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FACULTAD DE INGENIERÍA Y COMPUTACIÓN
TESIS
Propuesta de un tratamiento físico-químico alternativo
para la potabilización de agua aprovechando radiación
solar como fuente energética.
Presentado por:
Romel Gordillo Pinto
Para Optar por el Título Profesional de:
INGENIERO INDUSTRIAL
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA INDUSTRIAL
Asesor: José Alberto Aguilar Franco
Arequipa, agosto del 2020
DEDICATORIA
A Dios, por la vida, por siempre guiar mi camino, cuidarme y colocar gente valiosa en mi
sendero.
A mi madre Anita, la persona que siempre me ha acompañado, animado, motivado y
guiado a ser mejor cada día, ella que me ha enseñado todo y protegido en todo momento,
por ser mi mejor ejemplo, ser la persona a la que más amo y más agradecido estoy y estaré
por siempre.
A mi padre Romel a quien admiro mucho, por ser ejemplo de perseverancia, constancia
y responsabilidad; a mi hermano Renzo que ha estado en todo momento apoyando y
guiándome a lo largo de mi vida; a ellos, a quienes amo y aprecio mucho, gracias por
inculcarme valores y ayudarme a buscarle sentido a mi vida.
A mi tía Eliana que siempre ha estado pendiente de mí, aconsejándome y apoyándome
desinteresadamente; a mis abuelitos que están en el cielo guiando cada uno de mis pasos
y por enseñarme cosas tan importantes.
A mi compañera Yoselin, quien en todo momento me apoya y alienta a cumplir este
objetivo y muchos más que tenemos por delante; quien siempre me ha demostrado lealtad,
cariño y quien motiva a alcanzar todo aquello que nos tracemos.
A mis familiares y amigos que me han apoyado, aconsejado, motivado y acompañado
cuando he necesitado de ellos.
AGRADECIMIENTOS
Un especial agradecimiento a José Alberto Aguilar por su apoyo, guía, consejo y
motivación desde que trabajamos juntos.
A la Universidad Católica San Pablo y al Instituto de Energía y Medio Ambiente donde
consolidé mi orientación vocacional y más allá de ser centros de estudios y ahora de
trabajo fueron en muchas ocasiones mi segundo hogar y donde conocí personas muy
buenas.
RESUMEN
La presente tesis tiene como objetivo de investigación; un diseño, a manera de prototipo,
de una propuesta de potabilización de aguas superficiales con un proceso mejorado de
tratamiento físico-químico para zonas alejadas con limitaciones de acceso a la red de agua
potable; el presente trabajo está delimitado para poblados como Sogay, Quequeña, San
Antonio; esto por la cantidad de pobladores que alberga y disponibilidad de acceso a
fuentes de aguas superficiales. Si otra localidad opta por esta solución se podría adaptar
dado que el sistema es eficiente, viable tanto técnica como económicamente, modular,
portátil y compacto.
Esta propuesta de potabilización otorga una solución a la necesidad del recurso hídrico
apto para el consumo humano en zonas donde la red de agua potable no llega, se cuenta
con geografía accidentada, cuerpos de aguas superficiales disponibles y haya buena
radiación solar disponible. Como actividades principales, para la elaboración de la
presente propuesta a manera de tesis de investigación, se realizó: un análisis situacional,
levantamiento del estado del arte, investigación en tópicos del diseño integral del
prototipo, análisis económico, viabilidad técnica y validación del proceso y prototipo. De
esta manera se pretende que la alternativa propuesta para potabilizar aguas superficiales
sea viable y accesible (técnica y económicamente) para el público objetivo.
El diseño de la alternativa de potabilización de aguas superficiales inicia con la
delimitación, investigación, levantamiento de información de tesis, publicaciones y casos
de éxito como punto de partida; seguidamente la caracterización del agua a potabilizar y
en función de la misma poder seleccionar los insumos químicos a utilizar, seguidamente
se delimita el diseño en cuanto a cantidad de agua superficial a tratar por día o mes y de
esta manera poder seleccionar y calcular los componentes y equipos idóneos para el
tratamiento. Se realiza una simulación del proceso con variables delimitadas según los
objetivos para obtener resultados y analizar los mismos respecto a cantidad de insumos a
utilizar, tiempos de tratamiento y la inversión en la que se incurrirá como parte importante
de un análisis económico.
Finalmente, la validación de la propuesta tanto como, proceso y producto de acuerdo a la
normativa vigente.
Palabras clave:
Agua superficial, tratamiento, potabilización, Físico-químico, radiación solar, diseño
ABSTRACT
This thesis aims at research; a design, as a prototype, of a proposal for surface water
purification with an improved process of physical-chemical treatment for remote areas
with limited access to the drinking water network; the present work is delimited for towns
like Sogay, Quequeña, San Antonio; This is due to the number of residents it hosts and
availability of access to surface water sources. If another location opts for this solution, it
could be adapted since the system is efficient, technically and economically viable,
modular, portable and compact.
This proposal for purification provides a solution to the need of the water resource
suitable for human consumption in areas where the drinking water network does not
reach, there is a rugged geography, bodies of surface water available and there is good
solar radiation available. As main activities, for the elaboration of this proposal as a
research thesis, a situational analysis, state-of-the-art survey, research on topics of the
integral design of the prototype, economic analysis, technical feasibility and validation of
the process and prototype. In this way it is intended that the proposed alternative to purify
surface waters be viable and accessible (technically and economically) for the target
audience.
The design of the alternative of surface water purification begins with the delimitation,
research, thesis information, publications and success stories as a starting point; then the
characterization of the water to be purified and depending on the same power to select
the chemical inputs to be used, then the design is defined as to the amount of surface
water to be treated per day or month and in this way to be able to select and calculate the
components and equipment suitable for treatment. A simulation of the process is carried
out with variables delimited according to the objectives to obtain results and analyze them
regarding the quantity of inputs to be used, treatment times and the investment that will
be incurred as an important part of an economic analysis.
Finally, the validation of the proposal as well as, process and product according to current
regulations.
Keywords:
Surface water, treatment, purification, Physical-chemical, solar radiation, design
INTRODUCCIÓN
El acceso al agua potable aún en nuestros días es limitado, según la OMS y organismos
gubernamentales y privados nos indican que existen poblaciones alejadas que por motivos
económicos, geográficos y sociales no pueden acceder directamente a una red de agua
potable. La calidad de vida de las personas se ve debilitada dado que no se cuenta con
acceso a este servicio básico. El Perú es un país privilegiado ya que cuenta con diferentes
fuentes naturales de agua de manera superficial y del subsuelo y la cantidad disponible
de este recurso es grande en comparación a otras realidades. Diferentes documentos y
guías como las “Guías para la calidad del agua potable” que imparte la OMS alrededor
del mundo donde se indican lineamientos y recomendaciones para poder adecuar, tratar,
manipular y consumir el agua según sea la fuente disponible al alcance del consumidor.
En Arequipa, la empresa SEDAPAR S.A. dota de agua potable, de acuerdo a los
estándares enmarcados por la normativa vigente, esta Empresa Prestadora de Servicios
(EPS) constantemente monitorea la calidad del agua que distribuye mediante su red a
través de análisis y caracterización del recurso hídrico. A lo largo del tiempo, Sedapar ha
incrementado su cobertura, pero existen zonas alejadas que no cuentan con este servicio
de potabilización de agua; este porcentaje de población que no cuenta con acceso al
recurso hídrico potable se ubica específicamente en las alturas y sierra de nuestra región
(provincias de La Unión, Caylloma, Condesuyos y Caravelí principalmente), según el
reporte emitido el año 2018 por el INEI.
El Decreto Supremo N°004-2017-MINAM a través de los Parámetros y valores de
Límites Máximos Permisibles (LMP) para el agua potable es el documento nacional que
rige actualmente en la normativa peruana para la catalogación de agua potable, en este
documento se aprecian valores físico químicos, orgánicos, inorgánicos, parasitológicos y
microbiológicos los cuales deben cumplirse y estar dentro del rango admisible para poder
tener agua potable bebible sin representar algún daño para la salud. Para llegar a estos
valores existen diversos tipos de tratamiento de aguas superficiales siendo el tratamiento
físico-químico el escogido dada su alta eficacia y correcta integración con la necesidad
de las comunidades descritas. La presente tesis tiene como finalidad presentar una
alternativa a manera de diseño de un proceso físico-químico mejorado para dar solución
a la necesidad de acceso al agua potable para comunidades alejadas con fuentes
superficiales de agua cercanas y radiación solar disponible.
LISTA DE ACRÓNIMOS Y SIGLAS
ASME: American Society of Mechanical Engineers.
ASTM: American Society for Testing and Materials.
BID: Banco Interamericano de Desarrollo.
DIGESA: Dirección General de Salud Ambiental.
EPS: Empresa Prestadora de Servicios.
ESAR: Empresa de Saneamiento de Arequipa.
HMI: Interfaz Hombre-Máquina.
HSP: Hora Solar Pico.
INEI: Instituto Nacional de Estadística e Informática.
LAS: Laboratorios Analíticos del Sur.
LMP: Límites Máximos Permisibles.
MINAM: Ministerio del Ambiente del Perú.
MINSA: Ministerio de Salud del Perú.
OMS: Organización Mundial de la Salud.
PIRS: Parque Industrial Río Seco.
PLC: Controlador Lógico Programable.
SEDAPAR: Servicio de Agua Potable y Alcantarillado de Arequipa.
SENAMHI: Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología del Perú.
SUNASS: Superintendencia Nacional de Servicios de Saneamiento.
ÍNDICE
CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN.............................................................................................. 1
1.1. Descripción del problema de investigación ................................................................ 1
1.1.1. Formulación del problema (Interrogante principal) ................................................. 3
1.1.2. Sistematización del problema (Interrogantes secundarias) ...................................... 3
1.2. Objetivos ........................................................................................................................ 3
1.2.1. Objetivo general ............................................................................................................ 3
1.2.2. Objetivos específicos ..................................................................................................... 4
1.3. Justificación de la investigación .................................................................................. 4
1.3.1. Justificación Práctica ................................................................................................... 4
1.3.2. Justificación Económica ............................................................................................... 4
1.3.3. Justificación Social ....................................................................................................... 5
1.3.4. Justificación Ambiental ................................................................................................ 5
1.3.5. Justificación profesional y/o académica ...................................................................... 5
1.4. Alcances del proyecto ................................................................................................... 5
1.4.1. Temático ........................................................................................................................ 5
1.4.2. Espacial .......................................................................................................................... 6
1.4.3. Temporal ....................................................................................................................... 6
1.5. Viabilidad del proyecto ................................................................................................ 6
CAPÍTULO II: REFERENCIAL TEÓRICO ........................................................................... 7
2.1. Antecedentes .................................................................................................................. 7
2.1.1. El agua potable en la Región Arequipa ...................................................................... 7
2.1.2. Fuentes de agua ............................................................................................................. 8
2.1.3. Normativa vigente nacional ......................................................................................... 9
2.1.4. Tipos de tratamiento de aguas superficiales............................................................... 9
2.1.5. Etapas de potabilización de un tratamiento físico-químico .................................... 11
a) Recepción ..................................................................................................................... 11
b) Pre-Tratamiento ......................................................................................................... 11
c) Coagulación ................................................................................................................. 11
d) Floculación .................................................................................................................. 12
e) Decantación ................................................................................................................. 12
f) Filtración ..................................................................................................................... 12
g) Desinfección ................................................................................................................. 12
h) Almacenamiento ......................................................................................................... 13
2.2. Energía solar como fuente energética ....................................................................... 13
2.3. Levantamiento del estado del arte ............................................................................. 14
CAPÍTULO III: MÉTODO DE INVESTIGACIÓN .............................................................. 21
3.1. Aspectos metodológicos de la investigación .............................................................. 21
3.2. Técnicas de Investigación ........................................................................................... 22
3.3. Instrumentos de Investigación ................................................................................... 22
3.4. Plan muestral .............................................................................................................. 22
3.4.1. Población Objetivo ..................................................................................................... 22
3.4.2. Determinación de la muestra ..................................................................................... 22
3.4.3. Procedimientos de muestreo ...................................................................................... 23
3.5. Resumen de la metodología de investigación ........................................................... 23
3.6. Diagrama de Entradas y Salidas ............................................................................... 25
3.7. Aspectos metodológicos para la investigación .......................................................... 26
CAPÍTULO IV: DIAGNÓSTICO DE LA SITUACIÓN ACTUAL...................................... 27
4.1. Población objetivo ....................................................................................................... 27
4.2. Recurso hídrico en la zona de acción ........................................................................ 28
4.3. Tratamiento físico-químico ........................................................................................ 29
4.4. Reactivos y su dosificación ......................................................................................... 30
4.5. Ámbitos de mejora ...................................................................................................... 32
CAPÍTULO V: PROPUESTA DE MEJORA ......................................................................... 33
5.1. Consideraciones generales ......................................................................................... 33
5.2. Caracterización del agua de entrada al sistema ....................................................... 34
5.3. Procedimiento de Muestreo ....................................................................................... 34
5.4. Caracterización inicial del agua de la zona donde se instalará el sistema ............. 37
5.5. Diseño del modelo ....................................................................................................... 40
5.6. Estructura y cámaras ................................................................................................. 41
5.7. Componentes (Equipos e instrumentos) ................................................................... 45
5.8. Diseño del proceso ...................................................................................................... 56
5.8.1. Unidad de Pre-Tratamiento ....................................................................................... 57
5.8.2. Unidad de Tratamiento Primario .............................................................................. 57
5.8.3. Unidad de Tratamiento Secundario .......................................................................... 59
5.9. Simulación del proceso ............................................................................................... 66
5.9.1. Aspectos y consideraciones para simulación ............................................................ 66
5.9.2. Procedimiento para simulación ................................................................................. 67
5.10. Análisis económico ...................................................................................................... 69
5.10.2. Costo por consumo eléctrico ...................................................................................... 69
5.10.3. Materia prima ............................................................................................................. 70
5.10.4. Costo de producción ................................................................................................... 70
5.10.5. Inversión ...................................................................................................................... 72
5.11. Validación de la investigación.................................................................................... 74
5.11.1. Validación del proceso ................................................................................................ 74
5.11.2. Validación del producto ............................................................................................. 74
CAPÍTULO VI: RESULTADOS Y ANÁLISIS ...................................................................... 77
6.1. Resultados y análisis de la caracterización del agua de entrada ............................ 77
6.2. Resultados y análisis del diseño del modelo experimental ...................................... 78
6.3. Resultados y análisis del diseño del proceso ............................................................. 79
6.4. Resultados y análisis de la simulación ...................................................................... 79
6.4.1. Insumos a utilizar ....................................................................................................... 79
6.4.2. Balance de materia ..................................................................................................... 82
6.4.3. Utilización de componentes ........................................................................................ 83
CAPÍTULO VII: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................................... 85
7.1. Conclusiones ................................................................................................................ 85
7.2. Recomendaciones ........................................................................................................ 86
BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................ 87
LISTA DE IMÁGENES
Imagen N° 1. Mapa mental de la potabilización del agua y sus factores relevantes. 9
Imagen N° 2. Entradas y salidas según la metodología propuesta. 25
Imagen N°3. Riachuelo de Sogay (parte alta) donde se recolectó el agua para análisis. 35
Imagen N° 4. Responsable con guantes y listo para el muestreo. 36
Imagen N°5. Recolección de muestras. 36
Imagen N°6. Kit para recolección de las muestras. 37
Imagen N°7. Resultados del análisis de laboratorio. 38
Imagen N°8. Vistas y detalle de la estructura metálica de la unidad potabilizadora. 42
Imagen N°9. Vista superior y lateral de la unidad potabilizadora. 43
Imagen N°10. Detalle de cortes A, B y vistas isométricas de la unidad potabilizadora. 44
Imagen N°11. Diagrama secuencial del proceso por unidades y componentes principales de la
propuesta. 45
Imagen N°12. Filtro de aspiración. 46
Imagen N°13. Bomba centrífuga de succión y descarga. 46
Imagen N°14. Posición y tipo de succión de las bombas centrífugas. 47
Imagen N°15. Blower. 48
Imagen N°16. Sensor de nivel. 49
Imagen N°17. Dosificador de insumos químico. 49
Imagen N°18. Filtro multimedia. 50
Imagen N°19. Filtro turbidex. 50
Imagen N°20. Filtro de carbón activado. 51
Imagen N°21. Dosificador de cloro. 51
Imagen N°22. Componentes de control. 52
Imagen N°23. Batería de 150Ah. 53
Imagen N°24. Panel solar de 325Wp. 53
Imagen N°25. Inversor. 54
Imagen N°26. Controlador de carga. 54
Imagen N°27. Tablero eléctrico. 55
Imagen N°28. Unidades Primaria y Secundaria del sistema de tratamiento propuesto. 61
Imagen N°29. Equipos para la generación energética. 61
Imagen N°30. Irradiancia vs meses, en Arequipa. 62
Imagen N°31. Distribución de los principales componentes realizada en Process Simulator. 68
Imagen N°32. Simulación del proceso realizado en Process Simulator. 80
Imagen N°33. Diagrama del balance de materia con valores obtenidos de la simulación 82
Imagen N°34. Porcentaje de utilización de los componentes principales. 83
Imagen N°35. Porcentaje de utilización vs tiempo de tratamiento de los componentes. 84
Imagen N°36. Porcentaje de llenado de las cámaras de tratamiento vs tiempo de tratamiento. 84
LISTA DE TABLAS
Tabla N°1. Variables de las principales estaciones base ubicadas en la costa del Perú. 14
Tabla N°2. Comparación de las características básicas entre el sulfato de aluminio y PAC´s. 18
Tabla N°3. Resultados de lodos obtenidos por etapa en dos temporadas climáticas. 20
Tabla N° 4. Medios, técnicas y herramientas a utilizar según la metodología propuesta. 26
Tabla N° 5. Tiempos de retención hidráulica para coagulación-floculación. 34
Tabla N°6. Parámetros no aceptables y su valor. 39
Tabla N°7. Equipos con su consumo y potencia. 48
Tabla N°8. Sección AWG según el amperaje. 55
Tabla N° 9. Diagrama Operacional dividido en unidades. 56
Tabla N°10. Dosificación recomendada de los principales coagulantes/floculantes. 58
Tabla N°11. Presentaciones más comunes del cloro y porcentaje del cloro activo. 60
Tabla N°12. Irradiancia en Arequipa a lo largo del año. 62
Tabla N°13. Consumo energético y potencia de los componentes. 63
Tabla N°14. Número de paneles necesarios según mes del año. 64
Tabla N°15. Lista de equipos y componentes con su demanda energética. 65
Tabla N°16. Insumos químicos y su dosificación calculada y/o definida. 67
Tabla N°17. Parámetros a ingresar en el software por componente. 67
Tabla N°18. Remuneración y jornada de los colaboradores responsables del sistema. 69
Tabla N°19. Costo por consumo eléctrico (en caso de obviarse la parte solar). 70
Tabla N°20. Costo mensual de los insumos necesarios para el tratamiento. 70
Tabla N°21. Tarifa del costo de agua potable en Arequipa. 71
Tabla N°22. Costo de tratamiento por m3 de agua. 71
Tabla N°23. Costo incurrido por consumo a Sedapar. 71
Tabla N°24. Costo de equipos. 72
Tabla N°25. Costo de materiales. 73
Tabla N°26. Costo de servicios. 73
Tabla N°27. Diagrama Operacional dividido en unidades. 74
Tabla N°28. Parámetros y valores de Límites Máximos Permisibles para el agua potable. 76
Tabla N°29. Parámetros encontrados en el agua analiza y cantidad aceptable según norma. 77
Tabla N°30. Componentes del sistema de tratamiento con sus especificaciones más relevantes. 79
Tabla N°31. Actividades principales del sistema potabilizador de aguas superficiales. 79
Tabla N°32. Variables más relevantes según cálculos y según simulación realizada. 80
Tabla N°33. Aumento o disminución porcentual de las variables, según cálculos y simulación. 81
CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN
La presente tesis tiene como finalidad presentar la investigación realizada sobre el tema
del tratamiento de aguas superficiales en el medio local; se muestra la investigación
realizada a manera de un proyecto, cuya finalidad, de ser implementado, es abastecer de
agua potable a comunidades alejadas que por razones de geografía, distancia y economía
no pueden acceder de manera fácil, rápida y segura a este recurso básico. En este capítulo
se presenta y describe la problemática, objetivos de la investigación, justificaciones de
diversa índole y delimitación del trabajo.
