Post on 21-Jul-2015
1
INSTITUTO INTERNACIONAL DE FORMACIÓN AMBIENTAL
INSTITUTO LATINOAMERICANO DE CIÉNCIAS
MÁSTER TRATAMIENTO DE ÁGUAS
Ing. Cícero Luís Doten Franco
POTABILIZACIÓN DE AGUAS PLUVIALES CON ULTRAFILTRACIÓN
San Antonio - Huancayo, Peru
2013
2
CÍCERO LUÍS DOTEN FRANCO
POTABILIZACIÓN DE AGUAS PLUVIALES CON ULTRAFILTRACIÓN
Tesis presentada al Instituto Latinoamericano de Ciéncias como requisito parcial para obtención del título de Máster en Tratamiento de Agua.
Tutor: Prof. Dr. Eduardo Márquez Canoza
San Antonio - Huancayo, Peru
2013
3
CÍCERO L. D. FRANCO
POTABILIZACIÓN DE AGUAS PLUVIALES CON ULTRAFILTRACIÓN
Tesis presentada al Instituto Latinoamericano de Ciéncias como requisito parcial para obtención del título de Máster en Tratamiento de Agua.
Aprobada por la Junta Examinadora
San Antonio - Huancayo, Peru, 2013.
Junta Examinadora
________________________________________ Tutor: Prof. Dr. Eduardo Márquez
________________________________________
________________________________________
4
RESUMEN
Esta disertación presenta una manera de producirse agua potable a partir de
agua pluvial. Su objetivo es estudiar, ensamblar y testar un sistema que permita
garantizarse la potabilidad del agua originaria de la lluvia en una zona urbana, en el
caso, en la ciudad de Florianópolis, Brasil. El estudio llevó al desarrollo de un
sistema que tiene como base la captación del agua, el descarte de la “primera agua”,
el acumulo y su desinfección por un generador de ozono, seguido por un aparato de
ultrafiltración, que trabaja como una barrera física para los microorganismos y para
una parte considerable de compuestos orgánicos, como las endotoxinas. Tomando
como base los datos de la bibliografía existente sobre el tema, se ensambló el
sistema completo, desde la captación hasta la destinación final del agua y se lo testó
para los parámetros considerados críticos a partir de los trabajos de los autores
consultados, incluso con el levantamiento de costos para tanto.
Palabras Clave: Agua de la lluvia. Pluviometría. Florianópolis. Ozono. Ultrafiltración.
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ABSTRACT
This dissertation presents a way to produce drinking water from rainwater. It
aims to studied, assemble and test a system to ensure the safety of water originating
from rain in an urban area, in the case, in Florianópolis city, Brazil. The study led to
the development of a system which is based on the uptake of water, discarding the
“first water”, the accumulation and disinfection by an ozone generator followed by an
ultrafiltration apparatus, which works as a physical barrier to microorganisms and for
a substantial part of organic compounds such as endotoxins. Based on data from the
literature on this subject, the whole system was assembled, from the water capitation
to it final destination and tested it for the parameters considered critical from the
consulted authors works, even with the systems costs.
Key Words: Rain water. Rainfall. Florianópolis. Ozone. Ultrafiltration.
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LISTADO DE FIGURAS
Figura 1 - Localización general del proyecto en Sudamérica ................................................................ 18
Figura 2 – Calculo del área del techo .................................................................................................... 19
Figura 3 – El Ciclo del Agua ................................................................................................................... 21
Figura 4 – Localizaciónes en la ciudad de Florianópolis ........................................................................ 22
Figura 5 - Curvas de Niveles en la región con la localización del proyecto ........................................... 23
Figura 5 – Filtración Tangencial o Transversal ...................................................................................... 33
Figura 6 – Elección del tipo de membrana ............................................................................................ 36
Figura 7 – Microfiltración ...................................................................................................................... 37
Figura 8 – Ultrafiltración ....................................................................................................................... 38
Figura 9 – Nanofiltración ....................................................................................................................... 39
Figura 10 – Hiperfiltración ..................................................................................................................... 40
Figura 11 – Diagrama de flujo propuesto para el sistema de tratamiento de agua de lluvia ............... 47
Figura 12 – “Filtro Separador de Particulados” (AUXTRAT – AC250) .................................................... 48
Figura 13 – Dispositivo Separador de Hojas (FORTLIT SLIM) ................................................................ 49
Figura 14 – Diagrama de flujo de los tanques de descarte y captación ................................................ 50
Figura 15 – Llave boya (ICOS LA16M-40) .............................................................................................. 51
Figura 16 – Temporizador programable (NOVUS NT240) ..................................................................... 52
Figura 17 – Válvula de Descarga (ASTRA IDEAL) .................................................................................. 54
Figura 18 – Solenoide de Accionamiento (MULTICOIL HST 300.1) ....................................................... 55
Figura 19 – Reservatorio de Polietileno (FORTLEV SLIM)...................................................................... 55
Figura 20 – Filtro de bolsa (LAFFI LNO-100) .......................................................................................... 56
Figura 21 – Llave boya (MAR-GIRIUS CB 2000) ..................................................................................... 57
Figura 22 – Controlador de ORP (HANNA BL982411) ........................................................................... 61
Figura 23 – Generador de ozono (PANOZON Diamond 25) .................................................................. 63
Figura 24 – Venturi (MAZZEI) ................................................................................................................ 64
Figura 25 – Equipo básico (YPORÃ Y3218) ........................................................................................... 66
7
Figura 26 – Membrana de UF (PAM UF-02) .......................................................................................... 67
Figura 27 – Diagrama de flujo del equipo de ultrafiltración ................................................................. 68
Figura 28 – Bomba (FERRARI IDB-40) .................................................................................................... 69
Figura 29 – Diagrama de flujos y presiones del sistema de tratamiento de aguas pluviales ............... 71
Figura 30 – Diagrama eléctrico del sistema de tratamiento de aguas pluviales ................................... 79
Figura 31 – Ensamblaje del equipo. Arriba: Bastidor ensamblado; ensamblaje de la bomba y válvulas
de aguja. Abajo: Algunos componentes del sistema; ensamblaje de instrumentos y válvulas. ........... 80
Figura 32 – Equipo ensamblado con la membrana ............................................................................... 81
Figura 33 – Ensamblaje del automatismo de los tanques. Arriba: Caja de comando ensamblado con
temporizador y controlador de ORP; Ensamblaje de las tapas del tanque de descarte. Abajo: Tapa
inferior con válvula de drenaje; Tapa superior con boya mecánica. .................................................... 82
Figura 34 – Ensamblaje de la parrilla y los tanques de descarte y de captación .................................. 85
Figura 35 – Equipo en operación ........................................................................................................... 86
Figura 36 – A la izquierda el agua del tanque de descarte y a la derecha el agua del tanque de
captación ............................................................................................................................................... 88
Figura 37 – A la izquierda el interior del filtro bolsa y a la derecha su contenido ................................ 93
Figura 38 – A la izquierda el cartucho usado y a la derecha la comparación entre el cartucho usado y
un nuevo................................................................................................................................................ 94
Figura 39 – A la izquierda el agua de ultrafiltrado y a la derecha la del rechazo. ................................. 95
Figura 40 - Diagrama de flujo del sistema comercial...........................................................................100
8
LISTADO DE GRÁFICOS
Gráfico 1 – Parámetros considerados a partir del trabajo .................................................................... 31
Gráfico 2 – Espectro de Filtración ......................................................................................................... 35
Gráfico 3 – Contaminantes orgánicos presentes en el agua y el método de detección ....................... 42
Gráfico 4 – Contaminantes presentes en el agua ................................................................................. 43
Gráfico 5 – Permeabilidad de la membrana de ultrafiltración (PAM UF-02) ........................................ 45
Gráfico 6 – Modo seleccionado de accionamiento del temporizador programable (NOVUS NT240) .. 53
Gráfico 7 – Presión x Caudal de la electrobomba (FERRARI IDB-40) .................................................... 69
Grafico 8 – Presión x Caudal de la electrobomba (DANCOR CP-4) ....................................................... 71
Grafico 9 – Presión x Caudal del venturi (MAZZEI 384) ........................................................................ 72
Grafico 10 – Presión x Caudal de la electrobomba (FERRARI IDB-40) .................................................. 73
Grafico 11 – Presión x Caudal de la membrana linealizado por metro cuadrado (PAM UF-02) ........... 74
9
LISTADO DE CUADROS
Cuadro 1 – Características del agua para uso no potable ..................................................................... 14
Cuadro 2 – Leyes municipales brasileñas sobre captación de agua de la lluvia ................................... 15
Cuadro 3 – Características de las membranas para filtración de aguas superficiales .......................... 41
Cuadro 4 – Especificaciones de la membrana UF02 (PAM) .................................................................. 44
10
LISTADO DE TABLAS
Tabla 1 – Pluviometría en el municipio de São José – Alturas totales mensuales ................................ 24
Tabla 2 – Pluviometría en el municipio de São José – número de días de lluvia .................................. 25
Tabla 3 – Pluviometría en el municipio de São José – precipitación diarias mensuales ....................... 25
Tabla 4 – Altura de la lluvia y duración en São José .............................................................................. 26
Tabla 5 – Pluviometría y calidad del agua en algunas ciudades costeras brasileñas ............................ 27
Tabla 6 – Calidad del agua de la lluvia en Florianópolis ........................................................................ 28
Tabla 7 – Calidad del agua de la lluvia comparada con la Portaría 518 ................................................ 29
Tabla 8 – Inactivación de microorganismos .......................................................................................... 63
Tabla 9 – Electrobombas centrifugas plásticas (DANCOR CP-4) ........................................................... 65
Tabla 10 – Costos de fabricación y composición del precio de venta del sistema de tratamiento de
aguas pluviales ...................................................................................................................................... 78
Tabla 11 – Acompañamiento de los parámetros investigados ............................................................. 87
Tabla 12 – Acompañamiento de los contaminantes investigados ........................................................ 88
Tabla 13 – Acompañamiento de los parámetros investigados ............................................................. 90
Tabla 14 – Acompañamiento de los contaminantes investigados ........................................................ 90
11
SUMÁRIO
1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA .............................................................................................................. 12
1.1 ANTECEDENTES ............................................................................................................................... 12
1.2 PROBLEMA ...................................................................................................................................... 13
1.3 OBJECTIVO Y PROPÓSITO ................................................................................................................ 16
1.4 EXPLANACIÓN ................................................................................................................................. 16
1.5 HIPÓTESIS ........................................................................................................................................ 17
1.6 JUSTIFICACIÓN................................................................................................................................. 17
2 PROCEDIMIENTO ................................................................................................................................ 18
2.1 LOCAL DE CAPTACIÓN PROPUESTO ................................................................................................ 18
3 MARCO TEORICO ................................................................................................................................ 20
3.1 CICLO DEL AGUA .............................................................................................................................. 20
3.2 PLUVIOMETRIA LOCAL .................................................................................................................... 21
3.3 CALIDAD DEL AGUA DE LA LLUVIA .................................................................................................. 26
4 EL USO DE FILTRACIÓN POR MEMBRANAS ........................................................................................ 32
4.1 ELEMENTOS DE FILTRACIÓN POR MEMBRANAS ............................................................................. 35
4.2 FILTRACIÓN ..................................................................................................................................... 37
4.3 MICROFILTRACIÓN .......................................................................................................................... 37
4.4 ULTRAFILTRACIÓN ........................................................................................................................... 38
4.5 NANOFILTRACIÓN ........................................................................................................................... 39
4.6 ÓSMOSIS INVERSA ........................................................................................................................... 39
4.7 EQUIPOS CON ELEMENTOS DE FILTRACIÓN TANGENCIAL .............................................................. 40
4.8 ELECCIÓN DE LA MEMBRANA ......................................................................................................... 41
5 SISTEMA PROPUESTO ......................................................................................................................... 46
5.1 DISEÑO DEL SISTEMA ...................................................................................................................... 47
5.1.1 Parrilla .......................................................................................................................................... 48
5.1.2 Tanque de Descarte ..................................................................................................................... 49
12
5.1.3 Tanque de Captación .................................................................................................................... 55
5.1.4 Dimensionamiento de los Tanques .............................................................................................. 57
5.2 DESINFECCIÓN ................................................................................................................................. 60
5.3 INYECCIÓN Y RECIRCULACIÓN ......................................................................................................... 64
5.4 EQUIPO DE ULTRAFILTACIÓN .......................................................................................................... 66
5.5 CALCULO DE LOS CAUDALES Y PRESIONES ..................................................................................... 70
5.6 TANQUE DE DISTRIBUCIÓN ............................................................................................................. 76
5.7 ANÁLISIS ECONÓMICO .................................................................................................................... 76
5.8 ENSAMBLAJE DEL EQUIPO PILOTO .................................................................................................. 79
5.9 ENSAMBLAJE DEL SISTEMA ............................................................................................................. 80
5.10 PROBLEMAS OPERACIONALES PRÁCTICOS ................................................................................... 83
5.11 TESTES DEL SISTEMA ..................................................................................................................... 86
6 SISTEMATIZACIÓN DE LOS RESULTADOS ........................................................................................... 90
7 CONCLUSIÓN ...................................................................................................................................... 96
8 CONSIDERACIONES ............................................................................................................................. 98
CATÁLOGOS ......................................................................................................................................... 101
REFERENCIAS ....................................................................................................................................... 103
ANEXO A - TABLAS DE COSTOS DE ENSAMBLAJE DE LOS EQUIPOS DE MEMBRANAS ........................ 108
ANEXO B - DESEMPEÑO DE LOS INJECTORES MAZZEI DE ½” PARA AIRE ............................................ 112
ANEXO C - RELACIÓN OZONO X ORP ................................................................................................... 113
12
1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
Acá se muestran las bases que se tomó para que fuera escogido el tema del
tratamiento del agua de la lluvia.
1.1 ANTECEDENTES
Tenemos, en muchas ciudades, incluso Florianópolis, manantiales
tradicionales que están llegando temprano al agotamiento. Es cuestión de un lustre
para que las fuentes de agua de la región de Florianópolis no sean más suficientes
para atender la demanda de la población, en gran medida por su crecimiento
acelerado.
Florianópolis es la capital del Estado de Santa Catarina, situado
meridionalmente en Brasil. Es una ciudad situada mayormente en una isla atlántica,
cerca de 97% en área, habiendo una parte localizada en el continente. Tiene una
población de poco más que 400 mil habitantes, pero su región metropolitana,
incluyendo las ciudades de São José, Palhoça y Biguaçu, atinge una población de
un millón de personas. La principal actividad económica de la ciudad son los
servicios, sobremanera el turismo, habiendo también pesca artesanal y pequeñas
industrias sobremanera de informática. Por otro lado, la región metropolitana tiene
una producción industrial más pujante, pero sin haber industrias pesadas.
Florianópolis es considerada la capital brasileña con mejor calidad de vida.
Mientras ese inminente colapso de abastecimiento, la precipitación media en
la región es de cerca de 150 mm mensuales. Al tratársela al punto de llegar hacia su
potabilidad, tendremos una economía significativa de agua de la red pública y así
una mayor sostenibilidad urbana en ese quesito. En un rápido calculo, una
residencia que tenga 200 m² de techo, tendrá promedio 30.000 litros mensuales.
Considerando que el consumo de agua es calculado teóricamente en 200
litros/habitante por día, tenemos agua suficiente para ya sostener el consumo total
de hasta cinco personas.
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También en Brasil de una manera general y en los centros urbanos en
específico, hay cada vez más ocurrencias de inundaciones. Un factor que presta
larga contribución es la impermeabilización de las ciudades. Hay incluso ciudades
brasileñas, como Curitiba, que no exigen un uso de las aguas pluviales, sino su
almacenamiento y descarga despacio como manera de evitarse las inundaciones.
Dese modo, la potabilización de las aguas de la lluvia contribuye también para un
desagüe más racional.
La captación y utilización del agua de lluvia es una práctica antigua de la
humanidad. Conforme citado por Tomaz (2007) la Piedra Moabita, un pedazo de
basalto con la descripción de la conquista de Moabe, en el Medio Oriente, por volta
de 830 a.C., ya hace referencia a la construcción de cisternas para acumulación de
aguas pluviales. También existen sistemas construidos por los Mayas, los Incas y
otros pueblos. Con la construcción de las redes de distribución de agua – que
también es tan antigua como los egipcios y los romanos – parece que la captación
de la lluvia quedó en olvido.
1.2 PROBLEMA
No hay, por lo menos en Brasil, una legislación clara acerca de un
aprovechamiento integral de aguas pluviales. Aún más para su uso potable. La
norma ABNT NBR 15527/2007 ya indica claramente en su propio nombre
“Aproveitamento de coberturas em áreas urbanas para fins não potáveis”. O sea,
hay legislación para la captación y utilización de aguas pluviales, pero no para
utilización como agua potable. Esa norma indica la calidad de agua potable
necesaria para utilización, como indicado en la Cuadro 1.
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Cuadro 1 – Características del agua para uso no potable Parámetro Análisis Valor Coliformes totales Semestral Ausencia en 100 ml Coliformes termo-tolerantes Semestral Ausencia en 100 ml Cloro residual libre a Mensual 0,5 ~ 3,0 mg/l
Turbiedad Mensual < 2,0 uT b, para usos menos restritivos < 5,0 uT
Color aparente (caso no sea utilizado colorante, o antes de su utilización) Mensual < 15 uH c
Debe prever ajuste de pH para protección de las redes de distribución, caso necesario. Mensual 6,0 ~ 8,0 en caso de tubería de acero
carbón o galvanizado NOTA: Pueden ser utilizados otros procesos de desinfección además del cloro, como la aplicación de rayos ultravioleta e aplicación de ozono. a En el caso de ser utilizados compuestos de cloro para la desinfección. b uT es la unidad de turbiedad. c uH es la unidad Hazen.
Fuente: Associação Brasileira de Normas Técnicas (2007).
Esa norma también indica cálculos de captación y acumulación, siendo el más
importante documento para el aprovechamiento de las aguas pluviales.
Actualmente en mercado brasileño tenemos solamente sistemas para
utilización de aguas pluviales con un gradeo, eventualmente una filtración básica
para remoción de partículas sólidas, bien como dosificación de cloro o radiación
ultravioleta. No lo hay la utilización de barreras físicas a los contaminantes que no
sean, a lo sumo, una filtración simple.
Diversas empresas llevan al cabo proyectos de sistemas, pero estas no
objetivan la potabilidad del agua producida, lo que hace con que aguas pluviales no
puedan ser utilizados para consumo humano o animal. Las aguas pluviales son
utilizadas como aguas grises, o sea, para rego, lavado de pisos o coches y para
descarga en inodoros.
