Sistema para la colecta y tratamiento de agua pluvial para el uso doméstico en la zona sur de la Ciudad de México.

Autores:

● Luis Rodrigo Fernández Gómez A01334539

● David Lameiras Barrea A01334299

● Jimena Pérez Arceo A01335801

● Rodrigo Sánchez Jiménez A01334535

Profesores: Hugo Ortiz y Omar Rojas

Fecha de entrega: 6 de diciembre 2014

Resumen

El presente proyecto dilucida una posible solución complementaria y alternativa la

escasez en la zona del sur de la Ciudad de México: la captación de agua pluvial.

En un principio se describen los posibles contaminantes en el agua captada y sus

respectivos tratamientos para cumplir con los requerimientos de la Norma Oficial

Mexicana para el consumo humano. Se incluye una caracterización de la corriente

de entrada y la descripción detalla del sistema de captación, así como los cálculos

que sustentan su operación. En general se logra la definición de un sistema que

permitirá captar la precipitación para solucionar el problema de abastecimiento de

agua, sin embargo, se discute la rentabilidad de este sistema dependiendo de los

usuarios.

Palabras Clave: Captación pluvial, uso doméstico, aprovechamiento,

Planteamiento del problema

El estrés hídrico al cual están sometidos los sistemas de agua y los

acuíferos de los que se distribuye agua hacia la Zona Metropolitana del

Valle de México (ZMVM), es suficiente motivo para plantear modelos

alternativos de abasto de agua. La decreciente calidad y cantidad del

agua que se encuentra en los acuíferos, así como las consecuencias

estructurales en la ZMVM de estos sucesos, son algunos ejemplos de las

afectaciones del modelo actual. Existen estudios, proyectos y planes

que están dedicados a hacer esta extracción de agua procesos más

sustentables, sin daños a mediano y largo plazo tan grandes como los

del modelo actual. Sin embargo, se considera que un proyecto viable

que plantee un modelo alternativo para obtención de agua para el uso

doméstico, según la NOM--127--SSA1--1994 y la NOM--012--SSA1--1993,

pasa por el aprovechamiento integral del agua pluvial.

En un estado de contaminación del aire mínimo, el mismo ciclo

hidrológico sería proceso suficiente para purificar el agua: el líquido

precipitado sería suficientemente bueno para el consumo humano de

acuerdo con la NOM--127--SSA1--1994. Sin embargo, en el espacio en

el que se centra este trabajo de investigación, las condiciones de

contaminación del aire son sumamente preocupantes, excediendo

continuamente los límites establecidos por las autoridades correspondientes,

en este caso el Sistema de Monitoreo Atmosférico del Valle de México. Las

concentraciones de contaminantes del aire, empero, son variables y

dependen de muchos factores, como la temporada de lluvia, el día de la

semana e incluso las festividades. Favorablemente, estos factores son

cíclicos y es sensato pensar que los valores promedio para un día

determinado de cada año serán similares. Así, los índices de contaminación

ambiental varían con el tiempo y el espacio, por lo tanto también

variará la calidad del agua pluvial que se pueda recolectar. Es por eso

que se tiene que hacer una caracterización por temporadas y sectores de

las corrientes de entrada (agua pluvial) para poder saber cuáles son los

métodos óptimos de purificación de la corriente para el uso que se le

quiera dar.

Objetivos

Determinar la viabilidad del desarrollo de un aparato doméstico de

captación y purificación de agua pluvial para la zona sur de la

Ciudad de México mediante la compilación de información bibliográfica.

Hacer una adecuada caracterización teórica las corrientes de entrada de

agua pluvial para saber las operaciones necesarias para la purificación de

la corriente.

Justificación

Dado que en la ZMVM se encuentran tanto el Distrito Federal como

el Estado de México, la distribución del agua que abastece el Valle de

México (ya sea por el acuífero local o las fuentes externas) depende del

trabajo en conjunto de ambos gobiernos y de la importancia de estudios

pertinentes para garantizar el futuro de este recurso. Ya que se sabe que

la población de la ZMVM crece año con año, las fuentes internas y

externas se verán más comprometidas al deber dar abasto a todos sus

habitantes. Como consecuencia, se han gestionado diferentes opciones

políticas para garantizar el servicio de agua en la ZMVM de una

manera más eficiente, de las cuales se encuentran pertinentes para

fundamentar la propuesta:

● Mejorar la red para distribuir el agua homogéneamente a través de la ciudad

● Utilizar agua de lluvia o tratada para inyectarla al acuífero local.

● Redistribuir el agua disponible entre los diversos sectores del Valle de

México (doméstico, industrial, agrícola).

Datos sobre el estado de los sistemas de agua.

Sobreexplotación de acuíferos

A partir del proceso de identificación, delimitación, estudio y cálculo de la

disponibilidad, comenzado en 2001, el número de acuíferos sobreexplotados

ha oscilado anualmente entre 100 y 106 (CONAGUA, 2013). Al 31 de

diciembre de 2012 se reportan 106 acuíferos sobreexplotados, como

bien lo ilustra la Tabla 1. De los acuíferos sobreexplotados se extrae

el 54.72% del agua subterránea para todos los usos.

