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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA.
UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LOPEZ MATEOS.
REUTILIZACIÓN SANA Y AHORRO DE AGUA EN UN EDIFICIO
MULTIFAMILIAR.
TESIS COLECTIVA.
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN.
PRESENTAN:
ENRIQUE RAMÍREZ JAIME.
ANAYELI RUIZ CHÁVEZ.
OSWALDO MANUEL TREJO ALMAZÁN.
ASESORES:
ING. IGNACIO MARTÍNEZ SÁNCHEZ.
ING. ALFREDO CONTRERAS MONDRAGÓN.
MÉXICO, D.F., 2008.
ÍNDICE
Página
Objetivo
i
Justificación
ii
Introducción
iii
Antecedentes
vi
CAPÍTULO 1 – Usos domésticos del agua.
1.1. Ventajas e inconvenientes de la reutilización de agua.
2
1.2. Agua potable.
2
1.3. Usos interiores del agua potable.
6
1.3.1. Regaderas.
6
1.3.2. Llaves de lavabos y fregaderos.
6
1.3.3. Lavadoras.
6
CAPÍTULO 2 – Características del agua gris e introducción al proceso
de reutilización.
2.1. Características del agua gris.
2.2. Reutilización de aguas tratadas en las viviendas
8
13
2.3. Funcionamiento y características técnicas para el sistema de
aguas.
13
CAPÍTULO 3 – Diseño del sistema, cálculos y selección de
instrumentos y equipo.
3.1. Diseño del sistema para la reutilización de las aguas.
18
3.1.1. Trampa de grasas (Sumidero Sifónico).
20
3.1.2. Filtración multicapas (Filtros multimedia o de Lecho Profundo).
24
3.1.3. Filtros con adsorción en carbón activado.
26
3.1.3.1. Soluciones de filtración.
27
3.1.3.2. Tipos de Carbón Activado para Filtros.
28
3.1.3.3. Regeneración de los Filtros de Carbón Activado.
28
3.1.4. Suavizadores (Ablandadores de agua o intercambio iónico).
29
3.1.4.1. Tipos y causas de dureza.
29
3.1.4.2. Intercambio iónico
30
3.1.4.3. Control de Regeneración Automática
33
3.1.5. Sistemas de osmosis inversa.
33
3.1.5.1. Osmosis inversa.
35
3.1.6. Purificación por rayos UV.
39
3.2. Condiciones de operación del sistema de reutilización.
42
3.3. Cálculos de tubería
44
3.4 Elección de los elementos para la construcción del sistema de
reutilización de aguas.
50
3.4.1. Equipo de recepción y almacenamiento.
50
3.4.1.1. Tanques de recepción.
50
3.4.1.2. Tanque de almacenamiento.
50
3.4.2. Bomba.
51
3.4.3. Electroválvula.
54
3.4.4. Tubo Sanitario de PVC.
58
3.4.4.1. Características de la Tubería de PVC Sanitaria.
58
3.4.4.2. Ventajas del uso de la tubería de PVC.
59
3.4.4.3. Limitaciones en el uso de tubería PVC.
60
3.5. Control de nivel.
60
3.5.1. Introducción al control de procesos.
60
3.5.2. Medición y control de nivel.
63
3.5.2.1. Alarmas.
63
3.5.2.2. Control.
63
3.5.2.3. Indicadores.
65
3.5.3. Consideraciones especiales en el control de nivel.
66
3.5.4. Nivel de líquidos y resonancia hidráulica.
67
3.5.5. Selección del instrumento.
69
3.5.6. Método de detección de nivel por conductividad.
73
3.5.6.1. Principio de operación de la detección de nivel por
conductividad.
3.5.6.2. Detección de los límites de nivel máximo o mínimo.
74
74
3.5.6.3. Propuesta de un detector de nivel para el sistema
de reutilización de aguas.
76
3.6. Análisis del agua tratada como producto final del sistema de
80
3.6.1. Análisis del color del agua tratada.
81
3.6.1.1. Absorbancia.
81
3.6.1.2. Transmitancia.
82
3.6.2. Análisis de pH del agua tratada.
82
3.6.2.1. Método de la tira de papel tornasol.
84
3.6.2.2. Método de los electrodos o electrodo diferencial.
84
3.6.3. Análisis de la turbidez del agua tratada.
86
3.6.3.1. Método de la luz reflejada.
86
3.6.3.2. Método de la luz absorbida.
88
3.6.4. Análisis de los sólidos suspendidos en el agua tratada.
88
3.6.4.1. Método gravimétrico para medir los sólidos en
suspensión.
89
3.6.4.2. Controlador de analizadores de color, pH, turbidez
y sólidos suspendidos.
91
3.7. Monitoreo de las variables nivel, color, pH, turbidez y sólidos en
suspensión.
94
3.7.1. Gestión de alarmas.
94
3.7.2. Mantenimiento.
95
3.7.3. Generación de informes.
96
3.7.4. Hardware del sistema de control automatizado.
96
3.7.4.1. Controlador lógico programable.
97
3.7.4.2. Unidades terminales remotas.
97
3.7.4.3. Sistemas de control distribuido.
97
3.7.5. Software del sistema de control automatizado.
97
3.7.5.1. Sistemas expertos.
98
3.7.5.2. Redes neuronales.
98
3.7.5.3.
Infamación
del
flujo
computador avanzado.
para
aplicaciones
del
98
3.8. Sistema de monitoreo Water Wisely.
98
3.8.1. Configuración de los medidores de nivel para monitorearlos
desde Internet
100
3.8.2. Configuración del controlador de analizadores para
monitorearlo desde Internet.
103
CAPÍTULO 4 – Análisis de costos y beneficios del proyecto.
4.1. Inversión para el sistema de reutilización de aguas tratadas.
106
4.2. Lista de equipos e instrumentos del sistema de reutilización de
aguas tratadas “Water Wisely”
109
4.3. Características de los tanques de recepción 1 y 2 de almacenamiento
110
4.4. Características de la trampa de grasas.
110
4.5. Características de las bombas.
112
4.6. Características del filtro multicama.
113
4.7. Características del filtro de carbón activado.
113
4.8. Características de los suavizadores de agua.
114
4.9. Características del purificador UV.
115
4.10. Características de válvulas operadas por solenoide y manuales
montadas en PVC.
116
4.11. Características del medidor de nivel por conductividad.
117
4.12. Características del analizador de color.
118
4.13. Características del medidor de pH.
119
4.14. Características del medidor de turbidez y sólidos en suspensión.
120
4.15. Características del controlador de analizadores.
121
4.16. Relación costo-beneficio del uso del agua.
122
4.17. Amortización de la inversión
127
Recomendaciones
131
Conclusiones
132
Bibliografía
133
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN.
WATER WISELY.
OBJETIVO.
OBJETIVO.
Adaptar al diseño de un edificio multifamiliar, el sistema de
reutilización de aguas tratadas obtenidas a partir de las aguas
grises
generadas
en
el
mismo,
así
como
disminuir
la
contaminación del agua, evitar el desperdicio y uso irracional de
la misma.
i
WATER WISELY.
JUSTIFICACIÓN.
JUSTIFICACIÓN.
Hoy en día es muy importante aprovechar al máximo los recursos naturales. Hacer
conciencia sobre el uso adecuado de dichos recursos tiene grandes beneficios para
optimizar su uso ya que son elementos esenciales en la vida del hombre.
La reutilización de aguas tratadas es una técnica que puede cambiar la vida de todo el
mundo. Con este sistema se logra economizar el uso del agua que se utiliza en todas
las actividades domésticas.
Así, al ahorrar parte de este vital líquido, se puede asegurar que en un futuro no muy
lejano el problema de la escasez de agua no será un tema crítico de la sociedad y de la
economía o que pueda ser causa de grandes conflictos.
La importancia y la gran ventaja de este nuevo proyecto radica en que no se altera la
forma de vivir, es decir, no es necesario sacrificar o dejar de hacer aquellas actividades
en las cuales se hace uso del agua como regar los jardines o incluso, lavar el automóvil;
el sistema de reutilización de aguas tratadas a partir de las aguas grises está inmerso
en la dinámica de las instalaciones de agua del hogar.
Cabe señalar que este proyecto está diseñado y planteado para edificios multifamiliares
en reciente construcción puesto que todo este sistema necesita de un espacio
específico para su buen funcionamiento y aunque en algún momento dado esto podría
adaptarse en edificios ya construidos, el costo económico sería muy alto, además de
que se tendría que asegurar el espacio suficiente y las características adecuadas para
que este sistema pudiera trabajar adecuadamente.
ii
WATER WISELY.
INTRODUCCIÓN..
INTRODUCCIÓN.
Debido a que en los hogares es donde más se desperdicia agua, la contaminación de
agua de uso doméstico ha tomado un papel importante para la preservación del líquido
vital y en un futuro la racionalización del mismo será básica para su preservación.
Es un desperdicio irrigar jardines, huertos y árboles con grandes cantidades de agua
potable, cuando las plantas pueden florecer con agua previamente utilizada, que
contiene pequeñas cantidades de composta, grasa y minerales. Lavar el auto o limpiar
el piso con agua de la llave es otro ejemplo del desperdicio doméstico común.
El agua que sale de los hogares e industrias no tiene la misma calidad después de
haber sido usada. La mayor parte del agua que se destina a estos lugares debe ser
tratada antes de ser regresada al ambiente.
El agua con cierto grado de contaminación, puede resultar inservible a primera vista, sin
embargo su reutilización consigue disminuir el gasto en agua potable, así como reducir
el vertido de aguas residuales.
La solución a la problemática de la poca cultura que existe de reutilizar el agua y brindar
un tratamiento para que no sea nociva al medio ambiente que ofrece “Water Wisely” 1
es la modificación de las tuberías de una construcción, en especial, de un edificio
multifamiliar para reunir en un solo punto, el agua proveniente de lavabos, cuartos de
lavado o lavadoras, fregaderos y regaderas, donde se filtrará para obtener agua con
ciertas características químicas, de tal forma que, el producto pueda reutilizarse en
tareas como limpieza en el hogar, llenado de caja del retrete de un baño, limpieza del
auto, regado de áreas verdes, etc.
La Figura 1 muestra el diagrama de la distribución de los capítulos a tratar y la
estructura utilizada para el desarrollo del presente proyecto.
1
Water Wisely es el nombre comercial del proyecto propuesto por los autores del mismo.
iii
WATER WISELY.
INTRODUCCIÓN..
FIGURA1. Temas a tratar el desarrollo de este proyecto.
En el CAPITULO 1, se describen los diversos usos que se le dan al agua dentro de las
viviendas, así también explica las ventajas y las desventajas que se presentan para la
reutilización de las aguas tratadas, y las características químicas que el agua potable
debe cumplir para su utilización.
En el CAPÍTULO 2, se proporciona información acerca de las características químicas
con las que cuenta el agua gris, de igual forma señala el funcionamiento general del
proceso de tratamiento de las aguas grises, además de indicar las actividades
domésticas en las cuales el agua tratada se puede utilizar.
En el CAPÍTULO 3, se explica básicamente la descripción detallada del funcionamiento
del proceso para la reutilización de las aguas tratadas, considerando cada uno de los
elementos que lo conforman, empezando por la red de tuberías, la captación del agua,
el tratamiento de la misma y finalmente su distribución a los habitantes. En el desarrollo
del capítulo también se justifica la selección de los instrumentos y equipos utilizados,
basándose tanto en algunas normas especificas, como en los cálculos con respecto a la
cantidad de agua que se genera.
iv
WATER WISELY.
INTRODUCCIÓN..
En el CAPÍTULO 4, se calcula y explica el coste que dicho proyecto genera, además de
mostrar todos los beneficios que brinda a mediano y largo plazo para los habitantes del
edificio, tanto en lo económico como en lo ecológico.
En los diferentes capítulos encontraremos también figuras, tablas, gráficas, diagramas,
expresiones químicas, especificaciones de la integración de equipos, expresiones
matemáticas y cálculos, anotaciones subindicadas numéricamente en el texto
ampliándose la información o fuente utilizada para tal fin respetándose los derechos de
autor.
Así mismo el presente trabajo queda integrado con conclusiones, recomendaciones y
bibliografía.
v
WATER WISELY.
ANTECEDENTES.
ANTECEDENTES
El agua en el planeta.
Aunque con frecuencia puede pensarse en el agua como un recurso natural abundante
e infinito esto no es así, de toda el agua existente en el planeta solo una fracción
mínima es agua directamente utilizable y ésta se encuentra distribuida de manera muy
poco uniforme. El 97% del agua del planeta es salada y se encuentra en mares y
océanos y el 3% restante es agua dulce. De esta cantidad, como se muestra en la
Figura 2, el 77.8% está concentrada en los casquetes polares y glaciares, es agua
profunda e inaccesible, por lo que sólo está disponible para el consumo humano el
0.6% del total.
Figura 2. Distribución del agua en el Planeta.
En los últimos 30 años, la actividad humana ha tenido efectos negativos sobre el ciclo
del agua, debido principalmente a 3 causas:
La modificación de la superficie terrestre.
La contaminación.
La sobreexplotación del recurso.
vi
WATER WISELY.
ANTECEDENTES.
Panorama mundial.
Uno de los problemas en relación con el agua es que su distribución en el planeta es
muy desigual, que se indica en la Figura 3. Además de las condiciones climáticas, la
distribución y abundancia del agua en el mundo dependen de la geología, la orografía,
el tipo de suelo y la cubierta vegetal.
Figura 3. Disponibilidad del agua según la época y la región.
El consumo de agua por persona en el mundo también es muy desigual, mientras que
3400 millones de personas cuentan con una dotación de 50 litros por día, en países
desarrollados este valor sobrepasa los 400 litros por habitante al día.
Por otro lado, para aumentar el suministro de agua potable, cada vez más países se
han visto obligados a utilizar sus reservas de agua subterránea mediante la perforación
y el bombeo. Esta fuente de agua abastece aproximadamente a la tercera parte de la
población mundial, y es la única fuente de agua para los habitantes rurales de muchas
partes del mundo. La sustentabilidad de este recurso depende de lograr un equilibrio
entre el ritmo de extracción con el de recarga. La sobreexplotación de los acuíferos trae
consecuencias a corto plazo como el agotamiento de manantiales, la desaparición de
ríos y lagos, la reducción de sus caudales, la eliminación de vegetación nativa y la
pérdida de ecosistemas. La sobreexplotación también ha ocasionado que la calidad del
agua de numerosos acuíferos se haya deteriorado, principalmente por la intrusión salina
en los acuíferos costeros y la migración de agua fósil de mala calidad inducida por los
efectos de bombeo.
La cantidad y la calidad del agua disponible están directamente relacionadas con la
salud humana. Existen enfermedades relacionadas con el aprovisionamiento del agua
o con sistemas sanitarios defectuosos. Hoy en día, aproximadamente el 20% de la
población carece de acceso a agua de calidad, mientras el 50% no cuenta con un buen
sistema de saneamiento.
vii
WATER WISELY.
ANTECEDENTES.
Todos los países del mundo han subsidiado el costo del abastecimiento del agua para
proteger a los usuarios. El Banco Mundial estima que en promedio, en los países en
desarrollo los usuarios municipales pagan el 35% del costo del suministro.
El Banco Mundial ha advertido que el agua dulce se convertirá en uno de los principales
factores limitantes del desarrollo económico.
Otro factor que cada vez se asocia más con el problema del agua es el calentamiento
global debido a la creciente acumulación de gases de efecto invernadero en la
atmósfera. Aunque los pronósticos sobre el cambio del clima mundial son inciertos, el
abastecimiento de agua podría reducirse aun más al elevarse la temperatura, lo que
provocaría cambios en los patrones de lluvia y vientos, sequías y lluvias torrenciales.
Panorama nacional.
Como en otros muchos países del mundo el problema del agua en México se debe a
una desigual distribución del recurso, un creciente deterioro de la calidad debido a la
contaminación y la sobreexplotación.
La disponibilidad natural del agua en el país presenta marcados contrastes asociados
por la intensidad variable con la que se dan las lluvias y su ocurrencia durante el año,
por ejemplo, como podemos notar en la Figura 4, en las zonas del norte y centro, el
clima y la vegetación son desérticas y llueve muy poco, mientras que en el sureste las
lluvias son abundantes, en Tabasco la precipitación anual es de 2430 mm3 en tanto que
en Baja California Sur es de 178 mm3.
Además, de los 772 mm3 de agua de lluvia que en promedio se precipitan en el territorio
nacional, el 67% ocurren de junio a septiembre, lo que dificulta su aprovechamiento.
A estas condiciones naturales se suma el hecho de que parte de la población y de la
actividad económica de nuestro país se concentra en las regiones centro y norte, en
donde el agua es más escasa.
El 70% del volumen de agua que se suministra a las ciudades proviene del subsuelo,
con lo que se abastecen aproximadamente 75 millones de personas.
viii
WATER WISELY.
ANTECEDENTES.
Figura 4. Precipitación media anual por estados en el periodo 1941 – 2000.
Situación del agua en la ciudad de México.
La zona metropolitana de la Ciudad de México, uno de los centros urbanos más
grandes y de mayor crecimiento en el mundo, que abarca menos del 1% del territorio
nacional, concentra cerca de la quinta parte de la población del país.
El rápido crecimiento de la ciudad en los últimos años se ha caracterizado tanto por la
expansión de las áreas urbanas y residenciales planeadas como por las invasiones
ilegales de tierra y los asentamientos no planificados en las áreas periféricas, que al
paso del tiempo reciben servicios urbanos que incluyen el abastecimiento del agua.
Garantizar el abasto de agua para una población de más de 18 millones de habitantes
en continuo crecimiento y una industria en expansión resulta cada día más difícil.
El caudal de agua que se suministra a la zona metropolitana en promedio al día es de
32.7 m3/s. El 71% de este se obtiene de los mantos acuíferos del valle sobre los que
está asentada la ciudad.
El 26.5% llega a nosotros a través de grandes acueductos desde el acuífero del valle de
Lerma a 60 Km de la ciudad y del sistema Cutzamala a 127 Km de distancia, y el 2.5%
restante proviene de las pocas fuentes superficiales que aún quedan en la cuenca de
México.
El sistema Lerma-Cutzamala ubicado en el Estado de México, en el valle de Toluca, es
una de las infraestructuras hidráulicas más grandes, complejas y costosas del mundo.
ix
WATER WISELY.
ANTECEDENTES.
El agua es captada por 267 pozos profundos que alimentan a acueductos que
conducen el líquido hacia un túnel que cruza la Sierra de las Cruces para suministrar el
agua en el valle de México. Para poder dotar de agua a las partes altas de la Ciudad
de México, el agua tiene que ser bombeada por 102 plantas que incrementan la presión
de la red. Importar agua de regiones tan alejadas y elevarla hasta la altura de la Ciudad
tiene altos costos tanto económicos como sociales, políticos y ambientales.
Actualmente, el volumen de agua que se extrae de los acuíferos es mucho mayor que
la que se recupera naturalmente. La expansión de la mancha urbana ha provocado la
reducción de las áreas naturales de infiltración que alimentan al acuífero. Cada
segundo se extraen del subsuelo 45 m3, mientras que se reponen naturalmente tan solo
25 m3. Este desequilibrio ha ocasionado la deshidratación y compactación de las
arcillas que cubren el Valle y el asentamiento o hundimiento del terreno, el cuál va de 6
a 30 cm al año en zonas como Xochimilco, Tláhuac, Ecatepec, Netzahualcóyotl y
Chalco.
El hundimiento ha provocado debilitamiento de los cimientos de las construcciones, la
inestabilidad de la red de drenaje y de agua potable, la dislocación de tuberías, la
modificación de las principales estructuras de desalojo y fugas en las redes de drenaje
y agua potable.
La excavación cada vez más profunda de los pozos también ocasiona la alteración
físico-química del agua la cual presenta un mayor contenido de hierro y manganeso,
disminuyendo su calidad y representando un riesgo para la salud.
Aunque el consumo promedio de agua por persona en la zona metropolitana de la
Ciudad de México es de 327 litros diarios, uno de los más elevados del mundo, existen
diferencias considerables entre las distintas colonias de la Ciudad: de acuerdo con la
Tabla 1, en las zonas de nivel económico alto el consumo puede ser de hasta 600 litros
de agua por habitante al día, mientras que en otras zonas el consumo es de apenas 20
litros, mismos que son surtidos por medio de carros tanque con un costo muy alto para
el consumidor.
La delegación que tiene el consumo per cápita más elevado es Magdalena Contreras y
la de menor consumo es Tláhuac.
El agua que llega a la ciudad se potabiliza y se almacena para distribuirse
posteriormente a los hogares, comercios e industrias a través de la red de distribución.
Se estima que 43% del agua de la ciudad se pierde debido a constantes fugas en el
sistema hidráulico.
x
WATER WISELY.
ANTECEDENTES.
DELEGACIÓN
CONSUMO
Comercial y
Domestico
servicios
3
3
(m /s) Lts/hab/día (m /s) Lts/hab/día (m3/s)
Álvaro
1.61
Obregón
Azcapotzalco 0.76
Benito Juárez 0.73
Coyoacán
1.36
Cuajimalpa
0.42
Cuauhtémoc
0.90
Gustavo A.
2.22
Madero
Iztacalco
0.67
Iztapalapa
2.73
Magdalena
0.45
Contreras
Miguel
1.30
Hidalgo
Milpa Alta
0.14
Tláhuac
0.41
Tlalpan
1.12
Venustiano
0.75
Carranza
Xochimilco
0.59
Distrito
16.2
Federal
POBLACIÓN
Total
Total
Lts/hab/día
204.98
0.261
33.31
1.867
238.29
676,930
143.33
170.49
179.94
263.86
143.26
0.358
0.540
0.230
0.054
1.171
67.96
126.11
30.41
34.09
187.23
1.113
1.270
1.591
0.472
2.067
211.29
296.60
210.35
297.95
330.49
455,131
369,956
653,489
136,873
540,382
152.74
0.722
49.63
2.944
202.37
1,256,913
138.37
139.13
0.316
0.785
65.16
39.98
0.987
3.517
203.53
179.10
418,982
1,696,609
181.85
0.400
163.10
0.846
344.95
211,898
308.95
0.048
11.38
1.351
320.33
364,398
149.15
137.08
174.98
0.035
0.104
0.143
37.29
35.11
22.36
0.175
0.510
1.262
186.43
172.20
197.35
81,102
255,891
552,516
135.04
0.496
88.25
1.255
223.28
485,623
154.18
0.117
30.42
0.710
184.60
332,314
164.44
5.780
58.83
21.900 223.30
8,489,007
Tabla 1. Disponibilidad, consumo de agua y tratamiento de aguas residuales en la zona metropolitana de
la Ciudad de México.
Una vez que ha sido usada el agua es necesario sacarla de la cuenca, esto se logra a
través del sistema general de drenaje. En el Valle de México se genera un promedio
anual de 6.3 m3/ s de aguas residuales municipales. La mayor parte de esta se elimina
del sistema sin recibir tratamiento alguno.
Solo una parte de ella se procesa en plantas y se reutiliza, principalmente en el riego de
jardines. El agua así desalojada pasa al río Moctezuma, después al río Pánuco y
finalmente desemboca en el Golfo de México.
El costo actual del agua está muy por debajo de su costo efectivo que es de 7 y 10
pesos por m3. Esto ha dado lugar a que los ciudadanos no valoren el recurso y hagan
uso irracional del mismo, lo que trae como consecuencia la falta de recursos para
mantenimiento y nuevos proyectos.
xi
WATER WISELY.
ANTECEDENTES.
Se estima que en los próximos años las necesidades del agua aumentarán y requerirá
de un mínimo de 19 m3/s adicionales para abastecer a su nueva población, sin
embargo, de continuar la sobreexplotación de los mantos acuíferos, se afectará aun
más la calidad y cantidad del agua subterránea, se aumentarán los problemas de
compactación del suelo y además de que se presentarán problemas del tipo económico
y social para la población.
xii
WATER WISELY
CAPÍTULO 1.
USO DOMÉSTICO DEL
AGUA.
OBJETIVO ESPECÍFICO:
Describir los diversos usos domésticos del agua potable, dar a conocer
según las normas oficiales sus características químicas y mostrar las
ventajas y desventajas que el agua reutilizada presenta.
1
WATER WISELY
CAPÍTULO 1.
1.1. Ventajas e inconvenientes de la reutilización de agua.
Los beneficios de la reutilización de las aguas tratadas incluyen menor uso del agua
potable, menor caudal a las fosas sépticas o plantas de tratamiento, purificación
altamente efectiva, es una solución viable para aquellos lugares donde no se puede
utilizar otro tipo de tratamiento, menor uso de energía por bombeo y tratamiento, la
posibilidad de construir plantas donde no hay otro tipo de agua o la recuperación de
nutrientes que se pierden.
Ahora bien, los sistemas de reutilización de aguas no pueden instalarse en cualquier
lugar, puesto que es necesario un espacio suficiente que permita desarrollar el proceso
de tratamiento del agua y que reúna las condiciones climáticas adecuadas. Hay que
tener en cuenta que aunque las aguas grises normalmente no son tan peligrosas para
la salud o el medio ambiente, como las aguas negras provenientes de los retretes,
poseen cantidades significativas de nutrientes, materia orgánica y bacterias, por lo que
si no se realiza un tratamiento eficaz previo a su descarga o reutilización, causan
efectos nocivos a la salud, contaminación del medio y mal olor.
1.2. Agua potable.
El agua potable es aquella incapaz de transmitir enfermedades, libre de toxicidad, de
concentraciones excesivas de sustancias minerales y orgánicas; agradable a los
sentidos y apta para el consumo humano.1
Generalmente es un recurso escaso y susceptible de contaminación por las aguas
negras procedentes de los inodoros cargadas con materias fecales; y las aguas grises
provenientes de cocinas y lavamanos con grandes cantidades de detergentes, restos
de alimentos y materia orgánica.
En las casas los usos del agua pueden clasificarse en interiores y exteriores. Los
domicilios que tienen jardines pueden llegar a utilizar el 50 % del agua potable en cada
tipo de uso. La reutilización, la depuración y el retorno al ambiente en óptimas
condiciones son los principios que rigen la gestión del agua en la bioconstrucción.
El consumo de agua en las viviendas es un factor de gran importancia ambiental.
