos 900°C en presencia de catalizador, que provoca una reacción muy rápida. Se mide el CO2 producido mediante un analizador de infrarrojos. Se expresa en mgC/l. Puede haber sustancias químicas inorgánicas que al quemarlas también producen CO2 que altere la medida (Carbonato o Bicarbonato), deberemos eliminarlas primero aireando o acidificando.

DTO (Demanda total de oxígeno): También mediante calcinación en presencia de catalizador (platino). Combustión en recipiente cerrado. Medir el O2 consumido en la combustión. No se emplea mucho. Se mide en mgO2/l Oxidación química M.O. + oxidante = CO2 + H2O + Residuo ± Energía. Se mide la cantidad de oxidante usado, que es comparable al oxígeno.


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DQO (Demanda química de oxígeno): El oxidante es el Dicromato potásico K2Cr2O7 en presencia de un catalizador a 150°C. Se expresa en mgO2/l aunque lo que se mide realmente es el K2Cr2O7. Ensayo rápido, en tres horas se hace. El Dicromato es un oxidante fuerte y puede oxidar también sustancias inorgánicas, por ejemplo el hierro Fe+2 ® Fe+3 y cambia la medida. En aguas no contaminadas => DQO = 1 - 5 ppm de O2. Residuos domésticos ARD=> DQO = 250 - 1000 ppm. Oxidabilidad: se emplea como oxidante el permanganato potásico - KMnO4. Se emplea en aguas naturales con poca carga orgánica, no es habitual.

Oxidación biológica o bioquímica. Los microorganismos pueden oxidar la M.O. como alimento: M.O. + O2 —> (Microorganismos) —> CO2 + H2O + Residuo ± Energía. En realidad se producen 3 reacciones:   

Síntesis, para crecer en tamaño Oxidación, para obtener energía Respiración endógena, pues parte de la M.O. es la procedente del propio microorganismo.

DBO (Demanda bioquímica de oxigeno): Se mide en mgO2/l. Representa el O2 consumido por los microorganismos aerobios en la oxidación de la M.O. biodegradable, lo que quiere decir que la DBO no mide toda la M.O. sino que mide la biodegradable, es decir, que puede ser asimilada por los microorganismos en un tiempo razonable. La DBOu es La máxima que se puede consumir por los microorganismos, como no podemos esperar un tiempo infinito, se emplea un tiempo de 5 días. DBO5 es la cantidad de oxigeno consumido por los microorganismos aerobios en degradar la M.O. biodegradable en unas condiciones concretas de temperatura, luz, etc. en 5 días.

Factores que influyen en oxidación biológica de la materia orgánica. TIEMPO: es un factor importante. Es un proceso lento, en teoría sería infinito si se quiere oxidar todo. TEMPERATURA: los microorganismos no tienen la misma actividad biológica con frío que con calor. Entre 5 y 40ºC a mayor temperatura, mayor actividad de los microorganismos, es decir, más rápido se oxida la M.O. A menos de 5ºC se paraliza la actividad biológica. LUZ: No influye en el consumo de oxígeno, lo que sí influye es a la hora de medir ese oxígeno. Se mide el oxígeno al principio y el oxígeno al final y la diferencia es lo consumido. Los organismos que hacen la función clorofílica, al recibir luz, expulsan oxígeno y además producen nueva M.O. que distorsiona la medida del oxígeno. Ha de hacerse la determinación de la DBO de un agua en ausencia de luz. MICROORGANISMOS: Si no hay microorganismos no se puede consumir la M.O. ni el oxígeno, aunque haya en el agua. A veces las aguas residuales industriales ARI, no llevan microorganismos para realizar la medida de la M.O. hay que hacer una siembre de microorganismos. En ARD no hay problema, si que hay microorganismos. A veces incluso Gabriel Sanz Martín

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añadiendo microorganismos la DBO = 0, puede ser si hay una sustancia toxica o sustancias que los paraliza, por ejemplo el detergente => se envuelven en mucosidad y se paralizan. SUFICIENCIA DE OD (OXÍGENO DISUELTO): ARD tienen alrededor de DBO5 = 200 ppm. Para oxidar la M.O. biodegradable es necesario que haya 200 mg/l de OD. Pero en un agua lo normal es OD = 8-10 ppm => No sería suficiente oxigeno, sería imposible medir la DBO. Se soluciona diluyendo el ARD en un agua destilada con gran cantidad de OD, mejor con OD de saturación y que no aporte M.O. (ojo se disuelve el pequeña cantidad de ARD en el agua con mucho OD). Para saber cuál sería la DBO de la muestra: NUTRIENTES: Cualquier sustancia que alimenta, la M.O. es un nutriente pero sobretodo el N y P (nitrógeno y fósforo), fundamentales para la formación del tejido celular. Compuestos nitrogenados. Si no hay N ni P en porcentaje suficiente => tampoco consumen M.O. no oxígeno. En ARI a veces están escasas en N y P, y el fósforo soluble es caro. En procesos biológicos aerobios el nitrógeno debe estar en esta proporción con el carbono: N > C/20, y P > C/100 NITRIFICACIÓN: Hay microorganismos que a veces oxidan el nitrógeno del agua. Amoniaco o amonio, a veces la M.O. tiene nitrógeno. En compuestos nitrogenados, como el amoníaco, El nitrógeno tiene valencia -3. Una serie de bacterias oxidan el nitrógeno en vez del carbono o M.O. El proceso de oxidación del nitrógeno sucede en 2 etapas: Oxidación biológica: 2NH3- + O2 + Bacterias Nitrosomonas → 2NO2- + 2H+ + 2H2O HNO2 (ácido nitroso). 2NO2- + 2H+ + O2 + Bacterias Nitrobacter → 2NO3- + 2H+ HNO3 (ácido nítrico, el nitrógeno tiene valencia +3 en vez de -3). Se puede evitar disminuyendo el pH, acidificando el agua, hace que esas bacterias no actúen. En las ARD la Nitrificación empieza a los 8-10 días, si se usa la DBO5 no hay problema. Si son ARI sí que puede tener influencia. El parámetro que se va a emplear para determinar la M.O. es la DBO 5, que es la cantidad de OD en el agua expresada en forma de concentración mg/l consumido por los microorganismos aerobios en 5 días a 20°C de temperatura y en oscuridad. En ARD la DBO5 es equivalente más o menos a 2/3 de DB0u. La DBO5 tiene ciertas limitaciones que son, principalmente:   





En su determinación se emplea mucho tiempo => 5 días. (DQO => 3 horas). Tiene un gran error de medida, un error normal en la determinación puede ser de ± el 15% (con la misma agua, mismo operador, mismas condiciones). Puede haber sustancias que alteren los resultados, presencia de tóxicos, inhibidores que impiden proceso, los mata o inhibe. Debe haber suficiente OD y nutrientes. El ensayo de determinación no es representativo de la realidad. En la realidad la temperatura no es 20°C y hay luz, por lo que por fotosíntesis también hay aporte de oxígeno, agua se airea. Además se puede dar procesos anaerobios en algunas zonas.


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Modelo matemático de la DBO Es una reacción de 1° orden, se puede representar a través de esta ecuación diferencial: dL/dt = - K1L siendo: -

dL/dt = velocidad de eliminación, es proporcional a la cantidad de M.O. biodegradable que hay que oxidar L = DBO remanente, la que no se elimina K1 = constante de biodegradación (1/T) en días-1

Operando obtenemos que: L = L0·e-K1·t, que nos permite obtener L en el instante t. DBOt = DBO en el instante t, es decir, el oxígeno consumido hasta "t". Se calcula como: DBOt = L0 - L = L0(1 – e-K1·t) Si conocemos resultados a 1 y 2 días se puede determinar la DBO5, pero saldrá distorsionado.

Relaciones entre DQO y DBO DQO > DBOu , ya que la DQO es toda la M.O. incluso algún compuesto inorgánico, mientas que la DBO es solo biodegradable. Si la DQO >>> DBO5 indica que el agua tiene mucha M.O. no biodegradable.   

Si DQO/DBO > 25, es ARI o parte importante del agua es de ARI. Si DQO/DBO »1,5 – 2, es ARD En ARD, la DBO5 = 2/3 DBOu

Sólidos que lleva el agua El de problema de los sólidos en el agua es que en los cauces crean zonas de sedimentos, y enturbian el agua impidiendo el paso de la luz. Impide a los microorganismos realizar fotosíntesis y afecta al sistema. Los diferentes tipos son:

Sólidos totales (ST): La totalidad de los sólidos que contiene el agua expresado en mg/l o ppm. Los sólidos pueden estar en el agua de 3 formas distintas, según la dificultad de separación:

Sales disueltas: Mezcla moléculas (iones con el agua). Difícil de separar y costoso, usando métodos como destilación-condensación, micro-filtración con membranas. Coloides o micelas: Suspensión coloidal, moléculas con carga eléctrica, partículas pequeñas que no se juntan y no se pueden separar del agua por diferencia de densidades. Para separar 1° debemos juntar moléculas y formar flóculos (partículas más grandes) coagulación-floculación. Más volumen, más densidad, decantación. Llamamos sólidos disueltos (SD) a la suma de las sales disueltas + coloides. Los sólidos en suspensión (SS) son partículas que el agua va moviendo. Si no hay turbulencias por su propio peso decantarían al fondo. ST = SD + SS Gabriel Sanz Martín

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También se diferencian en sólidos orgánicos e inorgánicos. Procesos de determinación de sólidos en un agua a) Evaporación: eliminar el agua quedando los sólidos con una estufa a 103-105°C. Pesar con sólido - vacío = Sólidos Totales (ST). b) Filtración: pasamos el agua por un filtro (material con unas aberturas que permite pasar partículas más pequeñas pero retiene las grandes). Apertura del filtro => 1 nm. El filtro retiene SS y pasan SD. Se pone el filtro en horizontal y se filtra el agua, a continuación se lleva el filtro a la estufa 103-105°C y se pesa:  

Filtro con sólido - filtro al principio = Sólidos en suspensión (SS) También se puede llevar a estufa el recipiente con el agua filtrada, pesándolo después y saber la cantidad de Sólidos disueltos (SD).

c) Sedimentación: sólidos más densos que el agua que si se dejan un cierto tiempo estas partículas acaban decantando al fondo. Se usa para medirlas el Cono Inhoff, se mide el volumen directamente y como es un litro nos da directamente en mg/l los sólidos en suspensión. d) Calcinación (para saber la cantidad de M.O.): Se parte del sólido extraído del agua. Se somete al sólido a una temperatura de 550 ± 50°C. Se combina el carbono con el O2 haciendo CO2, se pierde el agua y deja un sólido reducido. Si el filtro es inorgánico no se quema y se podría pesar todo junto. Sólidos que quedan = Sólidos fijos = Materia Inorgánica. Sólidos Volátiles = Materia Orgánica. SS = SSF + SSV SD = SDF + SDV ST = STF + STV e) Coagulación-floculación: partículas en suspensión coloidal forman agregados más grandes que se pueden separar filtrando o decantando, quedando las sales disueltas. Pequeño error ya que para medir algo añado algo al agua. Están eran medidas directas de sólidos del agua, también hay una técnica indirecta: Turbidez: impurezas del agua que dificultan el paso de la luz. Turbio es distinto a color, no confundir. La forma de medirla es enfocar al recipiente con agua con una linterna y medir la luz que se reflecta. Más partículas equivalen a más reflexión y nos da un orden de magnitud de sólidos en el agua. En cuanto a la concentración, los no filtrables filtrables suponen 1/3 del total, de los ¾ partes son sedimentables, siendo ¾ de estas volátiles, tanto en sedimentables como en no sedimentables. En cuanto a las no filtrables, un 90% son sales disueltas, de las que 1/3 son volátiles. De los coloides, hasta 4/5 partes son volátiles. Detergentes Son productos sintéticos (hechos por el hombre) que se caracterizan porque disminuyen la tensión superficial del agua (tensoactivos). El que disuelve y arrastra la suciedad es el agua. El agua debe penetrar entre las fibras de la ropa para poder limpiar. Según la naturaleza de grupo polar hidrófilo pueden ser iónicos o no iónicos. Sus constituyentes son: Gabriel Sanz Martín

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 

Agente tensoactivo (20-30% en peso del total del detergente) Mezcla de sales sódicas: fosfatos, sulfatos, carbonatos, perboratos,...

Tipos de detergentes:  

BAS (sulfonato alquilo benceno): son cadenas ramificadas. No biodegradables, ya no se usa, prohibidos por ser difícil su eliminación. LAS (sulfonatos alquilo lineal): cadenas lineales, más fáciles de romper. Son biodegradables, desaparecen rápido en la naturaleza.

Problema de los detergentes (al verterlos al medio): Formación de espumas (aun en pequeña cantidad). Es contaminación visible, estética, aunque la espuma no es contaminante. A la salida de la depuradora es habitual las espumas. Dificulta la oxidación biológica de la M.O. por dos motivos. El primero es que disminuyen la solubilidad del oxígeno en agua (agua puede contener menos oxigeno). Además, los microorganismos (no todos) se rodean de una película que les aísla del agua y reducen su actividad vital. Aportan fósforo al ecosistema que sirve de nutrientes (detergente contiene fosfatos). Nutrientes Sustancia esencial que necesitan los seres vivos para poder sobrevivir. N, P, S, C y algunos son necesarios en cantidades pequeñas. Son esenciales N y P, ya que el N es necesario para crear tejido celular (sus propias proteínas) y el P para el ciclo energético de la célula. El N y P está en la M.O. y P (fósforo) llega al agua a través de los detergentes. Para eliminarlos deberemos utilizaros mecanismos químicos o biológicos. Químicamente, aportando reactivos químicos, se forman otros compuestos que son insolubles en el agua y precipitan. Biológicamente los microorganismos se encargan de eliminar el N y P. N en depuradora fundamentalmente llega en forma reducida y hay que oxidarlo. N también está en la urea, amoniaco. Transformar el N en N2 gas y al airear el agua saldrá. El problema fundamental de los nutrientes es la eutrofización, que es una explosión de vida que después genera un problema en el agua con poco movimiento. Nutrientes alimentan algas microscópicas en ese cauce, esas algas mueren y se depositan al fondo generando mucha M.O. Los microorganismos aerobios necesitan el oxígeno para comerse la M.O, lo que provoca que desaparezca el OD del agua, mueran los peces, se den procesos anaerobios que despiden azufre, huele mal, aguas pestilentes. Metales pesados No se originan en los domicilios en principio, sino por los productos industriales usados en los domicilios, por ejemplo pilas, baterías, pinturas. Difícil retirar los metales pesados. Necesarios procesos químicos caros => Que formen compuestos con estos metales y precipiten. Necesario personal cualificado. Problemas: 

Pueden ser perjudiciales porque lleguen al alcanzar en el agua una concentración alta, siendo venenosos incluso para el hombre.


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



Acumulación. Se van acumulando los metales pesados al llegar a los microorganismos ya que este no lo expulsa. El microorganismo en comido por otro microorganismo hasta llegar al pez. Si el pez come muchos microorganismos con metales pesados se va acumulando. Puede llegar al hombre. No se puede eliminar por orina y genera problemas graves de salud. (Ejemplo en Japón el mercurio vertido al agua generó problemas nerviosos). También afecta en procesos biológicos de depuración.

Metales pesados son básicamente todos los metales, mercurio (el más peligroso), cadmio, cobre, plomo. Algunos alteran la permeabilidad de la pared celular matando la célula. Aunque los metales pesados son constituyentes de los microorganismos, pero en concentraciones pequeñísimas. Son necesarios, pero en más concentración son malos. AGUAS RESIDUALES PECUARIAS (ARP) Aquella agua que se contamina como consecuencia de la actividad ganadera (cría de animales vacuno, porcino, ovino, aves, gallina, pollos, reptiles... La explotación ganadera es de dos tipos: 



Extensiva (ganado no estabulado): no en establo, pastan fuera, excrementos del animal según va pasando. Contaminación difusa. No se puede depurar, única forma de cambiar esto es cambiar el número de cabezas por hectárea. Intensiva (estabulada): en jaula. Contaminación concentrada, vertidos al río localizados. Aguas que se originan en la cuadra se recogen y se vierten en un punto, si el vertido da problemas se puede tratar antes. Se puede depurar.

Características: Son muy similares a las ARD porque son aguas que tienen contaminación de animales de sangre caliente. Tienen los mismos indicadores de contaminación biológica. Ver si puede contener patógenos, al ser fecales, ya que puede contener microorganismos patógenos que nos originen enfermedades al hombre a través del agua (zoolosis). El volumen de agua que transporta residuos fecales es menor en las pecuarias que en ARD (ejemplo, animales no tiran de la cadena), pero tienen mayores concentraciones de M.O. y de sólido en suspensión. Esto puede condicionar los sistemas de transporte y de tratamiento. Al ser herbívoros y al utilizar paja como cama, al limpiar se arrastra y son aguas muy cargadas de residuos sólidos aparte de M.O. Presencia de insectos: productos insecticidas que acabarán llegando a las aguas residuales pecuarias (ARP). En esta agua no hay detergentes (se limpian las cuadras con agua). Cantidad de heces generadas, depende de: especie, raza, edad de individuos, peso, dieta alimentaria, estación climática (en verano beben más, hay más orina). Contaminación de origen agrícola y forestal En la actividad agrícola (y forestal) se emplean unos productos, se contaminan aguas subterráneas y superficiales. Es la contaminación más abundante y además es


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dispersa. (Industria contamina menos pero es más concentrado.) Los productos utilizados en agricultura acaban contaminando las aguas:  

Fertilizantes o abonos: sustancia que aportamos al suelo para que las plantas crezcan (más). Pesticidas: sustancias que matan (biocidas), eliminan aquellos seres vivos que presentan un problema al crecimiento de las plantas.

Abonos El problema de los abonos es los nutrientes necesarios para la planta pero parte se pierde y va al agua, eutrofización. Pueden ser: 



Orgánicos: Altas concentración de M.O., tiene microorganismos, nutrientes N, P. o Estiércol: Heces de animales, no es perjudicial. o Compost: Mejora características del terreno. Mejora porosidad y capacidad de retención del terreno. o Lodos o fangos estabilizados de depuradora de ARD: Pueden contener metales pesados y tener un efecto acumulativo. Inorgánicos: Sales, nitratos, nutrientes N y P

Pesticidas Sustancias biocidas que matan. Más peligrosos que los abonos. Para eliminar seres vivos que son perjudiciales para las plantas que tienen interés económico. Sirven para evitar:   

Dañar plantas. Enfermedades. Competidores o malas hierbas. Según lo que queremos eliminar:

   

Insecticidas: No todos los insectos son malos, por ejemplo abejas son buenas. Plaguicidas (muchos insectos). Funguicida: mata hongos microscópicos. Herbicidas: eliminar plantas competidoras.

A veces incluso tienes efectos perjudiciales para la salud humana. Pueden ser cancerígenos, mutágenos (modificaciones genéticas) o teratógenos (niños pueden nacer con malformaciones). Para evitar el efecto de pesticidas (efecto medioambiental pero no económico) se busca que sean rápidos y no persistentes. Como la contaminación de origen agrícola no se puede tratar una vez producida, sólo se puede tratar en los orígenes, es decir reduciendo los pesticidas,.. AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES (ARI) Se originan en la industria. Son variables, porque hay muchos tipos de industria y distintos procesos incluso para mismos productos. Según los usos del agua en la industria:  

Agua de proceso: El agua que interviene en el proceso sin luego ser parte del producto. Agua de limpieza: En limpiar los residuos industriales, ejemplo, limpiar las cubas de hormigón.


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  

Aguas asimilables a domésticas: Usadas por el personal de la fábrica asimilable a aguas domésticas. Agua de refrigeración: Contaminación térmica, calor puede generar una alteración en el sistema puede ser un inconveniente o no. Agua de escorrentía: de la zona industrial, por ejemplo un acopio de carbón, solución, recubrirlo, así también se ahorra económicamente en secarlo además de no contaminar más las aguas.

La ARI se caracteriza por su alta variedad, tanta como tipo de industrias haya, y por su alta variabilidad, ya que se producen procesos distintos para mismo tipo de industria. La periodicidad de vertidos de ARI puede ser continuo, discontinuo, diario, semanal... Pueden originar problemas muy graves en instalaciones y en los procesos de depuración. Dañan redes y procesos de depuración pueden ser alterados, envenenamiento de los procesos biológicos de depuración. Puede que si esas aguas se mezclan pueden reaccionar y dar nuevos compuestos que no sabemos. Para evitarlo, cada industria debería de tener cada industria un tratamiento antes de verter a la red. Cobrar más caro a la industria si no lo hace. Principales contaminantes en ARI

Materia orgánica: depende industria, pueden no contener M.O. Las aguas similares a las domésticas si tendrán algo de M.O. pero poco en relación. Si hubiera M.O. esta generalmente:     

En concentraciones muy altas de M.O. (1000-10000 mg/l) Alto porcentaje de M.O. disuelta (80%) Problemas para su degradación (biológica), porque hay una alta proporción de M.O. no biodegradable Suelen tener escasez de nutrientes N, P. Si no hay no puede oxidar la M.O., haciendo necesario añadirlos (fósforo soluble), es un proceso caro. Pueden contener sustancias tóxicas que matan o inhiben a los microorganismos y no reducen la M.O. (A veces hacer un pretratamiento químico y luego el biológico).

Temperatura: en ARI puede ser muy grande la diferencia. Contaminación química por compuestos inorgánicos: Productos tóxicos: Sustancia que envenena los procesos biológicos como por ejemplo metales. Industrias de curtido, galvanizado, cromados, CN- (cianuros), metales pesados como Hg, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb. Ácidos y bases: Caso típico en la industria. Modifica el pH del agua que en principio son neutras o ligeramente ácidas debido al CO2. Influye en los procesos biológicos, depende del ser vivo, unos mejor su actividad en ligeramente alcalino y otros en ligeramente ácidos. Sales: En calderas y sistemas de refrigeración, debido a que el agua se evapora. Aceites e hidrocarburos: Máquinas que como se mueven hay que echar lubricantes o cambiar juntas,..


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Contaminación Radiactiva (más cara): Cuando hay un problema de explotación o bien por un accidente. En Obra civil se usa para medir la compactación y humedad, en medicina también se usa mucho. La ARI es variada, compleja, cara de tratar pero se puede tratar. Es la contaminación que más nos impacta pero no es la mayor (esa es la agrícola) pero problemática compleja.

AGUAS DE ESCORRENTÍA URBANA (AEU) Aguas que escurren sobre el suelo urbano. Cuyo origen mayoritario es la precipitación, aunque también riegos de jardines, agua de limpieza viaria, mercados… Dos tipos de superficies en la ciudad:  

Superficie impermeable (Más proporción) Cubiertas de los edificios, patios interiores, vías, calzadas, aceras, plazas duras... Superficies permeables: Parques y jardines, solares sin construir...

La escorrentía en la ciudad suele ser mayor por metro cuadrado. es el coeficiente de escorrentía es alto en núcleos urbanos. Agua de lluvia es bastante limpia pero el agua que escurre por las calles ya no es un agua limpia, y menos aún las primeras aguas de lluvia después de un periodo largo de sequía. Cuando circulan por las calles, son aguas muy contaminantes (llevan aceites, hidrocarburos, goma de neumático,..) son los 15-20 primeros minutos de lluvia. No se deben verter directamente al cauce. Antes se mandaban directamente al cauce, pero puede matar vida en el agua. Ahora se lleva a la red de saneamiento para ser depurada. Puede ser usada la misma red que ARD (sistema unitario) o por separado (sistema separativo). Reservar las primeras aguas y tratarlas, si el aguacero es prolongado no hará falta limpiar esas aguas, ya que no tendrán prácticamente contaminación, además no cabrían en la depuradora. Si se vertieran directamente al cauce sería una red difusa. Esta contaminación depende del uso del suelo. AGUAS RESIDUALES URBANAS (ARU) Son las que circulan por las redes de alcantarillado de la ciudad, formadas por ARD, ARI, algunas ARP, AEU y Aguas de infiltración, que pasan del terreno a la red de alcantarillado. (las redes de saneamiento son o intentan ser estancas). El alcantarillado puede ser:  

Unitario: Todas las aguas van por un mismo sistema. Separativo: o Residuales: ARD, ARI ARP, Parte de agua de infiltración, Aguas de lixiviados de vertederos urbanos. o Pluviales: AEU, Parte de aguas de infiltración.

Contaminación de las aguas pluviales a un cauce si son las primeras aguas después de sequía prolongada. Evitar con tanques de tormenta (depósitos subterráneos vacíos que se llenan con los aguaceros y una vez llenos el agua no se sigue almacenando, después esa agua se trata). También si el sistema unitario cuando el caudal es grande debido a la Gabriel Sanz Martín

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aportación de aguas pluviales, es una contaminación diluida que suponemos que el cauce puede soportar. Disponer aliviaderos de crecida en el sistema unitario para que si se desborda va al cauce. CARGAS DE CONTAMINACIÓN Parámetros: Sólidos en suspensión y materia orgánica biodegradable. Interesa saber las cantidades que se producen en una población y también en el futuro para cuantificar la contaminación generada por habitante y día. Así según sea la población conocemos la cantidad de contaminación que tenemos que tratar ahora y 30 o 20 años después. Llega menos contaminación a la red en una red separativa. Zona residencial es sólo la contaminación de individuos que viven allí y la del núcleo de población hay comercios... que atraen población, es decir contaminación originada por gente que no vive allí y va allí, por eso es mayor. Directiva comunitaria DC 91/271/CEE que considera que un habitante produce una DBO5 al día de 60 g/hab*día, oscila a lo largo del día ya que cuando dormimos contaminamos menos. La industria contamina de otra manera por eso es necesario introducir el concepto de Habitante equivalente. Hacemos equivaler la contaminación de los animales o industrias que contaminen lo mismo en DBO o SS a un número de habitantes. Contaminan lo mismo que ese número de habitantes en términos de DBO, u otro parámetro. Si la contaminación no es debida a un núcleo de población urbano se usan otros parámetros de contaminación, aunque se puede emplear el concepto de habitante equivalente para homogeneizar. HABITANTE EQUIVALENTE => (h-e) Unidad de medida que homogeniza la contaminación. 1 vaca = 10 h-e 1 cerdo = 3 h-e Industria: Vemos todas las características de esa agua y el h-e depende de cada parámetro. Es decir en sólidos en suspensión el valor será otro. 1.3 LA CALIDAD DEL AGUA Y SU CONTROL La calidad de un agua depende del uso que se haga del agua. Conjunto de características por las que su uso no produce efectos adversos para el hombre o sus actividades o para los organismos que dependen de ella. Hay 3 factores a tener en cuenta: Usos del agua: 

Uso fuera del lugar donde se encuentra: aguas abastecidas. Requieren una captación de esa agua y se emplea en otro sitio. o Aguas de consumo humano (legislado): Agua de boca (bebida, cocinar, aguas de consumo en la industria) y aguas de limpieza, lavado y aseo en domicilio. o Aguas de uso pecuario. o Aguas uso agrícola.


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

 

o Aguas de uso industrial (que participa en los procesos). Utilización de la masa o curso de agua: utilizado en el lugar donde se encuentra. o Baños (playa, río) o Navegación (ocio, comercial) o Pesca y actividades deportivas o Cría de peces y moluscos o Producción de energía hidráulica Medio que acoge un ecosistema: este ecosistema debe cumplir unos requisitos. Receptor de efluentes de aguas residuales.

Punto de control:  



Aguas abastecidas: el punto de control es el punto de consumo, sería en el grifo pero se hace el control en la acometida. Agua captada: el punto de control es allí donde se coja el agua. Si las aguas captadas cumplen características de agua de un agua abastecida y en el transporte tampoco pierde propiedades pues bien. Si no cumple las características de las aguas abastecidas debemos tratarla para que cumpla características también considerando el transporte. Aguas vertidas: si esa agua no origina problemas se puede mantener así sin tratar. Ejemplo, una población de 2000 habitantes en el Amazonas no es problema, pero si se vierte a un arroyo, el arroyo sería una cloaca. Dependiendo del cauce se depura más o menos el agua. Se depuran las aguas en el punto de vertido.

Parámetros de calidad de las aguas abastecidas: Aguas de consumo humano. Las que nos darán más problemas sanitarios. Parámetros a cumplir, hay legislación Europea y la aplicación de esa directiva europea en cada país. DC 98/83/CE- del 3 de noviembre del 98 relativo a la "Calidad de las aguas destinadas a consumo humano". Aunque está derogado ya, el R.D. 1138/1990 de 14 de septiembre "Reglamentación técnico sanitaria para el abastecimiento y control de calidad de las aguas potables de consumo público". El que está actualmente en vigor es el R.D. 140/2003 de 7 de febrero. “criterios sanitarios de calidad del agua de consumo humano.” DESTACAMOS EN ESTE R.D.:

Definiciones (Art. 2): Agua de consumo humano: a) Todas aquellas aguas, ya sea en su estado original, ya sea después del tratamiento, utilizadas para beber, cocinar, preparar alimentos, higiene personal y para otros usos domésticos, sea cual fuere su origen e independientemente de que se suministren al consumidor, a través de redes de distribución públicas o privadas, de cisternas, de depósitos públicos o privados. b) Todas aquellas aguas utilizadas en la industria alimentaria para fines de fabricación, tratamiento, conservación o comercialización de productos o sustancias destinadas al consumo humano, así como a las utilizadas en la limpieza de las superficies, objetos y materiales que puedan estar en contacto con los alimentos.


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c) Todas aquellas aguas suministradas para consumo humano como parte de una actividad comercial o pública, con independencia del volumen medio diario de agua suministrado. Estación de tratamiento de agua potable (ETAP): conjunto de procesos de tratamiento de potabilización situados antes de la red de distribución y/o depósito, que contenga más unidades que la desinfección. (Art.3) Quedan excluidas del ámbito de aplicación de este Real Decreto: a) Todas aquellas aguas [... ] (para el) proceso de elaboración, circulación y comercio de aguas de bebida envasadas. b) Todas aquellas aguas [...] del Medicamento. c) Todas aquellas aguas mineromedicinales de establecimientos balnearios [...] sobre la explotación de manantiales de aguas mineromedicinales. [...] (Art.5) Criterios de calidad del agua de consumo humano. El agua de consumo humano deberá ser salubre y limpia. A efectos de este Real Decreto, un agua de consumo humano será salubre y limpia cuando no contenga ningún tipo de microorganismo, parásito o sustancia, en una cantidad o concentración que pueda suponer un riesgo para la salud humana, y cumpla con los requisitos especificados en las partes A y B del anexo I. (Art.6) Punto de cumplimiento de los criterios de calidad del agua de consumo humano. [...]: a) El punto en el cual surge de los grifos que son utilizados habitualmente para el consumo humano, [... ]

(Art. 8) Conducción del agua. 1. Antes de su puesta en funcionamiento, se realizará un lavado y/o desinfección de las tuberías. El material de construcción, revestimiento, soldaduras y accesorios no transmitirán al agua sustancias o propiedades que contaminen o empeoren la calidad del agua procedente de la captación. (Art. 17) Control de la calidad del agua de consumo humano. 1. En términos generales, en cada abastecimiento se controlarán los parámetros fijados en el anexo I. Cuando la autoridad sanitaria lo disponga se controlarán aquellos parámetros o contaminantes que se sospeche puedan estar presentes en el agua de consumo humano y suponer un riesgo para la salud de los consumidores. [... ] 4.a «Apta para el consumo»: cuando no contenga ningún tipo de microorganismo, parásito (patógeno) o sustancia, en una cantidad o concentración que pueda suponer un peligro para la salud humana; y cumpla con los valores paramétricos especificados en las partes A, B y D del anexo I o con los valores paramétricos excepcionados por la autoridad sanitaria [... ] (Art.20) Control en el grifo del consumidor.


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1. Para las aguas de consumo humano suministradas a través de una red de distribución pública o privada, el municipio, o en su defecto otra entidad de ámbito local, tomará las medidas necesarias para garantizar la realización del control de la calidad del agua en el grifo del consumidor y la elaboración periódica de un informe sobre los resultados obtenidos. 2. Los parámetros a controlar en el grifo del consumidor son, al menos:           

Olor. Sabor. Color. Turbidez. Conductividad. pH. Amonio. Bacterias coliformes. «Escherichia coli» (E. coli). Cobre, cromo, níquel, hierro, plomo u otro parámetro: cuando se sospeche que la instalación interior tiene este tipo de material instalado. Cloro libre residual y/o cloro combinado residual: cuando se utilice cloro o sus derivados para el tratamiento de potabilización del agua.

En caso de incumplimiento de los valores paramétricos, se tomará una muestra en el punto de entrega al consumidor. (Art.22) Situaciones de excepción a los valores paramétricos fijados. [...] (Anexo I) ANEXO I Parámetros y valores paramétricos A. Parámetros microbiológicos  Escherichia colI: 0 UFC en 100 ml  Enterococo: 0 UFC en 100 ml  Clostridium perfringens (incluidas las esporas): 0 UFC en 100 ml 1 y 2 B.1 Parámetros químicos  Antimonio: 5,0 mg/l  Nitrato: 50 mg/l  Plaguicida individual: 0,10 |lg/l Excepto para los casos de: o Aldrín: 0,03 mg/l o Dieldrín: 0,03 mg/l o Heptacloro: 0,03 mg/l o Heptacloro epóxido: 0,03 mg/l [... ] B.2 Parámetros químicos que se controlan según las especificaciones del producto C. Parámetros indicadores: No determinan si el agua es apta o no pero para controlar la calidad del agua en el grifo; color, olor, sabor, 6,5
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de formación 1 UNF a salida ETAP y 5 UNF en red de distribución, Bacterias coliformes 0 UFC en 100 ml... D. Radiactividad: el resto de agua abastecida, aparte de la de las de consumo, no está legislada pero hay valores sancionadas por la experiencia. Según el destino de las aguas: A) Aguas consumo humano B) Usopecuario: características similares a aguas de consumo humano. Excepción en la concentración de sales que pueden tener una contaminación mayor; herbívoros comen hierbas, dieta con poca sal, necesitan más sal por eso se permite más sal en el agua pecuaria. Límites máximos de concentración de compuestos disueltos totales:     



Hombre: 1500 mg/l Gallina: 2860 mg/l Cerdo: 4290 mg/l Caballo: 6435 mg/l Vacuno: o Leche: 7150 mg/l o Carne: 10000 mg/l Lanar: 12000 mg/l

C) Agua de uso agrícola: El uso en el agua de la agricultura es el que consume más cantidad de agua, el 80-85%. Cuando hay sequía se debe reducir las tierras de regadío. Factores a considerar:   



Agua (ejemplo, concentración de sales) -Suelo (ejemplo, impermeabilidad) Tipo de cultivo (ejemplo, cada cultivo admite una cantidad de sales) Sistema de riego o Inundación (arroz) o Riego a manta o Riego mediante surcos o Riego aspersión o Riego gota a gota Marco climático

Problemas de agua de uso agrícola: SALINIZACIÓN: Incremento de la concentración de sales que hay en el terreno => terreno no apto para el crecimiento de las plantas (ejemplo, en las guerras antiguas se echaba sal en los cultivos). El aumento de la concentración de sales impide que la planta pueda captar agua del terreno, se explica debido a la ÓSMOSIS Membrana semipermeable permite que pasen moléculas de agua pero no la sal. Si hay distintas concentraciones, habrá un trasvase de agua de una cubeta a otro. Suponemos [C1]>[C2]. Se equilibra cuando las concentraciones son iguales a ambos lados, hay mismo número de moléculas de agua y de soluto en el agua


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Las plantas captan el agua a través de las raíces, osmóticamente, pero si hay más sales en el terreno puede suceder incluso lo contrario, que la planta aporte agua al terreno para compensar. La planta muere en terreno salado. Si la concentración de sales:   

[ ] < 500 mg/l => Agua aceptable para riego [ ] > 5000 mg/l => Agua inaceptable 500 < [ ] < 5000 mg/l => Agua dudosa

ALCALINIZACIÓN: Se debe a la presencia tanto en el agua como en el terreno de iones intercambiables Na+, Ca+2, Mg+2. Ion sodio: dispersión de las arcillas, hace que el terreno sea más impermeable, cierra poros, y el terreno no drena bien. El terreno se encharca y el agua no llega a la planta y no se nutre. Vigilar la proporción de Na+ en relación con Ca+2, Mg+2. Se mide con el Índice SAR - Relación TOXICIDAD: 

 

Boro: es tóxico para la planta o [B] < 0,3 ppm: sensibles al boro ([B] = 0,5 ppm, mueren) o [B] < 0,7 ppm: semitolerantes al boro o [B] < 1,0 ppm: tolerantes o [B] > 3,8 ppm: aguas inaceptables NH4+: amonio, es menos importante. Metales pesados: toxicidad para la planta y/o para el que la consume.