Tabla 1. Sobreexplotación en los acuíferos del país de acuerdo a la CONAGUA (2013) Se puede observar que en la región de Aguas del Valle de México 4 de los 15 acuíferos están sobreexplotados. También a continuación se presentan datos importantes sobre el agua en la Zona Metropolitana del Valle de México, en el caso de la Figura 2, la región comprendida por Aguas del Valle de México.

Tabla 2. Agua renovable per cápita en el país de acuerdo con la

CONAGUA (2013).

Datos sobre precipitación media por zonas.

La precipitación normal del país en el periodo de 1971-- 2000 fue de 760

milímetros. Los valores normales, de acuerdo con el Instituto Nacional

de Geografía y Estadística (INEGI, 2012) corresponden a los promedios

calculados para un periodo uniforme y relativamente largo, el cual debe

tener como mínimo 30 años de recabar información. Ésto se considera

como un periodo climatológico mínimo representativo.

En el caso específico de la Zona del Valle de México las

precipitaciones dadas por mes son las siguientes: 552.1

milímetros anuales, teniendo mayor cantidad de

precipitaciones en los meses de: junio, julio y agosto, como se ve en la Figura 3.

Tabla 3. Precipitación media mensual y anual en el país de acuerdo con la CONAGUA (2012)

Propuesta de sistema de tratamiento

Dado el contexto en el que se encuentra este proyecto, es necesario

describir ciertas características de éste:

El agua que se va a tratar es pluvial. Se pretende hacer la captura

de agua en el ITESM CCM. La ventaja de hacerlo en este lugar es que

se cuentan con datos de los Centros de Observación Atmosférica en la

UAM Xochimilco y la de Xochimilco. El CCM se encuentra en una posición

media entre ambos, así que la caracterización del aire (y del agua) puede

ser más sencilla dado que se cuenta con datos sumamente exactos.

Existen diversas técnicas de captación del agua de lluvia. Estas se

utilizan dependiendo del contexto, pero aquí se enlistan las principales:

Sistemas de captación externos. Incluye agricultura de escorrentías. Este

sistema se basa en la colección de agua desde un área grande a una

distancia lejana del área donde se está desarrollando la agricultura.

Generalmente esta colección del recurso es de laderas a zonas planas

(Ventura et al., 2005). La descripción de este sistema es pertinente para

dar un panorama amplio de las distintas técnicas, aunque no aplique para

nuestra área delimitada.

Sistemas de microcaptación o captación "in Situ". Tienen como objetivo

prevenir y hacer reversible el proceso de degradación originado por la

erosión hídrica, aumentar la eficiencia del uso del agua, reducir las

pérdidas mediante una estación seca e incrementar la productividad. Se

usan generalmente en áreas donde el cultivo se encuentra adyacente.

(Ventura et al., 2005)

Sistemas de colección de escurrimiento en techos. Este último es

utilizado generalmente en poblados con poca o nula distribución del recurso

hídrico. Se basa en generar cierta pendiente o construir canales en los

techos de las construcciones para que cuando haya precipitación se capte

el agua y se almacene (Ventura et al., 2005). Debido a que los otros

tienen un mayor objetivo para el uso agrícola, este sistema es adaptable

para las zonas urbanas, y en comunidades encontradas en grandes

pendientes como es el caso de ciertas zonas del Distrito Federal. Este es

el sistema que se planea utilizar.

La idea detrás de esta captación de agua pluvial es aprovechar esos

volúmenes de agua para el uso doméstico, léase: agua para la regadera y

tomas de agua, limpieza de utensilios, de pisos y muebles. Las

corrientes de salida del tratamiento tendrán contacto directo con las

personas y será empleada mayormente como agua para la limpieza. Esto

quiere decir que nuestro proyecto se enfoca en una parte pequeña del

“ciclo del agua” en el uso doméstico: desde la obtención del agua

hasta antes de volverse agua jabonosa. Delimitar el alcance del proyecto

de esta manera, permite un análisis más puntual así como una propuesta

de solución especializada y de mayor calidad.

Parte de este análisis puntual tiene que ver con una caracterización

adecuada. Esta se dará mediante una Caracterización Inicial Estimada

(CIE), la cual se basará en una compilación de datos de contaminación

ambiental anual media en la zona a la que se cierne el estudio. La CIE

permitirá plantear un proceso con ciertos equipos seleccionados por las

concentraciones de contaminantes en agua que la CIE determine. El

objetivo de hacer una CIE basados en la investigación teórica es

acercarnos de manera más rápida a una caracterización completa de la

corriente de entrada. Esta CIE, además, sirve para poder conocer las

composiciones de cada espacio particular de la ZMVM sin la

necesidad (de entrada) de costosas y poco accesibles pruebas

científicas.

