REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA
FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA QUÍMICA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA PLANTA DOMESTICA DE REMOCIÓN DE HIERRO POR EL MÉTODO OXIDACIÓN FILTRACIÓN DE AGUAS DE
POZOS SUBTERRÁNEOS
Trabajo Especial de Grado para optar al título de Ingeniero Químico
REALIZADO POR EL BACHILLER: Br. Pedro Luís Padilla.
Tutor Académico Tutor Industrial
MSc. Eudo Osorio Ing. Arnaldo Parra C.I.: 4.145.556 C.I: 3.651.459
Maracaibo, Diciembre de 2010
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA PLANTA DOMESTICA DE REMOCIÓN DE HIERRO POR EL MÉTODO OXIDACIÓN FILTRACIÓN DE AGUAS DE
POZOS SUBTERRÁNEOS
_________________________ Br. Pedro Luís Padilla C. I. 15.887.134
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ÍNDICE GENERAL
Pág.
TITULO .................................................................................................................................. INDICE GENERAL .............................................................................................................. INDICE DE TABLAS ......................................................................................................... I ÍNDICE DE FIGURAS .......................................................................................................... RESUMEN ..............................................................................................................................
CAPITULO I: EL PROBLEMA
1.1. Planteamiento del Problema .................................................................................7
1.2. Formulación del Problema .................................................................................11
1.3. Objetivos de la Investigación .............................................................................11
1.3.1. Objetivo General .........................................................................................11
1.3.2. Objetivos Específicos ..................................................................................11
1.4. Justificación de la Investigación.........................................................................12
1.5. Delimitación de la Investigación ........................................................................13
1.5.1. Delimitación Espacial..................................................................................13
1.5.2. Delimitación Temporal................................................................................13
CAPITULO II: MARCO TEÓRICO
2.1. Descripción de la Empresa .................................................................................14
2.2. Antecedentes de la Investigación .......................................................................16
2.3. Bases Teóricas ....................................................................................................19
2.3.1. Aguas Subterráneas ó Acuíferos. ................................................................19
2.3.2. Pozos subterráneos ......................................................................................21
2.3.3. Características del agua de pozos ................................................................22
2.3.4. Métodos de especiación de Minerales en el agua........................................32
2.3.5. Procesos de remoción de Hierro..................................................................34
2.3.6. Método de oxidación/filtración ...................................................................35
2.3.7. Dosificación de productos químicos ...........................................................37
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2.3.8. Tipos de filtros para el proceso de remoción de hierro ...............................42
2.4. Sistema de Variables ..........................................................................................54
Mapa de Variables.....................................................................................................55
CAPITULO III: MARCO METODOLÓGICO
3.1. Tipo de Investigación ........................................................................................56
3.2. Diseño de la Investigación..................................................................................57
3.3. Técnicas de Recolección de Datos .....................................................................57
3.4. Fases de la Investigación ...................................................................................58
Procedimiento de la Investigación.............................................................................61
CAPITULO IV: RESULTADOS
4.1. Análisis y Discusión de los Resultados ..............................................................64
4.2. Diseño y Construcción de la Planta....................................................................75
4.2.1. Diseño de la Planta. .....................................................................................75
4.2.2. Descripción de las partes que conforman el equipo ....................................76
4.2.3. Proceso de Construcción de la Planta de Tratamiento. ...............................79
CONCLUSIONES................................................................................................................81
RECOMENDACIONES.......................................................................................................83
BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................................84
ANEXOS
ANEXO 1. Dimensiones de la Planta de tratamiento de Agua
ANEXO 2. Filtro de Arena y Grava
ANEXO 3. Tanque de Retención
ANEXO 4. Plano Isométrico de la Planta
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ÍNDICE DE TABLAS
TABLAS
1. Sustancias en estado iónico en aguas subterráneas ................................. 22
2. Clasificación de Filtros rápidos .............................................................. 44
3. Mapa de Variables.................................................................................. 55
4. Caracterización del agua Subterránea: Pozos en San Francisco ................. 64
5. Valores de las propiedades Fisico-Químicas obtenidas vs. Parámetros permitidos por la OSM............................................................................... 66
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ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA
1. Organigrama de la empresa Vencloro C.A............................................. 16
2 Tipos de Acuíferos. ............................................................................... 20
3. Pozos Subterráneas................................................................................. 22
4. Equema de las técnias de especiación de metales .................................. 33
5. Alternativas para la Remoción de Hierro ............................................... 36
6. Esquema de un filtro de flujo Descendente y tasa constante.................. 46
7. Esquema de un filtro Bi-Flow ............................................................... 47
8. Esquema Proceso de Tratamiento de Hierro Oxidación/ Filtración....... 68
9. Equipo para Prueba de Jarra .................................................................. 69
10. Vasos de precipitado: Prueba de Jarra................................................... 69
11. Prueba de Jarra, Adición de cloro......................................................... 70
12. Ensayo de Coagulación, Adición de Policloruro de aluminio............... 71
13. Ensayo de Cloración - Coagulación ..................................................... 71
14. Cloración - Coagulación, Resultados finales........................................ 72
15. Datos relativos a la Cámara de Filtrado ............................................... 74
16. Diseño de la Planta de Tratamiento Vista Lateral ................................ 75
17. Tanque de Depósito para Tratamiento del Agua del Pozo ................... 76
18. Tanque de Retención ó Reposo ............................................................ 77
19. Filtro (Interior Lecho Filtrante) ............................................................ 77
20. Válvula de Globo.................................................................................. 79
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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA
FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA QUÍMICA
RESUMEN
Diseñar y construir una planta de remoción de hierro por el método oxidación filtración para aguas de pozos subterráneos
AUTOR: Br. Pedro Luis Padilla TUTOR INDUSTRIAL: Ing. Arnoldo Parra FECHA: Noviembre de 2009
El estudio estuvo orientado a generar una propuesta para diseñar y construir una planta de remoción de hierro por el método oxidación filtración para aguas de pozos subterráneos ubicados en las Zonas Rurales del Municipio San Francisco del estado Zulia. Al efecto, se propuso caracterizar el agua proveniente de estos pozos; describir el proceso de remoción de hierro por este método, identificar la dosificación de productos químicos, obtener el tipo de filtro requerido, para proceder a realizar el diseño y la construcción de una planta. El tipo de investigación fue descriptiva, bajo la modalidad de proyecto factible; el diseño de campo, No Experimental – transversal. Las técnicas de recolección de información se basaron en fuentes secundarias de origen bibliográfico e Internet; y primarias, mediante observación en varias visitas al área de producción de la empresa VENCLORO, para recabar datos respecto al sistemas de filtrado de agua, filtros, válvulas, bombas, entre otros. Asimismo, se aplicó la técnica muestreo mediante una muestra del agua de los pozos y se desarrolló un proceso a escala de laboratorio, el cual requirió de equipos e instrumentos de observación. Para la operacionalización, el procesamiento de la información se distribuyó en Fases de Investigación consistentes con los objetivos específicos. Los resultados obtenidos del muestreo del agua de estos pozos arrojaron un nivel de hierro de 4,8 ppm y turbidez de 4,49 NTU. Por lo cual se procedió a diseño y construcción de la Planta para remoción de Hierro por el método de Oxidación-Filtración; una vez construida se realizaron pruebas que permitieron determinar que los niveles de hierro disminuyeron a límites no detectbles según pruebas finales de verificación y la turbiedad se redujo por debajo de 1 NTU como es recomendado por la OMS. Descriptores: Pozos, aguas subterráneas, oxidación, filtración.
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DESING AND COSTRUCTION OF DOMESTIC PLANT REMOVAL OF
IRON OXIDATION BY FILTRATION METHOD UNDERGRAUN WATER
WELLS
ABSTRACT
The study was designed to generate a proposal to design and build a plant for iron
removal by oxidation filtration method for water from underground wells located in Rural
Areas of the San Francisco Municipality, Zulia state. In effect, we characterize the water
from these wells, describe the process of iron removal by this method, identify the chemical
dosing, obtain the type of filter required to proceed with design and construction of a plant.
The type of research is descriptive, in the form of feasible project, the design field,
not Experimental - transversal. The data collection techniques were based on secondary
sources and Internet bibliographical source, and primary observation through several visits
to the area VENCLORO production company to collect data regarding the water filtration
systems, filters, valves, pumps , among others. Also, sampling technique was applied using
a sample of water from wells and developed a laboratory-scale process, which required
monitoring equipment and instruments. For the implementation, the processing of
information distributed in Research Phases consistent with specific objectives. The results
of water sampling of these wells showed an iron level of 4.8 ppm and turbidity of 4.49
NTU.
Therefore we proceeded to design and construction of Iron Removal Plant for the
Oxidation-filtration method, once built will be tested for a finding that iron levels decreased
detectable no limits as final testing and verification reduced turbidity below 1 NTU as
recommended by WHO
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CAPITULO I
E L P R O B L E M A
1.1. Planteamiento del Problema
A nivel mundial la situación en cuanto al recurso hídrico se ha agravado, lo cual ha
exigido la necesidad de buscar un aprovechamiento y manejo de manera documentada por
parte de organismos internacionales para abordar la situación; por tanto, ha sido necesaria
la intervención de métodos geofísicos e hidroquímicos que contribuyan a la adecuada
utilización de las diversas fuentes hídricas. Vale decir que entre estas, se encuentran los
acuíferos o formaciones geológicas subterráneas; algunos de estos se componen de una o
más capas de roca y otros con estratos porosos permeables que permiten el flujo y la
extracción del agua del subsuelo con mayor facilidad.
El agua subterránea ó proviene de acuíferos es un recurso importante, pero de difícil
gestión, en particular cuando desde el punto de vista de su conformación, son de tipo
confinados (aguas subterráneas); a la cual sólo se puede acceder a través de pozos haciendo
perforaciones, previas determinaciones técnicas para su construcción y explotación; y
aunque el agua subterránea tiende a ser dulce y potable, debido a que la circulación en el
subsuelo que tiende a depurarla de partículas y microorganismos contaminantes; la
actividad humana incide en la calidad de estos acuíferos, así como factores naturales
debido a las capas freáticas demasiado ricas en sales disueltas o por la erosión natural de
ciertas formaciones rocosas, que traen la presencia de minerales.
Cabe destacar que América Latina, particularmente las zonas rurales carecen de
acceso a la red de distribución de agua potable, por lo cual y desde la antigüedad, la
extracción de aguas subterráneas para el riego, el consumo de animales y humano, ha sido
una práctica habitual; sin embargo, su extracción y uso incontrolados no prevé en la
mayoría de los casos un análisis de contenido para identificar los posibles elementos
químicos tóxicos o macrobióticos, que sólo pueden ser detectados con análisis de
laboratorio, requerido aunque el agua en apariencia sea pura y cristalina. En su contenido,
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pueden estar presentes muchos elementos capaces de provocar enfermedades, ya sea de
inmediato, o después de años de su consumo. De tal manera, que algunos de estos países ha
tenido la necesidad de crear normativas, dirigida a regular diversos aspectos relacionados
con la perforación de pozos para la obtención de agua para el consumo.
En este contexto se encuentra Venezuela, la cual cuenta con abundantes recursos de
aguas superficiales y subterráneas; en el caso de las aguas superficiales su distribución
muestra marcadas diferencias regionales, aunque desde el punto de vista general según
Decarli (2008) el territorio es drenado por más de un millar de ríos, 124 de los cuales
poseen cuencas mayores de 1.000 km².
En cuanto a los acuíferos o aguas subterráneas, existe menos documentación, pero
este autor sostiene que las aguas subterráneas representan una superficie total de 829.000
km2, los cuales, a través de estudios preliminares, se han estimado en cinco mil millones de
metros cúbicos por año y se pueden clasificar de acuerdo a su potencialidad en: (a)
acuíferos de gran potencialidad: Mesa de Guanipa, sur de Monagas, sistema del río
Guarico, llanos de Barinas y Portuguesa, llanos de Apure y planicie de Maracaibo; (b)
acuíferos con potencial medio: Barlovento, valle de Caracas; (c) acuíferos en vías de
agotamiento: valle de Quibor, Coro.
En las zonas donde no existe acceso a la red de distribución de agua, el uso de
pozos, debe ser acometido tomando en cuenta las normas y regulaciones locales para
acceder al agua en forma segura. Esta se obtiene utilizando la tecnología correspondiente
mediante un tubo con ranuras en los costados para que el agua entre al pozo; si el agua tiene
la presión suficiente, surgirá sola, resultando un pozo surgente; de lo contrario, es necesario
bombearla para extraerla, mediante bombas que según su funcionamiento, pueden ser
Centrífugas, con paletas que giran o volumétricas, que llenan y vacían un recipiente
alternadamente.
Por otra parte, es necesario hacer notar que los suelos venezolanos en general tienen
un alto contenido de hierro en forma soluble que se encuentra en las aguas subterráneas; si
bien el hierro en baja concentración no presenta peligro para la salud de la población, pero
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contenidos superiores a 3 mg/1 según la Organización Mundial de la Salud (OMS)
conllevan un sabor y olor demasiado fuerte que la hace desagradable al consumo por lo que
no deben permitirse niveles superiores en las aguas para consumo humano.
Al respecto Excel Water (2009), expone que el hierro en forma soluble es capaz de
ocasionar destrucción de tuberías por corrosión, contaminación de cultivos, la ropa lavada
en agua que contiene exceso de hierro se mancha de color marrón, el sabor de bebidas, tales
como el café y el té también pueden ser afectadas por el hierro; el agua de pozo del grifo,
regularmente es transparente, sin embargo, con alto conteniendo de hierro disuelto si se le
permite permanecer en un recipiente de cocinar ó hace contacto con un lavamanos ó
bañera, se mezcla con el oxígeno del aire y forma partículas rojizas marrones comúnmente
llamadas óxido. Las manchas de óxido afectan los artefactos de plomería, telas, platos y
utensilios; cuyas manchas no se pueden quitar con jabón ó detergente, los blanqueadores y
formadores de alcalino (regularmente fosfato de sodio) pueden empeorar las manchas. Los
depósitos de hierro en cada forma pueden requerir distintos métodos de eliminación.
En el Zulia, dentro de la Planicie de Maracaibo, entre los acuíferos de la región, se
encuentran entre los más importantes en esta provincia, los acuíferos de La Guajira, Costa
Oriental y Costa Occidental del Lago de Maracaibo, dentro de estos últimos se encuentran
acuíferos que son explotados específicamente en las zonas rurales del Municipio San
Francisco, cuyas comunidades no reciben el necesario abastecimiento de agua apta para el
consumo, por lo cual sus pobladores se han visto en la necesidad de recurrir a las aguas
subterráneas, mediante la implantación de pozos y construcción de plantas que puedan
remover el hierro que se encuentra en las aguas de estos pozos.
Sin embargo, los equipos o plantas existentes en el mercado están diseñados para un
manejo a mayor escala que el uso doméstico o de pequeñas empresas, las cuales en realidad
requieren de un sistema seguro que les resulte de bajo costo y fáciles de operar,
considerando que el bombeo dada la profundidad y características de los pozos en esta zona
requiere de equipos del tipo sumergible que tome el agua directamente impulsándola hacia
un tanque, en cuyo trayecto debe ser colocado el sistema para la eliminación de hierro.
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El sistema requerido para los pozos de estas zonas rurales previo análisis para
determinar la concentración de hierro, el cual generalmente se encuentra en estado ferroso,
regularmente llamado hierro de agua transparente, ya que no es simplemente visible en
aguas sin oxígeno, tales como de pozos hondos donde el Dióxido de Carbono reacciona con
el hierro para formar bicarbonato de hierro soluble en agua.
Hay varias maneras de eliminar el hierro ferroso, entre estos el método de
Oxidación/filtración, que es un proceso relativamente simple. El oxidante químicamente
oxida el hierro (formando una partícula) y contribuye a eliminar algunos microbios que
causan enfermedades, luego se utiliza un filtro para eliminar las partículas de hierro, que
antes han debido oxidarse a un estado que puedan formar complejos insolubles; esta
oxidación involucra la transferencia de electrones del hierro y otras sustancias químicas que
pueden ser coagulantes que son tratadas en apoyo al agente oxidante. El método más
común es la utilización aditivos como el cloro, en tal caso se puede introducir al agua como
hipoclorito de sodio.
El agua tratada entonces se mantiene en un tanque de retención donde el hierro
precipita hacia afuera y entonces se elimina pasando por un filtro. Comúnmente se aplica
una dosis de parte cloro a cada parte de hierro y 0.2 partes de potasio permanganato por
parte de hierro es alimentado al agua por el camino del cloro. Así a través del método
oxidación-filtración; se transforma el hierro de su estado soluble Fe2+ a insoluble Fe3+
por acción del cloro, agregando posteriormente coagulante y floculante para removerlo por
medio de un proceso de filtración.
Una planta adaptada a estos pozos de uso doméstico con la capacidad de remover el
hierro a un bajo costo y con una tecnología amigable a este tipo de usuario rural que
subsiste conjuntamente con sus cultivos y animales de cría, debido a estos pozos de aguas
subterráneas, permitiría mejorar su calidad de vida, las actividades agropecuarias, evitando
daños en sus cosechas debido a que se puede producir toxicidad a las plantas por exceso de
hierro, apareciendo manchas marrones en las hojas, que después se extienden a toda la
planta. Por otra parte afirma Hernández (2003) que un exceso de hierro puede ser tóxico,
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debido a su capacidad para catalizar reacciones de formación de radicales libres, los cuales
son capaces de producir daño oxidativo en todas las estructuras celulares.
De tal manera, que todos estos argumentos antes expuestos inducen a la realización
de una investigación que conduzca al diseño y construcción de una planta de remoción de
hierro por el método oxidación/filtración para tratar aguas de pozos subterráneos de las
zonas rurales del municipio San Francisco del estado Zulia.
1.2. Formulación del Problema
Los argumentos antes expuestos, conducen a la formulación de la siguiente
interrogante:
¿Cómo debería ser el diseño y construcción de una planta doméstica para la
remoción de hierro por el método oxidación filtración de aguas de pozos subterráneos
ubicados en las zonas rurales del Municipio San Francisco en el estado Zulia?
