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DIAGNÓSTICO DEL ESTADO ACTUAL DE LA PTAP DEL MUNICIPIO DE MONIQUIRÁ LAURA MELIZA MONTIEL SIERRA UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA AMBIENTAL TUNJA 2019 DIAGNÓSTICO DEL ESTADO ACTUAL DE LA PTAP DEL MUNICIPIO DE MONIQUIRÁ LAURA MELIZA MONTIEL SIERRA Proyecto de Trabajo de Grado para optar al título de Ingeniera Ambiental Director: Ingeniero César René Blanco Zúñiga Magíster en Ingeniería con concentración en Medio Ambiente UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA AMBIENTAL TUNJA 2019 AGRADECIMIENTOS La autora agradece primeramente a Dios, fuente del conocimiento y sabiduría. Al Ingeniero César René Blanco Zúñiga, director del proyecto, por sus orientaciones y consejos oportunos, los cuales fueron fundamentales para la realización del proyecto y por su apoyo y acompañamiento a lo largo de la carrera profesional. Al gerente de la Empresa de Servicios Públicos de Moniquirá S.A. E.S.P., Guillermo Valenzuela Galindo por permitir el desarrollo de este proyecto en favor de la comunidad moniquireña; a todo el personal administrativo, profesional, operativo y de redes, por su acompañamiento y por compartir sus conocimientos en pro de este proyecto. DEDICATORIA A Dios, Por brindarme la capacidad y sabiduría necesaria para sobreponerme ante las adversidades y por haberme dado salud y fortaleza para lograr mis objetivos. A mis padres y mi hermana, Por haberme apoyado en todo momento y concepto, por sus consejos, sus valores, por la motivación constante, por creer en mí y por su amor y sacrificio. A mi familia, Por preocuparse por mí a lo largo de mi vida, por acompañarme en cada etapa y por darme fortaleza a lo largo de este proceso recordándome cada día las metas por cumplir. A mi novio Albert, Por apoyarme cada día, brindarme su amor y confianza para seguir avanzando, y por alentarme para continuar en los momentos de dificultad, CONTENIDO Pág. INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 11 CAPÍTULO I PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ............... 12 1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE ESTUDIO ................................... 12 1.1.1. Pregunta general: ..................................................................................... 13 1.1.2. Preguntas específicas: ............................................................................. 13 1.2. LOCALIZACIÓN GEOGRÁFICA DEL ÁREA DEL TRABAJO DE GRADO 14 1.3. OBJETIVOS ................................................................................................ 15 1.3.1. GENERAL ................................................................................................ 15 1.3.2. ESPECÍFICOS ......................................................................................... 15 1.4. ALCANCE Y LIMITACIONES ...................................................................... 16 1.5. JUSTIFICACIÓN Y PERTINENCIA ............................................................. 17 1.6. MARCO TEÓRICO ...................................................................................... 19 1.6.1. Planta de Tratamiento de Agua Potable – PTAP ..................................... 19 1.6.2. Tipos de Plantas de Tratamiento de Agua Potable .................................. 19 1.6.3. Procesos de purificación del agua ........................................................... 20 1.6.4. Cascada de Aireación .............................................................................. 21 1.6.4. Floculación ............................................................................................... 21 1.6.5. Sedimentación ......................................................................................... 22 1.6.6. Tipos de filtros para potabilización ........................................................... 22 1.7. ESTADO DEL ARTE ................................................................................... 24 1.8. MARCO LEGAL ........................................................................................... 28 CAPÍTULO II INFORMACIÓN GENERAL ............................................................ 30 2.1. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS .................................................................... 30 2.2. ESTRUCTURA POBLACIONAL .................................................................. 32 2.2.1. Sectores económicos del Municipio ......................................................... 33 2.2.2. Análisis Poblacional ................................................................................. 36 2.2.3. Proyección lineal de la población ............................................................. 37 2.2.4. Proyección método geométrico ................................................................ 38 2.2.5. Proyección método exponencial .............................................................. 40 2.3. DETERMINACIÓN DE LAS NECESIDADES DE AGUA POTABLE ............ 42 2.4. NORMATIVIDAD APLICABLE ..................................................................... 45 CAPÍTULO III DIAGNÓSTICO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO .................... 50 3.1. Descripción general del sistema .................................................................. 50 3.2. Bocatoma .................................................................................................... 51 3.3. Desarenadores ............................................................................................ 53 3.4. Cascada de aireación .................................................................................. 54 3.5. Canaleta Parshall ........................................................................................ 56 3.6. Floculadores ................................................................................................ 59 3.7. Sedimentadores .......................................................................................... 65 3.8. Filtros ........................................................................................................... 67 3.9. Desinfección ................................................................................................ 71 CAPÍTULO IV CALIDAD DEL AGUA .................................................................... 75 4.1. CARACTERIZACIÓN DE LA FUENTE ........................................................ 75 4.2. CARACTERIZACIÓN DEL AGUA TRATADA .............................................. 80 CAPÍTULO V EVALUACIÓN OPERACIONAL ..................................................... 93 5.1. COSTOS DE POTABILIZACIÓN ................................................................. 93 CAPÍTULO VI ALTERNATIVAS PARA CONTROL OPERACIONAL ................... 96 6.2. MEJORAMIENTO DE INFRAESTRUCTURA ............................................ 109 6.3. PAUTAS DE CONTROL DE OPERACIÓN ............................................... 111 6.4. PROPUESTA DE GESTIÓN ..................................................................... 113 6.5. MECANISMOS DE ACCIÓN Y MEJORAMIENTO .................................... 115 CAPÍTULO VII CONCLUSIONES ....................................................................... 116 CAPÍTULO VIII .................................................................................................... 119 RECOMENDACIONES ....................................................................................... 119 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................... 120 INDICE DE TABLAS Tabla1. Tipos de filtros. ........................................................................................ 22 Tabla 2: Distribución de población proyectada, Moniquirá 2019. .......................... 32 Tabla 3: Producción agrícola del municipio de Moniquirá por sectores. ................ 34 Tabla 4: Actividades económicas según ramas de actividad. ............................... 35 Tabla 5: Censos población urbana, Moniquirá. ..................................................... 36 Tabla 6: Censos poblacionales, Moniquirá. ........................................................... 37 Tabla 7: Tasa de crecimiento calculada. ............................................................... 38 Tabla 8: Proyección de población, método aritmético. .......................................... 38 Tabla 9: Tasa de crecimiento. ............................................................................... 39 Tabla 10: Proyección de población, método geométrico. ...................................... 39 Tabla 11: Tasa de crecimiento. ............................................................................. 40 Tabla 12: Proyección de población, método exponencial. .................................... 41 Tabla 13: Resultados proyecciones de población. ................................................ 41 Tabla 14: Contenido Título II, RAS 2017. .............................................................. 45 Tabla 15: Contenido Título II, Capítulo 3, RAS 2017. ............................................ 46 Tabla 16: Contenido Decreto 1575 de 2007. ......................................................... 46 Tabla 17: Características físicas. .......................................................................... 