INSTITUTO INTERNACIONAL DE FORMACIÓN AMBIENTAL

INSTITUTO LATINOAMERICANO DE CIÉNCIAS

MÁSTER TRATAMIENTO DE ÁGUAS

DIPLOMADO 4 – CURSO 1 (TAREA 10):

Diseño de Tratamiento de Agua en una Instalación Hotelera

Ing. Cícero L. D. Franco

Tutor: Prof. Dr. Eduardo Márquez

2012

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INTRODUCCIÓN Ese trabajo presenta una solución para un caso practico en una instalación hotelera. INSTALACIÓN El hotel es abastecido por una fuente de agua subterránea que presenta un nivel un tanto alto de sólidos totales disueltos. El agua es bombeada para una cisterna. Desde ahí, el agua es bombeada hasta un tanque elevado que abastece toda la instalación. El análisis del agua disponible está indicada en la Tabla 1, abajo. Notamos que algunos contaminantes importantes, como el sílice y el magnesio, no están contemplados. También no hay informaciones sobre la turbidez y color del agua.

Parámetro Concentración media pH 8.09

Sodio mg Na+/L 108.1 Cloruro mg Cl-/L 136,7

Sulfato mg SO42-/L 76,2

Magnesio mg CaCO3/L 146,0 Calcio mg CaCO3/L 281,2

Dureza total mg CaCO3/L 427,2 Alcalinidad total mg CaCO3/L 376,4

Aluminio mg Al3+/L 0.09 Hierro mg Fe2+/L 0,25

Sólidos totales disueltos mg/L 514.26 Tabla 1: Calidad de agua de abastecimiento

Es notable aún que los sólidos totales disueltos no correspondan a la suma de los contaminantes individuales. Así siendo iremos considerar el valor total de la suma de los contaminantes después de hacer un balance iónico. La instalación tiene sólo una red de agua fría y tiene un consumo total de 25,2 m³/h, fornecido por dos bombas en paralelo de 210 l/min cada. EQUIPO EXISTENTE El hotel tiene un pretratamiento compuesto por un filtro de lecho profundo de arena, un filtro de carbón activado y una dosificadora de cloro. El filtro de arena es un modelo LP-60 con una capacidad de tratamiento mayor que las necesidades actuales. Ello fue proyectado para un caudal de servicio ente 370 y 1.113 l/min (22,2 y 66,8 l/h) y un retrolavado de 1.040 l/min (62,4

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m³/h). El filtro opera con bombas de 210 l/min y la caída de presión sobre ello es mucho mayor que un valor considerado adecuado por no ser hecho un retrolavado correcto, ya que tenemos limitaciones de las bombas. Ya el filtro de carbón es un modelo CA-54, con un caudal de servicio entre 180 y 600 l/min (10,8 y 36 m³/h) y un retrolavado de 600 l/min (36 m³/h). La dosificadora de cloro está en la salida del tanque y dosifica el producto en función de la concentración de cloro medida. PRETRATAMIENTO

1. Consideraciones iniciales Primeramente hay la posibilidad de utilizarse como tratamiento final del agua un equipo de ósmosis inversa, tenemos que considerar el caudal de rechazo para la producción del mismo valor de permeado, cual sea, 25,2 m³/h. Así siendo, tenemos que primeramente determinar el abasto de la ósmosis para calcular el nuevo consumo del filtro. Puédese decir sin errores, que, dada la salinidad del agua de pozo, que no pasará de los 37,8 m³/h, que es para una reconversión de 66,7% (25,2 x 1,5). Es bastante posible, incluso, que consigamos mantener el consumo de agua por la ósmosis en un valor debajo de los 36 m³/h que es el límite superior del filtro de carbón activado. Según la descripción fornecida por el hotel, tenemos un pozo, una cisterna y un tanque elevado. Tenemos que ver la distribución del pretratamiento en ese sistema. Como hay hierro y aluminio en el agua del pozo, es posible hacer una primera dosificación de cloro bien en la salida del bombeo. Después hacer el caudal pasar por el filtro de arena y ahí si, llegar con el agua ya filtrada en la cisterna. Así la cisterna recibirá el agua con una cantidad baja de sólidos suspensos y con bajos valores de los dos metales, ya que el cloro los oxidará. El agua también llegará con la protección contra contaminación bacteriana. El restante del tratamiento, incluso el filtro de carbón y la ósmosis o el sistema de cambio iónico se quedarán entre el bombeo de la cisterna para el tanque elevado. La dosificadora de cloro hoy existente podrá estar instalada posteriormente al tratamiento principal del agua, protegiendo el tanque y toda la línea de distribución del agua. Por último es interesante ver si no hay algún problema con el pozo. Mismo que el filtro de arena esté trabajando con un caudal debajo del nominal, el agua de pozo normalmente tiene bajos valores de sólidos suspensos. Si el pozo es profundo y está tomando el agua de algún acuífero, puede estar ocurriendo contaminación por agua de lo freático debido a alguna falla en el sello sanitario del pozo o mismo por desmoronamiento de su pared.