En primer lugar se debe utilizar algún sistema de ahorro de agua en las cajas del
inodoro, sistemas de reducción de caudal de agua en la grifería de los aparatos
sanitarios de ducha, lavabo y fregadero, tener algún sistema de ahorro de consumo de
agua y la utilización de grifería termostática, que permite seleccionar la temperatura
adecuada de consumo sin necesidad de manipular la grifería.
1
Díaz, L. 2003. Diseño de la ampliación de la Red de Distribución de San Andrés Itzapa, Chimaltenango y del
Sistema de Abastecimiento de Agua Potable de la Aldea Los Corales Cajagualten. Tesis. Universidad de San Carlos
de Guatemala.
2
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CAPÍTULO 1.
Se recomienda utilizar algún sistema de detección de fugas de agua en tubos
enterrados u ocultos permitiendo controlar desde el primer momento el problema y
poder dar solución más rápidamente. También es indicado aislar térmicamente las
tuberías de agua fría y caliente, sobre todo en instalaciones colectivas y cuando estas
pasan por espacios ventilados o descubiertos, pues se evitan muchas pérdidas de
calor.
Asimismo se ha de considerar la instalación de captadores solares para la producción
de agua caliente sanitaria con sistemas auxiliares convencionales de apoyo.
Otra medida a tener en cuenta a la hora de planificar un edificio es diseñar instalaciones
de saneamiento diferenciadas para aguas limpias y aguas negras, de esta manera
podrán aprovecharse las aguas limpias de lluvia, por ejemplo para riego, y se debe
considerar la posibilidad de proveer a la vivienda de instalaciones de recogida y
aprovechamiento de las aguas grises provenientes de lavadoras, lavabos o bañeras
para el llenado de las cajas de los inodoros. En este caso se ha de disponer de un buen
sistema de tratamiento de agua almacenada que garantice las calidades higiénicas para
su reutilización.
Según la Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA1-1994, "Salud ambiental, agua para
uso y consumo humano-límites permisibles de calidad y tratamientos a que debe
someterse el agua para su potabilización", las características del agua potable para uso
humano están dadas por los siguientes datos:
CARACTERÍSTICA
LIMITE PERMISIBLE
2 NMP/100 ml
Organismos coliformes totales
2 UFC/100 ml
Organismos coliformes fecales
No detectable NMP/100 ml
Cero UFC/100 ml
TABLA 1.1.Características bacteriológicas del agua y límites permisibles según SSA.
Los resultados de los exámenes bacteriológicos se deben reportar en unidades de
NMP/100 ml (número más probable por 100 ml), si se utiliza la técnica del número más
probable o UFC/100 ml (unidades formadoras de colonias por 100 ml), si se utiliza la
técnica de filtración por membrana.
3
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CAPÍTULO 1.
Las características físicas y organolépticas deberán ajustarse a lo establecido en la
Tabla 1.2.
CARACTERÍSTICA
Color
Olor y sabor
Turbiedad
LÍMITE PERMISIBLE
20 unidades de color verdadero en la
escala de platino-cobalto.
Agradable (se aceptarán aquellos que
sean tolerables para la mayoría de los
consumidores, siempre que no sean
resultados de condiciones objetables
desde el punto de vista biológico o
químico).
5 unidades de turbiedad nefelométricas
(UTN) o su equivalente en otro método.
TABLA 1.2. Características físicas organolépticas y límites permisibles
El contenido de constituyentes químicos deberá ajustarse a lo establecido en la Tabla
1.3. Los límites se expresan en mg/l, excepto cuando se indique otra unidad.
CARACTERÍSTICA
Aluminio
Arsénico
Bario
Cadmio
Cianuros (como CN-)
Cloro residual libre
Cloruros (como Cl-)
Cobre
Cromo total
Dureza total (como CaCO3)
Fenoles o compuestos
fenólicos
Fierro
Fluoruros (como F-)
Manganeso
Mercurio
Nitratos (como N)
Nitritos (como N)
Nitrógeno amoniacal (como N)
pH (potencial de hidrógeno) en
unidades de pH
LÍMITE
PERMISIBLE
0.20
0.05
0.70
0.005
0.07
0.2-1.50
250.00
2.00
0.05
500.00
0.001
0.30
1.50
0.15
0.001
10.00
0.05
0.50
6.5-8.5
4
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CAPÍTULO 1.
Plaguicidas en microgramos/l:
Aldrín y dieldrín (separados o
combinados)
Clordano (total de isómeros)
DDT (total de isómeros)
Gamma-HCH (lindano)
Hexaclorobenceno
Heptacloro y epóxido de
heptacloro
Metoxicloro
2,4 – D
Plomo
Sodio
Sólidos disueltos totales
Sulfatos (como SO4=)
Sustancias activas al azul de
metileno (SAAM)
Trihalometanos totales
Zinc
0.03
0.30
1.00
2.00
0.01
0.03
20.00
50.00
0.025
200.00
1000.00
400.00
0.50
0.20
5.00
TABLA 1.3. Contenido de constituyentes químicos.
Los límites permisibles de metales se refieren a su concentración total en el agua, la
cual incluye los suspendidos y los disueltos.
El contenido de constituyentes radiactivos deberá ajustarse a lo establecido en la Tabla
1.4. Los límites se expresan en Bq/l (Becquerel por litro).
CARACTERÍSTICA
Radiactividad alfa global
Radiactividad beta
global
LÍMITE PERMISIBLE
0.1
1.0
TABLA 1.4. Contenido de constituyentes radiactivos
5
WATER WISELY
CAPÍTULO 1.
1.3. Usos interiores del agua potable.
Los dispositivos domésticos para el uso eficiente del agua potable tienen un papel
primordial, para el ahorro de agua en una casa puede utilizarse hasta 35 % del
consumo interior en los retretes, 30 % en las regaderas, 20 % en las lavadoras de ropa,
entre 3 - 10 % en las llaves de fregaderos y lavabos, y 5 % en las lavadoras de trastos2.
El consumo promedio de agua potable de una persona en la zona metropolitana de la
Ciudad de México es de 327 litros al día.
1.3.1. Regaderas
Es el segundo dispositivo demandante de agua dentro de una casa, debido a ello en
países como México se ha reglamentado que la descarga en estos dispositivos no debe
ser mayor de 10 Iitros por minuto. Esto se logra mediante el empleo de regaderas
modernas o utilizando reductores de flujo. La instalación de reductores de caudal
permite reducir el flujo de agua manteniendo su presión, pueden instalarse en las
duchas aunque también se instalan fácilmente en cualquier grifo sustituyendo el filtro
y/o el difusor.
1.3.2. Llaves de lavabos y fregaderos.
La reducción del flujo de estos dispositivos se logra por medio de aereadores los cuales
incluyen aire y dispersan el chorro incrementando el área de cobertura y, por lo tanto, la
eficiencia de lavado. Un aereador puede llegar a reducir el flujo hasta en un 6 %.
Otra opción que se ha explorado y que brinda excelentes resultados es la colocación de
válvulas o sensores que hacen que salga agua sólo cuando se colocan las manos bajo
de ellos.
1.3.3. Lavadoras.
Los ahorros en este tipo de máquinas se consiguen colocando cargas adecuadas de
ropa, utilizando los niveles de agua necesarios para una correcta operación o con
lavadoras de poco uso de agua. Existen básicamente dos tipo de lavadoras, las de
carga frontal y las de tina, las primeras pueden llegar a utilizar la mitad del agua, un
50% de agua caliente, y un 33% del detergente que demanda la segunda. La
construcción de lavadoras de ropa eficientes ha logrado ahorros de hasta en un 24 %
del consumo de agua en comparación con las lavadoras tradicionales.
2
Cortés, M. 1991. Uso Eficiente del Agua. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. Centro Panamericano de
Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente CEPIS. Cuernavaca
6
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CAPÍTULO 2.
CARACTERÍSTICAS DEL
AGUA GRIS E
INTRODUCCIÓN AL
PROCESO DE
REUTILIZACIÓN.
Mostrar las características químicas que presenta el agua gris y explicar el
funcionamiento general del proceso para la reutilización del agua tratada.
7
WATER WISELY
2.1.
CAPÍTULO 2.
Características del agua gris.
El agua gris o "agua no cloacal" es el agua generada por procesos de un hogar, tales
como el lavado de utensilios y ropa, así como el baño de las personas.
El agua gris se distingue del "agua cloacal" contaminada con desechos del retrete,
llamada agua negra (Ver Fig. 2.1) (más común en plural: aguas negras), porque no
contiene bacterias.
El agua gris generalmente se descompone más rápido que el agua negra y tiene mucho
menos nitrógeno y fósforo. Sin embargo, el agua gris contiene algún porcentaje de agua
negra, incluyendo patógenos de varias clases. El agua gris reciclada de la bañera o de
una tina de baño puede ser utilizada en los retretes, lo que ahorra grandes cantidades
de agua.
FIGURA 2.1. Aguas Grises.
El agua gris posee diferentes propiedades cuando ésta se encuentra como desecho
después de algún uso que se le haya dado, es por eso que a continuación se enlistan
algunos de los compuestos y características más importantes que este tipo de agua
tiene, enfocándose específicamente hacia el proyecto a realizar:
Principales sustancias químicas y orgánicas del agua gris:
Acetaldehído
Gasolina
Acetona
Glicol
Ácido acético
Herbicidas
Soluciones de frotado para purificación del aire.
Alcohol
Ácido sulfhídrico
Aminas
Ácido hipocloroso
Amoníaco
8
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CAPÍTULO 2.
Insecticidas
Anticongelante
Yodo
Acetato isopropílico y alcohol isopropílico
Acetato de amilo y alcohol amílico
Ácido láctico
Benceno
Cetonas
Agentes bioquímicos
Metal etil cetona (mek)
Soluciones de blanqueo
Acetato de metilo y alcohol metílico
Nafta
Acetato de butilo y alcohol butílico
Nitrobenceno
Hipoclorito de calcio
Agentes para lavar latas y tambores
Compuestos orgánicos
Agua de lavado para tanques químicos
Cloro
Cloral
Cloramina
Clorofenol
Cresol
Agua de lavado para lecherías
Materia orgánica en descomposición
Desfoliadores
Detergentes
Aceite disuelto
Colorantes
Acetato de etilo y alcohol etílico
Xileno
Olores
Fenol
Solventes
Aceites sulfonados
9
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CAPÍTULO 2.
Sabores (Orgánicos)
Tolueno o toluol
Tricloruetileno
Adelgazadores (de fluidez)
Turpentina
Vinagre
Agua de pozo
Mercaptanos
La Fig. 2.2 muestra la diferencia visual entre el agua gris y el agua potable.
FIGURA 2.2. Diferencias entre el agua gris y el agua pura.
La Tabla 2.1 que se dará a conocer contiene los principales agentes patógenos en el
agua gris, cuyas unidades están dadas en µwatt-s/cm3.
Bacillus anthracis
S. enteritidis
B. peratyphosus
B. subtilis
Corynebacterium diphtheriae
Eberthella typosa
Neisseria catarrhalis
Phytomonas tumefaciens
Proteus vulgaris
Pseudomonas aeryginosa
Pseudomonas fluorescens
S. typhimurium
Shigella paradysenteriae
Spirillum rubrum
Staphylococcus alous
Staphylococcus aureus
B. Megatherium sp.(veg)
B. Megatherium sp.(sporas)
B. subtilis spores
Clostridium tetani
Escherichlia coli
Micrococcus candidus
Mycobacterium tuberculosis
Streptoccus lactis
Streptoccus viridans
Salmonera
Sarcina lutea
Serratia marcescens
Dysentry bacilli
Streptoccus lactis
Streptoccus viridans
Streptoccus hemolyticus
TABLA 2.1. Principales agentes patógenos en el agua gris.
10
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CAPÍTULO 2.
La Tabla 2.2 muestra los principales organismos patógenos en el agua gris
LEVADURA
ESPORAS
VIRUS
Saccharomyces
ellipsoideus
Penicillium
roqueforti
Bacteriophage
(E. coli )
Saccharomyces sp.
Penicillium
expansum
Influenza virus
Saccharomyces
cerevisiae
Mucor racemosus A
Hepatitis virus
Brewers yeas
Mucor racemosus B
Bakers yeast
Common yeast
cake
Oospora lactis
ALGAS
Chlorella vulgaris
(Alga)
Poliovirus
(Poliomyelitis)
Rotavirus
TABLA 2.2. Principales organismos patógenos en el agua gris
Comparando las tablas presentadas anteriormente, la Norma Oficial Mexicana NOM127-SSA1-1994, que se citó, sugiere los siguientes procesos de potabilización (Tabla
2.3):
CONTAMINANTE
Bacterias, helmintos, protozoarios
y virus.
Color, olor, sabor y turbiedad
PROCESO
Desinfección con cloro, compuestos de cloro,
ozono o luz ultravioleta.
Coagulación-floculación-precipitaciónfiltración; cualquiera o la combinación de
ellos, adsorción en carbón activado u
oxidación.
Arsénico
Coagulación-floculación-precipitaciónfiltración; cualquiera o la combinación de
ellos, intercambio iónico u ósmosis inversa.
Aluminio, bario, cadmio, cianuros,
cobre, cromo total y plomo
Intercambio iónico u ósmosis inversa.
Cloruros
Intercambio iónico, ósmosis inversa o
destilación.
Dureza
Ablandamiento químico o intercambio iónico.
Fenoles o compuestos fenólicos
Adsorción en carbón activado u oxidación
con ozono
Fierro y/o manganeso
Oxidación-filtración, intercambio iónico u
11
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CAPÍTULO 2.
ósmosis inversa.
Fluoruros
Osmosis inversa o coagulación química.
Materia orgánica
Oxidación-filtración o adsorción en carbón
activado.
Mercurio
Proceso convencional: coagulaciónfloculación-precipitación-filtración, cuando la
fuente de abastecimiento contenga hasta 10
microgramos/l. Procesos especiales: en
carbón activado granular y ósmosis inversa
cuando la fuente de abastecimiento contenga
hasta 10 microgramos/l; con carbón activado
en polvo cuando la fuente de abastecimiento
contenga más de 10 microgramos/l.
Nitratos y nitritos
Intercambio iónico o coagulación-floculaciónsedimentación-filtración; cualquiera o la
combinación de ellos.
Nitrógeno amoniacal
Coagulación-floculación-sedimentaciónfiltración, desgasificación o desorción en
columna.
pH (potencial de hidrógeno)
Plaguicidas
Sodio
Neutralización.
Adsorción en carbón activado granular.
Intercambio iónico.
Sólidos disueltos totales
Coagulación-floculación-sedimentaciónfiltración y/o intercambio iónico.
Sulfatos
Sustancias activas al azul de
metileno
Intercambio iónico u ósmosis inversa.
Adsorción en carbón activado.
Trihalometanos
Aireación u oxidación con ozono y adsorción
en carbón activado granular.
Zinc
Destilación o intercambio iónico.
TABLA 2.3. Procesos de potabilización según la Norma.
12
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2.2.
CAPÍTULO 2.
Reutilización de aguas tratadas en las viviendas.
Los sistemas de aprovechamiento de aguas grises se fundamentan en la reserva del
agua potable (Ver Tabla 2.4) para los usos más exigentes, como la higiene, cocinar
alimentos, y la utilización del agua procedente de lavadoras, duchas, lavabos y bañeras
para usos que no precisan agua potable, como las cajas de los inodoros, el riego de
jardines o la limpieza de determinados lugares, etc.
El agua puede proceder de:
Lavabos
Duchas (bañeras)
Lavadoras
El agua puede ser utilizada para:
Inodoros
Riego
Limpieza
TABLA 2.4. Procedencia de las aguas grises y su uso.
Aunque el sistema varía en función del tamaño y las necesidades de cada edificio
multifamiliar, el funcionamiento y el circuito son semejantes en todas las instalaciones,
puesto que todo se rige con un modelo o estructura en general.
2.3.
Funcionamiento y características técnicas para el sistema de reutilización
aguas.
Una vez realizada la evaluación sobre cuáles son los consumos de agua potable que
pueden sustituirse por aguas grises debe dimensionarse el sistema.
En primer lugar es necesario canalizar el agua de las duchas, lavadoras, fregaderos,
lavabos y lavaderos hasta un depósito acumulador, que puede colocarse o situarse en
la parte inferior del edificio (garage, sótano, etc)
Una vez canalizadas las aguas grises en el depósito, estas pasarán por un proceso de
tratamiento, que consta de 6 pasos (Ver Fig. 2.3). estos son: una trampa de grasas que
permite separar el exceso de las mismas, un proceso de filtrado en un filtro multicapa
para eliminar la materia suspendida en el agua, un proceso de adsorción en carbón
activado con el fin de remover contaminantes como el olor y el sabor del agua, el
siguiente paso es el proceso de ablandamiento para eliminar las sales de calcio y
magnesio presentes en el agua, esto es seguido del proceso de osmosis inversa que
consiste en separar un componente del otro a través de las fuerzas ejercidas sobre una
membrana semipermeable y finalmente el agua pasará por un proceso de purificación
por rayos UV el cual provee protección contra enfermedades, ya que destruye los
microorganismos contenidos en el agua antes de que esta llegue a su destino final.
13
WATER WISELY
CAPÍTULO 2.
FIGURA 2.3. Diagrama general para el sistema de reutilización de aguas grises.
Cuando el agua ya ha pasado por todo el proceso de tratamiento se envía al depósito
acumulador, cuya capacidad varía en función del tamaño de la instalación.
Todos los depósitos disponen de un rebosadero para evacuar el exceso de agua,
aunque en este caso el agua podrá ser evacuada en otro contenedor.
También se dispone de una válvula que permita la entrada de agua de la red y que
asegure la disponibilidad de los mínimos necesarios para el correcto funcionamiento del
sistema. Los depósitos cuentan con una salida de agua que permiten el vaciado
completo para la limpieza y el mantenimiento del sistema.
14
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CAPÍTULO 2.
La distribución de las aguas grises hasta las cajas de los inodoros se realiza a través de
un sistema de tuberías con las correspondientes derivaciones (llave de agua).
Para llevar el agua hasta las cajas de los inodoros o de la fuente de aguas grises será
necesario disponer de un equipo de presión (bomba). Ver Figura 2.4
A pesar de que no existe normatividad específica que regule el uso de las aguas grises,
es conveniente tomar determinadas precauciones que todos los instaladores
recomiendan:
Diseñar y establecer los circuitos de manera que no entren en contacto las aguas
grises con la red de agua potable y diferenciar visualmente las cañerías de
aguas grises.
Asegurar que las entradas de agua potable a la red de aguas grises dispongan
de válvulas de retención.
Prever una reserva mínima de agua (depósito) para el correcto funcionamiento
del sistema.
El mismo fósforo, potasio y nitrógeno que convierte a las aguas grises en una fuente de
contaminación para lagos, ríos y aguas del terreno puede utilizarse de manera
beneficiosa como excelentes nutrientes para el regado de plantas.
15
WATER WISELY
CAPÍTULO 2.
FIGURA 2.4. Diagrama a bloques del sistema de reutilización de aguas grises.
16
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
DISEÑO DEL SISTEMA,
CÁLCULOS Y SELECCIÓN
DE INSTRUMENTOS Y
EQUIPO.
Describir el funcionamiento del sistema para la reutilización de las aguas
tratadas, así como el dimensionamiento y selección de los diferentes
instrumentos y equipos a utilizar.
17
WATER WISELY
3.1.
CAPÍTULO 3.
Diseño del sistema para el reutilización de las aguas tratadas.
En este capítulo se explicará paso por paso el funcionamiento del sistema de
reutilización de aguas tratadas. A continuación se mostrará el dibujo de un
departamento modelo para el desarrollo de este proyecto. Ver Figura 3.1.
Para la recolección de aguas grises consideramos los siguientes elementos, que son: la
lavadora, la regadera para la ducha, fregadero, lavabo y lavadero los cuales pueden
estar colocados en cualquier parte de la casa, pero se ubican, para fines demostrativos,
de la siguiente manera:
FIGURA 3.1. Vista de planta de un departamento del edificio multifamiliar.
18
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
FIGURA 3.1a. Diagrama de planta de un departamento detallando los dispositivos a usar.
El agua del lavabo (1), de la regadera para ducha (2), del fregadero (3), del lavadero (4)
y de la lavadora (5) (Fig. 3.1a), tiene que ir directamente a una trampa de grasas que
retendrá el exceso de las mismas y los restos de comida que pudiesen llegar ahí, una
vez hecho esto pasará por otros cinco procesos, que son: filtración por multicapas,
adsorción en carbón activado, ablandamiento, osmosis inversa y finalmente purificación
por rayos UV.
Dichos procesos están relacionados con la Tabla 2.3. “Procesos de potabilización
según la norma NOM-127-SSA1-1994”, que están recomendados para tratar el agua y
pueda ser reutilizada.
19
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
A continuación se describe en qué consiste cada uno de ellos.
3.1.1. Trampa de grasas (Sumidero Sifónico).
FIGURA 3.2. Trampa de grasa rectangular.
Es un dispositivo ubicado entre la línea de desagüe del edificio multifamiliar y el proceso
de tratamiento que permite separar fácilmente grasas, aceites etc., mezclados en aguas
grises para así evitar que ingresen a la siguiente etapa del proceso. Las trampas de
grasa es el primer elemento en un sistema de reutilización de aguas tratadas. Existen
dos tipos de trampas, las rectangulares (Fig. 3.2) y las circulares (Fig. 3.3)
En ambos tipos se trata de una cámara impermeable de tamaño reducido por donde
ingresan los líquidos provenientes del edificio.
FIGURA 3.3. Trampa de grasa cilíndrica.
20
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Las trampas de grasa reducen el flujo del agua procedente de los departamentos, con
lo que las grasas y el agua tienen tiempo para enfriarse. Este enfriamiento hace que las
grasas se coagulen y floten en la superficie mientras que otros sólidos más pesados se
depositan en el fondo de la trampa. (Ver Fig. 3.4)
FIGURA 3.4. Trampa de grasa, bastidor para extracción de nata flotante.
Dentro de este receptáculo las grasas, que son más livianas que el agua, quedan a flote
y pueden ser extraídas periódicamente por medio de un bastidor metálico con una malla
de alambre. El bastidor, que reposa en el fondo del dispositivo es subido en forma
manual para retirar la grasa o nata que se encuentran flotando en la superficie. Luego
se vuelve a colocar en el mismo lugar. (Ver Fig. 3.5)
FIGURA 3.5. Extracción de las grasas.
21
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
El resto del agua pasa libremente por medio de un conducto sumergido hacia la
siguiente etapa del proceso.
El volumen de este dispositivo no deberá ser menor a 120 litros pensando en 10 litros
por persona. Es indispensable tomar en cuenta que debe caber en ella el líquido
resultante de dos horas en el pico de gasto (lavado de ropa, duchas y especialmente
limpieza de platos).
El tamaño de la trampa de grasas depende de la cantidad de desechos que salen de la
instalación. El tamaño se mide en GPM (galones por minuto).
Consideraciones.
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
Las trampas de grasa deberán ubicarse próximas a los aparatos que descarguen
desechos grasosos, y por ningún motivo deberán ingresar aguas residuales
provenientes de los servicios higiénicos.
Las trampas de grasa deberán proyectarse de modo que sean fácilmente
accesibles para su limpieza y eliminación o extracción de las grasas acumuladas.
En el caso de grandes instalaciones como edificios, hoteles, hospitales,
restaurantes que atiendan a más de 50 personas, deberá considerarse la
instalación de dos trampas de grasa.
No es obligatorio diseñar trampas de grasa para viviendas unifamiliares.
Las trampas de grasa pueden ser construidas de metal, ladrillos y concreto, de
forma rectangular o circular.
El volumen de la trampa de grasa se calculará para un período de retención entre
2.5 a 3.0 minutos.
La relación largo – ancho ( l : a ) del área superficial de la trampa de grasa deberá
estar comprendido entre 2:1 a 3:2.
La profundidad no deberá ser menor a 0.80 m.
Es fundamental realizar un buen mantenimiento de las trampas de grasa para que ésta
funcione de manera eficiente. Si no se controlan los niveles de grasa, aceite y sólidos
acumulados, pueden generarse muchos problemas. Por ejemplo, obstrucciones,
acumulaciones en los desagües y malos olores.
Según el tamaño, hay diferentes maneras de limpiar las trampas de grasa.
Muchos exigen que las trampas se bombeen con cierta frecuencia. Sin embargo, más
allá de los bombeos obligatorios, existen otros métodos para limpiarlas.
Muchos usuarios de trampas de grasa pequeñas suelen hacer que su propio personal
se ocupe del mantenimiento. Por lo general, esta tarea implica vaciar, con la ayuda de
una pala o bien aspirar, la grasa, el aceite y los sólidos, y eliminarlos. Es importante que
si se realiza este procedimiento, se utilice un producto para absorber los desechos
líquidos a fin de asegurar que se recojan todos los residuos.
22
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Para trampas de grasa más grandes suelen emplearse los servicios de una empresa de
reciclado o de transporte de dichos materiales para extraerlos por bombeo.
Obviamente, este método es más fácil que el anterior, pero puede resultar bastante
caro, especialmente si el proceso se realiza semanal o mensualmente.
La rutina del mantenimiento que puede instrumentarse para controlar la acumulación de
grasas y aceites y reducir la necesidad de extraerlas por bombeo es el uso de un aditivo
bacteriano.
Las bacterias para la trampa de grasas ayudan a reducir grasas, aceites y demás
desechos orgánicos, descomponiendo y digiriendo biológicamente los residuos,
convirtiéndolos en dióxido de carbono y agua. Este procedimiento puede reducir en
mucho la necesidad de bombeos frecuentes.
Las bacterias son de naturaleza aeróbica y la velocidad a la cual pueden degradar las
grasas y aceites reducirá, también, la posibilidad de que se generen olores
desagradables y que éstos emanen de la trampa de grasas, ya sea a su paso por las
cañerías o fuera de la trampa cuando se bombea. Además, este tipo de trampas no son
cáusticas ni corrosivas, lo que hace segura su aplicación para todo tipo de cañerías.
Es importante destacar que no es un producto enzimático. Los productos enzimáticos
han generado mucho rechazo porque licúan las grasas y aceites, permitiendo que se
coagulen aguas abajo causando muchos problemas de tratamiento de agua residual.
Por el contrario, como algunas bacterias son barridas por el agua, la corriente receptora
de desechos se verá beneficiada.