Por otro lado, sobremanera en la región Nordeste de Brasil, en la zona
llamada de Semi-Árido, región rural de baja ocupación humana, tenemos proyectos
de captación y almacenamiento de la lluvia para consumo, pero eses sistemas
presentan solamente captación, acumulación en cisternas y la dosificación manual
de hipoclorito de sodio o de calcio para su protección. Como las fuentes de agua en
esa región son escasas y normalmente insalubres, no hay restricciones para su uso
como si potable fuera.
15
En la zona urbana, algunas ciudades tienen legislaciones municipales que
recomiendan o mismo obligan la captación y acumulación del agua de la lluvia,
mucho más visando una regulación de su descarte que su uso. Eso objetiva evitarse
las inundaciones, debido a la impermeabilización del suelo. Según Garrido (2010),
hasta la data de de publicación de su trabajo, ya existían diversas leyes municipales,
como mostrado en la Cuadro 2 abajo y Jundiaí, SP, Rio de Janeiro, RJ, Salvador,
BA y Tubarão, SC, tenían ya proyectos de ley en estudio. Posteriormente a esa
publicación, Rio de Janeiro, Salvador ya aprobaran sus leyes.
Cuadro 2 – Leyes municipales brasileñas sobre captación de agua de la lluvia Número de la ley Alcance Objetivo
8.718 / 2006 Ponta Grossa – Paraná
El objetivo de esa ley es para que todas las edificaciones apliquen el programa de captación, almacenaje, conservación y uso racional del agua pluvial.
10.785 / 2003 Curitiba – Paraná Hay criado el Programa de Uso Racional del Agua en las Edificaciones (PURAE). Tiene como objetivo instituir medidas que visen inducir la conservación, uso racional y utilización de las fuentes.
13.276 / 2002 São Paulo – São Paulo
Obliga la ejecución de reservatorio para las aguas colectadas por coberturas y pavimentos en los lotes, edificados o no, que tengan área impermeabilizada superior a los 500 m². Establece que el agua captada deba de preferencia ser infiltrada en el suelo, pudendo ser direccionada a la red de drenaje después de una hora del término de la lluvia o aun ser utilizada para fines no potables.
14.018 / 2005 São Paulo – São Paulo
Tiene por objetivo instituir medidas que induzcan a la conservación, uso racional e utilización de fuentes alternativas para captación de agua y reúso en las nuevas edificaciones, así como la concientización de los usuarios sobre la importancia de la conservación del agua.
10.506 / 2008 Porto Alegre – Rio Grande do Sul
Las nuevas edificaciones sin reaprovechamiento de aguas pluviales no recibirán autorización de la prefectura. Además los predios serán obligados a tener un hidrómetro para cada apartamiento.
Fuente: Garrido e Ferreira (2010).
Ya según Carlon (2005), además de las ciudades citadas, Santo André,
Guarulhos, Praia Grande y Campinas, en el estado de São Paulo y Niterói en Rio de
Janeiro. Diversos otros municipios están a buscar reglamentación para la cuestión
pluviométrica, mucho más para evitaren inundaciones que para el uso de esa grande
fuente de agua. Pero como las construcciones ya presentan la estructura de
captación y acumulación de agua, nada impide que se la utilice, lo que generará
economía en los gastos con agua potable. Ya entre todos que presentan legislación,
el uso será para fines no potables y no para buscar alternativas de potabilización de
esa agua.
Las normas brasileñas para aguas pluviales, hecha por los municipios,
apenas piensa en el drenaje de la lluvia, debido al impacto que la
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impermeabilización del solo urbano provoca. Según Pinheiro (2012) el drenaje
superficial en un ambiente natural es de orden de 10% de la precipitación, mientes
en zonas urbanas, este llega a los 45% carreados por los alcantarillados o sistemas
de drenaje pluvial. Con una acumulación y desagüe lento, el riesgo de inundaciones
se queda bastante reducido. Entonces la legislación del país parte de un problema
de contención de las aguas pluviales, con las legislaciones locales, y llega a la
utilización de esa agua que, por obligación, ya está acumulada, por la Norma NBR
15527/2007.
1.3 OBJECTIVO Y PROPÓSITO
El objetivo de la presente monografía es el estudio de una alternativa para la
potabilización del agua pluvial. Ese trabajo tiene como propósito la confección, posta
en marcha y los testes de una planta piloto para tratamiento de aguas pluviales.
A lo largo, el trabajo puede ser una contribución para que estén siendo dadas
las condiciones técnicas para que haya un cambio de paradigma, o sea, se cambie
una organización social que tiene los consumidores distintos de los productores y se
empiece otra en que los agentes sociales sean al mismo tiempo los productores y
los consumidores.
1.4 EXPLANACIÓN
Tenemos en diversas regiones del país una precipitación considerable que no
es infiltrada para el abastecimiento de los acuíferos ni tampoco utilizada de forma
sistemática para fines no potables – lo que, según Santos (2008) representa cerca
de un tercio del consumo residencial de agua – que diremos sobre su uso como
agua aprovechable para todos sus usos. Conforme el mismo autor, cerca de 30% de
las aguas utilizadas en una residencia puede generar aguas grises. El reúso de esa
agua, por su potabilización es una economía significativa para los manantiales.
A largo plazo el presente trabajo podrá ser un pequeño paso para que cada
economía pueda, por sus propios recursos, captar, tratar, aprovechar el agua de la
lluvia y aún fornecer el excedente para la red pública, haciendo una vía de doble
17
mano, donde, cuando haya baja precipitación, la economía pueda consumir el agua
de la red pública y, por supuesto, pagar por eso y, en épocas con buena
precipitación, utilizar su propia fuente de agua y recibir un pago por el excedente de
agua que, la red pública recibirá y acumulará. Así, pueden estar siendo dadas las
condiciones técnicas para que haya un cambio de paradigma. Eso puede se dar no
solamente en el caso del agua, pero en la energía, la producción de alimentos, etc.
1.5 HIPÓTESIS
La obtención de agua potable a partir del agua pluvial solo será obtenida a
partir del cambio de las características físicas y químicas de esa agua para que se
encuadre en la Portaría del Ministerio de la Salud de Brasil nº 2914 de 2011. Eso
será obtenido con la desinfección y la filtración del agua pro membranas de
ultrafiltración con corte de 100 kDa o menos.
1.6 JUSTIFICACIÓN
Cada vez más en Brasil existen leyes municipales que obligan la coleta y
acumulación del agua de lluvia, con objetivo de evitarse inundaciones. Diversos
constructores ya empiezan a utilizar esa agua acumulada para fines no potables,
aprovechando las especificaciones de la norma ABNT NBR 15527/2007. Por otro
lado, hay un inminente colapso de los manantiales de abastecimiento de los centros
urbanos, las aguas pluviales pueden ser una buena alternativa como una fuente
complementar de abasto, desde que cumplida las condiciones de potabilidad
descritas en la Portaría citada anteriormente.
18
2 PROCEDIMIENTO
Ese trabajo viene a presentar un sistema de tratamiento de agua para la
potabilización del agua de lluvia. El sistema piloto será desarrollado y puesto en
marcha en un barrio de la ciudad de Florianópolis, Santa Catarina, Brasil. El barrio
está en la región continental de Florianópolis, cerca de la divisa con el municipio de
São José. Es una zona densamente poblada y cruzada por dos rutas federales, la
BR 101, que cruza el país de Sur a Norte y la BR 282, que cruza el estado de Leste
al Oeste.
2.1 LOCAL DE CAPTACIÓN PROPUESTO
Usuario: Yporã, empresa que fabrica equipos de tratamiento de agua por
membranas.
Localización: Rua Joaquim Carneiro, 975, barrio Abraão, ciudad de
Florianópolis, estado de Santa Catarina, Brasil (latitud Sur –27,604953; longitud
Oeste –48,591143); frente W-SW.
Figura 1 - Localización general del proyecto en Sudamérica
Fuente: maps.google.com.
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Consumo: Actualmente el consumo de agua potable informado es de 200
l/día, teniendo un aumento proyectado en corto plazo para 300 l/día, que es el
objetivo de atendimiento de la planta piloto. En futuro, llegará hasta los 500 l/día.
Techo: El techo es cubierto con tejas de aluminio, componiendo un tejado de
“media-agua” con un área aproximada de 246 m² con una frente de 20,6 metros, una
lateral de 11,5 m y una altura de 0,85 m.
Para el cálculo de el área del techo fue utilizada la ecuación indicada en la
Figura 2 (AMANCO, 2009).
Drenaje: El techo presenta una canaleta rectangular para drenaje con cerca
de 150 x 200mm y tubería de diámetro de 100 mm en sus dos extremidades. El
sistema propuesto será instalado en solo una tubería de caída, la situada en la
derecha de la fachada del predio, pues, como no es nada más que un piloto, se
queda más sencillo instalarlo apenas en una caída de agua.
Figura 2 – Calculo del área del techo
Fuente: Amanco (2009).
Así siendo se puede considerar el área útil para el proyecto como la mitad del
área total, o sea 123 m².
20
3 MARCO TEORICO
En las próximas páginas se presenta las bases tomadas para empezarse el
trabajo, tomando lo ya desarrollado por otros autores.
3.1 CICLO DEL AGUA
Todo empieza por el Ciclo del Agua. Según US Geological Survey, el ciclo del
agua es dirigido por el sol. Esto calienta los océanos, cuya evaporación del agua,
llevada por las corrientes ascendentes del aire, se va para las capas más altas de la
atmósfera. El vapor, por efecto de las bajas temperaturas, se condensa y forma las
nubes que son movidas por las corrientes del aire. El crecimiento de las partículas
en las nubes, por su colisión, hace con que ellas caen en forma de lluvia o de nieve.
La mayor parte de la precipitación cae sobre los océanos o sobre la tierra, donde
corre como escorrentía superficial. Parte de la precipitación cae sobre los glaciares y
se queda almacenada en forma de hielo que también, en climas más cálidos,
escurre. Parte de la escorrentía siegue hasta los ríos y es trasportada de volta a los
océanos. Parte de esa agua también se acumula, yuntamente con el agua
subterránea que brota a la superficie y forman lagos y lagunas. También una parte
grande de la lluvia que llega al solo, es absorbida por este como infiltración, parte de
esta agua se queda en las capas más superficiales y es absorbida por las raíces de
las plantas volviendo a la atmosfera por su transpiración. Otra parte siegue a las
capas más profundas acumulándose en acuíferos. Una parte del agua subterránea
brota en manantiales, volviendo a circular. Así siegue, en pocas palabras, el ciclo del
agua, ilustrado en la Figura 3.
21
Figura 3 – El Ciclo del Agua
Fuente: http://ga.water.usgs.gov/edu/watercycle.html.
También, en la misma publicación tenemos que la cantidad de agua presente
en la atmosfera es de 12.900 km³ de agua está en la atmosfera y la captación de
una pequeña parte de esa agua y dotarle de condiciones para que pueda ser
aprovechada integralmente es el objetivo de ese trabajo.
3.2 PLUVIOMETRIA LOCAL
Un trabajo muy interesante sobre la pluviometría local es el llevado a efecto por
Silva et al. (2004) que toma como región la ciudad de São José, lindera de
Florianópolis, sobremanera de región continental de ese municipio que es donde se
está haciendo el presente trabajo.
22
Figura 4 – Localizaciónes en la ciudad de Florianópolis
(A) Localización del proyecto (B) Localización de la Estación Agro-Meteorológica Fuente: maps.google.com.
En el mapa de la Figura 4 está señalado el local de las mediciones del trabajo
actual, en región densamente habitada, muy cerca de la ruta BR 282 y en una
península localizada en la Baía Sul, entre el continente y la isla (à la derecha del
mapa). La divisa con el municipio de São José es el Río Araújo, cerca de 1,5 km del
punto considerado. Así juzgamos pertinente utilizar los dados del trabajo de SILVA
como base de partida.
La ciudad de Florianópolis presenta cerros de hasta 500 metros y planicies
extensas en la región insular. En la región continental hay cerros más bajos y
planicies menos extensas. El local de los testes está en una cota de cerca de 20
metros y la elevación máxima llega a 100 metros. El clima local es típico del litoral
sur del país, con estaciones bien definidas y con la media de las máximas entre
21ºC y 31ºC y la media de las mínimas entre 13ºC y 22ºC. La temperatura mínima
registrada en la ciudad fue -2ºC en 1975 y la máxima de 38ºC en 2012. Los vientos
predominantes, son el Sur y el Nordeste. Por situarse en el litoral, los vientos vienen
del mar, habiendo poca contaminación provocada por la industria local, aun porque
el parque instalado es de baja polución aérea. Un caso aislado ocurrió entre 18 y 20
de octubre de 2011, cuando las cenizas del volcán chileno Puyehe, localizado a los
2.600 km de distancia, alcanzaran la cuidad, pero, por ser un evento completamente
aislado, no lo consideraremos.
23
Figura 5 - Curvas de Niveles en la región con la localización del proyecto
Fuente: maps.google.com.
24
También es pertinente utilizarse el “Plano Municipal Integrado de
Saneamento Básico” presentado pela “Secretaria Municipal de Habitação e
Saneamento Ambiental (SMHSA)” de Florianópolis, hecho en 2009 donde se
presentan también dados bastante densos sobre la precipitación pluviométrica
en la ciudad. El propio plan utiliza como parámetro la pluviometría de la
estación agro-meteorológica nº 124, conforme indicado en la Tabla 1,
contemplando un período de 26 años, teniéndose una media mensual de
148,7 mm. Esa estación está localizada en el barrio de Praia Comprida, cerca
de 3 km a leste del local de la instalación del sistema piloto.
Tabla 1 – Pluviometría en el municipio de São José – Alturas totales mensuales ALTURAS PLUVIOMÉTRICAS TOTALES MENSUALES Fuente: EPAGRI – Empresa de Pesquisa Agropecuária e Extensão Rural de Santa Catarina Estación Agro-meteorológica 124 de Florianópolis Lat: -27º35’00’’ Long: -48º34’00” Altitud 2 m Local: São José, SC
AÑO ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DEC TOTAL MÁXIMA 1975 192,7 144,8 188,1 70,3 81,4 64,7 36,4 125,6 212,0 136,2 187,1 153,3 1592,6 212,0 1976 167,2 157,8 151,0 16,8 345,1 101,2 93,7 86,8 87,0 73,5 177,5 250,0 1707,6 345,1 1977 162,8 387,8 124,1 64,9 22,0 24,7 39,6 290,2 122,9 119,0 175,2 213,0 1746,2 387,8 1978 159,1 112,3 482,0 26,5 64,4 57,8 63,7 58,6 138,2 115,5 94,6 297,9 1670,6 482,0 1979 30,9 272,0 105,0 113,1 115,7 34,3 48,9 75,7 127,5 241,8 150,8 112,8 1428,5 272,0 1980 272,8 200,8 81,1 73,9 57,0 49,6 153,3 117,5 105,0 145,3 84,7 212,2 1553,2 272,8 1981 129,9 157,7 293,0 114,8 176,4 59,2 86,7 39,4 66,4 169,8 112,8 183,6 1589,7 293,0 1982 103,5 185,6 441,3 78,3 108,1 99,1 23,1 53,2 17,3 127,2 183,9 77,3 1497,9 441,3 1983 311,4 224,6 131,3 178,2 205,0 117,4 527,2 107,2 179,3 73,4 191,7 367,1 2613,8 527,2 1984 247,5 82,3 142,0 119,2 89,8 103,5 91,0 261,7 160,4 90,6 269,5 128,4 1785,9 269,5 1985 225,7 271,1 416,3 132,6 64,2 84,7 151,6 117,3 89,1 143,4 186,0 61,2 1943,2 416,3 1986 144,2 176,6 152,5 111,6 57,8 16,3 50,7 53,9 177,3 246,0 121,9 129,6 1438,4 246,0 1987 519,0 471,4 135,4 96,0 150,9 81,6 80,5 145,9 56,6 185,1 47,7 189,3 2159,4 519,0 1988 151,1 60,5 218,4 64,8 103,9 49,7 4,4 9,7 135,6 105,7 42,5 100,6 1046,9 218,4 1989 353,2 145,9 120,9 121,9 164,7 37,8 68,0 58,8 227,1 73,4 81,6 201,4 1654,7 353,2 1990 250,9 283,6 161,0 188,6 74,8 69,4 175,8 117,7 149,5 180,6 149,3 146,5 1947,7 283,6 1991 204,1 109,2 96,1 31,5 103,8 84,4 12,6 125,4 51,8 170,3 594,9 183,0 1767,1 594,9 1992 254,5 126,9 240,0 36,4 200,1 80,9 148,8 105,6 64,6 37,1 157,6 27,8 1480,3 254,5 1993 245,2 198,0 130,5 122,7 105,0 69,3 185,6 13,8 228,7 123,2 27,4 177,8 1627,2 245,2 1994 123,1 432,7 237,2 130,6 225,2 81,8 117,8 12,6 18,4 109,4 134,1 247,9 1870,8 432,7 1995 357,4 253,2 226,9 36,4 5,7 107,3 56,2 60,0 109,2 142,1 106,6 563,2 2024,2 563,2 1996 219,4 244,2 239,3 49,7 146,6 149,8 108,9 99,6 214,9 103,4 62,2 163,7 1801,7 244,2 1997 632,8 219,2 50,0 109,5 46,7 38,2 87,1 55,9 181,9 360,9 211,7 180,0 2173,9 632,8 1998 306,6 185,5 134,5 155,6 70,1 79,2 93,8 225,4 231,6 136,4 127,6 114,7 1861,0 306,6 1999 260,9 216,7 76,2 93,3 51,0 116,5 158,5 37,2 89,4 236,7 224,4 121,8 1682,6 260,9 2000 247,0 212,3 236,2 65,6 18,1 76,4 50,0 45,8 159,9 216,3 77,3 192,3 1597,2 247,0 2001 186,1 537,0 162,4 231,0 295,0 95,0 82,7 52,0 192,6 220,6 202,5 103,8 2360,7 537,0
MEDIA 239,22 224,80 191,58 97,55 116,61 75,18 103,58 94,54 133,12 151,22 154,93 181,49 1763,81 365,12 MÍNIMA 30,90 60,50 50,00 16,80 5,70 16,30 4,40 9,70 17.3- 37,10 27,40 27,80 1046,90 212,00 MÁXIMA 632,8 537,00 482,00 231,00 345,10 149,80 527,20 290,20 231,60 360,90 594,90 563,20 2613,80 632,80
Fuente: Florianópolis (2009).