A continuación se enlistan tanto los contaminantes como procesos que se

deben de seguir cuando los contaminantes biológicos, las características

físicas y los constituyentes químicos del agua exceden los límites

determinados por la NOM--127--SSA1--1994.

• Características físicas y organolépticas del agua.

Color 20 unidades de color verdadero en la escala de platino-cobalto

Olor y Sabor

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.

Turbiedad 5 unidades de turbiedad nefelométricas (UTN) o su equivalente en otro método.

Contaminante Tratamiento Contaminación biológica: Conformado Desinfección con cloro, compuestos

principalmente por bacterias, helmintos, protozoarios y virus.

de cloro, ozono o luz ultravioleta.

Constituyentes químicos: Constituidos principalmente por aluminio, bario, cadmio, cianuros, cobre, cromo total y plomo.

Intercambio iónico u ósmosis inversa.

Fenoles o compuestos fenólicos.

Adsorción en carbón activado u oxidación con ozono.

Materia orgánica.

Oxidación, filtración o adsorción en carbón activado.

Nitratos y nitritos.

Intercambio iónico, coagulación, floculación, sedimentación, filtración; cualquiera de las anteriores o la combinación de ellos.

Nitrógeno amoniacal.

Coagulación, floculación, sedimentación, filtración, desgasificación o desorción.

Sólidos disueltos totales.

Coagulación, floculación, sedimentación, filtración y/o intercambio iónico.

Según la CIE, los contaminantes que probablemente se encuentren en

mayor cantidad en nuestra muestra de agua pluvial, excediendo los

límites que marcan las Normas Oficiales, son: El dióxido de nitrógeno

(NO2), óxido nítrico (NO) y de manera general los óxidos de nitrógeno

(NOx). Es importante recalcar estos últimos ya que se forman mediante el

proceso de combustión en vehículos y plantas eléctricas. Es un gas tóxico,

irritante, y sobre todo para nuestro estudio, es precursor de la formación de partículas de nitrato como se muestra a continuación: NO2

+ H2O --> 2 HNO3 + NO. Los nitratos dentro de la corriente pluvial deben

considerarse un riesgo de salud pública si el agua llegase a ser utilizada

para consumo humano.

De acuerdo con la siguiente tabla de la NORMA OFICIAL MEXICANA

NOM--201--SSA1--2002. Podemos encontrar el límite máximo del cual no deben pasar nuestras muestras de agua pluvial en relación con los nitratos y nitritos:

Sustancia Límite máximo (mg/L)

Cianuros como CN-- 0,05

Nitratos como N 10,00

Nitritos como N 0,05

Sustancias activas al azul de metileno

0,5

Tabla 4. Límites de algunos contaminantes en agua. (Secretaría de Salud,

2002)

Sin embargo, es importante indicar que en las referencias se encuentra el

enlace a la NOM–201–SSA1–2002. En ella se encuentran los límites permitidos

de todos los contaminantes según la norma oficial en caso de que se

encuentre en nuestras muestras una cantidad significante que pueda

convertirse en un problema para el uso público que se le quiere dar a

este recurso hídrico.

Considerando ya los nitratos como principal problemática en nuestras

muestras de agua pluvial, a parte de los coliformes fecales, los procesos

tentativos a seguir deben ser: El intercambio iónico o coagulación, la

floculación, sedimentación, filtración, o bien, la ozonificación y la luz UV.

Para un mejor resultado, es preferible generar una combinación de los

mencionados para generar un incremento en calidad del agua.

Así, los equipos que tentativamente se utilizarán para llevar a cabo los

procesos que se indicaron anteriormente son:

Intercambio Iónico:

Resinas de intercambio iónico

Para la coagulación y floculación:

En la primera etapa de coagulación se elimina la doble capa eléctrica que caracteriza a los coloides, y la floculación se da a continuación y consiste básicamente en la aglomeración de los coloides mediante la atracción de las partículas con el aglutinamiento que se logra por la presencia de sustancias conocidas como floculantes (Ruiz,s.f).

1. Coagulación

Sustancia química coagulante

2. Cámaras de mezcla rápida

Retromezcladores o Mezcladores Mecánicos

Mezcladores Hidráulicos

3. Cámaras de mezcla lenta (floculadores).

Floculadores hidráulicos

Floculadores mecánicos

4. Decantación

Decantadores estáticos, dinámicos o laminares.

5. Filtración

Sedimentación

Medición granulométrica.

Espectrómetro Infrarrojo

Agitador mecánico de tamices

Centrífuga

Análisis del agua de lluvia de la zona sur de la Ciudad de México

Contaminantes en el agua de lluvia de la zona de trabajo

Con base en estudios antes realizados por la coordinación de Ingeniería

Ambiental de la Universidad Nacional Autónoma de México (2012), los

resultados microbiológicos del análisis del agua de lluvia captada en la

zona sur de la ciudad de México, mostraron diversos tipos de bacterias.