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2. Filtro de Lecho Profundo: Mientras agua de pozo normalmente presenta baja turbidez, está ocurriendo un ensuciamiento en el filtro de profundidad. Realmente ello presenta un caudal de retrolavado bien más grande que el caudal de servicio, que es como el filtro está sendo mantenido. Así siendo tenemos dos opciones. La primera es ponerse una bomba que fornezca un flujo mayor de agua para atender las necesidades del filtro o, las segunda, es redimensionar el filtro para que quédese adecuado a las necesidades del hotel. Abajo, en la Tabla 2, están presentados dados importantes de diversos medios filtrantes. Ella será bastante útil para la determinación de parámetros importantes para el prefiltrado.

Tabla 2: Medios filtrantes (de Water Technology, EUA)

No tenemos como disminuir el caudal de retrolavado del filtro, puesto que el parámetro para determinarse ese flujo es el área del filtro. Así siendo, podemos determinar un valor aproximado para el área dividiéndose el caudal por el valor de la columna de backwash de la arena en la Tabla2. Así, tenemos que 1.040 l/min (275 gpm) determina un área nominal de 15,28 sqft. Es conveniente notar que ese área nominal no es necesariamente el área real del filtro, puesto que no se tiene conocimiento si su fabricante utilizó el mismo criterio, pero, para efectos de cálculo, ese área nominal sirve. Lanzándose mano de los caudales nominales de servicio (3 gpm/sqft) y máximo (5 gpm/sqft), tenemos valores nominales de caudal de servicio entre 46 y 76,4 gpm (174 y 289 l/min) que son bien debajo de los valores informados pelo fabricante. Eso podría explicar la caída de presión reclamada por el hotel. Otro filtro para remoción de sedimentos que, incluso, es más eficiente que el filtro de arena, es el filtro multimedios, que tiene camadas sobrepuestas de distintos medios. Normalmente son utilizados antracita con una granulometría más grande, arena, con granulometría media y granada, con granulometría

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más pequeña. Los medios presentan densidades distintas, pero al revés, de modo que siempre se mantienen sobrepuestos. Cambiándose el filtro de arena para un multimedios, su desempeño será mejor, con un caudal de servicio entre 11 y 16, bien como el retrolavado de 15 gpm/sqft. Así siendo, como el área nominal permanece la misma, el caudal de servicio aumenta para valores entre 168 y 244,5 gpm (636 y 926 l/min), con un retrolavado más bajo, en 229 gpm (867 l/min). Comparándose con el caudal máximo de abasto para la ósmosis inversa (que es el peor caso, puesto que el cambio iónico opera sin rechazo), que es de 37,8 m³/h (630 l/min), tenemos condiciones de operar con ese filtro sin problemas de desabastecimiento de agua, caída de presión muy larga y baja calidad de filtración. Para el uso del filtro multimedios entre la bomba del pozo y la cisterna, necesitaremos de un bombeo de cerca de 870 l/min, suficiente para el retrolavado y para una operación consistente del filtro. Caso no sea posible, debido a las bombas disponibles, un bombeo de pozo del valor arriba, siendo limitado al caudal máximo de abasto de la ósmosis inversa, se puede hacer el retrolavado del filtro con el agua de la cisterna, por intermedio de una bomba auxiliar que pueda fornecer el caudal necesario, o mismo por manobras de válvulas que abastezcan el filtro durante el retrolavado con parte de agua del pozo y parte del agua de la cisterna por intermedio de la propia bomba de abasto del filtro de carbón.

3. FILTRO DE CARBÓN ACTIVADO Para ese filtro se puede hacer los mismos cálculos del filtro de profundidad. En ese caso, tenemos por la tabla 2, que un caudal de retrolavado de 600 l/min (158,5 gpm). Eso determina un área nominal de 17,6 sqft. Así, el caudal de servicio estará entre 52,8 y 88 gpm (240 y 400 l/min). El valor máximo está por debajo del valor fornecido pelo fabricante y, mientras atienda prácticamente en consumo del hotel (420 l/min) con un error de 5%, que está seguramente dentro de una buena operación del filtro, estará debajo de la operación con la ósmosis inversa. Así siendo, se puede mantener el filtro de carbón en caso de utilización de un sistema de cambio iónico, pero es necesario buscarse otra alternativa para el usos del sistema con un aparato de ósmosis inversa. SOLUCIÓN POR CAMBIO IÓNICO La primera consideración para el uso de un sistema de cambio iónico es que tipo de intercambiadores serán usados. Por la Tabla 1, es visto que se tiene dureza bastante alta y también alcalinidad. El hierro y aluminio están también un tanto elevados, pero el uso de dosificación de cloro en la entrada del

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pretratamiento precipitará grande parte de eses metales, sino totalmente. Los demás contaminantes están con valores razonables. Como es pH es alto, es bien posible haber precipitación de carbonato de calcio. Haciéndose el cálculo del Índice de Saturación de Langelier, siendo que: SDI = pH – pHs Siendo el pH el valor presente en el agua de abasto, o sea 8,09 y pHs el valor de pH en que el calcio precipitará. Ese valor es dado por: pHs = A + B – log[Ca+2] – log[M] Los valores de A y B dependen de la temperatura y de los sólidos totales disueltos y los logaritmos son de la concentración de calcio y de la alcalinidad, ambos en mg/l como CaCO3. No sabemos la temperatura, entonces estamos considerando que sea 25°C. Ya los sólidos totales disueltos son, por la Tabla 1, 514 mg/l. Así siendo, tomamos los valore de A y B en las Tablas 3 y 4 abajo.

