UNI VERSI DAD DE LA CO OS STA,CUC
FACUL TAD DE I NGENI ERÍ A
INCIDENCIA DEL PH EN EL PROCESO DE COAGULACIÓN. 10-09-2015
Universidad de la costa, Barranquilla, Colombia
RESUMEN
En esta experiencia se describen los resultados obtenidos durante la experiencia de laboratorio para la determinación de la incidencia del PH en el proceso de la coagulación. El análisis para la determinación de la incidencia del pH en la coagulación se determinó en una muestra muestra de agua de rio, preiamente se determinan determinan los parámetros parámetros de color, color, turbiedad, turbiedad, alcalinidad, alcalinidad, pH ! temperatura. "e llenó el ensa!o de #arras con un pH establecido de 5 a 9 establecidos secuencialment secuencialmentee desde la primera $arra a la %ltima, %ltima, para establecer establecer cada pH se adicionaron ml de H2"&' o (a&H para ba$ar o subir este pH. "e adiciono la dosis ! concentración óptima, se inició el proceso de coagulación, )loculación ! sedimentación durante el tiempo determinado. Posteriorment Posteriormentee se determinó determinó los parámetros parámetros los parámetros parámetros de pH, turbiedad ! color, color, de la muestra de agua tratada. "eg%n la experiencia *ue se reali+ó, la $arra con pH inicial de 9.2 es la *ue me$or resultados muestra mostrando un pH )inal de ,29. PALABRAS CLAVE: PH, agua cruda, coagulación.
Es una medición aliosa para interpretar los rangos de solubilidad de los componentes *u/ *u/micos cos. Esta sta mide la acide+ o la alcalinidad del agua. a actiidad del ión idrógeno puede a)ectar directa o indi indire rect ctam amen ente te la act actiid iidad ad de otro otross cons consti titu tu!e !ent ntes es pres presen ente tess en el agua agua,, la medida del pH constitu!e un parámetro de impo import rtan anci ciaa para para la desc descri ripc pció iónn de los los sistemas biológicos ! *u/micos de las aguas naturales.
1. INT INTRO RODU DUC CCIÓ CIÓN El pH es un indicador de la acide+ de una sustancia, siendo sta una de las propiedades más importantes del agua. El alor del pH es uno de los )actores de ma!or importancia ! e)ecto sobre el proceso de coagulación, el pH a)ecta la solubilidad de los precipitados )ormados por el ierro ! el aluminio, as/ como el tiempo re*uerido para )ormación de )loc )locul uloo ! la car carga sobr sobree las part part//cul culas coloidales. El pH es la concentración relatia de los iones idrógeno en el agua, es la *ue indica si sta actuará como un ácido dbil, o si se comportará como una solución alcalina.
[1 ] .
El ob$etio principal de la práctica es determinar el rango de pH óptimo de coagulación para una muestra determinada, 1
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utili+ando sul)ato de aluminio tipo como coagulante. Espec/)icamente modi)icar el pH del agua cruda a condiciones ácidas ! básicas, anali+ar el comportamiento de los procesos de coagulación ! )loculación cuando se modi)ica el pH del agua cruda ! determinar la calidad del agua clari)icada con di)erentes pH en el agua cruda.
8,5. Por lo general, este rango permite controlar sus e)ectos en el comportamiento de otros constitu!entes del agua. El pH tiene una gran in)luencia en la coagulación. alores por encima o por deba$o del pH óptimo producen malos resultados
2
Es la di)icultad del agua para transmitir lu+ debido a materiales insolubles en suspensión, coloidales o mu! )inos ! *ue se presentan principalmente en aguas super)iciales, en general son mu! di)/ciles de )iltrar ! pueden dar lugar a depósitos en las conducciones.
2. MARCO TEORICO El tratamiento del agua es el con$unto de operaciones ! procesos *ue se reali+an sobre el agua cruda con el )in de remoer o reducir sus contaminantes ! lograr *ue sus caracter/sticas organolpticas, )/sicas, *u/micas ! microbiológicas cumplan las especi)icaciones contenidas en las normas *ue regulan la materia. El agua debe ser tratada debido a la presencia de impure+as como sólidos suspendidos, materiales colorantes, microorganismos, materia orgánica, gases disueltos, minerales ! otros. ARTÍCULO 4°.HIDRÓGENO.
