Sistema de Recirculación de aguas Grises

TRABAJO SEMESTRAL – TERMODINÁMICA Y MECÁNICA DE FLUIDOS

Water Recycling System Sistema de recirculación de aguas grises Velandia Alvarez Donnadine

2014 - II

UNIVERSIDAD ANTONIO NARIÑO

Sistema de Reutilización de Aguas Grises “Water Recycling System (WRS)” Velandia Alvarez Donnadine, Ingeniería Biomédica.

INTRODUCCIÓN "La palabra progreso no tiene ningún sentido mientras haya niños infelices." (Albert Einstein) 5.760 niños mueren debido a la falta de agua potable y saneamiento en el planeta, cada 24 horas, 240 por hora, 4 por minuto, 1 cada 15 segundos. Es una problemática mundial, aunque el planeta ha creado su historia por la existencia del agua, el hombre no ha llegado a comprender la importancia de este recurso y no ha dejado un legado de paz a las generaciones futuras que ya no gozan de su abundancia. La solución es reconocer la importancia de crear propuestas que se fundamentan en la futura escasez que presentará la población, la directa necesidad del hombre por obtener este beneficio será fuente potencial de conflictos sociales donde se potencializarán aquellas naciones hídricamente ricas. Colombia cuenta con porcentaje de agua significativa, la vertiente del Atlántico tiene los ríos más largos y sus caudales son abundantes durante todo el año, sumando a esto su localización geográfica, las precipitaciones en centro América alcanzan una cifra 50% mayor que las presentadas en territorios como África y el Medio Oriente; sin embargo, las estadísticas son preocupantes, se estima que para el año 2045 cuarenta países entre ellos Jordania, Israel y otros ubicados en el medio oriente revelarán escasez crítica del agua. El conocimiento es poder y la futura inversión en esta preservación posiblemente logre posicionar

nuevamente a Colombia en el cuarto país más rico en agua y ubicarlo entre los países que serán llamados a destacarse por su gran cantidad de recursos hídricos.

DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA Actualmente el mundo se enfrenta a gastos anuales que llegan a cubrir el 54% del total accesible de agua potable por el hombre, se estima en proyecciones del año 2025 que este porcentaje se incrementará a un 70%, considerándose únicamente en función al crecimiento de la población. El fondo de población de Naciones Unidas asegura que si el consumo de los países de más bajos recursos llegará al nivel de los países más desarrollados del mundo, se estaría absorbiendo para el año 2025 el 90% de agua disponible potable para el hombre. El mayor consumo del agua está representado por el factor agrícola (riego), sin embargo, cifras menores como el uso doméstico representa de manera significativa la distribución interna del agua describiendo usos equívocos en el sistema de alimentación del agua potable. Factor que es redistribuido en países con mayor conciencia hídrica como Japón, que efectúan una recirculación antes de la eliminación total. Colombia, mantiene un sistema de suministro antiguo que ocasiona utilización de agua dulce en actividades innecesarias, esta distribución permite cifras altas de desperdicio, porcentajes valiosos para el consumo humano en sectores marginados y catalogadamente pobres.

II

Tabla 1. El uso racional de una persona en funciones domésticas 1 USO Lavamanos Lavaplatos Ducha Sanitario Lavadora / Lavadero

PORCENTAJE UTILIZADO 4,0% 15,5% 33,6% 19,9% 27,0%

FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ¿Cómo lograr el ahorro del agua mediante la recirculación de aguas grises en viviendas?

JUSTIFICACIÓN Actualmente existen equipos de investigación ubicados en Japón, Suecia, Finlandia, Reino Unido y en otros países de recursos próximamente agotables, que están implantando estrategias de gestión integrada que permiten un tratamiento y reutilización del agua, esto se ha logrado ampliando la investigación en aspectos tecnológicos y de ingeniería que han logrado establecer nuevos conocimientos que retrasan el futuro inminente de escasez mundial de agua. De aquí surge la necesidad por ofrecer a un país una alternativa que facilite la captación y utilización de aguas grises en sistemas de vivienda que permitan darle un uso sin utilizar el agua potable. Esto procura generar una solución ante el usuario mientras se sigue generando conciencia ambiental.

OBJETIVOS Objetivo general Diseñar un sistema hidráulico basado en captación, filtración y recirculación de aguas grises con el fin de preservar y ahorrar el recurso hídrico para el futuro.

