009799_cap4 filtros percoladores
TRANSCRIPT
90
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
91
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
4.1 INTRODUCCIÓN
En este capítulo se desarrol la la propuesta de diseño de la planta de
tratamiento de aguas residuales, part iendo de las consideraciones
generales que deben ser tomadas en cuenta a la hora de elaborar
proyectos de este t ipo. Esta propuesta se divide en cuatro fases de
tratamiento, siendo éstas las siguientes: prel iminar, primario, secundario y
digestión de lodos. Cada una de estas fases la constituyen elementos
diseñados para lograr remover algunos componentes presentes en las
aguas residuales una vez que ésta pasa por el los, logrando de esta manera
producir un efluente de la planta que cumpla con los requisitos para ser
descargada a un cuerpo receptor, en este caso quebrada “La Bóveda”, sin
alterar negativamente la f lora y fauna presente en éste. Es decir lograr los
requerimientos de ANDA mencionados anteriormente.
92
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
4.2 CONSIDERACIONES GENERALES
4.2.1 CARACTERÍSTICAS FISICOQUÍMICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES
Período de muestreo
Parámetro 11/06 /03 09/07/ 03
pH 6.90 7.11
Sól idos totales 614.50 Mg/lt 533.00 Mg/lt
Demanda bioquímica
de oxígeno (DBO) 305.35 Mg/lt 319.25 Mg/lt
Demanda química de
oxígeno (DQO) 359.85 Mg/lt 647.48 Mg/lt
Grasas y aceites 20.40 Mg/lt 27.00 Mg/lt
Sól idos sedimentables - 6.00 Mg/lt
Los muestreos al agua residual se real izaron en dist intos períodos de
t iempo con el objeto de medir su cal idad.
Basándose en información empírica de ANDA en cuanto al tratamiento de
aguas residuales sí la relación DQO/DBO < 2.4 se puede uti l izar procesos
biológicos de tratamiento.
Así tenemos:
Período 11/06/03; DQO/DBO = 359.85/305.35 = 1.18
Período 09/07/03; DQO/DBO = 647.48/319.25 = 2.03
“Debido a los valores obtenidos de la relación DQO/DBO en ambos períodos
es menor que 2.4 establecemos que para tratar el agua residual de la
ciudad de Nueva Guadalupe se pueden uti l izar procesos biológicos”.
93
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
4.2.2 DIMENSIONAMIENTO DE TRATAMIENTO PRELIMINAR
I- ETAPAS DE IMPLANTACIÓN
• Inicio de operación: 2003
• Horizonte del proyecto: 2028
II- POBLACIÓN A SERVIR ( P )
P2003 = 5736 habitantes
P2028 = 9527 habitantes
III- CÁLCULO DE CAUDALES
4.2.2.1 Alcantarillado Doméstico
Las normas técnicas de ANDA en la sección I numerales 5 y 6 establece lo
siguiente:
Consumo “per cápita” de agua: q = 175 lt/p/d
Coeficiente de variación diaria K1= 1.20 a 1.50
Coeficiente de variación horaria K2= 1.80 a 2.40
Coeficiente de variación mínima
horaria, consumo medio diario K3= 0.10 a 0.30.
94
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
Las normas técnicas de ANDA en la sección II numeral 4 establece que:
Coeficiente de retorno de agua residual C = 0.8
Caudal de Desecho Domestico.
Se obtiene a través de las siguientes expresiones.
Caudal Medio: (Ec. 4.1)
Q = 15.44 lt/seg
Caudal Máximo Qmax = K1. K2 . Q (Ec. 4.2)
Caudal Mínimo Qmin = K3 . Q (Ec. 4.3)
Los caudales resultantes se presentan a continuación uti l izando los valores
1.5, 2.4 y 0.3 para K1, K2 y K3 respectivamente.
Tabla 4.1. Caudal de desecho domestico (lt/s)
AÑO MEDIO MÁXIMO MINIMO
2003 9.29 33.46 2.79
2028 15.44 55.58 4.63
Los caudales de desechos l íquidos Industr iales serán considerados
constantes en todo el horizonte del proyecto.
86400 P q C
Qmd =
86400 (9527 hbts) (175lt/hbt/día) (0.8)
Qmd =
95
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
4.2.2.2 Desechos Líquidos Industriales.
“Según la inspección y levantamiento de datos de campo, no existe en el
área ubicación de industr ia, tales como: Ingenios, Beneficios u otros,
básicamente son actividades económicas pequeñas las que predominan. Sin
embargo tomando en cuenta el posible desarrol lo de la zona, se han
incluido los siguientes caudales:
• Caudal Medio: IND = 0.40 lt/seg
• Caudal Máximo: INDmax = 0.60 lt/seg
• Caudal Mínimo: INDmin = 0.0 lt/seg.
