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1 UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL ROSARIO CÁTEDRA: INGENIERIA AMBIENTAL APLICADA A MEDIOS LIQUIDOS Profesor: Ing. Leonardo C. Ferrari Auxiliar: Ing. Melani B. Ciordia Explotación de recursos hídricos. Existencia del agua en la naturaleza. A continuación, se muestra el ciclo del agua: Como puede observarse las fuentes de agua en la naturaleza son varias, las cuales se podrían separar en fuentes de agua superficiales (lagos, ríos y océanos), fuentes de agua subterráneas y agua proveniente de las precipitaciones. En cada una de ellas, el agua posee características diferentes en cuanto a los componentes que contienen, por ejemplo, sales disueltas, materia e suspensión, etc. Es por ello que en función del uso que se le quiera dar al agua, se deberá seleccionar la tecnología de tratamiento adecuada para lograr las especificaciones del usuario. 2 Un factor adicional que se debe considerar a la hora de seleccionar la tecnología de tratamiento del agua es el grado de contaminación de la fuente de la cual se extraerá el agua. Balance hídrico: El concepto de balance hídrico se deriva del concepto de balance de materia, es decir, que es el equilibrio entre todos los recursos hídricos que ingresan al sistema y los que salen del mismo, en un intervalo de tiempo determinado. De acuerdo con la figura anterior, sintéticamente puede expresarse por la fórmula: P = E + R + I • P: precipitaciones. • E: evapotranspiración. • R: recursos superficiales. • I: infiltraciones (agua que penetra a través de los poros del suelo y pasa a formar parte de las aguas subterráneas). Fuentes de agua: Las fuentes de agua disponibles son de origen: • superficial, • subterráneo (acuíferos). A continuación, se enuncian las características más importantes de cada una de ella: Agua superficial: • la dilución por lluvia cambia la calidad de los ríos. • Poseen gran cantidad de materia en suspensión (lo que genera turbidez). 3 • las mareas cambian la calidad de los estuarios (es la desembocadura, en el mar, de un río amplio y profundo e intercambia con esta agua salada y agua dulce, debido a las mareas). • los cambios de temperatura en el agua superficial complican su tratamiento. • las algas en el agua superficial cambian el pH (de noche es ácido por la presencia de CO2) • el agua en las presas se estratifica: en el fondo no hay oxígeno por lo que se generan malos olores. • los lagos son los depósitos más grandes de agua dulce superficial, en cambio los embalses son depósitos artificiales de agua de río. Los mismos presentan vuelcos estacionales debido a la variación de temperatura que afecta a la densidad (convección natural). Presentan cambios en la actividad biológica, y éstos dependen de la profundidad. Agua subterránea: • descargan en ríos y manantiales (esta encuentra una falla superficial y sale a la superficie). • son de calidad constante. • la temperatura se mantiene constante. • se mueve lentamente (del orden de pocos centímetros por día) en función de la pendiente del sitio. • un acuífero es una unidad geológica (piedras, arena, etc.) saturada de agua. La porosidad del acuífero representa a la capacidad de almacenamiento y la permeabilidad del acuífero la capacidad de transporte (alta permeabilidad: 1 cm/día, baja permeabilidad: 0,1 cm/día) • los acuíferos pueden ser libres o confinados. En el primer caso el agua subterránea presenta una superficie libre, sujeta a la presión atmosférica como límite superior a la zona de saturación. La superficie libre se conoce como superficie freática y el nivel freático es el que se eleva respecto a otro de referencia. Los acuíferos están formados por un estrato permeable parcialmente saturado de agua que yace sobre otro estrato impermeable. 