tratamiento y purificacion de agua

DEPARTAMENTO DE IRRIGACIÓN

DISEÑO DE UN TREN DE TRATAMIENTO TERCIARIO AVANZADO PARA

OBTENER AGUA EMBOTELLADA

TESIS PROFESIONAL

QUE COMO REQUISITO PARCIAL

PARA OBTENER ÉL TITULO DE:

INGENIERO EN IRRIGACIÓN

PRESENTAN:

JUAN MARTÍNEZ JOSÉ

SOLORIO ELIZALDE NAHIELLI

CChhaappiinnggoo,, MMééxxiiccoo MMaarrzzoo ddeell 22000033

ii

JJuuaann --SSoolloorriioo

CCCooonnnttteeennniiidddooo

Índice de Tablas ................................................................................................................... vi

Índice de Figuras ................................................................................................................. viii

Resumen ................................................................................................................................. ix

Summary ................................................................................................................................. ix

III... IIInnntttrrroooddduuucccccciiióóónnn ....................................................................................................................................... 111

IIIIII... OOObbbjjjeeetttiiivvvooosss ............................................................................................................................................. 333

Objetivo General ......................................................................................................................................... 3

Objetivos Particulares ................................................................................................................................. 3

IIIIIIIII... RRReeevvviiisssiiióóónnn dddeee LLLiiittteeerrraaatttuuurrraaa ................................................................................................................. 444

III.1 Antecedentes ..................................................................................................................................... 4 III.1.1 Panorama Mundial de la Contaminación del Agua. ...................................................................... 4

III.1.2 Aspectos Generales de la Problemática del Agua en México ...................................................... 5

III.1.3 Importancia de la Potabilización del Agua .................................................................................... 5

III.1.4 Consumo de Agua Potable en la Universidad Autónoma Chapingo. .......................................... 7

III.1.4.1 Consumo de agua en Comedores ......................................................................................... 7

III.1.4.2 Consumo de agua embotellada en Departamentos de Enseñanza y Oficinas ..................... 8

III.1.5 Tecnologías Empleadas para la Purificación del Agua. ............................................................... 8

III.2 Parámetros de Calidad de las Aguas .............................................................................................. 9 III.2.1 Caracterización del Agua .............................................................................................................. 9

III.2.1.1 Parámetros físicos ................................................................................................................10

III.2.1.2 Parámetros químicos............................................................................................................12

III.2.1.3 Parámetros biológicos ..........................................................................................................19

III.2.1.4 Parámetros bacteriológicos ..................................................................................................20

III.2.1.5 Parámetros radiológicos .......................................................................................................20

III.3 Sistemas de Tratamiento de Agua para Consumo Humano .......................................................21 III.3.1 Filtración ......................................................................................................................................21

III.3.1.1 Generalidades ......................................................................................................................21 III.3.1.2 Mecanismos de remoción ....................................................................................................22 III.3.1.3 Descripción de la filtración ...................................................................................................22 III.3.1.4 Sistemas de filtración ...........................................................................................................23 III.3.1.5 Variables del proceso de filtración .......................................................................................23

III.3.1.5.1 Características del agua a filtrar ....................................................................................23 III.3.1.5.2 Características del medio filtrante .................................................................................24 III.3.1.5.3 Velocidad de filtración ....................................................................................................24

III.3.1.6 Hidráulica de la filtración ......................................................................................................24 III.3.1.7 Flujo a través de lechos expandidos ...................................................................................27 III.3.1.8 Filtración en medio granular .................................................................................................28 III.3.1.9 Lavado de filtros ...................................................................................................................28

III.3.1.9.1 Retrolavado con agua a contracorriente .......................................................................29 III.3.1.9.2 Retrolavado con agua, combinada con lavado superficial ............................................30 III.3.1.9.3 Retrolavado con agua y aire sucesivamente .................................................................30 III.3.1.9.4 Retrolavado con agua y aire con agua simultáneamente .............................................30

III.3.1.10 Número y tamaño de los filtros ...........................................................................................31 III.3.1.11 Selección del medio filtrante ..............................................................................................31

III.3.1.11.1 Materiales del medio filtrante .......................................................................................32 III.3.1.12 Tipos de filtros ....................................................................................................................33

III.3.1.12.1 Filtros de grava ............................................................................................................33 III.3.1.12.2 Filtros de arena multicama o lecho profundo ..............................................................33

iii


III.3.1.12.3 Filtros a presión ...........................................................................................................34 III.3.1.12.4 Filtros de diatomea ......................................................................................................35

III.4 Tratamiento para Eliminar o Remover el Sabor y Olor ................................................................35 III.4.1 Filtros de Carbón Activado ..........................................................................................................36

III.4.1.1 Definición ..............................................................................................................................36

III.4.1.2 Generalidades ......................................................................................................................36

III.4.1.3 Descripción ...........................................................................................................................36

III.4.1.4 Producción de carbón activo ................................................................................................37

III.4.1.5 Proceso de activación ..........................................................................................................38 III.4.1.6 Perspectivas en desarrollo para la adsorción - regeneración del carbón activado .............40

III.4.1.6.1 Oxidación catalítica ........................................................................................................40 III.4.1.6.2 Utilización de microondas ..............................................................................................40

III.4.1.7 Consideraciones al aplicar el carbón activo en el tratamiento del agua ..............................40

III.4.1.8 Proceso de adsorción ...........................................................................................................41

III.4.1.9 Filtros de carbón activado granular ......................................................................................44

III.4.1.10 Ventajas y desventajas de carbón activo en polvo y en lechos filtrantes en grano ...........45

III.4.1.11 Perspectivas en desarrollo para el carbón activo ..............................................................46 III.4.1.11.1 Las fibras de carbón activado ......................................................................................46 III.4.1.11.2 Las membranas de carbón activado ...........................................................................46

III.4.1.12 Principales usos del carbón activo .....................................................................................47 III.4.1.12.1 Potabilización ...............................................................................................................47

III.4.1.13 Capacidad de retención de cloro ........................................................................................47

III.4.1.14 Concentración de cloro ......................................................................................................48

III.4.1.15 Sanitización de los lechos de carbón .................................................................................48

III.4.1.16 Extracción de carbón activo ...............................................................................................49

III.5 Tratamiento para el Ablandamiento del Agua ..............................................................................50 III.5.1 Intercambio Iónico .......................................................................................................................50

III.5.1.1 Aspectos generales ..............................................................................................................50

III.5.1.2 Definición ..............................................................................................................................50

III.5.1.3 Principios de funcionamiento ...............................................................................................51

III.5.1.4 Dureza ..................................................................................................................................52 III.5.1.5 Materiales de intercambio ....................................................................................................53

III.5.1.5.1 Zeolitas ..........................................................................................................................54 III.5.1.6 Intercambio y regeneración ..................................................................................................55 III.5.1.7 Resinas sintéticas.................................................................................................................58

III.5.1.7.1 Estructura física y química de las resinas. ....................................................................58 III.5.1.8 Selectividad de resinas ........................................................................................................59 III.5.1.9 Tasa de intercambio .............................................................................................................60 III.5.1.10 Tipos de resinas de intercambio iónico usadas para el tratamiento de aguas ..................60 III.5.1.11 Desmineralización ..............................................................................................................62

III.5.1.11.1 Diseño de los equipos de desmineralización ..............................................................64

III.5.1.12 Ventajas del proceso iónico ...............................................................................................64

III.5.1.13 Cálculo de un suavizador ...................................................................................................64

III.6 Tratamientos para Desinfectar el Agua .........................................................................................65 III.6.1 Métodos Físicos o Desinfección Sin Químicos. ..........................................................................65

III.6.1.1 Luz Ultravioleta .....................................................................................................................66 III.6.1.1.1 Aspectos generales .......................................................................................................66 III.6.1.1.2 Reseña histórica ............................................................................................................66 III.6.1.1.3 Luz UV ...........................................................................................................................66 III.6.1.1.4 Fuentes y tecnología de lámparas.................................................................................67 III.6.1.1.5 Generación de la UV .....................................................................................................68 III.6.1.1.6 Mecanismos de desinfección .........................................................................................69 III.6.1.1.7 Tasas de inactivación ....................................................................................................70 III.6.1.1.8 Requerimientos de dosis ...............................................................................................71

iv


III.6.1.1.9 Componentes de los equipos esterilizadores ................................................................72 III.6.1.1.10 La luz ultravioleta ofrece seguridad en la desinfección ...............................................73 III.6.1.1.11 Desinfección de agua potable .....................................................................................75 III.6.1.1.12 Operación y mantenimiento .........................................................................................75 III.6.1.1.13 Subproductos de desinfección.....................................................................................76 III.6.1.1.14 Costos de desinfección UV ..........................................................................................76 III.6.1.1.15 Aplicaciones de la UV ..................................................................................................77 III.6.1.1.16 Ventajas de la UV ........................................................................................................77 III.6.1.1.17 Recomendaciones de seguridad .................................................................................78 III.6.1.1.18 Criterios para seleccionar la luz UV ............................................................................78 III.6.1.1.19 Guía de instalación ......................................................................................................79

III.6.1.2 Osmosis Inversa ...................................................................................................................80 III.6.1.2.1 Generalidades................................................................................................................80 III.6.1.2.2 Antecedentes científicos ................................................................................................80 III.6.1.2.3 Descripción del proceso ................................................................................................81 III.6.1.2.4 Presión osmótica ...........................................................................................................82 III.6.1.2.5 Osmosis inversa ............................................................................................................83 III.6.1.2.6 Funcionamiento de la ósmosis inversa .........................................................................84 III.6.1.2.7 Diferencia entre ósmosis y otros procesos de membrana ............................................85 III.6.1.2.8 Teorías de la ósmosis ....................................................................................................85 III.6.1.2.9 Ecuaciones fundamentales ............................................................................................86 III.6.1.2.10 Membranas de ósmosis y módulos de ósmosis ..........................................................89 III.6.1.2.11 Diferencias entre membranas......................................................................................92 III.6.1.2.12 Características de las membranas ..............................................................................93 III.6.1.2.13 Rendimiento de los módulos .......................................................................................94 III.6.1.2.14 Colocación de las membranas ....................................................................................95 III.6.1.2.15 Usos de la ómosis ínversa ...........................................................................................95 III.6.1.2.16 Ventajas de la ómosis inversa .....................................................................................96

III.6.2 Métodos Químicos ......................................................................................................................97 III.6.2.1 Ozonización ..........................................................................................................................97

III.6.2.1.1 Aspectos generales .......................................................................................................97 III.6.2.1.2 Propiedades del ozono ................................................................................................100 III.6.2.1.3 Acciones fundamentales del ozono .............................................................................102 III.6.2.1.4 Formas de producción del ozono ................................................................................105 III.6.2.1.5 Ozono vs. cloro ............................................................................................................114 III.6.2.1.6 Ventajas y desventajas ................................................................................................116 III.6.2.1.7 Factores ambientales y de seguridad ..........................................................................117 III.6.2.1.8 Aplicaciones .................................................................................................................118

III.6.2.2 Cloración ............................................................................................................................120

III.6.2.2.1 Aspectos generales .....................................................................................................120 III.6.2.2.2 Factores que influyen en la cloración ..........................................................................120 III.6.2.2.3 Reacciones del cloro en el agua ..................................................................................121 III.6.2.2.4 Demanda de cloro........................................................................................................123 III.6.2.2.5 Cloro residual en la red de distribución .......................................................................124 III.6.2.2.6 Desinfectantes con contenido de cloro ........................................................................124 III.6.2.2.7 Elección del desinfectante residual .............................................................................125 III.6.2.2.8 Equipos de cloración ...................................................................................................125 III.6.2.2.9 Protección de la salud pública .....................................................................................126 III.6.2.2.10 Subproductos de desinfección...................................................................................127

IIIVVV... MMMaaattteeerrriiiaaallleeesss yyy MMMééétttooodddooosss .................................................................................................................129

IV.1 Localización Geográfica ..................................................................................................................129

IV.2 Clima ...............................................................................................................................................129

IV.3 Estudio de Mercado ......................................................................................................................129

v


IV.3.1 Perspectiva de las Aguas Embotelladas. .................................................................................129

IV.3.2 Crecimiento del Mercado de Agua Puricada ............................................................................131

IV.3.3 Disponibilidad de la Materia Prima e Insumos de Producción .................................................132

IV.3.4 Determinación de la Demanda .................................................................................................133

IV.3.5 Presentación y Descripción del Producto .................................................................................134

IV.3.6 Agua Purificada en México .......................................................................................................135

IV.3.7 Comportamiento de la Demanda ..............................................................................................136

IV.3.8 Análisis de la Demanda ............................................................................................................137

IV.3.9 Demanda Actual .......................................................................................................................137

IV.3.10 Proyección de la Demanda ....................................................................................................138

IV.3.11 Estimación de la Oferta ..........................................................................................................139

IV.3.12 Tipo de Proceso del Oferente de Mayor Mercado .................................................................140

IV.3.13 Importancia del Precio ............................................................................................................141

IV.3.14 Comercialización ....................................................................................................................142

IV.3.15 Canal de Comercialización Propuesto ...................................................................................143

IV.3.16 Parámetros de Competitividad ...............................................................................................144

IV.3.17 Estrategias para la Penetración y Venta del Agua en el Mercado .........................................144

IV.3.18 Justificación del Proyecto .......................................................................................................144

IV.4 Tamaño de la Planta ......................................................................................................................145 IV.4.1 Agua Purificada en Presentación de 19 litros ..........................................................................145

IV.4.2 Presentaciones de 500 ml ........................................................................................................147

IV.4.3 Presentaciones de 1500 ml ......................................................................................................147

IV.4.4 Localización de la Planta ..........................................................................................................149

IV.4.5 Microlocalización ......................................................................................................................149

IV.5 Ingeniería Básica del Proceso de Purificación de Agua ...........................................................149 IV.5.1 Descripción de la Calidad del Agua y Tecnología Disponible. .................................................150 IV.5.2 Descripción del Proceso para la Purificación del Agua ............................................................152 IV.5.3 Cálculo y Descripción del Equipo .............................................................................................160

IV.5.3.1 Cálculo del diámetro de la tubería .....................................................................................160 IV.5.3.2 Cálculo de la potencia de la bomba ...................................................................................163

IV.5.3.2.1 Cálculo de la presión en la succión .............................................................................164 IV.5.3.2.2 Cálculo del número de Reynolds ................................................................................164 IV.5.3.2.3 Pérdidas de carga en la succión .................................................................................165 IV.5.3.2.4 Pérdidas de carga en la descarga...............................................................................166 IV.5.3.2.5 Cálculo de la potencia de la bomba o caballos hidráulicos ........................................169 IV.5.3.2.6 Potencia del motor ......................................................................................................169

IV.5.3.3 Cálculo de la potencia consumida por el motor operando ................................................170 IV.5.4 Especificaciones del Equipo .....................................................................................................173

IV.5.4.1 Filtro de lecho profundo .....................................................................................................174 IV.5.4.2 Filtro de carbón activado ....................................................................................................174 IV.5.4.3 Intercambio iónico ..............................................................................................................175 IV.5.4.4 Osmosis inversa .................................................................................................................177 IV.5.4.5 Radiación ultravioleta .........................................................................................................178 IV.5.4.6 Generador de ozono. .........................................................................................................179 IV.5.4.7 Lavadora de garrafones. ....................................................................................................179 IV.5.4.8 Llenadora de garrafones ....................................................................................................179 IV.5.4.9 Sistema de transporte ........................................................................................................179 IV.5.4.10 Superficie para la instalación ...........................................................................................180

IV.6 Estimación de Costos ...................................................................................................................180 IV.6.1 Constitución de la Empresa ......................................................................................................180

IV.6.2 Requerimientos de la Mano de Obra. .......................................................................................181 IV.6.2.1 Descripción del puesto .......................................................................................................181

IV.6.3 Programa de Producción ..........................................................................................................181 IV.6.3.1 Requerimientos de la materia prima ..................................................................................182

vi


IV.6.4 Estudio Económico ...................................................................................................................183 IV.6.4.1 Presupuesto de costos de producción ...............................................................................183

IV.6.4.1.1 Costos de bombeo de la materia prima ......................................................................183 IV.6.4.1.2 Costos de la materia prima y envases para el primer año ..........................................188 IV.6.4.1.3 Otros materiales ..........................................................................................................190 IV.6.4.1.4 Consumo de energía eléctrica ....................................................................................190 IV.6.4.1.5 Costos de mano de obra directa .................................................................................191 IV.6.4.1.6 Combustible .................................................................................................................191 IV.6.4.1.7 Mantenimiento .............................................................................................................191 IV.6.4.1.8 Costo de control de calidad .........................................................................................192 IV.6.4.1.9 Presupuesto de costos de producción ........................................................................193 IV.6.4.1.10 Presupuesto de gastos de administración ................................................................193 IV.6.4.1.11 Presupuesto de gasto de venta.................................................................................194 IV.6.4.1.12 Costos totales de producción ....................................................................................194 IV.6.4.1.13 Costo total de operación de la empresa ...................................................................195 IV.6.4.1.14 Ingresos de la planta con una capacidad del 73.58%...............................................196 IV.6.4.1.15 Inversión inicial en activo fijo y diferido .....................................................................196 IV.6.4.1.16 Obra civil ....................................................................................................................197 IV.6.4.1.17 Activo diferido ............................................................................................................199 IV.6.4.1.18 Inversión total del activo fijo y diferido ......................................................................199 IV.6.4.1.19 Depreciación y amortización .....................................................................................199 IV.6.4.1.20 Determinación del capital de trabajo .........................................................................200 IV.6.4.1.21 Determinación del punto de equilibrio o producción mínima económica ..................201 IV.6.4.1.22 Determinación de los ingresos por ventas sin inflación ............................................203 IV.6.4.1.23 Estado de resultados sin inflación y con producción variable hasta el quinto año ...203

IV.6.5 Evaluación Económica .............................................................................................................205 IV.6.5.1 Cálculo del VPN y la TIR con una producción variable, sin inflación ................................205

IV.6.6 Costos Cubiertos por la Universidad Autónoma Chapingo. .....................................................207

VVV... RRReeesssuuullltttaaadddooosss yyy DDDiiissscccuuuccciiióóónnn .............................................................................................................211

VVVIII... CCCooonnncccllluuusssiiiooonnneeesss .................................................................................................................................213

VVVIIIIII... BBBiiibbbllliiiooogggrrraaafffíííaaa ....................................................................................................................................214

VVVIIIIIIIII... AAAnnneeexxxooosss ...........................................................................................................................................222

vii


Índice de Tablas

Núm. De Descripción Pág.

tabla

Tabla 3.1 Opciones para recuperar el agua contaminada. ....................................................................... 9

Tabla 3.2 Modelo de resinas comúnmente en mercado. .........................................................................56

Tabla 3.3 Dosis recomendadas y exigidas de UV. ..................................................................................71

Tabla.3.4 Comparación de los tres medios más utilizados para la desinfección del agua. ....................79

Tabla 3.5 Porcentaje de rechazo de membranas. ...................................................................................94

Tabla 3.6 Potenciales de oxidación. ......................................................................................................101

Tabla 3.7 Solubilidad del ozono en el agua. ..........................................................................................110

Tabla 3.8 Propiedades del ozono durante el empleo en aguas para potabilizar. .................................115

Tabla 3.9 Rango de ozono permisible. ..................................................................................................117

Tabla 3.10 Tiempo de exposición del hombre, en ciertos niveles de concentración de ozono. ..............118

Tabla 3.11 La constante de ionización Ki varía con la temperatura. .......................................................122

Tabla 3.12 Desinfectantes de agua potable a simple vista. .....................................................................125

Tabla 3.13 Agentes patógenos transmitidos por el agua. ........................................................................127

Tabla 4.1 Estudio de PROFECO a aguas purificadas en ocho ciudades del país. ..............................130

Tabla 4.2 Datos comparativos de la NOM-041 y el análisis de agua realizado. ...................................132

Tabla 4.3 Comportamiento de consumo de agua en garrafón. .............................................................135

Tabla 4.4 Proyección del consumo de agua para la población de trabajadores de la UACH ...............138

Tabla 4.5 Proyección del consumo de agua para la población de estudiantes. ....................................139

Tabla 4.6 Producción estimada de agua purificada en presentación de 19 litros para la UACH. .........140

Tabla 4.7 Comparación de precios de agua purificada en algunas presentaciones comerciales. ........141

Tabla 4.8 Producción de agua purificada para el primer año. ..............................................................145

Tabla 4.9 Producción estimada para el año 2 al 10. ..............................................................................146

Tabla 4.10 Producción estimada de agua purificada en presentación menor de 500 ml. ......................147

Tabla 4.11 Producción estimada de agua purificada en presentación de 1500 ml. ................................148

Tabla 4.12 Producción estimada de agua purificada anualmente que será introducida al mercado. .....148

Tabla 4.13 Calidad del agua antes de operar el sistema de UV. .............................................................156

Tabla 4.14 Dosis de ozono aplicadas según sus distintas aplicaciones..................................................158

Tabla 4.15 Velocidad razonable del agua en tuberías. ............................................................................160

Tabla 4.16 Filtro de lecho profundo de uso comercial. ............................................................................174

Tabla 4.17 Filtro carbón activado de uso comercial................................................................................175

Tabla 4.18 Ablandamiento de uso comercial. ..........................................................................................176

Tabla 4.19 Sistemas de ósmosis inversa comerciales. ...........................................................................177

Tabla 4.20 Lámparas de radiación ultravioleta comerciales. ...................................................................178

Tabla 4.21 Requerimientos de personal. .................................................................................................181

Tabla 4.22 Materia prima requerida mensualmente para el primer año. ................................................183

Tabla 4.23 Tarifa 6 de energía eléctrica para el bombeo de agua potable. ...........................................184

Tabla 4.24 Costo del equipo de bombeo a través de los años. ..............................................................188

Tabla 4.25 Costos de la materia prima y envases. .................................................................................188

Tabla 4.26 Envases y embalajes para la producción de la planta a lo largo de su vida útil. ..................189

viii


Tabla 4.27 Otros materiales. ...................................................................................................................190

Tabla 4.28 Equipos que requieren energía eléctrica. .............................................................................190

Tabla 4.29 Costo de la mano de obra directa. ........................................................................................191

Tabla 4.30 Costos por mantenimiento al equipo del tren de tratamiento terciario. ................................192

Tabla 4.31 Parámetros más importantes para iniciar en el mercado del agua purificada y envasada. .192

Tabla 4.32 Presupuesto de costos de producción. .................................................................................193

Tabla 4.33 Costos del personal administrativo. .....................................................................................193

Tabla 4.34 Costos totales de producción. ..............................................................................................194

Tabla 4.35 Costos totales de operación del tren de tratamiento terciario. .............................................195

Tabla 4.36 Ingresos de la planta a lo largo del año. ...............................................................................196

Tabla 4.37 Activo fijo de producción. ......................................................................................................196

Tabla 4.38 Activo fijo de oficina...............................................................................................................197

Tabla 4.39 Activos diferidos. ...................................................................................................................199

Tabla 4.40 Resumen de costos totales. ..................................................................................................199

Tabla 4.41 Depreciación y amortización de activo fijo y diferido. ...........................................................200

Tabla 4.42 Clasificación de los costos y gastos de operación. ...............................................................201

Tabla 4.43 Punto de equilibrio para el primer año. .................................................................................202

Tabla 4.44 Ingresos por ventas. ..............................................................................................................203

Tabla 4.45 Costos que permanecen fijos, independientemente de la cantidad producida. ...................204

Tabla 4.46 Estado de resultados sin inflación, con producción variable. ...............................................204

Tabla 4.47 Ingresos y pago de la inversión de activo fijo y diferido........................................................204

Tabla 4.48 El ingreso diario con $12.2 / garrafón. ..................................................................................205

Tabla 4.49 Costos para una planta purificadora dentro de la UACH. .....................................................207

Tabla 4.50 Clasificación de los costos y gastos de operación. ...............................................................208

Tabla 4.51 Ingresos por ventas. ..............................................................................................................209

Tabla 4.52 Costos que permanecen fijos, independientemente de la cantidad producida. ...................209

Tabla 4.53 Estado de resultados sin inflación, sin financiamiento y producción variable. .....................209

Tabla 4.54 Ingresos y pago de la inversión de activo fijo y diferido........................................................210

Tabla 8.1 Límites permitidos de algunas determinaciones. ..................................................................235

ix


Índice de figuras

Núm. de Descripción Pág. Figura

Figura 3.1 Filtro de lecho profundo. ........................................................................................................34

Figura 3.2 Estructura del carbón activado en anillos tipo benceno. .......................................................39

Figura 3.3 Isotermas de Freundlich. .......................................................................................................43

Figura 3.4 Instalación del ablandador. ....................................................................................................58

Figura 3.5 Secuencias de ADN normal y modificado. ............................................................................67

Figura 3.6 Efecto de UV de presión media en un microorganismo. .......................................................67

Figura 3.7 Construcción de una lámpara de arco de mercurio y diseño de balasto...............................68

Figura 3.8 Generación de UV..................................................................................................................68

Figura 3.9 Principios del proceso de ósmosis. ........................................................................................82

Figura 3.10 Fenómeno de ósmosis inversa. .............................................................................................84

Figura.3.11 Membranas construidas con poliamida. ................................................................................90

Figura 3.12 Proceso de membrana tubular. ..............................................................................................90

Figura.3.13 Proceso de membrana fibra hueca. .......................................................................................91

Figura 3.14 Proceso de membrana de espirales. .....................................................................................91

Figura 3.15 Esquema de funcionamiento de un generador de ozono. ...................................................106

Figura 3.16 Esquema básico de un generador de ozono de tubos concéntricos ..................................108

Figura 3.17 Diagrama simplificado de un generador de ozono. .............................................................109

Figura 3.18 Sistemas de tanques de contacto de ozono con difusores de burbuja ..............................111

Figura 3.19 Métodos de difusión de ozono por inyección. ......................................................................113

Figura 4.1 Tanque de almacenamiento de agua cruda. .......................................................................152

Figura 4.2 Filtros de lecho profundo. ....................................................................................................153

Figura 4.3 Instalación de un filtro de lecho profundo y carbón activado. ..............................................153

Figura 4.4 Filtro de carbón activado. .....................................................................................................154

Figura 4.5 Suavizadores de agua comercial. ........................................................................................154

Figura 4.6 Unidad de ósmosis inversa. .................................................................................................155

Figura 4.7 Lámpara de UV (uso industrial). ..........................................................................................156

Figura 4.8 Tanque de almacenamiento de agua purificada. .................................................................157

Figura 4.9 Sistema generador de ozono. ..............................................................................................157

Figura 4.10.a Lavadora de garrafones. ......................................................................................................158

Figura 4.10.b Conexiones de lavadora de garrafones modelo L-3. ...........................................................159

Figura 4.11 Llenadora de garrafones fijo y movible. ...............................................................................159

Figura 4.12 Esquema de bombeo. ..........................................................................................................162

Figura 4.13 Gráfica de rendimiento de motobombas multipasos de ¾ a 2 HP. .....................................170

Figura 4.14 Esquema de bombeo del pozo Yucateco. ...........................................................................170

Figura 4.15 Esquema de ubicación del sistema de producción. ............................................................198

Figura 4.16 Punto de equilibrio de la producción. ...................................................................................202

Figura 4.17 Diagrama de flujo para la evaluación económica sin inflación con producción variable. ....205

Figura 4.18 Diagrama de flujo para la evaluación económica sin inflación con producción variable (UACH). ......................................................................................................................................................210

x


Diseño de un tren de tratamiento terciario avanzado para obtener agua embotellada.

Arana Muñoz O.1

Juan Martínez J.2

Solorio Elizalde N.2

RESUMEN

En este trabajo se presenta la información necesaria de los sistemas de tratamiento

terciario avanzado que hay en el mercado, filtros de lecho profundo, filtros de carbón

activado, intercambio iónico, osmosis inversa, radiación ultravioleta, ozonización y

cloración, así como la combinación de estos para obtener un producto que cumpla con

los estándares nacionales e internacionales de calidad del agua embotellada comercial.

Además, se realiza el diseño de un tren de tratamiento terciario para purificar agua a la

Universidad Autónoma Chapingo de acuerdo a su calidad, siendo esencial el análisis

financiero sin inflación y sin financiamiento teniendo costos de producción con un precio

de venta mínimo de $12.15 y $9.06 por garrafón.

PALABRAS CLAVE: Filtración, carbón, intercambio, osmosis, ozono, cloro, evaluación económica.

Design of a train of advanced tertiary treatment to obtain bottled water.

SUMMARY

In this work the necessary information of the systems of advanced tertiary treatment is

presented that there is in the market, filters of deep channel, filters of activated coal,

exchange ionic, inverse osmosis, ultraviolet radiation, ozone and chlorine, as well as the

combination of these to obtain a product that fulfills the national and international

standards of quality of the commercial bottled water. Also, this is carried out the design

of a train of tertiary treatment to purify water of the Autonomous University Chapingo

according to their quality, being essential the financial analysis without inflation and

without financing having production costs, with a minimum sale price of $12.15 and

$9.06 for carafe.

KEY WORDS: Filtration, coal, exchange, osmosis, ozone, chlorine, design, economic evaluation. 1. Profesor investigador del Departamento de Irrigación, UACH. 2. Pasante de la Carrera de Ingeniero en Irrigación.

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1


II.. IInnttrroodduucccciióónn

El agua es imprescindible para la vida. La necesitan tanto animales y plantas así como

el hombre en la agricultura, la ganadería, la industria o la generación de energía.

En el hombre constituye el 70% del cuerpo y la utiliza todos los días para satisfacer

necesidades fundamentales. A pesar de que se puede vivir con sólo 5 litros o menos de

agua al día, generalmente necesitamos mucha más agua para conservarnos

saludables; unos 50 litros o más para satisfacer las necesidades personales y del

hogar. Pero en los países desarrollados se gasta mucho más, un promedio de 400 a

500 litros por persona diariamente, cantidades que no siempre son un lujo, sin embargo

resulta costoso.

Las aguas dulces que podemos aprovechar son superficiales, como los ríos, arroyos y

lagos; o subterráneas. También se puede captar agua de lluvia en presas de

almacenamiento.

Desde tiempos remotos, la lluvia ha sido tan escasa e irregular que su aprovechamiento

directo es muy difícil, afortunadamente la naturaleza nos permite disponer de ésta

durante una parte del año. Posteriormente parte del agua llega hacia las corrientes de

agua, otra parte llega a los almacenamientos y otra se filtra en el suelo lentamente

hacia los acuíferos.

Con la tecnificación de la agricultura, la aplicación de productos químicos afecta la

calidad del agua subterránea, debido a que en el proceso del ciclo hidrológico una

parte del agua de lluvia escurre y otra se infiltra llevando consigo residuos tóxicos.

El abatimiento de los acuíferos por sobre explotación de agua para uso doméstico e

industrial, en áreas circundantes de las grandes urbes, ha deteriorado la disponibilidad

del recurso por lo que es necesario la construcción de plantas de tratamiento para

reutilizar el agua. Garantizar un aporte suficiente de agua no es suficiente para resolver

los problemas de suministro, es necesario asegurar que esa agua sea potable, es decir,

apta para el consumo humano. De hecho, las grandes ciudades estuvieron expuestas a

graves epidemias por transmisión hídrica, hasta que se desarrollaron sistemas eficaces

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2


de potabilización, que garantizaran a la población un agua con una calidad y en una

cantidad adecuadas.

El avance de la ciencia y la necesidad de seguir obteniendo agua de mejor calidad, ha

permitido que se usen nuevos métodos y equipos para obtener agua a un precio

accesible a la población.

Por eso en este trabajo se propone un tren de tratamiento terciario para tratar el agua y

obtener un producto de calidad, tal que permita su confiabilidad para entrar en el

mercado del agua purificada certificada.

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3


IIII.. OObbjjeettiivvooss

OObbjjeettiivvoo GGeenneerraall

Proyectar un tren de tratamiento terciario avanzado para obtener agua purificada

embotellada y ser consumida por la comunidad de la Universidad Autónoma Chapingo.

OObbjjeettiivvooss PPaarrttiiccuullaarreess

Realizar una revisión bibliográfica de los métodos terciarios avanzados que más

se utilizan para purificar agua.

Realizar análisis de muestras de agua en diferentes fuentes que serán la materia

prima, que mediante los tratamientos terciarios avanzados reúnan las

características para embotellar.

Determinar costos de la obra civil.

Determinar la rentabilidad del tren de tratamiento terciario avanzado propuesto.

Contar con un trabajo que apoye la enseñanza y el diseño de un sistema de

tratamiento terciario avanzado para purificar agua.

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4


IIIIII.. RReevviissiióónn ddee LLiitteerraattuurraa

IIIIII..11 AAnntteecceeddeenntteess

III.1.1 Panorama Mundial de la Contaminación del Agua

La senda del desarrollo económico seguida en este siglo ha afectado drásticamente la

cantidad y calidad de los recursos hídricos. De continuar por este camino, en las

próximas décadas habrá una enorme disparidad entre la demanda y la disponibilidad

del agua. Existe el riesgo de que se produzca una crisis del agua a escala mundial.

El agua durante la presente década se ha convertido en una preocupación sin

precedentes, por la escasez de recursos de agua dulce para satisfacer la demanda de

los 8,500 millones de personas que habrá en el año 2025. Las lluvias anuales en los

continentes proporcionan unos 7000 m3 por persona, pero su distribución desigual en el

tiempo y en el espacio hace que sólo parte de este volumen pueda explotarse

económicamente, aunque cabe mencionar que el 45 por ciento de ella es absorbida por

la demanda existente (Arana, 1996).

Actualmente, la cuarta parte de los países del mundo tiene insuficiencia de agua tanto

en cantidad como en calidad, con lo cual no cabe duda que un uso más intensivo e

inapropiado del recurso aumentará los riesgos para la población y supone una grave

rémora para la producción alimentaría, para el desarrollo económico y para la

protección de los ecosistemas. Es tan grave la escasez de agua dulce en el mundo que

el Banco Mundial advierte que el problema presenta una amenaza para la economía y

la salud de 80 países, es decir 40 % de los habitantes de la tierra - más de dos millones

de personas—no tienen acceso al agua limpia ni a condiciones sanitarias (Cazares,

1992, citado por Arana, 1996).

Algunas investigaciones han estimado que el 80% de todas las enfermedades y el 33%

de las muertes en los países en desarrollo están relacionados con la inadecuada

calidad del agua y según el estudio del PNUMA (Programa de las Naciones Unidas

para el Medio Ambiente) de "cuatro de cada cinco enfermedades endémicas en los

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5


países en vías de desarrollo se deben al agua sucia o a la falta de instalaciones

sanitarias" y la Organización Mundial de la Salud (OMS) informó que las enfermedades

ligadas al modo de vida y al ambiente son responsables de las tres cuartas partes de

los 49 millones de defunciones que se producen en el planeta cada año, y medio

mundo 2.500 millones de personas- sufren enfermedades asociadas a la contaminación

del agua y a la falta de higiene, señalando una estrecha correlación entre la

insuficiencia y calidad del recurso y la ocurrencia de enfermedades de origen hídrico

(Fierros, 1992).

III.1.2 Aspectos Generales de la Problemática del Agua en

México

En nuestro país se ha dado un mal uso del agua, puesto que cada familia desperdicia

en promedio unos 150 litros diarios a causa de los malos hábitos, elevando con ello el

consumo promedio por persona a 200 y hasta 300 litros al día, cuando 100 litros serían

suficientes para el uso doméstico per cápita urbano (Arana, 1996).

La calidad del agua superficial se está deteriorando en las principales cuencas a causa

de los residuos urbanos agrícolas e industriales. Las aguas freáticas se contaminan

desde la superficie y en otros casos se deterioran irreversiblemente con la intrusión de

agua salada del mar, cuando el bombeo ha sido excesivo, tal es el caso de la Costa de

Hermosillo en Sonora y Santo Domingo B. C. (Arana,1996).

III.1.3 Importancia de la Potabilización del Agua

Es innegable que la problemática no natural del agua es provocada por el hombre en su

interacción con el medio natural. Y está determinada por la forma de aprovechar, usar y

administrar, tanto el agua como los otros recursos, los cuales son inherentes al

equilibrio ecológico y al sano fluir del ciclo hidrológico. La cual se hace crítica en los

centros de uso, particularmente en los centros de mayor población. Como

representativa de las aglomeraciones humanas tenemos a la Ciudad de México y su

zona metropolitana.

Esta situación impide que la población cuente con un servicio adecuado de agua

potable, lo que obliga a bombear de distancias muy alejadas (Valle de Bravo,

Cutzamala), en este proceso es cuando se contaminan y para solucionar el problema

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los gobiernos de las ciudades optan por un sistema que no resulte una inversión

cuantiosa, seleccionando los métodos tradicionales que incrementan los problemas

para el consumidor (CEAS, 1993).

A pesar de lo anterior es necesario disponer de agua que no tenga mal sabor, olores

extraños, tanto fría como caliente, de manera que solo desprenda leve alcalinización

que le confieren las sales y gases disueltas en ellas, desde luego conviene que

contenga cierta cantidad de sal, pues en caso contrario, resulta insípida.

El agua potable es indispensable para la mayoría de los seres vivos ya que es el

constituyente mayor de seres vivos; estando incorporada a los tejidos y órganos. Así,

podemos indicar que el tejido adiposo contiene entre un 22% y un 34% de agua, y en el

hígado y corazón la proporción oscila entre un 70% y 80%. El tejido con mayor

contenido en agua es el nervioso, con una proporción entre el 82% y 94% (Delta, 2001).

El agua puede estar libre, conteniendo sustancias minerales u orgánicas en disolución

o combinada con ciertos cuerpos. También se presenta retenida, por absorción, por

ciertas sustancias dentro de las células, Su papel es muy importante, hasta el punto

que una pérdida de agua del 15% produce graves trastornos en los animales

superiores. En los inferiores, da lugar al enquistamiento, o a la adopción del estado de

vida latente. Es el medio de disolución de los componentes minerales y orgánicos del

protoplasma celular y gracias a ella pueden realizar varias acciones vitales para el

organismo. Lo anterior nos pone en tela de juicio para decidir el tipo de agua que

deseamos incorporar al organismo para prevenir las enfermedades que se pueden

transmitir mediante el agua (Delta, 2001).

Por tal la transformación en su calidad esta debe estar acorde a las necesidades de la

sociedad, y pasó de ser un elemento esencial natural a un producto elaborado y

comercializado.

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III.1.4 Consumo de Agua Potable en la Universidad Autónoma

Chapingo

Para el abastecimiento de agua de uso Doméstico la Universidad cuenta con cuatro

pozos (Yucateco, Zootecnia, Lavanderia y Sociología) activos que funcionan mas de

una hora diaria, para almacenarla se dispone de cisternas con una capacidad

aproximada de 50 m3. Cabe aclarar que en los pozos el nivel estatico está a una

profundidad del orden de 60 m (Gutiérrez, 2002), comunicación personal.

III.1.4.1 Consumo de agua en Comedores

Los pozos Yucateco, Zootecnia, Lavanderia están conectados para abastecer a toda la

Universidad de esa manera cuando se presentan problemas los demás suministran el

líquido.

De acuerdo con la información recabada, años atrás hasta el agua que se consumía en

los comedores solo recibía tres tratamientos avanzados, en el siguiente orden:

intercambio iónico, filtros de fibra y filtros de carbón activado. Estos dos últimos a un se

encuentran colocados como muestra de su deterioro. El tratamiento de intercambio

iónico lleva funcionando más de cinco años y la regeneración de la resina se hace con

sal de mar (NaCl), cabe aclarar que es un pre tratamiento antes de entrar a la caldera.

Actualmente las autoriadades de la universidad se han preocupado por mejorar y tener

un control en las aguas que utiliza en sus comedores para la preparación de alimentos,

café, te, lavado de verduras, entre otros usos, además que tienen una red que abastece

a algunas oficinas donde algunos trabajadores la consumen para la preparación de

café.

El tratamiento que opera desde inicios del 2002 tiene una capacidad para purificar 50

m3/diarios. El tren que sigue el agua es el siguiente: filtros de carbón activado- filtro de

pulidor de agua - Rayos Ultravioleta. Teniendo el mayor consumo en las horas de

servicio 7-9 am, 12-3 pm, 7-8.30 pm.

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III.1.4.2 Consumo de agua embotellada en Departamentos de Enseñanza y Oficinas

Por otra parte, la preocupación por la calidad sanitaria del agua que se bebe se ha

incrementado por el consumo de agua purificada embotellada en las oficinas tanto

académicas como administrativas de cada departamento, puesto que prefieren comprar

agua de una cierta calidad (Higiene) y aun precio accesible.

Es así como se consumen varias decenas de garrafones de agua purificada, que cada

departamento compra para su consumo. Sin embargo la disponibilidad no la tienen

todos, ya que el abasto no es suficiente, por lo que se ven en la necesidad de comprar

en presentaciones de un litro o bien hervir agua en su casa. Esta última es una manera

que la Secretaría de Salud recomienda para prevenir enfermedades gastrointestinales,

ya que se destruyen los microorganismo pero no se eliminan los sólidos (minerales)

contenidos en el agua.

En lo que respecta al consumo de agua por los alumnos la mayoría la adquiere en los

comedores a la hora de sus alimentos, y algunos sin el conocimiento de su origen y

calidad la consumen directamente de la llave sin algún tratamiento (canchas deportivas

y dormitorios) previo o bien en su caso prefieren algún líquido gasificado. En pocos

casos prefieren comprar agua purificada.

La universidad está integrada por tres grupos que son los Académicos (1232 personas),

Administrativo (2782) y Alumnos (6802).

III.1.5 Tecnologías Empleadas para la Purificación del Agua

La necesidad por obtener agua con menores contaminantes, ha permitido al hombre,

buscar nuevas alternativas más eficientes, con un mínimo de recursos económicos para

purificar el agua y de esa manera tener un mercado competitivo, a precio accesible a la

población.

Para iniciar un procedimiento de selección es indispensable realizar análisis del agua,

ya que su realización nos permite conocer su calidad, y reduce la desconfianza por

parte del usuario, pues es que tomando como base los resultados obtenidos, se

selecciona el equipo adecuado para su purificación.

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A continuación se muestran algunas opciones para resolver algunos problemas que se

presentan en el agua (neWater,2002).

Tabla 3..11 Opciones para recuperar el agua contaminada.

IIIIII..22 PPaarráámmeettrrooss ddee CCaalliiddaadd ddee llaass AAgguuaass

III.2.1 Caracterización del Agua

El agua pura es un líquido incoloro, inodoro e insípido. Tiene un matiz azul, que sólo

puede detectarse en capas de gran profundidad. A la presión atmosférica (760 mm de

mercurio), el punto de congelación del agua es de 0° C y su punto de ebullición de

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10


100°C. El agua alcanza su densidad máxima a una temperatura de 4° C y se expande

al congelarse. Como muchos otros líquidos, el agua puede existir en estado sobre

enfriado, es decir, que puede permanecer en estado líquido aunque su temperatura

esté por debajo de su punto de congelación; se puede enfriar fácilmente a unos -25° C

sin que se congele. Tiene un peso molecular de 18 gr/ mol.

Los parámetros del agua son características físicas, químicas, biológicas y radiológicas

que permiten detectar cual es el grado de contaminación que presenta el agua, la razón

principal de este problema es su estructura molecular que es dipolar, con una constante

dieléctrica muy alta superior a cualquier otro liquido. Algunos de estos se utilizan en el

control de los procesos de tratamiento realizando mediciones de forma continua o

discreta.

Los parámetros se pueden clasificar en cuatro grandes grupos: físico, químico,

biológico y radiológico.

III.2.1.1 Parámetros físicos

Turbidez

Es la dificultad del Agua para transmitir la luz debido a materiales insolubles en

suspensión, que varían en tamaño desde dispersiones coloidales hasta partículas

gruesas, entre otras arcillas, limo, materia orgánica e inorgánica finamente dividida,

organismos planctónicos, microorganismos etc.

Actualmente la turbidez se mide con un nefelómetro expresando los resultados Unidad

de Turbidez nefelométrica, UTN.

Las aguas subterráneas suelen tener valores inferiores a 1 ppm de sílice, pero las

superficiales pueden alcanzar varias decenas. Las aguas con 1 ppm son muy

transparentes y permiten ver a su a través hasta profundidades de 4 a 5 m. Con 10

ppm, que seria el máximo deseable para una buena operación de los filtros, la

transparencia se acerca al metro de profundidad. Por encima de 100 ppm las

transparencias están por debajo de los 10 cm y los filtros se obstruyen rápidamente. La

Turbiedad mayor de 5 ppm es detectable, para lo cual se debe disminuir mediante los

procesos de coagulación, decantación y filtración y debe de disminuir a menos de 5

ppm y en plantas que operan con agua de pozo deben disminuirla a menos de 1 ppm.

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Color

El color es la capacidad del agua para absorber ciertas radiaciones del espectro visible.

El color natural en el agua existe debido al efecto de partículas coloidales cargadas

negativamente. En general el agua presenta colores inducidos por materiales orgánicas

de los suelos vegetales como el color amarillento debido a los ácidos humicos. La

presencia de hierro puede darle un color rojizo y la del manganeso un color negro.

Normalmente el color se mide en laboratorio por comparación de un estándar arbitrario

a base de cloruro de cobalto, Cl2Co y Cloroplatinato de potasio, Cl6PtK2 y se expresa en

una escala de Unidades de Pt-Co (unidad Hazen) o Pt, las aguas superficiales pueden

alcanzar, varios centenares de ppm de Pt.

La eliminación suele hacerse por coagulación- floculación con posterior filtración

(disminuyendo a menos de 5 ppm) o la absorción con carbón activado.

Olor y Sabor

Estos parámetros son determinaciones organolépticas y determinación subjetiva, para

dichas observaciones no existen instrumentos de observación, ni registros, ni unidades

de medida. Tienen un interés evidente en las aguas potables destinadas al consumo

humano. Las aguas adquieren un sabor salado a partir de 300 ppm de Cl- y un gusto

salado y amargo con mas de 450 ppm de SO4-.

EL CO2 libre en el agua le da un gusto ―picante‖. Trazas de fenoles u otros compuestos

le confiere un olor y sabor desagradable.

Conductividad y resistividad

La conductividad eléctrica es la medida de la capacidad del agua para conducir

electricidad. Es indicativo de la materia ionizable total presente en el agua. El agua pura

contribuye mínimamente a la conductividad y por lo general es el resultado del

movimiento de los iones de las impurezas.

La resistividad es la medida reciproca de la conductividad. El aparato utilizado es el

conductivimetro cuyo fundamento es la medida eléctrica de la resistencia al paso de la

electricidad entre las dos caras opuestas de un prisma rectangular comparada con la de

una solución de ClK a la misma temperatura y referida a 20°C.

La unidad estándar de resistencia eléctrica es el ohm y la resistividad de las aguas, se

expresa en megaohms-cm., la conductividad se expresa en el valor reciproco,

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normalmente como microsie-mens por cm. Para el agua ultrapura los valores

respectivos son de 18.24 Mohms.cm y 0.05483µs/cm a 25 °C.

III.2.1.2 Parámetros químicos

Alcalinidad

La alcalinidad es una medida de la capacidad para neutralizar ácidos. Contribuye a la

alcalinidad los iones bicarbonato, CO3H-, carbonato, CO3= y oxhidrilo, OH-, pero

también los fosfatos y ácido silito u otros ácidos de carácter débil. Los bicarbonatos y

los carbonatos pueden producir CO2 en el vapor, que es una fuente de corrosión en

las líneas de condensado. También puede provocar espumas, o provocar arrastre de

sólidos con el vapor y fragilizar el acero de las calderas.

Se mide por titulación con una solución valorada de un álcali o un ácido según sea el

caso y estos dependen de la concentración de los iones hidroxilos (OH)-, carbonato

(CO3)= y bicarbonato (HCO3).

Cuando la alcalinidad es menor de 10 ppm es recomendada para el uso doméstico.

Se corrige por descarbonatación con cal; tratamiento con ácido, o desmineralización por

intercambio iónico.

Coloides

Es una medida del material en suspensión en el agua que por su tamaño alrededor de

los 10-4 - 10-5 mm, se comporta como una solución verdadera y atraviesa el papel del

filtro.

Los coloides pueden ser de origen orgánico (macromoléculas de origen vegetal) o

inorgánico (óxidos de hierro y manganeso).En el agua potable la molestia solo es

estético.

Se elimina por floculación y precipitación, precipitación y eliminación de barros. La

filtración es insuficiente y requiere ultrafiltración.

Acidez mineral

La acidez es la capacidad para neutralizar bases. Es bastante raro que las aguas

naturales presenten acidez, no así las superficiales. Es responsable de corrosión se

mide en las mismas unidades que la alcalinidad y se corrige por neutralización con

álcalis.

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Sólidos

Incluye toda la materia sólida excepto el agua contenida en los materiales líquidos y se

clasifican:

Sólidos Disueltos. Los sólidos disueltos son una medida de la cantidad de materia

disuelta en el agua. El origen puede ser múltiple tanto en las aguas subterráneas

como en la superficial. Para las aguas potables se fija un valor máximo deseable de 500

ppm, este dato por si sólo no es suficiente para catalogar la bondad del agua.

Los procesos de tratamiento son múltiples en función de la composición incluyendo la

precipitación, intercambio iónico, destilación, electrodialisis y osmosis inversa.

Sólidos en suspensión. Se suelen separar por filtración y decantación. Son sólidos

sedimentables, no disueltos, que pueden ser retenidos por filtración. Las aguas

subterráneas suelen tener menos de 1 ppm, las superficiales pueden tener mucho más

dependiendo del origen y forma de captación.

Sólidos totales. Es la suma de los dos anteriores y en suspensión. Es la materia que

permanece como residuo después de evaporación y secado a 103 °C. El valor de los

sólidos incluye tanto material disuelto (residuo filtrable) y no disuelto (suspendido).

Residuo Seco. Se llama así al peso de los materiales que quedan después de

evaporar un litro de agua en cuestión. Si previamente le hemos hecho una buena

filtración corresponderá al peso total de sustancias, sean volátiles o no. La temperatura

a que se hace la evaporación influye en los resultados, por las transformaciones que

puede haber y las pérdidas, por ejemplo, de gas carbónico CO2.

Cloruros

El Ion cloruro (Cl-) forma sales muy solubles, suele asociarse con el Ion Na+, esto

lógicamente en aguas muy salinas. Las aguas dulces contienen entre 10 y 250 ppm de

cloruros, pero también se encuentran valores muy superiores fácilmente. Las aguas

salobres contienen millares de ppm de cloruros, el agua de mar está alrededor de las

20,000 ppm de cloruros.

Las aguas con cloros pueden ser muy corrosivas debido al tamaño del ión que puede

penetrar la capa protectora en la interfase óxido-metal y reaccionar con el hierro

estructural.

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La determinación argentométrica de los cloruros se basa en la formación de cromato de

plata de color rojizo, esto ocurre cuando se adicionan al agua iones cromato como

indicador y iones de plata como reactivo precipitante.

Titulando con una solución valorada de nitrato de plata se determina la cantidad

necesaria para precipitar todos los cloruros como cloruro de plata e inmediatamente se

observa la formación de cromato de plata de color rojizo.

El Ion cloruro se separa con intercambio Iónico, aunque es menos retenido que los

iones polivalentes, por lo cual las aguas de alta pureza requieren un pulido final.

Sulfatos

El ión sulfato (SO4=), corresponde a sales moderadamente solubles a muy solubles. Las

aguas dulces entre 2 y 250 ppm y el agua de mar alrededor de 3000 ppm. Recordemos,

como ya hemos dicho que el agua pura se satura de SO4Ca a unas 1500 ppm. Lo que

ocurre es que la presencia de otras sales de calcio aumenta la solubilidad.

En cantidades bajas no perjudica seriamente al agua pero algunos centenares de ppm

pueden perjudicar la resistencia del hormigón. Su eliminación se realiza por intercambio

iónico.

Nitratos

El ión nitrato (NO3-) forma sales muy solubles y estables. En un medio reductor puede

pasar a nitritos, nitrógeno gas e incluso amoniaco. Las aguas normales menos de 10

ppm, y el agua de mar hasta 1 ppm. Aguas con filtración de zona de riego con

contaminación por fertilizantes pueden tener hasta varios centenares de ppm.

Concentraciones muy elevadas en agua de bebida puede producir la cianosis infantil.

Su presencia junto con fosfato, en aguas superficiales, provocan la aparición de un

excesivo crecimiento de algas es lo que se conoce como eutrofización.

Su determinación se realiza por espectrofotometria.

Se elimina por intercambio iónico, siendo un método no económico en los proceso de

potabilización en grandes volúmenes.

Fosfatos

El ión fosfato (PO4-3) en general forma sales muy poco solubles y precipita fácilmente

como fosfato cálcico. Como procede de un ácido débil contribuye, como ya hemos visto,

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a la alcalinidad del agua. No suele haber en el agua más de 1 ppm, salvo en los casos

contaminación por fertilizantes.

Fluoruros

El Ión fluoruro (F-), corresponde a sales de solubilidad muy limitada, suele encontrarse

en cantidades superiores a 1 ppm. Hay quien mantiene que alrededor de dicha

concentración puede resultar beneficioso para la dentadura, en nuestra opinión no es

aconsejable añadirlo al agua con este objeto, ya que también se almacena en el

organismo y no existen estudios a largo plazo de efectos secundarios. La determinación

suele hacerse por métodos colorímetros o método del electrodo del Ión selectivo.

Sílice

La sílice, SiO2 se encuentra en el agua disuelta como ácido silícico SiO4H4 y como

materia coloidal; contribuye a provocar algo de alcalinidad en el agua. Las aguas

naturales contienen entre 1 y 40 ppm, pudiendo llegar a las 100 ppm(si son aguas

carbonatadas sódicas). La determinación se hace por colorimetría.

Su eliminación se consigue por precipitación aunque suele hacerse con resinas de

intercambio Iónico fuertemente básicas.

Bicarbonatos y carbonatos

Como ya hemos visto anteriormente, existe una estrecha relación entre los iones

bicarbonato CO3H-, carbonato CO3

=, el CO2 gas y el CO2 disuelto.

El equilibrio, como ya vimos, está muy afectado por el pH; todos estos iones

contribuyen fundamentalmente a la alcalinidad del agua.

Las aguas dulces suelen contener entre 50 y 350 ppm de ión bicarbonato, y si el pH es

inferior a 8.3, no habrá ión bicarbonato. El agua de mar contiene alrededor de 100 ppm

de ión bicarbonato.

Otros componentes aniónicos

Los sulfuros, S=, y el ácido sulfhídrico son muy característico de medios reductores,

pero en general las aguas contienen menos de 1 ppm, su principal característica es que

el agua tiene muy mal olor.

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Los compuestos fenólicos afectan a la potabilidad, con olores y gustos especialmente

desagradables, sobre todo después de un proceso de cloración.

Los detergentes son ligeramente tóxicos y presentan problemas de formación de

espumas y consumen el oxigeno del agua.