47 Tabla 18: Características químicas con reconocido efecto adverso a la salud humana. ................................................................................................................ 48 Tabla 19: Características químicas con implicaciones sobre la salud. .................. 48 Tabla 20: Características químicas con mayores consecuencias económicas e indirectas sobre la salud humana. ......................................................................... 49 Tabla 21: Características microbiológicas. ............................................................ 49 Tabla 22: Diagnóstico cascada de aireación, 1981. .............................................. 55 Tabla 23: Diagnóstico cascada de aireación, 2019. .............................................. 56 Tabla 24: Diagnóstico canaleta Parshall, 1981. .................................................... 57 Tabla 25: Diagnóstico canaleta Parshall, 2019. .................................................... 58 Tabla 26: Evaluación canaleta Parshall 6", condiciones 2019. ............................. 58 Tabla 27: Diagnóstico floculadores 1 y 2, 1981. .................................................... 61 Tabla 28: Diagnóstico floculadores 3 y 4, 1981. .................................................... 62 Tabla 29: Diagnóstico floculadores 1 y 2, 2019. .................................................... 63 Tabla 30: Diagnóstico floculadores 3 y 4, 2019. .................................................... 64 Tabla 31: Parámetros iniciales para diseño de sedimentadores, años 1981 y 2019. .............................................................................................................................. 66 Tabla 32: Diseño de sedimentadores, años 1981 y 2019. .................................... 66 Tabla 33: Parámetros iniciales para diseño de filtros, año 1981. .......................... 68 Tabla 34: Diseño de filtros, año 1981. ................................................................... 69 Tabla 35: Diseño de filtros, año 1981. ................................................................... 69 Tabla 36. Parámetros de diseño de filtros, año 2019. ........................................... 70 Tabla 37: Diseño de filtros, año 2019. ................................................................... 70 Tabla 38: Diseño de filtros, año 2019. ................................................................... 71 Tabla 39: Parámetros de diseño desinfección, año 1981. ..................................... 72 Tabla 40: Diseño desinfección, año 1981. ............................................................ 73 Tabla 41: Parámetros de diseño desinfección, año 2019. ..................................... 73 Tabla 42: Diseño desinfección, año 2019. ............................................................ 73 Tabla 43: Caracterización fisicoquímica y microbiológica Quebrada La Sicha, enero de 2018. ...................................................................................................... 75 Tabla 44: Caracterización fisicoquímica y microbiológica Quebrada La Sicha, diciembre de 2018 ................................................................................................. 76 Tabla 45: Caracterización fisicoquímica y microbiológica Quebrada La Sicha, enero de 2019. ...................................................................................................... 77 Tabla 46: Caracterización fisicoquímica y microbiológica Quebrada La Sicha, julio 2019. ..................................................................................................................... 78 Tabla 47: Calidad de la fuente y grado de tratamiento. ......................................... 79 Tabla 48: Caracterización del agua tratada, enero de 2019. ................................. 81 Tabla 49: Caracterización del agua tratada, febrero de 2019 ............................... 82 Tabla 50: Caracterización del agua tratada, marzo de 2019 ................................. 83 Tabla 51: Caracterización del agua tratada, abril de 2019 ................................ 8485 Tabla 52: Caracterización del agua tratada, mayo de 2019 .............................. 8586 Tabla 53: Caracterización del agua tratada, junio de 2019 ............................... 8687 Tabla 54: Caracterización del agua tratada, julio de 2019 ................................ 8788 Tabla 55: IRCA mensual, enero - julio de 2019. .................................................... 89 Tabla 56: Caracterización del agua tratada, marzo 2019. ................................. 8990 Tabla 57: Caracterización del agua tratada, abril 2019. ........................................ 90 Tabla 58: Caracterización del agua tratada, mayo 2019. ...................................... 91 Tabla 59: Caracterización del agua tratada, junio 2019. ....................................... 91 Tabla 60: Resultados IRCA 2019. ......................................................................... 92 Tabla 61: Costos de potabilización, año base (2016). ........................................... 93 Tabla 62: Valor por unidad. ................................................................................... 94 Tabla 63: Comparación de tarifas por metro cúbico de agua. ............................... 95 Tabla 64: Análisis fisicoquímicos. .......................................................................... 97 Tabla 65: Análisis fisicoquímicos a dosificaciones hidroxicloruro de aluminio (P1) al 1% v/v. .................................................................................................................. 98 Tabla 66: Análisis fisicoquímicos a dosificaciones hidroxicloruro de aluminio (P1) al 1% v/v + Hidróxido de sodio 1% w/v. .................................................................... 99 Tabla 67: Análisis fisicoquímicos. ........................................................................ 103 Tabla 68: Análisis fisicoquímicos a dosificaciones sulfato de aluminio (P1) al 1% v/v. .......................................................................................................................104 Tabla 69: Análisis fisicoquímicos a dosificaciones sulfato de aluminio (P1) al 1% v/v + Hidróxido de sodio 1% w/v. ........................................................................ 105 Tabla 70: Recomendaciones de infraestructura. ................................................. 109 Tabla 71: Pautas de control de operación. .......................................................... 111 Tabla 72: Indicadores de seguimiento en cada proceso y escala de valoración. 113 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Ubicación del municipio de Moniquirá. ................................................... 14 Figura 2: Ubicación del municipio de Moniquirá. ................................................... 31 Figura 3: Crecimiento de población urbana, Moniquirá. ........................................ 36 Figura 4: Gráfica proyecciones de población. ....................................................... 42 Figura 5: Descripción general del sistema. ........................................................... 51 Figura 6: Bocatoma PTAP Moniquirá. ................................................................... 51 Figura 7: Bocatoma PTAP Moniquirá. ................................................................... 52 Figura 8: Bocatoma PTAP Moniquirá. ................................................................... 52 Figura 9: Desarenadores PTAP Moniquirá. ........................................................... 53 Figura 10: Desarenadores PTAP Moniquirá. ......................................................... 54 Figura 11: Cascada de aireación PTAP Moniquirá. ............................................... 55 Figura 12: Canaleta Parshall PTAP Moniquirá. ..................................................... 57 Figura 13: Floculadores PTAP Moniquirá. ............................................................. 60 Figura 14: Floculadores PTAP Moniquirá. ............................................................. 60 Figura 15: Sedimentadores PTAP Moniquirá. ....................................................... 65 Figura 16: Filtros PTAP Moniquirá. ....................................................................... 67 Figura 17: Filtros PTAP Moniquirá. ....................................................................... 68 Figura 18: Cuarto de cloro gaseoso PTAP Moniquirá. .......................................... 72 Figura 19: Procedimiento para ensayo de jarras. .................................................. 96 Figura 20: pH vs Coagulante. .............................................................................. 100 Figura 21: Color vs Coagulante. .......................................................................... 100 Figura 22: Turbiedad vs Coagulante. .................................................................. 101 Figura 23: Aluminio vs Coagulante. ..................................................................... 101 Figura 24: Porcentajes de remoción. ................................................................... 