Objetivos específicos Construir un filtro natural que logre eliminar bacterias, microorganismos y demás impurezas mediante un proceso de purificación que permita la potabilización del agua circulante. Evaluar la viabilidad del sistema implantado en modelo real, teniendo en cuenta costos, duración de los materiales y mantenimiento para el sistema.

MARCO TEÓRICO El agua en el mundo. Se considera que aproximadamente el 71% de de la superficie de la tierra está cubierto por agua. Con esta cantidad considerable que tiene el planeta el 97% es agua salada, la cual se consideran los mares y los océanos. El 0.2% se localiza en la humedad superficial, en el vapor de agua que se encuentra en la atmósfera. Únicamente el 2.8% restante es agua dulce la única agua que se bebe y usa para vivir. La mayor parte de la localización del agua dulce esta en los hielos y glaciares que se estiman el 2.38%, Otra parte de esta agua dulce fluye por debajo de la tierra, aguas subterráneas (se encuentran, a menos de 1.000m de profundidad), estimándose el 0.39%, y solo una pequeña parte de ella, el 0.029% lo hace por algún rio en el mundo o se encuentra ahí estancada o en la superficie en forma de lagos o lagunas. Se puede concluir que de cada 100 gotas de agua, 97 gotas son agua salada y solo 3 gotas son agua dulce. En la atmósfera se encuentra el 0.001% dulce, sumando en su totalidad es un porcentaje limitado para la accesibilidad humana. Actualmente el agua dulce en el mundo privilegia a países sudamericanos y asiáticos, debido a su localización geográfica, en cambio existen otras regiones del mundo que se encuentran situados en zonas áridas y secas.

1

ROSEGRANT, Mark W. Panorama global del agua hasta el año 2025. Washington. 2002. 26 p.

III

Desperdicio del agua. Se empieza a notar en los ecosistemas del planeta que han recibido serios daños, cerca de la mitad de las zonas húmedas del mundo se han disipado, actualmente se han perdido 10 mil especies conocidas. En algunas ciudades, como en Hong Kong, el agua de mar se usa extensivamente para limpiar los baños y así mismo conservar el agua potable. En Colombia se están implantando nuevos diseños que permiten considerar menores valores de desperdicio. Un ejemplo es el suministro para el funcionamiento de los sanitarios. “El consumo de agua de cada descarga depende del modelo ofrecido por los fabricantes, los más comerciales varían entre 13.2L (3.5 gal) y 19L (5 gal); aunque existen algunos que ofrecen un consumo de 1.9L (0.5 gal).” Las duchas antiguas pueden llegar a distribuir 29,5litros por minuto, los cabezales más contemporáneos han disminuido el flujo y consumen 9,4litros de agua en el mismo minuto. Manteniendo una presión considerablemente igual a la de flujo alto. A partir de 1995, los inodoros tuvieron un cambio en el diseño con el fin de ahorrar agua, este rediseño consideró una evacuación de 6 litros de agua y continúa disminuyendo este consumo.

MEDICIONES FÍSICAS Y ASPECTOS EXPERIMENTALES

realizó de manera experimental tomando la cantidad de líquido que entra o sale de un sistema por unidad de tiempo.

SISTEMA

Entrada 3,32 min Tanque Cap. 672 ml 0,13 min Lavaplatos 26 ml 0,15 min Ducha 0,11 min 0,9 min Sanitario 0,5 min 0,12 min Lavamanos 0,10 min 0,13 min Lavadora 0,9 min Techo Filtro

Salida 0,59 min Cap. 82 ml 1,07 min 9 ml 26 ml 26 ml 11 ml 11 ml 26 ml 26 ml 26 ml 26 ml 1,5 min Impredecible 250 ml 3,36 min Impredecible 596 ml

Tabla 2. Mediciones por punto en cada sistema implementado. Siendo estos los datos recolectados en las diferentes mediciones, se procedió a calcular el caudal en los diferentes puntos, por medio de la fórmula. 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 =

∆𝑉 𝐿 = ∆𝑡 𝑚𝑖𝑛

CAUDAL POR PUNTO (L/min) Entrada Salida 0,202 0,139 Tanque 0,200 0,024 Lavaplatos 0,173 0,236 Ducha 0,012 0,024 Sanitario 0,216 0,260 Lavamanos 0,200 0,222 Lavadora Impredecible 0,166 Techo Impredecible 0,177 Filtro Medición de caudal por punto: El caudal es la cantidad de fluido medido en volumen que se mueve en determinadaunidad de tiempo; este cálculo se

Tabla 3. Caudal por punto en cada sistema implementado.