D) Agua de uso industrial, problemática => 10-15% El 2° más importante. Aguas y usos variables. Características: 

  

Necesidad de agua en la industria es grande (es una de las cosas que influyen en la localización de la industria, como el precio de la mano de obra, servicios, subvenciones...) Requisitos son muy diversos, para hacer que esa agua sea apta para ese uso. Abastecimiento propio, para depender de la de consumo doméstico. Pozos, captación en ríos... Tratamiento propio del agua para adecuar a los requisitos de calidad en distintos aspectos.

Empleo del agua en procesos industriales (No exhaustivo): 

 



Incorporación a alimentos: R.D. de aguas aptas para consumo humano, y en la limpieza de los productos que van a estar en contacto con alimentos. Bebidas, conservas... Transporte de iones: baños electrolíticos, asegurar que no tenga sales disueltas (cromado). Agua para el lavado de gases o Siderurgia o Incineración o Desulfuración de humos (para evitar lluvia ácida) Lavado de superficies: decapados, quitar capas de óxidos o capas de pintura.


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En la industria no hay legislación general (si en la de consumo humano), solo hay una normativa de agua para producir vapor, Norma UNE 9-075/92 relativa a la calidad del agua para producir vapor.

Legislación según lugar de utilización: 1. Aguas captadas Aguas que se cogen para poder usar en abastecimiento. Lo frecuente es que no cumplan los requisitos de las aguas abastecidas y haya que tratarla. Legislación comunitaria:  

D.C 75/440/CEE, de 16 de junio de 1975 relativa a la calidad requerida para las aguas superficiales destinadas a la producción de agua potable . R.D. 927/1988, de 29 de julio, “Reglamento de la administración pública de agua y de la planificación hidrológica.”

A1 - Buena calidad: Si para obtener agua potable hace falta un tratamiento físico simple + desinfección (filtración en lecho de arena). A2 - Peor calidad   

Tratamiento físico normal: decantación + filtración Tratamiento químico: Coagulación-floculación (micelas se juntan) Desinfección

A 3- Mucha peor calidad  

Tratamiento físico intensivo (predecantación + decantación (más tiempo) + filtración) Tratamiento químico intensivo, con más dosis de coagulante floculante. Desinfección.

2. Utilización en el curso o masa de agua 

 

Baño: los parámetros son cercanos al de las aguas potables y se pueden superar algunas, por ejemplo salinidad (agua de mar). En el aspecto bacteriológico se limita el número de microorganismos que puede haber para proteger la salud del bañista, vigilar aquellas que penetran a través de la piel y producen enfermedades. DPC 2006/7/CE, de 15 de febrero de 2006 relativa a la "Gestión de la calidad de las aguas de baño" y R.D. 734/1988, de 1 de julio, “Normas de calidad de las aguas de baño”. Establece límites: o LÍMITES IMPERATIVOS: No se deben sobrepasar en ninguna circunstancia  CT < 10.000 ud./100ml  CF < 2.000 ud./100ml o LÍMITES GUÍA: Será mejor que no se sobrepasen  EF < 100 Ud./100ml (para consumo, estos valores son cero) Navegación: No hay limitación legislativa pero para el turismo interesa que esté limpio, que no sean aguas de vertederos, olor, cosas flotando... Pesca y Cría de peces y moluscos: igual que agua como medio que acoge un ecosistema, que veremos más adelante.


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

Energía: que el agua no produzca daños en las instalaciones: Troncos, ramas, piedras… Hacer desbaste.

3. Agua como medio que acoge un ecosistema Dividimos en dos: Aguas aptas para la vida acuática: peces, que no sea toxica el agua, parámetro importante es el OD:  

SALMÓNIDOS: (Salmón, trucha) Exigen una OD > 6 ppm para vivir adultos, para desovar se van a cabecera del río porque necesitan valores más altos. CIPRINIDOS: (Carpa, Barbo) Exigen OD > 4 ppm

DPC 2006/44/CE de septiembre de 2006 relativa a la calidad de las aguas continentales que requieren protección o mejora para ser aptas para la vida de los peces . Aguas aptas para cultivo de molusco (mejillón,...): interesa el aspecto bacteriológico que no afecte a la salud del molusco y que no afecte al consumidor del molusco. DC 79/923/CEE de 30 de octubre de 1979, relativa a la calidad de las aguas para la cría de moluscos. RD 345/1993 de 5 de marzo “Normas de calidad de las aguas y de la

producción de moluscos y otros invertebrados marinos vivos.” 4. Agua como receptor de efluentes residuales El agua como transporte de la contaminación. Si el cauce no es capaz de soportar esa agua matamos el ecosistema del cauce. Esa agua no debe perjudicarlo. Dividimos en: vertidos a la red de alcantarillado y vertidos al medio o al cauce.

Red de alcantarillado: ARI son las aguas más problemáticas, depende industria, depende del mes (ejemplo, azucarera en octubre para). Algunas ARI no plantean problemas. ARI puede:   

Aportar contaminantes al agua Aportar sustancias tóxicas y no pueden subsistir los microorganismos. Altera los procesos biológicos. Variaciones importantes de temperatura y pH, factores ambientales que influyen en los microorganismos. Altera los procesos biológicos.

Pedir a las industrias una depuración previa, para que no se mezcle A con B y pueda dar peores compuestos. Hacer que sea económico depurar antes, poner ventajas económicas a esas industrias.

Vertido al medio: Si el agua cumple no hace falta depurar. Es necesario controlar la calidad del agua en el vertido al medio:  

No ocasionar daños al ecosistema No comprometer una posterior utilización.


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Los vertidos pueden ser: 

Directos o puntuales (se puede actuar) o Localización bien definida. o Fáciles de controlar. Tomar muestras, caudal...

Difusos o distribuidos (Difícil de medir y de controlar)   

ARP: Explotaciones ganaderas no estabuladas. Contaminación de origen agrícola: Pesticidas, fertilizantes. AEU: Vertidos directamente al cauce.

Control de los vertidos

Control de vertidos directos: La normativa limita que calidad debe tener para poder verter. Normativa: Obliga a depurar hasta cierto grado para poder verter. Ejemplo, si en el agua baja ya por el cauce 40 mg/l de SS y nosotros tenemos que verter según normativa 35 o 25 mg/l, si vertemos 40 mg/l no pasa nada, menos coste en depurar. Legislación: Grava económicamente la carga contaminante, por ejemplo si se puede verter como máximo 100, si se vierte 100 se cobra tanto por m3, y si viertes 30 se cobra menos. El que contamina paga, pero con un tope de contaminación. Ordenación del territorio: Afecta a cómo va a ser los vertidos. Máximos de M.O. a verter en situaciones normales, DBO5 < 25 mg/l, SS < 35 mg/l.

Control de vertidos difusos: Actuando en origen, actuar sobre el comportamiento de las actividades agrícola y ganadera extensiva, por ejemplo prohibiendo un tipo de pesticidas.  

Actividad ganadera: prohibiendo la actividad o limitando el número de cabezas de ganado por hectárea. Actividad agrícola: prohibiendo el empleo de determinados fertilizantes y pesticidas.

Posibles situaciones en vertidos directos Puede ocurrir que en un punto sea admisible la contaminación y en otro no. Por ejemplo si el caudal en uno es pequeño, la contaminación no se diluye, en el otro ya hay más caudal y puede ocurrir que contaminación se diluya y no sea problema importante. Núcleos pequeños que no depuran. Un núcleo pequeño de población no tiene por qué generar problemas en el río, pero si en un río hay varios núcleos de población, estos en conjunto pueden contaminar el río. Se plantean dos soluciones: Disponer varias EDARs, una en cada núcleo, Esto es más caro, ya que requiere personal en cada planta y pueden quedar olvidadas. Disponer un colector o tubería paralelo al río que recoja las aguas residuales y se lleven a una única central, puede ser más barato en cuestión de personal pero la dotación económica es mayor. Normalmente instalación de la estación depende de una administración superior.


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2. ABASTECIMIENTO DE AGUAS Requiere una visión global: El agua es indispensable para el desarrollo del hombre. Nos da alimento e higiene y participa en la actividad económica. 2.1 FACTORES A CONSIDERAR EN UN ABASTECIMIENTO.   

Cantidad mínima de agua a abastecer, satisfaga la situación en cada instante a años vista. Calidad mínima. En función del uso al que va destinada, por ejemplo agua de mar hay mucha pero no vale para regar. Emplazamiento: Captación de las aguas y disposición del usuario en el punto de consumo: cantidad, calidad e instante requerido.

Calidad: EVALUACIÓN DE NECESIDADES  

 

Número de usuarios y la distribución según consumo de agua. Necesidades de agua no es constante, depende de: Día de la semana (no se riega en festivo), mes (clima), hora (mientras dormimos no consumimos). Consumen distintas cantidades por habitante, distinto los del centro urbano que los de las afueras. Estas necesidades cambian durante la vida útil de la obra. Considerar pérdidas de agua, el agua que se transporta se pierde debido a: o Evaporación (depósitos, canales más evaporación) (canales sólo hasta el tratamiento, después de tratada taparla, para garantizar que no se contamine) o Filtración (material poroso) o Fugas en la red de distribución (mala estanqueidad, juntas mal) (en la red de distribución hay pérdidas del 20%, que son relativamente pocas, ahora tenemos mejores materiales)

LOCALIZACIÓN DE LOS RECURSOS     

Aguas superficiales: Ríos y arroyos, canales. Lagos, embalses. Aguas subterráneas: acuíferos. Vigilar sobreexplotación, no vaciar el acuífero. Agua de mar (requiere tecnología cara) Nieve Hielo

Criterios para la elección de una localización determinada, la más barata, utilizamos un criterio económico. Tenemos en cuenta:   

Cercanía del recurso: más económico en conducciones, bombeos... Ahorro en el transporte a igualdad de condiciones. Calidad de agua en origen: cerca de los requisitos del agua abastecida. Ahorro en el tratamiento, ahorro en potabilización. Seguridad en suministro: Calidad-cantidad varían con el tiempo, que no baje de ciertos límites, mantener caudal ecológico 5m3/s-0,2m3/s. Las presas regulan el


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    

río y se puede usar el agua en periodo de escasez. Protege frente a inundaciones y a sequías. Facilidad de extracción o captación: Agua surge del terreno o hay que hacer obra para extraerla: Aguas subterráneas => pozos, galerías, bombeo. Aguas superficiales => Mantener lámina de agua, azud, arqueta,.. Topografía u orografía del terreno: Condiciona los conductos, túnel o rodear terreno,.. Posibilidad de ampliación: Visión de futuro.

ASPECTOS RELACIONADOS CON LA CALIDAD Si se cumple calidad o requisitos para uso, debemos transportarla procurando que no se contamine. Si no cumple los requisitos de calidad en aguas naturales para ser humano hay que realizar un tratamiento. Estos aspectos son: Variabilidad de la calidad del agua en origen, tanto climatológicas como otras circunstancias (contaminación temporal o permanente…) Elección de los tratamientos, depende de la calidad del agua de origen y de la calidad del agua final. Deben ser los necesarios para alcanzar la calidad exigida partiendo de la calidad en origen, con flexibilidad para adaptarse a variaciones de la calidad del agua en origen. Control de los parámetros de calidad en la recepción del agua y en la salida de la estación de tratamiento. ASPECTOS RELACIONADOS CON EL EMPLAZAMIENTO FINAL El transporte entre punto de origen y de consumo, evitando que el transporte empeore calidad de agua. Los puntos de origen son pocos, uno o varios, pero los puntos de consumo son muchos. El consumo no es constante en el tiempo, evoluciona a lo largo de los años, tendencia positiva, mejor calidad de vida... Variación:   

Durante el año: en verano se consume más agua que en invierno. Durante la semana: en festivos distinto de laborales. A lo largo del día: en madrugada poco y a mediodía mucho.

El agua se debe abastecer en el instante que lo quiere el usuario, por ello, debemos dimensionar todas las instalaciones para las puntas de consumo. Lo que supone que las instalaciones están sobredimensionadas. Regulación: cuando se consume poco agua la almacenamos en depósitos el agua potable o en embalses las aguas captadas. Un depósito de regulación son unas instalaciones que nos permiten no sobredimensionar lo que hay aguas arriba, aguas abajo debe estar sobredimensionado para poder llegar al máximo. Al depósito le llega siempre un caudal medio, cuando se necesita menos agua el depósito se llena y cuando se necesita más, se usa el agua del depósito. También permite hacer pequeñas reparaciones aguas arriba del depósito sin que se altere el usuario, usando el agua del depósito.


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Partes de un abastecimiento de agua En verano el caudal del río no sería suficiente, se hace necesario el embalse. Captación es el punto donde se capta el agua. El embalse tiene mucha oscilación de nivel agua de mejor calidad no es ni abajo del todo (lodos, sedimentos, poco OD) ni arriba (flotantes, cambios de temperatura). Como oscila se hace necesario coger agua a diferentes alturas, buscando siempre la mejor calidad del agua. Un método es con una torre de toma. Transportamos el agua captada a la ETAP (Estación de tratamiento de aguas potables), por una conducción (Def. según R.D. => Cualquier canalización que lleva el agua desde la captación hasta la ETAP o en su defecto hasta el depósito de cabecera.) Elemento de transporte del agua, sin recibir agua en su recorrido, ni extraerla. CAPTACIÓN Instalaciones para captar agua del medio. Lo principales tipos son:   

Superficial: río, embalse Profunda: Pozo. Otras.

Puntos a considerar:    

Garantía de cantidad necesaria. Que en verano llegue el agua. Selección del agua de mejor calidad, si se puede. Protección de la captación frente a fenómenos naturales, intrusos. Estudio de los niveles de agua.

CONDUCCIÓN Agua que entra por un extremo, la misma que sale si no hay pérdidas. Elementos para el transporte de agua: Conducción de la captación a la ETAP, puede ser cerrada o abierta, en general es mejor cerrado, pero a veces es más caro. De ETAP en adelante la conducción debe ser cerrada (no tiene porque ir en carga, puede ir a presión atmosférica) evitar la contaminación de esa agua. También sería en conducción cerrada desde captación si no fuera necesaria ETAP si el agua es de buena calidad. Tipos de conducciones: 



Por Gravedad: o Régimen libre: a presión atmosférica, presenta superficie libre. o Conducción forzada: presión distinta de la atmosférica. Por impulsión: cuando energía potencial no es suficiente para el transporte. Necesario aportar energía del exterior. o Bombeo: Tuberías o Tornillo de Arquímedes, noria: Canal


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Debemos tener en cuenta que pueden ser necesarias obras especiales como tramos en túnel (de menor sección que los túneles de carretera), cruces con vaguada (rodear, acueducto o sifón), vías de comunicación (modificar cota de la vía o del canal) u otras corriente de agua (proteger la conducción en carga frente a las avenidas) También hay que atender al perfil altimétrico de la tubería y la piezometría. Interesa que el perfil esté siempre por debajo de la línea piezométrica, así siempre en presiones manométricas positivas. Puntos altos son peligrosos, pues la presión es más pequeña y puede ocurrir que el agua traiga gases disueltos en saturación y que en esa zona de menos presión aparezcan burbujas de aire que nos reducen el caudal o dan problemas en tubería, por ello pondremos ventosas. Si la línea piezométrica está por debajo de la tubería es un problema importante, pues la presión manométrica es negativa, lo que provoca que se acumulen gases y su eliminación es más complicada ya que si abrimos en vez de salir el gas, entraría más. Hay que colocar una bomba de vacío. Si la presión absoluta se aproxima a la presión de vapor, se produce un paso brusco del agua a vapor, lo que se conoce como cavitación. Cuando el agua vuelve a pasar de vapor a agua se producen bruscas impulsiones que destrozan la tubería, además de afectar al caudal, se pueden dar problemas de contaminación por agua que entra en la tubería, y este es un problema sanitario. En cuanto a las velocidades, debemos marcar una velocidad mínima, que nos evite un problema de sedimentación, obstrucción y una máxima para problemas de erosión o abrasión (si lleva arenas), además de vibraciones en la tubería (malestar por el ruido, puede arruinar la tubería si se rompen sujeciones) o problemas de maniobras. Cambios bruscos de velocidad, onda de presión. Golpe de ariete. Debemos mantener la estanqueidad, que no salga agua al exterior, problema económico y que no se introduzca agua del exterior. Problema de contaminación. TRATAMIENTO La ETAP más completa consta de 3 instalaciones: Depósito de entrada: El agua llega con diferentes calidades, almacenar agua en el depósito de entrada y cuando llega agua de mala calidad, desecharla y usar la del depósito. Para que sea más barato el tratamiento. Esto es válido cuando llega el agua de mala calidad en puntas, a veces es innecesario el depósito de entrada. Depósito de salida: Permite usar esa agua ya tratada por si hay que parar el tratamiento o por si el agua que llega es de muy mala calidad y no se pueda tratar. Estación de tratamiento: Instalación industrial que con una materia prima (el agua bruta) fabrica un producto final que es el agua tratada (agua abastecida) se aportan reactivos químicos y al final se obtendrán unos residuos. Los depósitos de entrada y salida pueden o no existir.

Tipos de tratamiento:


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NINGUNO: no hacer nada cuando la calidad del agua captada = calidad agua abastecida. Asegurar no contaminación en el transporte. No se puede asegurar que se va a cumplir siempre, por ello desinfectamos. CONVENCIONAL:  



1ª Etapa: Coagulación-Floculación. Evitar que partículas se separen y hacer que se junten formando flóculos y decanten. 2ª Etapa: Decantación. Separa flóculos del agua, densidad de los flóculos, generalmente, es mayor que la del agua y se separan. El factor tiempo es importante, depende del tamaño de las instalaciones. 3ª Etapa: Filtración. Lechos sueltos: partículas retenidas en los granos y el agua sale más limpia, a veces no hace falta filtrar.

TRATAMIENTOS ESPECIALES Si necesitamos un agua con mucha calidad o si partimos de un agua muy contaminada. Filtración sobre carbón activo: el carbón activo tiene mucha superficie específica y tiene mucha capacidad de adsorción Osmosis inversa y otros procesos de membrana: si apretamos con un embolo, el agua pasa al otro lado. En la zona de la derecha baja la concentración y en la otra zona aumenta la concentración de sales. El agua desalinizada, mandar al usuario y deshacerse de la salmuera (no verter en la zona donde captamos, problema de deshacerse de ella). Otros procesos con membrana son microfiltración, ultrafiltración, electrodiálisis. Intercambio iónico: Retirar iones de forma que se cambie el ion, por ejemplo el agua dura con ion calcio y magnesio la hacemos pasar con sustancias de ion sodio => Se intercambia iones. Destilación: Calentar el agua en vapor y dejar enfriar. Desalinizar el agua, pero es un proceso más caro y lento, no se usa.

Depósito de almacenamiento (de regulación): Almacén de agua, cuando me sobra lo guardo y cuando me falta lo cojo de ahí. Previo al abastecimiento de agua a la población, depósito regulador. Lo normal es que no siempre se satisfaga lo que se demanda en cada instante por ello su uso. Si no hubiera depósito de regulación, habría que dimensionar todo para el caudal punta, desde la captación hasta el consumidor. Habiendo depósito podría dimensionar todo antes del depósito (instalaciones anterior al depósito) para un caudal inferior al caudal punta (Q < Qpunta), dimensionado para un poco más que el caudal medio (lado de la seguridad) Q > Qmedio. También sirve para almacenar agua en situaciones de emergencia como por ejemplo un INCENDIO. Permite realizar pequeñas reparaciones en las instalaciones anteriores al depósito sin que el usuario se vea afectado, por ejemplo la colocación de ventosas no previstas -


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Asegurar unos determinados valores de la altura de presión (cota piezométrica al inicio de la distribución). Un problema de mantener el agua en reposo es garantizar la calidad del agua, debido a la decantación se puede favorecer el crecimiento de microorganismos que alteran la calidad. Revestimientos interiores (pinturas, materiales poliméricos,...) del vaso no deben ser alterar la calidad del agua. Evitar que el agua permanezca mucho tiempo en el depósito (depósitos grandes también son malos). Que el agua se renueve totalmente. El volumen del depósito viene determinado por altura o cota. La capacidad del depósito de suministro deberá ser en general la necesaria para la regulación (suministro) diario del día de máximo consumo, además de un poco más de reserva de averías o incendios. Regular para el día de máximo consumo es distinto a guardar el agua del día de máximo consumo. Si población es muy grande sería muy caro este último, pero en poblaciones pequeñas si se puede. DISTRIBUCIÓN Conducir y repartir el agua a cada usuario:   

Cantidad de agua que desee. Calidad adecuada En el instante que la requiera.

Características: a. Fácil explotación  Registros  Válvulas  Ventosas b. Labores de mantenimiento y reparación (cortes de suministro) no deben afectar a un gran número de usuarios, deben poder aislar zonas ‐> redes malladas. En la red ramificada hay tuberías más importantes que otras, y tramos más importantes, por ejemplo al inicio. c. Dimensionada inicialmente con holgura (sobre todo los tramos más importantes que más pueden ser afectados por una ampliación), para poder abastecer si hay un incremento de necesidades. d. Presión en la red de distribución, debe tener un valor mínimo y un valor máximo. Los pisos de altura normal deben de tener agua cuando todo el mundo consume agua. En los rascacielos será necesario disponer de grupos hidropresores para aumentar la presión y que el agua pueda llegar arriba.  

Presión mínima: Satisfacer al del piso más alto de pisos de altura normal, y sirva para grifos, electrodomésticos, calentadores, sanitarios,.. Presión máxima: Presión alta puede dañar tuberías. Si la presión es muy alta poner válvulas reguladoras de presión en la acometida.

Estimación de caudales de abastecimiento Para poder proyectar las obras de abastecimiento a una localidad debemos conocer las necesidades a cubrir tales como: el número de usuarios, las necesidades de agua de cada


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usuario y los tiempos en que hace uso del agua. Además debemos resolver las necesidades futuras durante cierto periodo de tiempo. Se establece un modelo sencillo:

N = P · δ •

N = valor medio de las necesidades diarias de agua de una población

•

P = número de usuarios

•

δ = dotación, que son las necesidades medias diarias por habitante “consumo

per cápita”. Serán los valores más altos en el periodo de vida útil de las obras. Estos valores pueden no ser conocidos en el momento actual y aún más difícil predecir cómo van a ser en el futuro. Número de usuarios (P) Ojo pues puede ocurrir (no habitual en España) que alguanos habitantes se autoabastezcan. 

Población actual Se puede determinar mediante censos decenales (10 años), mediante actualizaciones intermedias (5 años) o mediante variaciones de empadronamiento (se supone que al cambiar de municipio de residencia tenemos que empadronarnos en el nuevo lugar de residencia). De esta forma obtenemos la población de derecho, el cual es un valor muy cercano al real (población de hecho).



Población futura Es función de la vida útil con que se proyecta (periodo en que se considera que las necesidades de la comunidad van a quedar satisfechas con las obras proyectadas).

Factores que influyen en la variación de la población:     

Económicos: la riqueza supone una atracción y a su vez conlleva la inmigración, mientras que la pobreza supone rechazo y a su vez emigración. Políticos: favoreciendo inversiones, asentamiento de industrias, nuevas infraestructuras (carreteras), ordenación del territorio. Culturales: índices de natalidad Sanitarios: condiciones de vida mejores, mejores índices de mortalidad y mayor esperanza de vida. Biológicos: nacimientos/ defunciones

DOTACIÓN ( δ ) : Necesidades diarias de agua por habitante. No es tan sencillo como dividir el consumo medio del total de la población entre el número de habitantes. Hay circunstancias que distorsionan el valor de la dotación: Gabriel Sanz Martín

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•

Malas condiciones de abastecimiento actual (menor cantidad que la realmente demandada)

•

Mala calidad del agua suministrada

• Precios excesivos del agua • Ausencia total o parcial de contadores precio muy bajo del agua, que provoca un gasto mayor. El valor futuro de la dotación dependerá: • • • •

Desarrollo del nivel de vida. Tendencias urbanísticas, vivienda unifamiliar consume más que vivienda en edificio. Desarrollo de electrodomésticos. Política de precios. Impuestos. Agua, por muy caro que esté, se usa, demanda inelástica. (valor asintótico a 600 l/hab día).

Período de proyecto: Tiempo para el cual estamos calculando las necesidades para una obra. • Población y dotación evolucionan con al tiempo. Los valores a considerar dependerán del periodo de validez de las obras proyectadas. • Problema político‐económico: los ciudadanos actuales pagan las instalaciones de los del futuro (salvo endeudarse) • Tener en cuenta la economía de escala: es más económico hacer un proyecto de una sola vez que en fases. • Consideración: no todas las partes de una obra de abastecimiento tienen el mismo periodo de proyecto. ESTIMACIÓN DE LA POBLACIÓN FUTURA. Existen varios métodos. Suponemos que el crecimiento futuro es consecuencia de cómo ha evolucionado en el pasado. Tener en cuenta: • • •

•

Predecir el futuro es arriesgado y nunca se acierta el 100%. Hay que buscar acercarnos lo más posible al valor correcto (ejemplo a 20 años). Cambios bruscos debido a hechos extraordinarios, alteran completamente el pronóstico. (ejemplo si se instala industria, aumenta población, fenómenos naturales). Un error no muy exagerado en la estimación, afecta al periodo de vida útil de la obra. Quizás hay que actuar antes de lo previsto.

Salvo imprevistos anteriores, el error no es ni grande ni importante, solo cambia la vida útil del proyecto. Habrá que volver a hacer inversiones antes. Métodos de estimación de poblaciones futuras • •

4 Modelos: hipótesis de la forma de comportamiento de la población, matemático. También vale para otras cosas, para microorganismos,... 3 Métodos: forma de estimación sin imponer una conducta de crecimiento, sin fórmulas.

La fiabilidad disminuye si: Gabriel Sanz Martín

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• • •

Aumenta el periodo de previsión La población es pequeña Aumenta la velocidad de variación.

Modelo de crecimiento aritmético Supone la velocidad de crecimiento de la población es constante. Hipótesis: dP/dt = k0 = cte Determinación de ka, si conocemos los últimos datos representativos: ka=(P2-P1)/(t2-t1) Ajustamos a una recta por mínimos cuadrados. Se aplica a: • • •

Ciudad joven (creciendo) Con crecimiento vegetativo (crece por diferencia entre nacimientos y fallecimientos, no llega gente de fuera) Sin limitaciones de zonas de expansión a medio plazo (ejemplo, que no nos falte el recurso suelo).

Modelo de crecimiento geométrico La velocidad de crecimiento es proporcional a la población en cada instante. P = P0 · ekg·(t-t0) Determinación de kg, si conocemos los últimos datos representativos: kg = ln(P2-P1)/(t2-t1) Ajustamos a una recta por mínimos cuadrados: lnP = lnP0 + kg·(t-t0) A partir de este podemos obtener el modelo de la tasa uniforme de crecimiento: P = P0 · (1 + ku)t Obteniendo ku de: Ku = (P1/P2)1/(t2-t1) - 1 El método de crecimiento geométrico se da: • •

En ciudades con crecimiento muy dinámico, crecimiento vegetativo, inmigración, son focos de atracción. Sin límites en su zona de expansión, sin límites de recursos.


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Modelo de la tasa decreciente de crecimiento Es proporcional a la diferencia entre la población de saturación (S) y la población en cada instante (P). Crece cada vez más lento. Consideramos el máximo que caben (S) constante, y P es la variable: dP/dt = kd · (S – P) Operando obtenemos el modelo: P = P0 + (S – P0) · (1 – e-kd·t) Para obtener kd, a partir del desarrollo del modelo obtenemos: kd = (Ln((S - P1)/(S - P2)))/(t2 - t1) Este modelo se da en comunidades "viejas", con poca capacidad de desarrollo adicional. Modelo de la curva logística (de Pearl o en S) Es una síntesis de los tres anteriores. La velocidad de crecimiento es proporcional a la población, y a la diferencia entre la población de saturación y la población actual. dP/dt = kl · P · (S – P) Que integrando e igualando la constante de integración a ea nos da: P = S/(1+ea+b·t) Si lo representamos graficamente se distinguen tres zonas, primero una zona de crecimiento geométrico (S>>P), otra zona de crecimiento aritmético y otra zona de tasa decreciente de crecimiento. Método de MOPU Método sistemático, va a ver cómo evoluciona la población, no responde a una hipótesis de crecimiento. Partimos de los 3 últimos censos de población. P0, P-10, P-20. P0 = P-10 (1 + r1)10 → r1, tasa de crecimiento en tanto por uno en los últimos 10 años. P = P-20 (1 + r2)20 → r2, para los últimos 20 años. Condición que pone el método → 0 < ri < 3% anual. Este método no vale para crecimiento negativo o crecimiento exagerado. Tasa de crecimiento a usar "r", media ponderada r = (2·r1+r2)/3, da más importancia al de los 10 años. Pt = P0(1 + r)(t-t0)


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Método de la semejanza de poblaciones Comparar la ciudad con poblaciones parecidas, aunque 2 poblaciones no son idénticas. Parecidas en población, en tejido social, industrial, desarrollo,.. Comparar con las situaciones pasadas, ejemplo, ver población hace 50 años, comparar con actual,... Comparar con varias ciudades y en ese entorno estará nuestra ciudad, nos dé una idea, un orden de magnitud. Escoger la del lado de la seguridad. Método proporcional La población va a seguir la evolución de la comunidad o del país, y aplicar esa proporcionalidad. Maneja muchos más datos que compararlo sólo con una población. Datos más fiables, con más presupuesto. Tiene poca validez. P = P0 · (1 + α) Interesante cuando se prevé una disminución de la población.

COMPARACIÓN DE LOS DISTINTOS MODELOS

DOTACIÓN (δ) N=P·δ Dotación son las necesidades (consumo) medias de un agua por cada usuario. Determinación de la dotación actual: Consumo anual / (365·Población)


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La dotación incluye: •

Consumo doméstico: se emplea en los lugares de residencia para beber, para cocinar, para aseo, para limpieza, para lavado. En los lugares donde se vive: Hogares, hoteles, residencias (cárcel, cuartel, hospital, estudiantes,...). Oscila entre 50-150 l/(hab.*día). • Consumo del comercio y la industria (pequeña industria, talleres,...): vamos a considerarlo repartido entre todos. • Usos públicos: o Edificios públicos: centros de enseñanza (público, privado), instalaciones deportivas, mercados y centros comerciales. o Servicios municipales: riego de parques y jardines, limpieza viaria... • Pérdidas de agua en la red: fugas (tubería con fisuras, juntas mal), Acometidas ilegales.

Factores que afectan a la dotación • •

Nivel de vida: aumenta la dotación Tamaño de la localidad: a más tamaño, más consumo por habitante. Relacionado con el nivel vida: más comercio (por habitante), más zonas ajardinadas, más servicios municipales. Importancia relativa del comercio e industria. si aumenta la importancia de la industria en relación con la población, aumenta el consumo de agua. Estructura urbanística de la ciudad. Distinto si no hay zonas verdes, crecimiento hacia arriba (edificios); a si las hay en el desarrollo horizontal, donde se consume más por habitante. Condiciones climáticas: a más temperatura más consumo. Precio del agua: cuanto más cara es menos se consume, dentro de unos límites. Control del consumo: a mayor control menos consumo, incluso aunque no se cobre. Estado de la red de distribución, ya que se puede perder en el transporte, en la distribución. Si son más kilómetros hay más probabilidad de juntas mal: Red de distribución mal conservada aumenta consumo o dotación. Estructura de la población (necesidades globales en el año). Depende de si es población permanente o de tipo turístico, que provoca variaciones de población. Turístico consume más agua que la población permanente. Calidad del agua y saneamiento.

• •

• • • •

•

•

ESTIMACIÓN DE LA DOTACIÓN FUTURA (vida útil) Un valor muy cercano al correcto seria la dotación actual de una población de características similares a la nuestra en el futuro. Se puede hacer una estimación directa, considerando los consumidores distribuidos en clases: •

Zona residencial de nivel alto y de nivel medio

•

Zona comercial

•

Zona industrial

•

Zona recreativa


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No es habitual pues no sabemos cómo evolucionara la ciudad. (Los centros urbanos se quedan deshabilitados y se convierten en zona comercial o administrativa). Varias expresiones de estimación 1) Criterios americanos a. 4% incremento anual no acumulativo sobre la demanda, necesidades (fórmula del interés simple) b. 2% incremento anual acumulativo sobre la dotación (formula del interés compuesto) 2) Criterio capen δ = 3,78 · k · P0,125 Con δ en L/ (hab*dia) y P en miles de habitantes. La determinación de k a partir de los valores actuales: δ0 y P0. 3) Criterio del MOP Se parte de la dotación actual, pero si este valor está distorsionado (debido a mala calidad, escasez, restricciones) o no se conoce el ministerio nos propone valores, en litros/(hab.*día):

DOTACIONES PARA EL PRIMER AÑO DE SERVICIO [L7(hab*día)] Nº Uso Uso Uso Perdidas y Total habitantes domestico industrial publico otros dotación <1000 60 5 10 25 100 1000‐6000 70 30 25 25 150 6000‐ 90 50 35 25 200 12000 12000‐ 110 70 45 25 250 50000 50000‐ 125 100 50 25 300 120000 >250000 165 150 60 25 400 Todos se incrementan con tamaño de la calidad excepto las perdidas. La red de una localidad grande es más extensa cuando aumentan las pérdidas y mejor se conserva cuando disminuyen las pérdidas y ambos efectos se contrarrestan. Considera, además, un incremento acumulativo del 2%. Y para las necesidades totales anuales se consideran 100 días al año que la gente está en la zona. VARIACIONES DE CONSUMO El consumo de agua no es constante. Evoluciona a lo largo de los años, para proyectar unas instalaciones se estudia el año de mayor consumo durante la vida útil de las obras (el último). Si consideramos un año cualquiera hay variaciones de consumo a lo largo del mismo •

Variación mensual: consumo mensual max / consumo mensual medio = 1,2 – 1,3


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• • •

Variación semanal: consumo semanal max / consumo semanal medio = 1,2 – 1,5 Variación diaria: consumo diario max / consumo diario medio = 1,2 – 1,8 = Cpd Variación horaria: consumo horario max / consumo horario medio = 2,4 (MOPU) = Cph Cph se calcula considerando la totalidad de las horas del año, no confundir

con la relación entre el consumo horario máximo y el medio de un mismo día. Tomar como volumen del depósito el correspondiente al consumo diario máximo (Cpd)

Fórmula de Goodich (experimental): P = 120 · t-0,10 P es el % de consumo medio diario. t es el tiempo en días: válido desde 2 horas hasta 1 año. Permite determinar Cpd. La mejor forma de saber los coeficientes punta es mejor analizar datos del consumo (caudales registrados), pero el MOPU ofrece unos valores que dependen de la ciudad y tipo población. Numero de habitantes <40 40-80 80-200 200-400 400-1000 1000-2000 2000-4000 4000-10000 <100000

Cph 18.5 10.5 5.5 4 3 2.6 2.5 2.4 1.9

Más alto cuando más pequeña es la población. El Cph permite dimensionar la RED de DISTRIBUCIÓN, es decir, vale con cumplir la hora de más demanda. Ni minutos ni segundos.