POTENCIAL
%
A&'(&!)!"("
"e de)ine en )orma operacional como la capacidad de una solución solución : suspensión acuosa diluida de compuestos orgánicos e inorgánicos, trminos usados como sinónimo de agua6 para neutrali+ar un ácido ;(<6, o la cantidad de ácido *ue se re*uiere por litro para disminuir el pH a un alor aproximado de '.=, esta capacidad se puede atribuir a la presencia de bases como> H;&=1-, ;&=2, ! &H1-, lo mismo *ue a especies presentes en pe*ue?as concentraciones de silicatos, boratos, amoniaco, )os)atos ! bases orgánicas.
DE
El alor para el potencial de idrógeno pH del agua para consumo umano, deberá estar comprendido entre ,5 ! 9,0. 13
1
Tur!"#$
pH
El pH es un indicador de la acide+ de una sustancia, siendo sta una de las propiedades más importantes del agua. El rango ar/a de 0 a 1', siendo 4 el rango promedio rango neutral6. 7n pH menor a 4 indica acide+, mientras *ue un pH ma!or a 4, indica un rango básico. Por de)inición, el pH es en realidad una medición de la cantidad relatia de iones de idrógeno e idróxido en el agua. "e considera *ue el pH de las aguas tanto crudas como tratadas deber/a estar entre ,5 !
4
L( *#+p#r(*ur(
Es una ariable )/sica *ue in)lu!e notablemente en la calidad de un agua. a cual a)ecta a parámetros o caracter/sticas tales como la solubilidad de gases ! sales, la cintica de las reacciones *u/micas ! bio*u/micas. 2
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,
probablemente no *uedan registrados en el monitoreo rutinario de calidad ! *ue pueden orientar la gestión de riesgos acia las +onas más ulnerables del sistema. =3
C&r
El color real es causado por compuestos disueltos en el agua. Puede ser natural o arti)icial. os sólidos disueltos ! suspendidos $untos6 causan un color aparente. El color se mide en unidades de Platino-;obalto. a <@@< recomienda A 15 P;7. 23
C(/u&('!0)
as part/culas *ue )orman la turbiedad ! el color de las aguas naturales, poseen cargas elctricas *ue normalmente son negatias, pero como tambin existen cargas elctricas positias, se puede a)irmar *ue el agua ! las soluciones son elctricamente neutras. as cargas elctricas de las part/culas generan )uer+as de repulsión entre ellas, por lo cual se mantienen suspendidas ! separadas en el agua.
En la desin)ección mediante cloración es di)/cil mantener una tasa eleada ! uni)orme de e)icacia, debido a las dosis necesarias de cloro ! otros reactios *u/micos para a$ustar el pH, costos de operación, transporte ! almacenamiento. Por otra parte, en la cloración debido a la reacción con la materia orgánica presente, se )orman productos organoclorados tóxicos como los trialometanos *ue son cancer/genos,=,' por lo *ue se an reali+ado estudios con otras alternatias entre las *ue se encuentran la desin)ección con ra!os ultraioletas, el tratamiento con o+ono ! la solari+ación desin)ección con la lu+ solar6. =3
En el tratamiento de agua residual o tratamiento por potabili+ación de agua para consumo domstico, el uso de polielectrolitos en unión con coagulantes metálicos presenta grandes bene)iciosF B6 se produce un )loc cu!a sedimentación es rápida, ! BB6 se puede reducir el gasto de coagulante, para el caso de ciertos tipos de aguas tratadas '3
por lo tanto, es importante considerar el )undamento de los P"< en los cuales la preención !:o minimi+ación de la contaminación a lo largo del "<
1
E*(p( "#& pr'# "# '(/u&('!0)
Pr!+#r( (#: Hidrólisis de los coagulantes ! desestabili+ación de las part/culas existentes en la suspensión. S#/u)"( (#: Precipitación ! )ormación de componentes *u/micos *ue se polimeri+an. T#r'#r( (#:
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3u!)*( (#F
('*r# u# C(/u&('!0)
!)5&u6#)
#)
os )enómenos de corrosión ! de incrustación, están relacionados directamente con las caracter/sticas )isico*u/micas del agua, su elocidad ! tiempo de retención idráulica, as/ como del material con el *ue el agua está en contacto. Espec/)icamente, la alcalinidad, pH ! los residuos de desin)ectantes son los principales )actores *ue in)lu!en en el proceso de corrosión. ;oncentraciones ba$as de alcalinidad )aorecen la solubilidad del ;&2, incrementando la agresiidad de las aguas. '3