IV

El caudal de entrada del techo es impredecible porque depende de las precipitaciones.

Y recordando el caudal de entrada o llenado del tanque que es 0,202 L/min, procedemos a hallar la potencia de la bomba.

El caudal del filtro también es impredecible porque depende del uso de cada sistema.

𝑃𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 = 𝑘𝑁 m3 9,8 3 .0,68 𝑚 .3,7 × 10−7 𝑚 s

Para determinar la potencia de la bomba utilizamos la fórmula descrita a continuación:

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 = 𝛾. 𝑕. 𝑄

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 = 2,41 × 10−3 𝐻. 𝑃

(1)

𝑷𝒐𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂𝑩𝒐𝒎𝒃𝒂 = 𝟏, 𝟕𝟗 𝒘𝒂𝒕𝒕𝒔

Donde: El área del conducto es: 𝛾 = 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜

𝐴 = 𝜋𝑟 2

𝑕 = 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 𝑎𝑙 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 𝑄 = 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑒𝑛

m3 = 3,7 × 10−7 s

(3)

𝑨 = 𝟏, 𝟗𝟔𝟑 × 𝟏𝟎−𝟓 𝒎𝟐 Ahora, hallaremos la presión en cada punto (punto A y punto B) para ello utilizaremos:

Recordando que es el peso específico del agua es: 𝛾 = 𝜌 . 𝑔 = 1000

𝐾𝑔 𝑚3

. 9,82

𝑚 𝑠2

𝑃 = 𝑐𝑡𝑒 𝐵𝑒𝑟𝑛𝑜𝑢𝑙𝑙𝑖

(2)

𝑃𝑒𝑥𝑡 + 𝑃𝐻 + 𝑃𝐻𝐷 = 𝑐𝑡𝑒

𝑵 𝜸 = 𝟗𝟖𝟐𝟎 𝟑 𝒎

𝑃𝐵 = 𝑃0 + 𝜌𝑔𝑕 +

Procedemos a tomar las medidas necesarias para hallar la presión de la bomba. La altura (h) desde el punto A al punto B es de 0,68 m siendo el punto A la ubicación de la bomba y el punto B el tanque de distribución.

𝑃𝐵 = 𝑃0 + 𝛾𝑕 +

1 2

𝜌𝑣 2

1 𝑉 𝜌 2 𝑡𝐴𝑡𝑢𝑏𝑜

(4) 2

𝑃𝑎 0,68 𝑚 𝑚 6,72 × 10−4 𝑚3 4,3 𝑠 (3,85 × 10−14)

= 77,36 𝑘𝑃𝑎 + 9820 +

1 𝐾𝑔 1000 3 2 𝑚

2

𝑷𝑩 = 𝟑, 𝟏𝟖𝟐 × 𝟏𝟎𝟔 𝑷𝒂 Ahora hallaremos la presión en el punto A tomando como altura del punto referencia 0 m 𝑃𝐴 = 𝜌𝑔𝑕 +

1 2

𝜌𝑣 2 = 3,182 × 106 𝑃𝑎

V

𝑃𝐴 + 𝜌𝑔𝑕 +

1 2

𝜌𝑣 2 = 𝑃𝐵 + 𝜌𝑔𝑕 +

1 2

𝜌𝑣 2

𝑃𝐴 = 3,182 × 106 + 6,67 × 103 𝑃𝑎 𝑷𝑨 = 𝟑, 𝟏𝟖𝟖 × 𝟏𝟎𝟔 𝑷𝒂

Por último hallaremos la presión hidrostática en el tanque de almacenamiento para así determinar la presión de la bomba. 𝑃𝐻(𝑇𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 ) = 𝜌𝑔𝑕 𝑇𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 𝑃𝐻(𝑇𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 ) = 9820

Es aconsejable que se evite al máximo la utilización de cualquier tipo de tubería galvanizada, hierro fundido o materiales similares, ya que estos tienen tendencia a la corrosión y sus daños serian considerables, es por esto que los materiales planteados en el diseño son de PVC en las tuberías y Cobre y bronce en los registros y medidores.

