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Proyecto Fin de Grado
Ingeniería Química y Ambiental
Dpto. Ingeniería Química y Ambiental
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2018
Autor: Belén Carmen Santos Egea
Tutor: Luis Francisco Vilches Arenas
INSTALACIÓN DE AGUA PREPARADA A PARTIR DE
AGUA DE POZO Y/O RED
1
ÍNDICE
1. RESUMEN ................................................................................................... 2
2. OBJETIVO DEL TRABAJO FIN DE GRADO ............................................................... 2
3. INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 3
3.1. Origen de la mineralización del agua en los diferentes tipos de agua ..................... 5
3.2. Causa de la contaminación de las aguas subterraneas para su potabilización.
Principales contaminantes ............................................................................................... 6
4. CALIDAD DEL AGUA PARA BEBER ....................................................................... 7
4.1. Relación de la composición mineral del agua y la salud humana ............................ 8
4.2. Influencia del contenido mineral del agua en el sabor del agua ............................. 8
5. MARCO NORMATIVO RELACIONADO CON LAS AGUAS POTABLES Y LAS AGUAS
EMBOTELLADAS ........................................................................................ 9
6. TRATAMIENTO DEL AGUA PREPARADA PROPUESTO .............................................. 11
6.1. ANÁLISIS DEL AGUA DE PARTIDA ............................................................................ 11
6.2. DIMENSIONAMIENTO DE LOS EQUIPOS .................................................................. 22
6.2.1. Pretratamientos .................................................................................................. 22
6.2.2. Descalcificador .................................................................................................... 27
6.2.3. Ósmosis inversa .......................................................................................... 31
6.2.4. Higienizadores ............................................................................................ 35
6.3. REMINERALIZACIÓN DEL AGUA ............................................................................... 41
6.4. ADICIÓN DE PRODUCTOS QUÍMICOS NECESARIOS ................................................. 45
7. DIAGRAMAS P&ID DE LAS INSTALACIONES ........................................... 48
7.1. Explicación del funcionamiento y control........................................................ 51
8. EVALUACIÓN ECONÓMICA DEL COSTE DE LOS TRATAMIENTOS
PROPUESTOS ..................................................................................... 52
8.1. Costes de inversión .................................................................................................. 52
8.2. Costes de explotación .............................................................................................. 53
8.3. Costes €/l ................................................................................................................. 54
9. CONCLUSIONES .......................................................................................... 54
10. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................... 55
11. ANEXOS .................................................................................................. 57
2
1. RESUMEN
Este proyecto pretende conseguir a partir de agua de pozo o agua de red un agua de
mineralización “a la carta”, es decir con la mineralización requerida por el cliente. Esto es
interesante por ejemplo para la industria alimentaria.
Los principales puntos destacados de este proyecto son:
• El estudio sobre los orígenes del agua.
• Diseño del tratamiento seleccionado.
• Breve estudio económico
Se ha diseñado una planta general, con toda la equipación necesaria la cual de forma modular.
De esta manera seleccionando las etapas adecuadas según el agua de origen se obtiene la
calidad de agua producto requerida.
Las etapas son las siguientes:
• Filtración con arena
• Carbón activado
• Ablandador con resinas de intercambio iónico
• Osmosis inversa
• Remineralización en lecho de calcita
• Desinfección
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2. INTRODUCCIÓN
2.1 Historia de los tratamientos del agua para consumo humano
A lo largo de la historia todas las civilizaciones han sido conscientes de la importancia que tenia
el agua para garantizar la supervivencia de la comunidad. Por eso la mayor parte de las
civilizaciones han florecido en zonas geográficas con abundancia de agua. Los ríos y lagos
aportaban agua para el riego y para el consumo.
Una de las mayores preocupaciones de la historia de la humanidad ha sido abastecerse de agua
lo mas pura y limpia posible. En el pasado, el tratamiento del agua originalmente se centraba en
mejorar las cualidades estéticas de esta.
La historia del agua potable es muy remota. En Siria y Babilonia se construyeron acueductos y
conductos para acercar el agua desde sus fuentes a lugares próximos a las viviendas. Gran parte
de los inventos y prácticas de hace miles de años se siguen usando en la actualidad.
Los romanos inventaron las tintorerías, piscinas, piscifactorías (dulces y saladas), tuberías, grifos
monomandos, molinos de agua, recogida de agua pluvial, cisternas, cloacas y alcantarillado.
Los antiguos pueblos orientales utilizaban arena y barro poroso para filtrar el agua. En Europa
los romanos construyeron una red de acueductos y estanques que conseguía llevar el agua hasta
una distancia aproximada de 90 km. Instalaron filtros para obtener agua de mayor pureza.
Llegaron a separar el agua de mayor calidad que usaban para beber y cocinar y la de menor
calidad para riegos y limpieza.
Hay registrados métodos para mejorar el sabor y el olor del agua que datan de 4.000 años antes
de Cristo. Escritos griegos donde se recomienda métodos de tratamiento tales como la filtración
a través de carbón, exposición a los rayos solares y ebullición.
En el antiguo Egipto dejaban reposar el agua en vasijas de barro durante varios meses para dejar
precipitar las partículas e impurezas y mediante un sifón extraían el agua de la parte superior
(decantación). También en ocasiones incorporaban ciertas sustancias minerales o vegetales para
ayudar a la precipitación (coagulación). Alrededor de 1.500 antes de Cristo hay evidencias que
demuestran que se usaban el alumbre (sulfato de alúmina) con el fin de precipitar partículas
suspendidas en el agua.
El primer sistema de suministro de agua potable contemporáneo se realizó en 1.804 en Glasgow
y fue realizado por John Gibb (Ingeniero Civil).
En 1.806 comienza a funcionar en París una gran planta de tratamiento de agua, consistente en
unos grandes sedimentadores que dejaban reposar el agua durante 12 horas y a continuación
se procedía a filtrar mediante filtros de arena y carbón.
En 1.827 James Simpson (Ingeniero Civil) construye en Inglaterra un filtro de arena para tratar
agua potable.
En el siglo XX los científicos lograron grandes avances en el conocimiento de sobre las fuentes y
efectos de los contaminantes en las aguas (en 1.885 se demostró que el cólera era una
enfermedad de transmisión hídrica). También en el siglo XX se descubrió que la turbiedad del
4
agua no solo era un problema estético, sino que esta podía ser debida a contaminación por
materia fecal y ser refugio para los patógenos.
En 1.880 Pasteur (biólogo y químico) explicó cómo organismos microscópicos pueden transmitir
enfermedades a través del agua.
En 1.909 se empleó por primera vez el cloro como desinfectante principal en el agua potable en
New Jersey.
Más tarde aparecieron otras sustancias químicas provenientes de vertidos, generalmente
industriales, contaminando las aguas que tenían como objetivo el abastecimiento público. En
1.972 se encontraron 36 sustancias químicas en el agua de Louisiana (US) procedente el rio
Missisipi, como consecuencia de la industrialización de la zona.
Hoy en día en las estaciones de tratamiento de agua potable (ETAP) se realizan los procesos
necesarios para que el agua natural procedente de los embalses y otras captaciones se
transformándose en agua apta para el consumo humano.
El desarrollo de la sociedad demanda de cada vez mas agua, pero no solo que a veces escasea,
sino que los puntos de captación se han ido deteriorando cada vez mas por el propio
desarrollo, esto obliga cada vez a tratamientos más complejos técnicamente. [1]
2.2. Categorías de aguas envasadas
Según la Asociación Nacional de Empresas de Aguas de Bebida Envasadas (ANEABE) se pueden
distinguir tres tipos (Figura 2.1 , Figura 2.2 y Figura 2.3) de aguas envasadas según su origen: [2]
• Aguas minerales naturales (96%)
• Aguas de manantial (2%)
• Aguas potables preparadas (2%)
Aguas minerales naturales: son aguas subterráneas de pureza microbiológica y composición
química constante que se distingue entre las demás por su propia naturaleza (oligoelementos) y
su pureza original, la zona de extracción consta de un perímetro protegido por la legislación.
Aguas de manantial: son aguas subterráneas con unas características de pureza que les permiten
su consumo directo, es decir cumplen con los criterios de potabilidad de aguas para consumo
público.
Aguas preparadas: son aquellas que tras ser sometidas a procesos fisicoquímicos permitidos
(filtración mecánica, osmosis inversa, nanofiltración, UV, ozonización…) consiguen las
características de potables y por tanto son aptas para el consumo humano. Dentro de esta
caracterización se hacen dos distinciones:
Aguas potables preparadas: Pueden ser de origen subterráneo o superficial.
5
Aguas de abastecimiento publico preparadas: Son aguas procedentes de la red de
abastecimiento.