1.3. Objetivos de la Investigación
1.3.1. Objetivo General
Diseñar y construir una planta doméstica de remoción de hierro por el método
oxidación filtración de aguas de pozos subterráneos ubicados en las Zonas Rurales del
Municipio San Francisco del estado Zulia
1.3.2. Objetivos Específicos
- Caracterizar el agua proveniente de pozos de agua ubicados en las Zonas Rurales
del Municipio San Francisco del estado Zulia.
- Describir el proceso de remoción de hierro por el método de oxidación/filtración
para las aguas de pozos subterráneos adaptado a los usuarios rurales del M. San Francisco
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- Identificar la proporción requerida para la dosificación de productos químicos que
optimicen la remoción de hierro por el método oxidación filtración de aguas de pozos
subterráneos ubicados en las Zonas Rurales del Municipio San Francisco del estado Zulia
- Especificar los tipos de filtros que pueden ser utilizados en el proceso de remoción
de hierro por el método de oxidación-filtración en los referidos pozos.
- Diseñar una planta doméstica para el tratamiento de remoción de hierro por el
método oxidación/filtración de aguas de pozos subterráneos ubicados en las Zonas Rurales
del Municipio San Francisco del estado Zulia.
- Construir una planta doméstica para el tratamiento de remoción de hierro de
acuerdo al diseño planteado.
1.4. Justificación de la Investigación
Desde el punto de vista práctico esta investigación se justifica debido a que aporta
una solución a una problemática concreta que puede ser solventada con el diseño y
construcción de una planta para la remoción del hierro presente en aguas proveniente de
pozos subterráneos por el método de oxidación/filtración, a bajo costo y de fácil manejo,
que resulte accesible a los usuarios domésticos y de pequeñas empresas de las zonas rurales
del Municipio San Francisco del Estado Zulia; quienes van a solventar el problema del mal
sabor y olor en el agua que consumen, la corrosión de sus tuberías, utensilios de cocina,
daños en su ropa y posibles efectos en su salud, así como de los animales y cultivos.
Desde el punto de vista teórico, esta investigación considera fuentes de información
y fundamentos teóricos que contribuyen a la aplicación de teorías y conceptos de la química
que permitan encontrar las aplicaciones necesarias en concordancia con los principios,
métodos y procesos aportados por la ingeniería que contribuyan a la realización de un
trabajo de investigación y su respectiva propuesta tendiente a emprender el diseño de una
planta que permita la remoción de hierro de aguas subterráneas, para un público objetivo no
industrial, que en su mayoría carece de conocimientos técnicos y científicos para hacer
frente a esta problemática.
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En su perspectiva metodológica, para lograr llevar adelante el presente estudio se
emplearán técnicas de investigación e instrumentos de medición de campo, así como el
análisis documental que permita la obtención de los procedimientos y proporciones de los
productos químicos preestablecidos para la remoción de hierro presente en aguas
subterráneas través del método oxidación-filtración.
1.5. Delimitación de la Investigación
1.5.1. Delimitación Espacial
La investigación se llevará a cabo en las instalaciones de la Empresa Venezolana de
Cloro (VENCLORO) ubicada en la zona industrial II. Av. 85 entre calle 131 y 148 via
Palito Blanco Maracaibo.
1.5.2. Delimitación Temporal
Este trabajo se llevara a cabo a partir de septiembre 2009 hasta junio 2010.
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CAPITULO II
M A R C O T E Ó R I C O
En este segundo capítulo se desarrollan los antecedentes de la investigación; las
bases teóricas en las cuales se expone la teoría relacionada con el tema, aportada por
diversos autores, seguido de los términos básicos, la definición y el mapa de variables. Al
respecto, Hernández, Fernández y Baptista (2006) exponen que el marco teórico consiste en
detectar, obtener y consultar la bibliografía y otros materiales que pueden ser útiles para el
estudio, de donde se extrae la información sobre el problema de investigación.
2.1. Descripción de la Empresa
VENEZOLANA DE CLORO, C.A. (VENCLORO). Fundada el 12 de Marzo de
1990. Ubicada en la Zona Industrial II. Av. 85 entre Calle 131 y 148 No. 131-48. Diagonal
al Mercado de Mayoristas. Maracaibo. Venezuela.
ACTIVIDAD. Productora de Hipoclorito de Sodio, envasado de Cloro Gas licuado y
especialista en el tratamiento de aguas.
MISIÓN: Proveer productos y servicios de calidad en el ramo químico al sector
industrial, comercial y residencial, satisfaciendo sus requerimientos en el tiempo
convenido, bajo condiciones seguras, a un precio competitivo y rentable.
VISIÓN. Ser la empresa líder en su ramo en el mercado Nacional y participara en el
mercado Internacional, satisfaciendo las necesidades y exigencias de sus clientes; con
productos y servicios de la más alta calidad a precios competitivos, utilizando recursos
humanos altamente calificados, los mejores insumos y tecnología de vanguardia para
lograr ser una empresa altamente rentable.
POLITICA DE CALIDAD. Productor de químicos de la más alta calidad,
manufacturando y utilizando recursos humanos calificados, los mejores insumos,
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tecnologías de vanguardia y proceso bajo condiciones seguras, acordes con el medio
ambiente. Generador de soluciones eficientes en el tratamiento de agua, con propuestas de
ingeniería enmarcadas dentro de los criterios de aceptación establecidos en las normas
sanitarias.
EQUIPOS Y PRODUCTOS QUE SE DISTRIBUYEN:
- Polímeros coagulantes y floculantes.
- Plantas de tratamiento de agua blancas, grises y negras.
- Estación de bombeo móvil para control de inundaciones.
- Equipos de seguridad para el manejo de cloro gas.
- Equipos para la Dosificación de químicos.
- Elementos filtrantes de grava, arena y Antracita.
- Desalinizar agua por el proceso de Osmosis Inversa.
- Equipos separadores de agua y aceite.
- Sistemas de filtración de agua.
- Sistemas de suavización de agua.
ORGANIGRAMA GENERAL. Como puede observarse a continuación, la empresa
Venezolana de Cloro (VENCLORO) posee un organigrama muy simple, en el cual cada
una de las gerencias tiene a su cargo solo el personal necesario, con la finalidad de obtener
la productividad apropiada con el mínimo personal requerido.
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JUNTA DIRECTIVA
UNIDAD DE SERVICIOS ADMINISTRATIVOS JORGE PARRA
UNIDAD DE NEGOCIOS ARNALDO PARRA
UNIDAD DE PRODUCCION ENRIQUE PARRA
LOGISTICA JORGE PARRA C.
CONTABILIDAD NOHEMI GUANIPA
INFORMATICA DANNY PARRA
ADMINISTRACION GEORGINA PARRA C.
DEPOSITO JOSE BASABE
TRANSPORTE ALBERTO BRIÑEZ
LIMPIEZA
SEGURIDAD INDUSTRIAL
AUDI URDANETA
HDS NOLBERTO GOMEZ
CONTROL DE CALIDAD JOHANA
QUINTERO
CLORO ALEXANDER INFANTE
TOMAS REGINO
MANTENIMIENTO JAIRO MARTINEZ
Estructura Organizacional
Figura 1.Organigrama Venezolana de Cloro,C.A,(VENCLORO). Fuente: VENCLORO.
2.2. Antecedentes de la Investigación
Burbano y Sánchez (2003) realizaron investigación en la Universidad del Valle,
en Colombia, titulado “Remoción de hierro y manganeso o por oxidación – filtración
para agua potable”
Este estudio se orientó a identificar y caracterizar tres opciones para la remoción de
hierro y manganeso a escala piloto y real. Las tecnologías estudiadas corresponden a
sistemas de oxidación - filtración.
Metodológicamente, a escala piloto se diseñó y realizó el montaje de dos plantas de
tratamiento ambas con oxidación con hipoclorito de sodio más la filtración gruesa
ascendente en serie en dos y tres etapas (FGAS 2 -3) operando con fuentes superficial y
subterránea. A escala real se evaluó una planta con oxidación por aireación más filtración en
múltiples etapas (aireación +FÍME) operando con fuente subterránea; los FGAS 2-3 de las
plantas piloto se diseñaron con una velocidad de filtración de 3 m/h. mientras que el FGAC
de la planta a escala real operó a 0.5 m/h
El sistema piloto oxidación + FGAS 3 con fuente subterránea obtuvo una eficiencia
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de remoción de hierro y manganeso con valores del 84% y del 90% respectivamente.
Mientras que la planta piloto oxidación + FGAS 2 con fuente superficial registró una
remoción más baja, hierro del 58%, debido a que por el tipo de fuente el hipoclorito
reacciona con otras sustancias y puede formar subproductos.
Por otro lado, el sistema aireación + FiME puede ser más apropiado cuando se tienen
fuentes superficiales con alto contenido de hierro y manganeso, pues al no requerirse
sustancias químicas en su proceso, reduce los riesgos de formación de subproductos del
cloro. Los resultados obtenidos se evidencia que la tecnología oxidación + FGAS3 tiene un
buen potencial de aplicación a escala real para resolver problemas de la presencia de hierro
y manganeso en aguas subterráneas. Aportó formas experimentales para la eliminación del
hierro en aguas subterráneas y el enfoque de los autores que pueden contribuir a la
realización de esta investigación.
Bianes y Giménez (2004) realizaron estudio títulado “Evaluación de los niveles
de hierro y arsénico en aguas subterráneas en la región centro oeste de la provincia
del Chaco en Argentina”
El objetivo general de la investigación fue determinar las concentraciones de hierro
y arsénico presentes en aguas subterráneas de la región centro-oeste de la provincia del
Chaco.
El tipo de investigación fue descriptiva, con diseño exploratorio experimental. Se
aplicó una metodología para el análisis del contenido de hierro y arsénico en 56 muestras de
aguas subterráneas de la región centro-oeste de la provincia del chaco en argentina. Para el
análisis de las muestras se eligió la espectrofotometria UV-Vis por su fácil aplicación y la
posibilidad de realizarla en cualquier laboratorio por su media complejidad. La metodología
analítica para la determinación de hierro se seleccionó el método 3500-Fe descrito en
APHA, AWWA, WFF, (1992), el cual se basa en la reducción de hierro al estado Fe+2 por
ebullición con ácido clorhídrico y clorhidrato de hidroxilamina. El Fe+2 reacciona con una
solución de 1,10-fenantrolina a pH 3 dando un complejo que obedece a la ley de Beer.
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Los resultados indicaron que las aguas subterráneas del centro-oeste presentan un
amplio intervalo de variación con respecto a las concentraciones de Fe y As, que en general
son altos. El valor de hierro hallado fue de 0.44 mg/l: superando el valor recomendado por
la OMS que es de 0.30 mg/l. Aportó la forma de cuantificar los niveles de hierro y los
límites establecidos por la Organización Mundial de la Salud.
Villalobos y Sánchez. (2008) realizaron trabajo titulado Conceptualización de un
proceso desferrizador en aguas subterraneas para una planta de tratamiento rural.
Este trabajo consistió en el estudio de los diferentes procesos desferrizadores para
seleccionar el proceso que más se adecué a la planta de agua subterránea, con la finalidad
de abastecer a todas aquellas zonas desasistidas por la Hidrológica de la región.
Metodólógicamente se seleccionó cada proceso desde el punto de vista físico -
químico con el propósito de depurar el agua extraída del pozo y así adaptarla a los
parámetros y criterios de calidad establecidos por la OMS. Como resultado se obtuvo
que las concentraciones de hierro alcanzan 4.5 mg/L de hierro. Se concluyó que el
proceso desferrizador mas adecuado a fin de tratar el agua subterránea, atiende a una
gran variedad de factores, como lo son: concentraciones de hierro a tratar, facilidad de
operación y mantenimiento entre otros. Luego de haber evaluado estos factores, se
seleccionó el proceso de aireación-filtración. Aportó los distintos procedimientos para la
eliminación del hierro, para comparar su efectividad con el método de oxidación –
filtración seleccionado en este estudio.
Salvador (2005) Diseño de una Planta de Tratamiento de Agua Residuales
para Riego del Parque Vereda del Lago de Maracaibo La presente investigación fue
de campo, tipo descriptiva, bajo la modalidad de proyecto factible, tuvo como finalidad
proponer el diseño de una planta de tratamiento de lodos activados para aguas residuales con
fines de riego para el parque Vereda del Lago del Municipio Maracaibo.
Se tomó una muestra de agua residual en la última boca de visita del parque (PL3-1)
y se analizó, con ciertas limitaciones, en el laboratorio del Departamento de Ingeniería
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Sanitaria y Ambiental de la Universidad del Zulia. Como resultados, la capacidad de la
planta propuesta fue calculada utilizando solamente parámetros hidráulicos básicos: tiempo
de retención y caudal. La ubicación de la planta se estableció en base a la cercanía de ésta a la
boca de visita PL3-1. El proceso de lodos activados fue seleccionado por limitaciones de
espacios. Aportó las bases metodológicas y las etapas necesarias para la conformación de una
investigación de tipo aplicada, bajo la modalidad de proyecto factible como el presente estudio.
2.3. Bases Teóricas
2.3.1. Aguas Subterráneas ó Acuíferos.
De acuerdo a Wales, y Sanger (2007), el agua subterránea representa una fracción
importante de la masa de agua presente en cada momento en los continentes, con un
volumen mucho más importante que la masa de agua retenida en lagos o circulante, aunque
menor a los mayores glaciares.
El agua subterránea se encuentra normalmente empapando materiales geológicos
permeables que constituyen capas o formaciones a los que se le denominan acuíferos; así
un acuífero es aquella área bajo la superficie de la tierra donde el agua externa percala y se
almacena. Una formación acuífera viene definida por una base estanca (muro) y por un
techo, que puede ser libre, semipermeable o impermeable; constituyendo los continentes de
las masas de agua subterránea.
En lugares alejados de ríos, lagos o mares, estos acuíferos son a menudo la única
fuente de agua disponible, especialmente en extensas áreas como los desiertos. La zona del
subsuelo en la que los huecos están llenos de agua se llama zona saturada. El nivel superior
de la zona freática a presión atmosférica, se conoce como nivel freático; este nivel, puede
encontrarse a muy diferentes profundidades, dependiendo de las circunstancias geológicas
y climáticas, desde sólo unos centímetros hasta decenas de metros por debajo de la
superficie. En la mayoría de los casos la profundidad varía con las circunstancias
meteorológicas de las que depende la recarga de los acuíferos.
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Figura 2 Tipos de acuiferos.Fuente: Decarli (2008)
El nivel freático no es horizontal, a diferencia del nivel superior de los mares o
lagos, sino que es irregular, con pendiente decreciente desde el nivel fijo superior al nivel
fijo inferior. Por encima de la zona saturada, desde el nivel freático hasta la superficie, se
encuentra la zona no saturada o zona vadosa, en la que la circulación es principalmente
vertical, representada por la percolación, que es la circulación movida por la gravedad, del
agua de infiltración.
De acuerdo a la Organización Mundial de la Salud (2005), la mayor parte del agua
subterránea se origina del agua de lluvia infiltrada hasta los acuíferos después de fluir a
través del subsuelo. Durante la infiltración, el agua puede cargar muchas impurezas; tales
como, partículas orgánicas e inorgánicas, detritus de plantas y animales, microorganismos,
pesticidas, fertilizantes, etc. Sin embargo, durante su recorrido por el subsuelo mejora
significativamente su calidad: las partículas suspendidas y microorganismos se retienen por
filtración natural y las sustancias orgánicas se degradan por oxidación.
Por otro lado, las sales disueltas, causantes de problemas como dureza y salinidad,
no se remueven e incluso, se pueden incrementar considerablemente por la disolución de
minerales del subsuelo. Otras sustancias o elementos frecuentemente presentes en las aguas
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subterráneas son: sulfatos, nitratos, hierro y manganeso, arsénico y flúor.
En muchos casos el agua es de buena calidad y puede usarse y beber directamente
sin tratamiento, aunque siempre es preferible la desinfección como barrera de seguridad
para prevenir contaminación durante el manejo del agua.
2.3.2. Pozos subterráneos
De acuerdo a Waller (2004), un pozo es un hoyo taladrado en el suelo que alcanza
una fuente de agua como una vertiente o el acuífero. La mayor parte de los pozos modernos
se hacen usando un taladro, que es un método con maquinaria y equipos costosos. Los
taladros que se usan generalmente van montados en brocas grandes, que al rotar se hunden
y muelen la roca y otros componentes del taladro la pulverizan o extraen. Los pozos hechos
con taladro pueden tener una profundidad hasta de más de 1,000 pies.
Para extraer el agua, usualmente se instala una bomba en el fondo del pozo para que
extraiga el agua hacia la superficie. El geólogo encuentra el mejor lugar para el pozo
basado en mapas del área, Los taladradores mandan información al estado donde hay un
registro de cuán profundo un pozo necesita ser excavado antes que se alcance aguaCuándo
ellos deciden donde sera el pozo, los taladradores cavan un hoyo hasta que ellos alcanzen
agua. El pozo es taladrado atravesando piedra dura, esquisto, arena, grava y arcilla, incluso
la roca de fondo.
Este procedimientos, puede tomar horas o aún días para terminar la excavación del
pozo. Al completar la perforación una cubierta se deja caer en el hoyo para que los lados de
éste no se derrumben. El agua se deja corre por un par de dias para sacar la tierra otros
residuos producto de la perforación. Luego se hacen pruebas técnicas al agua para asegurar
su disponibilidad para el consumo y cumplir con la normativa nacional y local.