CONCLUSIONES (5)

𝑃𝑎 × 0,12 𝑚 𝑚

𝑷𝑯(𝑻𝒂𝒏𝒒𝒖𝒆) = 𝟏, 𝟏𝟕 × 𝟏𝟎𝟑 𝑷𝒂 Entonces: 𝑃(𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 ) + 𝑃𝐻 + 𝑃0 = 𝑃0 + 𝜌𝑔𝑕 𝑃(𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 ) + 𝑃𝐻 = 𝜌𝑔𝑕

los tratamientos actualesvan resultando obsoletos. Y se requiere estar al tanto de la experimentación para así producir las contravenciones correspondientes.

(6)

𝑃(𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 ) = 𝜌𝑔𝑕 − 𝑃𝐻 𝑷(𝑩𝒐𝒎𝒃𝒂) = 𝟓, 𝟓 𝒌𝑷𝒂

OBSERVACIONES GENERALES La calidad del agua está ligada con el sector, para viviendas en zonas aledañas a la ciudad, es recomendable en viviendas de campo, sector que evitaría considerablemente las proporciones de plomo en el agua. En el aspecto de tratamiento quedan las puertas abiertas a la evaluación de métodos tanto de mejoramiento como de caracterización ya que a medida que el hombre avanza va desarrollando nuevos contaminantes y que en su gran mayoría van ligados con la contaminación atmosférica, entonces

Se plantea la re-utilización de aguas residuales pero en modelos reales se descarta la posibilidad por los diferentes puntos que se presentan a continuación. a) Elevados costos de tratamiento. El agua residual contiene grandes cantidades de sólidos y espumas que afectan la calidad del material de las tuberías de suministro, para remover un porcentaje elevado de estos componentes, los equipos de limpieza y potabilización primaria son demasiado costosos y la rentabilidad del proyecto no es viable por la pequeña área de cobertura. b) El agua es un significativo transmisor de infecciones, bacterias y virus, y el tratamiento de saneamiento adecuado, demanda altos controles de usos no convencionales. En la caracterización de aguas lluvias de la ciudad de Bogotá, se encontró mediante ensayos de metales pesados un alto nivel de plomo, esto se debe a que la gasolina contiene Tetraetilo de plomo, estas sustancias derivadas del metal, se queman y se liberan en el aire y la lluvia las arrastra hacia la superficie. El problema fundamentalmente consiste en que por ser un metal pesado puede generar malestar al contacto directo con los habitantes, además de crear manchas en los sanitarios y sedimentos en las tuberías. Para neutralizar los niveles de plomo se dispone de dosmétodos: a) Por medio de la aplicación del hipoclorito de sodio que a la vez funciona como desinfectante también

VI

ayuda a coagular las partículas de plomo y hace que estas se sedimenten y pueden ser removidas. b) Se utiliza los filtros de gravas y arena con cloros que atrapan en gran parte las partículas no deseadas incluyendo los metales pesados. Por este motivo se decidió utilizar este tipo de filtro natural adicionando carbón activo que elimina los microorganismos brindando una mayor capacidad de potabilización del agua.

BIBLIOGRAFÍA  

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Instituto de Tecnología del Agua ITA (2011) http://www.ita.gob.co/ enHealth (2004) “Guidance on Use of Rainwater Tanks” http://enhealth.nphp.gov.au/council/pubs/ documents/rainwater_tanks.pdf University of California, Santa Barbara (2011) “Proyecto Experimental: Un Sistema para Captar Aguas Pluviales y filtración para La Universidad de ECOSUR” http://www2.bren.ucsb.edu/~keller/course s/GP_reports/Diseno_CaptacionPluvial_e dificio.pdf Fondo para la Conservación de la Naturaleza “Aprovechar el agua pluvial” http://www.fmcn.org/documentos/Repens ar_la_Cuenca_3.pdf Escuela Internacional de Ingeniería del Agua Andalucía “Sistemas De Aprovechamiento De Aguas Pluviales” http://prueba2.aguapedia.org/master/prese ncial/pfm/proyecto_aprovechamiento_agu as_pluviales/presentacionaprovechamiento_de_aguas_pluviales.pdf

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