“En este caso el caudal medio de desecho l íquido industr ial = 0.40 lt/seg
será considerado constante en todo el horizonte del proyecto”
4.2.2.3 Caudal de Infiltración20.
Características de la ciudad:
Mediante visitas al municipio se pudo determinar que:
- La superf ic ie de las cal les por donde pasa la red de recolección de las
aguas residuales se encuentra asfaltada en un 15%, Adoquinadas un 50% y
un 35% lo constituyen cal les de t ierra o empedradas.
- Los pozos de visita que se encuentran en carretera pavimentada poseen
tapaderas de hierro fundido, mientras que los que se encuentran en cal les
adoquinadas y de t ierra o empedradas t ienen tapadera de concreto
reforzado.
96
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
Extensión de red colectora (L).
• L2003 = 10,006.18 mts
“Tomada de la propuesta del rediseño del sistema de alcantari l lado
sanitario de la ciudad”.
“Debido a que la población se incrementa en un 60% al f inal del período de
diseño, se apl ica un aumento del 50% a la extensión de la red actual
obteniéndose una longitud total para el año 2028 de 15,009.27m, la cual
será uti l izada para calcular el caudal de inf i l tración”
Tasa de infiltración
La tasa de inf i l tración según lo establecen las normas técnicas de ANDA en
la sección II numeral 4 será i = 0.20 lt/seg.ha para tubería de cemento y
0.10 lt/seg.ha para tubería PVC.
Caudales de Infiltración.
Los caudales de inf i l tración son calculados por:
I = ha x i (Ec. 4.4)
Donde:
i = Tasa de inf i l tración
ha = Área de cal les
2 0 Normas Técn icas de A.N.D.A. Secc ión 2, numera l 4 , E l Sa lvador 1998
97
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
Tabla 4.2. Caudales de Infiltración (lt/s)
Año Longitud (m) Ancho de cal le ( m) Área (ha) Caudal
2003 10,006.18 6.50 6.504 1.301
2028 15.009.27 6.50 9.756 1.951
La tabla 4.2 muestra los caudales de inf i l tración para los años 2003 y 2028
respectivamente.
4.2.3 Cálculo de los Caudales Totales del Alcantarillado Sanitario.
El caudal total del alcantari l lado sanitario, es la sumatoria de las tres
áreas:
Afluente = Desecho Domestico + Desecho Industrial + Infi l tración.
Caudal general de afluente sanitario.
Tabla 4.3. Caudal de alcantarillado sanitario (lt/s)
Año Mínimo Medio Máximo
2003 3.298 10.995 39.582
2028 5.336 17.788 64.037
98
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
4.3 FASE I - TRATAMIENTO PRELIMINAR
Según la norma Brasi leña NBR. 12.208/89 y 12.290/90, se establece que el
gradamiento y desarenación, deben tener remoción mecánica de los
materiales retenidos, cuando el caudal de dimensionamiento fuera igual o
superior a 250 lt/seg, como en nuestro caso el caudal máximo final es de
64.037 lt/seg podemos definir que:
• El gradamiento uti l izará rej i l las de barras de remoción manual.
• La desarenación será por caja de arena t ipo canal de l impieza
manual, siendo dos unidades en paralelo, una de las cuales queda
en reserva.
• El control del escurrimiento en la caja de arena y en el canal de
unión de la rej i l la será obtenido por la instalación de una canaleta
Parshal l , precedida de un rebalse, el cual también permitirá la
lectura del caudal afluente.
El control de velocidad de escurrimiento evitará que ocurra un arrastre de
material arenoso, cundo la velocidad excede los 0.60 m/seg. y ocurrirá la
disposición de materia orgánica cuando la velocidad es inferior a 0.30
m/seg.
De acuerdo con la norma brasi leña NBR. 12.290/90, la velocidad debe ser
igual o superior a 0.30m/seg; Para un caudal medio, no debiendo exceder
a 0.40 m/seg; para caudal máximo.
99
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
4.3.1 Diseño Hidráulico del Canal Desarenador
“Se construirán dos cámaras desarenadoras iguales en paralelo, las cuales
funcionarán alternadamente para faci l i tar su l impieza. Se construirá
además aguas debajo de los desarenadores un regulador de velocidades
constituido por un canal Parshal l”
Datos básicos para el diseño:
Qmax : 64.037 lt/seg = 2.26 pie3 / seg ( de tabla 4.3 )
Qmin : 3.298 lt/seg = 0.116 pie3 / seg ( de tabla 4.3 )
Velocidad reja l impia: 0.3 m/seg = 0.984 pie/ seg, ya que a velocidades
menores la materia orgánica se decantaría.
