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UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA INGENIERÍA QUÍMICA
TRABAJO DE TITULACIÓN
PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE
INGENIERO QUÍMICO
TEMA:
SIMULACIÓN Y MODELADO, DE LOS PROCESOS DE POTABILIZACIÓN PARA
PEQUEÑOS FLUJOS DE AGUAS SUBTERRÁNEAS DE CONSUMO EN UNA
PARROQUIA RURAL DEL CANTÓN EL EMPALME.
AUTOR:
BRYAN FRANCISCO BURGOS PIN
TUTOR DEL TRABAJO DE TITULACIÓN
ING. GONZALO VILLA MANOSALVAS, MSc.
GUAYAQUIL – ECUADOR
SEPTIEMBRE 2019
i
REPOSITORIO NACIONAL EN CIENCIA Y TECNOLOGÍA
FICHA DE REGISTRO DE TESIS/TRABAJO DE GRADUACIÓN
TÍTULO Y SUBTÍTULO: “Simulación y modelado, de los procesos de potabilización para pequeños flujos de aguas
subterráneas de consumo en una parroquia rural del cantón El Empalme”.
AUTOR(ES)
(apellidos/nombres): Burgos Pin Bryan Francisco
REVISOR(ES)/TUTOR(ES)
(apellidos/nombres): Ing. Gonzalo Iván Villa Manosalvas
INSTITUCIÓN: Universidad de Guayaquil
UNIDAD/FACULTAD: Facultad de Ingeniería Química
MAESTRÍA/ESPECIALIDAD:
GRADO OBTENIDO: Ingeniero Químico
FECHA DE PUBLICACIÓN: No. DE PÁGINAS: 98
ÁREAS TEMÁTICAS: Ingeniería y Tecnología de Medio Ambiente
PALABRAS CLAVES/
KEYWORDS: Potabilización de aguas, aguas subterráneas, modelado, simulación de procesos
RESUMEN/ABSTRACT:
El presente trabajo de investigación tuvo como objetivo elaborar el modelado y la simulación de los procesos de potabilización
propuestos, en relación a los datos tomados del estudio: “Electrocoagulación para tratamiento de pequeños flujos de aguas
subterráneas de consumo Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de Guayaquil. Se simulan los procesos de Captación,
Aireación de bandejas, Filtración y Desinfección usando conforme la norma de diseño para abastecimiento de agua potable
establecida por la Secretaría Nacional del Agua (SENAGUA). Las muestras de estudio fueron tomadas de sectores rurales la región costa del Ecuador: Colimes, Santa Lucía (Recinto Barbasco)
y Rocafuerte (Recinto La Jaguas) , por lo cual se toman como referencias estas aguas ya que son de fuentes subterráneas, y de
acuerdo a los cálculos y fórmulas pertinentes obtener resultados teóricos que puedan aproximarnos a los resultados reales
esperados, ofreciendo una solución rápida, previa a los costos y tiempo que puede generar un diseño real de potabilización de
aguas, ofreciendo un resultado guía para cada uno de los procesos involucrados en el tratamiento de las aguas subterráneas del
cantón El Empalme, ya que estos modelos pueden ser usados para este tipo de aguas a nivel nacional, debido a que se basa en
normas locales.
ADJUNTO PDF: X SI NO
CONTACTO CON AUTOR/ES: Teléfono:
0999928756
E-mail:
CONTACTO CON LA
INSTITUCIÓN: Nombre: Universidad de Guayaquil – Facultad de Ingeniería Química
Teléfono: 04-229-2949
E-mail: www.fiq.ug.edu.ec
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FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA
CARRERA INGENIERIA QUIMICA
UNIDAD DE TITULACIÓN
Guayaquil, 30 de agosto de 2019
CERTIFICACIÓN DEL TUTOR REVISOR
Habiendo sido nombrado Dra. Sandra Ronquillo Castro, tutor revisor del trabajo de
titulación: “Simulación y modelado, de los procesos de potabilización para pequeños
flujos de aguas subterráneas de consumo en una parroquia rural del cantón El
Empalme”. Certifico que el presente trabajo de titulación, elaborado por Burgos Pin Bryan
Francisco C.I. No. 0929440527 con mi respectiva supervisión como requerimiento parcial
para la obtención del título de INGENIERO QUÍMICO, en la Carrera de Ingeniería Química,
ha sido REVISADO Y APROBADO en todas sus partes, encontrándose apto para su
sustentación.
_______________________________
Dra. Sandra Ronquillo Castro
C.I. No. ______________
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FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
UNIDAD DE TITULACIÓN
CERTIFICADO PORCENTAJE DE SIMILITUD
Habiendo sido nombrado Gonzalo Iván Villa Manosalvas, tutor del trabajo de titulación certifico
que el presente trabajo de titulación ha sido elaborado por Bryan Francisco Burgos Pin
C.I.0929440527, con mi respectiva supervisión como requerimiento parcial para la obtención del
título de Ingeniero Químico.
Se informa que el trabajo de titulación: “Simulación y modelado de los procesos de potabilización
para pequeños flujos de aguas subterráneas de consumo en una parroquia rural del cantón El
Empalme”, ha sido orientado durante todo el periodo de ejecución en el programa antiplagio
Urkund quedando el 3 % de coincidencia.
https://secure.urkund.com/view/53415556-720544-198966
Ing. Gonzalo Iván Villa Manosalvas
Docente - Tutor
C.I. 0907348189
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FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA
CARRERA INGENIERIA QUIMICA
UNIDAD DE TITULACIÓN
LICENCIA GRATUITA INTRANSFERIBLE Y NO EXCLUSIVA PARA EL USO NO
COMERCIAL DE LA OBRA CON FINES NO ACADÉMICOS
Yo, Burgos Pin Bryan Francisco C.I. No.0929440527, certifico que los contenidos
desarrollados en este trabajo de titulación, cuyo título es “Simulación y modelado, de
los procesos de potabilización para pequeños flujos de aguas subterráneas
de consumo en una parroquia rural del cantón El Empalme.” es de mi
absoluta propiedad y responsabilidad Y SEGÚN EL Art. 114 del CÓDIGO ORGÁNICO DE
LA ECONOMÍA SOCIAL DE LOS CONOCIMIENTOS, CREATIVIDAD E
INNOVACIÓN*, autorizo el uso de una licencia gratuita intransferible y no exclusiva para
el uso no comercial de la presente obra con fines no académicos, en favor de la Universidad
de Guayaquil, para que haga uso del mismo, como fuera pertinente.
_____________________________________
Burgos Pin Bryan Francisco
C.I. No. 0929440527
*CÓDIGO ORGÁNICO DE LA ECONOMÍA SOCIAL DE LOS CONOCIMIENTOS, CREATIVIDAD E INNOVACIÓN (Registro Oficial n. 899 -
Dic./2016) Artículo 114.- De los titulares de derechos de obras creadas en las instituciones de educación superior y centros
educativos.- En el caso de las obras creadas en centros educativos, universidades, escuelas politécnicas, institutos superiores técnicos,
tecnológicos, pedagógicos, de artes y los conservatorios superiores, e institutos públicos de investigación como resultado de su
actividad académica o de investigación tales como trabajos de titulación, proyectos de investigación o innovación, artículos
académicos, u otros análogos, sin perjuicio de que pueda existir relación de dependencia, la titularidad de los derechos patrimoniales
corresponderá a los autores. Sin embargo, el establecimiento tendrá una licencia gratuita, intransferible y no exclusiva para el uso no
comercial de la obra con fines académicos.
v
DEDICATORIA
Con todo mi cariño y mi amor para mi madre Janeth Pin que siempre ha tenido fe en mí, ha
sido una gran maestra en este trayecto de mi vida, el ejemplo de perseverancia y lo sigue
siendo hasta ahora. También a mi padre Francisco Burgos por enseñarme el valor del
trabajo, y con su ejemplo de solidaridad permitirme mantenerme en el camino correcto.
A mi hija Nabil, como ejemplo de que hay que seguir avanzando y nunca rendirse a pesar de
los obstáculos que hay en la vida.
A mis hermanas por su apoyo y compañía que siempre me extendieron la mano y estuvieron
animándome para seguir adelante y lograr este éxito.
Finalmente, a los docentes que aportan con su conocimiento y experiencia a la Facultad de
Ingeniería Química, también a los docentes que ahora ya no están con nosotros y que
sembraron la semilla para continuar su legado de contribuir con todos los conocimientos
obtenidos para hacer del Ecuador un mejor país, en memoria a estos grandes maestros.
Bryan Francisco Burgos Pin
vi
AGRADECIMIENTO
Agradezco a Jehová porque me sigue dando la dicha de estar con vida, guiándome en cada
paso y decisión para poder sobrellevar el gran camino, y sobre todo, el esfuerzo que lleva la
preparación como Ingeniero Químico.
Agradezco a los docentes de la Facultad que depositaron en mí todo el conocimiento posible
que requiero para ser un profesional.
A la Dra. Sandra Ronquillo por su paciencia y ayuda desinteresada, al Ing. Gonzalo Villa
por la colaboración brindada en esta investigación.
A mis familiares en general, porque de cualquier manera me ayudaron en cada peldaño de
esta meta, por su amor incondicional.
A mi esposa Andrea por ser mi paz y mi apoyo en todo momento y con la promesa de seguir
adelante para lograr todo lo que me proponga.
Bryan Francisco Burgos Pin
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FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
UNIDAD DE TITULACIÓN
“SIMULACIÓN Y MODELADO, DE LOS PROCESOS DE POTABILIZACIÓN PARA
PEQUEÑOS FLUJOS DE AGUAS SUBTERRÁNEAS DE CONSUMO EN UNA
PARROQUIA RURAL DEL CANTÓN EL EMPALME.”
Autor: Burgos Pin Bryan Francisco
Tutor: Ing. Gonzalo Villa Manosalvas, MSc.
RESUMEN
El presente trabajo de investigación tuvo como objetivo elaborar el modelado y la simulación
de los procesos de potabilización propuestos, en relación a los datos tomados del estudio:
“Electrocoagulación para tratamiento de pequeños flujos de aguas subterráneas de consumo
Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de Guayaquil. Se simulan los procesos de
Captación, Aireación de bandejas, Filtración y Desinfección usando conforme la norma de
diseño para abastecimiento de agua potable establecida por la Secretaría Nacional del Agua
(SENAGUA).
Las muestras de estudio fueron tomadas de sectores rurales la región costa del Ecuador:
Colimes, Santa Lucía (Recinto Barbasco) y Rocafuerte (Recinto La Jaguas) , por lo cual se
toman como referencias estas aguas ya que son de fuentes subterráneas, y de acuerdo a los
cálculos y fórmulas pertinentes obtener resultados teóricos que puedan aproximarnos a los
resultados reales esperados, ofreciendo una solución rápida, previa a los costos y tiempo que
puede generar un diseño real de potabilización de aguas, ofreciendo un resultado guía para
cada uno de los procesos involucrados en el tratamiento de las aguas subterráneas del cantón
El Empalme, ya que estos modelos pueden ser usados para este tipo de aguas a nivel nacional,
debido a que se basa en normas locales.
Palabras clave: Potabilización de aguas, aguas subterráneas, modelado, simulación de
procesos
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FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
UNIDAD DE TITULACIÓN
“SIMULATION AND MODELING OF THE POTABILIZATION PROCESSES FOR
SMALL FLOWS OF UNDERGROUND WATER CONSUMPTION IN A RURAL
PARISH OF THE CANTON EL EMPALME.”
Author: Burgos Pin Bryan Francisco
Advisor: Ing. Gonzalo Villa Manosalvas, MSc.