1.1. Descripción del problema de investigación
La distribución del recurso hídrico potable hacia la población se da a través de la red que
administra la empresa SEDAPAR, que cubre el 88.5% de la misma, pero no la abastece
en su totalidad; esta distribución se da por medio de canales, los que conducen el agua
tratada a tuberías que llegan a domicilios y empresas. Este servicio brindado tiene
limitaciones destacando el hecho de no poder atender a todos los centros poblados, en
especial los más alejados, así mismo esta red debe mejorar su plan de mantenimiento y
reforzar el monitoreo de condición de la infraestructura para evitar cortes imprevistos del
servicio y fallas.
Se ha evidenciado que en estas zonas alejadas (comunidades con limitación de acceso al
recurso hídrico potable) la problemática persiste a pesar que se tiene disponibilidad y
acceso al recurso hídrico a manera de ríos, riachuelos, acequias, lagunas, lagos, pozos,
agua del sub-suelo, etc.
A estos cuerpos de agua o aguas superficiales no se le realiza un tratamiento adecuado
(físico-químico) porque la cobertura de la red de distribución de agua potable no llega a
estas zonas por su lejanía y geografía accidentada, además a la EPS no le resulta viable
técnica y económicamente expandir su red a estas comunidades. Por otra parte, los
pobladores de estas zonas no cuentan con el conocimiento y solvencia económica
suficiente para invertir, desarrollar o comprar un sistema compacto de tratamiento de estas
aguas superficiales disponibles. En estas comunidades se recopila el agua para consumir
directamente de las fuentes (ríos, lagunas, acequias, etc.); la cual, a pesar de ser tratada
con métodos empíricos como hervirla, exponerla al sol, filtrarla o agregándole químicos
(sales que en la mayoría de casos no son añadidas de manera correcta), no garantiza que
se obtenga un recurso hídrico apto para el consumo humano. También se opta por comprar
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agua de cisternas o visitar otros poblados cercanos para abastecerse de agua por algunos
días y trasladar en recipientes el recurso hídrico para su uso y consumo por algunos días.
Según algunos autores entre los que destacan Abramovich, B. (1998) y la Organización
Mundial de la Salud (OMS) en la tercera actualización de sus: “Guías para la calidad del
agua potable” (2017), indican que las actividades y procedimientos expuestos buscan
adaptar el recurso hídrico para poder utilizarlo y consumirlo pero, definitivamente no son
los adecuados ya que no garantizan la eliminación de impurezas como restos de animales,
vegetación, partículas suspendidas, cloruros, sulfatos, plancton, virus, bacterias,
carbonatos de calcio, hierro, sodio, aluminio, manganeso, ácidos, restos de fabricación,
etc. siendo estos los componentes presentes más habituales en este tipo de aguas. Según
lo expuesto, la presente tesis busca dar solución al problema de “Inexistencia de un
tratamiento físico-químico alternativo para la potabilización de agua, en zonas alejadas
con cuerpos de agua superficiales disponibles que no cuentan con acceso al servicio de
agua potable por su lejanía y geografía accidentada”.
A partir de la problemática identificada, se tienen las siguientes causas principales:
1) La infraestructura y red del servicio de agua potable no llega a las zonas en mención
ya que se trata de centros poblados pequeños y alejados; así mismo, la geografía en ciertos
casos dificulta la construcción de esta red.
2) Para la empresa Prestadora de Servicios, (EPS) SEDAPAR no le resulta viable técnica
y económicamente extender su red a estos lugares y brindar el servicio.
3) Otra causa principal de esta problemática es el desconocimiento de alternativas
portátiles y compactas (de preferencia) de potabilización de agua, además que se pueden
alimentar energéticamente con energías renovables (radiación solar).
4) Finalmente, se tiene un limitado número de especialistas trabajando actualmente en el
uso de tecnologías y métodos alternativos sostenibles debido a la limitación de recursos
técnicos-económicos disponibles para la adaptación de nuevas tecnologías.
Como consecuencias relevantes detectadas de esta problemática destacan;
1) La disminución de la calidad de vida de las personas; que no tienen acceso al agua
potable y debido a esto son más propensas a enfermedades, por el uso y consumo del
recurso hídrico ocasionando deterioro en su salud y un limitado desarrollo social de las
comunidades.
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2) En segundo lugar, se aplican técnicas caseras para la purificación del recurso hídrico;
como hervir el agua de manera directa de la fuente, filtraciones simples, exposición al sol,
clorado manual y poco controlado, entre otros; en gran número de estos casos se llevan a
cabo procedimientos que no garantizan la eliminación total de microorganismos e
impurezas.
3) Otra consecuencia de gran relevancia es que produce en la sociedad un pensamiento
parametrado acerca de alternativas de abastecimiento de agua potable, ya que tener agua
potable en zonas como la descrita no significa necesariamente la construcción e
instalación de una planta industrial de tratamiento y todos los efectos e inversión que esta
conlleva.
1.1.1. Formulación del problema (Interrogante principal)
¿Existe un proceso alternativo, portátil, modular y eco amigable para obtener agua
potable en zonas alejadas con limitaciones energéticas y de acceso a la red en la Región
Arequipa?
1.1.2. Sistematización del problema (Interrogantes secundarias)
- ¿Cuál es la situación actual de estos poblados respecto a la adaptación del recurso
hídrico para su consumo?
- ¿Existe algún método alternativo para la obtención de agua potable en estas zonas, que
sea modular, práctico y eco amigable?
- ¿Cómo acceden a servicios básicos como agua potable y electricidad en zonas alejadas
donde no llegan las redes convencionales?
- ¿Emplean los pobladores de zonas rurales algún proceso adecuado que garantice la
salubridad del agua que consumen?
- ¿A cuántos pobladores se busca satisfacer con el proceso propuesto?
- ¿Es viable técnica y económicamente?
1.2. Objetivos
1.2.1. Objetivo general
Proponer el diseño de un proceso físico-químico alternativo compacto, portátil, modular
y eco-amigable para la potabilización de agua que cumpla los parámetros mínimos de
salubridad, en zonas con limitaciones de acceso al recurso hídrico potable que cuenten
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con acceso a aguas superficiales.
1.2.2. Objetivos específicos
- Recopilar información relevante sobre el estado actual de la potabilización de agua en
el medio local.
- Proponer un método físico-químico alternativo de potabilización de aguas
superficiales; modular, práctico y eco-amigable.
- Describir las formas y maneras de acceso al agua potable en las zonas potenciales de
implementación de la propuesta.
- Proponer una alternativa de potabilización de aguas superficiales que garantice la
salubridad e higiene en todas sus etapas y cumpla con los estándares de calidad.
- Definir la capacidad de tratamiento del sistema y cantidad de potenciales pobladores
beneficiados.
- Validar la viabilidad de la propuesta de tratamiento tanto, técnica como
económicamente y sea apta para el consumo humano sin ninguna limitación.
1.3. Justificación de la investigación
1.3.1. Justificación Práctica
El presente trabajo tiene como justificación práctica implementar una propuesta y obtener
un proceso de potabilización adecuado para zonas con limitaciones de acceso a la red del
servicio de agua potable; el recurso hídrico será tratado adecuadamente mediante el uso
de una técnica de tratamiento alternativa con un sistema compacto, portátil, de fácil
operación y mantenimiento.
1.3.2. Justificación Económica
Con la implementación de esta mejora de proceso se percibirán mejoras económicas
respecto a la implementación de una planta fija de grandes dimensiones (costos operativos
y de mantenimiento menores), debido a la eficiencia del proceso de tratamiento y a la
naturaleza compacta y portátil de la misma. Se trata de una alternativa viable
económicamente sobre todo para clientes (colegios, municipios, centros poblados,
empresas privadas) que se encuentran alejados geográficamente y no tienen acceso
directo a la red del servicio de agua potable.
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1.3.3. Justificación Social
La implementación de la presente tesis eleva la calidad de vida de los pobladores ya que
se garantiza que consuman agua potable apta para los humanos, así mismo se disminuirán
notablemente las enfermedades (estomacales principalmente) relacionadas al consumo
del recurso hídrico con restos o impurezas las cuales son dañinas para la salud. Por otra
parte, los pobladores experimentarán una mejora en sus actividades relacionadas al
consumo, ya sea preparación de alimentos, aseo, crianza de animales, entre otros.
1.3.4. Justificación Ambiental
La presente propuesta de mejora de procesos al ser sostenible alimentará energéticamente
los componentes del sistema de tratamiento que demanden de energía eléctrica a través
de paneles solares, los cuales captarán la radiación solar y se obtendrá electricidad; de
esta forma se mitigará el impacto ambiental generado por la quema de combustibles o uso
de energía eléctrica convencional.
1.3.5. Justificación profesional y/o académica
Se aplicarán y profundizarán conocimientos disponibles y adquiridos a lo largo de lo
cursado en la carrera profesional plasmados en esta aplicación/solución específica como
tópicos de diseño, fabricación, selección de componentes, evaluación y viabilidad de
proyectos, seguridad industrial, entre otros. La presente mejora de procesos presenta una
opción de potabilización que no se da en nuestro medio local.
Por otra parte, la presente tesis se desarrolla como complemento del proyecto presentado
al Concurso de Innovación para la Microempresa – PIMEN 2018 (Convenio Nº 192), bajo
financiamiento de Recursos No Reembolsables (RNR) otorgados por el Fondo de
Investigación y Desarrollo para la Competitividad (FIDECOM) presentado por la
empresa SERVIMAN PERU S.R.L., en asociación con la Universidad Católica San
Pablo.
1.4. Alcances del proyecto
1.4.1. Temático
El presente proyecto tiene como alcance temático proponer una alternativa tecnológica,
portátil y compacta para la potabilización de agua que emplee recursos renovables
dirigido a poblaciones que tienen limitaciones de acceso al recurso hídrico potable.
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1.4.2. Espacial
La tesis presentada tiene como alcance espacial ser implementada en zonas con acceso y
disponibilidad de aguas superficiales, pero con limitaciones de acceso al recurso hídrico
potable como son, por ejemplo: Sogay, Quequeña, San Antonio, Sachaca, Tiabaya,
Socabaya, Characato, etc.
1.4.3. Temporal
El alcance temporal de la presente Tesis abarca un total de 12 meses, proyectándose una
implementación tentativa a finales del año 2019.
1.5. Viabilidad del proyecto
Actualmente el abastecimiento de agua potable se da a través de infraestructura/redes que
llevan el agua potable desde una planta de tratamiento fija a través de tuberías y canales
a los domicilios y empresas que contratan dicho servicio; económicamente hablando,
significa elevada inversión inicial, estudio de mercado, análisis de factibilidad, grandes
construcciones y elevados costos de mantenimiento y operación.
El presente proyecto es viable económicamente comparado al sistema convencional
descrito, debido a que, por ser un sistema compacto y portátil no se incurren en grandes
costos iniciales de inversión por la fabricación, construcción, mantenimiento, operación,
entre otros. El retorno de la inversión del sistema propuesto es rápido en comparación a
la construcción de una planta de tratamiento convencional, debido a las dimensiones y
capacidad de ambas alternativas. Técnicamente se logra el mismo objetivo; el cual es
obtener agua potable apta para el consumo humano en zonas de baja densidad población
con limitaciones de acceso a la red del servicio de agua potable.
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CAPÍTULO II: REFERENCIAL TEÓRICO
2.1. Antecedentes
En la región Arequipa, el servicio de potabilización de agua y saneamiento se remonta al
año 1923, con las primeras instalaciones de conexiones domiciliarias realizadas por la
empresa The Fundation Co., por encargo del presidente Leguía, debido al crecimiento
rápido de la población empieza a ser más contundente la necesidad de potabilizar el agua
y construir redes de distribución del recurso hídrico tratado además de las redes de
saneamiento. En el año de 1952, se construye la planta de Tratamiento de La Tomilla para
abastecer de estos servicios a la ciudad de Arequipa, pero es en la década del 60 donde,
debido al crecimiento explosivo y poco ordenado de la ciudad de Arequipa es que se inicia
una ampliación de la red del servicio de agua potable y alcantarillado gracias a un
préstamo con el Banco Interamericano de Desarrollo (BID), en 1961. En años posteriores,
específicamente en 1969, es que la fundación se convierte en Empresa de Saneamiento
de Arequipa (ESAR), como organismo descentralizado del sector vivienda y
construcción, mediante Ley N° 17528; el crecimiento de la ciudad y sus provincias seguía
en aumento y no de la mejor manera debido a la poca planificación y prevención por parte
de las autoridades.
En 1970, se identifica la necesidad de un Plan Director a llevarse a acabo en no menos de
30 años (según especialistas de la época), para este cometido se prepara dicho plan con
proyección al año 2010. La última década, se ha caracterizado por el uso y aplicación de
diversas técnicas para el tratamiento de aguas, según las características y origen de las
mismas. En nuestros días, hablando de tipos de tratamiento de aguas para su
potabilización, se puede decir que existen innumerables estudios sobre los mismos
destacando los tipos de tratamiento físico-químico y biológico, siendo este último mucho
más específico, costoso y eficiente; en cuanto al tipo de tratamiento físico-químico es
mucho más utilizado en el sector doméstico e industrial, ya que es mucho más fácil de
implementar, no se necesitan insumos controlados o muy caros y tiene una eficiencia muy
aceptable; en la mayoría de los casos basta para cumplir con los estándares de calidad que
establecen los entes competentes. (Arqque, A. 2016).
2.1.1. El agua potable en la Región Arequipa
La empresa SEDAPAR S.A. dota de agua potable, de acuerdo a los estándares
enmarcados por la Superintendencia Nacional de Servicios de Saneamiento (SUNASS),
a los consumidores quienes contratan el servicio de agua potable y alcantarillado, esta
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Empresa Prestadora de Servicios (EPS) constantemente monitorea la calidad del agua que
distribuye mediante su red a través de análisis y caracterización del recurso hídrico.
Si bien es cierto, con el correr de los años, Sedapar ha venido incrementado su cobertura,
pero existen zonas alejadas que por diferentes motivos no cuentan con este servicio de
potabilización de agua; en estas localidades el tratamiento o adaptación que se realiza al
recurso hídrico es diverso, desde: exposición del agua al sol para eliminar bacterias e
impurezas, filtrados simples, cloración manual y tratamientos en pequeñas unidades y
reservorios; estos últimos en la mayoría de casos son administrados por lo municipios o
empresas privadas que brindan este servicio. Estos tipos o alternativas de tratamiento de
las aguas disponibles en la mayoría de casos no cumplen con los estándares de calidad
que dictaminan los entes normativos y representan graves riesgos para la salud de los
consumidores.
Para el presente año 2020, se estima que a nivel región Arequipa, el porcentaje de
población que consume agua proveniente de red pública es de 85.8%, (el 47.6% consume
agua con niveles de cloro adecuados 0.5mg/l), pero existe un porcentaje de población que
no cuenta con acceso al recurso hídrico potable; esta población se ubica específicamente
en las alturas y sierra de nuestra región (provincias de La Unión, Caylloma, Condesuyos
y Caravelí principalmente), según el reporte: “Perú: Formas de acceso al agua y
saneamiento básico”, emitido el año 2018 por el INEI.
2.1.2. Fuentes de agua
En la región existen fuentes o cuerpos de agua de diferentes formas, específicamente en
zonas alto-andinas y alejadas de nuestra región tenemos las que destacan; fuentes
subterráneas, captadas de acuíferos del sub-suelo a manera de pozos y manantiales; estas
aguas generalmente tienen alta carga de metales y de minerales que pueden ser
perjudiciales; y fuentes superficiales, estos cuerpos de agua son los provenientes de la
cordillera y producto de las lluvias, podemos encontrarlas en reposo o en movimiento en
la superficie del terreno a manera de lagos, lagunas, ríos, riachuelos principalmente.
pág. 9
Imagen N° 1. Mapa mental de la potabilización del agua y sus factores relevantes.
Fuente: Elaboración propia, a partir de información recabada de papers, documentos y tesis.
2.1.3. Normativa vigente nacional
En el Perú el Ministerio del Ambiente (MINAM) y la Superintendencia Nacional de
Servicios y Saneamiento (SUNASS), son los principales entes reguladores en temas de
buenas prácticas respecto al tratamiento, uso, disposición y fiscalización del recurso
hídrico. La normativa a la que estará sujeto el presente proyecto de tesis se enmarca en
estándares publicados en el D.S. N°004-2017-MINAM para aguas superficiales y su
potabilización; dichas entidades catalogan al agua superficial como aquel recurso hídrico
disponible a manera de ríos, lagos, lagunas y grandes embalses.
Los Límites Máximos Permisibles (LMP), son parámetros que nos indican todas las
características que debe cumplir el recurso hídrico después de haber sido tratado
adecuadamente, cabe destacar que esta normativa vigente en el país es adaptada de
información publicada por la OMS en las “Guías para la calidad del agua potable”, en el
año 1995.
2.1.4. Tipos de tratamiento de aguas superficiales
Las técnicas actualmente aplicadas para el tratamiento de aguas superficiales son la forma
más antigua y utilizada de acondicionar el agua disponible en fuentes naturales para el
consumo humano. Las técnicas que a continuación se describen son las más
implementadas, convencionales, comprobadas y viables según sea la naturaleza de cada
pág. 10
aplicación específica.
Para el presente documento se clasifican los tipos de tratamiento según su naturaleza,
teniendo los siguientes:
a) Físico
Con este tipo de tratamientos no se generan nuevas sustancias, en cambio lo que se busca
lograr como objetivo es agrupar o concentrar los contaminantes de considerables
dimensiones (visibles por lo general) para poder retirarlo con elementos físicos o
mecánicos, muchos de estos tipos de tratamiento se aplican en zonas rurales alejadas de
la región Arequipa. Entre las principales etapas de este tipo de tratamientos destacan:
filtración, sedimentación, evaporación, adsorción, extracción, flotación, etc. Cabe
resaltar, que el tratamiento físico es un tratamiento inicial y primario (económico
comparado a los otros tipos de tratamiento) que en la mayoría de casos necesita de una
siguiente etapa para completar el tratamiento de las aguas superficiales y las mismas
puedan ser consumidas sin ningún riesgo por el hombre.
b) Químico
El tratamiento químico genera nuevas sustancias a partir de la adición de sustancias o
insumos al agua para que reaccionen y se agrupen con los contaminantes presentes en el
agua, de esta manera es mucho más fácil y factible separar las impurezas del recurso
hídrico. Por lo general este tipo de tratamiento combinado con uno primario, de tipo físico
es suficiente para lograr obtener agua potable a partir de fuentes de agua superficiales;
esto dependerá de las características del agua a tratar. Entre sus principales etapas
tenemos: coagulación, floculación, desinfección, etc. Económicamente es más costoso
que el tratamiento físico porque requiere de insumos para llevarse a cabo.
c) Biológico
Los tratamientos para potabilización de agua de este tipo usan organismos vivos para
provocar cambios químicos en el agua, a través de digestión aerobia o anaerobia. El
tratamiento biológico se utiliza cuando los tratamientos físicos y químicos no son
suficientes para obtener agua potable o cuando el agua a tratar tiene alta carga de
contaminantes; por lo general se usa en tratamientos de efluentes en las industrias del
cuero, papel, etc. Este tipo de tratamiento es más costoso que los anteriores y requiere de
mayores cuidados y riesgos ambientales, de operación y de mantenimiento,
principalmente.
pág. 11
El recurso hídrico que se encuentra en nuestra localidad y zonas aledañas se compone
principalmente de suspensiones sedimentables y coloides en las cuales pueden
presentarse virus, bacterias, entre otros que llegan hasta el orden de las micras (10-3 µm).