Cuándo se taladra el pozo, el agua se queda en el fondo por lo cual es necesario la
utilización de una bomba; está, permanece en el fondo del tubo y es conectada a la casa ó
área de consumo. En muchos casos el agua de pozo debe atravesar por un filtro para redicir
al mínimo las bacterias, organismos y otras sustancias que podrían perjudicar a quienes la
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consumen, pues las aguas de pozos pueden contener contaminación microbiológica
proveniente de tanques sépticos cercanos, pastoreo de ganado o contaminación de
sustancias orgánicas sintéticas de productos agroquímicos o componentes naturales del
suelo que son desfavorables para el consumo o el riego de las plantas.
http://library.thinkquest.org/04apr/00222/spanish/well1.htm
Figura 3 :Pozos Subterraneos.Fuente: Decarli (2008)
2.3.3. Características del agua de pozos
PROPIEDADES QUÍMICAS. Según Díaz (2002), las características químicas en el
agua subterránea natural, la mayoría de las sustancias están disueltas y se encuentran en
estado iónico. Unos cuantos de estos iones se encuentran presentes casi siempre y su suma
representa casi la totalidad de los presentes; los fundamentales se exponen en el Cuadro 1:
Tabla 1. Sustancias en estado iónico en aguas subterráneas Aniones Cationes
Cloruro Cl- Sodio Na+
Sulfato SO4-- Calcio Ca++
Bicarbonato CO3H- Magnesio Mg++
Fuente: Díaz (2002) Composición de las aguas subterráneas.
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Es frecuente que los nitrato (NO3-) y carbonato (CO3
-- ) y el potasio (K+) se
consideren fundamentales aun cuando en general su proporción sea pequeña; incluso el
ferroso (Fe++); que suelen estar en concentraciones entre 0.01 y 10 ppm. Entre las
sustancias disueltas poco ionizadas o en estado coloidal son importantes los ácidos y
aniones derivados de la sílice (SiO2).
Los iones metálicos derivados del As, Sb, Cr, Pb, Cu, Zn, Ba, V, Hg, U, Fe etc.,
pueden estar en cantidades medibles, pero en general son elementos de traza. Las aguas
subterráneas llamadas dulces contienen como máximo 1000 o quizá 2000 ppm de
sustancias disueltas; si el contenido es mayor, por ejemplo hasta 5000 ppm se llaman aguas
salobres y hasta 40000 aguas saladas. No es raro encontrar aguas que superen los 40000
ppm de sustancias disueltas llegando a veces hasta 300000 ppm. A estas aguas se les llama
salmueras y están asociadas con frecuencia a depósitos salinos, aguas de yacimientos
petrolíferos o bien aguas muy antiguas situadas a gran profundidad.
Las características químicas de las sustancias disueltas más importantes son:
a) CLORURO, Cl- De características químicas en forma de sales en general muy
solubles, no se oxida ni reduce en aguas naturales, las concentraciones pueden estar entre
10 y 250 ppm en aguas dulces. (El agua de mar tiene entre 18000 y 21000 ppm y las
salmueras naturales pueden llegar a tener 220000 ppm o saturación). Su nocividad y
toxicidad ocurre en más de 300 ppm comunican sabor salado al agua de bebida, pero no es
perjudicial por lo menos hasta algunos miles de ppm. Contenidos elevados son
perjudiciales para muchas plantas y comunican corrosividad al agua. En análisis de
laboratorio se valora con NO3Ag usando como indicador cromato potásico (viraje de
amarillo a naranja).
b) SULFATO, SO4—Se encuentra en forma de sales moderadamente solubles a muy
solubles, excepto las de Sr (60 ppm) y de Ba (2 ppm). Es difícilmente precipitable
químicamente ya que las sales solubles de Sr y Ba son muy escasas en la naturaleza, pero
puede separarse de la solución por concentración si existe una evaporación importante.
Concentraciones entre 2 y 150 ppm en aguas dulces pudiendo llegar a 5000 ppm en aguas
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salinas si existe Ca y hasta 200000 si está asociado a Mg y Na en ciertas salmueras. El agua
del mar contiene alrededor de 3000 ppm. Su nocividad y toxicidad, es que las aguas
selenitosas (elevado contenido en sulfato) no quitan la sed y tienen sabor poco agradable y
amargo. Por sí mismo o si va asociado a Mg o Na en cantidades importantes puede
comunicar propiedades laxantes. En cantidades elevadas puede ser perjudicial a las plantas.
Más de algunos centenares de ppm perjudican a la resistencia del hormigón y cemento.
c) BICARBONATO Y CARBONATO, CO3 H- y CO3-- Características químicas,
comunican alcalinidad al agua en el sentido que dan capacidad de consumo de ácido al
producir una solución tampón. Se pueden precipitar con mucha facilidad como CaCO3. Las
concentraciones como bicarbonato varían entre 50 y 350 ppm en aguas dulces pudiendo
llegar a veces hasta 800 ppm. El carbonato está en concentraciones mucho menores que el
bicarbonato y si el pH < 8.3 se le considera cero. En aguas alcalinas con pH > 8.3 puede
haber cantidades hasta 50 ppm en algunas aguas naturales. El agua del mar tiene menos de
1 ppm. No presenta problemas de toxicidad, pero las aguas bicarbonatadas sódicas son
malas para riego, debido a la fijación del Na en el terreno y creación de un medio alcalino.
Se determinan en función de la alcalinidad del agua.
d) NITRATO, NO3- De características químicas en forma de sales muy solubles y
por lo tanto es muy difícilmente precipitable. Las concentraciones son normalmente entre
0.1 y 10 ppm pero en aguas polucionadas pueden llegar a 200 ppm y en algún caso hasta
1000 ppm. El agua del mar tiene alrededor de 1 ppm o menos. Su nocividad y toxicidad en
concentraciones elevadas en agua bebida puede producir cianosis en los niños y comunican
corrosividad (oxidaciones) al agua y producen interferencias en fermentaciones. En general
es escaso y su análisis es complicado y lento. Se determina colorimétricamente a través del
ácido fenildisulfónico.
e) SILICE, SiO2 La hidroquímica del silicio no está del todo aclarada pero se cree
que la mayoría de la sílice está como SiO4H4 , en parte disuelta y en parte coloidal, sus
concentraciones, en la mayoría de las aguas naturales tienen entre 1 y 40 ppm en SiO2
pudiendo llegar hasta 100, en especial en aguas bicarbonatadas sódicas. En aguas muy
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básicas se puede llegar a 1000 ppm. La nocividad y toxicidad, es que el mayor
inconveniente está relacionado con su incrustabilidad en calderas y calentadores. El análisis
en laboratorio se suele realizar por colorimetría por el método llamado del azul de
molibdeno (silicomolibdato) con un error menor del 2%.
f) SODIO, Na+ Sus características químicas, es que su solubilidad es muy elevada y
muy difícil de precipitar. Con concentraciones entre 1 y 150 ppm en aguas dulces, no
siendo raro encontrar contenidos mucho mayores, hasta varios miles de ppm. El agua del
mar tiene alrededor de 10000 ppm, las salmueras naturales pueden llegar a tener 100000
ppm, siendo un límite que rara vez se sobrepasa el de 500 meq/l (= 110000 ppm). La
nocividad y toxicidad, Las aguas con concentraciones elevadas en sodio son perjudiciales a
las plantas al reducir la permeabilidad del suelo; son especialmente nocivas si las
concentraciones de Ca y Mg son bajas. Su presencia se determina actualmente mediante un
fotómetro de llama con un error menor del 1 a 3%, pero se precisa disponer de este
instrumento el cual es costoso.
g) POTASIO, K+ Tiene solubilidad muy elevada y difícil de precipitar. Con
concentraciones entre 0.1 y 10 ppm en aguas dulces. Extraordinariamente se pueden tener
algunos cientos de ppm y sólo muy raramente se pueden tener algunos cientos de ppm y
sólo muy raramente se puede tener salmueras de hasta 100000 ppm. El agua del mar tiene
alrededor de 400 ppm. No presenta problemas de toxicidad especiales a las concentraciones
habituales y es un elemento vital para las plantas.
h) CALCIO, Ca++ Se encuentra en forma de sales de moderadamente solubles a muy
solubles. Es muy fácil de precipitar como CaCO3. Con concentraciones entre 10 y 250 ppm
en aguas dulces, pudiendo llegar a 600 ppm en aguas selenitosas. El agua del mar contiene
alrededor de 400 ppm. Excepcionalmente se puede tener 50000 ppm en salmueras de
CaCl2. Su nocividad y toxicidad es que el mayor inconveniente va asociado al aporte de
dureza y producción de incrustaciones. Se valora complexométrica con ácido
etilendiaminotetracético (EDTA).
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i) MAGNESIO, Mg++ Con propiedades similares a las del calcio pero más soluble y
algo más difícil de precipitar. Concentraciones entre 1 y 100 ppm en aguas dulces,
pudiendo llegar a veces a algunos miles de ppm en aguas salinas o salmueras. El agua del
mar contiene 1200 ppm. Su nocividad y toxicidad es de propiedades laxantes y da sabor
amargo al agua si hay algunos centenares de ppm. Contribuye a la dureza del agua. Se
valora ccon complexométrica con EDTA indirecta (Mg = dureza - Ca), rara vez realizada
directamente. Se determina como dureza menos calcio.
j) FOSFATO, PO4-3 Aunque presente como sales solubles, la mayoría lo son muy
poco. Se hidroliza con facilidad y contribuye a la alcalinidad del agua. Concentraciones en
general entre 0.01 y 1 ppm pudiendo llegar a 10 ppm y excepcionalmente a 50. La
nocividad y toxicidad, en las concentraciones usuales, no origina problemas.
k) MANGANESO, Mn++ Tiene un comportamiento similar al Fe. Concentraciones
en general por debajo de 0.2 ppm, rara vez por encima de 1 ppm. Es más abundante en
aguas ácidas. Al oxidarse forma manchas negruzcas y favorece el crecimiento de ciertas
bacterias.
l) AMONIO Y AMONIACO DISUELTO, NH4+ y NH3 Son oxidados con gran
facilidad y son fácilmente retenidos por el terreno por cambio de bases. Sus
concentraciones en general menos de 0.1 ppm pero en casos muy excepcionales puede
llegar a 400 ppm. El agua del mar tiene entre 0.005 y 0.05 ppm, a veces hasta 0.35. Baja
nocividad y toxicidad en las concentraciones usuales; no es origen de problemas pero a
concentraciones mayores puede llegar a dar olor amoniacal y suele ser índice de
contaminación. Su presencia se determina por el método de Nessler.
m) HIERRO. Para Barraque (1979), el hierro férrico no complejo se encuentra en
estado precipitado; entre las formas disueltas del hierro:
- El Hierro ferroso (bivalente), ya sea en forma Fe2+, o en forma de iones
hidratados: FeOH+ a Fe(OH)3-. En aguas cuyo grado alcalimétrico completo (TAC) es
notable, el ion Fe2+ se encontrará sobre todo en estado de hidrogenocarbonato (o
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bicarbonato) y su solubilidad, deducida de las leyes que rigen los equilibrios químicos En
presencia de H2S, la solubilidad es menor debido al bajo valor del producto de solubilidad
del sulfuro ferroso que, por ello, precipita.
- Complejos. Formados con Fe2+ o Fe3+ en forma de minerales como silicatos,
fosfatos o polifosfatos. sulfatos, cianuros, etc.; orgánicos: fenómenos de formación de
complejos propiamente dicha, de quelación o de peptización, en especial con los ácidos
húmicos, fúlvicos, tánicos, etc.
Para definir un tratamiento de desferrización, no basta conocer el contenido total de
hierro, sino que deben conocerse igualmente las diferentes formas bajo las cuales puede
presentarse este elemento; los diferentes estados del hierro en el agua pueden resumirse de
la forma siguiente: Hierro total, hierro total filtrable, Fe2+ total, Fe2+ filtrante; la
eliminación de las formas disueltas planteará problemas, sobre todo en presencia de hierro
complejo: si resulta imposible efectuar análisis detallados, podrá suponerse la presencia de
complejos, y por tanto, de dificultades de tratamiento, si el contenido total en hierro
disuelto es superior al valor de la solubilidad teórica, deducido del pH y de la alcalinidad.
Para abordar cualquier problema de eliminación de hierro, es necesario determinar "in situ"
la mayor parte de las características del agua, después de proceder a una explotación
suficiente del pozo para asegurarse de la representatividad de la muestra.
La forma del hierro en el agua depende, ante todo, del pH y del potencial de
oxidación-reducción; el hierro puede pasar de una forma disuelta (por ejemplo, Fe2+ o
FeOH+) a una forma precipitada (FeCO3, Fe(OH)2 o Fe(OH)3), al aumentarse el potencial
(oxidación), el pH, o ambos.
PROPIEDADES FÍSICAS. Una de las clasificaciones que se pueden utilizar para el
estudio de los diferentes parámetros de las aguas, es según la naturaleza de las propiedades
físicas y aspectos de su composición. http://www.analizacalidad.com/paragua.htm
- Color: hay que distinguir lo que se llama color aparente, el que presenta el agua
bruta y el verdadero, que es el que presenta cuando se le ha separado la materia en
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suspensión. Así, la turbidez y transparencia de las aguas subterráneas en circulación varían
en muchas ocasiones con su caudal. Las aguas de capas, contrariamente permanecen
transparentes casi siempre por la filtración del sistema; las calizas presentan características
intermedias entre las aguas de circulación y de capas, dependiendo de la evolución del
terreno calcáreo. El color es, puede ser débil a menos que estén cargadas con sales de
hierro, el sabor de unas aguas depende de las sales y de los gases en suspensión o solución.
Se mide el color en unidades de Pt-Co.
- Olor y sabor: el olor y sabor están en general íntimamente relacionados. Existen
solamente cuatro sabores fundamentales: ácido, salado, amargo y dulce, los olores pueden
ser mucho más específicos. En las aguas subterráneas, el olor de las no termales, resulta por
lo general, inodoro dependiendo de los componentes químicos que contenga. Las medidas
de olores y sabores son estimativas, mediante procesos de dilución.
- Temperatura: Es una variable física que influye notablemente en la calidad de un
agua. Afecta a parámetros o características tales como la solubilidad de gases y sales, la
cinética de las reacciones químicas y bioquímicas, desplazamientos de los equilibrios
químicos, tensión superficial, desarrollo de organismos presentes en el agua. Las aguas
subterráneas gozan por lo general, de una constancia de temperatura que las aguas de
circulación superficial no pueden poseer nunca por causa de la evaporación, cambios
térmicos por radiación solar y del terreno. En las aguas de capas (porosidad primaria)
tienen temperaturas que varían mucho con la extensión y penetración de la capa en el suelo.
Si no hay influencia térmica de aguas superficiales, un agua de capa que circule muy
lentamente por un estrato impermeable situado a 100 m de profundidad poseerá una
temperatura superior en dos o tres grados a otra que se encuentre en un terreno compacto
situado solamente a 30 m abajo de la superficie, según la ley del gradiente geotérmico. En
promedio por cada dos grados de latitud que nos alejemos del ecuador la temperatura
disminuye 1 °C y por cada 150 m, en altitud, la variación de la temperatura es de 1 °C.
En las aguas de fisuras anchas, por la alta permeabilidad de los sistemas, las aguas
perdidas o abismadas imponen rápidamente su temperatura a las paredes de las galerías
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subterráneas por las que circulan. Saliendo al aire libre por las resurgencias estas aguas
siguen por lo general las fluctuaciones térmicas observadas en el nivel inferir. La influencia
más interesante va a ser la disminución de la solubilidad del oxígeno al aumentar la
temperatura y la aceleración de los procesos de putrefacción.
- Turbidez de un agua es provocada por la materia insoluble, en suspensión o
dispersión coloidal. Es un fenómeno óptico que consiste esencialmente en una absorción de
luz combinado con un proceso de difusión. La turbidez se mide en unidades nefelométricas
de turbidez (NTU o UNF9 por medida de la intensidad de la luz dispersada o en mg de
SiO2/l. Intimamente unida a la turbidez está parte de la cantidad de materia sólida presente
en el agua.
- Conductividad es una medida de la resistencia que opone el agua al paso de la
corriente eléctrica entre dos electrodos impolarizables sumergidos en la misma. La
conductividad del agua da una buena apreciación de la concentración de los iones de
disolución y una conductividad elevada se traduce en una salinidad elevada o en valores
anómalos de pH.
- Dureza es también un parámetro relacionado con los anteriores. Mide la presencia
de cationes Ca+2 y Mg+2, y en menor cantidad Fe+2 y Mn+2 y otros alcalinotérreos. En la
actualidad se tiende a prescindir del término “dureza” indicándose la cantidad de calcio y
magnesio presente en un agua en mg/l, sin embargo se conocen que la dureza total es la
suma total de las concentraciones de sales de calcio y magnesio.
Se mide por volumetría de complejación con EDTA, se expresa numéricamente en
forma de carbonato de calcio u óxido de calcio, pueden también utilizarse los grados
hidrotimétricos; la dureza temporal es la que corresponde a la proporcionada por los
hidrogenocarbonatos de calcio y magnesio, desaparece por ebullición pues precipitan los
carbonatos y la dureza permanente: es la que existe después de la ebullición del agua, es la
diferencia entre las dos anteriores.
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- El pH del agua indica la reacción ácida y básica de la misma es una propiedad de
carácter químico de vital importancia para el desarrollo de la vida acuática (tiene influencia
sobre determinados procesos químicos y biológicos), la naturaleza de las especies iónicas
que se encuentran en su seno, el potencial redox del agua, el poder desinfectante del cloro
en el caso del tratamiento y por lo general las aguas naturales tienen un cierto carácter
básico, unos valores de pH comprendidos entre 6,5-8,5.
De acuerdo a la OPS (2005), Algunas especies biológicas y fisicoquímicas pueden
afectar la aceptabilidad del agua para consumo humano, como son: Su apariencia estética:
turbiedad, olor, color y sabor, espuma y su composición química: acidez, alcalinidad,
aceites y grasas, compuestos orgánicos e inorgánicos en general. En este sentido, es
necesario considerar las transformaciones químicas y bioquímicas a que están expuestos los
contaminantes del ambiente acuático como son las las alteraciones químicas pueden afectar
su disponibilidad biológica o tóxica (aumentarla o disminuirla), pero comúnmente poco se
sabe acerca de estos procesos químicos, físicos y biológicos y sus mecanismos, a pesar de
que son indispensables para comprender los efectos en la salud del consumidor.