Tabla 3: Valores de “A” en función de la temperatura para cálculo de SDI

Tabla 4: Valores de “B” en función de los sólidos totales disueltos para cálculo de SDI

Entonces, sustituyendo los valores en la ecuación arriba, se tiene: pHs = 2 + 9,87 – log[281,2] – log[376,4] = 6,87 SDI = 8,09 – 6,85 = 1,24

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O sea, habrá precipitación de carbonato de calcio en el sistema. La solución será quitarse la dureza o la alcalinidad o ambas. La primera opción sería el uso de un suavizador, pero el cambio de la dureza por sodio hará con que ese catión asuma un valor bastante elevado, saliendo de la zona de potabilidad. Apenas quitarse la alcalinidad con un descalcificador, no resolverá otro problema, que es la tendencia de un agua con dureza no hacer espuma, lo que es un inconveniente para un hotel, que, se no tiene lavandería, tendrá las duchas de los huéspedes. Entonces, la alternativa será hacer un intercambio iónico con deionización por resinas catiónica y aniónica fuertes regeneradas con ácido clorhídrico e hidróxido de sodio respectivamente. Utilizaremos resina catiónica C-100 y aniónica A-200 de la Purolite, presentadas en el resumen de la Tabla 5 abajo.

Tabla 5: Resumen de las resinas para el cambio iónico (PUROLITE, 2004)

1. RESINA CATIÓNICA

Para la remoción de los cationes del agua se utiliza una resina catiónica fuertemente ácida. Esa resina será regenerada con ácido y optamos por el ácido clorhídrico, puesto que el ácido sulfúrico puede generar sulfatos y precipitar con la dureza. Fue escullida la resina Purolite C-100. La capacidad de remoción de la resina es siempre más pequeña en H+ que en Na+, por características propias. Así, la capacidad máxima en ese caso es de 1,55 Eq/l de resina en H+ según la Gráfico X. Como el agua de abasto contiene cerca de 13,24 mEq/l y 25.200 l/h tendremos cerca de 334 Eq/h y algo como 8.000 Eq/día. Serán necesario por lo menos 5.150 litros de resina para esa operación. Para las condiciones operacionales padrones de la resina, tenemos la Tabla 6 abajo. Las condiciones de operación de servicio estipulan un rango de caudal entre 1,0 y 5,0 gpm/ft³ que, convirtiendo se queda entre 8 y 40 l/h / l de resina. Para el caudal estipulado de 25.200 l/h será necesario operarse la resina con un caudal de 4,9 l/h / l, abajo del rango de operación.

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Entonces el ideal es operarse con una campaña de 12 horas/día, o sea, 4.000 Eq para ser quitado por día y un volumen de resina de cerca de 2.600 litros. Así tendremos 9,7 l/h / l, dentro del rango de operación. Será necesario trabajar con un sistema en tándem, o sea, cuando una columna está en operación, la otra se queda regenerando o aguardando su vez.

Tabla 6: Condiciones operacionales de la resina Purolite C-100

Para determinarse el lecho de resina, la Tabla 6 indica que la profundidad sea igual o arriba de 700mm. Para el volumen de resina y un diámetro del tanque estipulado en 1,7 m², tenemos un área de 2,27 m², que resulta en una altura de 1,15 m. Como la columna necesita de un espacio libre mínimo de 50%, tendrá 2,3 metros de altura. Por la Tabla 5, el caudal de retrolabado será igual al flujo influente y el tiempo lo suficiente para pasar entre 2 a 8 BV, o sea, entre 5,2 y 20,8 m³ de agua. O sea, el tiempo estará entre 12 y 50 minutos. Se determina el tiempo de retrolabado en 20 minutos que es el tiempo máximo estipulado por el fabricante.

G

Grafico 1: Capacidad de operación

La regeneración tendrá que ser hecha por el ácido clorhídrico (HCl). Recurriéndose al Gráfico 1, tenemos que la dosis máxima de la solución de reneración será de 200 g/l de HCl [100%]. Como son 2.600 litros de resina,

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tenemos que regenerarla con 520 kg del ácido a 100% por día. Deberá pasarse 4 a 8 BV/h de ácido, o sea entre 10,4 y 20,8 m³/h, con una concentración entre 1 y 4% en un tiempo entre 30 y 45 minutos. Haciéndose los cálculos tenemos que pasar 13 m³ de HCl[4%]. Con un caudal de 20 m³/h pasamos la solución en cerca de 40 minutos. El enjagüe lento, por la misma tabla, debe tener el mismo flujo de la regeneración, o sea, 20 m³/h con una cantidad de 2 a 4 volúmenes de lecho, cual sea, 5,2 a 20,8 m³ en un tiempo de 15 minutos, o sea, un caudal entre 20,8 y 41,6 m³/h. Tenemos que aumentar el tiempo para 15,6 minutos para se acertar el volumen con el caudal. Entonces es posible hacer el enjagüe lento en 15 minutos preconizados. Ya el enjagüe rápido debe ser hecho con un caudal entre 10 y 40 volumen de lecho por hora, entre 26 y 104 m³/h y con un volumen total entre 3 y 6 lechos, entre 7,8 y 15,6 m³. Con un caudal de 25,2 m³/h y 8,5 m³ de volumen total de agua, tenemos un tiempo de 20 minutos.