En España se trata de un sector que arroja una facturación de 1.000 millones de euros anuales
distribuidos en un centenar de empresas con alrededor de 4.500 empleados directos y 25.000
indirectos. [3]
Figura 2.1: Relación aguas envasadas según su origen en España [2]
Figura 2.2: Tipo de agua envasada en España [2]
97
21
Aguas Envasadas
Aguas minerales naturales Aguas de manantial Restante(preparadas)
96
4
Aguas embotelladas
Sin gas Con gas
6
Figura 2.3 Consumo de bebidas no alcohólicas [2]
El consumo per cápita es el siguiente:
Figura 2.4: Consumo de agua por habitante y año por países. [2]
46
39
8
7
Bebidas no alcoholicas, UE 2016
Aguas envasadas Refrescos Zumos y nectares Infusiones
7
En la FIgura 2.4 podemos ver que España se encuentra entre los cinco países que más agua
embotellada consume con 116 litros por habitante y año lo que equivale a un vaso de agua
mineral al día frente a los 150 litros de consumo medio de agua corriente. En cabeza se
encuentra Italia con 179 litros de agua mineral embotellada por habitante y año. [3]
2.2. Causas de la contaminación de las aguas subterráneas para su potabilización.
La sobre explotación de los acuíferos ha provocado el drenaje de aguas salinas hacia estos, lo
que supone una fuente de contaminación natural, aunque la más importante es la que tiene
origen meramente antropogénico.
En la siguiente Tabla 2.1 recoge las principales fuentes de contaminación de las aguas
subterráneas:
Lugar de origen
Municipal Industrial Agrícola Individual
Cerca de la superficie
Contaminación del aire. Disposición en suelo de residuos municipales. Sal para el deshielo de caminos. Calles y aparcamientos
Contaminación del aire. Químicos: almacén y derrames. Combustibles: Almacén y derrames. Arrastre de residuos en minas
Contaminación del aire Derrame de químicos Fertilizantes Pesticidas Residuos en granjas: almacenamiento y emisión al campo
Contaminación del aire. Fertilizantes Limpiadores y detergentes. Petróleo. Pintura. Pesticidas.
Por debajo del a superficie del suelo
Basureros. Fugas y drenajes de líneas de aguas residuales.
Tuberías. Tanques de almacenamiento subterráneos.
Almacenamiento subterráneo. Pozos construidos inadecuadamente o abandonados.
Sistemas sépticos. Pozos construidos inadecuadamente o abandonados.
Tabla 2.1: Origen de la contaminación de las aguas subterráneas.
En la tabla anterior podemos apreciar que las fuentes de contaminación cerca de la superficie
se deben principalmente a la contaminación del aire. Al estar la atmósfera cargada de partículas
en suspensión y gases disueltos al llover estos precipitan filtrándose al subsuelo.
También es un foco de contaminación los almacenamientos de elementos químicos de forma
subterránea, sobre todo si se encuentran en zonas con actividad sísmica, pudiendo ser
sometidos a tensiones mayores que podrían producir su fractura y su posterior vertido. El
almacenamiento en superficie también supone un riesgo si no está rodeado de un cubeto que
recoja la totalidad del contenido en caso de fractura del depósito porque el vertido se podría
filtrarse fácilmente hasta llegar a la capa freática.
8
Asimismo, el uso agrícola de un terreno, si está sobre un manantial, por el uso continuado de
fertilizantes y pesticidas podría generar filtraciones de esos compuestos a los manantiales.
Lo mismo puede ocurrir con los vertederos mal aislados que pueden contaminar las aguas
subterráneas por el permeado de los lixiviados de este.
La llegada de algún tipo de contaminantes como los anteriormente citados a las aguas
subterráneas (manantiales) inhabilitarían a estas para el consumo humano directo como “aguas
minerales naturales”.
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3. OBJETIVOS
El principal objetivo del Trabajo Fin de Grado es el diseño de distintos procesos de agua
preparada. Con control de su mineralización a partir de agua de pozo y/o agua de red. Las
aguas preparadas obtenidas podrían ser potencialmente usadas para su posterior envasado, o
bien como materia prima en la industria alimentaria (por ejemplo: producción de cervezas,
refrescos, etc.) con unas características de mineralización definidas en función del uso del
agua.
Más concretamente en las Figuras 3.1, 3.2 y 3.3 se muestran los diagramas de bloque de tres
posibles alternativas de tratamiento partiendo de agua de pozo y/o agua de red.
El principal punto a desarrollar en el trabajo en el Trabajo Fin de Grado ha sido el diseño y la
descripción de las diferentes operaciones que se necesitan para cada uno de los tratamientos
propuestos, tales como: filtración con arena, filtración con carbón activo, separación de iones
mediante resinas de intercambio iónico, tratamiento mediante separación con membranas (NF
y/o OI), desinfección con ozono y/o radiación UV, ajuste del pH y sistema de remineralización.
Figura 3.1: Tratamiento agua de pozo para obtener agua preparada
10
Figura 3.2: Tratamiento de agua de red para obtener agua preparada
Figura 3.3: Tratamiento agua de red para obtener agua preparada
11
4. Calidad del agua potable
La calidad del agua potable es una cuestión que preocupa en países de todo el mundo, en
desarrollo y desarrollados, por su repercusión en la salud de la población. Los agentes
infecciosos, los productos químicos tóxicos y la contaminación radiológica son factores de
riesgo. [4]
Según las recomendaciones de la Organización Mundial de la Salud (OMS) el volumen
recomendado, litros por persona y día es de 2 l/d en personas adultas, pero este valor depende
de diversos factores como la edad, el sexo, el ejercicio físico, o si la persona se encuentra
embarazada o en periodo de lactancia entre otros.
4.1. Relación de la composición mineral del agua y la salud humana.
La composición del agua de bebida es esencial para el correcto funcionamiento del organismo,
el 70% en peso de nuestro cuerpo está compuesto por agua. El agua que bebemos pasa a formar
parte de las moléculas orgánicas complejas de las que se compone el ser humano.
Se distinguen cinco elementos esenciales para el correcto funcionamiento de la actividad
metabólica: Boro, Cromo, Níquel, Silicio y Vario.
Catorce elementos minerales son básicos para la buena salud: Calcio, Fósforo, Magnesio y Flúor. Estos son esenciales para la estructura de las membranas celulares y los huesos. Sodio, Potasio y Cloro para el equilibrio electrolítico. Zinc, Cobre, Selenio, Magnesio, Manganeso y Molibdeno para la catálisis metabólica. Hierro para la respiración (formación de glóbulos rojos que transportan Oxígeno y Dióxido de Carbono) y por último Yodo y Cromo para las funciones hormonales. [5]
El déficit de estos elementos citados aumenta la morbilidad y mortalidad por las carencias del
sistema inmune y el deterioro físico y mental.
Algunos microelementos pueden llegar a ser tóxicos en cantidades más elevadas como pudiera
ser: Mercurio, Aluminio, Cadmio, Plomo, Uranio o Flúor.
Hay ciertos elementos que son esenciales para la vida entre los que se encuentran:
• Calcio, Ca:
El Calcio es el mineral mas importante del cuerpo humano (1,5-2,0 % del peso del cuerpo). Para
una persona adulta promedio supone 1,2 kg, 99% de este se encuentra en los huesos y el 1%
restante forma parte de los fluidos intra y extracelulares. [6]
La cantidad diaria de Calcio es de 800 mg/l. La absorción de calcio lleva a cabo en el tracto
intestinal.
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Por otro lado, el consumo de altos niveles de Calcio puede causar la disminución de la función
de la tiroides causando hipotiroidismo. [6]
El Calcio junto con el Magnesio forman la dureza del agua.
• Magnesio, Mg:
Es el segundo elemento más común en el cuerpo humano. 20-28g del cuerpo humano es
Magnesio del cual el 60-65% se encuentra en el esqueleto y el resto en los fluidos extracelulares.
Una deficiencia de Magnesio conduce a una disminución de la excitación neuromuscular. La
dosis diaria recomendada se encuentra entre los 300-420 mg. La absorción de Magnesio por
medio del agua es un 30% mas efectiva que a partir de los alimentos al encontrarse este en
forma iónica.
El Calcio y el Magnesio son antagónicos en la coagulación de la sangre. El Magnesio inhibe la
coagulación mientras que el Calcio promueve el proceso.
• Bicarbonatos, 𝐻𝐶𝑂3−
El 𝐻𝐶𝑂3− es el elemento regulador de pH mas importante del cuerpo. El agua potable tiene una
concentración de 20-400 mg/l de 𝐻𝐶𝑂3−.
• Sulfatos, 𝑆𝑂42−
La concentración normal en agua de Sulfatos es de1-500mg/l en concentraciones mayores
produce un efecto laxante.
Por otro lado, la OMS no fija ningún valor mínimo de mineralización, pero simplemente por el
lado de la palatabilidad del agua es necesario remineralizar antes del consumo.