La guía de Calidad para Aguas de Consumo Humano de la OMS, indicada en el
cuadro 1, constituye una herramienta válida referida a la calidad fisicoquímica del agua
destinada al consumo del hombre. A partir de ellas cada país puede establecer sus propias
normas y tener en cuenta como criterios básicos que los valores establecidos para cada
parámetro deben asegurar la aceptabilidad estética del agua y no representar riesgos para la
salud del consumidor; la calidad del agua debe ser adecuada para el consumo humano y
tomar en cuenta todos los usos domésticos, de manera que los valores establecidos sirven
como señal para que cuando se supere este valor se investigue la causa; se consulte con las
autoridades responsables de la salud pública, quienes deben asegurar que la calidad del
agua sea apta para ser consumida durante toda la vida. Las metas señaladas están dirigidas a
salvaguardar la salud del consumidor.
Algunas exposiciones a contaminantes por periodos cortos pueden ser toleradas,
siempre que el nivel de toxicidad se controle adecuadamente. La elaboración de las normas
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nacionales de calidad del agua potable debe tomar en cuenta consideraciones locales como
la geografía, la situación socioeconómica, la dieta y las actividades industriales, así como
los aspectos fisicoquímicos; de modo de las normas de calidad fisicoquímica del agua
potable sean muy estrictas respecto a sus regulaciones y solo aquellas relacionadas con la
preservación de la vida acuática son más exigentes.
Tabla 1. Criterios de calidad para el agua potable.
TCU: Unidades de Color Verdadero UNT: Unidades Nofolométricas de Turbiedad
Fuente: OPS (2005) Organización Panamericana para la Salud (p. 10).
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2.3.4. Métodos de especiación de Minerales en el agua
De acuerdo a Digesa (2008), existen diversos métodos de remoción de metales del
agua, para ello se debe comenzar por el análisis de especiación de iones metálicos. Este
proceso en el medio ambiente es una tarea difícil, puesto que las concentraciones de
metales pesados son generalmente muy bajas. Además, a veces, las propiedades físicas y
químicas de dos o más especies pueden ser muy similares, lo cual hace aun más de la
especiación un desafío. La estabilidad de las especies depende de la matriz y los parámetros
físicos, tales como T, humedad, rayos UV, materia orgánica, entre otras.
- Los Métodos cromatográficos. Primordialmente la cromatografía de líquido: Es la
única y mejor tecnología para la especiación de una gran variedad de iones metálicos. Las
técnicas de cromatografía de líquido más conocidas son, Cromatografía de ión (IC): Es la
mejor modalidad pues ofrece alta velocidad, sensibilidad y reproducibilidad. Se han llevado
a cabo con esta técnica alrededor del 80% de los estudios de especiación de metales en el
mundo. Se utiliza resinas de intercambio iónico para separar iones atómicos o moleculares
basados en su interacción con la resina.
Su mayor utilidad es la de análisis de iones para los cuales no hay otros métodos
analíticos rápidos. La mayoría de separaciones de intercambio iónico se llevan a cabo con
bombas y columnas metálicas. La columna para IC consiste en resinas de intercambio
protegidas de partículas poliméricas inertes. En la figura 3 se expone este método junto a
otroa que también se usan para determinar la especiación de metales.
- Métodos electroquímicos. El electroforesis capilar (CE): que tiene ciertas ventajas,
tales como coste de funcionamiento barato, simplicidad, alta velocidad de análisis, mayor
eficiencia de separación, única selectividad y alto grado de independencia de la matriz.
Tiene ciertas ventajas, tales como coste de funcionamiento barato, simplicidad, alta
velocidad de análisis, mayor eficiencia de separación, única selectividad y alto grado de
independencia de la matriz. Existen distintos tipos de CE: electroforesis de zona capilar
(CZE), Isotachoforesis capilar (CIF), Electroforesis de gel capilar (CGE), Electroforesis
capilar de afinidad (ACE). El más utilizado de éstos para la especiación de metales ha sido
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el modelo CZE. La Polarografía es capaz de detectar diferentes estados de oxidación de
muchos iones.
Figura 4. Esquema de las técnicas de especiación de metales
Fuente: Gupta, V.K., Imran Ali and Hassan Metal ions speciation in the environment: Distribution,
toxicities and analices.(2000)
- Métodos espectroscópicos. Con UV-visible: Pocas especies metálicas forman
diferentes colores con ciertos ligados y pueden ser especiadas por esta técnica
espectroscópica. Existen varios como: Espectrometría de Absorción Atómica, EAA, de
Llama; de Emisión Atómica, EEA; de Absorción Atómica, EAA, con generación de
hidruros. Sin embargo, es muy importante porque es uno de los métodos más ampliamente
utilizados en la especiación del arsénico; que se lleva a cabo determinando As (III) y el
arsénico total, lo que se determina con la reducción de As (V) a As (III). Cabe mencionar
que métodos tales como AES y AAS unidos al sistema analítico de inyección de flujo
(FIAS) dan resultados que son más precisos y exactos cuando sólo está presente una forma
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de un elemento.
Al revisar los métodos de especiación de minerales en el agua se selecciona para
este estudio el método de la cromatografía de líquido, por ser el más utilizado y confiable,
al efecto tal como lo expresan Burbano y Sánchez (2001) para la determinación del hierro
con la aplicación de fenantrolina, para procurar una reacción del compuesto con 1,10
fenantrolina con el Fe+2, para formar un ión complejo de color rojo – naranja; el color
obedece a la Ley de Beer con la cual se relaciona la concentración de la solución con la
absorción de la luz y se mide por comparación visual ó fotométrica. Para asegurar que todo
el hierro esté en forma soluble se debe adicionar ácido clorhídrico con el fin de disolver
todo el hidróxido férrico
2.3.5. Procesos de remoción de Hierro
Para Sommerrfeld (2000), las técnicas comunes empleadas para la remoción de
hierro pueden describirse como se mencionan a continuación, algunas de estas presentan
desventajas:
- Aireación–Filtración. El proceso de aireación-filtración se recomienda para agua
con alta concentración de hierro, (mayor de 5 mg/L) con el fin de disminuir los costos en
reactivos. El equipo usado en este proceso incluye comúnmente un aireador, un tanque de
retención y filtros. El oxígeno de la atmósfera reacciona con la forma soluble de hierro
(Fe+2) del agua cruda para producir óxidos relativamente insolubles (Fe+3). La velocidad
de reacción depende del pH de la solución, siendo más rápida a valores de pH altos.
Cuando las concentraciones de hierro total son altas, se usan tanques de sedimentación con
dispositivos de colección y remoción de lodos en vez de tanques de retención simples. Las
principales desventajas del proceso de aireación-filtración son el costo inicial alto, y el
requerimiento de un tiempo de retención y tratamiento químico adicionales.
. - Filtración en medios acondicionados. Los medios filtrantes acondicionados
(greensand, birm, antrasand y pirolusita) para remover hierro son de naturaleza similar y su
capacidad de regeneración, adsorción y filtración depende de la distribución de tamaño de
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partícula y de su forma. Normalmente se utiliza permanganato de potasio (KMnO4) como
agente oxidante, siendo éste de costo elevado y requiere de un estricto control en su
aplicación debido a su toxicidad Sommerrfeld,( 2000).
- Filtración directa con la aplicación de sustancias químicas. Si el Fe una vez
oxidado presentan tamaños muy pequeño que no se retienen en los medios granulares de
los filtros se requiere de la aplicación de sustancias químicas como coagulantes y
floculantes para aglomerar las partículas oxidadas y formar flóculos lo suficientemente
grandes para ser filtrados. Los medios filtrantes granulares deben retener sólidos
suspendidos del Fe oxidado con tamaño mayor a 10 mm. Un lecho filtrante diseñado
adecuadamente y operando en condiciones óptimas es capaz de remover la mayoría de las
partículas con tamaños de 5 a 10 mm. Las partículas menores a 5 mm normalmente pasan a
través del filtro dando como resultado concentraciones residuales de Fe en el agua filtrada.
- Tecnologías de ablandamiento. Se aplica para eliminar la dureza del agua, donde la
remoción del Fe es un efecto secundario. Dicho proceso consiste en elevar el pH del agua
para precipitar al calcio y magnesio, originando que se oxide el Fe y coprecipiten con los
carbonatos (a valores de pH mayores de 11). Este método no es muy eficiente, ya que se
forman precipitados de manganeso de tamaño coloidal que pasan a través de los filtros
cuando no se agregan coagulantes Sommerrfeld, (2000).
- Estabilización por secuestro. Los agentes secuestrantes son productos químicos
utilizados para evitar que se precipiten los metales. Normalmente, tanto el silicato de sodio
como los polifosfatos se utilizan para secuestrar Fe. Muchos polifosfatos modernos tienen
una larga cadena lineal de fosfatos; el arreglo de las moléculas a lo largo de la cadena
protege de ataques al material secuestrado y los sujetan durante cierto tiempo. Los agentes
secuestrantes no remueven al Fe, solo evitan que precipiten y se recomienda su aplicación
sólo para sistemas pequeños y concentraciones menores 0.5 mg/L.
2.3.6. Método de oxidación/filtración
Según Sommerrfeld (2000), el proceso de oxidación-filtración consiste normalmente
DERECHOS RESERVADOS
36
de un sistema de dosificación de productos químicos y filtros. Algunas veces se requiere un
tanque de retención y un sistema de ajuste de pH con hidróxido de sodio (NaOH),
hidróxido de calcio o cal hidratada Ca(OH)2 o carbonato de sodio (Na2CO3). Como agentes
oxidantes pueden usarse gas cloro o hipoclorito. Este proceso opera a pH mayor o igual a
8.4, pero se tienen deficiencias en el proceso de filtración por la formación de precipitados
coloidales que pasan a través del filtro.
Según Barraque (2000) el tratamiento por oxidación – filtración, es la técnica que se
utiliza con mayor frecuencia, especialmente para aguas de pozo. Eventualmente puede
añadirse un cierto número de tratamientos suplementarios, tales como: corrección de pH,
oxidación química, decantación, etc. Siempre es necesario airear el agua de origen
profundo, desprovista de oxígeno, aun cuando se utilice igualmente un oxidante químico.
Es conveniente realizar una precloración, que acelera la oxidación del hierro y
permite la eliminación química del amoníaco. Sin embargo, también puede ser
contraproducente, si no puede alcanzarse el punto crítico; en efecto, se suprimen entonces
ciertas acciones biológicas de desferrización y nitrificación, sin que pueda ejercerse un
efecto oxidante suficiente. Por ello, toda precloración debe supeditarse a unos ensayos
previos.
Figura 5. Alternativas para la Remoción de Hierro
DERECHOS RESERVADOS
37
Según Burbano y Sánchez (2001), en el desarrollo de las tecnologías de oxidación –
filtración para la remoción de hierro cuando se emplean sustancias químicas como el cloro,
es fundamental cuantificar la concentración que se va a aplicar; a su vez, en los sistemas de
filtración gruesa se deben precisar variables como la velocidad de filtración, longitud del
medio filtrante, distribución de los tamaños de las gravas si es el caso, las carreras de
filtración y la pérdida de carga en el sistema. Para las dosis de cloro se debe garantizar que
al final la concentración residual permita proteger el agua de la contaminación
microbiológica en la red de distribución. Dependiendo de la naturaleza de la fuente, se debe
corroborar el riesgo potencial de la formación de subproductos del cloro.
2.3.7. Dosificación de productos químicos
EL CLORO. De acuerdo a Burbano y Sánchez (2001) en química se estudian las
reacciones considerando su modo y mecanismo, los cambios físicos y energéticos que
tienen lugar y la velocidad con la cual se forman los productos. De tal manera que
aplicando en método de oxidación filtración, utilizando cloro en el agua subterránea con
presencia de hierro forma hidríxidos férricos; esta reacción, produce rápidamente la
formación de dióxido de carbono el cual eleva el pH, cuya reacción normalmente se
produce en un rango entre 4 y 10, siendo óptimo 7, tal como la ecuación siguiente:
Al desarrollar la ecuación, se tiene que un mol de cloro reacciona con dos moles de
hierro, es decir que 1 mg/l de hierro en el agua a tratar requiere de 0,64 mg/l de cloro para
precipitarlo. Esto contribuye a cuantificar la concentración que se debe aplicar. Esto indica
que para oxidar el hierro se requiere de 0,64 p.p.m. de cloro libre por cada p.p.m. de Fe.
COAGULANTES. Los coagulantes se utilizan para aglomerar las partículas
oxidadas y formar flóculos lo suficientemente grandes para ser filtrados (Sommerrfeld,
2000). El color existente en el agua no se deriva únicamente de la descomposición de
productos naturales sino también de hidróxidos metálicos, como el del hierro.
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38
El agua puede contener una variedad de impurezas, solubles e insolubles; entre estas
últimas destacan las partículas coloidales, las sustancias húmicas y los microorganismos en
general. Tales impurezas coloidales presentan una carga superficial negativa, que impide
que las partículas se aproximen unas a otras y que las lleva a permanecer en un medio que
favorece su estabilidad. Para que estas impurezas puedan ser removidas, es preciso alterar
algunas características del agua, a través de los procesos de coagulación proseguido de la
filtración.
La coagulación se lleva a cabo generalmente con la adición de sales de aluminio y
hierro. Este proceso es resultado de dos fenómenos: (a) el primero, esencialmente químico,
consiste en las reacciones del coagulante con el agua y la formación de especies
hidrolizadas. Este proceso depende de la concentración del coagulante y el pH final de la
mezcla; (b) el segundo, fundamentalmente físico, consiste en el transporte de las especies
hidrolizadas para que hagan contacto con las impurezas del agua.
Las partículas coloidales en el agua por lo general presentan un diámetro entre 1 y
1.000 milimicrómetros y su comportamiento dependiendo de su naturaleza y origen. Estas
partículas presentes en el agua son las principales responsables de la turbiedad.
Entre los Coagulantes, los productos químicos más usados en el tratamiento de las
aguas son el sulfato de aluminio, el cloruro férrico, el sulfato ferroso y férrico y el cloro-
sulfato férrico.
- Sulfato de aluminio. Puede estar en forma sólida o líquida. La sólida se presenta
en placas compactas, gránulos de diverso tamaño y polvo. Su fórmula teórica es Al2(SO4)3
.18 H2O. Su concentración se define, en general, por su contenido en alúmina, expresada en
Al2O3, es decir, 17% aproximadamente. La densidad aparente del sulfato de aluminio en
polvo es del orden de 1.000 kg/m3. El contenido en alúmina Al2O3 de la forma líquida
fluctúa generalmente entre 8 y 8,5%; es decir, 48 a 49% en equivalente polvo o también
630 a 650 g de Al2(SO4)3 .18 H2O por litro de solución acuosa. El sulfato de aluminio es
una sal derivada de una base débil (hidróxido de aluminio) y de un ácido fuerte (ácido
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sulfúrico), por lo que sus soluciones acuosas Por esta razón, su almacenamiento debe
hacerse en un lugar seco, libre de humedad.
Otras especies alumínicas se pueden emplear también otras sales de aluminio como
el cloruro de aluminio y el aluminato sódico. El cloruro de aluminio AlCl3 se presenta en
forma sólida o líquida y se utiliza preferentemente esta última (masa volumétrica de 1,29
kg/dm3, equivalente a un contenido en Al2O3 de 11,4%.
- Cloruro férrico FeCl3. Se presenta en forma sólida o líquida; esta última es la más
utilizada en el tratamiento del agua. La forma sólida es cristalina, de color pardo,
delicuescente, de fórmula teórica FeCl3 .6 H2O. Se funde fácilmente en su agua de
cristalización a 34 °C, por lo que es necesario protegerla del calor. La forma líquida
comercial tiene un promedio de 40% de FeCl3. Para evitar toda confusión entre los
contenidos de producto puro o de producto comercial, es recomendable expresar la dosis de
coagulantes en Fe equivalente; es decir, 20,5% para la fórmula sólida y 14%
aproximadamente para la solución acuosa comercial.
En presencia de hierro, las soluciones acuosas de cloruro férrico se reducen
rápidamente a cloruro ferroso FeCl2. Esta reacción explica su gran poder corrosivo frente al
acero, y la necesidad de seleccionar adecuadamente el material de los recipientes de
almacenamiento, de preparación y de distribución.
- Sulfato ferroso FeSO4 .7 H2O. El sulfato ferroso usado en el tratamiento de agua es
un polvo de color verde muy soluble y tiene una masa volumétrica aparente próxima a 900
kg/m3. Su contenido en hierro es de aproximadamente 19%. Por su naturaleza ácida, el pH
de una solución al 10% es de 2,8 aproximadamente. Por esta razón, para su
almacenamiento y preparación se usa material plástico.
Reacciones del sulfato ferroso:
1) Con la alcalinidad del agua
FeSO4 + Ca(HCO3)2 Fe(OH)2 + CaSO4 + 2 CO2
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En aguas aereadas, el hidróxido ferroso formado se oxida a hidróxido férrico:
2 Fe (OH)2 + 1/2 O2 → H2O 2 Fe (OH)3
2) Reacción con el cloro
2 FeSO4 + Cl2 + 3 Ca(HCO3)2 →2 Fe(OH)3 + 2 CaSO4 + CaCl2 + 6 CO2
Si se usan sulfato ferroso y cloro para el tratamiento del agua, pueden dosificarse
por separado o bien oxidarse previamente la solución de sulfato ferroso con cloro. Se
obtiene entonces una mezcla de sulfato y cloruro férrico, a la que se conoce
comercialmente con el nombre de cloro-sulfato férrico, según la reacción:
3 FeSO4 + 3/2 Cl2 →Fe2(SO4)3 + FeCl3
En cuanto a la interacción de los coagulantes inorgánicos con el agua y la
alcalinidad, dado que los coagulantes químicos usados en el tratamiento del agua tienen
naturaleza ácida, debido a su origen (sales producto de la neutralización de un ácido fuerte
con una base débil), es necesario repasar los conceptos de ácidos bases y alcalinidad, para
luego aplicarlos al comportamiento de las soluciones de los coagulantes inorgánicos.