Entre las encontradas, están las de la familia Bacillaceae y los géneros

Leuconostoc y Aerococcus, las cuales se han reportado ampliamente

distribuidas en aire, suelo y agua. Otra especie identificada en esta

investigación fue E. coli, aislada a partir del medio selectivo para

coliformes totales. En el mismo medio selectivo se encontró Enterobacter

aerogenes la cual se encuentra ampliamente distribuida en el aparato

respiratorio, afecta las heridas cutáneas y en ocasiones puede ser causa

de septicemia (envenenamiento en la sangre) y de meningitis.

Por otro lado, en el análisis fisicoquímico del estudio se presentan los

niveles de SST, DBO, DQO, PH y COT, el cual se encuentra en la tabla

5. Un análisis preliminar de los datos se muestra en la gráfica 1 y 2, las

cuales muestran cómo decrecen los valores de los parámetros

fisicoquímicos a lo largo de la temporada de lluvias. Esto ayuda a

ilustrar la facilidad que implica la purificación del agua pluvial, pues es la

temporada de lluvias misma la que ayuda en este propósito.

Tabla 5. Niveles fisicoquímicos en las corrientes analizadas.

Gráfica 1. Tendencias de contaminantes a lo largo de la temporada.

Elaboración propia a partir de datos de García (2013)

Gráfica 2. Tendencias de contaminantes en fragmento de temporada de

lluvias. Propia con datos de García (2013)

En la tabla 6 se muestra un fragmento de los datos colectados y se

puede observar que el agua de lluvia cumple con la mayoría de los

parámetros que se regulan en las normas relacionadas. Como se puede

ver al comparar los resultados obtenidos del mismo estudio hecho en la

UNAM con lo que indican las normas para el caso de la DBO5 y SST se

encuentran muy por debajo de lo que marcan las normas para los

diferentes usos. Los resultados de coliformes fecales se encuentran dentro

del rango permisible, sin embargo los coliformes totales rebasan un poco

los límites permisibles de las normas. Por esta característica, nuestro

sistema de tratamiento se centrará en eliminar coliformes y bacterias en un

sistema que se describirá más adelante.

Tabla 6. Comparación de datos relevantes de las corrientes de agua con NOM.

Para el caso de los contaminantes que tienen que ver con los

subproductos de la combustión, como lo son los iones disueltos o los

metales pesados, se tienen resultados también alentadores. Como lo

señala García (2013), los iones disueltos que se encuentran en las

muestras de corrientes pluviales del Desierto de los Leones, en la Ciudad

de México, se encuentran todos en niveles aptos según la norma en la

que se basa este trabajo. Como se puede ver en la tabla 7, los iones

disueltos de sulfato, nitrato, cloruro y sodio, se encuentran en un rango

permisible. Del mismo modo, en la tabla 8 se puede observar que la

concentración de metales pesados en las corrientes de agua pluvial de

Ciudad Universitaria también se encuentran en menor proporción que el

máximo permisible.

Ion Promedi

o (mg/l)

Máximo

(mg/l)

Límite máximo

norma (mg/l)

Comparación

Sulfato (SO42–

) 3.15 13.36 400 Muy por debajo

Nitrato (NO3–) 0.58 3.16 10 Debajo

Cloruro (Cl–) 3.84 11.62 250 Muy por debajo

Sodio (Na+) 0.17 5.78 200 Muy por debajo

Tabla 7. Iones disueltos en la lluvia de Desierto de los Leones, D.F. (García, 2013)

Metal Máximo

2003--2004

en Máximo

2007

en Límite norma en Comparación

Al 51.74 – 200 Debajo

As – 7.21 50 Muy por debajo

Ba – 40.77 700 Muy por debajo

Cd 0.92 0.82 5 Debajo

Cr 1.68 2.17 50 Muy por debajo

Cu – 17.72 2000 Muy por debajo

Fe 39.62 – 300 Muy por debajo

Mn 16.02 – 150 Muy por debajo

Pb 9.95 21.3 25 Debajo

Zn – 565.91 5000 Muy por debajo Tabla 8. Metales pesados en agua de lluvia en Ciudad Universitaria, D.F (García, 2013)

Descripción del sistema que se utilizará

Ya teniendo el fundamento teórico sobre la calidad del agua pluvial en la

Ciudad de México, a continuación se desarrolla la propuesta del sistema.

Vale la pena recordar que éste será un sistema de captación, purificación y

distribución de agua pluvial para uso doméstico. Del mismo modo, se

recomienda implementarlo en casas con un techo amplio o bien, conjuntos

habitacionales. Esta recomendación es pertinente pues con más superficie

disponible en la parte superior, el sistema instalado podrá tener un buen

espacio entre componentes, así como una segura distribución de las

cargas. De igual manera, la recomendación que el sistema sea en un

techo es para reducir fuentes de contaminación del agua como hojas,

ramas y basura en general. Asimismo, teniendo la altura a favor del

sistema, la distribución del agua se facilita en gran medida.