Las bacterias para las trampas de grasa son de distintos tipos. Probablemente, la más
común sea la forma líquida, que puede verterse en los desagües o aplicarse
directamente en la trampa.
Otra presentación muy popular es el bloque de bacterias; se trata de bloques de
disolución lenta que se cuelgan de una soga y se sumergen en la trampa. Dependiendo
del tamaño del bloque y de la trampa de grasas, los bloques pueden durar hasta cuatro
semanas. También vienen en polvo.
Por último, a las trampas de grasas se les puede instalar una bomba de inyección para
bombear automáticamente las bacterias dentro de la trampa a intervalos
preestablecidos, con lo cual el tratamiento sería virtualmente sin mantenimiento.
Mezclando una solución de bacterias y vertiéndola en el desagüe, las cañerías se
pueden mantener libres de acumulación de grasas y aceites que dificultan el vaciado de
los fregaderos y provocan malos olores.
Un punto importante a considerar es que deberá advertirse a los usuarios que no deben
arrojar sólidos y demás desechos por las cañerías. Siempre que sea posible, hay que
hacerlo en el recipiente de la basura.
23
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Tampoco enjuagar los desagües y la trampa de grasas con agua caliente, ya que esto
implica hacer correrla por las tuberías y con ello, se impide que las grasas se enfríen
en la trampa y que, por ende, vayan a parar a la siguiente etapa del proceso.
3.1.2. Filtración multicapas (Filtros multimedia o de Lecho Profundo).
Se entiende por filtración al proceso de eliminación de materia suspendida en el agua
mediante su paso a través de un material poroso que puede estar contenido en un filtro.
La materia en suspensión (sólidos suspendidos) esta compuesta principalmente por
partículas o gránulos de tierra, arena y sedimentos pero también incluye organismos
vivientes como algas, bacterias, virus y protozoarios.
Los filtros multicapas (Fig. 3.6), tienen la finalidad de remover sólidos suspendidos en el
agua de tamaños de hasta 10 micrómetros lo que quiere decir que todo sólido en
suspensión (tierra, polen, basuras pequeñas, etc.) mayor a 10 micrómetros quedarán
retenidos en el filtro para después ser desechados y de esta forma no permitir que los
sólidos pasen a la siguiente etapa del proceso.
FIGURA 3.6. Muestra de un filtro multicapas.
La filtración se lleva a cabo por una diferencia de presión que hace necesario el uso de
un equipo de bombeo o hidroneumático.
Dicha función tiene como beneficio que el agua tratada quede parcialmente libre de
sólidos en suspensión los cuales afectan la calidad del agua de reutilización y del
proceso de tratamiento.
24
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
El proceso de filtración es del tipo profundo en donde la capa superior de material
filtrante es la de mayor tamaño de fragmentos, después el agua pasa a una capa de
menor tamaño de fragmentos y por último pasa por una capa fina de fragmentos que
hacen la filtración final de 10 micrómetros.
Estas capas de material tienen diferente densidad, de tal forma que al realizar el
mantenimiento las capas se acomodan siempre de fragmentos mayores en la parte
superior a fragmentos finos en la parte inferior. Todo esto va soportado por una capa de
grava proporcionando de esta forma una gran capacidad de retención de suspendidos.
Para saber el tamaño, las dimensiones o el volumen del filtro multicapas, que se
requiere para un proceso dado, es necesario conocer el flujo, caudal o gasto de agua
que se necesita filtrar, es decir, saber el flujo de agua a obtener y, además, el tipo de
válvula o cabezal deseado en el filtro. (Ver Fig. 3.7)
La válvula puede ser manual o automática, mecánica o digital y esto es muy importante
por que precisamente de eso depende si los retrolavados del filtro se harán
automáticamente o si es necesario que se realicen manualmente.
El retrolavado del filtro multicapas no es otra cosa que invertir el flujo en el tanque de
filtración para desechar o eliminar todas las partículas que han sido retenidas en el
proceso. Por medio del retrolavado se limpia el filtro multicapas. Por lo general, ese flujo
de agua se desecha a través del drenaje (ya que lleva consigo todas las partículas
mayores a 30 micras retenidas) en no más de 15 minutos.
FIGURA 3.7. Ejemplo de un tanque filtro con válvulas manuales.
Estos filtros de multicapas pueden operar por periodos más largos de tiempo antes de
requerir limpieza, ya que el filtro puede retener más turbiedad en su medio, medido
como unidades nefelométricas de turbiedad (NTU o UNT).
25
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
3.1.3. Filtros con adsorción en carbón activado.
La función del filtro de carbón activado es la de remover contaminantes, como son olor
y sabor, del agua por medio de adsorción. (Ver Fig. 3.8)
La adsorción es un proceso por el cual moléculas de impurezas se adhieren a la
superficie del carbón activado. La adherencia es gobernada por una atracción electroquímica.
El carbón activado es preparado a partir de diversos materiales, tales como, carbón,
madera, cáscaras de nueces y petróleo. El carbón se transforma en "activado" cuando
es calentado a altas temperaturas (800 °C a 1000 ºC) en la ausencia de oxigeno. El
resultado es la creación de millones de poros microscópicos en la superficie del carbón.
Esta enorme cantidad de área superficial proporciona grandes oportunidades para que
tenga lugar el proceso de adsorción.
El proceso de adsorción trabaja como un imán para mantener las impurezas en la
superficie del carbón activado. Esto es una acción diferente de aquella que actúa como
una esponja en el proceso de absorción, en el cual un gas o líquido es succionado
hasta el centro del cuerpo poroso y allí mantenido.
El carbón activado también es conocido por su extraordinaria habilidad en eliminar el
cloro y su gusto y olor relacionados por la reducción química para una forma no
detectable por los sentidos (por ejemplo, cloruros).
Los filtros de carbón activado remueven los compuestos orgánicos volátiles (VOC), los
pesticidas y herbicidas, los compuestos con tribalometano, radón, los solventes y otros
productos hechos por el hombre y que encontramos en el agua.
Los VOC tienen todo tipo de reactivos químicos con importantes propiedades en
común. Cuando están presentes en el agua a baja concentración, algunos VOC
producen un suave y agradable olor. Los compuestos orgánicos volátiles pueden tener
serios efectos sobre la salud. A altas concentraciones de esos compuestos, muchos
VOC pueden causar problemas psicológicos al atacar el sistema nervioso central como
depresión, decaimiento y estupor. También, pueden irritar o atacar, al estar en contacto
con la piel, las membranas mucosas por inhalación.
26
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
FIGURA 3.8. Filtros por absorción en carbón activado.
3.1.3.1.
Soluciones de Filtración.
La adsorción por el carbón activado es en general referida como un proceso de
filtración.
Los filtros de tratamiento pueden estar instalados en el punto del uso (POU) o en el
punto de entrada (POE).
El sistema de tratamiento POE es recomendado para remover los VOC para el uso de
todo tipo, sea para beber, cocinar, limpiar, o bañarse libre de toda contaminación.
Los filtros de carbón activado son unos filtros típicos usados para reducir el nivel de
VOC en el agua para reutilización. Grandes concentraciones de contaminantes y de
consumo de agua reducen la vida del carbón.
El agua que entra y pasa por el filtro puede ser testado periódicamente para indicar si el
sistema de tratamiento funciona perfectamente.
Algunas bacterias pueden producirse sobre la superficie del filtro de carbón. Es
recomendable que el agua sea desinfectada después de que pase a través del filtro
para mayor seguridad. Muchos tipos de desinfección son utilizables. La luz ultravioleta
(UV) es uno de ellos.
El carbón activado granular es un material que se utiliza para filtrar químicos y
microorganismos nocivos del suelo y el agua contaminados.
A medida que el agua fluye a través de un filtro de carbón activado granular, los
químicos se adsorben o se adhieren a la superficie y dentro de los millones de
microporos de los gránulos del carbón activado. Los filtros de carbón activado se
utilizan siempre como parte de un sistema de extracción y tratamiento para limpiar
aguas subterráneas, de ríos, lagos, pozos, manantiales, aguas municipales,
generalmente como segunda etapa después de un filtro multimedia.
27
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Un filtro de carbón activado consiste en un recipiente o columna empacada o rellena de
gránulos.
Su estructura y propiedades le permiten adsorber específicamente aquellos químicos
peligrosos que se encuentran en el agua a tratar.
El tratamiento con carbón activado proporciona excelentes resultados al eliminar cloro,
mal olor, microorganismos y patógenos como virus y bacterias, mejora el sabor y color
del agua, retiene una amplia gama de químicos como pueden ser combustibles,
bifenilos policlorados, dioxinas y desechos radioactivos. Asimismo, puede eliminar
ciertos tipos de metales como plomo, cadmio o mercurio, siempre que los metales
pesados se encuentren presentes en pequeñas cantidades.
Para hacer su función el filtro de carbón activado requiere un flujo pico (en usos no
críticos) no mayor a 10 gpm en un pie de área transversal del tanque o recipiente que lo
aloja, siendo el flujo óptimo de 5 gpm en un pie. El flujo de retrolavado debe ser de 10
gpm. El tiempo de contacto óptimo es de 5 minutos y la cama debe tener una
profundidad mínima de 60 cm (24”).
3.1.3.2.
Tipos de Carbón Activado para Filtros.
Básicamente, existen 2 tipos de Carbón Activado:
Carbón Activado en Polvo ( P.A.C.)
Carbón Activado Granular, en grano. ( G.A.C.)
3.1.3.3.
Regeneración de los Filtro de Carbón Activado.
La duración de este tipo de filtros depende del volumen de líquidos a tratar y de la
cantidad de moléculas a retener. Muchos de estos filtros vienen en formato "cartucho
filtrante de carbón activado", que deben ser sustituidos como tal al final de su plazo de
uso recomendado. Otros filtros, o mejor dicho, el carbón activado de esos filtros, puede
ser "regenerado", permitiendo continuar su uso con un rendimiento aceptable. Los
métodos de regeneración de filtros de carbón activado suelen ser térmicos (en horno o
mediante vapor), o también químicos. (Ver Fig. 3.9)
28
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CAPÍTULO 3.
FIGURA 3.9. Filtro de carbón activado con dispositivos opcionales.
3.1.4. Suavizadores (Ablandadores de agua o intercambio iónico).
Los suavizadores son equipos utilizados para remover las sales de calcio y magnesio
presentes en el agua. Dichas sales son las causantes de problemas como
incrustaciones en tuberías y boilers, exceso de gasto en detergentes, además de
manchas en lavabos y otros artículos de uso común en el hogar. El agua dura requiere
una excesiva cantidad de jabón para producir espuma.
El agua de lluvia, al filtrarse por la corteza terrestre y avanzar en el manto freático,
disuelve ciertos minerales en su camino, causando que el agua se convierta en agua
dura. Existen dos tipos de dureza y varios métodos de remoción.
3.1.4.1.
Tipos y causas de dureza.
Dureza de carbonatos. Es causada por la combinación de carbonatos de calcio
y magnesio con el dióxido de carbono para formar bicarbonatos de calcio y de
magnesio. Se llama así porque la mayoría de los carbonatos se precipitan
cuando el agua es hervida, sacando el dióxido de carbono, dejando los
carbonatos que son insolubles. El oxido de calcio es usado para ablandar,
suavizar, acondicionar el agua cuando hay alto contenido de dureza de
carbonatos.
29
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CAPÍTULO 3.
Dureza de no carbonatos. La dureza no carbonatada o de no carbonatos es
llamada dureza permanente, y se debe principalmente a los sulfatos de calcio y
de magnesio. El nombre común para el sulfato de calcio es "gypsum" y para el
sulfato de magnesio es "sales epsom". Los cloritos y nitratos de calcio y
magnesio también forman agua no carbonatada pero no son tan comunes como
los sulfatos. Los compuestos que causan la dureza no carbonatada no
precipitan al hervirse. El carbonato de sodio comúnmente llamado “ceniza de
sosa”, es usado para suavizar aguas con alto contenido de dureza no
carbonatada.
El exceso de calcio en el cuerpo humano puede traer consecuencias graves a la salud,
como el desarrollo de piedras en los riñones, esclerosis y problemas en los vasos
sanguíneos. Este problema se encuentra de forma común en el agua con que se surten
zonas de parcelas agrícolas.
El agua dura se encuentra prácticamente en todos los sitios y es la causante de los
depósitos blancos y grisáceos que tapan las tuberías, en especial las de agua caliente.
Por la dureza del agua aparecen manchas en la cristalería, loza, baños y en la pintura
de los automóviles.
La solución al problema es atacar el calcio y el magnesio. La respuesta más popular es
un ablandador de agua. Los suavizadores se encargan de eliminar la dureza en el agua
(sarro). Estos equipos intercambian iones de calcio y magnesio por iones de sodio con
la ayuda de una resina catiónica.
3.1.4.2.
Intercambio Iónico.
El intercambio iónico es un proceso de separación de iones. Un ión es un átomo o
grupo de átomos cargados eléctricamente. Estos iones se clasifican por su intercambio.
Los iones cargados positivamente son llamados cationes, ya que estos emigran al
cátodo o electrodo negativo. Los iones cargados negativamente son llamados aniones,
ya que emigran al ánodo o electrodo positivo en una celda galvánica.
Los cationes comúnmente encontrados en el agua son calcio, magnesio, sodio, hierro, y
manganeso. Los aniones comúnmente encontrados en el agua son bicarbonatos,
carbonato, cloruro, sulfato y nitrato.
Hay ocho compuestos que generalmente se asocian con el problema de la dureza.
Estos compuestos son divididos en dos clasificaciones en relación a su facilidad de
remoción.
30
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CAPÍTULO 3.
La dureza temporal puede ser causada por bicarbonato de calcio, carbonato de calcio,
bicarbonato de magnesio, y puede ser removida mediante la ebullición del agua.
La dureza permanente es causada por el cloruro de calcio, sulfato de calcio, sulfato de
magnesio, y cloruro de magnesio. Estos compuestos también son llamados dureza no
carbonatada.
Los problemas de dureza son ocasionados por los cationes calcio y magnesio. Si los
cationes de calcio y magnesio son removidos para remplazarlos por cationes de sodio,
los problemas de la dureza pueden ser eliminados.
La separación de los iones y el intercambio es logrado por el uso de una columna de
resina aniónica insoluble que es mantenida neutra por iones sodio. Al pasar el agua que
contiene cationes, calcio, y magnesio, por la columna de resina, los cationes de calcio y
de magnesio se adhieren a la resina y son reemplazados por cationes de sodio que
tenía la resina. Los cationes de sodio no producen problemas de dureza, así el agua
suave es descargada hacia el servicio. (Ver Fig. 3.10)
FIGURA 3.10. Principio de funcionamiento de un suavizador de agua dura.
La columna de resina puede suavizar el agua mientras contenga cationes de sodio, al
alcanzar el contenido de sodio, la resina debe ser regenerada con sal (NaCl).
El proceso de intercambio es como sigue:
Dureza
Ca++
Mg++
Resina
+
+
Na2R
Na2R
Sodio
-------------------------------------
2Na+
2Na+
Resina agotada
+
+
Ca R
Mg R
31
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CAPÍTULO 3.
Para regenerar el suavizador, una solución fuerte de salmuera es usada. La solución
fuerte de salmuera forzará al calcio y al magnesio de regreso a la solución. Los cationes
de sodio se adhieren a la resina para mantenerla eléctricamente neutra.
Sodio
2Na+
2Na+
Resina Agotada
+
+
Ca R
Mg R
-------------------------------------
Resina
Na2R
Na2R
Dureza
+
+
Ca++
Mg++
Hay cuatro pasos básicos en la operación de un suavizador.
1. El contralavado. En el paso del contralavado, agua fresca fluye en una dirección
hacia arriba a través de la cama de resina. La resina es expandida y los sólidos en
suspensión que tienen una gravedad específica más baja que la resina son drenados.
La cama es empacada otra vez por el flujo de servicio, así que el contralavado afloja la
cama para un mejor contacto en los pasos de salmuera.
2. Salmuera y enjuague lento. En este paso, una cantidad medida de salmuera es
traída del tanque de salmuera y fluye lentamente hacia abajo a través de la cama de
resina. Después de que se introduce el monto medido de salmuera, un ciclo de
enjuague lento limpia la solución de salmuera de la cama de resina. La resina retiene el
sodio y el calcio y magnesio son drenados.
3. Enjuague rápido. El enjuague rápido lava la resina en un flujo hacia abajo para
asegurar que toda la salmuera haya sido limpiada de la resina.
4. Servicio. El agua fluye a través de la cama de resina en un flujo hacia abajo, de tal
forma que se introduce agua suave a las líneas de servicio.
Si el agua tiene un contenido de dureza alta en sodio en sus sólidos disueltos habrá un
"sangrado" de dureza. Cuando el contenido de sodio en el agua es alto, la resina
tenderá a regenerarse mientras suaviza. La dureza se fugará de la resina y aparecerá
en el agua de servicio.
Todos los ablandadores de agua usan el mismo principio operacional. (Ver Fig. 3.11)
32
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CAPÍTULO 3.
FIGURA 3.11. Muestra de un suavizador de agua con tanque de salmuera.
3.1.4.3.
Control de Regeneración Automática.
La mayoría de los suavizadores de agua tienen un sistema automático de regeneración.
El tipo más básico tiene un cronómetro eléctrico que limpia y recarga el sistema en un
horario regular. Durante la recarga, el agua suave no está disponible.
El segundo tipo de control usa un computador que controla la cantidad de agua usada.
Cuando bastante agua ha pasado a través del depósito mineral como para haber
agotado los granos de sodio, la computadora acciona la regeneración.
Estos ablandadores tienen frecuentemente una capacidad de reserva de resina, para
que agua ablandada este disponible durante la recarga.
Un tercer tipo de control usa una escala mecánica para medir la cantidad de agua
usada y para poner en acción la recarga. La ventaja de este sistema es que no hay
componentes eléctricos, y el depósito mineral sé recarga solo cuando es necesario.
Cuando está equipado con dos depósitos de minerales, el agua suave está siempre
disponible, aun cuando la unidad está recargando.
El pretratamiento de ablandadores de agua o intercambio iónico del agua es esencial
para cuando se usan equipos de osmosis inversa.
3.1.5. Sistemas de osmosis inversa.
La ósmosis es un fenómeno que consiste en el paso del solvente de una disolución
desde una zona de baja concentración de soluto a una de alta concentración separadas
por una membrana semipermeable.
33
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CAPÍTULO 3.
FIGURA 3.12. Osmosis normal, equilibrio de presión osmótica y osmosis inversa.
Una membrana semipermeable contiene muchos poros, al igual que cualquier otra
membrana. El tamaño de los mismos es tan minúsculo que deja pasar las moléculas
pequeñas pero no las grandes. Por ejemplo, deja pasar las moléculas de agua que son
pequeñas, pero no las de azúcar que son muy grandes.
Debido a la temperatura, las moléculas se mueven de un lado para otro. Las moléculas
de agua pasan por los poros en ambas direcciones: de la zona de agua pura a la de
agua con azúcar y viceversa. Las moléculas de azúcar también se mueven, pero al no
poder atravesar la membrana, rebotarán en ella, aunque algunas, momentáneamente
obstruyan los poros.
En la zona de agua de baja concentración, todas las moléculas que llegan a los poros
son de agua y la atraviesan. En la zona de alta concentración llegan a los poros
moléculas de agua y moléculas de azúcar; por tanto, habrá menos moléculas de agua
capaces de atravesar la membrana hacia la zona del agua pura.
El resultado final es que aunque el agua pasa de la zona de baja concentración a la de
alta concentración y viceversa, hay más moléculas de agua que pasan desde la zona
de baja concentración a la de alta. Dicho de otro modo, dando el suficiente tiempo,
parte del agua de la zona sin azúcar habrá pasado a la de agua con azúcar. El agua
pasa de la zona de baja concentración a la de alta concentración.
Lo explicado para agua y azúcar puede aplicarse a cualquier tipo de moléculas con
tamaños diferentes. (Ver Fig. 3.12)
34
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
3.1.5.1.
Osmosis inversa.
Lo descrito hasta ahora es lo que ocurre en situaciones normales, en las que los dos
lados de la membrana están a la misma presión, pero si se aumenta la presión del lado
de la solución con mayor concentración, puede lograrse que el agua pase desde el lado
de alta concentración al de baja concentración. Se puede decir que se está haciendo lo
contrario de la ósmosis, por eso a este fenómeno se le llama ósmosis inversa. Debe
tenerse en cuenta que en la ósmosis inversa a través de la membrana semipermeable
sólo pasa agua. Es decir, el agua de la zona de alta concentración pasa a la de baja
concentración.
Si se tiene agua con contaminante "x" cuyas moléculas tienen un tamaño de "y" micras,
siendo "y" mayor que el tamaño de la molécula de agua y se busca una membrana
semipermeable que deje pasar moléculas de tamaño igual a las del agua pero no de
tamaño "y" similar a las del contaminante, al aplicar presión (ósmosis inversa) se
obtendrá agua sin contaminante.
La osmosis inversa consiste en separar un componente de otro en una solución,
mediante las fuerzas ejercidas sobre una membrana semipermeable. (Ver Fig. 3.13)
FIGURA 3.13. Presión del lado de la solución con alta concentración.
El solvente pasará en el sentido indicado hasta alcanzar el equilibrio. Si se agrega a la
solución más concentrada, energía en forma de presión, el flujo de solvente se detendrá
cuando la presión aplicada sea igual a la presión osmótica aparente entre las dos
soluciones. Esta presión osmótica aparente es una medida de la diferencia de energía
potencial entre ambas soluciones. (Ver Fig. 3.14)
35
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
FIGURA 3.14. El agua se limpia y aumenta el nivel del lado del agua.
La osmosis inversa logra separar del agua previamente tratada en los procesos
anteriores los sólidos disueltos, orgánicos, pirogénicos, la materia coloidal
microorganismos, virus, y bacterias del agua. La ósmosis inversa es capaz de quitar
entre 95% y 99% de los sólidos disueltos totales (TDS) y el 99% de todas las bacterias,
proporcionando así un agua segura.
Los componentes básicos de una instalación típica de osmosis inversa consisten en un
tubo de presión conteniendo la membrana, aunque normalmente se utilizan varios de
estos tubos, ordenados en serie o paralelo.
Una bomba suministra en forma continua el fluido a tratar hacia los tubos de presión y,
además, es la encargada de suministrar la presión necesaria para iniciar el proceso.
Una válvula reguladora en la corriente de concentrado es la encargada de controlar la
misma dentro de los elementos (se denominan así a las membranas convenientemente
dispuestas). (Ver Fig. 3.15)
FIGURA 3.15. Principio de funcionamiento de ósmosis inversa.
36
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Hoy en día, hay tres configuraciones posibles de la membrana: elemento tubular,
elemento espiral y elemento de fibras huecas.
Más del 60% de los sistemas trabajan con elementos en espiral debido a dos ventajas
apreciables:
1.- Buena relación área de membrana/volumen del elemento.
2.- Diseño que le permite ser usado sin dificultades de operación en la mayoría de las
aplicaciones, ya que admite un fluido con una turbiedad más de tres veces mayor que
los elementos de fibra hueca.
En la actualidad estos elementos se fabrican con membranas de acetato de celulosa o
poliamidas y con distinto grados de rechazo y producción. Con un promedio de 0.001
mm, las bacterias son aproximadamente mil veces más grandes que los minúsculos
poros. Puede prescindirse casi por completo del uso de sustancias químicas.
La tecnología del proceso de ósmosis inversa es bien conocida por su efectividad para
reducir el total de sólidos disueltos y también contaminantes iónicos específicos.
En recientes pruebas, la Agencia de Protección Ambiental (EPA/USA) ha demostrado
que el proceso es muy efectivo en la reducción de contaminantes orgánicos como los
trihalometanos, los productos químicos volátiles (VOC´s) y los productos químicos
sintéticos (SOC´s).
Al porcentaje del agua purificada sobre el total del agua alimentada se le da el nombre
de "recuperación". La recuperación es una variable de diseño del sistema y debe ser
respetada. Si la recuperación es muy alta, se tendrá mayor flujo de permeado y en
consecuencia mayores probabilidades de que la membrana falle por taponamiento. Si la
recuperación es muy baja, se desperdiciará mucha agua.
A medida que se aplique más presión a la solución más concentrada, el agua empezará
a fluir de la solución con más concentración a la de menos concentración. La cantidad
de agua filtrada depende de la presión aplicada a la solución de más concentración, de
la presión osmótica aparente, y del área de la membrana que esta siendo presurizada.
La presión requerida para sobreponerse a la presión osmótica depende de la
concentración molar de la solución y de la temperatura absoluta, 100 mg/l de sólidos
disueltos son equivalentes a aproximadamente 1 psi de presión osmótica.
Las novedades del diseño y desempeño de la osmosis inversa son:
Entre un 90% y 99% de remoción incluyendo flúor, sodio, calcio y metales
pesados.
Mas de un 99.9 % de rechazo de orgánicos incluyendo bacterias, virus,
pirógenos, sucrosa, colorantes y otros orgánicos pequeños.
37
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
La Fig. 3.16 muestra los componentes básicos que conforman a un sistema de osmosis
inversa.
FIGURA 3.16. Elementos que componen al sistema de osmosis inversa.
Las ventajas de la osmosis inversa son:
Se usa la energía necesaria para operar la osmosis inversa (presión) que puede
ser producida por bombas con motores eléctricos o de combustible.
Altos potenciales eléctricos como los usados en la electrodiálisis no son
necesarios.
Con la excepción de bombas no hay partes móviles en el sistema de osmosis
inversa.
El sistema opera continuamente con muy poco o sin mantenimiento.
Las membranas pueden ser diseñadas para separar diferentes porcentajes de
iones.
No hay que suministrarle calor al sistema y no es necesario un cambio de fases
para efectuar la separación. Esto es muy importante en comidas con un sabor
desagradable al calor.
Los requerimientos de energía son muy bajos, como no hay necesidad de "calor
de transición" dado en el cambio de fases.
38
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Las limitaciones básicas en la osmosis inversa son:
El pH de el agua de suministro debe estar siempre del lado ácido para evitar la
hidrólisis de la membrana (opera mejor en un pH de 5.0 a 7.0)
El acetato de celulosa es muy susceptible a la hidrólisis microbial.
La temperatura de proceso no debe exceder los 75-80ºF si se espera una vida
alargada de la membrana.