Los ácidos húmicos pueden afectar a procesos de pretratamiento e intercambio iónico.

Sodio

El ión sodio, Na+, corresponde a sales de solubilidad muy elevada y difíciles de

precipitar. Suele estar asociado al ión cloruro. El contenido de las aguas dulces esta

entre 1 y 150 ppm, pero se pueden encontrar casos de hasta varios miles de ppm. Las

aguas de mar contienen alrededor de 11,000 ppm. Es un indicador potencial de la

corrosión. La determinación se hace por fotometría de llama.

El sodio se elimina por intercambio iónico, pero como ión monovalente es una de las

primeras sustancias que fugan de la columna catiónica o del lecho mixto.

Potasio

El ión potasio K+, corresponde a sales de muy alta solubilidad y difíciles de precipitar.

Las aguas dulces no suelen tener más de 10 ppm y el agua de mar alrededor de 400

ppm, eso es menos significativo que el sodio. Su determinación se hace por fotometría

de llama. Se elimina por intercambio iónico.

Calcio

El ión calcio Ca++ forma sales desde moderadamente soluble a muy insolubles.

Precipita fácilmente como carbonato de calcio (CO3Ca). Es el principal componente de

la dureza del agua y causante de incrustaciones. Las aguas dulces suelen contener de

10 a 250 ppm, pudiendo llegar hasta 600 ppm. El agua de mar alrededor de 400 ppm.

Se determina por complejometría con EDTA o NTA. Su eliminación se hace por

precipitación e intercambio iónico.

Magnesio

El ión magnesio, Mg ++ tiene propiedades muy similares a las del ión calcio, aunque sus

sales son un poco más solubles y difíciles de precipitar. El hidróxido de magnesio es,

sin embargo, menos soluble. Las aguas dulces suelen contener entre 1 y 100 ppm. El

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17


agua de mar contiene alrededor de 1300 ppm. Su aparición en el agua potable con

varios centenares de ppm provoca un sabor amargo y efectos laxantes. Contribuye a la

dureza del agua y a pH alcalino, puede formar incrustaciones de hidróxido.

Su determinación es analítica por complejometría. Se puede precipitar como hidróxido

pero su eliminación se realiza por intercambio iónico.

Hierro

Es un cation muy importante desde el punto de vista de contaminación, aparece en dos

formas: ión ferroso, Fe++, o mas oxidado como ión férrico, Fe+++. La estabilidad y

aparición en una forma u otra depende del pH, condiciones oxidantes o reductoras, ó

composición de la solución. Afecta a la potabilidad de las aguas y es un inconveniente

en los procesos industriales por provocar incrustaciones.

Por todo lo anterior las aguas subterráneas solo contienen el ión ferroso disuelto, que

suele aparecer con contenidos entre 0 y 10 ppm, pero al airear el agua se precipita el

hidróxido férrico de color rojizo, y se reduce el contenido a menos de 0.5 ppm. Solo las

aguas de pH ácido pueden tener contenidos en hierro de varias decenas de ppm.

Su determinación se hace analíticamente por colorimetría y espectrofotometría de

absorción atómica, dando el hierro total que incluye las formas solubles, coloidal y en

suspensión final.

La eliminación se hace por coagulación - filtración. También se puede emplear el

intercambio Iónico.

Manganeso

El ión manganeso se comporta en la mayoría de los casos muy parecido al ión hierro

además de poder ser bivalente y trivalente positivo puede también presentarse con

valencia +4 formando el MnO2 que es insoluble. Rara vez el agua contiene más de 1

ppm y requiere un pH ácido.

La forma manganeso Mn++ que es más general por aireación se oxida y precipita con un

color negrusco de MnO2. Se determina por oxidación a permanganato y colorimetría de

la solución oxidada y espectrometría de absorción atómica.

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18


Metales Tóxicos

Los más comunes son el arsénico, el cadmio, el plomo, el cromo, el bario y el selenio.

Todos ellos deben ser estrictamente controlados en el origen. Las mediciones se

realizan por espectrofotometría de absorción atómica.

Arsénico. Este se pasa al agua por contacto con ella. Es bien conocido desde hace

siglos como tóxico, ya que afecta a la salud humana, produciendo daños al sistema

nervioso y respiratorio, produce graves consecuencias en la piel, hígado y riñones. Uno

de los principales síntomas de una ingestión prolongada es la hiperqueratósis de las

palmas de pies y manos. La OMS establece un contenido máximo de arsénico en el

agua de 10g./l.

Dentro de las técnicas que figuran para la eliminación del arsénico figuran:

Coagulación- Decantación- filtración.

Adsorción con alúmina activada.

Ablandamiento con cal.

Intercambio cationico y

Osmosis inversa.

Gases Disueltos

El dióxido de carbono, CO2, es un gas relativamente soluble que se hidroliza formando

iones bicarbonato y carbonato, en función del pH del agua. Las aguas subterráneas

profundas pueden contener hasta 1500 ppm pero las superficiales se sitúan entre 1 y

30 ppm, un exceso hace que el agua sea corrosiva. Se elimina por desgasificación o

descarbonatación.

Él oxigeno, O2, por su carácter oxidante juega un papel importante en la solubilidad o

precipitación de iones que presenta alguna forma insoluble, su presencia en el agua es

vital para la vida superior y para la mayoría de los microorganismos. Su ausencia puede

representar la presencia de metano, ácido sulfhídrico y otros gases objecionables.

El ácido sulfhídrico, SH2 causa un olor a huevos podridos y es corrosivo.

El amoniaco (NH3) es un indicador de contaminación del agua, y en forma no iónica es

tóxico para los peces. Con la cloración produce cloraminas, también tóxicas.

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19


III.2.1.3 Parámetros biológicos

Estos parámetros son indicativos de la contaminación orgánica y biológica; tanto la

actividad natural como la humana contribuyen a la contaminación orgánica de las

aguas: la descomposición animal y vegetal, los residuos domésticos, detergentes, etc.

Este tipo contaminante es más difícil de controlar que la química o física y además los

tratamientos deben estar regulándose constantemente.

Demanda Biológica de Oxigeno (DBO)

Mide la cantidad de oxígeno consumida en la eliminación de la materia orgánica del

agua mediante procesos biológicos aerobios, se suele referir al consumo en 5 días

(DBO5), también suele emplearse (DBO21) días. Se mide en ppm de O2 que se

consume.

Las aguas subterráneas suelen contener menos de 1 ppm, contenido superior es

sinónimo de contaminación por infiltración freática. En las aguas superficiales es muy

variable y depende de las fuentes contaminantes aguas arriba. En aguas residuales

domesticas se sitúa entre 100 y 350 ppm. En las industriales alcanza varios miles de

ppm.

Demanda Química de Oxigeno (DQO)

Mide la capacidad de consumo de un oxidante químico, dicromato, permanganeto, etc.

Por el total de materias oxidables orgánicas e inorgánicas. Es un parámetro mas rápido

que el anterior ya que es la medición casi inmediata, la unidad de medida son ppm de

O2.

Las aguas no contaminadas tienen valores de DQO de 1 a 5 ppm. Las aguas residuales

domesticas están entre 260 y 600 ppm.

Hay un índice que indica que tipo de aguas estamos analizando y se obtiene con la

relación (DBO/DQO) si es menor de 0.2 el vertido será de tipo inorgánico y si es mayor

de 0.6 se interpretara que aguas arriba tenemos un vertido orgánico.

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20


Carbón orgánico total

El COT es una medida del control de materia orgánica del agua. Es especialmente

utilizable en pequeñas concentraciones. En presencia de un catalizador el carbón

orgánico se oxida a CO2; últimamente se está popularizando por la rapidez en la

realización del análisis. Se mide en un analizador infrarrojo.

III.2.1.4 Parámetros bacteriológicos

La bacteria Escherochis coli y el grupo coliforme en su conjunto, son los organismos

más comunes utilizados como indicadores de la contaminación fecal. Las bacterias

coliformes son microorganismos de forma cilíndrica, capaces de fermentar la glucosa y

la lactosa. Otros organismos utilizados como indicadores de contaminación fecal son

los estreptococos fecales y los clostridios.

Estos últimos son anaerobios, formadores de esporas; estas son formas resistentes de

las bacterias capaces de sobrevivir largo tiempo.

El análisis del agua se realiza con el método de los tubos múltiples y se expresa en

términos de el ―numero más probable‖ (índice NMP) en 100 ml de agua. Las aguas con

un NMP inferior a 1, son potables.

Según el destino del agua, la eliminación de bacterias se realiza por filtración, o

esterilización por luz ultravioleta, cloración u ozonización.

III.2.1.5 Parámetros radiológicos

Hasta hace poco tiempo este tipo de parámetros no era importante, pero conforme

avanza el desarrollo industrial la presencia de sustancias radiactivas en el agua es un

riesgo de relevancia creciente. Su importancia es más sanitaria que industrial.

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21


IIIIII..33 SSiisstteemmaass ddee TTrraattaammiieennttoo ddee AAgguuaa ppaarraa CCoonnssuummoo

HHuummaannoo

Tipos de plantas de purificación

La calidad del agua cruda oscila gradualmente de una fuente a otra; por ello el tipo de

tratamiento requerido para producir agua potable, también varia. Dependiendo de la

calidad de esta, el grado de complejidad del tratamiento es diferente. El diseño de una

planta de tratamiento eficiente y económica requiere un estudio basado en la calidad de

la fuente y en la selección apropiada de los procesos y operaciones de tratamiento más

adecuadas y económicos para producir agua de la calidad requerida (Romero, 1999).

III.3.1 Filtración

III.3.1.1 Generalidades

Es sabido que los recursos hídricos, tanto subterráneos como cuerpos superficiales,

presentan contaminantes que no permiten su uso directo para consumo humano.

La turbiedad, el fierro, el manganeso, el arsénico, el cadmio, el flúor, los sulfatos, el

amonio, los nitritos y nitratos son los principales contaminantes o parámetros que deben

corregirse con la filtración.

La humanidad buscó la manera de corregir algunos problemas del agua y es en

Escocia en 1804 donde se inventó el primer filtro. En 1829 la Compañía del Río

Támesis, en Londres emprendió la construcción de filtros lentos de arena y en 1892 se

demostró su eficiencia para el control biológico de la epidemia de cólera ocurrida en

Hamburgo.

En las plantas de purificación la filtración remueve el material suspendido (turbiedad)

compuesto de flóculos, suelos, metales oxidados y microorganismos que resisten a la

desinfección.

Cuando la filtración se usa en la potabilización se emplea con o sin pretratamiento de

coagulación y sedimentación para eliminar los sólidos presentes en las aguas y los

precipitados de tratamiento químico. (Ramalho, 1996).

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22


Definición: La filtración se define como la separación de partículas sólidas o semisólidas

que están suspendidas en un fluido (Mendez, 2002).

El filtro es un aparato que sirve para separar las partículas sólidas de un medio fluido

por intercepción y retención de las partículas sobre una superficie o en el seno de una

masa porosa a través de las cuales se hace circular el fluido.

En el diseño óptimo de un filtro debe considerarse (Rogola, 1999):

Tamaño del medio y la altura del lecho.

Velocidad de filtración.

Presión disponible.

El modo de filtrar.

III.3.1.2 Mecanismos de remoción

La filtración depende de una combinación compleja de mecanismos físicos y químicos;

en aguas de consumo, la adsorción juega el papel importante (AWWA,1984), ya que a

medida que el agua pasa a través del lecho del filtro las partículas suspendidas hacen

contactos y son adsorbidas sobre la superficie de los granos del medio o sobre

material previamente depositado.

Las fuerza que atraen y retienen las partículas sobre los granos son las mismas que en

la coagulación y floculación y por lo tanto es muy importante tener una buena

coagulación antes de la filtración.

III.3.1.3 Descripción de la filtración

La operación de la filtración supone dos etapas: filtración y lavado o regeneración.

El filtro rápido por gravedad es el más usado en tratamiento de aguas; el final de la

etapa de filtración se alcanza cuando los sólidos suspendidos (turbiedad) en el efluente

aumentan; cuando la pérdida de carga es alta que el filtro ya no produce agua a la tasa

deseada o cuando la filtración es de 36 horas o más.

Presentándose una de las condiciones anteriores se procede a lavar para remover el

material suspendido acumulado dentro del lecho filtrante y recuperar su capacidad

como tal. El método de retrolavado es invertir el flujo a través del filtro.

http://depa.pquim.unam.mx/~lume/procseparacion.html

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23


III.3.1.4 Sistemas de filtración

La clasificación de los sistemas de filtrado es de acuerdo a la dirección del flujo, el tipo

de lecho filtrante, la fuerza impulsora, la tasa de filtración y el método de control de la

tasa de filtración.

Dirección del flujo. Puede ser hacia ascendente o descendente.

Tipo de lecho filtrante: un solo medio arena o antracita, un medio dual, arena y

antracita, o un lecho mezclado: arena, antracita y granata o ilmenita.

Fuerza Impulsora: Esta es utilizada para vencer la resistencia y la friccion ofrecida por el

lecho filtrante, los filtros se clasifican como filtros de gravedad o de presión.

Método de Control.

La tasa de filtración se expresa asi (Clasby, 1977):

Tasa de filtración = (fuerza Impulsora / Resistencia del Filtro)

La fuerza impulsora representa la pérdida de presión en el filtro, la cual empuja el agua

a través del filtro. A medida que se efectúa la filtración los sólidos suspendidos

removidos se acumulan, lo que implica que la fuerza impulsora debe vencer la

resistencia ofrecida por el lecho taponado. Por tal para una tasa de filtración constante

la Filtración debe aumentar proporcionalmente a la resistencia del filtro.

III.3.1.5 Variables del proceso de filtración

III.3.1.5.1 Características del agua a filtrar

Las características principales son la concentración de sólidos en suspensión, el

tamaño y la distribución de tamaños de las partículas, así como la consistencia de los

flóculos. Las partículas se encuentran en dos intervalos de tamaño distintos:

pequeñas(1 y 15 micras de diámetro circular), grandes( 50 y 150 micras).

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III.3.1.5.2 Características del medio filtrante

El tamaño del grano afecta tanto a la pérdida de carga en la circulación del agua a

través del filtro como a la tasa de variación de dicho aumento durante el ciclo de

filtración. Si el tamaño es demasiado pequeño, la mayor parte de la fuerza actuante se

empleará para vencer la resistencia de fricción provocado por el lecho filtrante.

III.3.1.5.3 Velocidad de filtración

Las velocidades de filtración elevadas tenderán a romper los flóculos y a arrastrar gran

parte de los mismos a través del filtro. Se tiene un intervalo de 4.8 a 19.2 m3/m2h no

afecta la calidad del efluente del filtro.

III.3.1.6 Hidráulica de la filtración

Muchas son las ecuaciones utilizadas para determinar la pérdida de carga en el filtro

limpio; entre las más conocidas las de Carmen Kozeny, Fair y Hatch, Rose y Hazen.

El flujo de agua a través de un filtro, a las tasas empleadas en tratamiento de agua,

obedece a la ley de Darcy.

Por tanto la tasa de filtración es directamente proporcional a la cabeza o energía

disponible de filtración y a la permeabilidad del lecho e inversamente proporcional al

espesor del medio.

Según Rose citado por Romero (1999) estableció una ecuación para determinar

analíticamente la pérdida de carga por fricción a través de material granular, granos de

arena esféricos de tamaño uniforme. Teniendo aplicación en el cálculo de pérdida de

energía a través de un filtro limpio.

La ecuación de Rose es la Siguiente (Fair, 1954).

g

v

d

L

eCh D

2

4

1067.1 (3.1)

donde: h = es la pérdida de carga a través del lecho, m

CD = coeficiente de arrastre

e = es la porosidad del lecho

L = es la profundidad del lecho, m

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25


v = es la velocidad de filtración, m/s

d = es el diámetro característico de los granos, m

g = aceleración de la gravedad, m/s2

Esta es fácil de aplicarse si se supone un lecho de filtración de tamaño uniforme. Sin

embargo para lechos filtrantes estratificados como los filtros rápidos se remplaza el

termino del diámetro de los granos quedando (Fair, 1954).

34.0324

RERE

DNN

C (3.2)

vdvdNRE (3.3)

donde: = Densidad del agua, kg/m3

NRE = Número de Reynolds

= Viscosidad dinámica, Pa.s

= Viscosidad cinemática, m2/s

La ec. 3.1 es de fácil aplicación si se supone un lecho de filtración de tamaño uniforme.

Sin embargo para lechos filtrantes estratificados como los filtros rápidos se remplaza el

término del diámetro de los granos quedando (Fair, 1954).

Se tiene A = d2

V = d3

A

V

bd .

(3.4)

3/2

2

2

84.4d

d

A

Ao o

donde: A = Área superficial real del grano

= Factor de forma de área superficial

d = Diámetro medio del grano

V = Volumen real del grano

= Factor de forma de volumen

= Factor de esfericidad

Ao = Área superficial de la esfera de diámetro do

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26


Do = Diámetro del grano esférico de volumen equivalente

Para partículas esféricas de diámetro d:

dd

d

V

A 6

6

3

2

A

Vd

6;0,6

Remplazando en la Ec. 4.1

Vge

AvC

L

h D

4

2

178.0 (3.5)

Si todos los gramos del medio filtrante son de tamaño y forma uniforme el valor (A/V)

para un solo grano es el mismo que para el lecho total y se cumple la Ec. 3.4.

Si los granos varían en tamaño pueden estar empacados homogéneamente dentro del

lecho. Caso para lechos estratificados, filtros rápidos. Suponiendo que las partículas o

granos entre tamices adyacentes son de tamaño uniforme se puede encontrar el valor

de A/ V en términos de la componente o proporción en peso retenido entre tamices.

di

PiC

V

ADi

donde: Pi = Fracción en peso de partículas de tamaño di

di = (d1/d2)1/2, tamaño promedio geométrico de las aberturas de los tamices

adyacentes

CDi = Coeficientes de arrastre para los granos de tamaño promedio di.

Por tanto le Ecuación de Rose para filtros rápidos será:

i

iDi

d

PC

ge

v

L

h

.178.0

4

2

(3.6)

Para lechos empacados homogéneamente, caso de filtros lentos,

i

i

d

P

V

A

(3.7)

Por tanto para filtros lentos la ecuación es:

i

iD

d

P

ge

vC

L

h

.178.0

4

2

(3.8)

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27


III.3.1.7 Flujo a través de lechos expandidos

Una vez que el agua de lavado es admitida en el fondo del filtro, el lecho comienza a

expandirse y existe una pérdida de carga inicial. A medida que el lecho se expande, la

tasa de incremento de la pérdida de carga disminuye y cuando todo el lecho esta

fluidizado la pérdida de carga se vuelve constante (fuerza de lavado = fuerza de

gravedad).

Cuando el lecho de partículas de tamaño uniforme alcanza el punto de fluidización, el

peso efectivo de las partículas, o sea la fuerza gravitacional, está equilibrada por la

fuerza hacia arriba del agua; es decir:

Fuerza hacia arriba del agua = peso efectivo del medio

p.S = LS(1-e) (s-)g

h1 = L(1-e)

)( s

h1 = L(1-e)(Ss-1)

Donde: p= Caída de presión por fricción a través del lecho fluidizado, N/m2; S =

Sección transversal del lecho, m2; L = Profundidad del lecho, m; s=Densidad de las

partículas, kg/ m3; = Densidad del fluido, kg/ m3;e = porosidad del lecho fijo; Ss =

Densidad relativa de las partículas; g = Aceleración de la gravedad m/s2; H1= Pérdida

de carga por fricción a través del lecho fluidizado, m;

Teniendo en cuenta que la masa total de partículas permanece constante, tanto en el

lecho fijo como el expandido se puede encontrar entre las porosidades y las

profundidades del lecho fijo y las del expandido.

e

ee

eLL

1

1 (3.9)

donde: Le = profundidad del lecho expandido, m y ee = porosidad del lecho expandido.

Finalmente Fair y Geyer encontraron que la suspensión del medio granular del filtro.

22.0

s

be

v

ve (3.10)

Por lo tanto para la fluidización del lecho:

5.4evv sb (3.11)

Donde: vb = velocidad del agua de lavado, m/s; vs = velocidad de asentamiento de las

partículas del medio, m/s; e = porosidad del lecho filtrante.

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28


III.3.1.8 Filtración en medio granular

Dentro del estrato granular, la eliminación de los sólidos en suspensión contenidos en el

agua se realiza mediante un complejo proceso en el que intervienen uno o mas

mecanismos de separación como el tamizado, interceptación, impacto, sedimentación y

adsorción (Metcalf & Eddy, 1996).

La retención de partículas puede tener lugar sobre la capa más externa del medio

granular (arena, antracita) sobre el cual incide el agua o profundamente en el seno de la

masa porosa.

En instalaciones para grandes caudales el tratamiento del cuerpo de filtro suele ser de

hormigón y con forma de rectángulo que se adopta a la construcción de varias unidades

en paralelo de unos 100 m2 cada uno.

Para caudales menores de agua los filtro se construyen con cuerpos cilíndricos,

(Metcalf & Eddy, 1996) cerrados, bajo condiciones de presión conseguidas mediante

una bomba máxima admisible, la cual conduce a ciclos de filtración más largos y

menores necesidades de lavado.

La posición que se suelen emplear es vertical que permite 5 m2 unitarios. La horizontal

permite 30 m2 unitarios.

Finalmente aunque se utilizan velocidades de filtración elevada la mayor parte de los

sólidos se eliminan en las capas superiores (primeros 25 cm) del medio filtrante.

La presión menor que en la atmósfera se presenta cuando la pérdida de carga excede a

la columna de agua disponible. La presión favorece la formación de bolsas de aire

(liberación de gases disueltos en el agua) lo cual reduce el área efectiva de filtración y

por consiguiente se da la filtración (Martínez & Gonzáles, 2000).

III.3.1.9 Lavado de filtros

Según Romero, (1999) el lavado de filtros consiste en hacer pasar agua en sentido

contrario al funcionamiento del filtro a través del lecho filtrante, a una velocidad tal que

los granos del medio filtrante se muevan a través del flujo y se frotan unos contra otros

para limpiarse de los depósitos formados sobre ellos.

Si solamente hay una unidad, se debe disponer de un tanque de almacenamiento de

agua filtrante. Para lavar los filtros cuando la pérdida de carga es excesiva o la calidad

es deteriorada, se hace a atravesar una corriente de agua y aire en contracorriente.

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29


Cuando se dispone de filtros en paralelo el lavado de uno de ellos se puede realizar

forzando el caudal en el resto de los filtros.

Según Kawamura, (1975) a 20 °C para arena y antracita típica usadas para filtros, con

densidades 2.65 y 1.55 respectivamente se tiene.

Vb >5 mm/s;

Para arena vt = 10D60; (3.12)

Para antracita vt = 4.7 D60. (3.13)

Donde: Vt = velocidad de arrastre m/min; D60 = Producto del tamaño efectivo por el

coeficiente de uniformidad mm.

Kawamura prueba que la abrasión o fruto en un medio granular ocurre cuando la

velocidad de lavado es igual al 10 % de la velocidad de arrastre.

Vb = 0.1 vt = velocidad apropiada de lavado. (3.14)

Es decir que para el lavado de arena a 20 °C la velocidad apropiada es vb = D60 (3.15)

Producto del tamaño efectivo por el coeficiente de uniformidad o percentil –60 del

análisis granulométrico, mm. Para antracita vb= 0.47D60. (3.16)

Para una temperatura diferente a 20 °C se hace una corrección correspondiente.

La expansión del lecho durante el lavado es otro parámetro usado para medir su

efectividad. Baylis citado por Kawamura (1975) enfatiza una expansión del 50 % en la

arena. Otros autores 40 y 25 %.

III.3.1.9.1 Retrolavado con agua a contracorriente

El lavado con agua requiere de una dosificación muy exacta de agua para provocar la

fluidización (expansión) del medio filtrante no menos de 15 % con una duración de 3 a

15 min.

El coeficiente de expansión depende sobre todo del tamaño y el peso especifico de los

granos, y la viscosidad del agua.

La desventaja es que se utiliza un elevado consumo de agua y que produce una

concentración granulométrica ubicando los finos del material filtrante en la superficie,

esto es desfavorable en una filtración descendente(Metcalf & Eddy, 1996).

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30


III.3.1.9.2 Retrolavado con agua, combinada con lavado superficial

Este sistema cuenta con tuberías perforadas para distribuir el agua del lavado a presión

considerable uniformemente por toda el área del filtro, colocadas cerca de la superficie

del medio filtrante con la función de romper la capa superficial del material granular y

ayudar al desprendimiento de las partículas adheridas a los granos y facilitando el

transporte de las mismas provocadas por el agua de retrolavado.

Este proceso tiene dos fases: la primera es el lavado superficial ( 2 min. duración) y el

retrolavado con una intensidad de 1.2 –2.4 m3/m2.h para filtros de una capa filtrante y

3.6 – 4.8 m3/m2.h para filtros de dos capas filtrantes (Martínez y Gonzáles, 2000).

III.3.1.9.3 Retrolavado con agua y aire sucesivamente

Este lavado se aplica cuando la naturaleza del material filtrante no permite el lavado

combinado de agua y aire con agua simultáneamente, por riesgos de pérdida de

material filtrante en el proceso de lavado. Generalmente estos son los filtros de arena

con granulometría más fina o de material de baja densidad como antracita, carbón

activado. El lavado se lleva en dos fases; en la primera se aplica aire, para desprender

las partículas adheridas al medio filtrante; en la segunda se aplica solo agua, sin aire,

con alta intensidad, provocando la expansión del lecho filtrante y asegurar transporte y

evacuar las pérdidas desprendidas en la primera fase. Cuando los materiales

suspendidos son muy pesados y difícilmente removibles, se aplican lavados en

pulsaciones o varios lavados de aire y agua.

III.3.1.9.4 Retrolavado con agua y aire con agua simultáneamente

Este lavado permite la mejor eficiencia del proceso, el aire comprimido que se introduce

al principio del proceso de lavado, rompe la capa superficial del medio filtrante y no

permite la creación de bolas de lodos, de esta manera el filtro tiene una mayor

capacidad de retensión de material suspendido.

Las fases del lavado son tres: en la primera es solo aire y sin expansión de la capa

filtrante, la segunda es aire con agua simultáneamente y la tercera es agua pura.

Habiendo en estas dos últimas una expansión de 30 a 50%.

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31


Como puede verse los métodos tienen sus ventajas y desventajas pero el más

adecuado será aquel que seleccione el diseñador para el tratamiento de agua

especificada.

III.3.1.10 Número y tamaño de los filtros

Romero, (1999) indica que el número de filtros en plantas pequeñas es dos como

mínimo y una si no hay suficiente almacenamiento de agua tratada para el lavado del

filtro y durante la puesta fuera de servicio del filtro. En plantas grandes el número

mínimo de filtros es cuatro.

Morris y Wallace, en 1934, sugirieron la expresión siguiente para calcular el número de

filtros N:

QN 044.0 (3.17)

Donde: Q = Caudal de la planta en m3/d.

Cleasby demuestra que para un diseño de costos mínimo se debe satisfacer las

relaciones siguientes:

Para una sola fila de filtros sobre un costado de la galería:2

21

)1(

2

CN

NCNC

W

L

(3.18)

Para dos filas con una galería central: 2

21

)2(

4

CN

NCNC

W

L

(3.19)

Donde: L = Longitud óptima del filtro (perpendicular a la galería); W = Ancho óptimo del

filtro (paralelo a la galería); N = Número de filtros; C1 = Costos por unidad de la longitud

de galería de filtros: No se incluyen válvulas ni accesorios, puesto que no son función

de la longitud de la galería sino del número de filtros; C2 = Costos por unidad de longitud

de pared del filtro.

III.3.1.11 Selección del medio filtrante

Según Kawamura, la selección del medio filtrante es determinada por la durabilidad

requerida, el grado deseado de purificación, la duración de la carrera del filtro y la

facilidad deseable de su lavado.

El medio ideal debe poseer un material durable, capaz de retener un efluente

satisfactorio; debe ser de un material durable, capaz de retener la máxima cantidad de

sólidos y ofrecer facilidad para limpiar con una cantidad mínima de agua de lavado.

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32


Allen Hazen (1892) definió el tamaño efectivo, TE (usado para caracterizar medios

filtrantes) como el tamaño de partículas o del grano, en mm tal que un 10 % del material

en peso es más pequeño que dicho tamaño. En otras palabras el TE es el tamaño del

tamiz, en mm que permite el paso del 10 % del medio filtrante. De la misma manera

Hazen definió el Coeficiente de uniformidad (CU) como la relación del tamaño de

granos que tienen un 60 % mas fino que el mismo, al tamaño que tiene un 10 % mas

fino que el mismo. Es decir:

TE = d10

TE

d

d

dCU 60

10

60

pasa que 10% del particulas las de Tamaño

pasa que 60% del particulas las de Tamaño (3.20)

EL CU representa la pendiente promedio de la curva granulométrica, en la región

comprendida entre los tamaños correspondientes al 60 y 10 % que pasan. Entre más

bajo sea el valor, más uniforme será la gradación de la arena, consecuentemente, entre

más alto sea su valor, menos uniforme será la arena.

III.3.1.11.1 Materiales del medio filtrante

Arena

La arena es el medio filtrante mas usado, posiblemente por ser el más económico. La

arena para filtros debe tener una solubilidad en ácido clorhídrico al 40 %, en 24 hr,

menor del 5%; una densidad relativa mayor de 2.5 y debe ser limpia y bien gradada,

según la norma AWWA A B100-53.

Antracita

En ocasiones se usa carbón de antracita triturado en vez de arena como medio granular

filtrante. Según la AWWA, estándar B100-72, la antracita para filtros debe ser limpia,

dura, con una dureza mayor de 2.7 en la escala del 1 % y coeficiente de uniformidad

menor de 1.7.

En filtros de antracita se puede usar un lecho de 60 –70 cm con tamaño efectivo de

0.70 mm o mayor (Steel, 1979).

Arena- Antracita

Debido a la diferencia de densidades. Antracita 1.4 y arena 2.65, la antracita, de

tamaño apropiado según el tamaño de la arena, permanece encima de la arena durante

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33


el lavado y permite purificar aguas con turbiedad menores de 15 UTJ a tasas de

filtración de 240–300 m/d (Fischerstrom,1955 citado por Romero, 1999).

Teóricamente, el tamaño y el espesor libre de las partículas de un medio filtrante deben

variar uniformemente, entre grueso y fino, en la dirección del flujo, a través del filtro, con

el objeto de remover en la zona de medio grueso el material más fino.

Por tanto el espesor de la capa de arena suele oscilar entre 0.7 y 1 m y la talla efectiva

entre 0.8 y 1mm con un coeficiente de uniformidad entre 1.5 y 1.7. En el caso de lechos

bicapa, el espesor de arena es 1/3 del total y sobre ella una capa de antracita de 2/3 del

espesor total y talla efectiva entre 1.2 y 2.5mm.

III.3.1.12 Tipos de filtros

III.3.1.12.1 Filtros de grava

El tamaño y profundidad de la capa inferior de la grava depende del sistema de drenaje

usado; asimismo, el tamaño y la profundidad de la capa superior de grava dependen del

tamaño de la capa inferior de medio fino (arena o antracita) que soporte.

El lecho de grava ideal es uno en el cual ésta es casi esférica en forma y existe un

incremento uniforme en tamaño desde el techo hasta el fondo. La profundidad del lecho

de grava puede variar entre 15 y 60 cm. Piedras tan grandes como de 7.5 cm pueden

colocarse cerca de los drenajes del filtro pero se prefiere un tamaño máximo de 2.5 cm.

La capa del fondo debe extenderse por lo menos 10 cm sobre el punto de salida mas

alto del agua de lavado proveniente del sistema de drenaje. La grava debe ser dura y

de una densidad promedio no menor de 2.5.

III.3.1.12.2 Filtros de arena multicama o lecho profundo

A diferencia de los filtros convencionales que se tapan fácilmente o tienen una alta

caída de presión casi desde el comienzo del ciclo de filtración, los filtros multicama

llevan por lo menos cinco capas de mineral filtrante (arena silica o de mar) de diferente

densidad y granulometría que van reteniendo las partículas de mayor tamaño en las

capas superiores y las más pequeñas son detenidas en las siguientes capas.

Grados de filtración:

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De excelente calidad entre 10 y 15

De alta calidad entre 15 y 20

De calidad normal entre 20 y 30

Funcionamiento. El agua sin filtrar entra a la válvula y fluye en dirección de arriba

hacia abajo por el interior del tanque a través del material filtrante para después subir,

ya filtrada, por el tubo central y salir del equipo (ver figura 3.1).

El lavado es generalmente a contracorriente. El cambio del material filtrante es cada

tres años. Al pasar el agua por este proceso el agua no debe tener substancias a la

vista del ojo humano.

3.1.a: Filtración. 3.1.b: Retrolavado

Figura 3.1 Filtro de lecho profundo.

III.3.1.12.3 Filtros a presión

En los filtros a presión el agua entra y sale del filtro a una presión muy superior a la

atmósfera 0.4 al 0.6 Mpa, y la fuerza impulsora es la presión de bomba. Este tipo de

filtros consta de un tanque metálico herméticamente cerrado, que contiene un medio

granular.

La acción de filtros a presión es idéntica a los de gravedad, se emplean generalmente

en los sitios donde el espacio es limitado, tal como en fábricas, industriales. Se aplican

en la filtración de aguas floculadas, sin sedimentación previa (filtración directa), y

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también sin coagulación (filtración en línea) para turbiedad hasta 30 mg/l de sólidos

suspendidos.

Dependiendo de la posición del tanque de acero se distinguen dos tipos de filtro a

presión horizontal y vertical, con tasa de filtración entre 8 y 15 m3/m2.h, el lavado se

realiza solo con agua o con agua y aire.

La desventaja es que la arena puede incrustarse y formar bolas de lodo, sin que el

operador sé de cuenta.

III.3.1.12.4 Filtros de diatomea

Estos filtros son ampliamente usados en la industria cuando se necesita de un efluente

muy limpio sin el uso de reactivos y están basado en el principio de filtrar agua a través

de tubos o placas porosas, en lugar de lechos de arena, antracita u otros materiales. El

material se prepara en suspensión acuosa y se aplica previamente sobre el elemento

de soporte, fabricado de materiales anticorrosivos.

Este tipo de filtro tiene altas cualidades de adsorción, removiendo microorganismos de

1.60-6 fierro manganeso y materia orgánica. Las tasas de filtración que tienen es de 1 a

2 m3/m2.h. Los parámetros del agua cruda son de turbiedad hasta 40 mg/l. La duración

de la corrida de filtración es de 8 a 24 horas (para tasas de filtración de 1 a 3 m3/m2.h),

el lavado se realiza a contracorriente. Estos filtros requieren de esquemas de alta

presión y el costo del agua es alto.

IIIIII..44 TTrraattaammiieennttoo ppaarraa EElliimmiinnaarr oo RReemmoovveerr eell SSaabboorr yy OOlloorr

El Agua con mal sabor y olor debe tratarse a fin de hacerla apta y agradable para

beber, cocinar y asearse. Hay dos maneras principales de eliminar estos problemas una

de ellas es oxidar el agua, es decir, mezclarla con oxígeno o con sustancias oxidantes.

Actualmente los avances de la ciencia se han inclinado por eliminar estos problemas

del sabor y olor mediante la absorción de las sustancias que los provocan mediante el

carbón activado.

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III.4.1 Filtros de Carbón Activado

III.4.1.1 Definición

Carbón Activo es un tipo de carbón amorfo que se produce al calentar madera u otro

material orgánico en ausencia de aire. Su estructura es microporosa y ésta

característica lo hace absorber moléculas orgánicas tanto gaseosas como las disueltas

en los líquidos.

III.4.1.2 Generalidades

Desde tiempos remotos los Egipcios descubrieron que el carbón de madera podía

utilizarse para purificar otros productos e incluso para usarse con fines medicinales.

En el siglo XVIII, Sheele reconoce las propiedades de adsorción del carbón en

experimentos con gases. Hoy día está muy extendido su empleo, tanto para eliminar

contaminante del agua como del aire; en el agua se emplea cada vez más para eliminar

compuestos orgánicos que comunican color, olor y sabor desagradables. Las

propiedades de adsorción del carbón se deben a su elevada porosidad, que le

proporciona una gran superficie.

III.4.1.3 Descripción

Para comprender mejor la actividad del carbón activado es necesario realizar un

análisis de la adsorción. La adsorción es un proceso por el cual los átomos en la

superficie de un sólido, atraen y retienen moléculas de otros compuestos. Tales fuerzas

son conocidas como ― Fuerzas de Van Der Waals‖.

Las características fundamentales en las que se basan las aplicaciones del carbón

activo son:

La elevada Capacidad de eliminación de sustancias se debe a la alta superficie interna

que posee, donde la porosidad y la distribución del tamaño de poros tienen un papel

importante. Así los microporos (< 2 nm) le confiere una elevada superficie y capacidad

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de retensión, mientras los mesoporos (2 –50 nm) y microporos (>50nm) son necesarios

para retener moléculas de gran tamaño (colorantes o coloides).

Baja selectividad de retensión.

El carbón activo retendrá moléculas apolares de alto volumen molecular (hidrocarburos,

fenoles, colorantes.....), mientras que sustancias como el nitrógeno, oxígeno y agua no

se retienen a temperatura ambiente. Cuado la sustancia a eliminar tenga una polaridad

apreciable, bajo volumen molecular y esta muy diluida en aire la retensión puede ser a

temperatura ambiente, por el carbón solo si se impregna con reactivos específicos o se

aprovechan las propiedades catalíticas del carbón.

La selección de una adecuada retensión en columnas de carbón activo requiere de un

análisis de diversos factores, además de los económicos y ambientales como:

Calidad y Caudales del agua a tratar.

Vida útil de la planta.

Posibles cambios en los Usos finales de las Aguas tratadas.

Ciclos de regeneración del C.A.

Destrucción o recuperación de los contaminantes retenidos en las columnas de

carbón activo.

III.4.1.4 Producción de carbón activo

El proceso de elaboración de Carbón Activo se basa en un carbón a partir de materiales

tales como las cortezas de almendras, cáscaras de coco, nogales o palmeras, otras

maderas y carbón mineral. La obtención es calentando el material al rojo vivo para

expulsar hidrocarburos, pero sin aire suficiente para mantener la combustión (Metcalf &

Eddy, 1996).

Por ello el carbón activado es un material que se prepara en la industria para que tenga

una elevada superficie interna y así poder absorber (retener sobre su superficie) una

gran cantidad de compuestos, diversos tanto en fase gaseosa como en disolución

(Rodríguez y Reinoso, 1987).

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III.4.1.5 Proceso de activación

Para Clarimex, (2000) el proceso de activación consiste en reordenar los átomos de

carbono en anillos tipo benceno para lograr una estructura cristalina reticular similar a la

del grafito, en otras palabras la activación consiste en multiplicar la cantidad de poros

de un carbón dando como resultado una estructura extremadamente porosa de gran

área superficial (del orden de 1500 m2/g de carbón) disponible para llevar a cabo el

proceso de adsorción de impurezas que provocan olor, calor o sabor indeseable.

Los principales procesos de Activación son: Físico y Químico.

Proceso Físico. Consiste en Oxidar la materia prima a altas temperatura en presencia

de un agente oxidante usualmente vapor de agua. Debido a que la reacción es

endotérmica, por tal es necesario generar una temperatura constante dependiendo de

la materia prima esta es de 800 °C.

Proceso Químico. Esta se basa en la deshidratación de la materia prima, mediante

substancias químicas a una temperatura media (400 – 600°C), ésta depende de la

substancia química a utilizar para activar el carbón, generalmente son el ácido fosfórico,

el cloruro de zinc y el ácido sulfúrico.

Según Martínez y Gonzáles, (2000) La reactivación puede ser más de 30 veces sin

pérdida apreciable de poder de adsorción. Tal operación puede realizarse en hornos de

hogar múltiple o en hornos rotativos, donde los productos orgánicos se queman.

Si el agua a tratar por el carbón, contiene compuestos orgánicos metálicos de hierro,

magnesio, calcio, sodio o potasio, es conveniente que estos iones metálicos sean

eliminados del carbón con ClH, antes de proceder a la regeneración.

En el proceso de activación el carbón se puede separar o dividir en diferentes tamaños

con diferente capacidad de adsorción. Los dos tipos de clasificación son: C.A en polvo

(con diámetro < al tamiz 200), y granular (con diámetro > 0.1 mm). Tienen una

estructura formada por placas grafiticas (Metcalf & Eddy, 1996).

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Figura 3.2 Estructura del carbón activado en anillos tipo benceno.

En el proceso de activación el C.A granular pierde entre un 5 y un 10 % de su poder de

absorción, en tanto que quede agotada su capacidad deberá ser necesario

reemplazarlo por un carbón nuevo. En el caso del C.A en polvo no es necesario

regenerar el carbón consumido (Metcalf & Eddy, 1996).

El Carbón Granular suele emplear una columna como medio de contacto de agua,

mientras que el carbón en polvo se puede añadir al efluente de procesos de tratamiento

biológicos, directamente en las unidades de tratamiento o formando parte de los

diagramas de flujo del proceso fisicoquímico.

En el caso de la adición al efluente se añade a un tanque de contacto. Al finalizar el

tiempo deseado de contacto se deja que el carbón sedimente en el fondo del tanque

para sacar el agua tratada. Como el polvo es muy fino se recomienda un coagulante

(poli electrolito).

Cuando la eficiencia del CAG ha disminuido el tiempo para la remoción del color excede

unas dos horas del promedio de las semanas anteriores se debe cambiar.

El tamaño apropiado de los gránulos es como mínimo de unos 4 mm de diámetro.

Teniendo la presentación en forma de sacos cilíndricos formados a partir de polvo de

carbón que se moldea a presión y otros de forma irregular. Es a sí como la naturaleza

del carbón se tiene CAG en lignita (mejor adsorción), turba, Carbón bituminoso,

Cáscara de Coco, Maderas duras. Todas eliminan sustancias orgánicas coloreadas, la

única diferencia es la eficiencia de realizarlo (Salas y García, 1997-2002).

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III.4.1.6 Perspectivas en desarrollo para la adsorción - regeneración

del carbón activado

III.4.1.6.1 Oxidación catalítica

El carbón activado se modifica con óxidos de metales activos catalíticamente. La

temperatura del aire caliente está entre 240-300ºC, que es relativamente baja y permite

llevar a cabo la regeneración. Esperando un gran número de ciclos de adsorción-

regeneración sin pérdidas de capacidad. Sin embargo disminuye el área superficial del

carbón activado debido a la impregnación con óxidos y se puede producir dilución de

metales y presencia de éstos en los efluentes (Matatov-Meytal y Sheintuch, 1997).

III.4.1.6.2 Utilización de microondas

Se estudia la posibilidad de utilizar radiación microondas en el proceso térmico(físico),

se irradia la muestra en un horno microondas doméstico. Este método permitiría la

regeneración del carbón activado en polvo y daría ciclos más rápidos de adsorción-

regeneración (Fang y Lai, 1996).

III.4.1.7 Consideraciones al aplicar el carbón activo en el tratamiento

del agua

La efectividad de un carbón activo en cuanto a la adsorción de sustancias

contaminantes, depende de varios factores:

1) Solubilidad del contaminante en el agua: En general cuanto más soluble es en el

agua, presenta más dificultad de ser adsorbido por el carbón.

2) Polaridad del contaminante: Las moléculas con menor o nula polaridad son mejor

adsorbidas.

3) Tamaño de las moléculas del contaminante: El tamaño de la molécula contaminante

debe ser algo más pequeño que la dimensión de los poros del carbón. Las moléculas

mayores también son adsorbidas pero provocan rápidamente la inactivación del carbón

al disminuir la superficie útil de adsorción. Se suele establecer que el tamaño de los

poros debe ser del orden de 1 a 5 veces el diámetro de las moléculas a retener.

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Las moléculas orgánicas ramificadas son mejor adsorbidas que las lineales, también las

moléculas orgánicas con átomos de cloro, bromo o yodo son generalmente adsorbidas

con más intensidad.

4) pH: El grado de adsorción de sustancias orgánicas se incrementa en general al

disminuir el pH del agua. A pH = 9 el grado de adsorción es relativamente bajo.

A la hora de elegir un carbón activo, se deben tener en cuentas las propiedades

además de la intensidad y capacidad de adsorción, como son la dureza, permeabilidad,

densidad y solubilidad.

La eficacia para eliminar sustancias orgánicas con bajo peso molecular (< de 2 átomos

de carbono) es menor que en el caso de sustancias con mayores pesos moleculares,

este hecho ha de tenerse en cuenta al emplear la ozonización conjuntamente con el

carbón activo. El ozono al oxidar a determinados compuestos orgánicos y romper sus

cadenas, aumentará el número de compuestos con menores pesos moleculares, más

difíciles de ser adsorbidos por el carbón.

Las sustancias o moléculas que originan olores y sabores en el agua, suelen ser

moléculas pequeñas fácilmente adsorbibles por el carbón activo con porosidad tipo

microporos, mientras que para la adsorción de moléculas mayores, ejemplo los ácidos

húmicos y fúlvicos, precursores de trihalometanos, es más adecuado el carbón con

poros de mayor tamaño o macroporos. El carbón activo es también empleado como

medio para minimizar la formación de subproductos de la desinfección.

El carbón en polvo se debe aplicar después de la coagulación y formarse el flóculo, es

decir, antes de la sedimentación y filtración, tratando así de evitar la película o capa que

el coagulante empleado podría llegar a rodear a las partículas de carbón, impidiendo o

dificultando la adsorción. En el caso de empleo de filtros de carbón, esta fase del

proceso debe tener lugar después de la filtración por arena y antes de la desinfección

final del agua.

III.4.1.8 Proceso de adsorción

La adsorción se tiene lugar en tres etapas (Metcalf & Eddy, 1996):

Macrotransporte. Esta engloba el movimiento por advección y difusión de la materia

orgánica a través del líquido hasta alcanzar la interfase liquido - sólido.

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Microtransporte. Hace referencia a la difusión del material orgánico a través del

sistema de macroporos del CAG hasta alcanzar las zonas de adsorción que se hallan

en los microporos y submicroporos de los gránulos del CA.

Sorcion. Mecanismo por el cual la materia orgánica se adhiere al CAG. El equilibrio se

alcanza cuando se iguala la tasa de sorción y desorción, momento en que se agota la

capacidad del Carbón. La capacidad teórica de adsorción de un contaminante por

medio del CA se puede calcular con su isoterma de adsorción.

Las formulas más empleadas para el tratamiento de los datos experimentales de las

isotermas es la desarrollada por Freundlich, para describir características de adsorción

del CA.

Isoterma de Freundlich. Derivada a partir de consideraciones empíricas.

n

ef CKm

x /1 (3.21.)

Donde:

X/m = Cantidad de adsorbida por peso unitario de adsorbente (carbón).

Ce = concentración de equilibrio del adsorbato en solución después de la

adsorción.

Kf, n = constantes empíricas.

Las constantes de las isotermas de Freundlich se determinan representando

gráficamente la relación entre (x/m) y C, empleando la ecuación 3.21 rescrita de la

forma:

ef Cn

Km

xlog

1loglog

La zona donde se produce la sorción recibe el nombre de Zona de transferencia de

masa (ZTM). Una vez que el agua contaminada haya circulado a través de una región

del lecho del carbón cuya profundidad sea igual a la ZTM, la concentración del

contamínante en el agua se habrá reducido a su valor mínimo. En tal la adsorción no se

continuará produciendo por debajo de este nivel. Conforme se vallan saturando los

estratos superiores el carbón granulado, la ZTM se irá desplazando hacia abajo hasta

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producirse el agotamiento. Pero para que la ZTM se desarrolle por completo dentro del

lecho es necesario que transcurra un cierto tiempo mínimo de contacto sin lecho.

El grosor de la ZTM varia en función del caudal que circula por la columna.

La capacidad de adsorción del carbono se puede determinar a partir de los datos de las

isotermas, representando los datos en una gráfica. La capacidad de adsorción del

carbón se obtiene prolongando las isotermas hasta la intersección con una línea vertical

trazada por el punto correspondiente a la concentración inicial Co. Entonces el valor de

(x/m) Co se lee en el eje de las abcisas del grafico, este valor representa la cantidad de

materia adsorbida por unidad de peso de carbón activado una vez alcanzado el punto

de equilibrio.

Figura 3.3 Isotermas de Freundlich. Fuente: http://www.activatedcarbon.com.mx

La capacidad de adsorción de agotamiento de una columna de contacto de CAG a

escala real, (x/m), es un % de la capacidad teórica de adsorción obtenida a partir de la

isoterma. Pudiendo asumir un valor de la capacidad de adsorción de agotamiento entre

el 25 y 50 % de la capacidad de adsorción teórica (x/m)o. Una vez determinado el valor

de (x/m)r, el tiempo de agotamiento se puede determinar con la ecuación siguiente:

c

rri

c

r

r M

tCCQ

M

X

m

x

2 (3.22)

Donde (x/m)r = capacidad de adsorción real, g/g.

Xb = masa de material orgánico adsorbido en la columna de CAG al

producirse el fenómeno de agotamiento.

Mc = masa de carbón contenido en la columna, g.

Ci = concentración de materia orgánica al producirse el agotamiento, mg/l.

tr = tiempo hasta el agotamiento, d.

http://www.activatedcarbon.com.mx/

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La ecuación 3.23 se basa en la consideración de que Ci se mantiene constante, y en

que la concentración del efluente varía linealmente entre 0 y Cb, despejando la

ecuación, el tiempo hasta el agotamiento se puede expresar como:

)]2/([

)/(

bi

cbb

CCQ

Mmxt

(3.23)

La aplicación de esta ecuación es en el diseño de una columna de carbón activado.

Con el fenómeno de agotamiento en la practica habitual consiste en utilizar dos

columnas conectadas en serie e invertir su posición relativa al llegar a su agotamiento,

o bien utilizar múltiples columnas conectadas en paralelo de tal modo que el

agotamiento de una columna no afecte la calidad del efluente.

III.4.1.9 Filtros de carbón activado granular

El empleo de lechos de carbón se está extendiendo cada vez más en el tratamiento del

agua potable, a veces sustituyendo en los filtros convencionales de arena, este material

por carbón, como solución más económica, aunque no la más recomendable, lo

aconsejable es colocar los filtros de carbón tras la filtración por lechos de arena.

El tiempo de contacto generalmente aceptable en los filtros de carbón es del orden de 5

a 10 minutos para un espesor del lecho de 1 metro y una velocidad superficial

generalmente algo mayor a los 12 m/h. El tamaño de los granos oscila entre 0.55 a 1.35

mm. En cuanto al lavado a contracorriente de estos lechos, hay que preveer un

resguardo suficiente de cara a la expansión que suele variar entre el 20% y el 40% del

espesor inicial.

En la adsorción de sustancias orgánicas por el carbón puede darse el fenómeno de la

desorción, que es el desprendimiento de la sustancia que había sido adherida al

carbón, por otras moléculas con algún grupo funcional que se adhiere más

estrechamente al carbón. Finalmente, hay que considerar que en los lechos de carbón

activo pueden quedar atrapados diversos microorganismos.

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Están diseñados para la filtración de líquidos, adsorbiendo la materia orgánica, que es

la causante del olor, color o sabor en el agua. También ayudan a retener acidez,

alcalinidad e hidrocarburos (Acosta, 2000).

Según Instapura, (2000) las sustancias orgánicas que pueden pasar más

frecuentemente a través de un lecho de CA, son moléculas orgánicas hidrófilas, como

los carbohidratos y algunas otras sustancias muy oxigenadas.

Estos filtros además se utilizan para reducir efectivamente el sabor y el olor que

produce el cloro en el agua. El agua entra por la parte superior del filtro pasa por toda la

cama del carbón activado granular, logrando así un máximo tiempo de contacto y en

consecuencia una adsorción excelente.

Beneficios:

Altos flujos

Larga vida: no se corroen.

Mayor cantidad de agua filtrada entre retrolavados.

Menor desperdicio de agua en retrolavados.

Tanques de menor diámetro.

III.4.1.10 Ventajas y desventajas de carbón activo en polvo y en lechos

filtrantes en grano

Empleando carbón en polvo se puede escoger la calidad y tipo de éste, así como la

dosis a emplear según el contaminante a eliminar, es decir su empleo ofrece gran

flexibilidad y disponibilidad mientras que el empleo del carbón granular a través de

filtración, requiere estructuras más complejas y de mayor costo inicial de instalación, así

como la necesidad periódica de regeneración del carbón activo, una vez agotada su

capacidad de adsorción.

Para un empleo discontínuo, se utiliza generalmente el carbón en polvo.

Los principales inconvenientes del carbón en polvo, es que su dosis depende de la

concentración de equilibrio del contaminante residual en el agua, es decir depende de

la pendiente de la isoterma y del porcentaje de eliminación que se desea conseguir del

contaminante. Si se quiere eliminar porcentajes entre el 80 y 98 % del contaminante

inicial, es más aconsejable el empleo de carbón en grano en filtros, sin olvidar que en el

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caso de los filtros de carbón, la mayor eliminación, puede suponer un alargamiento del

frente de adsorción dentro del lecho filtrante.

El carbón en granos en lechos filtrantes se ve más afectado por la variaciones en la

concentración de los contaminantes. En estos filtros de carbón unos contaminantes

pueden fijarse en mayores cantidades que otros y por otra parte algunos contaminantes

pueden desplazar a otros ya adsorbidos (desorción).

En los lechos de carbón activo de los filtros puede tener lugar la proliferación de

determinados microorganismos.

La filtración por carbón activo requiere instalaciones con estructuras más complejas y

de mayor costo inicial.

Una de las grandes ventajas del carbón activo es la no-pérdida o eliminación del

producto, al poder regenerarse.

III.4.1.11 Perspectivas en desarrollo para el carbón activo

En los últimos años se han buscado otras formas de empleo del carbón activado que

permitan reducir el costo del tratamiento.

III.4.1.11.1 Las fibras de carbón activado

Estas se obtienen mediante pirólisis de fibras de materiales poliméricos como el

poliacrilonitrilo, celulosa, resinas fenólicas y apartir de residuos pesados del petróleo.

Las fibras se disponen en forma de tejido antes del proceso de activación. Teniendo

una elevada velocidad de adsorción, superior a la del CAG, y además, la disposición de

sus macroporos en la superficie de la fibra permite una menor resistencia a la

transferencia externa (Brasquet y Cloirec, 1997).

III.4.1.11.2 Las membranas de carbón activado

Se obtienen a partir de películas de polímeros como polivinilalcoholes y el policloruro de

vinilideno, soportadas sobre materiales cerámicos. La ventaja es que solo en una etapa

se realiza la adsorción del contaminante y la filtración del efluente (Sakada y col., 1996).

la desventaja es que solo esta en fase experimental.

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III.4.1.12 Principales usos del carbón activo

Los usos más destacados por su especificidad, o por lo extendido en el área del

tratamiento de agua (García, 1988).