Factores que afectan al Cph coeficiente punta horario. • •

Tamaño de la población (ver tabla anterior). La homogeneidad de la población.

Ambos están relacionados, ya que cuanto más pequeña es la población, es más homogénea, se levantan todos a la misma hora,...(consumo clonado) (En un cuartel, o cárcel van todos a la vez, puntas muy grandes). En ciudades grandes hay gente trabajando de noche, el consumo se reparte más, picos de consumo se aplanan)


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•

•

Estructura de la población. Por ejemplo en turística en el año el consumo es muy pequeño y en los días de turismo el consumo es grande, es decir el Cph será mayor. Estado de la red. A mejor estado menor Cph. Se debe a que hay menos pérdidas de agua y más diferencia entre caudales punta y medio. Consideramos pérdidas constantes, aunque en realidad se pierde más agua de noche por haber más presión en la red

OTROS CONSUMOS, GANADERÍA, AGRICULTURA, INDUSTRIA. Estudio particularizado para cada caso y determinación de dotaciones: -

Ganadería (L/(cabeza*día)): dependerá de el tipo de animal que se cria y donde

-

Agricultura (L/(ha*día)): dependerá del tipo de cultivo, sistema de riego, climatología....

-

Industria (L/(empleado*día); L/(ud. De producción * día); L/(ha*día)): depende del

tipo de producción. Para la industria, un valor generoso de dotación es 1,5 l/(s*ha) con un Cph de mayor o igual que 3. 2.2. CAPTACIONES DE AGUA PARA ABASTECIMIENTO Punto donde se toma agua para el abastecimiento. Contempla todas las obras necesarias para poder obtener agua con la CANTIDAD y CALIDAD abastecidas necesaria. Como norma mayoraremos las necesidades (tomar las mayores necesidades en la vida útil de la obra y para curarnos en salud un 20% más) y minoraremos los recursos (situarse en las situaciones más desfavorables, por ejemplo en época de estiaje con cierta probabilidad de que se produzca). Clasificación de aguas captadas: POR EL ORIGEN DE LAS AGUAS CAPTADAS:

Captaciones superficiales Sufren grandes variaciones en cantidad (flujo), calidad y temperatura.

Captaciones de agua meteórica Aguas de lluvia o nieve que caen en una zona del terreno y las vamos a coger. No llegan a un cauce. Sólo para viviendas aisladas o para pequeñas poblaciones. Sus partes son: •

Superficie de recogida: zona donde cae el agua que vamos a recoger. Debe ser: IMPERMEABLE, para intentar recoger la mayor parte de agua posible, y LIMPIA, que no aporte contaminación al agua. Tipos: o Tejados => Pizarra, cerámica o hormigón. No interesa paja, cartón o metal. o Patios interiores => Empedrados o de hormigón. Impermeables. o Eras de recogida => Superficies más o menos planas con cierta inclinación suave. Evitar que llegue agua de escorrentía del exterior, vallarla para evitar que entren animales. Dimensionamiento: conocer el consumo anual, N; Aportaciones anuales, Vc, para un año que tenga una cierta probabilidad de ser superado. Las cunetas deben ser capaces de evacuar más de ¼ de la precipitación anual.


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•

Depósitos de almacenamiento (Aljibes): Enterrados para reducir las pérdidas por evaporación. Temperatura de agua constante. Oscuridad para evitar el desarrollo de vida vegetal y animal. Dispositivos: o Tubo de aspiración, para extraer agua. Boca a profundidad > 0,5 m del fondo. Protegida con COLADOR, alcachofa o cebolla. o Registro para limpieza, para acceder. o Rebosadero. o Desagüe de fondo para poder vaciar completamente el depósito.

Tipos de aljibes: 1) Veneciano: relleno granular que actúa de filtro, recreación artificial del terreno natural. Ventaja => cubierta puede ser soportada por el relleno granular. Inconveniente => Al estar relleno hay poco sitio para el agua. Vtotal/Vagua = 2,5 - 3,5 2) Filtro superior • • •

Ventaja: no relleno y hay más volumen. Inconveniente: cubierta resistente, debe ser capaz de soportar su peso y el peso de las tierras superiores. Áridos más gruesos en el fondo para sujetar los finos y evitar que se introduzcan en el depósito.

3) Aljibe americano: filtro dentro del agua. El agua no se filtra si no se extrae. Más volumen de agua que el veneciano y cubierta resistente. Tiene dificultad de ejecución del filtro ya que es difícil poner en vertical las capas de la grava, arena y finos.

4) Aljibe alemán: igual que el americano pero más fácil de construir. Dimensionamiento del aljibe Actúa como depósito regulador. REGULACIÓN ANUAL => Una vez al año lleno y una vez al año vacío. Hemos de conocer la ley de consumos y la ley de aportaciones, más complicada, no es predecible, es aleatorio. Asociado a una fiabilidad, representativa y conservadora. 1° Buscar el máximo déficit 2° Trasladar la curva de aportaciones Quiere decir que empezamos el año con el depósito lleno y cuando acaba el año tenemos lo mismo que al principio. Hay un punto en el que el depósito está vacío. Volumen aljibe = Máximo (anterior) + Máximo déficit.


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Captaciones superficiales de agua corriente Cauces naturales como ríos, arroyos, o artificiales, como canales. Consideraciones a tener en cuenta: En cauces naturales: • • •

Evaluación de los recursos de la zona, estudio hidrológico (pluviometría, escorrentía y aforos) y caudales utilizados aguas arriba. Tipos de toma según situación => en lecho o en márgenes. Explotación de la toma, problemas de: o Niveles máximos y mínimos de agua. o Sedimentación, acarreos, daño a instalaciones como tuberías, atascos. o Accesos al lugar donde está la toma. o Energía, sobre todo si hace falta bombeo.

En canales: • • • •

•

•

Evaluación de recursos: está hecho previamente si transporta más agua de la necesaria, pedir permiso, (pagar) y coger. Tipos de tomas también según situación, en el fondo del lecho o en márgenes. Hay menos incluso nulos sedimentos. Explotaciones: o Menos oscilaciones de caudal que en río (excepto si va vacío). o Menos sedimentos. o Acceso, caminos de servicio si el canal es importante. o Energía. Problemática específica de toma en canal. Corte brusco del suministro por avería o mantenimiento, reparación de juntas, revestir, limpieza (ejemplo, incluso coches),... (evitar canales en terraplén, descalces). Para asegurar el suministro cuando hay averías o frente a un corte en el canal existen las balsas de almacenamiento capaces de almacenar el consumo de agua de la población entre 7 días a un mes. En la balsa también hay pérdidas de agua y evaporación.

Captaciones fluviales Obras de captación más delicadas, las más problemáticas: • • • •

Fuertes oscilaciones de nivel. Problemas de variación de Ta, afectando a la calidad del agua. Lleva acarreos (grava), sólidos en suspensión, flotantes. Fuertes oscilaciones de turbidez, clara o turbia si llueve (en media hora).

Recursos: Río REGULADO: Embalse de regulación, marca los recursos, menos oscilaciones de nivel a lo largo del año. No coge agua del embalse, coge del río. Río NO REGULADO: Ver en todo momento, las aportaciones > consumos. Se da la situación que cuando la aportación es mínima, el consumo es máximo, en verano, estiaje: menos aportaciones y mayores consumos. Si aportaciones son mayores que consumos, tenemos garantizado el consumo en el año.


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Problemas de las captaciones fluviales: •

•

•

Calidad del agua: o Variaciones de Ta, distinto en verano, invierno y noche y día. o Puntas de turbidez (importante). o Contaminación por vertidos de aguas residuales aguas arriba de la captación. Cantidad: Puede haber escasez en época de estiaje. Soluciones: Regular río con embalse para laminar la avenida, es caro; ó buscar otra captación alternativa para usarla cuando tengamos escasez. Otros problemas: o Problemas con la navegación, naves que choquen con las tomas, si se extrae gran caudal pueden aparecer remolinos. o Variaciones del nivel del agua: excesivos, daña las instalaciones o escaso y no llega a la toma. o Inestabilidad del fondo del río: Socavaciones (descalza instalaciones) o sedimentaciones (tapona la toma). o Flora y fauna acuática: Mueren peces succionados, plantas se introducen en la toma.

Tipos de tomas fluviales: CAPTACIÓN DE FONDO: En el interior del cauce cercanos al fondo o en su interior. Disponer un material filtro que protege la toma, filtro gravilla de 10-30mm. Se exige: El fondo debe ser estable y que la sedimentación sea poco importante. No implica riesgo para la navegación. No hay problemas de nivel mínimo. Gravas colmatarán, se ensuciarán, hay que limpiar la grava de vez en cuando. Debe quedar la captación a más de 1 metro del nivel mínimo del río para que no se introduzca aire, evitar cosas que se arrastren, flotantes entren en la toma. A veces se dispone otro pozo seco para acceder a las válvulas. Si se tapona con hojas se puede limpiar, se cierra una válvula y se inyecta agua en sentido contrario para desatascar la toma o colador. Mejor no muy al fondo, proteger del aterramiento. Cimentación para hacer que el suelo sea estable. Permitir limpieza del colador. Peligro de tocar con la navegación. CAPTACIONES DE ORILLA: Boca de la toma en la orilla o margen del río. No afecta a navegación, excepto si se forman remolinos. No influido por la estabilidad del fondo, proteger la orilla frente a la erosión. Continúa la problemática de que el nivel máximo provoca daño a instalación, y el nivel mínimo no llega a captar. Toma directa: cubrir con escollera, toma con una rejilla gruesa de barrotes, plano vertical o inclinado. Toma en galería: Parecido, más alejado. Filtros de malla: cajón de hormigón con perforaciones que permiten el paso del agua. Proteger frente a colisiones.


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Se debe considerar su colocación en tramos rectos y de sección constante, evitar sedimentos y socavaciones. En curva no, porque en un lado lleva más velocidad y provoca socavaciones, y en el otro acarreos… Además se busca que la sección sea constante, porque en cambios de ancho, en la zona estrecha la velocidad es alta y se producen mayores erosiones y en la ancha el agua se remansa y se acumulan acarreos. Evitar que en la boca de toma en la orilla entren hojas, sedimentación,.. Conviene que en la toma de orilla haya un azud porque eleva la cota de la lámina de agua, amortigua las oscilaciones de nivel, disminuye la velocidad, decantación. CANAL DE DERIVACIÓN: para caudales muy importantes y en ríos caudalosos. Aprovechar azudes para derivar el canal, proteger la entrada con una rejilla en la boca y/o espigón para canalizar el agua. Captaciones en canales: parecido a los fluviales pero con un problemática menor. Menos socavación, menos sedimentos, menos variación del nivel excepto que puede haber un corte brusco en el canal (mantenimiento) que exige balsas de agua. Otras partes son las torres de toma o los pozos subálveos que captan las mismas aguas del río pero de mayor calidad y menores oscilaciones. CAPTACIONES SUPERFICIALES EN AGUAS QUIETAS: • •

Lagos (Natural) Embalses (Artificial)

Diferencias entre lagos y embalses: • •

Oscilaciones del nivel del agua: en un lago son pequeños y lentos. No es rango importante. En un embalse las oscilaciones son grandes y rápidas, vacío o lleno. Distribución de profundidades: en el lago hay una zona por donde entra el agua; las mayores profundidades se dan en el centro. En el embalse creamos el vaso. Máximo de profundidad en las proximidades de la presa.

Esto condiciona las tomas. En lago, no en la orilla y en el embalse se hacen en la proximidad de la presa. Características de las aguas tranquilas: Son aguas claras (no turbias), la velocidad del agua es prácticamente cero y da tiempo a que los sólidos en suspensión decanten, mucho tiempo en el lago o embalse. Se depositan los acarreos al principio según entra el agua en el embalse. Autodepuración de las aguas. Hay pocos microorganismos patógenos, para ellos es un ambiente hostil, ya están fuera del intestino. Puede haber problema de eutrofización. Si lo hay, es difícil de solucionar. Nutrientes, algas, anaerobios: olor, biomasa al fondo, mucha M.O. Estratificación del agua: el agua no tiene características homogéneas en vertical, excepto en periodos cortos. La mayor parte del tiempo hay una estratificación. En verano temperatura aprox. de 20°C.


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Estratos de la masa de agua: EPILIMNIO: • • •

Vida aerobia => vida acuática importante. Afectada por vientos => corrientes, contaminación por flotantes. Variaciones de temperatura, incluso dentro del día =>Variación importante de calidad.

HIPOLÍMNIO: • • •

Menos vida aerobia. Va a haber más M.O. y microorganismos que consumen + OD y además en esta zona es difícil de oxigenar (difusión de O2). Puede desarrollarse vida anaerobia, en el fondo problemas de eutrofización. Problemas de los sedimentos.

Si podemos elegir el agua, el mejor agua es la cercana al METALIMNIO. Mejor justo por debajo. Máxima densidad del agua es a 4°C , por lo que la capa de hielo es en la superficie. El espesor de la capa de hielo: Con tiempo y Ta<0°C. E = 44 - 5,6*T E = espesor en cm. T = temperatura media del aire en °C en el aire en el mes de enero. Nos interesa saber el espesor de la capa de hielo en el lago. Para que no se tapone la toma. La toma debe estar por debajo de 0,5m del espesor máximo de la capa de hielo, si no, no podríamos coger agua. Tipos de Tomas (para agua de abastecimiento): •

En lagos: Tomas de fondo o torres de toma Siempre alejados de la orilla, ya que la población se asienta en las orillas y es donde está la contaminación. Si el lago es grande, toma a 600 - 900 m de la orilla y más, también que no sea muy cara. Localizada en zona donde hay mínimo peligro de contaminación, estudiar la situación de los vertidos de contaminación de nuestra población y las demás. Estudiar los vientos y las corrientes del agua, ya que se desplazará la contaminación. Torres de toma en lagos, interesa 2 puntos de captación, la del fondo y la superior, o más. La abertura del fondo o captación de fondo, a más de 2 m del fondo para no arrastrar fangos. Que la velocidad de arrastre sea baja £ 0,15 m/s , evitar peces, sedimentación. En la torre de toma puede interesar coger parte superior o de la inferior, dependiendo la dirección del viento. Según sople el viento, es mejor una u otra.

•

En embalses:


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La variación del nivel del agua es grande, coger en la zona de mayor calidad del agua. Por debajo de la termoclina, en la parte inferior del epilimnio o mejor por encima del hipolimnio. El problema es que la termoclina varía. Hay que tener tomas a distintas alturas y abrir una u otra según el nivel. Tomas en la propia presa. Torre de toma: edificio dentro del embalse que permite coger el agua a distintas alturas, además podemos elegir por que lado (dirección) la cogemos en función de cómo se mueve la contaminación con las corrientes o vientos. Una forma es la octogonal con tomas en diferentes direcciones => nos permite coger el agua de mejor calidad. Otro sistema de recogida del agua es con una pluma móvil que es una tubería con su colador que puede girar y permite colocar la tubería en el punto adecuado.

Captaciones de aguas subterráneas Comparación entre captaciones de aguas subterráneas y superficiales: Aspectos Coste localización Coste de las obras ( por metro cúbico de agua) Cuantía de caudal Composición físico-química Riesgo de contaminación Coste de tratamiento de aguas

Aguas subterráneas Alto Alto

Aguas superficiales Bajo Bajo

Bajo-medio Constante y buena Mínimo bajo

Alto Variable y mala Grande Más elevado

Utilización aguas subterráneas UE (%): PAÍS

AUSTRIA BÉLGICA ESPAÑA FRANCIA GRAN BRETAÑA PAÍSES BAJOS R.F.ALEMANIA

Uso doméstico % aguas %aguas subterráneas superficiales 99 1 75 25 10 90 97 3 34 66

Uso industrial % aguas %aguas subterráneas superficiales 34 66 3 97 20 80 9 91

60 67

6 33

40 33

94 67

Distribución de las aguas dulces en forma líquida. -

Subterráneas 98.25%

-

Lagos y embalses 1.54% Ríos 0.04% Atmósfera 0.17%


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Tipos de agua en el terreno: Agua de composición: está combinada químicamente con el terreno. CaSO4 + H2O ® CaSO42H2O (yeso) forma parte del terreno, no se puede quitar fácilmente, no es recurso. Agua de retención: se mantiene por atracciones polares entre moléculas de agua y partículas del terreno. Dos tipos: • •

Higroscópica: agua retenida en partícula por absorción (dentro). Pelicular: retenida por fuera, adsorción.

También es difícil de quitar, por evaporación se puede extraer.

Agua Capilar: ocupando parcialmente los poros que están entre granos del terreno. Se mantiene en el terreno debido a fuerzas de tensión superficial: • •

Aislada: no hay continuidad del agua, no transmite la presión hidrostática, difícil de quitar, por gravedad no se va, no esculle. Continua: hay continuidad con el agua de gravedad y en consecuencia se puede drenar. Se puede sacar por la acción de la gravedad.

Agua de gravedad: satura el terreno, todos los huecos llenos. Obedece a la acción de la gravedad. Transmite la presión hidrostática, se puede DRENAR y además arrastra el agua capilar continua. Agua que se puede extraer y la que interesa. Clasificación terrenos por sus características frente a sus aguas subterraneas Según la facilidad o dificultad de extracción del agua: • • • •

Acuífero: terreno capaz de almacenar agua y transmitirla (grava, arena) terreno que nos interesa. Acuicluso: terreno que almacena agua pero no la transmite (arcilla) muy poco permeables. Acuitardo: almacena agua y la transmite muy lentamente (arcillas arenosas, arcillas limosas). Acuifugo: no contiene agua (granito).

Un acuífero tiene que estar limitado por un estrato impermeable en su parte inferior. A ese terreno impermeable se le llama muro. A veces también tiene otro estrato impermeable en su parte superior, llamado techo. Tipos de acuífero: • • •

Libre: por la parte superior de la zona de gravedad está a presión atmosférica. Sólo tiene muro. Confinado: tiene muro y techo. En algún punto de la parte superior no está a presión atmosférica, sino a más (semiconfinado si el techo es acuitardo). Colgado: está por encima de otro acuífero y no tiene conexión.


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Clasificación aguas subterráneas MANANTALES O FUENTES: Puntos donde el agua surge del terreno. Hay 3 tipos: •

•

•

Manantiales de afloramiento o vertedero (de desbordamiento): o Surgen en las laderas por desagüe natural de un acuífero en una ladera. o Exigen un estrato impermeable que llega hasta la superficie. Nivel freático por encima y es curvo, el agua se mueve lentamente y se vacía por los laterales. o Laderas de los valles. o Surgimiento lineal, no sólo puntual. o No hay garantía de caudal y suelen secarse en época de estiaje. Podríamos hacer una galería para sacar el agua. o Tipos de valle:  Valle sinclinal: podemos tener manantial a ambas laderas.  Valle anticlinal: lo normal es que no haya manantiales. (en el anticlinal puede haber afloramientos de tipo vertedero.)  Valle monoclinal: en un lado aflora. De emergencia o vaguada: o Por elevación del nivel de la capa freática hasta alcanzar el fondo de vaguada. Dan origen a los ríos o arroyos. o Dependen mucho de las oscilaciones del N.F. o Son de menos garantía que los otros. No se suelen aprovechar, lo que se hace es ir a buscar el agua con pozos o galerías ya que el agua está cerca de la superficie. De filón o grieta: o Asociación o acuífero confinados, donde el estrato superior (impermeable) tenga alguna grieta, el techo del acuífero. o Fisuración local del estrato impermeable. El agua sale a presión, puede salir un caudal importante. o El agua penetra a través de las grietas del techo y puede llegar a aflorar a la superficie. o Suele ser de caudal abundante, con fuertes oscilaciones de caudal, depende del N.F. o Sale con velocidad importante: aguas turbias. o Tienen mayor garantía de caudal, no suelen agotarse en verano, dan origen a los pozos artesianos.

Condiciones de las captaciones de manantiales •

• •

Empleo de materiales inertes y no disgregables, que no aportan sustancias extrañas al agua, no perjudican la calidad del agua con cuidado que no se rompan y se colmaten los huecos y se tapone el paso del agua. (No colmatación de venas líquidas). Evitar contaminación aguas o alteración de su calidad, debido a aguas exteriores o elementos extraños, como animales, vandalismo. Conservar las condiciones físicas de las aguas captadas, que no haya una alteración de: Temperatura, concentración de gases disueltos.


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•

• •

Eliminar las arenas arrastradas por las aguas captadas (ejemplo en manantiales de filón o grieta donde el agua sale a gran velocidad), que no perjudique bombas o conducciones. Conviene proteger la cubierta y las paredes exteriores con elementos impermeables y aislantes, también controlar la temperatura. Cuidar la ventilación y proteger elementos de ventilación con rejillas o telas metálicas para evitar que entren mosquitos, ratas, animales... Garantizar que no hay procesos anaerobios.

Dispositivos de captación de agua en manantiales Ideas muy simples a considerar: • • •

Protección del agua captada, garantizar calidad. Ventilación de la captación. Facilitar el aumento del agua captada.

Manantial de Filón o grieta: •

•

Puntual: agua surge por el fondo. Que esté bien ventilado, pero proteger por ejemplo con una caseta. Tubería de rebosadero automática, colador y desagüe de fondo para limpiar arenas, reparaciones,... No puntual: una opción es hacer una gran arqueta que abarque todas. Otra forma es hacer zanjas filtrantes o de avenamiento.

Manantiales de afloramiento o vertedero: el agua entra a través de un material granular que también sostiene el terreno. Evitar que entre el agua de escorrentía, por ejemplo poniendo un tapón de arcilla. Se puede guiar al agua con muros de acompañamiento. Manantiales de emergencia o vaguada: captación aguas subterráneas. En superficie hay poca garantía por eso ir a buscar en el terreno. CAPTACIONES AGUAS SUBTERRÁNEAS. Hay que ir a buscarlas, distinguimos aguas subálveas, discurren por los acarreas del lecho del río con N.F. similar al del río. Discurren cerca, fácil de captar. En acuíferos libre, sin techo. Acuífero alimenta el río o viceversa y aguas profundas, en acuíferos libres N.F. lejos de superficie del terreno o en acuíferos confinados, con muro y techo. Son captaciones de elevado coste (hay que tener una cierta seguridad de que hay agua). Estudios previos de cantidad y calidad. Los datos previos a conocer son: • • •

Profundidad de superficie de saturación o N.F. Potencia del acuífero, potencia del terreno que contiene agua. Permeabilidad y huso de granulometría del terreno. Ver si es fácil extraer el agua.

Datos genéricos: • • • •

Bibliografía hidrogeología. Mapas del ITGM (Instituto tecnológico geológico minero) Estudios hidrológicos en la zona. Pozos existentes.


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Datos específicos: sondeos, profundidad de N.F, potencia, ensayo de permeabilidad. Son caros pero información completa. En función de los datos obtenidos del acuífero decidiremos la solución a adoptar. •

Capa acuífera de gran espesor: Potencia, H < 10 m Si profundidad, P < 10 - 15 m, pozo ordinario, sin aprovechamiento total. Si P > 30 - 40, pozo profundo.

POZO ORDINARIO (vertical) Hueco cilíndrico vertical ejecutado en el terreno que al alcanzar una capa freática, esta entra en el pozo en acuíferos libres. Diámetro del pozo > 1 metro, necesidades constructivas, encarecimiento de excavación, sujeción de paredes y inferior a 8 metros. Diámetro relacionado con el huso granulométrico del terreno, si hay finos se pueden introducir en el pozo, arrastres. Pozo de gran diámetro es mejor cuando hay muchos. Si diámetro grande y no explotación continua, el pozo puede actuar como pozo regulador. Puede que no dé tiempo a renovar el agua del pozo si es pequeño. Profundidad máxima de un pozo ordinario 25-30 metros, (también los hay de 300 metros). Normalmente se baja hasta el estrato impermeable. Pozos de penetración total, aguas subálveas. El agua entra por el lateral, conviene que el terreno cercano actúe como filtro (estructura filtro) evitar que entre arena. En la parte superior se suele cementar (impermeabilizar) para evitar que entre agua superficial. Altura < 6 - 8 m → Bomba puede estar en la superficie. Límite 10,33 m. Si es más profundo, poner dentro o pozo al lado para poner la bomba. GALERÍAS FILTRANTES (O MINA) Se trata de zanjas de avenamiento profundas. Se pueden hacer en los ríos yo buscando el pie de un acuífero. Se saca el agua al exterior por gravedad o se lleva a un pozo para su extracción. También se pueden disponer galerías que parten desde el fondo del pozo en agua subálveas. POZOS RADIALES Son también pozos excavados pero el agua penetra en el pozo en unos puntos concretos a los que conectan unos tubos drenantes dispuestos en forma radial y en posición horizontal El diámetro es de 3-6 metros, las paredes del pozo son en su totalidad impermeables. A 1.5-2 metros del fondo hay unas ventanas que conectan con unos tubos perforados (drenes) introducidos en el acuífero: son los que captan agua. Se obtienen caudales muy superiores a los de los pozos ordinarios con poco descenso. Los tubos filtrantes se hincan mediante gatos en el terreno. RANNEY: Se clavan los drenes mediante gatos. El gato empuja al tubo, se encoge el tubo se pone otro trozo de tubo y se perfora. Son tubos de acero ranurados y el tubo es Gabriel Sanz Martín

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definitivo. Tubos caros, espesor 8 - 10 m importante, material resistente, pocas ranuras. Dren caro, espesor importante y tiene pocas perforaciones. Método de FEALMAN: Método mejorado. Separa el tubo de hinca del dren. El tubo de hinca es de acero y sin perforaciones. Una vez hincado se mete el dren definitivo, tubo válido para varios drenes => tubo perforado. Material más ligero y más barato y con más perforaciones. Captan más agua, velocidad de agua es más baja y no arrastra finos. POZO ORDINARIO SIN APROVECHAMIENTO TOTAL. Espesor de acuífero importante, a lo mejor no hace falta el pozo hasta abajo o estrato impermeable. Puede ocurrir sifonamiento y se llene el pozo de arena. Para evitar, hacer una solera o gravas, si queremos coger agua también por debajo. Grava con peso que hace que no se arrastre como consecuencia del flujo vertical. POZOS PROFUNDOS Mecanizados en su ejecución, no son excavados a mano. Dos tipos: • •

Hincados: como pilote prefabricado, con puntaza y hace un hueco en el terreno. Profundidades mayores que los ordinarios pero no tanto. Perforados: muy profundos (pozos petrolíferos) con procedimiento mecánicos después introducir el tubo. Diámetros => 20 - 80 cm

A veces usar lodos bentoníticos para sujetar las paredes del orificio (cuando se quedan quietos, sujetan la pared). El tubo será estanco excepto en la zona donde queremos captar agua, esta zona se le llama rejilla.

Conceptos relacionados con los pozos perforados: Embutación: sostenimiento de las paredes, conducción hidráulica que comunica acuífero con el exterior. Cementación: Se cementa los primeros metros superficiales para taponarlo, evitar que se introduzca el agua de lluvia o cementar determinadas zonas para que no se contamine el agua, si hubiera varios acuíferos y uno no contamine a otro. Rejilla: zona por donde el agua accede al pozo, colocar bien la rejilla, en su sitio. Ha de permitir el paso de agua. Evitar paso de sólidos. Pequeña perdida de carga, que no suponga gran obstáculo. Formas de rejilla mediante golpes a la chapa. Justo después del excavado del pozo y con rejilla, hacer un desarrollo del pozo. Desarrollo del pozo. Operación para obtener un mejor funcionamiento en la explotación: más caudal y menos sólidos. Pretende crear en las proximidades de la rejilla, tener un terreno como un filtro, un empacado de gravas, para que después no lleguen finos todo el tiempo. Varias técnicas para el desarrollo del pozo: • •

•

Sobrebombeo: Lo vacío de finos. Pistoneo o pulsaciones: Inyecciones y extracciones de agua o aire, como un pistón. Poner en suspensión los finos o arenas que están en las proximidades de la rejilla, después sacar esa agua. Ácido clohídrico: aumentar el tamaño de las grietas en terrenos calizos, pero no karts, para mejorar el paso del agua.


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CÁLCULO HIDRÁULICO DE UNA GALERÍA FILTRANTE Hipótesis para el cálculo: • • • • • • • • • •

Acuífero libre => N.F. dinámico a presión atmosférica. Terreno es homogéneo e isótropo ( en realidad no es así). Muro es horizontal (terreno impermeable). Galería está apoyada en el muro. El agua entra a la galería sólo por las paredes laterales. Ejes de origen en pared galería. Eje y vertical paralelo a pared. Eje x horizontal paralelo a estrato impermeable. L => Distancia de influencia, asimilable a partir de la cual coincide el N.F. estático y el dinámico. Suponemos que el agua en una sección paralela a la pared de la galería, que la velocidad del agua es horizontal y / constante, no sería correcto pero... Consideramos la galería infinitamente larga, para despreciar el efecto en los bordes. Llamamos "b" a la longitud de la galería (perpendicular al papel)

CÁLCULO HIDRÁULICO DE UN POZO EN ACUÍFERO LIBRE Trabajaremos en coordenadas cilíndricas. Hipótesis: • • • • • •

Acuífero libre Terreno homogéneo isótropo Muro horizontal Pozo llega a capa impermeable Superficie lateral filtrante (todo ella) El agua se mueve en horizontal (es falso) y en todos los puntos a igual distancia del eje del pozo el agua se mueve con igual velocidad.

CÁLCULO HIDRÁULICO DE UN POZO EN ACUÍFERO CONFINADO Hipótesis: • • • • • • • •

Coordenadas cilíndricas. Acuífero confinado. Techo y muro horizontales. Terreno homogéneo e isótropo. Pozo llega hasta el muro. Toda la superficie lateral del pozo en el acuífero confinado es filtrante. Velocidad agua es horizontal y puntos a igual distancia del eje del pozo a la misma velocidad. N.F. siempre por encima del techo (si no, no vale) a = "potencia del acuífero confinado".


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Explotación de las aguas subterráneas Exige: • • • •

Estimación de los recursos. Estudio del balance hidrológico (recursos llegan al acuífero y cuanto extraigo). Prever las consecuencias del nuevo estado de equilibrio tras la captación (bajamos el nivel freático) Prevención de la contaminación, no es evidente que está contaminado, es lento y luego es casi imposible descontaminarlo. Contaminación se queda en el terreno.

Aguas subterráneas no están en reposo, en movimiento lento, el N.F. no es horizontal. Zona de alimentación o de recarga, entra agua y se mueve hacia zona de salida. La recarga puede ser de tres formas: •

• •

Natural: o Lluvia, infiltración. o Ríos y lagos o Otros acuíferos Recarga INDUCIDA: actuación sin que el fin sea la recarga de un acuífero. Recarga ARTIFICIAL: la acción que se hace si es para recargar.

Modificación del coeficiente de escorrentía (plantaciones). Más vegetación supone recargar el acuífero, agua más tiempo para infiltrarse. Incendios influyen. Modificación de la orografía terrestre, ejemplo, cultivo en terrazas, modifica coeficiente de escorrentía, cambia pendiente. Terreno puede ser almacén de agua. ZONAS DE SALIDA: •

•

Naturales o Manantiales. o Alimentación de ríos y lagos. o Alimentación de otros acuíferos. o Al mar en acuíferos costeros. o Evotranspiración, plantas, si está muy superficial. Artificiales: bombeos.

CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LOS ACUÍFEROS Gran cantidad de agua almacenada, no ocupan superficie y menores pérdidas por evaporación, ventaja frente al embalse. (Desventaja es la extracción, bombeo, consumo energético). Lento movimiento del agua en los mismos. Contaminación lenta y no visible, nos damos cuenta tarde. En su estado natural han alcanzado el equilibrio (dinámico) después de miles de años. La extracción de agua (bombeos) altera ese equilibrio y da lugar a un nuevo estado de equilibrio originando un descenso de nivel en el acuífero (menor carga estática) menores salidas naturales y reservas. Este doble efecto dependerá de la ubicación del bombeo y así si está cercano a puntos de la salida natural o lejos de estas. Hay límites de explotación del acuífero. Gabriel Sanz Martín

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Podemos poner las captaciones cerca de la salía natural si queremos no alterar las reservas o lejos de la salida si queremos mantener las salidas. Los límites de la explotación vienen dados por: • • •

Pozo fuera de servicio por bajada excesiva del nivel Extracción de agua de mala calidad (intrusión marítima) Supresión excesiva de salidas naturales con perjuicio a terceros

Se puede en periodos no excesivamente largos (pero de años) sobreexplotar el acuífero. Extraer más agua que la recarga a expensas de las reservas. Lógicamente no se puede mantener de forma indefinida. Para conseguir un aprovechamiento adecuado es necesario realizar estudios de explotación. ESTUDIOS DE EXPLOTACIÓN (SUBTERRÁNEA)

Se distinguirán las siguientes fases: •

•

•

Estudios preliminares o de reconocimiento: o Geología de la zona: hidrogeología (localización de zonas aptas para almacenar y transmitir agua, no quiere decir que haya o no agua, si no que puede haberla). o Mapas geológicos. Estudios hidrogeológicos generales: o Cuantificación de la zona aproximada embalses. o Inventario de manantiales y pozos. o Prospecciones geofísicas, sin penetrar en el terreno pero conocemos algo. Estudio de detalle: Buscar características concretas del acuífero a explotar. Más caros pero más precisos. o Sondeos mecánicos (caro) conocemos los estratos que vamos atravesando y si hay agua. También analizar el agua extraída. o Ensayos de bombeo, podemos determinar la permeabilidad del terreno, extracción o inyección de agua. Es una característica importante para la explotación del acuífero. o Análisis químicos de las muestras de agua. ¿ o Pozos experimentales, de más diámetro que los de sondeo. Sacamos el agua y ver cómo funciona, incluso luego puede ser definitivo o una parte. Estos estudios deberían ser a nivel del acuífero, no de pozo, para ver la interferencia con otros usuarios.