4 Los acuíferos confinados (también llamados artesianos), son formaciones geológicas permeables, completamente saturadas de agua, confinada entre dos capas o estratos impermeables o prácticamente impermeables. El agua está sometida a una presión mayor a la atmosférica y al perforar un pozo en ellos el agua se eleva hasta el nivel piezométrico (el nivel piezométrico corresponde en los acuíferos libres a la altura de la superficie libre de agua sobre el nivel del mar, y en los acuíferos confinados, corresponde a la presión existente y la altura que alcanzaría el agua sobre un punto del acuífero en el cual está se encuentra o un pozo o un sondeo hasta equilibrarse con la presión atmosférica; por lo tanto, en cada punto donde exista una perforación de un acuífero confinado se tiene un nivel piezométrico propio y diferente). En algunos casos el nivel piezométrico puede estar por encima del nivel del terreno natural, por lo que un pozo perforado en ese lugar fluirá solo como si fuera un manantial. • Si unimos todos los niveles piezométricos, obtendremos la superficie piezométrica (superficie virtual formada por los puntos que alcanzaría el agua si se hicieran infinitas perforaciones en el acuífero). A continuación, se muestra un esquema con la distribución de los acuiferos: 5 Sistema hidrogeológico de la provincia de Santa Fe: La siguiente figura muestra un esquema simplificado de las formaciones existentes en la llanura santafesina: A continuación, se muestra el esquema del funcionamiento hidrogeológico de Santa Fe: BASAMENTO DE ROCAS CRISTALINAS Las fallas separan grandes bloques, algunos se elevaron (zona de Sierras Pampeanas o de Córdoba) otros se hundieron formando una depresión (zona de llanura santafesina). CUENCA SEDIMENTARIA Los sedimentos generados por la erosión y las nubes de cenizas volcánicas fueron rellenando la depresión, formando la llanura. Probablemente muchas de las cañadas que hoy surcan esta planicie sean reflejo de pequeños movimientos de los bloques. 500 Km 4 a 5 K m SIERRAS DE CORDOBA LLANURA SANTAFESINA OESTE ESTE Limos Pampeanos Paraná (arcillas-arenas marinas) Arenas Puelches Oeste Este Nivel de agua subterránea Río Paraná Lluvias y evaporación Infiltración y escurrimiento superficial 6 La siguiente figura muestra la ubicación de los distintos acuíferos existentes en nuestra zona: Como se observa en la figura, el acuífero superior se denomina “Pampeano”, luego le sigue el “Puelche” y finalmente el “Paraná”. Normalmente, se extrae agua de los dos primeros acuíferos, pero se debe notar que el acuífero “Pampeano” es el más vulnerable a la contaminación ya que no posee una barrera impermeable de arcilla como acuífero “Puelche”. Adicionalmente a esto, suele ocurrir que a pesar de que exista una barrera al ingreso de contaminantes, si la instalación del pozo de extracción de agua no se realiza siguiendo buenas prácticas, es posible que se 7 produzca la rotura de esta barrera impermeable y se contamine el acuífero “Puelche”. Diseño de una perforación. Cuando necesitamos acceder a un acuífero, debemos realizar una perforación cuya profundidad alcance el acuífero que deseamos explotar. La tarea de perforación debe ser llevada a cabo por profesionales idóneos y se deben tener cuidado de no contaminar los acuíferos. Para ello se deben adoptar buenas practicas, las cuales implican medidas de higiene del equipamiento utilizado para realizar la perforación, uso de un aditivo orgánico para evitar que se desmorone el pozo durante la realización de la perforación, etc. En el anexo de la Resolución 395-07 de la Provincia de Santa Fe se indica con detalle como debe ser y que cuidados se debe tener al realizar una perforación. Un aspecto importante a destacar al realizar la perforación, es que, si se desea alcanzar el acuífero confinado, se debe utilizar el diseño de pozo del tipo “telescópico”. Ello consiste en realizar primero una perforaciónde un diámetro D1 hasta alcanzar la zona impermeable de arcilla. La misma no debe ser traspasada. Luego entubar (colocar un tubo de diámetro D1) en ella, sellando el extremo inferior en contacto con la arcilla. Luego realizar una segunda perforación de diámetro D2, inferior a D1, atravesando la capa de arcilla de manera que llegue al acuífero confinado. En dicha perforación se coloca un caño con un filtro en su extremo. Luego, se procede al “lavado” del pozo, el cual consiste en extraer agua con barro que correspondiente a las primeras extracciones. Una vez finalizada la construcción del pozo, por diferencia de presión, el agua ingresa al pozo a través del filtro alcanzando un nivel, denominado nivel estático y es el que se corresponde cuando no se está bombeando agua. Para extraer el agua se coloca una bomba del tipo