La vida de la membrana es de uno a tres años dependiendo del pH y la presión.
Los equipos de ósmosis inversa se fabrican para capacidades hasta de 757,000 litros
diarios en equipos comunes, pero se pueden suministrar equipos para satisfacer la
demanda de agua que se requiera.
3.1.6. Purificación por rayos UV.
Los sistemas UV (ultravioleta) proveen protección contra enfermedades ya que
destruyen los microorganismos contenidos en el agua antes de que esta llegue a su
destino final.
Desinfectan el agua usando alta densidad de energía de luz UV. Al no utilizar químicos,
no deja residuos o productos secundarios en el agua ni altera su sabor, olor o claridad.
Los filtros no destruyen a los microorganismos patógenos. Dependiendo de la
porosidad del mismo, los virus o bacterias quedan atrapados y pueden reproducirse,
sobre todo en el filtro de carbón activado, provocando así que haya más bacterias en el
agua.
Los filtros son dispositivos bacteriostáticos. Bacteriostático se refiere a dispositivos que
no permiten la reproducción de microorganismos. Esto no quiere decir que los destruya,
solo que no permite su reproducción, es decir, si al filtro entran 50 bacterias, no se
podrán desarrollar más, pero en ningún caso las elimina. Normalmente, son los filtros
de carbón activado con algún contenido de plata o de KDF, a los que se les conoce
como bacteriostáticos.
Los purificadores UV son dispositivos bactericidas. Bactericida se refiere a los sistemas
que sí destruyen a los microorganismos que causan enfermedades. Los purificadores
UV son bactericidas bastante eficientes sin dejar residuos químicos. (Ver Fig. 3.17)
La aplicación de rayos ultravioleta en desinfección de agua es una opción muy atractiva
y confiable, comparada con el uso del cloro, que en cantidades no controladas y en
combinación con materia orgánica y algunos derivados del petróleo pueden ser dañinos
para algún organismo vivo.
39
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Los purificadores de agua con luz ultravioleta son equipos diseñados para desinfectar
agua al pasarla por una cámara de desinfección que cuenta en su interior con una
lámpara de rayos ultravioleta (tubo de cuarzo), logrando alterar el ADN de los
microorganismos, esterilizándolos, evitando de esta forma que puedan reproducirse y
así ser inofensivos para animales y seres humanos.
FIGURA 3.17. Purificador UV.
El tubo de cuarzo está elaborado con cristales de alta pureza, los cuales se funden a
muy alta temperatura. El propósito del tubo de cuarzo es aislar la lámpara germicida
(foco) del contacto directo con el agua, evitando así un posible corto circuito, crear una
barrera térmica permitiendo a la lámpara germicida alcanzar la temperatura ideal de
operación 39ºC (104ºF) y aprovechar al máximo la radiación germicida UV emitida por
la lámpara para la purificación del agua, ya que el tubo de cuarzo de alta pureza solo
absorbe entre 2% y 4% de la radiación.
La fuente de luz ultravioleta es una fusión de un tubo de silicio-cuarzo, con un diámetro
comprendido entre 15 mm y 25 mm y con una longitud que va desde 100 mm hasta
1200 mm. El gas inerte con el cual el tubo es llenado proporciona la descarga primaria y
la acción necesaria para excitar y vaporizar los minúsculos depósitos de mercurio.
La baja presión de la lámpara UV es solo capaz de producir líneas entre 185 nm y 254
nm. Un aumento en el suministro causa que la lámpara de UV se caliente rápidamente
aumentando la presión del mercurio para producir la típica presión media espectral de
salida.
La dosis UV es el producto de la intensidad de UV (expresado como energía por unidad
de área).
Esto es comúnmente expresado como 1µJ/ cm2 (micro vatio segundo/cm2).
40
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
La energía de una lámpara germicida ultravioleta resulta letal a los microorganismos
que pudiesen estar presentes como: cólera, disentería, amibas, tifo, difteria, etc.
La energía necesaria para eliminar cualquiera de las bacterias mencionadas, oscila
entre los 4,000 y 10,000 µW/cm2 (micro watts sobre centímetro cuadrado). Las
lámparas germicidas emiten una energía superior a los 30,000 µW/cm2, por lo que los
procesos de producción en los que se requiere de agua, estarán completamente
seguros al consumir agua 100% purificada, libre de virus o bacterias.
Los equipos son armados sobre una base metálica, las conexiones hidráulicas de
entrada y salida son roscadas, se requiere de una fuente de corriente eléctrica de 120 V
y 60 Hz en donde se conecta la clavija del equipo, mismo que tiene un interruptor
eléctrico.
Debido a que los microbios podrían escudarse en las partículas suspendidas
(turbiedad) en el agua, es necesario remover dichas partículas. Se recomienda una
filtración previa con un grado nominal de por lo menos 10 micras (µm).
En otras palabras, el equipo purificador UV no debe operar solo, a menos que la calidad
del agua lo permita, por estar dentro de los siguientes niveles:
Menos de 5 NTU* de turbidez.
Menos de 0.3 partes por millón (ppm) de hierro.
Menos de 0.05 ppm de ácido sulfhídrico.
Menos de 10 ppm de sólidos suspendidos.
Menos de 0.05 ppm de manganeso.
Dureza menor a 120 ppm.
pH entre 6.5 a 9.5.
Color: ninguno.
El purificador UV debe ser el último sistema de tratamiento del agua y debe instalarse
después de los filtros. Instalar algún otro filtro después del purificador UV puede
contaminar el agua nuevamente.
El mantenimiento básico de estos equipos es cuidar que el agua que entra al equipo no
contenga partículas suspendidas, se recomienda remplazar cada seis meses de
operación las lámparas de luz ultravioleta por otras nuevas y los tubos de cuarzo ser
lavados con amoniaco líquido para garantizar su transparencia.
La vida útil de los prefiltros depende, en gran medida, de la calidad del agua que se
está tratando. De 4 a 6 meses es la vida normal, pudiendo variar de 1 a 3 meses en
época de lluvia, que es cuando aumenta significativamente la cantidad de sedimentos y
de materia orgánica en el agua.
Es muy importante que el sistema opere dentro del flujo especificado para cada equipo.
Se recomienda instalar restrictores para controlar el flujo de entrada a la unidad.
41
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Los equipos UV no tienen nada en su interior que detenga el paso del agua, están
diseñados con conexiones de entrada y salida del tamaño adecuado para la aplicación
específica. La caída normal de presión en sistemas UV (con prefiltros) es de 2-3 libras
por pulgada cuadrada (psi) (100 psi = 6.89 bar).
Existen diferentes modelos en capacidades que van desde 4 litros por minuto (lpm)
hasta 1,500 lpm. El equipo promedio para casa habitación con 2-1⁄2 baños es uno que
proporcione 30 lpm.
Conocer como está diseñada la red de distribución, si hay cisterna, tinacos o
hidroneumático, además de conocer la cantidad de servicios que se alimentará (WC,
duchas, lavabos, tarjas, etc.) es muy importante para determinar el equipo adecuado.
No se debe calcular el equipo por debajo de sus necesidades, en caso de duda,
siempre debe seleccionarse el equipo inmediatamente superior.
3.2.
Condiciones de operación del sistema de reutilización de aguas.
El agua proveniente de los departamentos es dirigida hacia el tanque receptor (TR-01),
en donde a través de una toma es transferida a un segundo tanque (TR-02).
El agua que se encuentre almacenada en el tanque receptor (TR-02) complementario
es enviada hacia una trampa de grasas (TG-01), en donde se elimina el exceso de las
mismas.
Después, el agua es bombeada hacia cinco procesos diferentes, que consisten en, un
proceso de filtración (FM-01), uno de adsorción en carbón activado (FCA-01), uno para
suavizar el agua (SA-01), el de osmosis inversa (SOI-01) y por ultimo purificación a
través de rayos UV (PUV-01).
Finalmente el agua tratada es dirigida al tanque de almacenamiento (TA-01), no sin
antes analizar su composición, que en caso de cumplir con los criterios requeridos por
la Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA1-1994, podrá ser bombeada hacia la parte
superior del edificio para su distribución.
Cuando el tanque de recepción TR-02 se encuentre casi vacío, el indicador de nivel
LSL-01 detectará la falta de líquido y enviará una señal eléctrica a la electroválvula FV01B para permitir el paso de agua de servicio y así garantizar el suministro del líquido.
Al mismo tiempo, este indicador manda a parar las bombas BA-01 y BA-02 para que no
operen en seco.
Cuando el nivel de agua en el tanque TR-02 llegue a una altura adecuada, el indicador
de nivel LSL-01 dejará de enviar la señal eléctrica para que la electroválvula FV-01B
cierre y no permita el paso de agua de suministro y las bombas vuelvan a operar
correctamente.
42
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
De igual forma, cuando el tanque de recepción TR-02 registre un alto nivel por medio
del indicador LSH-01, este enviará una señal eléctrica para abrir la válvula FV-01A y
permitir el paso del agua gris hacia el drenaje, ya que de lo contrario el líquido puede
derramarse de los tanques de recepción.
Cuando el tanque de almacenamiento TA-01 se encuentre casi vacío, el indicador de
nivel LSL-02 detectará un bajo nivel de líquido y enviará una señal eléctrica a la bomba
sumergible BS-01 para que deje de operar. Esta condición se alcanza de forma poco
común ya que la bomba tiene un sistema de protección propio que la controla en esos
casos, además que depende de una falta de suministro tanto del agua tratada como del
agua de servicio.
Así también, cuando el tanque de almacenamiento TA-01 registre un alto nivel, el
indicador LSH-02 generará una señal eléctrica que manda a cerrar la válvula FV-02 y
detiene el funcionamiento de las bombas BA-01 y BA-02.
De cualquier otra forma con un nivel medio en el tanque de almacenamiento de agua
tratada TA-01 y un nivel medio en el tanque de recepción de aguas grises TR-02, el
proceso se desarrolla de forma normal, hasta presentarse alguna de las condiciones
anteriores.
Finalmente, se hace un análisis de la calidad del producto, que en este caso es el agua
tratada, a través de dispositivos que miden las variables de color (XA-01), pH (XB-01),
turbidez (XD-01) y sólidos en suspensión (XE-01). Cualquier variable fuera del punto de
operación previamente determinado genera una señal eléctrica, a través del controlador
XC-01, para cerrar la válvula XV-01A y evitar que agua sin la calidad establecida por la
norma entre al tanque de almacenamiento TA-01. Esta misma señal manda a abrir la
válvula XV-01B para que el agua de servicio alimente al tanque de almacenamiento y
se asegure el servicio.
El reestablecimiento del lazo de control se lleva a cabo de forma manual por medio del
retorno de los dispositivos a sus condiciones iniciales y al realizar una revisión
presencial del sistema.
En términos generales esta es la explicación básica del funcionamiento y de la
construcción del sistema de reutilización de aguas grises en un edificio multifamiliar.
43
WATER WISELY
3.3.
CAPÍTULO 3.
Cálculo de tubería.
Para el cálculo de la tubería se deben tomar en cuenta los siguientes datos:
Consumo promedio por habitante en la zona metropolitana de la ciudad de
México
327
lts
dia
Aplicando el principio de Pareto, se tiene que el 80% del agua se consume y el
20% se desecha como agua gris, por lo tanto:
327
lts
d ia
X
100%
20%
Con esta relación es calculada la cantidad de agua que un habitante genera en
promedio :
65.4
lts
dia
de agua gris
Teniendo el cálculo de la cantidad de agua gris que genera un habitante, ahora
se debe calcular el número de habitantes en el edificio multifamiliar.
DATOS:
15 Pisos tiene el edificio.
8 departamentos por piso.5 habitantes por departamento.
65.4 litros/día de agua gris promedio por habitante.
Por lo tanto,
(15)(8)(5)(65.4)= 39240
lts
de agua gris en total generada en el edificio.
dia
44
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Lo que es igual a:
Q = 27.80 litros/min generados en el edificio.
Con esto resolvemos que el diámetro de la tubería es:
Q  v * A A 
Q  27.8
v  1.5
m
s
Q
v
litros
m3
 0.0004633
min
s
**
**La velocidad máxima para diseño de impulsión de drenaje típica es de 1.5 m / s. Esta
velocidad asegura la autolimpieza de la línea. La velocidad puede ser mayor, sin
embargo deben revisarse aspectos como el aumento en la magnitud de las sobre
presiones por golpe de ariete y el incremento en las pérdidas por fricción y consumo de
energía, entre otras cosas. La velocidad mínima recomendable para un emisor a
presión de aguas residuales debe ser de 1.0 m / s ya que es la mínima velocidad
requerida para suspender el contenido de sólidos propio de las aguas residuales una
vez que estos hayan tenido la oportunidad de sedimentarse durante periodos sin
bombeo.
0.0004633
A
1.5
m
s
m3
s  0.00030889m 2
 Di 2
4A
4(0.00030889m 2 )
A
 Di 

 0.01983m
4


Di  1.983cm  19.83mm  0.7807in  3 in
4
Se observa que, de acuerdo a los cálculos realizados, el diámetro de la tubería debería
ser ¾ de pulgada, sin embargo, debido a la naturaleza del agua gris, es decir, a sus
propiedades de origen como son agua de lavabo, de lavadero, de lavadora, de
fregadero, etc., podría darse el caso en que el agua contenga pequeñas partes de
sólidos en suspensión.
45
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Por eso se ha decidido elegir un tamaño mayor de diámetro, proponiéndose una tubería
con 15 mm más, lo que arroja una tubería de 35 mm de diámetro o 1 ¼ pulgadas.
Dig=1 ¼ in
Según la “Ley de la Conservación de la Masa” propuesta por Antoine Laurent de
Lavoisier (1743-1794), se establece que en cualquier reacción química la masa se
conserva, es decir, la masa y la materia ni se crean ni se destruyen, sólo se transforman
y permanecen invariables.
Bajo esta premisa se establece que el diámetro de la tubería que llevará el agua filtrada
hacia los departamentos para su reutilización es el mismo que el diámetro utilizado para
transportar y recibir el agua proveniente de los departamentos.
El diámetro de la tubería de agua tratada es:
Dit=1 ¼ in
Para el cálculo de la longitud total de la tubería necesaria para cubrir todo el proceso se
deben realizar los siguientes cálculos:
La Tabla 3.1 muestra la red de tuberías para el agua gris 1 ¼” (dos
departamentos).
Tipo
Codo 90°
Codo 45°
Tee 90°
Tee 45°
Coples
Número
18
3
12
1
8
Tabla 3.1. Elementos para agua gris.
Longitud de la tubería (ducto) = 2.6 m
Longitud de la tubería (departamentos) = 38.84 m
Longitud total = 41.44 m
46
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
La Tabla 3.2 muestra la red de tuberías para el agua tratada 1 ¼ “ (dos
departamentos).
Tipo
Codo 90°
Tee 90°
Cruz
Coples
Llave de agua
Número
11
3
1
6
1
Tabla 3.2. Elementos para agua tratada.
La Tabla 3.3 muestra la red de tuberías para el agua gris 1 ¼” (un piso)
Tipo
Codo 90°
Codo 45°
Tee 90°
Tee 45°
Coples
Número
72
12
48
4
32
La Tabla 3.4 muestra la red de tuberías para el agua tratada 1 ¼ “ (un piso)
Tipo
Codo 90°
Tee 90°
Cruz
Coples
Llave de agua
Número
44
12
4
24
4
Tabla 3.4. Elementos para agua tratada.
47
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
La Tabla 3.5 muestra la red de tuberías para el agua gris 1 ¼” (edificio)
Tipo
Codo 90°
Codo 45°
Tee 90°
Tee 45°
Coples
Número
1080
180
720
60
480
Longitud de la tubería (ducto) = 156 m
La Tabla 3.6 muestra la red de tuberías para el agua tratada 1 ¼ “ (edificio)
Tipo
Número
Codo 90°
660
Tee 90°
180
Cruz
60
Coples
360
Llave de agua
60
TABLA 3.6. Elementos para agua tratada.
Longitud de la tubería (ducto) = 156 m
La Tabla 3.7 muestra la red de tuberías para el tinaco (agua tratada) 1 ¼”
Tipo
Número
Codo 90°
4
Longitud total = 2 m
48
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
La Tabla 3.8 muestra la red de tuberías para el sistema (agua gris) 1 ¼“
Tipo
Número
Codo 90°
5
Tee 90°
1
Cruz
1
TABLA 3.8. Elementos para agua gris.
La Tabla 3.9 muestra la red de tuberías para el sistema (agua tratada) 1 ¼”
Tipo
Número
Codo 90°
5
Tee 90°
1
Cruz
1
Tomando en cuenta todos los datos anteriores referidos a las longitudes de las tuberías,
finalmente se determinan las longitudes totales, tanto para la red de aguas grises como
la de red de agua tratada:
Agua gris
LONGITUD DE LA TUBERÍA = 2529.7 m
Agua tratada
LONGITUD DE LA TUBERÍA = 1458.96 m
49
WATER WISELY
3.4.
CAPÍTULO 3.
Elección de los elementos para la construcción del sistema de
Cuando ya se ha dado una descripción previa de todos los elementos que se van a
utilizar, siempre será necesario seleccionar aquellos que se adapten a las necesidades,
así como a las posibilidades económicas del cliente.
3.4.1. Equipo de recepción y almacenamiento.
3.4.1.1.
Tanques de recepción.
Esta parte del proceso consiste en dos depósitos de agua gris generada en el edificio
multifamiliar.
Se utilizará un depósito acumulador que puede entenderse como un simple tinaco o
tanque de recepción que servirá para recibir las aguas grises provenientes del edificio
multifamiliar. Con esto se reduce la velocidad del flujo de entrada para tenerlo más
controlado al pasarlo por el proceso.
Sirve también como una primera etapa de sedimentación, por lo tanto deberá ser un
tinaco que evite la reproducción de bacterias o bien, podrán ser tanques con
recubrimiento de pintura epóxica. Otra función es retener cierta cantidad de agua por un
periodo de tiempo hasta que se requiera su uso.
3.4.1.2.
Tanque de almacenamiento.
Esta etapa del proceso consiste en depósitos acumuladores de agua.
Sin embargo, se trata del producto obtenido del proceso de filtración, es decir, agua
lista para su reutilización en la limpieza y descarga del retrete en los departamentos. El
tanque es un simple tinaco o tanque de almacenamiento, por lo tanto deberá ser un
tinaco que evite la reproducción de bacterias o bien, podrán ser tanques con
recubrimiento de pintura epóxica.
Para ambas aplicaciones se utilizarán tinacos como los que se muestran en la Fig. 3.18:
50
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Figura 3.18. Tinaco recomendado para usarse como tanque receptor y tanque de almacenamiento.
Características de este sistema de almacenamiento:
Capacidad de 1100 litros cada uno.
Capa exterior negra que impide el paso de la luz, evitando el desarrollo
de microorganismos.
Capa interior blanca que facilita la limpieza porque es lisa, nada se le pega;
para observar la claridad del agua.
Tapa Click. Impide el paso de la tierra por su cierre, además que evita la fuga de
olores.
Único aprobado por la norma mexicana para construcción y fabricación de
tinacos (NMX-C-374-1993-SECOFI). Plástico aprobado para contener alimentos.
3.4.2. Bomba.
El agua gris generada en el edificio llega a los tanques receptores por medio de la
aceleración de la gravedad, evitando así el uso de una bomba para recolectarla. Sin
embargo, una vez que se ha filtrado y se ha comprobado su calidad para poder ser
reutilizada, debe ser distribuida a todos los departamentos para su uso. Cumplir con
esta tarea requiere el uso forzoso de una bomba para, una vez en la parte superior del
edificio, pueda usarse de nuevo la gravedad y con esto reducir el costo en la etapa de
redistribución.
51
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Para calcular la potencia de la bomba necesaria para elevar el agua tratada hasta la
parte superior del edificio se usará la Tabla 3.10 que ha sido editada por la firma de
ingeniería Crane en su libro “Flujo de fluidos en tuberías, válvulas y accesorios”.
Los datos necesarios para hacer el cálculo de potencia de la bomba son:
Q = 27.80 litros/min
H = Altura a la que deseo llevar el líquido.
Número de pisos que tiene el edificio = 16
Altura de cada piso = 2.6 m
(16 pisos)*(2.6m) = 41.6 m
Se observa que los cálculos arrojan una altura total de 41.6 m, sin embargo es
necesario un metro extra para poder darle forma a la instalación de la tubería, así
mismo, aprovechar esa altura para que el agua tratada pueda llegar con la potencia
requerida a cada uno de los departamentos del edificio.
De esta forma se propone que la altura real para ser tomada en cuenta sea de:
H = 42.6 m
Lo siguiente es solamente encontrar los datos calculados en la tabla y esta sugerirá una
potencia para la bomba.
La tabla 3.7 muestra que para los siguientes datos:
Q = 40 litros/min
H = 45m
T = 15°C.
La potencia requerida en la bomba es de 0.294 kW.
Si 1kW equivale a 1.340 hp entonces 0.294kW son 0.3940 hp.
La potencia de la bomba que se necesita para llevar el agua tratada a la parte superior
del edificio es de:
P = 0.3940 Hp.
52
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Tabla 3.10 Potencia requerida para bombeo.
La Figura 3.19 muestra una bomba sumergible de la gama DX de la marca Flygt,
compacta, de altas presiones, con cuerpo de bomba y carcasa de motor en acero
inoxidable, las cuáles se encuentran disponibles con impulsor tipo vórtex ó de canal.
Este modelo de bomba tiene las siguientes características.
Potencias de 0,55 a 0,75 kW, monofásicas y 0,55 a 1,1 kW, en versión
trifásica.
Aplicaciones de vaciado de tanques, recogida de aguas negras.
Drenaje de pasos subterráneos, tanques y depósitos, zanjas y pozos.
Transferencia de agua sucia.
Transferencia de agua limpia y contaminada.
Drenajes de emergencia en caso de inundaciones.
Transferencia de agua subterránea.
53
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Figura 3.19 Bomba hidráulica propuesta para utilizarse en el proceso.
3.4.3. Electroválvula.
Una electroválvula es un dispositivo diseñado para controlar el flujo de un fluido a través
de un conducto como puede ser una tubería. La electroválvula solamente tiene dos
estados, abierto y cerrado, y no sirve para modular el flujo.
Una electroválvula tiene dos partes fundamentales: el solenoide y la válvula. El
solenoide convierte energía eléctrica en energía mecánica para actuar la válvula.
Existen varios tipos de electroválvulas, en algunas de ellas el solenoide actúa
directamente sobre la válvula proporcionando toda la energía necesaria para su
movimiento. Es común que la válvula se mantenga cerrada por la acción de un muelle y
que el solenoide la abra venciendo la fuerza del muelle.
Esto quiere decir que el solenoide debe estar activado y consumiendo potencia
mientras la válvula deba estar abierta.
Las electroválvulas pueden ser cerradas en reposo o normalmente cerradas lo cual
quiere decir que cuando falla la alimentación eléctrica quedan cerradas o bien pueden
ser abiertas en reposo o normalmente abiertas lo cual quiere decir que quedan abiertas
cuando no hay alimentación.
54
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
La figura 3.20 muestra el funcionamiento de este tipo de válvula. En la parte superior
vemos la válvula cerrada. El agua bajo presión entra por A. B es un diafragma elástico y
tiene encima un muelle que le empuja hacia abajo con fuerza débil. La función de este
muelle no es de interés por ahora ya que la válvula no depende de él para mantenerse
cerrada.
El diafragma tiene un diminuto orificio en el centro que permite el paso de un pequeño
flujo de agua. Esto hace que el agua llene la cavidad C y que la presión sea igual en
ambos lados del diafragma.
Mientras que la presión es igual a ambos lados, vemos que actúa en más superficie por
el lado de arriba que por el de abajo por lo que presiona hacia abajo sellando la
entrada.
A
B
C
D
E
F
Entrada
Diafragma
Cámara de Presión
Conducto de vaciado de presión.
Solenoide
Salida
Figura 3.20 Muestra interna de una electroválvula.
Cuanto mayor sea la presión de entrada, mayor será la fuerza con que cierra la válvula.
Ahora se estudia el conducto D. Hasta ahora estaba bloqueado por el núcleo del
solenoide E al que un muelle empuja hacia abajo.
Si se activa el solenoide, el núcleo sube y permite pasar el agua desde la cavidad C
hacia la salida con lo cual disminuye la presión en C y el diafragma se levanta
permitiendo el paso directo de agua desde la entrada A hasta la salida F de la válvula.
Esta es la situación representada en la parte inferior de la figura 3.20.
55
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Si se llegara a desactivar el solenoide nuevamente, se vuelve a bloquear el conducto D
y el muelle situado sobre el diafragma necesita muy poca fuerza para que vuelva a
bajar ya que la fuerza principal es ejercida por el propio fluido en la cavidad C.
De esta explicación se deduce que este tipo de válvula depende, para su
funcionamiento, de que exista mayor presión a la entrada que a la salida y que si se
invierte esta situación entonces la válvula abre sin que el solenoide pueda controlarla.
La electroválvula debe ser instalada en tuberías de PVC, y se logra pegando o
roscando directamente la electroválvula en la línea de proceso. Las válvulas para
montaje en tuberías de PVC tienen características especiales o diferentes que válvulas
que se montan en tuberías de otra naturaleza. Un ejemplo de esto es que están
constituidas de materiales más ligeros, principalmente de plástico, que sirve también
para detener la corrosión. Otros materiales son PVC-U, PVC-C, y polipropileno.
El tipo de válvula que mejor se acomoda a las necesidades de “Water Wisely”, es de
mariposa (Fig. 3.21), con asiento de tipo casquillo ya que con estas características se
logra eliminar la deformación por deslizamiento, reduce el torque operacional y tiene un
cierre positivo. La válvula de mariposa es apropiada para el control y el
estrangulamiento de flujo.
Figura 3.21. Despiece de válvula de mariposa.
Se requiere también que el disco se eleve rápidamente desde el asiento con el fin de
reducir el desgaste y reducir el torque operacional. El enclavamiento del cuerpo y el
asiento previene la pérdida de presión o el estrangulamiento.
Otra característica de la electroválvula es que tiene un diafragma totalmente apoyado y
cautivo, que descansa sobre un robusto anillo de soporte. Altas presiones y flujos
rigurosos pueden dañar frecuentemente el diafragma, sin embargo el anillo de apoyo
impide fallos prematuros.