ACUÍFEROS LITORALES (DRENAN HACIA EL MAR) Pierden agua hacia el mar. En el terreno hay agua de mar y agua dulce. Estas dos aguas son totalmente miscibles (se pueden mezclar) y por otro lado, son de características distintas: • • •

Distinta temperatura Distinta DENSIDAD (más densa el agua de mar) Distinta viscosidad


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Se estratifica, el agua de mar abajo. La transición de agua dulce a agua salada es de manera gradual, una banda relativamente estrecha de agua mezclada. La zona de mezcla se idealiza como si fuera una línea, una superficie. Interfase. Interfase varia si llega más agua dulce, se desplaza hacia el mar y si llega poco hacia la tierra. También si extraemos agua en el acuífero, cuña de agua dulce. Si nos pasamos, penetra el agua de mar tierra adentro, interfase se mueve, penetración de la cuña, produciéndose una intrusión marina. En el pozo puede aparecer agua salada y con esa calidad quizás no se puede emplear. Si sobreexplotamos el acuífero, habrá intrusión marina y cono o puede que no se mueva la línea de interfase, pero sí aparezca el cono de agua marina en la interfase. Prevención / corrección de la intrusión (marina) Prevención: que la explotación del acuífero no sea excesiva y no se produzca mucha intrusión marina, siempre habrá intrusión marina si se extrae agua. 1) Disminución del bombeo: Repartir la problemática entre todos los usuarios, no solo los que están más cercanos a la costa. Se eleva el N.F, empuje de la interfase. Problemas: • • •

Se pierde parte de agua dulce al mar. El retroceso de la interfase es lento. Tiene que haber alternativa de captaciones, el agua se sacaba antes porque era necesaria, si no, no podemos sacar.

2) Reubicación de pozos: Cuando los pozos estaban mal situados, además de la intrusión marina. Todos juntos es una mala distribución debido a una alta concentración de pozos. Es mejor una distribución uniforme. Reubicación es caro: nuevos pozos, conducciones. Proceso lento. Debe haber otras alternativas de otras captaciones, no es fácil ya que la existencia de pozos es porque no había agua próxima en la superficie. 3)

Establecimiento de barreras físicas

También caro. Sólo es posible si la potencia del acuífero no es muy grande. Hace más lenta la penetración de agua de mar. Tipos: • • • •

Tablestacas: llegan a lo más profundo para conseguir el efecto. Zanjas rellenas de material impermeable: profundas, hay que entibar, ejemplo, arcilla, lechadas de cemento,.. Pantallas de pilotes: no son tan fáciles de ejecutar, que no se giren. Inyecciones: Agujero por donde se inyecta en el terreno (lechada de cemento) también inyectando aire que corte la vena líquida, inyectar de vez en cuando. Problemas: Coste elevado.


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No son perfectas las barreras, inyecciones las mejores. Para acuíferos de escasa potencia y con N.F. de escasa profundidad.

4)

Barreras hidráulicas a lo largo de la costa recarga artificial. Inyectar agua para elevar el N.F. y que empuje a la cuña de agua de mar. Es caro, mediante pozos, agua de buena calidad que no tenga sólidos en suspensión, que no se colmate con los finos.

Además tenemos que tener agua de buena calidad. También se puede limpiar con técnicas de pistoneo.

5) Depresión por bombeo del agua salada: la zona de extracción que esté en el agua marina y no se extraiga agua dulce. Que llegue hasta abajo. RECARGA ARTIFICIAL Introducción del agua en el acuífero. Podemos introducir más agua del que tendría el acuífero de forma natural y actúa como almacén de agua. A veces no se puede recargar, se requiere terrenos con poros vacíos y no drenaje rápido al exterior. El agua de recarga puede ser: • • •

De la propia zona. Agua trasvasada de otras cuencas. Agua residual recuperada.

Objetivo: • •

• • • • •

Restaurar un acuífero sobreexplotado. Mantener y regular recursos, en época de avenidas almacenar y en época estiaje usar. -Almacenar agua importada, acuífero es como un embalse, no afecta a la superficie del terreno, no hay evaporación o poca. Mejorar calidad del agua de recarga. Va a estar mucho tiempo en el terreno, filtrado natural, 3 años. Combatir la intrusión marina, barreras hidráulicas. Uso del acuífero como conducto de distribución. Rellenar por una zona y usar por otra. Evacuar aguas residuales, que no generen problemas en el acuífero como por ejemplo contaminación térmica. Mezcla de aguas de diferentes calidades, que no originen problema. El agua se mezcla con el del acuífero está mucho tiempo, se filtra => buena calidad. Siempre que no comprometamos la calidad del agua del acuífero.


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MÉTODOS DE RECARGA DE ACUÍFEROS • •

Superficiales, acaba entrando. Sólo en acuíferos libres, sin terreno impermeable arriba. En profundidad, introducimos en el seno del acuífero. Para acuíferos libres o confinados.

Métodos superficiales:

Zanjas y surcos: Como el riego de una parcela de riego mediante surcos. • •

Mucha altura de agua: malo, compactamos terreno. Poca lámina de agua: poca fuerza para que el agua entre.

Tiene superficie donde no se filtra el agua, se soluciona con balsas.

Balsas: Profundidad máxima → peso del agua compacta el terreno. Profundidad mínima → carga suficiente para que se infiltre. Las balsas no van a tener fondo ya que el agua se infiltra por el fondo. El manteniendo consiste en limpieza de finos del fondo.

Acondicionamiento de ríos: Aprovechar el propio río para que el agua se infiltre. Sólo puedo recargar huecos en el terreno que no tengan agua ya. Formas: • •

Ensanchado, explanando y escarificando el lecho. Lecho del río suele ser zona mala, zona bastante impermeable, si no el río se iría por ahí. Represando el río. No mucha altura, pero sí mucha superficie de infiltración y mayor carga de agua.

Fosas o zanjas profundas Altura importante de agua. Terreno muy compactado. La mayor parte se infiltra por los laterales, h = 10 - 20 metros. • •

Recarga en profundidad: Mediante Pozos, ordinarios, profundos o galerías. Problemas: son más caros y exige agua de mayor calidad ya que en los superficiales se filtraba solo y decantaba en la balsa. Ahora en profundos, la superficie de recarga es pequeña y si lleva muchos finos al final se va a colmatar. Para recargar un acuífero confinado es el único método.

CONTAMINACIÓN DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS Mientras que la contaminación de aguas superficiales y se pueden tomar medidas de inmediato, la contaminación de aguas subterráneas es invisible. La acción protectora suele llegar tarde pues también lo hace la evidencia de la contaminación que se manifiesta mucho después de su inicio cunado su desarrollo es ya importante. Ello es debido a: •

Poros del terreno son de pequeño tamaño, velocidad del agua pequeña.


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• •

Capacidad de adsorción del terreno. Poder depurador del terreno, aunque esto es limitado.

Para saber qué medidas preventivas es necesario conocer el origen contaminación de acuíferos: • Aguas residuales. o Domésticas: contaminación orgánica y biológica a. Pozos negros b. Fosas sépticas c. Fugas de alcantarillado o Pecuarias: igual que las domésticas pero menos intensas o Industriales: muy variable a. Metales pesados b. En alguno casos gran carga orgánica no biodegradable c. Sustancias tóxicas o Agrícolas: abonos, materia orgánica (nitratos) • • •

•

• •

•

Aguas superficiales: no muy importante pero sí se emplea en recarga artificial acuíferos pues origina un frenado en la recarga: colmatación Aguas salinas: intrusión marina Actividades mineras: contaminación inorgánica debido al lavado por la lluvia o Escombreras o Parques de carbón Actividades nucleares: aportación de radioisótopos o Minerales radiactivos o Plantas de tratamiento combustibles nucleares o Centrales nucleares: fugas Pozos mal construidos o abandonados: entubaciones rotas o corroídas a nivel del acuífero con mala calidad del agua. Vertidos de basura: si no se ha impermeabilizado el vaso en que se acumulen los residuos y los lixiviados llegan al acuífero. Otra opción es que el nivel freático del terreno llegue al vertedero Otras: sal vertida para facilitar el deshielo (vialidad invernal)


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2.3. TRATAMIENTO DE AGUA • •

Tratamiento: agua captada → Agua abastecida, consumo humano, uso pecuario, uso agrícola, uso industrial. Depuración: Aguas residuales (servidas) → Aguas vertidas.

CORRECCIONES A EFECTUAR A UN AGUA Correcciones a efectuar a un agua para hacerla adecuada a su uso, características físicas, químicas y biológicas. Las más habituales son: • •

•

•

• • •

Materiales flotantes: no alteran la calidad del agua en sí. Sólido, origen vegetal. Obstrucciones en tuberías y atasco de bombas. Sólidos en suspensión: partículas sólidas de tamaño mayor o igual a 10 -3 mm. Sedimentable si es mayor de 10-2 mm. Problemas debido a formación depósitos, y los de tamaño mayor a 0,5 mm provocan abrasión de la tubería, obstrucciones (si se mezcla con grasas). Turbidez: interferencia, dentro de un agua, al paso de la luz, debido a la presencia de sólidos en suspensión y sobretodo los sólidos en suspensión coloidal. Dan aspecto desagradable al agua, manchan la ropa al lavarla y afectan a alimentos. La hace sospechosa de contaminación, el desinfectar un agua turbia es más complicado. Color: Efecto desagradable, problema en lavado de ropa. Se debe a que tiene M.O. coloidal o disuelta de origen vegetal. Presencia de ciertas sustancias inorgánicas, Ejemplo, óxidos de hierro dan tono rojizo. Materia Orgánica: Un medio propicio para el desarrollo de microorganismos. Es un indicio de contaminación. Microorganismos: Poco deseable en un agua. Indicio de contaminación por vertidos. Hierro y Manganeso (Fe, Mn): Dan color al agua (rojo al negro). Manchan la ropa. Dan al agua un cierto sabor. Originan precipitaciones en tuberías. Favorecen la corrosión de tuberías, también corrosión, ambiente agresivo.

Características menos habituales a corregir: •

• • • • • •

Aceites y grasas (son lo mismo, aceites líquidos y grasas son sólidos): indican vertido residual. Mal aspecto al agua. Junto con sólidos en suspensión se aglomeran provocando obstrucciones. Dureza total (Ca+2, Mg+2): Es necesario mayor consumo de jabón. Mala cocción de las legumbres, necesitan más energía. Incrustaciones en tuberías y calderas. Cloruros: sabor salado, característica organoléptica. Acción corrosiva si está en grandes cantidades. Sulfatos: sabor amargo del agua. En combinación con magnesio Mg tiene efecto laxante. Nitratos: En el estómago se reducen a nitritos y al pasar al torrente sanguíneo empobrecen el oxígeno en sangre, problema en los niños pequeños. Residuo seco: si es alto da mal sabor al agua y la hace corrosiva. pH: en procesos industriales a veces interesa alto o bajo, según para lo que lo queramos. (Proceso biológico de hongos).


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•

Componentes nocivos o tóxicos: por vertidos industriales, como metales pesados (no efecto inmediato pero es bioacumulable), cianuros, fenoles e hidrocarburos. Radiactividad.

Tratamientos a realizar Materiales flotantes: eliminación mediante filtración mecánica, pasar el agua de un obstáculo que retenga sustancias, rejas tamices, telas. Lo que es mayor que el tamaño del hueco queda retenido. Superficial. Es lo menos difícil de quitar. Sólidos en suspensión: Sólidos en suspensión: eliminación desarenadores, decantadores o tamizado (filtración mecánica más fina.).

mediante

Turbidez: C-F-D-F Eliminar lo que no hemos podido eliminar antes. Debida a la presencia de S.S. fracción fina y S.S. coloidal. Eliminación o reducción de la causa que impide que se junten, proceso químico. Tienen la misma carga eléctrica y tardarían mucho en caer, además las que ya están en el fondo repelen a las que caigan. Para ello realizamos la coagulación o coalescencia: se añade un reactivo partículas se juntan, estamos en situación de S.S. de fracción fina. Para favorecer la formación de aglomerados de partículas realizamos la floculación. Flóculo (partículas unidas) tiene mayor tamaño, más peso, decanta mejor. Después hacer una DECANTACIÓN, ya que en conjunto son más densos que el agua y/o filtración con filtro o lecho de cierto material donde las partículas quedan retenidas (lecho granular). Posibles procesos: C-F-D-F, C-F-D o C-F-F. Fin del proceso de eliminación de la turbidez. Color: si es debido a materia en suspensión coloidal, pues igual que turbidez, C-FD-F. También se puede hacer con un decolorante (oxidante fuerte como el cloro o ozono). Materia orgánica: depende de si es depurar, mucha M.O. o tratar(potabilizar), poca M.O. Si la M.O. está en muy pequeña cantidad, va a estar en estado coloidal => C-F-D-F + cloro. Si está en mayor cantidad (aunque no tanto) se puede quitar mediante FILTROS DE CARBÓN-ACTIVADO => Mucha superficie específica la del carbón activado, se fija la M.O. en el lecho granular. Microorganismos: DESINFECCIÓN. Eliminación (no total) de los microorganismos patógenos (también mataremos a los no patógenos aunque no son dañinos). Suele ser de tipo químico: Cloro y sus componentes o Ozono. Otros procesos son rayos ultravioleta, hervir… Matamos los microorganismos adultos, pero no sus esporas, para retirar las esporas, C-F-D-F, sobre todo filtración lenta. Hierro y el Manganeso (Fe y Mn): compuestos en estado coloidal, C-F-D-F. Mediante oxidación (aireando), los compuestos insolubles precipitan más y posterior filtración. Técnicas de desalación, permiten separar cualquier compuesto del agua que está en disolución verdadera, pero son técnicas caras. Aceites y grasas: menos densas que el agua. Dejar en reposo. Disminuir la velocidad del agua, en régimen laminar para que no vuelvan a mezclarse. Favorecer la subida a la superficie mediante "aire", inyectar o disolver aire. Gas hidrógeno y oxígeno.


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Dureza: si queremos el agua para un proceso industrial o intercambio de calor. Dureza no afecta a salud, afecta al bolsillo. Podemos realizar precipitación química con productos añadidos que reaccionan con sales Ca y Mg disueltas, dando lugar a compuestos insolubles y precipitan o intercambio iónico, haciendo pasar el agua por ejemplo por una arcilla con iones sodio (Ca++ y Mg++ => intercambian con Na+, pasando este último al agua). Sustancias nocivas o tóxicas: Eliminar por precipitación química o bien por técnicas de desalación.

pH: Puede, en procesos industriales, alterar los procesos (velocidad de reacción,..). Entre 6,5 - 8,5 agua potable. Para corregir el pH, utilizamos la neutralización, fácil de hacer, si el agua es ácida y queremos aumentar el pH, echar una base. Si es al revés acidificar. Sales disueltas: precipitación química o técnicas de desalación, que son: • • • •

Destilación: evaporar el agua y condensar el vapor, pero volumen importante de agua desalada requiere mucha energía. Sencillo pero caro. Congelación: a congelar el agua tiene menos sales, luego licuar. Agua descargada de sales. Sencillo pero caro por la energía. Intercambio iónico: para volúmenes grandes es caro, los iones extraídos se quedan en el intercambiador y hay que cambiarlo. Técnicas de membrana: pasar el agua por la membrana, separar sales disueltas del agua. Las membranas son de duración limitada (reponerlas). También es caro. Tipos: o Ultrafiltración: poro pequeño que deja pasar la molécula de agua y no el soluto. Hay que renovar muy frecuentemente. o Osmosis inversa: membrana semipermeable que deja pasar las moléculas de disolvente pero no el soluto, tienden a igualarse las concentraciones. El proceso de osmosis inversa es al revés se aplica una presión mayor que la osmótica mediante un embolo, forzamos a que las moléculas de agua pasen al otro lado, desigualando las concentraciones. Al final tenemos un agua muy cargada de sales (salmuera) y otra zona con pocas sales (agua deseada). Proceso caro por la membrana y problema de eliminación de residuos, lejos de donde captamos. o Electrodiálisis: se basa en la existencia de unas membranas "selectivas" que dejanpasar iones de un tipo de carga y los otros no.

Con todo esto podemos considerar los siguientes niveles de tratamiento: • NINGUNO: problemático por muy buena que sea el agua. Como mínimo (aguas de consumo humano) contemplar una desinfección preferentemente con cloro por efecto más persistente. • Línea de tratamiento convencional: o Filtración mecánica o Precloración (eliminar color y materia orgánica) o Coagulación‐floculación‐ decantación o Filtración sobre lecho granular (arena) o Desinfección Se le puede añadir: desarenado y oxidación Gabriel Sanz Martín

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•

•

Tratamientos especiales (adicionales) o Predecantación o Desengrasado o Filtración sobre carbón activo o Precipitación química Tratamientos muy especiales

Proceso de tratamiento de agua: POTABILIZACIÓN Pretratamiento Operaciones para separar del agua materias que (por su tamaño o naturaleza) originan problemas en instalaciones o tratamientos posteriores. Por sí mismos no producen un cambio apreciable en las características físico‐químicas y biológicas. No varía significativamente la calidad del agua: • • • • • •

Desbaste: flotantes Tamizado: quitar cosas de tamaño medio perjudiciales instalaciones. Dilaceración: trituración, en Europa no se usa Desarenado Predecantación : quitar buena parte de sólidos en suspensión Desengrasado

Estas operaciones dan lugar a unos residuos que habrá que tratar, no mencionaremos dichos tratamientos por ser similares a los obtenidos en depuración de aguas residuales.

Desbaste El objetivo es proteger la planta de objetos de tamaño apreciable que pueden originar obstrucciones en la instalación. Separar y evacuar materias voluminosas que podrían disminuir la eficacia de los tratamientos posteriores. El desbaste se realiza mediante rejas de barrotes prismáticos con distintos separadores: desbaste grueso (50-100mm), desbaste medio (10-25mm) y desbaste fino (3-10mm). El problema de las rejas es la retirada de los objetos retenidos pues sino se acabaría taponando. Las rejas pueden ser de dos tipos: Rejas de limpieza manual: barrotes rectos de acero de sección rectangular 1x5cm o más. Colocadas verticalmente o formando un ángulo con la vertical de 15-40°. La longitud no debe ser mayor de la que se pueda rastrillar fácilmente. Arriba de la reja se coloca una bandeja perforada donde dejar objetos rastrillados hasta que ser retiran. Rejas de limpieza automática: limpieza con elemento movido por un motor. Los residuos se retiran mediante dispositivo de evacuación (cinta transportadora, vagonetas, recipientes...) el accionamiento del rastrillo puede ser muy variable: • • •

Un sistema puede ser una doble cadena sin fin con un rastrillo solidario Un rastrillo unido a un sistema giratorio (rejas cilíndricas) Un rastrillo moviéndose entre guías, cuando desciende se separan las púas de la reja y cuando asciende se aproximan.


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Funcionamiento Puede ser continuo o intermitente. Este segundo puede ser periódico (cada cierto tiempo mediante un temporizador) o con automatismo (en función de la perdida de carga en la reja).

Cálculo de las rejas • •

Estructuras: debe soportar la presión del agua en el supuesto de que estuviera completamente taponada la reja (se comporta como una compuerta). Hidráulico: perdida de carga:

Tamizado Filtración mecánica sobre soporte delgado. Se pasa agua a través de: chapa perforada o tela metálica. • •

Macrotamizado: Retenemos partículas más grandes. Orificio > 0,3 mm. Retiene flotantes y semiflotantes, algas, pajas y material en suspensión, arenas. Microtamizado: Partículas pequeñas, puede llegar a ser un tratamiento en sí, cambia calidad del agua. Malla inferior a 100 \im. Retenemos materiales en suspensión muy pequeños, quitamos algo de turbidez.

Tipos de tamices: • •

A presión atmosférica (por su propio peso), tamices planos o rotatorios. A presión, agua va de más presión a menos presión.

Elevada pérdida de carga en tamices. Dilaceración Trituración o disgregación de objetos que están dentro del agua, para que no se atasquen bombas, incluso las propias bombas dilaceran. Nos saltamos la problemática de retirarlo ahora, lo retiramos luego en procesos posteriores. Desarenado Extracción de arenas de arrastre al agua. Arena, sustancia mineral granular, tamaño superior a 0,2 mm. Objetivo del desarenado: • • •

Evitar sedimentos en las instalaciones (obturan tubería) Evitar la abrasión. Sobrecargas en otras fases del tratamiento

El tratamiento de agua potable se realiza en anales de forma rectangular. Se reduce la velocidad del agua favoreciendo la sedimentación. La extracción de la arena sedimentada puede hacerse de diversas formas: • Con la bomba aspirante en el puente móvil (aspirador) • Mediante barrido con rasquetas: o Con puente móvil o Con cadenas sin fin. • Con emulsiones de aire. Gabriel Sanz Martín

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Teoría de la sedimentación libre Se refiere a la sedimentación de partículas granulares y en concentración baja. Los movimientos ascensionales del agua desplazada son inapreciables. Las partículas no interfieren entre sí (no se agrupan.) una partícula granular en suspensión en un líquido en reposo está sometida a fuerzas: • • •

Atracción de la tierra. Empuje de Arquímedes Fuerza resistente debida al rozamiento con el fluido.

Al quedar la partícula en libertad rápidamente se acelera (en un tiempo corto) hasta alcanzar la velocidad constante. En este momento la resultante de fuerzas sobre el cuerpo es cero con lo cual no habrá aceleración. El cuerpo se moverá con velocidad constante. Según Newton, si la partícula es esférica: vs2=(4·d·g/(3·c))·(ρs-ρl)/ ρl, siendo: ‐ vs: velocidad de sedimentación de la partícula ‐ d: diámetro de la partícula ‐ ρs y ρl: densidad del sólido y del líquido. ‐ C: coeficiente de arrastre. Es función del número de Reynolds.

Según el valor de Re C toma distintos valores:

C

Fórmula

10-4
24/Re

STOKES

1
18.5/ R e 0 6

ALLEN

103
0.44

NEWTON

Si la partícula no es esférica se aplica un factor de esfericidad, que varía según el material: • • • • • •

Arena = 2 Carbón = 2.5 Talco = 3.25 Láminas grafito = 22 Mica = 170 Yeso = 4

Estudio de la sedimentación libre en un tanque ideal A continuación se presenta el cual sería un tanque de sedimentación ideal, el caso es que se hacen unas simplificaciones a partir de las pantallas tranquilizadoras. Dos simplificaciones: • Movimiento laminar • Velocidad en cualquier punto del tanque, la misma. Si queremos retirar TODAS las partículas de tamaño > d, un tamaño "d" determinado requiere una velocidad de sedimentación determinada ya que consideramos Gabriel Sanz Martín

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que la densidad de las partículas son iguales. La que cae más despacio es "d", ya que es el diámetro más pequeño. La trayectoria de las partículas es una línea recta. La más difícil de retener es la partícula que entra por arriba de diámetro "d", que es la situación límites. Retenemos la de arriba de diámetro "d" y retendremos todas las partículas mayor que "d", ya que la velocidad vertical es mayor. También retendrá otros diámetros que entren por abajo. Tiempo caída < tiempo recorrido para poder retenerla. Suponiendo que tenemos un flujo de agua ascendente, si velocidad ascensional es mayor que la velocidad de sedimentación la partícula es arrastrada por el agua, o al revés caería. Si tenemos una gama continua de partículas, el total eliminado, siendo Co la fracción de partículas con Vs1
Predecantación Se verifica con aguas muy cargadas de coloides y sobre la fracción fina de sólidos en suspensión. El objetivo es eliminar la totalidad de la arena y la mayor cantidad posible de barro. Es necesaria la predecantacion si tenemos sólidos en suspensión > 2000‐1000 ppm si no se retiran alteraran el rendimiento de procesos posteriores.

Desengrasado Se distingue entre desaceitado (aceite (líquido)) y desengrasado (grasa (sólido)). • • •

Aceites y grasas son más ligeros que el agua y tienden a subir a la superficie. Todo dispositivo en que se reduce la velocidad actúa como separador de grasas y aceites Se puede acelerar el proceso creando un movimiento ascensional mediante la inyección de burbujas de aire que en su ascenso arrastran a partículas de grasa a la superficie.

Existen dos tipos de retirada de la grasa: por vertido o por rasquetas que barren la superficie. Tratamientos Coagulación-floculación Las partículas coloidales, aunque son moléculas grandes, tienen un tamaño pequeño y además están cargadas eléctricamente (en general con carga negativa). Esto da estabilidad a las soluciones coloidales que no son capaces de sedimentar en un tiempo Diámetro de partículas 10 1 0.1 0.01 0.001 0.0001

Orden de tamaño Grava Arena gruesa Arena fina Limo Bacteria Partícula coloidal

Tiempo de recorrido de 1m de caída 1s 10 s 2 min 2h 8 días 2 años

0.00001

Partícula coloidal

20 años


Técnicas Desarenado

Decantación Coagulación +floculación +decantación +filtración 73


razonable. Si comparamos el tiempo de sedimentación de partículas de aren (5 = 2.65) de forma esférica, viendo el tiempo que tardan en recorrer un metro en vertical, según su tamaño: Es prácticamente imposible separar las partículas pequeñas por sedimentación. Hay que actuar de otra forma: 1) Desestabilizar la suspensión coloidal (neutralizando sus cargas): COAGULACIÓN 2) Facilitar la unión entre partículas formando agregados de mayor peso (floculos), dando lugar a una mayor velocidad de sedimentación: FLOCULACIÓN 3) Eliminación posterior de los flóculos: DECANTACIÓN + FILTRACIÓN

Factores de estabilidad de una suspensión coloidal Hay dos tipos de coloides: •

Hidrófilos: partículas coloidales se rodean de moléculas (hidratación) formando una barrera que impide que entren en contacto entre sí.

•

Hidrófobos: lo que hace que sean estables es la carga eléctrica de las partículas.

Las partículas en su superficie tienen carga eléctrica (negativa en nuestro caso) por: • • • •

Ionización de los átomos superficiales de las partículas Sustitución de elementos superficiales de las partículas Sustitución de elementos superficiales del enrejado cristalino por otros de carga eléctrica contraria Adsorción de iones.

Las cargas eléctricas superficiales atraen iones de carga opuesta que se encuentran en el agua, formándose una capa alrededor de la partícula por efecto de fuerzas electrostáticas. Se establece alrededor de la partícula una doble capa. La superficie de cizalla es la que se encuentra entre la capa compacta y la difusa. El espesor de la doble capa es 10-8mm • • • •

Capa adherida (compacta) es una parte integral de la partícula, se mueve con ella. Diferencia de potencial entre superficie de la partícula y el seno del líquido = potencial E o de Nerst. AV entre plano cizalla y seno líquido = potencial Z. su valor depende de E y del espesor de la doble capa y determina la fuerza de repulsión entre partículas. Tanto el espesor de la doble capa como la densidad de carga superficial están afectados por la concentración de iones, y su valencia, que están en la solución. La estabilidad puede alterarse añadiendo los iones adecuados.

Factores de inestabilidad de una suspensión coloidal. Causas que hacen que las suspensiones coloidales se desestabilicen o floculen:


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•

Movimiento browniano:

Las partículas coloidales más pequeñas están en constante movimiento, rápido y desordenado que contribuye a: •

Estabilidad: la materia coloidal se dispersa

•

Inestabilidad: al poner las partículas en contacto.

Si las partículas son de gran tamaño el movimiento browniano se hace despreciable y para poner en contacto las partículas debemos producir agitación mecánica. •

Fuerzas de Van der Waals

Son fuerzas de atracción-repulsión entre las moléculas. En el caso de partículas coloidales, por su importante tamaño por efecto de la agregación, tienen un radio de acción del orden de las dimensiones de la molécula. Si reducimos las fuerzas de repulsión electroestáticas, las fuerzas de Van der Waals harán que se formen agregados de partícula. En la práctica no es necesario anular el potencial Z, basta con reducirlo. Con un potencial -5 y -10 mv es suficiente para que se junten.

Coagulación Atenuación cargas eléctricas entre partículas coloidales, hasta valor tal que no impida que se junten, mediante adición reactivo - coagulante. Factores de estabilidad de una suspensión coloidal (impiden que se junten): • •

Hidrófilos: Atraen moléculas de agua y se rodea de unas moléculas fijas de agua. No se juntan por el colchón de agua. Hidrófobas: Lo que hace que sean estables es la carga eléctrica de las partículas (negativas). Teoría de la capa doble.

Adquieren carga eléctrica debido a: • • •

Ionización átomos superficiales partículas Sustitución elementos superficiales enrejados cristalino por otros de carga eléctrica contraria. Adsorción.

Teoría de la capa doble Capa de agua adherida: se mueven los iones con la partícula. Potencial Z: depende de Potencial E y del espesor de la doble capa. El importante en cuanto a repulsión entre partículas. Tanto: espesor doble capa y densidad carga superficial, se pueden ver alterados (disminuidos) por la presencia de iones de distinto signo (+, cationes) => Concentración y valencia.


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COAGULANTES: Dan al agua iones positivos (o contrarios). El poder coagulante del producto depende de la cantidad y la valencia. Coagulantes utilizados: • • •

Sales de aluminio: Al2(SO4)3, Sulfato de aluminio. ALUMBRE => Al2(SO4)18H2O. Sales de Fe+3: cloruro férrico FeCl3. Polielectrolitos: sustancias artificiales, polímeros de gran tamaño. Catiónicos. Vale con menos concentración que con las sales naturales => sustancias que luego hay que quitar. (1/10 menos). Pero son más caros (por m3 tratado).

Elección del coagulante, depende de: • • • • • •

Naturaleza y calidad del agua bruta Variaciones de calidad del agua bruta (turbidez) Calidad del agua tratada Tratamiento previsto después de coagulación-floculación. F, D o F-D. Grado de pureza del reactivo. Criterio económico (precio por m3 de agua tratada) teniendo en cuanta el proceso total.

Dosificación de Coagulante a añadir depende: • • • •

Tipo de coagulante Valor de pH del agua Naturaleza de la turbiedad Temperatura

Habitualmente se usa el Alumbre, sulfato de aluminio. En función de otros parámetros (pH) puede ser más interesante otro coagulante.

pH Variable más importante en el proceso de coagulación de coloides. Hay un rango óptimo de pH para cada agua (naturaleza coloide), depende: •

• •

Tipo de coagulante. o Sulfato de aluminio: 6 < ph < 7,4 o Sales de hierro: 5 < ph < 8 Dosis coagulantes. Características agua.

Sales disueltas Influyen en el proceso de coagulación: • • •

Rango de pH para coagulación óptima. Tiempo de floculación. Coagulante residual del agua tratada (luego hay que quitarlo).

Si el coagulante es Sulfato de aluminio, si las sales son: •

Sulfatos: aumenta la zona óptima de pH hacia el lado ácido y también el rango del ph. Reducen el tiempo de floculación.


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•

Fosfatos: desplazan la zona óptima del pH, sin aumentar el rango hacia el lado ácido.

Si se emplea sales de aluminio o de hierro, la presencia de cationes influyen en: -Na+2, Ca+2, Mg+2, con un efecto mínimo sobre coagulación. Aniones afecta según su valencia

Naturaleza turbiedad • • • • •

A turbidez media, si aumenta: mayor cantidad de coagulante. Paradoja: Turbidez elevada equivale a poco empleo de coagulante. Más fácil coagular una distribución amplia de tamaños de partículas coloidales que partículas coloidales de tamaño único, granulometría discontinua. M.O. absorbida partículas de arcilla no exige más coagulante. Los coloides orgánicos son más difíciles de coagular, por lo que necesitaremos mayores dosis.

Temperatura Si la temperatura es próxima a cero grados hay dificultades en el proceso de coagulaciónfloculación. Si la temperatura disminuye la viscosidad � aumenta y por lo tanto disminuye la velocidad de sedimentación. MEZCLADORES Para el proceso de desestabilización de la suspensión coloidal (coagulación), es importante una mezcla rápida. El coagulante se tienen que difundir rápidamente a toda la masa antes de que parte del mismo haya empezado a actuar. Tipos: estáticos (dispositivo en canal o tubería en régimen altamente turbulento. Dan lugar a una buena mezcla) y rápidos (tanques mezcladores). Floculación Se pretende que las partículas coloidales desestabilizadas o partículas en suspensión (fracción fina) se pongan en contacto y se agrupen en flóculos que deben cumplir unas características: • •

Tamaño (o peso) lo más grande posible: más rápido decantación y más fácilmente se retendrán en filtros. Cohesión: resistencia que presenta el flóculo a romperse.

Favorecen el engrosamiento del flóculo: • •

•

•

Coagulación previa lo más perfecto posible. Aumento de la cantidad de flóculos en el agua, si metemos flóculos ya formados, mejorará el engrosamiento constituyendo núcleos de engrosamiento. Es interesante hacer una recirculación de flóculos. Agitación lenta y homogénea. Turbina que gira lentamente (braceo), se favorece los contactos entre partículas y formación de flóculos. Lenta para que flóculos ya formados no rompan y para que no se vayan al fondo. Empleo de floculantes o coadyuvantes de flóculos.

FLOCULANTES Sustancias que favorecen la formación de agregados de partículas (flóculos). Afectan: Gabriel Sanz Martín

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•

Velocidad de floculación: rapidez de formación de los flóculos

•

Calidad del flóculo (mayor tamaño, más coherente)

Clasificación: •

Naturaleza o Minerales  Sílice activada  Agentes ponderantes-adsorbentes o Orgánicos

•

Origen o Sintéticos o Naturales Carga eléctrica o No iónicos o Iónicos

•



Aniónicos



Catiónicos

Sílice activada Es el más empleado. De naturaleza mineral, sintético y no iónico. Solución de ácido polisilícico (H 2 Si0 3 ) 4 polimerización de ácido de sicilio H 2 Si0 3 . Se obtiene a partir del silicato de sodio Na 2 Si0 3 y un ácido (sulfúrico), en las siguientes etapas: 1) neutralización: añadir ácido 2) envejecimiento: 10 min-2h 3) dilución: para que no gelifique Con el tiempo acaba gelificando, no se puede almacenar, hay que preparar la cantidad que se va a utilizar en cada momento. Ventajas: •

Aumenta la velocidad de floculación

•

Permite dosis más reducida de coagulante

• • • • •

Rango más amplio de pH para coagulación óptima. Coagulación-floculación mas eficaz a bajas temperaturas Mejor eliminación del color Mejor floculación en agua de elevada turbiedad Mejores características para la filtración.


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Desventajas de la sílice activada: • • • • •

Dificultad de preparación: control minuciosos Si no control adecuado se pueden conseguir flóculos grandes pero con gran turbidez residual Ineficaces en algunos tipos de aguas Sobredosificación puede inhibir el proceso de floculación No se puede almacenar porque gelifica y no se puede mezclar con agua

Agentes ponderantes - adsorbentes Son más bien coadyuvantes de la floculación: •

Adsorbentes: fijan en superficie los coágulos

•

Ponderantes: dan peso al floculo

•

Actúan como núcleos de floculación

Los más utilizados (minerales no iónicos) son: • Arcillas bentoníticas (natural) • Tierra de diatoneras (natural) • Carbón activado en polvo (sintético) • Floculantes orgánicos

Floculantes orgánicos Son polímeros naturales o sintéticos (aniónicos o catiónicos): Los floculantes orgánicos naturales: • • •

Almidón Celulosa Proteínas

→ Además son no iónicos, funcionan como agentes pond-adsorb.