&(
G E*(" "# V(&#)'!(: Entre ma!or sea la alencia del ion, más e)ectio resulta como coagulante. '3 G C(p('!"(" "# '(+!: Es una medida de la tendencia a rempla+ar cationes de ba$a alencia por otros de ma!or alencia, proocando la desestabili+ación ! aglomeración de part/culas en )orma mu! rápida. G T(+(7 "# &( p(r*8'u&(: as part/culas deben poseer el diámetro in)erior a una micra. as part/culas con diámetro entre una ! cinco micras, siren como n%cleos de )loculo, en cambio de diámetro superior a cinco micras, son demasiado grandes para ser incorporadas en el )loculo. '3
%
pH 0p*!+ "# '(/u&('!0)
El alor del pH es uno de los )actores de ma!or importancia ! e)ecto sobre el proceso de coagulación, el pH a)ecta la solubilidad de los precipitados )ormados por el ierro ! el aluminio, as/ como el tiempo re*uerido para )ormación de )loculo ! la carga sobre las part/culas coloidales. El pH óptimo para la remoción de coloides negatios ar/a seg%n la naturale+a del agua, pero usualmente cae entre pH 5,0 a ,5. ,;
G T#+p#r(*ur(F a temperatura cambia el tiempo de )ormación del )loculo, entre más )r/a el agua, la reacción es más lenta ! el tiempo de )ormación del )loculo es ma!or. '3
os coagulantes metálicos son mu! sensibles al pH ! a la alcalinidad. "i el pH no está dentro del interalo adecuado, la clari)icación es pobre ! pueden solubili+arse el ierro o el aluminio ! generar problemas al usuario del agua. ;uanto menos sea la dosis de coagulante, tanto ma!or será la sensibilidad del )loculo a cambios de pH. ,;
G C)'#)*r('!0) "# !)# H9 pH: Para cada coagulante a! por lo menos una +ona de pH óptima, en la cual una buena )loculación ocurre en el tiempo más corto ! con la misma dosis de coagulante. '3 G R#&('!0) '()*!"("-*!#+p: a cantidad de coagulante es inersamente proporcional al tiempo de )ormación del )loculo. '3
<
G A&'(&!)!"(": a alcalinidad guarda la relación con el pH ! por lo tanto el contenido de alcalinidad del agua es uno de los )actores por considerar en la coagulación. '3
&'u&('!0)
a )ormación del )loculo es consecuencia de la agrupación de las part/culas descargadas al ponerse en contacto unas con otras. Puede ser causada por la colisión entre las part/culas, debido a *ue cuando se acercan lo su)iciente 4
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las super)icies sólidas, las )uer+as de an der @aals predominan sobre las )uer+as de repulsión, por la reducción de la carga elctrica *ue trae como consecuencia la disminución de la repulsión elctrica. [ 6 ]
al tiempo de detención. ebe estar lo más cerca posible al óptimo determinado por medio de ensa!os de $arras, esto se puede lograr diidiendo la unidad de )loculación en cámaras. "e puede decir *ue una e)iciencia dada, se obtiene en tiempos cada e+ menores a medida *ue se aumenta el n%mero de cámaras de )loculación en serie. [ 6 ]
a )loculación puede ser ortocintica, *ue es la inducida por la energ/a comunicada al l/*uido por )uer+as externas paletas giratorias6 ! es cuando los contactos son producidos por el moimiento del )luido, o pericintica *ue es la promoida dentro del l/*uido por el moimiento *ue tienen las part/culas en l, debido a la agitación ! por la graedad ! el peso de las part/culas, las *ue se aglomeran al caer ! es cuando el contacto entre las part/culas es producido por el moimiento roniano . [ 6 ]
G Gr("!#)*# "# =#&'!"(" Este es un )actor proporcional a la elocidad de aglomeración de las part/culas. Existe un l/mite máximo de gradiente *ue no puede ser sobrepasado, para eitar el rompimiento del )loculo. El gradiente a tras de las cámaras debe ser decreciente ! no se deben tener cámaras intermedias con gradientes eleados . [ 6 ]