ABSTRACT
The objective of this research work was to develop the modeling and simulation of the
proposed purification processes, in relation to the data taken from the study:
“Electrocoagulation for the treatment of small flows of underground groundwater for
consumption. Faculty of Chemical Engineering of the University of Guayaquil The processes
of Collection, Aeration of trays, Filtration and Disinfection are simulated using according to
the design standard for drinking water supply established by the National Secretariat of Water
(SENAGUA).
The study samples were taken from rural sectors in the coastal region of Ecuador: Colimes,
Santa Lucía (Barbasco Campus) and Rocafuerte (La Jaguas Campus), so these waters are
taken as references since they are from underground sources, and in agreement to the
pertinent calculations and formulas to obtain theoretical results that can approximate the
expected real results, offering a quick solution, prior to the costs and time that a real design
of water purification can generate, offering a guiding result for each of the processes involved
in the treatment of groundwater in the El Empalme canton, since these models can be used
for this type of water nationwide, because it is based on local regulations.
Keywords: Water purification, groundwater, modeling, process simulation
ix
ÍNDICE GENERAL
DEDICATORIA ..................................................................................................................................... v
AGRADECIMIENTO ............................................................................................................................ vi
RESUMEN.. ...................................................................................................................................... .vii
ABSTRACT… ..................................................................................................................................... viii
ÍNDICE DE ABREVIATURAS ............................................................................................................ xii
ÍNDICE DE TABLAS ....................................................................................................................... xiii
ÍNDICE DE FIGURAS ..................................................................................................................... xiii
ÍNDICE DE FOTOGRAFÍA .............................................................................................................. xiv
INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................................1
1 CAPÍTULO I........................................................................................................................2
EL PROBLEMA .................................................................................................................................2
1.1 Planteamiento del problema ..............................................................................................2
1.1 Formulación y Sistematización de la Investigación .............................................................2
1.2 Formulación del problema de investigación .......................................................................3
1.2.1 Sistematización del problema .....................................................................................3
1.3 Justificación de la investigación ..........................................................................................3
1.3.1 Justificación teórica ....................................................................................................3
1.3.2 Justificación metodológica .........................................................................................3
1.3.3 Justificación práctica...................................................................................................4
1.4 Objetivos de la investigación ..............................................................................................4
1.4.1 Objetivo general .........................................................................................................4
1.4.2 Objetivo especifico .....................................................................................................4
1.5 Delimitación de la investigación .........................................................................................5
1.5.1 Delimitación Temporal ...............................................................................................5
1.5.2 Delimitación Espacial ..................................................................................................5
1.5.3 Delimitación del Contenido ........................................................................................7
1.6 Hipótesis .............................................................................................................................7
1.6.1 Variable independiente ..............................................................................................8
1.6.2 Variable dependiente .................................................................................................8
1.6.3 Operacionalización de las variables ............................................................................9
2 CAPÍTULO II.....................................................................................................................10
x
MARCO DE REFERENCIA ...............................................................................................................10
2.1 Antecedentes ...............................................................................................................10
2.2 Marco Teórico ..................................................................................................................11
El agua como recurso ...............................................................................................................11
Aguas subterráneas ..................................................................................................................11
El agua subterránea en el Ecuador ...........................................................................................12
Contaminación del agua subterránea ......................................................................................13
2.2.1 Características Físico Químicas del Agua Subterránea..............................................14
2.2.2 Calidad Bacteriológica del agua ................................................................................16
2.2.3 La consecuencia de los productos químicos agrícolas sobre el ambiente ................17
2.2.4 Procesos de tratamientos propuestos para potabilizar el Agua Subterránea ...........17
Variaciones de consumo ..........................................................................................................20
Caudal de diseño ......................................................................................................................22
Tratamiento..............................................................................................................................22
Almacenamiento ......................................................................................................................23
Tratamientos Potables .............................................................................................................31
Carga superficial .......................................................................................................................32
Dimensionamiento de sistema de filtrado ...............................................................................33
Área de filtración requerida. ....................................................................................................33
Hipoclorito de Sodio .................................................................................................................38
3 CAPÍTULO III....................................................................................................................40
3.1 Metodología de la investigación .......................................................................................40
3.2 Materiales y Equipos ..........................................................................................................40
3.3 Diseño de la investigación ..................................................................................................40
4 CAPÍTULO IV ...................................................................................................................41
4.1 Cálculos y Resultados .......................................................................................................41
4.1.2 CAUDALES DE DISEÑO ..............................................................................................41
4.1.3.4 Caudal de diseño o Caudal de bombeo: ...................................................................42
4.2 DESINFECCIÓN ..............................................................................................................44
5 CAPÍTULO V ....................................................................................................................46
5.1 Conclusiones.....................................................................................................................46
5.2 Recomendaciones ............................................................................................................46
5.3 Bibliografía .......................................................................................................................47
xi
5.4 Referencias .................................................................................................................................47
5.5 Anexos ..............................................................................................................................50
Anexo A. TABLAS DE RESULTADOS DE ANÁLISIS DE AGUAS .....................................................50
Anexos B NORMA INEN 1108 AGUA POTABLE .........................................................................53
Anexos C Fotografías ................................................................................................................61
Anexos D Tutoriales para modelados .......................................................................................69
TUTORIAL PARA EL MODELO DOTACIÓN..................................................................................69
TUTORIAL PARA EL MODELO AIREADORES DE BANDEJAS ........................................................73
TUTORIAL PARA EL MODELO FILTRACION ................................................................................77
TUTORIAL PARA EL MODELO DESINFECCION AGUAS ...............................................................81
xii
ÍNDICE DE ABREVIATURAS
mg/L Miligramos por litro
ml Mililitros
cm Centímetros
mm Milímetros
m/d Metros por días
m2 Metros cuadrados
m3 Metros cúbicos
µm Micra
m3/d Metro cúbico por día
ppm Partes por millón
ml/min Mililitros por minuto
L/hab*día Litro habitante por día
l/día Litro por día
l/s Litro por segundo
seg. Segundo
m3/h Metro cúbico por hora
g/h Gramos por hora
l/día-agua Litros por día de agua
Q Caudal
xiii
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Operacionalización de las variables .....................................................................................9
Tabla 2 Parámetros de Turbiedad y pH ...........................................................................................15
Tabla 3 Parámetros químicos de agua .............................................................................................16
Tabla 4 Parámetros bacteriológicos .................................................................................................16
Tabla 5 Tasa de crecimiento poblacional ........................................................................................18
Tabla 6 Niveles de servicio para sistemas de abastecimiento de agua, disposición de excertas y
residuos sólidos. ...............................................................................................................................19
Tabla 7 Dotaciones de agua para los diferentes niveles de servicio .................................................20
Tabla 8 Porcentajes de fugas a considerarse en el diseño de sistemas de abastecimiento de agua
potable ..............................................................................................................................................22
Tabla 9 Parámetros para diseñar un aireador de bandejas................................................................24
Tabla 10 Períodos de contacto mínimos aireadores .........................................................................24
Tabla 11 Clasificación de filtros rápidos .........................................................................................28
Tabla 12 Velocidad y caudales para operación de filtros rápidos ...................................................29
Tabla 13 Guía de diseño para filtros rápidos ...................................................................................29
Tabla 16 Lavado de filtros ...............................................................................................................31
Tabla 17 Ejemplos de filtración tradicional .....................................................................................31
Tabla 18 Características del agua y tratamiento potable ..................................................................31
Tabla 19 Valores de k para dosificación de cloro, para n = 0,86 .....................................................37
Tabla 20 Límites de cloro residual ..................................................................................................37
Tabla 21 Demanda de cloro para aguas ...........................................................................................37
Tabla 20 Materiales y Equipos ........................................................................................................40
Tabla 22 POZO 1: Guayas -Recinto Barbasco – Santa Lucía ..........................................................50
Tabla 23 POZO 2: Manabí -Recinto Las Jaguas – Rocafuerte ........................................................50
Tabla 24 POZO 3: Manabí -Recinto Las Jaguas – Rocafuerte ........................................................51
Tabla 25 POZO 4: Guayas -Centro del pueblo de colimes ..............................................................51
Tabla 26 Análisis microbiológico del agua cruda del POZO 2 ........................................................52
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 Mapa de Ubicación del pozo 1, proveniente de la zona rural: Santa Lucía .........................5
Figura 2 Mapa de Ubicación del pozo 2, proveniente de Rocafuerte ...............................................6
Figura 3 Mapa de Ubicación del pozo 3, proveniente de Rocafuerte ................................................6
Figura 4 Mapa de Ubicación del pozo 4, proveniente de Colimes ....................................................7
Figura 5 Mapa de población con saneamiento básico por cantones 2010 ........................................10
Figura 6 Participación porcentual Aguas Subterráneas vs Aguas superficiales ...............................12
Figura 7 Composición porcentual de los recursos hídricos totales por región .................................12
xiv
Figura 8 Participación porcentual de caudal autorizado de agua subterránea por usos, años 2006 y
2016 .................................................................................................................................................13
Figura 9 Torre de aireación de la planta de tratamiento San Carlos. ...............................................23
Figura 10 Aireadores típicos de bandejas .......................................................................................25
Figura 11 Teoría de filtración ..........................................................................................................32
Figura 12 Resultados de análisis fisicoquímico de la muestra de agua de pozo cruda ....................62
Figura 13 Resultados de análisis microbiológicos del agua de pozo cruda......................................63
Figura 14 Resultado microbiológicos de agua de pozo Manabí. .....................................................64
Figura 15 Interfase para el modelo "Captación de aguas" ...............................................................65
Figura 16 Interfase para el modelo "Diseño de aireadores de bandejas" .........................................66
Figura 17 Interfase para el modelo “Desinfección de aguas” ..........................................................67
Figura 18 Interfase para el modelo “Filtración Rápida” ..................................................................68
ÍNDICE DE FOTOGRAFÍA
Fotografía 1 Pozo de agua subterránea para consumo ....................................................................61
Fotografía 2 Vista superior de un pozo abierto de agua subterránea ..............................................61
1
INTRODUCCIÓN
El agua en su estado natural no es pura, en la naturaleza las aguas de ríos, lagos, subterráneos,
mares y aguas lluvias presentan diferentes contenidos de sales minerales, gases y partículas
que se encuentran presentes en aquellos medios en los que se halla este recurso hídrico.
Las aguas subterráneas son un recurso natural, de tal manera hay varios contaminantes que
son generados de forma natural o también son derivados de actividades humanas como: aguas
residuales, pesticidas, productos agrícolas, desechos industriales, etc., estos alteran las
características de manera tal que la imposibilita de muchos usos, y esto incluye el de consumo
humano.
Estas aguas están protegidas por las capas del mismo suelo, dependiendo también de las
características de éste. Sin embargo, las aguas de pozo tienen altas cargas de minerales
disueltos como hierro y manganeso, así también altas concentraciones de anhídrido
carbónico, que por la conversión de este gas en ácido carbónico influye en los valores bajos
de pH.
En relación a los resultados comparativos urbano-rural se evidencia que el 79,1% de la
población urbana tiene agua segura y del área rural apenas el 51,4%, esto significa que en el
área rural la mitad de la población no cuenta con agua segura, también la problemática se
centra en la calidad del agua.
El presente proyecto surge como respuesta a los bajos niveles de cobertura y una baja
eficiencia en el servicio de agua potable en las zonas rurales del Ecuador, se ha propuesto
ofrecer una solución a los sectores que hacen uso de las aguas subterráneas para consumo,
con la Simulación y modelado de los procesos de potabilización para pequeños flujos de
aguas subterráneas de consumo.
