1.2: Almacenamiento de Agua
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Resultados de aprendizaje de los estudiantes
Después de leer este capítulo, deberías poder:
- Explicar los usos y requisitos del almacenamiento de agua
- Enumerar los diversos tipos de instalaciones de almacenamiento de agua
- Listar equipos de instalaciones de almacenamiento de agua
- Describir las operaciones y mantenimiento de las instalaciones de almacenamiento de agua
El almacenamiento de agua es un componente importante de un sistema de distribución. El propósito principal es proporcionar cantidades suficientes de agua para promediar o igualar las demandas diarias del sistema. El almacenamiento proporciona mayores comodidades operativas al proporcionar fuentes de suministro durante todo el día y por la noche cuando los empleados de servicios públicos no suelen estar en el trabajo. Nivela los requisitos de bombeo, puede disminuir los costos de energía del bombeo, proporciona un suministro de agua durante cortes de energía, almacenamiento contra incendios y otros beneficios. En este capítulo del texto se examinarán los sistemas de almacenamiento de agua, los diversos tipos de almacenamiento de agua, cómo afecta el almacenamiento de agua a la calidad del agua, y una visión general de la operación y mantenimiento de las estructuras de almacenamiento de agua.
Por qué se necesita el almacenamiento de agua
La demanda de agua es mayor en las primeras horas más y vespertinas del día. Por la mañana, los clientes se están duchando, usando inodoros y preparando comidas, que requieren agua. Además, la mayoría de los sistemas de riego se utilizan en las primeras horas de la mañana antes de que las temperaturas se calienten demasiado. En horario vespertino, las personas regresan del trabajo y de la escuela y la demanda de agua suele aumentar durante estos tiempos. Hay bajo uso al mediodía y durante las horas de la noche. Sin almacenamiento, la capacidad de bombeo sería aproximadamente dos veces el requerimiento promedio. El almacenamiento adecuado permite un bombeo uniforme. El almacenamiento también permite una participación mínima del operador durante las horas no laborales. Sin almacenamiento, los trabajadores necesitarían estar disponibles para operar el sistema si se producen aumentos inesperados en la demanda. Una utilidad requeriría varias bombas de diferentes tamaños para adaptarse a los cambios en la demanda. El ciclo frecuente de encendido-apagado de las bombas causa un mayor desgaste en bombas y motores y mayores costos de electricidad.
Otro beneficio del almacenamiento de agua es la capacidad de almacenar y suministrar agua durante emergencias y cortes de energía. Si una empresa de servicios de agua dependiera únicamente de las bombas para satisfacer las demandas, cada vez que hubiera un corte de energía, el servicio de agua se interrumpiría. Tener agua almacenada en tanques permite un servicio ininterrumpido durante estos tiempos. Algunos sistemas de distribución tienen redes de agua de transmisión larga que traen el suministro de agua a la comunidad que se atiende. En estas circunstancias, cualquier reparación que se haga a estas tuberías que requieran que la tubería principal de agua esté aislada, interrumpiría el suministro de agua a los clientes.
La lucha contra incendios es otra necesidad crítica de los sistemas de agua comunitarios. Las empresas de servicios de agua no solo necesitan satisfacer las demandas operativas, sino que también deben satisfacer las demandas para extinguir incendios. La extinción de incendios puede representar hasta el cincuenta (50) por ciento del almacenamiento total. Además, las demandas de extinción de incendios deben satisfacerse durante las interrupciones de la línea principal, los cortes de energía y las demandas máximas de los clientes. También se debe mantener una presión adecuada durante los flujos de fuego.
