CENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIAS EXACTAS E INGENIERIAS Departamento de Ingeniaría Química.
TRATAMIENTO DE AGUAS 3.-.Fuentes y usos del agua. La fuente de agua determina, comúnmente, la naturaleza de las obras de: colección, purificación, conducción, distribución. La naturaleza proporciona agua abundante, solo que dependiendo el lugar de su uso y la calidad requerida, los conceptos anteriores se verán magnificados. El agua mas cara de obtener está en función del contenido de sales y su disponibilidad, así el agua de mar que es la más abundante y la más costosa en su tratamiento por su alto contenido de sales, el agua dulce disponible en los casquetes polares es abundante, y de mejor calidad, y traslado a los lugares de utilidad es complicado y costoso, las fuentes mas cercanas son las aguas dulces: DEPOSITOS NATURALES Y ARTIFICIALES DE AGUA Los depósitos Naturales como lagos y lagunas para su formación requieren de un flujo de agua, baja permeabilidad en los suelos y precipitación periódica y los artificiales son las Presas. Lagos mas grandes del mundo Superficie aprox. km2 Mar Caspio, Asia 371,000 Lago Superior Norteamérica 82,000 Lago Victoria, Africa Lago Hurón , Norteamérica 60,000 Lago Michigan, Norteamérica 58,000 Mar de Aral, Asia 34,000 Lago Tanganica, Africa 33,000 Lago Baikal, Asia 31,500 Gran Lago del Oso, Norteamérica 31,000 Gran Lago del Esclavo, Norteamérica 29,000 Lagos de México Lago de Chapala 1,149 Cuitzeo 418 Yuriria 88 Catemaco 77
Presas de México
Km3
Estado
La Angostura Malpaso Infiernillo Temascal Aguamilpa La Amistad
19.7 13.0 12.5 9.1 6.95 6.02
Chiapas Chiapas Michoacán -Gerrero Oaxaca Nayarit Coahuila
3.1.- Aguas de lluvia: a.- De los techados, almacenarla en cisternas, para abastecimientos individuales, reducidos. b.- De cuencas mayores preparadas, o colectores, almacenada en depósitos, para suministros comunales grandes. El agua de lluvia raramente es fuente inmediata de abastecimiento, sin embargo el acopio del agua de lluvia es practicado en regiones semiáridas, carentes de agua superficial o subterránea. El almacenamiento transforma la recepción intermitente del agua de lluvia en una fuente de suministro continuo. El rendimiento de agua pluviales es proporcional al área receptora y a la cantidad de la precipitación, parte del agua es arrastrada por el viento y parte se evapora ó se pierde por humedecimiento de las superficies en contacto, y con frecuencia se derraman las primeras captaciones por el alto contenido de sólidos e impurezas.
Como estimar un volumen de agua a captarse: i.- Determinar el área de superficie de captación. ii.- Obtener la media de precipitación pluvial anual. iii.- Aplicar el rendimiento de aprovechamiento de 0.66.
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3.2.- Precipitación:
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Componentes del ciclo hidrológico en México Componente Cantidad de agua (km3/año) Precipitación normal anual 1941- 1,524 1990 Precipitación media histórica 1941- 1,519 1998 Evapotranspiración media 1,107 Escurrimiento superficial virgen medio Recarga natural media de acuíferos
410 52
Recarga inducida media de acuífero, 15 principalmente por agua superficial Disponibilidad natural media por 4,977 habitante Precipitación (lluvia): anual promedio de 780mm. La disponibilidad del agua en México, tomando como referencia la información del Plan Nacional Hidráulico (PNH) es como se presenta a continuación. Extensión: 200 x 106 Ha; de los cuales, 64% montañoso y 36% planicies. Precipitación anual Promedio = 200x106 x 780/100000 = 1560 km3/año Población anual Promedio ( año dic-2000) = 99.2 x106 habitantes Evapotranspiración Media = 1107 km3/año Escurrimiento superficial Virgen = 1560 – 1107 = 453 km3/año Disponibilidad Promedio por habitante = 453 x 10 9 /99.2 x 10 6 = 4566 m3/habitante –año = 12.5 m3/ habitante-día. Consumo por habitantes estimado = 0.25 m3/habitante – día.