Este proceso constará de las siguientes etapas: Captación, Aireación de bandejas, Filtración
Rápida y Desinfección tomando como base los parámetros de diseño que indica la Secretaria
Nacional del Agua (SENAGUA).
2
1 CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
1.1 Planteamiento del problema
Según información del último estudio realizado por SENAGUA, se registran 6916 pozos de
agua en el Ecuador, de los cuales se determina la distribución porcentual del uso de estas
aguas en donde: El 77.55% es para consumo humano, 8,98% es usado para riego de cultivos,
6,51% para abrevadero, y 4,87% es para uso industrial. (SENAGUA, 2016)
En el Ecuador, existen zonas en las cuales el agua subterránea es el único recurso al cual
tienen acceso, estos son intensamente explotados a falta de otros recursos hídricos, más aún
en periodos de sequía por lo que cada vez se hace más urgente la demanda hídrica, y como
consecuencia del crecimiento poblacional y del desarrollo industrial y agropecuario existe
degradación en la calidad de estas aguas subterráneas también a falta de protección y control
de las mismas. (Burbano, 2011)
El Empalme que cuenta con 84.472 habitantes, a pesar de ubicarse al pie de la cuenca del río
Guayas es un cantón con déficit de agua potable, según el censo del 2010 hasta esa fecha, el
15,46% de los pobladores contaba con cobertura de agua potable por red pública, y hasta el
2014 creció al 33,7%, por lo cual aún sigue siendo una necesidad de este cantón. (Albán,
2018)
Un estudio realizado en el año 2013 de la Prefectura del Guayas indica que uno de los
indicadores de contaminación son las altas concentraciones de coliformes fecales en varios
cantones, entre ellos El Empalme, también la actividad agrícola mal manejada es causal de
presencia de plaguicidas en el agua, por lo cual es necesario el tratamiento de potabilización.
(Diario El Universo, 2017)
1.1 Formulación y Sistematización de la Investigación
Se consideró para esta investigación datos de caracterización de agua de pozo de la
investigación: “Electrocoagulación para tratamiento de pequeños flujos de aguas
subterráneas de consumo rural” conociendo que estas aguas son de uso de los habitantes de
3
sectores rurales, con contexto de producción ganadera, agrícola y avícola; lo que incide en
los contaminantes de esas aguas; y por ende no cuentan con la calidad para consumo humano.
1.2 Formulación del problema de investigación
¿Es posible mediante la simulación y modelado predecir el tiempo y la dosificación necesaria
para el tratamiento que requiere el agua subterránea para ser potabilizada y apta para el
consumo humano?
1.2.1 Sistematización del problema
Esta investigación pretende demostrar cuáles son los procesos necesarios y adecuados para
lograr la potabilización del agua subterránea en estudio para su posterior consumo aplicando
la simulación mediante el programa MATLAB, siendo también útil para realizar
simulaciones con diferentes condiciones y características en base a otros resultados
experimentales obtenidos de aguas subterráneas en general.
1.3 Justificación de la investigación
1.3.1 Justificación teórica
La deficiencia del suministro de agua potable hace que los habitantes se vean orientados al
uso y consumo de las aguas subterráneas sobre todo en las zonas rurales de este cantón;
creando la necesidad de abastecimiento de este recurso vital. Y debido a la falta de
tratamiento de estas aguas previo a su consumo ponen en riesgo su salud.
Siendo este un problema en esta zona se considera necesario buscar una metodología que sea
una opción para contribuir a mitigar la deficiencia de este suministro hídrico, bajo parámetro
de normas ambientales vigentes para el Ecuador.
1.3.2 Justificación metodológica
El Ingeniero Químico posee la capacidad de solucionar este tipo de inconvenientes
relacionados al mejoramiento de aguas, por lo cual en esta investigación se propone el uso
4
del programa MATLAB para la resolución de ecuaciones mediante el ingreso de datos
necesarios que servirán para el proceso adecuado del tratamiento de aguas subterráneas según
los resultados obtenidos de la caracterización de las muestras. El uso de este simulador tiene
relevancia ya que simplifica la labor en la solución de ecuaciones matemáticas y de ingeniería
permitiendo ejecutar los procesos de potabilización de manera virtual, con el fin de obtener
resultados favorables con un menor costo de recursos que si se ejecutaran en un sistema real.
1.3.3 Justificación práctica
Los resultados de este trabajo serán útiles para la propuesta de los sistemas que se requieran
para el proceso de potabilización del agua subterránea de la parroquia, de acuerdo a la
demanda del sector, mediante el ingreso de datos al simulador, ofrecerá respuestas causales
que permitirán una orientación rápida a las necesidades de los procesos propios del agua
subterránea a tratar, y de esta manera utilizando un lenguaje básico de simulación contribuir
al desarrollo de nuevas tecnologías amigables con el medio ambiente y la ingeniería.
1.4 Objetivos de la investigación
1.4.1 Objetivo general
Proponer una solución alternativa al estudio y análisis a la problemática de acceso del agua
potable de las comunidades rurales del cantón El Empalme, con el diseño de un modelo
desarrollado usando el lenguaje de programación matemática Matlab, que permita la
simulación de los procesos necesarios para la potabilización de pequeños flujos de aguas
subterráneas para su consumo.
1.4.2 Objetivo especifico
• Utilizar los resultados de la caracterización de las aguas subterráneas del estudio:
“Electrocoagulación para tratamiento de pequeños flujos de aguas subterráneas de consumo
rural”, por ser un referente del perfil de las aguas del sector rural en atención.
• Construir un modelo para estudiar los procesos de potabilización de bajos flujos de
aguas subterráneas utilizando el simulador desarrollado con el programa Matlab.
5
• Con datos reales característicos del agua subterránea obtenidos de otra investigación,
simular los procesos y tiempo de tratamiento necesario para la orientación a la obtención de
aguas potable para consumo de la comunidad rural del cantón El Empalme.
1.5 Delimitación de la investigación
1.5.1 Delimitación Temporal
Esta investigación se realizó con los resultados del estudio de las muestras tomadas de aguas
de pozos de diferentes sectores de la costa ecuatoriana, las cuales fueron llevadas a cabo en
un periodo de 6 meses.
1.5.2 Delimitación Espacial
Las muestras del estudio tomado como referencia fueron obtenidas de los sectores rurales de
la Costa del Ecuador: Colimes, Santa Lucía (Recinto Barbasco) y Rocafuerte (Recinto La
Jaguas)
Fuente: (Soriano Muñoz & Zambrano Macias, 2019)
Figura 1 Mapa de Ubicación del pozo 1, proveniente de la zona rural:
Santa Lucía
6
Fuente: (Soriano Muñoz & Zambrano Macias, 2019)
Fuente: (Soriano Muñoz & Zambrano Macias, 2019)
Figura 2 Mapa de Ubicación del pozo 2, proveniente de Rocafuerte
Figura 3 Mapa de Ubicación del pozo 3, proveniente de Rocafuerte
7
Fuente: (Soriano Muñoz & Zambrano Macias, 2019)
1.5.3 Delimitación del Contenido
El presente trabajo se fundamenta en la recopilación de información publicada de trabajos
referente al tema en análisis, libros e investigaciones realizadas que muestran tratamiento de
aguas subterráneas, y mediante los resultados obtenidos de otras investigaciones se procederá
a determinar el tratamiento idóneo para el agua motivo de este estudio de investigación y
usando el lenguaje de programación Matlab se simularán los procesos de potabilización que
permitan mejorar la calidad del agua y sus tratamientos de casos similares.
1.6 Hipótesis
Mediante la simulación y análisis de los procesos involucrados en la potabilización de aguas
subterráneas se pretende demostrar que es posible entregar agua con parámetros permisibles
para consumo humano para la comunidad rural en atención y similares.
Figura 4 Mapa de Ubicación del pozo 4, proveniente de Colimes
8
1.6.1 Variable independiente
Simulador virtual desarrollado con el programa Matlab.
1.6.2 Variable dependiente
Aguas para consumo del sector rural.
9
1.6.3 Operacionalización de las variables
Tabla 1 Operacionalización de las variables
Problema General Objetivo General Hipótesis Variable
Independiente Variable
Empírica Indicadores Ítems
En las comunidades rurales es
muy difícil tener acceso al agua
potable debido a los costos y
diseño de los procesos para cada etapa de potabilización que se
deben comprender de acuerdo a
las necesidades según las
características del agua subterránea en estudio.
Proponer una solución alternativa al estudio
y análisis a la problemática de acceso del
agua potable de las comunidades rurales del
cantón El Empalme, con el diseño de un modelo desarrollado usando el lenguaje de
programación matemática Matlab, que
permita la simulación de los procesos
necesarios para la potabilización de pequeños flujos de aguas subterráneas para
su consumo.
Mediante la simulación
y análisis de los
procesos involucrados
en la potabilización de aguas subterráneas se
pretende demostrar que
es posible entregar
agua con parámetros permisibles para
consumo humano para
la comunidad rural en
atención y similares.
Simulador
virtual
desarrollado
con el programa
Matlab.
Modelo desarrollado
con el lenguaje de
cómputo de Matlab
mg/L; m3/h ;
g/h ; L/s ; m ;
g/m3.
Uso de
modelo
matemático
Matlab para diseñar los
modelados de
acuerdo con
los parámetros
que indica
SENAGUA
Problema específico Objetivo Específico Variable
Dependiente
Según las características y análisis
fisicoquímicos y microbiológicos
del agua se deben determinar los procesos adecuados de
potabilización para las aguas
subterráneas del sector rural para
obtener agua apta para consumo.
1) Utilizar los resultados de la
caracterización de las aguas subterráneas del
estudio: “Electrocoagulación para tratamiento de pequeños flujos de aguas
subterráneas de consumo rural”, por ser un
referente del perfil de las aguas del sector
rural en atención.
2) Construir un modelo para estudiar los
procesos de potabilización de bajos flujos de
aguas subterráneas utilizando el simulador
desarrollado con el programa Matlab.
3) Con datos reales característicos del agua
subterránea obtenidos de otra investigación,
simular los procesos y tiempo de tratamiento
necesario para la orientación a la obtención de aguas potable para consumo de la
comunidad rural del cantón El Empalme.
Aguas para
consumo del
sector rural.
Calidad del agua
potable
Norma Inen
NTE INEN
1108
Aplicación
de los
procesos requeridos
para cumplir
con la norma
establecida
Elaborado por: Bryan Burgos Pin.
10
2 CAPÍTULO II
MARCO DE REFERENCIA
2.1 Antecedentes
Entre los resultados obtenidos, en el país en 2016 el 70,1% de la población cuenta con un
manejo seguro del agua o agua de calidad, el 85,9% de la población cuenta con instalaciones
mejoradas. Sin embargo, al verificar que la población cuente con agua segura, saneamiento
básico e insumos para el lavado de manos (ASH, por sus siglas en español), se determinó que
solo el 55,5% de la población ecuatoriana cuenta con dichos componentes de manera
simultánea. Pero la cifra es menor para la población rural, donde solo el 36,4% tiene agua
segura. En cuanto a la brecha urbano-rural, también afecta a los niños: el 34,3% de los niños
que viven en el área rural tienen ASH y el 61,7% corresponde para los niños del área urbana.
Figura 5 Mapa de población con saneamiento básico por cantones 2010
Fuente: (Molina, Pozo, & Serrano, 2018)
Como se observa en el mapa, los cantones de saneamiento más bajas (menos del 56% de la
población) se encuentran en la región amazónica, los cantones con coberturas de la región
Costa más bajas son: los cantones Eloy Alfaro, Muisne, San Lorenzo, Chilla, Santa Lucía y
Pindal. (Molina, Pozo, & Serrano, 2018).
