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CAPITULO I
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1. Definición de Problemática o Realidad
El distrito de San Agustín de Cajas es uno de los 28 que conforman la Provincia de
Huancayo, ubicada en el Departamento de Junín, bajo la administración del Gobierno
Regional de Junín, en el Perú. Limita al norte con el Distrito de San Jerónimo de
Tunán, al este con el Distrito de San Pedro de Saño, al oeste con el distrito de
Orcotuna y al sur con el distrito de El Tambo.
Actualmente el distrito se encuentra afectado por una problemática de salubridad
creciente, la falta de un adecuado sistema de tratamiento de agua potable está
afectando con mayor énfasis a niños y su desarrollo normal, generando enfermedades
gastrointestinales, contaminación, olores incomodos y otros factores que afectan tanto
a la saluda de las personas como a la economía distrital.
1.2. Formulación del Problema
1.2.1. Formulación del Problema General
¿Cómo mejorar la calidad de agua potable que abastece a la población del distrito de
San Agustín de Cajas, Huancayo – Junín?
1.2.2. Formulación de los Problemas Específicos
1. ¿Existen aforos necesarios para cubrir la demanda de agua de la población?
2. ¿Cómo se encuentran las redes de distribución de agua en el Distrito de San
Agustín de Cajas?
3. ¿Cuánta población actual y futura demandarán el agua potable y cuál es el periodo
óptimo de diseño?
2
4. ¿Qué Planta de Tratamiento se adecua al entorno topográfico, demográfico y social
económico del distrito?
5. ¿Qué componentes y plantas de tratamiento existen?
1.4 Formulación de los Objetivos
1.4.1. Objetivo General
Diseñar una Planta de Tratamiento de Agua Potable para mejorar la calidad de agua
que abastece a la población del distrito de San Agustín de Cajas, Huancayo – Junín
para el periodo 2015.
1.4.2. Objetivos Específicos
1. Determinar los aforos existentes en el Distrito de San Agustín de Cajas.
2. Evaluar las redes de distribución existentes en los diversos sectores del Distrito
3. Cuantificar la población actual y futura y determinar el periodo óptimo de diseño
4. Seleccionar el sistema de tratamiento de agua potable que se adecue al entorno
topográfico, demográfico y social económico que satisfaga las necesidades de la
población del distrito
5. Describir los diversos tipos de plantas de tratamiento y sus componentes
empleados actualmente para el tratamiento de agua potable relacionados al
contexto en investigación
3
CAPITULO II
JUSTIFICACION, IMPORTANCIA Y LÍMITES DE LA INVESTIGACIÓN
2.1. Justificación de la Investigación
El recurso hídrico se encuentra estrechamente relacionado con la salud de la
población, es una principal variable cuando se trata de analizar estándares de calidad
de vida y salud en sectores pobres.
Actualmente el distrito de San Agustín de Cajas cuenta con un servicio deficiente y
de baja calidad repercutiendo en la población mediante enfermedades
gastrointestinales, poco desarrollo motriz y cognitivo de los niños, altos índices de
desnutrición y una contaminación inminente del medio ambiente mediante olores,
desechos u otros.
Considerando lo expuesto es necesario el diseño de una adecuada planta de
tratamiento de agua potable que pueda satisfacer la demanda con los estándares de
calidad normados, de tal manera que fomente el desarrollo social y no sea un
indicador que reste al progreso del distrito.
2.2. Importancia de la Investigación
El acceso al agua potable es una necesidad primaria y por lo tanto un derecho humano
fundamental, por ello que se debe acceder a agua de calidad conforme lo estipula el
reglamento de calidad del agua de consumo humano, emitido por el Ministerio de
Salud.
El diseño de una planta de tratamiento permitirá eliminar la turbiedad del agua, que
son causados por partículas muy pequeñas, llamadas partículas coloidales. Estas
partículas permanecen en suspensión en el agua por tiempo prolongado y pueden
4
atravesar un medio filtrante muy fino. Por otro lado aunque su concentración es muy
estable, no presentan la tendencia de aproximarse unas a otras. Para eliminar estas
partículas se recurrirá a los procesos de coagulación y floculación, la coagulación
tiene por objeto desestabilizar las partículas en suspensión es decir facilitar su
aglomeración. Por otro lado se efectuará el proceso de cloración como medio de
desinfección del agua, el cual permitirá mejorar el consumo de agua potable de la
población.
2.3. Delimitación
Imagen Nº 01: Entorno Nacional
Fuente: MINEDU/carta Nacional
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Imagen Nº 02: Departamento de Junín
Fuente: MINEDU/carta Nacional
Imagen Nº 03: Provincia de Huancayo
Fuente: MINEDU/carta Nacional
6
Imagen Nº 04: Distrito de San Agustín de Cajas
Fuente: MINEDU/carta Nacional
Temporal
El periodo de elaboración del Plan de Tesis fue durante los meses de Octubre
Noviembre y Diciembre del año 2015
2.4. Limitaciones
Económicas para financiar las visitas a campo y otros instrumentos que se deban
emplear.
Falta de información actualizada ya sea de páginas en internet o centro de confianza
como el INEI que no actualiza sus datos desde el año 2007
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CAPITULO III
MARCO TEORICO DE LA INVESTIGACION
3.1. ASPECTOS FISICOQUIMICOS DE LA CALIDAD DE AGUA
3.1.1. CALIDAD DE AGUA
El término calidad del agua es relativo y solo tiene importancia universal si está
relacionado con el uso del recurso. Esto quiere decir que una fuente de agua
suficientemente limpia que permita la vida de los peces puede no ser apta para la
natación y un agua útil para el consumo humano puede resultar inadecuada para la
industria. Para decidir si un agua califica para un propósito particular, su calidad debe
especificarse en función del uso que se le va a dar. Bajo estas consideraciones, se dice
que un agua está contaminada cuando sufre cambios que afectan su uso real o
potencial.
Es importante anotar que la evaluación de la calidad del agua se realiza usando
técnicas analíticas adecuadas para cada caso. Para que los resultados de estas
determinaciones sean representativos, es necesario dar mucha importancia a los
procesos de muestreo y a las unidades y terminología empleadas. Para una correcta
interpretación de los datos obtenidos, los resultados de los análisis deben manejarse
estadísticamente, teniendo en cuenta la correlación de iones, los factores que
gobiernan el comportamiento de los componentes del agua, etcétera. El uso de
gráficos ayuda a mostrar las relaciones físicas y químicas entre el agua, las fuentes
probables de contaminación o polución y el régimen de calidad y, por tanto, a realizar
adecuadamente la evaluación de los recursos hídricos. A continuación se tratan en
detalle las principales características fisicoquímicas y biológicas que definen la
8
calidad del agua, el origen de los constituyentes, su importancia en la salud, su
relación con los principales procesos de tratamiento y los límites de concentración
establecidos por las normas internacionales de calidad de agua para consumo humano.
3.1.1.1. Características Físicas:
Las características físicas del agua, llamadas así porque pueden
impresionar a los sentidos (vista, olfato, etcétera), tienen directa incidencia
sobre las condiciones estéticas y de aceptabilidad del agua. Se consideran
importantes las siguientes:
turbiedad;
sólidos solubles e insolubles;
color;
olor y sabor;
temperatura, y pH.
a. Turbiedad:
La turbiedad es originada por las partículas en suspensión o coloides
(arcillas, limo, tierra finamente dividida, etcétera). La figura 1 muestra
la distribución de las partículas en el agua de acuerdo con su tamaño. La
turbiedad es causada por las partículas que forman los sistemas
coloidales; es decir, aquellas que por su tamaño, se encuentran
suspendidas y reducen la transparencia del agua en menor o mayor
grado. La medición de la turbiedad se realiza mediante un turbidímetro
o nefelómetro. Las unidades utilizadas son, por lo general, unidades
nefelométricas de turbiedad (UNT). Últimamente, ha cobrado
9
importancia la presencia de fibras de asbesto desprendidas de los
accesorios de asbesto-cemento de los sistemas de distribución como un
factor causante de turbiedad en las aguas de consumo humano. En la
práctica, la remoción de la turbiedad no es un proceso difícil de llevar a
cabo en una planta de clarificación de agua; sin embargo, es uno de los
que más influye en los costos de producción, porque, por lo general,
requiere usar coagulantes, acondicionadores de pH, ayudantes de
coagulación, etcétera. El diseño de los sistemas de remoción de
turbiedad debe considerar no solo el tipo de partículas existentes
(origen, estructura, composición y forma) sino también su tamaño y
comportamiento.
Por esta razón, si bien las normas de calidad establecen un criterio para
turbiedad en la fuente de abastecimiento, esta debe mantenerse mínima
para garantizar la eficacia del proceso de desinfección.
Figura N° 01: Distribución de tamaños de las partículas en el agua
b. Sólidos y Residuos:
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Se denomina así a los residuos que se obtienen como materia remanente
luego de evaporar y secar una muestra de agua a una temperatura dada.