CONTROL DEL pH. La alcalinidad es uno de los parámetros más importantes en el
tratamiento del agua, pues influye directamente en la coagulación o el ablandamiento. Los
bicarbonatos, carbonatos y el ion hidroxilo representan las formas más importantes de
alcalinidad, pero en algunos casos pueden contribuir los boratos, silicatos, fosfatos y otras
bases. Aunque el bicarbonato, HCO3 -, es la forma más común de alcalinidad, es importante
considerar que en el agua existe en realidad un sistema de equilibrio entre CO2, H2CO3,
HCO3-, CO3 =, H3O+ y el OH-.
La concentración relativa de cada componente está en función del pH, En el agua
todos los cationes metálicos provenientes de los coagulantes químicos son hidratados. Las
especies iónicas Fe3+ y Al3+ no existen en el agua sino que se presentan como complejos
hidratados: Fe (H2O)6 +3 y Al (H2O)6 +3, los mismos que se comportan como ácidos
débiles.
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Si una sal de hierro (III) está presente en una concentración menor que la solubilidad
del hidróxido metálico, el metal formará monómeros, dímeros y quizás pequeños complejos
poliméricos de hidróxido metálico, además del ion acuoso-metálico libre; para lograr
mejores resultados en el tratamiento, en algunos casos será necesario regular la alcalinidad
del agua o modificar su pH; para ello se emplean:
1. Hidróxido de calcio: Ca (OH)2: se usa para elevar la alcalinidad del agua. Se
obtiene apagando la cal viva con agua. Su concentración está entre 82% y 99%. Es poco
soluble en el agua y su solubilidad disminuye al aumentar la temperatura.
2. Carbonato de sodio: Na2CO3. También es un regulador de la alcalinidad. Es un
polvo blanco anhidro, de masa volumétrica aparente variable entre 500 y 700 kg/m3. Su
solubilidad es bastante baja: 100 g/L aproximadamente, a 20 °C.
3. Bicarbonato sódico, NaHCO3. Regulador de alcalinidad. Se utiliza en forma de
polvo, cuya masa volumétrica varía entre 800 y 1.200 kg/m3; su solubilidad es bastante baja
(96 g/L a 20 °C).
AYUDANTES DE COAGULACIÓN. Su uso es bastante generalizado en los países
desarrollados; para ser usados, deben ser aprobados, previa evaluación, por la Agencia de
Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) a partir de datos toxicológicos
confidenciales presentados por las industrias productoras. Son polímeros aniónicos,
catiónicos (de polaridad muy variable) o neutros, los cuales pueden presentar forma sólida
(polvo) o líquida. Son sustancias de un alto peso molecular, de origen natural o sintético.
Requieren ensayos de coagulación y floculación antes de su elección.
Los polímeros en polvo se usan bajo la forma de suspensión, que puede contener
entre 2 y 10 g/L; la duración de las suspensiones es inferior a una semana. Por lo general,
requieren un tiempo de contacto entre 30 y 60 minutos. Regularmente se usan dosis
pequeñas (0,1 a 1 g/L). Para los polímeros líquidos, la distribución se hace a las mismas
concentraciones, expresadas en producto seco. La solubilidad de los polímeros es variable y
su viscosidad elevada (hasta 100 poises para concentraciones de 5 g/L). La masa
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volumétrica aparente varía de 300 a 600 kg/m3. Los polímeros generalmente ejercen acción
sobre el acero no protegido.
Si un polímero contiene grupos ionizantes, se lo conoce como polielectrolito. Los
polímeros sólidos son generalmente poliacrilamida o poliacrilamida hidrolizada Los
polielectrolitos pueden usarse, según el tipo, como coagulantes primarios o como ayudantes
de coagulación. Como coagulantes primarios, la concentración empleada generalmente
oscila entre 1 y 5 mg/L, mientras que como ayudantes de coagulación la concentración es
menor: entre 0,1 y 2 mg/L.
MECANISMOS DE COAGULACIÓN PREDOMINANTES. La coagulación
mediante sales inorgánicas se produce predominantemente por medio de dos mecanismos:
1) Adsorción de las especies hidrolíticas por el coloide, lo que provoca la
neutralización de la carga, y
2) coagulación de barrido, en la que se producen las interacciones entre el coloide y
el hidróxido precipitado. Coagulación por adsorción. Cuando se agrega sulfato de aluminio
o sales de hierro al agua en condiciones especiales de dosis de coagulante y pH, se forma
una serie de especies solubles hidrolizadas. En el caso del sulfato de aluminio, las especies
hidrolizadas que se forman son Al3+, Al(OH)2+, Al8(OH)20 4+ y Al(OH)4, las cuales son
tomadas a menudo para representar todo el sistema.
COAGULACIÓN PARA FILTRACIÓN DIRECTA. El pretratamiento químico que
conduce a la desestabilización de partículas es el parámetro más importante para controlar
la efectividad de la filtración. Por lo tanto, la coagulación con sulfato de aluminio es un
medio ideal para predecir las mejores condiciones químicas para la filtración directa.
2.3.8. Tipos de filtros para el proceso de remoción de hierro
Para Chávez (2008) los filtros son equipos en los que se lleva a cabo la operación de
separación sólido - líquido denominada filtración. Esta operación consiste en una
separación física donde no existe transferencia de materia sino que lo que se da es una
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separación entre distintos estados de agregación. Es una operación unitaria donde se
consigue la separación de los sólidos que se encuentran suspendidos en un medio líquido
haciendo pasar la suspensión a través de un medio poroso, el cual va a retener las partículas
sólidas dejando pasar el líquido. Los sólidos quedarán retenidos en función de su
granulometría y según sea el tamaño de los poros.
El medio filtrante es la barrera que retiene los sólidos y deja pasar el líquido, puede
ser un tamiz, una tela, un tejido de fibras, fieltro, membranas poliméricas o un lecho de
sólidos. El líquido que atraviesa el medio filtrante se denomina filtrado, tipos de mallas
para el medio filtrante. Un proceso de filtración presenta diversas características que se han
de tener en cuenta para clasificar el proceso y seleccionar el equipo adecuado.
INTERVALOS DE FILTRACIÓN. Para definir el grado de fineza de la filtración
intervienen varios factores, los más importantes son:
· Tamaño de las partículas suspendidas
· Método usado en la medición del tamaño de las partículas
· Mecanismos de separación
· Estructura del medio del medio filtrante
MECANISMOS DE SEPARACIÓN. Lo más importante que ocurre durante la
filtración es: Retención de las partículas sólidas o semisólidas, resistencia del medio
filtrante al paso de dichas partículas, formación de una complicada red de canales por las
partículas depositadas y filtración profunda.
Comparando con el mecanismo por superficie, las partículas de menor tamaño que
los diámetros de los poros del medio filtrante serán retenidas dentro de él. Esto ocurre por
adherencia de las partículas en las paredes del medio filtrante y sobre las partículas ya
depositadas. Conforme el medio filtrante se carga con partículas, la resistencia aumenta.
Cuando el ciclo de separación termina, el cartucho o la cama con partículas se cambia.
Ejemplos: filtros de cartuchos; filtros de cerámica o cuarzo, camas de resina de intercambio
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iónico, un lecho de material fibroso o granular como tierras diatomáceaso carbón activado
que están soportados sobre un medio filtrante
FILTRACIÓN POR TORTA. Es el mecanismo más común en los procesos
industriales y el que más interesa al ingeniero químico. Las partículas depositadas se
acumulan y forman un lecho o torta sobre el medio filtrante, el lecho puede actuar como
medio filtrante. Esto depende de su espesor, su porosidad y su permeabilidad.
PERMEABILIDAD. Mientras que en la filtración por torta se refiere al depósito y
acumulación de partículas, la permeabilidad es otro mecanismo que se enfoca al paso del
fluido, más bien limpio, a través de una cama o lecho poroso pero de dimensiones fijas. En
todos estos tipos de separación existe una fuerza impulsora dada por una diferencia de
presiones entre la presión de entrada de las partículas suspendidas y la presión del fluido a
la salida, libre de partículas.
CLASIFICACIÓN DE LAS UNIDADES DE FILTRACIÓN. Para Maldonado
(2003), los sistemas de filtración pueden ser clasificados teniendo en cuenta los siguientes
parámetros: el lecho filtrante, el sentido del flujo durante la filtración, la forma de aplicar la
carga de agua sobre el medio filtrante y la forma de control operacional.
Tabla 2. Clasificación de los Filtros Rápidos
Fuente: Maldonado (2003)
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1. Filtración por gravedad. La filtración rápida, realizada por gravedad, usualmente
se emplea en las plantas de tratamiento para fines de abastecimiento público. El factor
económico es la variable que define su preferencia de uso. Estas unidades pueden ser de
flujo ascendente (“filtro ruso”) y ser operadas con tasa de filtración constante o declinante.
Cuando es de flujo descendente, la filtración rápida puede realizarse con tasa declinante o
constante en filtros de lecho único de arena o de lechos múltiples.
a) Filtración ascendente. La filtración ascendente presenta la ventaja de que el agua
afluente escurre en el sentido en que los granos del medio filtrante disminuyen de tamaño,
lo que hace posible que todo el medio filtrante, constituido por arena, sea efectivo en la
remoción de partículas suspendidas.
Aunque en la filtración ascendente de agua decantada las carreras de filtración
resultan más largas si se las compara con la filtración descendente en lecho de arena, la
carga hidráulica necesaria aguas arriba de los filtros y el mayor espesor de la capa han
limitado mucho el uso de la filtración ascendente. La aplicación más ventajosa de este tipo
de unidades es la filtración directa, en la que los productos químicos se aplican y dispersan
en el agua cruda antes de la filtración. En seguida, el agua es conducida a los filtros por la
parte inferior.
Este tipo de unidades están siendo muy utilizadas en algunos países de Europa, de
América del Sur y de Centroamérica. Las principales características comunes a estas
unidades son las siguientes:
- Tasa de filtración: 120 a 200 m3/m2/día.
- Fondo de los filtros: tipo Leopold, tuberías perforadas y placas perforadas son los
más comunes.
- Distribución de agua a los filtros: caja provista de vertederos, de la cual parten
tuberías individuales o tuberías individuales provistas de medidores y reguladores de
caudal. La figura 6 muestra, en forma esquemática, el diseño de un filtro de flujo
ascendente de tasa constante con fondo de placas perforadas.
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Figura 6. Esquema de un filtro de flujo descendente y tasa constante.
Fuente Maldonado (2003)
2. Filtración descendente. Hasta hace pocos años, los filtros descendentes por
gravedad eran diseñados para funcionar únicamente con tasa constante, y generalmente
iban provistos de dispositivos automáticos de control de caudal y nivel. En los últimos años
se han desarrollado tecnologías que han simplificado sensiblemente la forma de operación
de los filtros de gravedad, como la operación mediante tasa declinante. Este tipo de
unidades es el que normalmente se prefiere diseñar en los sistemas de abastecimiento
públicos. Su mayor simplicidad garantiza una adecuada operación.
3 Filtración ascendente-descendente. La idea de realizar la filtración ascendente y
descendente surgió después de constatar la posibilidad de fluidificación del medio filtrante
al momento de la filtración ascendente y del consecuente perjuicio de la calidad del agua
filtrada. Surgieron los filtros denominados Bi-Flow, donde parte del agua cruda coagulada
es introducida en la parte superior, y la restante en la parte inferior del filtro.
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La colección se hace por medio de tuberías provistas de bocas e instaladas en el
interior del medio filtrante. Este tipo de instalación, a pesar de evitar los inconvenientes de
posibles problemas derivados de la fluidificación del medio filtrante, presenta el
inconveniente de que la colección del agua se hace en el interior del medio filtrante, donde
las bocas se pueden obstruir con el tiempo, por lo que requieren un mantenimiento
rutinario.
Figura 7. Esquema de un filtro Bi-Flow.
Fuente Maldonado (2003)
FILTROS CASEROS. Según la Organización Panamericana para la Salud OPS
(2005), en general, la filtración es la operación final de clarificación que se realiza en una
planta de tratamiento de agua y, por consiguiente, es la responsable principal de la
producción de agua de calidad coincidente con los estándares de potabilidad. Métodos de
remoción por filtros que se adaptan a sistemas caseros:
1. Filtro de arena. Este filtro usa arena de tamaño efectivo y 2,0 de coeficiente de
uniformidad. La tasa de filtración se controla mediante un reductor de caudal
confeccionado con un microtubo de un milímetro de diámetro interior y 20 centímetros de
longitud. La tasa de filtración mínima que se puede obtener con un volumen de agua de
ocho litros es de 0,68 m3/(m2 x día) equivalente a 1,7 litros de agua por hora o un volumen
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de 40 litros por día de agua filtrada. A fin de evitar el ingreso de arena al interior del
microtubo que pudiera perjudicar su funcionamiento, se coloca en un extremo del
microtubo una almohadilla de geotextil que actúa como drenaje.
La instalación del reductor de caudal se puede realizar cubriendo totalmente con
arena uno de los extremos que lleva la almohadilla; mientras que, el otro extremo sale al
exterior a través de un orificio hecho en el balde a la altura del nivel superior de la capa de
arena. Para no perturbar la superficie de arena por el llenado de agua de la unidad de
filtración, se coloca una pieza de geotextil sujetada con un anillo hecho de manguera
plástica y relleno con arena para darle mayor peso y evitar que flote.
2. Filtro con velas filtrantes de cerámica. Este filtro de mesa está compuesto por dos
baldes de polietileno de alta densidad de 20 litros cada uno. Estos son colocados uno sobre
la tapa del otro, de manera que el balde superior contenga las dos velas filtrantes. Para este
fin, en la base del balde superior y la tapa del balde inferior se perforan dos agujeros
coincidentes donde se insertan las espigas de las velas filtrantes. Entre la base del balde y la
tapa inferior se colocan anillos de plástico coincidentes con las espigas de las velas a fin de
darle mayor rigidez a la unión cuando se aseguren los elementos filtrantes y de este modo,
evitar la fuga de agua.
3. Filtro con velas filtrantes de cerámica y prefiltro de arena. Las características
constructivas de este filtro son similares al anterior, a excepción que se coloca sobre las
velas, una capa de arena seleccionada de un tamaño efectivo de 0.3mm y un coeficiente de
uniformidad de 2. La capa de arena debe cubrir los elementos filtrantes hasta 5 centímetros
por encima de la parte superior del elemento filtrante. Para no perturbar la superficie de la
arena por el llenado de agua de la unidad de filtración, se coloca encima de la capa de
arena, una pieza de geotextil sujetada con un anillo hecho de manguera plástica y relleno
con arena para darle mayor peso y evitar que flote.
4. Filtro de arena y grava. De acuerdo a OPS (2005), permite atrapar una variedad de
partículas, que son de un diámetro mayor que el poro del manto de arena. Se pueden usar
mantos de arena sola, antracita sola o combinando arena con antracita o antracita con
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granate. La perdida de carga es baja (1.2 a 1.5 m). La máxima turbiedad del agua natural
sin tratamiento se aconseja que no sea mayor a 25 ppm.; si fuera mayor se debe tratar
previamente el medio acuoso.
Es un prefiltro vertical de flujo ascendente, en unidades grandes (3,0 a 4,0 m de
diámetro), la tubería de agua cruda ingresa por el fondo de la unidad a una caja de
distribución. De la caja de distribución parten 12 tubos de 1" de diámetro con perforaciones
de 6,4 mm y 12,7 mm, que ingresan a los troncos de cono que conforman el falso fondo de
los prefiltros. Este tipo de falso fondo permite una distribución uniforme del flujo en toda el
área del prefiltro. Los troncos de cono se llenan de grava de 19 mm a 38 mm. En unidades
pequeñas de 1,0 a 1,20 m de diámetro, la tubería ingresa por el eje del prefiltro hasta el
fondo de la unidad, desde donde es distribuida uniforme en el área mediante tuberías
secundarias perforadas.
En el caso en que la tubería llega a una caja de distribución, de ésta parten tubos de
1"de diámetro con perforaciones de 6,4 mm y 12,7 mm, que ingresan a troncos de cono que
conforman el falso fondo de los prefiltros. Este tipo de falso fondo permite una distribución
uniforme del flujo en toda el área del prefiltro. Los troncos de cono se llenan de grava de 19
mm a 38 mm. La zona de prefiltración está constituida por dos capas de grava de 6,4 a 2,7
mm y de 2,4 a 4,8 mm, de 0,30 m de espesor cada una y una capa de arena gruesa de 1,4 a
2,0 mm de altura en la superficie del lecho.
5. Filtro de grava. Estas unidades de prefitración en grava o de filtración gruesa,
como también se denominan, pueden ser de dos tipos, dependiendo del sentido del flujo
horizontal y vertical. Los de flujo vertical pueden ser, a su vez, de dos tipos: descendentes y
ascendentes. Para establecer el caudal de operación de todo el sistema, si ésta es la primera
unidad del sistema de tratamiento considerado, deberá anteponerse una caja de concreto
con un vertedero triangular.
La estructura de entrada está constituida por un canal y un muro de ladrillo hueco,
cuya función es distribuir uniformemente el caudal en toda la sección. La zona de filtración
está conformada por canales divididos en tres o más tramos llenos de grava de diferentes
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diámetros, dispuestos en sentido decreciente.
La longitud de los tramos es variable y depende de la calidad del agua, del tamaño
de la grava y de la velocidad de filtración. Las paredes anteriores y posteriores de cada
tramo deberán ser muros de ladrillo hueco, para permitir una distribución uniforme y
adecuada del flujo. Cada tramo debe tener su sistema de limpieza, consistente en una tolva
para facilitar el deslizamiento y depósito del sedimento, un canal de evacuación de lodos
techado con losas de concreto separadas por ranuras, compuerta y cámara de drenaje.