11
Mauricio Narváez en su estudio de nominado “Diseño de un sistema de potabilización a partir
de aguas subterráneas, para la planta los Álamos de la ciudad de Francisco de Orellana” , en
base a las características físico-químicas y micro bacteriológicas de las aguas subterráneas
tomadas del sector Los Álamos de la ciudad Francisco de Orellana, propuso que entre los
procesos de tratamientos necesarios para remover el exceso de Hierro, Coliformes fecales,
coliformes totales y turbiedad, los más factibles son: Captación, aireación de Bandejas,
filtración y desinfección, realizando los diseños como propuesta para la potabilización del
agua subterránea. (Narváez Hernández, 2010).
2.2 Marco Teórico
El agua como recurso
El agua es el recurso que aparece con mayor cantidad en la superficie terrestre, esta forma
los océanos, los ríos, etc.; además constituye parte esencial de todos los organismos vivos.
El agua no se puede sustituir, la mayor reserva hídrica se encuentra en los océanos y mares,
todos los pobladores de la tierra tienen acceso, pero el consumo creciente hace de este sea
limitado, el ser humano necesita agua en una determinada calidad y tiene menos del 0,08%
del agua total del planeta delimitada en lagos manantiales y ríos, lo que simboliza el total del
agua apta para su consumo. (González González, 2015)
Aguas subterráneas
Es el agua que existe bajo el nivel freático, sin embargo, las personas toman en cuentan el
líquido de los lagos, ríos o mares, pero el agua además está presente como parte del ciclo
hidrológico en la atmosfera, las nubes, los glaciares y debajo del suelo, en forma de hielo o
vapor.
La virtud de las aguas subterráneas está en que se pueden encontrar en casi cualquier lugar
del mundo, además estas aguas debido a la filtración natural son limpias. Estas pueden
originarse por la infiltración de aguas de lluvia, ríos o glaciares, al igual que el agua
superficial éstas también se agotan. (Pérez Villareal & Ávila Olivera, 2015)
12
El agua subterránea en el Ecuador
En la mayor parte del territorio ecuatoriano existe agua subterránea dulce que está disponible,
indicando que los acuíferos más abundantes se encuentran en la cuenca del río Guayas y en
los aluviones del Oriente.
También hay lugares en donde tienen como único recurso de acceso el agua subterránea de
donde se abastecen a las poblaciones para su consumo, esta agua también es usada para el
riego de cultivos por lo que es un recurso esencial.
El promedio anual de los recursos hídricos subterráneos en el Ecuador es de 56,556 hm3 de
los cuales 15,137 hm3 le corresponden a la región Costa, 8,381 hm3 a la Sierra y 33,037 hm3
a la Amazonía; siendo el volumen neto de aguas subterráneas de 14,272 hm3. (SENAGUA
S. d., 2017)
Fuente: (SENAGUA S. d., 2017)
Fuente: (SENAGUA S. d., 2017)
Figura 6 Participación porcentual Aguas Subterráneas vs Aguas superficiales
Figura 7 Composición porcentual de los recursos hídricos totales por región
13
Figura 8 Participación porcentual de caudal autorizado de agua subterránea por usos, años
2006 y 2016
Fuente: (SENAGUA S. d., 2017)
Contaminación del agua subterránea
La contaminación de aguas subterráneas se da por las actividades que realizan los habitantes
en la superficie de las cuales cabe mencionar:
• Derrame de sustancias tóxicas tales como grasas y aceites, residuos químicos que a
continuación se infiltran
• Sobre explotación de los acuíferos que pone en riesgo la recarga de los mismos.
• Fugas en la red de alcantarillado.
• Esta contaminación de las aguas subterráneas imposibilita el uso para las futuras
generaciones, tanto para uso de consumo, como comercial y agrícola. (Ambiente,
s.f.)
14
2.2.1 Características Físico Químicas del Agua Subterránea
▪ Color: El color del agua es otorgado debido a sustancias disueltas o en suspensión que
pueden existir en la misma, también pueden ser productos de materia orgánica o
descomposición de vegetales. Se puede mencionar que también se debe a presencia de sales
como Hierro y Manganeso en caso de aguas subterráneas ya que estas son poco oxigenadas.
(Calderón López & Orellana Yánez, 2015)
▪ Dureza: La dureza está representada por la concentración de cationes metálicos que se
encuentran presentes en el agua, esta dureza es resultado causal de sales de Calcio y
Magnesio, también así en menor nivel por Aluminio, Hierro, Manganeso, y Zinc. Esta dureza
es expresada como la cantidad de CaCO3 equivalente. (Caiza Chananguano, 2014)
▪ pH: El pH influye en algunos fenómenos que se producen en el agua, este término es
empleado para expresar la concentración de iones hidronio [H+] con la relación de la
concentración de iones hidroxilo [OH-] y seguidamente, el grado de acidez o alcalinidad de
una muestra de agua; sin embargo, no mide la alcalinidad total ni la acidez total de la misma.
Este influye en la eficacia de los desinfectantes, en el caso del cloro permite para el pH más
bajo que prevalezca un compuesto clorado más eficaz (ácido hipocloroso, HOCl) sobre otro
de menor poder desinfectante (ión hipoclorito. OCI-). No obstante, si el agua muestra un
valor de pH menor a 7 unidades puede actuar como corrosiva, por lo contrario, si presenta
mayor a 7 puede causar depósitos de calcio que obstruyen las tuberías de distribución.
(Lozano Rivas & Lozano Bravo, 2015)
▪ Turbidez: La turbidez se debe a la presencia de partículas de materia insoluble tales como:
sales de hierro, arcilla, materia orgánica, etc., toda agua potable debería ser transparente y
sin partículas en suspensión. La turbidez en aguas subterráneas puede ser generada por
presencia de partículas orgánicas o por desprendimiento de biopelículas en el sistema de
distribución. El valor paramétrico para la turbidez es UNF. (Pradana Pérez, y otros, 2019)
15
Tabla 2 Parámetros de Turbiedad y pH
PARÁMETRO UNIDADES LÍMITE DESEABLE LÍMITE MÁXIMO
PERMISIBLE
Turbiedad
pH
NTU
U
5
7.0 – 8.5
20
6.5 – 9.5
Fuente: (Secretaría del Agua, Norma de diseño para sistemas de abastecimiento de
agua potable, disposición de excretas y residuos líquidos en el área rural, 2014)
▪ Hierro y Manganeso: El hierro y el manganeso son elementos que casi siempre se
encuentran juntos en aguas subterráneas, estos son causantes de la coloración del agua, no
obstante, pueden causar obstrucción en las tuberías. La eliminación se da mediante aireación,
floculación y filtración. Por lo tanto, para las aguas dirigidas al consumo las concentraciones
totales de Hierro y Manganeso no deben superar los 0,3 y 0,1 mg/L. Aunque no se conozcan
efectos adversos que puedan perjudicar la salud, las concentraciones superiores a 2 mg/L de
Hierro y mayores de 0,4 mg/L de Manganeso causan sabor desagradable al agua. El Hierro
y Manganeso se miden por titulación o colorimetría. (Lozano Rivas & Lozano Bravo, 2015)
▪ Nitritos y Nitratos: La existencia de nitrito y nitrato en el agua, es un indicador de
contaminación. Es consecuencia de una nitrificación del nitrógeno orgánico o de disolución
de sales de nitratos atravesados por el agua.
El exceso de estos componentes en el agua para consumo es responsable de
metahemoglobina, el cual reduce la capacidad de absorción de oxígeno mediante la sangre.
(Andrés Cabrerizo, 2019)
▪ Sulfatos: Este componente otorga salinidad a las aguas, deterioro de sabor y es proveniente
de la oxidación de sulfuros, encontrándose en forma de magnesita. El valor puede ser de 30
a 50 mg/L, pero en zonas yesíferas pueden llegar a 300 mg/L y estas pueden originar
corrosión de los sistemas de distribución y causar efectos laxantes, aunque suelen encontrarse
concentraciones más altas en aguas subterráneas. (Pradana Pérez, y otros, 2019)
16
Tabla 3 Parámetros químicos de agua
PARÁMETRO UNIDADES LÍMITE DESEABLE LÍMITE MÁXIMO
PERMISIBLE
Dureza Total
Sólidos totales disueltos
Hierro
Manganeso
Nitratos, NO3
Sulfatos
mg/l CaCO3
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
120
500
0.2
0.05
10
50
300
1000
0.8
0.3
40
400
Fuente: (Secretaría del Agua, Norma de diseño para sistemas de abastecimiento de agua
potable, disposición de excretas y residuos líquidos en el área rural, 2014)
2.2.2 Calidad Bacteriológica del agua
Las aguas subterráneas están libres de organismos microbiológicos que puedan producir
enfermedades al ser humano. No obstante, se ven afectadas las capas freáticas por la
contaminación superficial existente tales como aguas residuales, fertilizantes y desechos en
general que puedan ser filtradas al agua siendo causantes de contaminación. (Narváez
Hernández, 2010)
Tabla 4 Parámetros bacteriológicos
PARÁMETRO UNIDADES LÍMITE DESABLE LÍMITE MÁXIMA
PERMISIBLE
Coliformes totales
Color
Olor
Sabor
NMP/100 ml
Pt-Co
Ausencia
5
Ausencia Inobjetable
Ausencia
30
Ausencia Inobjetable
Fuente: (Secretaría del Agua, Norma de diseño para sistemas de abastecimiento de agua
potable, disposición de excretas y residuos líquidos en el área rural, 2014)
17
2.2.3 La consecuencia de los productos químicos agrícolas sobre el ambiente
Para las grandes plantaciones mecanizadas de los Estados Unidos inducen más alimentos por
hombres- hectáreas que las de cualquier otro país, la aplicación de los insecticidas y
fertilizantes ha tenido efectos nocivos sobre el ambiente. En la agricultura, los fertilizantes
que tienen alto contenido de nitrato y fósforo se han filtrado hasta las aguas subterráneas
donde han causado efecto dañino para la salud, los países en desarrollo representan el 25%
del uso mundial de plaguicidas en la agricultura. (Organización de las Naciones Unidas para
la Alimentación y la Agricultura, s.f.)
2.2.4 Procesos de tratamientos propuestos para potabilizar el Agua Subterránea
2.2.4.1 Captación
La captación de agua subterránea es el conjunto de dispositivos o estructuras que permiten
obtener agua en cierto volumen desde un cuerpo subterráneo de forma continua para
satisfacer una determinada demanda sin disminución de las condiciones hidrológicas aguas
abajo. (Secretaría del Agua, Mejora del conocimiento de aguas subterráneas para contribuir
a su protección, gestión integrada y gobernanza, 2016).
La estructura de captación deberá tener una capacidad que permita derivar un caudal mínimo
al sistema de agua potable de 1.2 veces el caudal máximo diario correspondiente al final del
periodo de diseño. (Secretaría del Agua, Norma de diseño para sistemas de abastecimiento
de agua potable, disposición de excretas y residuos líquidos en el área rural, 2014)
Período o Tiempo de diseño
Es el lapso en el cual la obra cumple su función sin necesidad de ampliaciones. En base a la
norma vigente del Ecuador (SENAGUA), los sistemas de agua potable serán diseñados para
un período de 20 años, o en un justificado caso se podrá diseñar para un período de diseño
diferente, pero en ningún caso la población futura puede ser mayor 1.25 veces la población
presente.