“Packaged waters with very low mineral content, such as distilled or demineralized
waters, are also consumed. Rainwater, which is similarly low in minerals, is consumed
by some populations without apparent adverse health effects. There is insufficien
scientific information on the benefits or hazards of regularly consuming these types
of bottled waters (see WHO, 2003b).” [OMS]
4.2. Influencia del contenido mineral del agua en el sabor.
Tradicionalmente se define el agua como aquella sustancia liquida incolora, inodora e insípida,
es decir que no tiene ni color, ni olor, ni sabe a nada. Aunque hay compuestos químicos que le
confiere algún tipo de sabor, son inocuos para la salud humana mientras que esté en los
límites aceptables marcados por la legislación.
Ciertos elementos o compuestos presentes en el agua pueden alterar el sabor (y el olor) entre
los que se encuentran los siguientes:
Sulfuro de hidrógeno, 𝐻2𝑆: El umbral olfativo/gustativo para esta sustancia es de 0,05-0,1
mg/l. Provoca un olor a huevos podridos, es consecuencia directa de la descomposición
bacteriana de los sulfatos.
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Sulfato,𝑆𝑂42−: provoca un sabor apreciable y en concentraciones altas produce efectos
laxantes.
Sodio, Na: es un elemento que puede provocar sabor en el agua, la concentración umbral
media es de 200 mg/l pero depende del anión al que este asociado y a la temperatura.
Amoniaco, 𝑁𝐻3: el umbral del sabor se encuentra en 1,5 mg/l en un pH alcalino.
Dicloro, 𝐶𝑙2: Provoca sabor y olor en el agua a partir de 1 mg/l aunque el sabor generalmente
proviene de derivados clorados producidos en el propio agua.
Zinc, Zn: el agua puede presentar un color opaco y un sabor indeseable además de producir
una capa oleosa al hervir.
Dureza (Calcio y Magnesio), Ca y Mg: el umbral gustativo se encuentra entre 100 y 300 mg/l
aunque hay consumidores que toleran hasta 500 mg/l. El sabor depende del anión al que van
asociados. [7]
14
5. Marco normativo relacionado con las aguas potables y las aguas
embotelladas
La producción de agua para consumo humano al tratarse de un tema de vital importancia para
la salud pública está regulada por numerosas normas a nivel europeo y estatal.
En el ámbito nacional se puede relacionar con la siguiente normativa básica:
• Real Decreto 1744/2003, de 19 de diciembre, por el que se modifica el Real Decreto
1074/2002, de 18 de octubre, por el que se regula el proceso de elaboración,
circulación y comercio de aguas de bebida envasadas. En esta normativa se recogen
valores difundidos por la Organización Mundial de la Salud (OMS) y el Comité
Científico de la Alimentación Humana (CCAH). Fija valores biológicos, Químicos y de
Radioactividad como los que se muestran en la Tabla 5.1.
“a) La aplicación del tratamiento con aire enriquecido con ozono debe ser objeto de una notificación previa a las autoridades sanitarias competentes para garantizar que: 1.o La utilización de dicho tratamiento se justifica por la composición del agua en compuestos de hierro, manganeso y azufre, así como de arsénico. 2.o El operador adoptará todas las medidas necesarias para garantizar la eficacia y la inocuidad del tratamiento y para permitir su control por las autoridades sanitarias competentes. b) En todo caso, el tratamiento de las aguas minerales naturales con aire enriquecido con ozono deberá cumplir las siguientes condiciones: 1.o Que el tratamiento no modifique la composición analítica de las aguas minerales naturales en lo que se refiere a sus componentes característicos. 2.o Que el agua mineral natural antes del tratamiento respete los criterios microbiológicos definidos en los párrafos 1, 2 y 3 del apartado 1.2.2 del anexo I. 3.o Que el tratamiento no de lugar a la formación de residuos que puedan presentar un riesgo para la salud pública o con una concentración superior a los límites máximos establecidos en el anexo VII.»” [8]
• Real Decreto 1799/2010, de 30 de diciembre, por el que se regula el proceso de
elaboración y comercialización de aguas preparadas envasadas para el consumo
humano.
En este RD:
-Se define cuales con las “aguas destinadas al consumo humano”, como las de origen
natural como las que después de un tratamiento son aptas para beber, cocinar,
preparar alimentos u otros usos domésticos.
-También insiste en que es necesario “garantizar el derecho a la información del
consumidor respecto a la calidad y el origen del agua, a fin de no introducirle a error
con las aguas minerales y de manantial. Así, se deben establecer unas condiciones de
etiquetado que incluyan información acerca del origen del agua”. [Real Decreto
1799/2010]
Este RD viene a regular exclusivamente las aguas preparadas. Dadas las claras diferencias entre las aguas minerales naturales y las de manantial y las restantes, se regulan unas y otras en dos normas independientes. También se considera necesario garantizar el derecho de información del consumidor respecto de la calidad y origen del agua, a fin de no inducirle a error con las aguas minerales y de manantial. Así, se deben establecer unas condiciones de etiquetado que incluyan información acerca del origen del agua. [9]
15
Quedan excluida de este RD además de las aguas minerales naturales y de manantial las siguientes: [9]
o Las aguas minero-medicinales de uso terapéutico o Las aguas que, con arreglo a la Ley 29/2006, de 26 de julio, de garantías de uso
racional de los medicamentos y productos sanitarios y su normativa de desarrollo, se consideren medicamentos.
o Las aguas de consumo público envasadas. En este RD también se define lo siguiente:
o Aguas preparadas: Las aguas distintas de las aguas minerales naturales y de manantial, que pueden tener cualquier tipo de procedencia y se someten a los tratamientos fisicoquímicos autorizados necesarios para que reúnan las características de potabilidad establecidas en el anexo I.
o Potables preparadas: Aquellas que pueden tener cualquier tipo de procedencia, subterránea o superficial y que han sido sometidas a tratamiento para que sean potables. Todas estas aguas perderían así, si la tuviesen, la calificación de agua de manantial o aguas mineral natural, pasando a denominarse aguas potables preparadas.
o De abastecimiento público preparadas: En el supuesto de tener dicha procedencia.
o Aguas de consumo público envasadas: Aquellas distribuidas mediante la red de abastecimiento público y las procedentes de este origen, envasadas conforme a la normativa que regula los materiales de contacto con los alimentos, de forma conyugal para su distribución domiciliaria gratuita, con el único objetivo de suplir ausencias o insuficiencias accidentales de la red pública, que deben cumplir el RD 140/2003, de 7 de febrero, por el que se establecen los criterios sanitarios de la calidad de las aguas de consumo humano.
También define las condiciones de explotación y comercialización.
• Orden SSI/304/2013, de 19 de febrero, sobre sustancias para el tratamiento del agua
destinada a la producción de agua de consumo humano.
En esta orden se detalla una lista positiva de sustancias que se pueden añadir a las aguas
preparadas y en que condiciones de pureza se tienen que encontrar estas.
A nivel europeo se cuenta con: DIRECTIVA (UE) 2015/1787 DE LA COMISIÓN de 6 de octubre
de 2015 por la que se modifican los anexos II y III de la Directiva 98/83/CE del Consejo, relativa
a la calidad de las aguas destinadas al consumo humano.
Además de una serie de recomendaciones técnicas de buenas prácticas:
Norma General para las aguas potables embotelladas/envasadas (distintas de las aguas minerales naturales) codex stan 227 – 2001.
16
Según el Real Decreto 1799/2010 estos son los límites tanto biológicos como químicos de las
aguas de bebida.
Imagen 5.1: Real Decreto 1799/2010
17
6. TRATAMIENTO DEL AGUA PREPARADA PROPUESTO
6.1. Análisis del agua de partida
El sistema de tratamiento de agua potable preparada se ha diseñado en función de las
características del agua de entrada. Para ello, se ha tomado como referencia dos tipos de
aguas: un agua de pozo que puede ser característica de este tipo de agua en el entorno de
Sevilla y agua de red distribuida por EMASESA (Empresa Metropolitana de Abastecimiento y
Saneamiento de Aguas de Sevilla, S.A.).
En la Tabla 6.1 se muestra la caracterización del agua de pozo de la Finca Gombogaz (Sevilla).