25
Tabla 2 – Pluviometría en el municipio de São José – número de días de lluvia NUMERO DE DIAS DE LLUVIA Fuente: EPAGRI – Empresa de Pesquisa Agropecuária e Extensão Rural de Santa Catarina Estación Agro-meteorológica 124 de Florianópolis Lat: -27º35’00’’ Long: -48º34’00” Altitud 2 m Local: São José, SC
AÑO ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DEC TOTAL 1975 10 12 13 11 9 7 4 9 19 13 14 13 134 1976 14 15 11 4 11 7 9 7 5 11 8 14 116 1977 11 10 11 9 7 4 7 10 9 13 13 16 120 1978 10 13 8 2 4 6 7 5 10 7 10 12 94 1979 4 9 9 11 9 4 5 4 10 15 10 7 97 1980 13 16 12 3 5 3 7 10 9 14 8 14 114 1981 16 12 9 7 6 4 9 6 8 11 12 12 112 1982 14 14 18 9 5 11 5 10 4 7 16 9 122 1983 13 14 16 12 14 10 19 8 12 9 14 15 156 1984 16 8 16 14 8 10 8 16 7 8 15 15 141 1985 10 12 17 13 4 4 8 8 11 15 13 8 123 1986 10 11 12 11 6 2 5 7 11 8 11 13 107 1987 16 16 6 11 11 7 8 14 10 15 8 9 131 1988 17 8 8 10 15 8 1 4 8 10 5 11 105 1989 18 11 11 9 9 7 8 6 13 8 8 11 119 1990 19 9 16 12 4 8 10 8 11 16 14 8 135 1991 11 8 13 2 5 7 2 10 8 8 12 11 97 1992 13 1 16 7 14 5 13 9 11 7 8 5 119 1993 18 12 16 11 7 6 12 4 12 10 8 17 133 1994 11 23 14 9 11 9 10 2 5 14 13 15 136 1995 19 18 8 2 2 8 7 9 11 11 11 9 115 1996 22 19 20 9 4 11 7 7 12 12 10 15 148 1997 21 16 8 6 8 5 7 10 7 19 15 16 138 1998 18 15 10 11 5 5 12 16 14 14 10 10 140 1999 16 12 17 12 7 5 11 7 9 12 14 8 130 2000 15 12 11 5 4 10 7 5 9 14 10 11 113 2001 16 18 10 11 11 7 10 5 11 8 13 9 129
MEDIA 14,5 13,1 12,4 8,6 7,6 6,7 8,1 8,0 9,9 11,4 11,2 11,6 123,1 MÍNIMA 4 8 6 2 2 2 1 2 4 7 5 5 94 MÁXIMA 22 23 20 14 15 11 19 16 19 19 16 17 156
Fuente: Florianópolis (2009).
Tabla 3 – Pluviometría en el municipio de São José – precipitación diarias
mensuales PRECIPITACIONES DIÁRIAS MÁXIMAS MENSUALES Fuente: EPAGRI – Empresa de Pesquisa Agropecuária e Extensão Rural de Santa Catarina Estación Agro-meteorológica 124 de Florianópolis Lat: -27º35’00’’ Long: -48º34’00” Altitud 2 m Local: São José, SC
AÑO ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DEC TOTAL 1975 119,5 67,1 42,2 30,1 50,4 15,8 23,3 29,0 37,8 36,8 66,8 46,8 119,5 1976 27,0 54,5 46,6 7,3 107,4 25,6 17,6 30,0 33,6 13,8 49,4 85,0 107,4 1977 64,7 100,4 32,7 25,8 7,4 11,4 11,7 103,9 48,1 33,0 44,2 75,9 103,9 1978 45,0 29,9 187,1 13,7 33,0 32,0 26,1 17,2 45,9 68,0 40,9 86,9 187,1 1979 8,0 190,3 38,0 25,0 47,5 13,0 16,5 56,7 62,9 55,1 38,7 52,0 190,3 1980 87,0 72,9 19,8 38,0 45,2 31,0 89,4 32,7 20,8 17,9 20,3 53,7 89,4 1981 37,3 53,2 131,9 33,4 133,8 23,3 23,5 22,1 16,1 38,5 25,8 47,2 133,8 1982 18,4 39,6 109,1 16,2 56,5 31,0 8,4 11,3 5,0 30,6 47,0 22,2 109,1 1983 78,3 71,1 27,2 34,4 38,0 63,9 64,2 36,3 56,5 22,4 89,6 144,0 144,0 1984 68,3 20,2 45,2 28,1 35,7 34,5 38,4 75,1 47,0 27,0 85,8 36,6 85,8 1985 76,8 77,2 188,3 30,0 31,6 64,7 86,3 60,6 24,9 32,2 32,5 24,2 188,3 1986 36,2 52,3 27,4 33,1 33,4 7,9 12,5 22,2 69,4 160,7 60,8 26,4 160,7 1987 68,9 143,0 41,5 20,6 34,5 25,6 31,0 42,6 22,1 51,5 11,4 86,3 143,0 1988 22,5 26,4 95,6 27,2 22,0 23,2 2,4 3,7 46,1 34,4 23,5 25,8 95,6 1989 94,4 51,8 31,5 35,6 55,3 24,1 22,3 27,2 89,0 16,1 22,9 52,0 94,4 1990 40,1 99,6 39,4 82,2 46,0 17,6 62,5 42,2 45,7 39,2 52,7 89,6 99,6 1991 69,8 30,5 23,0 15,0 63,1 36,6 9,4 20,1 7,1 79,1 404,8 27,1 404,8 1992 84,2 47,3 58,0 13,8 38,1 28,3 37,0 32,4 18,5 9,0 34,0 23,9 84,2 1993 40,1 54,3 32,0 29,1 43,8 26,9 75,7 7,0 49,7 35,1 8,0 33,6 75,7 1994 30,6 227,4 78,2 43,9 116,0 18,9 27,6 12,4 5,5 24,7 52,6 87,2 227,4 1995 64,2 56,0 60,9 15,9 3,3 24,5 24,7 39,5 30,0 22,9 46,6 206,6 206,6 1996 35,8 71,0 81,5 11,0 135,2 35,6 52,4 40,9 33,0 20,6 12,9 41,6 135,2 1997 97,8 56,8 23,7 49,4 13,8 11,9 17,7 15,4 116,0 72,8 70,7 29,6 116,0 1998 83,3 38,6 31,7 88,0 30,0 35,1 18,8 63,0 48,6 47,2 60,2 85,0 88,0 1999 67,8 60,8 18,8 26,2 11,6 55,0 45,3 17,4 26,5 76,3 57,9 16,4 76,3 2000 65,8 43,0 105,0 29,2 7,0 25,0 26,0 14,7 44,0 39,4 17,6 57,2 105,0 2001 38,0 194,9 88,2 95,1 161,2 28,0 18,0 23,3 25,2 118,2 52,0 24,6 194,9
Media de las máximas anuales: 138,48 Desvío padrón: 68,93 MEDIA 58,2 75,2 63,1 33,2 55,0 28,5 32,9 33,3 39,8 45,3 56,7 59,2 139,5 MÍNIMA 8,0 20,2 18,8 7,3 3,3 7,9 2,4 3,7 5,0 9,0 8,0 16,4 75,7 MÁXIMA 119,5 227,4 188,3 95,1 161,2 64,7 89,4 103,9 116,0 160,7 404,8 206,6 404,8
Fuente: Florianópolis (2009).
26
Según la misma fuente, los días con lluvia en ese mismo período fue de 10,3
días mensuales y 48,4 mm por día, como indicado en las Tablas 2 y 3.
Tabla 4 – Altura de la lluvia y duración en São José
Estación Agro-Meteorológica 124 de Florianópolis ,SC Local: São José Metodología propuesta por TORRICO, 1974 Nº de anos observados: 27 Precipitación Media (mm): 139,48 Desvío Padrón: 68,93
TR = 5 P1día (Chow-Gumbel) = 200,07 TR = 10 P1día (Chow-Gumbel) = 247,01 Duración
(h) Coef. ajuste
Precip. Total (mm)
Intensidad (mm/h)
Duración (h)
Coef. ajuste
Precip. Total (mm)
Intensidad (mm/h)
0,1 0,112 24,54 245,37 0,1 0,112 30,29 302,93 1,0 0,420 92,01 92,01 1,0 0,416 112,52 112,52
24,0 1,095 219,8 9,13 24,0 1,095 270,48 11,27
TR = 15 P1día (Chow-Gumbel) = 273,27 TR = 25 P1día (Chow-Gumbel) = 306,43 Duración
(h) Coef. ajuste
Precip. Total (mm)
Intensidad (mm/h)
Duración (h)
Coef. ajuste
Precip. Total (mm)
Intensidad (mm/h)
0,1 0,112 33,51 335,14 0,1 0,112 37,58 375,80 1,0 0,414 123,88 123,88 1,0 0,411 137,91 137,91
24,0 1,095 299,23 12,47 24,0 1,095 335,54 13,98
TR = 50 P1día (Chow-Gumbel) = 350,47 TR = 100 P1día (Chow-Gumbel) = 394,24 Duración
(h) Coef. ajuste
Precip. Total (mm)
Intensidad (mm/h)
Duración (h)
Coef. ajuste
Precip. Total (mm)
Intensidad (mm/h)
0,1 0,112 42,98 429,82 0,1 0,10 43,17 431,69 1,0 0,407 156,19 156,19 1,0 0,403 173,97 173,97
24,0 1,095 383,77 15,99 24,0 1,095 431,69 17,99
Fuente: Florianópolis (2009).
Ya la Tabla 4 muestra, por la misma fuente, la intensidad de la precipitación,
utilizándose la precipitación total, la recurrencia y la duración de la lluvia.
Todos eses datos son recompilados por la “Empresa de Pesquisa
Agropecuária e Extensão Rural de Santa Catarina (EPAGRI)”, que es responsable
por el acompañamiento meteorológico del estado de Santa Catarina.
3.3 CALIDAD DEL AGUA DE LA LLUVIA
Antes de implementarse el sistema piloto, es interesante analizarse lo que la
literatura sobre la precipitación en la región de Florianópolis indica.
Indica Moreira-Norderman (2004) algunos parámetros en el agua de la lluvia
en Florianópolis, indicado en la Tabla 5.
27
Tabla 5 – Pluviometría y calidad del agua en algunas ciudades costeras brasileñas Local Pluv. SO4
2 NO-3 NH+4 pH Fortaleza 1757 0,40 0,13 0,08 5,3 ± 0,6
Natal 1658 0,21 0,04 0,03 5,0 ± 0,6 Salvador 2588 0,61 0,06 0,03 5,6 ± 0,5 Niterói 1506 1,66 0,42 0,21 5,4 ± 0,7
Caraguatatuba 1672 1,00 0,48 0,28 4,0 ± 0,6 Florianópolis 1358 0,44 0,44 0,21 5,7 ± 0,6
Fuente: Moreira-Norderman (2004).
Notase que en Florianópolis, el pH está en el límite inferior de la potabilidad,
así como las demás ciudades, mientras los demás parámetros se encuentran dentro
de las condiciones de potabilidad.
En la disertación realizada por Jaques (2005) acerca de la calidad de las
aguas pluviales en la ciudad de Florianópolis, los datos están más consistentes.
Fueran recompilados los datos de siete colectas en diversos puntos distintos, siendo
ellos:
a) P1: Coleta directa de la lluvia, sin pasar por tejados;
b) P2: Coleta en tejado de cimiento amianto;
c) P3: Coleta en tejado de cerámico;
d) P4: Coleta en cisterna de acumulación posterior a un tejado de zinc.
Las coletas P2 y P3 fueran hechas en el inicio de la lluvia, y descorridos 10,
30 y 60 minutos del inicio de la precipitación. Las medias están presentadas en la
Tabla 8. El punto P4, la coleta es echa en un reservatorio para la acumulación del
agua, habiendo solamente una parrilla anterior para la remoción del material grosero
arrastrado por la lluvia.
28
Tabla 6 – Calidad del agua de la lluvia en Florianópolis
Parám P1 P2 0’ P2 10’ P2 30’ P2 60’ P3 0’ P3 10’ P3 30’ P3 60’ P4 Norma¹
pH 5,46 7,23 7,19 7,58 7,40 6,41 6,51 6,51 6,52 5,13 6 ~ 9,5
Alcalin. 2,59 23,54 18,42 19,70 13,96 5,11 3,58 3,59 3,26 3,62 -
Conduct. 16,57 53,29 41,29 40,00 32,17 28,88 28,14 13,25 13,29 32,25 2.000²
Cloruros 9,09 14,69 11,73 11,23 10,04 14,02 10,73 10,42 8,45 13,95 250
Color 10,00 58,78 22,89 22,78 15,71 35,62 18,75 18,93 11,00 5,00 15
Turbied. 4,26 15,92 7,58 6,82 4,42 11,32 5,69 11,90 4,06 4,70 5,0
DBO 3,36 4,04 2,24 2,29 1,54 3,5 2,43 2,90 3,00 1,01 3,0³
DQO 48,67 74,00 29,56 21,67 18,43 55,00 31,00 22,89 24,71 12,40 -
N Amon. 1,09 1,11 0,77 0,76 0,70 1,39 0,76 0,77 0,70 0,68 1,5
Nitrito 0,31 0,50 0,37 0,37 0,26 0,33 0,27 0,28 0,32 0,15 1,0
Nitrato 0,50 0,66 0,51 0,50 0,50 0,57 0,50 0,50 0,50 0,50 10
Fosfatos 0,71 1,61 1,16 2,12 1,00 1,03 1,07 1,02 1,26 0,69 -
Ortofosf. 0,43 0,36 0,35 0,31 0,32 0,39 0,34 0,34 0,32 0,33 -
SS 7,00 65,56 9,80 13,64 3,40 50,73 17,78 13,33 3,70 - -
SS d 0,61 32,11 13,11 11,00 6,29 15,00 9,67 5,89 3,75 0,00 -
Colif tot 1370 1870 1470 1170 1100 1760 1810 1870 1710 2490 0,0
Colif fec 6,67 74,1 33,2 24,40 114 705 716 262 104 13,10 0,0
CO2 libre 3,81 3,13 3,13 2,84 2,26 2,74 2,74 2,74 2,39 3,17 -
Dureza 9,29 49,51 41,21 33,82 29,19 23,98 15,27 12,91 14,04 11,78 500
Fluoruros 0,11 0,23 0,19 0,18 0,18 0,10 0,16 0,11 0,10 0,00 1,5
O2 consu 2,41 13,89 5,27 4,97 3,20 10,82 5,71 5,14 3,19 0,92 -
Calcio 1,87 16,60 10,54 9,18 7,11 5,36 3,29 2,27 1,65 2,44 -
Magnesio 1,00 3,40 3,99 2,84 2,98 2,64 2,10 1,50 1,74 1,36 -
Hierro 0,02 1,35 0,22 0,29 0,10 0,57 0,13 0,11 0,06 0,02 0,3
Aluminio 0,01 0,00 0,00 0,03 0,03 0,00 0,01 0,00 0,00 0,00 0,2
Aspecto no obj no obj no obj no obj no obj no obj no obj no obj no obj no obj no obj
Olor no obj no obj no obj no obj no obj no obj no obj no obj no obj no obj no obj
Fuente: Jaques (2005). Notas: ¹: Valores máximos permitidos según la Portaría 2.914 del Ministerio de la Salud
²: Conductividad máxima permitida en µS/cm, siendo el doble de los sólidos totales disueltos en mg/l³: Valor máximo permitido según la Resolución 357 de CONAMA
Observaciones: Las mediciones en gris no serán consideradas para la evaluación presente. Las mediciones en rojo son parámetros arriba de los valores máximos permitidos.
El autor seleccionó algunos datos y los comparó con la Portaría nº 518 del
Ministerio de la Salud (hoy sustituida por la Portaría 2.914, pero que no presenta
diferencias en eses parámetros) (Jaques, 2005). Esa selección se presenta en la
Tabla 7.
29
Tabla 7 – Calidad del agua de la lluvia comparada con la Portaría 518
Parámetro Unidad Tejado amianto Tejado
cerámico Cisterna (tejado
cerámico) VMP
(Portaría 518) Aluminio mg/l 0,01 0,00 0,00 0,2
Amonio mg/l 0,83 0,9 0,68 1,5 Cloruros mg/l 11,92 10,90 13,95 250
Coliformes fecales NMP 6,14 x 10² 2,96 x 10² 1,31 x 10¹ Ausencia Coliformes totales NMP 1,40 x 10³ 1,79 x 10³ 2,49 x 10³ Ausencia
Color aparente mg PtCo/l 30,04 21,07 5,00 15 Dureza mg/l CaCO3 38,43 16,37 11,78 500 Hierro mg/l 0,49 0,21 0,02 0,3 Olor - No objetable No objetable No objetable No objetable
Gusto - No objetable No objetable No objetable No objetable pH - 7,35 6,49 5,13 6,0 ~ 9,5
Turbiedad UT 8,68 8,24 4,70 5
Fuente: Jaques (2005).
Notamos en la Tabla 7 que la mayor parte de los parámetros atienden la
potabilidad, excepto los biológicos y algunos pocos más y en algunos casos. Notase
que en la cisterna el tejado es de zinc y no cerámico como indicado en esa tabla. Es
importante percibir que los puntos P2 y P3 tienen diversas medidas durante el
tiempo de captación. Los parámetros empiezan altos en el tiempo cero y se van
bajando con el tiempo de la lluvia. Eses parámetros están indicados en los gráficos a
seguir levantados a partir del mismo trabajo. Por simplificación, consideraremos
apenas algunos parámetros juzgados los más importantes por ser más críticos o
más significativos. Serán ellos el pH y la conductividad, que podrán ser mensurados
en línea, el color y la turbiedad, que son parámetros importantes para la potabilidad
y se mostraran altos en la captación en techos, llegando a valores más elevados que
los considerados máximos permitidos por la Portaría 2.914. Ya los coliformes totales
y fecales, deben estar ausentes en muestras de 100 ml, según la misma Portaría.
Finalmente la DBO y la DQO, que, mientras no sea monitoreada por la Portaría, en
aguas dulces de Clase 1, según la Resolución del “Conselho Nacional do Meio
Ambiente” nº 357 de 2005 (BRASIL, 2005), la DBO5 debe estar por debajo de los 3
mg/l y presentase más elevada en algunos casos. Entonces, abajo, presentamos, en
el Gráfico 1 estos parámetros.
Notase que los puntos P1 y P4, que no tienen coletas en el tiempo, fueran
considerados como se los fueran, para facilitar la visualización. Los valores máximos
permitidos por la legislación están en líneas discontinuas, así como el mínimo para
el pH. Mientras no fue encontrado en las normas un valor máximo para DQO,
consideramos esto en 30 mg/l para facilitar la visualización también.