Grafico 2: Caída de presión

Finalmente la caída de presión de la resina catiónica es determinado pelo Grafico 2. El flujo de entrada es de 25,2 m³/h en un área de filtración de 1,7 m², que resulta en 15 m/h. La caída de presión, para una temperatura de 25°C, estará debajo de 0,15 kgf/cm² por metro de altura del lecho. Como tenemos una altura del lecho en 1,15 metros, la caída de presión estará en cerca de 0,17 kgf/cm². OBSERVACIÓN: Los cálculos están aproximados, apenas para determinación de la viabilidad de la tecnología, pues no fueran consideradas las correcciones necesarias para la determinación precisa del punto de operación de la columna. RESUMEN DE LA COLUNA DE RESINA CATIÓNICA Medios filtrantes

Resina: Purolite C-100 catiónica fuertemente ácida. Suporte: Pedruscos de ½ ~ ¼”

Columna: Diámetro: 1,7 m; Altura total: 2,3 m Cantidad: 2 unidades.

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Servicio Volumen de resina: 2.600 litros Caudal de servicio: 25.200 l/h Campaña diaria: 12 horas/día Contaminantes influentes: 13,24 mEq/l Queda de presión: 0,17 kgf/cm²

Retrolavado

Expansión de retrolavado: 50% Caudal de retrolavado: 25.200 l/h Tiempo de retrolavado: 20 min

Regeneración

Solución: Acido Clorhídrico @ 4% Volumen de acido: 13.000 litros Capacidad: 1,55 mEq/l Campaña: 1/2 día Volumen del tanque: 15.000 litros Caudal de regeneración: 20.000 l/h Tiempo de regeneración: 40 min

Enjagüe Caudal de enjagüe lento: 20.000 l/h Tiempo de enjagüe lento: 15 min Caudal de enjagüe rápido: 25.200 l/h Tiempo del enjagüe rápido: 20 min

2. RESINA ANIÓNICA

Para la remoción de los aniones del agua se utiliza una resina aniónica fuertemente básica. Esa resina será regenerada con hidróxido de sódio. Fue escullida la resina Purolite A-200. La capacidad de remoción de la resina aniónica en ciclo OH- es más pequeño que en ciclo Cl-. La capacidad máxima de la resina es entonces de 0,88 Eq/l de resina, según el Gráfico X. Como el agua de abasto contiene cerca de 13,24 mEq/l y 25.200 l/h tendremos cerca de 334 Eq/h y algo como 8.000 Eq/día. Serán necesario por lo menos 9.100 litros de resina para esa operación. Usándose las mismas consideraciones anteriores, trabajaremos con dos columnas de resina aniónica con operación de 12 horas por campaña cada. Así, tendremos la mitad de la cantidad de resina, o sea 4.000 Eq/campaña. Para eso tenemos 4.550 litros de resina. Para las condiciones operacionales padrones de la resina, tenemos la Tabla 7 abajo. Las condiciones de operación de servicio del catálogo del producto estipulan un rango de caudal entre 1,0 y 5,0 gpm/ft³ que, convirtiendo se queda entre 8 y 40 l/h / l de resina. Para el caudal estipulado de 25.200 l/h será

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necesario operarse la resina con un caudal de 5,5 l/h / l, fuera del rango de operación recomendado pelo fabricante. Esa situación favorece la formación de canales preferenciales en el lecho, lo que es prejudicial a buena operación de la resina.

Tabla 7: Condiciones operacionales de la resina Purolite A-200

Para determinarse el lecho de resina, la Tabla 6 indica que la profundidad sea preferencialmente igual o arriba de 1.000mm, y siempre más grande que 610 mm. Para el volumen de resina y un diámetro del tanque estipulado en 2,0 m², tenemos un área de 3,1 m², que resulta en una altura de 1,5 m. Como la columna necesita de un espacio libre mínimo de 50%, tendrá 3,0 metros de altura. Por la Tabla 6, el caudal de retrolavado será igual al flujo influente y el tiempo lo suficiente para pasar entre 2 a 8 BV, o sea, entre 9,1 y 36,4 m³ de agua. O sea, el tiempo estará entre 22 y 87 minutos. Se determina el tiempo de retrolavado en 20 minutos que el tiempo máximo estipulado por el fabricante.