Separación para agua potable, de contaminantes orgánicos, biológicos, eliminando

las propiedades organolépticas molestas, color, olor, sabor.

En abastecimientos de aguas subterráneas, a veces se presenta una contaminación

especial debido a aceites minerales.

Filtración de los lodos producidos como consecuencia de los procedimientos de

separación de hierro y Manganeso por medio de la adición de agentes oxidantes.

Tratamientos de acabados posterior a la cloración de aguas potables.

III.4.1.12.1 Potabilización

Económicamente su mayor aplicación se encuentra en la potabilización de aguas

superficiales, tanto tomadas directamente de los causes y mejor las extraídas del área

sumergida de los causes. Actualmente empleado en las plantas purificadoras de

cervecerías, de gaseosas, bebidas espumosas no alcohólicas, así como en los cafés y

restaurantes.

Una de las principales acciones del CA en agua que contiene cloro es su facultad

catalítica de transformar el cloro libre en Cl- ya que no es adsorbido por el, sino que lo

transforma en cloro combinado (cloruros). Esta actividad se aprovecha para permitir la

supercoloración (destrucción de gérmenes y descomposición de materia orgánica por

medio de oxidación) de las aguas sin que esta afecte al consumidor.

III.4.1.13 Capacidad de retención de cloro

Según Unitek, (1986) una forma confiable y efectiva de eliminar los microorganismos

que pudieran estar presentes en el agua es adicionar suficiente cloro, como para

asegurar que un nivel adecuado de cloro libre permanezca en el agua después de 2

horas de contacto.

Durante este proceso, el exceso de cloro libre es removido mediante una reducción y

una acción catalítica del carbón, que ocurre sobre su superficie, y en el interior de los

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macroporos. Simultaneamente durante el pasaje del agua por el lecho de carbón se

producirá también la remoción de sabores y olores desagradables, y de los THM.

En la filtración recién mencionada se producen trazas de ácido clorhídrico, que es

rápidamente neutralizado por los bicarbonatos presentes en el agua.

Para las plantas embotelladoras significa que en el agua tratada, luego de la

desinfección (es decir del agregado de cloro), se conservará cloro en exceso que debe

ser removido mediante una circulación de arriba hacia abajo a través de un lecho de

carbón activado granulado (CAG). La cantidad de cloro libre presente es, para la

generalidad de la industria, de 2 a 6 ppm.

III.4.1.14 Concentración de cloro

El cloro "ataca" lentamente partículas de carbón en cantidades típicas para agua

potable con una concentración de 1 a 2 ppm; pero si se usan concentraciones muy altas

mayores de 10 ppm de cloro, este efecto de arranque se magnifica, y la cantidad de

carbón liberado del lecho le impartirá un color gris al agua de salida. A su vez, las

partículas se hacen tan pequeñas que el filtro no puede retenerlas generándose un

problema de finos en el agua a tratar.

III.4.1.15 Sanitización de los lechos de carbón

El acto de eliminar el cloro convierte al agua en susceptible a la invasión de

microorganismos. Así como las capas superiores del lecho eliminan el cloro del agua,

las capas más bajas mayormente ricas en nutrientes y no expuestas al cloro son

portadoras de proliferación orgánica. El control efectivo de la proliferación de

microorganismos en los lechos de carbón es, por otra parte difícil y costoso.

El vaporizado del lecho de carbón es considerado generalmente como el mejor método

de sanitizarlo. Obviamente, la carcaza que contienen el carbón debe ser capaz de

soportar el vapor. Son aconsejables las cañerías de acero inoxidable o bien de bronce o

cobre pero no de PVC.

Los tratamientos con enjuagues cáusticos sirven para sanitizar los lechos de carbón por

su alto pH. Sin embargo, el material cáustico puede requerir 24 horas y más para ser

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eliminado por enjuague con agua, particularmente si el agua es fría. Los residuos

cáusticos pueden tener efectos nocivos en los filtros de la ósmosis inversa.

Si el agua al introducirse en el nuevo lecho (seco) es tratada primero con UV antes de

encontrarse con el carbón, esto serviría para prolongar su estado libre de microbios

vegetativos y de microorganismos heterotróficos tales como pseudomonas.

En casos donde una contaminación resultaría crítica, el lecho de carbón debe estar bajo

constante recirculación para evitar crecimiento orgánico. La velocidad de circulación

puede ser lenta, del orden de 2600 lt/h.m2. Una bomba de baja potencia puede estar

dedicada a la recirculación a través de una luz ultravioleta, constituyéndose esto en el

esquema más conveniente.

III.4.1.16 Extracción de carbón activo

Se está desarrollando la extracción con fluidos supercríticos (SFE), preferentemente

dióxido de carbono (Tc=31,1 ºC), debido a las excelentes propiedades de solubilidad y

difusividad. En esta técnica no hay residuos de disolvente ya que se puede recuperar y

se observa que no disminuye la capacidad de adsorción del carbón activado. Este

proceso tiene ciertas desventajas, como que el contaminante sólo es concentrado, se

necesita una elevada presión y el costo es elevado (Tomasko y col., 1993).

Una aplicación de la oxidación húmeda es la regeneración de carbón activado saturado.

Esta técnica regenera el carbón y simultáneamente destruye los contaminantes

adsorbidos. Para la regeneración por oxidación húmeda el lodo de carbón activado (5-

10% sólidos) es sometido a oxidación húmeda con aire, a una temperatura entre 200-

240ºC. Las ventajas de este tratamiento son que supone la regeneración directa del

lodo sin pérdidas de agua, no hay emisiones de partículas, las pérdidas de carbón

activado son inferiores al 7%, puede ser autosostenida y su costo es relativamente

inferior a la regeneración térmica (Mishra y col., 1995).

Tesis Profesional

50


IIIIII..55 TTrraattaammiieennttoo ppaarraa eell AAbbllaannddaammiieennttoo ddeell AAgguuaa

El método más comúnmente usado para suavizar el agua es a base de filtros de

zeolita. Consiste en un tanque o deposito cerrado, del tamaño de un tanque de

gas doméstico, lleno de zeolita o resinas catiónicas.

III.5.1 Intercambio Iónico

III.5.1.1 Aspectos generales

El intercambio iónico es un fenómeno muy frecuente en la naturaleza. Las arcillas,

coloide y humus vegetales del suelo, tienen la propiedad de intercambiar, algunos de

sus cationes transportados por las corrientes de agua (calcio y magnesio); así la

nutrición de la litósfera en lo relativo a sales minerales, depende de las propiedades

químicas del suelo especialmente de sus cationes intercambiables y de la capacidad

de intercambio del mismo.

En los suministros de agua natural contienen sales disueltas, las cuales se disocian en

el agua para formar partículas con carga, conocidas como iones. Estos iones están

presentes por lo general en concentraciones relativamente bajas, y permiten que el

agua conduzca electricidad. Algunas veces se conocen como electrolitos. Los iones

comunes que se encuentran en la mayoría de las aguas incluyen los cationes de carga

positiva; calcio y magnesio cationes que generan dureza, los cuales hacen que el agua

sea ―dura‖ (sodio y potasio). Los aniones de carga negativa incluyen alcalinidad, sulfato,

cloruro, y silicio.

III.5.1.2 Definición

El Intercambio iónico es una reacción química reversible de un Ion de una dilución es

intercambiador por un Ion similarmente cargado, adheridos a una partícula sólida

inmóvil. Esos Iones sólidos intercambiables son obtenidos naturalmente o producidos

sintéticamente (Creremisinoff, 1995).

El intercambio ionico es un proceso de adsorción que emplea el intercambio reversible

de iones entre un medio intercambiador de iones y una solución (Gray, 1999).

Tesis Profesional

51


Según Ramahlo, (1996). El Intercambio iónico es un proceso en que los iones que se

mantienen unidos a grupos funcionales sobre la superficie de un sólido por fuerzas

electrostáticas se intercambian por iones de una especie diferente en disolución.

III.5.1.3 Principios de funcionamiento

El intercambio iónico es un fenómeno dinámico, corresponde al proceso de sorción lo

que implica el contacto que se establece entre una fase fluida con una fase

macromolecular, generalmente en forma de gel que contienen grupos ionizables y

constituyen un gran Ion insoluble, asociado a iones móviles de carga opuesta. A lo

largo de la reacción la estructura física del cambiador mantiene la propiedad de tomar

y almacenar en forma selectiva una o más especies de soluto contenidos originalmente

en el fluido.

Es una red macromolecular mineral u orgánica portadora de cargas eléctricas que

retienen a sus alrededor, por simple atracción electrostática, las cargas del signo

contrario; estas cargas constituyen los iones móviles o contraiones susceptibles de

cambio y capaces de pasar a una disolución.

El proceso de intercambio iónico para remoción de compuestos inorgánicos consiste

en el paso sucesivo del agua sobre un sólido intercambiados de cationes y un sólido

intercambiador de aniones, los cuales reemplazan los cationes y aniones por iones

hidrógeno y iones hidróxido, respectivamente (Staniey, 1994).

Este método se usa principalmente para eliminar la dureza del agua. Este método de

tratamiento consiste en la remoción de los iones indeseables que existan en el agua,

transfiriéndolos a un material sólido llamado intercambiador. Cuando este llega a su

capacidad máxima se requiere un retrolavado, regeneración, enjuagado y servicio.

Los intercambiadores de iones suelen ser del tipo columna con flujo descendente. El

agua entra por la parte superior de la columna sometida a una cierta presión, circula en

el sentido descendente a través del lecho de resina, y se extrae por la parte inferior.

Cuando se agota la capacidad de la resina, la columna se somete a un ciclo de lavado

a contracorriente para eliminar los sólidos atrapados y proceder a la posterior

regeneración. La resina de intercambio catiónico se regenera con un ácido fuerte,

como el ácido sulfúrico o el hidroclórico. El regenerador de resinas aniónicas más

comúnmente empleado es el hidróxido de sodio (Gray,1999).

Tesis Profesional

52


Las elevadas concentraciones de sólidos en suspensión en el agua que entra en las

unidades de proceso pueden taponar los lechos de intercambio iónico, provocando

grandes pérdidas de carga y rendimientos ineficaces (Eddy y Metcalf, 1996).

III.5.1.4 Dureza

Como aguas duras se consideran aquellas que requieren cantidades considerables de

jabón para producir espuma y producen incrustaciones en las tuberías de agua caliente.

En términos de dureza (en mg/l como CaCO3)las aguas pueden clasificarse así

(Sawyer, 1967):

0-75 mg/l Blanda

75 – 150 mg/l Moderadamente dura

150 – 300 mg/l Dura

>300 mg/l Muy dura.

Causas de la Dureza. Se considera que es causada por iones metálicos divalentes

capaces de reaccionar con el jabón para formar precipitados y con ciertos aniones

presentes en el agua para formar incrustaciones.

Los principales cationes que causan dureza en el agua y los principales aniones

asociados con ellos son los siguientes:

Cationes: Ca+, Mg++, Sr++, Fe++, Mn++

Aniones: HCO-3, SO=

4, Cl-, NO-3, SiO=

3

En menor grado Al+++ y Fe+++ son considerados como iones causantes de dureza. En

general, la dureza es igual a la concentración de cationes polivalentes del agua.

Desde el punto de vista sanitario las aguas duras son tan satisfactorias para el

consumo humano como las aguas blandas. La desventaja que se tiene es que

depositan incrustaciones sobre las superficies en las cuales entra en contacto y en los

recipientes.

En la mayoría de las aguas se considera que la dureza total es aproximadamente igual

a la dureza producida por los iones calcio y magnesio, es decir:

Dureza total = dureza por Ca + dureza por Mg.

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53


La distinción es importante para el cálculo de la dosis de cal y soda Ash usada en la

precipitación de la dureza con estos materiales. Cuando la alcalinidad es mayor o igual

a la dureza total, entonces,

Dureza carbonatada (mg/L) = dureza total (mg/l).

Esta desaparece cuando se hierve el agua. Esto se produce porque los bicarbonatos

sirven como fuente de iones carbonato para precipitar C++ como CaCO3 a temperaturas

elevadas, la cual sucede en calderas.

Ca++ + 2HCO-3 CaCO3 + CO2 + H2O

El cálculo de la dureza causada por cada Ion se efectúa usando la fórmula siguiente:

Dureza en mg / L como CaCO3 = M++ (mg / L)X 50 / Masa eq. De M++

En que M++ representa cualquier ion metálico divalente causante de dureza.

Según Sawyer, (1967) se requieren aproximadamente 3 mg de NaCl para desplazar

cada mg, de dureza removida. De acuerdo con Hammer (1977) las características de

operación de una resina de Intercambio Iónico de poliestireno son: capacidad operativa

de intercambio 45-80 g/l, tasa de flujo 120-350 m3/m2d, tasa de regeneración 300-350

m3/m2d y tiempo de contacto con la salmuera 25 – 45 min.

III.5.1.5 Materiales de intercambio

La mayor parte de los materiales de esferas de intercambio iónico se fabrican usando

un proceso de polimerización de suspensión, que utiliza estireno y divinilbenceno

(DVB). El estireno y el DVB, ambos líquidos en un principio, se colocan en un reactor

químico con más o menos la misma cantidad. Así mismo está presente un agitador para

mantener todo disperso (Avilla, 2002). Estas resinas son polímeros insolubles a los que

se le añaden grupos básicos mediante reacciones químicas (Ramahlo, 1996).

La mayoría de los materiales para el intercambio se basan en resinas sintéticas

(poliestireno copolimerizado con DVB), ya que cuando se usaban los cambiadores

naturales su capacidad de cambio era débil (Martínez y Gonzáles, 2000).

En el tratamiento de intercambio iónico no se producen lodos, sin embargo al

regenerarlas se genera un desecho concentrado del contaminante original.

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54


III.5.1.5.1 Zeolitas

Las zeolitas son una familia de minerales aluminosilicatos hidratados altamente

cristalinos, que al deshidratarse desarrollan, en el cristal ideal, una estructura porosa

con diámetros de poro mínimos de 3 a 10 angstroms.

Su estructura forma cavidades ocupadas por iones grandes y moléculas de agua con

gran libertad de movimiento que permiten el cambio iónico y la deshidratación

reversible.

Las zeolitas están compuestas por aluminio, silicio, sodio, hidrógeno, y oxígeno. La

estructura cristalina está basada en las tres direcciones de la red con SiO4 en forma

tetraédrica con sus cuatro oxígenos compartidos con los tetraedros adyacentes.

Según Breck (1974) citado por Servin (2000) las zeolitas son caracterizadas por las

siguientes propiedades:

1. Alto grado de hidratación.

2. Baja densidad y un gran volumen de vacíos cuando es deshidratado.

3. La estabilidad de su estructura cristalina cuando se deshidrata.

4. Las propiedades de intercambio del catión.

5. Presenta canales moleculares uniformes clasificados en los cristales

deshidratados.

6. Por su habilidad de absorber gases y vapores.

7. Por sus propiedades catalíticas.

Una alta capacidad de intercambio iónico corresponde a zeolitas con baja relación

SiO2/Al2O3 (Zsostack, 1989).

Las zeolitas pueden ser sintéticas y naturales (ceniza volcánica, arcilla, feldespato,

sílice biogénico y formas de cuarzo).

Cuando se usan para el ablandamiento del agua, las zeolitas naturales intercambian

sus iones de sodio por los iones de calcio y magnesio en el agua, lo que permite la

eliminación total de la dureza. Esto es, si se representa una zeolita por Na2X.

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NaXMg

CaareXNa

Mg

Ca2)sin(2

El agua así obtenida tiene un alto contenido de sodio, que no es probable que cause

problema, a no ser que el agua fuera originalmente muy dura.

III.5.1.6 Intercambio y regeneración

Cuando se han intercambiado todos los iones de sodio en la estructura, ya no hay

remoción de dureza. La regeneración se logra con el uso de una solución de sal que

suministre una alta concentración de iones de sodio para invertir la reacción de

intercambio.

222 ClMg

CaXNaNaClX

Mg

Ca

Con lo que se libera la dureza como una corriente concentrada de cloruro. Una zeolita

de ciclo de sodio natural tendrá una capacidad de intercambio de 200 equivalentes

gramo/m3 con un requerimiento de material regenerante de 5 equivalentes/equivalente

intercambiado.

También se dispone de intercambiadores de cation de ciclo de hidrógeno obtenidos de

compuestos carbonosos naturales o sintéticos con los que se produce agua de dureza

cero. Para tal fin intercambian todos los cationes por iones de hidrógeno de modo que

la corriente del producto es ácida y su uso principal es como la primera etapa de las

operaciones de desmineralización.

Na

Mg

Ca

ZH

Na

Mg

Ca

22

2

La regeneración es por tratamiento ácido:

Na

Mg

Ca

ZHHZ

Na

Mg

Ca

2

2

2

2

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Las características comunes de rendimiento para un intercambiador de ciclo de

hidrógeno son 100 equivalentes gramo/m3 de capacidad de intercambio y un

requerimiento de material regenerante de cerca de 3 equivalentes/equivalente

intercambiado. Los intercambiadores de iones que normalmente son derivados

sintéticos del amoniaco, aceptarán el agua producto de un intercambiador del ciclo del

hidrógeno y producirán agua desmineralizada para laboratorio y otros usos especiales.

De manera general, la regeneración de los aniones se realiza con sosa diluida, con

agua descationizada para evitar la precipitación de carbonatos o hidróxidos. La

regeneración de las resinas catiónicas se realiza con ácido clorhídrico o con el ácido

sulfúrico.

Las etapas del proceso de permutación ióica son:

1. Intercambio o ablandamiento.

2. Retrolavado a contracorriente, se realiza provocando la expansión del

lecho para dejar sueltas las partículas de resinas y asegurar su limpieza.

Las velocidades de paso del agua de lavado son de 6 a 8 m/hr para las

resinas aniónicas y de 10 a 18 m/hr para las cationicas. La duración es de

10 a 15 min.

3. La regeneración se hace con una sustancia que permita recuperar el ion

perdido de la resina (ver tabla 3.2).

Tabla 3.2 Modelo de resinas comúnmente en mercado.

Modelos Tipo Base Forma Aplicación.

CGS-BL Catiónica Fuerte Na Suavización.

CG-8 Catiónica Fuerte Na Suavización, desmineralización.

CG-8H Catiónica Fuerte H Suavización, desmineralización.

WAC-MP

Catiónica Débil H Desmineralización.

SGG1 Aniónica Fuerte Cl Desmineralización, de alcalinización.

WBMP Aniónica Devil OH Desmineralización.

MBO Mixta Fuerte H/OH Desmineralización.

Fuente: www.econext.com.mx

Configuraciones para el intercambio Iónico en base a la calidad del agua de

alimentación.

Doble columna: (cation – anion).

http://www.econext.com.mx/

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Triple columna: (cation – anion – cation). Cuatro columnas: (cation – anion – cation – anion). Mixta : (cation – anion).

4. Enjuague. La finalidad es eliminar los compuestos originados

posiblemente por regenerador.

Los ablandadores modernos tienen un método de "regeneración" de la resina con una

solución de salmuera (agua salada). La salmuera encharca la resina por tiempo

suficiente para permitir la substitución por el sodio del calcio y magnesio fijados en el

lecho de resina. El calcio y magnesio son lavados y removidos, dejando el lecho de

resina regenerado y listo para ser nuevamente utilizado. Los ciclos de regeneración son

establecidos en el momento de la instalación y son basados en la demanda de agua, la

calidad del agua de alimentación y el caudal máximo de servicio necesario para atender

al usuario.

Los ablandadores realizan de igual manera el intercambio y el retrolavado,

posteriormente (ver figura 3.4).

3. Aspiración de la salmuera: la solución de salmuera es aspirada del tanque de

almacenamiento de la salmuera y entra en el lecho de resina.

4. Enjuague lento: el enjuague de salmuera es lentamente forzado a través del

lecho de resina, permitiendo que el sodio force los iones de calcio y magnesio

para fuera del lecho de resina.

5. Enjuague rápido: es forzado el pasaje rápido de agua bruta a través del lecho

de resina para retirar la salmuera residual y los iones de calcio y magnesio.

6. Completar el tanque de salmuera: el tanque de salmuera es completado con

agua para quedar preparado para el próximo ciclo de regeneración.

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58


Figura 3.4 Instalación del ablandador.

III.5.1.7 Resinas sintéticas

Según Avilla (2002) estas consisten en una red de radicales hidrocarburo a los cuales

están unidos grupos funcionales iónicos solubles. Las moléculas de hidrocarburos están

unidas transversalmente formando una matriz tridimensional que imparte una

insolubilidad y tenacidad global a la resina. La extensión, o grado de reticulación,

determina la estructura porosa interna de la resina, y esta no debe ser tan grande que

restrinja el movimiento libre de los iones cambiables.

Los intercambiadores cationicos son resinas que llevan cationes cambiables y

contienen grupos funcionales ácidos, como: el sulfónico, R-SO3H; fenólico, R-OH;

carboxílico, R-COOH; y el fosfórico, R-PO3H2. La letra R representa la red orgánica de

las resinas. Las resinas aniónicas contienen grupos funcionales tales como; amina

primaria, R-NH2; amina secundaria, R-R'NH; amina terciaria R-R'2N; y el grupo amonio

cuaternario, R-R'3N+OH-. R' representa radicales orgánicos como el metilo.

III.5.1.7.1 Estructura física y química de las resinas.

Los requisitos básicos de los materiales de las esferas de intercambio iónico son la

insolubilidad, el tamaño de la esfera, y su resistencia a las fracturas. Las resinas de

intercambio iónico son fabricadas en dos estructuras físicas, gelatinosa o macroporosa.

Las resinas gelatinosas son polímeros homogéneos entrecruzados y son las resinas

más comúnmente disponibles.

La cantidad de entrecruzamiento de DVB que se utiliza en la síntesis de una esfera

determina su fortaleza relativa. La resina catiónica de ácido fuerte que se usa para la

suavización, la cual es el medio más común de intercambio iónico, consiste casi

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59


siempre de un material gelatinoso de 8% DVB. Por lo general estas son más

económicas y duran más.

Actualmente se encuentran disponibles resinas con un contenido de DVB entre 2% y

20% y aún más. Un mayor contenido de DVB le da aun más fortaleza a la resina, pero

el entrecruzamiento adicional puede obstruir la cinética, haciendo que la esfera sea

demasiado resistente a la contracción e hinchamiento durante el funcionamiento

normal.

Las resinas macroporosas tienen una estructura con apariencia esponjosa esto permite

que la porción activa de la esfera contenga un nivel elevado de entrecruzamiento de

DVB sin afectar la cinética del intercambio. Los ―poros‖ pueden ocupar entre 10% y

30% del polímero. Esto reduce proporcionalmente la capacidad de intercambio iónico.

Mientras mayor sea el área en una resina aniónica macroporosa, mejor será su

resistencia a la incrustación. En una resina catiónica, un mayor nivel de

entrecruzamiento proporciona mejor resistencia a la oxidación.

Existen dos tipos principales de estructuras químicas, estirénicas y acrílicas. Las

primeras son hidrocarburos aromáticos. Las resinas acrílicas son hidrocarburos de

cadena recta basadas en poliacrilato y polimetacrilato.

Cuando una resina acrílica se degrada químicamente, ocurre en el sitio de intercambio,

destruyendo su estructura física, y cuando se oxida ésta se hinchará y ablandará. Sus

usos están limitados a aplicaciones industriales.

III.5.1.8 Selectividad de resinas

La selectividad o afinidad de resinas de intercambio iónico es influida por las

propiedades de la esfera, los iones intercambiados, y la solución en la cual están

presentes los iones. El agua es un componente esencial en las resinas de intercambio

iónico. Las resinas cationicas de ácido fuerte contienen más o menos 50% de humedad

este contenido tiene un impacto sobre la selectividad. El alto contenido de humedad

ocasiona una mayor porosidad y los grupos activos se encuentran más separados uno

del otro. Las resinas de intercambio iónico por lo general tienen una mayor selectividad

hacia los iones de mayor valencia o carga. Entre los iones con una misma carga se

encuentran mayores afinidades hacia los iones con un número atómico más alto.

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Una resina catiónica agotada que se utiliza para suavizar por lo general se encuentra

en forma de calcio o magnesio, de los cuales ambos son iones bivalentes. La resina es

restaurada a su condición regenerada, la forma del sodio, introduciendo una solución de

10% de cloruro de sodio. Esta solución de cloruro de sodio se encuentra lo

suficientemente concentrada 100,000 partes por millón (ppm) como para revertir la

selectividad. La fuerza impulsadora del Ion monovalente de sodio luego convierte la

resina a la forma de sodio.

III.5.1.9 Tasa de intercambio

La tasa de intercambio, o cinética, de las reacciones de intercambio iónico es

gobernada por varios factores. La solución que está siendo tratada; las concentraciones

más altas de solución pueden acelerar la velocidad de la reacción. La cantidad de

entrecruzamiento de DVB en la esfera determina la porosidad de la esfera y, además, la

movilidad iónica dentro de la esfera. El tamaño de los iones que están siendo

intercambiados influye en la velocidad cinética y depende un tanto del tamaño de los

poros en la estructura de la resina. La resina tiene una mayor afinidad hacia los iones

de mayor valencia, por lo que la predominancia de iones de alta valencia puede causar

una mayor tasa de reacción. Otros elementos que influyen la temperatura, la forma

iónica de los sitios de intercambio, y la fortaleza de los sitios de intercambio. Una mayor

temperatura puede acelerar las reacciones químicas. Además, la fortaleza del sitio de

intercambio, ya sea fuerte o débilmente ácido o básico, afecta la tasa de reacción.

III.5.1.10 Tipos de resinas de intercambio iónico usadas para el

tratamiento de aguas

Según Rogola (1999) la mayoría de las resinas empleadas hoy en día son sintéticas,

basadas en un copolimero de estireno-divinilbenceno, tratado apropiadamente para

añadirles los grupos funcionales. La sulfonación da lugar a resinas cationicas y la

afinación a resinas aniónicas. Algunas resinas tienen una matriz acrilica en lugar de

estireno, u otros grupos polimerizantes (opoxi).

Resinas catiónicas de ácido fuerte: Derivan su funcionalidad de los grupos ácidos

sulfónicos. Estos intercambiadores funcionan a cualquier nivel de pH, dividen todas las

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sales, y su regeneración es mas frecuente. Esta es la resina que se escoge para las

aplicaciones de suavizado (en ciclo sodico, regenerando con ClNa, al 10 % empleando

100 a 300 g de ClNa por litro, (reaccion1 y 2) y como primera unidad en un

desmineralizador (en ciclo ion hidrógeno, regenerado con ácido reacción 3 y 4) de dos

lechos, o como componente catiónico de un lecho mixto. Estas tienen selectividad para

cationes trivalentes, intermedia divalentes e inferior los monovalentes. La velocidad del

I.O (intercambio ionico) es rápida y de poca fuga iónica. Son muy estables y pueden

durar hasta mas de 20 años. Se hinchan poco menos del 8 % al pasar de la forma Na+

a la H-. Operan a temperaturas altas de más del 1000 °C.

Resinas catiónicas de ácido débil: Contienen grupos carboxílicos como sitios de

intercambio. Captan el calcio y magnesio de la alcalinidad bicarbonatada, liberando

ácido carbónico (reacción 5) que se puede eliminar de manera simple y barata por

desgasificación mediante aeración no operan a pH inferior a 7, necesitando una acción

tamponante. Su capacidad es el doble que la catiónica fuerte, aunque su fuga de calcio

es baja, es alta la de sodio. Incluso se puede emplear en su regeneración el exceso de

ácido usado en la regeneración de la cationica fuerte. Su inchamiento al pasar de la

forma Na+ a H+, del orden del 90 %. También son más resistentes a oxidantes como el

cloro.

Las resinas catiónicas débiles están sujetas a una menor capacidad por un aumento en

la velocidad de flujo, temperaturas bajas, y una proporción entre la dureza y la

alcalinidad menor de 1.0.

Resinas aniónicas de base fuerte: Son capaces de eliminar todos los aniones de

ácidos débiles o fuentes operando a cualquier ph (reacción 6 y 7). Su selectividad para

los aniones divalentes es superior a los monovalentes. Son menos estables que las

homólogas catiónicas, su duración bastante inferior y resisten temperaturas límite

inferiores. Absorben irreversiblemente los ácidos húmicos de descomposición vegetal,

perdiendo capacidad. Para su protección se puede usar una columna previa de resina

aniónica débil o de carbón activo.

Resinas aniónicas de base débil: Eliminan los aniones de los ácidos fuertes, Cl=, SO4-

, NO3-, pero no los de los ácidos débiles, CO3

=, CO3H-, SiO3H

-, y no funciona a pH

superior a 6. Su capacidad es el doble de las aniónicas fuertes y resisten el

ensuciamiento orgánico. Su hinchamiento es del orden del 20 % en la forma OH-.

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Aunque no eliminan el carbónico o la sílice, son utilizadas después de una catiónica

fuerte para disminuir el costo de regenerantes y proteger las aniónicas fuertes de la

materia orgánica, y hasta eliminar color del agua.

Según Rogola (1999) las principales reacciones de Intercambio Iónico son:

III.5.1.11 Desmineralización

La desmineralización es un proceso mediante el cual se eliminan sólidos disueltos en el

agua en base a resinas de intercambio Iónico. La cantidad de sólidos disueltos en el

agua se puede medir en base a conductividad eléctrica o resistencia que es

inversamente proporcional, para aguas que tienen muy pocos sólidos disueltos es más

eficiente medir la resistividad, no hay agua que tenga ―cero‖ absoluto, lo mas cercano a

cero expresado en resistividad es 18.3 millones de ohms (Rogola, 1999).

Las etapas para elegir el sistema de desmineralización son las siguientes

(Rogola,1999):

Determinar la calidad y volumen diario del agua requerida.

Analizar la calidad de los suministros de agua disponible.

Seleccionar el tipo de pretratamiento necesario.

Decidir el sistema de desmineralización y el tipo de resina.

Especificar la duración del ciclo, el tiempo de regeneración y la disponibilidad de

almacenamiento de agua tratada.

Determinar en función de las capacidades de intercambio, velocidades de paso,

nivel de regenerante y parámetros físicos, los volúmenes de resina y demás

características del sistema.

La operación de intercambio Iónico debe ir precedido del pretratamiento adecuado. Se

debe eliminar la materia en suspensión y la materia coloidal que puede ensuciar las

ClNaOHRNaOHClR

OHClRClHOHR

HCOCaRSOCaHCOHRSO

CaClHRSOClHCaRSO

HSOCaRSOCaSOHRSO

CaClNaRSOClNaCaRSO

NaSOCaRONaRSOCaSO

][])[7(

][])[6(

2][)(][2)5(

][22])[4(

][]3[2)3(

][22])[2(

][][2)1(

2

2323233

2323

24234

2323

242334

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resinas, reduciendo la cinética de difusión de los iones y colmatarlas creando caminos

preferenciales con disminución de la eficiencia.

Los pretratamientos, según la calidad del agua de partida pueden incluir una

descarbonatación previa, una decantación y una filtración.

El sistema de dos columnas cation fuerte-anion fuerte se aplica en instalaciones de

baja inversión. El sílice admisible es de 0.02 a 15 ppm. Si la alcalinidad es alta

conviene disponer de un desgasificador entre ambas resinas para eliminar el CO2

liberado aunque implica un bombeo adicional.

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III.5.1.11.1 Diseño de los equipos de desmineralización

El diseño de los recipientes de intercambio ionico responde al requisito de operar con

lecho profundo de resinas introducidas en columnas, dando un flujo de agua

estacionaria y tranquilo.

El material de construcción debe ser resistente a la corrosión. En el ablandamiento es

suficiente que sea resistente a la solución salina, pero en la desmineralización se

emplea generalmente muy corrosivos. En pequeños diámetros se pueden emplear

columnas de poliéster reforzado, pero en caudales importantes se construye de acero,

interiormente ebonitado.

La altura de los lechos de resina se sitúa entre 70 y 150 cm a mayores alturas

representarían pérdidas de eficiencia hidráulica. La cámara de expansión para el

lavado y la dilución de las resinas se suele formar de un 50 a un 75 % de la altura del

lecho para las catiónicas y de un 100 % para las aniónicas menos densas.

III.5.1.12 Ventajas del proceso iónico

Las ventajas del proceso iónico en el tratamiento de aguas son las siguientes:

Se adopta a las necesidades de las aguas en que las concentraciones de las impurezas

iónicas son relativamente bajas.

Las resinas actuales tienen alta capacidades de intercambio que permiten conseguir

procesos compactos requiriendo inversiones moderadas.

Las resinas son estables químicamente, de larga duración y fácil regeneración.

III.5.1.13 Cálculo de un suavizador

A continuación se muestra el procedimiento para seleccionar un modelo de suavizador,

para ello es necesario reunir la siguiente información:

Flujo de Agua (expresado en galones)

Horas de Operación

Dureza Total del Agua (expresados en ppm o mg/l)

Divida la dureza del agua entre el factor de conversión 17.7 y obtendrá los Granos de

resina que se necesitan para suavizar un galón de agua (GPG = Granos Por Galón).

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Dureza total (ppm) ÷ 17.7 = GPG (Granos por galón)

Multiplique los GPG por el consumo de agua diario (gpd), para obtener cuantos granos

son necesarios para suavizar toda el agua que se consume en un día

GPG x Galones por día = Granos necesarios en un día

Para obtener la cantidad de resina, es necesario definir cuanta sal requerimos para

regenerar. Si la regeneración se hace con 15 lbs de sal por cada pie cúbico (ft3) de

resina, se obtendrá mayor capacidad de resina, pero un mayor consumo de sal. Por lo

contrario, si se regenera con 5 lbs de sal por cada pie cúbico (ft3) de resina se obtendrá

menor capacidad de resina pero un ahorro de sal.

1 ft3 = 30,000 granos por 15 lbs. de sal



Es importante decir que los equipos siempre se diseñan con una regeneración a 15 lbs

por ft3, lo que hace que el equipo sea el mas pequeño disponible. Recuperación de

inversión rápida, alto consumo de sal.

Cuando se tiene grandes consumos de resina, los suavizadores se regeneran con 5 lbs

de sal, esto es un 50% menor capacidad en la resina y un consumo de solo 33% de

sal. Ahorro a largo plazo y retorno de inversión lenta.

IIIIII..66 TTrraattaammiieennttooss ppaarraa DDeessiinnffeeccttaarr eell AAgguuaa

La eliminación de los microbios del agua para beber y cocinar es tarea primordial

para la salud y debe ser el principal objetivo de cualquier sistema de purificación

de aguas domesticas.

III.6.1 Métodos Físicos o Desinfección Sin Químicos.

Hay tres métodos físicos para eliminar los microbios del agua: uno es mediante

la aplicación del calor; otro mediante la radiación ultravioleta y el tercero a través

de una membrana de ósmosis inversa.

Tesis Profesional

66


III.6.1.1 Luz Ultravioleta

III.6.1.1.1 Aspectos generales

La luz ultravioleta es un método de desinfección del agua que es relativamente nuevo

en México y han provocado el retiro de los medios tradicionales de desinfección

química, siendo la opción conveniente para la ecología. Además de resolver los

problemas microbiológicos de desinfección, sin el cambio del sabor ni el olor del agua.

III.6.1.1.2 Reseña histórica

Los efectos germicidas de la energía radiante del sol fue reportado por primera vez por

Downs y Blunt en 1878. La aplicación practica de UV requirió sin embargo el desarrollo

de la lámpara de vapor de mercurio como fuente de luz UV artificial en 1901 y el

reconocimiento del cuarzo como la envoltura ideal de la lámpara en 1905. Los primeros

intentos experimentales para usar rayos UV como desinfectante de agua se hicieron en

Marsella, Francia en 1910. La luz UV fue usada en los Estados Unidos entre 1916 y

1926, para la desinfección de agua y empleado en barcos para proveer agua potable.

Sin embargo, el bajo costo de la desinfección de agua con cloro combinado con

problemas operativos y de confiabilidad observados en los primeros equipos retardaron

el crecimiento en la aplicación de radiación UV hasta el decenio de 1950 (Wolfe, 1990).

Las instalaciones prácticas de desinfección UV para agua potable ocurrieron en Suiza y

Austria en 1955. González, (2001) las longitudes de onda fueron de 254 nm y las

aplicaciones se realizaron para el agua. Con el descubrimiento de subproductos

clarinados, la desinfección UV se hizo popular en Noruega, ocurriendo la primera

instalación en 1975, y en Holanda en 1980.

III.6.1.1.3 Luz UV

Según Dias y Liliana, (2002) aseveran que la luz UV es una fuente de energía del

espectro electromagnético de radiación la cual tiene la capacidad para penetrar la pared

celular de un microorganismo vivo, modificando la estructura del ADN (ácido

desoxirribonucléico) y evitando con ello su reproducción (ver figura 3.5). A pesar de que

la secuencia genética es alterada mayormente a 254 nm encontramos ventajas

adicionales en los emisores multi-onda (presión media), los cuales proporcionan el

Tesis Profesional

67


intervalo completo del espectro UV, que alteran las enzimas del citoplasma, y proteínas

de la pared celular (ver figura 3.5).

Figura 3.5 Secuencias de ADN normal y modificado.

Figura 3.6 Efecto de UV de presión media en un microorganismo.

Fuente: (http://www.germ-ex.com.mx)

Los microorganismos que se encuentran en el agua con mayor frecuencia presentan

una amplia variedad de estructuras celulares, y para su identificación se agrupan en

bacterias, virus, protozoarios, hongos, algas, fermentos y moho. Debido a la estructura

individual de las células, los niveles de energía necesaria para una acción germicida

destructiva pueden variar.

Esta fuente de energía esta situada entre las bandas de rayos X y la luz visible, con

longitudes de onda que van desde 180 hasta 400 nanómetros (nm). Cuanto menor es la

longitud de onda, mayor es la energía producida.

La luz UV, está constituida de cuatro regiones del espectro o áreas (Meulemans, 1986):

UV vacio (100 – 200 nm), específicamente en una longitud de onda de 185, es

apropiada para la producción de ozono.

UV-A ( 315 – 400) o luz ultravioleta de larga longitud de onda, que ocurre entre los

325 y los 390 nm, está representada por la luz del sol. Este rango tiene muy bajo valor

germicida.

UV-B (280 – 315) o luz ultravioleta de mediana longitud de onda (Eriteme o golpe

solar) ocurre entre los 295 y los 325 nm y es más conocida en las lámparas usadas

para bronceado. Estas ondas medianas también pueden encontrarse en la luz del sol y

tienen algo de efecto germicida con la exposición prolongada.

http://www.germ-ex.com.mx/

Tesis Profesional

67


UV-C (200 – 280) es una luz ultravioleta de pequeña longitud de onda que ocurre entre

los 200 y los 295 nm y es donde ocurre la acción más germicida. La acción germicida

óptima de la UV ocurre a los 265 nm. Es la apropiada para la eliminación de microbios.

III.6.1.1.4 Fuentes y tecnología de lámparas

El sol es una fuente de la luz ultravioleta, la absorción de radiación de longitud de onda

corta por la capa de ozono de la tierra impide que alcancen la tierra cantidades

significativas de UVB y UVC, NASA, (1972) citada por Martinez y Gonzales (2000). Por

ello, las aplicaciones prácticas de desinfección UV depende de fuentes artificiales de

UV. Las fuentes de UV más comunes son lámparas de arco de mercurio de baja y

mediana presión.

Básicamente, se utilizan dos tipos de lámparas en un proyecto de luz ultravioleta:

Presión de mercurio baja

Presión de mercurio mediana

Actualmente se utilizan lámparas de baja presión y alta potencia. La ventaja reside en la

reducción del número de lámparas, lo que aumenta la potencia del sistema y disminuye

el costo.

Por lo general las lámparas de UV consisten de un tubo herméticamente cerrado de

sílica vitreosa o cuarzo (transmisores ambos de UV), con electrodos a ambos extremos

(Phillips, 1983). El tubo es llenado con una pequeña cantidad de mercurio y un gas

inerte, usualmente argón a presión de algunos torricellis (torr). Los electrodos están

compuestos usualmente de tungsteno con una mezcla de metales de tierra alcalinos

para facilitar la formación del arco dentro de la lámpara. Una descarga de gas es

producida por un voltaje elevado a través de los electrodos. La luz UV es emitida desde

la lámpara cuando el vapor de mercurio excitado por la descarga, retorna a un nivel

menor de energía. El argón presente ayuda para el arranque de la lámpara, extender la

vida del electrodo, y reducir las pérdidas térmicas.

Debido a las características de resistencia eléctrica negativa de las descargas de

gases, la operación estable de una lámpara de arco de mercurio requiere de un balasto

adecuado. Los balastos pueden ser caracterizados como electromagnéticos o

electrónicos, figura 3.7 (O’Brian et al, 1995).

Tesis Profesional

68


Figura 3.7 Construcción de una lámpara de arco de mercurio y diseño de balasto. Fuente: Phillips, 1983.

III.6.1.1.5 Generación de la UV

La luz ultravioleta es producida como resultado del flujo de corriente a través del vapor

de mercurio entre los electrodos de la lámpara (Pietrobon, 2002).

La luz UV es radiada por tubos de cuarzo que contienen vapor de mercurio (misor).

Cuando se conduce una corriente eléctrica en los polos, se genera un arco voltaico que

ioniza a los átomos de esta manera (Hg), en donde los electrones incrementan su

energía hasta que son convertidos en fotones de luz UV (Dias y Liliana, 2002) (ver

figura 3.8).

Figura 3.8 Generación de UV. Fuente: (http://www.germ-ex.com.mx)

(Gonzáles, 2001) menciona que la luz UV se genera mediante las lámparas UV,

conocidas como germicidas, que son similares en diseño a las fluorescentes. La luz UV

es emitida como resultado de un flujo de corriente (arco foto voltaico), a través de vapor

de mercurio a baja presión, entre los electrodos de la lámpara, produciendo la mayor

parte de su emisión a 253.7 nm = 2.537 A°.

http://www.germ-ex.com.mx/

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69


III.6.1.1.6 Mecanismos de desinfección

Dimerización DNA

Los microorganismos son inactivados por luz UV como resultado del daño fotoquímico a

sus ácidos nucleicos. La radiación UV es absorbida por nucleotidos, los bloques de

construcción del DNA y RNA celulares en una manera dependiente de la longitud de

onda con picos de cerca de 200 y 260 nm (Sonntag y Schuchmann, 1990). El UV

absorbido promueve la formación de uniones entre nucleotidos adyacentes, creando

moléculas dobles o dímeros (Jagger, 1967). La formación de dímeros de tiamina-

tiamina dentro de un microbio impide que éste duplique su DNA y RNA, impidiendo así

su reproducción. El espectro de E.Coli alcanza su punto máximo a las longitudes de

onda de cerca de 265 nm y de cerca de 220 nm.

Mecanismos de Reparación

Muchos microbios tienen un sistema metabólico con varios mecanismos de reparación

de los ácidos nucleicos dañados (Jagger, 1967).

Los virus no tienen mecanismos de reparación para invertir el daño creado por la luz

UV. La habilidad de la bacteria y otros microbios para fotorepararse está relacionada

directamente a la extensión del daño UV, la exposición a la luz reactivadora entre 300 y

500nm, al pH y temperatura del agua. Debe ocurrir exposición a luz entre 300 y 500nm

dentro de dos a tres horas para que pueda propiciarse el efecto fotoreparador

(Groocock, 1984).

La Cinética de Inactivación y el Concepto de Dosis UV

La cinética de inactivación microbiana por UV es citada a menudo siguiendo la ley de

Chick:

klt

oeNN (3.24)

Donde: No es la concentración inicial de microbios previa a la aplicación de UV,

N es el número de microbios que restan después de la exposición a la luz UV.

I es la intensidad UV,

t es el tiempo de exposición, y

k es la constante del ritmo de inactivación.

Tesis Profesional

70


Una interpretación útil de esta ley es que por cada incremento en dosis UV igual a 2.3/k

hay una reducción en el orden de magnitud de la población microbiana.

La dosis germicida generada por una lámpara de presión mediana de arco de mercurio

puede ser definida como:

nm

nm

tGIUVDosis315

200

)()(

(3.25)

Donde:

I() = es la energía de salida de la lámpara de mediana presión dependiente de

la longitud de onda,

G() = es el espectro de acción dependiente de la longitud de onda del microbio

siendo inactivado.

III.6.1.1.7 Tasas de inactivación

Las tasas de inactivación microbiana varían dependiendo de la especie microbiana, y la

longitud de onda de la luz UV. Es así como las bacterias son menos resistentes a UV a

254nm que los virus, los cuales a su vez son menos resistentes que las esporas de

bacterias. Mientras que quistes de protozoarios son considerados como los patógenos

microbianos más resistentes a UV a 254nm. La temperatura de agua y pH tienen poco

o ningún impacto en la tasa de inactivación de microbios por UV (USEPA, 1996). En

estos casos se requiere dosis UV más altas caso especial de esporas bacterianas

(Munakata et al, 1991).

El virus humano patogénico más resistente a UV descrito por varios autores es el

Rotavirus (Reovirus) el cual fue reportado ser 11 veces más resistente a UV que

E.Coli (Harris et al, 1987) y el virus de poliovirus y hepatitis A, son solamente de

2,5 veces más resistentes que el E. coli.

Sin embargo las evidencias de estudios realizados por el Grupo del IAWPRC (1991)

sobre microbiología del agua indica que hay una diferencia menor de cuatro veces en la

resistencia del E.coli y virus a UV. Así los Rotavirus fueron encontrados similares al

E.coli en su sensibilidad al cloro, pero poliovirus y algunos virus entéricos fueron

reportados ser 40 o más veces más resistentes al cloro que E.coli (Engelbrecht et al,

1978; Scarpino et al, 1974). Victor Cabelli reporta (comunicación verbal) que el virus

Norwalk que cuenta entre 20 y el 40% de la gastroenteritis aguda causada por el agua

es resistente más de 100 veces al cloro que el E.coli.

Tesis Profesional

71


Trabajos pasados indican que parásitos protozoarios como el Giardia Llamblia y el

Cryptosporidium Parvum son más resistentes a UV que bacterias y virus, requiriendo

una dosis UV de 80 mWs/cm2 para obtener una reducción de un log.

III.6.1.1.8 Requerimientos de dosis

Los requerimientos de dosis UV pueden ser determinados usando ya sea un aparato de

rayo colimado usado como patrón en un laboratorio o una unidad piloto de desinfección

instalada in situ.

El estándar de la Fundación Nacional de Sanidad (NSF) ANSI/NSF estándar 55- 1991

define dos estándares para sistemas UV de punto de uso (POU) y punto de entrada

(POE).

Los estándares son:

Clase A. Diseñada para desinfectar virus y bacteria a niveles seguros. Asi

mismo deben proveer una dosis de 38 µWs/cm2.

Clase B. Diseñada para desinfección suplementaria de agua pública tratada y

desinfectada. Ellas deben proveer una dosis de 16 µWs/cm2.

NSF estableció que una dosis de 16 mWs/cm2 suministraría una reducción mayor de 2

logaritmos de una bacteria heterotrópica no formadora de esporas y una dosis de 38

mWs/cm2 proveería 4 logs de remoción de virus. El estándar NSF 55 no está diseñado

para aguas de fuentes contaminadas como aguas residuales. Además, si se va a tratar

aguas superficiales, se debe usar un prefiltro para reducción de quistes.

A continuación se muestra una tabla de dosis recomendada para agencias y algunos

países.

Tabla 3.3 Dosis recomendadas y exigidas de UV.

Recomiendan y Exigen Dosis recomendada(mWs/cm

2)

Lugar aplicado

EPA (Agencia de Protección del Medio Ambiente), de los estados Unidos.

21 a 36 (requiere) para proveer respectivamente una reducción de 2 a 3 logaritmos del virus de hepatitis A.

Agencia Americana de plantas de agua potable

40(recomendado) Sistemas municipales pequeños.

Tesis Profesional

72


Continuación...

Estados unidos 16 (exigen) Utah, New Jersey y Pennsylvania

Estados unidos requieren cumplimiento con el Estándar ANSI/NSF 55 Clase A

Arizona, Delaware, Massachusetts, North Carolina y Wisconsin

Europa 16,30 y 25(requeridas) Noruega, Austria y Francia.

Fuente: USEPA, (1993).

III.6.1.1.9 Componentes de los equipos esterilizadores

Las lámparas germicidas

Estas funcionan a diferentes potencias variando de 10 a 50 o más watts. El diámetro es

de 15 mm y las longitudes son variadas, según la aplicación. La emisión germicida de la

lámpara disminuye gradualmente en su vida útil, debido a que el cristal se solariza

(opaca) disminuyendo la intensidad emitida.

Los rangos de vida útil de las lámparas existentes en el mercado oscilan entre 6000 hr

para el caso de las utilizadas para los acuarios hasta las 10000 hr. Para una adecuada

emisión la lámpara debe operar a 40 °C.

El Reactor y su diseño

La hidrodinámica del reactor determina el tiempo de contacto. Es importante su diseño

por que en él actúa la dosis de UV. Las variables involucradas son: el caudal, el tipo de

flujo en el reactor, los efectos de sombra y la configuración de las lámparas en el caso

de sistemas múltiples.

El material del reactor puede ser de Acero inoxidable, acero esmaltado al horno, de

plástico. Para la industria embotelladora y farmacéutica la calidad del material debe ser

en acero inoxidable 316L ó 304, soldado en ambiente inerte y con terminaciones de

grado sanitario, es decir pasivo y electro pulido, (Esp.: MIL S-5002).

En el Reactor se deben considerar, los coeficientes de absorción de la radiación de la

luz UV los cuales determinaran el grado de esterilización (González, 2001):

Tesis Profesional

73


* Agua potable : de 0.005 a 0.15

* Agua destilada : 0.01 aprox.

* Agua desmineralizada : 0.005

* Agua superficial : 0.3 a 0.5

Los diseños de reactores UV pueden ser clasificados ya sea como sistemas de canal

abierto (desinfección de aguas residuales), sistemas de canal cerrado sin contacto, o

sistemas de contacto en canal cerrado (desinfección de agua potable).

La camisa de cristal de cuarzo protege las lámparas de daño y en el caso de las

lámparas de baja presión, aíslan térmicamente las lámparas del agua permitiendo por

ello su operación a una temperatura óptima independientemente de la temperatura del

agua.

Cuando un reactor UV ha sido diseñado hidráulicamente para aproximarse a un reactor

UV ideal, la dosis UV administrada por el reactor puede ser calculada usando:

QVolxItxIDosisUV reactor

promedioresidencia

reactor

promedio (3.26)

Donde: el t residencia es el tiempo de residencia del reactor con un volumen efectivo, Vol,

pasando un flujo de agua Q. El volumen efectivo dentro del reactor es el volumen de

agua expuesta a la luz UV y la intensidad promedio dentro del reactor es calculada para

el volumen efectivo. La dosis UV calculada usando la intensidad promedio es a menudo

mayor que la dosis calculada usando la intensidad medida en la pared del reactor.

III.6.1.1.10 La luz ultravioleta ofrece seguridad en la desinfección

La luz UV elimina completamente la presencia infecciosa de virus, bacterias, hongos,

etc. Los virus y bacterias tan peligrosas como: hepatitis, cólera, influenza, E coli, Hanta

y staphylococus son esterilizados por la luz UV, impidiendo replicarse.

Factores que afectan la Administración de la Dosis UV

Los factores operativos que impactan la administración de dosis por un reactor UV a los

microbios incluyen el suministro de electricidad, envejecimiento de la lámpara,

incrustación de la camisa de cuarzo, los aspectos hidráulicos del reactor, absorbencia

Tesis Profesional

74


de UV por el agua, temperatura del agua y la localización de los microbios dentro de la

particulata.

El envejecimiento de la lámpara puede ser atribuible a fallas de electrodos (apagado y

encendido), solarización de la cobertura de la lámpara e impregnación de mercurio

dentro de la envoltura de la lámpara (Phillips, 1983). El ensuciado de la camisa de

cuarzo debido a la acumulación de incrustaciones inorgánicas (cuando esta operando)

y biopelículas orgánicas (Blatchley et al, 1993).

Según Lupal, (2001) la efectividad de la UV en la eliminación de contaminación

microbiológica depende de las cualidades físicas de la alimentación de agua.

Los parámetros más importantes a considerar en el uso de un sistema de UV son:

Sólidos suspendidos. Causan un problema en que los microbios se esconden tras la

coraza de los sólidos así pueden pasar a través de los esterilizadores sin tener una

penetración directa de la UV.

Fierro manganeso. Causan incrustaciones en el tubo de cuarzo a niveles bajos de 0.03

ppm de fierro y 0.05 ppm de manganeso.

Calcio y magnesio. Su dureza permite la incrustación en la lámpara o en el tubo de

cuarzo, este problema se hace notar especialmente a bajos flujos cuando estos se unen

a los carbonatos y sulfatos para formar la incrustación dentro de la cámara del

esterilizador y en la lámpara o tubo de cuarzo.

Otros compuestos absorbentes como el ácido húmico o fúmico así como las taninas

reducen la cantidad de energía ultravioleta para que penetre a través del agua y afecte

el material genético.

Con aguas potables tratadas, los compuestos que absorben UV resultan a menudo en

una transmitancia UV de 70 a 98% a 254nm sobre una distancia de 1 cm.

La temperatura del agua puede tener un impacto directo sobre la energía UV de salida

y la transmisión de calor de la lámpara al agua circundante dependerá del diseño de la

camisa de cuarzo.

La dosis administrada a los microbios en el agua variará dependiendo si estos están

presentes como células individuales (más susceptibles a la desinfección) o encerrados

dentro de particulados; por lo que su inactivación de particulados dependerá del tamaño

de partícula, estructura, y composición.

Tesis Profesional

75


Los modelos actuales constan de partes o medidores de partículas para cuantificar su

presencia de particulados en agua potable. Mediciones de Sólidos Suspendidos Totales

(SST) y turbiedad entre otros.

III.6.1.1.11 Desinfección de agua potable

En el agua de pozo, la tierra actúa como un biofiltro masivo reduciendo la concentración

de COA(carbón orgánico asimilable) y filtrando quistes de protozoa, bacterias y virus.

En el caso de agua subterránea que no esté bajo la influencia de agua superficial, la

desinfección UV puede ser usada directamente sobre el agua con mínimo pre-

tratamiento.

Una posible preocupación es la presencia de iones inorgánicos que pudiesen contribuir

a la formación de incrustaciones sobre las camisas de las lámparas. En el caso de

aguas superficiales, la presencia de quistes de protozoarios, SST, y niveles mayores de

COA tiene que ser tomada en consideración. Mientras que dosis más elevadas de cloro

pueden ser usadas para inactivar quistes de Giardia, el cloro es inefectivo contra

Cryptosporidium. La filtración ofrece la solución más práctica para la remoción de

quistes protozoarios y la remoción de SST. Al aplicar UV para inactivar bacteria

patogénica y virus, se deben usar cloraminas o control de COA para proteger el sistema

de distribución de crecimiento microbiano.