Las ranuras o separaciones de las losas del canal se diseñan para obtener una
velocidad de descarga que asegure la extracción instantánea de la mayor parte del lodo
contenido en la tolva. Las tolvas estarán rellenas con piedra de 2"a 3" de diámetro. La
estructura de salida está constituida por un muro de ladrillo hueco y un canal independiente
para cada unidad.
OTROS TIPOS DE FILTROS. Expone Barrenechea (2004) que existen numerosos
tipos de filtros dependiendo de aplicación a que estén destinados, y como se ha visto
anteriormente, su clasificación se puede realizar atendiendo a diferentes criterios, aunque lo
más frecuente es su caracterización en función de la fuerza motriz. Los factores principales
a considerar a la hora de elegir un tipo de filtro frente a otro son: la resistencia específica de
la torta, la cantidad a filtrar y la concentración de sólidos.
Otra de las características del filtro a tener en cuenta es la facilidad de descarga de la
torta. Ante todo lo que va a decidir la elección del filtro es el factor económico.
Normalmente el precio del equipo está directamente relacionado con el área filtrante. Los
filtros clarificadores o de lecho profundo se suelen emplear cuando la cantidad de sólidos
presentes en el líquido es muy pequeña, siendo de gran aplicación para la depuración de
agua y el tratamiento de aguas residuales. En este grupo se tienen los filtros de lecho, los
cartuchos filtrantes y otros. Los filtros de cartucho son cada vez más utilizados en la
industria por sus buenos resultados.
La mayor parte de filtros empleados son filtros de torta y dentro de éstos su
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clasificación suele hacerse en función de la fuerza impulsora (presión, vacío o centrífuga).
Si se debe seleccionar entre un filtro de presión o uno de vacío se deben conocer las
ventajas e inconvenientes que presentan cada uno de ellos. Los filtros de presión permiten
la obtención de tortas con un menor contenido de humedad y los filtros de vacío, aunque
permiten un funcionamiento en continuo, el consumo de energía es mayor debido al
sistema de vacío y existe una limitación en la diferencia de presión aplicable A
continuación se exponen algunos de los filtros de uso más habitual:
- Filtro prensa: es uno de los filtros más usados debido a su gran versatilidad, tanto
en relación a la amplia gama de materiales y como las diversas condiciones de operación
que se pueden aplicar, además de su bajo coste de mantenimiento. Se emplea en los casos
en que la resistencia específica de la torta es elevada y siempre que la cantidad de sólidos
no sea tan elevada que obligue a desmontar frecuentemente la prensa que provocaría
desgastes excesivos en las telas. Sin embargo, no está recomendado su uso para tratar
grandes cantidades.
Consisten en una serie de elementos cuadrados o rectangulares, que pueden ser
placas y marcos alternados o cámaras, entre los que se coloca la tela filtrante. De esta
forma, se distinguen dos tipos de filtros prensa: la prensa de placas y marcos y la prensa de
cámaras. La diferencia entre ambas radica en que la segunda prescinde de los marcos y que
el canal de alimentación se encuentra en el centro de cada una de las placas en vez de en
una de las esquinas como ocurre en la prensa de placas y marcos.
- Filtro de hojas: se operan de manera discontinua o por cargas. Consisten en una
serie de elementos filtrantes planos, denominados hojas, que se encuentran en el interior de
una carcasa presurizada. Como características fundamentales cuenta con una mayor
uniformidad y mejor separación de la torta, una mayor facilidad de lavado y de instalación
de la tela.
Aunque inicialmente diseñado para trabajar a vacío, los tipos posteriormente
desarrollados operan a presión pudiendo aplicar presiones superiores a las que son posibles
en el filtro prensa. Se emplea preferentemente en caso de que se requiera un lavado eficaz
DERECHOS RESERVADOS
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de la torta. Las hojas pueden tener diferentes formas (rectangulares o circulares) y las
carcasas pueden estar dispuestas horizontal o verticalmente.
- Filtros rotativos a vacío: son muy empleados debido a que trabajan en continuo y a
su bajo coste de operación motivado por su funcionamiento automático. Se emplea para
materiales de filtración poco complicados. Posee una gran capacidad en relación a su
tamaño. Dentro de los filtros rotativos se tienen dos tipos: (a) de tambor rotativo que
consiste en un cilindro dispuesto horizontalmente, cuya superficie exterior está formada por
una plancha perforada sobre la que se fija la tela filtrante.
El cilindro está dividido en una serie de sectores que se encuentran conectados a
través de una válvula rotativa. (b) de pre-recubrimiento: se emplea cuando el material
forma una torta de elevada resistencia. En primer lugar se provoca la formación de una
gruesa capa de un material de muy fácil filtración sobre el medio filtrante para luego que se
produzca la filtración a través de esta capa. Así la torta formada es muy delgada y se retira
junto con una fina capa del material de recubrimiento.
- De discos: consiste en un cierto número de hojas filtrantes circulares montadas
sobre un eje horizontal. Su funcionamiento es similar al filtro de tambor, sin embargo
proporciona un lavado peor de la torta y su descarga es más difícil. Como ventaja frente al
filtro de tambor se tiene que ofrece un área de filtración mucho mayor en el mismo espacio.
- Filtro de banda: presenta una gran flexibilidad de aplicación y alta capacidad.
Permite la filtración en continuo. Consiste en una especie de cinta transportadora donde la
cinta se ha sustituido por una banda o tela permeable. La suspensión se alimenta por la
parte superior y en un extremo de la cinta, mientras que por la parte inferior de ésta se hace
el vacío y se recoge el filtrado. Se van a ajustar la velocidad de la cinta y la distancia a la
que se aplica la suspensión para producir una torta del espesor adecuado. La torta se
desprende al final de la cinta.
- Filtro Nutscha: existen dos variantes a presión y a vacío. El filtro Nutscha de
presión a vacío: son filtros de pequeña capacidad pero de una gran simplicidad
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constructiva. Consisten en un recipiente donde la alimentación se realiza por la parte
superior y en la zona inferior se dispone el sistema de vacío. Entre ambas zonas se halla el
medio filtrante; a presión: se tienen dos tipos, uno de descarga manual y otro de descarga
automática. El primero es similar al filtro de vacío mientras que el segundo está dotado de
un agitador que permite el mantenimiento de la suspensión durante el filtrado y la mejora
de la eficacia por eliminación de la humedad residual de la torta. Sin embargo este equipo
presenta un precio bastante elevado debido a la complejidad del sistema.
Si se ha de elegir entre un filtro continuo y uno discontinuo, se debe tener en cuenta
que el filtro continuo proporciona una capacidad de producción más elevada para una
superficie filtrante dada, aunque la mayoría presenta una limitación de la presión máxima
de filtración.
Otros tipos de filtros a señalar son los filtros centrífugos. Ofrecen ciertas ventajas
frente a los filtros anteriores como la posibilidad de obtener bajas humedades residuales en
los sólidos y la gran capacidad de tratamiento, mientras que, por otra parte, los principales
inconvenientes son el elevado coste y el trabajar a altas velocidades, que ocasiona
problemas de desgaste. Es frecuente expresar la fuerza centrífuga aplicada en términos de
las veces que la aceleración centrífuga supera a la de la gravedad. Así se encuentran valores
que pueden oscilar desde las 500 hasta las 50.000g. Entre los filtros centrífugos destacan:
(a) Centrífuga de cesta: es la más sencilla y universal. Consiste en una cesta, vertical
u horizontal, sobre la que se coloca el elemento filtrante. Como problema presenta la
descarga de sólidos, que se debe realizar manualmente y supone una operación bastante
lenta. Giran a velocidades comprendidas entre 600 y 1800 rpm; (b) Centrífuga de cesta
vertical; (c) Centrífuga de tornillo helicoidal: tiene forma tronco-cónica y la alimentación
debe ser una suspensión bastante concentrada. Las posibilidades de lavado son bastantes
escasas. Alcanza aceleraciones entre 1500 y 2500g. (d) Centrífuga rascadora o 'peeler': es
una máquina de funcionamiento discontinuo mientras que la descarga de la torta se realiza
de manera automática por acción de un cuchillo rascador. Las velocidades alcanzadas son
bajas (de 500 a 1600g), donde la capacidad de lavado de la torta es muy buena.
DERECHOS RESERVADOS
54
- Centrífuga de empuje: tiene funcionamiento continuo. Consiste en una cesta de eje
horizontal dotada de un falso fondo constituido por un pistón que se desplaza axial y
alternativamente, empujando la torta formada y desplazándola parcialmente fuera de la
cesta. La torta debe tener una cierta rigidez para que el mecanismo de empuje funcione
eficazmente. Como ventaja notable destaca la posibilidad de obtención de la torta con
humedades residuales muy bajas. También existen modelos con dos o más cestas
concéntricas que giran solidariamente con un eje común. La torta pasa de manera sucesiva
de una cesta a otra, actuando la propia cesta interior como empujadora de la exterior.
2.4. Sistema de Variables
Objetivo general: Diseñar y construir una planta doméstica de remoción de hierro
por el método oxidación filtración de aguas de pozos subterráneos ubicados en las Zonas
Rurales del Municipio San Francisco del estado Zulia
Variable: Diseño y construcción de una planta doméstica para remoción de hierro
Definición conceptual: Planta Doméstica para la remoción de hierro mediante la
aplicación de cloro y un coagulante que contribuya al proceso de oxidación-filtración
dosificando estos productos químicos y utilizando los filtros seleccionados, con la ayuda
de un tanque de retención para el ajuste de pH que debe ser mayor o igual a 8.4,
controlando el proceso de filtración por la formación de precipitados coloidales que pasan a
través del filtro. Sommerrfeld (2000)
Definición operacional: Consiste construcción de una planta doméstica de acuerdo al
diseño planteado producto de la investigación, para la remoción de hierro en las comunidades
de las zonas rurales del Municipio San Francisco del estado Zulia, que contribuya al
mejoramiento de la calidad del agua que consumen y utilizan para sus actividades
agropecuarias a pequeña escala, lo cual se operacionaliza mediante la recolección de
información primaria y secundaria realizada por Padilla (2009) conjuntamente con el tutor
Industrial Ing. Arnaldo Parra.
DERECHOS RESERVADOS
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Mapa de Variables
Objetivo general: Diseñar y construir una planta doméstica de remoción de hierro por el método oxidación filtración de aguas de pozos subterráneos ubicados en las Zonas Rurales del Municipio San Francisco del estado Zulia.
Objetivos Específicos Variables Dimensiones Indicadores
Caracterizar del agua proveniente de pozos de agua ubicados en las Zonas Rurales del Municipio San Francisco del estado Zulia.
Características de las aguas de pozos
Composición Química
Propiedades Físicas
Describir el proceso de remoción de hierro por el método de oxidación/ filtración para las aguas de pozos subterráneos adaptado a los usuarios rurales del Municipio San Francisco
Proceso de remoción de hierro por oxidación/ filtración
Hierro (ppm)
Adición de Químicos
Medios Filtrantes
Intervalos de filtración
Control Operacional
Identificar la proporción requerida para la dosificación de productos químicos que optimicen la remoción de hierro por el método oxidación filtración de aguas de pozos subterráneos ubicados en las Zonas Rurales del Municipio San Francisco del estado Zulia
Dosificación de productos químicos
Nivel de Cloración
Cantidad de coagulante
Control del pH
Especificar los tipos de filtros que pueden ser utilizados en el proceso de remoción de hierro por el método de oxidación-filtración en los referidos pozos.
Tipos de filtros para el proceso de remoción de hierro
Filtro de arena
Filtro con velas filtrantes de cerámica
Filtro con velas filtrantes de cerámica y prefiltro de arena
Filtro de arena y grava
Filtro de grava
Diseñar una planta doméstica para el tratamiento de remoción de hierro por el método oxidación/filtración de aguas de pozos subterráneos
Diseño de la Planta Doméstica
Caudal
Fases del Diseño
Cantidad de Hierro
Construir la planta doméstica para el tratamiento de remoción de hierro de acuerdo al diseño planteado.
Planta doméstica para el tratamiento de remoción de hierro
Construcción de la Planta para remoción de hierro
Elaboración de la Planta
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CAPITULO III
M A R C O M E T O D O L Ó G I C O
En este capítulo se presentan los aspectos metodológicos del proceso investigativo,
referido a la planeación mediante la cual se va a proceder según Méndez (2007) a la
realización de la investigación, atendiendo al nivel de profundidad que se requiere obtener
en el conocimiento propuesto, en concordancia con los métodos y técnicas para la
recolección de la información; de tal manera que se debe abarcar el tipo y diseño de la
investigación, así como las Fases de Investigación que son la Revisión bibliográfica, toma
de muestra, método de análisis de las muestras, las técnicas de recolección de datos,
Metodología experimental y tratamiento de la información.
3.1. Tipo de Investigación
Según Hernández, Fernández y Baptista (2006), la clasificación de los tipos de
investigación, se relacionan con el nivel del conocimiento científico y se dividen en
exploratorios, descriptivos, correlacionales y explicativos; la orientación de cada uno de
estos tipos, depende del estado de conocimiento del tema en estudio, mostrado por la
revisión de la literatura y el enfoque que se pretenda dar a la investigación.
La presente investigación fue de tipo descriptiva, tal como lo expresa Chávez
(2004), por cuanto se orienta a recolectar y describir información que permita obtener
aspectos relacionados con remoción de hierro por el método oxidación-filtración para
aguas de pozos subterráneos. Asimismo, este estudio se realiza bajo la modalidad de
proyecto factible, tal como lo expresa Barrios (2006), “consiste en la investigación,
desarrollo y elaboración de la propuesta de un modelo operativo viable para solucionar
problemas, requerimientos o necesidades de organizaciones o grupos sociales”; así como se
pretende con este trabajo de grado diseñar y construir una planta domestica de remoción de
hierro por el método oxidación filtración para aguas de pozos subterráneos, a fin de
solucionar un problema a la empresa Vencloro C.A.
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3.2. Diseño de la Investigación
Según Arias (2006), el diseño de la investigación es la estrategia que adopta el
investigador para responder al problema planteado. Expone este autor que un diseño de
campo, consiste en la recolección de datos directamente de la realidad donde ocurren los
hechos, sin manipular o controlar variable alguna. Al efecto, este estudio fue de campo tal
como lo expresa Sabino (2002), quien explica que en los diseños de campo los datos de
interés se recogen en forma directa de la realidad, mediante el trabajo concreto del
investigador.
Asimismo, esta investigación tiene un diseño No Experimental – transversal, según
Hernández, Fernández y Baptista (2006), por cuanto la estrategia de investigación se realiza
sin manipular deliberadamente las variables, observando el fenómeno tal y como se dan en
su contexto natural, para después describirlo e inferir los resultados. Por otra parte, en
cuanto a la evolución del fenómeno estudiado, el diseño transversal, se propone recolectar
datos en un solo momento, en un tiempo único.
De acuerdo a esto, esta investigación fue transversal debido a que la variable fue
medida una sola vez, mediante una sola aplicación del instrumento, que se diseñó para
recolectar información necesaria para el diseño y construcción de una planta domestica de
remoción de hierro por el método oxidación filtración en aguas de pozos subterráneos.
3.3. Técnicas de Recolección de Datos
Al respecto de las técnicas de recolección de datos, plantean Sabino (2002) que es
cualquier recurso del cual se vale el investigador para acercarse a los fenómenos y extraer
de ellos información. En este sentido, Méndez (2007) refiere como las técnicas de
recolección de información se basaron en fuentes secundarias y primarias; las primeras se
refieren a la información escrita recopilada y transcrita provenientes de fuentes
bibliográfica o de Internet, con el propósito de obtener conocimientos que soporten el tema
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de investigación. Las primarias, son recopiladas directamente por el investigador a través
de observación, cuestionarios, entrevistas y sondeos a los participantes en el fenómeno.;
En esta investigación tal como lo explica Sabino (2002), se utilizó la técnica de
observación, como forma de recolección de datos fundamental en todos los campos de la
ciencia; bajo esta técnica, los datos recolectados son considerados primarios, pues se
obtuvieron de la observación, entrevistas y aplicación de técnicas experimentales. Así,
durante la investigación se realizaron varias visitas al área de producción de la empresa
VENCLORO. Ubicado en Zona Industrial II, para obtener información sobre los sistemas
de filtrado de agua, filtros, válvulas, bombas, entre otras cosas. Asimismo, se utilizó la
técnica de entrevista, como una forma específica de interacción social que tuvo por objeto
recolectar datos para una investigación, formulando preguntas a los ingenieros de la citada
empresa.
Del mismo modo, como técnica de muestreo, pues se recabó una muestra del agua
de los pozos en el propio sitio donde se encuentra el objeto de estudio; para completar la
técnica se desarrolló un proceso a escala laboratorio, el cual requirió de sistematización
utilizando un instrumento de observación explícito en el cual se detallaron las los datos
respecto a la Composición Química y las Propiedades Físicas del agua de pozo, de manera
que pueda ser un procedimiento formalizado, el cual contribuya a lograr el diseño y
construcción de la planta doméstica en la Empresa VENCLORO, C.A.