Grafico 3: Capacidad de operación

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La regeneración tendrá que ser hecha por el hidróxido de sodio (NaOH). Recurriéndose al Gráfico 3, tenemos que la dosis de la solución de regeneración será de 200 g/l de NaOH [100%]. Como son 4.550 litros de resina, tenemos que regenerarla con 910 kg de la soda a 100% por día. Deberá pasarse 2 a 4 BV/h de la soda, o sea entre 9,1 y 18,2 m³/h, con una concentración entre 3 y 6% en un tiempo entre 30 y 45 minutos. Haciéndose los cálculos tenemos que pasar 15,2 m³ de NaOH[6%] Con un caudal igual al de servicio, o sea 25,2 m³/h, pasamos la solución en 36 minutos. El enjagüe lento, por la misma tabla, debe tener el mismo flujo de la regeneración, o sea, 25,2 m³/h con una cantidad de 2 a 3 volúmenes de lecho, cual sea, 9.100 a 13.650 litros en un tiempo de 30 hasta 40 minutos. Podemos pasar este caudal en 30 minutos, haciéndose un volumen total de 12,6 m³. Ya el enjagüe rápido debe ser hecho con un caudal igual al de servicio, y con un volumen total entre 3 y 6 lechos entre 10 y 20 minutos. Para llegarse a 3 volúmenes de lecho, necesitamos aumentar el tiempo de enjagüe para cerca de 30 minutos.

Grafico 3: Caída de presión

Finalmente la caída de presión de la resina catiónica es determinado pelo Grafico 3. El flujo de entrada es de 25,2 m³/h en un área de filtración de 3,1 m², que resulta en 0,8 m/h. La caída de presión estará debajo de 0,1 kgf/cm² por metro de altura del lecho a una temperatura de 25°C.. Como tenemos una altura del lecho en 1,5 metros, la caída de presión estará en 0,15 kgf/cm². OBSERVACIÓN: Así como las cálculos anteriores, estos están aproximados, apenas para determinación de la viabilidad de la tecnología, pues no fueran consideradas las correcciones necesarias para la determinación precisa del punto de operación de la columna. RESUMEN DE LA COLUNA DE RESINA ANIÓNICA Medios filtrantes

Resina: Purolite A-200 aniónica fuertemente básica. Suporte: Pedruscos de ½ ~ ¼”

Columna: Diámetro: 2,0 m; Altura total: 3,0 m Cantidad: 2 unidades.

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Servicio Volumen de resina: 4.550 litros Caudal de servicio: 25.200 l/h Campaña diaria: 12 horas/día Contaminantes influentes: 13,24 mEq/l Queda de presión: 0,15 kgf/cm²

Retrolavado

Expansión de retrolavado: 50% Caudal de retrolavado: 25.200 l/h Tiempo de retrolavado: 20 min

Regeneración

Solución: Hidróxido de Sodio @ 6% Volumen de la soda: 15.200 litros Capacidad: 0,88 mEq/l Campaña: 1/2 día Volumen del tanque: 16.000 litros Caudal de regeneración: 25.200 l/h Tiempo de regeneración: 36 min

Enjagüe Caudal de enjagüe lento: 25.200 l/h Tiempo de enjagüe lento: 30 min Caudal de enjagüe rápido: 25.200 l/h Tiempo del enjagüe rápido: 30 min Utilizándose de la planilla desarrollada pela Purolite, presentada en Anexo al final de ese trabajo, llegase a valores un tanto distintos dos calculados arriba, pero también fuera del rango de operación preconizado pelo fabricante. Así siendo, la mejor alternativa sería reducir el tiempo de operación para 6 horas. Así serían necesarias ocho regeneraciones por día, dos para cada columna catiónica y más dos para cada columna aniónica. En ese momento dejamos el sistema así como está. SOLUCIÓN POR ÓSMOSIS INVERSA El proyecto para una solución por ósmosis inversa utilizará los softwares que están descritos abajo, o sea, el Winflows de Osmonics para el cálculo de la ósmosis propiamente dicha y, habiendo necesidad, el Advisor de Avista para dosificación de antiincrustante. También será presentada una planilla en Excel donde se calcula algunos parámetros de la ósmosis, como la bomba y las dosificadores, se hace un resumen de las informaciones pertinentes.

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En el software Winflows se entra con los datos del projecto, como las características del agua, el caudal, reconversión, reciclo, las membranas escullidas, etc. Primeramente optaremos por un equipo de dos módulos, de modo que, si un se queda en mantenimiento, mismo que sea solo para cambiar los cartuchos filtrantes, el segundo mantiene su producción, lo que se muestra ventajoso por no tenerse un corte total del agua, además de un equipo así ser más costoso que un equipo simples, puesto que tendrá dos bombas, dos prefiltros y todo el sistema de control doble, pero la seguridad de la operación compensa. Así siendo, lanzaremos el caudal de permeado como la mitad del consumo, o sea, 12,6 m³/h. En las pantallas que se abren, se lanza los datos del análisis del agua; los datos de caudal, reconversión de las membranas y reciclo; y además el tipo, cantidad y disposición de las membranas. En ese caso, optamos por membranas de baja energía que trabajan bajo una presión más pequeña y, mismo que no quiten la cantidad de sales de una membrana de alto rechazo, producirá el permeado dentro de condiciones aceptables. Abajo están las tres pantallas principales de lanzamiento de datos.