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3.3.- Aguas superficiales: De corrientes, estanques naturales y lagos de tamaño suficiente, mediante toma continua. De corrientes con flujo adecuado de crecientes, mediante toma intermitente, temporal o selectiva de las aguas de avenida limpia y su almacenamiento en depósito adyacentes a las corrientes o fácilmente accesibles a ellas. De corrientes con flujos bajos en tiempos de sequía, pero con suficiente descarga anual, mediante toma continua del almacenamiento de los flujos excedentes al consumo diario, hecho en uno o más depósitos formados mediante presas construidas a lo largo de los valles de la corriente. Las cantidades que pueden captarse varían directamente con el tamaño del área colectora, ó cuenca hidrológica, así como la diferencia entre las cantidades que caen sobre ella y las que se pierden por evaporación y transpiración (avapotranspiración).
Las diversas cuencas hidrológicas del país son alimentadas principalmente con el 28% del agua de lluvia que se precipita anualmente sobre el territorio nacional, el 72% restante retorna a la atmósfera mediante fenómenos de evaporación y transpiración. El volumen de los recursos hidráulicos totales en el país, es en promedio de 474.9 km3 al año, de los cuales, 411.9 km3 corresponden a escurrimiento superficial y 63 km3 a la recarga de acuíferos. La infraestructura hidráulica actual proporciona una capacidad de almacenamiento del orden de 120 km3, lo que se traduce en una capacidad de regulación del orden de 83 km3 en promedio. De esta capacidad de regulación, el 32% se destina a la generación de energía eléctrica, el 60% a las demandas consuntivas,(que consumen) y el resto se evapora.
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En el mar, donde las aguas superficiales se han convertido en parte del sistema de circulación, la composición del agua del océano es notablemente uniforme. Las variaciones en la salinidad, son causados por los arrastres de las aguas superficiales hasta los océanos, el flujo de los ríos poderosos hacia el mar, ó a la fusión de glaciares y de los polos.
Los lagos son la fuente principal de agua fresca, son particularmente importantes ya que se consideran como la fuente más grande e importante de agua dulce en el mundo. La composición del agua lacustre cambia con las estaciones y en algunas veces lo hace diariamente según las condiciones del tiempo. Los componentes TRATAGUA III Apuntes del Maestro: Alfredo Meza G.
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minerales disueltos principalmente pueden no ser afectados en forma importante por las estaciones y el clima, factores como el oxígeno disuelto, temperatura, sólidos suspendidos, turbidez y dióxido de carbono pueden cambiar debido a la actividad biológica. Los vuelcos estacionales en los lagos templados de mas de 60 m profundidad, agua del fondo está a la temperatura de la máxima densidad del agua 4°C, todo el año. La temperatura cambia gradualmente durante los periodos del año, produciendo cambios de densidades y los vuelcos ó corrientes, en los lagos de fondo menores a 7.6 m profundidad la circulación vertical es inducida por los vientos, en vez de las diferencias de densidades, ya que hay poca diferencia de temperatura entre la superficie y el fondo. Es necesario entender esta características de los lagos para localizar adecuadamente las tomas de agua y las descargas de la misma para anticipar los cambios en el tratamiento del agua, necesarios para cubrir los cambios en la composición causados por las corrientes, otras variables que se relaciona con la temporada y con la actividad biológica, son el sabor y el olor. La calidad del agua puede ser muy diferente de las corrientes en movimiento a las de aguas estancas ó lagos, que entre mas profundidad exista, menor contenido de oxígeno en el fondo y mayor contenido de hierro y manganeso, y en algunos lagos se pueden encontrar calidades de agua muy semejantes y sobre todo acercarse a las corrientes de ríos que alimentan.