La Figura 3.22 los nombres de las partes más importantes de una válvula tipo mariposa
son:
56
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Figura 3.22. Partes de una válvula de mariposa.
La Figura 3.23 muestra la composición de la electroválvula e instalación y su montaje
en la línea del proceso.
Figura 3.23 Composición de la electroválvula e instalación y montaje en la línea de proceso.
57
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
3.4.4. Tubo Sanitario de PVC.
Esta tubería esta fabricada cumpliendo con la Norma Mexicana NMX - E - 199 - SCFI.
Figura 3.24 Tubo sanitario PVC.
3.4.4.1.
Características de la Tubería de PVC Sanitaria.
PROPIEDAD
VALOR
Manning 0.009
Coeficiente de rugosidad
Hazen Williams 150
Módulo de elasticidad
28,100 kg/cm2
Hermeticidad
Total
Tabla 3.11. Características de la tubería de PVC
Diámetro Nominal
Diámetro exterior Tolerancia
+-
Espesor de la pared
Tolerancia
mm
(+) mm
mm
mm
40
40
0.2
0.3
1.8
0.4
50
50
0.2
0.3
1.8
0.4
75
75
0.3
0.3
1.8
0.4
110
110
0.3
0.4
2.3
0.4
160
160
0.4
0.5
3.3
0.5
200
200
0.4
0.6
4.0
0.6
Tabla 3.12. Características de la tubería de PVC
58
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
3.4.4.2.
Ventajas del uso de la tubería de PVC.
Unión hermética
El diseño de la unión espiga-campana no permite infiltración ni exfiltración, lo que
impide la contaminación del agua.
Economía
Por su superficie interna lisa las pendientes se reducen considerablemente, obteniendo
menores volúmenes de excavación.
Mayor vida útil
No se ve afectada por la agresividad de los suelos, no permite la entrada de raíces y las
sustancias propias de un alcantarillado sanitario no la atacan.
Flexibilidad
Excelente comportamiento ante cargas vivas y muertas comparado con los materiales
tradicionales, que le permite ser alojada a las profundidades de proyecto sin problema
alguno.
Baja rugosidad
Coeficiente de rugosidad de Manning de 0.009, lo que significa una mayor eficiencia
hidráulica.
Ligereza
Por su peso por metro significativamente menor, el costo de manejo e instalación se
reduce considerablemente, logrando altos rendimientos de mano de obra.
Resistencia mecánica
La tubería de PVC es muy resistente a golpes y al trato normal en obra, desde luego
debe protegerse del manejo inadecuado y rudo.
59
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
3.4.4.3.
Limitaciones en el uso de tubería de PVC.
A temperaturas menores a 0ºC el PVC reduce su resistencia al impacto.
La tubería no debe quedar expuesta por periodos prolongados a los rayos
solares, pues esto pudiera alterar sus propiedades mecánicas.
La tubería de PVC es susceptible al daño al contacto con elementos punzo
cortantes.
3.5. Control de nivel.
En el punto 3.1, se explicó el principio de operación de cada uno de los procesos que,
conforme a la norma NOM-127-SSA1-1994, deben integrar el sistema de reutilización
de aguas grises. En el proceso de reutilización de aguas grises existen distintas
operaciones (trampas de grasas, filtración, adsorción, osmosis inversa) y procesos
unitarios (intercambio iónico, purificación por UV). En cada uno de estos procesos hay
parámetros y variables a supervisar y controlar como el nivel de grasa y de agua en la
trampa de grasas, la concentración de salmuera en un suavizador de agua, etc.
Esta tesis se enfoca exclusivamente al control de la variable nivel en los tanques de
recepción de aguas grises (TR-01 y TR-02)1 y en el tanque de almacenamiento de agua
tratada (TA-01), además del análisis de la calidad del agua tratada y la relación que
tiene el control de estas variables con otros dispositivos del sistema (válvulas y bombas
principalmente) y deja abierto el tratamiento y análisis de otras variables, equipos y
dispositivos a grupos y alumnos de otras generaciones que deseen retomarlo.
3.5.1. Introducción al control de procesos.
La ingeniería de medición y control se puede definir como el empleo de instrumentos
para la detección, el procesamiento de datos y la corrección de los datos procesados.2
Los procesos industriales no son estáticos, por el contrario, son muy dinámicos,
cambian continuamente debido a los muchos tipos de perturbaciones y precisamente
por eso se necesita que los sistemas de control vigilen continua y automáticamente las
variaciones que se deben controlar.
Un sistema de control está compuesto por varios pasos. El primer paso es medir la
variable de proceso también llamada variable controlada, mediante un sensor.
1
2
Para más referencia, consultar el DTI-STRA-01
Wim van den Kamp. “Teoría y práctica de medición de niveles”. Endress + Hauser. 2006.
60
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
El sensor se conecta físicamente al transmisor, el cual capta la salida del sensor y la
convierte en una señal lo suficientemente intensa como para transmitirla al controlador.
El controlador recibe la señal, que está en relación con la variable de proceso medida,
la compara con el valor que se desea y, según el resultado de la comparación, decide
qué hacer para mantener a la variable de proceso en el valor deseado. Con base en la
decisión, el controlador envía otra señal al elemento final de control, el cual, a su vez,
maneja a la variable manipulada, que es la que sirve como ayuda para mantener a la
variable de proceso o controlada dentro del rango de control.
Los cuatro componentes básicos de todo sistema de control son:
1. Sensor, que también se conoce como elemento primario.
2. Transmisor, el cual se conoce como elemento secundario.
3. Controlador, que es el “cerebro” del sistema de control.
4. Elemento final de control, frecuentemente se trata de una válvula de control
aunque no siempre. Otros elementos finales de control comúnmente utilizados
son las bombas de velocidad variable, transportadores y motores eléctricos.
La importancia de estos componentes estriba en que realizan las tres operaciones
básicas que deben estar presentes en todo sistema de control, estas operaciones son:
1. Medición (M): La medición de la variable que se controla se hace
generalmente mediante la combinación de sensor y transmisor.
2. Decisión (D): Con base en la medición, el controlador decide que hacer para
mantener la variable en el valor que se desea.
3. Acción (A): Como resultado de la decisión del controlador se debe efectuar
una acción en el sistema, generalmente ésta es realizada por el elemento final de
control.
Estas tres operaciones, M, D y A son obligatorias para todo sistema de control.
En algunos sistemas, la toma de decisión es sencilla mientras que en otros es más
compleja. El ingeniero que diseña el sistema de control debe asegurarse que las
acciones que se emprendan tengan efecto en la variable controlada, es decir, que la
acción emprendida repercuta en el valor que se mide de lo contrario el sistema no
controla y puede ocasionar más perjuicio que beneficio.
61
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Los siguientes términos son importantes en el control de procesos.
El primer término es variable controlada, ésta es la variable que se debe mantener o
controlar dentro de algún valor deseado.
El segundo término es punto de control, el valor que se desea tenga la variable
controlada.
La variable manipulada es la variable que se utiliza para mantener a la variable
controlada en el punto de control (punto de fijación o de régimen).
Finalmente, cualquier señal que ocasiona que la variable de control se desvíe del punto
de control se define como perturbación o trastorno; en la mayoría de los procesos existe
una cantidad de perturbaciones diferentes, sobre todo en la industria de procesos,
donde estas perturbaciones son la causa más común de que se requiera el control
automático de proceso; si no hubiera alteraciones prevalecerían las condiciones de
operación del diseño y no se necesitaría supervisar continuamente el proceso.
Circuito abierto o lazo abierto, se refiere a la situación en la cual se desconecta el
controlador del sistema, es decir, el controlador no realiza ninguna función relativa a
como mantener la variable controlada en el punto de control. Otro ejemplo en el que
existe control de circuito abierto es cuando la acción (A) efectuada por el controlador no
afecta a la medición (M). De hecho, ésta es una deficiencia fundamental del diseño del
sistema de control.
Control de circuito cerrado se refiere a la situación en la cual se conecta el controlador
al proceso. El controlador compara el punto de control (la referencia) con la variable
controlada y determina la acción correctiva.
Razones principales para el control de procesos.
1. Evitar lesiones al personal de la planta o mal funcionamiento del equipo. La
seguridad siempre debe estar en la mente de todos, ésta es la consideración
más importante.
2. Mantener la calidad del producto, composición, pureza, color, etc., en un nivel
continuo y con un costo mínimo.
3. Mantener la tasa de producción de la planta al costo mínimo.3
3
Carlos A. Smith. Armando B. Corripio “Control Automático de Procesos”. 1991
62
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
3.5.2. Medición y control de nivel.
El concepto general de medición de nivel se puede dividir en los términos siguientes:
1. Alarma o detección.
2. Control.
3. Indicación.
3.5.2.1. Alarmas.
El mejor modo de describir una alarma o detección es como una señal que avisa que se
ha detectado el valor límite, es decir, que en el proceso se ha sobrepasado una
cantidad predeterminada, como puede ser un nivel o un valor de la presión, o que esta
no se ha alcanzado.
A menudo, la salida de procesamiento de una alarma de nivel o, en términos prácticos,
un interruptor de nivel, es una salida de tipo relevador. (Ver Fig. 3.25)
Figura 3.25. Alarma de nivel.
3.5.2.2. Control.
En el caso más simple, un dispositivo de control es una alarma con una gran histéresis
de conmutación. Esto significa que a partir de la medición de un cierto valor empieza un
proceso y, por la histéresis de conmutación termina cuando se mide un segundo valor.
Este tipo de control suelen ser fiables, excepto en aquellos instrumentos que se han
diseñado específicamente para que tengan una histéresis de conmutación ajustable. A
menudo, los puntos de activación y desactivación están demasiado próximos y ello
produce una forma de control ultrasensible.
63
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Otro tipo de control es un interruptor de nivel de sonda gemela (Ver Fig. 3.25), como por
ejemplo, los interruptores de conductividad, en que mediante un contacto de
conmutación con una diferencia de conmutación determinada por la distancia entre las
dos ondas, se controlan dos puntos a la vez.
De este modo se fija el rango de señal y sólo se puede cambiar si se aumenta o
disminuye la distancia relativa de las sondas.
Sin embargo la mayoría de dispositivos de control se pueden configurar solo al cabo de
un tiempo de detección continua. Esto significa que primero se lleva a cabo una
medición en todo el fondo de escala 0-100% = 0-5 V, de 0-20 mA o 4-20 mA. Una vez
efectuada esta medición se emplean equipos externos para formar una función de
control mediante esta señal de salida para el nivel.
Figura 3.26. Ejemplo de un interruptor de nivel de sonda gemela.
La figura 3.27 muestra un controlador de nivel de sonda gemela.
64
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Figura 3.27. Controlador de nivel de sonda gemela.
3.5.2.3. Indicadores.
Una indicación es la determinación exacta del valor de una cantidad en cualquier
momento del proceso. Evidentemente, sólo se pueden obtener mediciones dentro del
rango del instrumento relevante. A parte de los sistemas de indicación directa, la
mayoría de los cuales funciona por medios mecánicos, todos los sistemas de medición
tienen una salida analógica de 0-20 mA o de 4-20 mA. Sin embargo los indicadores de
nivel más modernos orientados a bus, es decir, Profibus o Fieldbus Foundation solo
tienen salida digital de señal. (Ver Fig. 3.28)
A menudo resulta difícil para el usuario seleccionar el método de obtención de lectura
de nivel que se adapte mejor a las necesidades del proceso.
La solución al problema que implica seleccionar el instrumento de medición de nivel
correcto esta basado no solo en la elección del principio de operación del sensor o de la
tecnología que este ocupe, también depende de los requerimientos de instalación y de
aplicación del mismo.
Existen tecnologías intrusivas (sensor en contacto con el fluido o material a medir) y no
intrusivas (sensor no toca al fluido o material). Esta clasificación tiene mucha inferencia
en el tipo de sensor requerido, la calidad de la información que estará sensando y más
aún, en su precio o mantenimiento.
65
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Figura 3.28. Indicador de nivel.
3.5.3. Consideraciones especiales en el control de nivel.
A continuación se explican algunas consideraciones que deben ser tomadas en cuenta
cuando se deba seleccionar un medidor de nivel.
Densidad y viscosidad del fluido.
Materiales altamente viscosos pueden causar que los contactos de un medidor de nivel
se queden pegados. Materiales con alta densidad pueden ocasionar daños a los
contactos ya que se necesita mas fuerza para abrir o cerrar. Dispositivos de medición
no intrusivos como aquellos que utilizan microondas o ultrasonido generalmente no son
afectados por los cambios en densidad y viscosidad.
Composición química.
Los medidores de nivel capacitivos sufren afectaciones debido a cambios en las
características de conductividad y de constante dieléctrica, especialmente en el área
que se encuentre entre las placas del condensador. Aún cuando los sensores de tipo
ultrasónicos o de microondas deben tener menos afectaciones causadas por la
composición química, no debe asumirse que siempre sea así.
66
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Temperatura ambiente.
Altas o bajas temperaturas pueden dañar, deshabilitar o comprometer la calidad de la
información que este midiendo el sensor. Si no cumple con un rango de temperatura
que se encuentre dentro de esos límites es probable que la electrónica que compone al
sensor falle.
Temperatura de proceso.
Naturalmente que dependiendo de los materiales con los cuales este fabricado el
sensor determinarán la máxima temperatura de proceso a la cual puede ser expuesto.
Ambientes regulados.
Algunos medidores deben cumplir con regulaciones especiales, por ejemplo,
instalaciones donde se requiera cumplir con los estándares del NEC, u obtener
certificaciones de agencias reconocidas como Factory Mutual (FM), Underwriters
Laboratory (UL) o la Canadian Standards Association (CSA).
Agitación en el proceso.
Algunos líquidos deben ser agitados para ser procesados. Los medidores de nivel de
tipo ultrasónico o de microondas pueden obtener lecturas erróneas por los efectos que
dicha agitación tenga sobre la superficie del líquido.
Otras consideraciones a tomar en cuenta son vapor, polvo, vibraciones, acumulación de
sustancia del proceso, condensación, carga estática, humedad, etc.4
3.5.4. Nivel de líquidos y resonancia hidráulica.
La existencia de olas en cualquier cuerpo de agua eleva la probabilidad de que el al
medir el nivel de líquido cause oscilaciones al sistema.
El periodo de oscilación del sistema esta dado por la siguiente ecuación de segundo
orden:
h
A1 
L1  L 2 d 2 h
1 
  h2 
2
A2 
2 g dt 2
4
Diversos Autores. “Engineer manual process industrial instruments and control handbook”. 2000.
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WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
El periodo de oscilación de resonancia no recibe afectaciones por densidad, área o
cualquier otra propiedad, solamente puede alterarse por la distancia entre las
superficies a medir (L1+L2). (Ver Fig. 3.29)
Figura 3.29. El periodo de resonancia hidráulica varía en relación con la distancia entre las superficies.
El periodo natural de cualquier lazo de control que contenga un elemento resonante no
puede exceder el periodo del elemento. El corrimiento de fase que causa el elemento
resonante es exactamente de -90° a su periodo natural, sin importar que tan
amortiguado pueda estar.
Tomando en cuenta que la relación entre flujo y nivel representa un corrimiento de fase
inherente de -90º, entonces el proceso, analizándolo del flujo hacia el nivel tendrá un
periodo natural de -180º.
Para reducir el efecto que pueda tener la resonancia no solo basta con ajustar la
velocidad de reacción de las válvulas, aunque esta acción reduce la amplitud de la
misma.
Considerando que las dimensiones de los tanques de proceso regularmente se
encuentran en el rango de tamaño entre dos y doscientos pies (2-200 ft), la resonancia
del líquido tiene un periodo de entre 1 a 10 segundos. Por lo tanto solo tiene
consecuencias serias desde el punto de vista de la estabilidad del lazo de control en
tanques cuya constante de tiempo sea menor a un minuto (1 min).
Ruido en la medición de nivel de un líquido.
La medición de la variable nivel de un líquido es ruidosa, debido principalmente a la
turbulencia que genera el fluido al entrar a un tanque o recipiente y a que al entrar, el
fluido salpica. Como se explicó anteriormente, los lazos de control que tienen
resonancia responden a dichas perturbaciones oscilando a la frecuencia determinada
por su periodo natural. (W n). Como consecuencia, las mediciones de nivel son
raramente quietas o laminares, y fluctúan un promedio de entre veinte o treinta por
ciento de la escala.
68
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Aunque una banda proporcional estrecha o pequeña puede ser suficiente para
estabilizar el lazo de control, las perturbaciones y fluctuaciones del fluido, aún cuando
sean muy pequeñas, llevarán a las válvulas relacionadas con ese lazo a sus límites. De
manera usual, el nivel en un tanque es usado para controlar el flujo en otra parte del
proceso.
Muchas operaciones, por no decir que la gran mayoría, prohíben las fluctuaciones en la
alimentación de algún fluido hacia los tanques. Para generar un flujo más estable en
estas instancias, la banda proporcional se amplía y se aplica una acción de
reestablecimiento (reset) para mantener el control, aunque en algunas aplicaciones, la
regulación exacta de un flujo no es importante. De hecho, un tanque de
almacenamiento, por ejemplo, no cumple su función si se le aplica un control muy
ajustado. De esta forma, los ajustes de control regularmente son más relajados y el
proceso, en algunos casos, puede ser operado manualmente si la constante de tiempo
es lo suficientemente grande.
En algunas aplicaciones es necesario un controlador especial cuya banda proporcional
se ajusta con respecto a la desviación (diferencia entre valor predeterminado y variable
actual de proceso). Este tipo de controladores está diseñado para ofrecer un control
más “suave” mientras el nivel del fluido se encuentre en un estado normal, pero se
ajusta rápidamente si el nivel se acerca al límite alto o bajo del predeterminado. 5
3.5.5. Selección del instrumento.
Para la elección de un medidor de nivel, se puede realizar mediante la tabla 3.13, o se
puede hacer la siguiente guía de selección para medidores de nivel. Actualmente
diversos proveedores ponen a disposición del publico guías de selección
computarizadas donde se van introduciendo los datos y el programa va realizando la
selección del elemento automáticamente. Las siguientes pantallas son otro método
utilizado para la selección del equipo y se puede encontrar en la página de Internet:
http://www.endress.com/applicator/product-selector-measurement.html#.
5
F.G. Shinskey. “Process Control Systems. Application, Design, Adjustment”. 1996.
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WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Figura 3.30. Pantalla 1
La figura 3.30 muestra la primer pantalla que aparece, en donde se debe indicar la
variable que se desea medir. En este caso la selección es de productos de nivel.
La siguiente pantalla pide seleccionar el tipo de proceso y productos liquidos y solidos
a manejar entre procesos continuos y discontinuos. Esto se ve en la figura 3.31.
70
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Tabla 3.13. Gúia de selección de instrumentos para medición de nivel.
71
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Finalmente, se accesa a una tercer pantalla donde deben llenarse algunos campos con
información del proceso, aun cuando no se conozcan todos los datos, aquellos con los
que si se cuente deben introducirse y el programa genera una serie recomendaciones.
La información introducida fue:
Rango de temperatura. De 0-36 °C porque es el rango de temperatura que puede
alcanzarse eventualmente en la ciudad de México.
Aplicación. La aplicación es para medir el nivel en un tanque o recipiente.
Posición de montaje. De acuerdo a lo visto en los puntos anteriores referentes al
ruido en la medición de nivel, la posición de montaje es en la parte superior.
Capacidad / Conductividad del producto. El agua es conductiva.
Instrumentación. La aplicación es
instrumentación debe ser compacta.
realmente
sencilla
por
lo
que
la
Conexión a proceso. Con una sonda o hilos sensores.
72
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
El programa arrojo otras opciones como:
Vibración.
Ultrasónico.
Capacitivo.
Conductivo.
Para el caso de detección por vibración las desventajas que presenta es que es más
adecuado para mezclas de líquidos con sólidos, además que los mismos sólidos
pueden interrumpir la vibración del sensor.
En el detector tipo ultrasónico los inconvenientes que presenta es que el producto no
debe producir espuma en la superficie, se ve afectado por altas temperaturas y no es
aplicable en condiciones de vacío, además que su costo es muy elevado.
Por último en el detector tipo capacitivo, las propiedades eléctricas del fluido deben ser
variables y si no se realiza de manera correcta la puesta a tierra puede haber peligro de
sufrir una descarga eléctrica ya que el agua se encuentra cargada eléctricamente.
Con todo esto, se observa que el método de detección y control de nivel que mejor se
acomoda a las características y necesidades del sistema de reutilización de aguas
grises es el método de detección de nivel por conductividad.
3.5.6. Método de detección de nivel por conductividad.
Este método es adecuado para detección de nivel en líquidos conductivos. Se mide la
diferencia de conductividad en un electrodo parcialmente aislado cuando la sonda está
cubierta por el producto conductivo y cuando no lo está. La pared metálica del tanque
se puede emplear como un segundo electrodo o, si esto no es posible, como es el caso
de los tanques de recepción y almacenamiento del sistema de reutilización de aguas
grises que son tinacos de plástico, se debe introducir un electrodo de referencia en el
tanque.
Ventajas de la detección por conductividad.
Sencillo.
Bajo costo.
Adecuado para el control en dos puntos.
Desventajas de la detección por conductividad.
Se debe evitar que la sonda se ensucie de grasa u otros materiales de
deposición, y está restringido a productos de conductividad variable.
73
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
3.5.6.1. Principio de
conductividad.
operación
de
la
detección
de
nivel
por
La presencia de un producto causa un cambio en la resistencia entre dos conductores.
Aplicación práctica.
Se puede obtener fácilmente una indicación de nivel de productos conductores de
electricidad en un tanque metálico o en otro contenedor mediante una sonda aislada del
recipiente y un amplificador conductivo.
Si el producto no está en contacto con la sonda, la resistencia eléctrica entre la sonda y
la pared del tanque es muy elevada o incluso infinita. Cuando el nivel de producto se
eleva, cierra el circuito entre la sonda y la pared del tanque y la resistencia disminuye a
valores relativamente bajos. (Ver Fig. 3.33)
Figura 3.33. Principio de operación de la medición de nivel por conductividad.
3.5.6.2. Detección de los límites de nivel máximo o mínimo.
La diferencia en los valores de resistencia se puede detectar con un filtro amplificador
selectivo. Este dispositivo se puede usar de alarma o de control mediante un relevador
que actúe como contacto de conmutación libre de potencial. Los tanques de material no
conductor deben disponer de buena conexión a tierra. Esta puede ser una tubería de
alimentación, un soporte de montaje u otra sonda. En ciertos casos, se emplea una
sonda múltiple y una de ellas actúa de conexión a tierra.
Es preferible que la sonda esté conectada a corriente alterna que a corriente continua
puesto que, de este modo, se evita el fenómeno de electrólisis, que oxida la sonda. En
la figura 3.34 se muestra el diagrama básico del circuito.
La resistencia del producto, Rx, se conecta en puente de Wheatstone con la sonda y la
conexión a tierra. Con un potenciómetro, Rv, se equilibra el puente; entonces, el
relevador de salida queda en cero. Cuando el producto alcanza el nivel de la sonda, el
calor de Rx cambia, el puente se desequilibra y el relevador de salida se activa.
74
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Los interruptores de conductividad estándares poseen una tolerancia de 0-50 KOhms y
un contacto conmutado libre de potencial.
Figura 3.34. Diagrama básico del circuito para medición de nivel por conductividad.
Con un mismo amplificador, se puede usar una segunda sonda para efectuar un control
en dos puntos. La diferencia entre los niveles de activación (on) y desactivación (off)
viene determinada por la longitud de las sondas. Esto permite llevar a cabo un control
de nivel. El control de nivel se diferencia de una detección de nivel en que sólo se
emplea una sonda y el relevador se activa tan pronto como el líquido alcanza la sonda.
Para el control de nivel se utilizan dos sondas. El relevador se activa cuando el líquido
establece contacto con la sonda superior y solo estará desactivado cuando las dos
sondas estén sumergidas.
Ahora, para comprobar que un producto es suficientemente conductivo para poder
utilizar un interruptor de conductividad basta efectuar la siguiente medición. Con un
transformador, se aplica una corriente alterna poco intensa entre una barra metálica
que simule una sonda y la pared del tanque.
Es conveniente que la barra metálica esté a la misma distancia de la pared que la
sonda, y en la misma posición. Entonces, con la barra sumergida aproximadamente
unos cincuenta milímetros, se pueden medir la corriente y la tensión, y la resistencia del
producto se calcula según la fórmula siguiente:
R
V
I
Donde R está en Ω (ohms), V está en volts y la corriente I esta en Amperes.
Si la resistencia resultante es inferior que la que puede detectar el instrumento, se
puede incorporar un amplificador al dispositivo.
75
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
La determinación de la conductividad en micro-Siemens no siempre es un buen criterio,
puesto que los parámetros correspondientes a la superficie de contacto y a la distancia
pueden provocar desviaciones respecto a los valores teóricos.
El agua potable presenta una conductividad de entre cincuenta y cien micro-Siemens
por centímetro (50-100 µS-cm).
La conductividad y la resistividad dependen de la temperatura. A 25 ºC,
un agua totalmente pura tiene una resistividad de 18,2 MΩ-cm (una conductividad de
0,055 µS/cm) debido a los iones hidrógeno e hidróxilo presentes.
Un aumento en la temperatura del agua producirá una mayor conductividad y una
menor resistividad. Esto no debe interpretarse como un deterioro de la calidad
del agua tratada. Si la temperatura aumenta un 1ºC, la conductividad del agua potable
se incrementará alrededor del 2%, mientras que la del agua ultra pura aumentará hasta
un 6%. La práctica normal es corregir todos los valores de conductividad y resistividad a
25ºC. Esto se realiza automáticamente en medidores de conductividad más
sofisticados, y es fundamental para realizar un trabajo preciso.
Ahora bien, debe observarse que el agua ultra pura no es buena conductora y presenta
alta resistividad. Los diversos compuestos que se encuentran disueltos en el agua
potable por ejemplo, en este caso en el agua gris generada en los departamentos, son
los que generan un aumento en la conductividad del agua y a disminuir su resistencia.
Una consideración importante para la elección del medidor de nivel por conductividad
es que debe evitarse que la sonda se manche de grasa.