Imagen 1: Datos de la entrada de agua en la ósmosis

La Imagen 1 arriba, es la pantalla de lanzamiento de los dados de entrada de agua. Se lanzó 0,1 mg/l Fe por seguridad, puesto que el cloro dosificado en la entrada lo oxidó y el filtro de profundidad lo quitó. También se consideró en 3,00 el valor del SDI (índice de densidad de lodo), que es un parámetro importante para el projecto, y la temperatura en 25°C. El “fouling allowance” de

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0,9 es un valor padrón para ese parámetro que es una expectativa de ensuciamiento de la membrana. Los demás datos no fueran lanzados en el software. En esa pantalla ya aparece los datos de saturación de entrada, donde se percebe que hay riesgos de precipitación de la dureza, puesto que el LSI (índice de saturación de Langelier) está positivo. El software calcula solo el balance del agua y los sólidos totales disueltos, en función de los datos lanzados en la entrada. En la Imagen 2, al lado, están los datos de flujo del equipo. En esa pantalla se

pone el valor del caudal de permeado (en ese caso, por ser un equipo proyectado con dos módulos, el valor es la mitad del consumo total. Los demás datos, siempre se empieza con valores bajos, sea de reconversión, de reciclo y de bypass (que no será usado en esa planta), después, en decorrer del trabajo, los datos serán debidamente ajustados. En la última pantalla, mostrada en la Imagen 3, se presentan los elementos de ósmosis inversa, las características de las membranas. Acá se determina el tipo de membranas y la disposición de las mismas. Los dados da parte superior son determinados en las otras pantallas.

Imagen 2: Caudales del proyecto

Las membranas deben ser seleccionadas conforme la calidad del agua de entrada y de salida. En ese caso, como no tenemos una salinidad tan alta en el abasto, puesto que está debajo de 1.000 en los sólidos totales disueltos. Y como el agua de permeado deberá ser potable y de buenas características para el uso cotidiano, cual sea, beber, cocinar, bañarse, etc. se puede utilizarse de las membranas de alto flujo, que, mientras tengan un rechazo más pequeño, permitirán una buena agua para consumo a un coste energético bajo, puesto que trabajan con presiones más pequeñas. Acá se calcula aproximadamente la cantidad de elementos dividiéndose el caudal deseado por el caudal típico de cada membrana. Eso no necesita ser muy preciso, puesto que después se puede hacer los ajustes. Las características de las membranas están bien abajo en la pantalla. Así tenemos

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la cantidad como siendo 12.600 l/h / 1.600 l/h. o sea, aproximadamente 8 membranas. Definimos como siendo 9, puesto que, como hay un SDI determinado en 3,00, el sistema trabajará mejor con un número más grande de membranas. Ya la disposición fue determinada como siendo 2 vasos de tres membranas en paralelo en una primera etapa y un tercer vaso en la segunda. Esa determinación puede ser calculada por las caídas de presión en cada etapa, algo que el software faz y emite un aviso de atención, caso esté algo fuera de condiciones determinadas como seguras.

Imagen 3: Tipo y disposición de los elementos de ósmosis inversa

Como trabajamos acá con elementos nuevos, se deja la edad de ellos como siendo cero. Es posible, entretanto, trabajar previéndose un envejecimiento de las membranas. Importante acá, como el sistema fornecerá el agua para un tanque elevado, preverse la presión estática que la bomba del equipo tendrá que vencer. Haciéndose la suposición que la torre tenga 20 metros de altura, se determina el valor de “Permeate Backpressure” en 2 mca que es aproximadamente igual a 2 kgf/cm². Así tenemos las condiciones de empezar el proyecto del equipo, bastando presionar la tecla “Finish”. Con eso se abre la pantalla general donde se muestran un diagrama de flujo simplificado y los datos teóricos de cada etapa del proceso. Esa pantalla se muestra en las dos imágenes abajo. En la Imagen 4 se enfatiza el diagrama de flujo, que es onde se puede trabajar, alterándose los parámetros de reconversión, caudales, etc. Ya en a 5 muestra los parámetros en cada etapa.

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Presionándose la tecla “Calculate”, es abierta la ventana “Winflows System Explorer” donde están todos los datos de cada membrana del sistema y los alertas.

Imagen 4: Pantalla de proyecto de Winflows con diagrama de flujo

Imagen 5: Pantalla de datos de cada elemento y avisos

Imagen 6: Aviso de problemas en el proyecto

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Imagen 7: Pantalla de proyecto de Winflows con datos de cada punto del sistema

Como se hay visto, tenemos problemas en ese proyecto y, verificándose en la Imágenes 5 y 6, tenemos los dos índices que la Imagen 7 llama la atención, con valores positivos, o sea, tendremos precipitación de carbonato de calcio en el sistema. Estos dados están todos en el archivo WINFLOWS2004.pdf que está con la documentación enviada. Pero, en esas condiciones, llegamos a un consumo de agua de 16,8 m³/h por módulo, que totaliza 33,6 m³/h (560 l/min), que está arriba de la condición máxima de operación del filtro de carbón. Alternativamente al uso del filtro de carbón activado es posible utilizarse metabisulfito de sodio, como indicado en la Imagen 10. Es necesario una dosificación de por lo menos 1,2 mg/l del producto para cada 1 mg/l de cloro libre presente en el agua.