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Aguas Superficiales 49 km3 Demandas consecutivas
Escurri miento superfic ial: 411.9 km3
Capaci dad de almace namient o: 120 km3
Capaci dad regulad a: 83 km3
26 km3 Generación de electricidad
8 km3 Evaporación 3.4.- Agua subterránea. El agua de la lluvia ó precipitaciones, parte de esta agua es absorbida por el suelo, por el que se filtra hasta que a cierta profundidad se ve detenida por capas de rocas impermeables; se extiende horizontalmente, de modo que grandes extensiones de subsuelo quedan saturadas de agua la cual empapa el acuífero y penetra por la tierra permeable poro a poro. Hay aguas subterráneas en lagunas ó corrientes identificadas y un pozo no es mas que un agujero que llega hasta la región saturada. El agua subterránea constituye una importante fuente de abastecimiento y en algunas regiones, es el recurso único para satisfacer la demanda de agua. El agua del subsuelo se encuentra en los poros o intersticios de los materiales que lo componen. Esto nos lleva a la diferenciación de dos zonas, la de aereación y de saturación.
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Zona de aireación: Es aquella que se extiende desde la superficie del terreno hasta un nivel de profundidad tal que todos los poros o espacios abiertos se encuentran llenos o saturados de aire y, en menor grado, de agua. Zona de saturación: Se caracteriza por tener todos sus poros llenos de agua, sus límites se fijan inmediatamente debajo de la zona de aireación y arriba de alguna capa impermeable en la profundidad. La proporción que va al subsuelo varía con la naturaleza del suelo, si éste es seco y poroso, el agua se filtrará por él en grandes cantidades, las peores condiciones de absorción son las que presentan en el caso de grandes tormentas y que caen en superficies inclinadas, de material menos permeable, como la arcilla; en la que la mayor parte del agua precipitada resbalará por la superficie. La capa más extensa de los continentes está compuesta casi de todo por material poroso, bastante suelto, principalmente grava, arena, cieno y vegetación en descomposición, que descansan sobre rocas sedimentarias porosas como la piedra arenisca y caliza, debajo de esta se encuentra lecho rocoso, tan compacto debido a su origen volcánico ó grandes presiones y temperaturas, que de no encontrarse fracturas, es totalmente impermeable. La capa húmeda más profunda, que abarca la zona de tierra saturada, forma un importante recurso para la obtención de agua. Los pozos llegan hasta ella; manantiales, ríos y lagos son su afloramiento naturales en la superficie terrestre. La parte superior de la zona de saturación. El espejo de agua de la superficie en un pozo es una parte expuesta del nivel freático, alrededor de este pozo se extiende la misma capa, ya sea que se halle expuesta o que esté oculta, que aflore a la superficie ó quede bajo de ella. Las corrientes de agua subterránea viajan muy lentamente que tal vez se requiera 100 años para que recorran un kilómetro de arena, no así las corrientes superficiales. El rendimiento máximo de agua subterránea es directamente proporcional al tamaño del área de toma y a la diferencia entre la precipitación y la suma de la evapotranspiración y el escurrimiento de las tormentas. De manantiales naturales se aprovechan para captar el agua de un flujo natural de un acuífero, bajo condiciones favorables, su rendimiento puede aumentarse mediante la introducción de tubos colectores o galerías , situadas mas ó menos horizontalmente, dentro de las formaciones freáticas que los alimentan. De pozos . De galerías filtrantes, estanques o embalses. De manantiales con caudales aumentados con aguas de otras fuentes. TRATAGUA III Apuntes del Maestro: Alfredo Meza G.
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De pozos o galerías cuyo flujo se mantiene constante al retornar al suelo.
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Acuífero confinado
Flujo radial establecido de un acuífero confinado a un pozo El gasto que descarga un pozo hecho de un acuífero confinado es: Q= 2¶ bK (H-HW) / (ln(r/rw)) Símbolo
Unidades
Conceptos
Q
(m3/s)
Gasto
A
(m2)
Área
V
(m/s)
Velocidad
R
(m)
Coordenada
b
(m)
Ancho del acuífero
K
(m/s)
Permeabilidad
H
(m)
Coordenada
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3.5.- U S O S DEL AGUA.