3.4. Fases de la Investigación
Fase 1. Caracterizar el agua proveniente de pozos. Se requirió la revisión de la
documentación teórica acerca de la caracterización del agua subterránea y la muestra
proveniente de los pozos del Bajo en el Municipio San Francisco. Para determinar
características Físico-químicas en el agua de estos pozos, considerando los distintos
componentes químicos en su contenido, se utilizó el método respectivo para identificarlos
aplicando los reactivos necesarios para determinar el nivel cuantificable de la presencia de
CLORUROS (Cl); SULFATOS ( SO4 ); HIERRO (Fe); DUREZA TOTAL (DT); y REZA
DERECHOS RESERVADOS
59
CALCICA ( CaCO3 ), con el apoyo del laboratorio de Ingeniería Ambiental, ubicado en el
Centro de Investigación del Agua adscrito a la Universidad del Zulia. De la misma manera
se procederá para identificar las características físicas tales como:
a) El color: Para la determinación del color aparente de la muestra se utilizó el
espectrofotómetro. Las unidades expresadas serán unidades platino-cobalto (U Pt/Co). Hay
que distinguir lo que se llama color aparente, el que presenta el agua bruta y el verdadero,
que es el que presenta cuando se le ha separado la materia en suspensión.
b) La alcalinidad se toma parte de la muestra, se procede a medir el pH se agita
constantemente, se titula con Ácido Sulfúricos (H2SO4) hasta llevar la muestra a un pH
igual a 4,30, luego se verifica el volumen gastado para después calcular la alcalinidad total.
c La Turbidez. Se determinará utilizando el espectrofotómetro, llenándolo
inicialmente con agua destilada, luego se coloca en lector para conseguir la turbidez de
cero (0); seguidamente se repite el procedimiento anterior pero con la muestra que se quiere
analizar y se mide el valor expresado por el equipo.
d) El pH: Para determinarlo se introduce el medidor de pH en la muestra a
temperatura ambiente y este proporcionará directamente el valor; por lo general las aguas
naturales tienen un cierto carácter básico, unos valores de pH comprendidos entre 6,5 y 8,5.
Respecto a la concentración de hierro, para reforzar el componente objeto de
estudio, se realizó prueba en el Laboratorio de la Universidad Rafael Urdaneta (URU), a
través del método colorimétrico para obtener la concentración del hierro en las aguas de
pozo en estudio, a través del Método Estandarizado ASTM E394 – 09 Standard Test
Method for Iron in Trace Quantities Using 1,10– Phenanthroline Method.
Fase 2. El método de oxidación/filtración para remoción de hierro. De igual
forma, se realizó revisión de la literatura respecto al tema de la cual se obtuvo que este
método de oxidación/filtración para remoción de hierro, consiste en un sistema de
dosificación de productos químicos que permitan la corrección de pH, oxidación química,
DERECHOS RESERVADOS
60
para luego proceder a la decantación, mediante el uso de medios filtrantes acondicionados.
Al efecto, se requiere un tanque de retención y un sistema de ajuste de pH pudiendo utilizar
para ello cal hidratada Ca(OH)2 o carbonato de sodio (Na2CO3) y como agentes oxidantes
gas cloro o hipoclorito; cuya medida se considera dependiendo de la concentración de
componentes ferrosos previamente determinada.
Fase 3. Identificar la dosificación de productos químicos. Desde el punto de
vista documental la dosificación de productos químicos para la remoción de hierro de las
aguas de pozos subterráneos, se requiere:
- CLORO: 0,64 mg/l de cloro en el agua a tratar, para precipitar 1 mg/l de hierro; es
decir que para oxidar el hierro se requiere de 0,64 p.p.m. de cloro libre por cada p.p.m. de
Fe; -. En la práctica, se estila el uso de hipoclorito de sodio, considerando la proporción
estequiométrica del Oxígeno y el Hierro de 0,55:1 peso a peso.
- COAGULANTE: Se requiere para aglomerar las partículas oxidadas y formar
flóculos lo suficientemente grandes para ser filtrados, por cuanto además del hierro, el agua
puede contener una variedad de impurezas como partículas coloidales, las sustancias
húmicas y los microorganismos en general. Las partículas coloidales en el agua por lo
general presentan un diámetro entre 1 y 1.000 milimicrómetros son las principales
responsables de la turbiedad. Para facilitar el filtrado se aplicará Policloruro de Aluminio,
en forma líquida. Su almacenamiento y preparación debe ser en recipiente plástico.
- CONTROL DEL pH. La alcalinidad es uno de los parámetros más importantes en
el tratamiento del agua, pues influye directamente en la coagulación o el ablandamiento; si
resultare necesario regular la alcalinidad del agua o modificar su pH; se empleará
Bicarbonato sódico NaHCO3. en forma de polvo, cuya masa volumétrica varía entre 800 y
1.200 kg/m3; su solubilidad es bastante baja (96 g/L a 20 °C).
Fase 4. Especificar los tipos de filtros. Se utilizó un lecho filtrante multiple con
sentido del flujo descendente a presión que requiere un control operacional de encendido
apagado para la bomba manual. Los productos químicos se aplican y dispersan en el agua
DERECHOS RESERVADOS
61
cruda antes de la filtración; la zona de prefiltrado está constituida por capas contentivas de
carbon activado, arena fina, grava gruesa, de tal manera que el agua es conducida a los
filtros por la parte superior, luego va al tanque de almacenamiento, al cual entran y salen
tuberías individuales.
Fase 5. Diseño y Construcción de planta doméstica para tratamiento de remoción
de hierro. En este estudio para llevar a cabo el diseño se requiere aplicar el desarrollo de
ingeniería conceptual, considerando planos, cálculos y demás documentos, asociados con la
planta doméstica que se requerirá para el proceso de remoción de hierro por el método
oxidación-filtración. De tal manera que para emprender el diseño y construcción de la
misma se requiere: un plano de Simbología, realizado a partir de la revisión bibliográfica y
la entrevistas al experto de Vencloro; asimismo, considerar las especificaciones y
dimensiones del equipo, con la ayuda de un programa computarizado especializado. De
igual manera, se requiere estructurar el diagrama de flujo del proceso considerando los
equipos principales, con la ayuda bibliográfica y la entrevistas para ajustar las condiciones
de la planta al nivel de uso doméstico; se tomarán en cuenta las ecuaciones de oxidación del
hierro, para poder así determinar los procedimientos de cálculo a fin de proceder a la
descripción de los productos químicos a utilizar.
Para la construcción se realizará el Plano general de planta considerando los
requerimientos de la EMPRESA VENCLORO C.A.; un Plot Plan, para considerar el
dimensionamiento del equipo y obtener información técnica por parte de un experto en el
área; a tal efecto, se diseña entrevista abierta para ser aplicada a experto de la empresa
Vencloro, quien aportó información respecto a la construcción de la planta a escala de uso
doméstico para la remoción de hierro de las aguas de pozos
Procedimiento de la Investigación
Para llevar a cabo esta investigación se llevan a cabo los siguientes pasos:
- Selección del tema. Se planteó el problema considerando la situación de los pozos
de aguas subterráneas ubicados en las Zonas Rurales del Municipio San Francisco del
DERECHOS RESERVADOS
62
estado Zulia, debido a las consecuencias producto de la presencia de hierro en dichas aguas;
siendo este, el diseño y construcción de una planta de remoción de hierro por el método
oxidación/filtración para aguas de pozos subterráneos ubicados en las Zonas Rurales del
Municipio San Francisco del estado Zulia.
- Se procedió a ubicar los tutores especialistas en la materia quienes son el MSc.
Eudo Osorio y el Ing. Arnaldo Parra.
- Se selecionó mediante revisión bibliográfica la teória relacionada que sustenta el
teme en cuestión, considerando la orientación de los objetivos general y específicos de la
investigación.
- Se seleccionaron los aportes teóricos de Burbano y Sanchez (2001) Chávez.
(2008), Digesa (2008) y Sommerrfeld. (2000), para sustentar aspectos como la oxidación
filtración, medios filtrantes, dosificación de químicos y medios filtrantes.
- Se procedió a la toma de muestras utilizando los recipientes y las medidas
necesarias para mantener la integridad de las mismas.
- Se seleccionó y aplicó el procedimiento para determinar la presencia y cantidad de
hierro en la muestra de agua, mediante los métodos de laboratorios requeridos para tal fin.
- Se estableció un plan de análisis de datos considerando como parámetro estandar
para la verificación de las mmuestras lo permitido por la Organización Mundial de la Salud
(OMS) que expone que la concentración de hierro no debe superar los 0.30 mg/l.
- Se realizó entrevista a experto en el tema para obtener las consideraciones para
lograr la aplicación del método de oxidación filtración tomando en cuenta agentes
oxidantes, control de pH, coagulantes, medios filtrantes
- Obtención de información necesaria en la misma entrevista al experto para el
diseño de la Planta Doméstica, que manejo de la cantidad de hierro obtenido en el
muestreo y análisis que contempla consideraciones respecto al caudal y Fases del Diseño.
DERECHOS RESERVADOS
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- Construcción de la Planta para remoción de hierro , que constituye la elaboración
física de la Planta con el apoyo del tutor industrial y las orientaciones de los procedimientos
formales por parte del tutor de académico.
- Elaboración de las conclusiones y recomendaciones.
DERECHOS RESERVADOS
64
CAPITULO IV
R E S U L T A D O S
Este capítulo corresponde al análisis de los resultados obtenidos y su respectiva
confrontación con los autores consultados. Al respecto, expresan Hernández y Otros (2006),
existen varios tipos y métodos de análisis, atendiendo a cada propósito específico que se
pretende lograr en la investigación; en este estudio, el orden seguido para el análisis, se
realizó siguiendo el orden de las fases de la investigación previamente establecidas en el
capítulo anterior, las cuales fueron diseñadas considerando los objetivos preestablecidos
4.1. Análisis y Discusión de los Resultados
En tal sentido, en relación a la Fase 1, relativa a la caracterización del agua proveniente
de los pozos del Bajo en el Municipio San Francisco, al revisar en general las características
en lo referente a la composición química y las propiedades físicas del agua de estos pozos
(Cuadro 4); se obtuvo cada resultado considerando el método requerido para identificar el
respectivo componente, con el apoyo del laboratorio de Ingeniería Ambiental, ubicado en el
Centro de Investigación del Agua adscrito a la Universidad del Zulia.
Tabla 4. Caracterización del agua Subterránea Pozos San Francisco
COMPOSICIÓN QUIMICA
MUESTRA CARACTERÍSTICAS
FÍSICAS MUESTRA
CLORUROS (Cl) 19 mg/L Ph 7.49
SULFATOS ( SO4 ) 9,7 mg/L ALCALINIDAD, mgCaCO3/L
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HIERRO (Fe) 4,8 mg/L CONDUCTIVIDAD 0.229 µS/cm
DUREZA TOTAL (DT) 78 mg/L COLOR, Unidad Pt-Co. 3
DUREZA CALCICA ( CaCo3 ) 63 TURBIDEZ, NTU 4,49
Fuente: Laboratorio de Ingeniería Ambiental: Centro de Investigación del Agua. LUZ
DERECHOS RESERVADOS
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En el Tabla 4 se exponen la Composición Química de los resultados de la muestra del
agua de los Pozos del Bajo en el Municipio San Francisco, obteniéndose valores de Cl
19mg/L; SO4 9,7mg/L; Fe 4,8mg/L; DT 78 mg/L; CaCo363. Al confrontar la información
con la propuesta teórica de Díaz (2002), es posible establecer que los resultados son
consistentes con la composición químicas del agua subterránea natural, las cuales en su
mayoría poseen sustancias disueltas que se encuentran en estado iónico.
Este autor explica específicamente que los Cloruros no se oxidan ni reducen, pueden
encontrarse en concentraciones entre 10 y 250 ppm en estas aguas. Los Sulfatos se encuentra
en forma de sales de moderadamente solubles a muy solubles con concentraciones entre 2 y
150 ppm; Tambien el Calcio se encuentra en forma de sales, es muy fácil de precipitar como
CaCO3 alcanzando concentraciones entre 10 y 250 ppm asociado al aporte de dureza cálcica
con producción de incrustaciones. La dureza total es la suma total de las concentraciones de
sales de calcio y magnesio (Ca+2 y Mg+2), en menor cantidad Fe+2 y Mn+2 y otros
alcalinotérreos.
Respecto a las Características Físicas, se comprobó que esta agua de Pozos del Bajo
tienen Ph 7.49; alcalinidad 63; conductividad 0.229 µS/cm, color Unidad 3 Pt-Co y turbidez
4,49 NTU. Al confrontar los resultados con la propuesta teórica obtenida en
http://www.analizacalidad.com/paragua.htm, se pueden verificar que:
El pH del agua indica la reacción ácida ó básica, por lo general las aguas naturales
tienen un cierto carácter básico, unos valores de pH comprendidos entre 6,5-8,5; la
alcalinidad: es la calidad del agua de neutralizar, evita que los niveles demasiado ácidos o
básicos; la conductividad es una medida de la resistencia que opone el agua al paso de la
corriente eléctrica entre dos electrodos impolarizables sumergidos en la misma, una
conductividad elevada se traduce en valores anómalos de pH. Por su parte, el color
dependiendo de la evolución del terreno calcáreo puede ser débil a menos que estén cargadas
con sales de hierro, se mide en unidades de Pt-Co y la turbidez es provocada por la materia
insoluble, en suspensión o dispersión coloidal; la turbidez se mide en unidades nefelométricas
de turbidez (NTU).
DERECHOS RESERVADOS
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Tabla 5. Valores de las propiedades Fisico-Químicas obtenidas vs. Parámetros permitidos por la OSM
COMPOSICIÓN QUIMICA MUESTRA
AGUA DE POZO VALORES PERMITIDOS
(OMS)
CLORUROS (Cl) 19 mg/L 300
SULFATOS ( SO4 ) 9,7 mg/L 500
HIERRO (Fe) 4,8 mg/L 0,30
DUREZA TOTAL (DT) 78 mg/L 400
DUREZA CALCICA ( CaCO3 ) 63 175
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS
pH 7.49 6,00-9,00
ALCALINIDAD, mgCaCO3/L 63 175
CONDUCTIVIDAD 0.229 µS/cm 400
COLOR, Unidad Pt-Co. 3 15
TURBIDEZ, NTU 4,49 5 NTU
Ideal por debajo de 1 NTU
Al confrontar la información obtenida con los parámetros establecidos por la
Organización Mundial de la Salud (OMS) Los datos comparados que se presentan en el
Cuadro 5, se observó que ningún parámetro físico o químico excede de los valores
establecidos por la OMS, a excepción del hierro (C. Química) y turbidez (C. Física), respecto
a los límites permitidos por la referida organización; lo cual indica que no es apta para el
consumo humano y que debe ser sometida a un tratamiento de remoción de hierro, lo cual
corregiría la Turbidez, producto de las partículas de hierro que se encuentran en el agua en
forma ferrosa o férrica y las posibles bacterias del hierro como Leptothrix, Crenothrix y
Streptothrix.
DERECHOS RESERVADOS
67
La turbiedad medida a través del procedimiento nefelometrico estándar que resultó de
4,49 NTU, se debió a la presencia de Fe de 4,8 mg/L el cual está muy por encima de de 0.30
mg/L permitido; el cual fue obtenido a través del Método Estandarizado ASTM E394 – 09
Standard Test Method for Iron in Trace Quantities Using 1,10– Phenanthroline Method.. La
teórica relacionada expuesta por OPS (2005), explica que existe una guía de Calidad para
Aguas de Consumo Humano determinada por la OMS, la cual constituye una herramienta
válida referida a la calidad fisicoquímica del agua destinada al consumo del hombre.
Con respecto a la Fase 2, relativa al método de oxidación/filtración para remoción de
hierro. Aun cuando fueron revisados en la literatura otros métodos de tratamientos para agua
proveniente de pozos, las pruebas preliminares permitieron reafirmar la necesidad de adoptar
como estaba previsto el método de filtración directa ó por oxidación/filtración, debido a su
fácil adaptación al entorno casero, pues ocupa poco espacio físico y ofrece eficacia en el
proceso con respecto a la calidad del agua que se obtiene una vez tratada para la remoción del
hierro y la turbiedad.
En tal sentido, se requirió el diseño de una planta de tratamiento de agua por filtración
directa que permita el adicionamiento de coagulante y cloro al agua proveniente de la fuente
subterránea como inicio del proceso, de manera que las partículas solubles en el agua con el
coagulante se conviertan en insoluble y por lo tanto se adhieren fácilmente al lecho filtrante.
En este modelo producto de la investigación, el proceso se inicia en un tanque de un
volumen de 1000L que sirve para depositar el agua a tratar donde se agregan según los
cálculos definidos el coagulante y el cloro; luego la composición pasa a tanque de retención
de forma cilíndrica de un volumen de 75 L, cuya función es proporcionar mayor tiempo a la
formación de los flóculos en el agua antes de entrar al lecho filtrante.
Luego el proceso continúa a través de un filtro de forma cilíndrica con un volumen de
455 L, que tiene un diseño de geometría descendente, para el aprovechamiento eficiente por
medio de la gravedad; en el cual se encuentra el lecho filtrante conformado por una
proporción previamente determinada de arena, grava fina y gruesa. Los tanques están
conectados por un sistema de tubería para la salida y paso de un tanque a otro, incluyendo la
DERECHOS RESERVADOS
68
tubería de purga del sistema y conexiones eléctricas con una bomba que envía el agua tratada
a al tanque de reposo.
Estos resultados son consistentes con la literatura en la cual Sommerrfeld (2000),
sostiene que el método de oxidación/filtración para remoción de hierro, consiste en un sistema
de dosificación de productos químicos que permitan la corrección de pH, oxidación química,
para luego proceder a la decantación, mediante el uso de medios filtrantes acondicionados,
para lo cual se requiere un tanque de retención y un sistema de ajuste de pH pudiendo utilizar
para ello cal hidratada Ca(OH)2 o carbonato de sodio (Na2CO3) y como agentes oxidantes gas
cloro o hipoclorito; cuya medida se considera dependiendo de la concentración de
componentes ferrosos previamente determinada.
Figura 8. Esquema del Proceso de Tratamiento de Hierro Oxidación/ Filtración
Fuente: http://www.fortunecity.es/felices/andorra/51/tratamiento_del_agua.htm
En cuanto a la Fase 3, referente a identificar la dosificación de productos químicos, los,
las pruebas se realizaron en el laboratorio de la empresa Vencloro C.A., donde se dispuso del
equipo necesario, de lo cual se obtuvo la dosificación del cloro, coagulante y necesidades de
control del pH, mediante análisis de laboratorio.