30
De una manera general, excepto el pH, los parámetros bajan con el tiempo de
lluvia. Hay algunas incoherencias en el punto P3, el techo cerámico, mientras no se
tenga una investigación sobre eso por parte del autor. Esa situación puede ter
ocurrido sea por el tipo del techo o por ser un techo antiguo y quizás sin
mantenimiento.
Además, é interesante notar que los parámetros inorgánicos, en los dos
puntos en que fue hecho coletas al largo del tiempo, empiezan más altos y caen,
siendo arrastrados por la escorrentía del agua por el techo. Ese facto comprueba la
necesidad del lavado del tejado con la primera agua.
Confirmase que los sólidos totales disueltos, representados por la
conductividad, están bien debajo del valor máximo permitido, que es 1.000 mg/l, o
cerca de 2.000 µS/cm, de modo que ese parámetro realmente no será un problema
para ser atacado en el tratamiento. Ya color, turbiedad, DBO, DQO y los coliformes
totales y fecales están altos, necesitando de tratamiento. El uso de un desinfectante
oxidante, como el cloro o el ozono, y una barrera física para impedir el paso de los
orgánicos, tienden a solucionar eses problemas. También es posible que se tenga
problemas con el bajo pH del agua. En las muestras el valor oscila entre 5,1 y 7,6.
Así ele podrá estar por debajo del valor mínimo permitido. En ese caso es necesario
hacer una alcalinización del agua. Una alternativa puede ser la colocación de algún
carbonato o bicarbonato de sodio o calcio.
Es importante notar que, entre los parámetros no considerados, en hierro
presentó, en dos ocasiones, valores arriba de lo máximo permitido, los dos casos en
la primera lluvia de los dos techos acompañados por el tiempo, cayendo logo para
valores considerados dentro de los padrones de potabilidad. También los sólidos
suspensos presentan valores bien altos en la primera agua, también cayendo
significativamente posteriormente.
31
Gráfico 1 – Parámetros considerados a partir del trabajo
Fuente: Jaques (2005).
32
4 EL USO DE FILTRACIÓN POR MEMBRANAS
Mientras, las aguas pluviales presentan DBO, DQO, turbidez, color, sólidos
suspensos, contaminantes orgánicos e incluso coliformes fecales, los sólidos
disueltos en el agua están normalmente debajo de los niveles máximos de
potabilidad, como ya visto arriba. Con eso somos llevados a pensar en un sistema
que, además de una oxidación, que garantice la ausencia de materia orgánica y
microorganismos, traiga una manera de obtenerse una calidad que permita que el
agua sea considerada potable, bajando los contaminantes descritos arriba. Hoy los
avances en la tecnología de membranas hacen con que se mire eses elementos
como una buena posibilidad de solución de eses problemas.
Como no hay una necesidad imperiosa de quitarse los minerales disueltos,
membranas de ósmosis inversa o nanofiltración quizá no sean la opción más
adecuada. Todavía, la ultrafiltración o la microfiltración puedan ser las opciones más
viables, puesto que bajan los niveles de los contaminantes citados arriba sin la
capacidad de afectar significativamente los sólidos disueltos.
Para eso será necesario determinar el poro de la membrana dentro de las
opciones comerciales disponibles que presenten una buena reducción de los
contaminantes sin que se entupan en corto espacio de tiempo de utilización, lo que
traería la inviabilidad comercial del proyecto. Sabemos que un poro de 0,2 µm es
suficiente para evitarse el pasaje de bacterias, pero, según Valle (2011) no es
suficiente para quitarse adecuadamente la contaminación orgánica. Por otro lado, en
una membrana con corte de 10.000 Daltons de peso molecular, es eliminada grande
parte de los contaminantes orgánicos.
Tenemos membranas comerciales con puntos de corte de 10 y de 20 kDa,
para utilización en procesos industriales. Por otro lado, hay membranas con corte en
100 kDa, con un poro de 0,04 µm, y hasta más grandes.
Será importante acompañarse los parámetros de eses contaminantes bien
como pH y conductividad, que podrá darnos una idea de los sólidos disueltos en el
agua bruta de la lluvia y en el agua pluvial tratada.
33
La manera es hacer la selección de la membrana a partir de la más abierta,
siendo que, cuanto más abierta sea, más grande será la durabilidad del elemento,
puesto que dejará pasar más contaminantes. Como el objetivo no es generar agua
ultrapura, sino potable, la intención no es remover todos los contaminantes, sino lo
suficiente para garantizar la potabilidad.
Creemos que membranas con corte de 0,3 µm o mismo 0,2 µm no sean muy
adecuada por dejar que los orgánicos de menor tamaño pasen, entre ellos los virus y
grande parte de las endotoxinas, y posiblemente presenten baja reducción de DBO y
DQO. Ya las de corte en bajo peso molecular deberán se ensuciar muy temprano.
Así siendo, nuestra opción para iniciarse los testes será la membrana de 50 kDa.
Caso, en los testes, no se consiga una reducción significativa de los contaminantes,
se utilizará membranas con un punto de corte más pequeño.
Tenemos tipos diversos de presentación de las membranas, así como el
material con que son hechas. Las membranas comerciales más comunes pueden
ser de fibras huecas cerámicas u orgánicas. También hay las de hojas finas
espirales. Esas últimas solamente orgánicas.
Figura 5 – Filtración Tangencial o Transversal FILTRACIÓN TANGENCIAL
Fuente: Osmonics (1997).
34
Los filtros de membranas se valen de un método llamado de filtración
transversal (crossflow filtration, en inglés), conocido también como filtración
tangencial. Según Osmonics (1997), ese es un proceso en que el agua, bajo
presión, pasa tangencialmente por la membrana, con una parte del caudal de agua
cruzando la membrana y otra parte siendo rechazada, barriendo la superficie de la
membrana y saliendo del sistema arrastrando las partículas. El primer flujo es el
filtrado (conforme el tipo de membrana cambia su nombre) y el segundo es llamado
de concentrado o rechazo. Ese caudal lleva los contaminantes concentrados que
fueran rechazados por la membrana. Distintamente de otro proceso en que el flujo
es perpendicular a la membrana, la filtración directa, donde hay un aprovechamiento
de 100% del agua, pero los contaminantes quédanse sobre la superficie de la
membrana, en ese método, los contaminantes arrastrados por el concentrado y el
agua filtrada fluyen paralelamente a la membrana.
La filtración tangencial permite una remoción continua de los contaminantes,
algo que un elemento de flujo directo no es posible, por la obstrucción de los poros.
La desventaja del uso de la filtración tangencial es el no aprovechamiento del
volumen total del agua de abasto, que es el precio a se pagar para una durabilidad
mayor del elemento filtrante. Se puede ilustrar la opción por un u otro método de
manera económica. Cuando el agua es cara y el elemento filtrante barato, se usa la
filtración directa, pero cuando el agua es más barata que el elemento filtrante, la
opción es por la filtración tangencial.
35
Gráfico 2 – Espectro de Filtración
Fuente: Osmonics (1997).
4.1 ELEMENTOS DE FILTRACIÓN POR MEMBRANAS
El desarrollo de las membranas de filtración llegó a un punto donde se puede
clasificarlas en cinco tipos, conforme muestra el Gráfico 2. Esa clasificación tiene
como base el tamaño del poro del filme. Esa clasificación no es algo absoluto,
puesto ser difícil delimitarse un local en que se termina un tipo de membranas y
empieza el siguiente. Así siendo, tenemos la filtración, la microfiltración, la
ultrafiltración, la nanofiltración y la hiperfiltración, esa última más conocida por
ósmosis inversa. Como indicado en la literatura especializada, básicamente los
elementos con poros que quitan partículas hasta cerca de 1 µm es llamada de
filtración. En el rango de cerca 1 µm hasta 50 nm es la microfiltración. Cabe notar en
ese punto que ya se comienza a citarse el peso molecular de las partículas a ser
rechazadas en ese tipo de membrana, entre los 500 y los 100 kDa. Llamase de
ultrafiltración los elementos que tienen su punto de corte entre 100 y 2 nm, o entre
los 200 y los 100 kDa. Las dos membranas más cerradas, presentan otro fenómeno
36
mostrado en las Figuras 8 y 9. Hay una formación de una capa limítrofe de agua en
velocidad cero que pasa a rechazar también las sales disueltas en el agua. Así,
tenemos la nanofiltración en un rango entre 10 y 1 nm (20 y 0,2 kDa) y la ósmosis
inversa en el rango de 3 y 0,1 nm (por debajo de 1 kDa). Es conveniente notarse que
eses valores son apenas indicativos, habiendo variación conforme el autor.
Conforme publicación de National Drinking Water Clearinghouse (1999),
presentase en la Figura 6, un diagrama de flujo para la elección del tipo de
membrana más adecuado. Ese diagrama fue desarrollado por la American Water
Works Association en 1993.
Figura 6 – Elección del tipo de membrana
Fuente: NDWC (1999).
37
4.2 FILTRACIÓN
La filtración es el primer proceso de separación que surgió. Desde tiempos
inmemoriales el hombre filtra el agua con arena. Los filtros de una capa o de multi-
capas sieguen el mismo principio de filtración. Posteriormente fueran desarrollados
filtros de cartuchos de celulosa, algodón, metálicos, cerámicos y orgánicos de
polímeros sintéticos, evolucionando para membranas. Eses filtros normalmente
utilizan filtración directa. Operan con bajas presiones diferenciales en los más
distintos procesos desde una simples remoción de partículas del agua hasta como
pre-tratamiento de procesos más sofisticados.
4.3 MICROFILTRACIÓN
Las membranas de microfiltración son filtros absolutos típicamente situados
en un rango por debajo de 1 µm, llegándose hasta unos 50 µm. Actualmente ellos
existen en cartuchos o discos de membrana cerámica, metálica o polimérica. Existen
tanto con filtración directa, mucho utilizados en la industria farmacéutica, cosmética y
médico-hospitalaria para evitarse el paso de bacterias en el proceso donde se
encuentran, como con filtración tangencial en procesos más desarrollados. Operan
con bajas presiones diferenciales.
Figura 7 – Microfiltración
Fuente: Osmonics (1997).
La microfiltración tangencial reduce substancialmente la frecuencia de cambio
del medio filtrante, comparada al mismo proceso con la filtración directa. Eso ocurre
38
pues hay una auto-limpieza constante del elemento filtrante. Los sistemas con filtros
transversales presentan siempre un investimento inicial más elevado en
comparación con los sistemas con filtración directa, entretanto sus costos
operacionales tienden a ser más pequeños. La microfiltración no deja pasar
bacterias, hongos, y compuestos orgánicos de peso molecular grande.
4.4 ULTRAFILTRACIÓN
La ultrafiltración es similar a la microfiltración y su diferencia ocurre solamente
en el rango del rechazo. Es posible decir que hay un rango de rechazo en que unos
fabricantes dicen tratarse de ultrafiltración y otros de microfiltración.
O sea, hay una franja de intersección entre las dos clasificaciones en que no
hay certeza en que clase colocarse la membrana.
Dicen que es una clasificación meramente académica. Por otro lado,
distintamente de la microfiltración, no es común verse en la literatura la descripción
del tamaño del poro de la membrana, pero si, el peso molecular de corte. Así, un
fabricante dice que tiene una membrana de ultrafiltración con corte en 100 kDa
mientras otro dice que fabrica una membrana de microfiltración de 0,04 µm, y las
dos, en los testes, muéstranse equivalentes.
Figura 8 – Ultrafiltración
Fuente: Osmonics (1997).
39
Entretanto, como tienen poros menores, trabajan con presiones diferenciales
más grandes. La ultrafiltración remueve compuestos orgánicos de peso molecular
más pequeño que la microfiltración, colóides, microorganismos, endotoxinas,
proteínas, pero deja pasar compuestos orgánicos de bajo peso molecular, como la
sacarosa, bien como iones.
4.5 NANOFILTRACIÓN
Al reducirse los poros de las membranas, llegase a la nano filtración. Donde
hay el rechazo de compuestos con pesos moleculares entre 200 y 0,2 kDa. En ese
rango, surge un fenómeno en que una capa de agua con velocidad nula, cargada
iónicamente empiezan a rechazar las sales disueltas en el proprio caudal. Así, hay
rechazo de iones, típicamente iones de valencia más grande. Ese proceso ocurre
con presiones grandes y es un método utilizado para suavización del agua sin
cambio iónico y también utilizado remoción de compuestos orgánicos de peso
molecular más bajo.
Figura 9 – Nanofiltración
Fuente: Osmonics (1997).
4.6 ÓSMOSIS INVERSA
El proceso de hiperfiltración, más conocido como ósmosis inversa, fue el
primero proceso de separación por separación tangencial ampliamente
comercializado. La ósmosis inversa remueve la mayor parte de los compuestos
orgánicos y hacia los 99% de los iones. Es posible seleccionar los tipos de
40
elementos de ósmosis inversa conforme las condiciones del agua del abasto y
requerimientos del proceso. Trabaja con altas presiones diferenciales habiendo
elementos capaces de desalar aguas marinas.
Figura 10 – Hiperfiltración
Fuente: Osmonics (1997).
El proceso de ósmosis inversa es energéticamente más eficiente que
procesos que utilizan cambio de fase para desalar el agua y más fáciles de operar y
ambientalmente más seguros que procesos que utilizan resinas de cambio iónico.
4.7 EQUIPOS CON ELEMENTOS DE FILTRACIÓN TANGENCIAL
Un equipo de filtración tangencial tiene un flujo de entrada y dos de salida, por
definición. Hay un flujo de abasto, un flujo de rechazo o concentrado y un flujo de
filtrado, que cambia de nombre conforme el proceso (microfiltrado, ultrafiltrado o
permeado). Para tenerse la operación de la filtración tangencial, es necesario
tenerse una presión para que el elemento opere adecuadamente. Eso es obtenido
con una bomba en la entrada del sistema y una válvula en el caudal de rechazo. Así
siendo se obtiene la presión adecuada poniéndose la bomba a rodar y apretándose
la válvula, dejándose libre el caudal de filtrado. Es importante en ese proceso haber
una válvula solenoide que cierre la entrada de agua o las salidas, de modo que no
haya un caudal residual sobre la membranas, puesto que, sometidas a esas
condiciones, tendrán su vida encortada, pues, con bajo flujo, habrá la tendencia de
acumulación de sólidos sobre su pared.
41
4.8 ELECCIÓN DE LA MEMBRANA
Definido el tipo de membrana como siendo de ultrafiltración, tomándose en
consideración que no se tiene que quitar sales del agua de la lluvia, puesto que los
sólidos disueltos presentan niveles de los valores máximos permitidos por la
legislación para agua potable.
Buscando apoyo en la literatura, el NDWC (1999) citando la U.S.
Environmental Protection Agency (1998), presenta características de los tipos de
membranas, presentadas en las Cuadro 3.
Cuadro 3 – Características de las membranas para filtración de aguas superficiales
Fuente: NDWC (1999).
42
Un gráfico que presenta diversos contaminantes organizados por tamaño está
presentado en el Gráfico 2, de Osmonics (1997), donde es posible localizar en valor
de corte de la membrana para la remoción adecuada.
Ya Muir (2009) presenta el Gráfico 3, hecha por Klaine (2008) donde están los
principales contaminantes orgánicos del agua según su tamaño.
Otro autor a ser considerado es Ranville e Schmiermund (1999), que presenta
el Gráfico 4 siguiente, clasificando coloides, argilas, complejos argila-orgánicos y
microorganismos por tamaño.
Gráfico 3 – Contaminantes orgánicos presentes en el agua y el método de detección
Fuente: Muir (2009).
43
Gráfico 4 – Contaminantes presentes en el agua
Fuente: Ranville e Schmiermund (1999).
Así con membranas comerciales de 20 nm se puede remover algas, bacterias
y una parte muy significativa de virus bien como de los contaminantes orgánicos.
Ese tamaño de poro equivale a una membrana con corte en 50 kDa. Una membrana
con un valor de corte más bajo ciertamente haría une remoción mejor de los
contaminantes, mientras su riesgo de obstrucción se queda más alto. Tenemos que
tener en cuenta que no sólo la membrana estará presente para la remoción de los
contaminantes, pues el agua de la lluvia acumulada será sometida a un
desinfectante que oxidará grande parte de los compuestos orgánicos presentes en
esa agua, incluyendo los microorganismos.
Lo Cuadro 4 presenta la membrana que será utilizada, con área de 2 m², poro
de 0,02µm y corte de 50 kDa, manufacturada por Pam Membranas Seletivas. Esa
membrana es de fibra hueca de polietersulfona. Por su construcción, ese tipo de
membrana puede ser retrolavada, lo que aumenta su vida útil. Es importante
respetar una presión de retrolavado de 2 bar. Así, por tenerse el reservatorio de
distribución más elevado que el aparado de ultrafiltración, la propia columna de agua
de la tubería de alimentación del reservatorio se quedará en flujo inverso por sobre a
membrana, saliendo por la válvula de rechazo del equipo, haciendo el retrolavado
44
hasta agostarse el agua. Como la altura del tanque de distribución para el prototipo
será de 2 metros, la presión máxima de retrolavado se quedará en 0,2 bar y el
caudal será el volumen interno de la tubería. Utilizándose una tubería con diámetro
de 40 pulgadas para el fornecimiento del ultrafiltrado hasta el tanque de distribución,
tendremos un volumen el ella de cerca de 2,5 litros que será el volumen utilizado
para el retrolavado.
Cuadro 4 – Especificaciones de la membrana UF02 (PAM)
PAM MEMBRANAS SELETIVAS – Membrana modelo PAM UF-02 Construcción Fibras Huecas VALORES MÁXIMOS unidad
Material Polietersulfrona Presión de operación 5 bar Área útil 2 m² Caudal de operación 800 l/h
Diámetro externo 0,8 hasta 0,9 mm Temperatura 55ºC Corte 50 kDa Turbiedad 10 NTU
Retención partículas 95% Presión retrolavado 1 bar Fuente: Autor.
La membrana escogida tiene una producción de ultrafiltrado de 160 l/h / m² a
los 2 bar de presión, como mostrado en el Gráfico 5. Puede operar hasta los 5 bar
de presión, generando una producción más elevada. Es importante notar que estos
datos son válidos para la operación con agua pura, habiendo variación conforme el
fluido a ser ultrafiltrado.
También es importante notar que la filtración ocurre de fuera para dentro de
las fibras, habiendo un mejor desempeño con fluidos con sólidos suspendidos,
respectándose una turbiedad máxima de 10 NTU.