Floculantes orgánicos artificiales: polímeros sintéticos. Suelen dar flóculos grandes y hay una dosis óptima que si se sobrepasa nos puede perjudicar la floculación, además es más caro. -

Polímeros sintéticos aniónicos: eficacia independiente de alcalinidad, dureza, ph, turbiedad. Buen floculante para aguas con oscilaciones de calidad importantes. Dosificación: depende de la dosificación del coagulante. Si el coagulante es "alumbre", a más alumbre más floculante polimérico sintético aniónico. No modifica rango del pH óptimo para la coagulación (Sulfato de aluminio).

-

Polímeros sintéticos catiónicos: pueden actuar también como coagulantes pero con escasa eficacia y mejor conjuntamente con un coagulante. Permite reducir dosificación del coagulante al que acompaña, atenuar la interferencia de otras sustancias que tenga el agua sobre la coagulación y flocular seres vivos (bacterias, algas), flóculo bacteriano.


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-

Polielectrolitos (polímero sintético): Admite cambios en la calidad de agua y funcionan a bajas temperaturas. Ventajas frente a la sílice activada:  Facilidad de preparación, se puede almacenar (S.A. hay que hacer reacción y estar atento).  Menor dosificación a añadir al agua.  Facilidad de almacenamiento.

Elección del floculante Ensayos en laboratorio del agua, muestras representativas a lo largo del año, ya que varía; prueba error, ir aplicando distintas cantidades a mismas muestras y ver como se produce la coagulación y después ver como se produce la floculación. Ensayo de TEST DE JARRAS FLOCULADORES La floculación se realizará en tanques diseñados para este fin o en el interior del decantador. Un floculador es una cuba con dispositivos de agitación lenta (braceo) para no romper los flóculos ya formados, pero suficiente para conseguir engrosamiento de los flóculos e impedir que sedimenten en el fondo. Aquí queremos que se formen, no que decanten.  Tiempo del agua dentro: 10 - 30 min.

Floculador de turbinas Al principio agitamos rápido, todavía no hay flóculos. => Al final más lento, no queremos que rompan.

Floculador de series de paletas Agua tiene que pasar por las paletas, agitando más al principio. El agua que sale de la floculación tiene más sustancias extrañas que al principio. Ahora separa del agua. Decantación Tiene como objetivo en la mayor densidad de los flóculos respecto al agua y mediante acción gravedad, hacer que se depositen en el fondo del recipiente y así se separa del agua. Tipos: -Estática -Acelerada (o de contacto de fangos) -Superacelerada

DECANTACIÓN ESTÁTICA Por sedimentación de los flóculos, parecida a la de las partículas granulares pero xon una característica diferencial: SEDIMENTACIÓN FLOCULENTA (O DIFUSA). Al tiempo que decantan continúan floculando, juntándose partículas y engrosando los flóculos. Varía si velocidad dad de sedimentación que, como sabemos depende del tamaño. La velocidad de sedimentación aumenta conforme desciende la partícula dado que se junta con otras aumentando su tamaño, en el tanque de sedimentación ideal seguirán trayectorias curvas. No se puede estudiar de forma analítica y ha de hacerse en laboratorio y para cada caso Gabriel Sanz Martín

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concreto (carga hidráulica, profundidad del tanque, concentración y características de las partículas). Las decantaciones pueden ser continuas o discontinuas según el agua entre o no de forma continua al tanque.

Decantación discontinua (o intermitente o por lote) Depósito que se llena con agua bruta. Se espera varias horas. Se extrae la parte superior del agua (agua clara). Se repite el proceso y cada cierto tiempo se vacía y se limpian los fangos (productos de la decantación). No es práctico como explotación industrial dado que el rendimiento es bajo.

Decantación continua El agua floculada entra de forma continua en el decantador. Para que haya depósito de los flóculos la carga superficial (velocidad ascensional) ha de ser menor que la velocidad de caída del flóculo. Según como se eliminan los fangos se clasifican en: 

SIN rascado de fondo: o

Cilindro-cónico: En la imagen el agua realiza el recorrido de las flechas y los flóculos van decantando y dada la pendiente del cono sedimentan en la parte inferior. Hay que decir que las placas negritas por donde pasa el agua son metálicas agujereadas. Son de flujo vertical ascendente y solo toleran caudales pequeños. La pendiente cónica comprende un intervalo de 45-60° y la velocidad ascensional 0.5-1m/h para aguas potables. 



Laminares o lamelar: Se basan en que puede mejorarse la eficacia de la decantación introduciendo en el decantador unas láminas «superficie horizontal. Porque la carga superficial (= velocidad ascensional) que indica el tamaño de las partículas que puede retener en su totalidad no depende de la altura del decantador. En la imagen 115 se ha colocado una lámina (recta roja) en el tanque de sedimentación, de forma que las partículas que se escaparían de esta manera decantan sobre la lámina. Al dividir el tanque en módulos mediante las láminas se incrementa la superficie de sedimentación y disminuye la carga hidráulica superficial. Aumenta también el número de partículas retenidas. Se ha obtenido que V s> V asc y se retienen todas las partículas que entran en el tanque

Con rascado de fondo: o

Circulares: Si los depósitos son cilíndricos de gran diámetro (pues los caudales son muy grandes) es inviable una tolva cónica con inclinación


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suficiente para la recogida de fangos por gravedad, de esta forma la retirada de fangos se hará con rascador (puente móvil giratorio con rasquetas). o

Rectangulares: Son más compactos, es decir que hay mejor aprovechamiento del terreno dado que se pueden situar unos junto a otros. Las rasquetas pueden ser de puente móvil con desplazamiento longitudinal o por cadenas.

DECANTACIÓN ACELERADA (o de contacto de fangos) Combinar el proceso de floculación y el proceso de separación de los flóculos del agua. Mejor rendimiento si introducimos flóculos en donde queremos. Manera de actuar: 



Recirculación de fangos (flóculos a agua): hacer que la zona donde se produce la floculación, se introduzcan flóculos anteriormente formados, para mejorar el rendimiento. Lecho de fangos (agua a flóculos): hacer pasar el agua (ya con coagulante y floculante) por una zona donde hay una gran cantidad de flóculos. Si el agua va lenta, decanta el lecho, se apachurran (manta de flóculos). Si introducimos el agua por abajo, la corriente ascendente del agua se ve bloqueada. Si el agua asciende rápido, se mezcla el fango con el agua superior. Es difícil mantener el lecho con el espesor adecuado.

Tipo Turbo-Circulator (circular)  

También tendría rascador de fondo. Efecto venturi: Presión en menor que en la tubería, entra agua por los extremos y parte de los flóculos también entran. Favorece la recirculación de fangos, lo que favorece el rendimiento.

Tipo Acelerator   

Es cilíndrico - cónico. En planta está sectorizado, pero no hacen falta tabiques. La turbina crea turbulencias favoreciendo la mezcla.

Lecho de fangos (también acelerada) Se hace atravesar el agua ascendiendo por una nube de fangos que actúa a modo de filtro. Problemas: 

Velocidad ascensional muy baja: el lecho de fangos se consolida y sedimenta. Deja de actuar como filtro. Es complejo volver a ponerlo en suspensión.



Velocidad ascensional alta: se rompe el lado y se generan vías (canales) por los que circula el agua sin que haya filtración.

Para mantener el fango en suspensión regular hay que hacer que la entrada de agua sea de forma intermitente. Voy variando la velocidad de entrada del agua de manera que intercalo velocidades altas y bajas. Así cuando la velocidad es baja el lecho baja y se compacta y, cuando la velocidad es alta, el lecho asciende


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Para disminuir la velocidad de salida del agua aumento la altura de agua en el tanque central. Para aumentar dicha velocidad, cuando el tanque central se ha llenado por completo, abro la válvula superior poniendo así el tanque a presión atmosférica de esta forma el agua querrá salir más rápido hasta que se igualen las columnas de agua central y de alrededores. La salida del agua decantada se realiza por canaletas agujereadas para que entre el agua. La etapa de llenado comprende 30-40s. La etapa de vaciado comprende 5-10s.

Decantador pulsator (tipo pulsatorio, como el corazón): 



1ª Etapa: llenado de la campana haciendo el vacío con la bomba. Agua que va por el lecho va más lenta, se da la fase de retención de las partículas en el lecho, sin vías preferenciales. Se va colmatando el lecho, se contrae. 2ª Etapa: abrir la válvula para poner la cámara a presión atmosférica. Nivel del agua desciende en la cámara y el lecho de fangos se expande, se descolmata. Fangos caen a la zona de recogida, a los lados. Volver a etapa 1.

Si colocamos lamelas obtenemos un Pulsator Laminar, para que los flóculos vuelvan a caer a la zona de fangos. Lamelas en la zona de agua clarificada. Tiempo de llenado del Pulsator 30 - 40 s. Tiempo de Vaciado 5 - 10 s. Decantación súper-acelerada Rendimiento aún mayor. Tipos:  

Superpulsator: igual que el Pulsator, pero colocando lamelas en la zona de los fangos (en el lecho de fangos) Cyclofloc: Siembra con microarena de pequeño tamaño pero con densidad importante. Se echa arena desde arriba y al caer se pega a los flóculos y decantan más rápido (barre los flóculos). Crea una lluvia de arena. Intentar recuperar la arena posteriormente, por ejemplo por centrifugación ya que son más densas que los flóculos.

Filtración También físico, cuya misión también es separar del agua los SS, haciendo pasar el agua por un material que retiene las partículas, el filtro. Tipos de filtración: Superficial (o de membrana): se basas en la diferencia entre tamaños de las partículas que lleva el agua y las zonas de paso (poros). En profundidad (o en lecho filtrante): hay partículas que por su tamaño pequeño podrían pasar atravesando un material con un determinado espesor (lecho filtrante), pero quedan retenidas en el lecho. Más fácil limpiar, que no forme un bloque monolítico. Hay un límite ya que si todos los poros se taponan, el filtro se queda lleno de partículas. Hay que hacer un proceso de limpieza o cambio de filtro. El filtro funciona hasta que se colmata. Mecanismos de separación en el lecho filtrante:


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 

Tamizado mecánico superficial: los poros o huecos superficiales son de menor tamaño que las partículas que quedan retenidas. Tamizado mecánico intersticial: cuando pasan por los huecos superficiales y en el interior se encuentran con poros de menor tamaño y quedan retenidos.

En cuanto al tamizado mecánico el proceso es claro: si no cabe, no pasa. El filtro también retiene partículas suficientemente pequeñas para pasar pero acaban adheridas a los granos. En este caso se debe a una serie de fenómenos (mecanismos) de transporte de las partículas hasta los granos del lecho filtrante y de fijación de los mismos. Mecanismos de transporte    

Decantación por gravedad Por la acción de fuerzas centrifugas: curva y se estampa a la pared del grano. Fenómenos de intercepción: tiene un tamaño tal y pasa tan cercana que choca (placaje). Fenómenos de difusión: partículas se están moviendo con movimiento browniano y llega a la pared. Esto no quiere decir que se pegue.

Van a depender de:   

Tipo de agua. Coagulantes utilizados (partículas). Naturaleza del material filtrante.

Mecanismos de fijación   

Fenómenos de adsorción, debido a rugosidad del grano, se queda encajada la partícula. Interacción electrostática, granos pueden ionizarse y atraer partículas y se fijan. Mediante enlace químico.

Si una partícula es retenida con un caudal determinado. ¿Qué ocurre si baja el caudal?  

La partícula continúa retenida. El rendimiento de la filtración disminuye.

¿Qué ocurre si sube el caudal?     

Fuerza que hace el agua sobre la partícula aumenta. Fuerza de arrastre del agua puede llevarse partículas ya retenidas. La arranca del grano y la arrastra (incluso puede el agua salir con más partículas de las que traía). Aumento de la concentración de SS en el agua a la salida del filtro. Aumento de turbidez

Todo esto puede llevar a la rotura del filtro. Por eso en un filtro es importante el caudal que pasa por él, ni más ni menos.


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Variables generales del proceso de filtración MATERIAL FILTRANTE    

Tipo de material (habitualmente se usan estos tres): Arena silícea d = 2,65; la más usada (arena caliza sería atacable). Antracita (carbón duro) d = 1,35-1,75; menos densa que la arena. Granate (silicato doble de aluminio y hierro) d = 4 - 4,2.

También el carbón activado, pero no en procesos habituales, sino en procesos especiales. GRANULOMETRÍA (distribución de tamaños del material): En principio nos interesa un tamaño único, pero tendríamos que tirar lo demás. Se define por: El tamaño de grano, que influye en tamaño de poros. A menor tamaño de grano, menor tamaño de poro. Efectivo pero se tapona enseguida  

Tamaño EFECTIVO d10: el tamaño de la luz mayor, o tamiz que deja pasar el 10% del material. Uniformidad del material: Cu = Coeficiente de uniformidad = d60/d10. Se recomienda que Cu < 1,2 – 2,0. A veces se puede aceptar valores superiores a 2.

FRIABILIDAD Friable: que se desmenuza fácilmente. El material del filtro hay que removerlo de vez en cuando (lavado) y los granos se pueden romper. Interesa que el material de los filtros sea duro y resistente para que no varíe su granulometría por formación de finos debido al desgaste. Se valora determinando la cantidad del mismo que se mantiene utilizable (tiene el mismo tamaño efectivo que le muestra original) luego de ser triturado bajo condiciones normalizadas. Se mide a los 15 y 30 minutos de trituración ATACABILIDAD Agentes agresivos pueden degradar el material filtro. Así si el agua contiene CO2, da carácter ácido y ataca a la arena. Se estima viendo la pérdida en un ensayo en el que se sumerge en una solución al 20% de HCl o al 5% de H2SO4 durante 24h. Posteriormente se saca y se pesa. La pérdida es menor o igual al 2%. Para que el material sea aceptable. GEOMETRÍA DEL LECHO  

Superficie de filtración nos permite definir la velocidad de filtración. Espesor.

AGUA A TRATAR No debe llegar al filtro un agua con muy altas concentraciones de SS, ya que enseguida se ensucia el filtro (colmata) y hay que parar y limpiar el filtro, lo que disminuye el rendimiento. Si el agua tiene mucha concentración de SS, eliminar la mayor parte por decantación, Es importante el concepto de velocidad de filtración: Vfilt = Qfilt/Sfilt Gabriel Sanz Martín

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AGUA A OBTENER ( O TRATADA) Control de SS en que sale el agua filtrada. Si hay más SS que el agua que llega hemos tenido una rotura de filtro. El control se hace midiendo la turbidez (está relacionado con SS) y la turbidez se mide rápidamente. (Medir luz refractada a 90°.) Si el filtro se va ensuciando, se taponan los conductos y cuesta más el paso del agua, por lo que es mayor la pérdida de carga, y necesita más carga de agua. Para ver si el filtro deja de ser efectivo vemos la pérdida de carga, se requiere emplear mucha energía. Cuando por turbidez o pérdida de carga excesivas, hay que limpiar. CARRERA DE FILTRACIÓN Tiempo desde el final de la limpieza, hasta la siguiente limpieza. Tipos de filtración:

Filtración lenta: Adecuada para aguas con bajas [SS] < 15 ppm. Con valor de la turbidez constante o de poca oscilación. Características de:  

Velocidad específica de filtración: 0,1 - 0,4 m/h = 2,5 - 10 m/día (en problemas) Material filtrante: Arenas muy finas → d10 = 0,15 - 0,35 mm. o Coef. de uniformidad: Cu < 3 (preferible 2)

Funcionamiento del filtro lento: 1. Se forma en superficie una película biológica, la cual es responsable de todo el proceso de filtración, zona donde aparecen microorganismos (mucosidad); retiene incluso M.O. disuelta, esporas. 2. Lo que tenemos fundamentalmente es una filtración de tipo superficial, ya que es en la superficie donde retiene la mayor parte de lo que llega. 3. Eliminación de M.O. disuelta y coliforme. 4. La película biológica requiere cierto tiempo para que se acabe formando. Tiempo de formación de la película biológica para alcanzar una eficacia adecuada => TIEMPO DE MADURACIÓN DEL FILTRO. Depende del agua a tratar: muy cargada » 3 días; poco cargada » 30 días. 5. La carrera del filtro, superior a 2 semanas, son habituales 2 ó 3 meses. (Si agua es muy cargada será poco tiempo.) 6. Lentamente la película biológica cada vez tiene más espesor, se pueden dar procesos anaerobios en la zona baja (1 ó 2 cm) Limpieza del filtro lento Quitar la película biológica, duración de 1 a 2 días. Proceso:   

Se vacía el depósito granular Retira la película biológica. Es un proceso manual, sacar la costra más 1 ó 2 cm. de arena. Necesidad de reponer de vez en cuando la arena. Cuando el ( e » 70 cm ) ó cada 5 años.


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N° de unidades de filtración: Tiene que haber varias para usar la otra mientras se limpia o mientras el proceso de maduración. Superficie de filtración  

Superficie > 100 m2. Superficie < 2.000 - 5.000 m2. No más debido al oleaje y que no desborde.

Ventajas de tener filtros lentos       

Se obtiene agua de una calidad elevada Reducción de la contaminación bacteriológica en más del 99% Fácil de construir y de materiales sencillos Sin dispositivos electromagnéticos (aunque tendremos para control de la turbidez y ΔH pero son parte esencial del proceso en sí) Explotación y mantenimiento sencillos Pérdidas de agua muy limitados La biopelicula y arena extraídas en limpieza es buen acondicionador de suelos.

Inconvenientes de los filtros lentos    

Exige mucho terreno (si el terreno es caro...) En clima frío, se puede congelar el agua, para evitarlo => cubrirlo, como un invernadero y es caro. Como el agua tiene poca velocidad => permite el desarrollo de algas => también cubrirlo pero para OSCURECER. Es sensible a los cambios de calidad del agua.

Filtración rápida (o sistema americano):   

Velocidades de filtración oscilan entre 4 -50 m/h. Carreras de filtración cortas, 1 ó 3 días. Prácticamente no hay formación de película biológica, no da tiempo. Preponderan los mecanismos físicos de separación de partículas.

Partículas, flóculos se quedan en las primeras capas, conforme se va llenando pierde capacidad de filtrar y trabajan capas inferiores. Se procederá a la limpieza del filtro cuando:  

En el agua que sale la turbidez, [SS], alcance un valor máximo considerado aceptable. Si la pérdida de carga AH en el filtro llegue a un valor determinado como máximo. Necesario emplear mucha energía, limpiamos para que filtre.

Siendo t2 el tiempo de funcionamiento del filtro para que [SS] < [SS]MÁX y t1 el tiempo de funcionamiento del filtro para que AH < AHMAX, Lo óptimo es que coincidan t1 y t2, es la mejor forma de aprovechar el filtro. Puede ocurrir que aparezcan presiones negativas que provoquen un desprendimiento de gases. Se crean burbujas de aire, que hacen que disminuya la zona de paso del agua. Se incrementa la velocidad del agua y puede provocar la rotura del filtro. No interesa tener presiones negativas (burbujas), por ello lavaremos antes. Al lavar el filtro (corriente ascendente de agua) el aire sube rápidamente y puede romper la superficie del filtro, no interesa cambios de granulometría. Al limpiar el filtro se expande, rompe costra, flóculos caen al fondo. Gabriel Sanz Martín

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Agua baja verticalmente y se recoge por debajo. Si el filtro está sucio o pérdida de carga es alta (nivel de agua), hay que lavar el filtro. Cambiamos la válvula y bombeamos agua y aire a contracorriente (a veces es beneficioso). El lecho de arena se expande, soltándose partículas que son arrastradas por el agua y esta agua de lavado se recoge por el canal de recogida. Se puede llevar al decantador o al proceso inicial de C-F. En el proceso de lavado de expansión de la arena alcanza una altura:  

25‐50% (normal) 40‐100% (óptima)

A mayor expansión mayor caudal de bombeo, más agua se consume en el lavado y más energía se consume y por lo tanto mayor será el coste de explotación. Durante el lavado es conveniente mantener un caudal constante. Estructura de la unidad de filtración rápida:        

Depósito abierto de hormigón (6 - 100 m2 de superficie). Mucha menor superficie de unidad de filtración que en la lenta. Falso fondo de hormigón, cerámico o plástico (con boquillas, permitir también el agua en sentido ascendente). Capa de grava Lecho filtrante Canales de entrada del agua bruta Canales de recogida de agua de lavado Depósito de agua filtrada para poder bombear el agua y limpiar el filtro.

Tipología de los Filtros Rápidos: Según Fuerza impulsora que hace pasar el agua por el filtro:  

De gravedad. A presión: se emplean menos pero se emplean para: limpiar piscinasy para pequeñas poblaciones (poco caudal).

Según la estructura:  

Abiertos: superficie a presión atmosférica, funcionan por gravedad, suelen ser de hormigón. Cerrado: suelen funcionar a presión y metálicos.

Según lecho:  

Monocapa: lecho formado por un único material (arenas silícias, homogéneo) Multicapa: Formado por 2 ó más capas de distintos materiales. La forma de colocar las capas es de Graduación inversa.

De tamaños mayores a menores (distinto al pozo). Permite tiempos de filtración más altos que si se pone al revés (se colmataría antes la arena). Mayores carreras de filtro, da mejor rendimiento o aprovechamiento. No se hace con un único material, porque al lavarlo se expande (Newton - De mayor tamaño caen antes). Después de lavar, si tuviera la misma densidad, las grandes se irían al fondo y quedaría todo al revés. La velocidad de caída depende del tamaño de la partícula, densidad del material. Colocaremos el material de mayor tamaño y menos denso.


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 

Antracita +arena Antracita + arena +granate

Según el sentido del flujo: En gravedad es vertical hacia abajo, pero en presión el flujo puede ser en otros sentidos:  

Sentido filtración descendente (habitual). Sentido filtración ascendente. Si es sentido ascendente en filtración, si el lavado también es ascendente, se hace aumentando el caudal. Hacer un filtro multicapa con un único material ya que el más grueso irá al fondo.

Según la metodología de lavado:    

Separar partículas del grano Arrastrar partículas. Para ello sólo se puede emplear agua. Agua (ascendente o descendente) generalmente el mejor sentido es el contrario al de filtrado, a contracorriente. Agua y aire, el aire crea más turbulencia y separa las partículas de los granos. El agua tiene la función de arrastrar las partículas. Puede ser a la vez o 1° uno y luego el otro. 1° el aire y luego el agua, para arrastrar las partículas que se han separado.

Adicionalmente: La capa superior es la zona más sucia. En el filtro rápido se lava todo a la vez, a diferencia del filtro lento, sólo superficie. Para limpiar esa zona se puede lanzar agua con una manguera por arriba, rompe la costra y mejora el proceso de filtrado o agitación mecánica en superficie. CONTROL DEL PROCESO Objetivo: optimizan en funcionamiento y la explotación del filtro. Hay que evitar la rotura del filtro (resuspensión de las partículas retenidas). Esto puede ser originado por oscilaciones de caudal: velocidad de filtración. Si la velocidad de filtración aumenta comienza el arrastre de partículas antes retenidas. Si la velocidad de filtración es constante el proceso se desarrolla en equilibrio. Si la velocidad de filtración disminuye lo hace la capacidad de tratamiento. Estrategias de control de caudales: 1. Control de caudales que acceden a cada filtro: caudal de llegada constante (bombeo, sifones). El nivel del agua varía, ya que va subiendo poco a poco según se ensucia. 2. Caudal constante de entrada y nivel constante de filtración. En la salida podemos controlar (al principio algo más cerrado y al final abrimos más) de forma que siempre hay la misma pérdida de carga entre lo que pierde en el filtro y la válvula ajustable. Así se mantiene el nivel constante (puede ser automático con un sifón y un flotador). 3. Caudal de salida sea constante. Poner una válvula en la salida que regule el caudal. 4. No estrategia. Sistemas de velocidad decreciente. No mantenemos el caudal constante. Si mantenemos el nivel de agua, se produce más perdida de carga pero el caudal va a disminuir. Problema en cuanto al rendimiento.


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PARÁMETROS DE DISEÑO DE LA FILTRACIÓN

En función del agua a tratar 

 



Agua natural [SS]<15ppm o Filtración lenta o Filtración rápida directa (A) Agua natural 15<[SS]<40ppm: coagulación sobre el filtro más filtración rápida (A) (el filtro actúa como coagulación.) Agua natural 40<[SS]<2000ppm o C-F-D + filtración rápida filtro monocapa (A) o C-F-D + filtración rápida filtro multicapa (A) Agua de piscinas o Filtro rápido de alta velocidad (7-20 m/h) o Filtro a presión (C)

Características del lecho Material Espesor(m)

PARÁMETROS DE DISEÑO DE FILTROS RÁPIDOS Filtro monocapa (A) Filtro multicapa (B) Filtro a presión (C) Arena silícea 0.5-1 (0.7)

Tamaño efectivo (mm)

0.6-1.2 (0.8-1)

Coeficiente de uniformidad Velocidad de filtración (m/h) Pérdida de carga máxima (mca)

<2 (1.5-1.8)

Antracita +arena silícea 0.85-1.3 (1) 0.450.7 (0.6) 1.25-2.5 (1.3) 0.50.8 (0.6) <2 (1.5-1.8)

Arena silícea 0.7-1.2 (0.9) 0.3-0.5 (0.5) <2 (1.5-1.8)

4-15 (7.5)

10-15 (10)

40-60 (50)

1.5

1.5

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Desinfección Operación por la cual eliminamos o inhibimos los microorganismos patógenos de un agua. Pueden originar enfermedades. Es distinto de esterilización, que es eliminación de todos los microorganismos. Van a morir también los no patógenos, aunque no sea la intención. La eficacia de la desinfección depende de:     



Tipo de desinfectante Dosis utilizada Tipo de germen a eliminar, algunos resisten más. Concentración de gérmenes en el agua. Si tengo muchos elimino muchos, si tengo pocos elimino pocos. Tiempo de contacto, desinfectante / agua. Ejemplo, la cloramina necesita más tiempo que le cloro gas, pero si tenemos el tiempo suficiente eliminamos los mismos. Otras características del agua: o Cantidad de M.O.


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o o o

Turbidez o partículas en suspensión: pueden hacer de barrera protectora de los microorganismos. Temperatura pH: puede modificar la acción de algunos desinfectantes químicos.

Métodos de desinfección TRATAMIENTOS FÍSICOS  

 

Filtración lenta, C-F-D-F: quedan retenidos, incluso quita esporas (99 %). Calor: por ejemplo, al hervir agua es sencillo pero es caro y no todos los microorganismos mueren, algunos resisten esas temperaturas. Además de caro y alto consumo energético, da mal sabor al agua porque pierde OD y sales disueltas. Tiempo: con el tiempo los microorganismos tendrán poco alimento, unos se cargan a otros. Fuera del intestino están en un ambiente hostil y con tiempo morirán. Presión muy alta: no se emplea en el agua, en alimentación industrial si. Revientan los microorganismos por presión.

MÉTODOS QUÍMICOS Productos oxidantes      

Cloro y sus compuestos (CLORACIÓN) el más empleado en el mundo. Ozono (OZONIZACIÓN) en Francia. Bromo -Yodo Permanganatos. Iones metálicos: Cu, Ag (plata), son tóxicos. [Ag] @ 0,005 mg/l = 0,05 ppm. Ácidos y bases: modifican pH. Si (pH <3) y (pH > 11) → No compatible con la vida. (A los cadáveres se echa cal viva para aumentar pH y evitar proliferación de microorganismos.)

RADIACIÓN   

Radiación ultravioleta Rayos X Rayos gamma

CLORACIÓN Desinfección con cloro o sus compuestos. Método más generalizado. Ventajas:      

Facilidad de obtención de Cl2 (cloro gas) y sus compuestos. Presentación en forma de gas, líquido y sólido (polvo y pastillas). Barato. Fácil de aplicar por su alta solubilidad. Deja residuo en el agua: ventaja porque evita que se contamine posteriormente. No es dañino para el hombre. Muy tóxico para la mayoría de microorganismos.


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Inconvenientes  

Dan sabor al agua. Reacciona con sustancias.

Compuestos del cloro utilizados: Cloro gas (Cl2):       

Color amarillo-verdoso Gas irritante en la garganta, Cáustico → quemaría los pulmones. 1,5 ppm es irritante. 30 ppm es mortal. Cuidado si tenemos cloro en la potabilizadora con las fugas, si se da el caso aspirarlo y hacer que reaccione. El más utilizado en poblaciones medianas y grandes. Suministro en forma líquida → Bombonas de 50 - 100 kg Contenedores 500 - 1.000 kg Cisternas 10 - 20 Toneladas (a granel)

Hipoclorito sódico (NaClO)    

En forma líquida, ion riqueza 150 (g de Cl)/l. Para desinfección en pequeñas poblaciones. Por su baja riqueza se emplea en cantidades importantes. Suministro en bidones de 20 - 50 litros.

Hipoclorito cálcico (Ca(ClO)2)   

Presentación en pastillas. Utilización en piscinas. Riqueza de 70 % en cloro. (700 (g Cl)/l)

Dióxido de cloro (ClO2)  

   

Gas color amarillo-verdoso parecido al Cl2. Posible sustituto de Cl2. Su uso cada vez mayor o Abaratamiento de costes de producción o Simplicidad de almacenamiento (sistemas para obtención) y dosificación. Es INESTABLE, hay que producir "in situ" y utilizar rápidamente. Gran poder desinfectante. No produce olores ni subproductos olorosos. Obtención a partir de NaClO2, clorito sódico.

Cloraminas  

  

Combinaciones de Cl2 gas con amoniaco NH3. (Cl2 + NH3) Hay 3 tipos de cloraminas: o NH2Cl mono-cloramina: poder desinfectante. o NHCl2 di-cloramina: poder desinfectante. o NCl3 tri-cloramina: sin poder desinfectante y volátil. En cloración de grandes conducciones Tienen una gran estabilidad en el agua, tarda en desaparecer. Asegura su presencia residual. Menos activas que Cl2 en desinfección, tarda más pero es igual de efectivo, lo que importa es el tiempo.


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Acción del Cloro El Cl2 gas al añadirlo al agua reacciona: Cl2 + H2O → HClO + HCl (reacción de hidrólisis, descomposición del agua) Ácido hipocloroso (si tiene poder desinfectante) + ácido clorhídrico (no tiene poder desinfectante). Se puede disociar: HClO ↔ ClO- + H+ (ionización) ión hipoclorito. Cl2 disuelto, HClO y ClO- tienen poder desinfectante. El ácido tiene más poder desinfectante. Es 80 veces más efectivo que la del ión hipoclorito:  

Con pH = 5 todo es ácido hipoclorito. Para pH = 10 todo es ión hipoclorito.

Como es más efectivo el HClO, interesa tener pHs bajos 

Con pH < 3 lo que tenemos en Cl2 gas.

Tener mayor temperatura perjudica, ya que a a mayor temperatura menos ácido.

Curva de cloración del agua

Etapa 1: Oxidación sustancias fácilmente oxidables (Fe+2, Mn+2, H2S, M.O.). El gas cloro va reaccionando con estas sustancias y el Cloro se reduce Cl- => Que no tiene poder desinfectante. Etapa 2: Reacción con NH3, obtenemos cloraminas, y con compuesto orgánicos, Va a formar compuestos órgano-clorados. Tienen efecto desinfectante. No acción muy fuerte pero si le dejamos tiempo sería igual de efectivo. Etapa 3: cuidado, perdemos dinero, disminuye el poder desinfectante. Si seguimos añadiendo cloro se produce la oxidación de cloraminas que dan lugar de dicloraminas a NCl3-tricloramina más volátil y se nos escapa a la atmósfera. Es decir al añadir más cloro, se produce algo que tiene menos acción desinfectante. Cloro residual que tenemos es menor. Etapa 4: Se ha producido la oxidación de cloraminas, ya se ha producido la máxima eliminación de cloraminas; y ahora ya el cloro que añadimos se queda en formación de cloro libre.


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

Punto de rotura: Punto a partir del cual todo el cloro que añadamos lo hace en forma de cloro residual libre (en vez de combinado). BP máxima eliminación de cloraminas. Sobrepasando el BP estamos clorando: Destrucción total de patógenos.

Máxima eliminación de microorganismos y cloraminas. Mínimo sabor en el agua (mejora). Máxima eliminación de color.

Sistemas de cloración: Clorogas (Cl2): Para grandes y medianos núcleos. Se presenta en forma líquida en botellas o cisternas. Se abre la válvula de la botella o cisterna y sale la forma gaseosa. No es recomendable la inyección directa de este gas al agua pues no hay regulación ya que la cantidad de gas dependerá de la presión, a su vez influida por la temperatura. Para asegurar siempre la misma dosis se mezcla con agua mediante un sistema de aspiración hidráulica con extracción del cloro con dispositivos de regulación y medición. Si el consumo es muy elevado el proceso de evaporación puede llegar a congelar el cloro líquido. En contenedores horizontales se permite la toma de cloro de la zona de gas o de la zona de líquido en el recipiente. Si el consumo no es elevado no se producirá la congelación y, por tanto, puedo extraer gas. Mientras que si el consumo es elevado, se extrae de la zona líquida y se lleva a un depósito de agua caliente para que allí se produzca la evaporación del cloro. Existen problemas de toxicidad y agresividad del cloro y por ello se colocan sistemas de protección contra fugas y dispositivos de detección y neutralización (en el caso de haber fuga). Hipoclorito sódico (NaClo): Para núcleos pequeños. Se presenta en forma líquida y se almacena en depósitos. Se introduce al agua mediante bombas dosificadoras que aportarán más o menos según el caudal a tratar. Son consumos muy bajos y hemos de diluir previamente en el agua. ASPECTOS A CONSIDERAR EN LA CLORACIÓN Tiempo de contacto: Ya que no es eficaz de manera instantánea, es necesario que esté actuando cierto tiempo. Si el tiempo de actuación aumenta => aumenta la eficacia del desinfectante. Suele ser suficiente 30 minutos: tiempo medio que pasa el agua en el depósito regulador. Las cloraminas necesitan más tiempo para eliminar microorganismos pero si se las deja más tiempo es igual de efectivo. Matan más lento.

Control de la cloración: Para controlar la existencia de microorganismos, no se hace a través de análisis bacteriológicos, se hace midiendo concentraciones de cloro residual (si es mucho, es incompatible con la vida). El control se hace en la salida ETAP, en la red de distribución (en ciertos puntos) y en el agua a la salida del grifo. Para asegurar la no contaminación bacteriológica → 0,1 - 0,9 mg/l de cloro residual.

Forma de actuar del cloro: La acción bactericida se debe al ácido hipocloroso. La acción del cloro (ácido hipocloroso) penetra en el interior de la célula y la ataca por dentro: ataca proteínas (protoplasma) y el sistema enzimático (altera el metabolismo de la célula y no es capaz de regenerar su tejido). Gabriel Sanz Martín

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OZONIZACIÓN (En Francia es el que más se usa) El Ozono (O3) es la forma alotrópica del oxígeno. Es un gas de color azulado. Es altamente tóxico, con un olor picante característico. Tiene la desventaja de que es muy inestable. Tiene aproximadamente 20 minutos de vida media. Si se contamina por el camino ya no tiene efecto, distinto al cloro. Ligeramente soluble en agua. Fuerte agente oxidante y desinfectante, incluso más que el cloro. Además elimina olores y sabores, elimina M.O. (también lo elimina el Cloro), Fe y Mn precipitan (son los que dan color al agua) y evita la formación de clorofenoles. Es habitual añadir una pequeña dosis de cloraminas para dar un "efecto residual". Obtención del ozono Mediante acción ionizante sobre O2 de un campo eléctrico. No se puede almacenar, se produce "in situ" mediante una corriente con O2 puro entre electrodos. DV = 10.000 - 20.000V (voltios). El rendimiento depende de sequedad (más es mejor), y temperatura (menos es mejor). Dosis que se emplea en la desinfección; 0,5 - 4,0 mg/l. Fase de contacto:   

Tanques cerrados Tiempo contacto 5 - 10 minutos Concentración residual en salida del tratamiento 0,3 - 0,5 mg/l.