102 Figura 25: pH vs Coagulante. .............................................................................. 106 Figura 26: Color vs Coagulante. .......................................................................... 106 Figura 27: Turbiedad vs Coagulante. .................................................................. 107 Figura 28: Aluminio vs Coagulante. ..................................................................... 107 Figura 29: Procentajes de remoción. ................................................................... 108 11 INTRODUCCIÓN El presente documento se desarrolla con el fin de realizar un diagnóstico técnico y operativo de la Planta de Tratamiento de Agua Potable del municipio de Moniquirá, ya que cuenta con una PTAP de tipo convencional, construida en el año 1981 para un caudal de 35 L/s y actualmente se tratan hasta 50 L/s. Para esto se analizó el funcionamiento de las unidades que la componen y el comportamiento hidráulico de las mismas, con el fin de abastecer al municipio acorde al desarrollo social y económico que ha tenido a través de los años y resaltando la importancia de contar con un conjunto de estructuras óptimas que permitan proveer agua potable de calidad a la población actual y futura. Este documento presenta el diagnóstico de la PTAP, con base en los parámetros de diseño y operación establecidos en la Resolución 0330 de 2017 y con las características del agua potable establecidas en la Resolución 2115 de 2007. Por último se proponen diferentes alternativas en cuanto a mejora de infraestructura, control operacional y propuesta de gestión, con el fin de reducir costos para la Empresa de Servicios Públicos de Moniquirá S.A. E.S.P y brindar un servicio de alta calidad a la población. 12 CAPÍTULO I PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE ESTUDIO La Planta de Tratamiento de Agua Potable del municipio de Moniquirá está ubicada dentro de casco urbano del municipio, se abastece de la quebrada La Sicha ubicada en la serranía del Peligro. La planta es de tipo convencional, ya que tiene las siguientes unidades: captación, línea de impulsión de agua cruda, planta de tratamiento de agua potable, tanques de almacenamiento y redes de distribución. La PTAP del municipio de Moniquirá cuenta con la capacidad para tratar 35 L/s. El tren de tratamiento dentro de la planta consiste en: desarenadores, cascada de aireación, canaleta Parshall, floculadores, sedimentadores, filtros, tanque de contacto y desinfección. La infraestructura de la PTAP del municipio de Moniquirá cuenta con aproximadamente 40 años desde su construcción, por otro lado, actualmente se supera el caudal de diseño ya que se tratan alrededor de 50 L/s lo que podría significar que la planta potabilizadora no ofrezca los resultados esperados de calidad del agua; además, dentro del proceso se evidencian varias fugas de agua en las cuales no se ha identificado la causa, perdiendo grandes volúmenes de agua y productos químicos usados en el tratamiento. Las unidades de tratamiento requieren constantes lavados y mantenimiento, lo que representa pérdidas del recurso hídrico, así como costos para la empresa prestadora del servicio. La comunidad del municipio de Moniquirá se beneficia directamente del agua tratada por la Empresa de Servicios Públicos, y se desconoce la afectación que puede tener las falencias dentro de la planta, poniendo en riesgo la salud de los habitantes que consumen este recurso hídrico y la utilizan en su diario vivir; Por esta razón es necesario realizar un diagnóstico del estado actual de la planta para identificar las posibles falencias dentro del tratamiento que ponen en riesgo la calidad del agua y perjudican los costos dentro de la empresa de servicios públicos. 13 De esta manera, se generan los siguientes interrogantes como síntesis del problema de estudio: 1.1.1. Pregunta general: ¿Cuál es el estado actual de la Planta de Tratamiento de Agua Potable del municipio de Moniquirá? 1.1.2. Preguntas específicas: ¿Cuáles son los procesos unitarios que componen la PTAP? ● ¿Cuáles son las características físico - químicas del agua antes y después del tratamiento? ● ¿Qué falencias técnico-operativas existen en la PTAP? 14 1.2. LOCALIZACIÓN GEOGRÁFICA DEL ÁREA DEL TRABAJO DE GRADO El proyecto se realizó en el municipio de Moniquirá, ubicado en la provincia Ricaurte en el departamento de Boyacá, dista de la ciudad de Tunja a 56 Km, se encuentra ubicado a 1.700 m.s.n.m. en la cordillera Oriental a 5°32’51” N y a 73°34’45” O. La Planta de Tratamiento de Agua Potable se encuentra en la Calle 13N° 4 - 110 en el barrio Las Colinas. Figura 1. Ubicación del municipio de Moniquirá. Fuente:ALCALDÍA DE MONIQUIRÁ. Ubicación de Moniquirá en el mapa de Boyacá. Instituto para la cultura, el turismo, el deporte y la recreación de Moniquirá. 15 1.3. OBJETIVOS 1.3.1. GENERAL Realizar un diagnóstico general del estado actual de la Planta de Tratamiento de Agua Potable del municipio de Moniquirá. 1.3.2. ESPECÍFICOS ● Identificar los procesos unitarios de la PTAP. ● Evaluar los diseños hidráulicos teóricos y reales de la PTAP del municipio de Moniquirá. ● Determinar las características físico - químicas del agua antes y después del tratamiento de potabilización. ● Identificar las fallas dentro del proceso. ● Plantear posibles alternativas de mejoramiento. 16 1.4. ALCANCE Y LIMITACIONES En un tiempo de cuatro (4) meses, se realizó un diagnóstico del estado actual de la Planta de Tratamiento de Agua Potable del municipio de Moniquirá. Se identificaron los diferentes problemas de funcionamiento dentro de la planta y qué los ocasiona, de esta manera se plantearon posibles alternativas y mejoras para el tratamiento del agua. La Empresa de Servicios Públicos de Moniquirá S.A. E.S.P. apoyó en el desarrollo del proyecto, la toma de muestras y ensayos de laboratorio para identificar las características físico-químicas del agua antes y después del tratamiento, así mismo el acceso a toda la información respecto a la PTAP y su diseño inicial. Por otro lado, el presente proyecto se desarrolló en época de invierno, por esta razón las características del agua a tratar eran más complejas para su muestreo y posterior estudio. 17 1.5. JUSTIFICACIÓN Y PERTINENCIA El agua es un recurso vital para el ser humano, y hace parte de su diario vivir en las diferentes actividades que desarrolla, como la agricultura, industria y ganadería, sin embargo el agua para consumo humano debe reunir diferentes requisitos de calidad para evitar afectaciones en la salud humana. Teniendo en cuenta las necesidades de agua potable en la población del municipio de Moniquirá es importante evaluar las condiciones actuales dentro del tratamiento para garantizar la prestación del servicio de agua apta para el consumo humano. Moniquirá se encuentra dentro de los 104 municipios de Boyacá que cuenta con sistema de acueducto y laboratorio para el control de la calidad de agua, sin embargo, el agua suministrada está catalogada dentro del nivel de riesgo medio para la salud1. Actualmente existe una población de 21.400 habitantes, de esta población sólo el 70% cuenta con el servicio de acueducto con un consumo aproximado de 200L/H/d2 y según el PBOT del municipio se tiene una tendencia de incremento poblacional del 3,4%, además, al ser un destino turístico concurrido, Moniquirá cuenta con una población flotante en temporada de vacaciones, lo que significa un aumento constante en la demanda del recurso hídrico, por esto es necesario realizar un diagnóstico del tratamiento que determine en qué condiciones se encuentra operando la planta potabilizadora y para identificar las etapas donde existen deficiencias en el proceso. La trascendencia de este proyecto radica en dar a conocer las falencias del proceso de potabilización dentro de la Planta de Tratamiento de Agua Potable del municipio de Moniquirá de manera que se dé a conocer si las condiciones de diseño de la PTAP coinciden con las condiciones actuales de operación, y así poder contrastar esta información respecto a la normatividad vigente, además 1 DEFENSORÍA DEL PUEBLO. Segundo Informe Defensorial, Diagnóstico Sobre Calidad de agua para consumo Humano. Octubre 6 de 2006, pág. 95. 2 EMPRESA DE SERVICIOS PÚBLICOS DE MONIQUIRÁ S.A. E.S.P. 2015. Manual de operación del sistema de acueducto. 18 comparar los parámetros físico-químicos del agua con la resolución 2115 de 2007, de esta manera en un próximo proyecto se podrá proceder a realizar la formulación de una propuesta de mejoramiento a la PTAP, que no sólo beneficiará a la población sino también al recurso hídrico, ya que con la alternativa de optimización se reducirán las pérdidas físicas de agua potable, costos de mantenimiento y permitirá un mejor control operacional, además de proveer un agua de mejor calidad a los habitantes del municipio. 19 1.6. MARCO TEÓRICO La optimización de un sistema de tratamiento está definida como el proceso de diseño para lograr el mejor equilibrio y la compatibilidad entre los componentes del sistema o incrementar su capacidad o la de sus componentes, aprovechando al máximo los recursos disponibles3. Por esta razón, para el desarrollo de este proyecto es necesario tener en cuenta diferentes conceptos. 