sumergible, conectada a una manguera, de manera que se sumerja la succión de la bomba por debajo del nivel 8 dinámico del acuífero. El nivel dinámico del acuífero es el nivel que posee el pozo cuando se está bombeando el agua. La diferencia entre el nivel estático y el dinámico se conoce como la diferencia de altura (∆h). La bomba se selecciona de acuerdo a la presión (P) y el caudal (Q) requeridos. El rendimiento de la perforación se define como el cociente entre el caudal de agua extraído y la diferencia de altura. Este cociente nos indica si un pozo puede explotarse como una fuente de agua o no. Los valores que se tienen como referencia son: η > 4 � “buena” perforación. η = Q/∆h η < 2 � “mala” perforación. A medida que el pozo se va explotando, es decir extrayendo el agua, el rendimiento puede ir disminuyendo. Ello se debe a que se altera el balance hídrico. Para mantener el rendimiento, el pozo se debe recargar y la “recarga” de los pozos de bombeo tienen lugar a través de que los acuíferos se recargan cuando llueve, pero también pueden recargarse lateralmente, a través del agua que escurre desde la arena, siempre y cuando la formación geológica donde está construido el pozo lo permita. Esta última es más lenta ya que la velocidad de escurrimiento es del orden de 1 cm/día. Respecto a la sobre explotación de un acuífero, produce lo que se denomina cono de depresión. Una vez generado este, se debe interrumpir el bombeo y esperar a que el acuífero se recupere. Para evitar que se genere el mismo, es recomendable realizar un seguimiento del cono de depresión, el cual puede llevarse a cabo instalando pozos de control en un perímetro cercano al pozo de bombeo. La imagen siguiente muestra lo mencionado. 9 Criterios de estudio previos a la perforación. Para calcular el diámetro y el rendimiento de la perforación se hacen ensayos, llamados “estudios geoeléctricos”, donde se mide la radiación gamma emitida por cada tipo de suelo y se lo grafica como profundidad vs CPS (centelleo por segundo) para un diámetro de pozo determinado. Ello permitirá a priori tener una idea del rendimiento de un pozo de diámetro determinado en el sitio elegido. Vulnerabilidad de los acuíferos. El acuífero libre está expuesto a la atmósfera y es el que recibe toda la carga de agua. Los hogares que no tienen redes cloacales construyen pozos ciegos. Con el tiempo, a través de ello, se acumulan desechos y se contamina el acuífero libre y si existe alguna rotura de la zona impermeable, también pueden contaminarse los acuíferos confinados. La vulnerabilidad de las aguas subterráneas depende de varios factores: • volumen de agua subterránea y tasa de recarga, • protección de los acuíferos, 10 • espesor y características de la zona saturada, • rapidez de flujo. Una cubierta poco permeable o impermeable garantiza de forma natural una protección eficaz de las aguas subterráneas ya que constituye una pantalla protectora contra la contaminación de origen superficial. Una capa libre con un suelo permeable, es en cambio, mucho más sensible a la contaminación ya que recibe directamente el agua de infiltración. Perímetros de protección. Para evitar la contaminación de la perforación realizada o del agua que fluye hacia ella, se consideran los denominados perímetros de protección. Los perímetros de protección son áreas donde se restringen o prohíben las actividades potencialmente contaminantes. Los mismos se clasifican de la siguiente manera: • perímetro de protección inmediata: 30m (B), • perímetro de protección próxima: 300 m (A), • perímetro de protección alejada: >300 m. Procedencia de la contaminación de los acuíferos. años meses días B POZO DE BOMBEO A TIEMPO DE TRANSFERENCIA DE AGUA EN EL SUELO 11 De origen natural: ej. Ar, Fe, Mn, salinidad. En este caso, la contaminación del acuífero no se debe a la acción del hombre, sino a las formaciones hidrogeológicas de cada lugar. Sus efectos contaminantes se pueden minimizar o evitar por medio de la ubicación y/o diseño adecuado de las perforaciones. De no ser posible, se recurre a otros métodos como por ejemplo la potabilización. Origen antrópico: es la contaminación producida por las diferentes actividades del hombre. Es evitable o minimizable cambiando ciertas prácticas de producción o manejo. Pueden ser de procedencia: • Urbana: aguas residuales, basura, agua de lluvias, compuestos como NO3-, bacterias, parásitos. • Industrial: efluentes líquidos, residuos sólidos, metales pesados, CN-. • Rural: abonos, productos fitosanitarios, agroquímicos. A continuación, se muestra un esquema en donde se indica las fuentes de contaminación del acuífero y como esta puede llegar al pozo de bombeo. 