Las partículas coloidales (que son asociadas a turbidez y color) presentan cargas
electrostáticas superficiales (por lo general negativas) que generan repulsión entre ellas
de manera que les impide aglomerarse y sedimentarse, cabe resaltar que estas partículas
pueden estar suspendidas por largos períodos de tiempo. Existen en el mercado insumos
que neutralizan la carga de los coloides, anulando su potencial Z o potencial repulsivo
entre sí, estos productos a su vez forman agrupan las partículas coloidales y hacen posible
su sedimentación; esta es la base del proceso de coagulación-floculación que “adecúa”
las partículas mencionadas para que se puedan agrupar y sean fácilmente retiradas por
sedimentación (Saiz S., 2007). Dadas las características de las aguas superficiales de la
región Arequipa, es que se opta por la aplicación de un sistema de tratamiento físico-
químico el cual se detalla, analiza y justifica en los siguientes capítulos.
2.1.5. Etapas de potabilización de un tratamiento físico-químico
Las etapas para la potabilización de agua pueden variar en número y manera de realizarlas
(pueden existir variaciones notables entre técnica y técnica), pero existen las que son
fundamentales para poder obtener el recurso hídrico tratado adecuadamente, de las cuales
se abordará en los próximos puntos.
a) Recepción
Esta etapa se encarga del acopio de agua desde las fuentes o cuerpos de agua aledaños al
tratamiento posterior.
b) Pre-Tratamiento
Generalmente, esta es una etapa de separación de sólidos gruesos mediante rejillas o
filtros; en esta etapa se separan inicialmente los sólidos mayores a 1 pulgada y
posteriormente se separan los sólidos presentes mediante el uso de desarenadores para
retener las impurezas menores a 1 pulgada y la salida puede variar desde 1 centímetro
hasta pocos milímetros. (Flores J., 1992).
c) Coagulación
En esta etapa, se utiliza algún tipo de movimiento hidráulico o mecánico (agitación) que
es alimentado energéticamente por corriente eléctrica convencional (en la mayoría de los
pág. 12
casos), además se utilizan insumos químicos llamados coagulantes para lograr el proceso
de desestabilización química de las partículas a manera de coloides y poder neutralizar
estas fuerzas que mantienen la cohesión, para finalmente formar especies de coágulos.
(Durán J., 1997). Este proceso se lleva a cabo en menos de 30 segundos.
d) Floculación
Este proceso es el que sigue al proceso de coagulación que consiste a grandes rasgos en
el movimiento o agitación controlada de la masa previamente coagulada con la adición
de insumos químicos para aumentar el peso y tamaño de los coágulos formados
previamente con la intención que sean fácilmente sedimentables al aglomerarse en
grandes cantidades. (Durán J., 1997). La floculación debe realizarse con movimientos no
bruscos y controlados para evitar que los flóculos formados no se rompan.
e) Decantación
En esta etapa de la potabilización del agua se separan los “flocs” de mayor peso y tamaño
en relación al agua que por diferencias de peso específico y ayuda de la gravedad y
geometría del recipiente tienden a sedimentarse; pueden quedar “flocs” no muy grandes
de peso medio en la parte central del decantador; esto dependerá de la eficacia con la que
se realicen las etapas previas.
f) Filtración
En esta etapa se separan aquellos microorganismos y partículas que no pudieron ser
retenidos en las etapas previas con la utilización de filtros porosos de buena eficiencia (la
porosidad y calidad de los filtros juega un papel muy importante).
Cabe destacar que la filtración dependerá de cómo se realizaron las etapas anteriores, (se
trata de una cadena que debe ser fuerte en todos sus eslabones para poder tener agua
potable garantizada); según sea la eficacia del proceso de filtración esto repercutirá en la
mayor o menor demanda de cloro para la etapa de desinfección, además de lograr
posteriormente agua potable con las propiedades organolépticas adecuadas para el
consumo y uso humano. (Flores J., 1992).
g) Desinfección
Este es una etapa clave del proceso de potabilización del agua, pues se garantiza o no la
potabilidad del agua en la que debe garantizarse la erradicación de microorganismos
patógenos.
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h) Almacenamiento
El agua tratada debe almacenarse por tiempos no muy prolongados y en recipientes
altamente limpios para asegurar la preservación del recurso hídrico y quede listo para su
distribución.
2.2. Energía solar como fuente energética
La energía solar fotovoltaica se lleva a cabo en celdas solares a manera de paneles de
diversa capacidad, forma y tamaño; es en estos generadores donde se convierte
directamente la radiación solar captada en electricidad gracias al efecto fotovoltaico. El
efecto en mención consiste en materiales semiconductores como el silicio que, al recibir
la radiación solar, generan movilidad en los electrones presentes del material, generando
de esta manera electricidad aprovechable para una carga según la capacidad de los
generadores (paneles solares fotovoltaicos).
En los años 60 se lograba un 15% de eficiencia, hoy en día hay paneles que superan el
35%, tal como lo afirman Arancibia C. y Best R. (2010). Este tipo de tecnología y
aplicaciones están en auge, desarrollo y constante mejora, ya que la energía solar
fotovoltaica como solución energética está siendo cada vez más considerada e
implementada y con el transcurrir de los años representan soluciones más compactas,
portátiles y viables tanto técnica como económicamente, pero hay un factor muy
importante del cual depende el éxito de esta forma de generación energética y es el nivel
de radiación presente en el logar de implementación, horas de radiación aceptable y
condiciones climáticas. Arequipa forma parte de las pocas regiones en el mundo con
altísima radiación solar, según el Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología
(SENAMHI), que indican que Arequipa registra temperaturas de hasta 28-30
grados centígrados y en cuanto a niveles de radiación ultravioleta se alcanzan valores de
hasta 17 puntos, los mismos que son considerados altamente peligrosos a partir de los 11
puntos según recomendaciones de la OMS; como se puede apreciar, estos valores de
radiación pueden ser perjudiciales si tenemos una exposición prolongada a los rayos
solares; pero, surge una oportunidad dados estos altos niveles de radiación para
aprovecharlos y transformarlos eficientemente en energía eléctrica que pueda abastecer
de electricidad a los componentes y equipamiento de un sistema potabilizador de aguas
superficiales en zonas alejadas que cuentan con buena radiación solar.
pág. 14
Según el Ministerio de Energía y Minas del Perú, a través del “Atlas de Energía Solar del
Perú”, la energía registrada en la región Arequipa supera los 7 kWh/m2, lo que significa
uno de los índices más altos de irradiancia en Latinoamérica; con esto queda claro que se
trata de un lugar potencial y estratégico para implementar la tecnología solar ya que la
eficiencia será máxima y se obtendrán mejores resultados.
Estación
meteorológica
Energía solar
diaria (KW
h/m2)
Heliofanía
relativa (%)
Temperatura
máxima (°C)
Temperatura
mínima (°C)
Precipitación
total (mm/año)
COSTA
Miraflores 5.75 56 30.7 19.3 216
Von
Humboldt 4.06 40 23.3 15.5 16
San Camilo 5.92 61 28.7 13.4 11
La Joya 7.03 75 27 10.1 77
Tabla N°1. Variables de las principales estaciones base ubicadas en la costa del Perú.
Fuente: Atlas de Energía Solar del Perú – SENAMHI
2.3. Levantamiento del estado del arte
Los tipos de tratamiento han evolucionado a nivel mundial en diferentes aspectos, pero
en comunidades lejanas que tienen deficiencias económicas y energéticas potabilizar agua
es un verdadero reto; por ello se busca dar solución a la necesidad de las personas que,
por diferentes condiciones o causas no tienen acceso al tratamiento del recurso hídrico a
un bajo costo y energéticamente viable.
Ekwue E. et al. (2013), implementaron un sistema portátil de potabilización de agua en
zonas rurales del Caribe, cabe destacar que afirman que este tipo de tecnologías puede
implementarse en cualquier parte del mundo en la cual se tenga disponibilidad de fuentes
de agua superficiales y no se tenga acceso a una red que brinde el servicio de agua potable
a través de tuberías. Instalaron una mini-planta en una zona rural de Trinidad y Tobago
la cual consiste a grandes rasgos en almacenar el agua no tratada en un tanque
relativamente elevado de la cota base (suelo) para que posteriormente pase por un sistema
de filtro grueso y seguidamente por un filtro de carbón para capturar las impurezas más
diminutas. Este sistema fue testeado con 3 tipo de recurso hídrico: agua de lluvia, agua
de río y agua de un estanque donde los resultados del tratamiento de estos 3 tipos de agua
fueron comparados con los estándares de calidad de agua que recomienda la OMS. Como
conclusiones más importantes de este trabajo experimental se tiene que el ángulo de
ubicación de los filtros cuando reciben el agua afecta directamente en la eficiencia de
pág. 15
filtrado, teniendo como mejor resultado con un ángulo de 13°, por parte de los insumos
químicos utilizados para la etapa de coagulación-floculación y cloración se utilizaron los
más comunes, disponibles y relativamente económicos del mercado, como son los PAC´s.
Este estudio práctico demuestra que las alternativas de menores dimensiones a una planta
convencional son efectivas en la medida que se utilicen de manera adecuada las
herramientas tecnológicas y casos de éxito disponibles a manera de bibliografía o
contacto directo; así como esta solución, se pueden implementar gran número de variantes
alrededor del mundo dependiendo las características del agua a tratar (disponible),
volumen y estándares a los que se desea llegar.
Guzmán L. et al. (2013), desarrollaron un estudio experimental a base de ensayos a nivel
laboratorio, para obtener agua potabilizada. El estudio indica que, para obtener agua
tratada para el consumo humano se contempla el procesamiento de agua cruda a través
de un tratamiento físico-químico dentro del cual la coagulación es la etapa más importante
y en la que se debe tener más énfasis en el tratamiento convencional de agua, esta etapa
consiste principalmente en la remoción de grandes componentes/partículas suspendidas
en el fluido a tratar o potabilizar. Este cuidado y énfasis en las condiciones y manera de
realizar la coagulación debe realizarse por que esta etapa demanda el uso de químicos que
en la mayoría de casos tiene un costo relevante en cualquier proyecto; por lo que, a mayor
volumen a tratar de agua se demandará directamente proporcional una cantidad de
insumos químicos (coagulantes naturales o industrializados). Estos autores gracias a los
ensayos experimentales que realizaron con coagulantes naturales concluyen que estos
insumos de origen vegetal tienen una muy buena relación eficiencia-costo en la remoción
de turbidez del agua, lo que significa que, a medida que esta eficiencia mejore los costos
por esta etapa de tratamiento se reducirán y el tipo de tratamiento físico-químico será cada
vez más rentable y viable. Esta tarea de viabilizar la forma de obtención/producción de
agua potable es una tarea entre varios actores siendo las entidades como el Estado (a
través de los programas de apoyo a comunidades alejadas, municipalidades y fondos),
organizaciones privadas e inversionistas los principales ya que tienen los recursos (dinero
y tecnología) disponibles para ser implementados para dar solución a necesidades básicas
como el acceso al recurso hídrico potable.
Matilainen et al. (2010) afirman, como una de las conclusiones más importantes de su
investigación que se llevó a cabo con el fin de apreciar el comportamiento de los flóculos
formados como parte del proceso de la potabilización de aguas superficiales, que en la
pág. 16
etapa de coagulación se lleva a cabo un proceso químico complejo a partir de la
interacción de químicos con las partículas y contaminantes presentes en aguas turbias de
naturaleza superficial en el cual se apreció que el potencial repulsivo del coloide (o
resistencia a que los flóculos se generen) formado se reduce, de esta manera es que se
obtienen partículas más pequeñas, las mismas que se golpean o chocan entre sí para
formar estructuras de mayores dimensiones, lo que favorece al tratamiento del agua ya
que se eleva la eficiencia y velocidad en la formación de flóculos. Esta información como
punto de partida afirma que se tendrán resultados favorables y se cumplirán los objetivos
de potabilización de llevarse a cabo de manera correcta la etapa de coagulación. En esta
etapa crítica de la potabilización de aguas, se tiene conocimiento que, si el pH del recurso
hídrico a potabilizar no está dentro del intervalo adecuado (o dentro de un rango
controlable sin incurrir en costos excesivos) de las aguas superficiales la clarificación de
la misma será pobre debido a que la acción de los coagulantes desarrolla una baja
eficiencia y puede solubilizar aluminio (en caso se utilicen derivados de este metal como
coagulante) ocasionando problemas de grandes variaciones en la turbidez, dureza,
alcalinidad, pH y aluminio residual presente en el agua clarificada. Este metal en solución
genera una reestructuración de las cargas presentes en las partículas en suspensión y se
experimenta una floculación posterior generando inconvenientes en la apariencia del
recurso hídrico tratado, es decir no se obtendrá agua totalmente clara como resultado final,
tal y como lo corrobora el estudio llevado a cabo por Quintana R. (2000).
Ingallinella et al. (2011) y Francisca F. & Carro M. (2014); en sus investigaciones
realizadas afirman que el arsénico, entre los componentes químicos presentes en aguas
superficiales, es uno de los principales agentes contaminantes y cancerígenos que se
pueden hallar en este tipo de fuentes de agua disponibles (superficiales y subterráneas),
aunque si bien es cierto que es poco probable encontrar restos de arsénico en aguas de
origen natural hay evidencia de su presencia en el recurso hídrico sobre todo en cercanías
de desembocaduras de efluentes de origen industrial y es por esta razón que se hace
hincapié en este químico dada su alta peligrosidad y los cuidados extremos que se deben
tener en su manipulación. La tecnología y procesos que se conocen actualmente para la
remoción de arsénico son variadas y comprendes desde tratamientos in situ, métodos
domiciliarios y plantas de tratamiento o potabilizadoras convencionales; estos procesos
de remediación son principalmente coagulación-floculación, precipitación, oxidación,
ablandamiento, micro filtración, nano filtración, fito remediación, entre otros. En el
pág. 17
trabajo desarrollado por estos autores se determina que, de llevar acabo de manera
correcta la etapa de floculación-coagulación; con el uso de componentes químicos
adecuados, en dosis adecuadas y tiempos de agitación óptimos se asegura la remoción de
arsénico con lo que se asegura la eliminación de otros componentes de menor rango de
contaminación y prejuicio para la salud humana.
P. Torres et al. (2012), aseveran que en las plantas de potabilización de agua
(convencionales), que incluyen los procesos básicos físico-químicos como son:
coagulación, floculación, filtración y sedimentación los lodos son producidos en todas y
cada una de las etapas (a excepción de la etapa de coagulación), en unas más que en otras.
Los coagulantes químicos más utilizados por estas plantas potabilizadoras son las sales
de aluminio y de hierro, dada su buena eficiencia y relación costo-beneficio en el
tratamiento; estos lodos generados tienen un alto potencial de cuanto a posibilidades de
reutilización y hasta comercialización.
Muchas de las plantas convencionales de potabilización de aguas, son limitadas al
tratamiento, dejando un poco de lado la parte de generación, tratamiento y/o disposición
de lodos, esto debido a la carencia en cuanto a infraestructura, equipamiento,
conocimiento y el elevado costo que se incurriría en llevar a cabo una correcta disposición
de lodos generados; esto en prolongados períodos de tiempo se convierte en un problema
para el ambiente y la salud humana. Como afirman estos autores, sobre el potencial
favorable de estos lodos, se pueden recuperar y utilizar como insumos para otros procesos
como en la elaboración de materiales de construcción, específicamente en la producción
de ladrillos cerámicos.
Tzoupanos et al. (2009) afirman que: si se desea lograr el objetivo de altos niveles de
calidad del agua tratada y desempeño del proceso, se deben aplicar coagulantes
alternativos que han surgido en las últimas décadas como alternativas altamente
eficientes. En esta nueva generación de coagulantes destacan el policloruro de aluminio
(PAC), clorhidrato de aluminio (ACH) y polisulfatos de aluminio (PAS) los mismos que
han demostrado un desempeño superior frente a coagulantes de uso convencional como
el sulfato de aluminio o cloruro férrico sobre todo en situaciones de clarificación de aguas.
Estos coagulantes nombrados inicialmente son, hoy en día, bastante aplicados en cuanto
a sistemas de tratamiento con el objetivo de potabilizar el agua y tratamiento de aguas
residuales industriales alrededor del mundo.
En la Tabla N°3 se muestran las principales diferencias respecto a los criterios
pág. 18
comparativos más relevantes en un sistema potabilizador de agua.
Criterio Sulfato de aluminio PAC´s
Temperatura
pH
Especie de
aluminio
Cinética
La temperatura afecta la hidrólisis y, por ende, la
producción de complejos hidroxilos cargados
positivamente esenciales para la coagulación.
El rango de pH controla cual especie de hidroxilo de
aluminio se produce.
La mayoría de especies de aluminio son complejos
hidroxilo monoméricos con una carga catiónica de +1
a +3.
Más lenta.
Menor efecto de la
temperatura por la presencia
de formas de aluminio
prepolimerizadas.
Se espera menor impacto del
pH por la presencia de formas
de aluminio prepolimerizadas.
Presencia de formas de
aluminio monoméricas y
poliméricas.
Más rápida.
Tabla N°2. Comparación de las características básicas entre el sulfato de aluminio y PAC´s.
Fuente: Zouboulis et al. (2008).
Asrafuzzaman et al. (2011), aseveran que polímeros naturales han sido utilizados como
coagulantes naturales y medianamente eficientes hace más de 4000 años en culturas
orientales como China, India y hasta África; estos hallazgos indican que estos polímeros
se aplicaban como ayudantes de coagulación de aguas de gran turbidez para uso o
consumo humano en zonas rurales donde por condiciones climatológicas se tienen aguas
con gran presencia de sólidos suspendidos.
Los coagulantes con los que se tratan las aguas superficiales actualmente son mucho más
eficientes que en estas primitivas formas de tratamiento, no cabe duda, pero vislumbran
grandes luces para el desarrollo y aplicación de coagulantes de origen natural los mismos
que además de ser económicos son ambientalmente amigables. Adicionalmente, Beltrán
et al. (2011) reportaron un agente coagulante nuevo de origen vegetal, a partir del extracto
del tanino crudo al cual se le adicionó NH4Cl y formaldehído. A partir de esta mezcla se
obtuvieron como resultados elevadas diferencias en la eficiencia de la remoción de
sólidos suspendidos. En lo que respecta a la remoción de turbidez se apreció que al
adicionar bajas dosis (12.5-25 mg/L) de coagulante es posible remover la turbidez inicial
de las muestras casi en su totalidad.
Pitchard et al. (2010) en su proyecto de investigación adelantaron información de gran
relevancia al observar el comportamiento del sulfato de aluminio, sulfato férrico y M.
oleífera como coagulantes tanto de origen químico (procesado) como de origen natural
pág. 19
respectivamente. Para este experimento se utilizó un agua modelo sembrada con E. coli
para simular condiciones bacteriológicas y se generó una turbidez de 146 NTU (las
condiciones de turbidez fueron creadas artificialmente con caolín); agua cruda de diversa
índole: agua de río (con una turbidez < 5 NTU), agua de origen pluvial (turbidez de 45
NTU) y agua híbrida; es decir, se mezcló agua de diferentes fuentes entre las que destacan
aguas superficiales.
Los resultados obtenidos mostraron que el coagulante de origen natural removió el 84%
de turbiedad y el 88% de E. coli presente en la mezcla de aguas. Comparando los
coagulantes se concluyó que el de origen vegetal tiene una alta eficiencia de remoción
tanto de turbiedad como del agente microbiológico, por otra parte, los agentes coagulantes
de origen químico tienen una mayor remoción (entre el 5-8% de aumento de eficiencia),
por lo que con ambos coagulantes se obtienen ventajas de preservación del medio
ambiente y económicas respectivamente. La adición de coagulantes químicos
convencionales y mundialmente utilizados a nivel industrial, aparte de favorecer la
remoción de especies químicas (partículas) responsables de la turbiedad presente en el
fluido, son capaces de remover microorganismos que se adhieren a este tipo de partículas.