> El coagulante aplicado da lugar a la )ormación del )loculo, pero es necesario aumentar su olumen, su peso ! especialmente su coesión. Para )aorecer el engrosamiento del )lóculo será necesaria una agitación omognea ! lenta del con$unto, con el )in de aumentar las posibilidades de *ue las part/culas descargadas elctricamente se encuentren con una part/cula )lóculo. [ 6 ]
1
('*r# u# &'u&('!0)
!)5&u6#)
#)
S#"!+#)*('!0)
"e entiende por sedimentación a la remoción, por e)ecto graitacional de las part/culas en suspensión en un )luido ! *ue tengan peso espec/)ico ma!or *ue el )luido. En un determinado interalo de tiempo no todas las part/culas en suspensión sedimentan. #ustamente las *ue sedimentan en un interalo de tiempo elegido son llamadas Isólidos sedimentablesJ. [ 6 ]
&(
;uando se produce sedimentación de una suspensión de part/culas, el resultado )inal será siempre un )luido clari)icado ! una suspensión más concentrada. as part/culas en suspensión sedimentan en di)erentes )ormas, dependiendo de las caracter/sticas de las part/culas, as/ como de su concentración. Es as/ *ue podemos re)erirnos a la sedimentación de las part/culas discretas, sedimentación de
G C)'#)*r('!0) 6 )(*ur(&#$( de las part/culas a elocidad de )ormación del )loculo es proporcional a la concentración de part/culas en el agua ! del tama?o inicial de estas. [ 6 ] G T!#+p "# "#*#)'!0) a elocidad de aglomeración de las part/culas es proporcional 5
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part/culas )loculentas ! sedimentación de part/culas por ca/da libre e inter)erida. [ 6 ]
los Planes de seguridad del su implementación en los "<
P(r*8'u&( "!'r#*(: son a*uellas part/culas *ue no cambian de caracter/sticas, )orma, tama?o ! densidad durante la ca/da . [ 6 ] P(r*8'u&( 5&'u&#)*(: son a*uellas producidas por la aglomeración de las part/culas coloides desestabili+adas a consecuencia de la aplicación de agentes *u/micos. < di)erencia de las part/culas discretas, las caracter/sticas de este tipo de part/culas> )orma, tama?o ! densidad si cambian durante la ca/da. Este tipo de sedimentación se presenta en la clari)icación de aguas, como proceso intermedio entre la coagulación-)loculación ! la )iltración rápida. [ 6]
NORMATIVIDAD COLOMBIANA a buena calidad del agua de consumo umano asegura al consumidor su protección contra la presencia de agentes patógenos ! compuestos )/sicos ! *u/micos per$udiciales a su salud. a in)ormación *ue proeen los programas de igilancia ! control del agua para consumo umano, aparte del bene)icio relacionado con la disminución de en)ermedades transmitidas por /a /drica, es un medio *ue permite el me$oramiento de la calidad del sericio de abastecimiento de agua
P(r*8'u&( pr '(8"( &!r# # !)*#r5#r!"(: cuando la concentración de part/culas es pe*ue?a, cada part/cula sedimenta discretamente, como si estuiera sola, no siendo estorbadas por otras part/culas. [ 6 ]
[2 ] .
Partiendo del reposo, la elocidad de una part/cula ba$o la graedad en un l/*uido aumentara al ser la densidad de la part/cula ma!or *ue la densidad del l/*uido. En cambio, cuando a! altas concentraciones de part/culas, se producen colisiones *ue las mantienen en una posición )i$a ! ocurre un depósito masio en un lugar indiidual. [ 6 ]
En ;olombia la norma *ue regula los parámetros de calidad de agua para consumo umano se rige ba$o las condiciones del decreto 1545 de 2004 por el cual se establece IEl "istema para la Protección ! ;ontrol de la ;alidad del
D#'r#* 1,<, r#&u'!0) 211,?2@@< as me$oras de calidad del agua por s/ solas reducen en un tercio o más la morbilidad debida a en)ermedades diarreicas &K",20046, recomendándose la adopción de
"eg%n este decreto se de)ine el agua potable como a*uella *ue debe reunir los re*uisitos organolpticos, )/sicos, *u/micos ! 6
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microbiológicos, en las condiciones se?aladas en el presente decreto, para ser consumida por la población umana sin producir e)ectos adersos a su salud. El cap/tulo BB del decreto 1545 resolución 2115:2004 ace re)erencia a las caracter/sticas )/sicas ! *u/micas del agua para consumo [ ] umano .