III.6.1.1.12 Operación y mantenimiento

Las unidades de desinfección UV deben ser ubicadas para facilitar acceso fácil para

fines de mantenimiento. Los operarios deben poder calibrar los sensores de

supervisión, revisar los dispositivos contrafalla, limpiar camisas de lámpara,

inspeccionar y limpiar superficies internas del reactor, examinar sellos, reemplazar

lámparas viejas, y supervisar la calidad del agua. Se debe efectuar el llenado de la

unidad UV de desinfección y del sistema de distribución usando un desinfectante

químico antes del arranque del sistema UV y siempre que se necesite en el futuro.

Se debe tener un suministro adecuado de piezas de repuesto incluyendo por lo menos

una lámpara, camisa y balasto para facilitar el mantenimiento.

Tesis Profesional

76


III.6.1.1.13 Subproductos de desinfección

La habilidad de la luz UV de promover reacciones fotoquímicas sirve de base a dos

tecnologías UV del medio ambiente: Desinfección UV y oxidación avanzada. La

oxidación avanzada usa la energía de la luz UV sola o en combinación con oxidantes

que se agregan para promover la destrucción de químicos orgánicos peligrosos. Sin

embargo, la oxidación avanzada usa una dosis mayor que la utilizada para desinfección

UV para obtener resultados prácticos de oxidación con una amplia variedad de

compuestos orgánicos.

Varios estudios indican que la UV genera subproductos pero Kool (1985) y Kruithof y

van der Leer (1990) confirman que de la desinfección UV no resulta la formación de

subproductos mutagénicos o carcinogénicos ni causa la descomposición por oxidación

de polímeros microbianos con base de azúcar. A diferencia de cloro y ozono (Rice et al,

1991; Akhlaq et al, 1990).

La radiación UV bajo 240nm puede promover la conversión de nitrato a nitrito.

Groocock (1984) reportó una conversión de 1% de nitrato a nitrito durante la

desinfección de agua potable usando UV. En síntesis la formación de subproductos de

desinfección durante la desinfección de agua potable es despreciable y no se ha podido

determinar un nivel medible de incremento en la toxicidad del agua atribuible a

subproductos de la desinfección por UV.

III.6.1.1.14 Costos de desinfección UV

El rango de precios de los equipos de desinfección UV varían ampliamente, de US$300

a más de US$1000 dependiendo del caudal y marca. Aproximadamente dos tercios de

los equipos UV son adquiridos a través de contratista; 19% directo del fabricante y 14%

a través de distribuidor o terceros. Dado que el costo del equipo es una parte

importante del costo de capital, se estima que el costo de capital sea el costo del equipo

más 20% (USEPA, 1996).

Los mayores costos de operación y mantenimiento incluyen costo de repuestos, costo

de energía y mano de obra.

Tesis Profesional

77


III.6.1.1.15 Aplicaciones de la UV

La tecnología UV actualmente se usa en un conjunto extenso de aplicaciones

desde la protección básica de agua potable doméstica debido a un pozo

contaminado hasta un tratamiento final para enjuagues de limpieza de partes

electrónicas libre de gérmenes.

Para González, (2001) las aplicaciones de esterilizar el agua son:

Procesos industriales tales como: bebidas, laboratorios, etc, donde se requiere

agua sin presencia de cloro y libre de gérmenes patógenos.

Uso domiciliario donde existe peligro de contaminación microbiólogica y no se

desea agregar químicos.

Para esterilizar las aguas que emiten las plantas de tratamiento de Aguas

Servidas.

III.6.1.1.16 Ventajas de la UV

Las principales ventajas de usar luz ultravioleta se citan a continuación:

El mantenimiento es muy simple, pues solo necesita un reemplazo anual de la

lámpara y limpieza de tubo de cuarzo de vez en cuando. Dependiendo de la

calidad del agua, la limpieza no puede ser necesaria.

Proceso de tratamiento inmediato, ninguna necesidad de tanques de retensión.

Sumamente económico, centenares de galones pueden tratarse por centavos de

costos de operación.

A diferencia de los desinfectantes químicos, UV no le agrega químicos tóxicos al

agua potable ni promueve la formación de subproductos mutagénicos ni

carcinogénicos. Por lo que no hay ningún cambio en el olor, pH o en la

conductividad, y tampoco en la química general del agua.

Destruye en más de 99.9 % los microorganismos (González, 2001).

Es más efectivo que el cloro contra los virus.

Compatible con todos los demás procesos de tratamiento de agua, como con

filtración ósmosis inversa, intercambio iónico.

Los rayos UV no causan corrosión.

De fácil instalación, solamente dos conexiones en la tubería del agua y una

electrónica.

Tesis Profesional

78


III.6.1.1.17 Recomendaciones de seguridad

La luz UV bien aplicada no presenta riesgos. Los peligros son solo para los operadores

del montaje y de mantención de los equipos o de las lámparas.

En el caso de los Materiales. La luz UV de onda corta (UV-C) destiñe los colores

y altera la superficie y composición de muchos materiales.

En el caso de los seres humanos y animales. La exposición directa y prolongada o

exposiciones a altas intensidades de luz ultravioleta pueden causar conjuntivitis

(inflamación de la membrana externa de los ojos), luego Cataratas, y por ultimo

ceguera. Adema, produce un enrojecimiento o incluso quemaduras de la piel.

Se debe tener cuidado que la luz ultravioleta no entre a los ojos por los lados, ni

tampoco que se refleje desde la parte de atrás de los anteojos hacia adentro de los

ojos.

Es bueno recordar que cuando las concentraciones de energía ultravioleta germicida

son especialmente altas, la protección de las manos y brazos se hace necesaria. La

ropa y los guantes proveen una adecuada protección.

La máxima exposición sin protección es de 0.5 µW/ cm2 de 2.537 °A de energía en un

período de 7 horas. Equivale a una lámpara de 30 watts durante un minuto y a 46 cm

de distancia o en una hora a 3.60 metros de distancia.

III.6.1.1.18 Criterios para seleccionar la luz UV

A continuación se muestran algunos criterios que se deben tomar en cuenta en el

momento de decidir que tipo de tratamiento utilizar en la desinfección de su agua.

Tesis Profesional

79


Tabla.3.4. Comparación de los tres medios más utilizados para la desinfección del

agua.

Operación / Condición Luz Ultravioleta Cloro Hipoclorito Ozono

Costo de capital Medio Medio Alto

Costo de operación El más bajo Bajo Medio

Instalación Simple Simple Compleja

Mantención

Dificultad Fácil Moderada Difícil

Costo Bajo Medio Medio

Eficiencia Excelente Medio Excelente

Claridad requerida en el agua Alta Baja Media

Efecto germicida Alto Medio Alto

Peligro para los operadores Medio (ojos, piel) Medio (ojos, piel) Medio (oxidante)

Productos químicos tóxicos No Si Si

Efecto residual No Si Alguno

Efecto en el agua subproductos

Ninguno Trihalometanos Organoclorados

Sub-productos tóxicos

Problemas operativos Bajo Bajo - Medio Medio

Tiempo de contacto 1 - 5 seg. 30 - 40 min. 5 - 10 min.

Fuente: (http://www.biolight.cl/html/faq-uv.html)

III.6.1.1.19 Guía de instalación

Según Aguamarket, (2000) considera que para el tratamiento con UV, el diseñador del

sistema de tratamiento de agua, normalmente no se tiene que preocupar del cálculo de

la dosis requerida. Esto lo determina el fabricante del equipo UV en el diseño de su

equipo. Los niveles de dosificación los establece el fabricante para las diversa

velocidades de flujo y calidad de agua.

Las únicas variables de dimensionamiénto en que se debe interesar el diseñador del

sistema, tiene que ver con la velocidad del flujo y la calidad de transición lumínica del

agua. La calidad de la transmisión generalmente se indica como Coeficiente de

Absorción.

Como precaución se debe instalar un regulador de flujo en cualquier esterilizador para

asegurarse que sé esta alimentando el flujo recomendado por el fabricante.

http://www.biolight.cl/html/faq-uv.html

Tesis Profesional

80


El esterilizador UV debe de ser el último punto de tratamiento. Cualquier pretratamiento

debe instalarse antes de la UV. Si el agua de alimentación contiene Giardia Lamblia, se

puede usar una medida de filtración mecánica alterno, antes de la UV.

III.6.1.2 Osmosis Inversa

III.6.1.2.1 Generalidades

Este es un método utilizado a partir de la segunda Guerra Mundial para desalinizar el

agua de mar. Desde entonces se han venido perfeccionando las membranas, a la vez

que han bajado su precio, al grado de que ahora se producen, no solo para quitar la sal

del agua de mar, sino como equipos caseros de purificación del agua. Actualmente se

pueden conseguir equipos de ósmosis Inversa que pueden proporcionar desde 5 a mas

de 500 litros diarios.

III.6.1.2.2 Antecedentes científicos

Los primeros estudios sobre la ósmosis o como se le llamó entonces proceso osmótico

se desarrollan en los principios de la medicina, la biología, la fisiología.

La ósmosis se basa en la teoría de soluciones y a pesar de que Graham (1805 – 1869)

fue el padre de los estudios y experimentos sobre el flujo de difusión de un gas a través

de un tapón poroso, en estos años está apareciendo el concepto de hacer pasar

substancias a través de una membrana semipermeable, sin consumo de energía

exterior.

Fick (1829–901) quien planteándose los experimentos de Graham dijo que: ―la

presencia de un flujo de difusión es debida a una diferencia de concentraciones. Tanto

Gram como Fick explicaban el fenómeno de manera descriptiva y cuantitativa pero no

eran capaces de aclarar ―él porque‖.

En 1748 Nollet (1700 – 1770), profesor de la Universidad de Navarra experimento con

una membrana realizada a partir de la pared de la vejiga de un animal (cerdo)

colocando alcohol a un lado y agua al otro y comprobó que el agua fluía de un lado a

otro para mezclarse con el alcohol pero el proceso contrario nunca se producía.

En el siglo XVIII Nollet ya descubrió la existencia de ―membranas semipermeables‖ y

definió el proceso osmótica que permitía el paso de una de los componentes de una

solución pero no el de otros, manejando los términos de solvente (sustancia que es

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81


capaz de atravesar la membrana), soluto (la que no puede fluir sobre ella). Pero no fue

capaz de explicar por que ocurría este fenómeno.

Él médico Henri Dutrochet (1776 – 1847) quien realiza el descubrimiento del fenómeno

osmótico a través de membranas semipermeables.

Pfeffer (1845 – 1920), consolidó las bases en el empleo de membranas sintéticas en

sus estudios que realizaba sobre fotosíntesis.

En 1958 se dió una explicación racional de la Osmosis por Kedem y Katchalsky.

Agua Crystalinn, (2002), dice que el proceso de Osmosis Inversa fue desarrollada hace

unos cuarenta años, como proceso industrial y en grandes plantas de desalación de

agua de mar. En los procesos industriales se emplean presiones muy elevadas (desde

200 hasta 800 Ibs /in2) para separar los sólidos disueltos.

A mediados de la década de 1950 los trabajos del Dr. Sourirajan y otros de la

Universidad de los Ángeles, adelantaron la tecnología de OI, hasta el punto que

pudieron fabricarse membranas artificiales.

III.6.1.2.3 Descripción del proceso

Según Medina (1999) la tecnología de la osmosis inversa se basa en el proceso de

ósmosis, que es un fenómeno natural que se produce en las células de los seres vivos,

por el cual dos soluciones de distinta concentración salina puesta en contacto a través

de una membrana semipermeable tienden a igualar sus concentraciones.

Para ello se produce un movimiento desde la solución más diluida hacia la más

concentrada, que se detiene cuando se alcanza un equilibrio entre ambas

concentraciones. La fuerza que provoca ese movimiento se conoce como presión

osmótica y está relacionada con la concentración de sales en el interior de ambas

soluciones. El proceso queda esquematizado en las figuras 3.9 y 3.10.

Cuando dos soluciones de diferente concentración o salinidad están colocadas en dos

recipientes separados por una pared impermeable, cada una de ellas alcanza el

depósito correspondiente una altura que es función únicamente del volumen de la

solución y del diámetro del depósito. Si igualamos la altura de las soluciones en los dos

recipientes, tendríamos la figura 3.9.a.

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82


Si sustituimos la citada pared por una membrana semipermeable (permeable al agua,

no a las sales) se produce un movimiento a través de la membrana desde la solución

más diluida a la más concentrada,(ver figura 3.9.b) que se detiene cuando se alcanza

un desnivel entre ambos tubos, h que corresponde a la presión osmótica de la

solución más concentrada, o más propiamente a la diferencia de presiones osmóticas

entre ambas soluciones.

Este valor h es la presión diferencial que impulsa el agua a través de la membrana. Si

invertimos el proceso aplicando una presión en el tubo de la solución más concentrada,

figura 3.9.a, el movimiento se produce desde ésta hacia la más diluida.

Finalmente se alcanza una posición de equilibrio como en de la figura 3.9.-b. La altura

que alcanza la solución en el nuevo equilibrio es función de la presión aplicada, de las

características de la membrana y de las concentraciones de ambas soluciones.

Cheremisinoff (1995) define a la ósmosis como el transporte espontáneo de un líquido

diluido a una solución más concentrada, cruzando una membrana ideal semipermeable,

dejando pasar el solvente (agua) pero no los sólidos disueltos (soluto).

Fig.3.9.-a Fig.3.9.-b

Figura 3.9 Principios del proceso de ósmosis.

III.6.1.2.4 Presión osmótica

González y Martínez, (2000) mencionan que la presión osmótica es la diferencia de

energía potencial entre las soluciones de cada lado de la membrana semipermeable, y

la presión neta de trabajo es la diferencia hidrostática total menos la contrapresión

ejercida por la presión osmótica. Esta presión es la se tiene que vencer para que haya

caudal de agua.

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Los datos de Pfeffer, indicaron que la presión osmótica es proporcional a la

concentración y temperatura absoluta. Van’t Of. Observo que la presión osmótica, °

varia con la concentración y temperatura de la misma forma que un gas ideal.

Para el agua:

RtV

ñ

m

(3.27)

Donde: ñ = numero de moles de soluto; Vm = volumen molar del agua; R = Constante

universal de los gases; t = Temperatura absoluta.

Para la Presión Osmótica:

MT )273(12.1 (3.28)

= presión osmótica, psi; T = Temperatura, °C; M = Suma de moles de compuestos

iónicos y no iónicos.

Cheremisinoff (1995), define la presión osmótica como una propiedad de una solución,

que incrementa con la concentración.

Según Deming (1981) la presión osmótica en soluciones diluidas también se puede

calcular de la siguiente manera:

P= 0.0821 CT (3.29)

Donde:

P = presión osmótica; C = concentración;T = Temperatura.

III.6.1.2.5 Osmosis inversa

Según García (2002) la ósmosis inversa es el proceso de filtrado de baja presión(mayor

a la presión osmótica) a través de membranas semipermeables. En el cual el agua y las

Sustancias disueltas se mueven de las áreas de mayor concentración de sólidos a las

áreas de menor concentración. Esto se hace forzando el agua con mayores

concentraciones de sólidos a que pase hacia el otro lado que solo tiene agua pura, es

por esto que es el único filtro de membrana semipermeable que elimina prácticamente

todos los sólidos en suspensión o en solución (ver figura 3.10).

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84


El objetivo de la ósmosis inversa es obtener agua purificada partiendo de un caudal de

agua que esta impura o salada, el proceso inicia aplicando presión al caudal que tiene

mayores concentraciones de sales para forzar un caudal menor de agua pura.

Figura. 3.10 Fenómeno de ósmosis inversa.

Para Medina, (1999) la osmosis inversa no es necesario vencer la presión osmótica de

la solución de alimentación, sino sólo la diferencia de presión osmótica entre las

soluciones de alimentación y producto. Esta presión depende del flujo de agua a través

de la membrana y cambia de cero hasta un límite dado por las características de la

membrana. Por tal los elementos fundamentales para poder reproducir este fenómeno a

escala lo constituye la bomba necesaria para aplicar la presión y la membrana capaz de

realizar la separación de sales, para lo cual esta debe reunir una serie de

características:

Debe ser capaz de resistir las presiones a que se va a someter la solución.

Suficientemente permeable al agua para que el flujo que proporcione sea

elevado.

Rechazar un % de sales elevados para que el producto sea de buena calidad.

III.6.1.2.6 Funcionamiento de la ósmosis inversa

La osmosis inversa es un proceso sensible a temperatura y funciona con presión para

que reduzca en el agua la cantidad de sólidos disueltos mediante la separación a través

de una membrana de osmosis inversa. Esta membrana a medida de electroquímica

rechaza iones mientras no le impida cruzar el agua. (Martínez y Gonzáles, 2000).

Stanley E. Manahan, (1994) si el espesor de la sorción de agua en la capa es del

diámetro del poro para una separación óptima será de 2d que depende sobre el

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espesor de la sorción de la capa de agua y puede ser varias veces el diámetro de

soluto y moléculas solventes.

Gonzáles y Martínez, (2000) para que el agua pase a través de las membranas, se

requiere una bomba de alta presión para proveer energía de tal manera que a mayor

presión mayor producción de agua o ―permeado‖. Un restrictor de flujo o una válvula de

concentrado puesta en la línea hace que la presión force el permeado con poros del

orden de 5 a 20 amgstrons. Es tan reducido el diámetro de estos poros, que sustancias

con peso molecular de 200, son retenidos o filtrados por esta membrana osmótica. A la

porción de agua que no pasa a través de la membrana y que contiene la mayoría de las

sales y otros contaminantes se le llama ―concentrado‖. Y al porcentaje de agua

purificada sobre el total de agua alimentada se le llama ―Recuperación‖.

III.6.1.2.7 Diferencia entre ósmosis y otros procesos de membrana

Los tres aspectos que marcan claramente la diferencia son:

En la filtración todo el caudal atraviesa el elemento separador, que impide

únicamente el paso de partículas sólidas de un determinado tamaño. En la ósmosis

inversa en cambio, solo una parte del caudal de alimentación atraviesa la

membrana.

En la ósmosis inversa no se produce la acumulación del material separado sobre la

superficie de la membrana, pues precisamente el rechazo produce el arrastre de

dicho material.

En la filtración el flujo de agua a tratar es perpendicular a la membrana, mientras

que en la ósmosis es paralelo a ella.

En la electrodiálisis son los iones que constituyen las sales los que abandonan el

agua, atraídos por electrodos de distinta carga. Además que la fuerza en éste es el

potencial eléctrico.

III.6.1.2.8 Teorías de la ósmosis

Según Medina, (1999) la membrana de ósmosis debe ser capaz de efectuar las

propiedades termodinámicas de transporte del agua y de las sales, mediante fuerzas

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86


que no dependan en principio de los o moléculas que han de separarse. Estas fuerzas

pueden ser de rango corto como las de Van der Waals o de largo como las de Columb.

La forma en que se produce el paso de agua a través de la membrana responde a dos

teorías:

Según Sourirajan, existe un flujo convectivo de agua a través de los poros de la

membrana, que se produce en dos etapas:

En la primera el agua es absorbida preferencialemente sobre la superficie de la

membrana.

En la segunda esta capa con el agua absorbida es drenada a través de los poros

en la membrana.

Según este modelo, el tamaño molecular de los materiales del agua de alimentación

juega un importante papel en la determinación de su rechazo por la membrana.

La teoría alternativa propuesta por Merten parte de que la membrana no tiene poros y

por tanto el flujo convectivo no puede existir.

En su lugar se disuelve en la capa superficial de la membrana y después se difunde a

través de una capa sin poros de la misma.

En este segundo modelo el rechazo es función de la solubilidad relativa del soluto del

solvente. Ambos modelos predicen con bastante exactitud el flujo neto de agua, que

desciende al aumentar la presión osmótica a causa de la acumulación de solutos cerca

de la superficie.

III.6.1.2.9 Ecuaciones fundamentales

EL proceso de osmosis queda enmarcada por una serie de ecuaciones que definen o

aclaran los distintos aspectos que deben conocerse.

Si partimos de los flujos o caudales que se generan en el proceso podemos distinguir:

- Flujo o caudal de alimentación, que es el que se pretende desalar: Fa.

- Flujo o caudal de producto, al que se le han eliminado o reducido las sales: Fp.

- Flujo o caudal de concentración (rechazo), que arrastra las sales que han sido

separadas por la membrana y que se depositarían sobre ella: Fr.

La relación entre las citadas magnitudes es:

Fa = Fp + Fr (3.30)

Del mismo modelo tendríamos las concentraciones del agua de alimentación, Ca,

producto, Cp; y rechazo, Cr, relacionados también entre si mediante:

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Ca. Fa = Cp.Fp+Cr.Fr (3.31)

A partir de aquí se consideran las dos ecuaciones principales que hacen referencia a la

membrana que son:

Fa = A(Pm -m) (3.32)

Siendo:

Fa = el caudal de agua que atraviesa la membrana en l/m2/hora.

A = coeficiente de transporte de la membrana en l/m2/hora atm. Este valor

depende de varios factores como el espesor de la membrana, la temperatura, o

la composición química de la solución

Pm = Presión diferencial a través de la membrana en atm, o kg/cm2.

m= presión osmótica diferencial a ambos lados de la membrana, en atm o kg/

cm2.

Ecuaciones del transporte de sales

Fs = Ks. (Ca-Cp) (3.33)

Donde:

Fs = flujo de sales, en g/cm2/seg.

Ks = coeficiente de transporte de sales en cm/seg.

Ca =concentración de sales en el agua de alimentación en g/cm3

Cp = concentración de sales en el agua producto, en g/cm3.

La polarización aumenta la concentración de sales en el agua de alimentación, Ca, a

medida que el caudal avanza a lo largo de la membrana. Por tanto aumenta el flujo de

sales Fs y hace empeorar la calidad del producto. En esta ecuación se ve que no existe

dependencia directa entre la presión y el flujo de sales; es decir, al aumentar la presión

no mejora el transporte de sales, ni el rechazo de sales.

Rechazo de Sales

RS(%) = (1-Cp/Ca)x100 (3.34)

Es el parámetro más importante de la membrana y se basa en le proceso de fabricación

y en los polímeros que forman la membrana. Este valor varía para los distintos iones.

Los iones trivalentes, por ejemplo, son rechazados mejor que los divalentes y estos a

su vez mejor que los monovalentes. El sílice coloidal es también rechazado en % muy

elevado.

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Paso de Sales

PS(%) = Cp/Cax100; Por tanto también RS = 100-PS (3.35)

La determinación de estos parámetros se hace en condiciones especificas por cada

fabricante auque suelen estandarizarse en cuanto a presión, temperatura, salinidad del

agua preparada artificialmente.

Recuperación

Es el porcentaje de producto que se obtiene a partir de un determinado volumen de

agua de alimentación:

R (%) = Fp/Fa x100 (3.36)

Fp y Fa medidos en las mismas unidades, m3/hora o m3 /día.

En las membranas espirales, la recuperación no suele ser superior de 12 -15 % si se

trata de agua salobre y del 10 % en caso de agua de mar. En las membranas de fibra

hueca, dicho factor se eleva hasta el 85 %.

Concentración del producto

Cp = (1- Rs).(Ca+Cr)/2 (3.37)

Concertación del rechazo

Cr = RS-Ca/(1-R) (3.38)

Este es un parámetro importante en el diseño, para establecer la forma de eliminación

de un caudal, que según los casos puede ser importante y potencialmente

contaminante.

Proporción (ratio) de reducción

Ca/Cp = 1/(1-RS) (3.39)

Este es un factor indicativo de la calidad de la membrana y sobre todo permite ver

claramente la diferencia entre unas y otras.

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Según Martines y González, (2000) de una manera más general la difusión a través de

la membrana se fundamenta en la ley de Fick, la cual postula que en el transporte de

solvente y soluto, el flujo molar de cada uno es proporcional al gradiente químico.

Así se tiene que para el transporte del agua:

)(.1 oaw PPKPQ (3.40)

Para el transporte de soluto:

rsCKQ 2 . (3.41)

Siendo que: Ks / Ka (P-Po). (1-R)/R

Donde:

Q1 = Transporte del agua pura; Q2 = Flujo del soluto; Pw = Densidad del agua; Ka =

Constante de membrana al agua pura en m/seg; Ks = constante de membrana a la

solución salina en m/seg; P= Diferencia de Presión osmótica; R= Rechazo de

membrana al soluto; Cr= Diferencia de concentración salina en cada lado de la

membrana.

III.6.1.2.10 Membranas de ósmosis y módulos de ósmosis

En la naturaleza existen materiales semipermeables (membranas de animales y

vegetales) que se han usado como el colodión, celofanes, el vidrio poroso, vidrio

finamente molido y precipitados inorgánicos como ferrocianuro de cobre y fosfato de

zinc y uranio. La desventaja de estos es que producen grietas por lo que tienen corta

duración y una baja uniformidad de producción.

Cheremisinoff, (1995) menciona que las membranas de OI son capaces de remover

hasta 90% de los sólidos disueltos en agua como pueden ser: materia orgánica,

bacterias, nitratos, calcio, magnesio, arsénico, plomo, mercurio, plaguicidas y muchas

otras impurezas. Que no pueden ser removidas con los filtros de arena o de cartucho,

pero no son costeables cuando los sólidos disueltos son bajos.

Las Membrana de OI se construyen básicamente con Acetato de Celulosa (usadas

industrialmente) y Poliamida, esta última permite la separación de las substancias tanto

orgánicas como inorgánicas con tamaños entre 1 y 10 A. Figura .3.11.

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Figura 3.11 Membranas construidas con poliamida. Fuente: ( http://www.hidrotec.es/nueva/osmosis/MIX.htm)

Sourirajan, Agrava, y Loeb, desarrollan la técnica para la preparación de membranas de

acetato de celulosa con permeabilidades elevadas y un gran rendimiento a la

separación de solutos a partir de soluciones acuosas de ClNa.

Según García (2002) las membranas de OI se comercializan con las diferentes

configuraciones:

Tubular. Consiste en largos tubos porosos con longitud que oscila entre 1.5 a 3 m y con

diámetros entre 0.5 y 1 in, los cuales llevan, concentricamente, en su interior la

membrana. El agua bruta se hace circular por el interior, recogiéndose el agua

permeada entre la pared exterior de la membrana y la interior del tubo contenedor. La

desventaja es que es muy voluminosa en relación con su capacidad productiva.

Figura 3.12 Proceso de membrana tubular. Fuente:Garcia, (2002)

Fibra Hueca. Construida por miles de fibras huecas (tubos capilares) formando un haz en

el interior del contenedor y cuyos extremos se insertan en un soporte de resina epoxi(le

da rigidez). El diámetro exterior de estos capilares oscila entre las 60 y 80 micras para

la poliamida y 200 a 300 micras para el acetato. El agua es obligada a pasar a través de

la pared del capilar de espesor aproximado de 20 micras.

Las primeras fibras que se desarrollaron de este tipo sefun Medina (1999) eran de

acetato de celulosa y producían un caudal muy pequeño. Más tarde se redujo el tamaño

y se empaqueto en poco espacio, dentro de un tubo cilíndrico que constituye la carcasa

protectora y permite la circulación de la solución. Este tubo es de material plástico

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PRFCV que evita la corrosión. El agua a tratar entra por el extremo de este tubo o

carcasa y se distribuye a través de un tubo central provisto de perforaciones en

dirección hacia las paredes del tubo.

Figura 3.13 Proceso de membrana fibra hueca. Fuente:Garcia, (2002).

Espirales. Consiste en hojas de membranas que se sitúan sobre un soporte poroso y un

espaciador, ese conjunto se enrolla sobre un tubo de PVC que servirá como colector de

agua permeada. Medina,(1999) para el enrollamiento de las láminas desaladas se

dispone éstas alternadas con un separador impermeable y una malla.

La malla plástica determina los canales hidráulicos por los que circula el agua a tratar y

por forma cuadriculada garantizar un régimen de funcionamiento turbulento lo que

reduce las posibilidades de obstrucción por elementos extraños.

El separador impermeable permite aislar que el caudal que pasa por cada una de las

láminas o membranas y separarlo de la salmuera.

El enrollamiento permite introducir una superficie de membrana en un espacio reducido.

Estas dos últimas configuraciones son las que han permitido reducir el espacio ocupado

por las membranas, aumentando la capacidad del módulo y reducido su precio.

Hoy en día el 60 % de las membranas utilizadas son de este tipo.

Figura 3.14 Proceso de membrana de espirales. Fuente:Garcia, (2002).

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La razón para esta popularidad son la buena relación área membrana/volumen del

modulo y un diseño que permite ser usado en la mayoría de las aplicaciones, además

de que admite una turbiedad más de tres veces mayor que los otros sistemas y permite

trabajar con régimen turbulento.

El Comportamiento de las membranas respecto a diferentes contenidos en el

agua (García, 2002):

PH. La poliamida es estable dentro de una gama de pH de 3 a 11, pudiendo resistir

durante cortos periodos, máximo 30 minutos, un pH comprendido entre 1 y 12.

El Acetato de Celulosa al ser un éster orgánico esta sometido a hidrólisis con pH ácido

y alcalino, por lo cual la gama de trabajo óptimo se encuentra por pH entre 4 y 7.

Oxidantes. La poliamida es atacada por los oxidantes, por lo que el cloro libre superior a

0.1 ppm destruye la membrana.

El acetato de celulosa resiste la acción de oxidantes pudiendo soportar cantidades de

cloro libre del orden de 2 ppm.

Temperatura. Los rendimientos de todos los módulos están dados en unas condiciones

prefijadas de salinidad, recuperación, presión, temperatura.

Para este parámetro se considera 25 °C, favoreciendo el rendimiento, pero

generalmente las temperaturas máximas de trabajo oscilan entre los 30 °C para el

acetato y 45 °C para la poliamida.

El trabajar a temperaturas altas favorece el fenómeno de compactación que sufre la

membrana debido a la presión de trabajo, produciendo con el tiempo una disminución

de la producción.

Las sobre presiones pueden incrementar su temperatura de 1 a 2 grados.

III.6.1.2.11 Diferencias entre membranas

Dependiendo de la configuración de membranas adoptadas, también existen

diferencias en los rendimientos y operación.

Caudal. Una diferencia fundamental entre un módulo de fibra hueca y uno en espiral es

el régimen de circulación del agua por su interior, siendo este laminar para la fibra

hueca y turbulento para la espiral.

Presión de Funcionamiento. La menor permeabilidad de las membranas de fibra hueca

exige mayores presiones transmembrana para vencer la presión osmótica.

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La presión. A lo largo del tiempo produce una compactación de la membrana que a su

vez reduce el caudal y puede alcanzar hasta 25 %. El paso de agua para las

membranas produce una caída de presión o pérdidas de carga que reduce la presión

neta que se aplica a cada membrana.

Ensuciamiento. Las membranas de fibra hueca son más propensas a ensuciarse u

obstruirse que las espirales.

Zeta Corporation, (2000), el ensuciamiento de membranas es el principal problema que

afecta la operación de los sistemas de ósmosis inversa. Generalmente se previene

cuando se impide que las partículas se depositen sobre las superficies y membranas.

El ensuciamiento es producido por la alteración de la densidad de carga superficial

tanto de las partículas en el fluido como de las superficies húmedas y membranas.

El ensuciamiento suele manifestarse con un aumento en la presión de alimentación

para mantener el flujo del permeado, reducción en el flujo normalizado del permeado,

aumento en el diferencial de presión, aumento en el porcentaje de sales permeadas y

reducción del porcentaje de recuperación, reducción en la calidad del permeado.

Respecto a la limpieza, de las membranas las que ofrecen mayor facilidad en orden de

importancia son: tubulares, espirales, fibra hueca respectivamente.

Rechazo de Sales. Las membranas de fibra hueca suelen tener rechazos inferiores a las

de arrollamiento en espiral. Estas últimas con un 99.5 % de rechazo mientras que las

de fibra hueca no superan el 99.4 %.

III.6.1.2.12 Características de las membranas

Con lo referente al rechazo de iones solo actúa como un filtro para las moléculas que

tienen un peso molecular superior a 200 (Garcia, 2002).

El rechazo de bacterias de los Poros de la membrana es suficiente pequeño para que

su poder de desaparición de la bacteria, virus y pirógenos sea total, y es un método

seguro como esterilizador, para ello es preferible aplicar un tratamiento de desinfección

al agua que será a tratar, pero los virus, bacterias y otros microorganismos que llegan a

las membranas, se depositan sobre ellas y puedan proliferar.

Los compuestos orgánicos solubles de bajo peso molecular como los ácidos orgánicos

y las aminas pasan a través de las membranas en mayor proporción que los iones.

Otras sustancias que originan el color de las aguas son eliminadas en su totalidad. Las

ligninas, los ácidos húmicos y fúlvicos también.

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El rechazo al cloro. Las membranas de Acetato de Celulosa admiten dosis de Cl en

contínuo de hasta 1 ppm.

Las membranas de triacetato de celulosa son algo más resistentes. Sin embargo las

membranas de poliamida no son resistentes al cloro teniendo graduaciones. Las

membranas de arrollamiento en espiral, las de poliamida alifático son destruidas por el

cloro de forma instantánea mientras que las de poliamida aromática solo soportan muy

pequeños de 0.1 ppm en periodos breves.

III.6.1.2.13 Rendimiento de los módulos

La productividad de las membranas esta efectuada por varios factores como: la presión

de trabajo, salinidad del agua de alimentación, temperatura, tiempo de funcionamiento,

recuperación.

La fuga Iónica de una membrana, está afectada por tres factores que son la presión de

trabajo, la concentración de alimentación y la recuperación.

La capacidad de las membranas de ósmosis inversa aumenta en proporción directa con

el incremento de la valencia del soluto. Por tanto, cationes como el magnesio y calcio

(divalentes) son rechazados mas eficazmente que el sodio o potasio (monovalente).

Para mayor detalle de lo que rechazan las membranas se presentan tablas completas

sobre la eliminación de compuestos inorgánicos y orgánicos con ósmosis inversa

(Garcia, 2002).

Tabla 3.5 Porcentaje de rechazo de membranas.

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III.6.1.2.14 Colocación de las membranas

Para Medina, (1999) la producción adecuada del sistema debe colocarse por tanto los

distintos módulos en paralelo. De aquí surgen los distintos tipos de estructuras de

producción en que se colocan las membranas.

Etapa. Las unidades de producción son alimentadas desde una fuente única.

Paso. Son alimentados con los caudales de agua que salen de las membranas de la

primera etapa precisan de otra fuente de energía distinta de la anterior para recuperar

un nuevo caudal.

Simple. Este sistema es demasiado ineficiente solo se usa en instalaciones piloto,

experimentales, para la extracción de jugos o sólidos de gran valor.

Etapa de Salmuera. Es la estructura más frecuente de producción y consiste en una serie

de tubos colocados en paralelo y otros en serie, de forma que la salmuera de los

primeros es utilizada como alimentación de los segundos.

Etapas de producto. Este tipo de instalación se emplea cuando se quiere mejorar la

calidad del agua producto y para ello se pasa de nuevo por otro conjunto de

membranas, utilizando para ello una bomba independiente. Solo se aplican en zonas de

alta salinidad.

III.6.1.2.15 Usos de la ómosis ínversa

Según Cherremisinoff, (1995) debido a su gran versatilidad para eliminar las sales

disueltas (80 a 98 %) su uso se ha ampliado en varios países. La ómosis ha sido

empleada en la industria como un pretratamiento para intercambio iónico.

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La ómosis inversa para tratamiento de agua es mundialmente reconocido como un

sistema eficiente.

Con frecuencias se usan para:

Eliminar todas las sales que producen el agua dura, generando agua pura.

Tratar aguas salobres que contienen muchos sólidos en solución.

El resultado es agua de alta pureza, llamada "permeado" la cual es utilizada en una

gran variedad de procesos, tales como: manufactura de semiconductores y

componentes microelectrónicos, producción de agua purificada para bebidas para

consumo humano; farmacéuticos, medicamentos y otros productos medicinales e

industriales.

III.6.1.2.16 Ventajas de la ómosis inversa

Permite eliminar la mayoría de los sólidos (inorgánicos y orgánicos hasta un 99

%). Así como los materiales suspendidos y microorganismos.

Realiza el proceso de purificación en una sola etapa y de forma contíua.

Es una tecnología muy simple en su utilización, no requiere de mucho

mantenimiento ni personal especializado.

Su campo de aplicación es extenso y aumenta día con día.

La desventaja importante es que no son costeables cuando se emplean para filtrar agua

con pocos sólidos en suspensión y eliminar microorganismos.

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III.6.2 Métodos Químicos

III.6.2.1 Ozonización


Las características Generales del Ozono son:

- Peso molecular ............................................................... 48

- Temperatura de condensación ........................................ - 112 º C

- Temperatura crítica .......................................................... - 12.1 º C

- Temperatura de fusión ..................................................... - 192.5 º C

- Presión crítica .................................................................. 54 atm.

- Densidad (líquido a -182 1 °C) ......................................... 1,572 gr/cm3

- Peso del litro de gas (a 0 1 °C y 1 atm.) .......................... 2,144 gr

- Es 1.3 veces más pesado que el aire.

El ozono es un componente básico del aire limpio, puro y seco, el cual es un compuesto

alotrópico del oxígeno.

Debido a las velocidades de reacción y fuerzas impulsoras, el ozono se ha incorporado,

en diversos países desarrollados del mundo, como oxidante fuerte no sólo para

garantizar la inmunidad de las redes de agua potable respecto de eventuales

patógenos, sino por que remueve orgánicos, oxidándolos, sin generar compuestos

exógenos a la fuente de agua. Un efecto de interés es que la ozonización, en aguas

fuente con microorganismos y materia orgánica mejora el funcionamiento de las

operaciones de floculación, decantación y filtración tanto porque produce la lisis de los

microorganismos como por el efecto de cargas sobre sólidos y materia orgánica.

Ingol y Fether, (1957), han mostrado que la destrucción de las células de E. Coli con

ozono, es mucho más rápida que el cloro, una vez que se ha hecho la demanda inicial

del ozono. Weber, (1979), por su parte señala la reactividad del ozono presenta un

problema en la desinfección de aguas que contengan elevadas cargas de material

orgánico o impurezas inorgánicas oxidables. La descomposición del ozono en el agua

Tesis Profesional

98


presenta un nuevo problema, ya que no permite una protección a largo plazo contra el

nuevo crecimiento del organismos patógenos y/o una recontaminación y obliga a una

posterior cloración de las aguas tratadas con ozono.

A pesar de su gran efectividad no se ha usado en todo el mundo por las plantas de

tratamiento, ya que la razón es que la industria del agua siempre ha estado preocupado

por los costos y se ha tratado de proporcionar agua al costo más bajo posible (DeMers,

1996).

Desarrollo del uso de Ozono a lo largo de la Historia (Rice, 1986):

1785 Von Marum describe un color característico en una máquina electrostática

(descubridor).

1801 Cruikshank percibe el mismo olor en un ánodo.

1840 Sconbein le denomina a la sustancia ozono por la palabra griega ―Ozein‖.

1856 El ozono es utilizado para desinfectar salas de cirugía.

1857 Werner Von Siemens diseña un generador de ozono, de tipo dieléctrico,

cilíndrico, con fines industriales.

1893 Oudshoorn, se construye la primera planta en Holanda.

1906 Niza, Francia, Planta Bon Voyage, ―lugar de nacimiento de la

ozonización en una planta de tratamiento de agua‖.

1940 El ozono es instalado en Whiting, Indiana para el control del sabor y del

olor en el agua potable.

1960 El ozono fue empleado por primera vez como un agente coagulante y

microfloculante.

1970 Comienza la aceptación de las instalaciones de Ozono en Estados Unidos.

1980 Se realizan instalaciones de sistemas de Ozono en albercas, balniarios,

sistemas de calentamiento, bañeras, etc.

Las características que hacen atractivo al ozono para la purificación del agua son:

Elimina color (Holluta, 1963; O’Donovan, 1965);

Elimina gusto y olor (hopf, 1964; Schenk, 1962);

Desinfectante (Stumm, 1958);

Elimina hierro y manganeso (Hooft, 1964);

Oxida el fenol (Eisenhauer, 1968); y,

Oxida el cianuro (Khandelwal et al., 1959; Anon., 1958).

Tesis Profesional

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Viresi, (2000) a su vez por razones de gusto, el agua mineral o el agua potable no debe

contener más de:

- 0.1 mg Fe+/l

- 0.05 mg Mn/l

Si los contenidos anteriores son superiores deberán eliminarse con una filtración

convencional la que disminuirá algo el hierro pero no actua sobre el manganeso, por

ello se debe realizar(Interozone, 2002):

Pre - ozonización: El objetivo principal es la optimización de procesos de

floculación - coagulación, la remoción de fierro y manganeso, y el control de

algas en el agua de la fuente.

Procesos de ozonización intermedia: Esta se produce en etapas posteriores a la

coagulación y previo a la etapa de filtrado en lechos de arena. Lo que se

pretende es la optimización de características organolépticas, ya sea olor, sabor,

color, a la precipitación de fierro y manganeso y al aumento de la

biodegradabilidad de materias orgánicas.

Procesos de post - ozonización: Esta se produce en la etapa final de tratamiento,

vale decir posterior a la filtración y previo distribución. Sus objetivos principales

son la desinfección y el control final de algas.

La oxidación del hierro tiene lugar según la siguiente reacción:

2Fe2+ + O3 + H2O = 2Fe3+ +O2 + 2OH-

Esta oxidación requiere 0.44 mg O3/mg Fe2+ y es muy rápida, sobre todo en presencia

del bióxido de carbón (CO2). La oxidación del manganeso depende mucho de la

cantidad de ozono que hay en la reacción:

2Mn2++2O3 +4H2O = 2MnO(OH)3 +2O2 +4H+

2Mn2++5O3 +3H2O = 2MnO4-+5O2 + 6H+

y las cantidades de ozono serán respectivamente:

0.88 mg O3/mg Mn

2.18 mg O3/mg Mn

Todos estos tratamientos nos garantizan un buen sabor del agua y una desinfección

bacteriológica satisfactoria. Pero está demostrado que es necesaria una

Tesis Profesional

100


postozonización, en algunas ocasiones se necesita un residual de 200 mg O3/ m3 de

agua para garantizar la desinfección no sólo del agua, sino del espacio de aire que

queda entre el agua y la cápsula. Esta acción se producirá por el ozono sobrante que

abandonará el agua. La experiencia nos dice que el agua embotellada tratada de esta

manera aguanta largo tiempo sin contaminación, incluso con residuales mucho

menores al indicado.

Podríamos indicar que si el agua fuese consumida con menos de tres días de

almacenamiento, al destaparla sentiremos un cierto olor a ozono pero la calidad estaría

garantizada.

Es obvio que la ozonización deberá realizarse sobre agua embotellada en vidrio o PET

resistente al ozono, ya que algunos plásticos comunican sabor al agua al soltar trazas

de materia orgánica.

III.6.2.1.2 Propiedades del ozono

a. Físicas

El ozono es un compuesto químico formado naturalmente en la atmósfera, el cual es un

gas incoloro a temperatura ambiente y con un olor muy picante, como el olor que se

puede percibir después de una tormenta eléctrica.

El umbral de percepción del sentido del olfato para el Ozono inicia aproximadamente a

0.01 ppm., Presentando un olor desagradable a concentraciones por encima del 0.1.,

Además de tener un color ligeramente azul a niveles mayores a 5 ppm (Steven,1997).

Sólo en ausencia de materia orgánica el Ozono sigue las leyes de los gases ideales, es

decir, de aquellos que no reaccionan.

b. Propiedades Químicas

Químicamente, el Ozono es una molécula triatómica, la cual pertenece a una de las

cuatro formas alotrópica del Oxígeno, siendo su símbolo químico O3, con un peso

molecular de 47.9982 g/g-mol.

El Ozono es relativamente estable en aire, con una vida media de varias horas a bajas

concentraciones, pero esta vida media cambia significativamente una vez que el Ozono

Tesis Profesional

101


es introducido dentro del agua, donde muchas reacciones químicas pueden suceder,

especialmente con átomos de carbono para producir principalmente CO2.

Esta forma de tres átomos de Oxígeno es relativamente inestable y altamente oxidativa

siendo el cuarto agente oxidante más agresivo conocido (detrás del F2, F2O y radicales

libres de Oxígeno), (ver Tabla 4.6).

A causa de que el Ozono es muy reactivo en un medio acuoso, este puede oxidar

material entre 10 y 1,000 veces más rápido que otros oxidantes usados en el

tratamiento del agua.

Tabla 3.6 Potenciales de oxidación.

REACTIVOS OXIDANTES POTENCIAL DE OXIDACION [V]

Fluor 3.06

Radicales Hidroxilos libres 2.80

Átomo de Oxigeno 2.42

Ozono 2.07

Permanganato 1.67

Ácido Hipobromoso 1.59

Bióxido de cloro 1.50

Ácido Hipocloroso 1.49

Cloro 1.36

Oxígeno 1.23

Bromo 1.09

Hipoclorito 0.94

Fuente: Steven,(1997)

Según Vega (1998) el Ozono es un poderoso oxidante (citoplasmático) que puede

eliminar una amplia variedad de virus, bacterias y otras toxinas, también es capaz de

oxidar Fenoles, pesticidas, residuos de industrias químicas y compuestos aromáticos

más rápida y efectivamente que el cloro, sin la producción de residuos que pueden

resultar peligrosos tanto para el medio ambiente como para la salud del hombre.

El tiempo de vida del Ozono en el agua es muy corto, por lo que no se llegan a obtener

productos indeseables en las reacciones de oxidación, situación que se presenta con el

cloro, ya que cuando se emplea dicha sustancia, se pueden producir compuestos

conocidos como Trihalometanos (THM), los cuales se sospechan son precursores del

cáncer.

Tesis Profesional

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Al utilizar Ozono, el mecanismo de desinfección que se presenta, se relaciona

directamente con la siguiente reacción:

O3 O2+0-2

El Oxigeno obtenido produce una alta energía de oxidación mediante la vía del

mecanismo de radical libre. La oxidación primaria con Ozono ocurre paralelamente

cuando se realiza la transferencia de Ozono a un átomo de Oxígeno. Cuando el Ozono

es disuelto en agua, este puede reaccionar con los contaminantes mediante una de las

dos diferentes formas:

a) Reaccionando directamente con la molécula de Ozono.

b) A través de reacciones indirectas con radicales libres hidroxilos.

En soluciones fuertemente ácidas, principalmente ocurren las reacciones directas pero

por encima de 7 unidades de pH, predominan las reacciones indirectas, Steven, (1997).

III.6.2.1.3 Acciones fundamentales del ozono

De acuerdo con Savazzini, (1974) el Ozono introducido en un ambiente cualquier

realiza tres acciones fundamentales:

Acción Microbicida

Es quizás la propiedad más importante del Ozono y por lo que más aplicaciones se le

atribuyen. Estos seres vivos (microbios) permanecen muchas veces sobre todo tipo de

superficies, en todo tipo de fluidos, o bien flotan en el aire asociados a pequeñas motas

de polvo, minúsculas gotas de agua en suspensión de todo tipo de enfermedades

contagiosas, especialmente en sitios cerrados donde haya número de personas, y el

aire se renueve muy lentamente.

El Ozono debido a sus propiedades oxidantes, puede ser considerado como uno de los

agentes microbicidas más rápido y eficaz que se conoce. Su acción posee un amplio

espectro que engloba la eliminación de:

a) Bacterias (efecto Bactericida)

b) Virus (efecto viricida)

c) Hongos (efecto funguicida)

d) Esporas (efecto esporicida)

Tesis Profesional

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a) Efecto Bactericida.

Es conocido que desde principios del siglo, se empezó a usar para el tratamiento de

agua. Actualmente sirve para el tratamiento de todo tipo de aguas y además se usa

directamente sobre el organismo humano con fines terapéuticos.

Una de las ventajas más importantes del Ozono, con respecto a otros bactericidas

(mata las bacterias) es que este efecto se pone de manifiesto a bajas concentraciones

(0.01 p.p.m. o menos) y durante periodos de exposición muy cortos. Incluso a

concentraciones mínimas de Ozono (del orden de 0.01 p.p.m.) es ya perfectamente

observable un efecto bacteriostático(impide su reproducción).

Según Viresi, 2000, el ozono es el desinfectante más rápido y efectivo que existe, sobre

bacterias de tipo:

a) Escherichia Coli.

b) Streptococos Faecalis.

c) Clostridium.

d) Staphylococcus Aureus, etc.

b. Efecto viricida.

Los virus son pequeñas partículas, hoy consideradas frontera entre los seres vivos y la

materia inerte, que no son capaces de vivir ni de reproducirse si no es parasitando

células a las que ocasiona su destrucción. Los virus son nocivos y provocan

enfermedades como: la gripe, el catarro, el sarampión, la viruela, varicela, rubéola,

poliomelitis, entre otras.

El ozono actúa sobre ellas oxidando las proteínas de su envoltura y modificando su

estructura tridimensional. Al ocurrir esto, el virus no puede anclarse a ninguna célula

hospedera por lo que no puede reproducirse y muere.

c. Efecto funguicida.

Los hongos provocan al hombre enfermedades y otros ocasionan alteraciones en

nuestros alimentos, haciéndolos inaceptables para su consumo como es el caso de los

mohos. El ozono les provoca un daño celular irreversible.

Tesis Profesional

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d. Efecto esporicida.

Existen algunos hongos y bacterias que cuando las condiciones son adversas para su

desarrollo, fabrican una gruesa envoltura alrededor de ellas, y paralizan su actividad

metabólica, permaneciendo en estado de latencia. Cuando las condiciones para la

supervivencia vuelven a su forma normal y su metabolismo recupera su actividad.

Estas formas de resistencia se conocen como esporas y son típicas de bacterias tan

patógenas como las que provocan el tétanos, la gangrena gaseosa, el botulismo y el

ántrax.

Acción Desodorante

Esta acción se emplea generalmente en los grandes locales de uso público para el

tratamiento de ciertos olores de origen industrial. La propiedad del ozono es atacar

directamente sobre la causa (generalmente materia orgánica en suspensión) que los

provoca, y sin añadir ningún otro olor. Además el ozono puede eliminar algunos

compuestos de sulfuro, tales como el sulfuro de hidrógeno, mercaptanos o sulfuros

orgánicos, pueden con el Ozono ser oxidados a sulfatos.

Acción Oxigenante

El ozono, por su poder oxigenante, contribuye a mejorar la eficiencia de las células de

los organismos superiores en cuanto al aprovechamiento del oxígeno disponible,

mediante la estimulación de varias enzimas que intervienen en los procesos.

Destitec Servicio S. L., (2002) el ozono también realiza las siguientes acciones:

Eliminación de los Metales pesados.

El Ozono oxida los metales de transición a su estado de oxidación mas elevado (> 4

ppm), en el que ellos forman usualmente menos óxidos solubles, los cuales entonces

son fáciles de separar mediante una filtración. Algunos de estos metales son: el

arsénico (en presencia del hierro), cadmio, cromo, cobalto, cobre, plomo, manganeso,

níquel, y zinc.

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Eliminación de la Coloración

Generalmente se emplea para esta acción cuando se usan aguas superficiales las

cuales presentan normalmente una coloración producida por elementos orgánicos

naturales, tales como los ácidos húmicos, fúlvicos y tánicos. Para ello es necesario

decolorar el agua con una concentración de 2 a 4 ppm de Ozono.

III.6.2.1.4 Formas de producción del ozono

Martínez y González, (2000) mencionan que el ozono a causa de su inestabilidad, no

puede ser generado y almacenado para un uso en el futuro. Por lo que tiene que ser

generado y usado en el momento. El Ozono producido comercialmente destinado a

reacciones de oxidación, es siempre generado en forma de gas.

El Ozono puede ser formado por los siguientes mecanismos (Vega,1998):

A) Radiación Solar.

B) Electrólisis de Ácido Perclórico.

C) Exposición de Oxigeno a la Radiación Ultravioleta.

D) Corona de Descarga Eléctrica (CD).

Siendo los tres últimos métodos normalmente utilizados para la producción de Ozono,

de los cuales el método de Corona de Descarga Eléctrica (CD) es el único método

práctico para la producción a gran escala del Ozono, aunque únicamente el 10% de la

energía suministrada a un equipo generador de Ozono, es utilizado para obtener

Ozono, mientras que el resto se disipa en forma de calor, luz y ruido.

En el caso de que el ozono sea generado, por ejemplo, por radiación ultravioleta

empleando una lámpara de 185 nm, la máxima concentración de ozono obtenido en

fase gaseosa es aproximadamente de 0.1% peso (Snohomish, 1997).

La producción de ozono, mediante CD, según EDC, (1996) citado por Vega, (1998), es

capaz de producir altas concentraciones de ozono. El principio es el paso de alto

voltaje, alternando con descargas eléctricas a través de una corriente de gas que

contiene oxígeno, provoca la descomposición de las moléculas de oxígeno en oxígeno

atómico. Algunos de estos átomos liberados, pueden reordenarse de tal forma que se

produzca ozono, mientras que el resto vuelve a formar moléculas de oxígeno.

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En la Figura 3.15 muestra un diagrama simplificado de proceso para un generador de

Ozono de tubo vertical, en el cual el agua de enfriamiento está en contacto directo con

el cristal dieléctrico y empleando un electrodo aterrizado.

CORRIENTE ALTERNA

DIELÉCTRICO

AIRE ESPACIO DE OZONO

SECO DESCARGA Y

AIRE

TIERRA

EMF

REFRIGERANTE

ELECTRODO DE ALTO

VOLTAJE

REFRIGERANTE

ELECTRODO DE ALTO

VOLTAJE

Figura 3.15 Esquema de funcionamiento de un generador de ozono. (DEL INDUSTRIES, 1997).

Los electrones son acelerados a través de un intervalo de aire, de tal forma que se le

proporciona la suficiente energía para romper el doble enlace oxígeno-oxígeno,

produciéndose oxígeno atómico. Los átomos de oxígeno que fueron producidos por la

reacción de colisión, reaccionan con otras moléculas de oxígeno biatómicas, para

formar ozono de acuerdo a la siguiente ecuación (Steven, 1997):

3O2 + Energía ----- > 2O3

La cantidad de ozono producido es dependiente de varios factores, como son el voltaje

y la frecuencia de corriente alterna aplicada a las celdas de CD.

La generación de ozono por Corona de Descarga Eléctrica (CD), es una reacción físico-

térmica exotérmica, donde mucha de la energía usada para la generación de ozono es

perdida en forma de calor, por lo tanto la eficiencia de enfriamiento (generalmente

agua) es un factor importante en el diseño del generador.

En contraste, cuando el ozono es generado por Corona de Descarga Eléctrica, se

observa lo siguiente (Steven, 1997):

A) Usando aire ambiental (el aire es aspirado), se obtiene una concentración de ozono

en el rango de 0.15 y 1.0% en peso.

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107


B) Empleando aire seco con un punto de rocio de -45 °C. a -65 °C., se pueden obtener

concentraciones entre 1.0 y 3.0% en peso.

C) Utilizando oxígeno como gas de alimentación (de cilindros o a partir de un

concentrador de 02), se logran concentraciones entre 4.0 y 8.0 % peso.