12 Ejercicio: Realice un esquema conceptual de la vulnerabilidad del acuífero, considerando como fuente de contaminación a un pozo ciego de un hogar en una zona rural. Criterios básicos para la toma de agua superficial: Los diseños de tomas de agua superficiales involucran diversos estudios, los cuales incluyen: -calidad de la fuente: en ella se consideran las variaciones estacionales de diversos parámetros físicos y químicos adoptados como referencia para el tratamiento que se desea aplicar. Este punto se desarrolla en los capítulos 1 y 2 del CEPIS. También, se deberá prestar atención a aquellos parámetros que esta relacionados con la corrosión a los materiales de construcción del sistema de bombeo. En la bibliografía se puede encontrar información acerca de los materiales recomendados en función del grado de corrosividad del agua). 13 -capacidad de la fuente: esto es, la fuente no debe agotarse lo que implica que debe poseer capacidad para recuperarse. En función de la fuente, esto puede ser más un factor crítico o no. -capacidad del sistema de bombeo: la capacidad del sistema de bombeo debe seleccionarse empleando las recomendaciones que se pueden encontrar en la bibliografía de referencia (se adjunta el siguiente libro como referencia: Simón Arocha R.; Abastecimientos de Agua, Teoría y diseño; Ediciones Vega S.R.L.). -ubicación del punto de toma de agua: en la selección de una toma de agua superficial (rio, arroyos, lagos, embalses, etc.) se requiere tener en cuenta lo siguiente: • características de la fuente: se debe considerar la variación de la altura de la fuente, por lo que es importante disponer de valores históricos de los niveles máximo y mínimo. • características geológicas del sitio: es importante conocerlas puesto que la estructura de la toma de agua se diseñará considerando las características del suelo sobre donde se construirán las instalaciones. • características climáticas del sitio: en general, es importante conocer la intensidad y dirección de los vientos y las intensidades de las lluvias, como así también otras características climáticas típicas de lossitios donde se pretende instalar la toma de agua. • existencia de descargas de efluentes (cloacales, industriales, etc.): la misma debe está ubicada en un punto tal que no extraiga agua contaminada originada por las descargas de efluentes que pudiesen estar ubicadas aguas abajo de la toma. • capacidad de autodepuración de la fuente: en su ubicación, se debe considerar la capacidad de autodepuración de la fuente, de manera tal que en el punto de toma elegido se garantice la reducción y/o eliminación de los contaminantes que podrían incorporar los efluentes descargados aguas abajo de la toma. • tránsito en la fuente: si la fuente es un rio en el cual existe transito marítimo (recreativo, portuario, etc.), es necesario considerar la ubicación de la toma de manera tal que no interfiera con el tránsito, puesto que podría dañarse la instalación de la toma de agua. Además, si es una zona de tránsito marítimo, también se deben considerar los posibles efluentes que podrían arrojar las embarcaciones. Por supuesto que el diseño definitivo será consecuencia de emplear los conocimientos de la Ingeniería para cumplir con las cuestiones que surjan de lo mencionado anteriormente (ej.: las bombas deben seleccionarse de acuerdo a la norma ANSI-AWWA-E103 – Horizontal and Vertical Line - Shatf Pumps) A modo de ejemplo se muestran imágenes de distintos ejemplos de instalaciones. 14 Sin adaptación variable en función del nivel de la fuente: 15 Con adaptación al nivel variable de la fuente: 16 17 Ejercicio: De acuerdo a la siguiente figura, indique y justifique donde ubicaría la toma de agua para una planta potabilizadora de agua para abastecer a la población. 