Parámetro Unidades Valor
Conductividad de campo a 20ºC
µS/cm a 3341,0
Dureza total mg 𝐶𝑎𝐶𝑂3/l 1315,0
Carbono orgánico total (COT) mg/l X
Alcalinidad mg/l 𝐶𝑂3𝐶𝑎 403,0
Amonio total mg/l 𝑁𝐻4 5,2
Bario (disuelto) mg/l Ba 0,057
Bicarbonatos mg/l 𝐻𝐶𝑂3 491,0
Boro (disuelto) mg/l B 0,6
Calcio mg/l Ca 205,0
Cloruros mg/l Cl 510,0
DQO mg/l 𝑂2 2,7
Hierro (disuelto) mg/l Fe 0,093
Fluoruros mg/l F 0,31
Fosfatos mg/l 𝑃𝑂4 0,11
Magnesio mg/l Mg 195.0
Manganeso (disuelto) mg/l Mn 0,11
Oxígeno disuelto de campo (medida in situ)
mg/l 𝑂2 4,6
pH de campo (medida in situ)
7,4
Potasio mg/l K 8,0
Potencial redox campo mV 158,0
Porcentaje de saturación de Oxígeno disuelto
% 𝑂2 54,0
Sílice mg/l 𝑆𝑖𝑂2 26,0
Sodio mg/l Na 236,0
Sulfatos mg/l 𝑆𝑂4 805,0
Temperatura del agua ºC 21,0 Tabla 6.1: Composición del agua de pozo
18
En los documentos adjuntos a continuación se muestra un análisis característico del agua que
suministra EMASESA.
19
20
21
El objetivo del tratamiento será, pues, alcanzar una calidad de agua que cumpla los requisitos
de Anexo I del RD 1799/2010 y con una calidad de mineralización que podríamos denominar “a
la carta” pudiéndose alcanzar un agua preparada de mineralización muy débil como la
presentada en algunas marcas comerciales (p.e: Bezoya) y que se caracteriza por los
parámetros que se muestran en la Tabla 6.2.
Parámetro Unidad Valor
Residuo seco a 180ºC
mg/l 28
Cloruro mg/l 0.6
Sodio mg/l 1.36
Calcio mg/l 5.26
Magnesio mg/l 0.91
Bicarbonatos mg/l 21
Sílice mg/l 9.15 Tabla 6.2: Análisis Agua Bezoya
Estudiando con detenimiento los parámetros del agua de pozo llegamos a la conclusión de que
uno de los parámetros que mayor reto tecnológico va a suponer es la dureza y los carbonatos.
Habrá que dimensionar los equipos conforme a esos parámetros.
22
23
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25
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27
28
6.2. Dimensionamiento de los equipos
Para el dimensionamiento de los equipos se ha tomado un caudal medio de 16 𝑚3
ℎ ⁄ y la
composición mas desfavorable para todos los compuestos, el caso de agua de pozo.
Se ha tomado este valor por que es el 5% del consumo de agua preparada en España. [2]
6.2.1. Pretratamientos
De la correcta selección del pretratamiento depende el tiempo entre mantenimientos y la vida
útil de los equipos dispuestos a continuación del pretratamiento. El alargar la vida útil de los
equipos reduce considerablemente los costes de operación y mantenimiento.
Para el pretratamiento se ha elegido un filtro de arena a presión de la marca SEFILTRA y un
equipo de carbón activo.
Filtro de arena
Imagen 6.2: Filtro de arena a presión [15]
Descripción
Este filtro está diseñado para procesos de tratamientos de agua que precise la eliminación de
materias en suspensión, mediante la adecuada selección del material filtrante. La calidad de la
filtración depende de varios parámetros: altura del lecho filtrante, características del lecho,
calidad de este, granulometría, así como la velocidad de filtración selecciona, etc.
El tanque está fabricado con resina de poliéster y vibra de vidrio, materiales que soportan bien
la corrosión. En su interior cuenta con difusor y colector de material plástico inalterable (PVC y
ABS) resistentes a una presión de trabajo de 2,5 – 6 kg/𝑐𝑚2 y una temperatura máxima de 50ºC.
La velocidad de filtración recomendada se encuentra entre 10 – 15 𝑚3
ℎ ⁄
La Arena Sílica que estará contenida en el interior se produce por trituración de la piedra o
arena de sílica de textura abierta, cribada a distribución de grano necesaria. La arena de sílice
es producida por trituación en molienda y lavado de la sílice de alta calidad. La arena sílica se
utiliza como medio granular en tratamiento de agua potable y residual. Características físicas:
29
arena de gránulo duro. El tamaño de grano de las partículas es variable, es cribable y
principalmente de color marrón a gris. Se produce en numero de malla 20x30. [14]
Análisis Químico
Especificaciones Composición
𝑆𝑖𝑂2 79%
𝐹𝑒2𝑂3 5,20%
𝐴𝐹2𝑂3 12,10%
Pérdidas por Calcinación 3.6%
Cono pirométrico
Mineral Sílice
Humedad (%) 0,03
Densidad (g/𝑐𝑚3) 1,60
Presentación: Sacos de 50 kg Tabla 6.3: Características del medio filtrante [14]
Imagen 6.3: Visión del interior del filtro de arena a presión [15]
Es conveniente que los filtros se encuentren situados por debajo del nivel de agua. Se debe evitar
el vacío en la instalación para prevenir que se colapse el tanque del filtro. Deben colocarse de
manera que la base esté perfectamente nivelada y que este apoye en toda la superficie del suelo.
Funcionamiento
Presión de entrada: 0.8-1 kg/𝑐𝑚2
Nº Descripción
1.1 Entrada
1.2 Salida
2 Difusor
3 Colector
4 Desagüe filtro
5 Salida descarga arena
6 Base tapa ovalada
7 Machón doble rosca
8 Válvula esfera rosca
9 Junta tórica
10 Puente filtro bobinado
11 Volante filtro
12 Maneta tapa filtro
30
Presión de salida: 0.4-0.6 kg/𝑐𝑚2
Filtración: Cuando la presión diferencial entre la entrada y la salida alcance 1 kg/𝑐𝑚2 se tiene
que comenzar con la operación de lavado.
Imagen 6.4: Descripción del proceso de filtrado y posición de las válvulas [15]
Lavado: El lecho forma miles de canales de paso que recogen las impurezas y residuos sólidos
contenidos en el agua a filtrar. Al cabo de las horas de funcionamiento estos canales se colmatan
siendo necesario limpiar el filtro. La duración del lavado debe ser de 7 minutos a una velocidad
de 50 𝑚3
ℎ 𝑚2 ⁄ .
Imagen 6.5: Descripción del proceso de filtrado y posición de las válvulas [15]
Enjuague: Esta operación solo se pude efectuar cuando se ha instalado una batería de 5 válvulas.
Se debe efectuar inmediatamente después del lavado con el objeto de expulsar al desagüe los
restos de impurezas que pudieran haber penetrado en los colectores durante la fase del lavado
del filtro. Esta operación debe realizarse por espacio de 3 minutos de esta manera se evitará que
las impurezas vuelvan a la red. Para realizar esta operación han de encontrarse las válvulas en
la posición de la Imagen 6.6: siempre con la bomba parada e inmediatamente pasar a la posición
de filtración (Imagen 6.5).
Imagen 6.6: Descripción del proceso de enjuague y posición de las válvulas [15]
Posición
1 Abierta
2 Cerrada
3 Cerrada
4 Cerrada
5 Abierta
Posición
1 Cerrada
2 Abierta
3 Abierta
4 Cerrada
5 Cerrada
Posición
1 Abierta
2 Cerrada
3 Cerrada
4 Abierta
5 Cerrada
31
Vaciado: Cuando sea necesario vaciar el sistema en el caso de que este no disponga de drenaje
puede efectuarse el vaciado por medio de la bomba del filtro posicionando las válvulas en la
posición indicada en la Imagen 6.7.
Imagen 6.7: Descripción del proceso de vaciado y posición de las válvulas [15]
La etapa de filtración con carbón activo cuanta con un sistema de bombeo con las siguientes
características.
Bomba de agua de entrada
Tipo de Bomba Centrífuga vertical
Caudal (𝑚3/ℎ) 15-20
Altura de Impulsión (m.c.a) 75
Material Acero Inoxidable
Potencia (kW) 6
Bomba de Contra lavado
Tipo de Bomba Centrífuga Vertical
Capacidad (𝑚3/ℎ) 15-20
Altura de Impulsión (m.c.a) 81
Material Acero Inoxidable
Potencia (kW) 8 Tabla 6.4: Equipos de impulsión
Carbón Activo
Descripción: El carbón activado o carbón activo es una forma de carbono que ha sido procesado
para que sea extremadamente poroso y por lo tanto tener un área superficial muy grande
disponible para las reacciones de adsorción/absorción o reacciones químicas.
La propiedad de adsorber hace referencia al fenómeno físico en el que un sólido llamado
adsorbente, atrapa en sus poros a cierto tipo de moléculas llamadas adsorbatos, que están
contenidas en un líquido o en un gas.