Según el tipo de asociación con el agua, los sólidos pueden encontrarse
suspendidos o disueltos.
c. Color:
Esta característica del agua puede estar ligada a la turbiedad o
presentarse independientemente de ella. Aún no es posible establecer las
estructuras químicas fundamentales de las especies responsables del
color. Esta característica del agua se atribuye comúnmente a la
presencia de taninos, lignina, ácidos húmicos, ácidos grasos, ácidos
fúlvicos, etcétera. Se considera que el color natural del agua,
excluyendo el que resulta de descargas industriales, puede originarse
por las siguientes causas:
la extracción acuosa de sustancias de origen vegetal;
la descomposición de la materia;
la materia orgánica del suelo;
la presencia de hierro, manganeso y otros compuestos metálicos;
una combinación de los procesos descritos.
En la formación del color en el agua intervienen, entre otros factores, el
pH, la temperatura, el tiempo de contacto, la materia disponible y la
solubilidad de los compuestos coloreados. Se denomina color aparente
a aquel que presenta el agua cruda o natural y color verdadero al que
queda luego de que el agua ha sido filtrada. Existen muchos métodos
11
de remoción del color. Los principales son la coagulación por
compuestos químicos como el alumbre y el sulfato férrico a pH bajos y
las unidades de contacto o filtración ascendente.
d. Olor y sabor
El sabor y el olor están estrechamente relacionados; por eso es común
decir que “A lo que huele, sabe el agua”. Estas características
constituyen el motivo principal de rechazo por parte del consumidor. En
términos prácticos, la falta de olor puede ser un indicio indirecto de la
ausencia de contaminantes, tales como los compuestos fenólicos. Por
otra parte, la presencia de olor a sulfuro de hidrógeno puede indicar una
acción séptica de compuestos orgánicos en el agua. El cuadro N° 01
presenta un resumen de algunos olores característicos del agua, de
acuerdo con su origen.
Cuadro N° 01: Olores característicos del agua y su origen
12
e. Temperatura:
Es uno de los parámetros físicos más importantes en el agua, pues por lo
general influye en el retardo o aceleración de la actividad biológica, la
absorción de oxígeno, la precipitación de compuestos, la formación de
depósitos, la desinfección y los procesos de mezcla, floculación,
sedimentación y filtración. Múltiples factores, principalmente
ambientales, pueden hacer que la temperatura del agua varíe
continuamente.
f. pH
El pH influye en algunos fenómenos que ocurren en el agua, como la
corrosión y las incrustaciones en las redes de distribución. Aunque
podría decirse que no tiene efectos directos sobre la salud, sí puede
influir en los procesos de tratamiento del agua, como la coagulación y la
desinfección. Por lo general, las aguas naturales (no contaminadas)
exhiben un pH en el rango de 5 a 9. Cuando se tratan aguas ácidas, es
común la adición de un álcali (por lo general, cal) para optimizar los
procesos de coagulación. En algunos casos, se requerirá volver a ajustar
el pH del agua tratada hasta un valor que no le confiera efectos
corrosivos ni incrustantes. Se considera que el pH de las aguas tanto
crudas como tratadas debería estar entre 5,0 y 9,0. Por lo general, este
rango permite controlar sus efectos en el comportamiento de otros
constituyentes del agua.
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3.1.1.2. Características Químicas:
El agua, como solvente universal, puede contener cualquier elemento de la
tabla periódica. Sin embargo, pocos son los elementos significativos para el
tratamiento del agua cruda con fines de consumo o los que tienen efectos en
la salud del consumidor. A continuación se presentan los límites máximos
permisibles de parámetros químicos inorgánicos y orgánicos según el
reglamento de calidad de agua del Ministerio de salud del Perú.
Cuadro N° 02: Límites Máximos permisibles de parámetros químicos
inorgánicos y orgánicos
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3.1.2. EL AGUA POTABLE
3.1.2.1. Aspectos Fisicoquímicos
Se conoce con este nombre al agua que ha sido tratada con el objetivo de
hacerla apta para el consumo humano, teniendo en cuenta todos sus usos
domésticos. Algunas especies biológicas, físicas y químicas pueden afectar
la aceptabilidad del agua para consumo humano. Por ejemplo:
a. Su apariencia estética: turbiedad, olor, color y sabor, espuma.
b. Su composición química: acidez, alcalinidad, aceites y grasas,
compuestos orgánicos e inorgánicos en general.
Es necesario, asimismo, considerar las transformaciones químicas y
bioquímicas a que están expuestos los contaminantes del ambiente acuático.
Las alteraciones químicas pueden afectar su disponibilidad biológica o
tóxica (aumentarla o disminuirla). Poco se sabe acerca de estos procesos
químicos, físicos y biológicos y sus mecanismos, a pesar de que son
indispensables para comprender los efectos en la salud del consumidor. Por
citar un ejemplo, aún no se entiende bien la relación que existe entre la
dureza del agua y las trazas metálicas y los efectos en el organismo del
consumidor, pero se sabe que estos factores pueden influir en la salud y tal
vez estar relacionados con algunas enfermedades de la población en
diferentes áreas geográficas.
3.1.2.2. Criterios de Calidad
Según el reglamento de calidad de agua del Ministerio de salud, toda agua
destinada para el consumo humano, debe estar exenta de:
15
Bacterias coliformes totales, termotolerantes y Escherichia coli,
Virus;
Huevos y larvas de helmintos, quistes y ooquistes de protozoarios
patógenos;
Organismos de vida libre, como algas, protozoarios, copépedos, rotíferos
y nemátodos en todos sus estadios evolutivos; y
Para el caso de Bacterias Heterotróficas menos de 500 UFC/ml a 35°C.
En cuanto a los parámetros de calidad organoléptica; el noventa por ciento
(90%) de las muestras tomadas en la red de distribución en cada monitoreo
establecido en el plan de control, correspondientes a los parámetros
químicos que afectan la calidad estética y organoléptica del agua para
consumo humano, no deben exceder las concentraciones o valores
señalados en el Anexo II del Reglamento. Del diez por ciento (10%)
restante, el proveedor evaluará las causas que originaron el incumplimiento
y tomará medidas para cumplir con los valores establecidos en el presente
Reglamento. Artículo 62°.- Parámetros inorgánicos y orgánicos Toda agua
destinada para el consumo humano, no deberá exceder los límites máximos
permisibles para los parámetros inorgánicos y orgánicos señalados en la
Anexo III del presente Reglamento.
Los parámetros de control obligatorio (PCO) para todos los proveedores de
agua, los siguientes:
Coliformes totales;
Coliformes termotolerantes;
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Color;
Turbiedad;
Residual de desinfectante; y
pH.
En caso de resultar positiva la prueba de coliformes termotolerantes, el
proveedor debe realizar el análisis de bacterias Escherichia coli, como
prueba confirmativa de la contaminación fecal.
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3.2. ASPECTOS BIOLOGICOS DE LA CALIDAD DE AGUA
Las aguas superficiales están expuestas a una amplia gama de factores que pueden
alterar su calidad biológica y ocasionar cambios simples o complejos y con diferentes
niveles de intensidad. Esta alteración se puede originar en eventos naturales o en
actividades antropogénicas, como el uso doméstico del agua y la consiguiente
producción de aguas residuales, de la industria, minería y agricultura, entre otras. La
contaminación fecal de las fuentes de aguas superficiales para abastecimiento de
consumo humano es uno de los problemas más preocupantes en los países en vías de
desarrollo. En las grandes ciudades esta contaminación se debe principalmente al
vertimiento de los desagües sin ningún tratamiento.
El uso de aguas superficiales como fuentes de agua de bebida implica un riesgo de
transmisión de enfermedades hídricas. Los agentes patógenos involucrados con la
transmisión por esta vía son las bacterias, virus y protozoos, helmintos y
cyanobacterias, que pueden causar enfermedades con diferentes niveles de gravedad,
desde una gastroenteritis simple hasta serios y a veces fatales cuadros de diarrea,
disentería, hepatitis o fiebre tifoidea. La transmisión hídrica es solo una de las vías,
pues estos agentes patógenos también pueden transmitirse a través de alimentos, de
persona a persona debido a malos hábitos higiénicos y de los animales al hombre,
entre otras vías.
Los agentes patógenos y los organismos productores de toxinas que pueden estar
presentes en aguas superficiales y cuya transmisión hídrica está demostrada
pertenecen a los siguientes grupos:
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Cuadro N° 03: Agentes patógenos y organismos productores de toxinas en aguas
superficiales
Se ha demostrado la presencia de patógenos en aguas superficiales, así como su
relación con los brotes epidémicos. En algunos casos no se ha detectado la fuente de
origen pero, por las características del brote, se presume que su transmisión ha
ocurrido por la vía hídrica. Brotes de Giardia, Cryptosporidium y fiebre tifoidea con
transmisión hídrica han sido bien documentados (Craun, 2001).
3.2.1. Características biológicas de las aguas superficiales
a. Organismos propios de las aguas superficiales
En las aguas superficiales se encuentra una amplia gama de organismos no
perceptibles a simple vista. En condiciones normales, estos organismos permiten el
desarrollo de los ciclos biológicos y químicos en el cuerpo de agua y no son
necesariamente nocivos para la salud o para el tratamiento del agua. Los
organismos propios de las aguas superficiales están en permanente actividad y
ninguno vive aislado. Su existencia depende del medio que los rodea. Se entiende
por medio tanto el ambiente físico como los organismos con los cuales se convive.