1.6.1. Planta de Tratamiento de Agua Potable – PTAP Es una tecnología para purificar el agua para consumo humano, conformada por unidades y operaciones de tipo hidráulico, químico o biológico, cuyo fin es reducir la contaminación de características no deseables en el agua cruda para alcanzar las exigencias legales en cuanto a calidad del agua para consumo.4 1.6.2. Tipos de Plantas de Tratamiento de Agua Potable Convencionales Es un sistema de tratamiento integrado que está compuesto por todas las etapas para la obtención del agua potable como son: coagulación, floculación, sedimentación, filtración y desinfección. Cada planta se debe diseñar de acuerdo al análisis de agua y trazabilidad. Si el agua tiene alto contenido de hierro se requiere un tratamiento de oxidación previo mediante torres de aireación. Compactas Es un sistema integrado de tratamientos en varias etapas donde se incluye todos los procesos requeridos para obtener el agua potable. Ocupan poco 3 MINISTERIO DE VIVIENDA, CIUDAD Y TERRITORIO. Resolución 0330 de 2017. Reglamento Técnico para el sector de Agua Potable y Saneamiento Básico - RAS. 4 MALDONADO, W. 2018. Optimización de la planta de tratamiento de agua potable del municipio de Chipatá - Santander. Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Bogotá D.C 20 espacio y se pueden ampliar fácilmente añadiendo módulos de clarificación y de filtración. 1.6.3. Procesos de purificación del agua Se tienen en cuenta las definiciones adoptadas por la Resolución 0330 de 2017 para las etapas de purificación.5 Bocatoma: Estructura hidráulica que capta el agua desde una fuente superficial y la conduce al sistema hidráulico. Desarenador: Componente destinado a la remoción de las arenas y sólidos que están en suspensión en el agua, mediante un proceso de sedimentación. Aeración: Proceso en el que se produce paso del aire a través del agua con el objetivo de oxigenarla o de excluir gases o sustancias volátiles. Coagulación: Aglutinación de las partículas coloidales suspendidas presentes en el agua, por efecto de cambio de carga eléctrica suscitado por la adición de coagulantes. Floculación: Aglutinación de partículas inducida por una agitación lenta de la suspensión coagulada. Sedimentación: Proceso por el cual los sólidos suspendidos en el agua se decantan por gravedad. Filtración: Proceso mediante el cual se remueven las partículas suspendidas y coloidales del agua al hacerlas pasar a través de un medio poroso. 5 MINISTERIO DE VIVIENDA, CIUDAD Y TERRITORIO. Resolución 0330 de 2017. Título 7. Reglamento Técnico para el sector de Agua Potable y Saneamiento Básico - RAS. 21 Desinfección: Proceso físico o químico que permite la eliminación o destrucción de los organismos patógenos presentes en el agua. Almacenamiento: Acción destinada a almacenar un determinadovolumen de agua para cubrir los picos horarios y la demanda contra incendios. 1.6.4. Cascada de Aireación Los aireadores en cascada dejan caer el agua, en láminas o capas delgadas sobre uno o más escalones de concreto, donde se produce una pérdida de energía, la aireación cumple sus objetivos de purificación del agua mediante el arrastre o barrido de las sustancias volátiles causado por la mezcla turbulenta del agua con el aire y por proceso de oxidación de metales y gases6. Las funciones más importantes de la aireación son: ● Transferir el oxígeno al agua para aumentar el oxígeno disuelto. ● Remover gases. ● Oxidar hierro y manganeso. ● Remover compuestos orgánicos volátiles. ● Remover sustancias volátiles que producen olores y sabores en el agua. 1.6.4. Floculación La floculación se refiere a la aglomeración de partículas coaguladas, que forman una partícula de mayor tamaño llamada floc. Es el proceso por el cual se desestabilizan los coloides, se provee una mezcla suave de partículas para incrementar la tasa de encuentros o colisiones entre ellas sin romper o disturbar los agregados preformados. La floculación está influenciada por fuerzas químicas y físicas como la carga eléctrica de las partículas, capacidad de intercambio y 6 CÁRDENAS, A., MEDINA, J. 2017. Diseño y construcción de una planta de tratamiento de agua potable a escala para el laboratorio de hidráulica de la universidad Santo Tomás. Universidad Santo Tomás. Bogotá D.C 22 concentración del flóculo, pH, temperatura del agua, y concentración de electrolitos.7 1.6.5. Sedimentación Los sedimentadores remueven las partículas, previamente coaguladas y floculadas, por medio de la fuerza de gravedad. La sedimentación se puede dar de diferentes formas, según la naturaleza de los sólidos. En los tipos de sólidos se encuentran las partículas discretas, estas no cambian su tamaño, forma o peso cuando se están sedimentando; las partículas floculentas y precipitantes en las cuales la densidad y el volumen cambia cuando se produce el choque entre estas a medida que se sedimentan.8 1.6.6. Tipos de filtros para potabilización El objetivo de la filtración es separar las partículas que no han sido retenidos en los procesos anteriores del tratamiento, que es de aproximadamente del 10%, por otro lado, impide la interferencia de la turbiedad con la desinfección.9 Tabla 1. Tipos de filtros. SEGÚN VELOCIDAD DE FILTRACIÓN SEGÚN MEDIO FILTRANTE SEGÚN EL SENTIDO DE FLUJO SEGÚN LA CARGA SOBRE EL LECHO Rápidos Arena, antracita, mixtos (arena y antracita), mixtos (arena, antracita y granate) Ascendentes, descendentes, flujo mixto Por gravedad, por presión Lentos Arena Descendentes, ascendentes, horizontal Por gravedad, por presión Fuente: Adaptado de: CÁRDENAS J., CASAS J. 2017. 7 ROJAS, R. 2000. Purificación del agua. Bogotá D.C. 8 CPARDENAS. Op. Cit. 9 ROMERO, J. 2009. Purificación del agua: Filtración. Escuela Colombiana de Ingeniería. Bogotá D.C 23 Medios filtrantes Existen muchos tipos de medios filtrantes, como son: arena sílica, zeolitas, antracitas, etc. los cuales producen resultados satisfactorios en la filtración del agua y pueden usarse en diversos tamaños y alturas de cama. Las condiciones del agua a tratar son las que indican qué tipo y cantidad de medio filtrante debe usarse en el tratamiento. La filtración es función tanto del tamaño del medio filtrante como de la altura de la cama. Los tratamientos de agua pueden utilizar filtros de camas simples, un solo medio filtrante dual o múltiple.10 10 PANACHLOR. 2017. Agua potable, aguas residuales, filtración y minerales. 24 1.7. ESTADO DEL ARTE Informe sobre el estado de los recursos naturales y del ambiente en el departamento de Boyacá (2012 - 2013) - Contraloría General de Boyacá.11 El objetivo de este informe es analizar la gestión de las políticas públicas respecto a los recursos naturales y el ambiente, realizado por las entidades territoriales del departamento de Boyacá, donde se enmarca la gestión ambiental de 122 municipios sujetos de control por la Contraloría General de Boyacá. En este informe se incluye un análisis detallado del estado actual de las Plantas de Tratamiento de Agua Potable de cada municipio. En el segundo capítulo se realiza el análisis de los resultados de la vigilancia de la calidad del agua para el consumo humano en los municipios de Boyacá, donde el municipio de Moniquirá para el casco urbano cuenta con un IRCA de 2,73% ubicándolo en la clasificación “Sin riesgo”, por otro lado el IRCA para el casco rural del municipio de Moniquirá tiene un valor de 80,44% obteniendo la clasificación de “Inviable Sanitariamente”. Finalmente se recomienda atención y vigilancia para tomar acciones urgentes y alcanzar un IRCA sin riesgo a corto plazo. Evaluación técnico-económica de la Planta de Tratamiento de Agua Potable del municipio de Moniquirá - Julie Katerine Rodríguez Guerrero.12 En este estudio realizado para la escuela de Ingeniería Química de la Universidad Industrial de Santander, se elaboró una evaluación técnico-económica de la planta de tratamiento de agua potable con el fin de plantear posibles soluciones para la optimización del proceso de potabilización de agua y garantizar la calidad de la 11 AGUILAR, V. (2013). Informe sobre el estado de los recursos naturales y del ambiente en el departamento de Boyacá (2012 - 2013). Contraloría General de Boyacá. 12 RODRÍGUEZ, J. 2007. Evaluación técnico-económica de la planta de tratamiento de agua potable del municipio de Moniquirá. Universidad Industrial de Santander. Escuela de Ingeniería Química. Bucaramanga. 25 misma. En este proyecto se realizó inicialmente un diagnóstico de la planta de tratamiento, posteriormente se desarrollaron pruebas de tratabilidad, en las que se analizaron diferentes variables que intervienen en los procedimientos de potabilización a fin de optimizarlos, principalmente en las etapas de coagulación y floculación. Por último se formuló un plan de mejoramiento donde se tienen en cuenta diversas estrategias como: capacitación del personal, jornadas de mantenimiento estructural de la planta, limpieza y desinfección, se hace una especial recomendación para el sistema de filtración donde se indica que los filtros tienen un nivel bajo de eficiencia a pesar del mantenimiento realizado al lecho filtrante. Optimización de la Planta de Tratamiento de Agua Potable del municipio de Chipatá (Santander) - William Gustavo Maldonado Pinzón.13 En este proyecto se propuso la optimización de la PTAP del municipio de Chipatá, donde inicialmente se realizó un diagnóstico dentro de la planta observando el estado y funcionamiento de las unidades que la componen. Mediante la recolección de información y análisis de equipos y unidades de tratamiento se determinó el diagnóstico actual de la planta. En el diagnóstico del proceso se identificó el estado de la estructura física de la PTAP, la cual es de tipo hidráulico convencional, donde se analiza el periodo de diseño y la población de diseño usados en los cálculos teóricos, en la descripción de las unidades del tren de tratamiento en su mayoría se describen en estado físico bueno, resaltando las características operacionales, las cuales en su mayoría no se están realizando por personal certificado. Por último, se realizaron las recomendaciones para la optimización de la planta y su mejoramiento. 