Cuando se emplea aire ambiental generalmente este contiene humedad y

concentración arriba del 80 % de nitrógeno. Tal situación genera los siguientes

problemas:

1.- Reacciones con el ozono, lo que reduce la producción de ozono por Kw-hr de

energía eléctrica aplicada.

2.- Formación de ácido nítrico y/u óxidos nítricos (los cuales pueden crear olores

desagradables), dando como resultado severa corrosión de algunos componentes del

generador como equipos conductores de flujo o partes eléctricas y electrónicas

localizadas en las áreas de descarga.

Por estas razones se recomienda emplear preferentemente aire seco u oxígeno como

gas de alimentación, el cual produce el doble o triple cantidad de ozono por Kw-hr, que

el aire seco.

Desde su producción el ozono es altamente reactivo, siendo su vida media corta, por lo

que se dificulta su almacenamiento y su transporte. Como consecuencia el ozono es

siempre generado en el mismo sitio de la aplicación para su inmediato uso (Vega,1998).

Descripción de un Generador básico de ozono.

La generación de ozono es lograda por el paso de una corriente alterna con alto voltaje

(6 a 20 kV) a través de un espacio de descarga de un dieléletrico, en el cual se inyecta

aire (ver Figura 3.16). Como el aire es expuesto a la electricidad, las moléculas de

oxígeno se disocian y forman átomos simples de oxígeno, algunos de los cuales se

combinan con otras moléculas de oxígeno y forman ozono. Existen dos diferentes

configuraciones dieléctricas, en placas planas y tubos concéntricos (mayor facilidad

para el mantenimiento) (RGF,1997).

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ELECTRODO

METALICO

GENERADOR GAS

DE (O2 O AIRE)

CORRIENTE DIELÉCTRICO

A.C

ELECTRÓDO

METÁLICO

SECCIÓN A-A

Figura 3.16 Esquema básico de un generador de ozono de tubos concéntricos (www. Rgf.com).

Para optimizar el rendimiento de ozono, deben de prevalecer las siguientes condiciones

(RGF, 1997):

a) Mantener una presión de operación razonable alrededor de 10 a 15 psi para la

mayoría de las aplicaciones.

b) Se debe de usar un material dieléctrico delgado y con una alta constante dieléctrica.

El único material práctico con estas propiedades es alguna variedad de vidrio.

d) La disipación de calor debe ser lo más eficiente que sea posible, ya que la

descomposición del ozono es proporcional con la temperatura.

El voltaje requerido para una eficiente generación de ozono es dependiente de la

frecuencia suministrada a las celdas de generación y al espacio entre el electrodo

activo y el aislador eléctrico.

La mayoría de los generadores de ozono operan a baja frecuencia (50 ó 60 Hz.). Para

estos generadores de ozono, es comun emplear voltajes entre 12 y 20 kV (Steven,

1997).

Los generadores de ozono de baja frecuencia son generalmente bastante silenciosos y

viables, sin embargo, los diseños mas modernos utilizan una frecuencia media arriba de

1,000 Hz, ofreciendo muchas ventajas técnicas y operacionales (AZCO, 1997).

Según Vega (1998) los generadores de ozono de media frecuencia generan mayores

beneficios ya que se puede controlar el voltaje, el tipo de corriente y por lo tanto la

producción de ozono.

Tesis Profesional

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Un sistema típico de producción de ozono por Corona de Descarga Eléctrica, consiste

de cuatro componentes fundamentales (Steven,1997):

1. Unidad de preparación de aire o producción de oxígeno.

2. Generador de Descarga de Corona.

3. Difusor de ozono.

4. Sistema destructor de ozono residual.

En la Figura 3.17. Se muestra el diagrama de flujo de un generador de Ozono típico de

tubos verticales (Steven, 1997).

Figura 3.17 Diagrama simplificado de un generador de ozono.

1. Compresor de aire. 9. Válvula de Alivio de Presión

2. Receptor de Aire. 10. Rotámetro de Flujo de Aire.

3. Prefiltro. 11. Chaqueta de Agua de Enfriamiento.

4.Refrigerante. 12. Unidad Generadora de Ozono.

5.Filtro Soldado de 0.01 u 13.Tubo Dieléctrico.

6.Desecador de Aire (-70°C) 14. Electrodo de Alto voltaje.

7.Filtro para polvos. 15. AL difusor de Ozono.

8.Válvula de Control de flujo. 16. Agua de Enfriamiento empleada como electrodo Aterrizado.

17. Transmisor de alto voltaje. 18. Señal de Control de 4 – 20 Ma.

19. Regulador de Voltaje/ Frecuencia 20. Suministro de 415 V y 50 Hz.

DESECHO DESECHO

AIRE SECO FILTRADO (-70 °c PTO DE ROCÍO)

AGUA DE

ENFRIAMIENTO

AGUA DE

ENFRIAMIENTO

A

I

R

E

Tesis Profesional

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1. Preparación del Aire

La preparación del aire es crítica para la eficiencia y confiable operación de los

generadores de ozono vía CD. La humedad y las partículas de materia tienen un efecto

perjudicial en los electrodos de las celdas de generación y sobre el material dieléctrico,

además de que un aire seco es critico para la exitosa generación de ozono. Si se

emplea oxígeno por razones económicas, el oxígeno no convertido en ozono es

reciclado, una vez seco, al proceso.

2. Solubilidad del Ozono

El ozono es parcialmente soluble en agua. De acuerdo con la Ley de Henry, la

eficiencia de disolución de un gas específico en una fase acuosa está basada en la

presión parcial del gas en particular en el flujo total del gas, así como en la temperatura

de ésta.

Como es de esperarse, la solubilidad del ozono decrece conforme se incrementa la

temperatura del agua. Sin embargo, como una consecuencia de la Ley de Henry, la

solubilidad del ozono se incrementa con los incrementos de la concentración de ozono

en la corriente gaseosa. En aplicaciones prácticas, el ozono no tiene el suficiente

tiempo de contacto para alcanzar las condiciones de equilibrio, resultando menores

niveles de solubilidad que los mostrados en la Tabla 3.7.

Tabla 3.7 Solubilidad del ozono en el agua.

Concentración de Ozono (% Peso)

SOLUBILIDAD DEL OZONO [mg/L]

A 5 °C A 10°C A 15°C A 20°C A 25°C A 30°C

0.001 0.007 0.007 0.006 0.005 0.004 0.003

0.1 0.74 0.65 0.55 0.42 0.35 0.27

1.0 7.39 6.50 5.60 4.29 3.53 2.70

1.5 11.09 9.75 8.40 6.43 5.29 4.04

2.0 14.79 13.00 11.19 8.57 7.05 5.39

3.0 22.18 19.50 16.79 12.86 10.58 8.09

Fuente: Steven, (1997).

3. Difusión del Ozono en el Agua.

Considerando la relativa baja concentración de ozono producido en la corriente del

generador, junto con la limitada solubilidad del ozono gaseoso, el método de difusión

Tesis Profesional

111


del ozono en el agua es de gran importancia. Comúnmente se utilizan difusores de

burbuja fina e inyectores de alta eficiencia ambos resultan prácticos, efectivos y

económicos.

a. Difusores de Burbuja

Los sistemas de difusores de burbuja fina y tanques de contacto son muy usados

debido a su habilidad para operar sin energía adicional, aparte de la compresión inicial

del gas.

Fig. 3.18 Sistemas de tanques de contacto de ozono con difusores de burbuja fina. La última cámara todavía debe tener una concentración de ozono de 0.1 ppm (Deininger, 2000).

Algunas de las ventajas y desventajas de este tipo de difusión de burbujas son

resumidas a continuación (DEL, 1996):

Ventajas

Se alcanzan altas eficiencias (>90%), no obstante esto requiere de múltiples puntos de

inyección, profundas cámaras de contacto y frecuentemente reciclado de gas residual.

Las eficiencias elevadas de difusión no se alcanzan normalmente con tanques de

contacto de paso sencillo o de doble etapa.

El sistema puede ser diseñado para permitir bajas caidas de presión hidráulica a través

de los tanques.

Desventajas

El método de difusión requiere de profundos tanques de contacto para la efectiva

transferencia de ozono (5-7 metros) a obstrucción de los difusores es posible,

Tesis Profesional

112


particularmente cuando el flujo de agua y las dosis de ozono son intermitentes, o

cuando se desea la oxidación de hierro (Fe) y manganeso (Mn).

Es posible la formación de canalizamiento vertical de las burbujas, lo que representa un

efecto negativo en el contacto gas/líquido.

b. Inyector de Alta Eficiencia.

De acuerdo a los estudios de Steven (1997) el inyector puede proporcionar altas

eficiencias de difusión (> 95), no obstante requiere de energía adicional para producir

un vació parcial. Con este diseño el ozono disuelto se mezcla eficientemente con el

cuerpo principal, colocando tanques de contacto para lograr la mayor eficiencia en el

tratamiento del agua (ver figura 3.19).

Ventajas

Dependiendo del tiempo de retención deseado, la profundidad y el volumen del

tanque de contacto/reacción puede ser frecuentemente menores a los requeridos

por los de difusión de burbuja.

Este tipo de sistemas de difusión pueden ser adaptados a cualquier diseño

hidráulico de planta.

Correctamente diseñados, los contraflujos o vórtices de los mezcladores

estáticos proporcionan bajas caídas de presión hidráulicas a la planta.

Desventajas

Se requiere de energía eléctrica adicional para una operación eficiente del

inyector de vació. Estos sistemas no tienen una buena aceptación debido a su

limitada capacidad, del dispositivo de inyección.

Tesis Profesional

113


Figura 3.19 Métodos de difusión de ozono por inyección.

Sin importar el método de difusión del azono en el Agua (Martínez y González, 2000)

indican que los rendimientos de ozono dependerán de los factores siguientes:

1. Geometría y tipo de ozonizador (placa o tubo),

2. Tipo de gas portador (aire u oxigeno),

3. Temperatura,

4. Caudal del gas,

5. Voltaje aplicado,

6. Humedad del gas.

Teóricamente pueden producirse 1058 g de ozono por KW-hr de energía eléctrica. Y en

la mayor parte de los generadores industriales se obtiene un rendimiento de 150 g/KW-

hr, debido a la elevada disipación del calor.

Purschrl, (1982), indica que para generar 4 g de ozono se requiere de un m3 de aire y

una descarga eléctrica de corriente de 8 000 a 20 000.

Por otra parte Martinez y González (2000) señalan que normalmente se requiere de 10

g O3 /m3 aire para obtener 1 g O3/m

3 es decir; 100 lts de aire ozonizado por cada m3 de

agua.

A. Difusión en línea.

B. Inyección.

A.

B

Tanque de contacto

Bomba impulsora de inyección

Inyección de O3

Tanque de contacto

Gas residual

Difusor de Burbuja

Agua

tratada.

Destructor de Ozono

Alimentación de Agua

Válvula de

desfogue de

gas residual

Mezclador estático

Tanque de contacto

Tesis Profesional

114


4. Destrucción del Ozono Residual.

El gas liberado de los contactores de ozono generalmente excede el límite establecido

por la Ocupation Safety and Health Administration (administración de la Seguridad y

Salud Ocupacional, HOSHA) de 0.1 ppm por volumen y consiguientemente el ozono

restante se tiene que reciclar o destruir (Demers, 1996).

La destrucción más simple consiste en la Reacción con Carbón Activado Granular

(CAG). El material empleado es carbón elemental el cual ha sido activado con vapor,

presentándose la siguiente reacción.

6C + 2O3 ----------- > 3CO2 + 3CO

Entonces como el carbón es un poderoso agente reductor, en contacto con el ozono

gaseoso, el carbón es oxidado a monóxido de carbono y bióxido de carbono, resultando

la destrucción de la molécula de ozono. Para las instalaciones donde el oxígeno se

emplea como gas de alimentación, los destructores de ozono por carbón no deben ser

empleados, debido a los peligros de combustión y explosión (Navarro, 1999).

III.6.2.1.5 Ozono vs. cloro

Aunque el cloro es el agente más usado en la desinfección del agua potable, Viresi

(2000) indica que el uso del ozono para este menester ha sido contínuo en Francia

durante los últimos cien años, y posteriormente se ha extendido a Alemania, Holanda,

Suiza y otros países de Europa, y más recientemente en Canadá y EE.UU.

Con el uso del cloro se tiene la formación de compuestos indeseables en las aguas

como:

1) Si las aguas a tratar contienen nitrógeno orgánico o amoniaco libre, se forman

cloraminas que producen olores en el agua y posiblemente sean agentes

cancerígenos.

2) Si las aguas contienen pequeñas cantidades de fenoles se forman, por adición de

cloro los denominados clorofenoles que producen en el agua olores y sabores

medicamentosos tan desagradables, que a concentración de 0,01 mg/l la hacen

inaceptable para el consumo.

Tesis Profesional

115


3) Si el agua es portadora de materia orgánica adecuada, habrá formación de

componentes clorados tales como los PCB'S (bifenilos policlorados) que tienen un

probado carácter cancerígeno, y cada vez son más frecuentes.

4) Formación de los trihalometanos (THM) en aguas potables al ser tratadas con

cloro. Estos son compuestos orgánicos potencialmente cancerígenos.

VVeennttaajjaass ddeell OOzzoonnoo vvss CClloorroo eenn llaa ddeessttrruucccciióónn ddee bbaacctteerriiaass yy vviirruuss::

Bringman observó que 0,1 mg/l de cloro requiere 4 horas para eliminar

6x104 células de E. Coli en agua, mientras que 0,1 mg/l de ozono necesita

únicamente 5 segundos.

Kessel encontró que para desinfectar un agua que contiene virus de la

poliomielitis con 1 mg/l de cloro se necesitaban 2 horas, y con sólo 0,05 mg/l

de ozono bastaban únicamente 2 minutos.

El ozono tiene un poder de desinfección de 300 a 3000 veces más rápido que el cloro

(Viresi, 2000).

A continuación se muestra una tabla con la comparación del uso de ozono y cloro en la

potabilización del agua.

Tabla 3.8 Propiedades del ozono durante el empleo en aguas para potabilizar.

Comparación de la acción del cloro y del ozono en la potabilización de las aguas

ACCIÓN CLORO OZONO

Olor Desagradable en el agua Ninguno

Sabor Desagradable en el agua Ninguno

Color Hacia el amarillo Incoloro

Poder oxidante Bueno Inferior sólo al flúor

Actividad antiviral Prácticamente ninguna Elevada

Actividad antibacteriana Muy variable de especie a especie

Capacidad de actividad antibacteriana muy elevada

Actividad destructiva contra los helmintos Leve Elevada

Actividad destructiva contra algas y protozoos Leve Elevada

Actividad destructiva contra hongos Leve Elevada

Actividad destructiva contra esporas y quistes Leve Elevada

Tesis Profesional

116


Continuación...

Actividad destructiva contra micro-contaminadores: hidrocarburos, fenoles, detergentes, sustancias colorantes, pesticidas

Desde ninguna a leve Elevada

Actividad contra moléculas orgánicas desagradables: olor y sabor

Ninguna Elevada

Mecanismo reacción producción intermedia Oxidación indirecta con producción de cloro fenoles ...

Oxidación directa con oxigenación del agua

Fuente: (http://www.chilnet.cl/interozone/Tratam~1.htm)

III.6.2.1.6 Ventajas y desventajas

InterOzone, (2002) el uso del ozono es uno de los esterilizantes más eficaces que

existen para aguas tratadas o naturales de mediana y buena calidad, ya que actúa

como agente bactericida, viricida y alguicida.

Frente a los inconvenientes del cloro, el ozono no forma productos que pueden

considerarse como cancerígenos ni produce sabores u olores al agua, sino que elimina

las posibilidades carcinógenas y elimina los sabores del agua, Gray (1999).

Agua Crystalinn, (2002), usualmente el ozono se aplica al agua justo antes de

envasarse como paso final de tratamiento, de manera que en el sellado del producto

estéril, en el envase todavía hay un residual de ozono, lo cual desaparece en cuestión

aproximada de una hora.

Ventajas.

Elimina el color causado por el hierro o manganeso o la materia carbonosa,

los sabores y olores debido a la presencia de materia orgánica.

Reduce la turbiedad, el contenido en sólidos en suspensión y las demanda

química (DQO) y biológica (DBO) de oxígeno.

Si no hay posterior recontaminación, el ozono residual es suficiente para

efectuar una desinfección común.

El ozono disuelto en agua no irrita la piel, nariz u oídos, además que no

reseca o deja una película de químicos sobre la piel. Ya que puede ser

detectado por el hombre mucho antes de que llegue al estado tóxico.

No produce en el agua aumento en el contenido de sales inorgánicas ni

subproductos nocivos (no afecta el balance del pH).

http://www.chilnet.cl/interozone/Tratam~1.htm

Tesis Profesional

117


El agua ozonizada puede utilizarse para el enjuague final de envases como

medida adicional de protección del producto terminado. Además protege

contra reinfección del agua por envase o el tapón.

No requiere de manejo de productos químicos.

Desventajas.

Altos costo en: los equipos, operación (energía eléctrica

El ozono realiza una desinfección solo si se ha realizado una buena

depuración y clarificación del agua.

Puede formar otros subproductos perjudiciales, entre los que destacan los

bromatos y aldehídos.

Las razones por las que no se ha utilizado el ozono en los EE.UU., para el

suministro de agua pública, ha sido el costo de inversión del equipo y el

hecho de que se proporciona una protección contra los contaminantes y se

debe utilizar una cloración Weber, (1979).

Puede formar óxido nítrico ó ácido nítrico, que causaran corrosiones en los

equipos.

III.6.2.1.7 Factores ambientales y de seguridad

En la siguiente tabla se muestran los niveles seguros de ozono más comunes y los

limites establecidos por diferentes agencias.

Tabla 3.9 Rango de ozono permisible.

O.3 (PPM) Observaciones

0.11 (100 pts. IMECA) Límite establecido para la calidad del aire en México, en una hora una vez al año, en un periodo de tres años.

0.121 Límite establecido por la Enviromental Protection Agency (EPA) para la calidad del aire ambiental en las ciudades.

0.10 Límite para exposiciones por 8 horas sin efectos colaterales establecidos por la American Conference of Governmental Industrial Hygienists.

Tesis Profesional

118


Continuación.

0.05 Limite para generadores de ozono clasificados como aparatos médicos establecido por la Food Drug Administration (FDA).También se usa un valor limite de ozono para precipitadores electrostáticos (Underwriters Laboratory).

0.03-0.06 Valor frecuentemente medido en las Ciudades.

0.01-0.015 Umbral de percepción olfativa para la mayoría de la gente.

0.005-0.01 Valor medido en aire fresco de campo.

Fuente: Sutton y Del Industries, (1993).

Al ser el ozono un oxidante fuerte, puede producir trastornos en los tejidos humanos y

particularmente en los ojos y pulmones. Por lo que para evitar esos problemas se han

establecido unos limites para los ambientes de trabajo que se exponen en la tabla 3.10.

Tabla 3.10 Tiempo de exposición del hombre, en ciertos niveles de concentración de ozono.

LIMITE EXPOSICIÓN

0,01 - 0,05 ppm

1 ppm

3 ppm

0,1 ppm

Olor detectable

8 minutos

15 minutos

8 minutos

Fuente: (http://www.aguapotable.netfirms.com.com/ozoniz2.html).

III.6.2.1.8 Aplicaciones

Tanto el cloro como el ozono son oxidantes, la desinfección utilizando cloro se lleva a

cabo por la oxidación de los grupos aminoácidos de las células bacteriales y de las

cápsulas proteínicas de los virus. Y el mecanismo de desinfección del ozono es la

oxidación citoplasmática completa de los virus y bacterias.

El ozono tiene una eficiencia rápida para desactivar los virus. Bajo condiciones

controladas el 99 % de los polivirus, pueden ser destruidos con 0.1 mg/l de ozono

residual en 10s. La misma concentración de cloruros requiere de 10 min.

http://www.aguapotable.netfirms.com.com/ozoniz2.html

Tesis Profesional

119


A continuación se entrega un listado con los campos de aplicación del ozono más

comunes:

Potabilización del agua.

Tratamiento de aguas residuales.

Aire al interior de edificios

Desinfección de agua en la

industria embotelladora (agua de

proceso y lavado de envases).

Acuicultura

Conservación de productos.

Plantas faenadoras y

procesadoras de carnes.

Procesado de verduras.

Invernaderos.

Agua ultrapura.

Criaderos de animales (control

microbiológico y de olores).

Piscinas comerciales

Uso del ozono en la industria embotelladora

El agua a ser empleada en la formulación de bebidas y otros productos, una vez

purificada, es dosificada con ozono hasta obtener los niveles residuales requeridos para

su completa desinfección. En el caso del agua purificada que será envasada sin

gasificar, el mantener un residual de ozono en el momento de su envasado, permite

que las botellas y las tapas estén libres de microorganismos. Incluso después de

muchos años de almacenaje, esta agua tendrá el mismo sabor tan fresco como el

primer día en el que fue envasada. Los procedimientos para alcanzar estos objetivos

son simples y fáciles de obtener en las condiciones normales de trabajo. El agua

ozonificada es empleada para el enjuague de botellas, a fin de asegurar la ausencia de

microorganismos previo al envasado (Bio Light, 2002).

Tesis Profesional

120


III.6.2.2 Cloración


En 1846, el doctor Ignaz Semmelweis instituyó un procedimiento de desinfección que

requería que los médicos se lavasen con jabón y agua de cloro. Uno de los primeros

usos conocidos del cloro para la desinfección del agua se dio en 1854, cuando el Dr.

John Snow intentó desinfectar el abastecimiento de agua de bombas de la calle Broad

en Londres después de un brote de cólera (Keith, 2001).

La filtración y la desinfección con cloro del agua potable han sido responsables del 50%

de aumento de la expectativa de vida en los países desarrollados durante el siglo XX.

El principal objetivo de la cloración es la destrucción de gérmenes, dado su gran poder

bactericida, pero no debe olvidarse que su elevado poder oxidante origina otros efectos

también muy importantes, como pueden ser la contribución a la eliminación del hierro y

manganeso, eliminación de sulfhídrico, sulfuros y otras sustancias reductoras,

reducción de sabores existentes antes de la cloración o bien producidos por los

compuestos de adición formados por el cloro, impedir el crecimiento de algas y otros

microorganismos que interfieren en el proceso de coagulación-floculación y filtración,

mantener los lechos filtrantes libres de posibles crecimientos de bacterias anaerobias,

reducción del color orgánico, etc. (netfirms, 2000).

III.6.2.2.2 Factores que influyen en la cloración

Naturaleza, concentración y distribución de los organismos que se van a

destruir, concentración y distribución de la sustancia desinfectante y de los

productos de su reacción con el agua, además de las sustancias disueltas o en

suspensión presente en el agua.

Naturaleza y temperatura del agua objeto del tratamiento.

Tiempo de contacto entre el cloro y el agua.

pH del agua.

http://aguapotable.netfirms.com/cloracion.htm#Factores que influyen en la cloración

Tesis Profesional

121


La exposición del cloro parece causar alteraciones físicas, químicas y bioquímicas en la

pared de la célula. Por lo tanto, destruye la barrera protectora de la célula, con lo que

concluyen las funciones vitales y da lugar a la muerte del microorganismo. (sitio Web

Scientific American, 1998 citado por Keith, (2001)

A partir de 0.1 a 0.2 ppm de cloro libre residual en el agua, ya se percibe sabor,

percibiéndose antes cuanto mayor sea la dureza y temperatura del agua (netfirms,

2000).

En agua con presencia de sustancias orgánicas, la acción desinfectante del cloro es

menor. Las bacterias y virus pueden quedar protegidos de la acción del cloro por los

sólidos suspendidos en el agua; de aquí que la eficacia de la cloración se vea

aumentada mediante la subsiguiente filtración y una posterior esterilización.

Respecto a la temperatura, la eficacia de cloración aumenta al aumentar aquélla,

naturalmente siempre que las demás condiciones permanezcan invariables.

El tiempo de contacto es otro factor importante a tener en cuenta, ya que durante este

tiempo tienen lugar las reacciones entre el cloro y el agua y las sustancias en ella

presentes. El tiempo de contacto mínimo suficiente para una cloración eficaz es, a su

vez, función de la temperatura, pH, concentración y naturaleza de los organismos y

sustancias presentes en el agua, así como de la concentración y estado en que se halle

el cloro. Como mínimo, el tiempo de contacto deber de ser de diez a quince minutos

(netfirms, 2000).

Para que la acción de un desinfectante sea eficaz, hay que mantener una determinada

concentración del desinfectante durante un período de tiempo, es decir, la expresión de

C. t., representaría la concentración del desinfectante final en mg/l (C) durante el tiempo

mínimo de exposición en minutos (t). La expresión que nos muestra el efecto de la

concentración del desinfectante sobre la velocidad de destrucción de bacterias, se

expresa más correctamente por Cn. t = Constante (netfirms, 2000). El exponente n para

el cloro varía entre 0.5 y 1.5, dependiendo de la temperatura y del pH.

El pH juega un papel de suma importancia, el poder bactericida del cloro es menor para

un pH superior a 7, que para otros valores de pH más bajos a éste (netfirms, 2000).

III.6.2.2.3 Reacciones del cloro en el agua

Al reaccionar el cloro con el agua, que son reacciones de hidrólisis, se originan ácidos

hipocloroso y clorhídrico:

http://aguapotable.netfirms.com/cloracion.htm#Reacciones del cloro en el agua

Tesis Profesional

122


Cl2 + H2O ClOH + ClH

El ácido clorhídrico es neutralizado por la alcalinidad del agua y el ácido hipocloroso se

ioniza, descomponiéndose en iónes hidrógeno e iónes hipoclorito:

ClOH H+ + ClO -

La constante de ionización del anterior equilibrio es:

Ki

ClOH

ClOH

(3.42)

Tabla 3.11 La constante de ionización Ki varía con la temperatura.

Temperatura °C

0 5 10 15 20 25

Moles / l Ki 1.5* 10 -8

1.5*10 -8

2.0*10-8

2.2*10 -8

2.5*10-8

2.7*10-8

Fuente: netfirms, (2000).

La constante de hidrólisis de la reacción (1) es de tal orden que no existe en el agua una

concentración apreciable de Cl2 a no ser que la concentración de H+ sea elevada, es

decir, que el pH del agua sea bajo, menor de 3, y haya una concentración total de

cloruros mayor de 1 mg / l.

A las temperaturas ordinarias del agua, la hidrólisis del cloro es prácticamente completa

en algunos segundos y la ionización del ácido hipocloroso es una reacción reversible

instantánea. El sentido de esta reacción, es fácil ver que se encuentra dirigido por la

concentración de iónes hidrógeno, es decir del pH. Por tanto, se puede decir que según

sea el pH del agua, se obtendrán unos porcentajes diversos de ClOH y CIO-,

porcentajes que pueden calcularse mediante la ecuación 3.42 y la tabla anterior en la

que figuran los valores de Ki partiendo de la relación:

ClOH

ClO

ClOClOH

ClOH1/1 (3.43)

Tesis Profesional

123


Y deduciendo de la ecuación 3.42:

H

Ki

ClOH

ClO

sustituyendo en 3.43, resulta:

H

Ki

ClOClOH

ClOH1/1

III.6.2.2.4 Demanda de cloro

Al incorporar el cloro al agua, reacciona con las sustancias que ésta contiene,

quedando menos cloro en disposición de actuar como desinfectante. Entre estas

sustancias destacan el manganeso, hierro, nitritos, sulfhídrico y diferentes materias

orgánicas, las cuales, además de consumir cloro, producen compuestos orgánicos

clorados que pueden ser la causa de olores y sabores desagradables. Otra sustancia

presente, a veces, en el agua y que reacciona de una forma muy particular con el cloro

es el amoníaco. En este caso se forman compuestos denominados cloraminas, las

cuales poseen poder desinfectante, aunque en menor grado que el cloro (netfirms,

2000).

Una vez formados los diversos derivados orgánicos del cloro y las cloraminas, llegan a

destruirse mediante la adición de más cloro, formándose otros compuestos que no

suministran cloro residual. Cuando se han destruido estos compuestos clorados,

comienza a aparecer el cloro residual libre, y a medida que se añade cloro al agua

aumenta la concentración de cloro residual libre, pudiendo subsistir a la vez una pequeña

concentración de cloro residual combinado, debido a compuestos que no han sido

destruidos totalmente. Se considera que cuando el 85 % ó más del cloro residual del

agua está en forma libre, la desinfección se ha realizado al breakpoint (netfirms, 2000).

El control perfecto de la desinfección, se efectúa mediante los correspondientes

exámenes bacteriológicos del agua, pero para un control más rápido del contenido en

cloro libre y combinado de un agua tratada, se determina la concentración de cloro

residual mediante el método del DPD, o bien por yodometría y valoración con tiosulfato

sódico; también en instalaciones importantes suelen emplearse instrumentos

automáticos de medida permanente, mediante determinaciones colorimétricas o

determinaciones amperométricas (netfirms, 2000).

Tesis Profesional

124


III.6.2.2.5 Cloro residual en la red de distribución

El consumo de cloro en el agua de una red de distribución se debe, por una parte, al

consumo del cloro por la propia agua (sustancias presentes en ella y otras condiciones

físicas) y por otra, al consumo que se produce en la interfase con las paredes de las

conducciones (netfirms, 2000).

Para un agua correctamente pretratada, se debe mantener una concentración de cloro

en el tiempo (C. t.) del orden de 15 mg. min. /l. A título de ejemplo comparativo, se

muestran valores C. t. para diversos desinfectantes (netfirm, 2000):

Cloro = 15 (0.25 mg/l. durante 60 minutos)

Ozono = 1.6 (0.40 mg/l. durante 4 minutos)

ClO2 = 10 (0.30 mg/l. durante 33 minutos)

Monocloramina = 100 (0.80 mg/l. durante 120 minutos)

III.6.2.2.6 Desinfectantes con contenido de cloro

Cloraminas. En este proceso se agrega amoníaco y compuestos de cloro a una planta

de filtración de agua. Cuando se controla adecuadamente, la mezcla forma cloraminas.

Éstas se usan comúnmente para mantener un residuo en el tratamiento de distribución

del sistema posterior con un desinfectante más potente, como el cloro libre (White, 1986

citado por Keith, 2001).

Dióxido de cloro (ClO2). El dióxido de cloro se genera en las instalaciones de

tratamiento de agua. La popularidad del dióxido de cloro como un desinfectante de

agua aumentó en los años setenta cuando se descubrió que no promovió la formación

de THM (White, 1986 citado por Keith, 2001). Los iónes clorito y clorato pueden

formarse significativamente por desdoblamiento del ácido cloroso en aguas débilmente

alcalinas. Holluta y Haberer (1977) citados por González y Martínez (2000), han

indicado que al eliminar los compuestos clorofenólicos, que producen gusto por el

dióxido de cloro se forman cloroquímicos.

Tesis Profesional

125


III.6.2.2.7 Elección del desinfectante residual

Tabla 3.12 Desinfectantes de agua potable a simple vista.

Desinfectantes Eficacia de desinfección

Mantenimiento de residuos

Estado de información en la

química del subproducto

Remoción de colores

Remoción de olores comunes

Cloro Bueno Bueno Adecuado Bueno Bueno

Cloraminas Pobre Bueno Limitado Inadmisible Pobre

Dióxido de cloro

Bueno Inadmisible Adecuado Bueno Bueno

Ozono Excelente Inadmisible Limitado Excelente Excelente

Radiación Ultravioleta

Acertado Inadmisible Nulo N/A N/A

Fuente: Trussell, R. Rhodes, Control Stategy 1: Alternative Oxidants and Disinfectants. (1991)

citado por Keith, (2001).

Aunque no hay un desinfectante perfecto, el más adecuado y la cantidad a aplicar

dependerá de las condiciones y circunstancias locales que al fin nos lleve a disponer de

un agua con el más bajo olor y sabor al desinfectante y subproductos derivados de él, a

la vez que se consiga la mayor efectividad de desinfección (netfirms, 2000).

III.6.2.2.8 Equipos de cloración

En condiciones normales de temperatura y presión el cloro es un gas de color amarillo

verdoso de olor penetrante. Es extremadamente reactivo, por lo que en la naturaleza no

lo encontramos en estado puro sino combinado, formando mayoritariamente sales

metálicas, de las cuales la más abundante es el cloruro sódico. El cloro se obtiene en el

proceso de electrólisis de la sal (clorosur, 1999).

El cloro que se emplea en las instalaciones de cloración, en estaciones de tratamiento,

suele suministrarlo la industria en botellones de 50 kilogramos y tanques o bidones de

1000 kilogramos, en los cuales el cloro está a presión en fase líquida en equilibrio con

la parte gaseosa (netfirms, 2000).

Tesis Profesional

126


Los cloradores o clorómetros, a donde llega el cloro gas que sale de los evaporadores

(o directamente procedente de los contenedores en el caso de pequeñas instalaciones,

que no requieren evaporador), regulan la cantidad de cloro a dosificar. El principio de

funcionamiento de los cloradores se basa en la transmisión del vacío creado por la

circulación de agua a través de un inyector a una válvula diferencial, que mantiene una

presión diferencial constante en un regulador de caudal, con válvula de orificio de

sección variable, para regular el caudal. Por su parte, el cloro a presión llega a una

válvula reguladora de presión, hasta quedar a una presión inferior a la atmosférica, y de

aquí a un rotámetro para medir el caudal. El cloro pasa a la válvula de presión

diferencial y a continuación al inyector, donde se mezcla con una corriente de agua

auxiliar, obteniéndose un agua fuertemente concentrada (entre 1 y 3 gr/l) que es la que

se envía al agua objeto de la cloración (netfirms, 2000).

Conocidas las concentraciones de Fe, Mn, nitrito, amonio y DQO-Mn se puede estimar

aproximadamente la dosis de cloro requerida por un agua. En el orden práctico, según

netfirms (2000) aguas brutas de buena calidad suelen presentar demandas de cloro

inferiores a 4 - 5 g/m3, aguas de calidad media (contenidos moderados de Fe, amonio y

DQO-Mn) requieren hasta 10 - 12 g/m3, mientras aguas de mala calidad exhiben

demandas de cloro superiores a 20 g/m3.

III.6.2.2.9 Protección de la salud pública

Los agentes patógenos transmitidos por el agua que causan las enfermedades se

agrupan en tres clases generales: bacterias, virus y protozoos parasitarios, cada una

con diversas especies identificadas. Las bacterias y virus contaminan las aguas

superficiales y las subterráneas, mientras que los protozoos parasitarios aparecen

predominantemente en el agua superficial (Tardiff, 1993 citado por Keith, 2001).

Tesis Profesional

127


Tabla 3.13 Agentes patógenos transmitidos por el agua.

Bacterias Virus Protozoos

Campylobacter Escherichia coli Salmonella (no tifoidea) Shigella Yersinia Vibrio (no cólera) Salmonella (tifoidea) Vibrio (cólera) Legionella

Norwalk-like

Entero (poliomielitis, coxsackie,

echo, rotavirus)

Hepatitis A Rotavirus

Cryptosporidium parvum Giardia lamblia Entamoeba histolytica

Las bacterias y protozoos generalmente inducen a trastornos gastrointestinales con una

intensidad muy variable. Las bacterias también causan enfermedades potencialmente

mortales como tifoidea y cólera. Los virus causan graves enfermedades como la

meningitis aséptica, encefalitis, poliomielitis, hepatitis, miocarditis y diabetes (Payment,

1993 citado por Keith, 2001). Además, los trastornos gastrointestinales pueden

atribuirse a microorganismos no identificados o no especificados

Según la Organización Mundial de la Salud, la desinfección con cloro es aún la mejor

garantía del agua microbiológicamente potable (Oficina Regional de la OMS para

Europa, Drinking Water Disinfection), citado por Keith 2001.

III.6.2.2.10 Subproductos de desinfección

Un informe publicado en 1994 por la Sociedad Internacional de Legislación de

Toxicología y Farmacología declaró que "la reducción de la mortalidad debido a

enfermedades infecciosas transmitidas por agua, atribuida en gran parte a la cloración

de abastecimientos de agua potable, parece exceder cualquier riesgo de cáncer teórico

(tan bajo como 0) presentado por las cantidades de minutos de productos químicos

orgánicos clorados que se encontraron en las aguas potables desinfectadas con cloro"

(Coulston y Kolbye, 1994 citado por Keith 2001).

Uno de los mejores métodos para controlar los subproductos de desinfección (SPD) de

cualquier proceso de desinfección es eliminar los precursores orgánicos antes de la

desinfección. Otros métodos convencionales incluyen el cambio del punto de cloración,

usando cloramina en el sistema de distribución y disminuyendo la tasa de alimentación

Tesis Profesional

128


de cloro, aunque esto pueda conducir a aumentos inadmisibles del riesgo microbiano.

Un informe del Comité de Calidad del Agua de la American Water Works Association

(AWWA) identificó procedimientos eficaces para reducir la formación de trihalometanos

(THM) de la siguiente manera (AWWA, 1991 citado por Keith 2001):

Coagulación y clarificación. La mayoría de las plantas de tratamiento optimizan su

proceso de coagulación para remover la turbiedad (partículas). Sin embargo, se pueden

optimizar los procesos de coagulación para remover naturalmente las sustancias

orgánicas. Los precursores se eliminan cuando el alumbre o sales de hierro se usan

como coagulantes para el control de turbiedad. La remoción adicional de precursores se

logra generalmente al reducir el pH antes de o durante el agregado de estos

coagulantes.

Adsorción. Los procesos de adsorción se han usado con éxito en algunas aplicaciones

para extraer el material de desinfección del precursor del subproducto. El carbono

activado puede proporcionar adsorción. Se ha realizado una significativa investigación

para determinar la capacidad disponible de carbono activado para las sustancias

orgánicas disueltas y para los micro-contaminantes específicos. Tanto el carbono

activado granular como el carbono activado en polvo cumplen esta función.

Tecnología de membrana. Las membranas se han usado desde hace mucho para

desalmar las aguas salobres. El proceso usa la presión hidráulica para forzar al líquido

a pasar a través de una membrana semipermeable. Se ha demostrado que con esta

tecnología se remueven con éxito los precursores de THM. En el informe de la AWWA

se señala que los procedimientos de la membrana "eliminan efectivamente los

precursores del producto finalizado (agua potable), lo que la convierte en una opción

prometedora para el control futuro de THM y otros subproductos de desinfección".

Tesis Profesional

129


IIVV.. MMaatteerriiaalleess yy MMééttooddooss

IIVV..11 LLooccaalliizzaacciióónn GGeeooggrrááffiiccaa

La Universidad Autónoma Chapingo, se encuentra a 38.5 Km. de la Ciudad de México,

dentro de las coordenadas geográficas 19°29’ 05‖ latitud norte, 98°53’11‖ longitud oeste

y una altitud de 2240 msnm.

El Campus cuenta con una Preparatoria Agrícola (única en su tipo), 21 especialidades

de nivel licenciatura, doce Departamentos y 11 posgrados.

IIVV..22 CClliimmaa

Se presenta un clima templado semiseco con lluvias en verano ―C(w0)‖, la temperatura

media anuales es de 15 °C con una media máxima de 37 °C y una media mínima de 11

°C, con una precipitación media anual mayor a 800 mm.

IIVV..33 EEssttuuddiioo ddee MMeerrccaaddoo

IV.3.1 Perspectiva de las Aguas Embotelladas

La guerra de las aguas embotelladas es ya un hecho en México. Miles de empresas

purificadoras, ―pseudo-purificadoras‖ o simples ―llenadoras‖, saturan el mercado

nacional y ofrecen sus productos al mejor postor, convirtiéndose en una supuesta

alternativa al sistema de agua potable. Sin embargo, cerca del 85% de estos negocios

no cuentan con la infraestructura y los controles sanitarios necesarios para garantizar la

higiene y la seguridad que los consumidores merecen (Mundo Ejecutivo, 1996 citado

por Delta, 2001).

Tesis Profesional

130


A pesar de ser una industria que genera 300 mil empleos y que ha realizado

inversiones millonarias estimadas en más de 6,350 millones de pesos (provenientes

únicamente de una tercera parte de las empresas que conforman el sector), el agua

purificada se ha convertido en un negocio sencillo para quienes a costa de la salud e

incluso, de la vida de los consumidores, obtienen importantes utilidades. Así, el Distrito

Federal y el Área Metropolitana son las principales zonas del país que enfrentan el

problema de la ―infección embotellada‖. En esta región, en la que habitan mas de 20

millones de personas, operan las principales empresas dedicadas a la fabricación y

embotellado de agua purificada, pero la mayor parte de ellas no cumple con las normas

mínimas de higiene y pureza del líquido, ni con controles sanitarios en el manejo de los

recipientes que día con día llegan a millones de hogares capitalinos, sin contar que otro

tanto de empresas trabajan en la clandestinidad o con patentes ―piratas‖ (Mundo

Ejecutivo, 1996 citado por Delta, 2001).

En un estudio realizado por la PROFECO en ocho ciudades del país con 29 muestras

se tuvo la siguiente tabla 4.1 (Lobato,1995):

Tabla 4.1 Estudio de PROFECO a aguas purificadas en ocho ciudades del país.

Calidad Microbiológica

Estado # Muestra Nacional Importada Buena Mala

Acapulco 2 2 1 1

Cancún 5 5 2 3

DF y Zona Conurbada 5 4 1 3 2

Guadalajara 2 2 2

Monterrey 7 7 5 2

Durango 2 2 2

Pachuca 1 1 1

Tijuana 5 4 1 1 4

Fuente: Calidad de filtros, Desinfectantes de Agua y Aguas envasadas.

De las cuales el 41 % es de mala calidad; y el 7 % se importa.

En otra investigación reciente por la Universidad de Guadalajara, de 200 muestras (100

garrafones cerrados y el resto abiertos) de agua de garrafón de diferentes marcas

comerciales, se encontró que el 32 % de los garrafones cerrados no cumple con la

NOM-041. Además el 3 % de ellos contenía Aeromonas. En muestras que si cumplían

con la norma se aísla un 6 % de positivos de Aeromonas, se obtuvieron a partir de

muestras que si cumplían con la NOM-041. Por otra parte los resultados de muestras

Tesis Profesional

131


de agua obtenidas de garrafones abiertos en uso intra domiciliario, rebasan los

parámetros referidos en un 74 %. Del 37.8 % de positivos a Aeromonas, el 3.8 %

corresponde a muestras que si cumplían con los parámetros de la NOM-041

(Rodríguez, 2000).

De hecho, es evidente que las condiciones de suministro de agua a la población son, en

parte, las razones de la proliferación de las plantas purificadoras.

El surgimiento de enfermedades como el cólera ha propiciado también que las

autoridades federales excedan sus dosis de cloro en el líquido, lo cual representa un

contaminante más, sin considerar que el cloro deja mal sabor y olor en el agua (Lobato,

1995).

IV.3.2 Crecimiento del Mercado de Agua Puricada

El incremento de las ventas de esta industria supera en 20% la comercialización de

refrescos embotellados y envasados en el país, lo que denota su acelerada expansión.

Asi en los últimos 10 años, se ha registrado un crecimiento de esta actividad de entre

15 y 20 por ciento, Ezquer,(1996). En el año 2001 el incremento fue del 22 por ciento a

nivel nacional (Ramírez, 2002).

Para el año de 1996 de las empresas purificadoras solo 100 aceptaron ingresar al

programa denominado ―Agua Purificada de Calidad Certificada‖, avalado por la firma

NORMEX (Ezquer, 1996).

El mercado del agua embotellada representa una producción nacional de 1,440

millones de garrafones anualmente; en el DF se consumen diariamente 500 mil

garrafones, 150 mil en Jalisco y 36 mil en Puebla. El consumo per cápita nacional de

agua embotellada, de acuerdo con cifras de la Asociación, es de 0.72 litros por día. Es

así como de la producción total, el 90% se distribuye en garrafones con capacidad de

19 litros. El restante 10% se entrega en diversas presentaciones (Mundo Ejecutivo,

1996 citado por Delta, 2001).

Tesis Profesional

132


IV.3.3 Disponibilidad de la Materia Prima e Insumos de

Producción

El recurso principal para el proyecto lo constituye el agua, para ello conlleva a la

revisión de la ley de aguas nacionales, originada por él artículo 27 de la Constitución

Política de los Estados Unidos Mexicanos.

Para una mayor conveniencia, la materia prima que se procesara proviene de los

mantos freáticos y/o ríos subterráneos. De alguna otra manera como es el caso de

lagos o ríos que ya no dispone este lugar, ocasionaría en el proceso una calidad no

homogénea y una contaminación variable en el producto.

La Universidad cuenta con cuatro pozos para sus diversas actividades, sin mencionar

los ocupados para riego. Tres de ellos están conectados superficialmente mediante

tuberías, lo cual implica que no existe un problema para la selección de la fuente de la

materia prima ya que en el momento de no funcionar uno de ellos estarán disponibles

los dos restantes. El otro lo dispone el Departamento de Sociología para su propio uso.

Uno de los aspectos más relevantes es que la calidad del agua que se extrae

diariamente para los servicios de dicha institución es de buena calidad, con un buen

grado de potabilidad, y mediante un proceso se puede lograr un alto grado de pureza

para el consumo humano, sin que esto represente el manejo de tecnologías demasiado

caras.

Al verificar los resultados del análisis fisicoquímico y compararlos con los datos de las

normas mexicanas se observa que el sitio provee de materia prima de muy buena

calidad con requerimientos mínimos de purificación, ver tabla 4.2.

Tabla 4.2 Datos comparativos de la NOM-041 y el análisis de agua realizado.

PARAMETRO NOM-041 SSA1-1993 ANÁLISIS POZO (Yucateco)

Alcalinidad 300 ppm 202.66 ppm

Sol. Totales 500 ppm 356 ppm

pH (potencial de hidrógeno) 6.5-8.5 6.17

Dureza Total 200 ppm 135.954 ppm

Color 15 UCV -

Tesis Profesional

133


IV.3.4 Determinación de la Demanda

Se llevó acabo una serie de encuestas a la comunidad estudiantil, administrativa y

académicos, el cual es una manera muy sencilla para la recopilación de información

mediante un sondeo, además que permite una comunicación más directa con el usuario

obteniendo una información muy variada. Para este proceso se tuvo que segmentar la

población en dos grupos o muestras selectivas de individuos, una los administrativos y

académicos y la otra integrada por los estudiantes. El propósito era conocer las

preferencias del consumo de agua en garrafón así como aspectos económicos. Dentro

de la información se encontró que el primer grupo consume el agua por estar a su

disposición. En el caso de algunos Departamentos que no brindan este servicio a su

población, prefieren hervir el agua en su casa y en pocos casos comprarla.

Como este grupo está fijo en la Universidad por mas de 10 años, es necesario contar

con datos más precisos, es por eso que se visitó la empresa que tiene la oferta

oligopólica en la Universidad. En el caso de los Departamentos que no están con está

empresa, se acudió directamente a la oficinas administrativas donde se proporcionó la

información de la marca y total de agua consumida semanalmente.

La demanda actual se considera un bien social esencial, ya que la población requiere

este producto para su desarrollo y crecimiento diario, por ser un líquido imprescindible.

Y por la temporalidad contínua ya que todo el año se necesita consumir, y a la vez

estacional por incrementarse más su consumo en los periodos cálidos, así se considera

una demanda de bien fin; por que va destinada directamente al consumidor para su uso

o aprovechamiento.

Con respecto a la segunda muestra, se planteó una estrategia que consistió en realizar

un sondeo así como una visita a las principales tiendas que se encuentran a primera

instancia del consumidor.

El estudio realizado arrojo que la mayor demanda es la muestra uno, lo que otorga

mayores ventaja para el tamaño de la planta.

Tesis Profesional

134


IV.3.5 Presentación y Descripción del Producto

El agua purificada tiene múltiples usos, el principal en la Universidad es el consumo

directo y la elaboración de productos preparados, diluidos, concentrados, y por lo

general se utiliza para beber en forma directa.

A pesar de ser un líquido indispensable para el ser humano, puede transmitir

enfermedades infecciosas como la fiebre tifoidea, la disentería, el cólera, la

gastroenteritis entre otras por lo que sus beneficios a la salud humana dependen solo

de la calidad, y de esa manera no ingerir algunas impurezas u algunos agentes

infecciosos.

Por tal, la transformación del agua está acorde a la sociedad, y pasó de ser un

elemento esencial natural a un producto elaborado y comercializado.

La presentación del producto será en dos tipos básicamente en garrafón (19 lt) y en

envase menor fabricados de policarbonatos (PC) o vidrio con tapas elaboradas de

polietileno (PE) selladas a presión, además de las presentaciones de botellas

fabricadas de polietilentereftalato (PET), selladas con tapa roscas y un sistema

inviolable, así como tener una etiqueta adherida al envase con la información, que

establecen las NOM.

Respecto a algunos de los insumos de producción que serán indispensables se

presentan los siguientes:

Envases de PET, presentaciones de 500, 1500 ml.

Garrafones de 19 lts de Policarbonato de Sodio.

Garrafones de 19 lts de vidrio.

Etiquetas de tamaño según las presentaciones.

Taparoscas de las mismas características.

Tapones para garrafones de 19 lts.

Tesis Profesional

135


IV.3.6 Agua Purificada en México

La calidad microbióloca del agua en nuestro país, es un renglón que ha merecido

especial atención, debido al gran impacto que su consumo ha implicado para la salud

pública. No obstante los esfuerzos que las autoridades realizan día con día no ha

permitido garantizar a la fecha su inocuidad. Ante esta situación y la magnitud que se

tiene en el mercado, el producto ha sufrido una mayor diversificación en la

comercialización e innovaciones en la presentación del mismo. Por lo que para cubrir

los diferentes mercados existen presentaciones desde 19 litros hasta 250 mililitros.

El agua de garrafón es quizás la presentación más antigua que se conoce, habiendo

hoy de materiales de vidrio, plástico y poli carbonato.

Armenta, (2000) menciona que el consumo de Agua de garrafón toma cada día más

auge entre la población, que el crecimiento tiene un ritmo anual del 10 % en los últimos

siete años. Actualmente se estima que se consumen alrededor de un millón de

garrafones por día en la Ciudad de México. En lo que se refiere a presentaciones

personales se estima que el consumo es de 10 millones de litros diarios

aproximadamente. El consumo anual por individuo, es de 970 litros (incluyendo agua,

vinos, jugos, leche y cerveza) o sea 2.6 litros diarios por persona.

En lo que respecta al consumo de agua de garrafón en la UACH; tanto los trabajadores

académicos como administrativos, seria como se muestra en la tabla siguiente.

Tabla 4.3 Comportamiento de consumo de agua en garrafón.

Garrafón de 19 lts. %

0- 0.5 15.09

1 20.75

1.5 1.88

2.0 33.96

2.5 1.88

+3 5.66

Desconoce. 11.32

Ninguno. 9.43

Fuente: Datos de trabajo

Tesis Profesional

136


El promedio general de consumo de agua es de 9.5 litros por semana-persona, 5.43

litros por familia diariamente. Y a nivel institución es de 0.51 lts diariamente.

Por otra parte la gran mayoría de la distribución del agua de garrafón es a través de

camiones con entrega domiciliaria y los demás los adquieren en las tiendas,

súpermercados, carritos y en los depósitos.

Las exigencias de un mercado libre dieron lugar a que las plantas purificadoras

innovaran nuevas presentaciones de 330 ml hasta 3785 ml.

En cuanto a las presentaciones del agua se tiene la grafica:

Grafica. 4.1 Presentaciones de agua purificada en la UACH.

Finalmente, la distribución del agua purificada en envase menor es la que tiene mayor

demanda en las tiendas que se encuentran ubicadas dentro de la Universidad y en un

porcentaje bajo fuera de dicha institución.

IV.3.7 Comportamiento de la Demanda

La venta del agua de garrafón está garantizada ya que se está convirtiendo en una

necesidad cotidiana. Por lo que la demanda incrementa conforme se presenten las

variaciones de temperatura y de la ubicación del lugar donde se reside, de tal manera

que se sigue un comportamiento al que se presenta en la grafica 4.2.

Tesis Profesional

137


Grafica 4.2 Comportamiento del consumo de Agua purificada en la UACH.

En esta gráfica se ve que los únicos meses donde no se consume agua es por el

término de cada semestre e inicio de tal.

IV.3.8 Análisis de la Demanda

Como la Universidad proporciona este servicio, no podemos tener un limitante al nivel

económico poblacional, pero si en brindar un gusto a las personas que buscan algo

natural contra la sed, que sea sano, que le garantice salud a su organismo buen sabor y

a demás sin azúcar o endulzante.

Se tiene el conocimiento que años atrás varias marcas ya estuvieron brindando su

servicio a este mercado, sin embargo la desconfianza de su calidad conllevó a que se

realizara un concurso donde las empresas purificadoras pondrían a la mesa la calidad

del producto que ofrece su precio. El resultado por una marca ganadora condujo a que

varios Departamentos optaran por escoger otra fuente y de esa manera garantizar su

salud.

IV.3.9 Demanda Actual

Actualmente la Universidad cuenta con tres poblaciones con ámbitos distintos, los

trabajadores: Académicos, administrativos; y los estudiantes. De los cuales los dos

primero son los principales beneficiados de agua purificada en las oficinas de cada

Departamento. Teniendo una demanda total por semana de 397 garrafones que les son

Tesis Profesional

138


insuficientes para cubrir los cinco días de trabajo, para esto se requieren de 496

garrafones para cubrir la semana el cual representa un 73.58 % de trabajadores.

Con respecto a la población de estudiantes el 11.32 % consume agua purificada de las

cuales el 7.93 % consume agua en presentaciones de 500 ml, el 1.47 % de un litro, el

1.72 % prefieren de 1500 ml, y el 0.2058 % compra en envases de 2000 ml.

IV.3.10 Proyección de la Demanda

La demanda del agua purificada está en función de la aceptación de la población

consumidora; sus características deben satisfacer los beneficios que las marcas

actuales le son de su confianza. El abastecimiento constante y oportuno es un aspecto

que debe considerar en la apertura de nuevos mercados.

Por otra parte considerando que el promedio de consumo de agua purificada es de 0.51

lts por día y un consumo percápita de 2.6 lts por semana se iniciara con una capacidad

del 73.58 % satisfaciendo la mayor demanda que la competencia tiene, e

incrementando anualmente de acuerdo a la necesidad y al comportamiento que se

tenga o se solicite. Se estima que para el año 2006 específicamente en el tercer mes,

se tendrá un beneficio del 100 % a los trabajadores tanto académicos como

administrativos; esto si la preferencia por el vital líquido sigue aumentando. Para

entonces se repartirán cerca de 677 garrafones por semana en todas las oficinas

departamentales, posteriormente esta demanda estará variando por algún evento u

cambio drástico. Con lo referente a presentaciones menores de 500 ml se asegura una

venta de 30 cajas a la semana e ir aumentando las ventas en las tiendas que se

encuentran a la primera instancia del consumidor.