Todos forman parte de un ecosistema. Un ecosistema es una unidad ecológica
19
cuyos componentes básicos, fisicoquímicos y biológicos, operan juntos para
producir una estabilidad funcional.
Los organismos que en forma normal se encuentran en las aguas superficiales son
los siguientes:
Algas: Son plantas de organización sencilla, fotosintéticas. Presentan clorofila.
Existen en formas unicelulares, coloniales y pluricelulares. La clasificación
sanitaria de las algas está basada en sus características más saltantes y de fácil
observación. Dicha clasificación considera los siguientes grupos: algas azul-
verdes, algas verdes, diatomeas y algas flageladas.
Bacterias. Son seres de organización simple, unicelulares. Se distribuyen en
una amplia variedad de sustratos orgánicos (suelo, agua, polvo atmosférico). La
mayor parte de bacterias son beneficiosas para el ecosistema acuático. De ellas
depende la mayor parte de las transformaciones orgánicas. Favorecen la
autodepuración de los cuerpos de agua. Existe otro grupo de bacterias que son
patógenas y que pueden causar enfermedades graves en el hombre y en los
animales.
Protozoarios. Son organismos unicelulares, con una amplia distribución en los
cuerpos acuáticos. La mayor parte de los protozoarios son beneficiosos, pues
contribuyen a preservar el equilibrio de los ecosistemas acuáticos. Su
incremento anormal puede ocasionar alteraciones en el ecosistema acuático; otro
grupo de protozoarios son parásitos y pueden causar enfermedades en el hombre
y en los animales.
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Rotíferos, Copépodos y otros Crustáceos. Conforman los grupos
predominantes del zooplancton de aguas superficiales y, al igual que los
protozoarios, participan en la cadena alimenticia de los ecosistemas acuáticos.
El incremento anormal del zooplancton causa un desequilibrio en el sistema y
trae consecuencias negativas como la disminución del oxígeno disuelto,
alteraciones en el pH, en el olor y el color del agua, entre otras.
Insectos. El agua constituye el hábitat de diversos insectos acuáticos que
desarrollan su ciclo evolutivo en los diferentes estratos de la columna de agua.
Otro grupo de insectos solo desarrolla parte de su ciclo evolutivo en el agua, y
en sus estadios larvarios y como huevos conforman el zooplancton en forma
temporal.
b. Bacterias patógenas
Las bacterias son microorganismos unicelulares. Miden desde menos de un
micrómetro hasta diez micrómetros de longitud y de 0,2 a un micrómetro de ancho.
Hay algunas que tienen forma de bacilos como la Escherichia coli. Otras son
esféricas, llamadas cocos, y otras espirales. Las bacterias se encuentran cubier- tas
por una pared celular fuerte y rígida y están provistas de una cápsula viscosa que
representa una capa protectora adicional, lo que permite su supervivencia en el
ambiente, según las condiciones ambientales, durante varias horas o días. Las
bacterias patógenas de transmisión hídrica provienen de seres humanos y de
animales de sangre caliente (animales domésticos, ganado y animales silvestres).
Estos agentes microbianos llegan a los cursos de agua a través de las descargas de
aguas residuales sin tratar o con tratamiento deficiente, drenaje de lluvias,
descargas de plantas de procesamiento de carne de ganado y de aves, escorrentías
21
que pasan por los corrales de ganado. En las zonas rurales la práctica de la
defecación a campo abierto también constituye una fuente de contaminación de las
aguas superficiales. En cambio, las aguas de origen subterráneo tienen una baja
incidencia de contaminación bacteriana.
c. Bacterias patógenas
Los virus son moléculas de ácido nucleico que pueden penetrar en las células y
replicarse en ellas. Son acelulares y están constituidos por ácido nucleico y por
proteínas. Entre las familias de Enterovirus que se han detectado en el agua están
los Picornavirus, que miden entre 27 y 28 nanómetros; los Reovirus, de 70
nanómetros; los Adenovirus, que tienen entre 65 y 80 nanómetros; y los Papovirus,
de entre 45 y 55 nanómetros. Los virus entéricos se multiplican en el intestino del
hombre y son excretados en gran número en las heces de los individuos infectados.
Algunos virus entéricos sobreviven en el ambiente y permanecen infectivos. Es
complicado encontrar la relación entre la ocurrencia de virus en el agua y el riesgo
para la salud de la población, debido a que en el desarrollo de la enfermedad están
involucrados muchos factores.
La incidencia de los virus que infectan al hombre, tanto en los ambientes acuáticos
como en los procesos de tratamiento, puede ser diferente de la incidencia de los
indicadores fecales. Este comportamiento se debe a las siguientes razones:
El número de virus en los ambientes acuáticos es generalmente inferior, en
varios órdenes de magnitud, que los coliformes termotolerantes.
Los virus son excretados durante periodos cortos y en número elevado, hasta 10
por gramo de heces.
22
La estructura, la composición, la morfología y el tamaño de los virus difiere
fundamentalmente del de las bacterias, lo que determina que el comportamiento
y la supervivencia sean diferentes.
d. Entoparásitos
Las aguas superficiales están expuestas a un sinnúmero de factores que posibilitan
la contaminación con enteroparásitos. En primer lugar, se presenta la falta de
protección de las fuentes de agua. En muchos casos, los cursos de agua se
convierten en cuerpos receptores de desagües evacuados de las ciudades, pueblos y
caseríos; también reciben efluentes de camales y granjas. En las zonas rurales,
donde es común que las personas defequen a campo abierto, las escorrentías
arrastran las heces de humanos y animales y las incorporan a los cursos de agua.
Además, es común observar letrinas mal diseñadas donde los residuos fecales son
vertidos a las acequias que, a su vez, desembocan en los cursos de agua. Asimismo,
en los ríos, lagos y lagunas habitan innumerables animales silvestres que son
reservorios de enteroparásitos.
3.2.2. Indicadores microbiológicos de la calidad de agua
La gran variedad de microorganismos patógenos que pueden encontrarse en una
muestra de agua, así como la complejidad de la mayor parte de las técnicas de
enriquecimiento y aislamiento e identificación, hacen inviable el control rutinario de
todos estos microorganismos. Por esta razón se hizo necesario elegir micro-
organismos indicadores, que deben cumplir con los siguientes requisitos básicos:
Ser fáciles de cultivar en el laboratorio.
23
Ser relativamente inocuos para el hombre y los animales.
Su concentración debe tener relación con la cantidad de microorganismos patógenos
presentes en el agua.
La evaluación de la calidad microbiológica del agua de abastecimiento humano se
efectúa mediante la determinación de indicadores. Los que comúnmente se utilizan
son los coliformes totales, los coliformes termotolerantes (fecales), la Escherichia coli
y las bacterias heterotróficas mesófilas aerobias viables.
3.2.3. El agua potable, aspectos biológicos
El agua potable no debe contener agentes patógenos que puedan afectar la salud del
consumidor. Específicamente, los indicadores de contaminación fecal, coliformes
termotolerantes y Escherichia coli no deben estar presentes en 100 mL de muestra.
Esta calidad debe mantenerse desde que el agua sale de la planta de tratamiento —o
de la fuente de agua, en el caso de aguas de origen subterráneo, hasta llegar al
consumidor. Las causas de la aparición de brotes epidémicos transmitidos por el agua
de consumo son la falta de protección de las fuentes de agua, el tratamiento en plantas
que carecen de una adecuada operación y mantenimiento, y deficiencias en las redes
de distribución (45). La buena calidad microbiológica del agua potable debe
mantenerse en toda la red de distribución y esto se logra mediante una adecuada
presión en todo el sistema, el mantenimiento de la red y el control del nivel de cloro
residual, un programa de vigilancia y control de la calidad del agua y la incorporación
de programas de control de las conexiones cruzadas que incluya inspecciones
periódicas, entre otras actividades.
24
3.3. SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE
La elaboración del diseño de un sistema de abastecimiento de agua exige como
elementos básicos: fijación de las cantidades de agua a suministrar, que determinarán
la capacidad de las diferentes partes del sistema; estudios sobre cantidad y calidad del
agua disponible en las diferentes fuentes; reconocimientos del suelo y subsuelo;
reunión de informaciones y antecedentes indispensables para el diseño, para la
justificación de las soluciones adoptadas, para la preparación de su presupuesto, etc.
A. Sistema de abastecimiento de agua por gravedad
En estos sistemas el agua cae por acción de la fuerza de la gravedad desde una
fuente elevada ubicada en cotas superiores a las de la población a beneficiar. El
agua fluye a través de tuberías para llegar a los consumidores finales. La energía
utilizada para el desplazamiento es la energía potencial que tiene el agua por su
altura.
Las ventajas principales de este tipo de sistema son:
No tienen gastos de bombeo.
a) El mantenimiento es pequeño porque apenas tienen partes móviles.
b) La presión del sistema se controla con mayor facilidad.
c) Robustez y fiabilidad.
Incluso los sistemas bombeados suelen diseñarse para distribuir el agua por
gravedad a partir de un punto determinado.