3.5.6.2. Propuesta de un
detector de nivel para el sistema de
Con lo visto anteriormente acerca de las características y principio de funcionamiento
de un detector de nivel por conductividad, el sistema de reutilización de aguas tratadas
“Water Wisely” propone un sistema para la detección y control de nivel, aplicable solo
para el agua pura o limpia, cuyo principio de operación se explica a continuación:
Este dispositivo servirá para conocer el nivel de agua dentro del tanque, dicho nivel se
indicará de forma visual mediante diodos LED.
El indicador de nivel de agua, será utilizado para conocer en que estado se encuentra el
tanque, es decir, vacío, lleno o en un nivel intermedio.
En la figura 3.35 se muestra un diagrama esquemático del circuito, a continuación se
hará una breve descripción del mismo.
76
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Figura 3.35. Diagrama esquemático del indicador de nivel de agua.
El indicador de nivel utiliza como principio de operación la conducción eléctrica del
agua. La idea básica, es colocar una serie de sensores dentro del contenedor de agua,
a una altura que pueda ser de interés para el usuario, esto es, si se desea conocer
cuando está en 1/8 de su capacidad, en 1/4 ,etc. También, en el fondo del tanque se
debe poner un elemento que es común al circuito y a cada uno de los sensores, los
cuales se llevan mediante diferentes cables hasta el circuito.
De esta forma, cuando el nivel de agua esté en contacto con uno de los sensores, se
llevará a cabo la unión eléctrica entre el común, que yace en el fondo, y dicho sensor.
Esta señal es captada por el circuito y traducida en una señal visual, que al final es la
que puede percibir el usuario desde su ubicación.
El componente central del proyecto es un circuito integrado ULN2803, el cual posee
internamente un grupo de transistores NPN configurados especialmente para el manejo
de cargas. En la base de los mismos, se conecta la señal proveniente de los sensores a
través de resistencias de 10 kΩ y en su salida, por el colector, se conectan los diodos
led indicadores de nivel a través de resistencias de 560 Ω, que son requeridos para
proteger a los mismos de la tensión que se maneja.
Dado que la terminal común tiene señal positiva, cuando existe contacto a través del
agua con uno de los sensores, se genera una polarización directa en el transistor
asociado, por lo tanto, entra en conducción haciendo que el diodo led que está
conectado en el colector del transistor se encienda. Así se tienen los cuatro sensores
haciendo contacto con el agua, se encenderán los cuatro diodos led dependiendo del
nivel de agua que se encuentre en el tanque.
77
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Este método presenta la ventaja de que el tanque puede ser de cualquier tamaño ya
que los sensores se pueden ubicar en la profundidad que el usuario lo desee. Para
construir los sensores que se introducen dentro del agua, se utiliza cualquier objeto
metálico que conduzca electricidad. En este caso, utiliza cables de acero inoxidable
desde las terminales hasta el interior del tanque. Allí, se ubica una varilla de acrílico en
donde situamos unos tornillos a la altura que sea de interés y en ellos se conectan
dichos cables.
El circuito integrado ejemplificado en la figura 3.36, posee internamente un grupo de
transistores NPN, los cuales tienen el emisor unido a tierra, la base conectada a la
entrada a través de una resistencia y el colector se lleva directamente a la salida. Con
esta configuración, el transistor se comporta como un inversor. Por lo tanto, si se aplica
en la base una señal positiva, el colector pone su salida en un nivel bajo. Estos
transistores o buffers tienen la capacidad de corriente hasta de 500 mA, lo que los hace
aptos para el manejo de cargas como relés, entre otros.
Además, los diodos que unen los colectores de los transistores y el punto común, que
se conecta a la fuente positiva, protegen a los transistores de posibles daños al manejar
cargas inductivas.
Figura 3.36. Circuito integrado ULN2803.
Controlador de nivel para el tanque agua tratada.
Una vez que se tiene el indicador de nivel, el siguiente paso es agregar al circuito un
sistema para controlar válvulas, esto se hace con ayuda de diversos solenoides que en
un momento dado permiten el paso de aguas grises al drenaje y que restringen el paso
del agua tratada al tanque correspondiente y a su vez controlan las bombas que se
utilizan en el sistema de tratamiento (sistema de filtración y ósmosis inversa).
78
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Para lograr ello, se diseñó un arreglo que sirve para generar una interfaz de potencia
entre la señal que se genera del indicador y la señal que requieren los solenoides y las
bombas, justo como se muestra en la figura 3.37. Desde luego, este arreglo se conecta
a la salida que corresponde al sensor ubicado en la parte más alta del tanque, pues es
aquella sobre la cual se va a trabajar.
Primeramente se tiene una serie de transistores (TIP45) conectados a cada una de las
bobinas de los relevadores (alimentados con 12 VCD) y en los contactos de los
relevadores se conectan cada uno de los dispositivos que se utilizan en esta parte del
proceso (la alimentación dependerá de las especificaciones de cada elemento a
controlar).
Una vez que el indicador de nivel detecta un nivel alto, se genera una señal eléctrica en
una terminal dada, cuando esto sucede, esta señal llega directamente a la base de los
transistores, la cuál creará un puente entre el colector y el emisor provocando que las
bobinas de los relevadores de núcleo móvil se exciten con una tensión de 12 VCD y a
una corriente de 500 mA que ha sido amplificada por el TIP41, con esto, los contactos
en los relevadores se abrirán o cerrarán dependiendo si son normalmente abierto (N.A.)
o normalmente cerrados (N.C.). Todo esto genera una conmutación de corriente directa
a corriente alterna.
En el caso de la válvula que impide la entrada de agua de suministro hacia el tanque de
agua tratada, el relevador que se utiliza es N.A., debido a que en condiciones normales
de operación, debe permanecer abierta, pero cuando existe un nivel alto, éstos
contactos se cierran activando el solenoide de la válvula que impide el paso del fluido a
la siguiente parte del proceso.
Para las bombas que se utilizan en el sistema de filtración y en el sistema de ósmosis
inversa, el relevador que se utiliza es N.C., ya que en condiciones normales de
operación, las bombas se mantienen alimentadas con energía eléctrica, haciendo que
transporten el agua hacia otra parte del proceso, pero cuando existe un nivel alto, los
contactos se cierran quitando la alimentación a las bombas y en consecuencia dejan de
operar.
Finalmente, pera el caso de la bomba sumergible, el relevador que se utiliza es N.C., ya
que en condiciones normales de operación, la bomba se mantiene alimentada con
energía eléctrica, haciendo que transporte el agua hacia la parte superior del edificio,
pero cuando existe un nivel bajo, los contactos se cierran quitando la alimentación a las
bomba y en consecuencia deja de operar.
Para todos los casos, en cuanto el sistema regresa a las condiciones normales de
operación, los contactos vuelven a su posición original.
79
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Figura 3.37 Diagrama físico del control de nivel para el agua tratada
Sin embargo, una limitante del medidor de nivel por conductividad es que las grasas
que se encuentran en suspensión en el agua gris pueden alterar su funcionamiento y
generar mediciones erróneas. Es por esto que para los tanques de recepción de aguas
grises se propone una sonda con revestimiento de teflón para evitar que la suciedad se
quede pegada.
80
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
3.6.
Análisis del agua tratada como producto final del sistema de
reutilización de aguas tratadas.
La última parte del sistema de tratamiento de agua gris comprende verificar el correcto
funcionamiento de todos los procesos, desde la trampa de grasa hasta la purificación
por rayos UV.
Esto se logra a través de analizadores montados en el tanque de almacenamiento de
agua tratada los cuales, además, toman el papel de permisivos, es decir, si alguno de
ellos sensa un valor superior o inferior a los establecidos por la norma NOM-127-SSA11994, deja de suministrarse agua hacia el sistema de tratamiento de aguas grises, se
paran las bombas BA-01, BA-02 y BA-03, se suministra agua de servicio para ser
distribuida en lugar del agua tratada y se enciende una alarma para avisar que es
necesario dar mantenimiento a los distintos dispositivos.
La norma NOM-127-SSA1-1994 marca ciertos parámetros necesarios para considerar
al agua de buena calidad para reutilizarse según se indica en las tablas 1.1, 1.2, 1.3 y
1.4. Sin embargo, las variables a considerar por el sistema de reutilización de aguas
grises “Water Wisely” son:
Color.
pH.
Turbidez.
Sólidos suspendidos.
El principio de funcionamiento de cada analizador se explica a continuación.
3.6.1. Análisis del color de agua tratada.
Un colorímetro es un dispositivo que identifica el color y el matiz del color de una
sustancia, a través de permitir la absorbancia de una solución en una frecuencia
específica de luz.
3.6.1.1.
Absorbancia
La absorbancia A de una solución se define mediante la ecuación:
I
A  log 0
I
81
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Las sustancias químicas absorben de manera diferente las frecuencias de luz. Los
colorímetros se basan en el principio de que la absorbancia de una sustancia es
proporcional a su concentración, y es por eso que las sustancias más concentradas
muestran una lectura más elevada de absorbancia.
Se usa un filtro en el colorímetro para elegir el color de luz que más absorberá el soluto.
El color de luz absorbida es lo opuesto del color del espécimen.
Los sensores miden la cantidad de luz que atravesó la solución, comparando la
cantidad entrante y la lectura de la cantidad absorbida.
Se realiza una serie de soluciones de concentraciones conocidas de la sustancia
química en estudio y se mide la absorbancia para cada concentración, así se obtiene
una gráfica de absorbancia respecto a concentración. Por extrapolación de la
absorbancia en la gráfica se puede encontrar el valor de la concentración desconocida
de la muestra.
El color de APHA (Asociación Americana de la Salud Pública) se utiliza típicamente
para caracterizar los polímeros. El color de APHA o el número de APHA refiere a un
estándar del platino-cobalto.
Los colorímetros se pueden calibrar según las soluciones estándar de cobalto y platino
y las soluciones poliméricas se pueden comparar con los estándares para determinar el
número de APHA. Cuanto más alto es el número de APHA, más amarilla es la solución
polimérica.
Se denomina espectrofotometría a la medición de la cantidad de energía radiante que
absorbe un sistema químico en función de la longitud de onda de la radiación, y a las
mediciones a una determinada longitud de onda.
La teoría ondulatoria de la luz propone la idea de que un haz de luz es un flujo de
cuantos de energía llamados fotones; la luz de una cierta longitud de onda está
asociada con los fotones, cada uno de los cuales posee una cantidad definida de
energía.
3.6.1.2.
Transmitancia.
Figura 3.38. Principio de operación de la transmitancia.
82
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
La figura 3.38 muestra un haz de radiación paralela antes y después de que ha pasado
a través de una capa de solución que tiene un espesor de ciertos centímetros y una
concentración dada de una sustancia absorbente.
Como consecuencia de interacciones entre los fotones y las partículas absorbentes, la
potencia del haz es atenuada. La transmitancia T de la solución es entonces la fracción
de la radiación incidente transmitida por la solución:
T
I
I0
La transmitancia se expresa a menudo como porcentaje.
La mayor parte de los trabajos analíticos se realizan con soluciones, de manera que
existe una relación entre la concentración de la solución y su capacidad de absorber
radiación.
Esto se ejemplifica en la figura 3.39.
Figuras 3.39a y 3.39b. Relación entre la absorbancia, el por ciento de transmitancia, la concentración y
la longitud de onda.
3.6.2. Análisis de pH del agua tratada.
El pH es una medida de la acidez o alcalinidad del agua con compuestos químicos
disueltos. Su expresión viene dada por el logaritmo de la inversa de la concentración del
ión H expresada en moles por litro.
83
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
pH  log
1
H
El agua pura neutra tiene una concentración de ión hidrógeno de 10-7 moles por litro.
Luego el pH será:
pH  log
1
7
10 7
Una disolución ácida tiene mayor concentración de ión hidrógeno que el agua pura y
por lo tanto su pH será menor de 7. Una disolución básica es lo contrario por lo tanto su
pH será mayor a 7. Las medidas prácticas del pH se encuentran entre los valores de 0 a
14.
3.6.2.1.
Método de la tira de papel tornasol.
Una manera simple de determinar si un material es un ácido o una base es utilizar
papel de tornasol. El papel de tornasol es una tira de papel tratada que se vuelve color
rosa cuando está sumergida en una solución ácida, y azul cuando está sumergida en
una solución alcalina. Los papeles tornasol se venden con una gran variedad de
escalas de pH. Para medir el pH, seleccione un papel que dé la indicación en la escala
aproximada del pH que vaya a medir. Si no conoce la escala aproximada, tendrá que
determinarla por ensayo y error, usando papeles que cubran varias escalas de
sensibilidad al pH. Para medir el pH, sumerja durante varios segundos en la solución el
papel tornasol, que cambiará de color según el pH de la solución.
El método más exacto y comúnmente usado para medir el pH es un medidor de pH (ó
pHmetro) y un par de electrodos.
3.6.2.2.
Método de los electrodos o electrodo diferencial.
Un medidor de pH es un voltímetro muy sensible, los electrodos conectados al mismo
generarán una corriente eléctrica cuando se sumergen en soluciones. Un medidor de
pH tiene electrodos que producen corriente eléctrica; ésta varía de acuerdo con la
concentración de iones hidrógeno en la solución. La principal herramienta para hacer
las mediciones de pH es el electrodo de bombilla de vidrio. El vidrio tiene una
composición especial, sensible a los iones hidrógeno. Un voltímetro conectado a los
electrodos relaciona el pH con la corriente eléctrica producida en la membrana de vidrio.
Para cerrar el circuito y brindar una referencia estable y reproducible, se requiere un
segundo electrodo.
84
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
El medidor debe estar calibrado con una solución de pH conocido, llamada
"amortiguador" (también solución tampón o buffer). Los amortiguadores resisten las
variaciones de pH y tienen valores de pH específicos a temperaturas determinadas.
Dos tipos de electrodos se utilizan para medir el pH, y cada electrodo tiene un propósito
específico.
Figura 3.40. Medición de pH por el método de electrodos.
El electrodo " de cristal " tiene un bulbo hecho de composición de cristal especial que es
muy selectivo y sensible a los iones de hidrógeno. Cuando este bulbo de cristal se
sumerge en una solución, el voltaje generado en la superficie de los bulbos se relaciona
con el pH de la solución. La determinación del pH con el medidor es mucho más precisa
que con los papeles tornasol, sin embargo, necesita mantenimiento y usar
correctamente el medidor, así como hacer las mediciones conforme al procedimiento
prescrito.
El otro electrodo se llama " electrodo de referencia " y proporciona un voltaje estable y
reproducible cuando se sumerge en una solución. Cuando los dos electrodos están
conectados con un medidor de pH, la diferencia de voltaje se amplifica y se visualiza en
un indicador analógico o digital. Un electrodo que combine el bulbo de cristal sensible al
pH y una celda de la referencia en un cuerpo de electrodo se llama " electrodo de
combinación " y se utiliza de la misma manera que un par de electrodos.
Algunas consideraciones importantes para el buen funcionamiento del medidor de pH
son por ejemplo, calibrar siempre el medidor con amortiguadores precisos, usar
amortiguadores próximos al valor de pH de las soluciones que vaya a medir, utilizar un
par separado de electrodos o por lo menos con un electrodo de cristal separado para
las medidas altas y bajas del pH.
85
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
3.6.3. Análisis de la turbidez del agua tratada.
La turbidez es una medida de la falta de transparencia de una muestra de agua debida
a la presencia de partículas extrañas. Estas partículas pueden ser distintos
microorganismos.
La medida de la turbidez se efectúa para determinar el grado de penetración de la luz
en el agua y permite interpretar conjuntamente con la luz solar recibida y la cantidad de
oxígeno disuelto el aumento o disminución del material suspendido en el agua.
La turbidez esta expresada en unidades arbitrarias determinadas empíricamente con un
turbidímetro.
La unidad utilizada normalmente es la NTU (unidades nefelométricas de turbidez). Por
ejemplo, el agua de uso doméstico, industrial y residual tiene de 0.05 a 40 NTU.
La turbidez puede medirse en forma continua de dos formas:
Luz reflejada.
Luz absorbida.
3.6.3.1.
Método de la luz reflejada.
En este método una lámpara incandescente emite un rayo de luz que un sistema de
lentes enfoca en la muestra de agua. Una célula fotoeléctrica capta la luz reflejada por
las partículas en suspensión, generando una corriente proporcional a la concentración
de sólidos suspendidos.
Las figuras 3.41a y 3.41b muestran un ejemplo de medidores de turbidez bajo el
principio de luz reflejada.
Este tipo de sensores utilizan el principio de un fotómetro ya que generan un doble haz
de luz infrarroja que se dispersa a través de la corriente del fluido para medir su
turbidez.
La figura 3.42 muestra el principio de operación de un turbidímetro. Un diodo emisor de
luz (LED) genera un haz de luz infrarroja que atraviesa el flujo de la corriente del agua
tratada a un ángulo de 45° con respecto a la cara del sensor.
Un par de fotorreceptores nefelométricos ubicados en la cara del sensor detectan la luz
dispersa en la muestra a un ángulo de 90° con respecto al haz transmitido por el LED.
86
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Figura 3.41a y 3.41b. Medidores de turbidez por método de luz reflejada.
Figura 3.42. Principio de operación de los turbidímetros de luz reflejada.
Finalmente, ubicado en la parte interior de la cara del sensor, otro fotorreceptor es
usado para medir de forma precisa la cantidad de sólidos suspendidos. Este receptor se
encuentra a 140° con respecto al haz transmitido y detecta la luz dispersa después de
haber pasado a través de la corriente del agua tratada y sensa el número de sólidos
suspendidos.
87
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
3.6.3.2.
Método de luz absorbida.
La lámpara y la célula están situadas una frente a la otra, con una columna de la
muestra de agua separándolas. La célula mide la absorción de la luz por los sólidos en
suspensión. (Ver Fig. 3.43)
Figura 3.43. Montaje del analizador de turbidez por método de luz reflejada.
3.6.4. Análisis de los sólidos suspendidos en el agua tratada.
Como se explicó en el punto anterior, existe una correlación entre la medición de la
turbidez nefelométrica y la cantidad de sólidos en suspensión.
La medición de la turbidez en un fluido, algunas veces, puede ser usada como un
sustituto de la medición gravimétrica de sólidos en el agua, debe recordarse que la
medición de la turbidez determina la cantidad de luz dispersa o dividida a través de una
muestra del fluido a analizar.
Tradicionalmente la turbidez es medida con un instrumento que contiene un solo sensor
posicionado a 90º con respecto al haz de luz. Este tipo de medición será menos
sensitiva a algún cambio en aquellas soluciones que tienen mucho mayor color, que
contengan partículas absorbedoras de luz (por ejemplo, carbón activado) o que sean
muy turbias, ya que mientras se incrementa la turbidez, será menos la cantidad de luz
que logre dispersarse en el fluido y no llegará al detector. Esta condición a menudo se
le conoce como ceguera.
88
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Turbidímetros como los que se mostraron en el punto anterior ofrecen mediciones
bastante precisas aún con fluidos que presenten color, partículas absorbedoras de luz y
altos índices de turbidez. Estos sensores son los que deben ser usados cuando se
desea estudiar el valor de sólidos suspendidos en relación con la turbidez.
La cantidad de luz dispersa a través del fluido depende del número de partículas,
tamaño, forma, composición e índice reflectivo de las mismas.
La medición de la cantidad de sólidos suspendidos en un fluido es importante porque
indica un cambio ocurrido en el proceso, en este caso puede indicar que algún filtro o
etapa del proceso ha dejado de funcionar correctamente y necesita mantenimiento, por
lo cual es crítico monitorear la cantidad de sólidos suspendidos para controlar la calidad
del producto.
3.6.4.1.
Método gravimétrico para medir los sólidos en suspensión.
El análisis tradicional por método gravimétrico es muy poco práctico.
El método puede explicarse como sigue.
Dilución de la muestra. Para esta etapa es necesario determinar si la muestra
del fluido debe ser diluida en otra sustancia para ser analizada. Esto se debe a
que la muestra presente altos índices de turbidez, color, etc. Si la dilución es
necesaria debe entonces obtenerse una mezcla que sea homogénea y no debe
contener burbujas.
Determinar la turbidez de cada dilución. Una vez que se obtiene una mezcla
diluida homogénea, debe medirse la turbidez de la misma. Una recomendación
es obtener lecturas del turbidímetro cada cinco segundos en un intervalo de
tiempo de entre quince y cuarenta y cinco segundos. De todas las lecturas
obtenidas se debe calcular el promedio y este será el valor de la turbidez
resultante de la muestra.
Determinación de los sólidos suspendidos. Es aquí donde se lleva a cabo la
prueba gravimétrica que consiste en obtener una muestra de agua que se filtra
a través de un filtro llevado previamente a peso constante, luego se coloca el
filtro con la muestra a secar en un horno a 103-105° C por una hora. Finalizada
la hora de secado, el filtro se coloca en un desecador por treinta minutos y se
pesa. La concentración de sólidos suspendidos totales, se calcula utilizando la
siguiente ecuación:
89
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
donde:
P2 = es el peso del filtro con la muestra.
P1 = es el peso del filtro vacío.
El análisis gravimétrico tarda entre dos y cuatro horas para generar resultados.
Esto, en proceso rápidos y continuos, no puede permitirse por lo que se prefiere utilizar
el turbidímetro para la medición de sólidos suspendidos en el agua. Sin embargo, es
imposible realizar una conversión cuantitativa de la medición de la turbidez expresada
en unidades nefelométricas (NTU) a sólidos suspendidos expresados en miligramos por
litro (mg / L), por lo que es necesario establecer relaciones entre el cambio de turbidez y
la cantidad de sólidos.
Para establecer más fácilmente la relación entre la turbidez y la medición de sólidos
deben conocerse algunas cualidades del fluido tales como características físicoquímicas, reacciones químicas en la mezcla que puedan llevar a cambios significativos
del fluido, etc., de tal forma que entre más se conozca al fluido, más fácil es el cálculo
de la relación.
Figura 3.44. Relación entre la turbidez y los sólidos suspendidos totales.
90
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
3.6.4.2.
Controlador de analizadores de color, pH, turbidez y sólidos
suspendidos.
Existen en el mercado controladores multiparámetros que aceptan hasta 8 entradas de
sensores digitales que se conectan al controlador bajo el principio de “plug and play”,
siempre y cuando sean del mismo fabricante, reduciendo por mucho el tiempo de
configuración y puesta en marcha del sistema de control. (Ver Fig. 3.45)
Figura 3.45. Controlador de analizadores de color, pH, turbidez y sólidos en suspensión.
Con esto un solo controlador puede analizar color, pH, turbidez, sólidos en suspensión
y otras variables de interés tales como oxígeno disuelto, conductividad, nitratos etc. (Ver
Fig. 3.46)
Figura 3.46. Muestra de sensores de color, pH, turbidez, sólidos en suspensión, oxígeno disuelto,
conductividad, nitratos, etc.
91
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Estos controladores tienen salidas secas según se requiera ya sea para relevador o
para transistores PNP.
Las técnicas de control que se pueden configurar son P, PI, PD, PID y On-Off que es la
que se usará para el análisis de la calidad del agua tratada del sistema de reutilización
de aguas tratadas “Water Wisely”.
Se pueden configurar alarmas por alta y baja cantidad de sólidos en suspensión,
turbidez, pH o color.
La figura 3.47 muestra un control de calidad del agua tratada con dispositivos
opcionales para monitoreo y aviso.
Una vez que se ha descrito todo el equipo, así como la instrumentación a utilizar, es
importante reunir toda la información generada en un solo punto, de tal forma que
pueda monitorearse tanto el funcionamiento del equipo como el comportamiento de las
variables. Cabe mencionar que debido a la naturaleza del sistema Water Wisely, es
importante que la comunicación sea transparente, rápida y precisa para brindar un
servicio de calidad.
A continuación se explica cómo se lleva a cabo el monitoreo de las variables
previamente seleccionadas.
92
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Figura 3.47. Control de calidad del agua tratada con dispositivos opcionales para monitoreo y aviso.
93
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
3.7. Monitoreo de las variables nivel, color, PH, turbidez y sólidos en
suspensión.
El monitoreo puede ser considerado como una etapa de diseño que sirve para
asegurarse de que las mediciones más importantes sean identificadas y que los
sensores requeridos para obtener dichas mediciones funcionen correctamente. El
propósito más importante del monitoreo radica en el hecho de estar al tanto de las
condiciones en que se encuentra el proceso, es decir diagnosticar cualquier problema
que se presente en esta y evitar que llegue a grados mayores, y no solo detectar la falla
sino también saber en qué parte se produjo la misma. El resultado del diagnostico
puede ser utilizado por los ingenieros como una base para mejorar la calidad de los
productos, el rendimiento del equipo y por supuesto las ganancias, todo esto a través
de pequeños cambios en las condiciones de operación, el diseño del control y el equipo
del proceso.
Con todo lo anterior, para tener control del sistema, es necesario conocer y entender el
funcionamiento del proceso, a lo cual se agrega un rápido acceso a la información
necesaria para poder realizar las manipulaciones al equipo y/o instrumentos. Las
alarmas pueden ayudar al operador a monitorear gran cantidad de variables a través de
dibujos dinámicos que avisen cuando alguna variable está fuera de sus rangos de
operación.
En algunos casos, el estado de procesos importantes puede ser estimado por el
número de variables con el que este cuenta. Algunas de esas variables indican el
rendimiento total del proceso. Es útil indicar el rendimiento total de la planta pero
generalmente no es un dato directo ni completo. Sin embargo, monitorear el estado
individual de los procesos proporciona información confiable y útil.
El tiempo en el que un sistema de control se encuentra operando de forma automática
puede ser monitoreado, además puede determinarse, a través de la dinámica del
sistema, datos acerca del estado del mismo en función del control.
3.7.1. Gestión de alarmas
Una alarma expresa una situación anormal que puede causar importantes incidentes y
perdidas de producción y, en casos extremos, de vidas. A veces, la gestión de las
alarmas no ha sido estudiada desde el punto de vista de ayuda al operador de la planta,
por lo que suele haber demasiados puntos de alarma. De este modo, el operador ve
normalmente a las alarmas como una molestia en lugar de una ayuda.
Las alarmas se basan en la vigilancia de los parámetros de las variables del sistema.
Son los sucesos no deseados, porque su aparición puede dar lugar a problemas de
funcionamiento. Este tipo de sucesos requiere la atención de un operario para su
solución antes de que se llegue a una situación crítica que detenga el proceso o impida
seguir trabajando.