La proyección de la Demanda para la Universidad Autónoma Chapingo se presenta con

mayor detalle en la tabla 4.4 y 4.5.

Tabla 4.4 Proyección del consumo de agua para la población de trabajadores de la UACH.

Año Población (administrativos y

académicos)

Consumo percápita

(lt/semana)

2003 3248 10371.62

2004 3573 11408.78

2005 3931 12549.66

2006 4014 12863.40

Tesis Profesional

139


Continuación... 2007 12863.40

2012 12863.40

Fuente: Cálculo de Trabajo.

Tabla 4.5 Proyección del consumo de agua para la población de estudiantes.

Año 500 ml (lts)

1000 ml (lts)

1500 ml (lts)

2000 ml (lts)

Consumo total

(lts/semana)

Población total de alumnos

2003 297.00 110 128.70 30.80 566.50 848

2004 326.70 121.0 141.57 33.88 623.15 932

2005 359.37 133.1 155.73 37.27 685.47 1026

2006 395.31 146.4 171.30 40.99 754.00 1128

2007 434.84 161.1 188.43 45.09 829.46 1241

2012 700.31 259.4 303.47 72.62 1335.80 1999

Fuente: Cálculo de Trabajo.

IV.3.11 Estimación de la Oferta

La oferta total de agua purificada a nivel nacional proviene de mas de 4 mil

purificadoras de los cuales solo mil cien están bien establecidos y según la Asociación

Nacional de Productores y Distribuidores de Agua Purificada en el año 2001 la inversión

nacional en plantas productivas en el sector sumó 9 millones 700 mil dólares (Ramírez,

2002).

Por otra parte en una investigación reciente en la Universidad se identificó que el agua

purificada en garrafón proviene de tres empresas; el 88.16 % de la purificadora Tucus,

el 11.33 % de Hidropura y tan solo el 0.5037 % de Electropura. De igual manera se

observó que el tamaño más común en el mercado de agua purificada es el de 500 ml

representando el 70 % del consumo total, el 12.985 % en presentaciones de 1000 ml, el

15.194 % en 1500 ml y tan solo el 1.81 % de 2000 ml.

Según la Asociación Nacional de Productores y Distribuidores de Agua Purificada el

crecimiento es increíble ya que varios factores tales como: la preocupación por la salud,

además de la apertura comercial y de su liberación del precio; alcanzó en el primer año

el 3 % del mercado de los refrescos para el segundo subió al 10 %, para el año 2001 el

mercado estuvo sobre los líquidos gasificados (Delta,2002).

Tesis Profesional

140


Como el mercado que se tendrá será la Universidad, las tiendas y algún restaurante

cercano a dicha institución; la calidad y manejo del producto deberá ser estricto, así

como poner en desventaja a la competencia para incrementar el mercado en

presentaciones menores por lo menos un 50 % en el primer año de operación. Para lo

cual se requerirán estrategias de publicidad.

Actualmente se tiene un oferta Oligopólica donde destacan unos cuantos productores.

Como se había mencionado anteriormente se iniciará con una venta por año de(ver

tabla 4.6).

Tabla 4.6 Producción estimada de agua purificada en presentación de 19 litros para la UACH.

Año Garrafones / semana

2002-03 496.25

2003-04 545.87

2004-05 600.46

2005-06 660.50

2006-07 677.00

Es preciso aclarar que estos datos solo corresponden a lo que se consumirá en las

oficinas, no incluyen las presentaciones menores. Los cuales se presentaron en

proyección de la demanda.

La manera en que la gran mayoría de los oferentes a nivel nacional utilizan para

embotellar el agua destacan los siguientes (Lobato,1995):

Tamaño 1: Botellas PET con un contenido de 330 ml.

Tamaño 2: Botellas PET con un contenido de 500 ml.

Tamaño 3: Botellas PET con un contenido de 1.0 lt.




Tamaño 7: Garrafones de PC con un contenido de 19.00 l.

IV.3.12 Tipo de Proceso del Oferente de Mayor Mercado

El proceso empleado para la purificación del agua que tiene el mayor mercado en la

Universidad consta de una filtración con lecho profundo el cual elimina arena; seguida

por un filtro de carbón activado proceso donde se eliminan los olores y sabores

Tesis Profesional

141


desagradables que pudiera tener el agua, posteriormente pasa a otro sistema de

membranas de ósmosis inversa donde se quitan las partículas finas que no pudieron

ser eliminadas en los tratamientos previos y finalmente un proceso de radiación

ultravioleta que se usa para desinfección o eliminación de microorganismos que

pudieran dañar al organismo humano.

IV.3.13 Importancia del Precio

El precio es una variable importante sin la cual no habría actividad comercial. Cuando

este es flexible al comprador se fomenta la máxima eficiencia de la Economía.

Por regla general la determinación de precios es un factor controlable. Salvo en raras

excepciones, como el agua purificada el cual a partir 28 de mayo de 1991, fecha en la

cual se liberó debido a la larga historia de control de precios, sin embargo existen

precios y calidades muy diferentes. Dependiendo de su precio hay plantas purificadoras

quienes venden el agua a un precio bajo, el cual variará en base al proceso de

purificación empleado (Lobato,1995) Pero todas determinan y aprueban el precio

cuando está por encima del extremo inferior de la escala de la utilidad por lo general

producirá ingresos, que excedan los costos al igual que un precio esté ligeramente

debajo del extremo superior de la escala. De manera más concreta se calculan los

costos totales en los diversos niveles de producción se calcula el porcentaje de

capacidad como va a funcionar en el periodo siguiente y por último estimar un

rendimiento meta. En conclusión el precio de venta lo impone el equilibrio de la oferta y

la demanda (Acosta, 2000).

De acuerdo a al estudio realizado se encontró una gran variación de precios del agua

de garrafón el cual se presentan a continuación ver tabla 4.7.

Tabla 4.7 Comparación de precios de agua purificada en algunas presentaciones comerciales.

Comparativo de Precios de Agua purificada

Marca Presentación Precio

Tucus 19 lt $ 12.0

Tucus 1.5 lt $ 6.0

Hidropura 19 lt $ 12.25

Ciel 1.5 lt $ 6.00

Ciel 0.5 lt $ 3.00

PuriAgua 19 lt $18

PuriAgua (vidrio) 19 lt $18

Electropura 19 lt $ 20.5 media

Tesis Profesional

142


Continuación.

Bonafont 1 lt $ 5.0

Pureza Aga 19 lt $ 18

En base a lo anterior y a un monitoreo en los puntos estratégicos de venta del producto

se vio que existe una gran variación de precios donde se determinó que la media del

precio del agua de garrafón de 19 litros es de $16.45.

IV.3.14 Comercialización

La comercialización se ocupa básicamente de las relaciones entre productos y

mercados, y de las consecuentes transferencias de propiedad. Teniendo como primer

partícipe al productor el cual es el que vende en la primera de la serie de transacciones

de comercialización que ocurren conforme se desplace hacia el mercado. En segundo

lugar está el intermediario que son empresas o negocios de terceros el cual tiene como

actividad primordial la transferencia directa o indirecta de la propiedad de productos al

fluir éstos de sus productores a hasta los compradores. Los productores consideran a

los intermediarios como prolongaciones de sus propias organizaciones pues de no

existir sus propias organizaciones comerciales tendrían que encargarse de llevar a cabo

todas las negociaciones de las ventas a los compradores últimos.

Los benéficios que los intermediarios aportan a la sociedad son (Acosta, 2000) :

Asignar a los productores el sitio y un momento oportuno para consumirlos.

Distribuyen grandes volúmenes en zonas alejadas.

Asumen los riesgos de transportación acercando el mercado a cualquier

consumidor.

Conoce los gustos de este y pide al primero la presentación que se debe

elaborar y el artículo que se debe elaborar.

Es el que sostiene a la empresa, pues compra grandes volúmenes.

Promueve créditos a los consumidores, asumiendo la responsabilidad en el

cobro.

Los beneficios que los productores aportan a la sociedad son:

El precio de los productos son más accesibles al consumidor.

El producto llega más oportunamente.

Tesis Profesional

143


Por otra parte los canales de comercialización son una vinculación o cadena

institucional a través de la cual los productos de los fabricantes fluyan al mercado, uno

de los problemas que más se enfrenta el fabricante es que se tiene que ajustar a las

necesidades y expectativas de los compradores en cada nivel de distribución.

Por lo general las grandes empresa de agua purificada en México utilizan canales de

comercialización ya establecidos por las grandes refresqueras, entregando su producto

a mercados, misceláneas, para presentaciones pequeñas y una distribución a domicilio

para presentaciones en garrafón.

IV.3.15 Canal de Comercialización Propuesto

La comercialización de un producto nuevo en el mercado tiene bajo nivel de aceptación

por lo que se requiere una estrategia de publicidad capaz de llegar a los consumidores

y convencerlos de probar el producto y de esa manera probar su calidad.

Antes de comprar las partes que integrarán el tren de tratamiento terciario se pretende

llegar a un acuerdo con los directores de cada departamento y de esa manera se haga

llegar a la Coordinación Administrativa que la Universidad purificará su propia agua que

consume, la cual estará cumpliendo con los estándares que establece la NOM-041,

IBWA y la Secretaria de Salud. Como etapa final certificarla o bien ser miembro de la

Asociación Nacional de Productores y Distribuidores de Agua Purificada para su mayor

confiabilidad y expansión en un futuro.

Para este proyecto el canal de comercialización será productor-consumidor, siendo esta

la vía mas corta, simple y rápida por tener un mercado limitado y selecto además de ser

el mas económico para el productor y consumidor. Para ello se establecerán tiendas

ubicadas en puntos estratégicos para vender en presentaciones menores y en garrafón.

En el caso del abasto a las oficinas se realizará de manera directa con la ayuda de una

camioneta de una tonelada.

Dentro de la comercialización, la identificación de la marca es importante para resaltar

ante él publico que el producto proviene de un proceso de purificación con la más alta

tecnología y dar a conocer los beneficios que obtendrán al comprar el producto.

Tesis Profesional

144


IV.3.16 Parámetros de Competitividad

La maquinaria seleccionada sera de la más alta tecnología lo que permitirá obtener un

producto de alta calidad.

Los métodos empleados en el proceso de purificación se regirán con las normas

nacionales e internacionales las cuales son estrictas en el control sanitario.

Cualquier queja sobre el producto recibirá una atención adecuada o un reembolso.

Una capacitación al repartidor para ofrecer un buen trato al consumidor.

Las tiendas dispondrán de refrigeradores para mantener el producto en condición

agradable al consumidor.

IV.3.17 Estrategias para la Penetración y Venta del Agua en el

Mercado

Para este producto es necesario alguna promoción que informe a los consumidores

sobre la calidad y precio del agua y de esa manera influir en la decisión de compra.

Para presentaciones menores se propone la atracción de clientes de la competencia

mediante:

Obsequio del producto durante determinado tiempo.

Intensificación promocional:

Repartición de boletines con la información de la calidad del agua acompañada

de una muestra.

Realizar sorteos cada dos meses de aparatos que le son indispensables a los

estudiantes durante su estancia en la Universidad.

IV.3.18 Justificación del Proyecto

La razón para hacer que se justifique este proyecto es que se tiene una desconfianza

del proceso que recibe el agua purificada que se consume en las oficinas de la

Universidad; para entonces la persona que tenga alguna inquietud la podrá aclarar con

una visita a la planta y comprobar su teoría.

Otra razón de esta planta es de producir un agua de mejor calidad de la que se dispone

hasta ahora. Además de que generaría ingresos para la Universidad.

Tesis Profesional

145


IIVV..44 TTaammaaññoo ddee llaa PPllaannttaa

Para determinar el tamaño de la planta es indispensable tomar en cuenta varios

factores que intervienen en el proceso de purificación los cuales se muestran a

continuación:

La demanda.

Los suministros e insumos.

La tecnología y los equipos.

El financiamiento y la organización.

Uno de los factores más importantes para determinar el tamaño de la planta es la

demanda; y de acuerdo al estudio de mercado que se detalla en él apartado 4.2, la

planta iniciara con una producción del 73.58 % anualmente, de agua purificada en

presentación de 19 litros (garrafónes) e incrementara hasta tener una producción del

100 % y una vida de 10 años a partir del año uno.

La relación entre el tamaño y tecnología influyen, ya que de ello depende qué tan

elevados sean los costos de producción. Respecto a los recursos financieros estos

deben ser suficientes para atender a las necesidades de la inversión del tamaño óptimo

de la planta y de esa manera no correr el riesgo de un bajo de capital y/o elevados

costos que genere el tamaño.

IV.4.1 Agua Purificada en Presentación de 19 litros

Para el primer año está proyectado iniciar con 600 garrafones por semana de agua

purificada teniendo una producción estimada que se muestra en la tabla 4.8.

Tabla 4.8 Producción de agua purificada para el primer año.

Mes Días / semanas

Garrafones / mes

Enero 14/2.8 1,682.45

Febrero 19/3.8 2,283.33

Marzo 14/2.8 1,682.45

Abril 22/4.4 2,643.85

Mayo 20/4 2,403.50

Junio 9/1.8 1,081.58

Tesis Profesional

146


Continuación... Julio 8/1.6 961.40

Agosto 22/4.4 2,643.85

Septiembre 19/3.8 2,283.33

Octubre 23/4.6 2,764.03

Noviembre 19/3.8 2,283.33

Diciembre 9/1.8 1,081.58

Total / anual: 198/39.6 23,794.65

Fuente: Cálculo de proyecto.

Según la Asociación Nacional de Productores y Distribuidores de Agua Purificada

(2001) a nivel nacional hay un crecimiento promedio del 10 % anual que cambia a este

vital líquido de tal manera que se tendrá la siguiente producción en los años de vida de

la planta (ver tabla 4.9).

Tabla 4.9 Producción estimada para el año 2 al 10.

Periodo Año 2 Año 3 Año 4... ...10 año

Garrafones / mes

Garrafones / mes

Garrafones / mes

Garrafones / mes

Enero 1,835.30 2,003.42 2,049.66 2,049.66

Febrero 2,490.76 2,718.93 2,781.68 2,781.68

Marzo 1,835.30 2,003.42 2,049.66 2,049.66

Abril 2,884.04 3,148.24 3,220.89 3,220.89

Mayo 2,621.85 2,862.04 2,928.09 2,928.09

Junio 1,179.83 1,287.92 1,317.64 1,317.64

Julio 1,048.74 1,144.81 1,171.23 1,171.23

Agosto 2,884.04 3,148.24 3,220.89 3,220.89

Septiembre 2,490.76 2,718.93 2,781.68 2,781.68

Octubre 3,015.13 3,291.34 3,367.30 3,367.30

Noviembre 2,490.76 2,718.93 2,781.68 2,781.68

Diciembre 1,179.83 1,287.92 1,317.64 1,317.64

Total / anual: 25,956.32 28,334.15 28,988.05 28,988.05

m3/anual 493.17 538.35 550.77 550.77

Fuente: Cálculo de trabajo. Nota: la producción es constate a partir del año 4 al 10.

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147


IV.4.2 Presentaciones de 500 ml

La producción de agua que se muestra en la tabla 4.10 corresponde a las posibles

demandas de agua que se tendrán a lo largo del año y vida de la planta, cabe hacer

mención que dentro de esta producción incluyen las 30 cajas que la Universidad se

abastece actualmente y el resto corresponde a la abertura que se tendrá dentro del

mercado del agua purificada.

Tabla 4.10 Producción estimada de agua purificada en presentación menor de 500 ml.

Botellas de 500 ml 2003 2004 2005 2006 2007..... ......2012

Años

año 1 año 2 año 3 año 4 año 5 año 10

Mes semanas /

mes cajas/ mes

cajas/ mes

cajas/ mes cajas/ mes cajas/ mes cajas/ mes

Enero 2.8 153.30 160.23 167.85 176.24 185.46 185.46

Febrero 3.8 208.05 217.46 227.80 239.18 251.70 251.70

Marzo 2.8 153.30 160.23 167.85 176.24 185.46 185.46

Abril 4.4 240.90 251.79 263.77 276.95 291.44 291.44

Mayo 4 219.00 228.90 239.79 251.77 264.95 264.95

Junio 1.8 98.55 103.01 107.91 113.30 119.23 119.23

Julio 1.6 87.60 91.56 95.92 100.71 105.98 105.98

Agosto 4.4 240.90 251.79 263.77 276.95 291.44 291.44

Septiembre 3.8 208.05 217.46 227.80 239.18 251.70 251.70

Octubre 4.6 251.85 263.24 275.76 289.53 304.69 304.69

Noviembre 3.8 208.05 217.46 227.80 239.18 251.70 251.70

Diciembre 1.8 98.55 103.01 107.91 113.30 119.23 119.23

Total /anual: 39.6 2,168.10 2,266.11 2,373.92 2,492.51 2,622.96 2,622.96

m3/anual 26.02 27.19 28.49 29.91 31.48 31.48

Fuente: Cálculo de trabajo

IV.4.3 Presentaciones de 1500 ml

Se pretende introducir esta presentación ya que es la segunda de 500 ml que tiene

mayor preferencia del consumidor. Además lo más importante en la venta del agua de

esta calidad es ofrecer la cantidad que el mercado más demande.

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148


Tabla 4.11 Producción estimada de agua purificada en presentación de 1500 ml.

Botellas de 1500 ml 2003 2004 2005 2006 2007

año 1 año 2 año 3 año 4 5..10 año

Mes semanas/mes

cajas/ mes cajas/ mes cajas/ mes cajas/ mes cajas/ mes

Enero 2.80 30.03 33.03 36.34 39.97 43.97

Febrero 3.80 40.76 44.83 49.31 54.24 59.67

Marzo 2.80 30.03 33.03 36.34 39.97 43.97

Abril 4.40 47.19 51.91 57.10 62.81 69.09

Mayo 4.00 42.90 47.19 51.91 57.10 62.81

Junio 1.80 19.31 21.24 23.36 25.69 28.26

Julio 1.60 17.16 18.88 20.76 22.84 25.12

Agosto 4.40 47.19 51.91 57.10 62.81 69.09

Septiembre 3.80 40.76 44.83 49.31 54.24 59.67

Octubre 4.60 49.34 54.27 59.70 65.66 72.23

Noviembre 3.80 40.76 44.83 49.31 54.24 59.67

Diciembre 1.80 19.31 21.24 23.36 25.69 28.26

Total /anual: 39.60 424.71 467.18 513.90 565.29 621.82

m3/anual 7.64 8.41 9.25 10.18 11.19

Cabe aclarar que no se producirá en presentaciones de 1 y 2 litros ya que los estudios

de mercado indican que es baja la preferencia en estas cantidades.

Finalmente en la tabla 4.12 se muestra una estimación de la cantidad de agua

purificada que se venderá anualmente;

Tabla 4.12 Producción estimada de agua purificada anualmente que será introducida al mercado.

Año m3/anual

1 485.76

2 528.77

3 576.09

4 590.86

5 593.44

6 593.44

7 593.44

8 593.44

9 593.44

10 593.44

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149


En caso que la producción real fuera superior, se seleccionarán los equipos que tengan

facilidades para aumentar tal demanda, sin poner en riesgo a todo el sistema.

IV.4.4 Localización de la Planta

Algunos de los factores más importantes que se deben considerar para la localización

de la planta son: la disponibilidad de materiales, disponibilidad de infraestructura,

conveniencia del terreno y del clima, espacios para ampliación, accesibilidad al

mercado, entre otros que por la ubicación de la planta ya son cubiertos por la

Universidad (disponibilidad de mano de obra, seguridad).

IV.4.5 Microlocalización

Los factores que se deben tomar en cuenta en esta parte son: la accesibilidad al

mercado y materias primas, disponibilidad de costos de transporte, facilidades locales,

servicios públicos, extensión y costo del terreno, impacto socioeconómico, e impacto a

la comunidad (Acosta, 2000).

Tomando en cuenta los factores anteriores y la fuente de la materia prima, se propone

que las instalaciones y proceso de producción se realicen a un costado del pozo que

esta al norte de la entrada principal de la Universidad.

IIVV..55 IInnggeenniieerrííaa BBáássiiccaa ddeell PPrroocceessoo ddee PPuurriiffiiccaacciióónn ddee AAgguuaa

El objetivo de la Ingeniería es elegir el proceso adecuado para la instalación de una

planta de agua purificada, basándose en los análisis de la fuente de abastecimiento.

De acuerdo a los análisis realizado al agua proveniente de los pozos pertenecientes al

patronato de la Universidad, se tiene un líquido, que reúne las características para ser

consumida como agua potable, además que su calidad esta dentro de los estándares

que establece la NOM-041 para purificarla. Por lo que se requiere un mínimo

tratamiento para competir con las marcas que están en el mercado y que abastecen a

tal institución.

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150


IV.5.1 Descripción de la Calidad del Agua y Tecnología

Disponible

Datos del Análisis de Agua

Dureza: ........... 135.954 ppm Alcalinidad: .............................202.66 ppm Cloruros: ......... 14.2 ppm Na+: .........................................65.1 ppm K: .................... 6.6 ppm Coliformes Fecales y Totales: .ND

STD: ............... 356 ppm Sulfatos:. ..………………………23.22 ppm

Fe: .................. 0.03 ppm Zn:………………………………..0.05 ppm Mn: .................. ND Pb:………………………………..0.02 ppm Cd: ................... 0.01 ppm Cr:………………………………...0.01 ppm

El agua purificada marca bonafont tiene las siguientes características:

Sulfatos: 4.8 ppm CE: 0.265 mmho / cm o dS / m Na+: 7.4mg/l

SDT: CE*640 =169.6 ppm PH: 6.03.

Como la fuente de abastecimiento son aguas subterráneas, la turbidez tiene valores

inferiores a 1 ppm con una transparencia de hasta 5 metros de profundidad; sin

embargo tal valor puede ser superior si los tanques elevados que se usan para

proporcionar presión y almacenamiento no reciben una limpieza periódicamente. Lo que

nos conlleva a utilizar un filtro de lecho profundo y de esa manera garantizar que en el

sistema, no pasaran sustancias o sólidos mayores que puedan ocasionar un

taponamiento o acumulación de estos en los procesos posteriores lo que reduciría la

eficiencia del sistema y calidad del producto.

El olor y sabor no son detectables ya que los cloruros y sulfatos que son los

responsables de transmitir un sabor salado y amargo respectivamente hacen su

presencia en concentraciones de 300 ppm de Cl- y 500 ppm de SO4-.

Es claro que no solo estos parámetros son los causantes de los olores y sabores por lo

que pueden existir una infinidad, y al no saber cuales pudieran surgir con el uso de

pesticidas, herbicidas, metilato de mercurio e hidrocarburos clorinados, que se aplicaron

hace más de 10 años, en los campos agrícolas es necesario prevenir este problema

con la instalación de una filtro de carbón activado y así el agua conserve su propiedad

inodora e insípida.

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151


La conductividad del agua refleja la concentración de los iones de las impurezas, en

este caso el valor es de 0.427 mmho/cm o dS/m, y si lo multiplicamos por 640 nos da

273.28 mg/l que corresponden a una aproximación de STD, y al estar dentro del rango

que establece la NOM-041 se considera aceptable para tal proceso.

La concentración real de STD es de 356 mg/l, y la que establece la NOM-041 es 500

mg/l, por tal el agua solo necesita unos retoques, sin embargo la variada concentración

de iones limita optar por un intercambiador ya que solo removería los iones que causan

la dureza, mientras que los restantes actuarían. Sin embargo para no saturar las

membranas de osmosis inversa y aumentar su eficiencia, se opta por utilizar un

intercambiador.

El proceso que cumple con ambas funciones de reducir los iones que causan la dureza

y los STD es la ósmosis inversa con una eficiencia de rechazo arriba del 90 %.

Según Gonzáles (2001), indica que un agua que tiene un total de sólidos disueltos de

200 o más, la ósmosis inversa es menos costosa que el intercambio de iones y que los

sólidos disueltos son menores que 200, es preferible el intercambio de iones para

remover los microorganismos. Es importante la reducción de los sólidos disueltos pues

pueden afectar adversamente la calidad, además que para el consumo humano, con

un alto contenido de sólidos disueltos, son por lo general da mal agrado para el paladar

y pueden inducir una reacción fisiológica adversa en el consumidor.

Respecto a los parámetros de dureza según Romero (1999) el agua se considera

moderadamente dura, por su parte INSTAPURA y su larga experiencia en el mercado

de agua purificada un valor con 135.954 mg/l es un agua dura y requiere de un

tratamiento como intercambio iónico y ósmosis Inversa para disminuir los iones que

causan este problema. Ha de considerarse que la dureza no afecta al organismo

humano y solo es importante cuando el agua se usará junto con un detergente y en la

preparación de alimentos lo cual aumenta el gasto por combustible.

Es sabido que el agua es la principal fuente de vida de los seres vivos, pero en esta

cuestión debemos eliminar toda vida que pudiera ocasionar y transmitir enfermedades

para ello es indispensable utilizar un germicida que anule la proliferación de bacterias,

gérmenes, virus, algas y esporas que en algún momento se llegaran a presentar.

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152


Finalmente como el ozono actúa sobre el agua eliminando por oxidación todos los

elementos nocivos para la salud como son virus, bacterias, hongos, además de eliminar

metales, los cuales pueden ser filtrados y eliminados del agua (AQUASYSTEM, 2000).

Se optará por inyectar una cierta cantidad de ozono en el agua que ya pasó por la UV y

que esta lista para ser consumida sin algún riesgo de salud. La razón de aplicar ozono,

es su capacidad para conservar y desodorizar.

IV.5.2 Descripción del Proceso para la Purificación del Agua

El proceso inicia con una recolección del agua cruda en un tanque de almacenamiento,

con una capacidad de 5000 litros, este almacenamiento puede ser de la marca

Rotoplas o Rotomex. El suministro de agua está regulado por un flotador.

Figura 4.1 Tanque de almacenamiento de agua cruda.

El suministro de agua está conformado por una bomba centrífuga multipaso de 1 HP la

cual alimenta la presión y caudal necesario al sistema de filtros de lecho profundo y

carbón activado para así llegar a un nuevo tanque de almacenamiento con una

capacidad de 5000 litros.

Filtro Multicama o de lecho profundo. Generalmente los filtros multicama, llevan de

cuatro a cinco capas de material filtrante de diferente densidad y granulometría que van

reteniendo las partículas selectivamente de acuerdo a su tamaño (mayores de 15

micras), logrando así quitar la turbidez del agua.

Su operación consiste, mediante la presión suministrada de la bomba el agua sin filtrar

entra a la válvula y fluye en dirección de arriba hacia abajo por el interior del tanque a

través del material filtrante para después subir, ya filtrada, por el tubo central y salir del

equipo.

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153


Figura 4.2 Filtros de lecho profundo.

El retrolavado se realiza con agua cruda la cual entra de arriba hacia abajo y fluye por

el tubo central para ir al fondo del tanque, pasar a través del distribuidor y fluir hacia

arriba para aflojar y lavar la cama del material filtrante enviándose al drenaje la

suciedad retenida por el filtro. Se recomienda por el fabricante que se revise la claridad

del agua en el drenaje para determinar el tiempo de retrolavado, es posible que si el

agua esta muy sucia se requiera de un mayor tiempo de retrolavado, hasta que salga

transparente en la línea de drenaje.

El retrolavado se debe realiza dependiendo de la calidad del agua a tratar, lo ideal es

realizarlo cuando menos cada 4 a 7dias o bien al finalizar el día de trabajo.

En el momento de la Instalación se recomienda, poner una válvula

check para evitar retorno de agua o contrapresión. Así como una

válvula para derivación o ―by-pass‖.

Figura 4.3 Instalación de un filtro de lecho profundo y carbón activado.

Filtro de Carbón Activado. Se utiliza un filtro. Estos están diseñados para la filtración

de líquidos, adsorbiendo la materia orgánica que es la causante del olor, color o sabor

en el agua. También ayudan a retener: acidez, alcalinidad e hidrocarburos. Además se

utilizan para reducir efectivamente el sabor u olor que produce el cloro en el agua.

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154


El carbón tiene una vida de dos a tres meses pero por seguridad se recomienda que se

cambie cada dos meses y medio.

Figura 4.4 Filtro de carbón activado.

La válvula del carbón es

automática y solo requiere al igual que la del filtro de lecho profundo una programación

de las horas de retrolavado y generalmente es a las dos horas, aunque esto dependerá

de la calidad del agua que se esta tratando.

Intercambio Iónico.

Figura 4.5 Suavizadores de agua comercial.

Se utiliza un filtro y están diseñados para el cambio de las sales de calcio y magnesio

por sales de sodio que son solubles. El suavizador, además de bajar la dureza del

agua, reduce otras impurezas como son el hierro, magnesio, sílice y otros metales.

Normalmente se emplea una resina cationica base fuerte ciclo sodio y se regenera con

sal industrial (NaCl).

Según Instapura (2002) los suavizadores disminuyen hasta un 30% la dureza del agua

a ser tratada, en algunos casos se usan para obtener una agua dentro de la dureza que

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155


establece la NOM-041 y/o cuando la dureza es muy alta como un proceso previo y dar

una mayor vida a las membranas del equipo de ósmosis inversa.

Las válvulas de estos sistemas son automáticas para la regeneración en nuestro caso

será necesario regenerarla cada tercer día. Con lo que respecta a la instalación se

recomienda poner válvulas como las indicadas en los filtros de lecho profundo.

Osmosis Inversa. Esta tiene como función la reducción de SDT y eliminación de

compuestos orgánicos e inorgánicos.

Figura 4.6 Unidad de ósmosis inversa.

Su operación consiste en:

El agua almacenado en el tanque es dirigida a la unidad mediante la presión que

genera la bomba de 1 HP, entonces el agua pasa al prefiltro de 5 micras, para

eliminar los sedimentos que pudieron desprenderse del carbón activado,

posteriormente se dirige al medidor de STD (1 a 999 ppm) donde la producción

esta basada en agua de alimentación a 25ºC @ 500 ppm de STD.

Una vez entrada el agua en la membrana se produce un agua permeada con una

concentración de alrededor del 10 % de SDT. El resto se rechazara con altas

concentraciones de sales, enviándose al drenaje.

Lámpara de Rayos Ultravioleta. Tienen como función la destrucción del 99.9 % de las

bacterias, virus y gérmenes que se pudieran presentar en el agua. La dosis promedio

de operación que la mayoría de los fabricantes venden es de 30,000 µws/cm2. La vida

media de las lámparas es de 8000 horas de operación, por lo que se recomienda

cambiarlas cada 10 meses.

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156


Generalmente deben permanecer encendidas las 24 horas, de lo contrario cada

apagada reduce su vida 8 horas.

Figura 4.7 Lámpara de UV (uso industrial).

Para que el sistema opere eficientemente se requiere que el agua esté libre de

sustancias en suspensión o disolución. En otras palabras el equipo purificador UV no

debe operar solo a menos de que la calidad del agua lo permita, por estar dentro de

los siguientes niveles (ver tabla 4.13).

Tabla 4.13 Calidad del agua antes de operar el sistema de UV.

Parámetro Unidad Parámetro Unidad

Turbidez < 5 NTU pH 6.5 a 9.5

Hierro < 0.3 ppm Manganeso < 0.05 ppm

Ácido Sulfhídrico < 0.05 ppm Dureza < 120 ppm

Sólidos suspendidos < 10 ppm Color ninguno

Fuente: Instapura

Con los niveles que se piden para este sistema sé justificá el uso de la ósmosis inversa

y de la filtración, este último con un grado nominal de por lo menos de 10 micras.

Con lo referente a las operaciones de mantenimiento se sugiere inspeccionar

visualmente el tubo de cuarzo a los 30 y 90 días después de la instalación para

determinar la frecuencia de limpieza. Generalmente todos los equipos constan de una

vara que desde el exterior se jala para limpiar la camisa de cuarzo y desprenderle las

láminas que los minerales generan en su paso. En el caso que se requiera remover la

camisa para su limpieza se deberá remojar en agua jabonosa o en una solución

conteniendo vinagre o amoniaco.

Algo importante de protección del sistema es la Instalación de válvulas de cierre antes y

después del equipo de purificación que impidan el paso del agua al equipo purificador a

Tesis Profesional

157


fin de poder efectuar el cambio de lámpara o del tubo de cuarzo. También puede

instalarse una válvula de paso ―bypass‖.

Tanque o cisterna de almacenamiento. Aquí se almacena el agua tratada además de

tener las reservas necesarias para alimentar el equipo de llenado de garrafones el

almacenaje puede ser de tipo Rotoplas, con una capacidad de 5000 litros.

Figura 4.8 Tanque de almacenamiento de agua purificada.

Equipo generador de ozono. La función es burbujear ozono al tanque de

almacenamiento de agua tratada y preservar la calidad bacteriológica del agua y mayor

vida de anaquel.

Figura 4.9 Sistema generador de ozono.

La aplicación del ozono en un proceso dado, debe tener un tiempo de contacto, debido

a que su acción está en función del tiempo de vida media del ozono. Para la generación

de ozono se puede usar aire seco u oxígeno.

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158


Según la aplicación se enlistan las dosis de ozono y tiempos de contacto (Econex,

2001):

Tabla 4.14 Dosis de ozono aplicadas según sus distintas aplicaciones.

Aplicación Mg/l O3 Tiempo de Contacto

Condensadores evaporadores y torres de enfriamiento 0.2-0.6 Contínuo

Tratamiento de agua potable:

Desinfección 1.5-3.0 5-10 minutos

Precursores de trihalometanos 1.5-3.0 5-10 minutos

Olor y sabor 1.0-5.0 5-10 minutos

Color y COD 3.0-10.0

Turbidez y microfloculación 1.0-3.0 5-10 minutos

Fierro y manganeso 1.0-8.0 5-10 minutos

Agua embotellada 2.0-3.0 5-10 minutos

Agua residual 5.0-20.0 15-30 minutos

Fuente: Econex.

Cálculo para convertir mg/l de ozono a libras por día es:

Flujo en galones por minuto X dosis en mg/L X 0.012 0 libras por día de ozono =

(1.8494 gpm X 1 mg/l O3 X 0.012 = 0.0221928. Ibs/dia O3.

De tal manera que el ozono residual se debe mantener en 0.3 ppm para no producir

compuestos.

De manera general cuando se requiere purificar agua por este excelente método, un

gramo corresponde a poder tratar entre 25 a 50 metros cúbicos, si se utiliza a travéz de

inyectarlo por un venturi (colibrí,2002).

Filtro de cartucho el cual se usa como pulidor y ya viene integrado a la llenadora y lavadora.

Lavadora de garrafones de agua de 19/20 litros.

Figura 4.10.a Lavadora de garrafones.

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159


El proceso inicia con la selección de los garrafones más sucios, el cual el proceso es

manual y posteriormente se lleva a la lavadora con detergentes especiales y soluciones

especiales, además que el agua utilizada es la que ha sido purificada y ozonizada.

Figura 4.10.b Conexiones de lavadora de garrafones modelo L-3.

Respecto a los garrafones que estén fuertemente sucios recibirán otro proceso más

especial para retirar las impurezas.

Llenadora para garrafones de agua de 19/20 litros. Una vez realizada la desinfección

del garrafón, este es enviado a la maquina de llenado. Realizado de manera manual.

Fig.4.11.a Fig.4.11.b

Figura 4.11 Llenadora de garrafones fijo y movible.

Desinfección del tapón. Todas las tapas son desinfectadas antes de ser colocadas en

el garrafón, la operación es realizada en forma manual, en la cual el personal debe

seguir las normas de higiene con lo que se minimiza el riesgo de contaminación. Tal

desinfección se realiza con agua ozonizada.

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Taponado del garrafón. La operación es realizada en forma manual, donde el tapón es

depositado en el orificio del garrafón y presionado manualmente para el tapado de este.

Colocación del sello de garantía. El sello es colocado en forma manual antes de ser

fijado con la pistola térmica, y al momento de pasar el garrafón con su sello se contrae

y finalmente sea puesto en unidades para su distribución.

IV.5.3 Cálculo y Descripción del Equipo

IV.5.3.1 Cálculo del diámetro de la tubería

Para el cálculo tomaremos como base la tabla de Crane Technical Paper citada por

Martínez, (1995):

Tabla 4.15 Velocidad razonable del agua en tuberías.

Condición Velocidad (m/s)

Alimentación en Calderas 2.4 - 4.5

Succión de bombas 1.2 – 2.1

Tuberías de drenaje 1.2 – 2.1

Servicio General 1.2 – 3.0

Servicios municipales 2.1

Tomando como base para este proyecto una condición general.

El gasto volumétrico es 420 l/h, esto si la membrana de ósmosis inversa tuviera una

recuperación del 100 %, como el modelo seleccionado puede desperdiciar del 50 al 33

%, el flujo a tratar hasta el intercambio iónico debe ser el doble; es decir, el Gasto de

masa es de 840 kg/h (233.3 g/s).

De esa manera el agua que no se aproveche se reingresará a la red.

Tomando los datos anteriores para la selección de la tubería y equipo que suministrará

la presión al sistema, nos enfrentamos a modelos que existen en mercado, pero no

trabajan a las condiciones que se desean. En esas cuestiones los diseños se deben

adoptar a los modelos que hay en el mercado. Por ello el gasto volumétrico será de

Tesis Profesional

161


1200 l/h (20lpm); y los sistemas de filtración, carbón activado e intercambio iónico solo

operarán 5.6 horas diarias.

Como la Ecuación del Gasto para tuberías es:

Q = AV = VD

*4

2 (4.1)

Donde:

Q = gasto en m3/s, en este caso g/s

A = área de la tubería en m2 o cm2.

V = velocidad del flujo en m/s o cm/s.

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162


Figura 4.12. Esquema de bombeo.

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163


Suponemos un diámetro interno de tubo de acero C 10 D in = 1.58 cm = 0.0158 m

sustituyendo en la ecuación siguiente:

.. liqXtuboSecc

MasadeGastoVelocidad

scmcmgcm

sgV /170.09

)/1*)58.1(785.0

/333.3332

V = 1.7 m/s = 5.58 ft/s.

Como la velocidad obtenida es mayor que 1.2 m/s y menor de 3 m/s se acepta el

diámetro seleccionado 1/2 ― en tubo de acero cédula 40.

IV.5.3.2 Cálculo de la potencia de la bomba

La bomba uno trabaja tomando el agua del tinaco de almacenamiento y la envía a los

primeros procesos de tratamiento (lecho profundo- carbón activado- Intercambio iónico).

Para la selección de la potencia de la bomba es necesario calcular la columna o carga

total de bombeo, la cual es la suma de todas las causas que generan pérdidas más la

carga de velocidad en el punto de descarga, pero además se deben considerar las

presiones diferentes a la atmosférica, teniendo la siguiente ecuación:

H = het + hfd + hvd +hfs + (hpd – hps) (4.2)

Donde:

H = Carga total.- Suma de las cargas que se tienen en el sistema cuando trabaja

la bomba a determinada capacidad.

het = carga estática total.- En general, la columna estática total de una bomba es

la diferencia de la elevación de descarga y la elevación del nivel del agua en la

succión.

hfd = Pérdida de carga en la descarga.- incluye todas las pérdidas de carga que

se tiene a partir de la boquilla de la bomba y en la tubería de descarga.

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164


hvd = Carga de velocidad en la descarga.

hfs = Pédidas de carga en la descarga. Es la que se necesita para vencer todas

las pérdidas de carga debidas al flujo en la tubería de succión.

hpd =Carga de presión en la descarga.

hps= Carga de presión en la succión.

IV.5.3.2.1 Cálculo de la presión en la succión

Datos:

Altura Z1 que es la condición de trabajo en que la bomba va a realizar el mayor

esfuerzo. Z1 =25 cm.

Altura Z2 es la máxima altura a la cual la bomba debe enviar el agua. Z2 = 1.95 cm.

La Presión Atmosférica se determina en base a la altitud del lugar que es de 2240 m,

posteriormente se entra a una gráfica (Sotelo,1980) donde se obtiene pa/po =0.76 y con

un po = 10333 kg / m2, la presión atmosférica resulta solo despejando a pa.

Presión Atmosférica = 0.76 x 10333 kg/m2 = 0.786 kg/cm2.

En este caso la presion atmosferica inicial es la misma en la descarga por lo que se anulan. Presión P1 que es la ejercida por el agua.

P1= (25 cm x 1 g/cm3) = 25 g/cm2.

Presión P2 es la requerida en el tanque de filtro de lecho profundo para que el

intercambiador funcione con una presión mínina de 2.1 kg/cm2.

IV.5.3.2.2 Cálculo del número de Reynolds

VDRe (4.3)

Donde V es la velocidad media, D el diámetro del conducto y v la viscosidad cinemática

del fluido, para este caso consideramos una temperatura del agua de 37 °C (mes mas

caliente) para lo cual v =0.0068 cm2/s (Sotelo, 1980).

Sustituyendo los valores en la Ecuación 4.3. para obtener el número de Reynolds.

Tesis Profesional

165


39522.30/0068.0

58.1*/0.170Re

2

segcm

cmscm

El coeficiente de fricción f para el tubo de acero usado D 1/2‖ C 10 en función del

Numero de Reynolds es de 0.034 (Gómez, 1981).

IV.5.3.2.3 Pérdidas de carga en la succión

Según la figura 4.12 para la succión requerimos de una válvula de compuerta, la cual es

importante para realizar algún mantenimiento de la motobomba.

Longitudes equivalentes por accesorios:

# Accesorios K Le = KD

1 Válvula de compuerta 13 20.54

Para las pérdidas de carga por ampliación se usa la fórmula de Borda-Carnot, la cual se

cita a continuación.

211

2

A

ACaK (4.4)

Donde Ca depende del ángulo del difusor. En caso de que la ampliación sea brusca

se usa la misma fórmula con Ca=1, posteriormente la pérdida de carga se obtiene

sustituyendo el valor de K en la Ecuación siguiente:

g

Vkhf

2

2

(4.5)

Donde k es la constante obtenida con la ecuación 4.4; V es la velocidad media m/s; y g

la gravedad 9.81 m/s2.

La pérdida de carga por accesorios se obtiene de la siguiente manera:

Longitud total = longitud física + longitud efectiva = 2.0 + 0.2054 m = 2.20m.

Sustituyendo este valor en la ecuación de Darcy –Weisbach para obtener las pérdidas

de carga por succión.

g

v

D

Lfhf

s

ts

2

2

(4.6)

Tesis Profesional

166


Donde f es el coeficiente de fricción sin dimensiones; g es la aceleración de la

gravedad, en m/s2; L la longitud del tubo, en m; D es el diámetro, en m; V es la

velocidad media, en m/s y hfs son las pérdidas por fricción.

msm

sm

mX

mhf s 88.0

/62.19

)/7.1(

1058.1

2.2034.0

2

2

2

Entonces la perdida de carga total por succión hfs = 0.88 m

IV.5.3.2.4 Pérdidas de carga en la descarga

Longitud total de la Tubería = 335 cm.

Accesorios K

Válvulas de globo 405

Válvula de retención 50

Válvula de compuerta 13

Codos de 90° 30

T 20

Para el cálculo de estas pérdidas es necesario empezar del intercambiador hasta la

bomba y de esa manera asegurar que el primer filtro está dentro de su presión de

trabajo.

El intercambiador funciona con una operación de trabajo mínima de 2.1 kg/cm2 y una

caída de presión de 0.9 kg/cm2.

Del filtro de carbón activado al intercambiador tenemos los siguientes accesorios:

# Accesorios Le = KD (cm)

1 Válvulas de globo 639.9

Longitud total = Long. Física + Le = 40 cm + 639.9 cm = 679.9 cm.

El valor anterior se sustituye en la Ecuación 4.5.

msm

sm

mX

mhf IOCAd 2.7196

/62.19

)/70.1(

1058.1

799.6034.0

2

2

2

Las pérdidas por reducción (3/4 a 1/2‖) a la salida del filtro del carbón activado se

calculan con la ayuda de una gráfica en la que se divide el diámetro más pequeño (D2)

Tesis Profesional

167


por el más grande (D1), con el valor obtenido se entra a tal gráfica para tener el Kr y

sustituirlo en la ecuación 4.5.

msm

sm

g

Vkhreduccion 032.0

/62.19

)/70.1(*22.0

2 2

22

Por su parte las pérdidas de carga por ampliación (1/2 a ¾‖)el valor de K se calcula con

la Ec. 4.4 posteriormente se sustituye en la Ec. 4.5.

56.0158.1

09.2 2

2

2

CaK

msm

sm

g

Vkhampliacion 083.0

/62.19

)/70.1(*56.0

2 2

22

Entonces las pérdidas totales en este tramo resultan de la suma de ambas.

Hfdt ca-io = hfd CA-IO +h reducciones + h ampliaciones =2.71 m + 0.032 + 0.083 m = 2.83 m.

Por tanto el filtro de CA debe tener una operación de entrada capaz de proporcionarle al

IO la presión mínima de operación.

Datos:

P = 0.4 kg/cm2 = 4.0 m (Caída de presión del CA).

Pmínima. CA = 2.1 kg/cm2 = 21 m (presión de operación mínima del CA).

Hfdt ca-io= 2.83 m = 0.283 kg/cm2

Pt = 0.4 kg/cm2 + 2.1 kg/cm2 + 0.283 kg/cm2 = 2.783 kg / cm2 (presión total a la

entrada del filtro de CA).

El siguiente paso es comprobar si el filtro de lecho profundo estará dentro de su rango

de óperación a la que fue fabricado.

En este caso las pérdidas por accesorios y demás resultan ser iguales a los cálculos

anteriores, para lo cual solo se requiere hacer una suma de los datos de operación del

filtro.

Hfdt Filtro-CA = 2.83 m = 0.283 kg/cm2

El filtro de lecho profundo tiene una presión mínima de trabajo de 2.1 kg/cm2 y una

caída de presión de 0.9 kg/cm2.

Pt = 0.9 kg/cm2 + 0.283 kg/cm2 + 2.783 kg/cm2 = 3.967 kg/cm2.

Como su rango de trabajo normal es de 2.1 a 5 kg/cm2 y como máximo 7 kg/cm2,el filtro

estará trabajando sin algún riesgo al sistema.

Tesis Profesional

168


El siguiente paso es calcular las pérdidas de carga de la bomba a la entrada del filtro

de lecho profundo.

# Accesorios Le = KD (cm)

2 Válvulas de globo 1279.8

1 T 31.6

1 Codo de 90 ° 47.4

1 Válvula de retención 79

1 Válvula de

compuerta

20.54

Longitud total = 130 cm +1458.34 = 1588.34 cm = 15.8834 m, sustituyendo este valor

en la ecuación Darcy –Weisbach.

msm

sm

mX

mhf s 35.6

/62.19

)/70.1(

1058.1

88.15034.0

2

2

2

Para las pérdidas de carga por ampliaciones es el mismo resultado que en pasos

anteriores.

mh esampliacion 083.0

Por tanto la pérdida de carga de la bomba al filtro de lecho profundo resulta:

Hfd bomba-filtro = 6.35m + 0.083 m = 6.43m

Resultados:

Pérdidas de

carga

m

hfd 6.43

hfs 0.88

Finalmente como ya conocemos las presiones de entrada y de salida, se procede a

calcular la carga total con la ecuación siguiente.

H = het + hfd +hfs + hvd + (hpd – hps)

H = 1.95 m +6.43 m + 0.88 m + 0.14 m + (39.67 m – 0.25 m)= 48.82 49 m

A esta carga dinámica total le agregaremos un 10 % de factor de seguridad al sistema

por tanto tendremos 53 m.

Tesis Profesional

169


IV.5.3.2.5 Cálculo de la potencia de la bomba o caballos hidráulicos

76

QHP

(4.7)

donde:

P = potencia de la bomba en HP,

= peso específico del agua

H = es la carga total en m,

Q = es el gasto requerido en m3/s

Solución: HPmsmX

P 23.076

53*/1033.3*1000 34

IV.5.3.2.6 Potencia del motor

total

M

QHP

76 (4.8)

donde:

total = eficiencia del equipo de bombeo (cuando no se conoce se puede utilizar un valor

de 0.6 ó 60 %.

Solución: HPmsmX

PM 2/138.06.0*76

53*/1033.3*1000 34

Como puede verse, la potencia del motor es pequeña, el inconveniente que se presenta

en los equipos de un solo paso es la operación con una carga dinámica total menor a

30 metros. Para tal cuestión se realizó una búsqueda de una bomba multipasos que

pudiera satisfacer la demanda de 20 lpm y con una carga dinámica total minima de 48

metros, encontrando la marca HSC y el modelo HSC10 (1 HP).

Tesis Profesional

170


Figura 4.13 Gráfica de rendimiento de motobombas multipasos de ¾ a 2 HP.

IV.5.3.3 Cálculo de la potencia consumida por el motor operando

Figura 4.14. Esquema de bombeo del pozo Yucateco.

10 % sobre presión

Pozo Yucateco

C.E = 60.0 m

U

10.0 m

a = 3.83 m

14.0 m

20.0 m

Tesis Profesional

171


Con los datos que se presentan en la figura 4.14 y de datos de campo se tiene que la

bomba tarda un volumen de 40 m3 en 30 minutos, lo que equivale a tener un gasto de

22.22 litros por segundo, con este dato de la ecuación 4.1 se despeja la velocidad, ya

que el diámetro es conocido y corresponde a 6 pulgadas.

2

3

)0254.0*6(

/022.0*4

smv

v =1.2181 m/s

sustituyendo los valores en la ecuación 4.3

scm

cmscmR

/0068.0

24.15*/81.1212

R =272,997.70

Cálculo de las pérdidas en la descarga

El material de la tubería que se considerara para obtener el ε es fierro fundido oxidado

con un valor de 1.25 mm y una f de 0.021.

# Accesorio K Le =KD

2 Codos 90 ° 30 914.4

1 Válvula de retención 50 762

1 Válvula de compuerta 13 198.12

Total: 1874.16 cm

Longitud total = L tubería + Le = 20 m + 14 m + 60 m + 3.83 m + 10 m + 18.74 m = 126.57

m.

Sustituyendo valores en la ecuación 4.6.

2

2

/62.19

)/21.1(*

1524.0

57.126021.0

sm

sm

m

mhfd

hfd =1.32 m

Tesis Profesional

172


Pérdida de carga por bifurcación de 45° (k de 0.48 según Sotelo, 1980), sustituyendo

valores en la ecuación 4.5.

2

2

/62.19

)/21.1(48.0

sm

smhf

hf = 0.0362 m

Pérdida de carga por codo de 180 con bridas (k de 0.17), sustituyendo valores en la

ecuación 4.5.

2

2

/62.19

)/21.1(17.0

sm

smhf

hf = 0.0128 m

Finalmente la pérdida de carga total en la descarga es:

hft = 1.32 m + 0.0362 m +0.0128 m = 1.369 m

Calculo de la Carga dinámica total

CDT = a + C.E m + Elev. pozo + hft

Donde :

a es el abatimiento en m

C.E es la carga estática en m

CDT = 3.83 m + 60 m + 20 m + 1.369 m

CDT = 85.199 m

Sustituyendo este valor en la ec. 4.8.

Donde la eficiencia electromecánica media de operación es de 55 % (Potencia

consumida).

HPmsm

PM 3.4555.0*76

2.85*/022.0*1000 3

Tesis Profesional

173


IV.5.4 Especificaciones del Equipo

De acuerdo al estudio referente a la demanda, se requiere producir 160 garrafones

diarios para lo cual debemos tener una cantidad suficiente para satisfacer la producción

y el lavado de los botellones en un día, es por ello que se tiene que disponer de un

tanque con una capacidad de 5000 litros de los cuales solo 3200 litros se ocupan para

embotellarse y 160 litros para el lavado.

Al escoger el sistema más adecuado para el proceso, los fabricantes disponen de

catálogos que proporcionan con facilidad para la selección del equipo. En donde solo se

requiere la producción por hora y tipo de agua que se elaborara, así como el tiempo de

trabajo diario; en este caso se procedió de la siguiente manera:

La planta trabajara 8 horas diarias, teniendo una producción por hora lo siguiente:

(21 garrafones/1 hora) x (20 L/1 garrafón) x (1 h/60 min) = 7.0 l/min.

(7.0 l/min) x(1 galón / 3.785 l) = 1.849 galones/min.

Sin embargo por el porcentaje de recuperación de la osmosis se debe seleccionar los

equipos con una capacidad de 14 lpm (3.698). Pero por cuestiones hidráulicas y de

mercado se seleccionaran los equipos de filtración a Intercambio Ionico con capacidad

de 20 lpm (Esta cifra es el más útil para la selección del equipo), la cual se inicia con un

filtro de lecho profundo, para este y todos los procedimientos se procedió comparando

varias marcas que se encuentran en el mercado que a continuación se presenta en la

tabla 4.16

Algo importante que se debe mencionar respecto al mercado que existe es que no

todas las Empresas disponen de equipos con el flujo que se requiere, por lo que las

marcas que se presentan mas adelante son algunas que manejan caudales pequeños,

ya que por lo general las plantas purificadoras se diseñan con capacidades de mas 400

garrafones diarios y menor a esto los equipos son para uso domestico donde se usan

más los portacartuchos.

Tesis Profesional

174


IV.5.4.1 Filtro de lecho profundo

La calidad del filtrado se clasifica en: excelente (10-15 micras); alta (15-20 micras) y

normal (20-30 micras), como nuestra fuente se trata de buena calidad se selecciona la

excelente.

Tabla 4.16 Filtro de lecho profundo de uso comercial.

Marca

Modelo

Flujo (lpm)

Retrolavado (lpm)

Presión (psi)

Caída de P (psi)

de entrada

de salida

T em. de operación

°C

Espacio ocupado

(in)

Consumo- válvula (watts/h)

Costo($) sin IVA

Instapura IPF-08-FV 10-

17-20 20 30-100 8 19 19 40 8x40 120 v $4,280.64

Aquaplus

LPF-M9 7-23 26 30-70 13 19 19 4-34 9x51.18 120 v $3,169.32

Eco-water

NASPFSSA M

7.57-15.14 20 30-70 13 19 19 40 10x48 120 v $6,523.86

Nota: El material de los filtros es de fibra de vidrio.

Selección:

Como podemos observar el filtro que más se adapta a nuestras necesidades es el

modelo LPF-M9, el cual tiene un flujo de 7-23 lpm de excelente calidad, con un área

filtrante de 0.95 ft3, además de ser el que requiere menor presión para su

funcionamiento, y de menor costo de adquisición. Por lo general todas las empresas

dan una garantía de un año. El espacio que se requiere para su instalación en el piso

es de 25x25 cm y una altura de 190 cm.

Los materiales de filtrado para su operación son: Grava de 1/8 a ¼ (9 kg), Gravilla

12/46 o Garnet (9kg), Arena Silica 20/30 (14kg), Arena Silica 30/40 (16kg) y Antracita

(6kg).

IV.5.4.2 Filtro de carbón activado

Algo importante que se debe considerar en la selección de un filtro de marcas

diferentes al proceso anterior es la igualdad de sus diámetros de lo contrario se tendrán

más pérdidas de carga por reducciones o ampliaciones.