B. Sistema de abastecimiento de agua por bombeo
25
En los sistemas de agua potable por bombeo, la fuente de agua se encuentra
localizada en elevaciones inferiores a las poblaciones de consumo, siendo
necesario transportar el agua mediante sistemas de bombeo a reservorios de
almacenamiento y regulación ubicados en cotas superiores al centro poblado.
Generalmente los sistemas bombeados son diseñados para que el agua sea
distribuida por la fuerza de la gravedad, saliendo desde un punto determinado.
Estos sistemas ayudan a que se pueda distribuir una gran cantidad de agua para
cada una de las personas, por un precio que puede ser pagado por toda la
comunidad.
3.3.1. Consideraciones a seguir para la selección del sistema de abastecimiento de agua
Los factores que generalmente inciden en la selección apropiada de una solución
tecnológica para el abastecimiento de agua son de tipo técnico, económico, social y
cultural. La secuencia de su aplicación debe ser analizada de forma tal que permita
establecer la opción tecnológica y el nivel de servicio más convenientes y que mejor
se ajusten a las condiciones de las comunidades rurales a ser atendidas.
Se define como opción tecnológica a la solución de ingeniería que pueda aplicarse en
función de las condiciones físicas, económicas y sociales de la comunidad. Son
ejemplos de opción tecnológica los sistemas de abastecimiento de agua con o sin
tratamiento y por bombeo o gravedad.
Así mismo, el nivel de servicio se define como el grado de satisfacción en la
utilización de las opciones tecnológicas, pudiendo ser familiar o multifamiliar. Son
26
ejemplos de nivel de servicio: el abastecimiento a escala individual o multifamiliar, a
partir de pequeñas fuentes de agua de uso exclusivo; de alcance comunitario, por
medio de piletas públicas; y a nivel individual, por conexiones domiciliarias enlazadas
al servicio público de abastecimiento de agua.
Hay que tener en cuenta determinados factores que constituyen una herramienta
indispensable para la toma de decisiones en la implementación de servicios de
abastecimiento de agua en el medio rural. Estos factores se refieren básicamente a
aspectos técnicos, económicos, sociales y culturales que al interrelacionarse permiten
la selección de la opción tecnológica y el nivel de servicio que mejor se ajusten a las
necesidades y expectativas de las comunidades evaluadas.
3.3.2. Consideraciones técnicas para la selección del sistema de abastecimiento de agua
a) Dotación: La dotación promedio diaria anual por habitante, se fijará en base a un
estudio de consumos técnicamente justificado, sustentado en informaciones
estadísticas comprobadas. Si se comprobara la no existencia de estudios de
consumo y no se justificara su ejecución, se considerará por lo menos para
sistemas con conexiones domiciliarias una dotación de 200 l/hab/d, en clima frío
y de 250 l/hab/d, en clima templado y cálido. Para sistemas de abastecimiento
indirecto por surtidores para camión cisterna o piletas públicas, se considerará
una dotación entre 30 y 50 l/hab/d respectivamente.
b) Fuente: Es indispensable identificar el tipo y procedencia de las fuentes
existentes para analizar cuál de todas es la más conveniente.
27
c) Rendimiento de la fuente: Determina la cantidad y disponibilidad de agua que
puede ser destinada al abastecimiento de agua, y permite definir el nivel de
servicio al que puede acceder la comunidad a ser beneficiada.
d) Ubicación de la fuente: La fuente de agua puede estar ubicada por encima o por
debajo de la localidad y permite definir si el abastecimiento es por gravedad o por
bombeo.
3.3.3. Consideraciones sociales para la selección del sistema de abastecimiento de agua
a) Categoría de la población: Se considera como comunidad rural a las localidades
cuya población normalmente no es mayor a 2000 habitantes. Sin embargo, el
algoritmo puede ser aplicado a localidades con mayor número de habitantes, si su
patrón corresponde a la de una localidad rural.
b) Características de la población: La característica está vinculada con la
distribución espacial de la población y puede ser:
Concentrada: Corresponde a las localidades con viviendas agrupadas
formando calles y vías que determinan un crecimiento con tendencia a un
núcleo urbano.
Dispersa: Son localidades con viviendas distanciadas unas de otras y sin un
orden de desarrollo preestablecido.
c) Tipo de servicio: Viene a estar representado por el resultado o la definición de la
opción tecnológica y nivel de servicio que mejor se adecúan a las necesidades de
la comunidad y que responden a las características físicas, económicas y sociales
28
de la misma. Al efecto, se han considerado tres niveles básicos: familiar,
multifamiliar y comunal.
- Familiar: Permite la atención de una a cinco familias.
- Multifamiliar: Facilita la atención a grupos que van de cinco a 25 familias.
- Comunal: Permite la atención de grandes grupos de familia.
3.3.4. Consideraciones económicas para la selección del sistema de abastecimiento de
agua.
La condición económica es un factor muy importante porque permite limitar la
opción tecnológica y el nivel de servicio, al afectar directamente el monto de
inversión para la construcción del sistema o los gastos de operación y mantenimiento.
Teniendo en cuenta los niveles de ingresos económicos de las poblaciones a ser
atendidas, puede ser bajo, medio o alto.
a) Bajo: Cuando los ingresos familiares corresponden a la mitad del valor de la
canasta familiar básica.
b) Medio: Corresponde a ingresos familiares equivalentes al valor de la canasta
familiar básica.
c) Alto: Cuando los ingresos familiares equivalen a dos o más veces el valor de la
canasta familiar básica.
29
3.4. CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE LOS ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE
ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE
3.4.1. Sistema adecuado de captación
El agua subterránea en condiciones naturales presenta en la mayoría de los casos,
características sanitarias que la hacen apta para el consumo. Este hecho es
particularmente cierto en los acuíferos constituidos por gravas y arenas en los que se
verifica un proceso natural de filtración.
Las aguas subterráneas representan las formaciones más explotadas. Esto debido a
que las fuentes de agua superficial tienen mayor probabilidad de estar contaminadas y
están más sujetas a la fluctuación estacional. A menudo se puede continuar con las
extracciones de agua subterránea mucho después de que las condiciones de sequía
hayan agotado los ríos y arroyos.
Para proteger las características naturales del agua subterránea, que se traducen en una
protección directa de la salud, se deberán tomar las medidas necesarias de
preservación. Es evidente que los resultados serán positivos si el diseño de la
captación cumple fielmente ciertos requisitos básicos basados en una serie de
premisas de carácter técnico.
Se pueden utilizar las aguas subterráneas captándolas directamente de manantiales o
perforando el suelo para construir pozos, que constituyen uno de los métodos más
antiguos para la obtención de agua.
30
La construcción de un pozo deberá presentar una adecuada protección sanitaria, se
perforará hasta la profundidad indicada por la ubicación del estrato seleccionado, y
cuando sea necesario contará con revestimiento y filtro y se proveerá la bomba y
demás accesorios para la conducción del agua hasta el lugar de distribución. El diseño
también tomará en cuenta el rendimiento probable del pozo, tipo de formaciones
geológicas a perforar, profundidad y espesor de los distintos estratos acuíferos y la
cercanía a fuentes de contaminación existentes o probables.
Los pozos tubulares, por lo general, son más adecuados para extraer el agua de los
estratos más profundos, en cambio los pozos de gran diámetro a tajo abierto o norias
se pueden usar ventajosamente para ubicar los estratos menos profundos de agua
subterránea. La noria es un sistema que permite extraer el agua subterránea desde una
profundidad inferior a los siete metros.
3.4.1.1. Manantiales
Un manantial, es un flujo natural de agua que surge del interior de la tierra o
entre las rocas. Puede ser permanente o temporal. Se origina en la filtración
de agua, de lluvia o de nieve, que penetra en un área y emerge en otra, de
menor altitud, donde el agua no está confinada en un conducto impermeable.
Más precisamente, se trata de puntos o zonas de un terreno en los que una
cantidad apreciable de agua fluye a la superficie de modo natural, procedente
de un acuífero o depósito subterráneo. Estas surgencias o brotes naturales de
aguas subterráneas se encuentran principalmente en terrenos montañosos o
empinados y suelen ser abundantes en relieves kársticos.
31
Los manantiales son las fuentes de agua natural de mejor calidad. Esto se
debe al hecho de que el recurso, antes de surgir a la superficie terrestre, ha
viajado por kilómetros de rocas, sedimentos y suelos que sirven como filtros
naturales para remover de él todo tipo de contaminantes y, en muchos casos,
lo han enriquecido con preciosos minerales y sustancias que los seres
humanos necesitan.