Fuente: (Secretaría del Agua, Norma de diseño para sistemas de abastecimiento de agua
potable, disposición de excretas y residuos líquidos en el área rural, 2014)
18
Población de diseño
La población de diseño será calculada en base a la población presente que es determinada
mediante un recuento poblacional en función de las características de cada comunidad.
Fuente: (Secretaría del Agua, Norma de diseño para sistemas de abastecimiento de agua
potable, disposición de excretas y residuos líquidos en el área rural, 2014)
Población Futura
Para el cálculo de la población futura se empleará la siguiente fórmula:
Pf = Pa*(1+r)n
(1)
Donde:
Pf: Población futura (habitantes)
Pa: Población actual (habitantes)
r: Tasa de crecimiento geométrico de la población expresada como fracción decimal*
n: Período o tiempo de diseño (años)
Para el cálculo de la tasa de crecimiento poblacional se tomará como base los datos
estadísticos proporcionados por los censos nacionales, y solo en caso de falta de estos datos
se adoptarán los índices de crecimiento geométrico que se indican en la siguiente tabla:
Tabla 5 Tasa de crecimiento poblacional
REGIÓN GEOGRÁFICA r (%)
Sierra
Costa, Oriente y Galápagos
1.0
1.5
Fuente: (Secretaría del Agua, Norma de diseño para sistemas de abastecimiento de agua
potable, disposición de excretas y residuos líquidos en el área rural, 2014)
19
En el diseño, serán considerados los siguientes niveles de servicios:
Tabla 6 Niveles de servicio para sistemas de abastecimiento de agua, disposición de excertas
y residuos sólidos.
NIVEL SISTEMA DESCRIPCIÓN
0 AP
EE
Sistemas individuales. Diseñar de acuerdo a las
disponibilidades técnicas, usos previstos del agua, preferencias
y capacidad económica del usuario
Ia AP
EE
Grifos públicos
Letrinas sin arrastre de agua
Ib AP
EE
Grifos públicos más unidades de agua para lavado de ropa y
baño
Letrinas sin arrastre de agua
IIa AP
EE
Conexiones domiciliarias, con un grifo por casa
Letrinas con o sin arrastre de agua
IIb AP
ERL
Conexiones domiciliarias, con más de un grifo por casa
Sistema de alcantarillado sanitario
Simbología utilizada:
AP: Agua potable
EE: Eliminación de excretas
ERL: Eliminación de residuos líquidos
Fuente: (Secretaría del Agua, Norma de diseño para sistemas de abastecimiento de agua
potable, disposición de excretas y residuos líquidos en el área rural, 2014)
20
Dotaciones
En la Tabla 7, se muestran las dotaciones correspondientes a los diferentes niveles de
servicio.
Tabla 7 Dotaciones de agua para los diferentes niveles de servicio
NIVEL DE SERVICIO CLIMA FRIO
(l/hab*día)
CLIMA CALIDO
(l/hab*día)
Ia
Ib
IIa
IIb
25
50
60
75
30
65
85
100
Fuente: (Secretaría del Agua, Norma de diseño para sistemas de abastecimiento de agua
potable, disposición de excretas y residuos líquidos en el área rural, 2014)
Variaciones de consumo
Caudal medio
El caudal medio se calculará mediante la ecuación:
Qm =f ∗ (P x D)
86400
( 2)
Fuente: (Secretaría del Agua, Norma de diseño para sistemas de abastecimiento de agua
potable, disposición de excretas y residuos líquidos en el área rural, 2014)
Donde:
Qm: Caudal medio (l/s)
f: Factor de fugas
P: Población al final del período de diseño
D: Dotación futura (l/hab*día)
21
Caudal máximo diario
El caudal máximo diario, se calculará con la ecuación:
QMD = KMD ∗ Qm ( 3)
Fuente: (Secretaría del Agua, Norma de diseño para sistemas de abastecimiento de agua
potable, disposición de excretas y residuos líquidos en el área rural, 2014)
Donde:
QMD : Caudal máximo diario (l/s)
KMD: Factor de mayoración máximo diario
El factor de mayoración máximo diario (KMD) tiene un valor de 1.25, para todos los niveles
de servicio.
Caudal Máximo horario
El caudal máximo horario, se calculará con la ecuación:
QMH = KMH ∗ Qm
( 4)
Fuente: (Secretaría del Agua, Norma de diseño para sistemas de abastecimiento de agua
potable, disposición de excretas y residuos líquidos en el área rural, 2014)
Donde:
QMH : Caudal máximo horario (l/s)
KMH: Factor de mayoración máximo horario
El factor de mayoración máximo horario (KMH) tiene un valor de 3 para todos los niveles
de servicio.
Fugas
Para el cálculo de los diferentes caudales de diseño, se tomará en cuenta por concepto de
fugas los porcentajes indicados en la Tabla 8.
22
Tabla 8 Porcentajes de fugas a considerarse en el diseño de sistemas de abastecimiento de
agua potable
NIVEL DE SERVICIO PORCENTAJE DE FUGAS
Ia y Ib
IIa y IIb
10%
20%
Fuente: (Secretaría del Agua, Norma de diseño para sistemas de abastecimiento de agua
potable, disposición de excretas y residuos líquidos en el área rural, 2014)
Caudal de diseño
En sistemas de conducción a bombeo, el caudal de diseño se establecerá en función del
consumo máximo diario y el número de horas de bombeo, según la siguiente expresión:
24 horas
QB = 1.05 QMD
N° horas de bombeo al día
( 5)
Fuente: (Secretaría del Agua, Norma de diseño para sistemas de abastecimiento de agua
potable, disposición de excretas y residuos líquidos en el área rural, 2014)
Donde:
QB: Caudal de bombeo
QMD: Caudal máximo diario calculado al final de período de diseño
En ningún caso el caudal de diseño de la conducción corresponderá al caudal máximo
horario.
Tratamiento
La capacidad de la planta de potabilización será de 1.10 veces el caudal máximo diario
correspondiente al final del período de diseño.
En cualquier tipo de agua se considerará la desinfección como tratamiento mínimo.
(Secretaría del Agua, Norma de diseño para sistemas de abastecimiento de agua potable,
disposición de excretas y residuos líquidos en el área rural, 2014)
23
Almacenamiento
La capacidad de almacenamiento será el 50% del volumen medio diario futuro.
En ningún caso, el volumen de almacenamiento será inferior a 10m3. (Secretaría del Agua,
Norma de diseño para sistemas de abastecimiento de agua potable, disposición de excretas y
residuos líquidos en el área rural, 2014)
2.2.4.2 Aireación
La aireación se usa fundamentalmente como pretratamiento de aguas subterráneas, para
transferir oxígeno al agua, disminuir las altas concentraciones de Hierro, Manganeso y
Anhídrido carbónico, entre otros compuestos volátiles que pueden ser causantes de malos
olores y sabores. Los sistemas más empleados para este fin son: Bandejas de aireación,
cascadas (escaleras) y vertederos. (Lozano Rivas & Lozano Bravo, 2015)
Figura 9 Torre de aireación de la planta de tratamiento San Carlos.
Fuente: (Nuñez Camacho, 2015)
24
A continuación, se muestran los parámetros que se deben considerar al diseñar un aireador
de bandejas:
Tabla 9 Parámetros para diseñar un aireador de bandejas
PARÁMETRO VALOR UNIDAD
Carga Hidráulica 100 - 200 m3/m2-día
Número de bandejas 3 – 9 -
Altura Total del aireador 1,2 a 3 m
Separación entre bandejas 30 – 50 cm
Profundidad de agua en la bandeja 0,01 m
Espesor de lecho de contacto 15 – 20 cm
Área entre el medio de contacto 0,05 – 0,15 m2/l/s
Diámetro 0,04 – 0,15 cm
Elaborado por: Bryan Burgos P.
Fuente: (Secretaría del Agua, Normas para estudio y diseño de sistemas de agua potable y
disposición de aguas residuales para poblaciones mayores a 1000 habitantes, 2012)
Los períodos de contacto mínimos en aireadores para remoción y absorción de algunos gases
y compuestos comunes en la potabilización del agua son:
Tabla 10 Períodos de contacto mínimos aireadores
Fuente: (Lozano Rivas & Lozano Bravo, 2015)
OBJETIVO Tiempo mínimo de contacto (segundos)
Remoción de CO2 0,7 a 1,0
Remoción de compuestos Orgánicos
Volátiles (olor y sabor)
1,0 a 1,5
Remoción de H2S 1,5 a 2,0
Absorción de O2 0,4 a 0,6
25
Bandejas de aireación
Para calcular el área total de las bandejas, se emplea el caudal de diseño y la carga hidráulica
asumida.
A= Q
CH
Fuente: (Nuñez Camacho, 2015)
( 6 )
Donde,
A Área total de las bandejas de aireación (m2)
Q Caudal de diseño (m3/ d)
CH Carga hidráulica (m3/m2*d)
Por lo tanto, se debe tomar en cuenta que debe ser suficiente la descarga de los orificios o
ranuras del fondo de las bandejas para que no se rebosen.
Área Requerida para las bandejas
Según (Guerrero Bermeo, 2015), el área requerida para las bandejas varía entre 0.05 y 0.15m2
por l/s de agua tratada, por lo general menos de 0.06 m2.
Para el diseño, se tomará como base Ar = 0.05m2.
Figura 10 Aireadores típicos de bandejas
Fuente: (Romero Rojas, 2005)
26
Número de bandejas
𝐍𝐛 = A
Q ∗ Ar
( 7)
Fuente: (Guerrero Bermeo, 2015)
Donde:
Nb = Número de bandejas
A = Área total de las bandejas de aireación
Q = Caudal de diseño
Ar = Área requerida para las bandejas
Carga de superficie
q = QA
Fuente: (Nuñez Camacho, 2015)
( 8)
Donde,
q = Carga de superficie (m3/m2-día)
Q = Caudal de diseño
A = Área total de las bandejas de aireación
Para calcular aproximadamente el tiempo de exposición o contacto del agua entre bandejas,
se puede usar la siguiente fórmula:
T = n ∙ √2 ∗ d
g
Fuente: (Nuñez Camacho, 2015)
( 9)
Donde,
T = Tiempo de exposición o contacto (s)
n = Número de bandejas
27
d = Distancia entre bandejas (m) (Se estima 50cm lo cual está dentro del rango según la tabla
6)
g = Aceleración de la gravedad (9,81 m/s2)
Cálculo del caudal que pasa a través de cada orificio:
Qorif = π∗d2
4∗ q
Fuente: (Nuñez Camacho, 2015)
( 10)
Donde:
Qorif = Caudal que pasa a través de cada orificio en la bandeja, m3/día
d = Diámetro de los agujeros de la bandeja, m
q = carga de superficie, m3/m2-día
2.2.4.3 Filtración
La filtración es una operación unitaria en donde una mezcla de sólido-líquido atraviesa una
sustancia porosa (generalmente arena), para retener la materia en suspensión. Además de
retirar la turbiedad residual, elimina, junto con las partículas, gran parte de los
microorganismos patógenos resistentes a la desinfección.
Los materiales filtrantes más usados en las potabilizadoras convencionales son: Arena y
Antracita.
Estos pueden usarse solos o combinados. La arena por su bajo costo y disponibilidad es de
amplio uso, sin embargo, actualmente viene siendo reemplazada por la Antracita ya que tiene
mayor capacidad de almacenamiento de sólidos y genera menores pérdidas de carga.
(Lozano Rivas & Lozano Bravo, 2015).
Actualmente el filtrado rápido es la tecnología más utilizada con respecto a un filtro granular,
el material granular del medio poroso generalmente es la arena.