La capacidad de adsorción depende de:
• Presión
• Temperatura
• Tipo de contaminante
Posición
1 Abierta
2 Cerrada
3 Cerrada
4 Abierta
5 Cerrada
32
• Tipo de adsorbente (grado y tipo de carbón) [web plastoquímica]
El procedimiento de adsorción es ampliamente utilizado en la desodorización, siendo el carbón
activado el soporte de adsorbente más utilizado. En función del proceso en el que se inserta el
carbón activo este debe contar con unas características concretas. En este caso se ha escogido
Carbón Activado granular de concha de coco con las siguientes características técnicas:
• Tipo: Carbón Activado Granular
• Materia prima: Concha de coco
• Rango de tamaño de partícula (malla): 8-30
• Presentación: Sacos de 25 kg y super sacos de 500 kg
Entre las aplicaciones recomendadas de este carbón activado se encuentra:
• Purificación de agua potable
• Decloración
• Eliminación de olores y sabores
• Retención de contaminantes orgánicos
Este carbón activado se fabrica a partir de concha de coco y se activa térmicamente en una
atmósfera reductora, saturada con vapor de agua. Esto brinda tres cualidades fundamentales
para destinarlo a la potabilización de agua:
• La materia prima es de origen vegetal, y por lo tanto no contiene metales pesados y
demás contaminantes típicamente presentes en los carbones minerales.
• Al activarse térmicamente, no se utilizan compuestos químicos que puedan dejar
residuos en el carbón.
• El carbón de concha de coco tiene el diámetro de poros que adsorbe con mayor
eficiencia los contaminantes orgánicos de bajo peso molecular. [web carbontecnia]
El carbón activado anteriormente descrito se encuentra contenido en un filtro de la marca
CULLIGAN. Los filtros Culligan de la gama CULLAR están fabricados en acero y protegidos por
una resina epoxi de graduación alimentaria en el interior y la pintura sintética en el exterior. [18]
33
Imagen 6.8: Equipo comercial de carbón activado
Funcionamiento
El equipo de carbón activo debe operar en un rango de 2,1 a 5,0 𝑘𝑔
𝑐𝑚2⁄ . Las conexiones
hidráulicas de este equipo se realizan conforme se muestra en la Imagen 6.2.1.8 a continuación.
34
Imagen 6.9: Conexiones equipo Carbón Activado
El carbón activado tiene una duración de 8 a 12 meses en uso doméstico, pero sólo 6 a 8 meses
en uso industrial. Una vez pasado este periodo de tiempo de operación sería necesario reponer
la carga filtrante, para un correcto mantenimiento de esta es necesario realizar retrolavados una
vez cada dos semanas.
De forma similar al equipo de filtración con arena cuenta con un sistema de bombeo con dos
bombas una para la alimentación y otra para el proceso de limpieza.
Bomba de agua de entrada
Tipo de Bomba Centrífuga vertical
Caudal (𝑚3/ℎ) 15-20
Altura de Impulsión (m.c.a) 75
Material Acero Inoxidable
Potencia (kW) 6
Bomba de Contra lavado
Tipo de Bomba Centrífuga Vertical
Capacidad (𝑚3/ℎ) 15-20
Altura de Impulsión (m.c.a) 81
Material Acero Inoxidable
Potencia (kW) 8 Tabla 6.5: Equipos de impulsión
6.2.2. Descalcificador
Es necesario retirar la dureza del agua para evitar incrustaciones en los equipos posteriores,
evitar que estos reduzcan su vida útil y espaciar el tiempo entre mantenimientos.
La reglamentación técnico-sanitaria española establece como valor orientador de calidad para
la dureza total mínima en aguas ablandadas de 150 mg/l 𝐶𝑎𝐶𝑂3 por otro lado las normativas
europeas han adoptado como concentración limite 500 mg/l 𝐶𝑎𝐶𝑂3 . La OMS ha marcado como
deseable 100 mg/l 𝐶𝑎𝐶𝑂3 y como máximo admisible 500 mg/l 𝐶𝑎𝐶𝑂3. Teniendo en cuenta estos
límites operaremos la planta.
Existen diversas tecnologías disponibles para la eliminación de la dureza del agua, la escogida
para este proyecto será el descalcificador a través de resistas de intercambio iónico.
35
Funcionamiento
En su funcionamiento las resinas se van cargando de cationes de Calcio y Magnesio, una vez
saturadas las resinas necesitan ser sometidas a un proceso de regeneración. El proceso de
regeneración consiste en el lavado a contracorriente con una solución concentrada de sal común
o cloruro de sodio (rica en iones Sodio). La resina vuelve a tomar los iones Sodio y desprendiendo
los Calcio y Magnesio.
El control de este equipo se puede realizar por tiempo o por volumen:
• Por tiempo: Los descalcificadores están equipados con un programador horario y estos
entran en regeneración a una hora concreta del día. Y a continuación las demás fases
del proceso.
• Por volumen: Los descalcificadores entran en regeneración cuando a través de si ha
pasado una cantidad determinada de agua.
EL descalcificador propuesto proporciona un funcionamiento en continúo equipado con un
sistema de control del flujo en contra corriente automático.
La válvula de control consta de 8 ciclos: Contra lavado, extracción de la sal, aclarado lento, re-
presurización, aclarado rápido, segundo contra lavado, segundo aclarado del tanque de sal y
servicio.
El consumo de sal es controlado por el controlador empleado. El contador de agua utilizada
está conectada a la válvula de control.
Imagen 6.9: Vista interior del descalificador
El tipo de equipo elegido es un descalcificador dúplex controlado por volumen con resinas
suministradas por DOW. Este tipo de equipo cuenta con las siguientes características:
• Funcionamiento en continuo
• Sistema de control por volumen
• Mínimo mantenimiento
• Recipientes resistentes a la corrosión
36
Dimensionado
Los datos de partida con los que contamos para dimensionar son los siguientes:
Caudal de agua a tratar 16 𝑚3
ℎ⁄
Dureza del agua de entrada 1315,0 𝑚𝑔 𝐶𝑎𝐶𝑂3/𝑙
Dureza del agua tratada 1 𝑚𝑔 𝐶𝑎𝐶𝑂3/𝑙 Tabla 6.6: Datos para el dimensionamiento del descalcificador
Como se puede apreciar en la hoja de datos de las resinas (que se encuentra en el anexo) la
capacidad de esta es 43,7 𝑘𝑔 𝐶𝑎𝐶𝑂3/𝑓𝑡3 que convertido al sistema internacional queda
1,5426 𝑘𝑔 𝐶𝑎𝐶𝑂3/𝑙 .
16.000𝑙
ℎ∗ 1,315
𝑔 𝐶𝑎𝐶𝑂3
𝑙= 21.040
𝑔 𝐶𝑎𝐶𝑂3
ℎ
21,04 𝑘𝑔 𝐶𝑎𝐶𝑂3
ℎ
1,54 𝑘𝑔 𝐶𝑎𝐶𝑂3
𝑙
= 13,66𝑙𝑟𝑒𝑠𝑖𝑛𝑎
ℎ
5 𝑑𝑖𝑎𝑠 ∗ 24ℎ
𝑑í𝑎∗ 13,66
𝑙𝑟𝑒𝑠𝑖𝑛𝑎
ℎ= 1.639,48 𝑙𝑟𝑒𝑠𝑖𝑛𝑎
DOW en su ficha técnica recomienda de 2-5 veces el volumen del lecho, así que tomaremos un
equipo de 4 𝑚3 para albergar la resina necesaria y que tenga un buen contacto con el agua.
Para el diseño de este equipo se ha tomado las condiciones más desfavorables, es decir que se
alimentase con agua de pozo.
37
38
6.2.3. Osmosis Inversa (OI/RO)
Descripción: La tecnología de Osmosis Inversa aprovecha la capacidad de ciertas membranas
semipermeables para separar el agua de todas las sustancias disueltas en ella. Mediante la
aplicación de presión se fuerza al agua a pasar de la zona más concentrada en sales a la menos
concentrada. El agua pura (filtrado) quedara de este modo separada de las sales (rechazo). La
OI es un proceso físico que no requiere el uso de regenerantes químicos. [Culligan RO]
Imagen 6.10: Fundamentos de la OI [18]
Se ha elegido usar las membras Culligan, de la serie IW E 8 (8000 l/h) usando dos en paralelo. Se
ha optado por esta serie porque están concebidas para ofrecer un funcionamiento seguro, de
alto redimiento y simplicidad de utilización y mantenimiento. El modelo E(Economico), está
diseñada para aguas de baja salinidad (en nuestro caso tras haber pasado por el pretatamiento
ya encaja en esas características). El modelo “económico” permite contener los gastos de forma
importante tanto en la compra como en la gestión, gracias al uso de membranas de baja presión
y alto rendimiento.
Imagen 6.11: Equipo comercial de OI [18]
Funcionamiento: El mantenimiento del equipo de OI consiste en la reposición de las membranas
al final de su vida útil. Con la utilización de membranas de estas características
39
nos aseguramos un mínimo de retención de sales en el rechazo de un 98,0%
siendo la retención estándar de un 99,5% [19]
El menor ratio permeado frente a rechazo esta en 5 frente a 1, Usaremos ese dato en el diseño.
[20]
Dimensionamiento: El dimensionamiento de este equipo es muy simple. Estamos trabajando
con un caudal de producción de unos 16 𝑚3
ℎ⁄ y según la hoja de datos del equipo de OI (Anexo)
el equipo elegido trabaja con 8000 𝑙 ℎ⁄ por lo que necesitaremos dos en paralelo.