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Ya en términos del bombeo, el proyecto de la ósmosis consideró una presión de entrada de cero y una presión de salida suficiente para vencer 20 metros de altura para el permeado. Así siendo, y como no tenemos en ese caso el filtro de carbón activado, no necesitaremos del bombeo a partir de la cisterna, dispensándose las dos bombas de 210 l/min, siendo posible aprovecharlas para el bombeo desde el pozo hasta el filtro de profundidad. Una alternativa interesante ahora es hacer la dosificación de un antiincrustante. Con eso es posible mantener el bueno desempeño del sistema, sin necesitar aumentar el rechazo o acidificar el abasto y después compensar el pH en el permeado que, además, elevaría los sólidos totales disueltos en el agua de consumo. También el uso de suavizadores para ese caudal y esa dureza, quedase bastante costoso. Se puede utilizar para el proyecto de antiincrustante el software Advisor, de Avista Technologies Inc. En ello se lanza los datos del agua de entrada, caudal de permeado, tipo de membranas y ello calcula las posibilidades de precipitación de los diversos contaminantes y hace la sugerencia del producto más adecuado para que el sistema opere en condiciones buenas. Abajo, en la Imagen 8, está la pantalla del software e en la Imagen 9 el gráfico obtenido con el uso del antiincrustante indicado. Estos dados están en el archivo ADVISOR2.pdf.

Imagen 8: Advisor: software de proyectoparaantiincrustante

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Imagen 9: Gráfico de riesgo de precipitación de contaminantes

Imagen 10: Proyecto de equipo de ósmosis inversa

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La pantalla arriba, en la Imagen 10, es una planilla de Excel donde se hace las últimas definiciones para el proyecto final del equipo, definiéndose la bomba de alta presión y las dosificadoras, a partir de los datos extraídos de los softwares utilizados anteriormente. La dosificación del metabisulfito de sodio está calculado para una presencia de 2 mg/l de cloro libre, que es el valor máximo para la potabilidad del agua. Están también la dosificadora del antiincrustante y de hipoclorito de sodio en el permeado. Convén notar que las membranas marca Vontron modelo ULP22-4040 son equivalentes a las GE Osmonics AK-4040 y el antiincrustante Naco NC501 es equivalente al Vitec 3000.

Imagen 11: Características generales de cada etapa

Imagen 12: Datos de las membranas de la primera etapa

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Volviéndose al Winflows se puede, a partir de la pantalla en la Imagen 5, abrir los dados generales de cada etapa y también de cada elemento presente en las etapas del proyecto. Esto está mostrado en las pantallas de las Imágenes 11 y 12, arriba, y de la 13 abajo.

Imagen 13: Datos de las membranas de la segunda etapa

RESUMEN DE LA ÓSMOSIS INVERSA Membranas: Configuración........................................... Filme fino en espiral Material de la membrana.......................... Poliamida Rechazo de sales mínimo......................... 98% La disposición y modelo de membranas es la siguiente: - Producción por bastidor.........................................96 a 105 m3/día - Marca....................................................................... GE Osmonics - Modelo.................................................................. .. AK4040FF - Número de módulos:............................................... 2 - Nº de membranas por tubo de presión:…............ .. 3 - Número de etapas: ................................................ 2 por módulo - Número de tubos de presión…................................ 3 por módulo - Total de Membranas................................................ 18 - Rango de temperatura considerado:....................... 25 º C - Grado de conversión.............................................. 75 % - Salinidad............................................................... ... ≤ 31,5mg/L

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ELECCIÓN DEL SISTEMA

1. GENERALIDADES

Los dos sistemas serían constituidos por una dosificadora de cloro y el filtro multimedios en la entrada de la cisterna. El cambio entre ellos se daría posteriormente a la cisterna, donde el primero presentaría un filtro de carbón activado seguido por el desionizador, que tendría dos columnas catiónicas e dos aniónicas, ambas operando en tándem. Ese sistema presentaría un bombeo de servicio en el caudal de 25,2 m³/h que tendría que alimentar el sistema y llevar el agua hasta el reservatorio superior. Aún tenería los tanques y bombas auxiliares para las regeneraciones de las resinas. Ya el segundo sistema presentaría solamente el aparato de ósmosis inversa, con dosificadoras de metabisulfito de sodio para remoción de cloro y antiincrustante para protección de las membranas. La propia bomba del equipo sería responsable por el en relleno del reservatorio superior. Posteriormente a ambos los sistemas, estaría la dosificadora de cloro para la protección del agua de consumo. Ahora, iremos desconsiderar los caudales estén fuera del rango de operación del fabricante de las resinas, lo que acarretará la formación de caminos preferenciales dentro de los lechos y disminuirá la capacidad de operación de ellos. Para una mejor operación, las regeneraciones deberán ser efectuadas a cada 6 horas, pero para esas consideraciones este fato será relevado.

2. COMPLEXIDAD DE INSTALACIÓN Y OPERACIÓN La complexidad del sistema de troca iónica se queda evidente en la propia descripción del sistema. La instalación de ese sistema demanda tiempo para la conexión de los diversos componentes. Ya el sistema de ósmosis es solamente el equipo que viene listo de la fábrica y solamente se acopla a las tuberías. La operación de un sistema de troca iónica manual es bastante complexo y su automatización demanda un costo elevado de válvulas accionadas neumáticamente o eléctricamente, bien como un sistema de controle que puede ser mecánico o mismo un controlador lógico programable. Además demanda un alto riesgo para el operador por tenerse grandes volúmenes de las soluciones de regeneración que son altamente corrosivas. Por otro lado, la operación de la ósmosis es prácticamente automática, con el sistema de automatización, muchas veces solamente un controlador microprocesado dedicado, es bastante barato y fácil de operar.