A. Clasificación de los manantiales
Los manantiales se pueden clasificar de acuerdo con varios criterios:
a) Según el tipo de surgimiento de las aguas, se denominan: rocosos, los
que brotan entre rocas basales; y, de vertedero o "vertientes", cuando el
lugar de la salida original de las aguas queda obturado por rocas de
desprendimiento que la obligan a brotar en la superficie por un conducto
situado generalmente en la parte inferior de la ladera.
b) Según la dirección del curso que las aguas subterráneas siguen antes de
su salida al exterior, se dividen en: descendentes o de derrame, cuando
los valles están situados bajo el nivel de las aguas subterráneas; y
ascendentes, cuando las aguas manan por presión hidrostática.
c) Según su formación se dividen en: manantiales de estratos, los cuales se
forman entre capas impermeables; de desborde, cuando se localizan en el
borde de capas impermeables, formando una hondonada de la cual
surgen las aguas; y de turbación o de falla, que es cuando las aguas se
32
acumulan y ascienden por fallas o fracturas en que coinciden capas
permeables con capas impermeables.
d) De acuerdo con la periodicidad de salida de sus aguas se diferencian en:
manantiales perennes, pues su flujo es continuo; y episódicos, periódicos
o intermitentes, si es que fluyen normalmente en tiempos cortos, de
manera más o menos regular, como lo hacen por ejemplo los géiseres.
e) Por su modo de emerger a la superficie, tendríamos: manantiales de
gravedad, en los que el agua no está confinada en un lecho impermeable;
y pozos artesianos, que son manantiales artificiales, provocados por el
hombre mediante una perforación a gran profundidad y en la que la
presión del agua es tal que la hace emerger a la superficie. Los
manantiales artesianos son por lo general continuos y no dependen de la
época del año; mientras que los manantiales por gravedad suelen ser
periódicos y relacionados con la época del año.
Figura N° 02: Distintas Clases de manantiales.
33
B. Captación de agua de manantiales
Para la captación de agua de manantiales se deben tener en cuenta los
siguientes aspectos:
a) La composición del agua de los manantiales.- Varía según la
naturaleza del suelo o la roca de su lecho; por ello, siempre debe
controlarse la calidad físico química del agua para asegurar que ésta
sea aceptable para el consumo humano.
b) El caudal de los manantiales.- Depende de la estación del año y del
volumen de las precipitaciones. Los manantiales de filtración se secan
a menudo en periodos secos o de escasas precipitaciones; sin
embargo, otros tienen un caudal copioso y constante que proporciona
un importante suministro de agua local. El manantial deberá abastecer
una cantidad mínima de agua durante todo el año.
c) No debe haber ninguna fuente importante de contaminación aguas
arriba del manantial y la distancia entre el manantial y la comunidad
que lo aprovecha no debe ser muy grande.
3.4.1.2. Pozo excavado de gran diámetro o noria
Los pozos excavados se constituyen y explotan para la captación de aguas
poco profundas. Se emplean generalmente para la captación de caudales
apropiados para suministros pequeños, como en el caso de abastecimiento a
comunidades rurales.
34
La estructura de un pozo excavado de gran diámetro o noria se puede dividir
en tres partes:
a) La excavación
b) La obra de revestimiento
c) La unidad de bombeo y sus accesorios
Los pozos excavados se hacen simplemente cavando un hoyo en el suelo. Por
lo general, no se requiere equipo o habilidades especiales para su
construcción. La ejecución del pozo puede hacerse con elementos tan simples
como picos, palas y sistemas de cuerdas y poleas o tornos para la extracción
del material removido. En algunos casos para la excavación se utiliza equipo
mecánico como cucharas del tipo almeja.
Cuando por las características del terreno puedan producirse derrumbes o
desmoronamientos durante la construcción, se deberán utilizar entibados. La
entibación será reemplazada por un revestimiento permanente cuando se
termine el pozo.
Los pozos deben ser revestidos y por tal motivo a la sección útil del pozo,
fijada de acuerdo al diseño, se le sumará el espesor del revestimiento para
obtener la sección de excavación. Los revestimientos pueden construirse de
mampostería de ladrillos piedra, hormigón y en ciertos casos se han llegado a
construir de metal. En la parte inferior del revestimiento, que estará en
35
contacto con el agua, se deberán dejar orificios apropiados para facilitar la
penetración del agua.
El revestimiento debe fundarse en terreno resistente. Si el terreno es muy
desmoronable se recurre a pozos hincados. Se construyen por medio de
anillos de hinca y el revestimiento se va haciendo a medida que avanza la
excavación. El descenso se consigue por el propio peso del anillo a medida
que se va excavando.
Figura N° 03: Excavación de pozos mediante anillos de hinca.
La sección más conveniente es la circular, en razón de conseguirse una
distribución más uniforme del empuje sobre las paredes del revestimiento y
por las características de los esfuerzos a que estará sometido.
Se puede obtener una protección satisfactoria de la seguridad bacteriológica
del agua de un pozo, únicamente si la parte superior de éste está
completamente sellada con una losa hermética en la cual se monta una
bomba para extraer el agua.
36
Figura N° 04: Pozo excavado sellado herméticamente para protección
sanitaria.
A. Consideraciones para el diseño de pozos excavados
Para el diseño de pozos excavados se debe tener en cuenta lo siguiente:
a) Ubicación:
Asegurarse de que el pozo se localice corriente arriba de las
potenciales fuentes de polución como letrinas de hoyo, gasolineras,
basurales, recintos funerarios o que se encuentre lejos de cualquier
filtración de aguas negras que podrían contaminar el acuífero de
donde se surte la noria.
b) Profundidad:
37
Se debe hacer ensayos de bomba en pozos de prueba para hallar el
caudal que rinde el pozo para esa profundidad, es decir, cuando el
descenso de la napa se ha estabilizado. De acuerdo a las necesidades
el pozo de prueba puede profundizarse hasta obtener el caudal
requerido. Este ensayo debe hacerse bajo las condiciones más
desfavorables, es decir cuando se presume que la producción del
acuífero es mínima.
La profundidad a la que se debe y puede cavar un pozo depende del
tipo de material perforado y de la fluctuación de la napa freática. En
abastecimiento a comunidades rurales la profundidad generalmente
oscila entre 6 y 12 metros. Si la permeabilidad del terreno es grande
se pueden construir captaciones más profundas que produzcan
caudales significativos.
c) Diámetro
En general el diámetro del pozo tiene muy poca relación o influencia
sobre el rendimiento del mismo. Si bien el caudal que se puede
extraer de un pozo de diámetro pequeño es prácticamente igual a uno
de mayor diámetro, el descenso de nivel en el más pequeño es mayor,
y por lo tanto la velocidad de entrada al pozo es mayor (puede haber
arrastre de arena).
El diámetro de un pozo excavado debe ser de 2 - 3 m si se piensa
abastecer a toda una comunidad. El diámetro interior no puede ser
38
inferior a 1.2 m, debido a que la excavación se dificulta al llegar al
acuífero, donde se deben emplear equipos de bombeo para su
agotamiento.
d) Filtros en pozos excavados o norias
En el fondo del pozo se suele construir un filtro con capas de material
de dimensión variable, colocándose el más grueso arriba y el más fino
abajo. Este filtro conjuntamente con las perforaciones de la pared
lateral, representa la superficie de entrada de agua al pozo.
3.4.1.3. Pozos Tubulares
Un pozo tubular es una obra hidrogeológica de acceso a uno o más acuíferos
para la captación de agua subterránea, ejecutada con sonda perforadora en
forma vertical con diámetro mínimo de 101,6 mm (4”). En función de la
necesidad de extracción y de la geología local podrá ser parcial o totalmente
revestido.
Si se piensa en la construcción de un pozo tubular, en primer lugar, se
requiere contar con un proyecto base elaborado mediante el estudio de mapas
geológicos existentes, registro de datos de pozos perforados en el entorno,
prospección geofísica de superficie, etc., y la restricción impuesta por el
caudal requerido. En el proyecto estarán contemplados todos los datos
posibles: geológicos, hidrogeológicos, características de los materiales para
la perforación como también de los materiales para completar, equipamiento
de bombeo, potencia a ser instalada, aducción al punto de distribución,
39
control de la producción y esquema de mantenimiento preventivo. Con todos
estos datos reunidos se elabora el estudio de viabilidad económica del
emprendimiento y se define su viabilidad/ejecutabilidad.
La ubicación, el proyecto y la selección del método de perforación son tres
aspectos importantes que destacan en la perforación de un pozo; por lo cual,
el proyectista debe estar atento y proveerse de todos los datos disponibles
para definirlos con el mayor margen de seguridad posible. Cuando estén
definidos el sitio y el proyecto del pozo, el proyectista deberá indicar el
método de perforación a adoptarse. La elección del método envuelve factores
de orden técnico y económico y depende también del tipo de pozo que se va
a perforar y cuáles son sus finalidades.
Se deben usar los pozos tubulares cuando la napa de agua subterránea se
encuentre a profundidad considerable por debajo de la superficie del terreno.
Estos pozos serán efectivos en acuíferos de espesor suficiente.
La capacidad de los pozos tubulares varía en una gran escala, desde menos de
1 litro/seg para pozos superficiales de diámetro pequeño en acuíferos de
arena fina, a más de 100 litros/seg para pozos profundos de diámetro más
grande en arena gruesa o en depósitos de roca sedimentaria.
Los pozos entubados son muy adecuados para abastecimientos de agua
potable, porque sólo serán necesarias precauciones simples para proteger de
la contaminación al agua extraída de esta manera. Algunas veces, se puede
40
usar un grupo de pozos tubulares colocados en serie y a los cuales se bombea
como una unidad.