45
Gráfico 5 – Permeabilidad de la membrana de ultrafiltración (PAM UF-02)
Fuente: PAM.
46
5 SISTEMA PROPUESTO
El sistema piloto de captación y tratamiento del agua de la lluvia está descrito abajo:
a) Parrilla: Para evitar que sólidos groseros atinjan el restante del sistema;
b) Tanque de Descarte: Según Santos (2008) debe tener cerca de 1 l/m²
de tejado. Su utilización se apoya en la necesidad del descarte de la
primera agua, que carrea la contaminación más grosera del techo;
c) Tanque de Captación: Tanque que acumulará el agua de la lluvia en
estado bruto. Mientras trabaje como un pulmón para el tratamiento de
agua principal, tendrá la inyección del desinfectante del agua, sea
ultravioleta, cloro u ozono. Con boyas para automatizar la acción del
desinfectante y para la operación del equipo principal. En su entrada
tendrá un filtro de bolsa de 100 µm o más, utilizado para la remoción de
partículas más finas anterior al tanque de captación;
d) Ultrafiltración: Equipo principal del sistema, planease un piloto con
capacidad de filtración entre 80 y 160 l/h;
e) Tanque de distribución: Tanque suficiente para la acumulación del
agua para el consumo de la empresa. Ese tanque también tendrá un
sistema para automatización del equipo y, si necesario, un sistema
propio de desinfección del agua;
f) Uso final del agua: Por tratarse de una empresa que fabrica otros
equipos, hay una demanda de agua para los testes de los mismos,
siendo que ese sistema irá fornecer agua de buena calidad para que
sean efectuados eses testes, con una economía de agua de la red
pública, bajando los costos operacionales de la empresa.
47
Figura 11 – Diagrama de flujo propuesto para el sistema de tratamiento de agua de
lluvia
Fuente: Autor.
5.1 DISEÑO DEL SISTEMA
Para hacerse el diseño del sistema que atienda las necesidades de la planta
piloto y tenga alguna viabilidad comercial, se utilizará siempre que posible, los
componentes que existan comercialmente, de modo a garantizar una buena
operación del sistema como un todo y una economía razonable en el proyecto. En
un primer momento se hará el levantamiento teórico del sistema como un todo y de
sus partes, a partir de la literatura disponible, de los fabricantes locales de los
componentes y de la experiencia acumulada.
Conforme recomendado por Santos (2008) las tuberías y conexiones de coleta y
entrada en los tanques de descarte y captación deben ser hechas según la norma
ABNT NBR 8160, de 1999, que versa sobre alcantarillado y las tuberías y
conexiones que salen del tanque de captación hasta la distribución del agua deben
seguir la norma ABNT NBR 5626, de 1998. O sea, toda la tubería y conexiones que
48
van desde la recolecta del agua en techo hasta la entrada del tanque de captación
son consideradas como siendo de alcantarillado y las que salen de esto tanque son
consideradas como de agua potable.
5.1.1 Parrilla
Este componente existe en el mercado, justamente para esa aplicación. En la
Figura 12 tenemos un modelo comercial (AUXTRAT modelo AC250). Según el
fabricante presenta una capacidad de hasta 10 m³/h y puede ser utilizado para
techos de hasta 250 m². Ese producto es incorrectamente llamado de “Filtro
Separador de Particulados”, mientras opere no como un filtro, pero como una parrilla
para separación de sólidos más groseros.
Estos son separados del caudal del agua por la parrilla, evitando que lleguen
hasta el tanque de descarte, ya que podrían obstruirlo o a la tubería. Otro modelo es
presentado por FORTLEV, como acompañante del tanque modelo SLIM, en la
Figura 13. Esta parrilla tiene una construcción más simples, teniendo la grade con
malla de 5 mm, sobrepuesta a la caja de modo que los sólidos suspensos son
bloqueados en la grade y impedidos de seguir el caudal del agua pluvial.
Figura 12 – “Filtro Separador de Particulados” (AUXTRAT – AC250)
49
5.1.2 Tanque de Descarte
El tanque de descarte, conforme el autor presenta un volumen suficiente para
la drenaje de 1 mm de precipitación, o sea 1 litro por m² de techo (SANTOS, 2008) o
0,4 hasta 2 mm (0,4 hasta 2 l/m²) según Pinheiro (2012). Adoptaremos 1 l/m², en
nuestro caso 95 litros. El tanque de descarte será hecho con tubería de
alcantarillado de 200 mm de diámetro, con conexiones en las extremidades. Para
tenerse el volumen calculado, la altura útil del tanque será de 3 metros. El tanque
está mostrado en la Figura 14, junto con en tanque de captación del sistema.
Figura 13 – Dispositivo Separador de Hojas (FORTLIT SLIM)
Así que el tanque de descarte esté lleno. Existen diversas maneras de
hacerse eso, siendo que los que consideraremos son el sistema por boya y el
sistema por vasos comunicantes, como indicado en la misma Figura 14.
50
Figura 14 – Diagrama de flujo de los tanques de descarte y captación
Fuente: Autor.
El tanque de descarte debe tener condiciones de captar el volumen de la
primera agua y, así que cumplir su objetivo, desviar el flujo para el paso siguiente del
proceso. También debe presentar un sistema de descarte del agua acumulada, de
modo que, así que cesar la lluvia, esté listo para colectar la primera agua de la
próxima captación.
El primero tipo tiene una tubería sola abierta para los dos tanques,
interconectados por una junción “y” o mismo una conexión “t”. El tanque de descarte
es el primer a recibir el agua, por características hidráulicas de la tubería, y presenta
una boya que cierra mecánicamente el paso del agua al llenarse el tanque,
desviando el flujo para el tanque de captación.
En el segundo, la tubería de drenaje del techo llega solamente al tanque de
descarte, sin la presencia de boya, habiendo otra tubería más debajo de esto, que
se comunica con el topo del tanque de captación, de modo que el exceso de agua
del tanque de descarte, extravasa para el segundo tanque.
51
La ventaja del segundo sistema es que el agua llega en flujo laminar en
segundo tanque, no teniendo cualquier jorro de agua que pueda agitar severamente
el agua del tanque de captación y, consecuentemente lanzar eventuales partículas
que estén en su fundo para el paso siguiente del sistema.
Por otro lado, sólidos suspendidos que tengan pasado por la parrilla y que
estén presentes en el tanque de descarte pueden atingir el tanque de captación.
También en ese caso, el tanque de descarte debe estar por arriba del tanque de
captación, de modo que el sistema de vasos comunicantes opere correctamente. En
el caso de tubería con junción y boya, quien fornece el agua para el tanque de
captación es el propio techo, no necesitando que el tanque de descarte se quede
arriba de aquello.
Optamos por un sistema que será compuesto por una junción “y” de 100 mm,
que es el diámetro de la tubería que viene del techo, llegando a una reducción de
150 x 100. En la lateral de la junción saldrá la tubería que irá para el tanque de
captación. La salida inferior del “y” será conectada a la parte de 100 mm de la
reducción y en la parte de 150 mm habrá una pelota plástica hueca, llena de aire,
que funcionará como boya mecánica, impidiendo el paso del agua cuando el tanque
de descarte estuviere lleno.
Ya el sistema de drenaje del tanque de descarte puede ser manual o
automático. El sistema manual es interesante por su simplicidad, pero necesita del
operador que, muchas veces, puede olvidarse del procedimiento. O entonces puede
operar con un orificio inferior pequeño y abierto permanentemente, pero siempre
habrá una pequeña pierda de agua.
Figura 15 – Llave boya (ICOS LA16M-40)
52
Ya el sistema automático, mientras tenga un costo más elevado, garantiza
que siempre el sistema esté listo para el próximo uso, evitándose que el agua
presente en el tanque de captación reciba el agua del lavado del techo que es bien
más contaminada.
Ya el automatismo puede ser por tiempo, disparado por una llave boya, como
la llave modelo LA16M-40 fabricada por ICOS y mostrada en la Figura 15. Ella
detecta que el tanque de descarte esté lleno y debe estar instalada poco debajo de
la pelota de cierre de la tubería de entrada. Esta boya tiene una operación por un
“reed-switch” que es accionado magnéticamente. El uso de un temporizador
programable, como el NOVUS modelo NT240, presentado en la Figura 16, cumple
esa función.
Figura 16 – Temporizador programable (NOVUS NT240)
Ese temporizador acciona un dispositivo de drenaje así que transcurrirse un
tiempo programable después de la llave boya detectar que el tanque de descarte
esté lleno. Se puede programar para un o dos días, de modo que lluvias con poco
espaciamiento entre si no necesiten de un lavado del techo, pero, se no hay
precipitaciones en un tiempo más grande – lo suficiente para que el techo se
ensucie, la primera agua será descartada.
53
Para la operación adecuada se selecciona el Modo 7 de accionamiento, en
esa función, la salida es accionada descorrido un tiempo programado que puede ser
de 24 o 48 horas después de la llave boya iniciar la temporización. Ese tiempo es
suficiente para que, en caso de parada de la lluvia, el techo se ensucie.
Gráfico 6 – Modo seleccionado de accionamiento del temporizador programable
(NOVUS NT240)
En el Gráfico 6 se muestra, en la izquierda, el caso de dos accionamientos en
un tiempo menor que el programado, el tanque solo drenará cuando pasado el
tiempo accionado por el primero accionamiento (representado en el gráfico como
t1.SP. El tiempo en que el aparato permanecerá accionado (ou1.t) también será
programado, pero en función del tiempo que la bomba levará para drenar el tanque.
Ya en caso de lluvias que tengan una duración mayor que el tiempo
programable, como indicado en la derecha del gráfico, a cada período programado,
el tanque drenará y captará más agua para descarte. Eso implica en un cierto
desperdicio de agua, pero, por la facilidad de implementación, termina compensando
ese gasto desnecesario de agua con la automatización total del sistema.
Normalmente en sistemas de drenaje automáticos se utilizan válvulas
solenoides. Entretanto, como habrá suciedades en el agua a ser descartada, su
presencia puede entupir la válvula, trabar la misma abierta o mismo dañarla.
54
Figura 17 – Válvula de Descarga (ASTRA IDEAL)
En así siendo, optase por el uso de una válvula de descarga, que es abierta
por el accionamiento mecánico de su tapa, indicada en la Figura 17. Eso será hecho
por un solenoide de accionamiento que tirará la correa de la tapa de la válvula. Al
terminar el accionamiento, la válvula quedase en posición abierta hasta el
vaciamiento del tanque.
En el momento en que el temporizador acciona el solenoide, su operación tira
la correa que tira la tapa, abriendo el fondo del tanque de descarte para el dreno.
Ese sistema es lo mismo utilizado en inodoros.
El solenoide de accionamiento MULTICOIL HST 300.1 (Figura 18) presenta
curso de accionamiento de 20 mm y una fuerza para levantar 0,95 kg. Como la
altura del tanque será de cerca de 3 metros, la columna de agua que empurrará la
tapa de la válvula hasta abajo será de cerca de 0,3 bar, siendo que el aparato podrá
levantarla.
La válvula estará en el fondo del tanque, facilitando su drenaje y limpieza.Así
tenemos el tanque de descarte totalmente automatizado y de uso seguro para las
próximas etapas del sistema.
55
Figura 18 – Solenoide de Accionamiento (MULTICOIL HST 300.1)
5.1.3 Tanque de Captación
El tanque de captación de agua será una cisterna que se quedará en el nivel
del tanque de descarte. El cálculo del volumen de este tanque será hecho
posteriormente, concomitantemente con el cálculo del volumen del tanque de
distribución. Ese reservatorio tendrá un vertedor, para, en casos de lluvias mucho
intensas, el agua en exceso siega para la drenaje. En su entrada contará con un
filtro de bolsa de 100 µm o más grande.
Figura 19 – Reservatorio de Polietileno (FORTLEV SLIM)
56
Para su dimensionamiento, de modo que no trasborde y contamine con agua
más sucia el tanque, así como el dimensionamiento de la tubería de entrada en ese
tanque, calcula-se a partir de las lluvias intensas en la región. Estimase que, según
SMHSA (FLORIANÓPOLIS, 2009), haya series de 5 años con precipitación de 92
mm para lluvias con duración de una hora. Con eso y con 123 m² de área del techo,
no se considerando los factores de caída de rendimiento, 11,3 m³/h. Por lo tanto es
suficiente un filtro bolsa de 10” de altura, como el filtro LAFFI LNO-100-T3-S, y una
tubería de más de 50 mm de diámetro, que presentan capacidad para 16,5 l/h. Será
mantenida la tubería de 100 mm que viene del tanque. Ya para el trasborde del
mismo es posible se utilizar tubería de 50 mm.
Figura 20 – Filtro de bolsa (LAFFI LNO-100)
El tanque tendrá una recirculación constante, que permitirá la inyección del
desinfectante y el fornecimiento de agua para el equipo de ultrafiltración. Esa
recirculación será hecha por una bomba centrífuga que generará el caudal y la
presión suficientes para la operación. La captación no será exactamente en el fondo
del tanque, de modo que se tenga un volumen donde decantará eventuales sólidos
suspendidos que pasen por el filtro.
También tendrá una llave boya para protección de la electrobomba que será
responsable por la recirculación. Esa boya, con el nivel bajo parará el
funcionamiento de la bomba. Su operación se dará en caso de nivel mucho bajo la
bomba de recirculación, el inyector de desinfectante y el equipo de ultrafiltración se
quedarán desligados. Será utilizada la llave boya MAR-GIRIUS CB 2000, pues este
tipo de boya tiene un punto de ligar distinto del punto de desligar, evitando que haya
57
una operación forzada de la bomba en caso del agua estar en el límite de
conmutación.
En el fondo del tanque habrá una válvula manual para su vaciamiento total
para la limpieza.
Figura 21 – Llave boya (MAR-GIRIUS CB 2000)
5.1.4 Dimensionamiento de los Tanques
El volumen total acumulado, o sea, el total entre el tanque de captación y el
tanque de distribución puede ser calculado por diversos métodos. La Norma ABNT
NBR nº 15527, en su Anexo A, presenta diversos métodos, algunos más simples y
otros con mayor precisión en el cálculo.
El primer paso es saber cuál es la precipitación media en el local. Según
Jaques (2004), esa es de 1405,5 mm/año en Florianópolis. Ocurre que, conforme
nos indica Pinheiro (2012), el volumen aprovechable del agua no es todo lo que cae,
sino que hay un coeficiente de caída y la eficacia del sistema de captación. Entonces
tenemos:
Va = P x A x C x η
Siendo Va el volumen aprovechable, P la precipitación, A el área, C el
coeficiente de caída, que, groso modo, puede se considerar como 0,8 y η la
eficiencia que será algo entre 0,5 y 0,9. Como la precipitación cambia entre pocos
milímetros y valores bastante considerables y la primera agua es siempre función del
58
área del techo, si la lluvia es poca, η es bajo, pero si la lluvia fuera consistente, η
será elevado. Consideraremos acá como siendo 0,7.
Entonces, tenemos como volumen medio aprovechable:
Va = 1,4055 x 123 x 0,8 x 0,7 = 96,81 m³ anuales.
Para el cálculo del volumen de acumulación tenemos, según la Norma citada
anteriormente:
a) Método de Rippl, que considera las series históricas mensuales o
diarias y la demanda del consumidor;
b) Método de Simulación, que considera también las series históricas
mensuales y la demanda del consumidor;
c) Método de Azevedo Neto, también conocido como Método Práctico
Brasileño, que presenta poca exactitud y no considera la demanda;
d) Método Práctico Alemán, que parte de un volumen adoptado y de la
demanda, pero también no es muy precisa;
e) Método Práctico Inglés, que es bastante sencillo y poco preciso;
f) Método Práctico Australiano, que considera la demanda y se aproxima
del método de la simulación.
Los métodos prácticos todos consideran las series históricas. Mientras el
Método Australiano sea más preciso, como estamos haciendo una simulación en un
piloto, utilizaremos el Método Práctico Inglés, cual sea:
V = 0,05 x P x A
Siendo V el volumen de agua del reservatorio en litros, P, la precipitación
media anual en milímetros, A es el área del techo, así siendo, el volumen total de
acumulación será
V = 0,05 x 1763,81x 123 = 10.847 litros
59
Entonces el volumen del tanque de captación sumado con el de acumulación
debe tener el valor de 11 m³.
Para un uso real es necesario confirmarse eses valores a partir de métodos
más precisos, como el Método de Simulación o el Método Práctico Australiano.
Usaremos en el tanque de distribución un volumen de 1.000 litros. Ese
volumen es obtenido considerándose el consumo de agua de la empresa y la
capacidad de producción del ultrafiltrado. El consumo será 300 l/día y
posteriormente 500 l/día, así, con 1.000 litros tendremos agua suficiente para 3 y
posteriormente 2 días, en caso de falla del equipo de ultrafiltración. Este tanque será
el mismo que recibe el agua potable de la red pública. Por otro lado, en la peor
situación, el equipo producirá desde 80 hasta 160 l/h, entonces el equipo llenará el
tanque en peor caso en medio día y el tiempo de autonomía del tanque para el
consumo de la empresa será de poco más de 3 días.
Como la ultrafiltración del agua es lenta, considerándose el caudal de una
lluvia torrencial, el volumen total calculado será estipulado para el tanque de
captación. De ese modo, a esto tanque cabrán 10 m³. Por razones de practicidad,
tiendo en vista la empresa no tener aun un local destinado para ese tanque más
grande, se opta por una acumulación menor de 2 m³, por ya existir un producto
bastante adecuado a ese uso, el reservatorio FORTLEV SLIM, con ese volumen y
de proporciones pequeñas, bastante adecuado a espacios reducidos.
Posteriormente, por ser más condecente la utilización de un tanque con 10 m³, la
empresa destinará un espacio en la planta para ello, pero para la planta piloto es
suficiente un volumen menor. Para ese volumen confirmase el uso del generador de
200 mg/h. Para volúmenes más grandes, el mismo fabricante tiene reservatorios de
5 m³, para uso enterrado que son, incluso, resistentes a la circulación de vehículos.
Se objetiva mantener el tanque de distribución sin inyección directa del
desinfectante, siendo que a ello llegará el ozono que pasará del tanque de captación
por intermedio del equipo de ultrafiltración. Como la media vida del ozono es curta,
podrá ser necesaria alguna otra providencia para la protección del agua del tanque
de distribución. Una alternativa seria un pequeño retorno del agua del tanque de
60
distribución para el de captación, de modo que haya una operación intermitente del
equipo de ultrafiltración, por lo cual el ozono atinge el tanque superior.