En este tipo de tratamientos que demandan el uso de insumos químicos de diversa
procedencia se tienen desventajas como la gran generación de lodos, elevados costos de
adquisición, tal como lo afirman Antov et al. (2010).
Hooper, (1987) Indica que la desinfección de aguas es un proceso en el cual se eliminan
o controla la presencia de microorganismos que afecten la calidad y por consecuencia la
salud del consumidor a manera de enfermedades bacterianas y microbianas. Estos
microorganismos son algas, protozoarios, copépodos, escherichia coli, organismos de
vida libre, helmintos, Vibrio cholerae, siendo estos los más comunes en aguas
superficiales.
Gutiérrez J. et al. (2014) en sus ensayos realizados para identificar la etapa, en el sistema
de tratamiento convencional, que más lodos genera es que presentan como resultado la
Tabla N° 4, en la cual se aprecian los principales parámetros monitoreados para identificar
entre el desarenador, floculador, sedimentador y filtros, dónde es que se presentó mayor
presencia de sólidos y por ende lodos capturados.
Cabe mencionar que se realizaron pruebas y ensayos con aguas superficiales de la zona
(Medellín-Colombia), en dos temporadas distintas: de lluvias y temporada seca para
mostrar a su vez la variación entre los resultados cómo la turbidez del agua disponible
pág. 20
varía según la época del año.
Tabla N°3. Resultados de lodos obtenidos por etapa en dos temporadas climáticas.
Fuente: Tratamiento de lodos generados en el proceso convencional de potabilización de agua.
Gutiérrez et al. (2014).
Se puede apreciar claramente que en la temporada de lluvias los valores de los parámetros
estudiados son mayores, esto debido a que las lluvias arrastran consigo sólidos en
suspensión y otras partículas que hacen que la carga de las aguas se eleve lo que significa
que se deberán usar dos tipos de tratamiento (dosificación) según sea la época del año y
según sea la zona específica donde se implemente el sistema potabilizador, es muy
recomendable realizar una prueba de jarras para ambos casos y así ajustar la dosificación
de químicos para que el costo de tratamiento sea el correcto y no se incurran en gastos
excesivos. En la región Arequipa no se han evidenciado casos exitosos de sistemas
híbridos que apliquen y combinen un proceso físico-químico con la utilización de energía
solar fotovoltaica u otro tipo de energía renovable, que tengan una relación de costo de
implementación versus beneficio aceptable; es por esta razón, por esta necesidad
detectada y por la alta disponibilidad de energía solar que surge una oportunidad para
diseñar e implementar el proceso de potabilización de cuerpos de agua propuesto en zonas
con limitaciones, de la región Arequipa.
pág. 21
CAPÍTULO III: MÉTODO DE INVESTIGACIÓN
3.1. Aspectos metodológicos de la investigación
3.1.1. Diseño de Investigación
En el presente trabajo se empleará un diseño de investigación descriptiva ya que se
describirán eventos y fenómenos que se llevan a cabo en la simulación del tratamiento
propuesto. Así mismo se trata de una investigación cuantitativa ya que al realizar
actividades como simulaciones, se acopiarán datos de los dosificadores e instrumentos de
medición; con estos datos recopilados y procesados se podrán calcular e interpretar
variables y parámetros de interés.
3.1.2. Tipo de Investigación
Teniendo en cuenta que la investigación tendrá un diseño descriptivo y cuantitativo, cabe
destacar que será del tipo no experimental ya que se realizarán simulaciones,
observaciones y recopilación de información (parcial) a nivel laboratorio donde las
variables más importantes serán analizadas para definir una formulación y ajustar
parámetros en las etapas de tratamiento propiamente dicho.
3.1.3. Métodos de Investigación
a. Según el tipo de información
En la presente tesis la información a emplear será de dos tipos: cualitativa; ya que se
recopilará información bibliográfica a manera de tesis, papers, publicaciones en revistas,
casos de éxito documentados, entre otros. En segundo lugar, será cuantitativa; ya que las
simulaciones brindarán datos los mismos que se registrarán y procesarán para ser
analizados y de esta manera definir las variables y sus parámetros en el sistema de
potabilización.
b. Según el tipo de reflexión
El tipo de reflexión será del tipo analítico-práctico; inicialmente se recopilará información
de todo lo que abarca el tratamiento físico-químico como tal, esta información se
analizará (parte analítica) y se seleccionará en cada apartado lo más idóneo para que la
implementación sea satisfactoria (parte práctica) basándose en bibliografía, normativa y
criterios de viabilidad técnicos principalmente para que el sistema de potabilización de
aguas superficiales propuesto sea viable.
pág. 22
3.2. Técnicas de Investigación
La técnica principal a utilizar será el levantamiento de información a través de una
recopilación de tesis, papers, revistas y casos de éxito documentados y no documentados
(entrevistas), así como también entrevistas a trabajadores de empresas del rubro de
tratamiento de aguas, consultores y proveedores de insumos químicos; a través de esta
técnica de investigación se recopilará información base (de carácter bibliográfico y
técnico-práctico principalmente) sobre temas relevantes como el tipo de tratamiento a
implementar, químicos a utilizar, equipos a instalar, requerimiento energético, normativa
vigente, criterios de dimensionamiento y cálculos.
3.3. Instrumentos de Investigación
Como instrumento de investigación principal se aplicará la entrevista la cual se realizó a
expertos en el tema, consultores, docentes, gerentes de empresas relacionadas y
trabajadores de plantas de tratamiento similares, los mismos que colaborarán con la
presente tesis respondiendo interrogantes que involucran aspectos de relevancia respecto
al sistema de tratamiento propuesto.
3.4. Plan muestral
3.4.1. Población Objetivo
La población objetivo de la presente tesis son todas aquellas comunidades y centros
poblados con limitaciones de acceso al recurso hídrico potable a través del servicio
convencional por diferentes motivos tales como: geografía accidentada, lejanía de las
ciudades principales (y por ende de una red de servicio de agua potable) y que cuenten
con acceso a fuentes de agua superficiales.
3.4.2. Determinación de la muestra
La muestra seleccionada se determina a partir que la zona potencial a implementar la
presente propuesta cumpla con las características principales de población objetivo; es
decir: poblaciones alejadas/rurales que no cuenten con acceso a la red del servicio de agua
potable y que tengan acceso a fuentes hídricas a manera de ríos, lagos, lagunas, etc.
(fuentes superficiales).
pág. 23
3.4.3. Procedimientos de muestreo
Los procedimientos de muestreo, en la zona a implementar que cumpla con las
características descritas en los dos puntos anteriores, iniciará con una caracterización del
agua superficial disponible para obtener información como punto de partida, conocer las
propiedades de la misma en cuanto a presencia de contaminantes y con estos datos de
entrada llevar a cabo las siguientes etapas cuantitativas como dosificación de químicos,
tiempos de tratamiento, entre otros. Finalmente, la validación culminará con la
caracterización del agua tratada, la misma que debe cumplir con los parámetros que la
normativa vigente dictamina para el agua potable.
3.5. Resumen de la metodología de investigación
La metodología experimental propuesta para el diseño de un sistema compacto para la
potabilización de agua en zonas con limitaciones energéticas mediante el
aprovechamiento de energía solar fotovoltaica, se diseña para que los objetivos
planteados inicialmente sean alcanzados y dicho sistema pueda ser replicado o
implementado en cualquier zona donde se tenga disponibilidad de fuentes o cuerpos de
agua y energía solar disponible. El desarrollo de la presente mejora de procesos se
realizará en 04 etapas principales: Levantamiento de información, Diseño de la propuesta
de mejora, Planificación de Implementación tentativa de la propuesta de mejora y
finalmente Evaluación y validación de la propuesta de mejora, comparando finalmente la
calidad del agua tratada obtenida respecto a la normativa vigente.
A) Primera etapa
Se realiza el levantamiento de información bibliográfica sobre los procesos de tratamiento
actuales para la potabilización de agua (físicos, físico-químicos, biológicos, híbridos, etc.)
para su uso y consumo humano; esta información se recaba de análisis estadísticos, tesis
de grado, proyectos implementados, casos de éxito, proyectos de mejora tecnológica, etc.;
una vez procesada la información disponible, se seleccionará la más adecuada para la
aplicación que se propone, determinar el tipo de tratamiento idóneo a utilizar en el
sistema, equipamiento e insumos utilizados actualmente para de esta manera adecuarlos
a la realidad local y poder dar una solución viable. Como resultado de esta etapa se
seleccionará la técnica de tratamiento más adecuada, así como la caracterización del agua
que se debe obtener para cumplir con la normativa vigente que imponen las entidades
pág. 24
competentes. Esta información servirá como punto de partida e información de entrada
para la siguiente etapa de diseño.
B) Segunda etapa
Con la información, datos obtenidos y casos de éxito en este tipo de tratamientos se
procederá a caracterizar a detalle las unidades de la propuesta potabilizadora, de esta
manera se diseñará según la información seleccionada para definir las etapas y secuencia
del tratamiento con sus ventajas y limitaciones; diseño según cálculos realizados basados
en capacidades de los equipos/materiales seleccionados y dimensionamiento de unidades
y componentes, se determinarán y cotizarán los equipos, materiales, insumos necesarios,
así como los servicios principales que se requerirán, además de otros factores que se
consideren para la construcción e implementación. Como resultado, en esta etapa se
obtienen planos de distribución, lista de componentes y caracterización de la secuencia
de tratamiento del diseño del sistema que dé solución a la propuesta de mejora, además
de elaborar el presupuesto y cronograma de actividades para la posterior puesta en marcha
de la presenta propuesta.
C) Tercera etapa
Se planifican y proyectan todas las actividades necesarias para la fabricación e integración
tentativa de los componentes para la posterior puesta en marcha del sistema; se generarán
listas de todos los bienes y servicios necesarios para la implementación de la mejora y de
ejecutarse lo planificado se obtendrá un sistema de potabilización de aguas para zonas
con limitaciones de recursos que cuenten con cuerpos aledaños de agua y disponibilidad
de radiación solar.
D) Cuarta etapa
De lograrse obtener el producto del sistema de tratamiento de potabilización, es decir
agua tratada a través de la unidad implementada, se evaluarán y validarán aspectos de la
propuesta de unidad como tiempos, costos, cantidad y tipo de insumos químicos a utilizar
en el sistema, viabilidad técnica y económica, etc. El recurso hídrico obtenido será
analizado en cuanto a propiedades organolépticas y caracterizado para evaluar el
cumplimiento respecto a los parámetros establecidos por las entidades competentes como
Sedapar.
Como resultado de esta etapa se obtendrán dos caracterizaciones principales; primero, del
sistema de tratamiento para la potabilización de agua (del conjunto componentes y cómo
pág. 25
se comporta como unidad) y segundo; la caracterización del agua tratada y su
comparación respecto a los estándares establecidos.
3.6. Diagrama de Entradas y Salidas
A continuación, se presenta un diagrama de entradas y salidas por cada una de las etapas
propuestas para el diseño de un sistema compacto y portátil para la potabilización de agua
en zonas con limitaciones energéticas mediante el aprovechamiento de energía solar
fotovoltaica en la región Arequipa, para mejorar el entendimiento.
Imagen N° 2. Entradas y salidas según la metodología propuesta.
Fuente: Elaboración propia.
Seguidamente, se observa un cuadro con las etapas metodológicas propuestas con sus
respectivos medios y técnicas/herramientas a utilizar.
pág. 26
Etapa metodológica Medios Técnicas y herramientas
Levantamiento de
información
Recopilación de información,
datos, experiencias y casos de
éxito en tesis, revistas, papers,
etc.
- Entrevistas a expertos
- Repositorios de tesis, papers, etc.
- Proyectos ejecutados similares
Diseño de la unidad de
potabilización
Dimensionamiento, selección,
presupuesto y diseño de los
componentes mecánicos,
eléctricos, hidráulicos, etc. de la
unidad.
- Diseño asistido por computadora.
- Normativa para la selección de
materiales y componentes (ASME y
ASTM).
Planificación y ejecución
Buenas prácticas de
manufactura.
Selección de (listado) de bienes
y servicios.
- Procedimientos adecuados de
montaje e instalación de equipos y
componentes.
Evaluación y validación
Análisis de las propiedades de la
calidad del recurso hídrico
tratado.
- Análisis de laboratorio – agua
tratada.
- Límites Máximos Permisibles –
SUNASS.
Tabla N° 4. Medios, técnicas y herramientas a utilizar según la metodología propuesta (por
etapas).
Fuente: Elaboración propia.
3.7. Aspectos metodológicos para la investigación
3.7.1. Herramientas de ingeniería a aplicarse
Para cumplir con los objetivos planteados en la presente tesis se deben llevar a cabo
diferentes actividades las mismas que se desarrollan bajo los criterios de las siguientes
herramientas de ingeniería:
Diagrama de flujo del proceso
Mantenimiento preventivo de unidades y componentes
Balance de materia y energía
Análisis económico
Análisis energético
3.7.2. Herramientas de análisis, planificación, desarrollo y evaluación
Las herramientas a utilizar para las etapas mencionadas son:
Levantamiento del estado del arte
Diagrama de Gantt
Presupuesto de la propuesta
Análisis de laboratorio
Viabilidad técnica
Viabilidad económica
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CAPÍTULO IV: DIAGNÓSTICO DE LA SITUACIÓN ACTUAL
4.1. Población objetivo
La población objetivo para la presente tesis, que a la vez sirve para delimitar y definir el
alcance de la misma, será el ámbito rural; los centros poblados rurales son áreas
conformadas por menos de 2000 habitantes, que no tienen más de 100 viviendas
agrupadas de forma contigua ni es capital del distrito en el que se encuentre, o que si bien
puede tener más de 100 viviendas estas se encuentran dispersas en el área o comunidad
sin formar grupos o bloques. Si bien es cierto que en pleno siglo XXI la literatura más
especializada en estos temas afirma que no hay una definición universal para “rural” se
puede acoger a lo descrito por tratarse de la realidad local peruana.
Además de lo descrito, el público objetivo serán aquellas comunidades/centros poblados
alejados con dificultades para el acceso a redes de saneamiento y de agua potable ya sea
por su lejanía de las ciudades o por lo accidentado de su geografía y que cuenten con
acceso a una fuente superficial de agua; ya sean: ríos, lagos, lagunas, riachuelos, entre
otros.
Cabe destacar, que por tratarse de una solución para poblaciones alejadas y de bajos
recursos económicos, las mismas no podrán acceder a esta alternativa de tratamiento de
forma individual (por familia), en cambio las familias al agruparse en asociaciones o
grupos, podrán acceder a la misma, ya que realizarán pagos solamente por el agua tratada
que consuman; por otra parte, el costo por operación y mantenimiento será dividido entre
el número de familias beneficiadas. Las municipalidades también pueden acceder a esta
alternativa, como autoridad directamente relacionada con el bienestar de la población,
contribuyendo así con los pobladores elevando la calidad de vida de los mismos,
reduciendo costos por atención médica por problemas estomacales (resultantes de beber
y usar agua no potable) y ejerciendo su labor de desarrollo de los pobladores de zonas
alejadas con limitaciones de acceso al agua potable asumiendo los costos que sean
factibles y los que no serán cubiertos por los pobladores beneficiados.
4.1.1. Formas actuales de acopio
En algunas zonas rurales y alejadas de la región Arequipa, aquellos que no cuentan con
acceso a la red del servicio de agua potable (debido a que la red de agua potable no llega
por temas de viabilidad técnica, económica y geografía accidentada) tienen deficiencias
para acceder al recurso hídrico apto para el consumo humano. Estos pobladores acceden
pág. 28
al agua potable de diferentes maneras, siendo las principales:
1. Acopio del agua de fuentes superficiales para hervirla o tratarla de alguna manera
empírica adicionando insumos por lo general químicos.
2. Acopio por venta ambulante; en lugares de escasez de agua los vendedores ambulantes
de agua distribuyen la misma a través de camiones, cisternas o vehículos acondicionados,
representando un gran riesgo para el comprador ya que estos vehículos cuentan con
depósitos los mismos que en la mayoría de casos no son tratados adecuadamente (con
desinfección química o uso de vapor).
3. Acopio de agua potable en zonas que cuentan con acceso a la red del servicio (compra)
y su posterior transporte a los hogares. Esto representa tiempo en el transporte del recurso
hídrico y la alta higiene y cuidado que se debe tener en los recipientes para evitar la
contaminación de la misma.
La frecuencia de acopio depende de las distancias a cubrir por los pobladores para tener
acceso al agua y la programación que asignen para esta actividad de vital importancia, el
volumen está definido por el número de integrantes de familia.
4.1.2. Necesidad diaria de agua
Resulta poco significativo y confiable establecer un mínimo requerido de agua para uso
y consumo por persona ya que dependerá directamente de la accesibilidad que se tenga al
recurso. Según las necesidades que se deben atender de manera diaria, organismos
mundiales estiman que (con un acceso óptimo y adecuado) el consumo promedio debe
ser de 100 litros por persona para poder cubrir la demanda de uso (actividades de aseo) y
consumo (alimentación) diario sin que se incurra en un nivel de afectación o riesgo para
la salud, según las Guías para el Consumo de Agua potable publicadas por la OMS.
4.2. Recurso hídrico en la zona de acción
4.2.1. Cobertura de la red de agua potable
La empresa SEDAPAR abastece de agua potable al departamento de Arequipa a través
de su red e infraestructura; en la provincia se tiene un 8.8% de población que no tiene
acceso mediante esta red. Las autoridades regionales y locales planean (en los próximos
años) abastecer del recurso hídrico a los distritos de Cerro Colorado y Yura en el Cono
Norte, Characato, Sabandía, Sogay y Socabaya en el Cono Sur Este, así mismo Sachaca,
pág. 29
Tiabaya y Uchumayo en el Cono Sur Oeste. Estos distritos son los que cuentan con la
brecha que falta cubrir en cuanto al acceso de agua potable en sus áreas geográficas
rurales que se encuentran alejadas ya que hasta estas zonas en mención no llega la red del
servicio que brinda Sedapar por temas de infraestructura, viabilidad técnica y económica,
geografía accidentada y acceso relativamente dificultoso.
4.2.2. Disponibilidad de fuentes de agua
Las zonas descritas en los puntos anteriores (en su mayoría) se encuentran ubicadas
geográficamente en áreas las mismas que se encuentran cerca de alguna fuente superficial
de agua a manera de ríos, riachuelos, lagos, lagunas, “ojos”, estanques, entre otros, que
por lo general son aguas catalogadas como relativamente accesibles y rápidas de tratar
dada su naturaleza por el hecho que no son contaminadas por actividades humanas.
4.2.3. Caracterización del agua disponible
Las comunidades descritas en los puntos anteriores tienen fuentes de agua disponibles de
manera superficial; es decir, cuerpos de agua provenientes de la cordillera y producto de
precipitaciones fluviales, estas aguas podemos encontrarlas en reposo o en movimiento
en la superficie.
Las aguas superficiales después de ser tratadas deben cumplir con los estándares que el
D.S. N°004-2017-MINAM enmarca en su reglamentación y normativa, después de haber
recibido un tratamiento adecuado. El agua producto del tratamiento es agua potable, o
apta para el consumo y uso de las personas sin ningún riesgo para la salud, esta
información es adaptada y corroborada de las Guías que la OMS recomienda para el agua,
su calidad, tratamiento y uso.
4.3. Tratamiento físico-químico
4.3.1. Proceso, actividades que se realizan actualmente
Las partículas coloidales son las responsables de la turbiedad y color del agua; estas
diminutas partículas pueden permanecer por prolongados periodos de tiempo y atravesar
finos y sofisticados filtros. En fuentes de aguas superficiales las partículas en suspensión
provienen principalmente de derivados de los suelos como es el caso de la erosión,
disolución de minerales presentes en los mismos y descomposición de organismos como
vegetales y plantas; cabe destacar que estos restos se obtienen en un medio natural donde
pág. 30
la mano del hombre no tiene gran intervención. Cuando las fuentes de agua están cerca
de un asentamiento humano a estos restos se debe incluir descargas por desagües rústicos
y agrícolas.