Figura N° 05: Grupo de pozos tubulares colocados en serie
Para abastecimiento a comunidades rurales son adecuados los pozos
tubulares de poca profundidad y diámetro. La construcción de estos pozos
tubulares se puede realizar mediante el clavado, el uso de chorros a presión, y
el taladro. Estas técnicas nos permiten ejecutar los siguientes tipos de pozos
tubulares:
3.4.1.4. Aspectos Hidráulicos de las fuentes subterráneas
a) Nivel estático
Es el nivel de agua presente en la formación acuífera antes de comenzar
el bombeo. Este nivel se ve afectado por efectos meteorológicos
(precipitación, infiltración) estacionales o por cargas adicionales
(edificaciones), o por la descarga producida por pozos cercanos.
b) Nivel de dinámico
41
También llamado nivel de bombeo, porque es producido cuando
comienza la descarga del acuífero por el pozo. Este nivel depende del
caudal de bombeo, del tiempo de bombeo y de las características
hidrogeológicas del acuífero. También se debe tener en cuenta la técnica
desarrollada en el diseño de pozo.
c) Abatimiento
Bajo condiciones de extracción o inyección de un pozo, la carga
hidráulica inicial en cualquier punto del acuífero cambia. En condiciones
de extracción de un pozo, la distancia vertical entre la carga hidráulica
inicial en un punto en el acuífero y la posición baja de la carga hidráulica
para el mismo punto es llamado abatimiento. Para un acuífero libre el
nivel del agua en el nivel freático está determinado por la distancia s(x,
y, z, t), la cual es el abatimiento. Para el caso del acuífero confinado, el
abatimiento es definido con respecto a la superficie piezométrica. Este
descenso de niveles, define la curva de abatimiento, por lo tanto es claro
que el abatimiento presente su menor valor en lejanías del pozo y el
mayor valor en el pozo. La dimensión del abatimiento es la longitud [L].
El abatimiento es generalmente expresado en metros de agua.
d) Cono de depresión
Al producirse el descenso del nivel estático del pozo, se establece un
gradiente hidráulico entre cualquier punto de la formación y el pozo,
originándose un movimiento radial desde todas las direcciones hacia el
pozo en una forma simétrica y de tal manera que el caudal Q que se
42
extrae del pozo es igual al caudal que pasa por cualquier sección del
acuífero. A medida que la velocidad aumenta mayor será el gradiente
hidráulico ya que aumenta la fricción existente entre el fluido y las
partículas sólidas en contacto; es por eso que lo que se forma alrededor
del pozo se le conoce como cono de depresión que sobre un plano
vertical presenta una curva conocida con el nombre de curva de
abatimiento. La forma, alcance y profundidad de este cono de depresión
dependerá de las condiciones hidrogeológicas (transmisividad y
coeficiente de almacenamiento del acuífero), del caudal y el tiempo de
bombeo o inyección. En el acuífero confinado el cono de depresión es la
representación de la variación de los niveles piezométricos en tanto que
en el acuífero libre es además la forma real de la superficie piezométrica.
e) Capacidad específica
Es la relación que existe entre el caudal que se obtiene de un pozo y el
abatimiento producido y se expresa en unidades de caudal por longitud,
[L3/T/L]. Este valor es contante para acuíferos confinados y variables
para los acuíferos libres; es un término que representa el grado de
eficiencia de un pozo ya que de dos pozos perforados en una misma
formación acuífera, el de menor capacidad específica tendrá menos
eficiencia. El grado de eficiencia de un pozo lo determinaremos con base
en la transmisividad y el coeficiente de almacenamiento de la formación
acuífera, (con la cual podremos calcular un valor de la capacidad
específica teórica) el valor de la capacidad específica real medida en el
pozo.
43
Figura N° 06: Esquema representativo del bombeo de un pozo.
3.4.2. Línea de Impulsión
La línea de impulsión en un sistema por bombeo, es el tramo de tubería que conduce
el agua desde la estación de bombeo hasta el reservorio.
Para el diseño de la línea de impulsión se requiere de:
a) Información de la población.
b) Investigación de la fuente: Caudal y temporalidad.
c) Plano topográfico de la ruta seleccionada.
d) Estudio de suelos y si es el caso estudio geológico para determinar la estabilidad
del terreno.
e) Calidad fisicoquímica de la fuente.
Para el trazado de la línea de impulsión se tomará en cuenta lo siguiente:
44
a) Evitar pendientes mayores del 30% para evitar velocidades excesivas.
b) En lo posible buscar el menor recorrido siempre y cuando esto no conlleve a
excavaciones excesivas u otros aspectos.
c) Evitar cruzar por terrenos privados o comprometidos para evitar problemas durante
la construcción y en la operación y mantenimiento del sistema.
d) Mantener las distancias permisibles de vertederos sanitarios, márgenes de ríos,
terrenos aluviales, nivel freático alto, cementerios y otros servicios.
e) Utilizar zonas que sigan o mantengan distancias cortas a vías existentes o que por
su topografía permita la creación de caminos para la ejecución, operación y
mantenimiento.
f) Evitar zonas vulnerables a efectos producidos por fenómenos naturales y
antrópicos.
g) Tener en cuenta la ubicación de las canteras para los préstamos y zonas para la
disposición del material sobrante, producto de la excavación.
h) Establecer los puntos donde se ubicarán instalaciones, válvulas y accesorios, u
otros accesorios especiales que necesiten cuidados, vigilancia y operación.
3.4.2.1. Criterios y parámetros de diseño
Se debe tener en cuenta en el diseño ciertos criterios y parámetros que
permitan dar seguridad y condiciones de servicio a un mínimo costo de
inversión. Para la línea de impulsión se toma como base estos criterios y
parámetros, partiendo de las condiciones a las que se encontrará sometida la
tubería, como su entorno y el tipo de fluido que conducirá.
45
a. Caudal de diseño
El caudal de una línea de impulsión será el correspondiente al consumo
máximo diario para el período de diseño. Tomando en cuenta que no
resulta aconsejable ni práctico mantener períodos de bombeo de 24 horas
diarias, habrá que incrementar el caudal de acuerdo a la relación de horas
de bombeo, satisfaciendo así las necesidades de la población para el día
completo.
b. Diámetro de la tubería
Los criterios de elección del diámetro de la tubería se basan en un análisis
técnico económico.
a) Criterio Técnico
La elección de la dimensión del diámetro depende de la velocidad en el
conducto, velocidades muy bajas permiten sedimentación de partículas y
velocidades altas producen vibraciones en la tubería, así como pérdidas de
carga importantes, lo que repercute en un costo elevado de operación.
b) Criterio Económico
El cálculo económico, está basado en:
- Datos de inversión inicial.
- Costo de la tubería instalada por metro lineal.
46
- Costo del equipo de bombeo instalado por cada HP o KW.
- Datos de inversión por explotación.
- Costo anual de operación.
- Valor presente de operación en 10 años.
Un procedimiento para la selección del diámetro más adecuado
(económico), es usando la fórmula de Bresse, que se aplica mediante la
expresión:
Determinado d, se escogen dos diámetros comerciales en torno al valor de
Bresse. El análisis de costos que involucra tuberías, equipo y costos de
operación y mantenimiento permitirá seleccionar el diámetro de mínimo
costo.
c. Velocidad y presión
Es muy importante calcular la velocidad y presión de agua en las tuberías.
Cuando se trata de un sistema rural de abastecimiento de agua es aceptable
tener velocidades menores a 0.6 m/s para minimizar las pérdidas por
fricción y se deberá mantener una presión de por lo menos 5 m en los
puntos críticos, tal como lo recomiendan las normas generales del
Ministerio de Salud.
47
La velocidad del flujo a través de la tubería se obtiene mediante la
expresión:
d. Clase y material de tuberías
Habrá que determinar las clases de tubería capaces de soportar las
presiones de servicio y contrarrestar el golpe de ariete.
El material de la tubería es escogido por factores económicos, así como de
disponibilidad de accesorios, y características de resistencia, ante
esfuerzos que se producirán en el momento de su operación.
La presión estática máxima estará en función de las especificaciones
técnicas de la clase de tubería a utilizarse.
Se evaluará el material de tubería a utilizar cuando la corrosividad sea
especialmente agresiva, es decir para cuando el contenido de sales
solubles, ion sulfatos y ion cloruros del terreno sean superiores a 1000
ppm y el pH del subsuelo esté fuera de los limites
e. Pendientes mínimas
Se recomienda pendientes mínimas de:
2 a 3 mm/m en las partes ascendentes.
4 a 6 mm/m en las partes descendentes.
48
3.5. PROCESOS UNITARIOS DE LAS PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA
POTABLE
Las diversas actividades agrícolas, ganaderas, industriales y recreacionales del ser
humano han traído como consecuencia la contaminación de las aguas superficiales
con sustancias químicas y microbiológicas, además del deterioro de sus características
estéticas. Para hacer frente a este problema, es necesario someter al agua a una serie
de operaciones o procesos unitarios, a fin de purificarla o potabilizarla para que pueda
ser consumida por los seres humanos. Una operación unitaria es un proceso químico,
físico o biológico mediante el cual las sustancias objetables que contiene el agua son
removidas o transforma- das en sustancias inocuas. La mayor parte de los procesos
originan cambios en la concentración o en el estado de una sustancia, la cual es
desplazada o incorporada en la masa de agua. Este fenómeno recibe el nombre de
transferencia de fase. Son ejemplos de ello la introducción de oxígeno al agua
(transferencia de la fase gaseosa a la líquida) y la liberación de anhídrido carbónico
contenido en el agua (transferencia de la fase líquida a la gaseosa) mediante el proceso
de aereación.