5.2 DESINFECCIÓN
La desinfección del sistema es importante, ya que el agua de lluvia tiene una
carga microbiana y, además, contaminantes orgánicos que pueden causar perjuicios
a los usuarios, además considerándose que el objetivo es su potabilización. Se
puede potabilizar el agua en el tanque de captación o en el tanque de distribución.
La ventaja de hacerse eso en el primero tanque es la disminución de la carga
orgánica que llegará al equipo de ultrafiltración, la desventaja es que la membrana
misma sufre algún desgaste con la exposición al agente oxidante. Ese agente
además pasará por la membrana atingiendo el tanque de distribución que también
recibirá el agua de la red pública que también presenta un agente desinfectante.
La desinfección podrá ser hecha por exposición del agua a luz ultravioleta,
dosificación de cloro, o inyección de ozono.
El uso de ultravioleta es útil para la esterilización del agua, pues la radiación
actúa sobre los micro-organismos presentes en el agua, destruyéndolos. Entretanto
su acción es perjudicada fuertemente por la presencia de turbiedad en el agua. De
mismo modo, para hacerse una oxidación completa de toda la materia orgánica
presente en el agua, será necesarias intensidades bastante largas de radiación, lo
que hace que sea necesarias potencias bastante elevadas, y por lo tanto, caros. La
radiación ultravioleta actúa sobre el ADN de los microorganismos, causando su
inviabilidad. Ello no destruye las células y, en caso de formación de biopelícula en
las paredes del tanque no actuará también sobre ella. Así su eficiencia para la
potabilización de agua no se queda muy adecuada.
Ya el cloro tiene como ventaja su efecto residual. El uso de pastillas de
hidróxido de calcio, mientras sea un proceso bastante sencillo, no permite un control
preciso sobre da concentración del desinfectante en el agua. El cloro actúa en el
citoplasma de los microorganismos, llevándolos hasta el rompimiento de la pared
celular. Así, es más eficiente que el ultravioleta, pero genera endotoxinas, que nada
61
más son que pedazos de proteínas de las células que caen en la circulación del
agua. Es también preocupante a posibilidad de formación de trihalometanos, ya que
ciertamente tendremos materia orgánica en el agua de la lluvia.
Es importante notar que el volumen del agua en el tanque será variable, pues,
distintamente del fornecimiento de agua potable de la red o mismo el agua de algún
manantial, no es constante. Entonces habrá momentos en que el tanque estará
completo y en otros, totalmente vacío. En lo más de las veces ello estará con alguna
cantidad de agua entre el máximo y el mínimo. Hacer la dosificación de pastillas de
cloro y mantener dentro de la banda considerada, entre 0,5 y 3 mg/l de cloros
residual, según la Norma ABNT NBR 15527, es prácticamente imposible.
Ya la dosificación de hipoclorito de sodio se queda más fácil de controlar, por
intermedio de un controlador de ORP, así como la generación y inyección de ozono.
El ozono es un oxidante mucho más fuerte que el cloro. Eso tiene un potencial
de oxidación de 1,36 V, aquello llega a 2,07. Distintamente del cloro, el ozono actúa
directamente en la pared celular, oxidando los microorganismos de fuera para
dentro, no generando endotoxinas. También no genera trihalometanos y tiene como
producto de su descomposición solamente el oxígeno.
Figura 22 – Controlador de ORP (HANNA BL982411)
Ese controlador es un instrumento que mide e acciona un equipo conforme el
valor de ORP este abajo o arriba de un determinado valor ajustado. El instrumento
de la Figura 22 es fabricado por HANNA INSTRUMENTS modelo BL982411. El ORP
es una medida de la reacción de oxidación-reducción en el agua. Para se tener un
62
bueno efecto oxidante del desinfectante en el agua, se necesita tener un
determinado valor de ORP.
Ese valor es mensurado en mV y cuanto más positivo, más oxidante está el
ambiente y cuanto más negativo más reductor lo es. Así, para tenerse una
determinada concentración de desinfectante, sea o cloro o sea el ozono, habrá un
determinado potencial de ORP. Se ese potencial estuviere más positivo que lo
ajustado, hay exceso de desinfectante y, por lo tanto, la bomba dosificadora o el
generador deberá ser desligado. Pero, si el valor estuviere abajo, el controlador liga
el equipo que seguirá inyectando el producto.
La escolla entre el cloro y el ozono pasa por la seguridad de manoseo y de la
dosificación correcta. El cloro necesita ser adquirido, transportado y dosificado,
mientras el ozono es generado in situ. La bomba dosificadora de cloro tiene un costo
menor que el generador de ozono, pero necesita la adquisición constante del
hipoclorito de sodio, ya el generador de ozono solo necesita del aire ambiente para
generar el producto. Por otro lado, el cloro tiene una media vida longa y el ozono
necesita ser generado constantemente por tener su media vida muy corta.
Optamos por la segunda alternativa por la seguridad y la facilidad de control.
La Figura 23 muestra el modelo Diamond Panozon que genera 200 mg/h de ozono,
indicado pelo fabricante para utilización en piletas con volumen entre 8 y 25 m³.
Como estamos utilizando un tanque cerrado de 2 m³ y tendremos una carga
orgánica menor que en una piscina abierta la generación propuesta es suficiente y
hasta mayor que el necesario. El controlador de ORP mantendrá esa concentración
en un valor considerado adecuado.
63
Figura 23 – Generador de ozono (PANOZON Diamond 25)
Segundo Ornelas (2005), el ozono tiene en solución acuosa una media vida
de 165 minutos a los 20ºC. Los niveles de E. coli pueden ser reducidos a los 4 log
(99,99%) con una concentración de ozono de 9 µg/l, un tiempo de contacto de 1
minuto a los 12ºC. Ya para Legionella pneumophila son reducidos a los 2 log (99%)
con un tiempo de contacto de 5 minutos y una concentración de 210 µg/l. Siendo
que resultados similares fueran obtenidos para Staphylococus sp. y Pseudomonas
fluorescens. En la Tabla 8 se presenta un comparativo entre las concentraciones de
diversos desinfectantes para la inactivación (2 log) de algunos microorganismos.
Tabla 8 – Inactivación de microorganismos Desinfectante: Cloro libre (mg/l) Cloraminas (mg/l) Dióxido cloro (mg/l) Ozono (mg/l)
Microorganismo (pH 6 ~ 7) (pH 8 ~ 9) (pH 6 ~ 7) (pH 6 ~ 7) E. coli 0,034 ~ 0,050 95 ~ 180 0,40 ~ 0,75 0,02
Polivirus 1 1,10 ~ 2,50 770 ~ 3740 0,20 ~ 6,70 0,10 ~ 0,20 Rotavirus 0,01 ~ 0,05 3810 ~ 6480 0,20 ~ 2,10 0,006 ~ 0,06 Phage f2 0,08 ~ 0,18 - - -
G. lamblia quistos 47 ~ >150 - - 0,50 ~ 0,60 G. muris quistos 30 ~ 630 1400 7,20 ~ 18,50 1,80 ~ 2,00
Fuente: Hoff (1986 apud LECHEVALLIER, 2004).
Así, en los 2 m³ del tanque de captación, con una operación del generador en
el máximo, sin considerarse la salida del agua por el aparato de ultrafiltración y sin
considerarse la oxidación de materia orgánica en el sistema y su decaimiento en
oxígeno, la concentración de ozono será los 200 µg/l en dos horas de operación del
sistema. Así, se puede regular el controlador de ORP para que mantenga la dosis en
ese valor o un poco más para tenerse la garantía que el sistema estará
desinfectado.
64
Para ayustarse da concentración del Ozono a partir del valor del ORP es
necesaria una conversión. Utilizándose la hoja de cálculo en Microsoft Excel, que
está en el Anexo C, desarrollada por Franco (2006) a partir de las empresas
OZONELAB, DEL INDUSTRIES, OZOMAX, SENSOREX y TIERNEY, tenemos una
media de 750 mV equivaliendo a una concentración de 0,21 mg/l y con un desvío
padrón de 0,04. Entonces con el ajuste del punto de corte del controlador en 750
mV, se tendrá la concentración de ozono en el tanque de captación en el valor
deseado.
5.3 INYECCIÓN Y RECIRCULACIÓN
El generador de ozono, de per sí, no inyecta el desinfectante en el agua,
necesitando que sea o bombeado o succionado para el agua. El bombeo necesitará
de una bomba de aire anterior al generador, pero, como habrá ya una bomba de
recirculación en el tanque de captación, puesto que necesitamos homogenizar el
desinfectante en el volumen total de agua del tanque, se puede succionar el ozono,
aprovechando la energía de la bomba de recirculación. Eso se puede hacer
utilizándose un venturi, que nada más es que un dispositivo que aprovecha da
diferencia de presión en un orificio para crear un vacio que succione el producto a
ser inyectado. La instalación del inyector debe ser hecha después de la bomba. El
venturi es instalado en paralelo a una válvula de esfera, de modo que se pueda
ajustar el caudal y la diferencia de presión sobre ello. En la Figura 24 se muestra un
venturi comercial hecho por MAZZEI. En el punto de captación del producto a ser
inyectado está presente una válvula de retención, que garantiza que no haya reflujo
del fluido principal para el inyectado.
Figura 24 – Venturi (MAZZEI)
65
Para hacerse la selección del venturi ideal se considera la diferencia de
presión y el caudal del fluido principal y el caudal del fluido a ser inyectado. Una
tabla del fabricante determina el punto de operación de cada tamaño del
componente. Teniéndose el caudal del aire del generador, la curva de la
electrobomba utilizada para la recirculación y la tabla de los inyectores, se determina
la mejor combinación para que tengamos una buena operación del conjunto.
También es importante considerarse que, cuando en operación, el equipo de
ultrafiltación recolectará el agua posteriormente a la bomba, habiendo una alteración
en el caudal y en la presión disponible para el venturi. En el Anexo B está la tabla de
selección de los inyectores de ½” para aire.
Es importante considerarse su buena operación con el equipo ligado y
desligado. Como el fabricante del generador de ozono ya estipula cual será el
venturi óptimo para la operación de su equipo, réstanos estipular la bomba
adecuada para la operación. En la Tabla 9 se muestra unas electrobombas plásticas
posibles de utilizarse hechas por DANCOR.
Tabla 9 – Electrobombas centrifugas plásticas (DANCOR CP-4)
Por datos del fabricante del generador de ozono, optase por la bomba CP-4
con 1/3 cv. Esta bomba será responsable por la succión del ozono, por la
recirculación del tanque y por el fornecimiento de agua para el equipo de
ultrafiltración.
66
5.4 EQUIPO DE ULTRAFILTACIÓN
El equipo principal tomará como base un equipo similar de ósmosis inversa
fabricado por Yporã. En lugar de la membrana AK3218T (GE WATER) será usada la
membrana Pam UF-02, hecho por PAM. Esa membrana tiene las características
descritas resumidamente en la Tabla 11 y en el Gráfico 5, ya vistos, y en el Gráfico
11 más abajo. La escolla fue sobre esa membrana pues presenta una producción
teórica entre los 80 y 160 litros/hora que, para una jornada de 20 horas/día,
producirá entre 1.600 y 3.200 litros. Como el consumo diario de la empresa será de
300 l/h en un primero momento, llegando a los 500, será suficiente el uso de esa
membrana para la planta piloto.
En la Figura 27 está presentado el diagrama de flujo propuesto para el equipo
de ultrafiltración.
Figura 25 – Equipo básico (YPORÃ Y3218)
Se tomó como base el sistema de ósmosis inversa desarrollado en Yporã.
Algunas pequeñas alteraciones se quedan necesarias para adaptación a las nuevas
condiciones de uso del equipo.
67
El equipo presenta:
a) pre-filtración con cartucho de polipropileno “melt blown” de 10” y 5 µm
producido por la EWP modelo EPSF 1005, ensamblado en un casco
también EWP modelo EPHAF-1034WW;
b) válvula solenoide de entrada para evitarse flujo residual sobre la
membrana. Esta trabaja solidaria con la bomba, de modo que siempre
las dos estarán operacionales o paradas;
c) bomba periférica de 0,5 cv con su cabezal tratado con níquel químico
para evitarse la oxidación del mismo, ya que es hecho eh hierro
hundido;
d) membrana de ultrafiltración de polietersulfona de fibra hueca, instalada
en casco de PVC con salida para rechazo.
Figura 26 – Membrana de UF (PAM UF-02)
68
Figura 27 – Diagrama de flujo del equipo de ultrafiltración
Fuente: Autor.
Válvulas de aguja para ajuste de presión, demás accesorios e instrumentos
de medición como manómetro para la presión sobre la presión de entrada y sobre la
membrana, rotámetros de ultrafiltrado y rechazo, conductivímetro y pHmetro para la
medición de las características del ultrafiltrado.
La bomba usada es del tipo periférica, pues ese aparato genera presiones
más elevadas con caudales bajos. Ese tipo de bomba ya es utilizada en el equipo de
ósmosis inversa, generando presiones y caudales suficientes para equipos de 72
hasta 288 l/h nominales (presión de 4 bar y temperatura de 25ºC). El tratamiento del
cabezal con níquel químico es importante pues su material es hierro hundido y, por
ser sometido a una operación intermitente, se queda oxidado, lanzando partículas de
óxido de hierro hasta la membrana, reduciendo su vida útil.
La bomba utilizada en el equipo está mostrada en la Figura 28. Es la bomba
original del aparato Yporã, Ferrari modelo IDB-40 y sus características están
69
mostradas en el Gráfico 7. Esa bomba presenta un caudal máximo de 2,4 m³/h y una
presión máxima de 50 m.c.a. Se adopta ese tipo de bomba por presentar presión
relativamente alta con caudal relativamente bajo.
Figura 28 – Bomba (FERRARI IDB-40)
Es importante notar que la presión producida por esa bomba se sumará a la
presión que el equipo de ultrafiltración tendrá en la entrada, o sea, la presión
disponible por la bomba de recirculación del tanque de acumulación, o sea, la
bomba Dancor CP-4. Esa presión disminuida de la columna de agua que el
ultrafiltrado tendrá que vencer será la presión neta sobre la membrana.
Gráfico 7 – Presión x Caudal de la electrobomba (FERRARI IDB-40)
Ya la presión del entrada del equipo será dependiente del caudal que pasará
por el equipo, por el venturi y por el registro paralelo al venturi, indicados en la
Figura 27, que muestra el diagrama de flujo del sistema. La presión sobre la
membrana será la presión diferencial de la bomba del equipo, la Ferrari, acrecida de
70
la presión de salida de bomba Dancor y dependerá también de los caudales de
ultrafiltrado, de rechazo y de recirculación del equipo.
5.5 CALCULO DE LOS CAUDALES Y PRESIONES
Tendremos lo siguiente diagrama de flujo y presiones en ese caso,
presentado en la Figura 27. Para efectos de cálculos, haremos algunas
simplificaciones, despreciándose las caídas de presión sobre el filtro de entrada del
equipo (no representado en la Figura 29) y la caída de presión sobre la membrana
de ultrafiltración en el caudal entrada – rechazo.
Así, cuanto a las presiones consideradas, p0 será 0, p2 será igual a p3, p4 y
p5 serán las alturas de los tanques de distribución y de captación. Consideraremos
la primera como siendo 2 metros y la segunda como siendo 2,66 metros, para fines
de cálculos, lo que resulta en 0,2 y 0,27 bar.
O sea p2 = p3
p4 = 0,2 bar
p5 = 0,27 bar
p6 = 0 bar
p0 = 0 bar
Cuanto a los caudales, tenemos dos nodos, un entre la salida de la bomba
CP-4 y la entrada de la IDB-40, el segundo en la membrana y el tercero entre las
válvulas de aguja. Por la ley de los nodos, estos resultan en las ecuaciones:
φ1 = φ7 + φ8 + φ9 φ2 = φ9 + φ6 φ2 = φ3 + φ4 φ3 = φ5 + φ6
71
Figura 29 – Diagrama de flujos y presiones del sistema de tratamiento de aguas
pluviales
Fuente: Autor.
Grafico 8 – Presión x Caudal de la electrobomba (DANCOR CP-4)
Empezándose los cálculos con la bomba CP-4, tenemos, por el Gráfico 8, la
ecuación:
φ = -0,548.p + 10,354 (r = -0,978)
72
A partir de ella, para una presión de 14 m.c.a., un caudal de 2,68 m³/h, así se
determina que
p1 = 1,4 bar y φ1 = 2.680 l/h
Considerándose el Grafico 9, levantado a partir de los datos del venturi del
Anexo B. La ecuación será:
φ = 48,036.p + 2,991 (r = 0,999)
En las condiciones operacionales del venturi 384, para una presión diferencial
de la bomba contra la altura del tanque, o sea, 1,4 – 0,27 = 1,13 bar un caudal de
cerca de 57 l/h, no considerándose el caudal de ozono. Ese será el valor de φ8.
Así, a partir de eses valores tenemos que restará para φ7 + φ9 = 2.626 l/h.
Grafico 9 – Presión x Caudal del venturi (MAZZEI 384)
Entonces los valores ya determinados serán:
p1 = 1,4 bar φ1 = 2.680 l/h
p4 = 0,2 bar φ8 = 54 l/h
p5 = 0,27 bar
73
p6 = 0 bar
p0 = 0 bar
Grafico 10 – Presión x Caudal de la electrobomba (FERRARI IDB-40)
Notase que el caudal máximo de operación de la membrana es de 800 l/h y la
reconversión máxima debe ser de 90% y la presión diferencial máxima de 5 bar.
Entonces tenemos que considerar esas limitaciones para el cálculo de φ2.
Para la bomba IDB-40, en el Gráfico 10, tenemos la siguiente ecuación para
el caudal en m³/h y la presión en m.c.a. derivada de los dados contenidos en el
gráfico indicado:
φ = -0,047.p + 2,85 (r = -0,973)
Si operarse con una presión diferencial, en la bomba IDB-40, de 2 bar, el
caudal φ2 será de cerca de 1.910 l/h. Considerase esas condiciones operacionales
de modo que la presión p2 será la suma de la presión diferencial de la bomba con la
presión de su entrada, o sea, 3,4 bar, y la presión diferencial sobre la membrana
será ese valor disminuido de la altura del tanque de distribución, o sea, p4. Así
tenemos la presión diferencial sobre la membrana en 3,2 bar.
74
Utilizándose la ecuación originaria del Gráfico 11 de la membrana. Los
valores de caudal por metro cuadrado de área versus presión en la membrana, para
“p” la presión diferencial sobre ella.
φ = 79,191.p + 0 (r = 0,9953) El caudal del ultrafiltrado (φ4) será de cerca de 253,4 l/h / m², o sea 507 l/h.