Almacenamiento de agua y calidad del agua
El almacenamiento de agua puede ayudar con la calidad del agua y también puede contribuir a problemas de calidad del agua. Como parte de la Ley de Agua Potable Segura, un conjunto de regulaciones llamadas Regla de Tratamiento de Aguas Superficiales (SWTR), requiere tiempos específicos en los que el cloro debe estar en contacto con el agua antes de que el agua llegue al primer cliente. Los tanques de almacenamiento de agua pueden proporcionar tiempo de detención para permitir que el cloro permanezca en contacto con el agua el tiempo suficiente para proporcionar el tiempo requerido. El almacenamiento de agua también puede ser un área donde puede tener lugar la mezcla de múltiples fuentes de suministro. Si se bombea una fuente de suministro deteriorada a un tanque de almacenamiento, también se pueden bombear fuentes intacadas al tanque proporcionando una mezcla adecuada de la fuente deteriorada.
La calidad del agua también puede degradarse en los tanques de almacenamiento de agua. Si bien los tanques de almacenamiento de agua brindan diversos beneficios, almacenar demasiada agua puede conducir a la degradación de la calidad del agua. Los residuos de cloro pueden disminuir y el agua puede estancarse si no se cambia el agua dentro de los tanques de almacenamiento. Los tanques de ciclismo (permitiendo que el nivel en un tanque suba y baje) pueden ayudar a evitar el estancamiento y la degradación de la calidad del agua.
¿Qué tipo y tamaño de almacenamiento se necesita?
Los tanques de almacenamiento de agua vienen en varios tamaños y estilos. Algunos de los factores para determinar el tipo y capacidad de almacenamiento en un sistema de distribución dependen del tamaño del sistema, la topografía del sistema de distribución y cómo se presenta el sistema de distribución (es el sistema extendido o concentrado en un área pequeña). Estos y otros criterios se utilizan para diseñar las necesidades de almacenamiento de agua.
Se deben entender varios términos relacionados con el almacenamiento de agua.
- Demanda Media Diaria (ADD) —Esta es la demanda total de agua durante un periodo de tiempo dividido por el número de días en ese periodo de tiempo. A esto también se le llama la demanda media diaria.
- Demanda máxima diaria (MDD): esta es la demanda total más alta en un período de 24 horas dentro de un año determinado
- Demanda de horas pico (PHD): esta es la demanda máxima en un período de una hora dentro de un año determinado
- Flotar en el sistema: este es un método para operar una instalación de almacenamiento. El flujo diario en el sistema es aproximadamente igual a la demanda diaria promedio. Cuando las demandas de los clientes son bajas, la instalación de almacenamiento se llenará y cuando las demandas sean altas, la instalación de almacenamiento se vaciará.
La hidráulica del sistema está directamente relacionada con la ubicación de las instalaciones de almacenamiento de agua dentro de un sistema de distribución. Si un tanque de almacenamiento de agua se encuentra muy cerca de una estación de bombeo, la pérdida de carga (presión) a la porción más alejada del sistema de distribución puede ser excesiva a través de tuberías de tamaño normal. La red de transmisión adicional puede ayudar a aliviar este tipo de pérdida de presión. Si se coloca un tanque de almacenamiento en el extremo más alejado de un área de servicio, normalmente se recibe presión adecuada en los extremos alejados y cerca de las estaciones de bombeo. Este tipo de instalación evita la necesidad de aumentar los tamaños principales. Sin embargo, debe haber suficiente capacidad para la ubicación remota para rellenar el tanque durante los períodos de baja actividad. Además, si existe una gran separación entre la instalación de bombeo y el almacenamiento, podrían ocurrir presiones más bajas en medio del sistema de distribución. Si es posible, ubicar estructuras de almacenamiento adyacentes al área con la presión más baja es ideal. Esto generalmente proporciona suficiente presión disponible a toda el área de servicio y se pueden usar tuberías de agua de menor diámetro porque el flujo del tanque se divide en dos direcciones.
Para fines hidráulicos, es más ideal tener varios tanques más pequeños en lugar de un tanque más grande. Esto permite presiones más estabilizadas e iguales en todo el sistema de distribución. Las pérdidas de carga también aumentan cuando se requiere bombeo a largas distancias y en condiciones de máxima demanda. Ubicar tanques de almacenamiento cerca del centro de un sistema de distribución permite que las estaciones de bombeo operen en o cerca de las condiciones promedio de demanda diaria la mayor parte del tiempo.