Tabla 4.4. Velocidades de sedimentación según Imhoff
Diámetro (mm) 1.000 0.50 0.20 0.10 0.05 0.010 0.005
Arena (cm/seg) 13.94 7.17 2.28 0.67 0.17 0.008 0.002
Carbón (cm/seg) 4.220 2.11 0.72 0.20 0.042 0.002 4.2x10-5
La tabla 4.4 muestra que para sedimentar part ículas de 0.20mm diámetro
que son los uti l izados para este diseño se debe uti l izar una velocidad de
sedimentación de 2.28 cm/seg.
Cálculo de las dimensiones de los canales desarenadores
“Dado que el ancho (B) del canal varía entre 2 y 3 veces el ancho de la
garganta (W) de la canaleta Parshal y para este diseño W = 1pie = 0.305
m, se asumirá un ancho del canal B = 76 cm apl icando una relación 2.5W”.
100
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
Por lo tanto el ancho del canal B = 0.76 m (ver plano 4.2)
El nivel máximo de agua en el canal desarenador representado por
(dmax) será calculado mediante la expresión:
Qmax = V.A (Ec. 4.5)
Qmax/V = A pero A = B x dmax
Sustituyendo A en Ec. 4.5 se t iene:
dmax = Qmax / V.B (Ec. 4.6)
dmax = (0.064 m3/seg) / (0.3 m/seg) (0.76 m)
dmax = 0.28 m
El nivel mínimo de agua en el canal desarenador representado por
(dmin) será calculado mediante la ecuación 4.6 pero utilizando el
caudal mínimo.
dmin = Qmin / V.B
dmin = (0.0033 m3/seg) / (0.3 m/seg) (0.76 m)
dmin = 0.014 m
“Consecuente con los valores obtenidos para dmax y dmax en el
desarenador, las paredes vert icales de éste tendrán una altura de 50 cm
dejando 22 cms de borde l ibre a part ir del nivel máximo calculado en el
desarenador”.
101
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
Cálculo de la longitud (L) de los canales desarenadores
Datos básicos:
Diámetro mínimo de las part ículas a sedimentar = 0.20 mm
La velocidad de sedimentación correspondiente a un diámetro de
0.20 mm es = 22.8 mm/seg. (de tabla 4.4)
Por lo tanto la longitud de los canales desarenadores viene dada por
la expresión:
L= (0.3 m/seg) (0.28 m) / (0.0228 m/seg.)
L = 3.68 m (ver plano 4.2)
Cálculo de volumen de arena depositada en el canal desarenador
Se estima que el volumen retenido de arena será de 30 lt por cada 1000 m3
de agua, o sea:
VArena = (0.030 m3) (5532.8 m3 /día) /1000 (Ec. 4.8)
VArena = 0.166 m3 /día
Previendo su retiro o l impieza cada 5 días se determina la altura que se
profundizará el fondo de las cajas para el almacenamiento de la arena:
5Vol =B. L.h (Ec. 4.9)
(Velocidad de reja l impia) (dmax)
Velocidad de sedimentaciónL= (Ec. 4.7)
102
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
Despejando h de Ec. 4.9 se t iene:
h = 5Vol / B.L
h = 5 (0.166 m3) / (0.76 m) (3.68 m)
h= 0.297 m se asumirá una altura de 0.30 m (ver corte A-A, plano 4.2)
Para los sól idos retirados de la Reji l la se construirá una plataforma de
secado o bandeja de escurrimiento. Esta consist irá en una placa perforada
para que los objetos extraídos se puedan almacenar temporalmente para
su drenaje.
Las dimensiones de esta bandeja debido a que se ubicará sobre el canal
desarenador tendrá el mismo ancho que este canal es decir 0.76m y de
largo tendrá una longitud de 0.60m.
El área útil de la plataforma de secado será de:
AP = (0.60 m) (0.76 m) = 0.46 m2 (Ec. 4.10)
A la misma se le serán perforados 48 agujeros menores de 2.5 cm de
diámetro espaciados cada 5 cm para el drenaje del agua remanente en los
sól idos retirados.
4.3.2 Diseño de la Trampa de Sólidos Gruesos (Rejilla)
Consiste en interponer una malla, usualmente de barras de hierro planas
en el canal de entrada de las aguas residuales crudas. Estas mallas
generalmente se colocan con las vari l las incl inadas con un ángulo de 30 a
103
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
60º en la dirección del f lujo, con una separación de 2 a 3 cm de claro l ibre
entre barras.