Tesis Profesional

175


Por otra parte en la selección del filtro, se debe tomar en cuenta si el agua a tratar ha

recibido algún tratamiento químico como cloración, si es así se debe elegir uno que

remueva este problema, ya que el usar uno para remoción de olores y sabores no sería

el indicado.

Los filtros activados del carbón son clasificados generalmente por el tamaño de

partículas que van desde 20 micrones (menos eficaces) abajo a 0,5 micrones (más

eficaces).

Tabla 4.17 Filtro carbón activado de uso comercial.

Marca

Modelo

Flujo (lpm)

Retrolavado (lpm)

Presión (psi)

Caída de P (psi)

de entrada

de salida

T em. de operación

°C

Espacio ocupado

(in)


Costo($) sin IVA

Instapura IPC-09-FV 10 22 30-100 6 19 19 40 9x48 60 ??

Instapura IPC-10-FV 15 19 30-100 6 19 19 40 10x54 60 ??

Instapura IPC-08-FV 8 20 30-100 5 19 19 40 8x40 60 $4,579.05

Aquaplus CAF9 4, 7,15 15 21-

50,70 5.688 19 19 4-34 9x51.18 55 $4692.24

Aquaplus CAF12 9,15,30 30 21,50,70 5.688 19 19 4-34 12X51 55 $6256.32

ECO-WATER

NASPFSSA

C

7.57-

15.14 15 30-50 4 19 19 40 10x48 60 $6,544.44

Selección:

El filtro de carbón activado que se elige es el modelo CAF12, del que solo se necesita

uno; su material es carbón granular, soporte de mineral – grava fina, con una capacidad

de tanque de 43 litros, con un peso de 95 kilogramos, una válvula o control modelo

5000SE. El espacio que requiere para su instalación en el piso es de 25X25 cm y una

altura de 190 cm para el cambio del carbón. Según Aquaplus (2002) la eficiencia de la

mayoría de ellos es de 80 al 90 %.

IV.5.4.3 Intercambio iónico

Como este proceso es él ultimo de la primera parte y el destino del agua es un

depósito, para la selección del modelo no se considera mucho la caída de presión, pero

si la presión de operación.

Tesis Profesional

176


Tabla 4.18 Ablandamiento de uso comercial.

Marca

Modelo

Flujo (lpm)

Retrolavado (lpm)

Presión (psi)

Caída de P (psi)

de entrada

de salida

Tem. de operación

°C

Espacio ocupado

(in)


Costo($) sin IVA

Instapura IPS-

22-FV 30-38

8 30-100

5-13 19 19 40 8x40 120/60 $4,177.74

Ecowater IRK38 7.57-15.14

9 40-50 12. 25.4 25.4 40 10X48 120/60 $7,017.78

Aquapluss G-20 30-45 9 30-70 8.532 19 19 4-34 9X45.27 120/60 $5,916.75

Selección:

El modelo seleccionado es el IPS-22-FV, tiene una capacidad de 22500 granos por

cada 5 kg de sal; la cantidad de agua para el flujo de retrolavado es menor respecto a

los demás; La pérdida o caída de presión al pasar el agua por su cuerpo filtrante es de

0.75 ft3,además acupa menos espacio y su válvula es totalmente automática.

El cálculo del modelo a seleccionar se realiza de la siguiente manera:

Dureza total (ppm) ÷ 17.1 = 135.95 ppm*17.1=7.950526 GPG (Granos por galón).

GPG x Galones por día = 7.95052 gpg*1775.429 gpd = 14115.59 Granos necesarios

en un día.

La regeneración se realizará con 15 Ibs por cada pie cúbico de resina, para que tenga

mayor eficiencia y menor tamaño del tanque.

Para encontrar el tamaño del tanque se dividen los granos necesarios en un día por los

granos que hay en 15 Ibs de sal.

Tamaño filtrante = 14115.59/30000 =0.47 ft.

Con este valor el diseñador entra a los catálogos para verificar que modelo esta mas

próximo a sus requerimientos. En este caso como ya nos indican la cantidad de granos,

lo que nos resta es solo dividir los granos que dispone nuestro modelo con los granos

necesarios en un día.

Tiempo de regeneración = 22500 granos/ 14115.59 granos / día = 1.59. días (12.72

horas).

Sin embargo Dávila (2002), la regeneración debe realizarse cada fin de semana

siempre que el tratamiento que le procede sea la ósmosis inversa.

Tesis Profesional

177


IV.5.4.4 Osmosis inversa

La característica esencial para la selección de este sistema es el tiempo de trabajo, ya

que se puede optar para un trabajo de 24 horas o un flujo contínuo para operar 8 horas

de jornada laboral y obtener el volumen al que fue diseñado todo el sistema.

Tabla 4.19 Sistemas de ósmosis inversa comerciales.

Marca

Modelo

Flujo (lpm)

Bomba (HP)

% de recuperación

Medidas de membranas

Cantidad de

membranas

Presión de

operación (psi)

Tem. de operación

°C


Costo($) sin IVA

Instapura IPRO-HXL-2000

7.360 1 50-33 4X40 1 40 25 120/60 $39,822.30

Eco-water

R2F40 7.570 1 50-30 4X40 2 40 25 120/60 $49,783.02

Eco-water

R2D40 2.5236* ½ 50-60 4X21 1 40 25 120/60 $32,310.60

* se requiere de un tanque de almacenamiento para operar las 24 horas y producir 191 garrafones /día.

Seleccion:

De acuerdo a sus características se opta por el modelo IPRO-HXL-2000, las

consideraciones que se tomaron fueron, el número de membranas con las que

disponen, la potencia de su motor, el costo de adquisición y el gasto de operación más

cercano al requerido.

Características del Sistemas: Montaje Horizontal: Marco de metal con pintura

horneada, membranas TFC ULP-baja presión, portamembranas de PVC, manómetro,

switch de nivel para tanque de almacenamiento, válvula solenoide de bronce para la

entrada, válvulas de aguja para desecho y recirculación, medidores de flujo para

producto y desecho, bomba multipaso, prefiltro de 5 micras, tubería de alta presión y

caja de control de fibra de vidrio. La caja de control incluye: switch de encender/apagar,

switch de baja presión, controles de nivel de bajo voltaje, retraso de tiempo automático,

posición de encendido de luces, luz de baja presión, relay de encendido de 50 AMP.

Medidor de S.T.D. integrado marca Hanna, digital de 1 a 999 ppm. Notas: Los rangos

de recuperación son determinados por la alimentación de agua y el pretratamiento

utilizado. La producción está basada en agua de alimentación a 25ºC @ 500 ppm de

S.T.D.

Tesis Profesional

178


IV.5.4.5 Radiación ultravioleta

Tabla 4.20 Lámparas de radiación ultravioleta comerciales.

Marca

Modelo

Flujo (lpm)

Presión de operación máxima (psi)

Caída de presión (psi)

Dimensiones: frente-fondo-altura (cm)

Φ de entrada (mm)

φ de salida (mm)

Dosis µws / cm

3

Tempe-ratura °C

Consumo- (watts/h)

Costo($) sin iva

aquaplus 2SSUV

M 7.6 125 4.266 51X14X34 9.7 6.4 30,000 30 16 $2,630.64

aquaplus 2VEM 7.6 125 4.266 29X14X35 12.7 6.4 30,000 30 16 $1,893.36

Econext (Sterilght)

S2Q 7.57 125 5 47X6.5X6.5 12.7 12.7 32,000 30 45 $3,508.89

Sanitron S14 7.57 5-100 5 41X13.81X2

0.79 12.7 12.7 30,000 30 14 $8,452.50

Mighty Pure MP13 7.57 5-100 5 34.29X10.95

X21.27 12.7 12.7 30,000 30 10 $6,095.00

Eco-water (Sterilght)

S5Q 7.57-15.14

125 5 -------- 19 19 30,000 30 45 $3,848.46

Selección:

Los parámetros importantes para la selección de este tratamiento es la presión mínima

para su operación, el consumo de energía eléctrica, el diámetro de entrada y salida, y el

más actual en el mercado.

El modelo seleccionado es MP13, el cual opera arriba de 5 psi, sin embargo para una

buena aplicación de la radiación, el flujo debe ser turbulento. Como el sistema de

ósmosis inversa opera a 40 psi, la presión del permeado es baja y para aumentar la

velocidad del flujo el diámetro de entrada a las lámparas no debe disminuir la presión

de tal.

Este modelo consta de un prefiltro de 5 micras, un retardador de tiempo o de flujo para

permitir un periodo de calentamiento de tubo de 2 minutos antes de que el agua fluya a

través de la unidad válvula solenoide, válvula de control de flujo, monitor de UV, alarma

automática de funcionamiento, contador de horas, consumo eléctrico de 120v/60Hz,

una dosis mínima aplicación de 16,000 µws / cm3, las partes en contacto con el líquido

son de acero inoxidable y un soporte para montaje en la pared.

Los otros modelos tienen un precio bajo pero no incluyen los dispositivos para la

instalación adecuada.

Tesis Profesional

179


IV.5.4.6 Generador de ozono

El generador y dosificador de ozono al agua purificada es un modelo Wp/250 MG el

cual consta de un filtro secador de aire mod. IPSE que incluye un porta cartucho # 10

SL transparente, 1 soporte de muro #5, 2 conexiones Jac o 1 tapon 3/8, y una carga de

material IPTM.

El precio es de: $9,321.71 con IVA incluido.

IV.5.4.7 Lavadora de garrafones

El sistema de lavado modelo L-3 (3 garrafones simultáneamente) está construido

enteramente de acero inoxidable e incluye válvulas, tuberías, boquillas y está integrado

por una Tarja dividida en 3 partes, una para lavado exterior, lavado interior y enjuagado

interior fabricada de acero inoxidable. Un carro deslizable para lavado y enjuagado del

garrafón. dos bombas de 1 HP. (una para el lavado con detergente y la otra para el

enjuague) en acero inoxidable marca ESPA. Una regadera, sistema eléctrico y con

hidráulico integrado. Base en acero estructural recubierta con pintura epóxica. Cubierta

lateral de acrílico para que no salpique el agua.

El precio es de: $15,500.00 sin IVA.

IV.5.4.8 Llenadora de garrafones

El sistema de llenado L-2 (2 garrafones simultáneamente) consta de una mesa de

acero al carbón o aluminio móvil para evitar hacer obra, Equipo hidroneumático de 3/4

de HP con cabezal de acero inoxidable.

El precio es de: $8,232.00 sin IVA.

IV.5.4.9 Sistema de transporte

Se dispondrá de una camioneta pick-up Nissan, la cual se adquirirá en su momento con

un precio de adquisición de $147,839.

Tesis Profesional

180


IV.5.4.10 Superficie para la instalación

Se requiere un máximo 35.3 metros cuadrados.

IIVV..66 EEssttiimmaacciióónn ddee CCoossttooss

El siguiente estudio se realiza considerando los costos de una planta de tratamiento con

una inversion en: equipo de producción, equipo de oficina o mobiliario y de mas

accesorios, el pago por bombeo de la materia prima, la adquisicion de un vehículo para

el reparto, gastos por administración, construcción de la obra civil y considerando que

ya se tiene el terreno.

IV.6.1 Constitución de la Empresa

Para obtener el acta constitutiva de una empresa S.A. de C.V., es necesario acudir a la

Secretaria de Relaciones Exteriores, donde se autoriza la constitución de la sociedad,

posteriormente, se formaliza ante un notario público y se inscribe en el registro público

de Comercio de la SECOFI. Al mes siguiente se acude a la Secretaria de Hacienda y

Crédito Público para solicitar su inscripción en el Registro Federal de Contribuyentes,

donde se recibe una clave que le identifica ante la autoridad fiscal.

También debe de solicitarse una Licencia de Funcionamiento expedida por el gobierno

municipal de la localidad donde esta empresa se establezca. Ante la Secretaria de

Salud o de los gobiernos estatales donde se pide una autorización que tiene la forma de

Licencia Sanitaria o permiso sanitario.

Registrar la marca para tener propiedad autoral conocida como derechos de autor ante

México en el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial (IMPI).

Tesis Profesional

181


IV.6.2 Requerimientos de la Mano de Obra

El requerimiento del personal para iniciar la operación de la planta, se muestra en la

tabla 4.21, también se hace mención del salario que corresponde al área geografica A

que se tiene en la república mexicana.

Tabla 4.21 Requerimientos de personal.

Personal Cantidad Sueldo Diario total*

Operador 1 55.5

Chofer o distribuidor 1 60.9

Administración 1 54.9

Total: 3 $171.3

* Fuente: Comisión nacional de los salarios minimos

IV.6.2.1 Descripción del puesto

Operador. Tiene a su cargo el lavado, llenado, colocación de la tapa, sello y etiquetado

de los garrafones y envases; inspección del producto de acuerdo a las normas de

calidad y transporte al almacén y/o vehículo de repartición. Este se considera mano de

obra directa.

Chofer o distribuidor. Tiene a su cargo la distribución del producto conforme se solicite

en cada departamento. Este puesto se considera dentro del personal administrativo.

Administración. Su función es llevar acabo la administración financiera de la empresa y

la realización de pedidos de material u accesorios que se requieran.

IV.6.3 Programa de Producción

Para la elaboración del agua de garrafón, se tiene estipulado una demanda del 73.58 %

la cual corresponde a 12.266 metros cúbicos a la semana como inicio; e

incrementando anualmente un 10 % hasta llegar a lo que se tiene proyectado de 14.98

m3/semana, donde la producción se volverá constante el resto de vida de la planta.

Tesis Profesional

182


De acuerdo al estudio de mercado son necesarios las siguientes indicaciones de

trabajo:

Se trabajara un turno de lunes a viernes (un operador).

Cada turno será de 8 horas.

Comprenderá de 8-17 hrs.

Los días no laborables de acuerdo con políticas de la empresa y oficiales que se

otorgan a nivel nacional son 16 días y en base al calendario escolar se trabajara tan

solo 198 días (38.6 semanas).

IV.6.3.1 Requerimientos de la materia prima

Agua.- Se ministrara de la red del pozo (Yucateco) que esta al norte de la entrada

principal de la Uach (ver tabla 4.8).

Envases.- Serán de plástico de PVC, resistentes al frío, calor; como lo exige la norma

NOM-041-SSAA1-1993. En el caso de las presentaciones menores estas serán de

material PET. Los requerimientos anuales se presentan en la tabla 4.22.

Tapas.- Estas deberán ser material inocuo y resistentes de tal manera de no producir

sustancias toxicas u altere la calidad del producto.

Etiqueta.- En esta deberán contener los datos indispensables de la planta y producto

tales como: Logotipo de la empresa, nombre o marca comercial, nombre o razón social

del fabricante, dirección del fabricante, contenido en unidades de volumen, lugar de

fabricación, lote o clave de producción y fecha de caducidad.

Sellos.- Estos se adhieren alrededor de la botella donde debe llevar el nombre de la

empresa.

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183


Tabla 4.22 Materia prima requerida mensualmente para el primer año.

Materia prima

Periodo Agua Envases de 500 y 1500 ml Garrafones de 19 litros

Sellos Etiquetas Tapas Envase Etiquetas Tapas

Mes L millar millar

Enero 34,346.69 4.04 4.04 4.04 4.04 1.68 1.68

Febrero 46,613.37 5.48 5.48 5.48 5.48 2.28 2.28

Marzo 34,346.69 4.04 4.04 4.04 4.04 1.68 1.68

Abril 53,973.37 6.35 6.35 6.35 6.35 2.64 2.64

Mayo 49,066.70 5.77 5.77 5.77 5.77 2.40 2.40

Junio 22,080.02 2.60 2.60 2.60 2.60 1.08 1.08

Julio 19,626.68 2.31 2.31 2.31 2.31 0.96 0.96

Agosto 53,973.37 6.35 6.35 6.35 6.35 2.64 2.64

Septiembre 46,613.37 5.48 5.48 5.48 5.48 2.28 2.28

Octubre 56,426.71 6.64 6.64 6.64 6.64 2.76 2.76

Noviembre 46,613.37 5.48 5.48 5.48 5.48 2.28 2.28

Diciembre 22,080.02 2.60 2.60 2.60 2.60 1.08 1.08

Total/anual 485,760.33 57.13 57.13 57.13 57.13 23.79 23.79

m3/anual 485.76

IV.6.4 Estudio Económico

IV.6.4.1 Presupuesto de costos de producción

IV.6.4.1.1 Costos de bombeo de la materia prima

Los costos de bombeo se dividen en tres grupos: costos directos, costos de operación y

los costos de mantenimiento y reparación, según Palacios (1995). Para este caso, como

el equipo ya se encuentra instalado, los costos directos se dan por cubiertos y solo se

consideran los costos de operación de mantenimiento y reparación.

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184


1. Costos de operación (CO).

Para calcular estos costos fue necesario conocer el consumo horario de energía por el

motor y también la tarifa vigente de costos por kilowatts-h.

La potencia consumida por el motor operando es de 45.3 H.P. que convertidos a Kw da:

1HP = 0.745 KW

45.3 HP = 0.745* 45.3 = 33.74 KW

De dato de campo tenemos que la bomba trabaja aproximadamente 1 hora por día, y

de acuerdo al calendario de la Universidad, la bomba solo trabaja 318 (10.45 meses)

días al año; lo cual al mes resulta:

meshorasMensualOperacióndeHoras /30.41645.10

318*1

El consumo mensual es:

MesKWmes

h

h

KWMensualConsumo /52.0261

1

30.416

1

7.33

2.Costos por consumo de electricidad

Para calcular estos costos fue necesario conocer el consumo horario de energía por el

motor y también la tarifa vigente de costos por KW-h.

Tabla 4.23 Tarifa 6 de energía eléctrica para el bombeo de agua potable.

Cargos Ene. Feb. Mar. Abr. May. Jun. Jul. Ago. Sep. Oct. Nov. Dic. Fijo ($) 158.80 159.57 160.34 161.11 161.89 162.67 163.46 164.25 165.04 165.84 166.64 167.44 Energía ($/KWh)

0.874 0.878 0.882 0.886 0.890 0.894 0.898 0.902 0.906 0.910 0.914 0.918

Para estimar costos anuales se toman como costos de la tarifa el promedio de los

meses de Junio y Julio o también el promedio anual(Gutiérrez, 2002). En este caso

como los meses de Junio y Julio no se labora en su totalidad se considera la media

anual.

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185


Media anual: $0.896 Kwh.

Para cargos fijos: $163.088/ mes

Obtenidos los datos anteriores se calculó el consumo mensual de energía, y de esa

manera calcular los costos por consumo de electricidad con la siguiente expresión:

CCE = CF +CC*KC (4.9)

Donde:

CCE, es el costos por consumo de electricidad, en $.

CF, son los cargos fijos.

CC, son los cargos por KW-h consumido.

KC, son los KW/mes consumidos.

Sustituyendo los valores en la Ecuación 4.9 se tiene:

mes/ $1082.8552.0261*896.0088.163 CCE

CCE = 1082.85*10.45 = $11315.78/ Año.

CCE = $11 315.78/ Año.

3. Los Costos por operador se calcula con la siguiente expresión.

CO = SD (365 + 40) (4.10)

Donde:

CO, es el costo por operador, en $

SD, Salario diario del operador, en $

365, Son los días de operación al año, adimensional

40, son los días de aguinaldo anuales para el operador, adimensional.

De dato de Servicios de mantenimiento de la Uach tenemos que el salario diario del

operador es:$55.0.

De acuerdo a la ecuación (4.10) los costos por operador son:

CO = 55*(365+40) = $22 275/ Año

CO = $ 22 275 / Año

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186


Por lo que los costos totales anuales por operación son:

CO = CCE + CO (4.11)

CO = $11 315.78 + $22 275= $33 590.78/ Año

CO = $33 590.78/ Año

4.Costos de mantenimiento y reparación(CMR).

Los costos de mantenimiento y reparación se estiman como un 15 % de los costos de

perforación del pozo y de los costos de la red de agua potable mas un 4 % del equipo

de bombeo y subestación eléctrica ( FIRA,1995) citado por Gutiérrez (1999).

En este caso no se sigue el procedimiento que se menciona anteriormente, ya que por

fuente de Servios Mantenimiento de la Uach, los pozos se les realiza una inversión

cada tres años con un costo total de 28 mil pesos, por tanto anualmente se requiere

una acumulación de $9,333.3.

CMR = 9 333.33/año

Una vez obtenidos los costos de operación se obtienen los costos de bombeo con la

siguiente expresión:

CB = CO + CMR (4.12 )

Donde:

CB, son los costos de bombeo, en $

CO, son los costos de operación, en $

CMR, son los costos de mantenimiento y reparación, en $

Entonces los costos de bombeo (CB) anuales según la fórmula (4.12) son:

CB = $33 590.78+ 9 333.33 = $ 42 924.11/ año

Ahora se calculan los costos por metro cúbico bombeado (CMB).

De dato de campo se tiene que la bomba tarda en llenar un volumen de 40 m3 media

hora y que la población demanda 2 veces ese volumen por día. Por lo que al año

demanda el siguiente volumen:

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187


Volumen anual demandado = 40 * 2 * 318 = 25440m3/Año

Por lo que el costo por metro cúbico bombeado (CMB) es el siguiente:

25440

42,924.11 CMB $ 1.69 / m3

CMB = $1.69 / m3

5.Costo del equipamiento.

El costo del equipamiento (bomba y motor eléctrico) se estimó con el modelo siguiente.

(World Bank, 1999 citado por Gutiérrez, 1999).

826.008966...37.147 QTDCCE (4.13)

Donde:

CE es el costo de equipamiento, en pesos de 1996

CDT es la carga dinámica total, en m

Q es el gasto, en lps

Sustituyendo datos, en ecuación 4.13:

826.008966 22.22*2.85*37.147EC

CE = $102 719.24

Como los costos de equipamiento se estimaron en pesos de 1996, se lleva a valores

actuales con la siguiente expresión, según Thuesen et al (1986):

nPF )1( (4.14)

Donde:

F es el valor futuro, en $

P es el valor presente, en $

λ es la tasa de inflación anual, en decimal

n, es el número de años, adimensional

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Al pozo en cuestión se le realizo una inversión total en el año de 1995, si la vida útil de

la bomba es de 12 años y la del motor es 20 años (Turner & Anderson, 1980 citado por

Palacios, 1998), se puede tomar la media de ambos equipos (16 años) según Gutiérrez,

2003 (comunicación personal), ya que no siempre tienen la duración propuesta debido

a la variación de las condiciones de operación. Al equipo de bombeo sólo le restan 8

años de vida útil.

Tabla 4.24 Costo del equipo de bombeo a través de los años.

Año Inflación anual

acumulada (%)

Costo de equipamiento ($)

nPF )1(

1997 14.7 117,818.97

1998 17.2 138,083.84

1999 11.69 154,225.84

2000 8.61 167,504.68

2001 4.31 174,724.13

2002 5.57 184,456.27

2008 6* 293,995.27

*Valor propuesto del 2003 al 2008, según los valores

promedio de los últimos años.

El valor de adquisición de la Bomba y el Motor en el año 2008 será de $293 995.27, el

volumen que ocupa la Planta de Tratamiento es del 3.49% respecto al total del agua

bombeada anualmente, por lo que se tiene que disponer de $10,260.00 en el año 2008,

para realizar una inversión en la compra del nuevo equipo.

IV.6.4.1.2 Costos de la materia prima y envases para el primer año

Tabla 4.25 Costos de la materia prima y envases.

Costo de Materia Prima

Concepto Cantidad Requerida Costo Unitario (pesos) Costo total Anual (pesos)

Agua / L 485,760.33 1.69 820.93

5 % lavado 24288.0165 1.69 41.05

50 % segurid. 242880.165 1.69 410.47

subtotal: 752,928.51 1.69 $1,272.45

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Continuación...

Garrafones

Envase/pza 800 23.5 18800.00

Tapa/millar 23.79 175 4164.06

Etiquetas 23.79 80 1903.57

subtotal: $24,867.64

Envases de 0.5 litros

Envase/pza 52034.40 0.6 31220.64

Tapa/millar 52.03 100 5203.44

Etiq/millar 52.03 75 3902.58

sello/millar 52.03 80 4162.75

subtotal: $44,489.41

Envases de 1.5 litros

Envase/pza 5096.52 0.9 4586.87

Tapa/millar 5.10 100 509.65

Etiq/millar 5.10 75 382.24

sello/millar 5.10 80 407.72

subtotal: $5,886.48

Total: $76,515.98

*Se toma como inversión de activo fijo de producción.

Estos datos corresponde a una producción al 73.58 % de la planta, e incrementando

anualmente hasta el quinto año de vida, para posteriormente ser constante (ver tabla

4.26).

Tabla 4.26 Envases y embalajes para la producción de la planta a lo largo de su vida

útil.

Garrafones 0.5 litros 1.5 litros Monto total Año Tapas /sellos Envases Tapas-sellos-Etiq. Envases Tapas-sellos-Etiq.

1 23.79 52,034.40 52.03 5096.52 5.10 $76,515.98

2 25.96 54,386.64 54.39 5606.17 5.61 $79,779.69

3 28.33 56,974.10 56.97 6166.79 6.17 $83,369.77

4 28.99 59,820.31 59.82 6783.47 6.78 $86,720.98

5 28.99 62,951.15 62.95 7461.81 7.46 $90,188.10

6 28.99 62,951.15 62.95 7461.81 7.46 $90,188.10

7 28.99 62,951.15 62.95 7461.81 7.46 $90,188.10

8 28.99 62,951.15 62.95 7461.81 7.46 $90,188.10

9 28.99 62,951.15 62.95 7461.81 7.46 $90,188.10

10 28.99 62,951.15 62.95 7461.81 7.46 $90,188.10

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IV.6.4.1.3 Otros materiales

Tabla 4.27 Otros materiales.

Concepto Costo Mensual Costo Anual

Material eléctrico 45.0 $356.40

Útiles de Aseo 70.0 $554.40

Cofias, guantes, cloro. 20.0 $158.40

Detergente. 58.3 $461.74

Total 193.3 $1,530.94

IV.6.4.1.4 Consumo de energía eléctrica

En el tren de tratamiento se cuenta con sistemas que requieren de cierta presión y

algunos otros utilizan controles como: Válvulas automáticas; motores que funcionan con

energía eléctrica; en la tabla 4.28 se muestran los equipos que usan energía eléctrica.

Tabla 4.28 Equipos que requieren energía eléctrica.

Equipo # de

unidades

Hp kw-h / unidad

Kw-h / dia Kw-h / año 5% improvistos

Carga total (Kw/h)

Costo anual

Filtros 1 1.00 0.745 5.96 1180.08 1239.08 0.782 1,234.75

Osmosis 1 1.00 0.745 5.96 1180.08 1239.08 0.782 1,234.75

Llenadora 1 0.75 0.558 4.46 883.87 928.07 0.586 924.82

Lavadora 2 1.00 1.49 11.92 2360.16 2478.17 1.565 2,469.49

Inyec.Ozono 1 0.50 0.372 2.98 589.25 618.71 0.391 616.54

Válvulas 4 0.24 1.92 380.16 399.17 0.252 397.77

Lámpara Uv. 1 0.015 0.36 131.40 137.97 0.087 253.45

Generación O3 1 0.03 0.24 47.52 49.90 0.032 49.72

Pistola Termo.. 1 1.2 9.60 1900.80 1995.84 1.260 1,988.85

Total 5.395 43.40 8653.32 $ 9,170.15

Según los datos de tabla se tiene un consumo de 5.395 Kw.-h; siendo menor a 25 Kw.-

h, correspondiendo a una contratación de servicio de energía eléctrica de baja tensión

con una tarifa de $0.9965 kw-h y un costo de $ 300 por la bajada (CFE, 2002).

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IV.6.4.1.5 Costos de mano de obra directa

Tabla 4.29 Costo de la mano de obra directa.

Personal Cantidad Sueldo Diario total Sueldo mensual

Sueldo / anual

Operador 1 55.5 1688.125 20,257.5

A este total anual hay que agregarle un 35 % de prestaciones que incluye el pago al

fondo de vivienda (INFONAVIT en México), vacaciones, aguinaldos, y días de descanso

obligatorio. Por tanto el costo de la mano de obra directa es igual a:

20,257.5 $/año x 1.35 = $27,347.625/año.

IV.6.4.1.6 Combustible

El único gasto atribuible a combustible durante la producción es material (sal común)

para regenerar la resina el cual tiene un costo de $60 bulto. Si la regeneración se

realizara cada 12 horas con un consumo de 5 kg, la cantidad requerida anualmente

será la siguiente:

1584 horas/ año x 1 regeneración / 12 horas x 1 bulto / 6 regeneraciones x $60/bulto =

$1,320 /año.

Sin embargo por recomendación de Dávila (2002), la regeneración debe realizarse cada

fin de semana por lo tanto los costos son menores.

1584 horas/ año x 1 regeneración / 40 horas x 1 bulto / 6 regeneraciones x $60/bulto =

$463.5 / año.

IV.6.4.1.7 Mantenimiento

Los costos de mantenimiento implican una revisión periódica de los sistemas del tren de

tratamiento. Los equipos que requieren mantenimiento son los siguientes:

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192


Tabla 4.30 Costos por mantenimiento al equipo del tren de tratamiento terciario.

Equipos Unidad. Costo Unitario Tiempo Costo unitario / anual $ / anual *

Filtro de lecho profundo 1 1000 3 años 333 208

Filtro de carbón activado 1 250 3 meses 1000 663

Suavizador 1 422 3 años 141 88

Membrana de Osmosis Inversa 1 900 2 años 450 280

Lámpara de UV 1 422 1 año 422 422

Porta cartuchos 2 100 1 año 200 125

Total: $/anual $1,744.47

* Los costos son menores ya que se considero que la planta sólo operara 198 días.

IV.6.4.1.8 Costo de control de calidad

Según la Norma oficial Mexicana es de observancia obligatoria que las personas

físicas y morales que se dedican a este proceso deben acatarse a las especificaciones

que establece la NOM-041; y de esa manera dar confiabilidad y garantía de calidad del

producto.

Generalmente las plantas con gran producción tienen su propio laboratorio, en este

caso es más económico realizarlos en un laboratorio, con frecuencia de un mes.

Tabla 4.31 Parámetros más importantes para iniciar en el mercado del agua purificada

y envasada.

Análisis Químico

Parámetros $ / muestra

Carbonatos (CO3-2

) 28

Cloruros (Cl-1

) 32

Sulfatos (SO4-2

) 32

Calcio (Ca+2

) 31

Magnesio (Mg+2

) 31

Sodio (Na+1

) 28

pH 17

Total: $199

Fuente: Laboratorio General de Suelos.

Según Dávila (2002), la planta periódicamente se le debe realizar un análisis del agua

purificada.por lo menos cada dos meses (plantas pequeñas).

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193


El costo total anual = ($199 /mes) X (198 días /25 días-mes) x (1 análisis / 1 meses) = $

1576.08 año.

IV.6.4.1.9 Presupuesto de costos de producción

A continuación se muestra un resumen de los costos de producción.

Tabla 4.32 Presupuesto de costos de producción.

Concepto Costo total anual

Materia Prima $ 76,515.98

Otros materiales $1,530.94

Energía Eléctrica $7,506.21

Combustible $1,080.00

Mano de Obra directa $27,347.63

Mantenimiento $1,744.47

Control de Calidad $1576.08

Depreciación. $62,160.20

Total: $ 179,461.97

IV.6.4.1.10 Presupuesto de gastos de administración

Como la planta es muy pequeña esta contara con una persona encargada de la

administración y un chofer. El sueldo del personal se presenta a continuación.

Tabla 4.33 Costos del personal administrativo.

Personal Cantidad Sueldo Diario total Sueldo / anual

Administración 1 54.90 20,038.5

Chofer y repartidor 1 60.90 22,228.5.

Total: 2 115.8 42,267.0

Con prestaciones (35%) 156.33 $ 57,060.45

Fuente: Comisión Nacional de Salarios Mínimos, 2002.

Además la administración tiene otros egresos como los de oficina, los cuales influyen,

papelería, facturas, café, teléfono y otros.

El monto mensual estimado es: $500; descifrado de la siguiente manera:

Facturas = $ 60. Café = $30.

Hojas = $10. Teléfono = $400

Tesis Profesional

194


Monto total anual:$500 x 7.9 meses laborables = $ 3950

Por lo que el monto total por gastos de administración es el siguiente: $61,010.45

IV.6.4.1.11 Presupuesto de gasto de venta

En este apartado no se incluye otra persona para realizar el reparto, pues el chofer

cumple esta función; por lo cual solo se incluyen los gastos de mantenimiento del

vehículo de reparto, el combustible que consume. Teniendo los costos anuales

siguientes:

Mantenimiento anual de los vehículos:$2500 por llantas.

Combustible de los vehículos: ($22 aceite cada 10,000 km) + (15,800 gasolina) = $

15,822

Los $15,800 son considerando que la camioneta solo realizará maniobras en la

Universidad y periódicamente fuera de ella, por lo que se estima un gasto de $400

pesos en 5 días laborables.

Total anual = $ 18 322.0

IV.6.4.1.12 Costos totales de producción

Con todos los datos anteriores se calcula el costo de producción, que se muestra en la

siguiente tabla:

Tabla 4.34 Costos totales de producción.

Concepto Costo total anual

Materia Prima $ 76,515.98

Otros materiales $1,530.94

Energía Eléctrica $7,506.21

Combustible $1,080.00

Mano de Obra directa $27,347.63

Mantenimiento $1,744.47

Control de Calidad $1576.08

Depreciación. $62,160.20

Total: $ 179,461.97

Tesis Profesional

195


IV.6.4.1.13 Costo total de operación de la empresa

En la tabla 4.35 se muestra el costo total que tendría la planta para producir agua

purificada. Debe tomarse en cuenta que estos costos corresponden al año cero antes

de realizar la inversión.

Tabla 4.35 Costos totales de operación del tren de tratamiento terciario.

Concepto Costos

Costos de producción $ 179,461.97

Costos de administración $61,010.45

Costos de ventas $18,322.0

Total: $258,794.42

Costo Unitario/ m3 $258,794.42./(485.760 m

3/anual)

= $532.76/m3

Como un metro cúbico tiene 1000 litros, se procede a dividir el costo unitario. El cual se

presenta a continuación:

$ 532.76/ m3 x (1 m3/ 1000 litros) = $0.532 / litro.

Por lo que el precio mínimo de un garrafón de 19 litros es de $ 10.12 y el envase de 0.5

y 1.5 litros tendría un costo de $0.266 y $0.798 respectivamente.

Un precio de venta en el mercado de $12.15 pondría en desventaja a otras marcas, que

se entregan en las oficinas a $12.45.

Respecto a las presentaciones menores de 0.5 y 1.5 litros; se propone que el precio de

venta al distribuidor si lo hay sea de $ 1.5 y $3.5 respectivamente, lo anterior es de

acuerdo al estudio de mercado que se presento en la tabla 4.7, tal precio daría

oportunidad de introducir este producto al mercado con mayor éxito.

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196


IV.6.4.1.14 Ingresos de la planta con una capacidad del 73.58%

Tabla 4.36 Ingresos de la planta a lo largo del año.

año 1

Garrafones 0.5 litros 1.5 litros

Mes Ingresos/mes (pesos) (pesos) (pesos)

Enero 20,441.77 4,599.00 1,261.26

Febrero 27,742.40 6,241.50 1,711.71

Marzo 20,441.77 4,599.00 1,261.26

Abril 32,122.78 7,227.00 1,981.98

Mayo 29,202.53 6,570.00 1,801.80

Junio 13,141.14 2,956.50 810.81

Julio 11,681.01 2,628.00 720.72

Agosto 32,122.78 7,227.00 1,981.98

Septiembre 27,742.40 6,241.50 1,711.71

Octubre 33,582.90 7,555.50 2,072.07

Noviembre 27,742.40 6,241.50 1,711.71

Diciembre 13,141.14 2,956.50 810.81

Subtotal /anual 289,105.00 65,043.00 17,837.82

Total: $371,985.82

IV.6.4.1.15 Inversión inicial en activo fijo y diferido

Estos corresponden a todos los necesarios para la operación de la empresa desde los

puntos de vista de producción y administración y ventas.

Activo fijo de Producción

Tabla 4.37 Activo fijo de producción.

Activo fijo de Producción

Cotización de Maquinaria y Accesorios

Concepto Cantidad Costo Unitario sin IVA

5 % Fletes Costo total con 15 % IVA

Tanque para agua cruda* 3 5,631.00 300.00 16,893.00

Motobomba* 1 1,650.00 50.00 1,650.00

Filtro de lecho profundo 1 3,169.32 182.24 3,644.72

Filtro de Carbón Activado 1 4,692.24 269.80 5,396.08

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197


Continuación...

Suavizador 1 4,177.74 240.22 4,804.40

Osmosis Inversa 1 39,822.30 2,289.78 45,795.65

Filtro pulidor de 5 micras* 2 100.00 - 200.00

Equipo de rayos ultravioleta 1 6,095.00 350.46 7,009.25

Inyección de Ozono* 1 9,321.71 466.09 9,321.71

Lavadora L-3 1 15,500.00 891.25 17,825.00

Llenadora L-2 1 8,232.00 473.34 9,466.80

Pistola Maquita* 1 850.00 - 850.00

Válvula de compuerta* 2 25.00 - 50.00

Válvulas de retensión* 1 65.00 - 65.00

Válvulas de Globo* 5 18.00 - 90.00

Conexiones T* 2 32.00 - 64.00

Codos 90°* 6 5.50 - 33.00

Reducciones y ampliaciones* 8 6.00 - 48.00

Tubería Hidráulica C-10* 4 135.00 - 540.00

Subtotal: $101,091.89 $5,603.11 $124,695.29

Total: $130,298.41

Activo fijo de Oficina

Tabla 4.38 Activo fijo de oficina.

Concepto Cantidad Costo total en pesos

Computadora e impresora 1 $ 8000

Equipo y Mobiliario de Oficina Varios $ 5000

Teléfono $1600

Total: $14,600

Activo fijo de Ventas.

El activo fijo de ventas corresponde a la camioneta marca Nissan, mod.02 con un precio de adquisición de $147,839.00.

IV.6.4.1.16 Obra civil

El terreno, que se va a emplear de acuerdo al espacio que ocupa cada parte del tren de

tratamiento terciario y algunos otros aspectos importantes como oficina, almacén.

La superficie a construir es la siguiente: 35.31 m2 (5.5 x 6.42 m).

Tesis Profesional

198


3 Tanque de almacenamiento: 6.75 m2 Filtros- Carbón Activado e Intercambio Iónico: 0.355 m2

Osmosis Inversa: 1.065 m2 Lavadora de garrafones: 0.9 m2 Llenadora de Garrafones: 0.75 m2 Oficina: 3 m2

Otros: 22.49 m2 Total: 35.31 m2

Sabemos por fuente de Proyectos de Servicios Generales de la Uach que el costo por

metro cuadro de construcción es de $3897/m2. Este precio es atribuible a una

construcción con pisos de Loseta, paredes aplanadas y techo de concreto.

Oficina

Lavadora

Lle

nadora

Tanque

Tanque

Tanque

OI

FiltrosBomba

Almacen

Inyeción de O

UV

3

550

2.0 m

1.5 m

6.42 m

1.5 m

1.5 m 1.5 m1.42 m

0.25 m

N

0.5 m

1 m0.5 m1. m

0.75 m

Figura 4.15. Esquema de ubicación del sistema de producción.

El monto por la obra civil es: $3897/m2x 35.31 m2 = $137 564.10

Tesis Profesional

199


IV.6.4.1.17 Activo diferido

Este comprende todos los activos intangibles de la Planta tales como planeación e

integración (3 % de inversión total sin activos diferidos), ingeniería del proyecto (3.5 %

de inversión en activos de producción), supervisión (1.5 % de inversión total sin activos

diferidos) y administración del proyecto ( 0.5 % de inversión total sin activos diferidos)

hasta la puesta en funcionamiento de tal.

Tabla 4.39 Activos diferidos.

Concepto Costo

Planeación e integración del proyecto (3 %) = $12,909

Ingeniería del proyecto (3.5 %) = $4,560

Supervisión (1.5 %) = $6,455

Administración del proyecto (0.5 %) = $2,152

Total: $23,924

IV.6.4.1.18 Inversión total del activo fijo y diferido

Tabla 4.40 Resumen de costos totales.

Concepto Costo en pesos

Equipo de producción $130,298.41

Equipo de Oficina $ 14,600.00

Equipo de ventas $147,839.00

Obra civil $137 564.10

Activo Diferido $23,924.00

Subtotal: $454,225.52

+5 % imprevistos $ 22, 711.28

Total: $476,936.79

IV.6.4.1.19 Depreciación y amortización

Los cargos de depreciación y amortización son los gastos virtuales permitidos por las

leyes hacendarías para que el inversionista recupere la inversión inicial que ha

realizado.

Tesis Profesional

200


Tabla 4.41 Depreciación y amortización de activo fijo y diferido (pesos).

Depreciaciones

Equipo % de Depreciación * Valor real 1 - 3 año 4 año 5 -10 año

VS ($)

Maquinaria y Equipo 10 $130,298

13,029.84 13,029.84 13,029.84 0.00

Equipo de reparto 25 $147,839 36,959.75 36,959.75 0.00

Equipo y Mobiliario de Oficina 10

$5,000 500.00 500.00

500.00 0.00

Equipo de Computo 30 $8,000 2,400.00 800.00 0.00 0.00

Obra civil 5 $137,564 6,878.21 6,878.21 6,878.21 68,782.05

Inversión Diferida 10 $23,924 2,392.40 2,392.40 2,392.40 0.00

Subtotal: 62,160.20 60,560.20 22,800.45 68,782.05

*Fuente: Ley de impuesto sobre la renta.

IV.6.4.1.20 Determinación del capital de trabajo

Activo Circulante.

Para que la empresa tenga los primeros ingresos es necesario contar con un capital los

cuales cubrirán los costos para adquirir los envases y demás (ver tabla 4.25). Por tanto

consideramos indispensable adquirir los garrafones, envases, sellos, etiquetas que se

usaran en el primer mes de labores; teniendo un monto total de $25 926.71.

Pasivo Circulante.

Este comprende los salarios e impuestos. Según Baca (2001) estos parámetros son

difíciles de determinar; así mismo indica que las empresas bien administradas guardan

una relación promedio entre activos circulantes (AC) y pasivos circulantes (PC) de:

AC/PC = 2 a 2.5. (4.15)

Como ya se conoce el valor del activo circulante que es de $25,926.71 y considerando

un crédito con una relación de AC/AP =2, entonces el valor del PC tendrá un valor

aproximado a:

PC = AC/2 = $25 926.71/2 = $12 963.355.

Tesis Profesional

201


Como, el capital de trabajo es la diferencia entre el activo circulante y el pasivo

circulante este ultimo tiene un valor de $12,963.355, correspondiendo al capital para

iniciar a envasar la producción.

Capital de Trabajo: $12 963.355.

IV.6.4.1.21 Determinación del punto de equilibrio o producción mínima

económica

El punto de equilibrio nos indica el punto mínimo de producción al que debe operarse

para no incurrir en las pérdidas (Baca,2001), y se calcula en forma gráfica y matemática

con la siguiente expresión:

PQ

CV

CFPE

1

(4.16)

Donde:

PQ = es el producto del volumen vendido por su precio,

CF = Costos fijos,

CV = Costos variables.

Para ello fue necesario desglosar los costos totales en Fijos y Variables que se

muestran en la tabla 4.34.

Tabla 4.42 Clasificación de los costos y gastos de operación.

Concepto Fijos Variables

Materia prima y envases 76,515.98

Otros materiales 1,530.94

Consumo de energía eléctrica 7,506.21

Mano de obra directa 27,347.63

Combustible 1,080.48

Mantenimiento 1,744.47

Control de calidad 1,576.08

Depreciación 62,160.20

Gastos de Administración 61,010.45

Gastos de ventas 18,322.00

Total: $ 155,369.76 $ 103,424.7

Tesis Profesional

202


Resumiendo la tabla anterior.

Tabla 4.43 Punto de equilibrio para el primer año.

Concepto Costo ( en miles de pesos)

Ingresos * $371,986.00

Costos totales $258,794.00

Costos Variables $103,424.70

Costos fijos $155,369.00

* Los ingresos corresponden a una producción del 73.58 %.

Sustituyendo valores en la ecuación 4.16.

215,203.67

00.986,371

70.424,1031

00.369,155

PE

Como se puede observar con el 57.85 % de las ventas totales proyectadas se alcanza

el punto de equilibrio.

Punto de Equilibrio

Beneficio Neto = 114,381

Costo total = 258,795

Costos variables = 103,425

Costos fijos = 155,370

Unidad producida en m3

Ingresos y costos.

Ingreso

279.785 485.760

214.94

miles de pesos

Figura 4.16 Punto de equilibrio de la producción.

Tesis Profesional

203


IV.6.4.1.22 Determinación de los ingresos por ventas sin inflación

Partiendo de los estudios que se presentaron en la tabla 4.8 se presentan los ingresos

para cada año correspondiente.

Tabla 4.44 Ingresos por ventas.

Año $30/caja $42/caja $9.96/garrafón Monto total:

0.5 litros 1.5 litros $

1 65,043.00 17,837.82 289,105.00 371,985.82

2 67,983.30 19,621.60 315,369.23 402,974.13

3 71,217.63 21,583.76 344,259.88 437,061.27

4 74,775.39 23,742.14 352,204.81 450,722.34

5 78,688.93 26,116.35 352,204.81 457,010.09

6 78,688.93 26,116.35 352,204.81 457,010.09

7 78,688.93 26,116.35 352,204.81 457,010.09

8 78,688.93 26,116.35 352,204.81 457,010.09

9 78,688.93 26,116.35 352,204.81 457,010.09

10 78,688.93 26,116.35 352,204.81 457,010.09

IV.6.4.1.23 Estado de resultados sin inflación y con producción variable

hasta el quinto año

Este estado se forma con las cifras obtenidas en el año cero o antes de realizar la

inversión. Además en los ingresos y costos no se considerá la inflación.

Como la producción no es constante los flujos de efectivo tienen valores diferentes ya

que algunos costos varían proporcionalmente con el nivel de producción y otros que no

cambiarán independientemente de la producción, para tal análisis de resultados se

realizá una clasificación de costos.

Tesis Profesional

204


Tabla 4.45 Costos que permanecen fijos, independientemente de la cantidad producida.

Concepto Monto





Costos de administración 61,010.45

Con estos datos se construye el estado de resultados que muestra la tabla 4.46.

Tabla 4.46 Estado de resultados sin inflación, con producción variable (en pesos).

Año 1 2 3 4 5 6,7,9,10 8

Producción /m3 485.76 528.77 576.09 590.86 593.44 593.44 593.44

+ Ingresos 371,985.82 402,974.13 437,061.27 450,722.34 457,010.09 457,010.09 457,010.09

- C. producción. 179,461.97 183,486.00 187,912.43 189,924.77 155,677.80 155,677.80 155,677.80

- C. Administración 61,010.45 61,010.45 61,010.45 61,010.45 61,010.45 61,010.45 61,010.45

- C. ventas 18,322.00 18,322.00 18,322.00 18,322.00 18,322.00 18,322.00 18,322.00

- C. equipamiento 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 10,260.00

=UAI 113,191.39 140,155.68 169,816.39 181,465.12 221,999.84 221,999.84 211,739.84

- Impuestos 44% * 49,804.21 61,668.50 74,719.21 79,844.65 97,679.93 97,679.93 93,165.53

= UDI 63,387.18 78,487.18 95,097.18 101,620.47 124,319.91 124,319.91 118,574.31

+ Depreciación 62,160.20 62,160.20 62,160.20 60,560.20 22,800.45 22,800.45 22,800.45

= FNE 125,547.38 140,647.38 157,257.38 162,180.66 147,120.36 147,120.36 141,374.76

* Impuesto sobre la renta 34% (ISR) más participación de los trabajadores en las utilidades 10%

(PTU).

La recuperación del capital sin inflación se muestra en la tabla 4.47.

Tabla 4.47 Ingresos y pago de la inversión de activo fijo y diferido.

Año FNE Pago a Activos

0 454,225.52

1 125,547.38 328,678.14

2 140,647.38 188,030.77

3 157,257.38 30,773.39

4 162,180.66 -131,407.27

5 147,120.36 -278,527.63

6 147,120.36 -425,647.99

7 147,120.36 572,768.35

8 147,120.36 719,888.71

9 147,120.36 867,009.07

10 147,120.36 1,014,129.43

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205


Como se podrá observar la inversión total de activos se recupera en 3.2 años.

Tabla 4.48 El ingreso diario con $12.2 / garrafón.

año Ingreso /día año Ingreso /día

1 634.08 6 743.03

2 710.34 7 743.03

3 794.23 8 743.03

4 819.09 9 743.03

5 743.03 10 743.03

IV.6.5 Evaluación económica

IV.6.5.1 Cálculo del VPN y la TIR con una producción variable, sin

inflación.

La tasa interna de retorno (TIR) se define como la i que hace que la suma de los flujos

descontados sea igual a la inversión inicial y el valor presente neto (VPN) es el valor

monetario que resulta de restar la suma de los flujos descontados a la inversión inicial.

Según Baca (2001) en la operación práctica de una empresa se da el caso de que

exista en un determinado periodo una perdida. En tal situación recomienda no usar la

TIR como método de evaluación y usar el VPN.

De acuerdo a a tabla 4.46 no se presenta alguna condición parecida a la condicion que

se señala en la literatura, por tal analizaremos ambas cuestiones de VPN y TIR.

Con los FNE obtenidos en la tabla 4.46, se construye el siguiente diagrama de flujo

(Figura 4.17).

Figura 4.17 Diagrama de flujo para la evaluación económica sin inflación con producción variable.

125,547 140,647 157,257 162,181 147,120 141,375 147,120 147,120

0 1 2 3 4 5 ... 7 8 9 10

+ 68,782.05

454,225.52

Tesis Profesional

206


Con una TMAR = 8.9% (cetes a 28 dias) + 4 % de riesgo se calcula el VPN y la TIR con

la siguiente expresion:

10

10

2

2

1

1

)1(......

)1()1( i

VSFNE

i

FNE

i

FNEPVPN

(4.17)

Donde:

P = es la inversión total.

FNE = Flujos netos de efectivo para cada año.

VS = es el valor de salvamento del equipo en él ultimo año de vida de la planta.

Sustituyendo los valores en la ecuación 4.16 se tiene:

10987...54321 )129.1(

05.782,68932,471

)129.1(

932,147

)129.1(

142,186

)129.1(

147,932

)129.1(

162,992

)129.1(

158,051

)129.1(

141,374

)129.1(

126,21452.225,454

VPN

VPN = $ 357,679.44

Este valor representa las ganancias que se obtienen a lo largo de los diez años de

estudio con una TMAR de 12.9 %.

Mientras el VPN se acerque más a tasa cero indica que sólo sé esta ganando la tasa de

descuento aplicada.

Ahora se calcula la Tara Interna de Retorno (TIR), haciendo el VPN = 0, dejando como

incógnitas la i y se acepta hasta satisfacer la igualdad de esta, conociendo el

rendimiento real de esa inversión.

Por tanto el valor de la TIR resulta:

10987...54321 )129.1(

05.782,68932,471

)129.1(

932,147

)129.1(

142,186

)129.1(

147,932

)129.1(

162,992

)129.1(

158,051

)129.1(

141,374

)129.1(

126,21452.225,4540

TIR = 29.56 %.

Como el VPN > 0 indica que el proyecto genera ingresos y el indicardor TIR > TMAR

(12.9 %), lo cual muestra que el proyecto es redituable.

Tesis Profesional

207


IV.6.6 Costos Cubiertos por la Universidad Autónoma

Chapingo

En este apartado trataremos algunos costos que la universidad cubre por actividad

diaria como es el caso de bombeo de la materia prima, salario de la administración de la

empresa, puediendo realizarlo el patronato, los costos de activos fijos de oficina y

ventas, no se toman ya que hay almacenes con muebles en buen estado, en el caso de

ventas no-se adquirira la camioneta y solo se tomara una en buen estado para el

reparto; Respecto a la obra civil se debe tomar la depreciación y el valor de salvamento

ya que al finalizar la vida de la planta no-se podra vender por ser construida en el

terreno que es patrimonio de la nación, pero se debe garantizar que la inversión se

recuperara; Él construirla fuera representaria costos elevados por el terreno, ademas de

permisos de construcción, compra de la materia prima y costos por vigilancia.

Con todos los puntos anteriormente tratados los costos por depreciación, producción

total y el costo unitario se ven más faborable para dejar en desventaja a otras marcas.

Tabla 4.49 Costos para una planta purificadora dentro de la UACH.

Concepto Costos

originales ($) Costos

cubiertos ($) Costos reales ($)

Materia prima y enbases 76,515.98 1,272.45 75,243.53

Otros materiales 1,530.94 1,530.94

Consumo de Energia electrica 7,506.21 7,506.21

Costos de mano de ibra directa 27,347.63 27,347.63

Combustible 1,080.48 1,080.48

Mantenimiento 1,744.47 1,744.47

Cosos de control de calidad 1,576.08 1,576.08

Depreciación y amortización. 62,160.20 40,590.73 21,569.47

Costo de producción = 179,461.97 137,598.80

Gastos de administración 61,010.45 23,988.50 37,021.95

Gastos de ventas 18,322.00 18,322.00

costo total de operación de la planta 258,794.42 192,942.75

Costo unitario / m3 532.76 397.20

costos por garrafon (19 lts) 10.122 7.55

Precio al publico (21.5 % de ganancia) 12.15 9.06

Tesis Profesional

208


Continuación..

Inversion total de activo fijo y diferido

Activo fijo de producción 130,298.41 130,298.41

Activo fijo de oficina y ventas 162,439.00 162,439.00 0.00

Obra civil 137,564.10 137,564.10

Activo diferido 23,924.01 16,614.26

Total: 454,225.52 284,476.76

Determinacción del punto de Equilibrio

Tabla 4.50 Clasificación de los costos y gastos de operación.

Concepto Fijos Variables

Materia prima y envases 75,243.53


Consumo de energía eléctrica 7,506.21

Mano de obra directa 27,347.60

Combustible 1,080.48



Depreciacion 21,569.47

Gastos de Administracion 37,021.95

Gastos de ventas 18,322.00

Total: $ 90,790.51 $ 102,152.2

Cf = $ 90,791

CV= $ 102,152

Totales = $ 192,943

Ingresos = $ 298,460

Sustituyendo valores en la ecuación 4.16 se tiene:

PE = $ 138,034.86

Lo cual indica que con solo el 46.25 % de las ventas totales proyectadas se alcanza el

punto de equilibrio.

Tesis Profesional

209


Determinación de los ingresos por ventas sin inflación.

Tabla 4.51 Ingresos por ventas.

Año Ingreso total $

Año Ingreso total $

1 298,460.35 6 367,437.02

2 322,769.12 7 367,437.02

3 349,508.76 8 367,437.02

4 361,149.27 9 367,437.02

5 367,437.02 10 367,437.02

Estado de resultados sin inflación, con producción variable hasta el quinto año.