Los modelos que se plantearon anteriormente sirvieron para poder

hacer una aproximación al diseño del sistema que se diseña para el caso

particular de un sistema de captación tratamiento y distribución de agua

pluvial purificada en condominios de la Ciudad de México. De acuerdo a

las necesidades físicas que un sistema así y en esas condiciones requiere,

además de otras adaptaciones contextuales, se desarrolló un sistema

propio como el que se muestra a continuación en la figura 1. Esto implica

un techo inclinado, separador de primer lluvia, tanque de recepción, tanque

de limpieza y tanque de distribución.

Figura 1: Sistema para la colecta y tratamiento de agua pluvial para el uso doméstico

En primer lugar, hace falta saber cuánta agua se pretende purificar. Para

hacer este cálculo, se considerará el histórico de precipitación en la

Ciudad de México del año 2013. Sin embargo, se tomará en cuenta

solamente el periodo que va de mayo a octubre, que es la temporada

de lluvias. A lo largo de esos seis meses, la precipitación total fue 638

mm de acuerdo con el Sistema Meteorológico Nacional (2013). Esto da un

total de 3.5 mm diarios. De acuerdo con esto, se puede calcular el

volumen de agua que se puede recolectar mediante una superficie. Es

importante hacer énfasis, empero, que este promedio es sólo una

estimación para aproximar cálculos. No hace falta recordar que no

necesariamente se cumplirá el aproximado de 3.5 mm diarios, pues hay

días en los que incluso no llueve, y otros, como durante el mes de

septiembre, donde el promedio es de 5.7 mm diarios. Según el Instituto

Nacional de Geografía y Estadística (2002), el máximo de precipitación que

se ha mostrado en la Ciudad fueron 490 mm en un mes (16.33 mm

diarios). Siguiendo con los máximos de precipitación, en 2013 se presentó

una lluvia de anómalas proporciones que alcanzó los 84 mm . Estos

últimos datos se utilizarán para una proyección del sistema.

Como ya se enunció renglones atrás, el sistema que en este trabajo se

diseña es uno que daría abasto a conjuntos habitacionales verticales.

Para este trabajo, se tomó como referencia un edificio de

departamentos de 5 pisos. En cada piso habría 3 departamentos de

50m2. El promedio de integrantes por familia en el Distrito Federal está en

un rango entre 3.5 y 3.8 personas, así que se tomará el entero más

próximo para este trabajo: 4. El total de la superficie de los tres

departamentos por piso, más un extra (para pasillos, escaleras, elevadores,

etc.) se consideró como 180m2. Esta es la superficie utilizable para el

sistema completo que se planea instalar.

De la superficie de techo utilizable total, se utilizarán 100 m2 en los que

se colocará un segundo techo exclusivo para el escurrimiento de agua. Por

medio de este techo, se obtendrá el agua para el edificio y la primera

etapa del proceso. El techo es un punto importante de contaminación, y

tanto ésta como su grado de captación dependerá del tipo de techo y sus

características. Dado las ventajas en instalación, carga total para la

superficie en la que está colocada y coeficiente de captación, se utilizará el

techo de lámina metálica. De acuerdo con García (2013), el techo de este

tipo de material tiene un coeficiente de captación entre 0.75 y 0.95. Esta

alta eficiencia es sumamente útil en términos de colecta por escurrimiento

debido a la pendiente, aunque también indica que arrastrará con mayor

facilidad lo que esté contenido en el techo.

El agua que escurra por el techo, después de pasar por un filtro de

sólidos grandes (rejilla con 1 cm de apertura), tendrá como destino una

canaleta de PVC de 5 pulgadas de diámetro La canaleta estará conectada

a un extremo del techo de recolección y continuará a lo largo de este

con una pendiente de 5º. La parte final de esta primer canaleta estará

fijada a un separador de primer lluvia similar al que se muestra en la

figura 2. La función de este separador es no mezclar el volumen de agua

que se obtuvo en los primeros minutos de la lluvia, pues esta tendrá

mayor presencia de contaminantes. Este separador de primer lluvia

tendrá una capacidad de 0.01 m3. Como se ve en la figura 2, al llegar

a la capacidad establecida, una esfera bloquea el paso al separador y el

flujo continúa al resto del sistema. El componente inmediato es el tanque

de recepción. Antes de la entrada a este tanque, en el componente 3 de la

figura 2, se colocará un filtro de malla de 40 micras para evitar la entrada

de sólidos más pequeños. Es importante mencionar que la conexión del

componente 3 antes señalado es de fácil remoción para facilitar su limpieza y

cambio de filtros.

Figura 2. Diagrama del separador de primer lluvia.