Se estima que la extracción total de agua para uso domestico es de 8.5 km3/año (270 m3/seg). Existe capacidad para desinfectar TRATAGUA III Apuntes del Maestro: Alfredo Meza G.
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el 95% del agua que se suministra a la población, y reciben un proceso de potabilización aproximado 2.2 km3/año (70m3/seg). La generación de aguas residuales es de 7.3 km3/año y sólo se recolectan en el alcantarillado el 75.34% de estas. Se cuenta con la infraestructura para tratar 1.4 km3/año; sin embargo, sólo se tratan adecuadamente el 37.85% por lo que se descarga al ambiente y sin tratar el resto. Para el año 2000, la población del país fue de 99.2 millones de habitantes, de los cuales el 71.37% se concentra en el medio urbano y el restante 28.63% en el medio rural. La demanda total de agua potable de 9.4 km3/año y se generan 7.7 km3/año de aguas residuales, de las cuales se captan el 81.81% en el alcantarillado. En 1998 las centrales termoeléctricas generaron el 80% de la energía producida en el país y las hidroeléctricas el 20%. Las termoeléctricas e hidroeléctricas utilizaron 113.2 km3 de agua. Los Principales del uso del agua en la industria son: a.- Como materia prima en la industria química y petroquímica. b.- Como fluido de trabajo, generación de vapor, enfriamiento. c.- Como refrigerante en plantas textiles, industria alimenticia, industria metalmecánica, industria química. d.- Para extraer minerales disueltos ó sedimentados en la industria minera. e.- Para arrastrar residuos que dejan los procesos de producción.
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AGUA: MATERIA PRIMA BASICA
La manufactura de la pulpa y del papel requieren de grandes volúmenes de agua, desde sus inicios la industria se ha localizado casi exclusivamente a lo largo de los ríos mas importantes, ya que el agua se utiliza para hacer la pulpa y el papel, también para obtener energía hidráulica al represar la corriente de agua y producir la fuerza necesaria para mover ruedas hidráulicas que accionaban los molinos de pulpa. Usos Netos de Agua en la Industria Pulpa y Papel. Proceso de pulpa: Típico, gal/ton. Plantas nuevas, gal/ton. Kraft sin blanquear 15,000 - 40,000 20,000 Blanqueado de Kraft 15,000 - 35,000 20,000 Sulfito sin blanquear 15,000 - 50,000 25,000 Blanqueado de sulfito 30,000 - 50,000 40,000 Semiquímico 8,000 - 40,000 10,000 Madera molida 3,000 - 48,000 4,000 Pulpa de sosa 60,000 - 80,000 65,000 Manufactura de Papel: Papel fino 8,000 – 40,000 10,000 Papel seda 7,000 – 45,000 15,000 Papeles Kraft 2,000 – 10,000 5,000 Cartón 2,000 – 15,000 8,000 La industria de la pulpa y del papel es una gran consumidora de agua debido a que la pulpa es lavada con el agua en varios puntos dentro del proceso y es utilizada para transportar las fibras de pulpa desde su producción inicial en la planta de pulpa, a través de varias operaciones de refinación y finalmente a las máquinas de papel, donde se introduce una lechada con una concentración de 99% de agua y 1% de fibras.
USOS DEL AGUA EN LA INDUSTRIA QUÍMICA. 1.- Enfriamiento de procesos 43.7 % 2.- En productos intermedios y terminados 7.8% 3.- En Generadores de Vapor 1.5% 4.- En turbinas 12 % 5.- Otros usos lavados, transporte hidráulico, separaciones etc. 18% 6.- Servicios sanitarios y jardinería 5%
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USOS Y BALANCES DE AGUA EN LA INDUSTRIA 1.- Los procesos de enfriamiento se efectúan mediante agua fría, utilizando sistemas llamados “Torres de enfriamiento”, o sistemas cerrados de recirculación donde el agua por un proceso de humidificación, transferencia de masa y de calor, gobernado por las temperaturas de bulbo húmedo y seco del aire, sufre una evaporación y pérdida de una fracción del agua, consecuentemente un enfriamiento, por lo que se proporciona con estos sistemas y equipo de enfriamiento. Estos sistemas lo podemos explicar con el siguiente diagrama; Evaporación E Retorno agua caliente Qc a T2 gpm
Reposición de agua M a Cm
T
Agua fría gpm.