Grafico 11 – Presión x Caudal de la membrana linealizado por metro cuadrado (PAM
UF-02)
Con eso la reconversión de la membrana será:
η = φ4 / φ2 = 507 / 1.910 = 26,5%
Ese valor está por debajo del límite de reconversión, siendo una condición
operacional valida.
Volviéndose a las ecuaciones iniciales:
φ1 = φ7 + φ8 + φ9 φ2 = φ9 + φ6 φ2 = φ3 + φ4 φ3 = φ5 + φ6
Y substituyéndose los valores ya disponibles, tenemos:
75
3.100 – 57 = φ7 + φ9 y 1.910 = φ9 + φ6
φ3 = 1.910 – 507 = 1.403 l/h y φ3 = φ5 + φ6
Sabiéndose que la reconversión de la membrana está lejos de su límite,
podremos operar el sistema con el registro de recirculación del equipo de
ultrafiltración abierto, para que tengamos una reconversión total más alta. De ese
modo asumimos que su valor será de 80%:
φ4 / φ9 = 80% φ9 = 507 / 0,8 = 634 l/h
φ6 = 1.910 – 634 = 1.276 l/h ; φ5 = 1.403 – 1.276 = 127 l/h
Con eso, calculase el valor del caudal de recirculación del tanque de
captación, que es:
φ7 = 3.100 – 57 – 634 = 2.409 l/h
Así, recordándose que p2 = p3, ya se tiene las siguientes condiciones
operacionales del sistema:
p1 = 1,4 bar φ1 = 2.680 l/h
p2 = 3,4 bar φ2 = 1.910 l/h
p3 = 3,4 bar φ3 = 1.403 l/h
p4 = 0,2 bar φ4 = 507 l/h
p5 = 0,27 bar φ5 = 127 l/h
p6 = 0 bar φ6 = 1.276 l/h
p0 = 0 bar φ7 = 2.409 l/h
φ8 = 57 l/h
Tendremos variaciones resultantes del ajuste de las dos válvulas de aguja y
de la válvula paralela al venturi. Y aún tenemos las variaciones determinadas por las
curvas de las bombas, la capacidad del venturi y de la membrana.
76
El ajuste de la válvula de aguja del rechazo será hecha para que se tenga la
máxima producción de ultrafiltrado con un caudal de rechazo no menor que 10% del
caudal de la entrada (φ3 ≥ 0,1 x φ2), de modo que la producción sea la mayor
posible dentro de las condiciones operacionales de las bombas y φ4 ≤ 0,9 x φ2). El
ajuste de la válvula de aguja de la recirculación será para aliviar el exceso de flujo
decurrente de las condiciones de la bomba IDB-40. Hecho eso, se ajustará la válvula
paralela al venturi para que se obtenga un caudal adecuado a ese substrayendo el
caudal de entrada del equipo de ultrafiltración y dentro del caudal de bomba CP-4.
Por supuesto eses valores son teóricos, habiendo variación de ellos conforme
las tolerancias de los componentes y las caídas de presión en las tuberías y otras
partes del sistema, pero esa es una buena aproximación de la condición de uso.
5.6 TANQUE DE DISTRIBUCIÓN
Tanque de acumulación de agua ultrafiltrada, utilizado para su distribución
para los puntos de uso de la empresa. Presenta una llave boya igual a las demás
para automatización de la operación del equipo de ultrafiltración, o sea, en caso del
tanque estar lleno, la boya desligará el equipo.
Además presentará una entrada secundaria de agua potable de la red
pública, controlada por boya mecánica, de modo que en caso de falta de lluvias
consistentes, un nivel mínimo de agua estará presente para el consumo de la
empresa. Presentará como los demás, una válvula manual para su drenaje durante
los procedimientos de limpieza.
5.7 ANÁLISIS ECONÓMICO
El cálculo del costo del sistema piloto tomó como base el cálculo del equipo
similar de Yporã mostrado en la Tabla 10. Fue utilizada un archivo Excel, con
diversas planillas, como mostrado en el Anexo A. Para tanto los diversos
componentes fueran primeramente listados, con los datos de los fabricantes,
precios, impuestos de compra y flete. Después, clasificados en subconjuntos, siendo
del equipo de ultrafiltración propiamente dicho y uno para el sistema de captación y
77
distribución del agua. Después, fue calculado los costos del sistema como un todo y,
por fin, una planilla para el cálculo de la venta del sistema, considerándose la mano
de obra de ensamblaje, la comisión de venta, los impuestos de venta y el margen de
contribución.
El cálculo de costo de los subconjuntos del equipo están con una buena
precisión, pues están embasados en los cálculos del equipo original. Ya el
subconjunto del sistema de captación y distribución, como presentado en la Tabla
10, está aproximado a partir de un levantamiento hecho en mercado y una
aproximación de los componentes de menor valor agregado, como tornillos, tuercas,
tubos y conexiones.
Por fin, fue considerado los costos involucrados del sistema desinfectante, por
considerarse dos alternativas, la dosificación de cloro y la inyección de ozono.
La viabilidad económica del sistema dosificando hipoclorito de sodio es bien
mayor que el sistema con ozono, pues costa prácticamente la mitad del precio,
mientras tenemos también un costo del producto, que tendrá de ser adquirido
permanentemente. El cálculo del costo del equipo está presentado en el Anexo A.
Por esas consideraciones, los costos de ensamblaje del equipo de
ultrafiltración y de los sistemas de captación y distribución, calculados a partir de los
datos indicados en el Anexo A, está en cerca de R$ 7.390,00 y del sistema completo
con generador de ozono en R$ 8.620,00, cerca de 7% más elevado que un sistema
en que utilizase cloro como desinfectante. Teniéndose en vista lo discurrido
anteriormente y esta diferencia ser poco significativa de los precios, confirmase la
ventaja de utilización de generación de ozono ‘in situ’ contra la dosificación de cloro.
78
Tabla 10 – Costos de fabricación y composición del precio de venta del sistema de
tratamiento de aguas pluviales
Es importante señalar que estos costos son válidos para el sistema piloto, con
las características presentadas arriba. La pluviometría local y el área de captación
influenciarán en los costos del sistema a ser implantado y, por supuesto, en el precio
de venta del mismo. También, en un sistema comercial, no será necesaria la
medición de la conductividad y quizás la de pH también no. Del mismo modo, el
tanque de distribución será el mismo tanque de agua potable del usuario, siendo que
no consideramos su precio y lo de la boya mecánica de control de entrada de agua
de la red pública en la planilla. Solo el valor de la llave boya para el control del
equipo de ultrafiltración.
Haciendo el levantamiento de componentes ordenados por costos, los que
disparadamente son los más costosos son el Tanque de Captación (R$ 2.098,00); el
módulo de ultrafiltración (R$ 1.550,00); el generador de ozono (R$ 1.020,00) y el
gabinete del equipo (R$ 800,00), hay más cinco componentes que tienen su costo
entre R$ 200,00 y R$ 400,00 y todos los demás está por debajo de ese valor.
Entonces, para una reducción del costo total del equipo, se puede conseguir
primeramente por tanque y gabinete más sencillos – que no afecta el desempeño del
sistema y también buscar en el mercado membranas de ultrafiltración y generadores
de ozono más baratos. En los demás ítems, una reducción individual de costos,
mientras sea también importante, no implicará en una reducción global significativa.
79
5.8 ENSAMBLAJE DEL EQUIPO PILOTO
El equipo piloto fue ensamblado en un bastidor del equipo original de ósmosis
inversa, padrón de Yporã. Como los componentes del equipo piloto son iguales o
similares al equipo original, el bastidor sofrió pocas alteraciones.
El monitoreo de presión será hecha por dos manómetros, uno en la salida del
pre-filtro de 5µm y otro en la salida de la membrana. Los caudales serán
monitoreados por dos rotámetros, estando uno en el ultrafiltrado y otro en el
rechazo. Además, en el ultrafiltrado serán acompañados el pH y la conductividad,
que, debido a las características de la membrana, serán iguales a los valores de
entrada y rechazo.
Figura 30 – Diagrama eléctrico del sistema de tratamiento de aguas pluviales
Fuente: Autor.
El equipo piloto está ensamblado en el bastidor original de un equipo Y3218
como indicado en las fotografías de la Figura 31.
80
Se utilizó manómetros de tubo de bourdon, rotámetros de área variable marca
WIKA, controlador de conductividad CREATE CCT-3300 con compensación térmica
y controlador de pH CREATE pH-6300.
Figura 31 – Ensamblaje del equipo. Arriba: Bastidor ensamblado; ensamblaje de la
bomba y válvulas de aguja. Abajo: Algunos componentes del sistema; ensamblaje
de instrumentos y válvulas.
Fuente: Autor.
5.9 ENSAMBLAJE DEL SISTEMA
El sistema está ensamblado en la parte externa del predio. Primero se montó
mecánicamente los tanques de descarte, bajo la tubería de drenaje pluvial y el
tanque de captación a su lado.
El diagrama eléctrico del sistema está presentado en la Figura 30, siendo que
arriba están los automatismos de los tanques de descarte y de captación y abajo el
81
equipo de ultrafiltración. Con ese circuito el sistema se queda totalmente
automatizado.
Todo el automatismo de los tanques está ensamblado en una caja de control
eléctrica presentada en la Figura 32, con el temporizador, el controlador de ORP y
una contactora con relé térmico para el control de la bomba de recirculación del
tanque y el equipo de ultrafiltración propiamente dicho, bien como una llave general
que puede deshabilitar todo el sistema. El equipo de ultrafiltración, por eso, es
alimentado eléctricamente por la contactora. Además de la entrada de la
alimentación eléctrica, esa caja está con la entrada de los señales de la boya de
nivel máximo del tanque de descarte, que comanda el temporizador del solenoide de
drenaje, la boya de nivel mínimo del tanque de captación, que comanda la
contactora y el sensor de ORP, que comanda el controlador de ORP que, por su
turno, comanda el generador de ozono.
Figura 32 – Equipo ensamblado con la membrana
Fuente: Autor.
82
Figura 33 – Ensamblaje del automatismo de los tanques. Arriba: Caja de comando
ensamblado con temporizador y controlador de ORP; Ensamblaje de las tapas del
tanque de descarte. Abajo: Tapa inferior con válvula de drenaje; Tapa superior con
boya mecánica.
Fuente: Autor.
Las salidas son las alimentaciones del solenoide de drenaje del tanque de
descarte, del generador de ozono, de la alimentación de la bomba de recirculación
del tanque de captación y del equipo de ultrafiltración.
El tanque de descarte fue ensamblado con un tubo de alcantarillado de 200
mm de diámetro. En sus extremidades fueran colocados tapas padrón. En la inferior
se abrió un alojamiento para la válvula de descarga, presentadas en la Figura 32. En
la superior se acomodó una reducción reta de 150 para 100 mm soldada en la cara
interna de la tapa y a un te que hace el desvío del caudal para el tanque de
captación. En la reducción se fijó un anillo de vedación y se instaló una esfera de
120 mm que trabaja como boya mecánica contra el anillo. También en la tapa fue
abierto un orificio por donde pasa el hilo que acciona mecánicamente por el
83
movimiento del solenoide, la válvula de descarte. Más abajo en el tubo de 200 mm
hay un orificio con la boya de nivel máximo. Así se ensambló el tanque de descarte
con componentes comunes disponibles en el mercado.
Ya el tanque de captación fue ensamblado con el filtro bolsa fijo en su
apertura superior, por donde entra el agua de la lluvia. En las aperturas inferiores, se
instaló la boya de nivel mínimo, la entrada de la bomba de recirculación y un punto
de drenaje. La salida de la recirculación se hace por una segunda apertura hecha en
la parte superior del tanque. el monitoreo de ORP, la captación de agua para el
equipo de ultrafiltración y la inyección del ozono ocurren en una red de recirculación
externa al tanque.
El tanque de distribución es el tanque ya utilizado en la empresa, de acero
inoxidable con 1000 litros de capacidad. Apenas se insirió la boya de control del
equipo de ultrafiltración, de modo que, estando completo el tanque, el equipo se
desliga. La entrada de agua de la red se cambió de modo que solo empiece el
fornecimiento de esa agua caso el nivel del agua llegue a un punto muy bajo,
accionado por una boya mecánica.
5.10 PROBLEMAS OPERACIONALES PRÁCTICOS
Con el ensamblaje del sistema empiezan a surgir problemas que no estaban
previstos en la teoría. Bien como confirmaciones de que cosas trabajan como
deberían. En el tanque de descarte, la válvula de descarga no operó a contento. El
solenoide no puede accionar la válvula, mientras sus características decían ser
posible vencer la columna de agua. El problema está en el diámetro de la tapa de la
menor válvula comercial que se encontró. Ella lo presenta en cerca de 4 cm. Eso
significa un área de unos 12 cm². O sea, se necesita una fuerza del solenoide capaz
de vencer los 3 metros de columna de agua, o sea, 0,3 kgf/cm² multiplicados por los
12 cm², o sea, 3,6 kg, más de tres veces la capacidad del mayor solenoide comercial
encontrado.
La solución inmediata, en ese momento, para el problema es operar la
descarga del tanque de descarte manualmente, ya que este punto del sistema no es
84
crítico para la potabilización del agua. Seguro que implica en un trabajo mayor del
operador, puesto que, pasada cada lluvia, deberá operar el drenaje. Manteniendo la
válvula de descarga abierta y poniéndose una válvula de esfera en la tubería de
descarga, es posible una solución sencilla y rápida para el problema.
Como el tanque de descarte está ensamblado de modo vertical, la columna se
quedó bastante elevada. La solución definitiva será no buscarse un solenoide más
potente, pero bajar la columna de agua, o sea, ensamblar el tanque horizontalmente,
de modo que ella pase a ser solamente el diámetro del tanque acrecido de la altura
superior en que se encontrará la boya y la inferior de la válvula de descarga. Así
bajaremos la presión de 0,3 bar para algo como 0,05 bar. Manteniéndose la válvula
de descarga de 12 cm² de área, tendremos la disminución de la fuerza para 0,6 kg,
que es bien debajo de los 0,95 kg nominales del solenoide.
Por otro lado, en la primera lluvia, durante los testes del tanque de descarte,
se tomó una muestra de agua que, en una inspección rápida, se mostró turbia y con
una conductividad de 9,3 µS/cm y un pH de 7,9.
85
Figura 34 – Ensamblaje de la parrilla y los tanques de descarte y de captación
Fuente: Autor.
El tanque de captación empezó a ser llenado por la lluvia así que la boya
mecánica del tanque de descarte lo cerró. De esa manera, el sistema operó
86
perfectamente. Como no eres nuestro objetivo actual llenar el tanque, fue mantenida
abierta la válvula de drenaje.
Fue percibido que la producción real del equipo de ultrafiltración está abajo
del valor teórico calculado, sea por la bomba del equipo no tener, en la práctica las
características presentadas teóricamente, o por eso ocurrir en la membrana.
Mientras eso no llega a ser un problema mismo, solo se necesita de un ajuste de los
valores para la situación real.
También ocurrió que el generador de ozono no llegó en tiempo hábil para los
primeros testes del sistema, ocurriendo que estos se hicieran sin la inyección del
desinfectante en el agua.
Figura 35 – Equipo en operación
Fuente: Autor
5.11 TESTES DEL SISTEMA
Serán acompañados los siguientes parámetros en línea del sistema:
a) Presión de la entrada del equipo (p1);
b) Presión de la salida de la membrana (p3);
c) Caudal del ultrafiltrado (φ4);
87
d) Caudal del rechazo (φ5);
e) ORP del tanque de captación (ORP);
f) Conductividad del ultrafiltrado (σ);
g) pH del ultrafiltrado (pH);
Los cinco primeros parámetros son relativos a la operación del sistema y
serán acompañados para verificase su bueno desempeño. Los dos últimos son
referentes a la calidad del agua de la lluvia. Como el sistema no afectará estos
parámetros, es posible monitorearlos en solamente un punto, ya que los valores
serán iguales independiente del local de medición.
Tabla 11 – Acompañamiento de los parámetros investigados
Parámetro Muestra p1 p3 φ4 φ5 ORP σ pH
Unidad data/hora bar bar l/h l/h mV µS/cm pH
Valor
Fuente: Autor.
Además serán analizados los parámetros a seguir:
a) Color;
b) Turbiedad;
c) DBO;
d) DQO;
e) Coliformes totales;
f) Coliformes fecales.
Todos estos son referentes a la calidad del agua de la lluvia. Os parámetros
analizados acá son importantes para verificarse la eficiencia del sistema para la
potabilización del agua de la lluvia. Para tanto, ellos serán analizados en tres locales
distintos del sistema: anterior al tanque de captación, en la entrada del equipo de
ultrafiltración y en su salida para el tanque de acumulación.
Estimase que los parámetros cambien durante la precipitación, sobremanera
los tomados anteriormente al tanque de captación. Estos están bastante sujetos al
efecto del lavado del techo. Ya en la entrada del equipo la variación debe ser menor
88
y aún más pequeña en la salida del ultrafiltrado, siendo esperado que los parámetros
estén dentro de la potabilidad.
Tabla 12 – Acompañamiento de los contaminantes investigados
Parámetro Muestra Color Turbiedad DBO DQO Col. t Col f Unidad data/hora uH NTU mg/l mg/l UFC UFC
Entrada Tanque Salida Tanque
Ultrafiltrado Fuente: Autor.
Ensamblados los tanques, aún sin la parte “eléctrica” del sistema, ya es
percibida una diferencia muy clara del agua recogida en el tanque de descarte, que
es el agua bruta, y el agua recogida en el tanque de captación, que presenta una
filtración mecánica de 100 µm hecha por un filtro bolsa instalado en su entrada. Eso
es evidente en la Figura 36.
Figura 36 – A la izquierda el agua del tanque de descarte y a la derecha el agua del
tanque de captación
Fuente: Autor.
89
Los instrumentos y medidores llegaran calibrados de fábrica. El
conductivímetro calibrado electrónicamente a partir de la constante de célula. El
pHmetro con los valores mensurados compatibles con testes hechos con soluciones
padrón Hanna Instruments HI 7004 (pH 4,01 – lote 2893) y HI 7007 (pH 7,01 – lote
3327). Y el controlador de ORP fue conferido con la solución padrón Hanna
Instruments HI 7021 (lote 4253).
Ya las análisis físico-químicas y microbiológicas fueran hechas por JR
Hidroquímica y están todas discriminadas en el Anexo 4.
En las dos tablas abajo se consideró en las últimas líneas los valores
encontrados por Jaques (2005), o sea el valor mínimo para cada parámetro, el valor
medio de las mediciones y su desvío padrón.