La propiedad con respecto al filtrado lento es que tiene una capacidad de filtrado 50 a 100
veces más rápida.
El agua subterránea suele carecer de grandes concentraciones de microorganismos o
partículas, pero el filtrado puede ser requerido ya que en el proceso de oxidación se generan
28
partículas que deben eliminarse. Una filtración adecuada junto con una desinfección química
debe ser aplicados para asegurar que el agua se encuentre libre de patógenos. (Howe, Hand,
Crittenden, Trussell, & Tchobanoglous, Principios de tratamiento de aguas, 2016).
La filtración rápida puede remover de 1000 a 1500 UNT y hasta 10000 coliformes
fecales/100 ml de muestra, esporádicamente hasta 20000. Por encima de 1500 UNT se
recomienda considerar pre-sedimentación. (Secretaría del Agua, Normas para estudio y
diseño de sistemas de agua potable y disposición de aguas residuales para poblaciones
mayores a 1000 habitantes, 2012)
Los filtros rápidos pueden clasificarse de acuerdo con la siguiente tabla:
Tabla 11 Clasificación de filtros rápidos
CARÁCTERTISTICA TIPO DE FILTRO
Tipo de pretratamiento
Tipo de Flujo
Medio filtrante
Tasa de filtración
Modo de operación
Convencional
Filtración directa
Coagulación
Descendente
Ascendente
Mixto
Arena sola
Arena y antracita
Medios múltiples
Constante
Declinante
Gravedad
Presión
Fuente: (Secretaría del Agua, Normas para estudio y diseño de sistemas de agua potable y
disposición de aguas residuales para poblaciones mayores a 1000 habitantes, 2012).
29
Tabla 12 Velocidad y caudales para operación de filtros rápidos
TIPO DE TUBERÍA VELOCIDAD m/s CAUDAL UNITARIO POR
AREA DEL FILTRO m/d
Afluente
Efluente
Agua para lavado
Drenaje lavado
Agua de enjuague
0,3 – 1,2
0,9 – 1,8
1,5 – 3
0,9 – 2,45
1,8 – 3,65
470 – 700
470 – 700
880 – 1470
880 – 1470
230 - 470
Fuente: (Secretaría del Agua, Normas para estudio y diseño de sistemas de agua potable y
disposición de aguas residuales para poblaciones mayores a 1000 habitantes, 2012).
Tabla 13 Guía de diseño para filtros rápidos
PARÁMETRO VALOR UNIDAD
Tasa de filtración arena sola 120 - 240 m3/m2-día
Tasa de filtración arena y
antracita
180 – 360 m3/m2-día
Número de filtros plantas
medianas y grandes
4 -
Número de filtros en plantas
pequeñas
2 -
Superficie del lecho filtrante ≤ 200 m2
Profundidad del lecho filtrante 1,2 – 1,8 m
Diámetro de arena gruesa 0,5 – 6 mm
Coeficiente de uniformidad 1,2 – 1,3 -
Dureza de la arena 7 Escala de
Mohr
Solubilidad al ácido clorhídrico ≤ 5 %
Fuente: (Secretaría del Agua, Normas para estudio y diseño de sistemas de agua potable y
disposición de aguas residuales para poblaciones mayores a 1000 habitantes, 2012)
30
Tabla 14. Características de la arena
Tamaño efectivo
Coeficiente de Uniformidad
Dureza
Solubilidad al HCl
0.15 – 0.35 mm
1.5 – 3
7
˂ 5 %
Fuente: (Secretaría del Agua, Normas para estudio y diseño de sistemas de agua potable y
disposición de aguas residuales para poblaciones mayores a 1000 habitantes, 2012)
Tabla 15. Características de la arena
CAPA # DIÁMETRO (mm) ESPESOR (m)
1
2
3
1 -1.4
4 – 5.6
16 - 23
0.1
0.1
0.15
Fuente: (Secretaría del Agua, Normas para estudio y diseño de sistemas de agua potable y
disposición de aguas residuales para poblaciones mayores a 1000 habitantes, 2012)
La capa de agua sobre nadante tendrá una altura de 1m a 1,5 m, y se dejará un borde libre de
0,2 m a 0,3m en la caja del filtro.
La velocidad de filtración deberá ser de 0,1 m/h a 0,2 m/h.
Se usará un mínimo de dos unidades dimensionadas para que cada una pueda trabajar al 65%
del caudal total de diseño.
Lavado de filtros
El lavado de los filtros puede hacerse en sentido ascendente con el agua proveniente a
gravedad desde un tanque elevado diseñado para el efecto, o con el agua bombeada desde la
cámara de aguas claras, o finalmente, se puede hacer lavado mutuo de un filtro con el caudal
producido por los demás.
El tanque de agua de lavado puede tener una capacidad mínima equivalente al volumen de
agua requerido para lavar un filtro por 7 min, pero puede ser mayor según las condiciones de
31
cada proyecto. En plantas pequeñas y medianas es recomendable el lavado mutuo. (Secretaría
del Agua, Normas para estudio y diseño de sistemas de agua potable y disposición de aguas
residuales para poblaciones mayores a 1000 habitantes, 2012)
Tabla 14 Lavado de filtros
PARÁMETRO VALOR UNIDAD
Tasa de lavado 0,6 – 0,9 m/min
Tiempo de lavado 3 – 5 min
Expansión del lecho 15 – 50 %
Número de filtros en plantas
pequeñas
2 -
Fuente: (Secretaría del Agua, Normas para estudio y diseño de sistemas de agua potable y
disposición de aguas residuales para poblaciones mayores a 1000 habitantes, 2012)
Tabla 15 Ejemplos de filtración tradicional
EJEMPLOS DE FILTRACIÓN TRADICIONAL
TIPO TAMAÑO DE PORO MATERIALES USADOS
Microtamización 1 – 100 µm Polietileno, acero inoxidable, tela, etc.
Tierra de diatomeas 5 – 50 µm Diatomeas
Material granular 0,1 – 10 µm Arena, antracita, otros minerales
Fuente: (Ojeda Guzzini, 2015)
Tratamientos Potables
Las aguas subterráneas que pueden encuadrarse dentro de las normas de calidad para agua
potable mediante un proceso que no exija coagulación, podrán requerir filtración lenta según
los siguientes criterios:
Tabla 16 Características del agua y tratamiento potable
CARACTERÍSTICAS DEL AGUA TRATAMIENTO POTABLE
Turbiedad media <10 UNT
NMP < 1000 col/100ml
Filtración lenta
32
Turbiedad media < 50 UNT
NMP < col/100ml
Filtración lenta con pretratamiento
Turbiedad media < 150 UNT
NMP < 5000 col/100ml
Filtración lenta con sedimentación simple y
pretratamiento.
Fuente: (Secretaría del Agua, Normas para estudio y diseño de sistemas de agua potable y
disposición de aguas residuales para poblaciones mayores a 1000 habitantes, 2012)
Carga superficial
La filtración es identificada por la velocidad de agua a través de un manto filtrante o del
manto poroso, con lo cual se puede calcular la carga superficial con la siguiente ecuación:
qF=
Q
AF
Fuente: (Ruiz Sánchez, 2013)
( 11)
Donde:
qF = Carga superficial
AF = Área filtrante
Q = Caudal que entra al filtro
Fuente: (Arboleda Valencia, 2000)
Figura 11 Teoría de filtración
33
Dimensionamiento de sistema de filtrado
Número de unidades y tamaño
En potabilizadoras pequeñas deberán usarse al menos 2 unidades y preferiblemente 4; en
cualquier caso, este número de unidades se puede estimar con la expresión:
n= 0,044*√Q
Fuente: (Lozano Rivas & Lozano Bravo, 2015)
( 12)
Donde:
n: Número de unidades de filtración
Q: Caudal de diseño de la potabilizadora (m3/d)
Luego de haber definido el número de filtros se puede calcular el área de cada unidad.
Área de filtración requerida.
El área de filtración se puede obtener del caudal (m3/d) y de la tasa o velocidad de filtración
(m/d).
A =Q
V
( 13)
Donde:
A= Área de filtración requerida
Q= Caudal de diseño
V= Tasa o velocidad de filtración
34
Área de cada filtro
Área de cada filtro =Área de filtración requerida
Número de unidades
( 14)
Caudal del filtro
Caudal del filtro =Caudal de diseño
Número de unidades
( 15)
Caudal total
Qt = Qmd + (R*Qmd) ( 16)
Donde:
Qt = Caudal total
Qmd = Caudal medio diario
R = Razón de flujo
Longitud de la pared común por unidad (m).
a = (2 ∗ n ∗ A
2 ∗ 1)
0.5
( 17)
Donde:
a = Longitud de la pared
A= Área de cada filtro
n = Número de unidades de filtración
Ancho de la unidad (m).
b = ((n + 1)A
2 ∗ n)
0.5
Fuente: (Flores, 2012)
( 18)
35
Donde:
b = Ancho de la unidad
A= Área de cada filtro
n = Número de unidades de filtración
1. Desinfección
La desinfección tiene como principal objeto la eliminación de organismos patógenos; a pesar
de, no implicar la destrucción de todos los organismos vivos ni la producción de un agua
esterilizada.
La mayoría de las aguas subterráneas no contienen organismos patógenos, siempre y cuando
los pozos sean construidos adecuadamente y no tengan sean contaminadas con las aguas
superficiales, estas aguas pueden ser bombeadas directamente al sistema de distribución, ya
que usualmente el agua de estos pozos privados es consumida sin ser procesadas por un
proceso de desinfección. (Howe, Hand, Crittenden, Tchobanoglous, & R., Principios de
tratamiento del agua, 2016)
Cloración
La cloración es uno de los procesos de desinfección más empleado en el mundo para
potabilizar el agua. El cloro, interviene en la oxidación de sustancias orgánicas e inorgánicas
que adicionan sabor y olor al agua, además de tener un gran poder germicida.
El cloro se manifiesta generalmente de tres formas:
➢ Gaseoso (Cl2): Es un gas amarillo-verdoso con una concentración del 100% de
sustancia activa. Se emplea en plantas grandes, requiere también de instalaciones apropiadas
y equipo de dosificación.
➢ Hipoclorito de Sodio (NaOCl): Es un líquido transparente amarillo-ámbar con
aproximadamente un 13% de sustancia activa. Se utiliza frecuentemente en instalaciones de
pequeños caudales y su dosificación se realiza mediante bombas dosificadoras.
➢ Hipoclorito de Calcio, HTH, Perclorón (Ca(OCl)2): Es un sólido granulado o
polvo de color blanco. Viene presentado con una concentración del 30% al 70% de sustancia
activa. Se usa por lo general en potabilizadoras de bajo caudal y su dosificación se hace
36
mediante pequeñas bombas dosificadoras luego de haber preparado la solución. Uno de los
inconvenientes es que la solución tiende a sedimentarse, por lo que se necesita algún
mecanismo para agitarla constantemente. (Lozano Rivas & Lozano Bravo, 2015)
Hipocloradores
En plantas pequeñas y en ocasiones en plantas de mediano tamaño, se puede utilizar
hipoclorito de calcio o de sodio para la desinfección del agua. El hipoclorito de calcio se usa
cuando el agua es deficiente de alcalinidad y dureza, por lo que contiene el 3% al 5% de Cal;
este puede ser usado en forma granular o tabletas, las cuales proveen una fuente estable de
cloro por 18h a 24h y se disuelven más lentamente que los granos. El hipoclorito de sodio es
comercializado en forma líquida, es inestable deteriorándose más rápidamente que el
hipoclorito de calcio y requiere mayor cuidado en su manejo, pero también puede resultar
económico. La dosificación se realiza en pequeños tanques prefabricados que disponen de
un sistema con un orificio calibrado con carga constante, la solución se prepara una o dos
veces al día a mano, de acuerdo a la dosis de cloro adoptada y a l caudal de la planta.