13 MALDONADO, W. 2018.Optimización de la planta de tratamiento de agua potable del municipio de Chipatá (Santander). Universidad Francisco José de Caldas. Bogotá D.C 26 Diseño del plan de optimización de la Planta de Tratamiento de Agua Potable de la vereda El Tobal, Subachoque - David Camilo Quiñones, Giselle Camila Rojas.14 En este estudio se indicó que la planta de tratamiento de la vereda El Tobal detuvo su funcionamiento por falta de recursos económicos para el año 2011, por esta razón la estructura de la planta se ha deteriorado, por lo tanto se propone el plan de optimización operativo y estructural para la planta de esta vereda, se encontraron puntos clave en el estudio, los cuales fueron el aireador y el filtro. Para el diagnóstico y evaluación del sistema de tratamiento se realizaron los cálculos de diseño teniendo en cuenta la proyección usada para su construcción, puesto que la empresa prestadora del servicio no contaba con los cálculos de diseño de la planta, este resultado se contrastó con las condiciones actuales de operación de la planta, para así replantear un diseño de optimización en los aspectos críticos de funcionamiento. Propuesta para el mejoramiento de la Planta de Tratamiento de Agua Potable del municipio de Bituima, Cundinamarca - Sandra Milena Sánchez, María Paula Peña.15 En el desarrollo de este proyecto se propone el mejoramiento de la planta de tratamiento de agua potable del municipio de Bituima, a través de un diagnóstico, diseños de alternativas y evaluación de las mismas. En este proyecto se realizó una inspección de la ptap, teniendo en cuenta los cálculos y diseños iniciales, según la información técnica recopilada. Se realizaron pruebas hidráulicas para evaluar el funcionamiento de las unidades que componen el tratamiento, por otro lado, se realizaron muestreos y caracterizaciones físico químicas del afluente e identificar los problemas de construcción y operación. Dentro de los resultados del diagnóstico se evidenció que se capta más agua de lo establecido en la concesión, por otro lado, se obtuvieron buenos resultados de la fuente de agua y 14 QUIÑONES, D., ROJAS, G. 2017. Diseño del plan de optimización de la planta de tratamiento de agua potable de la vereda El Tobal, Subachoque. Universidad Santo Tomás. Bogotá D.C. 15 SÁNCHEZ, S., PEÑA, M. 2011. Propuesta para el mejoramiento de la planta de tratamiento de agua potable del municipio de Bituima, Cundinamarca. Universidad de La Salle. Bogotá D.C. 27 se indica que se requiere un tratamiento que incluya desinfección principalmente. Por último se detectaron problemas de operación, ya que no hay presencia constante de operarios y las unidades funcionan por temporadas, por otro lado no hay una aplicación correcta de los químicos requeridos en el proceso. Diagnóstico del sistema operativo de la Planta de Tratamiento de Agua Potable Guacavía en el municipio de Cumaral, Departamento del Meta - Juan Camilo Loaiza Soto.16 El objetivo de este estudio fue realizar un diagnóstico del sistema operativo de la PTAP Guacavia en el municipio de Cumaral, con el propósito de identificar cuáles son los procesos unitarios ineficientes. Para el desarrollo de este proyecto se evaluaron los diseños hidráulicos teóricos y reales en la PTAP, donde se contrastaron las condiciones hidráulicas reales de la operación respecto a la normatividad. Se realizó un diagnóstico de los procesos unitarios y el estado de los equipos de la PTAP, analizando la situación actual del sistema de tratamiento, evaluando el diseño conceptual junto con los parámetros hidráulicos de cada etapa, por último se analizó los parámetros físico químicos respecto a la resolución 2115 de 2017 y así plantear alternativas de mejoramiento. 16 LOAIZA, S. 2018. Diagnóstico del sistema operativo de la Planta de Tratamiento de Agua Potable Guacavía en el municipio de Cumaral, Departamento del Meta. Facultad de Ingeniería. Universidad Santo Tomás. 28 1.8. MARCO LEGAL Constitución Política de Colombia Fue expedida en el año 1991 y en sus artículos 366, 367 y 370 habla sobre la prestación del servicio público de agua potable y del papel del estado en la consecución de una buena calidad, cobertura, calidad y financiación como ente administrativo y de control.17 Resolución 2115 de 2007 Fue expedida por el ministerio de Ambiente, vivienda y desarrollo territorial y es por medio de la cual se señalan las características, instrumentos básicos y frecuencias del sistema de control de la calidad del agua para el consumo humano.18 Resolución 0330 de 2017 Fue expedida por el ministerio de vivienda, ciudad y territorio y su capítulo 3 está dirigido a todo lo concerniente a sistemas de potabilización de aguas como los estudios y diseños de un sistema de potabilización con el fin de cumplir los requisitos mínimos de calidad del agua para consumo suministrada a la comunidad.19 Decreto 1575 de 2007 Fue expedido por el ministerio de protección social y es por el cual se establece el sistema para la protección y control de la calidad del agua para el consumo humano.20 17 PRESIDENCIA DE LA REPÚBLICA, 1991. Constitución Política de Colombia. 18 REPÚBLICA DE COLOMBIA. Ministerio de la Protección Social y Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial. Bogotá, D.C., junio de 2007. 19 República de Colombia. Ministerio de Vivienda, Ciudad y territorio. Resolución número 0330, 08 de junio de 2017. 20 República de Colombia. Congreso de Colombia. Ley 99 de 1993. (diciembre 22 de 1993) 29 Resolución 240 de 2004 Por la cual se definen las bases para el cálculo de la depreciación y se establece la tarifa mínima de la tasa por utilización de aguas. Ley 99 de 1993 Por la cual se crea el ministerio de medio ambiente y el sistema nacional ambiental SINA y se reorganiza el sector público encargado del manejo del medio ambiente.21 Decreto Ley 2811 de 1974 Código Nacional de los Recursos Naturales Renovables y de Protección al Medio Ambiente. Reglamenta el uso y calidad del agua, los cauces, el dominio del agua y las cuencas hidrográficas y su ordenación.22 21 REPÚBLICA DE COLOMBIA. Congreso de Colombia. Ley 99 de 1993. (diciembre 22 de 1993) 22 REPÚBLICA DE COLOMBIA. Decreto 2811 de 1974. (diciembre 18 de 1974) 30 CAPÍTULO II INFORMACIÓN GENERAL Para realizar el correcto diagnóstico de la planta de tratamiento del municipio de Moniquirá es necesario conocer las características físicas del municipio y su estructura poblacional, con el fin de conocer el crecimiento población y determinar las necesidades de agua potable actuales y futuras del municipio. Se obtuvo la información del municipio y su población en el PBOT vigente, además se tomó la información suministrada por el DANE sobre censos poblacionales de diferentes años para realizar la proyección de población, esta se realizó a partir del formato de proyección proporcionada por CORPOBOYACÁ. Por último se realizó el cálculo de las necesidades de agua potable teniendo en cuenta las características del municipio y tomando como referencia la Resolución 0330 de 2017. 2.1. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS El área del municipio de Moniquirá se define por la división político administrativa del Departamento de Boyacá, a nivel provincial comparte su territorio con los municipios de San José de Pare hacia el Norte, al oriente con Togüí y Arcabuco (Departamento de Boyacá) y Gámbita (Departamento de Santander), al occidente con los municipios de Puente Nacional y Barbosa en el departamento de Santander,y al sur con Santa Sofía y Gachantivá. El municipio de Moniquirá se integra al sistema de ciudades de la provincia de Ricaurte del Departamento de Boyacá. Según el PBOT23 la provincia de Ricaurte está conformada por los municipios de Santana, Chitaraque, San José de Pare, Togüi, Moniquirá, Arcabuco, Gachantivá, Santa Sofía, Villa de Leyva, Sutamarchán, Ráquira, Sáchica y Tinjacá. A pesar de conformar una unidad administrativa provincial, operan en dos unidades 23 ALCALDÍA MUNICIPAL DE MONIQUIRÁ BOYACÁ. Plan Básico de Ordenamiento Territorial Moniquirá Boyacá 2003 – 2013. Capítulo II: Caracterización de la Estructura Ambiental Regional. p. 2. 