Acción bactericida del ozono: el ozono ataca la pared celular (o cápsula del virus), la rompe y el protoplasma se esparce en el medio (LISIS). La célula muere. Ventaja del ozono (frente al cloro): no origina productos residuales extraños. No origina olores ni sabores. Inconvenientes del ozono:  



Es caro ya que requiere gran consumo de energía. No queda producto residual por ser inestable, malo si después hay alguna incidencia sanitaria de contaminación en el recorrido del agua. Clorar ligeramente el agua con cloraminas. Puede haber corrosiones en la red de distribución si no damos tiempo a desaparecer, problema a los usuarios que están cerca de la estación de tratamiento.


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RADIACIÓN

RADIACIÓN ULTRAVIOLETA Radiación electromagnética, longitud de onda de 254mm, es la longitud de onda más efectiva para la desinfección. Se generan mediante tubos de vapor de mercurio (Hg). El consumo energético es alto. Si es excesivo es malo para la vida humana. Ventajas:    

Tiempo de retención mínimo, el agua pasa y se va eliminando microorganismos. Alto rendimiento No hay formación de olores ni sabores. No se aporta nada al agua, tampoco quita. No problemas de sobredosis, no afecta a calidad.

Desventajas:  



Demanda energética elevada Exige una baja turbidez del agua y bajo contenido de M.O. Agua turbia es prácticamente imposible de desinfectar por radiación, microorganismos protegidos con escudo. No deja protección residual. Combinar con desinfectantes posteriores con efecto permanente, cloraminas.

2.4. CONDUCCIONES Conjunto de obras y elementos cuya misión es transportar el agua desde la captación, pasando por la estación de tratamiento, hasta el punto inicial de la distribución: depósito de almacenamiento=depósito de regulación. Es la parte del transporte que se realiza a caudal total por completo. Según se emplea para realizar el transporte la propia energía potencial de posición de agua o se utiliza energía aportada tenemos conducciones:   

Por gravedad: a partir de energía hidráulica al inicio (energía potencial de posición) Por impulsión: necesario aporte de energía a la corriente hidráulica. Mixtas: si parte del trayecto por gravedad y parte por impulsión.

Conducciones por gravedad  

En régimen o lámina libre: conducciones rodadas. El agua presenta una superficie libre a presión atmosférica. A presión: conducciones forzadas. El agua circula en un conducto cerrado, ocupando toda la sección y a presión distinta de la atmosférica, generalmente mayor.


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CONDUCCIONES RODADAS = CANALES Aspectos a considerar:  





 





 

Impermeabilidad de las paredes y juntas. Evita pérdidas de agua, si es canal no podemos evitar la evaporación. Las secciones transversales con esquinas redondeadas o achaflanadas ya que son puntos con menor velocidad y se quedarían cosas retenidas. Pueden aparecer microorganismos y sería un problema sanitario. Velocidad media (rango): o vmin = 0,5 m/s => Para evitar formación de sedimentos que arrastre el agua. o vmax = 3 - 6 m/s => Para evitar erosión. El agua no sólo arrastra partículas, se pueden dañar las paredes. Depende de cual sea el revestimiento de las paredes. (tener en cuenta si hay derivación). Contorno del canal que sea lo más LISO posible: o Mejor capacidad hidráulica (podemos llevar más caudal). o Evitar zonas de acumulación de depósitos o Facilitar limpieza. Material de revestimiento inatacable tanto por el agua exterior como la interior (influye en durabilidad y en contaminación) Han de estar cubiertos si es para abastecimiento: o Recomendable que esté cubierto antes de llegar a ETAP o Obligatorio que esté cubierto después de la ETAP para evitar contaminación. o Es típico que la animales caigan al canal y no puedan salir. o Cubrir con 30 cm de tierras para controlar también la temperatura. Materiales empleados en el revestimiento: o En regadío, sin revestir, pero para abastecimiento revestir. o Hormigón es el más habitual en canales. Impermeables y suficientemente resistente. o Sin revestir pero cubrirlo con Lámina de Caucho. Secciones transversales o Abiertas  Forma rectangular  Forma circular o Cerradas (más recomendables)  Forma circular  Forma de herradura  Forma de ovoide Trazado en planta es muy flexible. Interesa que el radio del eje del canal sea 5 veces el radio hidráulico. Trazado en perfil condicionado a: o Diferencia de cotas entre extremos o Caudal a transportar o Velocidad: máxima y mínima. o Normalmente 0,001 - 0,00015 de pendiente. Siempre bajando aunque se permite pequeña excepción en contra pendiente muy corta. Además en canales se admiten escalones.


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Ventajas    

Se pueden construir con materiales locales. Larga vida de la instalación. Poca pérdida de capacidad con el tiempo. Poco mantenimiento pues sus elementos no están muy solicitados.

Inconvenientes   

Muy condicionados por la orografía. Obras de movimiento de tierras importantes Dificultad en cruces de ríos, vaguadas y vías de comunicación.

Obras especiales ligadas a conducciones rodadas Sifón: Obra especial que nos permite salvar una vaguada. Tiene cámara de entrada que pone la conducción en carga. Conviene proyectarlos dobles, así si se rompe uno, sigue el servicio. En los puntos final e inicial, colocamos una cabeza de sifón, hay estructuras especiales para:  

Evitar que entren sedimentos al sifón, Evitar la presencia de aire en el sifón, en el llenado, llenar de abajo a arriba mediante un tubo auxiliar.

También se emplean para salvar una vía de comunicación. Se puede cambiar la rasante de la vía de comunicación ya que es flexible, puedo subirla y bajarla. Acueductos: Salvar desnivel o cuando el terreno tiene poca capacidad resistente.    

Puente para el paso del agua Cuando hay que salvar una vaguada por solución estética y económica Cruce de ríos y vías de comunicación Si se pasa por terrenos inestables: dificultad para ir en tubería o canal apoyado sobre el terreno.

Túneles: salvar un obstáculo montañoso, cordillera y exigiría mucho rodeo, y ya no iría rodada. Es preferible también un túnel a ir a media ladera, si la ladera es muy accidentada. Deben estar revestidos para evitar filtraciones de agua. Ventajas:  

Acortan el camino, menos pérdida de carga. Pocos gastos de conservación

Inconvenientes:   

Caros, aunque mucho menos que túnel de carretera. Poca sección Deben estar revestidos para evitar filtraciones


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Elementos y obras auxiliares en condiciones rodadas Partidores de carga: punto donde producimos una pérdida de carga importante para evitar velocidades excesivas y evitar destrucción del canal. Justificado si sobra energía potencial. Rápidos: misma función que partidores de carga pero en vez de hacerlo en un punto, se hace en un tramo, de forma escalonada. Pierde energía de manera gradual pero rápida. Revestir el canal con material resistente. Registros de inspección y vigilancia (en canales cubiertos): si el canal es cerrado tiene haber puntos para ver que pasa en el canal, incluso que se pueda meter pequeña maquinaria Almenaras: Si un canal de 20 km es necesaria una reparación o limpieza, hay que cortar el canal, por lo que hay que deshacerse del agua que viene. Toda almenara debe tener un desagüe o aliviadero controlado, sin erosión ni peligro de inundación. Cabezas de sifones: realizan la transición entre conducción rodada y forzada. Son estructuras con un abocinamiento para pasar de régimen libre a conducción forzada o a la inversa. Constan de:  Caseta de compuertas  Unión abocinada al sifón  Cubierta Obras de arranque: obra donde empieza el canal, como rejas evitar que entren troncos. Tener en cuenta:  

El control de los caudales que entran al canal. Control de la energía (nivel).

Cálculo del canal Datos de partida:   

Caudal (Q) a transportar (ver periodo de vida útil y ver el máximo) dato importante que no podemos modificar. Trazado, en planta y en alzado. Punto inicial y final. Orografía. Definición de la sección transversal. Velocidades medias dentro del intervalo admisible

CONDUCCIONES FORZADAS (TUBERÍAS A PRESIÓN) Aquellas en las que el agua está a presión y ocupando la totalidad de la sección. A expensas de la energía potencial al inicio. Consideraciones generales:    

Impermeabilidad muy cuidada Velocidad media: 0.5m/s � �� 1.5 m/s (hasta 5‐6 m/s) Material inatacable por las aguas, tanto interiores como exteriores El perfil de la tubería debe ir por debajo de la línea piezométrica para que sea fácil retirar los gases que se acumulan en puntos altos y que el agua salga y no entre si las juntas no son estancas CONTAMINACIÓN


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 



Trazado en planta: recomendable que vaya cerca de caminos y carreteras de forma que exista fácil acceso a la construcción y reparadores. Mejor quedan cubiertas por una capa de tierra de e�0.8m o Evitará esfuerzos térmicos o Conservación temperatura del agua o Protección frente a heladas Sección transversal siempre circular.

Materiales Normativas:  

Pliego de prescripciones técnicas generales para tuberías de abastecimiento de agua (M.O.P. 1974). Obsoleta Guía técnica sobre tuberías para el transporte de agua a presión (CEDEX 2003). Sin fuerza legal pero la más utilizada.

Tipos: 

 



Metálicos o Fundición o Acero Amianto cemento (fibrocemento): se ha prohibido Hormigón o En masa o Armado  Sin camisa de chapa  Con camisa de chapa o Pretensado  Con o sin camisa de chapa Plástico o PVC  PVC-u  PVC-o: orientado o Polietileno (PE) o Poliéster reforzado con fibra de vidrio (PRFV)

TUBOS DE FUNDICIÓN Uno de los materiales tradicionalmente más empleados (muy empleado en grandes/medias ciudades por su precio).         

Larga duración (mas de 100 años y funcionando) Gran resistencia a esfuerzos externos e intermedios Máxima impermeabilidad Pequeña rugosidad de las paredes Facilidad de colocación Admite flechas importantes sin llegar a rotura. Diámetro máximo de 1200mm (guía 40-20000 mm) Longitud tubos de 3 a 5m Fundición= aleación Fe+C+Si:


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o

•



Gris: carbono (grafito) en forma de pequeñas láminas lo cual le proporciona fragilidad y que no sea soldable (ya no se usa) o Dúctil (nodular): o de grafito esferoidal: grafito en forma de esferas le da mayor resistencia y es soldable. Piezas especiales o Codos 45/90° o Piezas en T o Reducciones.... Protección o Exterior  Metalización con Zn + pintura bituminosa  Pintura epoxídica  Si terrenos muy agresivos: recubrimiento con poliuretano o Interior: mortero de cemento (se aplica mediante centrifugación)  Disminuye la rugosidad de la tubería  Pasiviza el metal: en la elaboración, transporte y manejo  Aplicar por centrifugación: Con una canaleta por donde se introduce el mortero en el interior del tubo mientras gira, por acción de la fuerza centrífuga resiste interiormente. o

Juntas (algunas patentadas)  Junta de enchufe flexible (o en campana o copa): brida loca, junta tórica: junta algo flexible, permite un juego, permite hacer cambio de dirección sin codos.  De bridas: extremos son idénticos, con caucho flexible. Unión bastante rígida, sin juego.  Unión Gibault: con bridas locas, anillo + caucho elastomérico para la estanqueidad. Algo flexible.  De enchufe y anillo de goma: la propia presión del agua garantiza la estanqueidad, un poco flexible.

ACERO Se fabrican laminados en caliente (extrusión), hacer pasar el acero por un agujero. Colada centrifugada, acero en un molde sometido a centrifugación. Chapas enrolladas y soldadas. Se enrolla en un canuto y se suelda. Material de buenas propiedades mecánicas, pero es fácilmente atacable por la corrosión-oxidación. En terreno agresivo hay que protegerlo:  

Protección catódica (poner un armado de sacrificio, la corrosión se produce ahí y no en la tubería quedando esta libre). Revestimiento (interior, exterior).

Piezas especiales No hay en el mercado, se fabrican con calderería (reductores, codos, "T"). El soldador es un especialista que gana mucho dinero. Hay que testar la soldadura (líquidos penetrantes...) Gabriel Sanz Martín

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Juntas Van a ser soldadas: A tope o en ángulo. Soldadura a tope es difícil de ejecutar por que se ejecuta boca arriba y boca abajo. Para soldadura en ángulo tiene que ser unión de enchufe abocanado.

FIBROCEMENTO    

Materiales: Cemento Árido fino (puede no aparecer) Material fibroso (resistencia a tracción)

El material fibroso que se utilizó y va a dejar de usarse es el amianto o asbesto. En pulmones provoca "asbestosis" (enfermedad). Si serramos, mal, serrar con mascarilla. Si se ingiere por la boca no es malo. Prohibido desde diciembre de 2002.

TUBOS DE HORMIGÓN Hormigón en masa  

Moldeo. Verter en molde y vibrar. Centrifugación. (tiempo suficiente para que se pueda desmoldar)

No es habitual para tuberías a presión, debido a la presión que origina tracciones. En todo caso pequeñas presiones. Se usa para conducciones rodadas, tampoco garantiza estanqueidad. Hormigón armado Con armadura pasiva, hormigón soporta compresión y el acero las tracciones. No debe superar el Estado Límite de fisuración, por temas de estanqueidad. Poca deformación, lo que equivale a un mal aprovechamiento del acero, por eso no es habitual.

Hormigón armado con chapa de acero (camisa de acero): en el interior del material lleva una camisa de acero que da perfecta estanqueidad, parecido a armadura pasiva.   



D= 250-4000 mm Fabricación: o por vibración o moldeo, la parte exterior también puede armarse. o por dentro centrifugado. Ventajas: o Buena resistencia a tracción. o Buena resistencia a flexión. o Buen comportamiento hidráulico. Inconvenientes: o Difícil ejecución para diámetros pequeños. o Tubería cara. o Peso excesivo (comparándolo con plástico). o Dificultan de ejecución de empalmes y tomas.


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Juntas: se van a hacer aprovechando la camisa metálica:   

De enchufe flexible=> con anillo de goma De manguito (metálico) De enchufe soldado. Anillo de hormigón armado, más rígido.

Hormigón armado sin camisa de chapa de acero:     

D = 300-4000 mm Para presiones inferiores a 3 atm. No apto para agua potable. Riesgo de que se introduzca agua del exterior y se contamine. Fabricación por: moldeo o centrifugación Cementos resistentes a los yesos, no problema de corrosión de armadura, el hormigón la protege.

Juntas:   

Manguito, H.A. ejecutado "in situ". Mortero u hormigón Manguito H.A. con anillo de acero y junta tórica (goma, cauch, elastómero). Chapa de acero. De enchufe y campana. El hormigón es mal material para las juntas.

Chapa revestida de hormigón moldeado y en el interior de la chapa es encofrado perdido. Después cubrir con mortero el interior para proteger la chapa. Hormigón pretensado Compensar tracciones con presiones de compresión. Con o sin camisa de chapa de acero. Pero esa camisa es menos importante. Someter al hormigón a más compresiones para que al ponerlo en tracción no llegue a tracción y siga en compresión. Nos da un hormigón bastante impermeable, resistirá las presiones del agua sin que entre en tracción.  

 

D = 500 – 4000 mm. Fabricación: o A partir del tubo de hormigón armado centrifugado. El pretensado se le da a partir de un enrollamiento helicoidal, y se va tensando. Después se protege con un revestimiento de mortero. A veces también se le somete a una compresión axial porque en el transporte y colocación estará sometido a esfuerzos de flexión y longitudinal. o Los extremos de la tubería serán de fundición, para la unión. Con anillo de goma para la estanqueidad. Piezas especiales: se harán de acero, acero revestido con hormigón. Juntas de enchufe, juntas igual que en el hormigón. Este es sin camisa de chapa de acero, aunque puede ser con camisa de chapa de acero, pero es caro y pesado.


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TUBOS DE PLÁSTICO: PVC-u (no plastificado) Material que se obtiene por la polimerización del gas (acetileno, vapor de HCl). De todos los plásticos es el que menos depende del petróleo. Tiene problemas medioambientales si se quema.

Características:           

Rígido a 0 - 60 °C. Frágil por debajo de 0 °C. Es termoplástico a temperatura > 60 °C. Si se calienta y se deforma, al enfriar se queda con esa deformación. Es soldable por fusión a temperatura de 200 - 220 °C. Es incombustible, se carboniza sin llama, no hace fuego. Es insensible a corrientes vagabundas, se producen en el terreno. Excelente resistencia a la corrosión química y medio ambiente. Hidráulicamente en muy liso, doble ventaja: a igual sección lleva más caudal (capacidad hidráulica) y es difícil que se produzcan incrustaciones. Tubos son de fácil manejo, pesan poco, 8 = 1,40. Problema: Envejecimiento, con el tiempo va perdiendo resistencia y elasticidad => pierde características mecánicas (50 años). D = 12 - 1000 mm, también se usa en fontanería interior.

PVC-o (PVC orientado) Se somete al material a un tratamiento. De normal las moléculas tienen una orientación totalmente aleatoria. Con el tratamiento se produce reorientación de las cadenas moleculares en dirección circunferencial (contorno tubo), con esto se consigue un mejor comportamiento del material.    

Mejora de las características mecánicas. Gran tensión admisible circunferencial, admite mayores presiones interiores. O con menor espesor resiste más. Gran resistencia al impacto: menos frágil. Aumenta la resistencia a fatiga. Puedo emplear menor cantidad de material para diámetros y cargas similares: menor peso, más fácil manejar (caros, relativo). Se usa PVC-o (orientado) D = 90 - 280 mm.

Juntas para el PVC   



Soldadura, pero no es habitual Junta de enchufe/campana encolada. Cola que no origine problemas sanitarios posteriores, sin sabor. Lleva tiempo aplicar la cola. Unión Rígida. Junta de enchufe/campana con anillo de goma: más sencillo y más usado. Para juntarlo se da un jaboncillo y se junta, es flexible. Gomas que no den problemas sanitarios. Ventaja: se puede deshacer la junta, la que se usa en PVC-o y en la práctica en todo el PVC.


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Polietileno - PE Material que se obtiene por polimerización del etileno a presión, temperaturas elevadas y por catálisis. Se forma unas cadenas ramificadas. El grado de ramificación depende de la metodología (Tª, presión).  

   

Grado de ramificación: número de ramas y la longitud de las ramas condiciona las características del material. El proceso de fabricación es importante. Características: o Densidad = 0,92 - 0,96. Menos denso que el agua. o Material hidráulicamente muy liso. o Combustible arde con una llama poco brillante. o Es flexible => admite curvado en frío (distinto de PVC) o No admite electricidad. o Es resistente a la corrosión, no da problemas en terrenos agresivos. Se deteriora a la intemperie, le ataca el oxígeno y los rayos UV (ultravioleta). Se presenta en forma de rollos (tamaños pequeños) o en forma de barras (tamaños grandes):  D < 50 mm → Rollos  50 < D < 110 mm → Rollos y barras rectas  D > 110 mm barras rectas También se usa para el transporte de gas. (azul-negro para agua; amarillo-naranja para gas) o Longitud de las barras rectas entre 6-12 metros, limitado por el transporte. o El problema de envejecimiento es una característica a emplear en el cálculo, son a 50 años. o D = 16 - 1600 mm Colocación: que la tubería serpentee, debido a su coeficiente de dilatación alto y evitar los esfuerzos térmicos excesivos. Juntas: Manguitos: para diámetros pequeños Por soldadura (más habitual) cualquier tamaño. Con una chapa metálica caliente, se aproxima los dos extremos enfrentados, con el calor se funden las zonas cercanas del PE. Cuando está relativamente fundido se extrae la chapa y se juntan con presión los tubos. Queda una unión soldada. También se puede hacer por electrofusión, si el diámetro es muy grande. Corriente eléctrica a través de un bobinado, se reblandece. Soldadura no perjudica su resistencia.

PRFV (Poliéster reforzado con fibra de vidrio) 



Materias primas o Resina de poliéster o Arena o Filler de carbonato cálcico o Fibra de vidrio (variedad de trenzado) Fabricación o Por centrifugación. o Arrollamiento mecánico sobre mandril.


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

 

Características del material o Densidad 1,70 - 2,20 Denso o Es termoestable, con las altas temperaturas y alta presión no produce una deformación, irreversible. o No corrosión o Insensible al (buen comportamiento a intemperie)  Hielo  Altas Ta  Radiaciones UV  Agentes atmosféricos o Hidráulicamente liso o D = 100 - 2400 mm L = 12 m Piezas especiales: se fabrica (calderería) a partir de chapa se forman codos... Juntas: manguito también de PRFV, juntas de goma => También juntas de enchufe encolada Junta de enchufe con anillo de goma

ELECCIÓN DEL TIPO DE TUBERÍA (Fundición y PE los más usados) Factores:      

Precio de los tubos (ml) metro lineal, incluyendo juntas, piezas especiales, zanja. Piezas especiales (precio, disponibilidad) que pueden ser mucho más caras. Agresividad del agua transportada y del medio. Facilidad de transporte y puesta en obra (mejor el PE, diámetro pequeño incluso rollos)(criterio económico) Presiones de servicio (H.A. no más de 2 atms) Comportamiento hidráulico, rugosidad de las paredes.

Trazado Muy flexible:  

En planta: paralelo a caminos públicos, de fácil acceso para mantenimiento. En alzado: L.P. por encima del eje de la tubería para asegurarnos presiones positivas manométricas. Asegurar que no entre agua, fácil extracción del aire.

OBRAS ESPECIALES LIGADAS A CONDUCCIONES FORZADAS 

 

Cruces o Ríos  Acueducto (aéreo)  Cruce subfluvial (en el cauce) o Vías de comunicación  Acueducto (aéreo)  Subterráneo Túneles (salvar elevaciones del terreno) Anclajes (en cambios de sección, dirección, sentido: esfuerzos)


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Cruces subterráneos de ríos (subfluviales) Problema de avenidas e inestabilidad de fondo. Si el lecho es rocoso, debemos hacer una zanja, meter la tubería y después hormigonar. Si el lecho es inestable en avenidas, primero socavar y luego rellenar. Hacer la zanja hasta la zona donde no llega la avenida y proteger con escollera. Es más correcto hacer una galería visitable o colocar una tubería de mayor diámetro que la nuestra. Independizamos la tubería en ese tramo (esfuerzos son recibidos por la grande). Incluso poner pozos de registro por si hay que reparar o cambiar la tubería sin que afecte lo que ocurre en el río. Cruce subterráneo con vía de comunicación: También conviene independizar la tubería, incluso hormigonar. La tubería sólo resiste tensiones interiores y no reciba cargas del tráfico. También se puede hincar. Debe existir posibilidad de extracción y reparación si hay algún problema. Túneles Para salvar elevaciones que puedan aparecer en el terreno. Ver cuál es más caro, hidráulicamente mejor es el túnel, menos pérdida de carga. Túnel es caro pero igual compensa por metro construido pero puede compensar. Anclajes Colocar anclajes cuando tenemos:   

Cambios de sección. Cambios de alineación. (codos) Válvulas.

ACCESORIOS TUBERÍAS Ventosas: n puntos altos de la conducción, donde se acumula el aire desprendida. Con aire funciona mal: Disminuye la sección hidráulica, si lo arrastra el agua sale a borbotones. Dispositivos automáticos para que la L.P. esté por encima. La ventosa también permite introducir aire cuando queramos vaciar la tubería. Evita aplastamiento. Desagües de fondo: en puntos bajos de la tubería. De normal cerca de cauces, que se pueda vaciar la tubería, también sirve para limpiar la tubería ya que en los puntos bajos habrá sedimentos Válvulas:  

Automáticas o Retención o antirretorno. o Reductoras de presión (producen caída fuerte de presión) De maniobra (las acciono yo) o Seccionamiento (o abiertas o cerradas) o Control de gasto (funcionan con distinto grado de apertura)


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LIMPIEZA Y DESINFECCIÓN DE LA TUBERÍA Si no se tapa pueden entrar incluso animales. Si tenemos la tubería almacenada, taparla con tapones. Hay que realizar limpieza después de la primera instalación y después de reparación importante. Primero limpiar con agua y desinfectar con hipoclorito sódico. CÁLCULO DE CONDUCCIONES FORZADAS Cálculo hidráulico Con datos de altura de carga en determinados puntos, longitudinales de la tubería y rugosidad tenemos el diámetro interior. Cálculo resistente Conociendo los parámetros resistentes del material y las acciones que debe soportar obtenemos espesor de la pared del tubo. Acciones   

 

Presión interior o Estática o Dinámica Sobrepresiones: golpe de ariete (por alteraciones bruscas del flujo) Cargas externas o Peso de tierras o Empuje de tierras y/o agua o Tráfico (el más importante cuanto más cercana esté la tubería a la superficie.) Esfuerzos térmicos: tuberías a la intemperie o cambios de temperatura del agua. Esfuerzos por transporte y colocación.

CONDUCIÓNES POR IMPULSIÓN Bombeo:  

Bombas Golpe de ariete.

CONTROL DE CALIDAD EN TUBERÍAS Control de calidad en fabricación Según elementos que forman la tubería: 

   

Tubos: o Materias primas empleadas (ejemplo, con cemento resistente a yesos). o Proceso de fabricación adecuado. o Producto terminado: comprobar dimensiones, espesor, longitud, rectitud... Hacer ensayos de resistencia mecánica, resistencia de presión hidráulica, de permeabilidad. Piezas especiales. Válvulas, ventosas. Revestimientos Exigir certificaciones de calidad.


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Control de la calidad de la instalación  

Recepción en obra de los componentes de la tubería, ventosas... Comprobación de la correcta ejecución de las distintas unidades: o Soldaduras (tubos de acero o tubos de hormigón con camisa de acero) o Comprobación de dimensiones si el tubo se corta en obra. Comprobar dimensiones al unir los tubos (en el caso de enchufe campana) o Revestimientos en obra o Excavación zanjas (profundidad, alineación) o Camas de apoyo de tuberías (apoyada de manera continua en el terreno, que no trabaje a flexión) o Elementos complementarios (macizo de anclaje, arquetas,..)

Prueba de la tubería instalada (Prueba en zanja) Variación de la guía respecto al pliego. Coincide con lo previsto en UNE‐EN 805:2000. Conceptos a emplear:  MDP (Maximun Design Pressure = presión máxima de diseño): Presión máxima a la que va a trabajar (incluye sobrepresión por golpe de ariete.)  STP (System Test Pressure= Presión de prueba de la red): el valor de STP dependerá de cómo se haya determinado el golpe de ariete GA: o Si GA se ha calculado a detalle: STP= MDP+0.1 o Si GA se ha estimado como el menor valor de:  STP = MDP + 0.5  STP=1.5*MDP  Se dan estos casos: o Impulsiones y grandes conducciones (tubería única de principio a fin) o Ramales de redes de distribución

Metodología         

Se realizará antes de rellenar la zanja, por si falla, puede que la tubería salte. Inmovilizar la tubería con caballones de tierra, que no salte. Dejar al descubierto las juntas ya que son los puntos de más peligro de rotura. Tiene que estar con todos los accesorios instalados (válvulas, ventosas, anclajes,.. ) Si hay válvulas de paso => Abiertas. Los extremos del tramo a ensayar que coincidan con válvulas, si no hay que colocar tapones ciegos, incluyendo en anclaje y apuntalamiento. Los tramos a ensayar deben ser de características similares, mismo material, diámetro, espesor. Longitud de los tramaos a ensayar: Entre 500 - 1.000 m y hasta 2.000 m, definido en proyecto. Presiones en puntos más altos, más bajos y diferencia máxima entre ellos no mucha. Si la diferencia de presión es brusca, es difícil de ensayar. Llenado se hace por el punto más bajo y con bomba, así vamos desplazando el aire, purgar el aire desde los puntos altos del tramo a ensayar. Válvula de purga. Bomba de llenado, hay un manómetro para ver la presión que metemos. Presión > 0,02 N/mm2. Medir volúmenes.

Etapas de la prueba Gabriel Sanz Martín

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1° Etapa preliminar Objeto: se estabilice la tubería y quede en estado similar a la situación de servicio, produciéndose los fenómenos de adaptación de una primera puesta en carga:  Movimientos de recolocación de uniones, piezas especiales, anclajes y válvulas.  Expulsión del aire de los huecos y alojamientos de uniones y en toda la tubería.  Saturación de la tubería en caso de materiales absorbentes (hormigón)  Deformación de los tubos, especialmente en el caso de tubos flexibles. Llenado:  Se hará desde el punto más bajo, de forma que el llenado sea de abajo a arriba, lentamente, dejando salir el aire.  En los puntos altos lleves de purga o ventosas para asegurar la salida del aire y que la tubería está completamente llena de agua. Si no fuera posible llenar desde el punto más bajo el proceso se realizara aún más lentamente.  Se llenara mediante bomba normal o mecánica. Estará provista de manómetro (para controlar la presión aplicada) con una precisión no inferior a 0.02 N/mm 2  Posibilidad de la bomba de medición de volumen con precisión no inferior a un litro.  Se llena y se deja en esta situación un tiempo. A continuación se aumenta la presión de forma constante con un incremento de presión de 0.1 N/mm2 por un minuto hasta un valor comprendido entre STP u MDP. Esta presión se mantendrá por un tiempo razonable marcado por la dirección de obra por lo que, si es necesario habrá que suministrar, bombeando, cantidades adicionales de agua. No debe haber pérdidas apreciables de agua ni movimientos aparente de la tubería. En caso contrario: quietar presión, reparar y repetir. Duración: lo suficiente para conseguir una estabilización de la tubería, dependerá:  Tipo de tubo  Diámetro tubo  Condiciones de instalación  Naturaleza uniones  Climatología  … Para:  Tuberías de plástico y metal: 1‐2 h  Tuberías de hormigón: 24‐48h

2ª Etapa principal Superada la etapa preliminar se aumenta la presión de forma constante y gradual hasta alcanzar STP. Alcanzada la presión se desconecta la bomba y después de 1h el descenso de presión debe ser inferior a:  

0.02 N/mm2 para metal, plástico, hormigón con camisa de chapa de acero 0.04 N/mm2 para hormigón sin camisa de chapa de acero

Prueba de estanqueidad, nuevamente aumentamos la presión hasta STP y medimos el volumen de agua introducido. Se debe cumplir: ∆V < ∆VMAX ∆VMAX = 1,2·V·A∆ (1/Ew + ID/e·E) siendo: -

V: volumen tramo de tubería a probar. ΔV y V : en litros


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-

ΔP: caída admisible de presión Ew: módulo volumétrico de elasticidad del agua (2,1 · 10 30 N/mm2) ID: Internal Diameter = diámetro interno (mm) e: espesor tubo (mm)

Si se supera la prueba, rellenamos la zanja, sin originar problemas en la tubería. En los plásticos procurar que esté bien compactado el material. En tuberías de impulsión tener en cuenta las sobrepresiones del golpe de ariete. Con bombeos siempre se origina el golpe de ariete. En tuberías de gravedad también puede darse. 2.5. DISTRIBUCIÓN Depósitos Recinto o vaso estanco donde almaceno el agua. Tienen función de regulación, ya que no coincide en cada momento las aportaciones (regulares) con el consumo (irregular, puntas); de carga para que el agua llegue a una cierta presión para que los usuarios puedan usarla, garantizar una presión mínima en la red y de seguridad en el servicio frente a averías antes del depósito y consumos extraordinarios (incendios). Además debe mantener la calidad del agua. CLASIFICACIÓN DE LOS DEPÓSITOS Según su:  Función o De regulación (volumen) o De carga (altura) o De regulación y carga  Emplazamiento en el terreno o Enterrado o Semienterrado o Superficial o Elevado (carga)  Posición en la red o De cabecera (alimentador): situado al final de la conducción y del sale la tubería maestra de distribución o De cola (equilibrio o compensador): recibe agua cuando el consumo en la red es bajo y aporta cuando es alto. Se consigue una mejor posición de la línea piezométrica. CAPACIDAD DEL DEPÓSITO Capacidad mínima o de regulación (mínima capacidad): es la requerida para la función de regulación. Dado que el caudal de abastecimiento es prácticamente constante, 24h (gravedad) y por altura de bombeo (impulsión), mientras que el caudal de consumo es variable. El depósito deberá:  Almacenar agua cuando el consumo es bajo  Aportar agua cuando el consumo es alto


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Capacidad media normal (valor prudencial para hacer frente a otras necesidades) El depósito también debe:  Atender necesidades en caso de avería o reparaciones en la conducción anterior al depósito.  Suplemento adicional para hacer frente a consumos extraordinarios (incendios) Capacidad máxima Si se quiere hacer frente a riesgos extraordinarios de una gran avería: uno o varios días de consumo. Evidentemente a mayor capacidad:  Más seguridad en el suministro  Más caro Y habrá que buscar un equilibrio. VOLUMEN POR REGULACIÓN No coinciden aportaciones con consumos del depósito regulador. Considerar diaria la regulación. Hay que conocer:  

Ley de consumos de la población, datos población Ley de aportaciones.

VOLUMEN POR AVERÍAS Si tenemos una interrupción en el aporte de agua al depósito por problemas en:   

Interrupción del tratamiento Rotura de conducto Fallo en bombeo (si es impulsión)

Dependerá del tamaño de la población:  

Pequeña: peor respuesta, % de V mayor. Grande: mejor respuesta, % de V menor.

Valor estimado: 25% del consumo diario (6h), depende del momento. VOLUMEN POR INCENDIOS Dependerá de:  Tamaño de población  Tipo de edificación (en relación con su peligro de incendio) No es igual calles estrechas con edificaciones con materiales combustibles (casos antiguos) que avenidas amplias con edificios separados y materiales poco combustibles. NBE-CPI/96 (está derogada): 2 hidrantes, 2 horas, 1.000 l/min → 33,3 l/s exagerado. Volumen a emplear para incendios en el depósito: V = 2 · 1000 l/min · 60 min/h · 2h = 240m3, volumen de reserva. Si la población es pequeña, es demasiado volumen, por eso está derogada. En la actualidad se usa el CTE, Código técnico de la edificación, se puede reducir a la mitad ese volumen y sigue siendo grande. En ordenación urbanística, caudal a considerar, que es el que al final utilizaremos.


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UBICACIÓN DEL DEPÓSITO Situación ideal     

Punto elevado Baricentro de la zona a abastecer (considerando consumos). Altura de carga suficiente. No grandes pérdidas en recorrido. Presiones muy homogéneas.

Situación Real  

Punto elevado próximo a la situación ideal Construir depósito elevado en centro de gravedad de la población.