94
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Las alarmas suelen estar centralizadas y clasificadas en grupos para mejorar su
gestión, de la misma manera se les puede asignar una prioridad, de modo que si
aparecen varias de forma simultánea, las más importantes aparezcan primero.
3.7.2. Mantenimiento.
En los meses que siguen a la puesta en marcha del sistema de reutilización de aguas
tratadas, surgen problemas que cada vez son menos importantes, que van
solucionándose poco a poco y otros que son resueltos directamente por el servicio de
mantenimiento.
Los equipos requieren un mantenimiento para su funcionamiento. Este mantenimiento
puede ser:
Correctivo: los equipos se reparan cuando fallan por completo o cuando están
ya en su etapa final de desgaste, cuando su coste de servicio es
extremadamente alto. En el caso de instrumentos en lazos críticos puede
presentarse un paro parcial o total del sistema.
Preventivo: los equipos se revisan a intervalos regulares de acuerdo con su
historial de averías en el sistema y las recomendadas por el fabricante. Las
revisiones se planifican por anticipado presumiblemente en las fechas de paro
del sistema y estando en servicio, preparado con los aparatos, piezas de
recambio y recursos humanos necesarios. Una desventaja de este método es
que se revisan los equipos sin necesidad.
Predictivo: los equipos se revisan de acuerdo con el dictamen realizado
mediante los aparatos que avisan del posible fallo del equipo en un tiempo
determinado.
La seguridad del funcionamiento de los elementos de medición y transmisión depende
de la correcta aplicación y de la instalación adecuada del equipo.
Existen programas de mantenimiento, que facilitan en aprovisionamiento de piezas de
recambio, el mantenimiento del stock mínimo, los trabajos correctivos, los históricos de
averías en los equipos e instrumentos, etc.
En la gestión del mantenimiento intervienen conceptos tales como:
Fiabilidad: Probabilidad de que un instrumento o equipo funcione sin averías al
cabo de un tiempo determinado.
Mantenibilidad: probabilidad de que un fallo sea reparado antes de un tiempo
transcurrido desde que se detectó el fallo.
95
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Disponibilidad: probabilidad de que un instrumento o equipo esté disponible
dentro de un intervalo de tiempo determinado.
El mantenimiento puede ser contratado o propio. El primero se utiliza en las puntas de
trabajo del sistema, en los trabajos de mantenimiento programados y también en las
reparaciones de ampliación y en obras nuevas. En el caso del segundo, el proveedor
puede aportar un contrato de mantenimiento, permanente y revisable cada año, en el
cual se fijan las piezas de recambio.
3.7.3. Generación de informes.
Es cada vez más común la tendencia a complementar las funcionalidades de
adquisición de registro de datos y generación de alarmas con la capacidad de generar
informes, los cuales ayudan a la toma de decisiones.
Por ejemplo, es interesante disponer de información referente a:
Situación del sistema.
Producción en tiempo real.
Generación y registro de alarmas.
Adquisición de datos para análisis de históricos, control de calidad, cálculo de
costos, mantenimiento preventivo.
Gestión de mantenimiento.
La interacción entre las áreas de gestión y producción necesitan de herramientas que
permitan la generación automática de informes adaptados al informe de gestión de la
empresa.
Existen paquetes que ya disponen de este tipo de herramientas incorporadas, pero
también podemos encontrar aplicaciones con funciones de consulta para extraer
información y presentarla en formatos compatibles para otras aplicaciones más
específicas.
3.7.4. Hardware del sistema de control automatizado.
Esta sección describe las opciones de hardware del sistema de control para
implementarse en el tratamiento del agua.
96
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
3.7.4.1.
Controlador lógico programable.
Los controladores lógicos programables (PLC’s) son microcomputadoras con un
propósito especial y de nivel industrial con subsistemas de entradas y salidas (I/O) para
el monitoreo y control de los procesos y equipo. Los PLC’s fueron diseñados
originalmente para aplicaciones de fábrica donde fueron usados para actividades de
control secuencial cuando los cambios fueron hechos en las líneas de producción. Los
PLC’s son excelentes opciones para aplicaciones de tratamiento de agua cuando
múltiples PLC’s están conectados en red a las estaciones de trabajo con enlaces de
datos de alta velocidad.
3.7.4.2.
Unidades terminales remotas.
Al igual que los PLC’s, las unidades terminales remotas (UTR’s) son
microcomputadoras con un propósito especial y de nivel industrial con subsistemas de
entradas y salidas (I/O) para el monitoreo y control de los procesos y equipo. Las
diferencias entre PLC’s y UTR’s disminuyen mientras los productos evolucionan. Sin
embargo, aún puede haber algunas distinciones. Aunque un adaptador de
comunicaciones serial puede ser adaptado a un PLC para comunicaciones de modem,
los UTR’s fueron originalmente diseñados para ser instalados en sitios remotos,
enlazados a una estación central enlazada por teléfono o radio. Las UTR’s tienden a
tener capacidades de comunicación algo más sofisticadas, como puertos de acceso de
datos para comunicaciones duales y protocolos de control.
3.7.4.3.
Sistemas de control distribuido.
Aunque las UTR’s y los PLC’s pueden estar colocados en una arquitectura distribuida
junto a una red de trabajo, y supervisados por un sistema de computadora, algo más
avanzado es distribuir las funciones del sistema del computador supervisorio en
controladores a sí mismos. Los verdaderos sistemas de control distribuido (SCD’s)
están ajustadamente integrados a las soluciones de hardware y software para una
planta de control. Las estrategias de control pueden ser rápidamente desarrolladas en
un SCD a través del uso de herramientas de configuración de gráficas. La nueva lógica
de control puede ser probada y depurada usando datos de la planta en vivo sin irrumpir
en el proceso.
3.7.5. Software del sistema de control automatizado.
Esta sección describe las herramientas del software del sistema de control
automatizado disponibles para las operaciones del personal.
97
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
3.7.5.1.
Sistemas expertos.
Los sistemas expertos son herramientas de software diseñadas para aplicar reglas
tomadas de un conocimiento base (basado en años de experiencia para el tratamiento
de agua por operadores de planta) en función de los datos actuales para recomendar
acciones apropiadas para ser tomadas por el operador.
3.7.5.2.
Redes neuronales.
Las redes neuronales son aplicaciones de software basados en los procesos
neuronales. Las “neuronas de entrada” pasan datos a través de redes paralelas a redes
seriales de “neuronas de salida”. Las redes neuronales son lo mejor en cuanto a
resolver problemas que involucran asociación, comparación, predicción y
reconocimiento.
3.7.5.3.
Información del flujo para aplicaciones del computador
avanzado.
Una base de datos en tiempo real en un computador de monitoreo del proceso en una
planta de tratamiento, puede estar compartida con otras aplicaciones computarizadas.
Por ejemplo, los datos de la calidad del agua pueden estar compartidos con un sistema
de administración de información en un laboratorio. Las combinaciones de los datos en
la calidad de agua y en el estado del equipo pueden ser enlazados a un sistema
experto.
3.8.
Sistema de monitoreo de Water Wisely
La automatización y el control industrial han sido testigos de avances significativos e
innovaciones tecnológicas importantes en los años recientes. Dichos avances han
generado nuevas aplicaciones que, difícilmente, se hubieran imaginado en décadas
pasadas.
Hace tiempo, la mayoría de los dispositivos de adquisición de datos, terminales
remotas, registradores, etc., tenían incluido el puerto de comunicación RS-232, de tal
forma que podían conectarse fácilmente a computadoras industriales y PC’s. Hoy, los
nuevos dispositivos incluyen comunicación inalámbrica, puertos de protocolo ethernet y
servidores web internos, con esto no es necesario conectarlos a computadoras o
estaciones de trabajo para monitorearlos.
Los dispositivos modernos, con servidores web ubicados en su interior, conectados a
internet, permiten la visualización transparente del dispositivo de campo, es decir,
permite que el estado y los datos que genera el dispositivo puedan ser monitoreados
98
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
desde cualquier parte del mundo por cualquier persona que tenga la clave de acceso
correcta.
Para lograr esto, los dispositivos de adquisición de datos deben ser inteligentes, lo que
significa manejar datos y generar información que será cargada en una página web. La
“inteligencia” significa que los dispositivos procesen información en tiempo real,
generen gráficas de las tendencias de las variables que sensadas y administren
alarmas e información de datos históricos.
El objetivo es monitorear las variables de forma remota, sin la necesidad de un sistema
de adquisición de datos y control supervisorio, así mismo, poder organizar y gestionar el
mantenimiento del sistema sin importar su ubicación y sin tener que estar en el lugar
donde se encuentre la instalación para evaluar los dispositivos.
El sistema Water Wisely propone, tal como se muestra en la figura 3.48., que el
monitoreo del estado de la variable nivel en los tanques de recepción TR-02 y de
almacenamiento TA-01 además de color XA-01, pH XB-01, turbidez XD-01 y sólidos en
suspensión XE-01 del agua tratada, se lleve a cabo de forma remota a través de una
página web. Esto se logra conectando los medidores de nivel a un dispositivo conocido
como “fieldgate” que sube a una página web, ubicada en una dirección IP única, toda la
información generada por ese dispositivo, de igual forma, el controlador de analizadores
lleva a cabo la misma tarea pero este, a diferencia de los medidores de nivel, no
necesita de otro dispositivo. La comunicación se logra mediante el uso del protocolo de
control de transmisión (TCP) y una dirección IP (TCP/IP) única para cada servidor web,
es decir, única para cada dispositivo.
Figura 3.48. Sistema propuesto por Water Wisely para el monitoreo de la variable nivel.
99
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
El monitoreo basado en una página web permite acceder rápidamente a la información
en tiempo real desde cualquier computadora con acceso a internet. La seguridad
depende de la administración de los roles de usuarios en suma con el uso de
contraseñas.
La aplicación de este tipo de sistemas incrementa la calidad en el servicio que Water
Wisely brinda, con reportes precisos y rápidos sin tener que utilizar todos los
dispositivos que un sistema de adquisición de datos y control supervisorio (SCADA)
requiere y evitando pagar licencias caras de plataformas como Wonderware o LabView.
Otro beneficio es que el control y monitoreo de todos los sistemas, distribuidos
geográficamente en distintos lugares, puede llevarse a cabo en un solo punto, sin la
necesidad de visitar cada edificio multifamiliar. Los ingenieros y técnicos pueden
acceder a cualquier sistema utilizando un navegador de internet ordinario y monitorearlo
en cualquier parte a cualquier hora, lo que permite solucionar los problemas tan pronto
ocurran y no tener que esperar horas o días hasta llegar a la localidad donde se ubica
el sistema.
Figura 3.49. Conexión del controlador de analizadores a una red inalámbrica.
3.8.1. Configuración de los medidores de nivel para monitorearlos desde
Internet.
Los medidores de nivel por conductividad ubicados en el tanque de recepción TR-02 y
de almacenamiento TA-01 deben estar conectados a un dispositivo “Fieldgate” para
poder monitorear el estado y los valores de la variable nivel en todo momento, así como
para obtener el reporte de las alarmas, las gráficas de las tendencias, etc., como se
100
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
muestra en la figura 3.50. Pueden conectarse tantos sensores como el dispositivo
“Fieldgate” lo permita y este, a su vez, debe estar conectado a Internet por medio de un
cable tipo RJ45 utilizando el protocolo de comunicación Ethernet.
Figura 3.50. Configuración del dispositivo “Fieldgate” para monitoreo y control.
La configuración del dispositivo “Fieldgate” se logra mediante el software proporcionado
con el mismo, además de utilizar una computadora con sistema operativo Windows.
Básicamente, el punto importante consiste en otorgar al dispositivo una dirección IP
(Internet Protocol) desde el ordenador, para que, a través de una conexión de Internet
puedan accederse a las bases de datos generadas por el dispositivo. En las figuras
3.51a y 3.51b se muestran las pantallas de configuración de la dirección IP creada
particularmente para el dispositivo.
101
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Figuras 3.51a y 3.51b. Asignación de dirección I.P. al dispositivo “Fieldgate”.
Finalmente, los datos del estado y el valor de la variable de nivel se generan por medio
de la electrónica del dispositivo y se guardan, como puede observarse en la figura 3.52,
en bases de datos que son accesibles a los ingenieros o técnicos desde cualquier
computadora con conexión a internet. Estas bases de datos contienen alarmas,
eventos, el tag o nombre del instrumento que las detecto, por ejemplo LSL-01 o LSH02, el día y hora en que se detectaron, etc.
102
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Figura 3.52. Bases de datos generadas por los dispositivos.
3.8.2. Configuración del controlador de analizadores para monitorearlo
desde Internet.
De la misma forma que los medidores de nivel, el controlador de analizadores se
configura a través del software proporcionado por el fabricante, y esta configuración
consiste en otorgarle al controlador una dirección IP (Internet Protocol) única. Sin
embargo, puede también conectarse a Internet por medio de una antena, creando así
una red inalámbrica.
Esta vez, la dirección IP para el controlador es 192.168.154.30 y la computadora
también debe tener una dirección especial, la cual es 192.168.154.128.
Una vez que se ha creado correctamente la red de área local (LAN), se puede ingresar
desde cualquier computadora, por medio de internet, a una pantalla como la que se
muestra en la figura 3.53, donde se pueden encontrar todos los datos relevantes del
instrumento como son alarmas, eventos, tendencias, base de datos histórica y de
tiempo real, los usuarios que se han conectado y los cambios que han realizado.
103
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Figura 3.53. Pantalla a la que se puede accesar desde cualquier navegador.
Finalmente, es importante señalar todos los dispositivos, tanto los medidores de nivel a
través del dispositivo “Fieldgate” como el controlador de analizadores tienen, ya de
fabricación, ranuras para que puedan insertarse tarjetas SIM. Estas son conocidas por
todos, ya que son las mismas que usan los teléfonos celulares, cuyo objetivo en esta
aplicación es enviar mensajes de texto a números de teléfonos móviles que deban ser
avisados una vez que se ha detectado una alarma o un evento determinado. La
conexión se logra como se muestra en las figuras 3.54a y 3.54b.
La configuración tanto de las alarmas o eventos como de los números celulares a los
que debe avisarse se logra mediante el software proporcionado por el fabricante.
104
WATER WISELY
CAPÍTULO 3.
Figuras 3.54a y 3.54b. Opción de alerta de eventos vía mensajes SMS-GSM.
105
WATER WISELY
CAPÍTULO 4.
ANÁLISIS DE COSTOS Y
BENEFICIOS DEL
PROYECTO.
Determinar el costo total debido a la implantación del sistema de
reutilización de aguas tratadas, así como los beneficios obtenidos a partir
de este último estudio.
106
WATER WISELY
CAPÍTULO 4.
Para obtener el análisis de costo de la adaptación del sistema de tratamiento de aguas
grises y reutilización debe hacerse la aclaración que, de manera formal, no se
propondrán marcas específicas de equipos e instrumentos.
Por el contrario, se darán a conocer las características que deben tener estos con el fin
de obtener el mejor resultado posible conforme al diseño del sistema pero también
dejando abierta la posibilidad de seleccionar el equipo que más se apegue a las
necesidades y posibilidades del cliente.
Sin embargo, a continuación, en el punto 4.1 se propone un ejercicio que conlleva el
uso de marcas de manera que se pueda esbozar el costo que tendría el proyecto
usando dichas marcas. Subsecuentemente, se compara la cantidad de dinero que se
paga por el uso del agua actualmente y cuanto se pagaría con el sistema en uso.
Aunado a esto, solo se toma en cuenta la inversión necesaria para la instalación y
puesta en marcha del sistema, es decir, no se toma en cuenta el gasto dedicado al
mantenimiento del mismo una vez que entre en funcionamiento.
Finalmente, el sistema de tratamiento de aguas grises y la reutilización de aguas
tratadas solo encierra el equipo e instrumentos que se nombran a continuación y no
tiene inferencia en grifos, lavabos, tarjas, retretes, etc., por lo que el análisis de costo de
estos dispositivos no es motivo de estudio de este proyecto.
107
WATER WISELY
4.1.
CAPÍTULO 4.
Inversión para el sistema de reutilización de aguas tratadas.
108
WATER WISELY
4.2.
CAPÍTULO 4.
Lista de equipos e instrumentos del sistema de reutilización de aguas
grises “Water Wisely”.
En las tablas 4.1 y 4.2 se enlistan los principales equipos e instrumentos que juntos e
interconectados entre sí conforman el sistema de tratamiento de aguas grises y
reutilización de agua tratada Water Wisely.
Equipos.
Tanque de recepción 01
Tanque de recepción 02.
Trampa de grasa 01
Bomba 01
Filtro multicapas.
Filtro de carbón activado
Suavizador de agua
Tanque de salmuera
Bomba 02
Sistema de osmosis inversa
Purificadores UV
Bomba sumergible 01
Tanque de almacenamiento 01
Tabla 4.1 Equipos que conforman el sistema Water Wisely.
Instrumentos.
Válvula operada por solenoide para
montaje en PVC (NO & NC)
Elemento medidor de nivel
Válvula manual para montaje en PVC.
(NO & NC)
Analizador de pH
Analizador de color
Analizador de turbidez
Analizador de sólidos en suspensión
Controlador de analizadores.
Tabla 4.2 Instrumentos que conforman el sistema Water Wisely.
A continuación se dan a conocer las tablas con las características de instrumentos y
equipos que deben usarse en el sistema de tratamiento de aguas grises y reutilización
de aguas tratadas.
109
WATER WISELY
4.3.
CAPÍTULO 4.
Características de los tanques de recepción 1 y 2 y de almacenamiento.
La tabla 4.3 marca las características que deben cumplir los tanques utilizados para
recibir el agua gris proveniente de los edificios y el tanque de almacenamiento que
albergará el agua ya tratada y lista para rebombearse a reutilización en los
departamentos.
Capacidad: 1100 litros cada uno.
Capa exterior negra que impida el paso de la luz,
evitando el desarrollo de microorganismos.
Capa interior blanca que facilite la limpieza.
Tapa Clic que impida el paso de la tierra y la fuga de
olores.
Aprobado por la norma mexicana para construcción y
fabricación de tinacos (NMX-C-374-1993-SECOFI).
Plástico aprobado para contener alimentos.
Tabla 4.3 Características de los tanques de recepción y almacenamiento.
4.4.
Características de la trampa de grasa.
La tabla 4.4 indica tamaños normalizados de trampas de grasa apropiados para el flujo
que se maneja en el sistema de tratamiento de aguas grises. Las dimensiones pueden
variar dependiendo de la aplicación específica. Por otra parte, la tabla 4.5 muestra los
límites de espesor que debe tener la grasa acumulada en la parte superior de la trampa.
Cumpliendo con este espesor la materia flotante debe ser retirada.
Volumen
Volumen
máximo
mínimo de
permitido en
agua
Tamaño del
tarjas y/o
Tamaños
contenida
reductor de
puntos
equivalentes
dentro de la
flujo
generadores
(GPM).
trampa de
(Pulgadas).
conectadas
grasa
a trampas
(Litros).
(Litros).
65
95
150
190
20
25
1
1 1/4
Número
máximo
permitido
de tarjas
conectadas
a una
trampa.
2
2
Tabla 4.4 Tamaños de las trampas de grasa
110
WATER WISELY
CAPÍTULO 4.
Límites de espesor de nata de grasa flotante.
Volumen de
Límite máximo permitido
agua
de espesor de grasa
contenida
retenida (cm).
(Litros).
65
95
6
6
Tabla 4.5 Límites de espesor.
Las figuras 4.1 a y 4.1 b proponen la forma en que pueden conectarse dos o mas
trampas de grasa en cascada o serie y el arreglo de tubería que deben usar.
Figura 4.1a y 4.1b Montaje recomendado de trampas de grasa en serie.
111
WATER WISELY
4.5.
CAPÍTULO 4.
Características de las bombas.
La tabla 4.6 delimita las características que deben cumplir las bombas a usarse.
Aplicaciones:
Vaciado de tanques, recogida de aguas negras, drenaje de
pasos subterráneos, tanques, depósitos, zanjas y pozos,
transferencia de agua sucia, transferencia de agua limpia y
contaminada, drenajes de emergencia en caso de
inundaciones, transferencia de agua subterránea.
Potencia de salida: 3 H.P. (sumergible) y ½ H.P.
Conexiones a tubería: Diámetro 2”.
Flujo máximo: 700 litros por minuto.
Alimentación eléctrica: A 3 fases.
Corriente: 3.7 A.
Tensión de alimentación : 400 V.
Máxima temperatura de proceso: 35 ºC.
Protección de bomba por medio de flotador.
Tabla 4.6. Características de las bombas.
Las figuras 4.2 a y 4.2 b en conjunto con la tabla 4.7 sirven como guía del tipo de
bomba a usarse y las dimensiones que debe cumplir esta
Dimensiones:
Figura 4.2a y 4.2b Ejemplo de bomba sumergible y sus dimensiones.
473 mm
B 111.5mm
C 195 mm
D 430 mm
E 150 mm
Tabla 4.7 Tamaños de la bomba sumergible.
112
WATER WISELY
4.6.
CAPÍTULO 4.
Características del filtro multicama.
La tabla 4.8 se usa como guía de selección de los filtros multicama utilizando como
característica principal el flujo del servicio, es decir, del agua a tratarse.
Remover partículas de hasta 15 micrómetros.
Características de los filtros multicama.
Tanque
Área de
tanque
(pies 2)
Volumen de
tanque
(pies3).
10” X 54”
0.54
12” X 52”
13” X 54”
Flujo de servicio (LPM).
Retrolavado.
Excelente
Normal
Pico
2.19
20.44
25.5
30.7
30.7
0.78
3.00
29.52
36.9
44.3
44.3
0.92
3.68
34.82
43.5
52.2
52.2
Tabla 4.8 Características de los filtros multicama.
4.7.
Características del filtro de carbón activado.
La tabla 4.9 enlista los compuestos que debe ser capaz de remover el filtro de carbón
activado, así como algunas características con que debe contar.
Cloro libre.
Ozono
Yodo
Arsénico
Cromo
Mercurio
Benceno
Tolueno
Trihalometanos
Pesticidas
Color
Olor
Sabor
Espuma
Tiempo de contacto: Mínimo de 5 minutos.
Cama: Con profundidad de 60 cm.
Tabla 4.9 Características de los filtros de carbón activado.
113
WATER WISELY
CAPÍTULO 4.
La tabla 4.10 marca el tamaño que debe tener el filtro de carbón activado basándose en
el flujo que lleva el proceso.
Tanque
Área de
tanque
2
(pies )
12” X 52”
13” X 54”
14” X 65”
16” X 65”
18” X 65”
0.78
0.92
1.07
1.39
1.77
Volumen
de
tanque
3
(pies )
3.00
3.68
5.10
6.60
8.30
Olores y
sabores
(LPM)
Declorinar
(LPM)
Osmosis
Inversa
(LPM)
Retrolavado
(LPM)
17.71
20.89
24.28
31.57
40.73
29.5
34.8
40.5
52.6
66.9
14.8
17.74
20.2
26.3
33.4
29.5
34.8
40.5
52.6
66.9
Tabla 4.10 Dimensiones recomendadas de los filtros de carbón activado.
4.8.
Características de los suavizadores de agua.
La tabla 4.11 muestra las características que debe tener el suavizador de agua que se
deba quiera utilizar en el sistema de tratamiento de aguas grises. De la misma forma,
las tablas 4.12 a y 4.12 b delimita los tamaños normalizados de los suavizadores de
agua en relación con el flujo que manejan. Finalmente la figura 4.3 muestra un tanque
de suavización de agua en conjunto con el tanque de salmuera.
Rango de presión de trabajo: 2.1 a 5.0 kg./cm2
Rango de temperatura: 4°C a 34°C
Presión máxima: 7.0 kg./cm2
Máximo cloro residual: 0.5 ppm
Control de operación digital electrónica.
Suministro eléctrico: 220/120 volts.
Frecuencia: 60 ciclos.
Controles de plástico no corrosibles.
Tabla 4.11 Características de los suavizadores de agua.
Capacidad
Kg
Sal por
regeneración
Kg
Caída de
presión
Kg/cm2
Entrada
Mm
Salida
Mm
Drenaje
Mm
28
46
60
6.7
10.2
13.6
0.7-0.9
0.7-0.9
0.7-0.9
25
25
25
25
25
25
19
19
19
Tanque de sal
Cm
Diámetro x Altura
Normal
46 X 84
46 X 84
46 X 84
30
30
30
Gasto
LPM.
Máximo
45
45
45
Suavizador
cm
Diámetro
23
31
31
Resina
Retrolavado
Litros
Pies3
12
15
15
28
42
56.6
1
1.5
2
Altura
130
130
162
Peso
Kg
52
65
168
Tablas 4.12a y 4.12b Tamaños recomendados de los suavizadores.
114
WATER WISELY
CAPÍTULO 4.
Figura 4.3 Ejemplo de una etapa de suavización de agua con tanque de salmuera.
4.9.
Características de purificadores UV.
Las tablas 4.13 y 4.14 delimitan las características que debe tener el purificador UV y
asì cumplir con los parámetros de diseño del sistema y con la Norma Oficial Mexicana.
La figura 4.4 sirve como guía en la instalación de los purificadores bajo distintas
aplicaciones.
Gabinetes: Fabricados en lámina de acero al carbón
activado con pintura en polvo horneada protectora contra
la corrosión.
Cámara de agua fabricada en PVC.
Recubrimiento interno: Acero inoxidable de alta
reflectancia.
Lámparas: Germicidas de UV.
Dosis mínima: 16,000 microwatts-segundo/centímetro2.
Tabla 4.13 Características de los purificadores de UV.
Flujo
máximo
LPM
Número de
lámparas
U.V
Watts
12
30
60
1
1
2
15
30
60
Amperes
0.4
0.7
1.3
Conexiones
de entrada
sálida
Pulgadas
Dimensiones
Cm
Peso
Kg
Ancho
Alto
Largo
¾
¾
1¼
12
12
12
16
16
28
52
99
99
5
8
15
Tabla 4.14 Dimensiones recomendadas para purificadores U.V.
115
WATER WISELY
CAPÍTULO 4.
Figura 4.4 Muestra típica de cómo se monta un purificador U.V.
4.10. Características de válvulas operadas por solenoide y manuales
montadas en PVC.