Tabla 4.52 Costos que permanecen fijos, independientemente de la cantidad producida.

Concepto Monto





Costos de administración 37,021.95

Con estos datos se construye el estado de resultados que muestra la tabla 4.53.

Tabla 4.53 Estado de resultados sin inflación,con producción variable (en pesos).

Año 1 2 3 4 5,6,7,9,10 8

Producción /m3 485.76 528.77 576.09 590.86 593.44 593.44

+ Ingresos 298,460.35 322,769.12 349,508.76 361,149.27 367,437.02 367,437.02

- C. producción. 137,598.78 141,622.81 146,049.24 149,661.58 153,174.35 153,174.35

- C. Administración 37,021.95 37,021.95 37,021.95 37,021.95 37,021.95 37,021.95

- C. ventas 18,322.00 18,322.00 18,322.00 18,322.00 18,322.00 18,322.00

- C. equipamiento 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 10,260.00

=UAI 105,517.62 125,802.36 148,115.57 156,143.74 158,918.71 148,658.71

- Impuestos 47 % 46,427.75 55,353.04 65,170.85 68,703.24 69,924.23 65,409.83

= UDI 59,089.87 70,449.32 82,944.72 87,440.49 88,994.48 83,248.88

+ Depreciación 21,569.47 21,569.47 21,569.47 21,569.47 21,569.47 21,569.47

= FNE 80,659.34 92,018.79 104,514.19 109,009.96 110,563.95 104,818.35

Tesis Profesional

210


La recuperación del capital sin inflación se muestra en la tabla 4.54.

Tabla 4.54 Ingresos y pago de la inversión de activo fijo y diferido.

Año Ingresos FNE Año Ingresos FNE

0 284,476.76 6 110,563.95 322,853.43

1 80659.34 203,817.43 7 110,563.95 433,417.38

2 92018.79 111,798.63 8 110,563.95 543,981.33

3 104514.19 7,284.44 9 110,563.95 654,545.28

4 109009.96 -101,725.52 10 110,563.95 765,109.23

5 110563.95 -212,289.48

Como se podrá observar la inversión total de activos se recupera en 3 años.

Evaluación Económica.

Calculo del VPN y la TIR con una producción Variable, sin inflación y sin financiamiento.

Con los FNE obtenidos en la tabla 4.53, se construye el siguiente diagrama de flujo

(Figura 4.18).

Figura 4.18 Diagrama de flujo para la evaluación económica sin inflación con producción variable (UACH).

Con una TMAR = 8.9 (cetes a 28 dias, Febrero, 2003) + 4% al riesgo.

Sustituyendo los FNE del cuadro 4.55 en la expresión 4.16 se tiene:

VPN = $ 289,944.12

TIR = 32.82 %

Como el VPN > 0 y la TIR = 32.82 % > TMAR = 12.9 %, indica que el proyecto es

redituable.

80,659.34 92,018.79 104,514.19 109,009.96 110,563.95 104,818.35 110,563.95 110,563.95 + 68782.05

0 1 2 3 4 5..7 8 9 10

284,476.76

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211


VV.. RReessuullttaaddooss yy DDiissccuucciióónn

Del análisis económico sin inflación y una producción variable hasta el quinto año y a

los costos de producción se propone un precio de venta de $9.06/garrafón, $42/caja de

1.5 litros y $30/caja de 0.5 litros de agua purificada, teniendo un VPN (i de 8.9

equivalentes a cetes a 28 días y un 4 % al riesgo) de $ 289,944.12 lo cual indica que el

proyecto es viable, además la TIR > TMAR lográndose pagar la inversión total de

activos en el tercer año de instalada la planta.

Por otra parte cuando hay una independencia en pagos de administración, mobiliario de

oficina y ventas, se tiene un VPN de $ 357,679.44 y una TIR de 29.56% mayor a 12.9 %

de la TMAR, lo que indica que el proyecto es viable.

La revisión de literatura coincidió con el estudio del equipo que se ofrece en el mercado

para formar el tren de tratamiento terciario, resultando:

Filtración. El agua presenta una turbiedad menor a 1 ppm de sílice, haciéndola

transparente a cuatro metros de profundidad y como el material del sistema es de 10

micras se logra tener un agua que aumentara la eficiencia del carbón activado y del

intercambiador.

Carbón Activado. Si bien el agua no tiene sabor y olor que sea detectable al consumir,

con este sistema se garantizara la eliminación de estos.

Intercambio iónico. Como el agua tiene una dureza de 135 mg/l de CaCO3 se

considera dura y requiere este sistema mediante el ciclo de sodio para ablandar el agua

a menos de 94.5 mg/l de CaCO3 (30 % de eficiencia), aumentando el sodio a 2Na+

respecto a la original de 65.1 mg/l. Además este proceso ayuda a que la membrana de

osmosis no se sature con mayor facilidad.

Osmosis inversa. El agua tiene una concentración de SDT de 356 mg/l, una

concentración mayor de 65.1 mg/l de sodio, siendo importante la reducción este último,

ya que algunas personas con problemas cardiacos, renales y circulatorios requieren

dietas bajas de este metal. Como el sistema tiene una eficiencia del 90 % en la

Tesis Profesional

212


eliminación de compuestos orgánicos e inorgánicos los SDT quedaran en 64.4 mg/l y el

sodio entre 5 - 15 mg/l aproximadamente.

Radiación ultravioleta. De acuerdo al análisis microbiológico del agua no se

detectaron Coliformes Fecales y Totales. Como el sistema funciona con una dosis de

30,000 µws / cm3 y una eficiencia del 99 %, evita la proliferación o la transmisión de

alguna enfermedad por la vía líquida.

Ozono. Este sistema de tratamiento tiene la misma función que el anterior y se propone

utilizarlo para darle un sabor agradable al producto, así como preservar la calidad

bacteriológica y mayor vida de anaquel. El sistema funciona con una dosis de 1 gr/h de

O3, ahora tomando en cuenta que con un gramo de ozono se puede tratar 25 metros

cúbicos de agua, y a la producción diaria de 3.36 m3 de agua purificada el sistema solo

aplicara 0.1344 gr de O3 en un tiempo de 8 minutos.

El agua como tal (sin tratamiento) por su naturaleza está dentro de los parámetros que

la NOM-041 establece, sin embargo comparándola con las marcas que tienen fuerte

liderazgo en la preferencia del consumidor, el agua de la UACH entra en desventaja,

pues tiene un exceso de carbonatos, que hacen necesario su tratamiento con el

sistema seleccionado y de esa manera sé obtendrá un agua purificada con calidad para

el mercado nacional e internacional.

Con el estudio de mercado y a la demanda que se tiene actualmente se proyecto una

necesidad del producto para los próximos 10 años de vida de la planta, la cual iniciara

con una producción del 73.58 % que equivale vender semanalmente 600 garrafones de

19 litros, 11 cajas de 1.5 litros y 55 cajas de 0.5 litros para posteriormente tener una

capacidad máxima de 732 garrafones, 16 cajas de 1.5 litros y 66 cajas de 0.5 litros

semanalmente.

La conformación del sistema de tratamientos terciarios reúne los equipos que

actualmente se presentan como uno de los más avanzados en este ramo, además

serviria para concientizar a la población universitaria que será parte de proyectos del

futuro, para que conozcan las instalaciones o bien realizar prácticas y estudios para

estar al día.

Tesis Profesional

213


VVII.. CCoonncclluussiioonneess

1. Es factible proyectar un tren de tratamiento terciario avanzado y obtener agua

purificada embotellada, cuya fuente es un pozo de la Universidad Autónoma

Chapingo.

2. El proyecto es factible de acuerdo a las variables financieras.

3. La calidad del agua tratada supera a las del mercado que abastece a la UACH.

4. La mejor alternativa de tratamiento de purificación del agua es la secuencia:

filtración – carbón activado - intercambio iónico - osmosis inversa - radiación

ultravioleta y ozonización.

5. En cuanto a los parámetros de calidad del agua, después del tratamiento de

purificación cumplen con la norma nacional NOM - 041, e internacional IBWA.

6. Con la utilización de ósmosis inversa se reduce los compuestos inorgánicos y

orgánicos presentes en el agua con una efectividad del 90 %.

7. La lámpara de rayos ultravileta elimina el 99 % de los patógenos presentes en el

agua; la aplicación de ozono al agua garantiza preservar la calidad bacteriológica

y da mayor vida de anaquel.

8. El intercambio iónico sustituye los iones que causan la dureza (Ca, Mg), por el

sodio contenido en la resina; el carbón activado absorve los elementos y materia

orgánica que causan el mal sabor y olor del agua y la filtración retiene los

sedimentos contenidos en el agua.

9. El tren de tratamiento terciario avanzado tendrá una producción que abastecerá

eficientemente la demanda de la Universidad.

10. El equipo tendría utilidad extraordinaria en docencia.

Tesis Profesional

214


VVIIII.. BBiibblliiooggrraaffííaa

Acosta Rivas Carina del Pilar. Anteproyecto para la instalación de una planta embotelladora de Agua purificada en el puerto de Veracruz. Facultad de Ingeniería Química Industrial. Instituto Politencnico Nacional. México DF.2000.

Agua Crystalinn S.A de C.V. Osmosis Inversa. Isidro Calera # 1004. Col. Gremial. 2002. Tels: 49 12-05-28 y 14-80-22. C.P. 20030. E-mail: [email protected]. http://www.aguacrystal.com.mx/osmosis.htm.

Aquamarket. Agua- Tecnología y Tratamiento – Saneamiento Ambiental. Año 25 N°

135, Santiago de Chile, 2000. (http://www.aguamarket.com/temas_interes/003asp).

Aquasystem Purificación de agua. México, 2000.

(http://mx.geocities.com/agua_cosmos/articulos.htm). Akhlaq, M.S., Schuchmann, H. P. and Sonntag, C. von. Degradation of the

polysaccharide alginic acid: A comparison of the effects of UV light and ozone. Env. Sc. Technol; vol. 24:379-383.1990.

Arana Muñoz Omar E. Tratamiento de Aguas residuales para reuso Agrícola

industrial y urbano. Tesis de Doctorado. Pacific Western University. 1996. Armenta García Angélica. Aguas con las Aguas. 2000. Tels: 01 55 5694-1523, 5694-

7265. (http://www.uneabasto.com/n6.htm). Avilla Joseph A. Intercambio Ionico. Resintech Inc. Química industrial en Italia,

2002. Contacto: +1(856) 768-9600, Fax: +1(856) 768-9601; E-mail: [email protected]. (http:/www. Agua latinoamerica).

AWWA, Water Treatment. 1984. Azco Industries Limited. # 4 – 8086 – 130 th Street, Surrey, B.C. Canada.

1997.Tel: 604-596-0282, Fax: 604-599-4668, E- mail: [email protected]. (http://www. azco.bc.ca).

Baca Urbina Gabriel. Evaluación de proyectos. Editorial Mc Graw Hill.

México.2001. Banxico, Banco de México, 2003. (http;//www.banxico.org.mx)

mailto:[email protected]

http://www.aguacrystal.com.mx/osmosis.htm

http://www.aguamarket.com/temas_interes/003asp

http://www.uneabasto.com/n6.htm



http://www/

Tesis Profesional

215


Bio Light S.A., Santiago de Chile, 2002. http://www.biolight.cl/html/faqozono.html). E-mail [email protected].

Blatchley, E.R., et al. Large-scale pilot investigation of ultraviolet disinfections. In:

Planning, Design & Operations of Effluent Disinfection Systems, Whippany, NJ, May 23-25,1993. WEF: 417-432.1993.

Brasquet C y Cloirec, P.L.. Adsorption onto actived carbon fibers: aplication to

water and air treatments Pp 1307-1313 Carbon, Vol 35, N°9.1997. CEAS Comisión estatal de Agua y Saneamiento. El suministro de agua. México,

D.F, 1993. (http://lanic.utexas.edu/la/Mexico/water/libro.html). CFE, Reconoce tu tarifa. México, 2002. (http://www.cfe.gob.mx). Cheremisinoff, N.F. Handbook of water and waster water treatment technology. Editorial

Dekker. Inglaterra.1995. Clarimex. El misterio del Carbón Activado. México, 2000. E-mail: .

(http://www.activatedcarbon.com.mx). Clasby, J.L., Baumann E.R., Wastewater Filtration, E.P.A., 1977. Clorosur, El Mundo del Cloro. 1999. (http://www.clorosur.com/espanhol/esencial.html.). Conasami (Comision nacional de salarios minimos). 2002.

http://www.conasami.gob.mx/indice.htm Deininger, Rolf A. Facultad de Salud Pública. Universidad de Michigan. Ann Arbor,

Michigan, EUA. Janice Skadsen y Larry Sanford. Planta de Tratamiento de Agua de Ann Arbor. 919 Sunset Road Ann Arbor, Michigan, EUA. Anthony G. Myers CH2MHILL 310 W. Wisconsin Avenue Milwaukee, Wisconsin, EUA. 2000.

DEL Inidustries. Ozono. San Luis Obispo, CAL,E.U.A. 1996. Tel: 800-676-1335, E-

mail: [email protected]. (http://www.delozone.com). Delta Tecnología, S.A. de C.V. Agua purificada. ACS Medio Ambiente. México. (

2001- 2002 ). DeMers, L.D. et al., Ozone System Energy Optimization Handbook, AWWA

Research Foundation,1996, ISBN 0-9648877-1-1. Deming, H.G. El Agua, un recurso insitituible. Traducido por Violeta de Ochoa.

Ediciones Nuevamar. España.1981. Destitec Servicio S.L. Información sobre el ozono. 2002.

(http://www.destitec.com/aplicaciones/aplicaciones.htm).

http://www.biolight.cl/html/faqozono.html


http://lanic.utexas.edu/la/Mexico/water/libro.html

http://www.cfe.gob.mx/

http://www.activatedcarbon.com.mx/

http://www.clorosur.com/espanhol/esencial.html


http://www.delozone.com/

Tesis Profesional

216


Díaz Díaz Mirón y Liliana Serrano Ortega. Desinfección de Agua Con luz Ultravioleta. Gerr- ex, S.A de C.V. Febrero. Liliana Serrano Ortega, sociólogo urbano, es asistente directivo general de Ger-mex. México, 2002. Tels: +52(55) 5341-5307 [email protected]

Econext Dosis de ozono en agua. México, 2001. (E-mail: [email protected]). Elio Pietrobon Tarrán. Desinfección por luz ultravioleta. 2002. Tels: +55(19)

3894-6399, E-mail: [email protected]. (www.techfilter.com.br. Febrero). Ezquer Justo. Vicepresidente de la Asociación Nacional de Productores y

Distribuidores de Agua Purificada, A.C. México, 1996. FANG, C.S. y LAI, P.M.C. "Microwave regeneration of spent powder activated

carbon", Chem. Eng. Comm. Vol.147, pp. 17-27.1996. Fair G. M., Geryerj. C., Water Supply and Water Disposal, Wiley.1954. Fierro Celaya, V. M. Anteproyecto de un sistema para el tratamiento y recurso

de las aguas residuales. Tesis Profesional, Departamento de Irrigación, Universidad Autónoma Chapingo. Chapingo, México, 1992.

García A. García. Fundamentos de la Osmosis Inversa. Dpto. Técnico de Rg

systems. Zaragoza, España, 2002. García Garrido José. Agua para la Industria. Departamento de Ing. Química y

Nuclear. Universidad Politécnica de Valencia. España, 1988. George, D.B. et al. Case Studies of Modified Disinfection Practices for

Trihalomethane Control, AWWA Research Foundation, 1990, ISBN 0-89867-515-4.

Gonzáles Garrido Cristian. La luz Ultravioleta, una Solución amigable con el medio

ambiente para la desinfección del agua y el Aire. AQUA – MASTER, Julio. 2001.Tel. (56-2) 824 3933.

Gray, N.F. Water technology. Editorial Arnold. Gran Bretaña, 1999. Groocock, N.H. Disinfection of drinking water by ultraviolet light. J. of the Institute of

Water Engineers and Scientists, 1984; vol. 38 (20): 163-172. Gutiérrez Carrillo Natalio. Aprovechamiento sustentable del acuífero del valle de

Queretaro. Colegio de posgraduados. Instituto de recursos Naturales, especiliadad en Hidrociencias. Montecillos, Texcoco, Edo. Méxoco, 1999.

Hammer M.J. Water and Wastewater Technology, Wiley.1977.



http://www.techfilter.com.br/

Tesis Profesional

217


Harris, G.D., Adams, V.D., Sorensen, D.L. and Curtis, M.S. Ultraviolet inactivation of selected bacteria and virus with photoreactivation of the bacteria Water Research; vol. 21(6): 687-692.1987.

IAWPRC Study Group on Health Related Water Microbiology. Bacteriophage as model

viruses in water quality control. Water Research, 1991; vol. 25(5):529-545. INTEROZONE S.A. Tecnología de Ultima Generación en diversas aplicaciones

del Ozono Industrial. Inter. Ozono ingeniería Ecológica. Av. Ricardo Lyon 967, Providencia Santiago – Chile, 2002.E- mail: [email protected]. (http://www.chilnet.cl/interozone/Tratam~1.htm).

Isntapura. Cuernavaca Morelos. Subida a Chalma No. 2044. Col. Lomas Tetela.

2000.Tel: (52)(777) 380-07-91. E- mail: [email protected]. (http://www.instapura.com.mx).

Jagger, J. Introduction to research in ultraviolet photobiology. Englewood Cliffs,

New Jersey: Prentice-Hall Inc.1967. Janice Skadsen y Larry Sanford. Planta de Tratamiento de Agua de Ann Arbor,

919 Sunset Road. Ann Arbor, Michigan, EUA. Anthony G. Myers. CH2MHILL. 310 W. Wisconsin Avenue. Milwaukee, Wisconsin, EUA. 2002.

Jacobs, V.A. Water Chlorination – Chemistry, Environmental Impact and Health Effects. Chelsea, MI: Lewis Publishers; vol. 5:187-205.1985.

Kawamura S., Design and Operation of High – Rate Filter, Parte 2, J. AWWA, vol. 67,

p.653, noviembre 1975. Keith A. Christman. Calidad del Agua: desinfección efectiva. Consejo de Química

del Cloro, Arlington, V. A., E. U. A., 2001. http://c3.org/chlorine_knowledge_center/whitepapers10-98.html.

Kool, H.J., van Kreijl, C.F. and Hubrec, J. Mutagenic and carcinogenic properties

of drinking water. In: Jolley, R.L., Bull, R.J., Davis, W.P., Katz, S., Roberts, M.H. 1985.

Kruithof, J.C. and van der Leer, R.C. 1990. Practical experiences with UV-

disinfection in the Netherlands. In: AWWA Seminar on Emerging Technologies, Cincinnati, Ohio, Jun. 17-21, 1990. AWWA,:177-190.

Lobato Enrique Cesar Feliciano. Proyecto Técnico-Económico para la Instalación

de una planta embotellada de Agua purificada. Tesis Profesional Facultad de Ingeniería Química Industrial. Instituto Politécnico Nacional. México, D.F, 1995.

Lupal, Mirón. Lo nuevo: Luz ultravioleta ofrece desinfeccion confiable.

México.1998-2001. (http://www.netsalud.sa.cr/).


http://www.chilnet.cl/interozone/Tratam~1.htm


http://www.instapura.com.mx/

http://c3.org/chlorine_knowledge_center/whitepapers10-98.html

Tesis Profesional

218


Martines, B. R. Y Gonzáles, M. G. Tratamientos Avanzados de las Aguas y Aguas

Residuales. Tesis Profesional Departamento de Irrigación. Universidad Autónoma Chapingo. México, 2000.

Martínez, S. F. y Gutierrez C. N. Maquinas hidráulicas. Departamento de irrigación.

Chapingo, México, 1995. Masschelin, W. J., Ozonation Manual for Water and Wastewater Treatment, John Wiley

&sons, 1982, ISBN 0-471-10198-2. Matatov- MeytaL, Y.I. y SHEINTUCH, M. "Abatement of Pollutants by Adsorption

and Oxidative Catalytic Regeneration", Ind. Eng. Chem. Res., 36, 4374-4380.1997.

Medina, San Juan, José. Desalación de aguas salobres y de mar: osmosis inversa.

Ed. Mundi-prensa. Madrid., 2000. Méndez. Chávez Lucila C. Facultad de Química. UNAM. México, D.F, 2002. Metcalf, E.L y Eddy, H.P. Ingeniería Sanitaria. Vol.1, Editorial McGraw-HILL. México.,

1996. Meulemans, C.C.E. The basic principles of UV-sterilization of water. In: Ozone +

Ultraviolet Water Treatment, Aquatec Amsterdam, 1986. Paris: International Ozone Association, 1986: B.1.1-B.1.13.

Mishra, V.S. et al; Review wet air oxidation. Revista de Ingeniería Química industrial,

N°34, pp 2-48. Inglaterra, 1995. Munakata, N., Daito, M. and Hieda, K. Inactivation spectra of Bacillus subtilis spores

in extended ultraviolet wavelengths (50-300nm) obtained with synchrotron radiation. Photochemistry and Photobiology, 1991; vol. 54(5):761-768.

Mundo Ejecutivo. Aguas embotelladas. Tecnología Delta, S.A. de C.V. 1996-2001.

ACS Medio Ambiente es una marca registrada de Tecnología Delta, S.A. de C.V. (http://www.acsmedioambiente.com/Longevo/noviembre2.htm).

Navarro Romero Héctor Antonio. Factibilidad Económica del Diseño de una planta

de Osmosis Inversa para la recuperación en Lavadoras para la industria Embotelladora. Tesis Profesional. Escuela Superior de Ingeniería Química Industrial. Instituto Politécnico Nacional. México D.F, 1999.

Netfirms. Agua potable. 2000. http://aguapotable.netfirms.com/cloracion.htm. NeWater. Filtración. Argentina, 2002. Tel: 011-4555-6050, 0800-222-6392. E-mail:

[email protected]. (http://www.filtrar.net)

http://www.acsmedioambiente.com/Longevo/noviembre2.htm

http://aguapotable.netfirms.com/cloracion.htm

http://www.filtrar.net/preguntas/mail%20to:[email protected]

http://www.filtrar.net/preguntas/mail%20to:[email protected]

http://www.filtrar.net/

Tesis Profesional

219


O'Brian, W.J., Hunter, G.L., Rosson, J.J., Hulsey, R.A. and Carns, K.E. 1995. Ultraviolet system design: past, present and future. In: Proceedings Water Quality Technology Conference, New Orleans, LA., Nov. 12-16. AWWA; 1995: 271-305.

Palacios Vélez Enrique. ¿Porqué, cuándo, cuánto y como regar? Para lograr

mejores cosechas, un manual para usuarios y técnicos del agua. Colegio de Postgraduados. Montecillos, Edo de México, 1998.

Pietrobon Elio Tarrán. Desinfección por luz ultravioleta. Director General de Tech

Filter Indaiatuba, São Paulo, Brasil, 2000. E- mail: [email protected], (www.techfilter.com.br. Febrero).

Phillips, R. Sources and applications of ultraviolet radiation. New York, New York:

Academic Press Inc., 1983. Rakness, K.L. et al., Ozone System Fundamentals for Drinking Water, Opflow,

Amer. Water Works Assoc., Vol 2, No 7, Julio de 1996. Ramalho, R.S. Tratamientos de Aguas Residuales. Editorial Revert. Barcelona,

España, 1996. Ramírez, Brenda delegada estatal de la Asociación Nacional de Productores y

Distribuidores de Agua Purificada. El norte. Leticia Salazar. Monterrey, México, 2002.

Reiff, F. y V. M. Witt, Guidelines for the Selection and Application of

Disinfection Technologies for Small Towns and Rural Communities in Latin America and the Caribbean, PAHO Technical. Series No 30, Washington, D.C., 1992.

RGF Environmental System, Inc. 3875 Fiscal Court, Suite 100, West Palm Beach,

FL, E.U.A., 1997., Tel : 800-842-7771 & 561-848-1826, Fax: 561-848-9454, E-mail:[email protected] (http://www.rgf.com)

Rice, R.G., Analytical Aspects of Ozone Treatment of Water and Wastewater,

Lewis Publishers, 1986, ISBN 0-87371-064-9. Rice, E.W., et al. Correlation of coliform growth response with other water

quality parameters. Journal AWWA, July, 1991: 98-102. Rodríguez Olea Maria de los Ángeles., et al. Imagen Microbiana del agua de Garrafón

Durante su manejo intra domiciliario. Departamento de Fármaco biología, División de Ciencias Básicas, Centro Universitario de Ciencias. Universidad de Guadalajara. Av. Marcelino García Barragán 1451. Col Olímpica CP 44430 Guadalajara Jal. 2000.Tel. y Fax: (3) 650-0374. E-mail: [email protected].

http://www.techfilter.com.br/

http://www.rgf.com/


Tesis Profesional

220


Rodríguez Reinoso F. y Molina Sabio. Carbon activado. Departamento de Química Inorgánica. Universidad de Alicante. España, 1987. E-mail: [email protected].

Rogola Lapeña Miguel. Tratamiento de Aguas Industriales. Editorial ALFAOMEGA,

MARCOMBO. México, D.F.1999. Romero Rojas Jairo Alberto. Calidad del Agua. Escuela Colombiana de Ingeniería.

2da Edición. Alfaomega. Colombia, 1999. Sakada, A; et al. “Activated Carbon Membrane for Water Treatments: Application

to Decolorization of Coke Furnace Wastewater”, Adsorption, N°, pp 93-98.1996.

Salas Jesús y Carlos Garrido. El carbon activado granular. España, 1997-2002. E-

mail: [email protected]. (http://www.drpez.com/drcol51.htm) Savazzini, Derobert, Renaud laport. Revista de Avicultura. Sociedad Cooperativa

Agraria UTECO.1974. Sawyer N., McCarty, P.L. Chemistry for Sanitary Engineers, McGraw-Hill Book

co,.1967. Servin R. J. Leonel. Metalurgia de Minerales No Metálicos. 2000. E-mail:

[email protected] Stanley, E. M. Enviromental Cemistry. Sexta edición. Editorial Lewis Publishera.

USA, 1994. Steven Carruthers, ―Introduction to azone generation‖. Practical Hydroponics &

Greenhoueses Magazine, Semtiembre/OCtubre 1997. (http://www. Hydroponics.com.au/zozone.html)

Sutton & Harmon. Fundamentos de ecologia. Editorial Limusa, México, 1993. Steel E.W., McGhee T.J., Water Suply and Sewerage, 5ª. Ed; McGraw Hill Book

Co.,1979. Sonntag, C. von and Schuchmann, H-P. UV disinfection of drinking water and by-

product formation-some basic considerations. J Water SRT–Aqua, 1992; vol. 41(2):67-74.

Sotelo Avilla Gilberto. Hidráulica General. Ed. LIMUSA, Vol. 1, México, 1980. Snohomish, SE, LCC. 9005 203RD. O3 water system. WA, EU.A., 1997. Tel: 1-360794-

9511, Fax: 1-360-794-0856, E- mail: [email protected]. (http://www.edcozone.com). Tomasko, D. L., et al. Pilot Scale Study and Design of a Granular Activied Carbon

Regeneration Process Using Supercritical Fluids, Enviromental. Program, Vol. 12. No. 3, pp 208-217.1993.



http://www.drpez.com/drcol51.htm



http://www.edcozone.com/

Tesis Profesional

221


Unitek S.A. Carbón Activado. Rep. De Cuba 1034 (B7608EBV) Mar del Plata,

Buenos Aires Argentina, 1986. Tels: (+54223)481-2182 / 482 5888. E – mail: [email protected]. (http://www.utk.com.ar).

USEPA, Guidance Manual for Compliance with the Filtration and Disinfection

requirementes for Public Water Systems Using Surface Water Sources, 1989. International Ozone Association: www.int-ozone-assoc.org.

USEPA. Ultraviolet light disinfection technology in drinking water application – an

overview. EPA 811-R-96-002 Washington, DC: U.S, 1996. Environmental Protection Agency, Office of Ground Water and Drinking Water.

Viresi, Distribución y Gestión Comercial Viresi, S. L. C/ Garces deñ Garro, Local 12

50017 Zaragoza, 2000. Tel: 976460190, Fax:976460192, E meil: [email protected],(http://www.viresi.com/INFO.AGUA.htm). http://www.viresi.com/index.html).

Vega Santos Paulo Cesar. La tecnología del ozono como alternativa de Uso en

el tratamiento de agua. Tesis Profesional Escuela Superior de Ingeniería Química de Industrias Extractivas. Instituto Politécnico Nacional. México, D.F, 1998.

Webber, W.J. El control de la calidad del Agua. Procesos fisicoquímicos. Editorial

Reverte. Barcelona, España, 1979. Wilson, B.R., et al. C.P. Coliphage MS-2 as a UV water disinfection efficacy test

surrogate for bacterial and viral pathogens. In: Proceedings Water Quality Technology Conference, Toronto, Ontario, Canada, Nov. 15-19, 1992. AWWA: 1993:219-235.

Wolfe, R.L. Ultraviolet disinfection of potable water, current technical and

research needs. Envir. Sci. Technol., 1990; vol. 24(6):768-773. Zeta corporation. Osmosis Inversa. 2045 N. Forbes Blvd., Suite 102, Tucson, AZ

85745 USA.1999-2000. TEL: 520-903-9904 FAX: 520-903-9910.


http://www.utk.com.ar/

http://www.int-ozone-assoc.org/

mailto:[email protected],(http://www.viresi.com/INFO.AGUA.htm

http://www.viresi.com/index.html

Tesis Profesional

222


VVIIIIII.. AAnneexxooss

Anexo 1.Control de Calidad del Producto

Normas de Calidad Aplicada al Agua Purificada

México cuenta con dos principales certificadoras, NORMEX y CANACINTRA que avalan

la calidad de los empresarios mexicanos, que se dedican a la producción de productos

envasados. A partir de 1993, el proceso de normalización es un proceso obligatorio

para las aguas purificadas y envasadas.

Las normas que regulan la fabricación del agua purificada y de Garrafón son:

Asociación Mexicana de la Normalización y Certificación, S.C (NORMEX).

Asociación Internacional de Agua Embotellada (IBWA).

De manera general el agua que ha sido sometida a un tratamiento físico o químico que

se encuentra libre de agentes infecciosos, cuya ingestión no causa efectos nocivos a la

salud y para su comercialización se presenta en botellones u otros envases con cierre

hermético puede estar certificada por alguna institución de prestigio en el ramo.

NORMA OFICIAL MEXICANA NOM-041-SSA1-1993, BIENES Y SERVICIOS. AGUA

PURIFICADA ENVASADA. ESPECIFICACIONES SANITARIAS.

Objetivo y campo de aplicación. Esta Norma Oficial Mexicana establece las

especificaciones sanitarias del agua purificada envasada. Es de observancia obligatoria

en el Territorio Nacional para las personas físicas o morales que se dedican a su

proceso o importación.

Referencias. Esta norma se complementa con lo siguiente:

NOM-031-SSA1-1993 Productos de la pesca. Moluscos bivalvos frescos-

refrigerados y congelados.

Tesis Profesional

223


Especificaciones sanitarias.

NOM-051-SCFI-1994 Especificaciones generales de etiquetado para alimentos y

bebidas no alcohólicas preenvasados.

NOM-092-SSA1-1994 Método para la cuenta de bacterias aerobias en placa.*

NOM-109-SSA1-1994 Procedimientos para la toma, manejo y transporte de

muestras de alimentos para su análisis microbiológico.*

NOM-110-SSA1-1994 Preparación y dilución de muestras de alimentos para su

análisis microbiológico.*

NOM-112-SSA1-1994 Determinación de bacterias coliformes.

Técnica del número más probable.*

NOM-117-SSA1-1994 Método de prueba para la determinación de cadmio,

arsénico, plomo, estaño, cobre, fierro, zinc, y mercurio en

alimentos, agua potable y agua purificada por absorción

atómica.*

NOM-120-SSA1-1994 Buenas prácticas de higiene y sanidad para bienes y

servicios.*

NOM-127-SSA1-1994 Agua para uso y consumo humano. *Proyecto en proceso de

expedición como Norma Oficial Mexicana.

Cuando en la presente norma se mencione al Reglamento, debe entenderse que se

trata del Reglamento de la Ley General de Salud en Materia de Control Sanitario de

Actividades, Establecimientos, Productos y Servicios.

Disposiciones sanitarias. El producto objeto de esta norma, además de cumplir con lo

establecido en el Reglamento, debe ajustarse a las siguientes disposiciones:

La fuente de abastecimiento de agua debe sujetarse a las disposiciones establecidas

en el Reglamento.

El lavado y desinfección de envases, debe realizarse con soluciones sanitizantes que

no alteren o cedan sustancias que modifiquen las características del producto y

evitando la contaminación por el arrastre de las mismas.

Tesis Profesional

224


Las plantas purificadoras de agua deben estar diseñadas y establecidas en

instalaciones que permitan efectuar correctamente las buenas prácticas de fabricación.

En las plantas purificadoras de agua se deben llevar registros de las pruebas

efectuadas a la materia prima (agua), producto en proceso, producto terminado, lavado

de envases, mantenimiento sanitario del equipo, líneas de producción, accesorios y

número de lote asignado al producto, los cuales deben conservarse por un año a

disposición de la autoridad sanitaria.

Especificaciones sanitarias

El producto objeto de este ordenamiento, debe cumplir con las siguientes

especificaciones:

Organolépticas y físicas

Olor Inodoro

Sabor Insípido

Límite Máximo.

Color 15 Unidades de color verdadero* en la escala de platino-cobalto.

Turbiedad 5 Unidades de UTN.

* Únicamente el producido por sólidos disueltos en el agua.

Fisicoquímicas

Ph 6,5 - 8,5

Características Límite Máximo mg/l

Alcalinidad total CaCO3 300.00

Aluminio 0.2 Arsénico 0.05 Bario 0.70 Cadmio 0.005 Cianuros como CN 0.05 Cloro residual libre después de un tiempo de contacto mínimo de 30 min.

0.10

Cloruros como Cl- 250.00

Cobre 1.00 Cromo total 0.05

Tesis Profesional

225


Dureza total como CaCO3 200.00 Fenoles o compuestos fenólicos 0.001 Fierro 0.30 Fluoruros como F

- 0.70

Manganeso 0.05 Mercurio 0.001 Nitratos como N 10 Nitritos como N 0.050 Nitrógeno amoniacal como N 0.50 Nitrógeno orgánico total como N 0.10 Oxígeno consumido en medio ácido 2.00 Ozono al envasar 0.40 Plata 0.05 Plomo 0.02 Sólidos disueltos totales 500.00 Sulfatos como SO4

= 250.00

Sustancias activas al azul de metileno 0.50 Trihalometanos totales 0.10 Zinc 3.00

Microbiológicas

Límite Máximo

Mesofílicos aerobios UFC/ml 100

Coliformes totales* NMP/100 ml no detectable

Coliformes totales** UFC/100 ml cero

Vibrio cholerae*** Negativo

* Técnica de número más probable.

** Método de filtración por membrana.

*** Bajo situaciones de emergencia sanitaria la Secretaría de Salud, sin perjuicio de las atribuciones de

otras Dependencias del Ejecutivo establecerá los casos en los que se habrá de determinar la presencia

de este agente biológico.

Muestreo. El procedimiento de muestreo del producto objeto de esta norma debe

sujetarse a lo que establece la Ley General de Salud.

Métodos de prueba. Se deben aplicar los métodos de prueba señalados en el apartado

de referencias. Para la determinación de las especificaciones físicas, químicas y de

plaguicidas se deben aplicar los métodos establecidos en el apéndice normativo A de

esta norma. Para la determinación de aluminio, bario, cromo, manganeso y plata se

debe aplicar el método de prueba establecido en la NOM-117-SSA1-1994. La

Tesis Profesional

226


determinación de Vibrio cholerae, se efectuará con el método contemplado en la Norma

Oficial Mexicana NOM-031-SSA1-1993. Moluscos bivalvos frescos-refrigerados y

congelados. Especificaciones sanitarias; la preparación de la muestra se establece en

el apéndice normativo B.

Para la determinación de coliformes totales por filtración por membrana se debe aplicar

el método establecido en el apéndice normativo B. Además de los métodos señalados

en el apartado de referencias y los incluidos en el apéndice normativo A y B de esta

norma, existen métodos alternos validados para la determinación de las

especificaciones de cada parámetro que pueden ser utilizados para el aseguramiento

de calidad del producto.

Etiquetado. La etiqueta del producto objeto de esta norma, además de cumplir con lo

establecido en el Reglamento y la Norma Oficial. Debe figurar el número o clave del lote

de producción.

Envase y embalaje. Este producto debe envasar en recipientes de tipo sanitario que

tengan tapa inviolable o sello o banda de garantía, elaborados con materiales inocuos y

resistentes a distintas etapas del proceso, de tal manera que no reaccionen con el

producto o alteren sus características físicas, químicas y organolépticas.

Se deben usar envolturas de material resistente que ofrezcan la protección adecuada a

los envases para impedir su deterioro exterior, a la vez que faciliten su manipulación,

almacenamiento y distribución.

Normas de la International Bottled Water Association (IBWA).

NORMAS IBWA. La industria del agua embotellada, normalmente emplea medidas

adicionales para mayor protección de su producto empezando desde la fuente hasta el

empaque. Estos requerimientos vienen escritos en el código de modelo IBWA. Los

miembros de la IBWA son convocados para pasar por una inspección de planta

improvisada; estas inspecciones son conducidas por una organización de tercer parte y

hacen cumplir con todas las regulaciones aplicables.

La IBWA actualmente contrata los servicios de la Fundación Internacional de

Saneamiento, una auditoria técnica independiente altamente calificada y una firma de

acuerdo para ejecutar estas auditorias otorgadas. A continuación se listan las reglas de

la IBWA

Tesis Profesional

227


Regla1: Buenas prácticas de fabricación y requerimientos operacionales.

Cuando una planta de agua embotellada, utiliza una tecnología en el tratamiento de

agua para reducir el nivel de cualquier constituyente por debajo de las normas de la

FDA para prevenir que un contaminante importante entre en el agua producto, exceda

las normas de calidad de la FDA serán adecuadamente mantenidas con el apoyo de un

informe, en acuerdo con los requerimientos y la programación de un plan de las

operaciones y mantenimiento.

Normas de control Microbiológico. La producción de agua embotellada, incluye

transportación, procesamiento, envasado y almacenamiento, se conduciría con tales

condiciones y controlada como sea necesaria para minimizar la contaminación

microbiológica potencial del producto final. Estas condiciones incluirían:

1. El agua embotellada se someterá a un tratamiento germicida efectivo por

ozonización o carbonación en un mínimo de 3 volúmenes de bióxido de carbono u otra

desinfección equivalente aprobada por el estado excepto aquellos por filtración y

tratamientos germicidas no se aplicarán por una excepción.

2. Podría permitirse una suspensión únicamente demostrando que:

1). Dicho producto y la fuente están en cumplimiento con la norma Codees

Alimentarius para agua mineral natural.

2). La embotelladora tiene que someterse a una inspección básica

hidrogeológica de la fuente y a una inspección anual sanitaria, preparado por

un hidrogeologista profesional calificado demostrando la pereza de la fuente:

a). El punto crítico de vigilancia consiste de una inspección de porciones del área de

drenaje, necesaria para identificar y una actual y probable fuente de contaminación.

b). Evaluación de construcción y protección de fuentes, lugar apropiado, estructuras de

entrada y facilidades de transmisión.

c). La evaluación de las instalaciones de almacenaje del agua producto.

d). La verificación continua de la fuente y el producto se demuestra: 1) por un oficial

ejecutada una vez cada 2 meses por las autoridades que tienen jurisdicción; 2) por una

prueba microbiológica semanalmente.

Tesis Profesional

228


e). Dicho producto es envasado en una cámara o cuarto de llenado que está bajo

presión positiva de aire filtrado.

f). El agua embotellada que no cumple con cualquiera de los requerimientos de arriba,

estará sujeta a los requerimientos de tratamiento de filtración y desinfección.

Esta sección aplica el manejo de agua suelta.

Se refiere al agua tratada para usos potables, transportada vía pipa o medios

equivalentes de un área a otra para propósitos de tratamiento, empaque y consumo

humano. Las pipas, tanque de almacenamiento, mangueras, bombas y conexiones

usadas para la carga, transporte y descarga del agua suelta serán construidos de

materiales que son del grado comestible FDA, suaves, no absorbente y fácilmente

limpiable tales como el acero inoxidable (serie 300).

Los camiones que son usados, sean exclusivamente dedicados para el transporte de

agua suelta. Los camiones serán limpiados, saneados e inspeccionados internamente

para la integridad del camión sobre una rutina fundamental.

Las mangueras y bombas empleadas para la carga y descarga del agua serán

cuidadas y almacenadas para prevenir contaminación.

Si es requerida por la agencia estatal que tiene jurisdicción local, el volumen de agua a

enviar antes de que éste sea enviado, deberá ser tratado con un desinfectante

efectivo. Muestras representativas serán tomadas de envíos de agua para análisis de

bacteria coliforme y heterotrophic plate count (HPC). La frecuencia mínima de

muestreo será una muestra de cada camión semanalmente.

Equipos multicomestibles.- El agua embotellada podría ser procesada a través de

líneas o equipos usados también para otro producto comestible bajo las siguientes

condiciones:

i) Las líneas de proceso, incluyendo carros de almacenamiento y equipo asociado,

serán exclusivamente para la producción de agua embotellada, excepto para el equipo

de llenado, podría ser usado también para llenado de otros productos comestibles.

ii) Antes de ser utilizado para embotellamiento del agua, será limpiado e higienizado a

fondo con las especificaciones del fabricante.

iii) Inmediatamente terminada la operación de llenado para otros productos diferentes

del agua, el llenador será perfectamente enjuagado interiormente y exteriormente con

agua potable.

Tesis Profesional

229


iv) Algunas partes que no están diseñadas para ser limpiadas en su sitio serán

desarmadas y removidas. Todas estas partes serán limpiadas e higienizadas antes de

reensamblarlas usando apropiadamente los procedimientos de limpieza e higiene.

v) Todas las superficies de llenado que no contacten con el producto serán limpiadas

manualmente.

vi) En cumplimiento con las instrucciones de llenado del fabricante la forma para

limpiar el llenador será:

a) Una solución limpiadora alcalina de cantidad apropiada será recirculada

directo en el llenador para proporcionar limpieza efectiva para todas las superficies en

contacto con el producto, con una recirculación mínima con un tiempo de 20 minutos a

una temperatura entre 140-170°F.

b) La solución será drenada y seguida con un enjuague de agua potable para

la eliminación de todo residuo limpiador alcalino. Este paso se completa por la

aplicación de un enjuague acidificado antes de un enjuague de agua potable con el

objetivo de neutralizar cualquier residuo alcalino.

c) Sigue reensamble de todas las partes del llenador, durante la colocación el

llenador será sanitizado.

d) Cualquier alternativa de limpieza, u operaciones de higienización no

descritos en esta sección serán de acuerdo a los requisitos de la FDA.

e) El agua embotellada que se origina de una fuente, la cual no está

protegida de una contaminación superficial se someterá a ozonización, filtración a

razón de una micra, u otro proceso efectivo, el cual destruya los quistes de Giardia

lamblia y Cryptosporidium.

f) Un monitoreo de coliformes totales realizado diariamente por la planta

sobre el producto final y pruebas trimestrales de enjuague y restregado, sobre

recipientes o contenedores entrantes y finales.

g) Con el objetivo de facilitar la identificación o remisión en el producto

incluirá un código designado el que será añadido al recipiente durante su uso y que

contenga cualquiera de los dos datos de fabricación: el lote o número de remesa.

h) Si un proveedor de agua embotellada se da cuenta que ha excedido la

norma de calidad no incluyendo los límites de contaminantes a la fuente, derrames,

accidentes, desastres naturales o descomposturas en tratamiento, lo notificará al

departamento rápidamente.

i) Si el departamento determina, basado sobre muestras representativas de

análisis de riesgos, información disponible para el departamento, el departamento

Tesis Profesional

230


podría ordenar al proveedor que modifique el producto rechazado y de ser necesario

se emitirá una forma de notificación a los clientes. El proveedor será responsable de la

diseminación de la noticia en una forma para informar a los clientes que podrían ser

afectados por el problema.

j) Si la norma de calidad ha sido excedida, indica que la violación de la norma

ha sido rápidamente corregido y ese producto ya distribuido no causará enfermedad y

no presenta riesgos de salud significativos, el departamento podría ordenar al

embotellados comunicar el excedente de la norma y la implementación de medidas

correctivas por envío directo a los clientes afectados.

k) Para propósitos de quejas las siguientes provisiones son aplicables:

l) No requiere que la identificación o localidad del manantial aparezca en la

etiqueta.

m) Ninguna persona operará una planta para propósitos de venta o

distribución sin obtener primeramente un permiso que demuestre que la fuente,

instalaciones de embotellamiento, prácticas de tratamiento y envasado y un agua como

producto final cumpla con los requerimientos de estas leyes y regulaciones adoptadas

bajo entendimiento.

El departamento por regulación podría establecer honorarios razonables para la

aplicación de un permiso, el cual será basado sobre el costo del proceso de aplicación.

1) Para agua embotellada importada, las muestras requeridas incluirán una

certificación en su país de origen que: a) describe los requerimientos de dicho país

para la fuente, instalaciones de embotellamiento, tratamiento, prácticas de

embotellamiento y para el agua como producto final; b) estado de la fecha de la última

inspección oficialmente autorizada por el departamento; y c) certifica que la fuente,

instalaciones, prácticas de tratamiento, embotellado y el producto de agua cumpla con

los estándares de la ciudad, país de origen.

2) Como condición de recibir un permiso anualmente, el embotellador recibirá una

inspección de planta, demostrando cumplimiento con las buenas prácticas de

manufactura y requerimientos operacionales de está ley.

n) La planta operará bajo la supervisión de una persona calificada

competente por experiencia, educación y entrenamiento para operar y mantener las

instalaciones de la planta. Dicha persona mantendrá un certificado; demostrando que

ha completado satisfactoriamente un curso de entrenamiento técnico, desarrollado y

administrado por el departamento, que cubre la prueba e instrucción periódica en la

Tesis Profesional

231


planta, fuente y sanidad del producto, operación y mantenimiento del tratamiento

tecnológico de agua y el mantenimiento, monitoreo de la fuente y el producto de agua

de calidad en concordancia con estos estándares.

Regla 2: Monitoreo del Agua.

La aprobación de la fuente, debe estar basada sobre una inspección constante de la

fuente de un hidrogeologista calificado procesionalmente que demostrará la integridad

de la fuente y seguridad de las operaciones de recepción o captación, y que incluirá:

1. - Una evaluación de las características químicas, físicas, microbiológicas y

radiológicas de la fuente.

2. - Un informe de especificaciones de la geología del lugar y sus alrededores. La

información será utilizada para definir el área de recarga del acuífero.

3. - Un informe que detalle el desarrollo de la fuente; método de construcción

incluyendo el diseño del manantial, buena instalación, superficie de captación e

instalaciones de transmisión apropiadas.

4. - Una inspección de la cuenca que identifique y evalúe fuentes actuales de

contaminación potencial, y que serán actualizadas cada 3 años.

5. - La planta realizará un monitoreo especial de cualquier contaminante significante y

pueda tomar medidas preventivas, restrictivas y correctivas que sean apropiadas para

proteger la fuente de agua. El operario de la planta será responsable para la toma de

muestra y análisis de todas las fuentes. Tal muestreo será una vez anual, excepto el

análisis de contaminantes microbiológicos será semanalmente. Cuando un

contaminante esté presente en la fuente a causa de un derramamiento, liberación de

una sustancia peligrosa, el operario de la planta monitoreará la fuente por dicho

contaminante. La detección de contaminantes será acompañada inmediatamente por

un programa de monitoreo periódico para confirmar la presencia de dichos

contaminantes. Si tales contaminantes son confirmados se emplearán las técnicas de

tratamiento apropiado para remover o reducir dicho contaminante, y empleará un

programa de monitoreo periódico, hasta que este contaminante no sea detectado en la

fuente.

Los análisis y el muestreo microbiológico realizados diariamente serán ejecutados por

personal calificado. Todos los análisis químicos requeridos serán ejecutados por un

laboratorio aprobado. Los registros de análisis o muestreos serán mantenidos en la

planta por 5 años.

Tesis Profesional

232


Regla 3: Monitoreo del producto final.

El producto se monitorea usando una muestra representativa derivada del producto

embotellado:

Para coliformes totales, se analiza diariamente una muestra representativa de un

segmento de la producción continua de cada tipo de agua embotellada producida por

la planta.

Para análisis químicos, físicos y de contaminantes radiológicos, anualmente se

toma una muestra representativa.

Para análisis microbiológicos, la muestra, debe ser tomada por un laboratorio

calificado, al menos una vez por semana. Las muestras diarias para muestreo

microbiológico deben ser realizados por el personal calificado de la planta. Los

análisis químicos deben ser realizados por un laboratorio certificado. Los registros

de muestras deben ser mantenidos en la planta no menos de 5 años.

Regla 4:Requerimentos de etiquetado.

Está sujeta a todas las provisiones aplicables:

Si el contenido TDS es menor a 500 ppm o si es mayor a 1500 ppm, se le

pondrá la leyenda "CONTENIDO BAJO DE MINERALES" o "CONTENIDO ALTO

EN MINERALES‖, el cual aparecerá en la etiqueta principal seguido de la

identificación del tipo de tamaño. Si el TDS del agua mineral está entre 500 y 1500

ppm, no necesita aparecer en la etiqueta.

Cuando provenga del sistema comunitario, estará etiquetada con la leyenda

"DEL SISTEMA COMUNITARIO DE AGUA" o alternativamente "DE LA FUENTE

MUNICIPAL», sin intervención de escrituras, dibujos u otras formas gráficas, para

esta sección, el tipo de tamaño no será menor a (1/16").

Cuando implique referencias para su uso en alimentos infantiles, la etiqueta

llevará la leyenda "NO ESTERIL, PARA USO DIRECTO O PARA USO DE

FORMULA INFANTIL".

Tesis Profesional

233


Lo siguiente es a criterio del panel de factores nutricionales: Cuando la calidad del

agua embotellada sea menor a la prescrita en CFR, la etiqueta portará la siguiente

leyenda de calidad:

"CONTENIDO EXCESIVO DE BACTERIAS‖. Si talla en los requerimientos del

CFR.

"TURBIDEZ EXCESIVA», si el agua embotellada calla en los

requerimientos.

―CONTIENE EXCESO‖ en el espacio en blanco se coloca el nombre del

químico.

Valores de contaminantes secundarios del agua para beber.

Componentes Inorgánicos Nivel de Contaminantes (mg/l) ppm

Antimonio 0.0066

Arsénico 0.050

Bario 1.00

Cloruros 250.0

Cloro < 0.10

Cromo 0.050

FDA NIVEL: 1.0 mg/l

Cobre 1.0

Cianuro 0.10

FDA NIVEL: 0.2 mg/l

Hierro 0.3

Plomo 0.005

Manganeso 0.05

Mercurio 0.001

Nitrato 10.00

Nitritos 1.00

Total de Nitratos + Nitritos 10.000 Selenio 0.010 Plata 0.025 Sulfatos 250.0 Talio 0.0022 TDS 500 0 Zinc 5.0

Nota: Estos valores fueron obtenidos de la revisión más actual del Mode Code del

IBWA, Enero del 2002.

Tesis Profesional

234


Calidad exigida en los requerimientos técnicos de la materia prima y producto

terminado.

Apariencia: El producto será en la presentación de garrafón, envase retornable, con

tapas de plástico rojo e impreso el nombre de la empresa. La tapa debe ser inviolable,

elaborado de materiales inocuos y resistan a distintas etapas del proceso de tal

manera que no reaccionen con el producto o alteren sus características físicas,

químicas y organolépticas.

Características de la metería prima: El agua será abastecida de la red municipal; el

envase será de acuerdo a las normas nacionales e internacionales que seguirá la

empresa; dada su presentación, será de un envase de plástico de PVC de primera

clase (material resistente, no produce sustancias tóxicas, ni altera las características del

agua), el cual debe llevar tapa inviolable y sello de garantía.

Evaluación de la Calidad del Agua Purificada

Para la evaluación de la calidad del Agua purificada se requiere de ciertos análisis

previos de la fuente de abastecimiento. Algunos de ellos son:

Determinación de Cloro residual

Determinación de cloruros.

Determinación de Color.

Determinación de Turbiedad (Método Nefelométrico).

Determinación del pH.

Determinación de la Acidez o alcalinidad total.

Determinación de la Dureza total.

Determinación de los sólidos disueltos totales.

Determinación de fluoruros (Método electrodo del ión selectivo).

Otros.

Estas son algunas de las determinaciones que se tiene que hacer; el fundamento de

estas y otras se detallan en la parte de Parámetros de Calidad de las Aguas.

Para que el agua purificada se a aceptada para el consumo, los resultado del análisis

de agua que ha pasado por el tren de tratamiento terciario debe cumplir con las

especificaciones de la NOM-041, NOM-127 y además de compararla con lo que

Tesis Profesional

235


establece la FDA (Administración Federal del Medicamento) las cuales son requisitos

indispensables para que el producto sea consumido. Algunas de las especificaciones

se indican en el cuadro 8.1.

Tabla 8.1 Límites permitidos de algunas determinaciones.

PARAMETRO NOM-127 IBWA NOM-041 FDA

Acidez o alcalinidad total 300 ppm 300 ppm

Cloro residual 0.2-1.5 ppm 0.10 ppm

Cloruros 250 ppm 250 ppm 250 ppm 250 ppm

Color 20 UCV 5 UCV 15 UCV 15 UCV

Dureza total 500 ppm 200 ppm

Hierro (como Fe) 0.3 ppm 0.30 ppm

Turbiedad 5 UTN 5 UTN 5 UTN 5 UTN

SDT (Sólidos disueltos totales) 1,000 ppm 500 ppm 500 ppm 500 ppm

SAAM 0.5 ppm 0.50 ppm

Sulfatos 400 ppm 250 ppm 250 ppm 250 ppm

pH 6.5-8.5 6.5 -8.5 6.5 -8.5 NA

Zinc 5 ppm 5 ppm 3.0 ppm 5 ppm

Fuente: Valores de las normas 041,127, IBWA y las normas de la FDA.

Herramientas de la Calidad Aplicables al proceso de Agua purificada

Diagrama de pareto.

Histograma.

Hojas de verificación.

Gráficos de control.

Tesis Profesional

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Anexo 2. Resultados del Sondeo realizado a los trabajadores

académicos y administrativos de la UACH.

Pregunta:

1.- ¿Tipo de agua que consume?

2.- ¿Por qué prefiere este tipo de agua?

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3.- ¿Consumiría agua de garrafón?

4.- ¿Cuál es el consumo semanal de garrafón?

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5.-¿Marca de agua consumida en la UACH?

6.- ¿Precio del agua que consume?

tratamiento y purificacion de agua

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