%. METODOLOGIA.
1
En la siguiente tabla se especi)icados los alores permisiblesF
%.1 M(*#r!(&# 6 R#('*!=
encuentran máximos
Reactivo
Ácido Sulfúrico 0,02M Verde de Bromocresol
Material
Erlenmey er 250 ml
Probeta 250 ml Bureta 50 #enolftale$na ml Muestra Beac(er !roblema 50 ml Sulfato de aluminio ti!o B Pi!etas Matra aforado
C(r('*#r8*!'( 58!'(
Embudo Pinas !ara el so!orte uni"ersal So!orte %ni"ersal
Insumo
Color TEST Conduct idimetro !&' Meter Cronom etro
Epr#("( '+: V(&r +!+ ('#p*(&# )oteros ;olor aparente 7nidades de 15 Platino ;obalto Turbid$ *erin+as metro 7P;6 &lor ! sabor
8
7
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NOTA: Para determinar la cantidad de reactio necesaria para llear la muestra de agua asta un determinado pH, tome un litro de agua cruda, determ/nele el pH ! titule con H2"&' o (a&H, esperando un tiempo prudencial en cada caso asta *ue se estabilice el pH. ;onocidas las cantidades de álcalis o ácidos necesarias para obtener el pH deseado, a$uste ste en cada $arra. "iempre debe acerse inicialmente el a$uste de pH ! posteriormente la coagulación.
%.2 A)&!! "# (/u( *r(*("(
%. ANALISIS DE RESULTADO.
%.2.2 *(&( "# ()&!! "# (/u( *r(*("(
%.1 A)&!! "#& (/u( 'ru"(
TABLA 4
%.1.1 *(&( "# ()&!!
R#u&*(" *#)!" #) #& &(r(*r! ( r r ( I
TABLA % R#u&*(" *#)!" #) #& &(r(*r! Procedencia io ma+dalena, lu+ar e-acto !or la flores .s!ecto P(r+#*r D1 D2 D% pr+#"! Tur!#"(" 22% 21 2@ UNT C&r UPC 4>@ 4@@ 4@@ PH ,2 4> +/?& T#+p#r(*ur 2%F> 2%F 24 ( °C
( " ( u r ' " ( ' ( ! u 5 ! / " ( + H G P
1
2
3
4
5
6
1 0 , 4
2 0 , 5
7 0 , 6
1 0 , 7
6 9 , 7
5 0 , 9
/
1 ,
2
/ , 0
1 , 2
H 2
# " & e d H l & a K (
T(&( N %. ;aracter/sticas agua cruda.
, d t a e n L d e e i n ( b r a 7 u m L e r
olumen de agua de la $arraF 1000 osis de coagulanteF 55mg:l ;oncentración de la solución del coagulanteF 1O Liempo de coagulaciónF 0 seg
l a n i ) H P
8
0 , 3
0 , 3
0 , 3
2 , 5
5 3 , 1
4 ,
3 4 ,
2 3 ,
2 5 , 5
5 5 , 5
2 2 , 4
3 2 , 4
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FACUL TAD DE I NGENI ERÍ A , e e t r t n o e l n e pH r o a n 0 0 0 0 0 0 a ; p m 4 1 1 2 2 a e r ; Labla (N ' Cesultados. Bncidencia del pH en la 6.5 coagulación
fnal vs Turbiedad pH vs Turbiedad
pH 5.5 4.5
Tur!#"(": "olo la %ltima $arra de la muestra tiene una turbiedad *ue cumple con los parámetros de la resolución 2115 del 2004.