La tabla 4.15 enlista las especificaciones que deben tener las válvulas usadas a lo largo
del proceso, tanto manuales como operadas por solenoide y la tabla 4.16 ofrece una
base para seleccionar los solenoides.
Cuerpo: Estándar del fabricante.
Tipo: Mariposa.
Conexiones: Bridada o pegada. 150#
Tamaño del cuerpo: 1 ¼ “ de diámetro.
Material: PVC o que pueda montarse en PVC.
Bonete: Bridado.
Empaque o sello: Resistente a agua residual.
Interiores: Resistentes a la naturaleza del fluido (PVC o
similar)
Número de puertos: Uno.
Tubing de conexión: Acero inoxidable.
Operación Apertura: Cierre operada por solenoides.
Gasto: 40 lpm máx.
Fluido: Agua con distintos grados de pureza.
Temperatura de operación: Temperatura ambiente (0°C –
40°C).
Presión máxima de entrada: 20 psi
Diferencia de presión máxima: 0 psi (40 lpm máx cuando
cierra la válvula).
Cuerpo: Duradero capaz de insertarse en PVC.
Desagüe manual interno para mantener arqueta seca.
Diafragma que reduzca la pérdida de carga.
Embolo de solenoide cautivo.
Filtro que evite que el agua entre a la cámara del
solenoide.
116
WATER WISELY
CAPÍTULO 4.
Presión de operación: 20 a 150 psig.
Alimentación 1: 190 mA a 270 mA con caudal mantenido
(válvula abierta).
Alimentación 2: 280 mA a 400 mA con caudal presionado
(válvula cerrada).
Tabla 4.15 Especificaciones de las válvulas de mariposa.
Especificaciones del solenoide.
Cantidad: Dos.
Número de vias: Dos.
Encapsulado: Seco
Alimentación: 120 Vca 60 Hz.
Tipo de bobina: Trabajo continuo
Bobina: Simple
Material del cuerpo: Resistente al agua con distintos grados
de pureza. (PVC o similares)
Material del interior: Resistente al agua con distintos grados
de pureza (PVC o
similares)
Empaque: Resistente al agua residual.
Posición: Una normalmente abierta otra normalmente
cerrada.
Válvulas: Dos del tipo aguja para regular la velocidad de
apertura y cierre de válvula.
Tabla 4.16 Especificaciones de los solenoides para las válvulas.
4.11.
Características del medidor de nivel por conductividad.
Los datos necesarios para seleccionar un medidor de nivel por conductividad que
cumpla con las características que exige el proceso están citados en la tabla 4.17,
mientras que la figura 4.5 da una idea de cómo pueden instalarse dichos instrumentos.
Temperatura de operación: Ambiente (0°C a 40°C).
Presión de operación: 0 a 150 psig.
Altura de los tanques: 160 cm.
Exactitud de nivel: +/- 0.001 metros.
Resolución: 0.001 metros
Elemento Sensor, Principio de conductividad,
principio de operación de conductividad de agua.
Capacidad de detectar conductividad igual o superior
a 10 microSiemens por centímetro. Capaz de detectar
mínimo cuatro distintos niveles. Capaz de controlar
el funcionamiento de una bomba.
Alimentación: 20 Vcd hasta 55 Vcd o 20 Vca a 253 Vca.
Corriente:2 A.
117
WATER WISELY
CAPÍTULO 4.
Protección contra polaridad inversa y corto circuito.
Material Housing: Acero inoxidable.
Conexión a proceso: Bridada o roscada en tubo guía de
entre 2” a 5”.
Transmisión: Salidas a relevador, a transistor PNP.
El medidor deberá ser intrínsecamente seguro.
Calibración se lleva a cabo en el sitio.
Tabla 4.17 Características del medidor de nivel por conductividad.
Figura 4.5 Muestra de instalación de un detector de nivel por conductividad.
4.12. Características del analizador de color.
El analizador de color, junto con los otros analizadores son parte importante del proceso
ya que es en esta etapa donde se hace la verificación de la calidad del proceso. Las
características que debe tener el analizador de color están escritas en la tabla 4.18.
Rango de longitud de onda: De 420 nm a 610 nm.
Exactitud de longitud de onda: ±1 nm
Selección de longitud de onda: Automático
Linealidad fotométrica : ±0.002 A (0-1 A)
Repetibilidad fotométrica : ±0.005 A (0-1 A)
Exactitud fotométrica: ±0.005 A @1.0 ABS
Nominal
Rango fotométrico 0-2 A
Lámpara: Light Emitting Diode (LED)
Detector: Fotodiodo de silicon
Datos de salida: LCD de 4-digitos, 1.5-cm de altura
del caracter.
118
WATER WISELY
CAPÍTULO 4.
Modos de lectura (Principio de operación):
% Transmitancia, Absorbancia, Concentracion.
Transmisión: IR (Infrarojo a Serial RS-232 usando
el adaptador de transferência de datos).
Alimentación: (4) Baterías AA alkalinas.
Rango de temperatura:
Operativa: 0 to 50 °C (32 to 122 °F)
Ambiente -40 to 60 °C (- 40 to 140 °F)
Humedad: 90% at 50 °C
Características: Diseñado para satisfacer el
estándar IP67 a prueba de corrosión y de agua.
Tabla 4.18 Características del medidor de color.
4.13. Características del medidor de pH.
La medición de pH está compuesta por tres electrodos, cada uno de los cuales debe
cumplir con las características marcadas en la tabla 4.19 y las figuras 4.6 a y 4.6 b
proponen algunos tipos de montaje en la tubería.
Fluido: Agua con distintos tipos de niveles.
Rango de pH: -2 a 14 pH
Rango de de Operación de Temperatura: -10 a
105°C.
Rango de Presión: 0 a 6.9 bar (100 psi)
Conexión a proceso: Inserción en la tubería.
Principio de operación del electrodo diferencial:
Usa tres electrodos. Los electrodos de proceso y de
referencia miden el pH diferencial con relación a un
tercer electrodo aterrizado. El resultado final es una
medición precisa, reduciendo la unión potencial de
referencia y eliminado la conexión del sensor a
tierra.
Comunicaciones: Salidas múltiples a alarmas, tres
salidas de relevador, 4-20 mA, Modbus RS485,
RS232. Inalámbrica por puerto infrarrojo.
Sensibilidad: ± 0.01 pH.
Estabilidad: 0.03 pH por 24 horas, no acumulativo.
Temperatura de operaciòn: -5 a 105ºC.
Presión: 100 psig a 105 ºC.
Alimentacion: 230/110 Vca (para interfaz).
4.19 Características del medidor de pH.
119
WATER WISELY
CAPÍTULO 4.
Figura 4.6a y 4.6b Posibles montajes de un medidor de pH en tubería.
4.14. Características del medidor de turbidez y sólidos en suspensión.
Como se indico en la unidad anterior, un mismo instrumento puede hacerse cargo del
análisis de turbidez y de sólidos en suspensión, por lo que este instrumento debe
cumplir con las características que se indican en la tabla 4.20.
Fluido: Agua potable, agua de abastecimiento y agua industrial.
Principio Operacional: Fotómetro de doble haz de luz infrarrojo/luz
esparcida, los sensores son capaces de medir tanto turbidez como
sólidos suspendidos. Un foto-receptor adicional permite que el
instrumento mida con precisión los sólidos suspendidos.
Material de construcción: PVC o Acero inoxidable.
Rango de medición de turbidez: 0.001-4000 NTU
Rango de medición de sólidos en suspensión: 0.001 a 150 g/L
Precisión:
Turbidez: Menos de 1% de lectura ó ±0.001 NTU,
Sólidos: Suspendidos Menos de 5% de lectura.
Repetición:
Turbidez: Menos de 1% de lectura
Sólidos: Suspendidos Menos de 3% de lectura.
Tiempo de Respuesta: Respuesta inicial en 1 segundo
Calibración:
Turbidez: Estándar 800 NTU.
Sólidos Suspendidos Basado en el análisis SS gravimétrico con un
procedimiento de factor de corrección
Temperatura Operacional: -20 a 60°C (-4 a 140°F)
Transmisión : 4-20mA Modbus RS-232, RS-485, salidas a relevador y
alarmas.
Alimentaciòn: 220/110vca a 60 Hz (para interfaz).
Tabla 4.20 Características del turbidímetro- medidor de sólidos suspendidos.
120
WATER WISELY
CAPÍTULO 4.
4.15. Características del controlador de analizadores.
Para que los sensores puedan cumplir su función correctamente es necesario que el
control cumpla los mismos estándares de calidad. La tabla 4.21 ofrece las
características que debe tener este controlador al igual que la figura 4.7 muestra una
instalación típica del controlador con sus instrumentos primarios.
Modulo de prueba. Cada Controlador debe aceptar
y energizar hasta 8 sensores digitales o analógicos
con señal de 0/4-20 mA y configurarlos de forma
“conéctese y utilícese” sin necesidad de software
extra. Los sensores deben ser de cualquier
naturaleza como pH, turbidímetros, sólidos en
suspensión, colorímetros, etc.
Comunicación: 4 salidas a relevador, 12 salidas
analógicas, 12 entradas analógicas o digitales,0/420 mA protocolos Modbus o Profibus DP, Ethernet.
Condiciones ambientales:
Temperatura de operación: -20°C a 55°C.
Humedad Relativa: No condensada de 0% a 95%
Temperatura ambiental: -20°C a 70°C.
Alimentación: 230/100 Vca a 60 Hz, 75 Watts,
opcional a 24 Vcd.
Display: Pantalla táctil “touch screen” de 320X240
pixeles VGA .
Relevadores: 4 de un polo doble tiro, configurables,
de 100 a 230 Vca, 5 Amperes de corriente máxima.
Control: PID, ALTO-BAJO, setpoint, off/on delay.
Alarmas: Por ALTO-BAJO.
Tabla 4.21 Características del controlador de analizadores.
Figura 4.7 Vista de un controlador de analizadores con los distintos sensores conectados a este.
121
WATER WISELY
CAPÍTULO 4.
4.16. Relación costo-beneficio del uso del agua
En caso de que se encuentre instalado o autorizado el medidor por parte del Sistema
de Aguas, los derechos por el suministro de agua se pagaran de acuerdo con lo
siguiente:
Tratándose de tomas de uso doméstico, que son las que se encuentran
instaladas en inmuebles de uso habitacional, el pago de los derechos
correspondientes se hará conforme indica la tabla 4.22 respecto al volumen
de consumo medido en el bimestre:
Consumo en m3
Tarifa
Límite Inferior
Límite
Superior
Cuota
Mínima
Cuota Adicional por m3
excedente al límite
inferior
0
Mayor a 10
Mayor a 20
Mayor a 30
Mayor a 70
Mayor a 90
Mayor a 120
Mayor a 180
Mayor a 240
Mayor a 420
Mayor a 660
Mayor a 960
Mayor a 1500
10
20
30
50
90
120
180
240
420
660
960
1500
en adelante
$15.64
$15.64
$33.54
$67.34
$393.34
$692.74
$1,243.84
$2,702.44
$4,462.84
$11,207.44
$20,663.44
$32,993.44
$56,008.24
$0.00
$1.79
$3.38
$6.65
$14.97
$18.37
$24.31
$29.34
$37.47
$39.40
$41.10
$42.62
$43.99
Tabla 4.22. Consumos y tarifas del agua.
Tomado en cuenta los datos anteriores (Tabla 4.22) realizaremos una comparación
entre los costos que se pagan por consumo de agua en el edificio multifamiliar con el
cual se ha ido desarrollando el proyecto y el costo que se pagaría con el sistema de
reutilización de aguas tratadas “Water Wisely”
Para el cálculo del costo total se deben tomar en cuenta los siguientes datos:
México
327
lts
dia
122
WATER WISELY
CAPÍTULO 4.
Ahora se debe calcular el número de habitantes en el edificio multifamiliar.
DATOS:
8 departamentos por piso.
5 habitantes por departamento.
Por lo tanto,
(15)(8)(5)  600 habitantes en el edificio.
Se calcula el total de m3 por habitante al día:
(600)(327
lts
lts
)  196200
dia
dia
1m 3  1000lts
X  196200lts
m3
X = 196.2
dia
Con el dato anterior calculamos el consumo bimestral:
m3
(196.2
)(60dias )  11772m3
dia
Aplicamos la cuota por m3 marcada en la tabla 4.22, que en este caso es la de
mayor a 1500, teniendo entonces:
Por consumo mayor a 1500 m3 se cobran: $56,008.24
Por cada m3 rebasado de los 1500 se cobra: $43.99
Por lo tanto
Por consumir 11772 m3 se cobran: $56,008.24
123
WATER WISELY
CAPÍTULO 4.
Se calcula el total de m3 excedidos y se obtiene la cuota a pagar por los
mismos:
(11772m 3 )  (1500m 3 )  10272m 3
(10272m3)(43.99)  $451,865.28
Finalmente, se obtiene el total a pagar por tal consumo de agua:
(56,008.24 )  (451865.28 )  $ 507,873.52
$507,873.52
Para el cálculo del costo total con el sistema de reutilización de aguas tratadas se
deben tomar en cuenta los siguientes datos:
México
327
lts
dia
Aplicando el teorema de Pareto, se tiene que el 80% del agua se consume y el
20% se desecha como agua gris, por lo tanto:
327
X
lts
d ia
100%
20%
Con esta relación es calculada la cantidad de agua que un habitante genera en
promedio :
65.4
lts
de agua gris
dia
124
WATER WISELY
CAPÍTULO 4.
Por lo tanto,
(327
lts
lts
lts
)  (65.4
 261.6
por habitante
dia
dia)
dia
Ahora se debe calcular el número de habitantes en el edificio multifamiliar.
DATOS:
8 departamentos por piso.
5 habitantes por departamento.
Por lo tanto,
(15)(8)(5)  600 habitantes en el edificio.
Se calcula el total de m3 por habitante al día:
(600)(261.6
lts
lts
)  156960
dia
dia
1m 3  1000lts
X  156960lts
m3
X = 156.96
dia
Con el dato anterior calculamos el consumo bimestral:
(156.96
lts
)(60dias )  9417.6m 3
dia
Aplicamos la cuota por m3 marcada en la tabla 4.22, que en este caso es la de
mayor a 1500, teniendo entonces:
Por consumo mayor a 1500 m3 se cobran: $56,008.24
Por cada m3 rebasado de los 1500 se cobra: $43.99
125
WATER WISELY
CAPÍTULO 4.
Por lo tanto
Por consumir 9417.6 m3 se cobran: $56,008.24
Se calcula el total de m3 excedidos y se obtiene la cuota a pagar por los
mismos:
(9417.6m 3 )  (1500m 3 )  7917.6m 3
(7917.6m3)(43.99)  $348295.224
Finalmente, se obtiene el total a pagar por tal consumo de agua:
(56,008.24)  (348295.224)  $404,303.64
$404,303.64
Ahora se hace un comparativo entre lo que se paga sin un sistema de reutilización de
aguas cuanto se paga cuando se cuanta con un sistema de reutilización de aguas.
Sin sistema de reutilización: $507,873.52
Con sistema de reutilización:
Ahorro generado:
$404303.64
(507,873.52)  (404303.64)  $103,569.98
$103,569.98
126
WATER WISELY
CAPÍTULO 4.
4.17. Amortización de la inversión.
Para los siguientes cálculos se deben tomar en cuenta el costo total del sistema usando
como base el ejemplo propuesto en el punto 4.1 que es de $ 186,780.00 M.N. sumado
al pago por servicios de ingeniería y finalmente el total a pagar al Sistema de Aguas de
la Ciudad de México por parte de los condóminos.
Costo del sistema
Pago por servicios
Horas de ingeniería
Costo por hora
40 horas
$300.00
Subtotal
$12,000 x 3
personas
Total a pagar por el sistema “Water Wisely”.
$197,968.00 M.N.
Total por servicios
$36,000 M.N.
$233,968.00 M.N.
Cabe señalarse que al año, los condóminos de un edificio multifamiliar con las
características que se han descrito ahorran $ 621,420.00 M.N. en agua, todo esto
después de haber recuperado la inversión lo que representa un ahorro de $ 5,178.50
M.N pesos anuales por departamento.
A continuación se obtiene la ecuación que representa el comportamiento que existe
entre la relación costo-periodo sin utilizar el sistema Water Wisey, esto se logra en base
al pago que se hace por el consumo de agua en el edificio multifamiliar sin el empleo
dicho sistema.
y = 507873.52(x)
Posteriormente se obtiene la ecuación que representa el comportamiento que existe
entre la relación costo-periodo utilizando el sistema Water Wisely, esto se logra en base
al pago que se hace por el consumo de agua en el edificio multifamiliar con el empleo
de dicho sistema, además de adicionar el costo de la inversión inicial que se hizo para
implantarlo.
y = 404303.64(x)+233968
y = Costo (Pago bimestral)
x = Tiempo (bimestre)
Una vez hecho esto, se grafican las dos ecuaciones para hacer una comparativa en
relación al costo-periodo de cada una de ellas.
127
WATER WISELY
CAPÍTULO 4.
Figura 4.8 Relación costo-periodo sin utilizar el sistema Water Wisely.
Figura 4.9 Relación costo-periodo utilizando el sistema Water Wisely.
En base a estas dos graficas se obtiene la amortización de la inversión, lo que nos da
como resultado el periodo de tiempo en que se va a recuperar lo invertido.
128
WATER WISELY
CAPÍTULO 4.
Figura 4.10 Amortización de la inversión.
Para obtener el periodo exacto en que se recuperara la inversión, se deben igualar las
dos ecuaciones anteriores para despejar la variable x, que es el tiempo expresado en
bimestres.
507873.52(x) = 404303.64(x)+233968
$ 233,968.00 M.N.(total a pagar por Water Wisely)
$103,569.98 M.N. (ahorro total usando el servicio)
2.259032 bimestres = 4.518065 meses
Como puede observarse, el ahorro al bimestre, que es el tiempo que estipula el Sistema
de Aguas de la Ciudad de México para cobrar el servicio, es de $103,569.98 M.N., y el
costo total del proyecto es de $ 233,698.00 M.N. por lo que la inversión se recupera
prácticamente en cinco meses o tres bimestres.
Finalmente se hará un pequeño estudio acerca del ahorro bimestral que se tendrá en
un periodo de 5 años, esto se logra haciendo la sustracción entre el costo del consumo
de agua sin el sistema y el costo del consumo de agua con el sistema en diversos
lapsos del periodo.
129
WATER WISELY
CAPÍTULO 4.
Años
1
2
3
4
5
Bimestres
Costo
6
$ 3,047,241.12
12
$ 6,094,482.24
18
$ 9,141,723.36
24
$ 12,188,964.48
30
$ 15,236,205.6
Tabla 4.23 Relación del pago de servicio de agua sin el sistema de reutilización de aguas tratadas.
Años
1
2
3
4
5
Bimestres
Costo
6
$ 2,659,790.00
12
$ 5,085,611.68
18
$ 7,511,433.52
24
$ 9,937,255.36
30
$ 12,363,077.20
Tabla 4.24 Relación del pago de servicio de agua con el sistema de reutilización de aguas tratadas.
Años
1
2
3
4
5
Bimestres
6
12
18
24
30
Costo
$ 398,639.28
$ 1,020,058.56
$ 1,641,477.84
$ 2,262,897.12
$ 2,884,316.4
Tabla 4.25 Relación del ahorro en el pago de agua en función de un periodo de tiempo.
Figura 4.11 Relación ahorro tiempo.
130
WATER WISELY
RECOMENDACIONES.
Las siguientes recomendaciones que a continuación se enlistan se plantearon con el fin
de que el sistema de reutilización de aguas tratadas “Water Wisely” tenga una vida útil
más larga y eficiente.
Agregar tarjas con llave para que la gente pueda tomar directamente agua
tratada y de esta forma realizar algunas otras actividades. Así mismo, en este
mismo espacio, los habitantes tienen la opción de verter algún tipo de liquido
(corrosivo, solvente, etc.) que se irá directamente al drenaje y así evitar que
llegue al sistema.
Aunque el sistema puede resistir los efectos de algunos compuestos químicos
externos es recomendable que no se viertan en el sistema de tratamiento de
agua, todo ello con el objetivo de evitar posibles paros en el sistema, así como
un mantenimiento más continuo.
Evitar verter al drenaje agua (o cualquier otro tipo de fluido) a muy altas
temperaturas (más de 90°) debido a que alteraría el buen funcionamiento del
separador de grasas.
Hablando del separador de grasas, mientras aumente el número de habitantes
es recomendable instalar más de estos dispositivos (en serie) para cubrir con la
demanda, aunque esto requeriría una superficie mayor para implantar el sistema.
Aunque se emplea un solo tipo de medidor de nivel para ambos tanques,
también se puede optar por utilizar otro diseño de medidor de nivel que utiliza el
mismo principio y a un menor costo, aunque este solamente funcionará para el
tanque que contiene las aguas tratadas debido a que maneja un menor rango de
conductividad del agua, además de que es vulnerable a los agentes
contaminantes de las aguas grises.
Para darle mantenimiento al sistema es recomendable que este se haga en
fechas donde existan pocas posibilidades de que la gente utilice agua, como en
algún horario nocturno ya que los pasos que se necesitan para este proceso no
generarán ruidos que en algún momento dado puedan ser molestos para los
habitantes ni toman mucho tiempo para realizarse.
Por ningún motivo se debe de beber el agua tratada puesto que las
características de la misma no son las óptimas para el consumo humano, para
eso se deben utilizar indicadores o letreros para advertir de esta situación a los
habitantes.
131
WATER WISELY
CONCLUSIONES.
En este proyecto lo que se logró fue reunir la información necesaria para llevar a cabo
un análisis detallado para poder implantar un sistema de reutilización de aguas
tratadas, así mismo, observar los beneficios tanto sociales como económicos que se
generan.
Cabe mencionar que gracias a este tipo de proyectos una parte de la sociedad se
sentirá favorecida aunque en realidad el beneficio es para todos, especialmente para
aquellas personas que viven en lugares donde la escasez de agua es constante y
requieren de una mayor y mejor distribución de este recurso natural.
En términos generales, como se vio en el desarrollo del presente proyecto, la superficie
que se necesita para implantar este sistema es cercana a los 64 m2, que es un área
más o menos parecida a la de un departamento, esto significa que una empresa
constructora solamente tendría que sacrificar un espacio que conforma el cajón de
estacionamiento para 5 carros aproximadamente, pero sobretodo, no alteraría las
actividades cotidianas de las personas.
Tomando en cuenta lo anterior, es factible vender el proyecto a empresas constructoras
de conjuntos habitacionales o que de igual forma estén empezando con proyectos para
construir nuevos edificios, aunque también puede venderse a otras organizaciones que
construyen inmuebles a gran escala, como escuelas, empresas, edificios ejecutivos,
etc.
En algún momento dado puede adaptarse una red de tuberías para la captación de
aguas pluviales y para un sistema de irrigación, pero por supuesto esto requiere de
equipo adicional al ya establecido.
En cuanto al aspecto económico, como se observo en el desarrollo del capítulo 4, la
inversión es recuperada en un periodo de tiempo relativamente corto; sin embargo, el
costo del proyecto solamente contempla la instalación y puesta en marcha del sistema.
Si se tomaran en cuenta otros gastos adicionales como mano de obra, material
adicional, mantenimiento, personal, etc., la inversión para implantar el sistema de
reutilización de aguas tratadas aumentaría, lo que daría como resultado un periodo
mayor para amortizar la inversión.
Finalmente con este proyecto se ayuda a disminuir el uso de agua de la red pública al
reciclar este recurso con el proyecto desarrollado.
132
WATER WISELY
BIBLIOGRAFÍA.
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Título: Teoría y práctica de medición de niveles.
Editorial: Editado por Endress + Hauser
Lugar: España.
Año: 2006
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Año: 1979.
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Autor: Cheremistinoff, Nicholas P.
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Lugar: U.S.A.
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Lugar: U.S.A
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Título: Introducción a la espectroscopía de absorción molecular ultravioleta, visible e
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Lugar: México.
Año: Información no disponible.
Tomado para uso didáctico.
Autor: Información no disponible.
Título: La problemática del agua en México y el mundo.
Lugar: México.
Año: Información no disponible.
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Autor: Secretaría de salud.
Título: Norma oficial mexicana “NOM-127-SSA1-1994, salud ambiental, agua para uso
y consumo humano, límites permisibles de calidad y tratamientos a que debe someterse
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Lugar: México
Año: 1994.
Autor: Secretaría del medio ambiente, recursos naturales y pesca.
Título: “Norma oficial mexicana NOM-001-ECOL-1996, que establece los límites
máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales en aguas
y bienes nacionales.”
Lugar: México
Año: 1996.
Tomada para uso didáctico.
Exposición.
Autor: Encinas Rodríguez, Alejandro.
Título: La ciudad de México. Los retos del agua.
Lugar: México.
Año: 2004.
Información gubernamental.
Autor: Secretaría de medio ambiente y recursos naturales. Comisión Nacional del
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Título: Estadísticas del agua en México. Edición 2007.
Lugar: México.
Año: 2007
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http://www.sacm.df.gob.mx/sacm/atencion/tarifas.htm
Título: Atención al cliente. Nuevo esquema tarifario.
Lugar: México.
Año: 2008.
135
WATER WISELY
Manuales y catálogos descargados de las páginas de las empresas en
formato pdf.
Tema relacionado.
Válvulas de mariposa
manuales y operadas
por solenoide
Empresa
Página de Internet.
Chemtrol
www.nibco.com
Cepex
www.cepex.com
Viking Johnson
www.vikingjohnson.com
Flowquest
www.hydrodif.com
Hunter
www.hunterindustries.com
Nil-cor LLC.
No Disponible.
Resol
No Disponible.
Pentek
Aquaplus
www.pentekfiltration.com
www.indmass.com
Aquaor
No Disponible.
EWS Agua.
www.ewsagua.com
Comisión estatal de
servicios públicos de
Tijuana
www.cespt.gob.mx/cultura/TrGrasasAspTec.pdf
Bombas sumergibles.
Flygt
No disponible.
Medidor de nivel.
Analizadores, control
de analizadores
Endress + Hauser.
Hach
www.endress.com
www.hach.com
Filtros, sistemas de
filtración, filtros
multicapas, filtros de
carbón activado,
suavizadores de agua,
sistemas de ósmosis
inversa, purificadores
UV.
136

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