18 Tratamiento de agua para usos industriales y/o subterráneas: Ablandamiento del agua: el proceso de ablandamiento consiste en eliminar sales contenidas en el agua que generan incrustaciones en los equipos de proceso. Dichas sales son generalmente Ca(HCO3)2 y MgSO4. Reacciones en el proceso de ablandamiento: Reacción de retención de la dureza: R.Na + Ha.A � R.Ha + Na.A Reacción de regeneración de la resina: R.Ha + NaCl � R.Na + Ha.Cl A continuación, se muestra un diagrama básico de un sistema de ablandamiento de agua: Desmineralización del agua: el proceso de desmineralización consiste en eliminar sales contenidas en el agua que generan incrustaciones en los equipos de proceso. Dichas sales son generalmente las mismas que las eliminadas en el proceso de ablandamiento más las sales de sílice. Reacciones en el proceso de desmineralización: Resina catiónica: Reacción de retención de los cationes: R.H + C.A � R.C + H.A Reacción de regeneración de la resina: 2R.C + H2SO4 � 2R.H + C2SO2 Resina aniónica: Reacción de retención de los aniones: R.OH + H.A � R.A + H2O ó AGUA FILTRADA INTERCAMBIADOR ANIONICO TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE AGUA DISTRIBUCION 19 R.OH + C.A � R.A + C.OH Reacción de regeneración de la resina: R.A + NaOH � R.OH + Na.A Siendo: • R = la resina de intercambio iónico y su grupo activo, considerada como monovalente, • A = todos los aniones (incluye la sílice y los bicarbonatos), considerados como monovalentes, • C = todos los cationes, considerados como monovalentes. • Ha = dureza total (es decir, cationes multivalentes), considerado como monovalente. A continuación, se muestra un diagrama básico de un sistema de desmineralización de agua y luego un diagrama indicando en cada etapa que especies se eliminan (en este último no se incluye la eliminación de sílice): Ejercicio: Redactar como opera el sistema de purificación de agua con intercambio iónico representado en la figura siguiente: AGUA FILTRADA INTERCAMBIADOR CATIONICO DESGASIFICADOR INTERCAMBIADOR ANIONICO DISTRIBUCION TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE AGUA INTERCAMBIADOR ANIONICO - CATIONICO (LECHO MIXTO) 20 Purificación de agua mediante osmosis inversa: Osmosis: es un fenómeno físico relacionado con el movimiento de un solvente a través de una membrana semipermeable. Tal comportamiento supone una difusión simple a través de la membrana, sin gasto de energía. La ósmosis del agua es un fenómeno biológico importante para el metabolismo celular de los seres vivos. Se denomina osmosis inversa al fenómeno inverso a la osmosis. 21 A continuación, se muestra un diagrama básico de un sistema de purificación de agua mediante osmosis inversa: 22 Planta potabilizadora de agua de río. Descripción del proceso: 1) Toma de agua de río: esta operación se realiza mediante bombeo. La captación de aguas superficiales se realiza por medio de tomas de agua que se construyen en los ríos o diques. El agua proveniente de ríos está expuesta a la captación de materiales y microorganismos por lo que requiere de un proceso complejo para su tratamiento. Al seleccionar el tratamiento se debe tener en cuenta que la turbiedad, el contenido mineral y el grado de contaminación varían según la época del año (en verano el agua de nuestros ríos es más turbia que en invierno). 2) Tamizado: esta tiene como fin eliminar toda materia gruesa que es arrastrada durante la operación de bombeo (ej.: ramas, camalotes, etc.). El objetivo principal es evitar que llegue dicha materia a la etapa de coagulación y también el de evitar que se obstruyan las bombas de succión de agua de río. 3) Desarenado: esta tiene como fin eliminar toda la arena que es arrastrada durante la operación de bombeo. El objetivo principal es evitar que llegue dicha materia a la etapa de coagulación. 4) Pre-cloración: en ella se adiciona hipoclorito de sodio o cloro gaseoso con el objeto de destruir parte de la materia orgánica para disminuir la cantidad que debería ser tratada en la operación de coagulación/floculación. Esta etapa puede ser o no necesaria en función de la materia orgánica que posee el agua cruda y el tipo de reactivo coagulante/floculante que se emplee. 