Tipos de estructuras de almacenamiento de agua
Hay varios tipos de instalaciones de almacenamiento de agua. Están hechos de diferentes tipos de materiales y están diseñados en diferentes formas para satisfacer diversas necesidades. Si bien existen diversas estructuras de almacenamiento que almacenan agua cruda y dentro de una planta de tratamiento, esta sección solo analiza las estructuras de almacenamiento que se encuentran en los sistemas de distribución. Las siguientes son algunas de las instalaciones de almacenamiento de agua más comunes dentro de un sistema de distribución:
- Tanques de almacenamiento elevados: en regiones con topografía relativamente plana, se utilizan comúnmente tanques de almacenamiento elevados. Son tanques sobre el suelo soportados por una torre o pedestal de acero o concreto. La mayoría están hechos de acero y diseñados para flotar en el sistema. Si no están construidos lo suficientemente altos, pueden desbordarse y proporcionar presiones inadecuadas.
- Tanques de almacenamiento hidroneumáticos: estos tanques se utilizan en sistemas muy pequeños con una presión adecuada. Se mantienen parcialmente llenos con aire comprimido para proporcionar agua que exceda la capacidad de la bomba cuando sea necesario. Este tipo de sistemas también proporcionarán agua por un tiempo limitado si falla una bomba.
- Tubos verticales: estos tanques se construyen directamente en el suelo y tienen una altura mayor que el diámetro. Se utilizan comúnmente para igualar el almacenamiento cerca de una fuente de suministro como un campo de pozo. También se pueden utilizar para proporcionar protección adicional contra incendios.
- Tanques de almacenamiento sobre el suelo: estas son las formas de tanques de almacenamiento más utilizadas a lo largo de la costa oeste de los Estados Unidos. Pueden almacenar grandes cantidades de agua y se ubican donde la topografía es tal que se pueden construir en laderas. El principal inconveniente es que requieren una superficie de terreno bastante grande.
Componentes de tanques de almacenamiento elevados y sobre el suelo
Estos tanques tienen componentes muy similares. Esta sección revisará los componentes principales y abordará cualquier diferencia entre los dos estilos de estructuras de almacenamiento.
Tuberías de entrada y salida
Los tanques de almacenamiento elevados generalmente tienen una tubería común de entrada y salida, mientras que los tanques de almacenamiento sobre el suelo pueden tener tuberías de entrada y salida comunes o separadas. El propósito de estas tuberías es introducir agua y permitir que el agua salga del tanque. El propósito de tener una configuración de tubería de entrada y salida separada es ayudar a que el agua circule dentro del tanque. La tubería común (llamada elevador) para un tanque de almacenamiento elevado normalmente se extiende por la mitad de la estructura de soporte que sostiene el tanque. La tubería de entrada y salida de un tanque de almacenamiento sobre el suelo normalmente ingresa al tanque a lo largo de la porción inferior del tanque. En la configuración de entrada/salida separada, la ubicación de la conexión de entrada y salida está típicamente en extremos opuestos del tanque.
Tubería de Desbordamiento
Cada tipo de tanque está equipado con una tubería de desbordamiento. Está diseñado para permitir que el agua salga del tanque a la atmósfera en caso de que falle los controles del nivel del agua. Comúnmente se construyen para descargar en una cuenca de captura y nunca deben conectarse directamente a una alcantarilla o drenaje pluvial. Deben tener una separación adecuada del espacio de aire del área en la que están descargando y deben ser tamizados o tener un colgajo pesado para evitar que los animales entren a la tubería.