Estas partículas pueden ser eliminadas mediante un tratamiento físico-químico, el cual
consiste a grandes rasgos de los procesos de coagulación y floculación que se caracterizan
por la aplicación de insumos químicos. El proceso de coagulación consiste en la
desestabilización química de partículas coloidales que se forman en un medio acuoso,
estas partículas se pueden debilitar y tratar con la adición de insumos químicos. La calidad
del agua tratada dependerá de la forma de aplicación, dosificación y cuidados en el
tratamiento físico-químico, ya que al formarse los “flocs”, éstos pueden desintegrarse en
el proceso obteniendo finas partículas coloidales y atravesar los sistemas de filtrado
afectando la eficiencia del tratamiento y calidad del agua.
4.3.2. Características principales
Eficaz. - El tratamiento físico-químico es muy eficaz ya que la calidad del agua
superficial después de ser tratada llega a cumplir con los estándares que impone la
normativa vigente.
Costoso. - Este tipo de tratamiento puede llegar a representar un costo elevado cuando no
es llevado a cabo de manera correcta.
Fijo. - La gran mayoría de entidades y empresas que brindan el servicio de potabilización
de agua debido a sus dimensiones e infraestructura se ubican de manera fija a manera de
una plata de tratamiento.
4.4.Reactivos y su dosificación
La dosificación de insumos químicos (según información que brinda el fabricante) oscila
entre 1-5ml / m3, en época de lluvias aumenta proporcionalmente y esto se debe
corroborar y apoyar con una prueba de jarras. Al utilizar coagulante y floculante nos
aseguramos que el tiempo de contacto es rápido (para agilizar el proceso), es decir menor
tiempo de tratamiento, pero mayor uso de químicos. Los insumos químicos a utilizar
(coagulantes y floculantes) pueden ser líquidos o sólidos, en cuestión de precios el insumo
químico en estado líquido es más caro, pero más eficiente, en cambio el sólido es menos
costoso y menos eficiente; en conclusión y rendimiento ambos son similar, pero por
pág. 31
razones de practicidad conviene líquido para la mezcla y dosificación, en esta dilución
siempre estará presente el agua. Cabe resaltar que este sistema propuesto puede trabajar
con químicos coagulantes y floculantes diversos, no solo con uno en específico y
dependerá de la capacidad económica, así como los tiempos con los que se trabaje.
Coagulantes
Son productos químicos (electrolitos de carga opuesta a la de los coloides) que se
encargan de la desestabilización de un coloide, este efecto se potencia con el número de
cargas presentes en el electrolito; a mayor valencia, el coagulante actuará de mejor
manera. Las sales de aluminio de cationes (PAC´s) al añadirles agua originan reacciones
de hidrólisis (descomposición de sustancias en medio acuoso) formando sustancias
multivalentes que son responsables de la coagulación efectiva. Los coagulantes habituales
y comúnmente utilizados dependen del pH para trabajar mejor y en el medio local, dada
la naturaleza de las aguas superficiales y para fines de tratamiento las empresas o
interesados en tratamiento de aguas utilizan por lo general los siguientes coagulantes:
- Policloruro de aluminio (PAC), muy utilizado actualmente, buen precio respecto a los
demás disponibles.
- Sulfato ferroso, se encuentra en forma sólida.
- Sulfato de aluminio, se encuentra en forma líquida o de granos.
- Cloruro férrico, usado para aguas residuales y menos en aguas potables, suele
encontrarse en forma líquida.
- Sulfato férrico, se encuentra en forma sólida.
- Polímeros, menos usado que los anteriores por su costo.
Floculantes
Es necesario adicionar productos químicos de elevado peso molecular que sean capaces
de actuar como puentes para unir las partículas coaguladas, pues las partículas ya
formadas en el proceso de coagulación pueden ser aún de tamaño medio o pequeño lo que
significa que decantarían con dificultad; con el floculante se logra que la sedimentación
sea más efectiva y en menor tiempo. Entre los floculantes más utilizados tenemos:
- Polímeros, de gran peso molecular pueden ser orgánicos o inorgánicos y aniónicos o
catiónicos que forman cadenas largas con los coloides. En grandes cantidades pueden
llegar a ser tóxicos por lo que su uso está limitado para estas aplicaciones.
pág. 32
- Silice activada, se trata de un producto poco estable que se debe preparar en el lugar
de aplicación. Es uno de los mejores floculantes junto a las sales de aluminio y es bastante
usado en aplicaciones de potabilización.
4.5. Ámbitos de mejora
4.5.1. Económico
Los tipos de sistemas como el propuesto, que satisfagan la necesidad de agua potable de
manera escalada y portátil resulta rentable y viable económicamente para el vendedor y
usuario, esto debido a que al reducir los efectos por enfermedades relacionadas a la
ingesta de agua de mala calidad se logra una reducción de los costos por asistencia
médica, sanitaria o por intervenciones médicas.
4.5.2. Social
El acceso al recurso hídrico potable e implementar sistemas de saneamiento y
abastecimiento del agua de buena calidad, reducen notablemente los efectos adversos a
la salud, siendo los niños en edad lactante y de corta edad lo más susceptibles a contraer
enfermedades, infecciones estomacales, intoxicación, entre otros. La experiencia y los
casos de éxitos demuestran que al tomar medidas que mejoren el acceso al agua potable
se favorece en particular a las comunidades pobres y alejadas, ya sean urbanas o rurales,
esto a su vez es un componente eficaz de las estrategias de mitigación de la pobreza.
4.5.3. Ambiental
Al tratar el agua superficial se usan productos químicos desinfectantes los que
habitualmente generan subproductos, cabe destacar que estos subproductos tienen riesgos
para la salud extremadamente pequeños en comparación a una desinfección insuficiente
del agua potable. Bajo esta premisa; el tratar de controlar los subproductos generados por
la desinfección no deben poner en peligro que la desinfección se lleve de forma adecuada.
En la implementación de una solución para el tratamiento de aguas superficiales se puede
colaborar en mitigación de la contaminación ambiental ya sea: utilizando insumos de
desinfección eco-amigables o de bajo impacto y aprovechando energías renovables.
pág. 33
CAPÍTULO V: PROPUESTA DE MEJORA
5.1. Consideraciones generales
La presente tesis tiene como parámetros de delimitación a las siguientes consideraciones:
El proceso se realizará de manera continua; cuando la primera de las tres cámaras se
encuentre a un 50% de llenado el agua circulará desde la entrada del sistema, pasando
por las diferentes etapas de tratamiento, hasta la salida; ya sea almacenamiento o
distribución a los consumidores.
El tipo de agua disponible que el sistema propuesto podrá potabilizar será solamente
agua superficial y esta no debe haber pasado por ninguna actividad humana
previamente.
La población objetivo para la presente tesis será del ámbito rural; aquellos poblados
rurales son áreas , que no tienen más de 100 viviendas agrupadas de forma contigua ni
es capital del distrito en el que se encuentre, o que si bien puede tener más de 100
viviendas estas se encuentran dispersas en el área o comunidad sin formar grupos o
bloques; las zonas que pueden abastecerse con la cantidad de agua que tratará la
propuesta podrían ser: Sogay, Quequeña, San Antonio; esto debido al número de
pobladores, que no sobrepasan los 400 habitantes y que cuentan con aguas
superficiales disponibles dada su geografía.
La capacidad de tratamiento diseñada será de 10m3/h. para abastecer agua potable.
Se considera como consumo diario de agua potable, la cantidad de 100 litros por
persona (según OMS).
Se considera (en promedio) 5 personas como número de integrantes de una familia
según recomienda la SUNASS para fines de cálculos y dimensionamientos
Se logrará brindar agua potable para una comunidad/asentamiento humano alejado con
limitaciones de acceso al servicio de agua potable de 400 personas (80 familias).
Para fines de presentación de la propuesta se consideran 80 familias; lo que significan
500 litros de consumo de agua diarios.
La propuesta de tratamiento de aguas superficiales es modular, por lo que si una
población de mayor tamaño requiere de esta propuesta se podría instalar varios
sistemas en paralelo para abastecer la demanda del recurso hídrico potabilizado.
pág. 34
El sistema estará 5 horas en funcionamiento, pero se consideran 4.5 horas de
funcionamiento “efectivas” del sistema (horas de máxima radiación solar disponible
de 10 a.m. a 2:30 p.m., según Atlas Solar del Perú).
Se consideran 30 minutos como, “tiempo de funcionamiento sin tratamiento” ya que
en este tiempo se llenarán las 03 cámaras (Al inicio del día), se vaciará la tercera
cámara (Al finalizar el día) y se encenderán y apagarán los equipos.
Se consideran los tiempos para efectos de coagulación y floculación, como se muestra
en la Tabla N°5.
Tiempo de Retención Hidráulica Minutos
Coagulación 2-3
Floculación 20-30
Tabla N.° 5. Tiempos de retención hidráulica para coagulación-floculación.
Fuente: Elaboración propia
5.2. Caracterización del agua de entrada al sistema
El agua superficial disponible en el medio local tiene diversas formas de manifestarse en
la naturaleza; estos cuerpos de agua son los provenientes de la cordillera y producto de
las lluvias, se pueden encontrar en reposo o en movimiento en la superficie del terreno a
manera de lagos, lagunas, ríos, riachuelos principalmente. Por lo que, definir o presentar
una caracterización que englobe a todas estas formas/cuerpos de agua no resulta factible;
en cambio, lo que si resulta recomendable es realizar una caracterización in situ la misma
que será solamente cambiante en época de lluvias debido a la turbidez que variará debido
a los desechos que el agua arrastrará por movimientos de tierras.
5.3. Procedimiento de Muestreo
Las consideraciones y pasos recomendados a continuación fueron adaptados de las
prácticas recomendadas por Laboratorios Analíticos del Sur. El punto de muestreo
seleccionado fue un riachuelo ubicado en la parte alta de Sogay, Arequipa, como se
aprecia en la Imagen N°3.
pág. 35
Imagen N°3. Riachuelo de Sogay (parte alta) donde se recolectó el agua para análisis.
Fuente: Fotografía propia.
Para aguas superficiales se debe seguir el siguiente protocolo:
Tomar la muestra que aflora o que fluye en el cuerpo de agua, en movimiento.
Evitar tomar la muestra en zonas de embalse donde se evidencia que el agua no circula
o se encuentre alejada del afloramiento.
Nunca tomar la muestra de zonas del cuerpo donde se evidencie que hay actividad
animal o residuos de actividad humana, por ejemplo, o basura, restos fecales, etc. que
van a aportar contaminantes que no corresponden naturalmente al cuerpo de agua.
Evitar las zonas de turbulencia y evitar remover fondos de lodos o solidos de las
paredes del cuerpo de agua.
Una vez en el punto, el operador responsable con las manos limpias procede a
colocarse guantes descartables antes de manipular los frascos de las muestras que
realizará la recolección de la muestra.
Se debe recolectar la muestra a contracorriente.
Recolectar las muestras a 10-30 cm por debajo de la superficie.
De preferencia hacer la recolección a la mitad del cuerpo de agua.
Tomar muestra de 500ml. para análisis de DQO.
Tomar muestra de 1000ml. para análisis de Fisicoquímico (FQ).
Tomar muestra de 1000ml. para análisis de cianuro total (CN).
Tomar muestra de 500ml. para ensayos microbiológicos.
Tomar muestra de 500ml. para el ensayo de Vibrio Cholerae.
Tomar muestra de 900ml. Para ensayo de organismos de vida libre.
Tomar muestra de 1000ml. para análisis de DBO.
Tomar muestra de 200ml. para análisis de oxígeno disuelto.
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Tomar muestra de 1000ml. para análisis de fenoles.
Tomar muestra de 1000ml. para análisis de aceites y grasas.
Recolectar todos los frascos del muestreo y colocarlos en un “cooler” debidamente
refrigerado para que las muestren lleguen a laboratorio con una temperatura menor a
6°C.
Imagen N° 4. Responsable con guantes y listo para el muestreo.
Fuente: Fotografía propia.
Imagen N°5. Recolección de muestras.
Fuente: Fotografía propia.
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Imagen N°6. Kit para recolección de las muestras.
Fuente: Fotografía del kit otorgado por LAS.
Las muestras se envían a LAS y después de 10 días hábiles se entregan los resultados; en
la Imagen N°7 se ven los resultados del muestreo, teniendo los componentes y valores
principales presentes en el agua superficial recolectada de la zona de Sogay, a través de
un muestreo controlado y estandarizado.
5.4. Caracterización inicial del agua de la zona donde se instalará el sistema
Para la caracterización del agua de “entrada” para el tratamiento potabilizador propuesto
se eligió un riachuelo de la parte alta de Sogay, el cual cumple con las características y
requisitos principales tanto, de comunidad: zona alejada sin acceso a la red de agua
potable de Sedapar, deficiencias energéticas y económicas; la fuente hídrica de agua
superficial a manera de riachuelo es idónea ya que se trata de agua de manantial la cual
no se encuentra manipulada previamente por algún proceso humano (estos valores se
corroboran en el análisis de laboratorio). El análisis del agua de entrada se realizó en
Laboratorios Analíticos del Sur, ubicado en el Parque Industrial de Río Seco (PIRS),
obteniendo los resultados que se muestran.
pág. 38
Imagen N°7. Resultados del análisis de laboratorio.
Fuente: Laboratorios Analíticos del Sur.
pág. 39
Se aprecia en la imagen N°8, parámetros tanto físico-químicos, orgánicos,
microbiológicos y parasitológicos, los cuales todos deben ser aceptables para catalogar
(según normativa vigente) que el agua es apta para el consumo humano. En la Tabla N°6
se muestran los parámetros que No son aceptables según el análisis de laboratorio y a
continuación se desarrolla cada uno.
Parámetro Unidad Valor según
análisis
Valor mínimo
admisible
pH Escala pH 8.82 6.5-8.5
Coliformes total NMP/100mL 540 50
E. Coli NMP/100mL 13 0
Algas, protozoarios
y copépodos N°/L 17000 0
Tabla N°6. Parámetros no aceptables y su valor.
Fuente: Laboratorios Analíticos del Sur.
El pH detectado de 8.82, indica que es ligeramente alcalina por encima del estándar
de calidad (pH > 8.5), esto indica leves incrustaciones por dureza, aunque esto no
significa un riesgo para la salud puede causar problemas estéticos, tales como:
formación de sarro en accesorios, sabor salino al agua, dificultad para hacer espuma
con detergentes y jabones, formación de restos en la ropa lavada.
Coliformes totales de 540 NMP/100ml, estas bacterias en grandes cantidades
producen vómitos, diarrea y daño intestinal para quien la beba, deben ser controlados
para evitar estos daños a la salud.
E. Coli de 13 NMP/100ml, esta bacteria al ser ingerida se ubica en los intestinos y
producen fuertes dolores abdominales, diarrea con sangre, cólicos y vómitos; de no
tratarse puede complicarse a manera de una fuerte infección intestinal.
Algas, protozoarios y copépodos de 17000 N°/L, estos organismos de vida libre son
consumidos por las personas a través del agua y vegetales o frutas lavadas con aguas
contaminadas, provocan fuertes dolores estomacales, diarrea persistente y en algunos
casos vómitos.
Estos parámetros a través de un tratamiento físico-químico (según planteamiento de la
propuesta basada en bibliografía y caso de éxito consultados) pueden reducirse para
obtener agua potable en zonas alejadas con limitaciones de acceso a la red de agua potable
pág. 40
sin ningún problema tal como se indica en los capítulos 2 y 4 de la presente tesis. Cabe
resaltar que, según D.S. N°004-2017-MINAM, no se deben superar los LMP para el agua
potable, estos parámetros deben controlarse y/o reducirse en el sistema de tratamiento
para catalogar el agua tratada en el mismo como agua apta para el consumo humano.
5.5. Diseño del modelo
El diseño de la propuesta al ser una alterativa eco amigable, portátil, compacta y modular
puede ser ubicada en cualquier lugar que cumpla con las siguientes consideraciones
mínimas:
Área de ubicación no menor a 90m2 (10x9m. de preferencia) en un ambiente cerrado
por temas de seguridad de los componentes.
Estar cerca de una fuente superficial de agua (de preferencia a una distancia no mayor
a 30-40m. lineales).
El ambiente debe contar con techo de preferencia para evitar la contaminación del agua
en tratamiento, evitar el daño y desgaste de los componentes por lluvias y polvo, tierra,
etc.
El piso de preferencia debe ser vaciado en concreto o tierra afirmada (en caso ser tierra
considerar colocar tacos de madera en la base) para controlar posibles derrames o fugas
y facilitar la limpieza.
El tiempo de vida la propuesta de potabilización de aguas superficiales se divide de la
siguiente manera:
Estructura metálica, con tareas de limpieza, lubricación y ajuste supera los 20 años sin
problemas (cabe resaltar que tendrá una protección a manera de pintura).
Cámaras de tratamiento de fibra de vidrio, con una duración que sobrepasa los 30 años
si se conserva y trata de manera adecuada, la fibra de vidrio puede repararse de haber
una fuga, corte, etc.
Componentes eléctricos, electrónicos y mecánicos.
Paneles solares con tiempo de vida de 25 años.
Baterías, inversor, controlador, HMI y PLC, con actividades de mantenimiento de
manera adecuada y periódica se asegura un correcto funcionamiento de 8-10 años,
según fabricantes
pág. 41
Conductores eléctricos serán cambiados según el uso y por mantenimiento basado en
la condición.
Bombas centrífugas y dosificadores, se deben realizar tareas de mantenimiento como
limpieza, lubricación y cambio de sellos para asegurar el funcionamiento en el tiempo.
Como se puede apreciar el tiempo de vida de la propuesta no se puede estandarizar dado
que se tienen componentes de diferente naturaleza. Tomando como referencia una
correcta operación, actividades de mantenimiento a tiempo y consideraciones que
recomiendan los diferentes fabricantes se puede proyectar un tiempo de vida como
mínimo de 8 años, donde seguramente se tendrán que realizar cambios de componentes
como las bombas centrífugas o dosificadores de insumos químicos y cambio de
conductores eléctricos.
Así mismo, en cuanto al aparato experimental, en este capítulo se presenta:
- Descripción de la estructura y cámaras
- Descripción de los principales componentes y su función en el sistema propuesto.
5.6. Estructura y cámaras
Para el diseño de la estructura de soporte se tomaron en cuenta materiales metálicos
disponibles en el mercado y que su relación costo-utilidad sea el adecuado. Entre los
principales componentes tenemos: tubo cuadrado, tubo redondo, perfiles y plancha
metálica las mismas que una vez ensambladas (empernadas y/o soldadas) deben tener un
tratamiento protector a manera de pinturas protectoras. Las cámaras, se plantea sean
fabricadas en fibra de vidrio para evitar el desgaste, corrosión y abrasión que se pueda
presentar por el contacto con aguas superficiales; entre los materiales utilizados destacan
los monómeros, estirenos y otros químicos para a fabricación de la fibra de vidrio amanera
de placas, las mismas que se ensamblarán con la estructura para formar un conjunto.
En las siguientes imágenes y planos realizados se muestran los diseños obtenidos tanto
de la parte de la estructura, cámaras del sistema y la disposición planteada de los
componentes. Se muestran vistas de planta, de perfil, isométricas, vistas de detalle y
cortes realizados al diseño.
Imagen N°8. Vistas y detalle de la estructura metálica de la unidad potabilizadora. – Fuente: Elaboración propia.
pág. 43
Imagen N°9. Vista superior y lateral de la unidad potabilizadora. - Fuente: Elaboración propia.
pág. 44
Imagen N°10. Detalle de cortes A, B y vistas isométricas de la unidad potabilizadora. - Fuente: Elaboración propia
5.7. Componentes (Equipos e instrumentos)
Los componentes que se analizan tienen una función específica en cada etapa del tratamiento; en este apartado se describe cada uno de los
principales componentes y se presentan los cálculos realizados para su correcta selección.