31 autónomas, denominadas Ricaurte Alto, que se conforma por Villa de Leyva, Gachantivá, Santa Sofía, Sutamarchán, Sáchica, Tinjacá y Ráquira, por otro lado, se denomina Ricaurte Bajo al vínculo entre los municipios de Santana, Chitaraque, San José de Pare, Togüi, Arcabuco y Moniquirá. El municipio de Moniquirá está situado a 5°32’51” N y a 73°34’45” O, a 56 Km de la ciudad de Tunja. El área total del municipio es de 218 Km2 que se encuentran entre los 1700 m.s.n.m. La temperatura promedio en el transcurso del año varía de 11°C a 24°C. El comportamiento espacial y temporal de la precipitación se ve afectado principalmente por la influencia de la ZCIT y en menor grado, por movimientos convectivos de masas de aire locales que originan nubosidad y precipitación. Teniendo en cuenta la información de la estación meteorológica del IDEAM, el PBOT del municipio de Moniquirá presenta que en los meses de abril, mayo, septiembre, octubre y noviembre son los meses donde se presentan lluvias de alta intensidad de precipitación con mayor frecuencia en el año; por otro lado, los meses con menor intensidad de precipitación son enero y febrero. Figura 2: Ubicación del municipio de Moniquirá. Fuente: ALCALDÍA DE MONIQUIRÁ. Ubicación de Moniquirá en el mapa de Boyacá. Instituto para la cultura, el turismo, el deporte y la recreación de Moniquirá. 32 2.2. ESTRUCTURA POBLACIONAL Para el año 1997, la provincia de Ricaurte Bajo contaba con una población de 1’344.857 habitantes, donde Moniquirá representa el municipio con mayor densidad poblacional, para una extensión de 218 Km2 y 23.473 habitantes, su densidad poblacional era de 108 hab/Km2. Las estadísticas para el año 2002 muestran que el municipio de Moniquirá fue el único municipio de la provincia que aumentó su densidad poblacional, con un valor de 110 hab/Km2, mientras que los otros municipios presentaron reducciones. 24 Con base en la información presentada por el DANE para el censo del año 2005, la población proyectada de Moniquirá para el año 2019 es de 21.182 habitantes, repartidos en 10.715 habitantes en la cabecera municipal (50,58%) y 10.467 habitantes en el resto del municipio (49,41%). 25 Tabla 2: Distribución de población proyectada, Moniquirá 2019. ÁREA HABITANTES % Urbana 10.715 50,58% Resto 10.467 49,41% Total 21.182 100% Fuente: DANE, proyección de municipios (2005 – 2020) 24 ALCALDÍA MUNICIPAL DE MONIQUIRÁ BOYACÁ. Plan Básico de Ordenamiento Territorial Moniquirá Boyacá 2003 – 2013. Capítulo III: Componente demográfico. p. 3. 25 DANE. (2005). Proyecciones de población municipales por área (2005 – 2020). 33 2.2.1. Sectores económicos del Municipio De acuerdo a la información que se presenta en el Plan Básico de Ordenamiento Territorial del municipio de Moniquirá vigente (2003 – 2013), del total de la población del municipio de Moniquirá, un 64,81% se encuentra en edad de trabajar, lo que muestra una alta participación de la población en la franja de jóvenes, aunque supone la exclusión de la población en edad escolar (3 a 18 años) se ve expandida por las escasas condiciones de ingreso familiar, que motivan a la deserción escolar y ejerce presión sobre los jóvenes para ingresar al mercado laboral. La población en edad de trabajar según la información que se registra en el PBOT, es de 15.433 habitantes, de la cual se registró una tasa de 60,38% de participación (12.308 habitantes) en la población económicamente activa para el año 2002. La tasa total de desempleo para el año 2002 se registró en un porcentaje de 23,06%, que para ese entonces se ubicó sobre el promedio nacional (14,1% para julio de 2003). Actualmente, Boyacá es uno de los departamentos con menor tasa de desempleo, de acuerdo a lo reportado por el DANE26 la tasa de desempleo en Boyacá para el 2018 fue de 7,4%, por debajo del promedio nacional que fue de 9,7%. El estudio regional formulado por el SENA27 para el departamento de Boyacá para el año 1996, muestra que el 87,1% del empleo de la provincia de Ricaurte se concentra en el sector agropecuario. En el municipio de Moniquirá, la producción más representativa se encuentra en el sector agrícola, según las evaluaciones agropecuarias del año 2001.28 En la siguiente tabla se observan el número de productores según el sector agrícola para el año 2001. 26 DANE. (2019). Mercado laboral por departamentos del año 2018, boletín técnico. Bogotá D.C. p. 23. 27 SENA. 1996. Estudio Regional de empleo en la provincia Ricaurte. 28 ALCALDÍA MUNICIPAL DE MONIQUIRÁ Boyacá. Plan Básico de Ordenamiento Territorial Moniquirá Boyacá 2003 – 2013. Capítulo V: Subdimensión económica. p. 32. 34 Tabla 3: Producción agrícola del municipio de Moniquirá por sectores. PRODUCTO PRODUCTORES Café 2.100 Caña de miel 600 Caña panelera 500 Guayaba 1.200 Mora 200 Plátano 2.100 TOTAL 6.700 Fuente: ALCALDÍA DE MONIQUIRÁ, PBOT (2003 – 2013). En Moniquirá, la población rural está vinculada a actividades agrícolas y pecuarias, del total de la población económicamente activa en este sector (8.359 habitantes registrados para el año 2002) el 68% se encuentra realizando labores agrícolas, sin embargo, estas actividades en su mayoría se desarrollan en torno a la producción familiar de autoconsumo. El empleo urbano en el municipio se localiza principalmente en actividades comerciales y de servicio, donde predominan las industrias de bocadillo y derivados lácteos con establecimientos de menor escala que surten el mercado local, algunos establecimientos para la producción de ornamentación y productos de construcción, por otro lado, existen microempresas o unidades económicas de carácter familiar. El sector comercial es el que mayor número de establecimientos presenta con respecto a los demás sectores de actividades económicas urbanas. 35 Teniendo en cuenta la información presente en el PBOT29 del municipio, las actividades comerciales según ramas de actividad registradas en la Cámara de Comercio de Tunja, para el año 2002 son las siguientes: Tabla 4: Actividades económicas según ramas de actividad. ACTIVIDAD N° DE ESTABLECIMIENTOS Expendio de víveres al detal 84 Venta de textiles y vestuario 26 Miscelánea 10 Venta de productos agropecuarios 10 Consumo de licores 7 Drogas y cosméticos 7 Expendio de carnes y verduras 5 Papelerías 5 Expendio de víveres al por mayor 4 Venta de repuestos 4 Venta de materiales para construcción 4 Alquiler de videojuegos 2 Venta de electrodomésticos 2 Almacén de productos 1 Vidrierías 1 TOTAL 172 Fuente: Cámara de Comercio de Tunja, 2002. La mayor parte de estos establecimientos son destinados a cubrir la demanda de bienes de consumo final y básicos de la canasta familiar, algunos negocios 29 ALCALDÍA MUNICIPAL DE MONIQUIRÁ Boyacá. Plan Básico de Ordenamiento Territorial Moniquirá Boyacá 2003 – 2013. Capítulo V: Subdimensión económica. p.27. 36 desaparecen rápidamente y por otro lado, algunas actividades de comercio transitorio aparecen en épocas de turismo o festividades. 2.2.2. Análisis Poblacional La estimación se realizó a partir de la información del número de habitantes de los censos realizados a nivel nacional, especialmente de la zona urbana del municipio, que se abastece por la planta de tratamiento de agua potable30. Tabla 5: Censos población urbana, Moniquirá. AÑO Población (hab) 1964 4.882 1973 6.680 1985 7.908 1993 7.972 2005 10.006 Fuente: DANE, Censos (1964 – 2005). Figura 3: Crecimiento de población urbana, Moniquirá. Fuente: Autora 30 DANE. Censo Nacional de Población y Vivienda. (1964 – 2005). 37 De acuerdo a la Resolución 0330 de 2017, por la cual se adopta el Reglamento Técnico para el Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico – RAS, se establece en el Título 2, Capítulo 1, Artículo 40 que para todos los componentes de los sistemas de acueducto, alcantarillado y aseo, se adopta como periodo de diseño 25 años. Por lo anterior, las proyecciones de población se presentan cada 5 años, desde el año 2019 hasta el 2044. Se tienen en cuenta los siguientes datos iniciales para cada método de proyección: Tabla 6: Censos poblacionales, Moniquirá. CENSO POBLACIÓN (Cabecera) 1985 7.908 1993 7.972 2005 10.006 Fuente: DANE. 2.2.3. Proyección lineal de la población El método aritmético supone un crecimiento vegetativo balanceado por la mortalidad y la emigración. La ecuación para calcular la población proyectada es la siguiente: Para calcular el valor de K, se toma el valor del último censo y el del censo inicial, como se muestra a continuación: Dónde: 38 En la siguiente tabla se muestran los datos obtenidos para el análisis poblacional de la cabecera municipal en el municipio de Moniquirá aplicando el método aritmético. Tabla 7: Tasa de crecimiento calculada. K" K"prom 89 8,0 169,5 Fuente: Autora. Tabla 8: Proyección de población, método aritmético. AÑO POBLACIÓN (Hab) 2019 11.249 2024 11.692 2029 12.136 2034 12.580 2039 13.024 2044 13.467 Fuente: Autora. 2.2.4. Proyección método geométrico Este método es útil en poblaciones que muestran importante actividad económica, que genera un apreciable desarrollo y que poseen importantes áreas de expansión, las cuales pueden ser dotadas de servicios públicos. La ecuación que se emplea es: 39 Donde r es la tasa de crecimiento anual en forma decimal y las demás variables se definen igual que el método anteriormente mencionado. La tasa de crecimiento anual se calcula de la siguiente manera: ( ) En la siguiente tabla se presentan los valores de la población proyectada por el método geométrico: Tabla 9: Tasa de crecimiento. R rprom 0,0101 0,00101 0,01912 Fuente: Autora Tabla 10: Proyección de población, método geométrico. AÑO POBLACIÓN (Hab) 2019 11.512 2024 12.103 2029 12.724 2034 13.377 40 2039 14.064 2044 14.786 Fuente: Autora 2.2.5. Proyección método exponencial Para este método se requiere conocer por lo menos tres censos para determinar el promedio de la tasa de crecimiento de la población. Se recomienda su aplicación a poblaciones que muestren apreciable desarrollo y posean abundantes áreas de expansión. La ecuación empleada es la siguiente: Donde k es la tasa de crecimiento de la población, la cual se calcula como el promedio de las tasas calculadas para cada censo, así: Dónde: Tabla 11: Tasa de crecimiento. K Kprom 0,0100 0,0010 0,0189 Fuente: Autora. 