Conexión de drenaje
Todos los tanques deben ser inspeccionados periódicamente. Si bien algunas inspecciones pueden ocurrir con agua en el tanque, es común drenar un tanque para inspección, limpieza y reparaciones. El agua en un tanque se puede bajar evitando que las bombas se enciendan para llenar el tanque. Sin embargo, solo se pueden bajar a un nivel la altura de la tubería de salida y en ningún momento se debe drenar completamente un tanque mientras esté en servicio. Una vez que el agua se baja hasta la lata mientras está en servicio, se puede abrir una tubería de drenaje separada para drenar el resto del agua.
Dispositivos de monitoreo
Los tanques de almacenamiento de agua, al igual que otras instalaciones de distribución de agua suelen estar equipados con dispositivos de monitoreo. Los detalles sobre estos dispositivos de monitoreo están cubiertos en otro capítulo. No obstante, el también se discutirá aquí brevemente. Una de las cosas más importantes a monitorear en los tanques de almacenamiento es el nivel del agua. Por lo tanto, la mayoría están equipados con un medidor de sitio físico montado en el exterior del tanque y/o sensores de nivel que pueden transmitir los niveles del tanque a ubicaciones remotas. Estos dispositivos suelen estar equipados con alarmas de nivel de agua alto y bajo.
Válvulas
Para aislar un tanque del sistema de distribución, se debe proporcionar una válvula a lo largo de la tubería de entrada/salida que ingresa al tanque. Esta válvula se puede cerrar para sacar el tanque de servicio para mantenimiento y reparaciones. En ocasiones, un tanque estará provisto de una válvula denominada válvula de altitud. Esta válvula está diseñada para cerrarse evitando que el tanque se desborde.
Resguardos
La ventilación de aire generalmente se proporciona en la parte superior de los tanques para permitir que el aire escape a medida que el tanque se está llenando y el aire entre y el nivel en el tanque baja. Estas rejillas de ventilación deben ser lo suficientemente grandes como para evitar que el tanque se colapse y deben estar debidamente apantalladas con un tamaño mínimo de malla de ¼”.
Escotillas de Acceso
También es necesario proporcionar acceso dentro de un tanque. Hay al menos y a veces múltiples escotillas de acceso en la parte superior de los tanques de almacenamiento. Estos permiten que las obras ingresen al tanque para inspección y mantenimiento. Estas escotillas deben estar construidas correctamente con llantas debajo de la cubierta para evitar que la escorrentía de agua superficial entre en el tanque. También hay vías de acceso en el fondo del tanque cuando un tanque ha sido drenado y sacado de servicio para mantenimiento e inspección.
Escaleras
Se debe proporcionar acceso a la parte superior de los tanques y al interior de los tanques. Las escaleras suelen proporcionar este acceso. Algunos tanques de almacenamiento de agua por encima del suelo utilizan escaleras de caracol en lugar de escaleras. Los tanques de almacenamiento elevados suelen estar equipados con tres (3) escaleras diferentes. El primero corre por la pata de la torre desde el suelo hasta el balcón alrededor del tanque. La segunda escalera va desde el balcón hasta la parte superior del techo del tanque. La tercera escalera discurre a lo largo del interior del tanque para acceder al interior. Las escaleras exteriores deben instalarse a seis (6) a ocho (8) pies del suelo o tener un escudo metálico bloqueado alrededor de la parte inferior para evitar el acceso no autorizado.
Protección catódica
Las paredes interiores del tanque están sujetas a la corrosión, especialmente en las porciones superiores, que no están constantemente sumergidas en el agua. La protección catódica puede reducir esta corrosión interior en tanques de acero recubiertos. La protección catódica revierte el flujo de corriente que tiende a disolver el hierro de la superficie del tanque causando óxido y corrosión. Se utilizan electrodos con corriente continua (CC) y se corroerán en lugar de las paredes del tanque. En climas cálidos, los electrodos pueden suspenderse del techo del tanque. En climas fríos, los electrodos deben estar sumergidos. Los ánodos pueden durar hasta diez (10) años, pero también deben ser inspeccionados anualmente.