Como hemos citado anteriormente la salida de este equipo es esencialmente un “cero sales”
podríamos usarlo así si el cliente lo requiriese. Con estas características no es apta para el
consumo humano, debe someterse a un proceso de Remineralización.
Características
Flujo de permeado a 20ºC (𝑚3/ℎ) 16
Flujo de permeado por membrana (𝑚3/ℎ) 3,6
Presión de operación (bar) 25
Presión máxima (bar) 41
Caída de presión máxima (bar) 1,0
Recuperación de sales en el rechazo 98,0%
Consumo aproximado de agua (𝑚3/ℎ) 19,2
Alimentación eléctrica (V/Hz) 400/50
Potencia instalada 8
Tolerancia al Cloro libre (ppm) <0,1
Tabla 6.7: Características de la unidad de OI
40
41
42
6.2.4. Sistema de desinfección
Como se comentó en el apartado “5. Marco normativo relacionado con las aguas potables y
las aguas embotelladas”, la legislación es muy restrictiva en cuanto a los parámetros
biológicos. Por tanto, en este proyecto se van a implementar dos tipos de higienizadores:
Desinfección con UV e Higienización por Ozono.
Equipo de Radiación Ultravioleta (UV)
Imagen 6.12: Equipos comerciales de UV [21]
Descripción: La luz ultravioleta es una forma de luz invisible al ojo humano. Ocupa una porción
del espectro electromagnético situada entre los rayos X y la luz visible (200 – 300 nanómetros
de frecuencia). El sol emite radiación ultravioleta, pero gran parte de esta queda retenida por la
capa de ozono. Por el contrario de los métodos químicos de desinfección de aguas este
proporciona una inactivación rápida y eficiente de los microorganismos mediante un proceso
físico. Cuando las bacterias, virus y protozoos son expuestos a las longitudes de onda germicidas
de la luz UV se vuelven incapaces de infectar o reproducirse.
Las ventajas del uso de este procedimiento para la desinfección de las aguas son los siguientes:
• No añade productos químicos al agua
• La luz UV no requiere de almacenamiento ni manipulación de sustancias químicas lo que
simplifica la operación y el mantenimiento de la planta.
• El tratamiento con UV no genera subproductos.
43
• Es de alta efectividad para la inactivación de patógenos
Desde el punto de vista económico la desinfección con UV supone una serie de ventajas:
• El coste de mantenimiento solo viene dado por la reposición anual de las lamparas y el
consumo eléctrico
• La luz UV elimina el peligro inmediato de almacenar gas cloro.
• Los Ayuntamientos no imponen primas por las significativas ventajas para la seguridad
de la desinfección por UV. [21]
Funcionamiento: Para este proceso se ha escogido el equipo PURION 2500H que cuenta con las
siguientes características:
Tabla 6.2.4.1: Ficha técnica del equipo de UV [22]
Diseño: Teniendo en cuenta que nuestro caudal de diseño es 16 𝑚3
ℎ⁄ necesitaremos 4 equipos
como este operando en paralelo.
16 𝑚3
ℎ⁄
4 𝑚3
ℎ⁄𝐸𝑞𝑢𝑖𝑝𝑜
⁄
= 4 𝐸𝑞𝑢𝑖𝑝𝑜𝑠
Respecto al mantenimiento solo consiste en la reposición de las lamparas una vez al año, y como
se recoge en la hoja de datos aportada por el fabricante (Anexo), la limpieza del equipo no
requiere de herramientas especiales.
44
45
Equipo de Desinfección con Ozono
Imagen 6.13: Equipo de producción de Ozono
Descripción: El poder desinfectante del Ozono es 3000 veces superior al del Cloro y más rápido.
El tratamiento de agua destinada al consumo con Ozono presenta una serie de ventajas:
• Desinfección bacterial e inactivación viral
• Oxidación de inorgánicos como el hierro, magnesio, metales pesados ligados
orgánicamente, cianuros, sulfuros y nitratos.
• Oxidación de orgánicos como detergentes, pesticidas, herbicidas, fenoles, sabor y olor
causados por impurezas
La desinfección bacteriana y la inactivación viral se relacionan con la concentración del Ozono
que se encuentra disuelto en el agua y su duración de contacto con los microorganismos. Las
bacterias requieren de un tiempo de contacto menor frente a los virus. Las bacterias E-Coli son
destruidas con poco más de 0,1 mg/litro y en 15 segundos en temperaturas entre 25 y 30 grados.
Streptococcus Tecalis son destruidos con un contacto con el Ozono aún menor (0,025 mg/l en
20 segundos). Por el contrario, los Virus son más resistentes. Estudios realizados por la Agencia
de Salubridad Pública Francesa en los años 60 demostraron que el Poliovirus tipo I, II y III quedan
inactivados por medio de la exposición a concentraciones de Ozono disuelto de 0,4 mg/litro por
un periodo de cuatro minutos. [Web Hidritec Ozono]
46
Funcionamiento: La técnica de desinfección con Ozono se basa en lograr un tiempo de contacto
adecuado del agua con el Ozono, con la concentración adecuada. Concentraciones entre 0,5 y
0,8 mg/l de Ozono entre tres y cuatro minutos es suficiente para conseguir una desinfección
total. Tras el tratamiento el Ozono se descompone en Oxígeno tras varios minutos no dejando
ningún tipo de residuo. El sistema de Ozonización se realizará en una torre de contacto en contra
corriente, donde de manera ascendente fluirá el Ozono, y el flujo de agua será descendente.
Diseño: Como comentamos anteriormente una dosificación de entre 0,5 y 0,8 mg/litro de Ozono
es lo recomendable para una desinfección completa. Para esta por el lado de la seguridad se va
a aplicar una concentración de 0,7 mg/litro. Con la ecuación 6.2.4.1 calcularemos la producción
de Ozono que requerirá la planta.
16𝑚3
ℎ∗ 0,7
𝑔
𝑚3= 11,3
𝑔
ℎ (𝐸𝑞. 6.2.4.1)
Para hacer un cálculo aproximado del volumen del depósito donde se realizará el contacto
Ozono-Agua se usará la ecuación 6.2.4.2.
16𝑚3
ℎ∗
1 ℎ
60 𝑚𝑖𝑛∗ 4 𝑚𝑖𝑛 ∗
1000 𝑙
1 𝑚3= 1066,6 𝑙 (𝐸𝑞. 6.2.4.2)
Para dar un margen de seguridad se usará un depósito de 1100litros colocado de forma vertical,
de acero inoxidable. A la salida superior (fase gas) se colocará un destructor de Ozono para evitar
la fuga de este al ambiente.
El depósito estará equipado con sensores de nivel para asegurar un máximo y un mínimo en el
depósito.
Los datos técnicos del equipo de producción de Ozono son los siguientes:
Equipo OZVa2
Producción de Ozono medida según DIN con
aire a 20ºC, agua de enfriamiento: 15ºC
15 g/h
Consumo de aire 0,75 𝑁𝑚3
ℎ⁄
Demanda energética específica con potencia
nominal
30 Wh/g
Tabla 6.8.: Características del equipo de producción de Ozono.
47
6.3. Remineralización del agua
El agua tras su paso por el equipo de Osmosis Inversa estará completamente exenta de sales,
para que esta agua sea apta para el consumo humano debe someterse a un proceso de
remineralización. Entre los tratamientos de remineralización más comunes se encuentra el
mezclado de la corriente de OI con agua potable en caso de que el agua de entrada no esté
contaminada. De este modo mejoramos la dureza y el equilibrio Iónico. El diseño del proceso de
remineralización dependerá de la calidad requerida por el producto final condicionada por la
legislación vigente.
Como objetivo de este proyecto se ha tomado como referencia buscar una calidad de agua
similar a la comercial embotellada marca Bezoya cuyos parámetros se mostraron en el apartado
6.
Para conseguir tal objetivo se proponen dos técnicas diferentes:
• Adición de productos químicos
• Filtro de calcita
Adición de productos químicos
Según la Guía para la remineralización de las aguas [Hernández-Suárez, Manuel] existen cinco
formas de adición química para la remineralización de las aguas, tal como se muestra en la tabla
6.9.