1: superficie con orificio que delimita 0.01 m3

2: esfera que bloquea el paso al embonar con superficie delimitante

3: tubo de salida

El tanque de recepción es el almacenamiento directo del agua de lluvia y

el primer paso para tener la calidad que se espera adquirir, sin

embargo su función se limita a mantener la calidad con la que llega, y

evitar que se contamine. El tanque de recepción debería tener una

dimensión nominal de 5.016 m3. Para determinar el volumen del tanque,

se tomaron los parámetros de las lluvias máximas: el promedio del mes

con más lluvia, 16.33 mm, con el día que más llovió históricamente, 84

mm. El promedio simple de ambos valores máximos es de 50.16 mm. Si

esa cantidad fue colectada en 100 m2, entonces el volumen será de 5.016

m3. En una primera aproximación se había considerado diseñar un tanque

propio. Sin embargo, los costos de hacer esto elevarían el costo total, por

lo que se decidió utilizar un tanque de 5m3 de la marca Rotoplas. La

confiabilidad técnica de esta marca, así como la familiarización del público

en general con ella, jugaron a favor de esta decisión.

Como podrá inferirse, este dimensionamiento con los valores máximos de

precipitación tiene como propósito minimizar la cantidad de agua que

podría no ser aprovechada. Sin embargo, si se toman en cuenta los

promedios de la precipitación en los meses de la temporada de lluvia, 3.5

mm por día, así como el promedio del mes que más llovió en 2013, 5.7

mm por día, se tiene un promedio de 4.6 mm diarios. Si esto es captado

en una superficie de 100 m2, considerando la eficiencia del techo y lo

almacenado en el separador, entonces la captación total diaria sería

de 0.381m3, el 7.62% de la capacidad total del tanque.

La conexión del tanque de almacenamiento al tanque de limpieza tiene

un sistema mecánico de activación. El tubo inclinado que conecte a ambos

tanques, de diámetro de 1.5 in, estará cerrado de manera regular en el

extremo que esté unido al tanque de recepción, mientras que contará con

una compuerta de no retorno en la conexión al tanque de limpieza. La

apertura del primer paso estará condicionada por un sistema de pesos

conectados. El contenedor 1, de diámetro 9.2 cm y 100.2 g de masa, tiene

una lengüeta que detiene el flujo hacia la tubería por ser más pesado que

el contenedor 2, de diámetro 18.5 cm y 100 g de masa. Cuando la

lluvia comience, ambos serán receptáculos y cada uno tendrá un volumen

de agua determinado. Al llegar a los 10 mm de precipitación (el tanque

tendría 0.84 m3 de agua colectada), la masa total del contenedor 2

comenzaría a ser mayor que la del contenedor 1. De esta manera, el

contenedor 2 bajaría y subiría el 1, permitiendo el paso del agua a la

tubería. Este sistema se muestra gráficamente en la figura 3.

Figura 3. Sistema de apertura de flujo del tanque de recepción.

Para procurar una mínima dependencia manual, los contenedores 1 y 2

tendrán un orificio de diámetro 0.001 m y 0.005 m, respectivamente, en la

parte inferior. De esta manera, podrán vaciarse de manera constante.

Dadas las dimensiones de los contenedores, el tiempo de drenado para

el contenedor 1 sería de 382 segundos; del segundo contenedor, 6181

segundos. Cuando hayan pasado 765 segundos, el contenedor 1 volverá

a ser más pesado y se cerrará la tubería. Para este momento, el tanque

estaría completamente vacío, pues el tiempo de vaciado del tanque

receptor cuando se alcanza el mínimo para la apertura, es de 588.7

segundos. En el caso de la compuerta de no retorno que conecta a la

tubería con el tanque de limpieza, su funcionamiento es completamente

mecánico y no depende de ningún arreglo. Cuando el agua fluya desde el

tanque receptor hasta el tanque de limpieza, la compuerta se abrirá. La

compuerta no se podrá abrir en el sentido contrario, evitando así reflujos.

En la figura 1 se observa que hay un bypass que sale del tanque de

almacenamiento y va directo a la tubería que conecta con el tanque de

limpieza. En el caso de que en varias lluvias consecutivas no se lograra la

precipitación mínima en los contenedores que abrieran las compuertas, el

agua en el tanque de almacenamiento se iría acumulando. En el primer

escenario, el flujo podría continuar por la salida a una altura de 0.539 m

en el tanque de almacenamiento. Esta altura se definió mediante el caso

de que hubiera agua almacenada previamente, y se alcanzara en otra

lluvia la precipitación requerida para activar el sistema de pesos. Dado

que el tiempo de cerrado de las compuertas es de 765 segundos, eso

significa que el volumen máximo que podrá drenar del tanque en ese lapso

se lograría a 0.539 m de altura (1.418 m3). Si hubiera más volumen, no

todo alcanzaría a salir y se acumularía en el tanque. La salida del tanque

al bypass, entonces, asegura que la acumulación no sea perjudicial para el

sistema.