En ciudades con desarrollo lineal colocamos 2 depósitos. Depósito de cabecera o alimentador y depósito de cola o de equilibrio o compensador (homogeneización de las presiones en la población. Sin embargo, si la ciudad es muy llana, en el baricentro de los consumos ponemos el depósito enterrado (el regulador) y junto a él un depósito elevado para que el agua tenga carga. Vdep_elevado = 15 - 20% del enterrado. ALTURA DEL DEPÓSITO Cota de solera para cuando el depósito está vacío y asegurar un servicio adecuado a los usuarios relacionados con: 



Presiones mínimas en la red: o NTE-IFA (fontanería): distancia desde la acometida + la altura del edificio. o NRPAASP: debe haber sobre la cubierta del edificio la altura piezométrica 5m + AHi. o AHi: pérdida de carga de la fontanería del edificio entre 3 y 5 metros. o CTE:  100 kPa para grifos comunes  150 kPa para fluxores(válvula que aprieto y sale caudal durante tiempo determinado → cisterna) y calentadores. Presiones máximas en la red (resistencia mecánica) o Tuberías red de distribución NTE-IFA 60m. o Tuberías de fontanería de edificio NRPAASP 60m o Funcionamiento de electrodomésticos CTE parte de suministro de aguas (HS4/213) o CTE: 500kPa (punto de consumo de agua)

POSICIÓN RESPECTO AL TERRENO   

Enterrados: conserva temperatura del agua. Zanjas tuberías (salida, desagües) profundas. Semienterrados Superficiales o Fáciles de vigilar y conservar (vemos donde son las pérdidas) o Zanjas son menos profundas


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

o Más afectada el agua por la temperatura exterior. Depósito elevado, no debe ser de regulación.

FORMA DEL DEPÓSITO La forma ideal sería la esfera (más volumen a igual superficie) pero tiene dificultad de ejecución. Por eso suelen ser:  

Cilíndricos Prismáticos, fácil ejecución.

Conviene hacer compartimentos para por si hay que hacer reparaciones y que sean fácilmente ampliables (prismáticos). CARACTERÍSTICAS PREFERENTES A LA EXPLOTACIÓN 





Conservación de la calidad del agua o Evitar variaciones de temperatura (15ºC)  0.7‐1 m recubrimiento de tierras en enterrados  Aislante equivalente en otros tipos o Utilización de materiales adecuados en contacto con el agua para que no alteren su calidad o Circulación adecuada del agua en el interior:  Tabiques direccionales  Disposición adecuada de entrada y salida del agua - Evitar zonas sin circulación de sedimentos y aparición de microrganismos o Renovación del aire o Buen diseño de entradas de agua, de personal, y de ventilación Garantías operacionales o Personas de mantenimiento y explotación en las instalaciones adecuadas o Accesos y medios auxiliares para carga y descarga de equipos y productos o Cámara de llaves, donde estarán alojadas:  Entrada  Salida  By‐pass  Dispositivos de medida de caudales que entran y salen  Posibilidad de toma de muestras o Doble vaso si el volumen es superior a 250 metros cúbicos. o Sistema de drenaje de agua de lluvia y nieve en cubierta (peligro de penetración en el depósito y contaminación) o Sistema de aliviadero y vaciado del depósito o Vaso de agua sin iluminación natural: algas Protección contra acciones exteriores o Evitar entrada indiscriminada de personas o Prohibición de accesos a los vasos o Puertas y ventanas de seguridad

DIPOSITIVOS Y EQUIPAMIENTOS Llegada del agua: 

Entrada superior: lo más habitual pues siendo siempre la salida inferior, hay mejor renovación. Existe un problema de erosiones si depósito vacío


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

Entrada inferior. Evita problema de erosión si depósito vacío, pero peor la renovación de agua.

Conviene siempre (imprescindible si llega el agua por impulsión o es depósito de cola) haya un dispositivo de cierre de la entrada de agua cuando el depósito esté lleno. Desagües y aliviaderos  Desagües: bocas de toma en el punto más bajo de la solera. o Remite el vaciado del depósito (limpieza o reparación) o Controlado mediante válvula  Aliviadero (vertedero o rebosadero): o Eliminar exceso de agua cuando llegue al nivel máximo del vaso de forma que no suponga un peligro. o Lo ideal es que no tenga que funcionar porque corto la llegada de agua o Tipos:  De labio (en una de las pareces del vaso)  De tubo Ventilación del soporte  

Oscilaciones de nivel debidas a la entrada y salida del agua: salidas y entrada de aire. Tener respiraderos que permitan entrar el aire: o Sección pequeña: Que entre aire, que no entre polvo, insectos, agua exterior, pequeños mamíferos. o No se pueda arrojar desde ellos nada al interior.

Para una renovación del aire lo más completa posible, distancia entre la parte inferior de la cubierta y nivel máximo agua de 0,50 - 1 m. Impermeabilización Evitar el paso del agua: o o

Interior a exterior: problema económico Exterior a interior: peligroso, contaminación

Impermeabilización exterior o o

Cubiertas: pendientes adecuadas para evacuar el agua de lluvia. Paredes y fondo.

Impermeabilización interior Un producto que no altere calidad del agua. Ojo, la calidad del agua se modifica con pequeñas cantidades, ejemplo con un anillo de goma. Se suele utilizar:   

Con mortero hidrófugo, con aditivo que hace que los poros no se interconecten Resina Revestimiento con lámina de plástico

Importante impermeabilizar los pasos de tubería, tener previsto e la pared e impermeabilizar esa zona. (Cordón impermeable que si se moja se ensancha)


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Juntas en depósitos de hormigón El hormigón no se puede ejecutar de forma monolítica. Va ha haber discontinuidades, juntas.  

Por el proceso constructivo Juntas de dilatación

Si el plano es muy grande la fisura aparecerá, por ello haremos junta previamente. Poner perfil de estanqueidad (bandas de PVC o de neopreno). DEPÓSITOS HIDRONEUMÁTICOS Los edificios de altura excepcional tienen problemas de presión, arriba presiones bajas y abajo presiones altas. La parte baja del edificio que esté directamente abastecido de la red. Pero la parte superior necesitara una bomba de agua a un depósito superior o instalar un grupo hidropresor cuya misión va a ser elevar la altura piezométrica. Se eleva la presión y se eleva la posición de la línea piezométrica, llegando a las partes más altas. Suelen ser metálicos y esféricos debido a que hay presiones importantes. El aire se va a ir perdiendo porque está a presión y se va disolviendo (otros métodos es impedir el contacto del aire con el agua con un globo). También se puede aplicar para zonas de la ciudad con L.P. baja y que tengamos dificultades de construcción (zona histórica y quedaría feo un depósito elevado...) evitando la distorsión del paisaje. (Bombeo directo da problemas de sobrepresiones) RED DE DISTRIBUCIÓN Conjunto de canalizaciones que permiten llevar el agua al usuario. Generalmente son tuberías. Han de prestar un servicio continuo => En cualquier momento el usuario tenga el caudal que necesite. Conductos antes del depósito valían para caudales medios, pero para la red de distribución debe permitir los caudales punta. Tipos de redes de distribución Ramificadas: Su esquema en planta es en forma de ramas. Cada usuario recibe el agua siguiendo un único recorrido (sentido del caudal conocido), facilita el calcularla y es más económica (menor longitud de canalizaciones).

Inconvenientes  

Una avería en un punto deja sin servicio a todos los que estén aguas debajo de ese punto. En los tramos finales hay bajos caudales, velocidades muy pequeñas y aparecen sedimentos, depósitos de SS del agua, microorganismos y alteran la calidad del agua. (Inconveniente sanitario)

Mallada: esquema de tramos cerrados. (No hay punto final de la canalización). Los usuarios pueden recibir el agua que sigue distintos recorridos. Es difícil calcular, porque no sabemos el sentido del agua.

Inconvenientes 

Más cara, mayor longitud de la tubería y muchas más válvulas.


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Ventajas   

En caso de avería se reduce el número de afectados ya que hay más caminos. Presiones más equilibradas. Lo que realmente se hace es un sistema mixto.

Otra subdivisión de redes Redes en pisos: para evitar presiones enormes en unas zonas, poner una válvula reductora de presión. O otra forma es hacer dos redes independientes, 2 depósitos (incluso llevar agua de un depósito al otro). Redes dobles: dos redes de agua de distinta calidad:  

Calidad agua consumo humano Calidad inferior (riego, limpieza) puede dar error a confusión.

Red circular: es una red mallada con la arteria principal describiendo un circuito cerrado. TRAZADO DE LAS REDES Siguiendo las calles o vías públicas. Se llaman ARTERIAS a las tuberías principales, conducir agua y algo distribuir. También se pueden denominar arterias secundarias, terciarias, ramales que llevan al edificio. En función del ancho de la calle: si la calle es ancha > 20 m, colocaremos 2 tuberías una a cada lado. Pero si la calle es estrecha < 20 m, colocamos solo una tubería. Tener en cuenta que cualquier reparación no afecte mucho a las personas. Poner tubería a los lados y conectarlas de vez en cuando procurando no hacer muchos cruces por la carretera. La tubería de abastecimiento por encima de la de saneamiento, por si hay fuga para evitar la contaminación. Separar a más de un metro, si no poner muro. ACCESORIOS EN RED DE ABASTECIMIENTO Similares a las tuberías forzadas   



Ventosas: a veces se puede usar los propios usuarios. Desagües Válvulas de: o Compuerta: cierra lentamente o Mariposa: No deseables, con movimiento rápido (Golpe de ariete) Además de medidores de caudal y de presión. Se ve cómo funciona la red al momento.

Todos con sus correspondientes arquetas. ACOMETIDAS Conexión desde las tuberías de la red de distribución hasta el usuario, el edificio.    

Mínima longitud y evitar codos Llave de paso en exterior y contador (problema heladas) Llave de paso en el interior del edificio Presión a facilitar sobre cubierta del edificio 8‐10m (5+pérdidas de carga en el edificio)


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CÁLCULO DE REDES DE DISTRIBUCIÓN Factores a tener en cuenta 





Núcleo o Topografía: desniveles o Trazado viales: trazado tubería o Ordenación urbanística: caudales a suministrar en distintas zonas Conducción o Volúmenes a suministrar (población y dotación) o Depósitos (tamaño y ubicación) o Posibles bombeos Red o Tipo de red o Tipo de tuberías o Velocidades y presiones o Evolución de los caudales a suministrar

Datos de partida:     

Plano del núcleo de población (planimetría y altimetría) Determinación de los puntos de uso de agua y consumos en los mismos. Emplazamiento del depósito. Presión mínima en el momento de máximo consumo Diámetro mínimo a emplear (discusión) 80 mm aprox. (a veces vale 50mm). En España las aguas son duras, incrustaciones; caudales de incendio son grandes (hidrantes 80 mm); acometidas se hace agujero se debilita la pared de la tubería, reforzar esa zona.

Caudales de cálculo     

Población y dotación a "x" años vista (ejemplo 25 años) Oscilación de consumo: Qp = Cp · Qmedios (Cp = 2,4) Caudal de incendios: Qincendios = 16,7 l/s, o lo que indique la normativa urbanística. Presión de servicio: Pmin → L.P. = 8 - 10 m por encima de la cubierta de los edificios. Velocidades recomendadas: 1m/s ± 0,5 m/s

MOUGNIE v = 1,5 [D+ 0,05]1/2 => Ojo con "D" en metros y "v" en m/s. En función de que las pérdidas de carga no sean excesivamente grandes. (Diámetro de las tuberías es por el interior, excepto los de plástico que es la exterior.)

Caudales suministrados por cada tramo de tubería Ver cada tramo de tubería a qué zona abastece. Así conocemos el caudal que se distribuye en ese tramo. Conocerlo en situación punta. Consumo de cada tramo dependerá:  

Superficie que abastezca Población en función altura según ordenación urbanística


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Este consumo se reparte en toda la longitud del tramo. Si hubiera usuarios singulares (hospital, centro comercial, cuartel…) los consideramos aparte. Aplicar coeficiente de punta, el mimo para todo el municipio (lo cierto es que sería distinto por zonas pareo la punta del conjunto no es igual a la suma de las puntas de cada zona) SIMPLIFICACIÓN: es habitual, en lugar de hacerlo por zonas, considerar el conjunto de la población y que el caudal se consume con un valor uniforme en la totalidad de la red. Red ramificada Conocemos los caudales que se consumen en cada tramo.  

Estudio detallado, es distinto para cada tramo Simplificación, es el mismo en todos los tramos de la red

Determinación de caudales en cada tramo (de fin a inicio). Aplicación ecuación de continuidad en nudos y tramos. Determinación de caudal equivalente Qeq. Caudal constante que recorriendo el tramo de principio a fin origina la misma pérdida de carga que en nuestro caso (Qi a entrada, Qf a salida y q*L repartido en el tramo) Qeq = Qf + 0,55 · q · L Si no me dicen nada hago esta consideración. Determinación de caudales en cada tramo (fin → inicio) Tramo

Longitud (m)

j

Lj

Consumo Caudal en tramo inicio en tramo Final (L/s) Qj=qj*Lj Qjf Qji

equivalente Qjeq

Caudal incendios Qinc

Caudal cálculo Qjcal

Qcalc = Qeq + Qincendio Qinicial = Qfinal + Qj Determinación de diámetros y presiones (inicio → fin) tramo

Qcal

L (m)

Cota piezométrica

Pérdida de carga

Dispon.

Neces. total

Inicio

final

unitaria

D(m)

V (m/s)

Pérdida de carga real

unitaria

total

Cota Cota piezomé- terreno O trica final tramo

Red mallada Dificultad de no conocer "a priori" los sentidos de los caudales. Habitual predimensionar la red (diámetros) y comprobar (p.e. Con Cross). ¿Cómo contemplar los consumos en los tramos para el cálculo de la red? Tenemos que realizar una simplificación considerando el caudal constante a lo largo del tramo de forma que la mitad del total saldrá por cada uno de los dos extremos. Otra simplificación posible es considerar que la totalidad Gabriel Sanz Martín

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Presión disponible


del caudal se consume en el centro del tramo, en cuyo caso añadiríamos un nudo a la hora de calcular. Para terminar, lo que buscamos es determinar la presión disponible en cada tramo. Esto se puede hacer ordenando los datos como en el caso de una red ramificada, mediante la anterior o determinando la altura de carga sobre los edificios en cada nudo. Si no cumple la presión disponible en algún nudo o tramo deberé aumentar el diámetro en dicho tramo. En cuanto al caudal de incendios tengo que realizar los cálculos para cada hipótesis (comprobar si se produjera un incendio en cada nudo) y comprobar si tengo la altura de carga necesaria. Si no la tengo aumento los diámetros. En el caso de una red ramificada con aumentar el caudal que entra en el caudal de incendios sobra dado que ese caudal circulará por toda la red hasta llegar al foco del incendio (solo hay que hacer un cálculo). 3. RED DE SANEAMIENTO Agua abastecida → contaminación por su uso → Agua Residual → Probl. Sanitarios. Lo primero es retirar el agua de la zona del usuario. Red de alcantarillado Funciones   

Evacuación de aguas residuales generadas. Evacuación de agua pluviales (evitar inundaciones y estancamientos en puntos bajos, evitar focos de contaminación inferior) Todo ello sin perjudicar el medio receptor (Ejemplo del río Amazonas).

Llevaremos el agua a depuración cerrando el ciclo urbano del agua. Tipos de sistemas de alcantarillado  

UNITARIO: Una red para agua residual y aguas pluviales SEPARATIVO: dos redes, una para agua residual y otra para agua pluvial + aguas de limpieza.

Ventajas e inconvenientes del sistema unitario     

Es más barata de primera instalación, mantenimiento y reparación (excepto limpieza que es más cara). Problema de grandes oscilaciones de caudal. Necesidad de aliviaderos de crecidas para dilución suficiente. Caudal grande nos da concentración diluida. Mayores consumos energéticos si hay necesidad de elevación (Bombeo). Depuradora debe absorber mayores caudales, también los primeros caudales de pluviales. Más del que realmente nos hace falta. Sobredimensionada.

Ventajas e inconvenientes de un sistema separativo   

Más cara de primera instalación y mantenimiento (debido a más longitud de red) (excepto limpieza). Pluviales, se autolimpia aunque está siempre sucia. En las aguas residuales sólo residuales, no habrá arenas de las pluviales, se atasca menos. Colectores pluviales de escaso recorrido => vertido al cauce (no es la tendencia actual, sucias al principio)


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  

Menos caudales a elevar de aguas residuales. Depuración es más barata ya que sólo depuramos residuales y un poco de pluviales. Más ajustada. Si se usa bien es mejor el separativo. Comunidad europea recomienda usar separativo.

Tipos de sistemas separativos   

Separativo Simple o normal: Red de aguas residuales y red de aguas pluviales independientes. Pseudo-separativo: Las aguas pluviales de cubiertas y patios de edificios va con la red de residuales y pluviales aparte. (está prohibido) Sistema compuesto: Tanques de tormenta para laminar los caudales, retiene aguas pluviales más contaminadas, luego esa agua se manda a las aguas residuales => Conectar.

Sistemas de circulación del agua  



Por simple gravedad y en régimen libre. Por gravedad con elevación (Por bombeo o por vacio). Se utiliza cuando la pendiente del terreno no permite dar la pendiente adecuada a la red a lo largo de todo el recorrido y se necesita elevarla en determinados puntos. A ese punto se llega por gravedad y se sigue por gravedad después de ese punto (puede tener acometidas en los tramos por gravedad). Circulación forzada: agua a presión. En el tramo forzado no puede tener acometidas ya que saldría el agua en vez de entrar.

Estructura de la red 

 





Condicionantes del trazado o Punto de vertido final (localización y cota) o Colectoras principales siguiendo vaguadas naturales o Tuberías siguiendo la trama viaria (calles) o Tramos rectos en planta y alzado (redes no visitables). En los quiebros colocar pozos de registro. Período de diseño = 25 años Secciones o Circular (ramales iniciales de diámetro 0.8‐1 m) o Ovoide (para mayores caudales) o Ejecutados in situ (grandes colectoras) Diámetros mínimos o NRPAASP: diámetro mayor a 300mm (no por capacidad hidráulica, sino para evitar atascos) o A veces en ramales pequeños se pueden poner diámetros de 200mm (no recomendable) o Recomendable altura libre >20% de la altura total para permitir circulación libre del aire. Profundidad o Debe permitir desaguar sótanos de edificios y garajes (1º sótano o semisótano) o Evitar problemas de congelación (aunque mayor Tª que el agua de abastecimiento) o Su punto más elevado >1.2 m bajo superficie


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o

Distancia respecto a tubería de abastecimiento, si van paralelas > 1 m en horizontal y vertical  Pendiente o En principio impuesta por la superficie del terreno pues va paralela.  Si fuera muy baja no podría circular por gravedad y usaríamos gravedad con elevación  Si fuera muy alta, tendríamos problema de erosiones y habría que colocar rápidos o pozos de resalto Velocidades  Caudales bajos para evitar sedimentaciones habrá una velocidad mínima  Caudales altos para evitar erosiones habrá una velocidad máxima  Velocidad mínima (Vmin) o Sistema unitario >0.6 m/s. (problema de arenas que atraen con pluviales) o Sistema separativo (aguas residuales) >0.3 m/s. (arrastrar SS que lleva esta agua y hayan podido decantar) y en períodos significativos al día y con una altura de llenado suficiente (0.2D)  Velocidad máxima (Vmáx) o < 3 m/s para Qpunta de aguas residuales o < 5 m/s para Qmáx (incluye pluviales)  Alineaciones En conductos no visitables tramos rectos en planta y alzado por: o Funcionamiento adecuado o Mantenimiento adecuado o Explotación adecuada  Variación de sección o Posición de los conductos tal que se mantenga el nivel de la lámina de agua. o (Ambos conductos con la misma cota en clave) o En una red de saneamiento conforme avanzo en la dirección del agua tengo que aumentar la sección (evitar posibles retenciones de sólidos en codos) o Conviene hacer las variaciones de sección en los pozos de registro. Características intrínsecas fundamentales de una red de saneamiento Se debe:    



Evitar fugas al exterior ya que el agua transportada lleva contaminación. Evitar introducir agua exteriores (Aguas de infiltración). Sobrecarga red. Evitar el retorno de los efluentes en los edificios. Evitando que se ponga en carga la red y disponiendo válvulas antirretorno. Que desborde por los pozos de registro. Eliminar gases (peligrosos) en conductos: H2S (Sulfuro de hidrógeno). Es un gas agresivo que puede destrozar conductos de hormigón. CH4 (Metano). Si se mezcla con oxígeno puede explotar. Evitar contaminación física, química y biológica.

Todo esto condiciona los materiales y las instalaciones:    

Tuberías, juntas y accesorios estancos, resistentes a la corrosión y que permitan ventilación Instalaciones complementarias eficaces y de resistencia adecuada. Aparatos sanitarios autolimpiables y de fácil limpieza. Consumo bajo de agua.


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Características de los conductos      

Resistencia a cargas externas, empuje terreno, trafico, etc. (presión interior es pequeña, régimen libre). Resistencia a posibles movimientos de tipo diferencial (asientos), tensiones => rotura. Resistente a la abrasión, debido a las arenas del agua. Resistente a la corrosión (química), alteración material tubería. Rugosidad pequeña, que da mayor capacidad hidráulica. Estanqueidad: las aguas interna-externas y externas-internas, sobrecargarían la red y la depuradora.

Instalaciones complementarias

Sumideros: Punto donde el agua de escorrentía pasa a la red de saneamiento. Se compone de una arqueta y un conducto para pasar el agua. También se llaman: Imbornales o tragantes. Poner en los puntos bajos también.      

No área > 600m2. Distancia < 50 m. Acometida a pozo de registro. Caudal a recoger, valor máximo 40 l/s aprox. También hay sumideros sifónicos: no permite ventilación de la red y no permite que se escapen olores. En verano se seca y salen los olores, regar. Sumideros lineales (> 0,5 m) por ejemplo en rampas de acceso a aparcamientos.

Pozos de registro: puntos por el cual puedo acceder a la red. Red visitable: se puede entrar dentro de la red cada 500 m aprox. un pozo de registro No visitable: Ver desde ahí, limpiar, rodillo, meter cámara de TV, robot para ver el estado. Interesa poner pozos de registro: En todos los quiebros   

< 50 m < 75 m (si se puede entrar a gatas) < 120 m (si se puede entrar encorvado)

Es importante en los pozos de registro la colocación de las tapas y los elementos de acceso como escaleras (llevarla, no es fija) o pates. La escalera está limpia, los pates pueden resbalar si se han mojado. Para el acceso disponer de forma troncocónica, pero no perfecto, interesa una zona vertical para el acceso, cono de eje inclinado con una generatriz vertical. Tapas de fundición o acero, dependiendo de donde esté situada, así debe soportar las cargas (acera, calzada...)


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Rápidos o Pozos de resalto: Si tenemos el terreno con mucha pendiente y vamos siguiendo el terreno puede haber problemas de abrasión, erosión de la red.  

Rápidos: Perdida de carga que evita la abrasión. Para cuando va el agua en régimen libre. Pozos de resalto: Zona donde perdemos energía y no hay problemas de erosión. Turbulencia.

Cámaras de descarga: en tramos iniciales de la red va poco caudal de residuales. Es prácticamente imposible evitar que se queden sólidos, decantan los SS y se atasca. El agua no tiene suficiente energía para ponerlo en suspensión y hay que limpiar. Una forma de limpieza es poner pozos de registro al inicio de la red y de vez en cuando verte mucha agua con un camión cisterna. Otra forma es con las cámaras de descarga, pozos que se van llenando de agua poco a poco y luego soltar el agua de golpe. Lo que interesa de estas cámaras:  

Capacidad > 0,60 m3. Caudal > 20 l/s => 0,6 m/s y arrastre sólidos.

Según va entrando el agua el aire de la campana se comprime hasta que llega el aire a la tubería a presión y escapa por el sifón, el sifón se ceba y sale toda el agua. Se corta el agua por el sifón y se vuelve a llenar. Que se vacíe dos veces al día y garantizamos la limpieza de la red.

Aliviaderos: Puntos por donde rebosa el agua y se manda al cauce. Hay que poner aliviaderos, tanto si es unitario o de pluviales. No en separativo en residuales. Tenemos que evacuar caudales al cauce natural cuando sean muy grandes. Si e unitario, es agua contaminada, pero es muy diluida esa contaminación, además en el cauce ya habrá mucha agua.

Depósitos de retención o tanques de tormenta: Utilidades:  

Actuar como depósito de laminación. Lamina la avenida, almacena y luego soltar el agua poco a poco. En ellos se retiene la contaminación de las aguas pluviales iniciales. Parte de abajo es la más contaminada, mandar a la red para depurarla.

Materiales en construcción de alcantarillados Factor técnico que condiciona el material es las características del agua residual a transportar.

ARD:  

Procede de cocinas (fregaderos), lavadoras, lavavajillas, lavabos, baños, inodoros… Contiene las materias minerales y orgánicas del agua de abastecimiento más: o Materias fecales o Papel o Detergentes


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o Grasas o Cabellos o Restos de alimentos o ….. Estas sustancias están en forma de SS, SS coloidales y disueltas

ARI:

 

Muy variables Pueden estar: o Limpias (agua de refrigeración) o Muy cargadas de contaminantes:  Orgánicos  Minerales  Corrosivos  Venenosos  Inflamables  …. En algún caso tan nocivos que no se admite vertido directo en la red de alcantarillado sin tratamiento previo.

AEU:  

Arenas Hidrocarburos

Problemas:    

Grasas, cabellos, fibras se adhieren a las paredes (obstrucciones) Ácidos atacan a hormigón y metales Residuos calientes disminuyen durabilidad de los plásticos Arenas provocan abrasión

Materiales empleados  

Redes visitables: hormigón armado. Redes no visitables: o Hormigón armado o en masa (pesado y difícil de manejar) o Gres, anecdótico, diámetros pequeños. o Fibrocemento (prohibido) o Plásticos: PVC, PE, PRFV (ganan en conductos pequeños). A veces se pone doble capa para soportar tensiones.

Para pozos de registro:    

Ladrillo Hormigón in situ Hormigón prefabricado Plásticos (si la tubería es de plásticos), son estancos.

Caudales de cálculo

Caudales de aguas residuales: relacionado con los caudales de las aguas abastecidas. Aguas residuales son menores que las aguas abastecidas, ya que se usa el agua. Siempre es un volumen menor. Qres = a · Qabast   

En poblaciones pequeñas: a = 1,00 (Usaremos este en problemas) Ciudad mediana: a = 0,85 Ciudad grande (más jardines): a = 0,75


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Caudales de aguas pluviales     

Considerar todas las precipitaciones registradas a lo largo de un gran número de años Clasificarlas en base a diferentes intervalos de referencia. Para cada intervalo de referencia hallar la serie de intensidades medias máximas anuales. Ajuste por Gumbel para cada intervalo de referencia relacionar intervalo de referencia, período de retorno (probabilidad) e intensidades medias máximas. Para cada duración del aguacero y distintos “T” (periodos de retorno), obtener intensidades y dibujar las curvas I‐D‐F. (Intensidades‐duración‐frecuencia)

PERIODOS DE RETORNO UTILIZADOS EN EL DISEÑO (pequeños)    

25 años → Emisarios y colectores principales. 10 - 20 años → Zonas de alto valor. 5 - 10 años → Zonas de valor medio. 2 años → Para zonas poco pobladas.

Hasta ahora para distintas duraciones de aguacero conozco la intensidad media máxima asociada a una determinada probabilidad de ocurrencia (periodo de retorno). Para dimensionamiento de la red de alcantarillado he de conocer los caudales que produce la precipitación. COEFICIENTES DE ESCORRENTÍA Relación entre el agua que circula por el terreno y acaba llegando al alcantarillado y la precipitación. Parte se evapora, se infiltra y estanca. Depende de:  

  

Pendiente del terreno. Características superficiales del terreno: o Arcillas: escorrentía o Gravas: poca escorrentía (infiltra) Tiempo de duración de la lluvia: Época del año: en época lluviosa más coeficiente de escorrentía. Vegetación.

ZONA URBANA Edif. Muy densa Edif. Densa Zona residencial Zona suburbana (poco poblada)

Coef. de escorrentía 0.75-0.9 0.5-0.7 0.25-0.5 0.1-0.3

Co ef. m ed io 0.8 0.6 0.4 0.2

Caudal a evacuar: el caudal a evacuar consecuencia de un aguacero de intensidad I que cae sobre una superficie S con un coeficiente de escorrentía. El coef. se determina mediante la expresión del metodo racional. Cuenca vertiente: se define la cuenca vertiente respecto a una determinada sección (punto A) como la superficie desaguada a través de esa sección. Toda gota de agua que cae en esa superficie, y escurre, llega a pasar por el punto A.


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La gota que escurre circula:  Sobre el terreno  En la red

Tiempo de concentración: Se denomina tiempo de concentración a Tc=max(te+tr). Es decir, el tiempo que tarda en llegar a la sección de control la gota que cae en el punto de la cuenca más alejado hidrológicamente. Otra definición de Tc es si tenemos un aguacero de intensidad constante y tiempo de duración indefinido. Si el aguacero dura más de Tc ya no se incrementa el caudal. En ese instante toda la cuenca está aportando agua en la sección A. experimentalmente se ha determinado que el tiempo de concentración no depende de la precipitación sino de la cuenca. (Pendiente media/longitud de cauce principal). DIMENSIONAMIENTO DE REDES DE CUENCAS DE PEQUEÑA EXTENSIÓN 1. Definir el esquema general de la red 2. Delimitar la cuenca 3. Definir la superficie que aporta a cada tramo 4. Determinar para cada una de estas áreas su � (coeficiente de esorrentía) 5. Evaluar el tiempo de concentración 6. Determinar el periodo de retorno a considerar en cada caso → RIESGO 7. Determinar I para ese periodo de retorno y una duración Tc del aguacero a. Curvas I‐D‐F b. Fórmulas empíricas si no dispongo de las curvas anteriores 8. Determinar los caudales recogidos en cada tramo y resolver la red Las aguas residuales con igual criterio, función de superficie y población en las distintas zonas según ordenanzas urbanísticas, que en el caso de abastecimiento. Se suele hacer una simplificación mayor considerando el reparto uniforme en toda la longitud de la red tanto de residuales como de pluviales.

Cálculo de la red de saneamiento


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DIMENSIONAMIENTO DE REDES DE CUECAS DE GRAN EXTENSIÓN Si estoy en una cuenca grande no puedo considerar que llueva simultáneamente en la totalidad de la cuenca. Por ello a partir de las isócronas de la cuenca busco las intensidades i las secciones para distintos intervalos de tiempo hasta encontrar el producto I*S máximo. Este será el que pertenezca al mayor aguacero y con el cual calculo el caudal con la fórmula: Qpluv = coef. escorrentía · I · s 4. DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES Hay que depurar porque las aguas residuales perjudican el ecosistema. Por ello, tenemos como objetivo retirar la contaminación en cuantía tal que su vertido no origine perjuicio al ecosistema o a sus posteriores usuarios. (No retirar toda la contaminación, retirar lo necesario.) Según cual sea el medio receptor reduciremos la contaminación del agua vertida en mayor o menor grado. (Depende si es zona de interés, ecosistema único...) Formas de tratamiento: Muchas y en evolución. La materia prima es el agua contaminada y el producto final es el agua descontaminada. En los subproductos se obtendrá parte de la contaminación y parte de los reactivos. Esquema general de una EDAR (estación depuradora de aguas residuales) Línea de agua  

Materia prima → agua bruta Producto terminado → agua tratada

Esto es un caso completo. Puede ocurrir: 

Que solo exista tratamiento primero + vertido



Que llegue hasta el secundario y vierta (habitual)



Los tratamientos terciarios que pueden existir o no y son de afino.