3.5.1. Principales operaciones unitarias empleadas en el tratamiento del agua
Los principales procesos de transferencia utilizados en el tratamiento del agua para
consumo humano son los siguientes:
- transferencia de sólidos;
- transferencia de iones; transferencia de gases, y
- transferencia molecular o de nutrientes.
a. Transferencia de sólidos:
49
Se consideran en esta clasificación los procesos de cribado, sedimentación,
flotación y filtración.
Cribado o cernido
Consiste en hacer pasar el agua a través de rejas o tamices, los cuales retienen
los sólidos de tamaño mayor a la separación de las barras, como ramas, palos y
toda clase de residuos sólidos. También está considerado en esta clasificación el
microcernido, que consiste básicamente en triturar las algas reduciendo su
tamaño para que puedan ser removidas mediante sedimentación.
Sedimentación
Consiste en promover condiciones de reposo en el agua, para remover, mediante
la fuerza gravitacional, las partículas en suspensión más densas. Este proceso se
realiza en los desarenadores, presedimentadores, sedimentadores y
decantadores; en estos últimos, con el auxilio de la coagulación.
Flotación
El objetivo de este proceso es promover condiciones de reposo, para que los
sólidos cuya densidad es menor que la del agua asciendan a la superficie de la
unidad de donde son retirados por desnatado. Para mejorar la eficiencia del
proceso, se emplean agentes de flotación. Mediante este proceso se remueven
especialmente grasas, aceites, turbiedad y color. Los agentes de flotación
empleados son sustancias espumantes y microburbujas de aire.
Filtración
Consiste en hacer pasar el agua a través de un medio poroso, normalmente de
arena, en el cual actúan una serie de mecanismos de remoción cuya eficiencia
50
depende de las características de la suspensión (agua más partículas) y del
medio poroso.
b. Transferencia de Iones
La transferencia de iones se efectúa mediante procesos de coagulación,
precipitación química, absorción e intercambio iónico.
Coagulación química:
La coagulación química consiste en adicionar al agua una sustancia que tiene
propiedades coagulantes, la cual transfiere sus iones a la sustancia que se desea
remover, lo que neutraliza la carga eléctrica de los coloides para favorecer la
formación de flóculos de mayor tamaño y peso. Los coagulantes más efectivos
son las sales trivalentes de aluminio y fierro. Las condiciones de pH y
alcalinidad del agua influyen en la eficiencia de la coagulación. Este proceso se
utiliza principalmente para remover la turbiedad y el color.
Precipitación química:
La precipitación química consiste en adicionar al agua una sustancia química
soluble cuyos iones reaccionan con los de la sustancia que se desea remover,
formando un precipitado. Tal es el caso de la remoción de hierro y de dureza
carbonatada (ablandamiento), mediante la adición de cal.
Intercambio iónico:
Como su nombre lo indica, este proceso consiste en un intercambio de iones
entre la sustancia que desea remover y un medio sólido a través del cual se hace
pasar el flujo de agua. Este es el caso del ablandamiento del agua mediante
resinas, en el cual se realiza un intercambio de iones de cal y magnesio por
iones de sodio, al pasar el agua a través de un medio poroso.
51
3.5.2. Plantas de tratamiento de agua o plantas potabilizadoras
Una planta de tratamiento es una secuencia de operaciones o procesos unitarios,
convenientemente seleccionados con el fin de remover totalmente los contaminantes
microbiológicos presentes en el agua cruda y parcialmente los físicos y químicos,
hasta llevarlos a los límites aceptables estipulados por las normas.
3.5.2.1. Tipos de plantas de tratamiento de agua
Las plantas de tratamiento de agua se pueden clasificar, de acuerdo con el tipo de
procesos que las conforman, en plantas de filtración rápida y plantas de filtración
lenta. También se pueden clasificar, de acuerdo con la tecnología usada en el
proyecto, en plantas convencionales antiguas, plantas convencionales de tecnología
apropiada y plantas de tecnología importada o de patente.
a. Plantas de Filtración Rápida
Estas plantas se denominan así porque los filtros que las integran operan con
velocidades altas, entre 80 y 300 m /m .d, de acuerdo con las características del
agua, del medio filtrante y de los recursos disponibles para operar y mantener
estas instalaciones. 3 2 Como consecuencia de las altas velocidades con las que
operan estos filtros, se colmatan en un lapso de 40 a 50 horas en promedio. En
esta situación, se aplica el retrolavado o lavado ascensional de la unidad durante
un lapso de 5 a 15 minutos (dependiendo del tipo de sistema de lavado) para
descolmatar el medio filtrante devolviéndole su porosidad inicial y reanudar la
operación de la unidad. De acuerdo con la calidad del agua por tratar, se
presentan dos soluciones dentro de este tipo de plantas: plantas de filtración
rápida completa y plantas de filtración directa.
52
Planta de filtración rápida completa
Una planta de filtración rápida completa normalmente está integrada por
los procesos de coagulación, decantación, filtración y desinfección. El
proceso de coagulación se realiza en dos etapas: una fuerte agitación del
agua para obtener una dispersión instantánea de la sustancia coagulante
en toda la masa de agua (mezcla rápida) seguida de una agitación lenta
para promover la rápida aglome- ración y crecimiento del floculo (etapa
de floculación). La coagulación tiene la finalidad de mejorar la eficiencia
de remoción de partículas coloidales en el proceso de decantación
(sedimentación de partículas floculentas). El proceso final de filtración
desempeña una labor de acabado, le da el pulimento final al agua. De
acuerdo con las investigaciones realizadas por la Agencia de Protección
Ambiental (EPA) de los Estados Unidos, el filtro debe producir un
efluente con una turbiedad menor o igual a 0,10 UNT para garantizar que
esté libre de huevos de parásitos (Giardia, Cryptosporidium, etcétera).
Para lograr esta eficiencia en la filtración, es necesario que los
decantadores produzcan un agua con 2 UNT como máximo. Finalmente,
se lleva a cabo la desinfección, proceso común a los dos tipos de plantas,
las de filtración rápida completa y las de filtración directa. La función
principal de este proceso es completar la remoción de microorganismos
patógenos que no quedaron retenidos en el filtro y servir de protección
contra la contaminación que el agua pueda encontrar en el sistema de
distribución.
53
La desinfección, en la forma en que normalmente se aplica (esto es, con
residual libre de 1 mg/L a la salida de la planta y tiempo de contacto
mínimo de 30 minutos), solo tiene la capacidad de remover bacterias.
Como se verá detalladamente en el capítulo sobre desinfección, para
remover huevos de parásitos se necesitarían aplicar dosis altísimas y
disponer de tiempos de contacto muy largos, que hacen impracticable el
proceso. Como los huevos de parásitos son grandes, un filtro que opere
eficientemente y reciba agua con no más de 2 UNT puede producir un
efluente exento de huevos de parásitos.
Cuadro N° 04: Límites de calidad del agua aceptables para el
tratamiento mediante filtración rápida completa
Filtración directa
Es una alternativa a la filtración rápida, constituida por los procesos de
mezcla rápida y filtración, apropiada solo para aguas claras. Son ideales
para este tipo de solución las aguas provenientes de embalses o represas,
que operan como grandes presedimentadores y proporcionan aguas
constantemente claras y poco contaminadas. Cuando la fuente de
54
abastecimiento es confiable —caso de una cuenca virgen o bien protegida
—, en la que la turbiedad del agua no supera de 10 a 20 UNT el 80% del
tiempo, y no supera 30 UNT ni 25 UC el 90% del tiempo, puede
considerarse la alternativa de emplear filtración directa descendente.
Cuando el agua viene directamente del río y aunque clara la mayor parte
del año, presenta frecuentes fluctuaciones de turbiedad, normalmente se
considera una floculación corta, generalmente de no más de 6 a 8
minutos, para obtener un efluente de calidad constante, aunque con
carreras de filtración más cortas. Esta es la alternativa más restringida de
todas en cuanto a la calidad de agua que se va a tratar. En el caso de
aguas que el 90% del tiempo no sobrepasan los 100 UNT y las 60 UC y
alcanzan esporádicamente hasta 200 UNT y 100 UC, podrían ser tratadas
mediante filtración directa ascendente. La tercera alternativa disponible
para aguas relativamente claras es la filtración directa ascendente–
descendente. Esta alternativa es aplicable a aguas que el 90% del tiempo
no sobrepasan las 250 UNT ni las 60 UC, y alcanzan esporádicamente
más de 400 UNT y 100 UC.