90
6 SISTEMATIZACIÓN DE LOS RESULTADOS
Tabla 13 – Acompañamiento de los parámetros investigados Parám Muestra p1 p3 φ4 φ5 ORP σ pH Unid data/hora bar bar l/h l/h mV µS/cm pH
1 8/1/13 11:50 1,4 3,9 360 120 (*) 8,9 6,79 2 15/1/13 16:20 1,4 4,0 300 120 (*) 9,5 6,35 3 6/2/13 15:16 1,5 3,8 180 120 586 43,2 6,10 4 7/2/13 13:00 1,5 3,7 300 120 752 42,1 5,98 5 13/2/13 9:30 1,6 3,9 300 90 386 9,2 6,81
Jaques Mínimo - - - - - 13,25 5,13 Medio - - - - - 29,91 6,59 Desvío - - - - - 13,01 0,807
(*) Teste hecho sin el generador de ozono y sin acompañarse el valor de ORP Fuente: Autor.
Tabla 14 – Acompañamiento de los contaminantes investigados Parámetro Muestra Color Turbiedad DBO DQO Col. t Col f
Unidad data/hora uH NTU mg/l mg/l UFC/0,1l UFC/0,1l Entrada Tanque 8/1/2013 12:20 3,00 0,99 0,9 < 100 85 2 Salida Tanque 8/1/2013 12:08 < 1,0 0,52 0,9 < 100 430 70
Ultrafiltrado 8/1/2013 12:20 < 1,0 0,20 0,9 < 100 21 1 Entrada Tanque 15/1/2013 16:40 64 6,04 3,0 <100 790 0 Salida Tanque 15/1/2013 16:30 26 1,22 5,1 <100 1400 680
Ultrafiltrado 15/1/2013 16:50 5 0,11 1,0 <100 1250 0 Entrada Tanque 6/2/13 15:40 26 1,35 0,0 <100 85 0 Salida Tanque 6/2/13 15:40 34 1,98 2,0 <100 0 0
Ultrafiltrado 6/2/13 15:40 14 0,55 0,0 <100 0 0 Entrada Tanque 13/2/13 10:20 8,0 1,54 0,9 < 100 88 0 Salida Tanque 13/2/13 10:20 < 1,0 0,8 0,9 < 100 0 0
Ultrafiltrado 13/2/13 10:20 <1,0 0,35 0,9 < 100 760 50 Entrada Tanque Salida Tanque
Ultrafiltrado Jaques Mínimo 5,00 4,06 1,01 12,40 1100 6,67
Medio 21,95 7,67 2,63 33,83 1662 205 Desvío Padrón 15,47 4,05 0,92 19,31 406 276,5
Fuente: Autor.
Notamos que los valores obtenidos en las análisis físico-químicas y
microbiológicas en ese trabajo, exceptuándose el DQO, puesto que el laboratorio
que hice las análisis tiene un valor mínimo de 100 mg/l, en los parámetros del agua
de entrada del tanque, se encuentran abajo que los obtenidos por Jaques (2005),
siendo que el mínimo representa. Posiblemente eso sea por el techo ser nuevo y
metálico. Según información de la propia JR Hidroquímica la relación que se tiene
por acá entre la DBO y la DQO es que la segunda es seguramente cerca de 80% de
la primera, o sea, para una DBO de 0,9 mg/l tendremos la DQO de cerca de 1,62
mg/l. Es una relación empírica que aquella empresa utiliza en sus trabajos, como
indicado en el Anexo 4.
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Por otro lado, en la muestra de 15 de enero, hay una contaminación grande
de coliformes totales en el ultrafiltrado. Posiblemente ocurrió una contaminación
externa en el punto de colecta, ya que era esperada una contaminación por no estar
siendo inyectado el ozono en la muestra, pero no tan elevada.
6.1 ACCIÓN DEL OZONO
La ausencia del generador de ozono en las dos primeras muestras, revela
una degradación evidente del agua en el tanque, mientras el agua de entrada
presente una condición peor que en el primero caso. Mismo así, la membrana de
ultrafiltración continúa removiendo los contaminantes. Aún así hay una presencia
más grande que el esperado en los coliformes totales, quizás por su crecimiento
posterior a la membrana hasta por no estar ningún desinfectante presente.
Día 4 de febrero de 2013 empezamos a hacer los testes apenas del tanque
de captación con el ozono, buscando se obtener resultados compatibles del oxidante
sobre el agua acumulada. El parámetro controlado fue el índice de oxi-reducción
(ORP), mensurado en la recirculación del tanque. El acompañamiento fue empezado
posteriormente a las lluvias del día 3. El tanque estaba con media capacidad de
agua y la primera medición fue, en la mañana, de +447 mV, lo que representa agua
con materiales posibles de ser oxidados, posiblemente materia orgánica, ya que en
la medición anterior obtuvimos 1.800 UFC/ml de coliformes totales, indicando la
contaminación. El controlador de ORP accionó el generador de ozono y al fin del día
fue obtenido un valor de +280 mV. Eso mostró que el ozono efectivamente está
oxidando la materia orgánica. El sistema fue desligado y religado en la mañana del
día 5, partiendo de un valor de +885 mV, confirmando el aumento de la materia
orgánica en el agua. El ozono bajó este índice para +644 mV hasta el final de la
mañana, cuando empezó nueva lluvia, completando el reservatorio y lanzando el
valor de ORP para +845 mV. El sistema fue mantenido ligado durante la noche,
habiendo nuevas lluvias. Por la mañana del día 6, el valor de ORP había se reducido
para +584 mV. Eso mientras el agua del tanque de captación presenta el olor
característico del ozono.
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Es posible notar que el ozono realmente presenta una acción oxidante sobre
el agua del tanque de captación, pero no llega a tornar negativo el valor de ORP, o
sea, dejar una sobra del oxidante en el agua. Así se muestra que la capacidad de
generación de ozono es insuficiente para el sistema piloto. Mismo siendo modelo
Panozon 25 indicado para piletas abiertas entre 8 y 25 m³ (PANOZON, 2012) el
equipo presenta una capacidad baja de producción para un tanque cerrado con agua
de lluvia de 2 m³. Mismo así la generación de ozono reduce la carga oxidable del
agua considerablemente. Un generador de mayor capacidad ciertamente mantendrá
el tanque sin contaminación.
6.2 AUMENTO DE LA CONDUCTIVIDAD
También en la mensuración hecha después de la inyección del ozono notase un
aumento significativo de la conductividad, pero esa, medida en la entrada del tanque
de captación con un instrumento manual Oakton PCTestr 25 debidamente calibrado
indicó un valor de 39 µS/cm, estando poco abajo del valor mensurado por el
instrumento del equipo de ultrafiltración. Estos datos son coherentes, puesto que,
mientras el ozono implique en un aumento de la salinidad del agua, reflejado en un
aumento de la conductividad, eso es bajo, puesto que en esa última lluvia hubo un
aumento también de los sólidos suspensos en el agua. Se puede explicar ese facto
por esta lluvia en un período con influencia de vientos venidos del mar. Valores más
elevados de conductividad fueran detectados por JAQUES (2005). Ya la medición
siguiente, con nueva alteración del viento, indicó una conductividad semejante a las
medidas anteriormente.
6.3 ENSUCIAMIENTO DE LOS FILTROS
El sistema completo presenta tres etapas de filtración mecánica, ya vistas
anteriormente, el filtro bolsa de 100 µm en la entrada del tanque de captación, el
filtro de cartucho de 5 µm en la entrada del equipo de ultrafiltración y el módulo de
ultrafiltración propiamente dicho.
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En día 4 de febrero, con cerca de un mes de operación del sistema hicimos el
primero cambio del filtro bolsa. En la Figura 37 se muestra el interior del filtro y el
contenido del mismo, con un contenido sólido con arena, tierra, insectos, pelos y
penas, semillas y algunos trozos no identificados.
Figura 37 – A la izquierda el interior del filtro bolsa y a la derecha su contenido
Fuente: Autor.
Posteriormente, día 6, cambiamos el cartucho del equipo. También estaba bastante sucio, pero se nota que cumplió bien su función puesto que aún estaba blanco en su interior, lo que muestra que no es necesario un cartucho con una porosidad menor que los 5 µm utilizados. En la Figura 37 abajo se muestra el cartucho y un comparativo con un cartucho nuevo de mismo material de modo que se queda bien evidente su funcionamiento.
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Figura 38 – A la izquierda el cartucho usado y a la derecha la comparación entre el
cartucho usado y un nuevo.
Fuente: Autor.
Ya la tercera etapa de filtración también presenta ensuciamiento, solo que es
evidenciado en la Tabla 13, en el parámetro flujo de ultrafiltrado. Notase que en el
inicio de los testes el flujo era de 360 l/h, reduciéndose hasta los 180 l/h en el día 6
de febrero, con cerca de un mes de operación. Día 7 se hizo un retrolavado de la
membrana, subiendo la producción para 300 l/h. Incluso se percibió una turbiedad
en el agua del rechazo colectada durante el retrolavado. Eso está en la Figura 39.
El retrolavado fue hecho conectándose la salida de la bomba del equipo en la salida
de ultrafiltrado de la membrana, conectándose la entrada de la bomba en el tanque
de distribución, que tenía agua de ultrafiltrado y manteniéndose el rechazo en el
dreno y abriéndose la válvula de rechazo para bajarse la presión. La entrada normal
de agua en el aparato fue cerrada, impidiendo la entrada de agua del tanque de
captación en la bomba. Ligándose el equipo, la bomba presurizó el sistema al revés,
con el agua siguiendo el camino contrario en las fibras capilares, retrolavando la
membrana.
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Figura 39 – A la izquierda el agua de ultrafiltrado y a la derecha la del rechazo.
Fuente: Autor.
6.4 CONTAMINACIÓN DEL ULTRAFILTRADO
Es perceptible la contaminación eventual del ultrafiltrado. Eso ocurrió toda la
vez que la precipitación cesó por un tiempo más largo. En eses casos, el equipo de
ultrafiltración se quedó un tiempo más largo parado. Con eso, el ozono presente en
el equipo se consumió, sobremanera por estar con una dosificación baja, y el agua
quedóse sin protección del desinfectante. Así empezó una contaminación en el
equipo indicada por la presencia de coliformes en el permeado. Como estamos
trabajando en un piloto, seguimos los testes y previmos algunos cambios en la
configuración del sistema para evitarse ese problema.
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7 CONCLUSIÓN
Independiente de los resultados obtenidos en ese trabajo y el uso potable o
no del agua pluvial, más importante es la educación de la población para el uso
racional del agua. La vida misma existe por tenerse agua en el planeta como un todo
y en cada célula viva, en cada orgánulo mismo.
En Brasil hay una noción de que el agua no va se agotar nunca y que
podemos gastarla a nuestro bel placer. Eso se puede ver en gestos cotidianos en
nuestras propias casas, en el modo de lavar los platos en la cocina, cepillarse,
afeitarse, bañarse, lavar el coche y otros hábitos adquiridos.
La mudanza de estos procedimientos, el uso mismo de las aguas grises para
fines no potables o mismo potables, quizá, el aprovechamiento de fuentes
alternativas de agua, la recolección, por parte de la red pública, del agua potable
excedente producida pero no utilizada en una habitación. Todo eso es fundamental
para que no dejemos como herencia para nuestros nietos un planeta donde una gota
de agua pase a ser utilizada como una joya, un brillante de tan raro que sea.
Tiendo en vista la ausencia de la inyección de ozono en los primeros testes,
no se obtuve el nivel de contaminación de coliformes y coliformes totales dentro de
lo necesario para el agua ser considerada potable. Fueran obtenidas las condiciones
ideales, pero se presenta una contaminación en la salida del ultrafiltrado, lo que
indica que el sistema no está suficientemente protegido contra la contaminación
orgánica, fruto de la baja generación de ozono, constatada por el valor positivo del
ORP en el tanque de captación. De mismo modo tenemos un valor de DBO que,
mientras este bajo, puede ser menor.
Todos los demás parámetros están dentro de los valores considerados
potables por la Portaría nº 2914 de 2011 que determina los niveles del agua potable.
El pH en uno caso estuve por debajo del valor mínimo de potabilidad, pero es común
en Brasil el agua de la red pública presentar pH de hasta 5,0. Así mismo se puede
subir el pH con la adición de pequeñas doses de bicarbonato de sodio o de calcio, si
juzgárselo necesario.
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Siguiéndose los testes, se obtuve los resultados necesarios para considerarse
el agua pluvial tratada potable. Los demás parámetros analizados por JAQUES
(2005) están dentro de los parámetros considerados potables en la propia agua de
lluvia sin tratamiento, desde que se haiga el descarte de la primera agua.
Así se puede considerar que el agua de lluvia, con filtración, inyección de una
dosis suficiente de ozono y posterior ultrafiltración puede ser considerada como
potable y estar disponible para todos los usos pertinentes.
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8 CONSIDERACIONES
La primera consideración dice respecto al sistema ser sencillo al régimen de
lluvia. Notase que, en caso de tiempos más prolongados sin precipitación, empieza
una contaminación en la salida de ultrafiltrado. Entonces, para un sistema comercial
es necesario hacerse con que el equipo no se quede parado puesto que el
desinfectante no entra en contacto con el agua que esté en la tubería de ultrafiltrado.
Tenemos que considerar que ese sistema implantado es un piloto y, por lo
tanto, no un producto final a ser lanzado en el mercado. Ese sistema tiene un costo
un tanto elevado, mientras posibilita una economía al considerarse que,
disponiéndose de agua potable, no es necesaria toda una reservación y distribución
especial para esa agua, pudiendo ser acumulada en el mismo reservatorio de agua
potable del consumidor y ser distribuida por la misma tubería existente. Además el
agua de lluvia tratada deja de ser agua gris para ser potable. Al hacerse una
evaluación del precio de cada tipo de agua, ciertamente el agua de lluvia así tratada
pasa a tener un valor bien más alto que el agua gris. Entonces todos eses costos
están involucrados en esa operación y no solamente el costo del sistema. Se puede
también cambiar el sistema de modo que se pueda operar tanto la recirculación del
tanque de captación como la presurización de la membrana de ultrafiltrado con una
solo bomba, que presente una presión más elevada de operación. Eso es posible ya
que la recirculación del equipo, mientras instalado, no se mostró necesaria para su
buena operación. Así se puede cambiar la bomba del equipo por una válvula
solenoide comandada por un temporizador que, cerrándola, permite que la columna
de agua de la salida del ultrafiltrado hasta el tanque de distribución, haiga un
retrolavado automático en la membrana en tiempos programados, no afectando el
desempeño general del sistema y manteniendo la membrana más limpia y, por
consiguiente, con un caudal de ultrafiltrado más elevado.
También, en un sistema comercial, no se necesita tenerse los rotámetros o
mismo el conductivímetro y el pHmetro. Estos serán, por supuesto, útiles para los
ajustes del equipo y para el mantenimiento, pero no para el uso diario del mismo. Así
siendo estos instrumentos pueden estar en la maleta del técnico que hará las
instalaciones y mantenimientos y no en el equipo.
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Por otro lado, en el tanque de captación, vimos que el costo del generador de
ozono, si comparado con la dosificación del cloro favorece el uso del primero. Ya el
control de ORP es interesante, puesto que implica en una economía de energía
eléctrica para el consumidor, pues regula la inyección del gas a un nivel óptimo. Es
importante considerarse la utilización de un aparto con mayor capacidad de
generación de ozono, de modo que se llegue a la dosificación ideal rápidamente,
evitándose la contaminación del tanque de captación y de los demás componentes
del sistema. También es posible cambiar el sistema de dosificación de venturi para
una bomba de aire con burbujeador y sensor de ORP en la salida misma del tanque
de captación. Con eso, la generación de ozono quedase independiente de la
operación de la bomba de recirculación. De esa manera, mismo con el volumen
mínimo de agua, mientras la bomba se quede parada, la inyección de ozono
continúa, siendo mantenida en el nivel óptimo por el valor de ORP.
Así mismo se puede cambiar la posición de la membrana de ultrafiltración y
de la recirculación del tanque de descarte. Haciéndose con que la ultrafiltración con
su prefiltración venga logo posterior a la bomba de recirculación, que la recirculación
parta, con una válvula de retención a partir del ultrafiltrado y que haya una boya
mecánica en el tanque de distribución, en lugar de la boya eléctrica, la ultrafiltración
operará continuamente, mismo con el tanque de distribución lleno. En ese caso, la
válvula de retención se abrirá y el ultrafiltrado recirculará en el tanque de captación,
siendo constantemente desinfectado por acción del ozono. El costo de esta
alteración será una drenaje permanente del rechazo del sistema, habiendo un gasto
mayor de agua, lo que compensa por la garantía de no contaminación del agua que
llegará al tanque de distribución. El sistema solo quedará sujeto a contaminación en
caso de grande período de sequia, cuyo tiempo será determinado por el
dimensionamiento del tanque de captación.
Controlándose la válvula solenoide de entrada de la ultrafiltración por un
temporizador, se hace con que la columna de agua entre la salida de ultrafiltrado sea
drenada por gravedad en contraflujo por la membrana, haciendo un retrolavado en
ella y manteniéndola sin agua en caso de sequia prolongada, lo que tiende a minorar
los riesgos de contaminación orgánica.
100
Ya el sistema de drenaje del tanque de descarte se mostró complejo en
términos operacionales, mientras sea un sistema barato. Es conveniente estudiarse
lo para que se obtenga una operación más sencilla, sin perderse la automatización,
si posible, pues esta es un punto positivo del sistema. Ya el sistema de boya
mecánica se mostró simple y eficiente.
Otra consideración importante que debe ser observada lleva en cuenta el
destino de la “primera agua”, originada del tanque de descarte, bien como el rechazo
del equipo de ultrafiltración y el agua que, por exceso de lluvia lo sale por el ladrón
del tanque de captación. En el sistema actual toda esa agua siegue para el colector
del alcantarillado pluvial. Más correcto sería destinar esa escorrentía, que no es
continua, para una zanja de infiltración calculada y hecha en el suelo del usuario,
conforme preconiza Pinheiro (2012), reduciendo la cantidad de agua del
alcantarillado urbano.
Figura 40 – Diagrama de flujo del sistema comercial
Fuente: Autor.
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ANEXO A - TABLAS DE COSTOS DE ENSAMBLAJE DE LOS EQUIPOS DE
MEMBRANAS
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Listado de los componentes del equipo
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Listado de los subconjuntos del equipo
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ANEXO B - DESEMPEÑO DE LOS INJECTORES MAZZEI DE ½” PARA AIRE
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ANEXO C - RELACIÓN OZONO X ORP
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ANEXO 4: Análisis del agua fornecidas por JP Hidroquímica.
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