Lo aquí contemplado se conoce como línea de agua pues recoge los distintos procesos que está sufriendo el agua. En cada proceso se nos producen unos residuos algunos de los cuales se mandan a vertedero y otros han de ser objeto de tratamiento en la línea de fangos. Gabriel Sanz Martín

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Vertidos que origina cada etapa  Pretratamientos: residuos sólidos, flotantes, arenas, grasas, van a vertedero  Tratamiento primario: agua con SS, van a fangos primarios  Tratamiento secundario: agua con SS (flóculos bacterianos, van a fangos secundarios  Tratamientos terciarios (tratamientos de afino) prácticamente no originan residuos. PRETRATAMIENTOS Reduce la contaminación vistosa (residuos sólidos, flotantes, arenas, espumas, grasas…). Objetivo: retirar materias que pueden originar daños a las instalaciones o perjudicar el rendimiento de los procesos posteriores. Problemas que pueden causar los sólidos:    

Obstrucción de las tuberías Desgaste de equipos Formación de costras en superficie del agua …

TRATAMIENTO PRIMARIO Es un simple tratamiento físico Objetivo: quitar SS más o menos fácilmente sedimentables Eliminamos arcillas, algas y parte de la MO (DBO) TRATAMIENTO SECUNDARIO Es un tratamiento biológico aerobio (puede ser químico) Objetivo: eliminar MO biodegradable en disolución o en estado coloidal gracias a la acción de microorganismos (bacterias, protozoos y rotíferos) que se alimentan de la misma pasando a MO (viva) en suspensión (formando flóculos) que se pueden eliminar con decantación. [Si el tratamiento fuera químico con reactivos (coagulantes y floculantes) consigo formar aglomeraciones de MO para decantar. No es habitual el uso de tratamientos químicos por ser más caros debido a: el consumo elevado de reactivos y la necesidad de personal especializado de control. ] Dos métodos principales de tratamiento biológico según tipo cultivo (cómo están los microorganismos en el reactor):  Cultivo en suspensión → fangos activados  Cultivo fijo a soporte → lechos bacterianos o Fangos activados: masa de microorganismos (biocenosis) están en continuo movimiento que se realiza mediante agitación o aireación manteniéndose en suspensión en el agua o Lechos bacterianos: los microorganismos están adheridos a la superficie de áridos u otro tipo de soporte Además la biocenosis:  Para los fangos activados actúan solo microorganismos  Para lechos bacterianos además organismos superiores (gusanos, babosas, larvas de insectos….) Gabriel Sanz Martín

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Composición de la biocenosis:  Fangos activados: composición homogénea (mezcla total)  Lechos bacterianos: distintos tipos de microorganismos en diferentes zonas (alturas de lecho) que van limpiando el agua. Abajo hay menos OD y menos MO que arriba TRATAMIENTOS TERCIARIOS Son tratamientos de afino. Con tratamiento primero y secundario eliminamos SS y MO en % importantes. Ahora pretendemos:     

Eliminación de gérmenes patógenos Reducir nutrientes (N,P), sobre todo si el vertido va a pasar a zona de aguas estancadas (lagos y embalses) (EUTROFIZACIÓN) Quitar MO no biodegradable, retener mediante filtros de carbón activo Quitar turbiedad Quitar más DBO5

Línea de fangos     

Lo que pretendo con el tratamiento de fangos es: Quitar agua, aumentar la concentración de sólidos, ahorrando en transporte y volumen tanques, energía y reactivos. Estabilizar la MO (evitar problemas de fermentación y putrefacción) para que no prosperen microorganismos Eliminar microorganismos En línea de fangos el producto terminado es el fango y el residuo es el agua. El agua se envía a cabecera de planta para su tratamiento (a tratamiento primario o directamente al secundario)

ESPESAMIENTO Objetivo: incrementar la concentración de SS  Fangos primarios: 5% de SS y 95% agua  Fangos secundarios: 3% de SS y 97% de agua Los fangos son, inicialmente, casi todo agua:  Si aumentamos [SS] 5%‐‐>10% podemos transportar los mismos sólidos moviendo la mitad del volumen de agua.  Conseguiremos aumentar [SS] por: decantación o filtración


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ESTABILIZACIÓN Objetivos:  Inertizar la MO (reducir potencial de putrefacción)  Reducir patógenos Tipos de estabilizaciones:  No biológicas o Química o Cloro: elimina los microorganismos y queda un residuo de cloro para evitar que se generen más o Cal viva: hace que el pH del agua suba mucho para que sea incompatible con la vida de los microorganismos o …  Térmica: aportación de calor  Biológicas o Aerobia: el carbono del agua pasa a CO2 dentro de los microorganismos. El carbono y la MO que con O2 del agua se combina y al final desaparecen del agua el carbono el O2 y la MO. Los microorganismos mueren o Anaerobia: dan CO2 y CH4. Este último daña las instalaciones hay que eliminarlo ACONDICIONAMIENTO Objetivo: mejorar las características del fango para facilitar su deshidratación. Tipos:  Térmica  Química DESHIDRATACIÓN Objetivo: reducir el volumen de fango mediante la eliminación de agua. Formas de deshidratación:  Natural (eras de secado): obtendremos una costra de lodos en la superficie de la era.  Térmica  Mecánica o Centrifugación: se basa en la diferencia de densidades entre el agua y los sólidos o Filtrado  Filtrado al vacío: se trata de conseguir que el agua filtre a través de una membrana desde el lado que se encuentra al aire (fangos) hacia el que se encuentra al vacío.  Filtrado a presión: es el mismo caso que el anterior solo que el agua pasa de una presión mayor a la atmosférica a presión atmosférica.  Filtros prensa  Filtros banda Después de la deshidratación los fangos tienen un aspecto sólido aunque pueden tener hasta casi un 80% de agua. (Entre 10‐80% según el método de deshidratación)  10% secado térmico  40% eras de deshidratación  80% filtración. Gabriel Sanz Martín

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DISPOSICIÓN FINAL    

Llevarlo a vertedero Extenderos sobre el terreno (problema: pueden contener metales pesados) Procesos de compostaje (problema: pueden contener metales pesados) Incineración: origino contaminación

Explicación del proceso pormenorizado TRATAMIENTO PRIMARIO Objetivos: disminuir concentración de SS. En consecuencia disminuye la demanda biológica de oxígeno a cinco días, la demanda bioquímica de oxígeno y la cantidad de micoorganismos. Para reducir la carga contaminante y mejorar el rendimiento del conjunto del proceso. Tipos de procesos: ‐

De separación sólido‐líquido (proceso físico) o Decantación primaria o Flotación o Mixto (decantación + flotación) ‐ Complementarios de mejora (proceso físico‐químico) o Coagulación o Floculación  Decantación primaria Se basa en la diferencia de densidades entre SS (más densos) y el agua, y se separan por la acción de la gravedad. Es una decantación floculante (la partícula que empieza a descender va aumentando de tamaño por incorporarse a otras a lo largo del descenso, aumenta la velocidad de sedimentación). Diseño: mediante ensayo de columna de sedimentación. Decantaciones estáticas continúas en planta circular o rectangular (similares a ETAP) Rendimientos en eliminación: o DBO5, 30‐35% o SS, 60‐65%  Tratamiento físico‐químico: Previo a la decantación, añadir reactivos. o Coagulantes: desestabilizar suspensiones coloidales o Floculantes: favorecer la formación de agregados Vale todo lo visto en la ETAP. Reactivos DBO5 SS Polielectrolito 50‐60% 65‐75% Sales minerales 65‐75% 85‐90% Con sales minerales se emplean mayores cantidades más fangos Flotación: Se basa en la diferencia de densidades de SS (menos densos) y Gabriel Sanz Martín

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el agua, y se separan por gravedad. Se pueden separar por flotación partículas algo más densas que el agua (es lo que ocurre con el tratamiento primario) si consigo que se las adhieran burbujas de gas de manera que el conjunto sea menor denso que el agua. Flotación aireada o forzada. Varios sistemas o Inyección de aire o Flotación al vacío (despresurización en tanque a p


Decantación primera 95% de los casos Física‐química. Se suele emplear: o Si no va a haber tratamiento secundario o Cuando hay variaciones estacionales de población (zona turística) pues se adopta mejor que en procesos biológicos Flotación: en zonas costeras si hacemos vertido al mar. Retiramos flotantes pues el mar no los diluye y van a parar a las playas.

TRATAMIENTO SECUNDARIO Se pretende eliminar la contaminación que no se ha podido eliminar en el tratamiento primario. Fundamentalmente son sólidos en suspensión coloidal y sales disueltas (lo que englobamos como sólidos en disolución). También los sólidos en suspensión que no habn decantado (facción fina de los SS). Se puede realizar mediante un tratamiento químico añadiendo reactivos que combinan con las sustancias que aporta el agua, compuestos insolubles que precipitarán. Son se utilizan por el coste tanteo de los reactivos (que se emplean en grandes cantidades) como el del personal especializado para controlar los procesos. Con un tratamiento químico siempre podemos depurar un agua, cosa que no ocurre con los tratamientos biológicos pues para ello es necesario que se puedan desarrollar micoorganismos y exige unas determinadas condiciones ambientales: temperatura, pH, ausencia o no de OD, no toxicidad….Sin embargo, en general. El tratamiento secundario es un tratamiento biológico. TRATAMIENTOS BIOLÓGICOS En los procesos biológicos la biocenosis (comunidad de organismos vivos) elimina la contaminación biodegradable. Esa contaminación es el sustrato o alimento de los organismos vivos. El proceso se realiza en los denominados reactores biológicos bajo condiciones ambientales contraladas para permitir un desarrollo óptimo de la biocenosis. Si Gabriel Sanz Martín

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la biocenosis es de tipo aerobio se aportará O2 suficiente para mantener condiciones aerobias en el reactor. Si fuera de tipo anaerobio se evitará entrada de O2. Consecuencia del consumo de sustrato aumenta la cantidad de biomasa lo que obliga a la extracción de la parte en exceso fangos. La contaminación del agua queda eliminada por su utilización por biocenosis y se generan como residuos, gases: CO2 aerobio, CO2 y CH4 anaerobio (sin aire) y N2 y H2S anóxico (sin oxígeno) Tipología de procesos biológicos Clasificación según: Según el elemento contaminante a tratar: o DBO carbonosa (es el objetivo de un tratamiento secundario) o DBO nitrogenosa (N orgánico y NH3, nitritos y nitratos) NITRIFICACIÓN o N oxidado, DESNITRIFICACIÓN o Eliminación global del N, NITRIFIACIÓN + DESNITRIFICACIÓN o Eliminación de P Según permanencia de la biocenosis en el reactor (como están los microorganismos): o o

Cultivo en suspensión: fangos activados Cultivo fijado a soporte  Estático: lechos bacterianos  Móvil: contenedores biológicos rotativos (CBR)  Biodiscos  Biocilindros Según permanencia de la biocenosis en el reactor (como están los microorganismos) o o

Aerobio Anaerobio (ausencia estricta de oxígeno disuelto)

o

Anóxico (ausencia de oxígeno pero presencia de NO2 y NO3 )

‐

‐

BASES TEÓRICAS DE LOS PROCESOS BIOLÓGICOS AEROBIOS Se va a eliminar la contaminación (fundamentalmente la MO) mediante la acción de microorganimos que lo van a utilizar como alimento. Vamos a realizar el siguiente ensayo: Tomamos una muestra de agua con sustrato y con exceso de nutrientes esenciales, nos aseguramos que no hay sustancias tóxicas y que la cantidad de OD es siempre suficiente, de tal manera que lo único limitante para el crecimiento de los micoorganismos es la concentración de sustrato. Inicialmente ningún germen y realizamos una siembre de un tipo de microorganismo completo (cultivo puro). Estudiamos la evolución de la biomasa y del sustrato, obteniendo las siguientes fases: 1) Fase de retardo: los microorganismos se están adaptando a su nuevo entorno 2) Fase de crecimiento: hay pocos inquilinos y mucho alimento crecen rápido 3) Fase de crecimiento en declinación: se ralentiza el crecimiento Gabriel Sanz Martín

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de los microorganismos. 4) Fase estacionaria: se iguala la formación de nuevos micoorganismos con su muerte. 5) Fase de muerte: los microorganismos mueren por falta de alimento. Las etapas 1+2+3 son fases de anabolismo y la etapa 5 es fase de catabolismo. La fase 4 es una fase intermedia. Para que el cultivo sea viable: ‐ ‐ ‐ ‐

Fuente de carbono (sustrato) Fuente de energía (luz) Iones inorgánicos (esenciales para el crecimiento en pequeñas cantidades) Factores de crecimiento (ciertas sustancias orgánicas‐vitaminas‐esenciales para el crecimiento óptimo de microorganismos)

En ensayo: ‐ ‐

Un único tipo de microorganismo Reactor discontinuo: no entra ni sale agua, solo aporta oxígeno y deja actuar el tiempo.

En la realidad el agua entra y sale, tendremos un tiempo de retención. Estará en un determinado tiempo en la curva. Aunque la zona de máxima tasa de eliminación de sustrato es la de crecimiento exponencial, no interesa situarnos ahí pues obligaría a un alto de oxígeno. Conviene situarse en la zona de crecimiento decreciente o en zona de respiración endógena. Si ensayo con otro tipo de microorganismos curvas de desarrollo de forma similar con valores distintos. En un cultivo con múltiples microorganismos cada uno tiene su propia evolución. Las especies de crecimiento más lento tardan más en aparecer en cantidades apreciables que las de crecimiento rápido. Algunas especies para empezar a desarrollarse necesitan la aparición previa de otras sobre las que realizan la predación. Se observa que si en el reactor biológico limito el tiempo de estancia de los microorganismos impido el desarrollo de especies de más lento crecimiento. El tiempo de estancia es una variable de control del proceso importante. Además otras variables que definen el proceso: concentración del sustrato y concentración de microorganismos.


135


FACTORES QUE AFECTAN AL DESARROLLO DE LOS MICROORGANIMOS -

Condiciones ambientales

‐

‐ ‐

o

Temperatura

o

pH

o

Necesidades de oxígeno

Tiempo de estancia En caso de reactor biológico continúe pues si lo limito puede impedir el desarrollo lento. No tienen porqué ser iguales los tiempos de permanencia en el reactor del agua con sustrato y de los microorganismos. Concentración del sustrato: cantidad de alimento Concentración de biomasa: cantidad de microorganismos

ECUACIONES QUE DEFINEN EL PROCESO 

Biocinética de ELIMINACIÓN DEL SUSTRATO Ecuación de MONOD (dS/dt) / X = - k · S / Ks + S

‐ ‐ ‐

S: concentración del sustrato [mg/L] X: concentración de la biomasa [mg/L] K: velocidad máxima de utilización específica del sustrato (velocidad máxima de asimilación del sustrato por unidad de masa de microorganimos)[días‐1] Ks: coeficiente de semisaturación= concentración del sustrato a la cual la velocidad específica de asimilación del sustrato es la mitad de la máxima k/2. [mg/L] t: tiempo [días]

‐

‐

S → inf. S → Ks S→0

dS/x → k dS/x → k/2 dS/x → k·S/Ks

Análisis del modelo de MONOD Si pretendemos con un proceso biológico obtener un alto rendimiento me situaré en la parte superior de la gráfica. 

Biocinética de crecimiento de la biomasa La velocidad de crecimiento neto de la biomasa es dX/dt 1) Aumento de biomasa con el tiempo: relacionado con su actividad, es decir, velocidad de eliminación de sustrato


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y · dS/dt 2) Desaparición de biomasa con el tiempo muerte de microorganismos (pérdidas por respiración endógena) Kd ∗ X

Ecuación de Heukelekian: dX/dt = -y · dS/dt – Kd · X     

S: concentración del sustrato [mg/L] X: concentración de la biomasa [mg/L] t: tiempo [días] Y: coeficiente de asimilación= coeficiente de producción de biomasa por unidad de sustrato [adimensional] Kd: coeficiente de respiración endógena [días‐1]

k, ks, kd, y, son coeficientes simétricos (no son constantes, dependen de las condiciones ambientales) 

Biocinética del consumo de oxígeno (procesos aerobios) El consumo de O2 influido por: 1) Actividad de los microorganimos → velocidad de eliminación del sustrato a · |dS/dt| 2) Número de microorganimos → mantenimiento de respiración aerobia b·X |dOD/dT| = a · |dS/dt| + b · X ‐ a: coeficiente de utilización de O2 para síntesis [adimensional] ‐ b: coeficiente respiración de la biomasa [días‐1] 

Efecto de la temperatura (sobre la velocidad de reacción del proceso biológico) rT = r20 · θ T-20 ‐ rT: velocidad de reacción a TºC ‐ r20: velocidad de reacción a 20ºC ‐ θ: coeficiente de actividad‐temperatura (depende tipo proceso biológico) Fangos activados = 1,02 Fangos bacterianos = 1,08 TRATAMIENTO SECUNDARIO Recirculación: a veces interesa que lo que tengo en el clarificador vuelva al proceso biológico (o el agua tratada o los microorganismos) En el reactor biológico los microorganismos retiran el sustrato del agua y crece la biomasa. No hemos quitado nada de agua, he cambiado la forma en que está, ahora constituye la biomasa, los microorganismos. Para completar el proceso hay que retirar estos Gabriel Sanz Martín

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microorganismos del agua en el clarificador (decantador). Como ejemplo de reactores biológicos: ‐ ‐

Lechos bacterianos (cultivo fijo a un soporte) Fangos activados (cultivo en suspensión)

LECHOS BACTERIANOS Es un reactor biológico con cultivo fijo a un soporte. Funcionamiento: Colocamos como soporte por ejemplo, unas piedras (son más fáciles de dibujar.) sobre las piedras riego agua y se mojan las superficies de las mismas, no está saturado, solo riego. Si sigo aportando agua se terminan por pegar los microorganismos a la superficie de las piedras. Si continúo aportando agua, los microorganismos se alimentaran del sustrato que contiene el agua y del OD en la misma. De esta forma las piedras quedan recubiertas de una película de microorganismos. Los microrganismos crecen y la película va engrosando. El agua sigue cayendo y cuando llega al fondo del lecho apenas tiene MO. A medida que la película va creciendo los microorganismos de la superficie de adherencia quedan muy alejados de la superficie de agua, con lo cual apenas les llega sustrato y O2. Finalmente terminaran muriendo, de esta forma desaparece la adherencia con la piedra y trozos de la biopelícula caen junto con el agua. Al desprenderse dejan espacio para que el agua pueda llevar nuevos microrganismos a la superficie libre. Por lo tanto, a la salida del lecho bacteriano tendré trozos de biopelícula y agua con apenas MO. Las condiciones de temperatura, pH… son distintos en función de a que altura del lecho nos encontremos, por lo tanto, a cada altura proliferarán diferentes microorganismos. En la parte superior puedo tener algas, larvas, gusanos, babosas, caracoles e insectos, que son un problema. Existe una entrada de aire en la parte inferior del lecho bacteriano, esto es debido a que debemos mantener un proceso aerobio. Si la temperatura abajo es más alta que arriba se establecen corrientes de aire ascendentes, mientras que si es al contrario, se establecen corrientes de aire descendentes. Si inyecto aire por debajo, ventilación forzada. Por otro lado me interesa que el caudal aportado en superficie tenga un cierto valor para que arrastre la biopelícula y se disponga por todo el lecho de forma homogénea. Para ello tendré que aumentar el caudal y esto lo hago mediante la recirculación de agua tratada. Lo hago para aumentar el rendimiento del lecho. Gabriel Sanz Martín

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Aspectos interesantes: el lecho no funciona inundado pero estructuralmente lo tengo que dimensionar como si estuviera inundado porque, debido a la aparición de insectos, caracoles, babosas..., cada cierto tiempo lo inundaré para ahogarlos. Normalmente el giro de las tuberías que riegan es debido a un motor, pero puede ser debido únicamente a la presión de riego. El material de soporte de las superficies de adherencia puede ser de pieda o de plástico -

-

Superficie del material soporte: As = superficie específica = sup. del medio soporte/volumen de techo [m2/m3 de lecho] Ih = índice de huecos = volumen de huecos / volumen de lecho (%)

Me interesa una alta superficie específica y un alto índice de huecos para la existencia de más organismos y una mejor oxigenación. Piedras: me interesa un árido muy uniforme y con un tamaño intermedio dado que a mayor tamaño aumenta el índice de huecos y disminuye la superficie específica. Piezas de plástico: Puedo conseguir el funcionamiento óptimo adoptando la forma de las piezas óptima, por ello lo habitual es utilizar piezas de plástico. Además como pesan menos que las piedras puedo obtener mayor altura de lecho.

REACTOR DE FANGOS ACTIVADOS Los microorganismos están en suspensión en el agua. Dos tipos: - Mezcla completa - Flujo en pistón Las características del agua van variando a lo largo de la longitud del reactor: disminuye la concentración de sustrato y aumenta la de biomasa. MEZCLA COMPLETA Se consigue creando turbulencias en el agua: ‐ De forma mecánica (turbinas): agita y aporta oxígeno al agua ‐ Inyectando aire desde la zona inferior: agita y aporta oxígeno al agua. Me interesa que se dé también un proceso de floculación para que los flóculos tengan un tamaño suficiente para que cuando los pase al decantador los pueda separar. Además no me interesa que decanten en el reactor, esto es evitado por la inyección de aire desde la parte inferior.


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Además el ritmo al que saco los microorganismos del reactor es mucho mayor que el crecimiento de los mismos en el reactor. Cada vez tendría menos microorganismos. Por ello parte de los fangos secundarios se recirculan y parte se llevan a la línea de fangos. 5. SISTEMAS NATURALES DE DEPURACIÓN Los sistemas naturales logran la eliminación de las sustancias contaminantes de aguas residuales a través de mecanismos y procesos naturales como:     

Bajas concentraciones de biomasa. Períodos prolongados de actuación Grandes superficies Energía artificial nula para el proceso biológico Casi nula vigilancia

Los sistemas naturales de depuración también conocidos como de bajo coste, tecnológico blandas o sistemas verdes. Se puede hacer cuando el terreno sea barato, el coste del terreno puede ser elevado al necesitar grandes superficies. 5.1 APLICACIÓN Se puede aplicar en pequeñas comunidades (menor superficie y suelos más baratos). Problemáticas:    

Caudales punta Explotación del sistema Capacidad del sistema Es necesario un sistema separativo.

Explotación del sistema:  

Coste bajo Sin reactivos ni personal cualificado

Tratamiento de fangos costoso, ya que necesitamos tener pocos fangos, estos tienen que venir precedidos de un pretratamiento que retira flotantes de gran tamaño y parte de SS y MO. 5.2 CLASIFICACIÓN 



Aplicaciones al terreno o Aplicaciones subsuperficiales, en zonas próximas a la superficie o Aplicaciones superficiales Lagunaje: se almacena en balsas donde se producen los procesos biológicos o Lagunaje natural  Aerobio: profundidad regulada para que se produzca transmisión de O2 de la atmósfera  Anaerobio: sin oxígeno  Facultativo: mixto o Lagunaje aireado: se mantienen condiciones aerobias de forma artificial, mediante agitación o aireación


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

 De mezcla parcial. Homogeneidad.  De mezcla total. Sólo en la superficie. Sistemas acuáticos naturales o Humedales artificiales  Flujo subsuperficial  Flujo superficial o Sistemas de acuicultura  Plantas flotanes  Plantas sumergidas  Animales acuáticos

Aplicaciones al terreno A.T. Subsuperficiales Se aplican las aguas residuales directamente al terreno, natural o modificado. Se utiliza en viviendas aisladas o comunidades muy pequeñas (200-300 hab.) Disposiciones:  



Zanja filtrante Lecho filtrante o Lechos intermitentes o Lechos de turba Pozo filtrante

Lechos de turba La turba es un suelo bajo un proceso de descomposición orgánica a lo largo de muchos años. Sirve de soporte a las bacterias aerobias. Es un procedimiento aplicable a poblaciones entre 500 y 8000 habitantes equivalentes con rendimientos de hasta un 90% de SS y un porcentaje similar de DBO5, previo tratamiento terciario. La depuración se efectúa:  

Por absorción y adsorción de la turba Por la actividad bacteriana de esta

Los filtros de turba deben de distribuirse de forma que no o varios estén en reposos para mantenimiento o limpieza. El lecho debe ser impermeable para permitir la inundación. La sección típica consta de dos capas de grava (inferior natural y superior de material fino con un total de unos 3540 cm.) y una superior de turba de unos 50 cm. Se vierte el agua distribuida por la superficie del lecho y se recoge mediante tuberías drenantes en capas de grava. Ventajas:     

Poco consumo de energía, sin mecanismos, explotación y mantenimiento sencillo. Rendimiento independiente de la temperatura Amplio espectro de caudales. Poca superficie respecto a lagunajes. Facilidad de la construcción.


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Filtros verdes Funcionamiento de filtros verdes Biodegradación biológica de los compuestos orgánicos disueltos en el AR e inmovilización de los constituyentes orgánicos de la misma.  



Acciones físicas: filtración de sólidos en suspensión en los primeros cm de terreno, según granulometría y textura del suelo. Acciones químicas: según capacidad de cambio iónico del suelo, así como su pH y condiciones de aireación/encharcamiento que afectas a los procesos de óxido-reducción. Acciones biológicas: por microorganismos del suelo (descomposición de MO y reciclaje de nutrientes) y por las actividades radiculares de las plantas establecidas en el filtro verde (bombas aspirantes que extraen agua y sales minerales).

Mantenimiento  



Evacuar los sólidos separados del pretratamiento. Cambiar periódicamente la parcela a la que se aplica el AR. La duración de los períodos de encharcamiento debe controlarse para evitar la aparición de condiciones de anaerobiosis. Tras esa aplicación de agua a una parcela determinada, esta debe permanecer en reposo el tiempo suficiente para su reoxigenación. Un pase de grada, con objeto de partir las costras que hayan podido formarse y volver a airear el suelo.

Ventajas     

Sencilla explotación Sin consumo energético No genera lodos No fallan los equipos mecánicos (no hay) Venta de madera y biomasa

Inconvenientes    

Las grandes superficies de suelo que son necesarias para su implantación. Se necesitan suelos llanos. Necesaria una determinada capacidad de filtración Existencia de acuíferos próximos a la superficie.

Infiltración rápida En la infiltración rápida se aplica el agua residual sobre una o varias superficies o lechos construidos a tal efecto a partir de los cuales se infiltra agua al terreno. La recogida puede ser mediante drenes o pozos, cuando la topografía lo permita o directamente en el contacto entre terreno permeable e impermeable. No se tiene un buen control del efluente, aunque en muchos casos esto no es condicionante.


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Vertido de aguas   

Drenaje subterráneo Pozos Salida al cauce

Escorrentía superficial El tercero de los sistemas es el de escorrentía sobre una cubierta vegetal, que es aplicable a terrenos con pendientes comprendidas entre un 2 y un 5%.

Parámetros generales de aplicaciones al terreno superficiales Las cargas hidráulicas de diseño varían:   

1 – 6 m3/día del riego 6 – 120 m3/día de la infiltración rápida 3 – 20 m3/día de la escorrentía superficial

Siempre que se disponga previamente un pretratamiento o decantación primaria que evite la colmatación primaria de los terrenos de aplicación. CARACTERISTICAS PRINCIPALES DE LOS SISTEMAS DE APLICACIÓN SUPERFICIAL SISTEMA EVACUACION Y PERMEABILIDA APLICACIO LIMITACIONE DEPURACIÓN D N S RIEGO Evapotranspiració Moderada Aspersión Frío n Surcos Lluvias Infiltración Inundación Épocas de Vegetación cultivo Suelo aireado INFILTRACIÓN Evaporación Muy permeable Zanjas RÁPIDA Infiltración Alta No vegetación superficie Suelo aireado ESCORRENTÍ Evapotranspiració Impermeable Aspersión Tiempo frío A n Zanja Lluvias SUPERFICIAL Baja infiltración superficial Escorrentía Pradera de vegetación Lagunajes: Vertido de AR sobre más agua para depuración. 



Lagunaje natural o Lagunaje aerobio o Lagunaje anaerobio o Lagunaje facultativo Lagunaje aireado o Mezcla total o Mezcla parcial


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Depuración de tipo biológica por bacterias presentes en el AR, eliminado:  

Materia en suspensión o disuelta Compuesto biodegradables (nitrogenados y carbonados)

Mecanismos de depuración   

Actividad bacteriana Actividad fitoplactónica Actividad física y química, a través de ciertas algas.

Se eliminar también N y P, cosa que no sucede por ejemplo en lechos de turba. Clasificación de las lagunas en función de la necesidad y de la disponibilidad de oxígeno:   

Lagunas aerobias. Con aireación natural o artificial. Lagunas anaerobias Lagunas facultativas

TIPO

APLICACIÓN

ANAEROBIA

FACULTATIVA

AEROBIA AIREADO

Agua industrial Agua cargada Agua urbana Ef. laguna anaerobia Ef. laguna aireada Oxidación Maduración Agua industrial Limitación de espacio

CARGA ORGÁNICA

TIEMPO DE PROFUNDIDAD RETENCIÓN

600 – 1000

10 – 40

2–5

50 – 2000

25 – 90

1 – 2,5

85 – 170

3 – 20

0,3 – 1,2

100 – 300

5 – 15

2–6

Lagunas aerobias En las lagunas aerobias se puede hablar de una simbiosis bacterias-algas:  

Oxidación de la MO por bacterias aerobias (producción de CO2 en la oxidación de MO) Fotosíntesis de algas (utilizan CO2 y liberan O2)

Este tipo de lagunas son las más indicadas cuando se quieren conseguir fuertes reducciones de DBO5. Su principal condicionante es la profundidad que debe ser la necesaria para que la luz penetre intensamente y por lo tanto conlleva superficies mayores. Lagunas aireadas  

Mezcla completa: aireación total mediante turbinas Facultativa: se forma un depósito de fangos anaerobios en el fondo, ya que el aire no llega a toda la laguna.

Lagunas anaerobias: en las lagunas anaerobias solo una pequeña capa superior funciona aeróbicamente. Actúan como estabilizadores de materia orgánica. Gabriel Sanz Martín

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En las ciudades se puede poner varias lagunas. En general: 1. Anaerobios 2. Facultativas 3. Aerobias Colocadas en serie. Lagunas facultativas Las lagunas facultativas (o de estabilización) son de profundidad media en las que su parte superior tiene lugar un proceso aerobio y en su parte inferior un proceso anaerobio por falta de oxígeno, produciéndose un depósito de materia orgánica. 



Zona aerobia o Fotosíntesis o Nitrificación o Síntesis de la nueva materia o Oxidación de gases o Respiración endógena Zona anaerobia o Hidrólisis de proteínas o Fermentación ácida o Formulación de metano

En los fondos anóxicos tienen lugar fermentaciones y descomposiciones (metano y sulfhídrico entre otros). En la capa superior tenemos aportes de oxígeno procedente de la atmósfera, la actividad fotosintética y/o la aportación artificial superficial. Sistemas acuáticos naturales Humedales artificiales  

Flujo superficial: sistemas de microfiltros flotantes Flujo subsuperficial o Flujo subsuperficial vertial o Flujo subsuperficial horizontal

Sistemas de acuicultura   

De plantas flotantes De plantas sumergidas De animales acuáticos

Humedales artificiales Los humedales naturales se han utilizado frecuentemente como lugares de vertido de AR. Alta depuración a costa de contaminar e inutilizar lugares de un alto valor ecológico. Los porcentajes de eliminación pueden llegar a ser de:   

70 – 90% de DBO5 60 – 85% de SS 40 – 80% de N


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Un paso posterior a la utilización de humedales es la creación de humedales artificiales y controlados, en los que la proliferación de las plantas como el carrizo o los juncos favorecen notablemente el proceso de depuración. SISTEMAS DE FLUJO SUPERFICIAL El agua está expuesta directamente a la atmósfera y circula preferentemente a través de los tallos y hojas de las plantas. Se suelen aplicar para mejorar la calidad de efluentes que ya han sido previamente tratados en una depuradora.

Sistema de macrofitas flotantes: Plantas (carrizos, juncos eneas o esparganios) forman un tapiz flotante sobre la superficie de un canal o laguna con un sistema radicular, los rizomas y la base de los tallos sumergidos en el agua. La raíz que está sumergida es la que elimina la contaminación. El conjunto de ellos actúa de soporte para la fijación de los microorganismos que por el aporte constante de oxígeno degradan nitratos, fosfatos o metales pesados inmersos en el agua. Necesitan de un sistema de flotabilidad hasta crecer, entonces se mantendrán a flote por si solas. Las macrofitas son capaces de transferir el oxígeno del aire a través de sus hojas y tallos hasta las raíces, donde es liberado en el agua para compensar el diferencia de presiones isotáticas del aire (21% O2) y el agua, funcionando incluso invernalmente con hojas secas o en parada vegetativa. Adicionalmente, las plantas ejercen una depuración directa por la adsorción de iones contaminantes, tanto de metales pesados como de aniones eutrofrizantes (nitratos y fosfatos). Triple lucha contra la contaminación:   

Raíces soporte para fijación de microorganismos. Transferir oxígeno del aire al agua. Depuración directa por parte de las plantas

Se eliminan microorganismos patógenos por la presencia de depredadores (protozoos y bacteriófagos) en la rizosfera de las plantas, siendo innecesaria la cloración del agua antes del vertido al cauce. Además se eliminan coloides del agua al ser atraídos por las raíces. SISTEMAS DE FLUJO SUBSUPERFICIAL Circulación de agua de tipo subterráneo a través de un medio granular en contacto con las raíces y rizomas de las plantas. La biopelícula que crece adherida al medio y a las raíces y rizomas de las plantas tiene un papel fundamental en los procesos de descontaminación del agua.

Sistemas de flujo subsuperficial vertical Circulación de agua vertical a pulsos (medio granular no siempre inundado). Mayor capacidad de tratamiento que los horizontales, pero más susceptibles a la colmatación. El AR sufre un tratamiento físico (filtración), químico (adsorción) y biológico (biomasa fijada sobre soporte fino).


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Sistema de flujo subsuperficial horizontal Macizo filtrante casi saturado de agua. El afluente se reparte sobre toda la sección del lecho desde un lado. Flujo en sentido horizontal a través del sustrato y continuo ya que la carga orgánica aportada es débil.

En general, en los humedales artificiales: Los mecanismos por los que actúan estos sistemas son muy diversos y complejos:   

 

Por filtración y sedimentación: SS Por sedimentación y degradación microbiana: DBO Por transformación en amoníaco por nitrificación microbiana, por desnitrificación, por captación de las plantas y por volatilización del nitrógeno gas se elimina el nitrógeno. Por absorción del suelo y por captación de las plantas se elimina el fósforo. Por sedimentación, filtración y excreción de antibióticos desde las raíces de los macrofitos se eliminan los elementos patógenos.

Sistemas de acuicultura Producción de masa (vegetal o animal) mediante la alimentación de los mismos con AR. Estos sistemas se basan en fenómenos de fotosíntesis y procesos de biopelículas asociados. Una de las características que lo hacen más interesantes a este tipo de depuración es la eliminación de los metales pesados mediante la asimilación por parte de las plantas y de los peces, lo que lleva a conseguir una reducción significativa de los mismos. Aplicación de los sistemas de depuración natural Los más utilizados:   

Lagunajes Lechos de turba Filtros verdes

Rangos de aplicación en España (según situación geográfica):    

Lagunajes aerobios y anaerobios < 2500 hab-eq Lagunajes aireados < 17000 hab-eq Lechos de turba < 8000 hab-eq Filtro verde 1000 < x < 5000 hab-eq

La aplicación superficial y subsuperficial al terreno Están limitados a pequeñas comunidades tales como urbanizaciones pequeñas, núcleos rurales pequeños y edificaciones aisladas. En cuanto a los lechos de turba (que son los más utilizados): 

La superficie de lechos de turba, incluyendo las balsas de reserva y superficies para pretratamientos o tratamientos primarios, puede oscilar entre 800 y 1200 m 2/habeq para poblaciones de entre 300 y 800 hab-eq.


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 

Por otra parte, los valores de superficie de lechos en función del caudal afluente a la plata oscila entre 2 y 3,6 m2/m3·día. Es necesaria la disponibilidad cercana de turba de buena calidad.

En humedales naturales y artificiales Se requieren superficies aún mayores (entre 2 y 10 ha para 4000 hab-eq). Además de que las características litológicas de la zona lo permitan. Los valores de la superficie de lagunaje requerida son mayores que en el caso de los lechos de turba pero notablemente inferiores al resto de los sistemas naturales (entre 1,5 y 2 ha/10000 hab-eq) Rendimientos de los sistemas de depuración natural Valores medios y máximos de calidad en el efluente en sistemas de aplicación del terreno. PARÁMETRO

RIEGO

DBO(mg/l) SS(mg/l) Ntotal(mg/l) Ptotal(mg/l) Colif.fecales(n/100ml)

2–5 1–5 3–8 0,1 – 0,3 0 – 10

INFILTRACIÓN RÁPIDA 5 – 10 2–5 10 – 20 1–5 10 – 200

ESCORRENTÍA SUPERFICIAL 10 – 15 10 – 20 5 – 10 4–6 200 – 2000

Valores medios y máximos de calidad en el efluente en humedales artificiales. TIPO DBO SS Flujo 80 80 – 90 superficial Flujo 90 – 95 80 – 90 subsuperficial Eliminación de contaminantes (en %): CONTAMINANTE DBO5 SS Ntotal Ptotal

NKT

NT

PT

TOTAL

50 – 57

50 – 75

30 – 40

90

35

55

30

90

% ELIMINACIÓN 70 – 96 60 – 90 40 – 90 Estacional

Criterios de diseño con jacintos de agua (sistemas de acuicultura) PARA CONSEGUIR DBO5 < 25 mg/l SS < 25 mg/l NT < 12 mg/l DBO5 < 10 mg/l SS < 10 mg/l NT < 5 mg/l DBO5 < 15 mg/l SS < 16 mg/l NT < 12 mg/l


REQUERIMIENTOS AFLUENTE Con pretratamiento:  DBO5 entre 130 y 180 mg/l  DBO5 entre 40 y 80 kg/(ha·d) Con tratamientos secundario para que:  DBO5 < 30 mg/l  DBO5 entre 10 y 40 kg/(ha·d) Con pretratamiento:  DBO5 entre 130 y 180 mg/l  DBO5 entre 150 y 300 kg/(ha·d)

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Rendimiento en lechos de turba si se procede a un desbaste y tamizado previo: CONTAMINANTE DBO5 SS DQO N P COLIFORMES

% ELIMINACIÓN 70 – 90% 90 – 95% 80 – 85% 50% 20% 55 – 95%

Rendimiento de Lagunajes Son variables dependiendo del tipo y de la temperatura ambiente. Las anaerobias tienen rendimientos menores. En una laguna facultativa y en un verano no muy caluroso:  

DBO5: 85 – 95 % SS: 80 – 95 % Coliformes: > 96%


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INGENIERÍA SANITARIA

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