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3. CONSUMO EXTRA DE AGUA Y DESCARTE DE SALES La principal desventaja de los sistemas de ósmosis inversa es el consumo extra de agua del concentrado que, en la mayor parte de los sistemas necesita ser descartado, por presentar una salinidad extremamente elevada. En el caso analizado, esta parcela de agua será de 4,2 m³/h con sólidos totales disueltos en casi 3.600 mg/l. Para una operación de 24 horas por día serán 100,8 m³. La cantidad total de sales será de cerca de 366 kg de sales por día El cambio iónico presenta un consumo extra que será periódico, pero no constante. Cuanto a los sales, todos serán removidos de manera similar, siendo que una cantidad próxima a los 366 kg de sales por día tendrán que ser descartados por el sistema. Por otro lado, ese descarte se dará solamente en los momentos de la regeneración y demás operaciones de retolavado y lavado. Es importante hacer eses cálculos.

Catiónica Aniónica Servício Caudal (m³/h) Tiempo (min) Caudal (m³/h) Tiempo (min)

Retrolavado 25,2 20 25,2 20 Regeneración 20,0 40 25,2 36 Enjagüe lento 20,0 15 25,2 30 Enjagüe rápid 25,2 20 25,2 30

Tabla 8: Desecho de agua en el desionizador

Así siendo, todos los cationes serán descartados como cloruros en el tiempo del proceso de retrolavado, lo mismo ocurriendo con los aniones, como sales de sodio. Como son dos columnas de cada, los cientos de quilogramos de cloruros serán descartados en dos momentos de 40 minutos donde ocurre la regeneración de las columnas catiónicas y los otros cientos de quilogramos serán en los dos momentos de 36 minutos de la regeneración de la columna aniónica. Y no serán solamente los 366 kg de sales originarios del agua, pero ellos combinados con dos cloruros del ácido y del sodio acrecido por el ácido clorhídrico y por el hidróxido de sodio. Conviene notar que serán consumidas (y una parte significativa descartada) dos cargas de 520 kg de HCl y dos cargas de 910 kg de NaOH por día. Ya el descarte de agua se dará en dos momentos de 95 minutos para la resina catiónica y dos momentos de 116 minutos para la aniónica. Serán casi 168 m³/día de agua recogida para la alcantarilla. Así se puede concluir sin dudas que el argumento que el ósmosis tiene un desperdicio mayor de agua que otros procesos es falso.

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4. DISPÉNDIO DE ENERGÍA Considerándose solamente el bombeo del agua de la cisterna para el reservatorio elevado, el sistema de troca iónica necesitará, bombeando 25,2 m³/h, vencer las caídas de presión del filtro de carbón (que es menor que 0,06 kgf/cm² por la Tabla 2), de la columna catiónica (menor que 0,17 kgf/cm²) y de la aniónica (menor que 0,15 kgf/cm²), ambas las informaciones presentes en los resúmenes de cada resina. Manteniéndose la consideración que el reservatorio elevado esté a los 20 metros de altura, el bombeo será de, por lo menos 2,5 kgf/cm², sin considerar las pérdidas en el trayecto. Así, a partir de especificaciones de bombas centrífugas, es posible suponerse que las bombas consideradas inicialmente en el sistema tendrán que tener por lo menos 3 cv cada. Súmanse las bombas auxiliares para las regeneraciones, que deberán tener por lo menos 1,5 cv cada. Pero estas operarán por un tiempo bastante corto. Las bombas principales operarán 24 horas por día, dado el sistema tánden, y las auxiliares 40 minutos para cada columna una y 36 minutos para cada columna la otra. La energía gasta será de 6 cv x 24 h + 1,5 cv x (2 x 40 min + 2 x 36 min). Transformando las unidades serán apenas 107,2 kVAh. Ya la ósmosis consumirá 29,4 kVA, por la Imagen 9, que, en 24 horas significarán 705,6 kVAh. En ese quesito la ósmosis presentará un consumo energético mucho más grande que el desionizador.

5. CONCLUSIÓN Pesándose las diversas consideraciones arriba, optamos por un sistema de tratamiento de agua por ósmosis inversa, por ser de operación más sencilla y generar un rechazo menor y con menos sales que la troca iónica. Por otro lado, si la cuestión energética fuere crítica, tendremos que revisar ese concepto. Así siendo, en la Imagen X abajo, presentase un diagrama de flujo del sistema de tratamiento de agua completo, desde el pozo hasta el reservatorio elevado.

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Imagen 12: Diagrama de flujo del sistema con ósmosis inversa

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Observación: Toda la bibliografía, los softwares y los catálogos están en

formato digital excepto WATER TREATMENT ASSOCIATION, 1983, PAUL, 1992, CRITS, 1994, MELTZER, 1993, HARRISON, 2000 y pueden ser bajados por el link abajo:

http://dl.dropbox.com/u/27724410/Bibliografia_Diplomado4_Curso1.zip

ANEXO Planilla de cálculo de desionizador en Exell de Purolite do Brasil

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