Imagen N°11. Diagrama secuencial del proceso por unidades y componentes principales de la propuesta.
Fuente: Elaboración propia.
o Filtro de aspiración
Este elemento filtrante está ubicado en la unidad de Pre-tratamiento, tiene como función
no dejar ingresar, a la bomba centrífuga de succión, partículas “groseras”, o de
dimensiones considerables para preservar el estado de la bomba, asegurar su correcto
funcionamiento y evitar paradas por mantenimiento correctivo. Es de plástico ABS y
acero inoxidable e impide el paso de partículas o restos presentes en el agua de 0.5-
1.5mm.
Imagen N°12. Filtro de aspiración.
Fuente: Filtromatic.
o Bomba Centrífuga
Las bombas centrífugas h) y m) (de succión y descarga), se ubican en las Unidades de
tratamiento Primario y Secundario; suministran el agua superficial captada a las cámaras
y la expulsan después de haber sido efectuado el proceso de coagulación-floculación, es
necesario que ambas bombas centrífugas doten del mismo caudal al agua para que el flujo
por las cámaras sea constante.
Imagen N°13. Bomba centrífuga de succión y descarga.
Fuente: Hidrostal Perú.
pág. 47
El sistema de tratamiento propuesto debe bombear agua superficial desde la fuente de
abastecimiento que podrán ser: ríos lagos, lagunas, etc., por lo que se tendrá un tipo de
succión negativa con cotas que oscilan entre los 3-20 metros, según la naturaleza de la
fuente disponible de agua.
Imagen N°14. Posición y tipo de succión de las bombas centrífugas.
Fuente: Hidrostal Perú.
Es necesario calcular el caudal de la bomba, entonces con las premisas mencionadas
anteriormente. Se tiene la siguiente expresión que relaciona el tiempo de
residencia/retención hidráulica, volumen y caudal:
𝑇𝑅𝐻 =V
𝑄 … 𝐸𝑐. (1)
Donde:
TRH: Tiempo de retención hidráulica, en horas. (Sumando coagulación y floculación). Para los máximos
valores tenemos: 3+30 = 33 minutos = 0.55 horas.
V: Volumen, en m3, para el diseño de las 3 cámaras tenemos = 10m3
Q: Caudal, en m3/h, tenemos:
𝑄 =V
𝑇𝑅𝐻=
10
0.55 = 18,18
𝑚3
ℎ= 5,05
𝑙
𝑠
Con el valor de caudal y dado que la altura a succionar varía entre 3-20 metros (esto
depende de la naturaleza de la fuente de agua de la cual se succione el recurso hídrico.
Ejm: río : 20metros, acequia: 4metros) se opta por la selección, dentro de un rango, de la
bomba de 2” de succión x 1+1/2” de descarga con motor de 1.4HP=1044Watts. En la
Tabla N°7 se aprecia un resumen de los componentes eléctricos y su consumo.
pág. 48
Equipo Consumo (Wh) Potencia (W)
Bomba 1.4 HP 9396 8352
Blower 1600 400
PLC 36 8
HMI 22.5 5
Sensores de nivel 135 135
Inversor eléctrico 225 225
Controlador de
bombeo 225 225
Dosificador cloro 90 90
Dosificador F/C 80 80
Tabla N°7. Equipos con su consumo y potencia.
Fuente: Elaboración propia.
o Soplador/Blower
El soplador se ubica en la Unidad de tratamiento primario, provee de oxígeno a los
tanques para mantener la mezcla en una condición mixta, su selección se realiza con
referencia a la potencia de la bomba de alimentación (20-40%); para la aplicación
propuesta se considerará un soplador de 400W.
Imagen N°15. Blower.
Fuente: Motorex S.A.
o Sensores de nivel
Se ubican en la Unidad de tratamiento primario; también conocidos como "interruptores
de nivel" o "sensores de boya", trabajan con un interruptor de contacto, gracias al
movimiento del flotador se abre o cierra el contacto eléctrico según se requiera; con estos
sensores se consiguen soluciones adecuadas y de bajo costo en sistemas automatizados.
En la pequeña planta potabilizadora trabajarán con el nivel de agua para limitarlos hasta
cierta altura.
pág. 49
Imagen N°16. Sensor de nivel.
Fuente: Kossodo SAC.
o Dosificador coagulante-floculante
El dosificador de coagulante-floculante estará ubicado en la Unidad de tratamiento
primario (etapa de mezcla en las cámaras), aquí dosificará la cantidad necesaria de
floculantes y coagulantes (según prueba de jarras realiza in situ, de preferencia o según
indicaciones del proveedor de acuerdo a la calidad del agua). En cuanto a la selección de
químicos a utilizar se tiene diversas opciones y varían según marcas, presentación; para
esta aplicación específica y según casos de éxito presentados el floculante a utilizar será
el policloruro de aluminio, (el coagulante a utilizar dependerá del tipo de producto con el
cual se trabaje en la floculación), para este caso puntual; el policloruro de aluminio trabaja
muy bien con polímeros aniónicos o con MSFLOC 630. En esta selección influye el tipo
de carga y el tipo de sedimentos, lo ideal es realizar una prueba de jarras y definir una
formulación específica.
Imagen N°17. Dosificador de insumos químico.
Fuente: Merinsac.
pág. 50
o Filtro multimedia
Este componente se encuentra en la Unidad de Tratamiento Secundario; filtrará sólidos
suspendidos en el agua por medio de varias capas de elementos filtrantes, captará óxidos,
arenilla, elementos orgánicos y sedimentos en general de hasta 15 micrones. Los medios
filtrantes utilizados comúnmente son: antracita, arena, garnet y grava; los mismos que se
pueden retro-lavar cada cierto tiempo, esto dependerá de la frecuencia de uso y la calidad
del agua a tratar.
Imagen N°18. Filtro multimedia.
Fuente: Merinsac.
o Filtro Turbidex
Este componente se encuentra en la Unidad de Tratamiento Secundario; permite un
filtrado más profundo que otros métodos convencionales, reteniendo partículas en un
rango de 3-5 micrones. Este tipo de filtrado logra una gran eficiencia ya que obtendremos
un valor de turbidez de menos de 0.1 NTU.
Los elementos filtrantes de este componente son gránulos absorbentes de aluminosilicato;
se opta por su instalación para no saturar al filtro multimedia ni al filtro de carbón, así
mismo se podrá trabajar con la velocidad de tratamiento de diseño.
Imagen N°19. Filtro turbidex.
Fuente: Merinsac.
pág. 51
o Filtro de carbón activado
Este componente se encuentra en la Unidad de Tratamiento Secundario; se utiliza para
retener químicos y microorganismos presentes en el agua, estas partículas diminutas se
adhieren a los extremadamente pequeños poros del carbón; por lo general se utilizan casi
al final de las etapas de los sistemas de tratamiento porque se trata de un filtro “pulidor”
que quita el mal olor, color y sabor del agua ya tratada.
Imagen N°20. Filtro de carbón activado.
Fuente: Merinsac.
o Dosificador cloro
El dosificador de cloro estará ubicado en la Unidad de tratamiento secundario (etapa de
cloración), aquí dosificará la cantidad necesaria de cloro al agua para que esta pueda ser
considerada potable, la cantidad de dosificación dependerá de las características químicas
del agua.
Imagen N°21. Dosificador de cloro.
Fuente: Merinsac.
pág. 52
o PLC y HMI
El PLC y HMI son equipos de control/monitoreo/programación; es decir, en ellos se
realiza toda la programación con los actuadores, sensores, componentes eléctricos y
electrónicos; en ellos (PLC) se programan tiempos de funcionamiento, accionamiento y
desactivación principalmente. y con el HMI se tiene un control en tiempo real (gracias a
la interfaz) de las variables principales como son las de niveles, potencial de hidrógeno,
tiempos de tratamiento, entre otros.
Imagen N°22. Componentes de control.
Fuente: Siemens.
o Baterías
Las baterías se ubican en la Unidad Energética; tienen como función otorgar al módulo
un respaldo energético sobre todo en los días totalmente nublados, donde la radiación sea
la mínima captada, de esta manera se opta por una autonomía de 1.5 días, este dato
depende la zona a implementar el sistema y de la capacidad económica para el proyecto.
Donde,
Cb = Capacidad de las baterías
d = Días de autonomía
E = Consumo diario en Watts
Vt = Tensión de trabajo en V
0.8 = Profundidad de descarga
Según cálculos realizados se necesitarán 4 baterías de 150Ah a 12V.
𝐸𝑐. (2) … . 𝐶𝑏 = 𝑑 𝑥 𝐸 𝑉𝑡 𝑥 0.8
= 1.5 𝑥 11900
48 𝑥 0.8= 464.85 𝐴ℎ
pág. 53
Imagen N°23. Batería de 150Ah.
Fuente: Otaru
o Paneles solares
Los paneles solares se encuentran en la Unidad Energética; la unidad potabilizadora
contará con paneles solares poli-cristalinos de 325Wp, dado que paneles de esta potencia
son bastante comerciales, para dotar de energía eléctrica a los equipos tales como bombas,
sopladores, equipos de control, etc.
Imagen N°24. Panel solar de 325Wp.
Fuente: LIDERS SAC.
o Inversor
Este equipo eléctrico/electrónico está ubicado en la Unidad energética; tiene como
función convertir la energía eléctrica de entrada y adecuarla al voltaje según requieran los
equipos eléctricos ya sea 220V o 12V. Para el cálculo del mismo se debe tener en cuenta
la potencia de arranque del sistema que es de 9520 W; por lo tanto, nuestro inversor debe
ser de al menos 10 kW.
pág. 54
Imagen N°25. Inversor.
Fuente: Cosuper.
o Controlador de carga
El regulador de carga pertenece a la Unidad energética, dirige y controla la cantidad de
energía que discurre entre la batería y los módulos fotovoltaicos (paneles solares
fotovoltaicos).
Imagen N°26. Controlador de carga.
Fuente: Cosuper.
Para calcular y seleccionar el controlador de carga se procede:
𝐸𝑐. (3) … 𝐼𝑐 = 𝑃𝑝 𝑥 𝑛 𝑉𝑚
= 325 𝑥 0.75
37.3 𝑥 𝑁𝑝 = 52.28 𝐴
pág. 55
Donde,
Ic = Corriente que circulará por el controlador
Pp = Potencia máxima del panel
n = Factor de funcionamiento, por lo general: 0.75
Vm = Voltaje máximo del panel solar
Np = Número de paneles
El controlador de carga debe ser de al menos 60 A.
o Tablero eléctrico
El tablero eléctrico de control debe contar con grado de protección IP 55 para las llaves
termomagnéticas y diferencial las mismas que deben soportar corriente superior a los
52.28A calculados en apartados anteriores. Este tablero debe contar con un sistema de
canalización que evita que haya cables sueltos.
Imagen N°27. Tablero eléctrico.
Fuente: Siemens.
o Conductores eléctricos
Debido a que se utilizarán equipos y componentes que soportarán diferente amperaje se
tendrán conductores eléctricos de diferente calibre, tal como lo afirma la NTP 370.252,
en la siguiente tabla se resume la sección del conductor según amperaje que soportan.
Tabla N°8. Sección AWG según el amperaje.
Fuente: Norma AWG (web).
pág. 56
5.8. Diseño del proceso
El diseño del proceso propuesto se realiza a partir de la información recabada a manera
de tesis, publicaciones, papers y casos de éxito (en el capítulo 2 de la presente tesis) se ha
propuesto el diagrama secuencial mostrado en la tabla N°9, en la cual se han considerado
las etapas relevantes de un tratamiento físico-químico, añadiéndole operaciones y
componentes para generación energética sostenible y optimización de las etapas de
filtrado (“pulido”) y clorado; de esta manera se seleccionan componentes, se optimiza el
proceso (en tiempos y recursos) y se propone un sistema de potabilización el cual proveerá
de recurso hídrico potabilizado a pobladores con limitaciones de acceso al agua potable
y a la energía eléctrica convencional.
A continuación, se presenta la secuencia del proceso de la alternativa de potabilización
de agua, divido por sus unidades constitutivas y cada una de estas por las operaciones a
realizar:
SECUENCIA DEL PROCESO DIVIDIDO POR UNIDADES
UNIDAD
UNIDAD DE
PRE-
TRATAMIENTO
UNIDAD DE
TRATAMIENTO
PRIMARIO
UNIDAD DE
TRATAMIENTO
SECUNDARIA
UNIDAD
ENERGÉTICA
O
P
E
R
A
C
I
O
N
E
S
Tabla N° 9. Diagrama Operacional dividido en unidades.
Fuente: Elaboración propia.
INICIO Bombeo y
aereación
Coagulación
- Floculación
Sedimentación
Filtración
primaria
Filtración
secundaria
Desinfección
FIN
Adición de
insumos
Recolección
de agua
superficial
Filtración
inicial
Agua potable
Captación de
radiación
solar
Conversión de
CC a CA
Adecuación/
estabilización de
energía eléctrica
de
Alimentación
energética
pág. 57
La propuesta cuenta con 4 unidades, a continuación, se describe el proceso, operación y
componentes para cada una de las unidades.
5.8.1. Unidad de Pre-Tratamiento
Esta unidad tiene como objetivo dotar de agua superficial a las cámaras de tratamiento;
capta el agua superficial a través de una bomba centrífuga la cual previamente tiene
instalado un filtro de sólidos para no permitir el paso de partículas “groseras” a manera
de basura, restos de vegetación, sedimentos, restos de animales, etc., seguidamente el
recurso hídrico ingresa a la primera cámara para iniciar con el tratamiento; en esta unidad,
previa al tratamiento propiamente dicho, se lleva el recurso hídrico a través del elemento
filtrante y tuberías hacia las cámaras de coagulación-floculación.
5.8.2. Unidad de Tratamiento Primario
Esta unidad tiene como objetivo recibir el agua superficial captada en las cámaras y
realizar el tratamiento físico-químico de coagulación-floculación; el agua superficial
ingresa a la primera cámara de sedimentación donde inicialmente se efectúa la
dosificación de 2 productos químicos: en primer lugar; el coagulante (se adiciona al
empezar a llenarse la primera cámara) que se encarga de agrupar las partículas que
deseamos retirar y el floculante, (que empieza su dosificación cuando la segunda cámara
empieza a llenarse) el cual a través de un movimiento controlado y lento, que se logrará
gracias a la turbulencia generada por el soplador de aire conectado a la bomba centrífuga,
logrará la generación de “flocs” y por peso estos se sedimentarán y ubicarán en la base
de la cámara, para la limpieza y mantenimiento periódico de estos sedimentos. La
dosificación de químicos es directamente proporcional al caudal con el cual ingresa el
agua a la unidad de tratamiento y los NTU de la misma (turbidez); lo recomendado es
realizar una prueba de jarras in situ para tener una dosificación exacta, pero muchas veces
en el lugar que se desea implementar la propuesta de tratamiento de agua no se puede
realizar debido a que la calidad del agua es cambiante en períodos cortos de tiempo, lo
que demandaría realizar pruebas de jarras constantemente; y esto no resultaría viable
económicamente.
Lo recomendable es usar estándares y dosificaciones recomendadas por los
fabricantes/proveedores de insumos químicos; en cambio, si se tratase de un lugar fijo,
donde se instale el sistema, si sería recomendable realizar una prueba de jarras para
realizar el cálculo para una dosificación más eficiente de químicos, se busca la relación
óptima de menor consumo de químicos para obtener la mejor calidad de agua posible.
pág. 58
Para la dosificación de insumos químicos (coagulantes y floculantes), se cuenta con una
bomba dosificadora, la misma que tomará los químicos diluidos o la mezcla de un tanque,
esta dosificación se realiza en base a la prueba de jarras realizada previamente o al
estándar que recomienda el fabricante hasta llegar a la calidad de agua que demandan los
estándares del agua potable. Según bibliografía y recomendaciones de proveedores, en
cuanto a dosificación, se debe contar con una formulación para todo el año en los meses
que no se presenten lluvias y otra para época de lluvias. A continuación, se presenta una
tabla resumen con la dosificación “standard” para todo el año, recomendada por
proveedores de insumos químicos y datos recopilados de propuestas similares
implementadas con éxito.
PRODUCTO DOSIS ESTADO pH ÓPTIMO
Sulfato de
aluminio 35-45 mg/L Grano o líquido 5.8 a 7.4
Cloruro férrico 35-35 mg/L Sólido o líquido 3.5 a 6.5
Sulfato ferroso Menor a 50 mg/L Sólido 3.5 a 6.5
Sulfato férrico Menor a 25 mg/L Sólido 3.5 a 7
Polímero aniónico Coag.: menor a 5 mg/L
Floc.: menor a 0.5 mg/L
Polvo o líquido -
Policloruro de
aluminio
15-100 mg/L
Standard: 50 mg/L
Sólido o líquido Gran rango:(hasta
9)
Carbón activo Menor a 25 mg/L Polvo o grano Gran rango:(hasta
9)
Tabla N°10. Dosificación recomendada de los principales coagulantes/floculantes.
Fuente: Merinsac y bibliografía.
En la operación de la propuesta de potabilización de aguas se deben tener ciertos
cuidados, a continuación, se listan los principales cuidados en el manejo de reactivos, se
recomienda tener las siguientes precauciones:
Utilizar mascarilla, guantes y lentes de seguridad en la manipulación.
Mantener os reactivos en un lugar fresco y seco.
No se deben almacenar por tiempo mayor a 1 mes.
Se debe utilizar la dosis adecuada de reactivos y optimizar la relación costo-beneficio
con una “jar-test” in situ con agua de la zona.
No apilar a una altura mayor de 1.5m. (reactivos sólidos).
Cuando se prepare solución con reactivos en polvo o granos se debe utilizar en un
lapso menor de 48 horas.
pág. 59
Cuando se llena la primera cámara, el recurso hídrico pasa por rebose (y gracias a sensores
de nivel) a la siguiente cámara. En la segunda cámara se sigue realizando el efecto de
coagulación floculación; se contará con 3 cámaras de dimensiones: 0.80m. x 2.40m. x
1.75m. (largo x ancho x alto) obteniendo un volumen de 3.34 m3 por cámara. La razón de
las 3 cámaras es debido a que, en la temporada de lluvias el agua tiene mayor turbidez y
se necesita mayor tiempo para que las partículas o contaminantes presentes
sedimenten/decanten; en esta tercera cámara se logrará obtener agua tratada clarificada.
El tiempo que toma en llenar las 3 cámaras según la capacidad de los componentes de
bombeo (5,05 l/s = 18,18 m3/h) es de 33 minutos, según cálculos, (y por ende tiempo que
se tarda en tener las 3 cámaras llenas de agua que ya pasó por la etapa de coagulación-
floculación), en la práctica llegar a esto dependerá de tener todos los componentes
operativos y buen estado. De la tercera cámara el agua sale por un tubo ubicado en la
parte inferior el cual es ajustable a la altura con el objetivo de que ingrese buena calidad
de agua (clara) a la siguiente etapa, ya que el recurso hídrico continuará con el tratamiento
en equipos delicados y de fácil saturación. En este punto el agua clarificada y tratada está
en el rango de 25-40 NTU.
5.8.3. Unidad de Tratamiento Secundario
En esta unidad se contará con equipos de filtrado bastante sofisticados e idóneos para la
propuesta por lo que se busca evitar que se saturen por alta carga orgánica (se debe tener
cuidado y prevención con los equipos realizando tareas de limpieza y mantenimiento
cuando sea necesario, mantenimiento preventivo y basado en la condición). El agua de
salida de las cámaras de coagulación-floculación es tomada por una bomba y pasa en
primer lugar por el filtro multimedia, en el cual se retienen partículas de hasta 15
micrones; en segundo lugar, el agua pasa por el filtro turbidex, el cual retiene hasta 5
micras y la turbidez presente en el agua superficial tratada debe ser menor a 0.1 NTU,
finalmente el agua pasa por un filtro de carbón, llamado filtro “pulidor” que quita olor,
color y sabor.