41 Tabla 12: Proyección de población, método exponencial. AÑO POBLACIÓN (Hab) 2019 11.505 2024 12.093 2029 12.712 2034 13.362 2039 14.045 2044 14.763 Fuente: Autora. En la siguiente tabla se evidencian los resultados obtenidos: Tabla 13: Resultados proyecciones de población. AÑO MÉTODO ARITMÉTICO MÉTODO GEOMÉTRICO MÉTODO EXPONENCIAL PROMEDIO 2019 11.249 11.512 11.505 11.422 2024 11.692 12.103 12.093 11.963 2029 12.136 12.724 12.712 12.524 2034 12.580 13.377 13.362 13.106 2039 13.024 14.064 14.045 13.711 2044 13.467 14.786 14.763 14.339 Fuente: Autora 42 Figura 4: Gráfica proyecciones de población. Fuente: Autora. 2.3. DETERMINACIÓN DE LAS NECESIDADES DE AGUA POTABLE La Empresa de Servicios Públicos de Moniquirá S.A. E.S.P. no cuenta con datos confiables sobre el consumo real de agua que se genera en la población, por lo anterior el cálculo de la dotación neta se hizo según la Tabla 1. Dotación neta máxima por habitante según la altura sobre el nivel del mar de la zona atendida de la Resolución 0330 de 2017 (RAS). Para el municipio de Moniquirá la dotación neta corresponde a 130 litros por habitante al día (130 L/hab*día), pues se encuentra a una altura entre 1000 – 2000 m.s.n.m. Con base en la dotación neta, se pudo proyectar la dotación bruta, la cual tiene en cuenta las pérdidas técnicas máximas en todos los componentes del sistema, teniendo en cuenta la Resolución 0330 de 2017, Artículo 44, se asumió como 43 porcentaje de pérdidas técnicas máximas el valor de %p=25%. Para determinar la dotación bruta se utiliza la siguiente expresión: Por lo tanto la dotación bruta corresponde a 173 L/Hab*día. Para determinar la demanda de caudal, para el periodo de diseño (1981), periodo actual y proyección, se debe calcular el caudal medio diario (Qmd), el caudal máximo diario (QMD) y el caudal máximo horario (QMH), mediante las siguientes expresiones: Dónde: ( ) Caudal medio diario: 44 Caudal máximo diario: Caudal máximo horario: 45 2.4. NORMATIVIDAD APLICABLE Resolución 0330/2017 – Reglamento Técnico para el Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico – RAS31. En el Título II se incluyen los requisitos, parámetros y procedimientos técnicos mínimos que obligatoriamente deben reunir los diferentes procesos involucrados en la planeación, diseño, construcción, supervisión técnica, puesta en marcha, operación y mantenimiento de los sistemas de acueducto, alcantarillado y/o aseo que se desarrollen, para garantizar su estabilidad, durabilidad, funcionalidad, calidad, eficiencia, sostenibilidad y redundancia. Tabla 14: Contenido Título II, RAS 2017. CONTENIDO CAPÍTULO Aspectos Generales C.1 Sistemas de Acueducto C.2 Sistemas de Potabilización de Aguas C.3 Fuente: Resolución 0330/2017 – RAS 2017. En el Título II, Capítulo 332 se encuentra la información referente al desarrollo de estudios y diseños de los componentes de un sistema de potabilización de agua para la construcción de obras nuevas, o a la rehabilitación, expansión y/u optimización de obras existentes, destinadas a cumplir los requerimientos mínimos de calidadpara el agua de consumo suministrada a la comunidad. 31 MINISTERIO DE VIVIENDA, CIUDAD Y TERRITORIO. Resolución 0330 de 2017. Reglamento Técnico para el Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico – RAS. Título II: Requisitos Técnicos. p. 31. 32 Ibid. p. 33. 46 Tabla 15: Contenido Título II, Capítulo 3, RAS 2017. CONTENIDO SECCIÓN Consideraciones Técnicas Generales de los Sistemas de Potabilización de Aguas. S.1 Caracterización y Tratabilidad del Agua Cruda S.2 Tecnologías y Procesos Unitarios de Tratamiento. S.3 Gestión de Subproductos de la Potabilización. S.4 Instalaciones Complementarias para Sistemas de Potabilización S.5 Puesta en marcha, Operación y Mantenimiento de Sistemas de Potabilización. S.6 Fuente: Resolución 0330/2017 – RAS 2017. Decreto 1575 de 200733 Establece el Sistema para la Protección y Control de la Calidad del Agua para Consumo Humano. Se dispone: Tabla 16: Contenido Decreto 1575 de 2007. CONTENIDO CAPÍTULO Disposiciones generales. I Características y criterios de la calidad del agua para consumo humano. II 33 MINISTERIO DE LA PROTECCIÓN SOCIAL. Decreto 1575 de 2007. Sistema para la Protección y Control de la Calidad del Agua para Consumo Humano. p. 1 47 Responsables del control y vigilancia para garantizar la calidad del agua para consumo humano. III Instrumentos básicos para garantizar la calidad del agua para consumo humano. IV Procesos básicos del control y la vigilancia para garantizar la calidad del agua. V Disposiciones comunes. VI Disposiciones finales. VII Fuente: Decreto 1575 de 2007. Resolución 2115 de 200734 Se señalan las características, instrumentos básicos y frecuencias del sistema de control y vigilancia para la calidad del agua para consumo humano. Se presenta de manera explícita y detallada los límites permisibles en cuanto al contenido de cada una de las propiedades tanto físicas como químicas y microbiológicas que ha de contener el agua al momento de ser distribuida para el consumo humano, de igual forma se hacen algunas estipulaciones en cuanto al mantenimiento y la operación de la planta de tratamiento de agua potable. Características físicas35 Tabla 17: Características físicas. Características Expresadas como Valor máximo aceptable Color aparente Unidades de Platino Cobalto (UPC) 15 Olor y sabor Aceptable o no aceptable Aceptable Turbiedad Unidades Nefelométricas de Turbiedad (UNT) 2 Conductividad Microsiemens/cm 1000 pH Unidades de pH 6,5 – 9 34 MINISTERIO DE LA PROTECCIÓN SOCIAL Y DE AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO TERRTORIAL. Resolución 21125 de 2007. p.1. 35 Ibid. p.2. 48 Fuente: Resolución 2115/2007. Características químicas que tienen efecto adverso en la salud humana36 Tabla 18: Características químicas con reconocido efecto adverso a la salud humana. Elemento Expresados como Valor máximo aceptable (mg/L) Antimonio Sb 0,02 Arsénico As 0,01 Bario Ba 0,7 Cadmio Cd 0,003 Cianuro libre y disociable CN- 0,05 Cobre Cu 1,0 Cromo total Cr 0,05 Mercurio Hg 0,001 Níquel Ni 0,02 Plomo Pb 0,01 Selenio Se 0,01 Trihalometanos Totales THMs 0,2 Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos (HAP) HAP 0,01 Fuente: Resolución 2115 de 2007. Características químicas con implicaciones sobre la salud Tabla 19: Características químicas con implicaciones sobre la salud. Elementos, compuestos químicos y mezclas de compuestos que tienen implicaciones sobre la salud humana Expresados como Valor máximo aceptable (mg/L) Carbono Orgánico Total COT 5,0 Nitritos NO2 - 0,1 Nitratos NO3 - 10 Fluoruros F- 1,0 Fuente: Resolución 2115 de 2007. 36 Ibid. p.3. 49 Características químicas que tienen mayores consecuencias económicas e indirectas sobre la salud humana37 Tabla 20: Características químicas con mayores consecuencias económicas e indirectas sobre la salud humana. Elementos y compuestos químicos que tienen implicaciones de tipo económico Expresadas como Valor máximo aceptable (mg/L) Calcio Ca 60 Alcalinidad Total CaCO3 200 Cloruros Cl- 250 Aluminio Al3+ 0,2 Dureza Total CaCO3 300 Hierro Total Fe 0,3 Magnesio Mg 36 Manganeso Mn 0,1 Molibdeno Mo 0,07 Sulfatos SO4 2- 250 Zinc Zn 3 Fosfatos PO4 2- 0,5 Fuente: Resolución 2115 de 2007 Características microbiológicas38 Tabla 21: Características microbiológicas. Técnicas utilizadas Coliformes Totales Escherichia coli Filtración por membrana 0 UFC/100 cm3 0 UFC/100 cm3 Enzima Sustrato < de 1 microorganismo en 100 cm3 < de 1 microorganismo en 100 cm3 Sustrato Definido 0 microorganismo en 100 cm3 0 microorganismo en 100 cm3 Presencia – Ausencia Ausencia de 100 cm3 Ausencia de 100 cm3 Fuente: Resolución 2115 de 2007 37 Ibid. p.4 38 Ibid. p.6. 50 CAPÍTULO III DIAGNÓSTICO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO El diagnóstico hidráulico y operacional de la PTAP del municipio de Moniquirá se realizó con base en los parámetros de diseño y operación establecidos en la Resolución 0330 de 2017 y con las características del agua potable establecidas en la Resolución 2115 de 2007. La presente información fue recopilada de los archivos de la Empresa de Servicios Públicos de Moniquirá S.A. E.S.P. y por mediciones realizadas como parte de este proyecto. Al no contar con una memoria de cálculos para el desarrollo del proyecto, se realizaron los cálculos de diseño con las condiciones iniciales del año 1981 (año de construcción) para cada una de las unidades de la Planta de Tratamiento de Agua Potable, por otro lado, se realizaron cálculos de diseño de las unidades con las condiciones actuales para determinar las dimensiones adecuadas para el tratamiento del caudal actual. 