Cuadro N° 05: Límites de calidad de agua para plantas de filtración
directa
55
b. Plantas de filtración lenta
Los filtros lentos operan con tasas que normalmente varían entre 0,10 y 0,30
m/h; esto es, con tasas como 100 veces menores que las tasas promedio
empleadas en los filtros rápidos; de allí el nombre que tienen. También se les
conoce como filtros ingleses, por su lugar de origen. Los filtros lentos simulan
los procesos de tratamiento que se efectúan en la naturaleza en forma
espontánea, al percolar el agua proveniente de las lluvias, ríos, lagunas, etcétera,
a través de los estratos de la corteza terrestre, atravesando capas de grava, arena
y arcilla hasta alcanzar los acuíferos o ríos subterráneos. Al igual que en la
naturaleza, los procesos que emplean estos filtros son físicos y biológicos. Una
planta de filtración lenta puede estar constituida solo por filtros lentos, pero
dependiendo de la calidad del agua, puede comprender los procesos de
desarenado, presedimentación, sedimentación, filtración gruesa o filtración en
grava y filtración lenta. Los procesos previos al filtro lento tienen la función de
acondicionar la calidad del agua cruda a los límites aceptables por el filtro lento.
Con el tren de procesos indicados se puede remover hasta 500 UNT, teniendo en
cuenta que el contenido de material coloidal no debe ser mayor de 50 UNT; es
decir, que la mayor parte de las partículas deben estar en suspensión para que
sean removidas mediante métodos físicos.
Cuadro N° 06: Límites de calidad de agua para plantas de filtración directa
56
3.5.2.2. CLASIFICACIÓN DE LAS PLANTAS DE FILTRACIÓN RÁPIDA POR EL
TIPO DE TECNOLOGÍA UTILIZADA
Las características tecnológicas del sistema deben de estar de acuerdo con los
recursos económicos, humanos y materiales disponibles localmente para que se
puedan cumplir los objetivos de tratamiento previstos. Por el tipo de tecnología
utilizada en la Región, las plantas de filtración rápida se pueden clasificar de la
siguiente forma:
Sistemas de tecnología convencional clásica o antigua.
Sistemas convencionales de alta tasa o de tecnología CEPIS/OPS.
Sistemas de tecnología patentada, normalmente importada de los países
desarrollados.
a. Sistemas Convencionales
Convencionales clásicos. Este tipo de sistema es el más antiguo en nuestro medio.
Se ha venido utilizando desde principios del siglo pasado (1910–1920). Se
caracteriza por la gran extensión que ocupan las unidades, principalmente el
decantador rectangular de flujo horizontal, el cual normalmente se diseña con
tasas comprendidas entre 10 y 60 m /m .d.
Para mejorar el funcionamiento de los sistemas convencionales, se fueron
agregando equipos mecánicos y actualmente la mayor parte de estos sistemas son
mixtos, están constituidos por unidades hidráulicas y mecánicas.
Inicialmente estas plantas carecían de mezcladores y se les agregó
retromezcladores. Los floculadores pueden ser hidráulicos o mecánicos, los
decanta- dores rectangulares de flujo horizontal y en algunos casos de vuelta en
U. Los decantadores de vuelta en U tienen muchos problemas en su
57
comportamiento, debido a que el giro del flujo dentro de la unidad ocasiona un
camino oblicuo y en las zonas adyacentes se forman espacios muertos.
Figura N° 07: Decantador rectangular de flujo rectangular
Figura N° 08: Decantador de vuelta en U
b. Sistemas convencionales de alta tasa o de tecnología CEPIS/OPS
Esta tecnología se empezó a desarrollar en la década de 1970 y se ha ido
perfeccionando cada vez más a la luz de las últimas investigaciones realizadas en
los países desarrollados. Las unidades son de alta tasa, ocupan una extensión que
58
constituye el 25% ó 30% del área que ocupa un sistema convencional de la misma
capacidad. La reducción del área se debe al empleo de floculadores verticales que
por su mayor profundidad ocupan menos área que los horizontales y permiten
compactar mejor el sistema. Los decantadores son de placas inclinadas a 60 °C,
de tal modo que el área de decantación real es la suma de las proyecciones
horizontales de todas las placas, lo que equivale a la superficie del fondo del
decantador convencional.
Los filtros se proyectan en baterías para ser operados con altura variable y por el
principio de tasa declinante, de acuerdo con el cual filtros operan con velocidades
decrecientes, entre lavado y lavado, y se desfasan en la operación; de este modo,
mientras unos están empezando las carreras los otros están a la mitad y el resto
terminándola. Así, entre todos llegan a asumir la capacidad completa del sistema
y el caudal permanece constante. El lavado de una unidad se efectúa mediante el
caudal que produ- cen los otros filtros en opera- ción, por lo que no se precisa de
sistema de bombeo ni de tanque elevado. En estos sistemas el agua decantada,
filtrada, para el retrolavado y el desagüe del retrolavado se conducen mediante
canales, no tienen galerías de tubos. Estas características hacen que este tipo de
sistemas tengan un costo inicial muy bajo. El costo de operación también es
mucho más bajo que el de otros sistemas, debido a que no requieren energía
eléctrica para su funcionamiento, son muy compactos y se reduce también la
cantidad de personal necesario para la operación. Las principales ventajas de esta
tecnología son las siguientes:
Es sumamente eficiente: En su concepción se han empleado los resultados de
las recientes investigaciones. Tiene el mérito de encerrar bajo su aspecto
59
sencillo procesos complejos y sumamente eficientes, por lo que realmente es
una tecnología de avanzada.
Es fácil de construir, operar y mantener: El equipamiento ha sido reducido al
mínimo imprescindible. Los procesos se generan mediante energía hidráulica;
el 100% de las obras son civiles. Por lo tanto, son fáciles de construir con los
recursos normalmente disponibles en los países en desarrollo. La operación es
sencilla porque carecen de mecanismos complicados y, por consiguiente, el
mantenimiento es econó- mico, fácil y rápido de realizar. Por estas razones, se
la denomina tecnología apropiada para países en desarrollo.
Es muy económica: La sencillez y el alto grado de compactación logrado en
las estructuras hace que normalmente se utilice alrededor de 1/3 del área que
requiere una planta convencional; el costo inicial es 1/3 ó la mitad del costo de
los otros tipos de tecnologías disponibles.
Es muy confiable: No requiere energía eléctrica para su funcionamiento; por lo
tanto, puede trabajar en forma continua a pesar de la escasez del recurso. De
este modo, se pueden garantizar las metas de calidad y cantidad.
Figura N° 09: Floculadores hidráulicos de flujo vertical
60
Figura N° 10: Planta de tecnología apropiada de 120 L/s
61
CAPITULO IV
IDENTIFICACION DE VARIABLES
VARIABLES
Dotación
Densidad Poblacional
Población Actual
Población Futura
Densidad de Población
Ubicación geográfica
Caudal
Calidad de Agua
Topografía
Diseño de Planta de tratamiento
VARIABLEINDEPENDIENTES
Dotación
Densidad Poblacional
Población Actual
Población Futura
Densidad de Población
Ubicación geográfica
Caudal
Calidad de Agua
Topografía
VARIABLE DEPENDIENTE
Diseño de Planta de tratamiento.
CAPITULO VII
62
OPERACIONALIZACION DE VARIABLES
VARIABLE DEFINICION
OPERACIONAL
TIPO DE
VARIABLE
INDICADORES
DOTACION
Se basa en el
número de
habitantes para
el diseño.
cuantitativa
Cantidad de
habitantes.
Vida horizonte del
proyecto.
POBLACION
ACTUAL
E la cantidad de
personas que
evitan en el
distrito de san
Agustín de cajas.
cuantitativa
Índice poblacional.
Zona urbana.
Encuestas.
POBLACION
FUTURA
Es la cantidad
personas
predichas al
futuro por
diversos factores
para el diseño de
la planta de
tiramiento de
agua potable.
cuantitati
va
Tasa de crecimiento
de la población.
Factores
socioeconómicos.
Tendencia de
desarrollo.
63
DENSIDAD DE
POBLACION
Es la cantidad
promedio de
habitantes del
distrito de san
Agustín de cajas.
cuantitati
va
Cantidad de
población.
Superficie de
territorio.
UBI
CACIÓN
GEOGRAFIACA
Es la ubicación
del punto de la
superficie
terrestre donde
se realizaran los
trabajos.
cualitativa
Coordenadas
geográficas.
Rasgos geográficos.
Longitudes
geográficas.
CAUDAL
Es la cantidad de
agua que
requiere la
población en un
promedio para
satisfacer sus
necesidades
c
uantitativa
Población
Flujo de agua.
Velocidad.
tiempo
64
65
CALIDAD
DEAGUA
Es aquella que al
consumirla no
daña el
organismo del
ser humano por
los diversos
procesos de
tratamiento que
se va desarrollar.
c
ualitativa
la cloración.
Libre de organismos
patógenos.
Análisis físico y
químico.
Límites de
tolerancia.
TOPO
GRAFIA
El área de
influencia del
diseño que
presenta una
topografía
accidentada.
C
ualitativa
Levantamientos
topográficos.
Trazo de línea de
conducción y
aducción.
Selección de la ruta.
CALIDAD
DEAGUA
Es aquella que al
consumirla no
daña el
organismo del
ser humano por
los diversos
procesos de
tratamiento que
se va desarrollar.
c
ualitativa
la cloración.
Libre de organismos
patógenos.
Análisis físico y
químico.
Límites de
tolerancia.
TOPO
GRAFIA
El área de
influencia del
diseño que
presenta una
topografía
accidentada.
C
ualitativa
Levantamientos
topográficos.
Trazo de línea de
conducción y
aducción.
Selección de la ruta.
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