Los 3 filtros con los que se contará se dispondrán en serie, todos poseen válvulas al
ingreso y a la salida; con el accionamiento de la bomba centrífuga de salida se asegura la
circulación del agua por los mismos y el tiempo que el agua demora en pasar por los 3
elementos filtrantes es entre 15-20 minutos. El recurso hídrico ingresa a la zona de filtros
con una turbidez de 25-40NTU y a su salida se espera obtener turbidez menor a 0.1NTU.
Seguidamente el agua pasa por la etapa de desinfección donde hay una dosificación de
pág. 60
cloro en línea, la dosificación de cloro depende del residual que queremos manejar; el
residual de cloro que se pretende alcanzar es de 0.5 ppm. Usualmente se trabaja con una
dosificación de 5ml/m3, pero esto no es algo estandarizado. Es necesario destacar que si
el agua clorada sale con 1.5ppm no significa que el agua se deseche, el cloro es volátil y
pasado un tiempo determinado su presencia baja y es apta para el consumo humano; en
el peor de los casos quien lo ingiera con una presencia de alrededor de los 1.5ppm tendrá
un cólico, obviamente no es lo recomendable y debe evitarse. Estas mediciones de la
presencia de cloro en el agua tratada se hacen in situ justo después de realizarse el
tratamiento.
En el Perú, el Ministerio de Salud recomienda realizar tareas de dosificación del cloro
según se requiera desinfectar o clorar el agua (para alcanzar los estándares y normativas
del agua potable). Se muestra en la Tabla N°11, compuestos de cloro en sus
presentaciones más comunes con sus principales características.
Compuesto Presentación Aplicación % Cloro activo
Cloro gas Gas Gas-líquido 100
Hipoclorito de sodio Líquido Solución 5 a 15
Hipoclorito de sodio (electrólisis) Líquido Solución 0.5-1.0
Hipoclorito de Calcio (Comercial) HTH Sólido Solución 65-70
Tabla N°11. Presentaciones más comunes del cloro y porcentaje del cloro activo.
Fuente: Ministerio de Salud del Perú.
El hipoclorito de calcio HTH es una de las presentaciones más comunes, comerciales y
de más fácil dosificación del cloro; se calcula cuánto se necesita del mismo para
desinfectar y clorar 10 m3 de agua, mediante la siguiente expresión;
Donde,
P = Peso del producto en gramos a disolver
D = Dosis de cloro libre en mg/l de solución a prepararse (para desinfección + cloración = 51 mg/L)
V = Volumen de agua en litros
% = Porcentaje de cloro libre del compuesto
= Factor para que el resultado sea expresado en gramos del producto
𝐸𝑐. (4) … 𝑃 = 𝐷 𝑥 𝑉 % 𝑥 10
= 51 𝑥 10000
67.5 𝑥 10= 755.56 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠
pág. 61
Esta dosificación debe ser controlada y constante en el tiempo a través de una bomba que
realice el ingreso del cloro en relación al caudal.
Imagen N°28. Unidades Primaria y Secundaria del sistema de tratamiento propuesto.
Fuente: Elaboración propia.
5.8.4. Unidad de Alimentación Energética
Esta unidad es la que dota de energía eléctrica a los equipos de las unidades anteriormente
descritas; los componentes que se describen captan radiación solar, la convierten en corriente
alterna, adecúan y estabilizan la señal de la misma con el objetivo de alimentar
energéticamente a los componentes. Actualmente la tecnología solar aprovechando la
radiación disponible está en auge; a continuación, se muestra el esquema de los principales
componentes utilizados.
Imagen N°29. Equipos para la generación energética.
Fuente: Elaboración propia.
pág. 62
Demanda energética del sistema
Para el cálculo de la demanda energética del sistema se debe tener en cuenta la irradiancia
percibida en Arequipa (zona potencial de instalación de la propuesta), la misma que sirve
como dato relevante para los cálculos a realizar.
A continuación, se muestra una tabla de la irradiancia percibida en Arequipa a lo largo de
los meses del año.
IRRADIANCIA EN AREQUIPA (Kw-h/m2)
ENERO 7.2
FEBRERO 7
MARZO 6.5
ABRIL 6
MAYO 5.5
JUNIO 4.7
JULIO 5
AGOSTO 5.2
SETIEMBRE 5.8
OCTUBRE 6.5
NOVIEMBRE 7.5
DICIEMBRE 7
Tabla N°12. Irradiancia en Arequipa a lo largo del año.
Fuente: Atlas solar del Perú
La Tabla N°12 muestra gráficamente los valores de irradiancia.
Imagen N°30. Irradiancia vs meses, en Arequipa.
Fuente: Atlas solar del Perú.
7.27
6.5
6
5.5
4.75
5.2
5.8
6.5
7.5
7
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
IRRADIANCIA EN AREQUIPA (Kw-h/m2)
pág. 63
Primer método de Cálculo: según bibliografía
En la Tabla N°13, se aprecia el consumo de las bombas de succión y descarga de agua, como
se observa anteriormente, se trata de 2 bombas centrífugas de 1.4 HP las mismas que
funcionarán por el lapso de 4.5 horas, entonces tenemos el consumo es necesario para el
cálculo del número de paneles solares que se realiza a continuación.
Equipo Cant. Potencia
(W)
Potencia
Total (W)
Horas
(h)
Consumo
(Wh)
Potencia
(W)
Bomba 1.4 HP 2 1044 2088 4.5 9396 8352
Blower 1 355 400 4.5 1600 400
PLC 1 8 8 4.5 36 8
HMI 1 5 5 4.5 22.5 5
Sensores de nivel 6 5 30 4.5 135 135
Inversor eléctrico 1 50 50 4.5 225 225
Controlador de
bombeo 1 50 50 4.5 225 225
Dosificador cloro 1 20 20 4.5 90 90
Dosificador F/C 1 17.7 20 4.5 80 80
TOTAL 11809.5 9520
Tabla N°13. Consumo energético y potencia de los componentes.
Fuente: Elaboración propia.
Corrección de la potencia aplicando la ecuación del rendimiento:
Donde:
Pc = Potencia Corregida requerida por el sistema
P = Potencia calculada de los componentes
R = Factor de corrección, oscila entre 0.75 y 0.85
Para el cálculo de número de paneles solares necesarios para el sistema de bombeo
tenemos
Donde:
FS = Factor de seguridad (1.3)
E = Consumo diario en Watts
HSP = Horas Solar Pico, que varía según el mes del año
WP = Potencia paneles
NP = Número de paneles
𝐸𝑐. (6) … 𝑁𝑃 =𝐸 𝑥 𝐹𝑆
𝐻𝑆𝑃 𝑥 𝑊𝑃
𝐸𝑐. (5) … 𝑃𝑐 =𝑃 𝑅
= 9520
0.8= 11900 𝑊
pág. 64
MES HSP Potencia a
cubrir (W)
Potencia Pico
Panel (Wp) Número de Paneles
ENERO 7.2
11900 325
5.09 6
FEBRERO 7 5.23 6
MARZO 6.5 5.63 6
ABRIL 6 6.10 7
MAYO 5.5 6.66 7
JUNIO 4.7 7.79 8
JULIO 5 7.32 8
AGOSTO 5.2 7.04 8
SETIEMBRE 5.8 6.31 7
OCTUBRE 6.5 5.63 6
NOVIEMBRE 7.5 4.88 5
DICIEMBRE 7 5.23 6
Tabla N°14. Número de paneles necesarios según mes del año.
Fuente: Elaboración propia.
Según los cálculos realizados se necesitarán:
08 Paneles policristalinos de 325Wp para el mes más crítico (julio).
05 Paneles policristalinos de 325Wp para el mes óptimo (noviembre).
Segundo método de Cálculo: según proveedores
Se procede al cálculo según la siguiente expresión:
Donde:
V = Volumen de agua diario requerido en el mes de máxima demanda
P = Presión de trabajo (altura de bombeo + distancia de bombeo/100)
NE = Necesidad de energía diaria
Esta necesidad de energía diaria es solo para las bombas, se debe adicionar 2413.5 Wh de
los demás componentes. Por lo que se obtiene como resultado = 8844 + 2413.5 = 11257.5
Wh.
A continuación, se calcula la Potencia requerida del módulo solar con la menor Hora Solar
Pico del año (“peor de los casos”), para que el valor sea máximo:
𝐸𝑐. (7) … NE= (𝑃) x V x 5.5 (20 + 10
100) x 40 x 5.5 =
4422 Wh*2 bombas = 8844Wh
𝐸𝑐. (8) … PS= (𝑁𝐸
𝐻𝑆𝑃) = (
11257.5
4.7) = 2395.21 W
pág. 65
El número de paneles, será:
Con los cálculos realizados por este segundo método se concluye que se necesitarán 8
paneles solares de 325Wp para cubrir la demanda energética del sistema para todos los casos
del año, con variaciones de radiación solar. Se calcularon 8 paneles solares policristalinos
de 325Wp los mismos que dotan de energía eléctrica a los equipos y componentes listados a
continuación:
Equipo Consumo (Wh) Potencia (W)
Bomba 1.4 HP 9396 8352
Blower 1600 400
PLC 36 8
HMI 22.5 5
Sensores de nivel 135 135
Inversor eléctrico 225 225
Controlador de
bombeo 225 225
Dosificador cloro 90 90
Dosificador F/C 80 80
Tabla N°15. Lista de equipos y componentes con su demanda energética.
Fuente: Elaboración propia.
𝐸𝑐. (9) … 𝑁𝑃 =𝑃𝑆𝑊𝑃
=2395.21
325= 7.37 = 8
5.9. Simulación del proceso
La alternativa de potabilización propuesta fue sometida a una simulación realizada en el
software Visio Professional a través del complemento Process Simulator. Esta
herramienta nos permite encontrar resultados en corto tiempo pues combina la parte
analítica de la simulación con una interfaz dinámica a manera de diagramas de flujo que
presenta Microsoft Visio; permite desde visualizar, analizar y mejorar actividades y
procesos de cualquier actividad que pueda ejecutarse en el programa a manera de
diagrama de flujo. Process Simulator es un “plug in” que se instala en el programa de
Microsoft Visio de manera rápida, puede trabajarse con tablas de Excel y de esta manera
trabajar con parámetros de tiempo, capacidades, utilización de componentes, utilización
de recursos, entre otros. Se pueden crear varios escenarios, de requerirse, modificando las
condiciones de simulación, tiempos, costos, número de entidades/recursos participantes,
etc.
5.9.1. Aspectos y consideraciones para simulación
Para las corridas realizadas en la simulación se consideraron y asumieron los siguientes
aspectos:
Se ubicará un filtro previamente al sistema de tratamiento con el fin de impedir el
paso de sólidos groseros.
El llenado de las 3 cámaras (de acuerdo al caudal de la bomba) se debe realizar en 30
minutos.
El volumen de cada una de las cámaras es de 3.5m3, pero se podrá almacenar un
volumen máximo de agua de 3.334m3 para que las 3 cámaras sumen un total de 10m3.
El soplador de aire o “blower” iniciará su trabajo al mismo tiempo que la bomba de
llenado de las cámaras.
La dosificación de Coagulante iniciará cuando la cámara N°1 se encuentre a un 50%
llena.
La dosificación de Floculante iniciará cuando la cámara N°2 se encuentre a un 50%
llena.
La bomba de descarga empezará a succionar y transportar agua de la tercera cámara
hacia los filtros pasados los 30 minutos (cuando las 3 cámaras hayan llenado).
El tiempo de filtrado (por los 3 filtros: multimedia, turbidex y carbón) será de 10
minutos, según especificaciones técnicas del fabricante.
pág. 67
La dosificación de cloro empezará cuando el agua haya pasado por los 3 filtros.
El agua tratada se almacenará en un tanque/reservorio de capacidad 50m3, el mismo
que será conectado a una tubería para consumo.
Según cálculos realizados y especificaciones técnicas por parte de fabricantes y
proveedores los insumos químicos y sus cantidades son las que se muestran en la
Tabla N°16.
Insumo Nombre Cantidad
Coagulante Policloruro de aluminio 50 mg/l
Floculante Polímero aniónico 0.5 mg/l
Cloro Cloro HTH granular 755.56 g/10m3
Tabla N°16. Insumos químicos y su dosificación calculada y/o definida.
Fuente: Elaboración propia.
5.9.2. Procedimiento para simulación
Para realizar la simulación del proceso se ejecutaron las siguientes tareas:
• Abrir el software Microsoft Visio e instalar el “plug in”: Process Simulator
• Realizar la distribución gráfica de los componentes a analizar a manera de diagrama
de flujo.
• Definir e ingresar los parámetros de tratamiento para cada componente (según lo
calculado y consultado a bibliografía):
Componente Parámetros a ingresar en el software
Bomba de succión Tiempo de inicio: 0 min.
Cámara 1 Capacidad: 3.34m3
Cámara 2 Capacidad: 3.34m3
Cámara 3 Capacidad: 3.34m3
Dosificador de coagulante Dosificación: 50g/L / Inicio: Cuando cámara1: 0%
Dosificador de floculante Dosificación: 50mg/L / Inicio: Cuando cámara2: 50%
Blower Tiempo de inicio: 0min (con Bomba de succión)
Bomba de descarga Tiempo de inicio: Cuando cámara 3 está llena: 30min.
Filtro multimedia Tiempo de filtrado: Conjunto con flujo de agua
Filtro Turbidex Tiempo de filtrado: Conjunto con flujo de agua
Filtro de carbón Tiempo de filtrado: Conjunto con flujo de agua
Dosificador de cloro Dosificación: 755.56g/10m3
Tanque de agua tratada Capacidad de 50m3
Tabla N°17. Parámetros a ingresar en el software por componente.
Fuente: Elaboración propia.
• Establecer el tiempo de corrida, para nuestro caso serán 5 horas.
• Recopilar los datos generados: tiempo de tratamiento, volumen de tratamiento,
cantidad de insumos químicos a utilizar, utilización de componentes.
Imagen N°31. Distribución de los principales componentes realizada en Process Simulator.
Fuente: Elaboración propia.
Como se indicó en capítulos anteriores se tomarán en cuenta 5 horas de funcionamiento
(también para la simulación), de las cuales 4.5 serán “efectivas”, para el tratamiento; por
esta razón se realizan los ajustes en opciones de simulación. Tras realizar el ajuste a los
componentes en cuanto a tiempo de dosificación, inicio de actividades y frecuencia es
que se da inicio a la simulación y se obtienen resultados que se analizan en el siguiente
capítulo.
5.10. Análisis económico
5.10.1. Costo de mano de obra
Para la correcta operación y ejecución de labores de mantenimiento de la propuesta de
potabilización de aguas superficiales se considera el apoyo de 2 personas que ejecuten las
actividades de operación y mantenimiento, así mismo se necesita la presencia de un
colaborador para el tema de vigilancia por las noches. Tomando como punto de partida
el salario mínimo en el Perú (S/ 930.00) y según sondeo en el sector, se tiene:
Tabla N°18. Remuneración y jornada de los colaboradores responsables del sistema.
Fuente: Elaboración propia.
5.10.2. Costo por consumo eléctrico
Debido a que la propuesta de tratamiento cuenta con equipamiento y tecnología que
trabaja de la mano con radiación solar es que no se necesitará energía eléctrica
convencional, de SEAL, por ejemplo. Si bien es cierto, la presente propuesta está
enfocada para no requerir de energía eléctrica convencional, se puede adaptar para este
escenario, para alguna empresa, entidad o cliente puntual que necesite de agua potable
pero que cuente con acceso a la red eléctrica; para este caso se puede obviar la parte solar
(equipos y componentes) lo que reduciría su inversión, pero incurriría en un costo
mensual que aproximadamente sería:
Área de
trabajo N° Remuneración
Essalud
9%
AFP
13%
Ingreso
mensual
total
Horas
extra
Jornada
laboral
(L-S)
Operaciones 1 936.00 108.00 156.00 1200.00 No (9:00h. –
17:00h.)
Mantenimie
nto y
operaciones
1 936.00 108.00 156.00 1200.00 No (9:00h. –
17:00h.)
Seguridad 1 780.00 90.00 130.00 1000.00 No (22:00h. –
6:00h.)
pág. 70
Tabla N°19. Costo por consumo eléctrico (en caso de obviarse la parte solar).
Fuente: Elaboración propia.
5.10.3. Materia prima
En el medio local, existen diversas empresas las cuales comercializan insumos para el
tratamiento de aguas superficiales, de subsuelo, efluentes industriales, entre otros.
Merinsac, Flowmach y Mercantil son algunas de las más conocidas. El análisis
económico correspondiente a insumos químicos se realizó en base a un promedio de
precios consultados con las empresas mencionadas, se tiene:
Insumo químico Dosificación
diaria
Dosif. por mes
(26 días)
Costo por
kg. (S/) Total
Policloruro de
aluminio 50 mg/l = 2.25 kg. 58.5 kg. 4.00 234.00
Floculante aniónico,
Sifloc 120CL (líquido)
0.5 mg/l = 22.5g.
= 0.0225kg. 0.585 kg. 17.75 10.39
Cloro HTH granular 755.56g/10m3 =
3.4kg. 88.4 kg. 17.00 1502.80
TOTAL 1,747.19
Tabla N°20. Costo mensual de los insumos necesarios para el tratamiento.
Fuente: Elaboración propia.
5.10.4. Costo de producción
La empresa SEDAPAR en la ciudad de Arequipa se manejan las tarifas que se muestran
en la Tabla N°21, para usuarios de diferentes sectores, estas tarifas varían de acuerdo a
su ubicación geográfica y al volumen de consumo del agua potable.
Equipo Potencia
(kW)
Horas al
mes Costo KW/h
Costo energético
mensual (S/)
Bomba 1.4 HP (2) 16.704 130 0.09 195.44
Blower 0.4 130 0.09 4.68
PLC 0.08 130 0.09 0.94
HMI 0.05 130 0.09 0.59
Sensores de nivel 0.135 130 0.09 1.58
Inversor eléctrico 0.225 130 0.09 2.64
Controlador de bombeo 0.225 130 0.09 2.64
Dosificador cloro 0.9 130 0.09 10.53
Dosificador F/C 0.8 130 0.09 9.36
TOTAL 228.38
pág. 71
Categoría M3/mes Tarifa (S/ por m3)
Residencial
Social 0 a 10 0.717
Doméstico 10 a 30 1.245
30 a más 2.865
No Residencial
Comercial 0 a más 4.551
Industrial 0 a más 4.551
Estatal 0 a más 3.517
Tabla N°21. Tarifa del costo de agua potable en Arequipa.
Fuente: Sedapar
La propuesta de tratamiento de aguas superficiales proyecta producir 45m3 de agua
potable por día, lo que significan 1170m3 mensuales. Sumando los costos en los que se
incurren mensualmente (honorarios y materia prima), se tiene:
Volumen de agua
(m3)
Costo incurrido (S/)
Propuesta Costo (S/ x m3)
1170 5,147.19 4.399
Tabla N°22. Costo de tratamiento por m3 de agua.
Fuente: Elaboración propia.
Comparando el costo de tratamiento de la propuesta con lo que representaría realizar el
pago por el consumo mensual de 1170m3 tenemos:
Volumen de agua
(m3) Costo (S/ x m3)
Costo incurrido
(S/) Sedapar
1170 4.551 5,324.67
Tabla N°23. Costo incurrido por consumo a Sedapar.
Fuente: Elaboración propia.
pág. 72
5.10.5. Inversión
La inversión en la que se incurre para la propuesta de tratamiento a implementar, se divide
en equipos, materiales y servicios.
EQUIPOS UNIDAD CANT. TOTAL S/.
Panel solar policristalino clase A 325W Unid. 8 9600.00
Baterias solares 150Ah Unid. 4 3200.00
Bomba de aire - Blower 400W Unid. 1 800.00
Motor eléctrico + bomba centrífuga 1.4HP 220v
c/cabezal bombeo y prefiltro Unid. 2 1950.00
Generador eléctrico a gasolina (Opcional) Unid. 2450.00
Inversor solar 48VDC 10000W 80A Unid. 1 3600.00
Diferencial 25Amp Unid. 3 209.99
Llave termomagnetica 2x10 Unid. 3 60.00
HMI KTP900 Siemens Unid. 1 5100.00
PLC Siemens Simatic S7-1200 Unid. 1 1510.00
Sensor de nivel eléctrico tipo boya Unid. 6 1200.00
Dosificador de cloro Unid. 1 850.00
Dosificador de reactivos Unid. 1 600.00
Controlador bombeo solar 1.5HP Unid. 1 3200.00
TOTAL S/.31,879.99
Tabla N°24. Costo de equipos.