3.1. Descripción general del sistema La planta de tratamiento de agua potable del municipio de Moniquirá fue diseñada y construida en el año 1981 para un caudal de 35 L/s. La planta es de tipo convencional con procesos de: aireación, mezcla rápida, floculación, sedimentación, filtración y desinfección. 51 Figura 5: Descripción general del sistema. Fuente: Autora. 3.2. Bocatoma El agua cruda se capta de la quebrada proveniente de La Serranía El Peligro, que está a una altura de 2.400 m.s.n.m. lugar declarado como reserva forestal por la junta directiva del Instituto Nacional de Reservas Naturales. Figura 6: Bocatoma PTAP Moniquirá. Fuente: Autora. 52 Figura 7: Bocatoma PTAP Moniquirá. Fuente: Autora Figura 8: Bocatoma PTAP Moniquirá. Fuente: Autora 53 3.3. Desarenadores El agua cruda se capta y se canaliza pasando por una rejilla hacia dos cámaras, bifurcando dos tubos de ocho pulgadas (8”) en PVC, los cuales llevan el agua 105 metros más abajo donde están ubicados dos desarenadores. Estos cumplen con la función de separar agua de hojas, arenas y lodos, los cuales son expulsados por las compuertas de las válvulas de lavado. Desarenador 1: Cuenta con 15 metros de largo, 5 metros de ancho y una profundidad de 2,5 metros, su volumen es de 187,5 m3 Desarenador 2: Cuenta con 10 metros de largo, 2 metros de ancho y una profundidad de 3 metros, su volumen es de 60 m3. Posteriormente el agua se conduce a través de las cámaras de salida a la planta de tratamiento, por medio de una tubería PVC de seis pulgadas (6”), existen nueve (9) cámaras de quiebre y dieciocho (18) válvulas de fuga o lavado en un recorrido de 5,2 Km. Figura 9: Desarenadores PTAP Moniquirá. Fuente: Autora 54 Figura 10:Desarenadores PTAP Moniquirá. Fuente: Autora. 3.4. Cascada de aireación Dentro de las instalaciones de la planta se encuentra una cascada de aireación, donde actualmente entra un caudal de aproximadamente 50 L/s el agua llega a la planta con un color rojizo debido a la arborización que se encuentra en el nacimiento de la fuente, por esta razón, la cascada de aireación cumple con la función de romper hierro, color, turbiedad y aportar mayor oxigenación al agua. En la cascada de aireación está ubicado un dosificador de hidróxido de sodio para la estabilización de pH principalmente en época de lluvia donde el pH alcanza un nivel de 5.5, posteriormente el agua pasa a una cámara de retención donde se toman muestras de pH del agua ya estabilizada y continuar con el tratamiento. 55 Figura 11: Cascada de aireación PTAP Moniquirá. Fuente: Autora. Se realizaron los cálculos de diseño para la cascada de aireación con las condiciones del año 1981 y las condiciones de 2019. Diagnóstico cascada de aireación para el año 1981 Tabla 22: Diagnóstico cascada de aireación, 1981. PARÁMETRO VALOR DE REFERENCIA CALCULADO REAL CUMPLIMIENTO Carga hidráulica 1200 - 6200 m3/m/d 3000 - - Altura total cascada 1,8 – 5 m 1,85 1,95 cumple Altura del escalón 0,3 – 0,4 m 0,37 0,85 no cumple Longitud del escalón 0,3 – 0,5 m 0,35 0,76 no cumple Ancho del escalón - 0,6 0,76 - 56 Número de escalones 4 – 10 5 3 no cumple Fuente: Autora Diagnóstico para el año 2019 Tabla 23: Diagnóstico cascada de aireación, 2019. PARÁMETRO VALOR DE REFERENCIA CALCULADO REAL CUMPLIMIENTO Carga hidráulica 1200 - 6200 m3/m/d 3000 - - Altura total cascada 1,8 – 5 m 1,85 1,95 cumple Altura del escalón 0,3 – 0,4 m 0,37 0,85 no cumple Longitud del escalón 0,3 – 0,5 m 0,35 0,76 no cumple Ancho del escalón - 0,9 0,76 no cumple Número de escalones 4 – 10 5 3 no cumple Fuente: Autora 3.5. Canaleta Parshall La mezcla rápida se realiza en una Canaleta Parshall de 3” (Ancho de garganta) construida en concreto, sobre la canaleta existe una unidad de aforo del coagulante Hidroxicloruro de Aluminio. 57 Figura 12: Canaleta Parshall PTAP Moniquirá. Fuente: Autora. Para el diagnóstico de la Canaleta Parshall, se realizaron los cálculos de diseño para el año 1981 y para el año 2019, los resultados fueron los siguientes: Diagnóstico canaleta Parshall para el año 1981 Tabla 24: Diagnóstico canaleta Parshall, 1981. PARÁMETRO REFERENCIA CALCULADOS DIAGNÓSTICO Ancho de la garganta 3" y 6" 3" cumple Caudal 0,85 – 53,8 (L/s) 35 L/s cumple Gradiente de velocidad 1000 - 2000 s-1 2929,63 no cumple Tiempo de Retención 60 s 0,38 cumple Número de Froude 4,5 -– 9 0,23 no cumple Velocidad del agua en la garganta > 2 m/s 0,35 no cumple Profundidad del flujo en la zona convergente > 35 cm 0,68 cumple Fuente: Autora 58 Diagnóstico canaleta Parshall para el año 2019 Tabla 25: Diagnóstico canaleta Parshall, 2019. PARÁMETRO REFERENCIA CALCULADOS DIAGNÓSTICO Ancho de la garganta 3" y 6" 3" cumple Caudal 0,85 – 53,8 (L/s) 48 L/s cumple Gradiente de velocidad 1000 - 2000 s-1 3711,74 no cumple Tiempo de Retención 60 s 0,29 cumple Número de Froude 4,5 -– 9 0,19 no cumple Velocidad del agua en la garganta > 2 m/s 0,59 no cumple Profundidad del flujo en la zona convergente > 35 cm 1,02 cumple Fuente: Autora La canaleta Parshall satisface los requerimientos de ancho de garganta, los límites de caudal, tiempo de retención y profundidad del flujo en la zona convergente. Sin embargo, no cumple con el gradiente de velocidad, número de Froude y la velocidad del agua en la garganta, esto sucede tanto para el año 1981 como para el 2019. Se realizó una evaluación de la canaleta Parshall con una garganta de 6” para las condiciones actuales de la Planta de Tratamiento de Agua Potable. Donde se observa que aunque el gradiente de velocidad no cumple con la norma, se asemeja a los valores esperados para el diseño. Tabla 26: Evaluación canaleta Parshall 6", condiciones 2019. PARÁMETRO REFERENCIA CALCULADOS DIAGNÓSTICO Ancho de la garganta 3" y 6" 6" cumple Caudal 1,52 – 110 (L/s) 48 L/s cumple Gradiente de velocidad 1000 - 2000 s-1 2120,61 no cumple 59 Tiempo de Retención 60 s 0,57 cumple Número de Froude 4,5 -– 9 0,29 no cumple Velocidad del agua en la garganta > 2 m/s 0,15 no cumple Profundidad del flujo en la zona convergente > 35 cm 0,42 cumple Fuente: Autora 3.6. Floculadores La planta de tratamiento cuenta con cuatro floculadores hidráulicos de flujo horizontal, construidos en concreto, cada uno con tres cámaras de floculación, con bafles de 5 cm de espesor y pendiente de fondo de 1%. Floculadores 1 y 2: Ancho: 2,60 m; Largo: 13,9 m; Profundidad: 1,36 m y un volumen de 49,15 m3. La primera cámara cuenta con 20 bafles de 0,05 m de espesor y 0,15 m de separación entre bafles y 0,25 m de separación a la pared. La segunda cámara cuenta con 17 bafles de 0,05 m de espesor y 0,20 m de separación entre bafles y 0,30 m de separación a la pared. La tercera cámara cuenta con 18 bafles de 0,05 m de espesor, 0,25 m de separación entre bafles y 0,375 de separación a la pared. Floculadores 3 y 4: Ancho: 2,50 m; Largo: 14, 28 m (los dos floculadores cuentan con una variación, la cual se calcula como una hipotenusa de 7,70 m); Profundidad: 1,36 m. La primera cámara cuenta con 20 bafles de 0,05 m de espesor, 0,18 m de separación entre bafles y 0,25 m de separación a la pared. La segunda cámara cuenta con 12 bafles de 0,05 m de espesor, 0,30 m de separación entre bafles y 0,40m de separación a la pared. Para la tercera cámara el Folculador N°3 cuenta con 9 bafles de 0,05 m de espesor, 0,40 m de separación entre bafles y 0,45 m de separación a la pared. El Floculador N°4 cuenta con 4 bafles de 0,05 m de espesor, 0,40 m de separación entre bafles y 0,45 m de separación a la pared. 60 Figura 13: Floculadores PTAP Moniquirá. Fuente: Autora. Figura 14: Floculadores PTAP Moniquirá. Fuente: Autora. 61 Para el diagnóstico de los floculadores, se realizaron los cálculos de diseño para las condiciones del año 1981 y 2019. Diagnóstico floculadores 1 y 2 para el año 1981 Tabla 27: Diagnóstico floculadores 1 y 2, 1981. PARÁMETRO REFERENCIA CALCULADOS DIAGNÓSTICO Gradiente de velocidad 10 - 70 s-1 122,62 no cumple Tiempo de retención 20 - 40 min 25 min cumple Número adimensional de Camp 12000 -– 168000 183929,55 no cumple Pérdida de energía hf + h 2,37 cumple Pérdida adicional Manning: n=0,013 0,013 cumple Velocidad del flujo 0,10 - 0,90 m/s 0,20 cumple Separación entre tabiques (cámara 1) 0,45 (cuando se asume) 0,15 cumple Separación entre tabiques (cámara 2) 0,45 (cuando se asume) 0,2 cumple Separación entre tabiques (cámara 3) 0,45 (cuando se asume) 0,25 cumple Espaciamiento tabiques - pared (cámara 1) 1,5e 0,25 cumple Espaciamiento tabiques - pared (cámara 2) 1,5e 0,3 cumple Espaciamiento tabiques - pared (cámara 3) 1,5e 0,375 cumple Borde libre 25 - 30 cm 25 cm cumple Fuente: Autora 62 Diagnóstico floculadores N°3 y N°4 para el año 1981 Tabla 28: Diagnóstico floculadores 3 y 4, 1981. PARÁMETRO REFERENCIA CALCULADOS DIAGNÓSTICO Gradiente de velocidad 10 - 70 s-1 119,09 no cumple Tiempo de retención 20 - 40 min 25 min cumple Número adimensional de Camp 12000 -– 168000 178634,07 no cumple Pérdida de energía hf + h 4,67 cumple Pérdida adicional Manning: n=0,013 0,013 cumple Velocidad del flujo 0,10 - 0,90 m/s 0,20 cumple Separación entre tabiques (cámara 1) 0,45 (cuando se asume) 0,18 cumple Separación entre tabiques (cámara 2) 0,45 (cuando se asume) 0,3 cumple Separación entre tabiques (cámara
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