Proceso de remineralización
Reacción del proceso
Carbonato Cálcico + Dióxido de Carbono
𝐶𝑎𝐶𝑂3 + 𝐶𝑂2 + 𝐻2𝑂 ↔ 𝐶𝑎2+ + 2(𝐻𝐶𝑂3−)
Hidróxido Cálcico + Dióxido de Carbono
𝐶𝑎(𝑂𝐻)2 + 2𝐶𝑂2 ↔ 𝐶𝑎2+ + 2(𝐻𝐶𝑂3−)
Dolomita + Dióxido de Carbono
𝑀𝑔𝐶𝑎𝐶𝑂3 + 3𝐶𝑂2 + 2𝐻2𝑂 ↔ 𝑀𝑔2+ + 𝐶𝑎2+ + 4(𝐻𝐶𝑂−3
)
Carbonato Cálcico + Ácido Sulfúrico
2𝐶𝑎𝐶𝑂3 + 𝐻2𝑆𝑂4 ↔ 𝐶𝑎2+ + 2(𝐻𝐶𝑂3−) + 𝐶𝑎(𝑆𝑂4)
Cloruro Cálcico + Bicarbonato Sódico
𝐶𝑎𝐶𝑙2 + 2𝑁𝑎𝐻𝐶𝑂3 ↔ 𝐶𝑎2+ + 2(𝐻𝐶𝑂3−) + 2𝑁𝑎𝐶𝑙
Tabla 6.9: Alternativas para la mineralización de las aguas
La Orden SSI/304/2013, de 19 de febrero, sobre sustancias para el tratamiento del agua
destinada a la producción de agua de consumo humano invalida cualquier sistema de
remineralización por adición química por lo que solo nos queda remineralizar usando lechos
(Calcita o Dolomita).
48
Filtro de calcita
Imagen 6.14: Filtro de calcita
A la salida del equipo de OI el agua es ligeramente ácida con el filtro de calcita, además de
corregir la dureza, se corrige el pH en una misma etapa. La calcita es un mineral formado por
Carbonato Cálcico. Una de las principales ventajas del uso de la Calcita como material
remineralizante es su propiedad autolimitante. Al aplicarla adecuadamente, corrige el pH lo
suficiente para alcanzar un equilibrio no corrosivo. En condiciones normales, al hacer contacto
con la calcita, las aguas acidas disuelven lentamente el carbonato de calcio para elevar el pH.
Dependiendo del pH y la dureza deseada el flujo de reposición de calcita variará. [Web
Carbotecnia, Calcita]
La regulación para alcanzar la dureza deseada por el cliente se llevará a cabo con un sistema de
bypass.
49
Figura 6.15: Diagrama simplificado del equipo de remineralización
50
Funcionamiento: El sistema de disolución de calcita e inyección de 𝐶𝑂2 operará a baja presión.
Imagen 6.16: Disolvedor de 𝐶𝑂2 a baja presión
El sistema de inyección de 𝐶𝑂2 contará con un depósito de poliéster fibra de vidrio en cuyo
interior habrá dispensadores de agua y difusores de microburbujas. La baja velocidad del agua
impide el arrastre de 𝐶𝑂2. A la salida del depósito el agua será mezclada con el resto de agua sin
𝐶𝑂2. Además, también habrá un capturador de burbujas situado en la canalización general antes
del filtro de calcita. El sistema de dosificación de 𝐶𝑂2 contará con válvulas y control necesario
para operación semiautomática de acuerdo con el caudal de la planta.
Se monitorizará la concentración de 𝐶𝑂2 para evitar una dosificación mayor o menor a la
adecuada. Por otro lado, la dosificación de calcita será ajustada manualmente según el caudal
de la planta y el pH después del tratamiento en el lecho de calcita.
El filtro elegido es un filtro de flujo ascendente y altura constante que le confiere una ventaja,
la calidad del agua es siempre constante dado que no se alteran las condiciones de proceso
durante el consumo de la calcita, esto se consigue gracias a unos dosificadores que se disponen
en la parte superior que pretenden mantener la altura del lecho constante.
El agua entra por la parte inferior y se distribuye por la superficie de paso. A continuación,
asciende a través del Carbonato Cálcico triturado y con forme va pasando por el lecho se va
corrigiendo su composición química.
El Dióxido de Carbono disuelto en el agua reacciona con el Carbonato Cálcico en el lecho
formando Bicarbonato Cálcico soluble en agua, que va a aumentar el pH.
𝐶𝑎𝐶𝑂3 + 𝐶𝑂2 + 𝐻2𝑂 ↔ 𝐶𝑎2+ + 2𝐻𝐶𝑂3−
51
Diseño: Se ha seleccionado un lecho de Calcita de Drintec ya que cuenta con las siguientes
ventajas:
• Instalación fácil y rápida
• Alta eficiencia
• Baja o nula automatización
• Rendimiento constante y calidad del agua
• Bajo coste de mantenimiento
• Consumo mínimo o nulo de energía
• Sin piezas móviles
• Más de 30 días de autonomía
• No es necesario mano de obra cualificada para la operación
• No es necesario el contralavado frecuente del lecho
Especificaciones técnicas:
• Caudal por tanque: 20 a 1800 𝑚3
𝑑í𝑎⁄
• Medio de filtración: Calcita granulada (𝐶𝑎𝐶𝑂3 al 99%)
• Tiempo de contacto: 10 - 30 minutos
• Altura máxima: 5750 mm
• Diámetro: 400 - 2500 mm
• Presión nominal: Atmosférica
• Sistema de flujo ascendente
• Norma de fabricación BS-EN-13121
• Fabricado en España
Imagen 6.17: Contacto Drintec
52
6.4. Adición de productos químicos necesarios.
Para evitar las incrustaciones en la etapa de la OI es necesario añadir una serie de compuestos.
Tras una búsqueda de los productos comerciales para este fin se ha llegado a la selección de
este.
Anti-incrustante ROPUR, los anti-incrustantes ROPUR RPI son un conjunto de productos
diseñados para operar en sistemas de OI de forma segura y con la mayor eficiencia. Se utilizan
en toda Europa y Oriente Medio, América y regiones de Asia-Pacífico en cientos de sistemas de
OI, entre los cuales se encuentra las grandes plantas de producción de agua potable.
Beneficios
Los anti-incrustantes ROPUR RPI están diseñados para optimizar el funcionamiento de las
plantas de OI, NF, UF y MF mediante:
• Optimización de la recuperación/conversión en las plantas de OI
• Protección de la superficie de las membranas frente a daños costosos
• Disminución de la velocidad de bioincrustación debido a la alta eficacia y calidad del
producto.
• Certificación de la producción ISO 9001/14001
• Manejo fácil y seguro debido a su naturaleza líquida puede ser dosificada de manera
precisa.
• Aprobado para agua potable
• Línea de producción respetuoso con el medio ambiente
La dosificación se realizará mediante un controlador proporcional al caudal, añadiendo de 1 a
10 ppm al caudal.
53
54
55
7. DIAGRAMAS P&ID DE LAS INSTALACIONES
7.1. EXPLICACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO Y CONTROL
En el Plano 1 (Anexo) podemos ver el diagrama P&ID de una planta de tratamiento de agua de
pozo para obtener agua preparada.
En primer lugar y tras salir del deposito de agua bruta se realiza una dotación de desinfectante
para eliminar cualquier tipo de bacteria que pudiera dañar los equipos posteriores. A
continuación, pasa por el filtro de arena en el cual quedaran retenidas todas las partículas
sólidas. Inmediatamente después pasa por un pequeño filtro de cartucho para eliminar el
posible polvo que pueda ser arrastrado. Posteriormente pasa por el filtro de carbón activo que
eliminará posibles trazas de elementos orgánicos como pudieran ser pesticidas o abonos.
Después se realiza un ajuste de pH para que entre a las membranas en condiciones óptimas y se
le añaden los aditivos necesarios (también se pueden añadir en cabeza de planta). Pasa por el
equipo de osmosis inversa y se procede a la remineralización según necesidades operando con
el by pass de este equipo. Para finalizar se procede a las etapas de desinfección.
En el Plano 2 (Anexo) podemos ver el diagrama P&ID de una planta de tratamiento de agua de
red para obtener agua preparada.
Partiendo de agua de red, se hace pasar por carbón activado para eliminar el cloro residual
posteriormente se hace pasa por un lecho de resinas de intercambio iónico con el fin de reducir
la dureza. A continuación, se remineraliza “a la carta” operando el by pass y como en el caso
anterior se procede a desinfectar y al deposito de agua de salida.
En el Plano 3 (Anexo) podemos ver el diagrama P&ID de una planta de tratamiento de agua
preparada a partir de agua de red, pero consiguiendo un “cero sales” antes de remineralizar
En primer lugar, tras llegar de la red pasa por el filtro de carbón activo para eliminar los
compuestos clorados. A continuación, se le ajusta el pH y se le añade la dotación de aditivos que
requieren las membranas. Pasa por la etapa de la osmosis inversa y más tarde se remineraliza a
la carta operando el bypass. Para terminar como en las plantas anteriores se desinfecta con
Ozono y radiación UV.
56
57
8. EVALUACIÓN ECONÓMICA DEL COSTE DE LOS TRATAMIENTOS
PROPUESTOS
Para calcular los costes totales de la planta se evaluarán de manera independiente los costes
de inversión y los costes de explotación de la planta.
