Potabilización de Aguas Pluviales con Ultrafiltración

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


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


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.

5

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.

6

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.

13

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.

14

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

16

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.

19

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


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


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


(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


(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


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


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


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


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


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


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.

91

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.

92

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.

93

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.

94

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.

95

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.

96

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.

97

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.

98

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.

99

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.

101

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ANEXO A - TABLAS DE COSTOS DE ENSAMBLAJE DE LOS EQUIPOS DE

MEMBRANAS

109

Listado de los componentes del equipo

110

Listado de los subconjuntos del equipo

112

ANEXO B - DESEMPEÑO DE LOS INJECTORES MAZZEI DE ½” PARA AIRE

113

ANEXO C - RELACIÓN OZONO X ORP

114

ANEXO 4: Análisis del agua fornecidas por JP Hidroquímica.

Potabilización de Aguas Pluviales con Ultrafiltración

Engineering

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