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20
Turbiedad
Gr5!' N 1 pH )inal s turbiedad
E& '&r: el color del agua no estaba dentro del alor permisible de la resolución 2115, en esta resolución espec/)ica *ue el alor máximo admisible es de 15 7P;6 ! el de las muestras ma!ores al alor permisible pero la $arra 5 ! se acerca al alor permisible.
pH agua cruda (modifcada) vs Turbiedad
PH: el alor debe estar comprendido entre ,5 ! 9,0, el alor de las muestras no está dentro del rango aceptable pero la $arra *ue más se acerca es la %ltima.
pH agua cruda modifcada vs Turbiedad 13.5
T#+p#r(*ur(: la temperatura estaba en los rangos normales.
pH
8.5 3.5 4.5 4.7 4.9 5.1 5.3 5.5 5.7 5.9 6.1 6.3 6.5
&bseracionesF podemos obserar *ue la $arra 5 ! la se acercan muco a los alores permisibles pero la $arra está más cercana a ellos.
Turbiedad
Gr5!' N 1 pH agua cruda modi)icada6 s turbiedad
b. etermine *ue pH es el más indicado para traba$ar con las muestras de
4. CUESTIONARIO. a. Cealice la grá)ica de pH s Lurbiedad teniendo en cuenta los resultados obtenidos.
El p indicado es de 9,05 !a *ue se io más remoción de turbiedad ! color, además de )inali+ar con un PH casi dentro de los rangos. c6
cuales otras sustancias son utili+adas en los procesos de coagulación del
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aluminio como el sul)ato de aluminio, cloruro de aluminio, aluminato de sodio, cloridrato de aluminio, policloruro de aluminio, sul)ato de cloruro de polialuminio, silicato de cloruro de polialuminio ! los basados en ierro como sul)ato )rrico, sul)ato )erroso, cloruro )rrico, sul)ato de cloruro )rrico, sul)ato poli)errico ! sales de ierro con pol/meros orgánicos.
un )loc mu! pesado en menos tiempo con respecto a las sales de aluminio ! as/ su sedimentación se da muco más rápido, aorrando no solo tiempo, si no tambin dinero, !a *ue sale más económico acelerar el proceso *ue tener más sedimentadores. ,. CONCLUSION.
Podemos decir *ue la concentración de la solución del coagulante se puedo er apreciar más en las concentraciones 1O ! 5O ! la concentración descartada es la '0O , la $arra 2 con la concentración del 5O )ue la *ue se acercó más a los parámetros establecidos por la norma.
"e clasi)ican seg%n su origen ! su cargaF
ma!or tiempo de demora en la )loculación.
&CBDE(
Lodo este in)ormes es basado con la resolución 2115 *ue nos abla de los alores máximos aceptables *ue debe cumplir el agua para ser consumida, de *ue no sea apta para el consumo no *uiere decir *ue el agua no se pueda utili+ar para otras actiidades, pero para potabili+ar el agua se encuentran arios sistemas para potabili+arla.
P. (
;
P. "B(LELB;&" - ;
d. Expli*ue las reacciones *ue se generan cuando se utili+an sales de ierro como coagulante en la clari)icación del agua.
. BIBLIOGRAIA #&CDE
ebido al amplio pH de las sales de ierro son coagulantes mu! e)ectio al momento de acer un proceso potabili+ación de agua, !a *ue a!udan a clari)icar debido a *ue )orman
13 Cesolución 2115:04 disponible en ttpF::.sui.go.co:suibase:)ormatosEstra ti)icacion:normatiidad:Ces.O202115O20de 10
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O202004.pd) Q En l/nea3 ;onsulta 19 de )ebrero de 20153.
ttpF::repositorio.utp.edu.co:dspace:bitstream: 11059:=1':1:28122H55.pd) Q En l/nea3
23 Parámetros
. B(S7E(;B< E < <B;BT( E S&;7<(LE" U EE;LCTBL&" "&CE < E"L<BB< E "B"LEK< ;&&B< <;L&"<
ttpF::.bonsaimenorca.com:articulos:arti culos-tecnicos:parametros-de-calidad-de-lasaguas-de-riego:RpHQEn l/nea3 ;onsulta 19 de )ebrero de 20153. =3 BE(LBSB;<;BT( U PCB&CBV<;BT( E PEBDC&" ;&K& HECC
4. E&7;BT( U PEC"PE;LB<" E "B"LEK< E <<"LE;BKBE(L& E < ;B7< E "<(LB
'. <#7"LE E EZ7BBCB& Z7[KB;& E
[ 8 ] "istemas de Potabili+ación, "ección BB L/tulo ;. Ceglamento Lcnico del "ector del
5. ELECKB(<;BT( E <" &"B" TPLBK<" E ;&
11