La solución de cloro debe tener una capacidad mínima para 12h de operación. (Secretaría del
Agua, Normas para estudio y diseño de sistemas de agua potable y disposición de aguas
residuales para poblaciones mayores a 1000 habitantes, 2012).
Dosificación de cloro
La dosis óptima de cloro a aplicar depende del tiempo de retención en el sistema, el tipo de
compuesto de cloro y la clase de desinfectante que se forma en el agua en función de su
temperatura, pH, contenido de nitrógeno y de materia orgánica. El hipoclorito de Sodio puede
ser dosificado directamente del recipiente en que es transportado. Se puede calcular la dosis
de cloro libre requerido mediante la siguiente expresión:
C = (k/t)1/0.86 ( 19)
Fuente: (Secretaría del Agua, Norma de diseño para sistemas de abastecimiento de agua
potable, disposición de excretas y residuos líquidos en el área rural, 2014)
37
Donde:
C = Concentrado de cloro libre mg/l
k = Constante que se puede ver en tablas
t = Tiempo de contacto, min.
Tabla 17 Valores de k para dosificación de cloro, para n = 0,86
ORGANISMO ÍNDICE DESINFECTANTE
HOCl OCl- NH2Cl
Escherichia coli
Virus de poliomielitis
Virus coxsackie A2
0,24
1,2
6,3
15,6
---
---
66
---
---
Fuente: (Secretaría del Agua, Norma de diseño para sistemas de abastecimiento de agua
potable, disposición de excretas y residuos líquidos en el área rural, 2014)
Tabla 18 Límites de cloro residual
PARÁMETRO UNIDADES LÍMITE
DESEABLE
LÍMITE
MÁXIMO
PERMISIBLE
Cloro Residual mg/l 0.5 0.3 – 1.0
Fuente: (Secretaría del Agua, Norma de diseño para sistemas de abastecimiento de agua
potable, disposición de excretas y residuos líquidos en el área rural, 2014)
Tabla 19 Demanda de cloro para aguas
Tipo de agua Concentraciones
Aguas claras 0,3 mg/l
Aguas turbias 1,5 mg/l
Fuente: (Muñoz M., 1992)
38
Hipoclorito de Sodio
Fuente: (Ministerio de servicios y obras públicas viceministro de servicios básicos, 2005)
Cálculo del peso del hipoclorito de sodio
P = Q*d
( 20)
Donde:
P = Peso del cloro en gr/h
Q = Caudal de agua a clorar en m3/h
d = Dosificación adoptada en gr/ m3
Cálculo del peso del producto comercial
Pc =P ∗ 100
r
( 21)
Donde:
Pc = Peso del producto comercial en gr/h
r = Porcentaje de cloro activo que contiene el producto comercial (%)
Cálculo de la demanda horaria de la solución
qs =Pc ∗ 100
c
( 22)
Donde:
Pc = Peso del producto comercial en kg/h
qs = Demanda horaria de la solución en l/h, asumiendo que la densidad de 1 litro de
solución pesa 1kg
c= Concentración de la solución (%)
39
*El valor de qs permite seleccionar el equipo dosificador requerido
Cálculo del volumen de la solución
Vs = qs * t ( 23)
Donde:
Vs = Volumen de la solución en litros (l) (correspondiente al volumen útil de los recipientes
de preparación)
t = tiempo de uso de los recipientes de solución en horas (h)
*Se debe especificar el tiempo t en ciclos de operación de 6 horas (4 ciclos), 8 horas (3
ciclos) y 12 horas (2 ciclos) correspondientes al vaciado de los recipientes y carga de
nuevo volumen de solución.
Fuente: (Ministerio de servicios y obras públicas viceministro de servicios básicos, 2005)
40
3 CAPÍTULO III
3.1 Metodología de la investigación
En concordancia con el tipo de investigación, se eligió la investigación cuasi experimental,
donde se manipuló la variable independiente “simulador virtual” para observar los resultados
en la variable dependiente “calidad del agua potable” en los procesos de potabilización
necesarios de acuerdo con los resultados obtenidos de otro estudio de aguas subterráneas
referenciado.
3.2 Materiales y Equipos
Tabla 20 Materiales y Equipos
MATERIALES
NOMBRE
Programa matemático Matlab
Resultados de caracterización de
aguas subterráneas.
3.3 Diseño de la investigación
La investigación se desarrolla a través de la búsqueda de información relacionada con la
problemática de la potabilización de aguas subterráneas rural para el consumo humano,
considerando las características propias del agua en estudio.
3.4 Normas aplicadas
• Las normas aplicadas en el diseño de los equipos son tomadas de las normas de diseño
propuestas por la Secretaría Nacional del Agua (SENAGUA).
41
4 CAPÍTULO IV
4.1 Cálculos y Resultados
CAPTACIÓN
4.1.2 CAUDALES DE DISEÑO
Habitantes: 1500 habitantes
Dotación (Nivel IIa): 85 L/hab/día
4.1.3 Población Futura
Pf = Pa*(1+r)n
( 1)
Pf = 1500*(1+1.5)20
Pf = 1.36x10^11
4.1.3.1 Caudal medio:
Qm =f ∗ (PxD)
86400
( 2)
Qm =20∗(1500∗85)
86400
Qm= 29.51 l/s
4.1.3.2 Caudal máximo diario:
QMD = K𝑀𝐷 ∗ Qm ( 3)
QMD = 1.25 ∗ 29.51
QMD= 36.88 l/s
42
4.1.3.3 Caudal máximo horario
QMH= KMH * Qm
( 4)
QMH= 3* 29.51
QMH= 88.53 l/s
4.1.3.4 Caudal de diseño o Caudal de bombeo:
QB = 1.05 ∗ QMD
(5)
QB= 1.05 * 38.72
QB= 40.65 l/s
43
Bandejas de Aireación
4.1.3.5 Área total de las bandejas
A= Q
CH
( 6)
A= 3512.16 m3/día
220 m/día
A = 15.96 m2
*CH = Valor tomado de: (Chavarro Rodríguez, 2014)
Carga de superficie
q = Q
A
( 8)
q = 3512.16 m3/día
15.96 m2
q = 220.06 m3/m2-día
Tiempo de exposición
T = n ∙ √2 ∗ d
g
( 9)
T = 8 ∗ √2∗ 0.5
9.81
T = 2.55 seg.
Cálculo del caudal que pasa a través de cada orificio: (Nuñez Camacho, 2015)
Qorif = π∗d2
4∗ q
( 10)
Qorif = π∗(0,0004)2
4∗ 220.06
Qorif = 0,0000277 m3/día
44
4.2 DESINFECCIÓN
Hipoclorito de Sodio
Datos:
d = 0,3 mg/l ≈0,3 gr/m3≈ 0,03% (concentración deseada en el agua) *
Q= 146,34 m3/h
r= 10% (porcentaje de cloro activo en el hipoclorito de sodio comercial)
c = 3% (Concentración de la solución líquida de hipoclorito de sodio)
*Datos tomados de la tabla 19
Cálculo del peso del hipoclorito de sodio
P = Q*d
( 20)
P = 146.34*0,3 = 43.90 g/h
Cálculo del peso del producto comercial (Hipoclorito de Sodio)
Pc =P ∗ 100
r
(21)
Pc =43.90∗100
10 = 439 g/h
Cálculo de la demanda horaria de la solución
qs =Pc ∗ 100
c
( 22)
45
qs =439∗100
3 = 160 l/h
Se requieren 160 litros de solución de Hipoclorito de Sodio por hora para desinfectar el
agua con una dosis de 0,3 mg/l (3%)
Cálculo del volumen de la solución
Vs = qs * t
( 23)
Vs = 160 l/h * 12 h = 1920 litros
46
5 CAPÍTULO V
5.1 Conclusiones
▪ Según los resultados de la caracterización de las muestras de aguas subterráneas
realizadas en el estudio “Electrocoagulación para tratamiento de pequeños flujos de
aguas subterráneas de consumo rural”, hay pozos en donde las propiedades
fisicoquímicas resultan fuera del límite permisible, además del análisis
microbiológico en los que también se encuentra contaminación por Coliformes
fecales, coliformes totales y E. Coli; por lo cual este tipo de aguas no cumplen en su
totalidad con la calidad necesaria para el consumo humano, y por ende es necesario
el proceso de potabilización.
▪ Se elaboraron modelos matemático de los procesos: Captación, Aireación de
Bandejas, Filtración Rápida y Desinfección; usando el programa MATLAB, se
establecieron los cálculos a usarse en cada uno de los procesos, esta funcionalidad
ofreció resultados útiles para aplicar al campo experimental en estudio.
▪ Los modelos diseñados cumplen con la norma establecida por la Secretaría Nacional
del Agua (SENAGUA), por lo cual estos modelos pueden ser útiles para cualquier
tipo de agua que requiera de los procesos propuestos en este estudio.
5.2 Recomendaciones
Se propone realizar pruebas de campo con los resultados obtenidos en el simulador para
determinar su eficiencia en los resultados obtenidos.
Construir una planta piloto de acuerdo a la dotación necesaria del lugar de estudio, para de
esta manera realizar pruebas reales en base a los resultados obtenidos del simulador
propuesto.
Se recomienda ampliar los diseños de modelado para otros procesos de potabilización
requeridos según el agua a tratar.
47
5.3 Bibliografía
5.4 Referencias
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a+Universidad+de+Guayaquil/@-2.1826117,-
79.8992985,16.17z/data=!4m6!3m5!1s0x902d6de7a9edb003:0x119fa42e0ed501c7!4b1!8
m2!3d-2.1819132!4d-79.8992794
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50
5.5 Anexos
Anexo A. TABLAS DE RESULTADOS DE ANÁLISIS DE AGUAS
Tabla 21 POZO 1: Guayas -Recinto Barbasco – Santa Lucía
PARÁMETRO UNIDAD LÍMITE POZO 1
Potencial de Hidrógeno pH 6.5 – 8.5 7
Sólidos totales disueltos mg/L 1000 360
Salinidad ppt - 0.3
Conductividad µs/cm - 540
Nitratos mg/L 10 0.7
Nitritos mg/L 0 0.007
Turbidez FTU 5 16
Color Pt-Co 15 5
Sulfatos mg/L 200 41
Fosfatos mg/L 0.1 1.52
Dureza mg/L 300 204
Hierro mg/L 0.3 0.2
Manganeso mg/L 0.1 0.1
Fuente: (Soriano Muñoz & Zambrano Macias, 2019)
Tabla 22 POZO 2: Manabí -Recinto Las Jaguas – Rocafuerte
PARÁMETRO UNIDAD LÍMITE POZO 1
Potencial de Hidrógeno pH 6.5 – 8.5 7.6
Sólidos totales disueltos mg/L 1000 978
Salinidad ppt - 0.8
Conductividad µs/cm - 1476
Nitratos mg/L 10 3.3
Nitritos mg/L 0 0.033
Turbidez FTU 5 78
Color Pt-Co 15 269
Sulfatos mg/L 200 420
Fosfatos mg/L 0.1 0.9
Dureza mg/L 300 595
Hierro mg/L 0.3 0.37
Manganeso mg/L 0.1 0.316
Fuente: (Soriano Muñoz & Zambrano Macias, 2019)
51
Tabla 23 POZO 3: Manabí -Recinto Las Jaguas – Rocafuerte
PARÁMETRO UNIDAD LÍMITE POZO 1
Potencial de Hidrógeno pH 6.5 – 8.5 8.1
Sólidos totales disueltos mg/L 1000 1810
Salinidad ppt - 1.4
Conductividad µs/cm - 2700
Nitratos mg/L 10 1.7
Nitritos mg/L 0 0.279
Turbidez FTU 5 25
Color Pt-Co 15 50
Sulfatos mg/L 200 360
Fosfatos mg/L 0.1 1.97
Dureza mg/L 300 986
Hierro mg/L 0.3 0.5
Manganeso mg/L 0.1 0.52
Fuente: (Soriano Muñoz & Zambrano Macias, 2019)
Tabla 24 POZO 4: Guayas -Centro del pueblo de colimes
PARÁMETRO UNIDAD LÍMITE POZO 1
Potencial de Hidrógeno pH 6.5 – 8.5 7
Sólidos totales disueltos mg/L 1000 536
Salinidad ppt - 0.4
Conductividad µs/cm - 813
Nitratos mg/L 10 2.9
Nitritos mg/L 0 0.009
Turbidez FTU 5 21
Color Pt-Co 15 17
Sulfatos mg/L 200 44
Fosfatos mg/L 0.1 0.91
Dureza mg/L 300 340
Hierro mg/L 0.3 0.3
Manganeso mg/L 0.1 0.544
Fuente: (Soriano Muñoz & Zambrano Macias, 2019)
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Tabla 25 Análisis microbiológico del agua cruda del POZO 2
ENSAYO UNIDAD VALORES Límites
Permisibles
Laboratorio
de análisis
Coliformes Totales
UFC/ml
7
˂ 1
Laboratorio
de análisis
de agua.