Los costes de inversión recogen los costes de los equipos y los costes de instalación y los costes
de explotación son los asociados al funcionamiento diario de la planta durante un año.
8.1. Costes de inversión
En la Tabla 8.1 se recoge los costes de los diferentes equipos que componen la instalación.
Equipos Coste (€2018)
Descalcificador 50.000
OI 40.000
Filtro de Arena 2.500
Filtro de Cartucho 500
Filtro de Carbón Activo 10.000
Filtro de Calcita 20.000
Ozono 15.000
UV 5.000
Tuberías, valvulería y accesorios
7.000
Total 150.000 Tabla 8.1: Costes de los equipos
La inversión total inicial también recoge otra serie de costes como se detalla en la tabla 8.2:
Apartados Coste (€2018)
Elaboración del documento 15.000
Obra civil 30.000
Cuadros eléctricos 30.000
Automatización 12.000
Instalación mecánica y eléctrica
27.000
Prueba y puesta en marcha 36.000
Total 150.000 Tabla 8.2: Inversión total
58
8.2. Costes de explotación
Resinas del descalcificador
Con buen pretratamiento y buen mantenimiento el fabricante de resinas recomienda el
cambio completo de las resinas cada 6 u 8 años con un precio orientativo de 1.400€. En este
caso tomaremos la parte proporcional dividida en 6 años como costes de explotación.
Membranas de OI
Con un correcto pretratamiento y un correcto mantenimiento el fabricante recomienda la
reposición de las membranas cada 5 o 6 años de funcionamiento, el precio orientativo es de
420€.
Costes de explotación
Acción realizada Consumo Consumo unitario Consumo anual (€𝟐𝟎𝟏𝟖)
Efluente y productos químicos
Efluente de Agua 12.000 𝑚3
𝑚𝑒𝑠⁄ 0,75 €/𝑚3 105.120
Sal descalcificador 180 kg/día 0,48 €/kg 34.872
Antiincrustante y secuestrante
0,59 kg/día 0,20 €/kg 43,07
Bisulfito 70080 kg/año 0,83 €/kg 58.166
Calcita 0,0021 g/l 0,80 €/kg 12,264
𝐶𝑂2 15 kg/día 7,44 €/kg 40.734
Arena de Sílice 200 kg/año 0,20 €/kg 40
Carbón Activo 120 kg/año 0,10 €/kg 10
Resinas 240 l/año 0,80 €/l 192
Energía
Energía 45 kWh 0,336 €/kWh 4.928
Recambios
1 x Kit de recambios para el descalcificador 1 x Kit de recambios para la planta de OI 1 x Soluciones tampón y soluciones de calibración para las sondas de conductividad
1.500
Total 313.814 Tabla 8.3: Costes de consumibles y recambios
59
8.3. Costes €/l
𝑉𝐴𝑁 = −𝐴 + [𝐶1
1 + 𝐾+
𝐶2
(1 + 𝑘)2+ ⋯ + 𝐶𝑛/(1 + 𝑘)𝑛]
Donde:
n: número de años de la inversión, en nuestro caso lo hemos estudiado a 5 años
k: tasa de descuesto en este caso se ha impuesto un 10%
Cn: flujos de caja que se han supuesto constantes
A: inversión total inicial
El VAN sale ampliamente positivo por lo que la inversión es rentable. Analizando el flujo de caja
del primer año se puede deducir que el PB (Pay Back) de la inversión es de menos de un año.
Se ha usado la herramienta Solver de Excel para obtener el precio mínimo que debería venderse
las botellas de 1 litro para que el proyecto fuera económicamente viable. Es el precio mínimo,
es decir el precio en el que la empresa no tendría pérdidas. Para obtener beneficios el precio
debería ser tanto mayor como se quisiera el beneficio.
Este precio mínimo es de 0,126 € la botella de un litro. En este precio se incluye elementos como
los que se detallan en la Tabla 8.4
Concepto Precio(€)
Precio del agua 0,038
Recipiente 0,075
Etiqueta y tapón 0,010
Transporte 0,011
Gastos de personal 0,025
Coste de la botella (1L) 0,125 Tabla 8.4: Desglose precio por botella
9. BIBLIOGRAFÍA [1] Agua potable: Su historia. https://descalcificador10.com/agua-potable-historia/
[2] Web Aneabe, Asociación Nacional de Empresas de Aguas de Bebida Envasadas
http://www.aneabe.com/#/ms-7/1
[3] Memoria ANEABE 2017. Por un mundo mas saludable y sostenible. [4] Organización Mundial de la Salud. “Guidelines for Drinking-water Quality THIRD EDITION INCORPORATING THE FIRST AND SECOND” Ginebra 2008
[5] Manuel Olivares, MD. ESSENTIAL NUTRIENTS IN DRINKING WATER
60
Manuel Olivares, MD. Institute of Nutrition and Food Technology, University of Chile,
Santiago, Chile.
[6] Joseph A. Cotruvo. Desalination guidelines development for drinking water background.
[7] Resúmenes de salud pública. Agencia para sustancias Tóxicas y el Registro de enfermedades. https://www.atsdr.cdc.gov/es/phs/es_phs26.html [8][Real Decreto 1744/2003] Real Decreto 1744/2003, de 19 de diciembre, por el que se modifica el Real Decreto 1074/2002, de 18 de octubre, por el que se regula el proceso de elaboración, circulación y comercio de aguas de bebida envasadas. [9][Real Decreto 1799/2010] Real Decreto 1799/2010, de 30 de diciembre, por el que se regula el proceso de elaboración y comercialización de aguas preparadas envasadas para el consumo humano. [10][Orden SSI/304/2013] Orden SSI/304/2013, de 19 de febrero, sobre sustancias para el tratamiento del agua destinada a la producción de agua de consumo humano. [11][CODEX STAN 227 - 2001] Código de prácticas de higiene para las aguas potables embotelladas/envasadas (Distintas de las aguas minerales naturales) [12] Confederación Hidrográfica del Guadalquivir. http://www.chguadalquivir.es/inicio [13] http://www.emasesa.com/clientes/calidad/calidad-del-agua/ [14] https://www.carbotecnia.info/PDF/medfiltrantes/Arena%20Silica.pdf
[15] Manual Filtros SILEX BOBINADO. SEFILTRA, Purificación de Fluidos.
[16]Plastoquímica https://www.plastoquimica.com/productos/ficha/equipo-compacto-de-
carbon-activo-eac-60-eco/129
[17] Carbontecnia https://www.carbotecnia.info/producto/carbon-activado-para-purificar-
agua/
[18] [CULLIGAN] Catálogo Producto, Filtración industrial.
[19] [FICHA DOW] DOW FILMTEC Fiberglassed Elements for Light Industrial Systems
[20] NITTO DENKO HYDRANAUTICS www.membranes.com
[21] [Web TrojanUV] http://www.trojanuv.com/products/drinkingwater/trojanuvswiftsc
[22] [PURION] Ficha técnica Purion
[23] [Web Hidritec Ozono] https://www.prominent.com/en/Products/Products/Disinfection-
Systems-and-Oxidation-Systems/Ozone-Systems/p-ozonfilt-ozva.html
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ANEXOS
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Descalcificador 50000
90000
OI 40000
Filtro de Arena 2500
60000
150000
Cartucho 500
Filtro Carbon Activo 10000
Filtro de Calcita 20000
OZ 15000
UV 5000
Tuberias , valv y acc 7000 0
Elaboración de Doc 5 15000 Inversion total Obra civil 10 30000 300000
Cuadros electricos 10 30000
Automatización 4 12000
Instalación mecanica y eléctrica 9 27000
Prueba y puesta en marcha 12 36000
al año caudal de agua al año
Efluente de Agua €/m3 1,5 210240 m3/año 140160 Sal descalcificador €/kg 0,4 34871,808 m3/dia 384
kg/dia €/kg
Antiincrustante y secuestrante 0,59 0,2 43,07 m3/mes 11904
kWh/dia €/kWh
Energía 45 0,3 4927,5
g/l €/kg
Calcita 0,0021 0,8 235,4688
kg/dia €/kg
CO2 15 7,44 40734
kg/año €/kg
Arena de Silice 200 0,2 40
kg/año €/kg
Carbón Activo 120 0,05 6
l/año €/litro
Resinas 240 0,8 192
Kit de OI, recalibracion 1 1500 1500
kg/año €/kg
Bisulfito 70080 0,83 58166,4
l/año €/litro
Hipoclorito 700800 0,18 126144
Total gastos anuales 418933,847
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van 9,9995E-07 Caja de entrada
FC 79138,968 14016000
valor actual de un flujo a 10 años 6,1446
precio €/l 0,0037676
5 3,7908
precio agua 0,03 0,003768
recipiente 0,6 0,075353
etiqueta , tapón 0,08 0,010047
transporte 0,09 0,011303
gastos de personal 0,2 0,025118
gasto de botella 1l 0,12558809
65
66
67