5) Coagulación/Floculación: en esta se separan las partículas coloidales que se encuentran en el agua. Debido al pequeño tamaño de estas partículas, se adiciona un producto químico (sulfato de aluminio, sulfato ferroso, P.A.C. y poli-electrólitos) que las transforman en otras más grandes susceptibles de asentarse en tanques de AGUA FILTRADA UNIDAD DE ULTRAFILTRACION UNIDAD DE OSMOSIS INVERSA PULIDOR (LECHO MIXTO) DISTRIBUCION TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE AGUA UNIDAD DE ULTRAFILTRACION 23 decantación. En los floculadores, que pueden ser mecánicos o hidráulicos, se produce la mezcla entre el producto químico y el coloide que produce la turbiedad, formando los floc. Los floculadores mecánicos son paletas de grandes dimensiones, y velocidad de mezcla baja. Son hidráulicos con canales en forma de serpentina en la cual se reduce la velocidad de ingreso del agua produciendo la mezcla. 6) Decantación: en esta etapa se separa gran parte de la materia coloidal. Esta etapa se realiza en piletas preparadas para retener los sólidos sedimentables, los cuales caen al fondo. En su interior las piletas pueden contener placas para tener un mayor contacto con estas partículas. El agua pasa a la etapa siguiente (filtración) por desborde o rebase. 7) Filtración: una vez que el agua sale del sedimentador, entra a los filtros de arena en donde se separan todas las partículas residuales en suspensión del agua. Un filtro está compuesto por un manto sostén: piedras, granza y arena. La filtración se realiza ingresando el agua sedimentada o decantada por encima del filtro. Por gravedad el agua pasa a través de la arena la cual retiene las impurezas o turbiedad residual que queda en la etapa de decantación. Los filtros rápidos tienen una carrera u horas de trabajo de aproximadamente 30 horas. Una vez que el filtro colmató su capacidadde limpieza, se lava ingresando agua limpia desde la parte inferior del filtro hacia arriba, esto hace que la suciedad retenida en la arena, se despegue de la misma. 8) Neutralización: esta etapa tiene como objetivo neutralizar la leve acidez que puede poseer el agua si es tratada con un coagulante a base de sales de aluminio o hierro. En general, esta operación se realiza solo cuando el proceso de clarificación de agua es para uso industrial. En las plantas de potabilización de agua para consumo de la población esta operación no se realiza. 9) Desinfección: una vez que el agua fue filtrada, pasa a la reserva, allí se desinfecta según distintos métodos. El más usado es el agregado de cloro. El cloro tiene la característica química de ser un oxidante, lo cual hace que se libere oxígeno destruyendo los agentes patógenos, por lo general bacterias anaeróbicas. Otros desinfectantes utilizados son: hipoclorito de sodio, hipoclorito de calcio (pastillas), ozono, luz ultravioleta, etc. Durante todo el proceso de potabilización se realizan controles analíticos de calidad. en esta etapa se adiciona hipoclorito de sodio. El desinfectante se adiciona en cantidades tales que asegure agua desinfectada a toda la red de distribución de agua potable. 10) Distribución: en esta etapa se distribuye el agua potable a los consumidores. Dependiendo de la longitud y del trazado del sistema de distribución puede ser necesario instalar estaciones de post-cloración y de incremento de presión del agua. A continuación, se adjunta el diagrama de flujo: 24 25 Legislaciones aplicables. Resumen de las legislaciones aplicables en la Provincia de Santa Fe, relacionadas con el agua para consumo y los efluentes: Efluentes: • Ley Nª 11220, • Ordenanza Nª 2751, • Ordenanza Nª 3000, • Resolución 102-88, • Resolución 343-94, • Resolución 395-07, • Resolución 444-94, • Resolución 638-90, • Resolución 1089-82, • Resolución 1089-82-Modificación Art.42, • Resolución 1976-91, • Resolución 2244-91, • Decreto 2362-04. • Resolución 1253/16. Explotación de aguas subterráneas: • Resolución 395, • Resolución 395-07-Anexo. Agua para consumo: • Ley Nª 13036. Código Alimentario Argentino: • CAPITULO_XII. Ejercicio: En cada una de ellas se debe identificar: -a que hace referencia, -en el caso que indique valores a cumplir, indique que se controla con esos valores: ¿emisión de la fuente o calidad del agua?, -respecto a las descargas, indique de qué forma las identifica y cuál es el nivel de exigencia relativo en cada una de ellas.
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