Los cálculos se hicieron

Para la purificación del agua en el tanque de limpieza se van a utilizar

dos técnicas principales, la primera es la ozonificación: El mecanismo de

desinfección del ozono es la oxidación citoplásmica completa de los virus y

las bacterias. El ozono proporcionan una actividad germicida rápida y buena

capacidad viricida, mejora el sabor, color y olor del agua. Las dosis para

desinfección de agua potable varían de 2 a 10mg/L y llegan hasta 40mg/L

en agua residual (Cisneros, 2006). En nuestro sistema se va a añadir un

ozonificador que puede entregar 10 g/h, lo que significa que el rango de

ozono que puede entregar es de 25 a 45 mg/L. (BNP Ozonificadores, Oz

10bnp)

Por otra parte se va a utilizar luz UV como desinfectante adicional. La

eficiencia del proceso depende de la penetración del rayo dentro del rayo

dentro del agua. La materia suspendida y las moléculas orgánicas disueltas

absorben la energía UV interfiriendo su poder bactericida. Los rayos UV son

parte del espectro electromagnético, tiene longitud de 10--400nm. (Cisneros,

2006)

La desinfección del agua residual mediante radiación ultravioleta es

una técnica relativamente nueva que provee buena eficiencia con costo

efectivo menor. Las lámparas utilizadas necesitan emitir una onda de

mínimo 253.7 nm. Así pues, en nuestros contenedores de purificación se

van a instalar una serie de tubos en paralelo (Serie CC de American

Ultraviolet) los cuales garantizan una eliminación de hasta 99% de las

bacterias en el contenedor). Sumados ambos métodos, ozonificación y

radiación UV, se garantiza una calidad óptima del recurso purificado.

Dada las aceptables concentraciones de iones disueltos, DQO, DBO,

SST, COT y sólo atacando directamente la concentración de coliformes

totales, el trabajo que debe hacerse es menor.

Como se muestra en el diagrama, al finalizar el proceso de

purificación y sedimentación, 2 horas después del cierre del flujo del

tanque de almacenamiento al de limpieza, el agua se traslada al tanque de

distribución mediante una compuerta que se abre electrónicamente (un

temporizador la activa). Sin embargo para que el líquido con sedimento

permanezca en el tanque de sedimentación y no pase materia orgánica al

tanque de distribución, la canaleta estará a 10 cm del suelo y así se

mantiene en el tanque el líquido con sedimento.

Para evitar que haya una sobresaturación de la capacidad del tanque de

limpieza, se colocará una pequeña purga mediante una válvula de no

retorno en la parte superior del tanque.

Por último, ya que se finalizaron los procesos correspondientes, el agua se

encuentra en las condiciones para su uso doméstico. El tanque de

distribución estaría conectado a una tubería que lleva el agua a los

hogares. De acuerdo con la Norma Oficial Mexicana NOM--127--SSA1-

-1994, nuestro resultado final de calidad cumpliría los estándares para

su uso doméstico exclusivamente. Para darle un seguimiento al

proceso y continuar con la revisión de la calidad, es pertinente hacer

estudios periódicos. Una vez cumplidos los estándares de la norma,

para hacer crecer el proyecto, sería adecuado realizar estudios para

revisar la potabilidad del agua resultante. Si la calidad del agua es

suficiente de acuerdo con los límites permisibles en ese ámbito, entonces

podría recomendarse también su uso como agua potable.

NOTA

Todas las cifras relativas al funcionamiento del sistema, están

sustentadas en cálculos a partir de la ecuación de Bernoulli, para el

análisis de la energía de los fluidos. Estos cálculos se incluyen en el

Anexo.

Referencias

Aeca Group. Recuperador y potabilizador de aguas. En línea : http://aecagroup.com/recuperador--de--aguas--pluviales--html/

American Ultraviolet. Soluciones germicidas UVC de alta intensidad para aplicaciones comerciales y residenciales. En línea: http://www.americanultraviolet.com/documents/HVAC%20Catalog_Spanish%204%20w eb.pdf

Base de Datos del sistema de monitoreo atmosférico de la Ciudad de

México:

http://www.aire.df.gob.mx/default.php?opc=%27aKBhnmI=%27&opcion=aw==

BNP--Oz. Generador de Oz 10 BNP. En línea

http://es.aliexpress.com/store/product/High--quality--Ozone--generator--BNP--brand--OZ--10/ 700435_2047825220.html

Cisneros, B. (2006). La contaminación ambiental en México causas, efectos y tecnología apropiada. México: Limusa.

CONAGUA (2013) Atlas del Agua en México. México. Obtenido de: http://www.conagua.gob.mx/CONAGUA07/Noticias/SGP--3--14baja.pdf

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Gallardo, M. (2012). Implementación y caracterización de un sistema de captación y aprovechamiento de agua de lluvia. Scielo: En línea: http://www.scielo.org.mx/scielo.php?pid=S1405--888X2012000100002&script=sci_arttex t

García. H (2013). Sistema de captación y aprovechamiento pluvial para un ecobarrio de la Ciudad de México. UNAM. En línea: http://islaurbana.mx/contenido/biblioteca/investigaciones/Captacion--lluvia--tesisHiram--G arcia.pdf

Internal Household Survey Network. Encuesta nacional de ingresos y gastos en los hogares 2012. En línea: http://catalog.ihsn.org/index.php/catalog/3971/related_materials Rojas, N. (2012). Implementación y caracterización de un sistema de captación y aprovechamiento de agua de lluvia. Journals UNAM. En línea: http://www.journals.unam.mx/index.php/tip/article/view/37418/33998