Fuente: Elaboración propia.
MATERIALES UNIDAD CANT. TOTAL S/.
Monómero de estireno CIL kg 190.00 1254.00
Resina palatal Isoftalica A-400 CIL kg 230.00 2770.35
Tanque rotoplast de 5000l. Unid. 2850.00 2850.00
Konasil K-200 kg 10.00 280.50
Dióxido de Titanio Dupont kg 25.00 415.50
Plancha galvanizada 0.85mm*4*8 Unid. 5.00 350.00
Plancha LAC 3/32"*4*8 Unid. 5.00 662.70
Tubo redondo 1"*1.2mm x 6m. Unid. 4.00 67.04
Tubo cuadrado 1+1/2" *0.9mm*6m Unid. 4.00 93.24
Esmalte epoxi Gln. 10.00 936.25
Ángulo 1+1/2"*1+1/2"*1/8"*6m Unid. 10.00 240.90
Tubo rectangular 40*60*1.2mm x 6m. Unid. 8.00 324.64
Cable 4x16 Vulcanizado m. 10.00 45.08
pág. 73
Cable fotovoltaico rojo m. 25.00 168.00
Cable fotovoltaico negro m. 25.00 168.00
Conectores MC4 (12 hembra-12 macho) Unid. 24.00 154.00
Gabinete para equipos 1.20*0.50*0.30 Unid. 1.00 750.00
Otros (catalizadores, discos de corte, pintura,
varillas, thinner, mangueras, brochas, soldadura,
teflon, uniones, canaletas, indicadores LED,
candados, cintas, borneras, etc.) 15%
aproximadamente.
- - 1302.30
TOTAL S/.12,832.50
Tabla N°25. Costo de materiales.
Fuente: Elaboración propia.
SERVICIOS UNIDAD CANT. TOTAL S/.
Instalaciones eléctricas (3 días = 24 horas). Horas-hombre 30.00 720.00
Instalaciones hidráulicas (4 días = 32 horas). Horas-hombre 30.00 960.00
Pintado, lijado y ubicación de componentes (6
días = 48 horas). Horas-hombre 35.00
1680.00
Programación de PLC (1 día = 6 horas) . Horas-hombre 90.00 540.00
Acondicionamiento de terreno – 1 día = 6 horas
(base del sistema). Horas-hombre 50.00 300.00
TOTAL S/.4,200.00
Tabla N°26. Costo de servicios.
Fuente: Elaboración propia.
pág. 74
5.11. Validación de la investigación
5.11.1. Validación del proceso
La presente propuesta tiene un sustento de validación: en primer lugar, bibliográfico (tesis
y publicaciones) y, en segundo lugar, práctico (casos de éxito implementados); a partir de
esta información disponible es que se adapta el proceso de potabilización de aguas
superficiales en base al tratamiento físico-químico y mejora el proceso al optimizar la
etapa de filtrado secundario. En la tabla N°27 se muestra el proceso propuesto:
PROCESO DE POTABILIZACIÓN DIVIDIDO POR UNIDADES
UNIDAD DE
PRE-
TRATAMIENTO
UNIDAD DE
TRATAMIENTO
PRIMARIO
UNIDAD DE
TRATAMIENTO
SECUNDARIA
UNIDAD
ENERGÉTICA
Tabla N°27. Diagrama Operacional dividido en unidades.
Fuente: Elaboración propia.
5.11.2. Validación del producto
El agua superficial tratada a través del sistema potabilizador propuesto debe cumplir con
los parámetros y los valores que el Decreto Supremo N°004-2017-MINAM dictamina
para catalogar el agua como apta para el consumo humano. En la siguiente tabla; N°28,
se muestran estos parámetros y valores de los Límites Máximos Permisibles (LMP) lo
cuales no deben excederse.
INICIO
Sedimentación
Filtración /
“pulido”
Cloración
FIN
Filtrado
físico inicial Agua potable
Captación de
radiación
Conversión de
corriente
Adecuación y
estabilización
Consumo
Coagulación
Floculación
pág. 75
Parámetros Unidad de medida
LMP
Límites Máximos Permisibles
FÍSICOS- QUÍMICOS
Aceites y Grasas mg/L 0,5
Cianuro Total mg/L 0,07
Cianuro Libre mg/L **
Cloruros mg/L 250
Color (b) Color verdadero Escala Pt/Co 15
Conductividad (µS/cm) 1 500
Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5) mg/L 3
Dureza mg/L 500
Demanda Química de Oxígeno (DQO) mg/L 10
Fenoles mg/L 0,003
Fluoruros mg/L 1,5
Fósforo Total mg/L 0,1
Materiales Flotantes de Origen Antropogénico
Ausencia de material
flotante de origen antrópico
Nitratos mg/L 50
Nitritos mg/L 3
Amoniaco- N mg/L 1,5
Oxígeno Disuelto (valor mínimo)
mg/L ≥ 6
Potencial de Hidrógeno (pH) Unidad de pH 6,5 – 8,5
Sólidos Disueltos Totales mg/L 1 000
Sulfatos mg/L 250
Temperatura °C Δ 3
Turbiedad UNT 5
INORGÁNICOS
Aluminio mg/L 0,9
Antimonio mg/L 0,02
Arsénico mg/L 0,01
Bario mg/L 0,7
Berilio mg/L 0,012
Boro mg/L 2,4
Cadmio mg/L 0,003
Cobre mg/L 2
Cromo Total mg/L 0,05
Hierro mg/L 0,3
Manganeso mg/L 0,4
Mercurio mg/L 0,001
Molibdeno mg/L 0,07
Parámetros
Unidad de medida
LMP Límites Máximos
Permisibles
Níquel mg/L 0,07
Plomo mg/L 0,01
Selenio mg/L 0,04
Uranio mg/L 0,02
pág. 76
3
3
2
2
Zinc mg/L 3
ORGÁNICOS Hidrocarburos Totales de Petróleo (C8 - C40) mg/L 0,01
Trihalometanos ( e ) 1,0
Bromoformo mg/L 0,1
Cloroformo mg/L 0,3
Dibromoclorometano mg/L 0,1
Bromodiclorometano mg/L 0,06
II. CIANOTOXINAS
Microcistina-LR mg/L 0,001
III. BIFENILOS POLICLORADOS
Bifenilos Policlorados (PCB) mg/L 0,0005
MICROBIOLÓGICOS Y PARASITOLÓGICOS
Coliformes Totales NMP/100 ml 50
Coliformes Termotolerantes NMP/100 ml 20
Formas Parasitarias N° Organismo/L 0
Escherichia coli NMP/100 ml 0
Vibrio cholerae Presencia/100 ml Ausencia
Organismos de vida libre (algas, protozoarios, copépodos, rotíferos, nemátodos, en todos sus estadios evolutivos) (f)
N° Organismo/L
0
(a) 100 (para aguas claras). Sin cambio anormal (para aguas que presentan coloración natural). (b) Después de la filtración simple.
(c) En caso las técnicas analíticas determinen la concentración en unidades de Nitratos-N (NO --N), multiplicar el
resultado por el factor 4.43 para expresarlo en las unidades de Nitratos (NO -).
(d) En el caso las técnicas analíticas determinen la concentración en unidades de Nitritos-N (NO --N), multiplicar el
resultado por el factor 3.28 para expresarlo en unidades de Nitritos (NO -).
(e) Para el cálculo de los Trihalometanos, se obtiene a partir de la suma de los cocientes de la concentración de cada uno de los parámetros (Bromoformo, Cloroformo, Dibromoclorometano y Bromodiclorometano), con respecto a sus estándares de calidad ambiental; que no deberán exceder el valor de 1 de acuerdo con la siguiente fórmula:
(f) Aquellos organismos microscópicos que se presentan en forma unicelular, en colonias, en filamentos o pluricelulares.
∆ 3: significa variación de 3 grados Celsius respecto al promedio mensual multianual del área evaluada.
Nota 1:
El símbolo ** dentro de la tabla significa que el parámetro no aplica para esta Subcategoría.
Los valores de los parámetros se encuentran en concentraciones totales, salvo que se indique lo contrario.
Tabla N°28. Parámetros y valores de Límites Máximos Permisibles para el agua potable.
Fuente: Decreto Supremo N°004-2017-MINAM.
pág. 77
CAPÍTULO VI: RESULTADOS Y ANÁLISIS
6.1. Resultados y análisis de la caracterización del agua de entrada
Se realizaron pruebas en un laboratorio certificado (Laboratorios Analíticos del Sur) en
el cual se detectaron la presencia de los siguientes componentes en la cantidad que se
aprecia en la Tabla N°29:
Parámetro Unidad
Valor
según
análisis
Valor
mínimo
admisible
Método(s) para
eliminación/corrección
pH Escala pH 8.82 6.5-8.5
- Utilizar dosificación
máxima según estándar.
- Carbonato sódico.
- Ácidos minerales.
Coliformes
totales NMP/100mL 540 50
6.1.1. Cloración en dosis
adecuadas.
E.Coli NMP/100mL 13 0
6.1.2. Cloración en dosis
adecuadas.
Algas,
protozoarios y
copépodos N°/L 17000 0
- Utilizar dosificación
máxima según estándar.
- Cloración en dosis
adecuadas.
Tabla N°29. Parámetros encontrados en el agua analiza y cantidad aceptable según norma.
Fuente: Elaboración propia.
De los elementos y componentes detectados con la propuesta de tratamiento para
potabilizar el recurso hídrico a través de coagulación-floculación se espera remover los
parámetros mostrados hasta lograr los niveles aceptables que se aprecian en la columna
de la derecha de la Tabla N°29. Así mismo las acciones a tomar serán:
Para el agua que no presenta una dureza considerable, esta puede reducirse hasta
niveles aceptables con el uso de la dosificación estándar máxima recomendada y en
caso esto no sea suficiente (para pH mayor a 9) se deben adicionar ácidos minerales
(de muy bajo costo como ácido clorhídrico y ácido yodhídrico).
Para el caso de bacterias y organismos como: coliformes, escherichia coli, algas,
protozoarios y copépodos estos son organismos muy comunes presentes en aguas
superficiales los cuales, con dosificaciones correctas de coagulantes y floculantes, así
pág. 78
como una etapa de cloración bastarán para removerlos del agua y se puedan ubicar
dentro de los parámetros aceptables.
6.2. Resultados y análisis del diseño del modelo experimental
Como resultado del cálculo de componentes, adecuación de casos de éxito y consulta a
bibliografía diversa se consideran los siguientes componentes principales para la
propuesta de potabilización de aguas superficiales.
En la Tabla N°30 se muestran los componentes con sus características principales.
Componente Características principales
Cámaras de tratamiento Cada cámara contendrá como máximo 3.34m3 de agua;
las 3 cámaras podrán albergar un total de 10m3.
Estructura Soporte de perfil metálico “H” de 4-6” para soporte de
componentes con protección anticorrosiva a manera de
pintura epóxica.
Bomba de succión Bomba centrífuga de 1.4HP, con conexión de 2” para la
succión – 220VAC.
Sensores de nivel Interruptores de nivel tipo boya
Blower Soplador de aire para generación de burbuja fina/media
de 350-500W.
Cámaras de tratamiento 03 cámaras de capacidad para 3.34m3 efectivos de agua
en fibra de vidrio reforzada con planchas metálicas.
Dosificador de insumos
químicos (coagulantes y
floculantes)
Dosificador en línea para productos químicos
C: 30g/L F: mínimo 3mg/L
Bomba de descarga Bomba centrífuga de 1.4HP, con conexión de 1+1/2”-
1+3/4” para la descarga – 220VAC.
Filtro multimedia Filtro en línea con los siguientes elementos filtrantes:
antracita, arena, garnet y grava (como mínimo)
Filtro turbidex Filtro en línea con capacidad de filtrado del rango de 3-
5 micrones.
Filtro de carbón Filtro de carbón activado en línea
Dosificador de cloro Dosificador de cloro en línea de mínimo 0.5mg/L.
PLC Siemens Simatic S7-1200 o equivalente
HMI Interfaz de 8-12”
pág. 79
Baterías De descarga profunda de 150Ah
Paneles solares Poli cristalinos de 325Wp
Inversor Con regulador MPPT de 10kW como mínimo
Controlador de corriente Controlador de carga de 60ª, como mínimo
Tablero eléctrico De 0.50m x 0.70m. con capacidad para 4 interruptores,
como mínimo.
Tanque de almacenamiento Tanque de capacidad para 50m3 de agua.
Tabla N°30. Componentes del sistema de tratamiento con sus especificaciones más relevantes.
Fuente: Elaboración propia.
6.3. Resultados y análisis del diseño del proceso
Como resultado del análisis bibliográfico y casos de éxito es que se propone (a manera
de resumen), la siguiente secuencia de tratamiento.
NÚMERO ACTIVIDAD
1 Filtrado grosero
2 Coagulación
3 Floculación
4 Filtrado físico
5 Filtrado secundario
6 Filtrado terciario/pulido
7 Cloración
8 Almacenamiento
Tabla N°31. Actividades del proceso del sistema potabilizador de aguas superficiales.
Fuente: Elaboración propia.
La exploración a detalle del proceso, secuencia y explicación se puede consultar en el
capítulo 5 de la presente tesis.
6.4. Resultados y análisis de la simulación
6.4.1. Insumos a utilizar
En la simulación realizada para el tratamiento, a una tasa de 10m3/h por un lapso de 4.5
horas “efectivas”, los valores de consumo de insumos son de la siguiente manera:
pág. 80
Imagen N°32. Simulación del proceso realizado en Process Simulator.
Fuente: Process Simulator – Visio Professional.
Para la potabilización del recurso hídrico se necesita aplicar el uso de insumos químicos:
coagulante, floculante y cloro. En la Tabla N°32 se muestra la cantidad calculada
teóricamente, gracias a bibliografía, proveedores e investigaciones, y por otra parte la
cantidad calculada por un software de simulación Process Simulator en el cual se
ingresaron datos de tiempos de tratamiento, velocidad de dosificación y distribución de
los componentes.
Variables Esperado/ Calculado Simulación
Volumen de agua tratada 45 m3 44.1 m3
Policloruro de aluminio 2250 gramos 2072 gramos
Polímero aniónico 22500 miligramos = 22.5
gramos
19734 miligramos =
19.734 gramos
Cloro HTH granular 3400.02 gramos 3240 gramos
Tabla N°32. Variables más relevantes según cálculos y según simulación realizada.
Fuente: Elaboración propia.
Existe diferencia entre la cantidad calculada y la simulada de los insumos químicos. En
la Tabla N°33 se muestra la disminución de los mismos (valores menores en la
simulación) teniendo valores entre 2 y 12%, este último valor es el mayor debido a que
la dosificación del floculante se maneja en el orden de los miligramos, es por esta razón
que, de implementarse la presente propuesta de tratamiento se debe tener especial cuidado
pág. 81
con este insumo para no incurrir en mayores gastos; esto se logrará ajustando la
dosificación de manera correcta y controlada de acuerdo al caudal de agua que circule por
el conducto.
Variables Aumento o Disminución
(respecto a lo calculado) Porcentaje
Volumen de agua tratada Disminución 2
Policloruro de aluminio Disminución 8
Polímero aniónico Disminución 12
Cloro HTH granular Disminución 5
Tabla N°33. Aumento o disminución porcentual de las variables, según cálculos y simulación.
Fuente: Elaboración propia.
6.4.2. Balance de materia
Se muestra el balance de los insumos químicos, agua y lodos que incluye el proceso. Los valores para insumos y cálculo de porcentajes se obtuvieron
gracias a la simulación realizada.
Imagen N°33. Diagrama del balance de materia con valores obtenidos de la simulación.
Fuente: Elaboración propia
6.4.3. Utilización de componentes
La alternativa para potabilización de agua está diseñada para maximizar el uso de los
componentes, aprovechar las horas pico de radiación solar disponible para optimizar el
consumo de energía generada por los paneles solares, aprovechar la distribución de los
componentes para facilitar y hacer el continuo el tratamiento.
La Imagen N°34 nos muestra el porcentaje de utilización de los principales componentes
de la propuesta; siendo la bomba de descarga y la cámara N°1 los más utilizados (98.45%)
y el tanque de agua tratada el menor (39.62%).
Imagen N°34. Porcentaje de utilización de los componentes principales.
Fuente: Elaboración propia.
En la Imagen N°36 se aprecia el porcentaje de utilización versus el tiempo, se aprecia el
comportamiento del uso de los componentes de acuerdo a la programación de la
simulación.
98.4594.96
91.6394.96
98.45
39.62
89.99
81.75 81.7076.33
96.6793.33
0.00
10.00
20.00
30.00
40.00
50.00
60.00
70.00
80.00
90.00
100.00
% Utilización de componentes
pág. 84
Imagen N°35. Porcentaje de utilización vs tiempo de tratamiento de los componentes
principales.
Fuente: Software Process Simulator.
En las 03 cámaras, es donde se lleva a cabo la mayor parte del tratamiento, por esa razón
se analiza el llenado de las mismas con respecto al tiempo de tratamiento; obteniendo las
gráficas que se aprecian en la Imagen N°37.
Imagen N°36. Porcentaje de llenado de las 3 cámaras de tratamiento vs tiempo de tratamiento.
Fuente: Elaboración propia.
pág. 85
CAPÍTULO VII: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
7.1. Conclusiones
Se diseñó un proceso físico-químico alternativo compacto, portátil, mejorado y eco-
amigable para la potabilización de agua con una capacidad de tratamiento de 10m3/h.
La alternativa propuesta está diseñada para que cumpla con la normativa vigente de
agua potable, a través del Decreto Supremo N°004-2017-MINAM, que cumple con los
parámetros de salubridad.
Se puede contar con un sistema opcional de abastecimiento energético a gasolina
(S/1600 + gasolina), en caso se requiera potabilizar mayor volumen de agua en horas
de tarde, noche o madrugada, (cuando no se pueda captar radiación solar); el monto
adicional de inversión será directamente proporcional al volumen requerido de
potabilización.
Los componentes eléctricos podrán obtener energía eléctrica del sistema de generación
energética (paneles solares) por un lapso de 4.5 horas útiles.
La situación respecto al tratamiento de aguas superficiales en el medio local condujo
a optar por la aplicación de un tratamiento físico-químico optimizado.
Arequipa es una de las mejores plazas a nivel mundial para la implementación de
alternativas de generación energética aprovechando la radiación solar, ya que la
radiación supera los 1000W/m2 en la mayor parte del año.
La presente propuesta es viable tanto técnica como económicamente y pueden acceder
a la misma: empresas privadas, entidades estatales, asociaciones y comunidades en
general a través de un financiamiento bancario entre todos los interesados.
El proyecto de la presente tesis queda validado y comprobado a nivel producto y
proceso gracias a la caracterización del agua, diseño del tratamiento y simulación del
comportamiento de los componentes.
pág. 86
7.2. Recomendaciones
Cuando se implemente la presente propuesta es muy recomendable realizar una prueba
de jarras para el lugar en específico y de esta manera conocer la dosificación más
óptima de insumos.
Realizar prueba de calidad de agua tanto a la entrada como a la salida del tratamiento
para asegurar que se trata de agua potable y evitar daños a la salud de los consumidores.
Los operarios y trabajadores de la propuesta una vez implementada deben operar la
misma con los EPP´s básicos como mínimo.
Comprar los insumos químicos para períodos de uso no menores a una semana y no
mayores a 2 meses para su correcto almacenamiento y correcta preservación.
Realizar tareas de limpieza y mantenimiento basado en la condición de los equipos
según el uso y frecuencia del mismo.
pág. 87
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