Lecho filtrante
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En tal sentido, se realizaron las siguientes pruebas en el laboratorio de la empresa
Vencloro, C.A.; con la utilización de equipo y materiales conformados por un set de
agitadores mecánicos controlados por un aparato que regula su velocidad, 3 vasos de
precipitados de 1000 ml y una lámpara de iluminación, mediante la aplicación de lo que se
conoce como la prueba de Jarra que se ilustra en las figuras a continuación:
Fig. 9 Equipo para prueba de jarra.
Fig. 10. Vasos de precipitados
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Los vasos de precipitado presentados en la figura anterior se llenaron con 1000 ml c/u
del agua de la muestra de Pozo proveniente del Bajo Municipio San Francisco y se procedió a
adicionar una gota de cloro a cada vaso, como se muestra en la Figura 11.
Fig. 11 Prueba de jarra, Adición de cloro.
Asimismo, se realizó una dilución de 10cc de Policloruro de aluminio en 240ml de
agua destilada. Entonces cada gota de esta dilución es igual a 2.4 ppm. Para la prueba en los
mismos vasos se procedió de la siguiente manera:
.- Al primer vaso se le adicionaron 2,4 ppm de Policloruro de aluminio.
- En el segundo vaso de precipitado 24 ppm de Policloruro de aluminio.
- Para el tercero 48 ppm de Policloruro de aluminio.
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Fig. 12 Ensayo de coagulación, Adición de policloruro de aluminio.
Luego se mezclaron, mediante agitación durante 2 minutos para que el coagulante y
3el cloro procedan a causar la reacción, con la ayuda del equipo tal como se observa en la
Figura 13.
Fig. 13 Ensayo de cloracion-cagulaciono.
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Fig. 14 Cloracion –coagulación, Resultados finales.
Los resultados finales, luego de los aditivos mencionados; al medir de nuevo los
niveles de hierro y Turbiedad en las muestras fueron: para el hierro por el método
estandarizado, no arrojó ninguna lectura en las tres jarras, lo cual ocurre cuando la
concentración se encuentra dentro del estándar requerido. La Pruebas de turbiedad que antes
de tratar fue de 4.49 NTU, resultaron las siguientes:
Muestra de agua tratada (1) (11:45am): 0.65 NTU
Muestra de agua tratada (2) (12:15pm): 0.55 NTU
Muestra de agua tratada (2) ( 1:45pm): 0.29 NTU
Una vez obtenidos y verificados los resultados, del análisis al contenido final de cada
vaso de precipitado, se adoptó como la mejor opción la segunda relación:
Por cuanto los resultados de las pruebas indican que para la oxidación a modo de
transformar el hierro soluble en la masa de agua ferrosa a hierro insoluble (férrico), así como
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otros componentes asociados al mismo; al agregar el cloro se produce una reacción de
oxidación con cloro concentrado que sería:
3 Fe2+ + 2 NaClO + H2O 2 Fe3+ + 2 NaCl + O2 + H2O
La proporción estequiométrica del Oxígeno y el Hierro es de 0,55:1 peso a peso.
Al tener de acuerdo a los resultados y el diseño de la Planta una concentración
estimada en el agua a tratar de 4,8 ppm. De Hierro, se deben adicionar
0,55 * 4,8 = 2,64 ppm de NaClO
Asimismo, por recomendación del experto de Vencloro, se consideró agregar 0,5 ppm
más de NaClO para las necesidades de desinfección de microorganismos patógenos, otros
compuestos reductores y el residual de cloro, resultando de:
2,64 ppm + 0,5ppm = 3,14 ppm de NaClO = 3,14 ml
Al calcular 3,14 ppm de NaClO para cada mil litros, equivale a 3.140 ml
Por otra parte, respecto a los 24 ppm de Policloruro de Aluminio, para cada 1000 mil;
al transferir los resultados obtenidos al prototipo para tratar el agua del pozo, se multiplicó
24ppm por los 1000L del tanque de retención para el tratamiento; esto, originó un resultado
de 24000ppm; si una gota es igual a 60 ppm entonces a los mil litros se le deben adicionar
400 gotas de Policloruro de aluminio en forma líquida al 0.002%.
Dado los cálculos pertinentes donde 20 gotas son igual a 1cc entonces deben ser
agregados 20cc de Policloruro de aluminio a cada mil litros de agua. En relación al pH los
resultados indicaron que el control del mismo lo realiza la misma concentración de NaClO;
pues al ser medido al final de la prueba se mantuvo dentro de los límites razonable según los
parámetros permitidos.
Al confrontar los resultados con el punto de vista teórico, la dosificación de productos
químicos para la remoción de hierro de las aguas de pozos subterráneos, es consistente con la
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propuesta teórica de Burbano y Sánchez (2001), quienes indican que para oxidar el hierro es
ideal el Cloro, el pH normalmente en un rango entre 4 y 10, pero es óptimo 7. Asimismo, es
necesario agregar coagulante para aglomerar las partículas oxidadas y formar flóculos con
tamaño para ser filtrados, junto con otras impurezas que pueda contener el agua como
partículas coloidales, sustancias húmicas y microorganismos que puedan ser atrapados, tal
como se explicó en la presente fase.
Para dar cumplimiento a la Fase 4. requerida para especificar el tipo de filtro
requerido, se tiene en el prototipo un recipiente de forma cilíndrica con un volumen de 455 L,
en el cual se encuentra el material filtrante conformado por un lecho multiple constituido por
capas contentivas de: H1 con 26,25 cm de grava fina, otro H2 con 26,25 cm de grava gruesa y
H3 con 52,5 cm de arena. Para el proceso, el agua es conducida a los filtros por la parte
superior y luego pasa al tanque de almacenamiento, al cual entran y salen tuberías
individuales. con sentido del flujo descendente a presión que requiere un control operacional
de encendido apagado manual para la bomba.
L Altura de tanque = 150 cm
D Diámetro de tanque = 60 cm
H3 = 52,5 cm (altura de me material filtrante arena 20/40)
H2 = 26,25 cm (altura de me material soporte grava 3/16 3/16)
H1 = 26,25 cm (altura de me material soporte grava 3/8 3/16)
E = 45 cm (altura de cámara de expiación)
Fig. 15 Datos relativos a las cámaras del filtro
La recopilación teórica acerca de los filtros, de acuerdo a OPS (2005), indica que el
Filtro de arena y grava. permite atrapar una variedad de partículas, que son de un diámetro
mayor que el poro del manto de arena. Se pueden usar mantos de arena sola o combinando
E
L
H 1
D
H 3
H 2
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antracita con arena o con granate. La perdida de carga es baja (1.2 a 1.5 m). La máxima
turbiedad del agua natural sin tratar no debe ser mayor a 25 ppm.; si fuera mayor se debe
tratarse previamente, en esta investigación la turbiedad se eliminó al reducir niveles de hierro.
4.2. Diseño y Construcción de la Planta
Finalmente en cuanto a la Fase 5, relativa al Diseño y Construcción de Planta
Doméstica para tratamiento de remoción de Hierro. por el método oxidación-filtración.
4.2.1. Diseño de la Planta.
Para el Diseño se obtuvo el apoyo de los expertos de Vencloro; quienes contribuyeron
a la adopción de las especificaciones del equipo para el diseño. En la Figura 16 se exponen
medidas y ensamblaje del Diseño a Escala con dimensiones en milímetros 1: 20.
Fig. 16 Diseño de la planta de tratamiento vista lateral
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4.2.2. Descripción de las partes que conforman el equipo
- Un Tanque de Depósito de agua conico liso (tipo vaso), ancho de base 0.79 metros,
ancho superior 1.17 metros y altura 1.53 metros, con un volumen de 1000 L; en él cual se
almacena el agua a tratar. A partir de la consulta bibliográfica se desarrollaron las
ecuaciones de oxidación del hierro y mediante la asesoría de los expertos de Vencloro,
C.A.y equipos de la empresa, se determinaron los cálculos a fin de proceder a la
descripción de los químicos a utilizar como son el 3,14 ppm de NaClO para cada mil litros
de agua, equivalentes a 3.140 ml.; así como los 20cc de Policloruro de Aluminio para los
mismos mil litros.
Fig. 17 Tanque de deposito para tratamiento del agua de pozo
- El tanque de retención tiene un volumen de 75 L, es de forma cilíndrica, tiene
como función darle mayor tiempo de formación de coágulos al agua antes de entrar al filtro.
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Fig. 18 Tanque de retención o reposo
- Un filtro de forma cilíndrica y con un volumen de 455 L; contentivo del material
filtrante constituido por 26,25 cm de granate, 26,25 cm de grava y 52,5 cm de arena fina.
Fig. 19 Filtro (Interior lecho filtrante)
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- Los sistemas de tubería para la salida y pasos de un tanque a otro se diseñaron para
que el sistema trabaje de la forma más compacta posible y reduciendo el costo de
fabricación al evitar el uso de bombas adicionales para manejar el fluido de trabajo. Las
diferentes tuberías que intervienen en el proceso son de plástico con uniones roscadas.
- La bomba Centrífuga es de Modelo: Cpm 620 con Potencia Máxima de 1 HP y las
conexiones eléctricas, fueron ubicados lo más cerca del suelo posible debido a que en sus
respectivas fases de operación normal, emiten una serie de fuertes vibraciones, las cuales
pudiesen afectar el funcionamiento de la bomba, así como también para garantizar el fácil
acceso a los mismos durante los periodos de operaciones y posibles reparaciones del
equipo.
Fig. 20 Bomba centrifuga
- En la descarga de la bomba se le anexó una válvula de globo para poder manejar el
caudal de la planta a conveniencia.
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Fig. 21 Válvula de globo
- Para la base del Equipo, se utilizaron vigas y láminas de acero en la estructura de la
base, dada su alta resistencia a los esfuerzos. Dichas láminas fueron trabajadas utilizando
procesos como el oxicorte, esmerilado y soldadura apropiados para este tipo de materiales.
4.2.3. Proceso de Construcción de la Planta de Tratamiento.
La describir el Proceso de Construcción de la Planta de Agua, ha sido subdividido
en etapas los cuales se presentarán a continuación:
Etapa 1: Conexión .agua del Pozo sin tratar – Tanque de Depósito. En este
tanque de mil litros, se realiza la dosificación de químicos. El agua proveniente del pozo es
extraída mediante bomba sumergible previamente instalada en el sitio (Etapa de enlace
previa de conexión al equipo en cuestión)
Etapa 2: Tanque de depósito de agua – Bomba de agua. Sale el agua del tanque
por medio de la succión de la bomba. En ésta se encuentran ubicados una válvula de bola,
una válvula check y una unión patente.
Etapa 3: Bomba de agua – Entrada al Tanque de Retención. El agua va desde el
tanque de depósito succionada por la bomba hasta la entrada del tanque de retención hacia
lo conexión ubicada en la parte superior de este tanque. En este tramo se encuentra una
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unión patente. Así mismo, en la parte inferior del tanque de retención se encuentra ubicado
un sistema de tubería para purgar el agua cuando la planta lo requiera.
Etapa 4: Salida del tanque de retención – Entrada al filtro. El agua sale de la
parte inferior del tanque de retención hasta la entrada del filtro ubicada en la parte superior
de éste. En éste tramo se encuentran ubicadas una unión patente y dos válvulas de bola. El
equipo prevé un sistema de lavado del filtro, de modo que la geometría de la planta permite
que el filtro pueda ser lavado por medio de un retro lavado cuando se requiera.
Etapa 5 Salida del Sistema. El agua sale ya filtrada por la parte inferior del filtro
y llega hasta un depósito de agua. En este tramo se encuentra ubicada una válvula de bola.
Luego de construida y probada la planta de tratamiento, se realizaron los análisis
correspondientes para garantizar el cumplimiento de acuerdo a la normativa ambiental
venezolana. De modo que fueron hechas pruebas de turbiedad y niveles de hierro, a través
de un análisis químico, el cual arrojó resultados óptimos de desempeño del equipo.
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CONCLUSIONES
Se concluye respecto a caracterizar el agua proveniente de pozos de agua ubicados
en las Zonas Rurales del Municipio San Francisco, de acuerdo a la muestra analizada, que
sus componentes químicos se encuentran dentro de los parámetros establecidos por la
Organización Mundial de la Salud, a excepción del hierro (Fe) que excede
considerablemente el valor máximo permitido.
Este parámetro excedido de 4,8 ppm de hierro, causa turbiedad a esta agua en 4,49
NTU, producto de las partículas de hierro en forma ferrosa o férrica y las posibles bacterias
del hierro como Leptothrix, Crenothrix y Streptothrix. De modo que, aunque no se conocen
efectos dañinos con la ingesta de pocas cantidades, dosis prolongadas o ingestas continua,
pueden causar en el individuo problemas de salud intestinales, cutaneos e irritación en la
vista; así como daños en tuberías de baños, cocina, utensilios, ropa manchada, entre otros.
En lo que respecta al Proceso de Filtración Directa por el Método de Oxidación –
Filtración; previamente establecido para la investigación; del análisis, se concluye que la
selección de una planta con características tales, ofrece eficiencia debido a su diseño y
construcción pues dados los resultados de análisis químicos, el equipo puede controlar
parámetros de turbiedad menores de 10 NTU y altos niveles de Hierro; debido a la
configuración del filtro descendiente para aprovechar la fuerza de gravedad en la etapa de
filtración.
En cuanto a la dosificación de productos químicos, se concluye según las pruebas
que se realizaron con el apoyo del Laboratorio de LUZ y expertos de Vencloro, que la
Planta, considerando la proporción estequiométrica del Oxígeno y el Hierro de 0,55:1 peso
a peso; requiere una concentración estimada para oxidar el hierro de estas aguas
subterráneas y la desinfección de microorganismos patógenos de 3,14 ppm de NaClO
equivale a 3.140 ml., para cada mil litros y la adición de 20cc Policloruro de aluminio en
forma líquida al 0.002% como coagulante; por cuanto al medir de nuevo los niveles de
hierro no se obtuvo ninguna lectura del mismo y la turbiedad resultó inferior a 1 NTU
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En relación a especificar el tipo de filtro requerido, se concluye que la mejor opción
para conformar el equipo fue el filtro combinado de Grava y Arena, la cual fue colocada en
un recipiente en forma cilíndrica de 455 L, quedando constituido el lecho filtrante por tres
capas contentivas de: H1 con 26,25 cm de grava fina, otro H2 con 26,25 cm de grava
gruesa y H3 con 52,5 cm de arena.
Respecto al diseñó la planta de agua, se concluye en un prototipo de forma compacta
y sencilla como se había previsto, siguiendo las características propias de un sistema de
filtración directa por Oxidación/filtración para uso doméstico cuya eficiencia cumple con
los requerimientos exigidos referentes a turbiedad (menor a 1 NTU) y disminución de
Hierro a los parámetros permitidos.
Finalmente, la investigación concluye con la construcción de la planta de
tratamiento de agua potable, de acuerdo a los parámetros de diseño establecidos, la cual fue
puesta en marcha, logrando que el agua tratada alcanzara niveles de turbiedad y
concentración de hierro consistentes con las especificaciones permitidas por la
Organización Mundial de la Salud (OMS).
Este proceso se sistematizó en tres partes: En la primera, luego de realizado el
diseño, se procedió a la descripción de las partes que conforman el equipo para proceder a
su obtención; en la segunda se llevó a cabo el Proceso de Construcción de la Planta y en la
tercera la verificación de su desempeño mediante pruebas para comprobar los resultados del
agua tratada; lo cual permite concluir que este proceso de filtración directa es adecuado
para el tratado de aguas con alto contenido de hierro, disminuyéndose su turbiedad con un
sistema sencillo, accesible y fácil de mantener por sus usuarios generalmente del ámbito
rural.
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RECOMENDACIONES
A través de la interpretación y el análisis de los resultados obtenidos en ésta
investigación se pueden realizar las siguientes recomendaciones:
- Disponer las acciones necesarias para que los usuarios tenga acceso a la
adquisición de este tipo de planta de tratamiento de agua para remoción de hierro que les
permita solventar la problemática de esta agua de pozos con altos contenido de hierro.
- Realizar continuamente chequeos al conjunto de componentes del sistema para
ejecutar una adecuada planificación del mantenimiento y limpieza y así prolongar la vida
útil de la planta de tratamiento y de la calidad del proceso.
- En la práctica utilizar un tanque de retención de mayores dimensiones para
aprovechar más eficientemente el caudal obtenido de la bomba, con una mayor fluidez para
el tratamiento o hacer pruebas con una bomba centrifuga de menor potencia para un control
más apropiado de caudal reduciéndose la intervención manual.
- Utilizar la base de esta investigación en otros estudios mecánicos, para adoptar la
posibilidad de emplear de manera alterna un sistema de dosificación de cloro y coagulante
que sea automático para aumentar la eficacia y tecnificar la practicidad de la planta de
tratamiento.
DERECHOS RESERVADOS
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DERECHOS RESERVADOS
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ANEXOS
DERECHOS RESERVADOS
PLANTA DOMESTICA DE REMOCIÓN DE HIERRO POR EL MÉTODO OXIDACIÓN FILTRACIÓN PARA AGUAS DE POZOS SUBTERRÁNEOS
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ANEXO 1. DIMENSIONES PLANTA DE TRATAMIENTO
DERECHOS RESERVADOS
PLANTA DOMESTICA DE REMOCIÓN DE HIERRO POR EL MÉTODO OXIDACIÓN FILTRACIÓN PARA AGUAS DE POZOS SUBTERRÁNEOS
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ANEXO 2. FILTRO DE ARENA Y GRAVA
DERECHOS RESERVADOS
PLANTA DOMESTICA DE REMOCIÓN DE HIERRO POR EL MÉTODO OXIDACIÓN FILTRACIÓN PARA AGUAS DE POZOS SUBTERRÁNEOS
89
ANEXO 3. TANQUE DE RETENCIÓN
DERECHOS RESERVADOS
PLANTA DOMESTICA DE REMOCIÓN DE HIERRO POR EL MÉTODO OXIDACIÓN FILTRACIÓN PARA AGUAS DE POZOS SUBTERRÁNEOS
90
ANEXO 4. PLANO ISOMÉTRICO DE LA PLANTA
DERECHOS RESERVADOS
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