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Ventura, Eusebio, et al (2005) Captación de Agua de Lluvia. Universidad Autónoma de Querétaro. Obtenido de: http://www.fiaes.org.sv/library/Captaciondeaguadelluvia.pdf

ANEXO I

Ecuación de Bernoulli para el tanque de almacenamiento. htanque= 2.18 m Dtanque= 1.83 m ;; rtanque= 0.915 m Dsalida= 1.5 in ;; rsalida= 0.75 in ;; rsalida= 0.01905 m Bernoulli

v2a + Pa + gza = v22b + Pρb + gzb 2 ρ

● Por diferencias de altura Pa = Pb ● ρ = cte ● Da �  Db �  vb �  va v2

gza gzb

vb = √2g(za − zb) ● Zb =0 ● Za = variable = Z

vb = 4.4294 √z ● Q = vbA

Q

Q = (0.00505√z) ● Q = ZtA ● Z = variable con el tiempo

Q = ddVt = ddZt πr2tanque dZ πr2tanque = (0.00505√z) dt

dd

Zt 2.63 = (0.00505√z)

t h

● Si el tanque está lleno h = 2.18

t = .20.0915932 t = 1538.01 s

El tiempo de drenado del tanque lleno es de 1538.01 segundos. Sin embargo, de acuerdo con la investigación realizada, en un día promedio la precipitación es de 4.6 mm. Ese nivel de precipitación combinado con el área de captación en el techo, el coeficiente de efectividad de captación y el volumen de agua separado de la primer lluvia, no dan un valor suficiente para el llenado del tanque en un día promedio. Revisemos: ● pp = 4.6 mm ● Ac = 100 m ● ß = [0.75, 0.95] �  ß = 0.85 ● Vs = 0.01 m3

V tanque = 140.060(100)(.85) − 0.01

V tanque = 0.381 m3 El tiempo de drenado, como se revisó anteriormente, viene de

la ecuación de Bernoulli. Z = π0r.2t3an8q1ue = 0.1448 m

t = 396.81 s El tiempo de drenado del tanque en un día de precipitación promedio es de 396.81 segundos. Ecuación de Bernoulli para el sistema de pesos que regula la salida del tanque de almacenamiento. Se plantearán unas condiciones iniciales elegidas a discreción para el diseño de los receptores que conforman el sistema de pesos. ● (2)··D1 = D2 ● m1 = 0.2002 kg ● m2 = 0.2 kg ● pp mínima para activar el sistema = 10 mm = 0.01 m ● Si el sistema está en equilibrio con el mismo peso en cada lado:

9.

2D1 = D2 D1 = 0.092 m �  r1 = 0.046 m

D2 = 0.185 m �  r2 = 0.0925 m ● pp = 0.01 m

V tanque = 110000(100)(.85) − 0.01

V tanque = 0.84 m3

Z = πr

02t

.a8

n4

que = 0.3194 m

Para el tiempo de drenado del tanque

t = 588.7 s Para poder drenar (que la tubería esté abierta) m1>m2. Esa condición no es indefinida pues ambos receptores tienen un orificio para vaciarse de manera autónoma.

● Ddrenado 1 = 0.001 m ;; rdrenado 1 = 0.0005 m ● Ddrenado 2 = 0.0005 m ;; rdrenado 1 = 0.00025 m

El tiempo que a la masa 1 y masa 2 tomaría vaciarse es: tm

s tm

s

d 2

Cuando el primer contenedor se ha vaciado por completo (382.17 segundos han transcurrido):

h

�  h = 0.0086 dren2

m

m

m2 > m1 Mientras esa relación se cumpla, el canal de conducción estará abierto. Cuando la altura en el segundo contenedor (m2) ha bajado

de 0.01 m a 0.00751 m: m

m

m2 ≈ m1 Esta relación provoca que se comience a cerrar el flujo desde el tanque de almacenamiento. ¿En qué tiempo sucede ésto?

tm dren2

s Esto quiere decir que el tiempo que estará abierto el canal, serán 765.11 segundos. Al comparar este tiempo contra el tiempo de drenado del tanque 765.11 s > 588.7 s Que el tiempo de drenado sea más corto que el de apertura, quiere decir que el todo el volumen saldría del tanque si contiene sólo 0.84 m3 En el caso contrario:

● tiempo total de apertura = 765.11 segundos.

1 8 1 . 3 6 2 8 . 1 7 6 − 3 = ∫ 0

d Z √ Z π r √ 2 g 2

h

2gπ �  h = 0.5395 d

2

Lo que esa altura representa es la altura máxima que puede tener el volumen de agua dentro del tanque para que pueda ser vaciado en el tiempo de apertura. Si el volumen dentro del tanque tiene una altura mayor a ésta (Vt = 1.41769 m3), no alcanzaría a salir todo y se acumularía. Por esta razón, se decide colocar una salida de bypass que enlace directo con la canaleta.