Recubrimientos para tanques
Dado que el acero puede oxidarse y deteriorarse y dado que el agua es considerada el “solvente universal”, es importante recubrir adecuadamente el interior y el exterior de los tanques. Los recubrimientos interiores deben ser capaces de soportar la constante emersión en el agua, temperaturas variables del agua, periodos alternos de humectación y secado, abrasión por hielo, alta humedad, calor, cloro y contenido mineral en el agua. Los recubrimientos exteriores deben soportar condiciones similares y mantener una buena apariencia. Todos los recubrimientos interiores deben ser aprobados por la NSF.
Operación y Mantenimiento
La American Water Works Association recomienda que todas las estructuras de almacenamiento de agua sean inspeccionadas completamente cada tres (3) a cinco (5) años. Los tanques de almacenamiento elevados y sobre el suelo deben drenarse, limpiarse, inspeccionarse, repararse y pintarse periódicamente. Las superficies interiores deben limpiarse a fondo con un chorro de agua a alta presión o barriendo y fregando. Toda la suciedad y los escombros deben eliminarse del tanque y también se debe producir una nueva capa completa o puntual.
Todos los tanques necesitan ser desinfectados antes de ser puestos en servicio. Esto incluye nueva construcción y tanques sacados de servicio para mantenimiento. Existen tres (3) métodos básicos para desinfectar tanques de almacenamiento:
- El primer método consiste en llenar todo el tanque con agua y mantenerse a un nivel residual de desinfectante de 10 mg/L. Si el agua se desinfecta antes de ingresar al tanque el tiempo de detención es de seis (6) horas y es el tanque se llena y luego se desinfecta, el tiempo de detención es de veinticuatro (24) horas.
- El segundo método consiste en pulverizar las paredes interiores con una concentración de solución desinfectante de 200 mg/L
- El tercer método requiere que el seis (6) por ciento del tanque se llene y se desinfecte a un residuo de 50 mg/L, el tanque se llena completamente y se mantiene durante veinticuatro (24) horas.
Luego, el tanque debe ser muestreado y analizado para detectar bacterias coliformes totales. Si los resultados vuelven positivos, se requiere desinfección adicional hasta que dos (2) muestras consecutivas sean negativas. También se deben muestrear y analizar tanques nuevos y revestidos para detectar compuestos orgánicos volátiles.
También se deben realizar inspecciones rutinarias en tanques de almacenamiento de agua. Las tuberías de desbordamiento, las rejillas de ventilación, las escotillas, las escaleras y las cerraduras deben monitorearse con frecuencia para detectar daños y vandalismo. Las escaleras deben estar en buenas condiciones y reemplazadas si se consideran inseguras. El techo y los puntos de acceso también deben verificarse en busca de grietas y agujeros para evitar fugas de agua superficial en el tanque.
Preguntas de muestra
1. Se utiliza una válvula de altitud para ___________.
- Evita que los tanques de almacenamiento se llenen demasiado rápido
- Evitar que los tanques de almacenamiento se desborden
- Separar los flujos de entrada y salida
- Ninguna de las anteriores
2. ¿Deben inspeccionarse completamente los depósitos de almacenamiento de agua?
- Todos los años
- Cada dos años
- Cada 3 a 5 años
- Cada 5 a 10 años
3. Sin almacenamiento, la capacidad de bombeo sería aproximadamente ___________.
- El doble del requerimiento promedio
- Tres veces el requerimiento promedio
- Menos que el requerimiento promedio
- Ninguna de las anteriores
4. La demanda de incendios puede representar tanto como ___________.
- 10% de almacenamiento
- 25% de almacenamiento
- 50% de almacenamiento
- 100% de almacenamiento
5. Se recomienda que los tanques de almacenamiento cuenten con ___________.
- Tubería de entrada y salida separada
- Tubería común de entrada y salida
- Salidas dos veces más grandes que las tuberías de entrada
- No hay recomendaciones