Epapa-Coli Coliformes Fecales 3
Coliformes Totales
NMP/100ml
1.1x10^1 Laboratorio
Protal-Espol Coliformes Fecales 1.7x10^2
E. Coli 1.1x10^1
Fuente: (Soriano Muñoz & Zambrano Macias, 2019)
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Anexos B NORMA INEN 1108 AGUA POTABLE
54
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56
57
58
59
60
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Anexos C Fotografías
Fuente: Bryan Burgos P.
Fuente: Bryan Burgos P.
Fotografía 1 Pozo de agua subterránea para consumo
Fotografía 2 Vista superior de un pozo abierto de agua
subterránea
62
Figura 12 Resultados de análisis fisicoquímico de la muestra de agua de pozo cruda
Fuente: (Soriano Muñoz & Zambrano Macias, 2019)
63
Figura 13 Resultados de análisis microbiológicos del agua de pozo cruda.
Fuente: (Soriano Muñoz & Zambrano Macias, 2019)
64
Figura 14 Resultado microbiológicos de agua de pozo Manabí.
Fuente: (Soriano Muñoz & Zambrano Macias, 2019)
65
Fuente: Bryan Burgos P.
Figura 15 Interfase para el modelo "Captación de aguas"
66
Fuente: Bryan Burgos P.
Figura 16 Interfase para el modelo "Diseño de aireadores de bandejas"
67
Fuente: Bryan Burgos P.
Figura 17 Interfase para el modelo “Desinfección de aguas”
68
Fuente: Bryan Burgos P.
Figura 18 Interfase para el modelo “Filtración Rápida”
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Anexos D Tutoriales para modelados
TUTORIAL PARA EL MODELO DOTACIÓN
Para la utilización de los modelos desarrollados bajo ambiente de Matlab, los mismos deben
ejecutarse, dentro del software, para esto se despliega la función <<Dotación>>; ubicada en
la carpeta del mismo nombre.
Se despliega el formulario <<Dotacion>>; para realizar cálculos se debe iniciar en la sección
<<VIDA UTIL SISTEMAS DE TRATAMIENTO>>;donde usted deberá pulsar uno de los
botones de opción para seleccionar la vida útil en años del o los equipos que va a dimensionar.
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Seleccionamos <<Plantas de Tratamiento>> y luego pulsamos la lista desplegable <<Vidal
útil (años), seleccionando 30 años.
Seguidamente se debe ingresar la población Actual de la Población de estudio, así como
seleccionar la <<Tasa de Crecimiento>>, para que se proceda al cálculo de la <<Población
Futura>>. Haremos el caculo para una Población de 1200 habitantes.
71
El <<NIVEL DE SERVICIO>>; debe ser calculado y para ello seleccione el <<Nivel>>;
despegando la lista desplegable.
Seleccionamos la opción <<BB>>; que nos indica que se está calculando para conexiones
domiciliarias con más de un grifo por casa, que poseen sistemas del alcantarillado sanitario.
Se llena el <<Factor de Fugas>> como un porcentaje del 20% del caudal de diseño. Ahora
vamos a seleccionar la <<DOTACION DE AGUA>>, pulsando uno de los botones de
opción, en este ejemplo, seleccionamos <<Clima Calido>>.
Continuamos con el <<CAUDAL MAXIMO DE DISEÑO>>; pulsando el botón de chequeo
llamado <<Caudal máximo calculado>>.
72
El cálculo finaliza en la sección de <<CALCULOS DE BOMBEO>>; donde al seleccionar
<<Tiempo bombeo (h/m3)>> se llena los campos <<Capacidad máxima de Producción de la
Planta (m3/d)>>; y la sección >>SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO>>.
73
TUTORIAL PARA EL MODELO AIREADORES DE BANDEJAS
Para la utilización de los modelos desarrollados bajo ambiente de Matlab, los mismos deben
ejecutarse, dentro del software, para esto se despliega la función <<Aireadores>>; ubicada
en la carpeta del mismo nombre.
Al pulsar el botón <<Run Aireadores>>, ubicado en la barra de herramientas, se despliega el
formulario <<Aireadores>>.
74
Por favor a partir de este momento debe usted seguir las instrucciones de los <<MENSAJES
DE SISTEMAS>>, estos lo irán guiando a través de las aplicaciones del formulario y su
correcta utilización.
En la parte superior izquierda del formulario se presenta una sección llamada <<Variables a
Calcular>>; en ella se encuentran una serie de botones de chequeo para seleccionar el cálculo
apropiado de sus necesidades. Es importante notar que todas las secciones del formulario
están desactivadas, y se irán habilitando de acuerdo a la forma como usted active los botones
de chequeo.
Seleccionando el botón de chequeo <<Área de cada Bandeja (m)>>; se despliega un
<<MENSAJE DE SISTEMA>>; que nos pide seleccionar la <<Carga Hidráulica
(m3/m2*d)>>; además de ingresar el <<Caudal de Diseño (m3/h)>>.
75
Seleccionamos ahora el <<Numero de Bandejas>>; y el sistema nos pide que selecciones el
<<Tiempo de Contacto (s)>> y la <<Separación entre Bandejas (m)>>
Seguidamente nos toca seleccionar el botón de chequeo <<Numero perforaciones por
Bandeja>>; se despliegan dos <<MENSAJES DE SISTEMA>>; que nos van a ayudar a
direccionar nuestros cálculos.
El primero nos pide que seleccionemos la <<Profundidad de agua en las Bandejas (cm)>>;
además de ingresar el <<Caudal de Diseño (m3/h)>> (este valor la fue ingresado). Un
Segundo mensaje nos pide que seleccionemos en la sección <<PERFORACIONES>>; La
<<Separación (cm)>> y el <<Diámetro (mm)>> de los Agujeros junto al <<Coeficiente de
Descarga>>.
Continuamos ahora pulsando el botón de chequeo <<tiempo de Contacto (s), y se despliega
otro mensaje de sistema, que nos pide seleccionemos la <<Profundidad del Agua en la
Bandeja>>; <<El Coeficiente de Descarga>> y el <<Diametro de las Perforaciones>>; (todos
estos parámetros ya fueron ingresados.
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Luego de completado la parametrización del formulario realizamos los cálculos requeridos
pulsando el botón de acción llamado <<CALCULar>>.
Se llenan los campos con los datos requeridos según observamos en la grafica siguiente:
77
TUTORIAL PARA EL MODELO FILTRACION
Para la utilización de los modelos desarrollados bajo ambiente de Matlab, los mismos deben
ejecutarse, dentro del software, para esto se despliega la función <<FiltracionArena>>;
ubicada en la carpeta del mismo nombre.
<
Se despliega el formulario <<FiltracionArena>>; para realizar cálculos se utilizar la sección
<<CRITERIOS DE DISEÑO PARA FILTROS RAPIDO>>; donde hay varias subsecciones
a saber:
<<PROFUNDIDAD DEL MEDIO>>
<<LECHO DE ARENA>>
<<LECHO MIXTO>>
<<LAVADO FILTRO>>
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<<PARAMETROS FILTRO>>
Según se observa en el mensaje adjunto, en estas secciones se deben determinar los
parámetros de diseño, para el dimensionamiento de los Filtros Rápidos, pulsando cada uno
de los cuadros desplegables, ubicados en las respectivas sub secciones, de esta forma se estará
listo para el diseño de las unidades de filtración.
79
Una vez completado la selección de los parámetros de diseño se procede a los cálculos
necesarios. Para ello se debe ingresar el Caudal de Proceso en m3/d (este parámetro fue
calculado en el modelo <<Dotacion>>).
A continuación, en la sección <<DATOS>>; se debe pulsar el botón de chequeo llamado
<<Realizar Cálculos>>.
El modelo calcula y llena los campos <<Caudal por Filtro <<m3/d); <<Número de Filtros>>;
y <<Área del Filtro (m2)>>.
En la sección <<CALCULOS PARA EL FILTRO>>; debemos seleccionar la <<Longitud
del Filtro (m>>.
80
Esta acción permitirá que el modelo ya con todos los parámetros seleccionados completar los
campos restantes, a saber:
Ancho del Filtro (m)
Volumen Agua Filtrada (m3)
En la sección <<CALCULOS LAVADOS FILTROS>>; se llenan los campos:
Caudal Lavado Filtros (L/s)
Número de Canaletas (m)
Caudal por Canaleta (L/s)
Volumen Agua Requerida para Lavado (m3)
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TUTORIAL PARA EL MODELO DESINFECCION AGUAS
Para la utilización de los modelos desarrollados bajo ambiente de Matlab, los mismos deben
ejecutarse, dentro del software, para esto se despliega la función <<DesinfeccionAguas>>;
ubicada en la carpeta del mismo nombre.
Se despliega el formulario <<DesinfeccionAguas>>; donde se procede a realizar los cálculos
requeridos.
Es importante tomar atención del mensaje de sistema que se despliega al arrancar el modelo.
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El caudal de agua a tratar es dato necesario para los cálculos para desinfección de las aguas
de consumo de nuestra comunidad de estudio.
En la sección <<DEMANDA CLORO PARA AGUAS>>; se debe pulsar el botón de acción
que ubique el tipo de aguas que vamos a tratar.
Se presentan datos para el cuadro desplegable <<Dosificacion (mg/L), se debe seleccionar
un dato de este cuadro combinado según se puede leer en el MENSAJE DE SISTEMA
desplegado.
83
El sistema nos sigue enviando mensajes para que podamos avanzar en los cálculos de forma
correcta. En este caso nos pide que seleccionemos el porcentaje de cloro activo generado in
situ.
Se han calculado y llenado todos los campos de la sección <<CLORO PRODUCIDO IN
SITU>>; y se presenta otro mensaje de sistema que nos pide dar clic en el botón de chequeo
<<CALCULAR>> para obtener el flujo másico de la solución de cloro líquido (gr/h)
84
Se ha completado el cálculo y todos los campos están llenos, habiendo obtenido la
información necesaria para nuestro proceso de DESINFECCION.