Qc a T1
Carga térmica T
Purga de agua B a Cb
Donde; E = agua evaporada equivalente proporcional al calor retirado del sistema o carga térmica. M = agua repuesta del exterior, con la concentración de sales disueltas (Cm), equivalente a la suma de perdidas, purgas y evaporación. B = agua de purga necesaria para mantener la concentración de las sales solubles en él sistema (Cb). Siendo los sólidos disueltos totales un parámetro de control. Qc = carga térmica calculada con el flujo masico de agua su calor especifico y la diferencia de temperatura T. Presentando los siguientes:
Balance de Agua (masa): M=E+B Balance de Energía: Evaporación = E = Qc Cp (T2-T1) / M = Qc Cp (T2-T1) / + B Sí = 1000 BTU/lb Calor latente de Vaporización para el agua y Cp = 1 BTU/Lb-°F M/B = Qc(T2-T1)/1000B + 1 M/B – 1 = Qc(T2-T1)/1000B
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Del balance de materia si el agua tiene “j” componentes disueltos y Cj es la concentración en gramos por litro (g/L) , la carga de este compuesto alimentado al sistema será: M Cj en kg/día. Si M esta dado en m3/día de agua repuesta. Como no se pierde por evaporación el componente tendremos un incremento diario de M x Cj kilogramos. Si el volumen total de agua del sistema es Vs, se obtiene la concentración promedio de ese compuesto en el sistema. Que será para el primer día = Cj + (MCj/V)1 para “n” días Cj n = Cj + n MCj / Vs Así se llega en “n” días al valor máximo de concentración en mg/L, del componente “j”, donde inicia a cristalizar y formar depósitos ó incrustación. Se obtiene con esta concentración los ciclos de concentración para cada componente relacionando la máxima concentración alcanzada, entre la concentración del compuesto en el agua de alimentación.
Este paso es importante en el tratamiento de agua al aplicar el principio de solubilidad o saturación (máxima ó mínima), se llega a ese valor en el transcurso de “d” días, siendo requerida un purga igual a B Cbj kg/día del compuesto “j”
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2.- Muchos procesos de las Industria química utilizan agua como medio de transporte ó integrados como materia prima de sus productos acuosos intermedios ó finales utilizando propiedades fisicoquímicas del agua como solubilidad, tensión superficial, propiedades ópticas etc. 3.- La generación de vapor para consumo en procesos químicos, utilizadas en las operaciones de destilación, evaporación, reacciones químicas endotérmica, calentamientos, pasteurizaciones, esterilizaciones, etc. 4.- La generación de vapor de alta presión para turbinas de cogeneración energía eléctrica ó mecánica. 5.- En los procesos de lavado de productos intermedios ó finales, transporte, separaciones por fluidización ó arrastre, sedimentación, centrifugación, lixiviado. 6.- Para servicios sanitarios para usos de personal en baños, comedores y potable para beber, riegos de jardines.
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Tarea 3. 1.- A partir de las anteriores expresiones del balance para una Torre de enfriamiento, determine la expresión de purga requerida cuando la Cj máx. = saturación. 2.- Investigue y haga un resumen de los pasos a seguir y los datos requeridos, para determinar si una población puede sufrir inundaciones o tendrá carencia de agua. 3.- Investigue y menciones que fuentes naturales se acercan más a la calidad del agua para uso de agua potable. 4.- De los datos en este material el párrafo 3.5 refiere la población en México y la demanda de agua potable, a cuanto asciende el valor en litros/persona-día. 5.- Investigue a cuanto asciende el consumo promedio per cápita por día en México.
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