Los datos básicos para el diseño de la rej i l la son los siguientes:
Espesor de las barras en cm t = 1/4" = 0.635 cm
Ancho de las barras en cm b = 2.5 cm
Separación entre barras a = 2.5 cm
Ángulo de incl inación de las barras: ∝ = 60º
Velocidad de entrada: VRL = 0.30 m/seg (reja l impia)
Velocidad de entrada VRS = 0.60 m/seg. (reja semiobstruida)
Para la velocidad de entrada el área l ibre entre las barras (AL) será:
De Ec. 4.5 se t iene:
AL = Qmd / VRL
AL = (0.017788 m3) / (0.3 m/seg) = 0.06 m2
104
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
Cálculo del Área de la sección transversal de flujo (Af) aguas arriba
de la reja:
Donde:
Af = Área de f lujo
a = Separación entre barras
t = Espesor de las barras
Af = 0.062 m2
Como el ancho del canal desarenador = 0.76 m entonces el ancho de la
rej i l la debe ser el mismo.
Por lo tanto ancho de la rej i l la = 0.76m (ver plano 4.2)
La longitud sumergida de la reja (LS) será:
L S = dmax / sen 60º (Ec. 4.12)
L S = 0.28 m / sen 60º
L S = 0.32 m
Sí N° = Número de barras que conforman la reja, entonces:
(N° + 1) a + N° ( t ) = B (Ec. 4.13)
Af = 0.06 m2 (0.025 m + 0.00635 m) / 0.025 m
Af = AL (a + t) / a (Ec. 4.11)
105
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
Donde :
N° = (B – a) / (a + t)
N° = (76 cm – 2.5 cm) / (2.5 cm + 0.635 cm)
N° = 24 barras
Pendiente de la plantilla del canal (S)
De Cheezy – Manning
V = (1/n) (R 2/3) (S 1 /2) (Ec. 4.14)
Donde:
V = Velocidad de reja l impia = 0.3 m/seg.
n = Coeficiente de rugosidad, para concreto = 0.013
S = Pendiente
R = Radio Hidrául ico
Para el cálculo del radio hidrául ico (R) se t iene:
R = 16.12 cm
( 76 cm ) ( 28 cm )
76 cm + 2 (28 cm) R =
( B ) (dmax )
( B + 2 dmax ) R = (Ec. 4.15)
106
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
Sustituyendo R en Ec. 4.14 se t iene:
S = 0.023 %
Como se puede observar la pendiente en el canal desarenador es casi cero,
es decir casi plano.
Diseño hidráulico de canaleta Parshall
Datos básicos:
Caudal Q = 2.26 pie3/seg.
Ancho de la garganta W = 1 pie de tabla 2.5
1. Condiciones hidráulicas de entrada
a) El nivel de agua en la garganta de la canaleta (Ha) se calcula
con la fórmula
0.015 (0.3 m / seg.)
(0.1612 m) 2/3 S =
2
0.015 V
R2/3 S = 2
0 .026 2.26 pie3/seg. = 4(1pie)Ha1.522(1 )
2.26 pie3/seg. = 4(1pie)Ha1.522
0 .026 Qmax = 4WHa1.522W (Ec. 4.16)
107
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
Obteniéndose el valor de Ha = 0.69 pies = 0.21 m.
Uno de los requisitos en el diseño de la canaleta parshal l establece que la
relación de Ha/W esté entre 0.40 y 0.80 y en este caso esta relación 0.69
/1 = 0.69 por lo tanto se cumple dicha condición.
b) Ancho de la canaleta en la sección de medida
D' = 2(D - W)/3 + W (Ec. 4.17)
D' = 2 (0.845m – 0.305m)/3 + 0.305m
D' = 0.67 m
c) Velocidad en la sección D'
VO = Q/( D' . hO) (Ec. 4.18)
Donde: hO = Ha
VO = (0.064m3/seg.)/ (0.67m) (0.21m)
VO = 0.45 m/seg.
d) Energía específica
E = (VO 2/ 2g) + hO + N (Ec. 4.19)
108
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
E = [(0.45 m/seg.)2 / 2 (9.8 m/seg2)] + 0.21m + 0.114m
E = 0.33
2. Condiciones en la garganta
a) Velocidad antes del resalto
V13 – 2g . V1 . EO = - 2 Qg/W (Ec. 4.20)
V13 – 6.468 V1 = - 4.11
De donde V1 por tanteo es = 2.13 m/seg.
b) Altura antes del salto hidráulico
h1 = Q / (V1 . W) (Ec. 4.21)
h1 = (0.064 m3/seg) / (2.13 m/seg.) (0.305m)
h1 = 0.098 m
c) Número de Froude
Nf = V1 / (g . h1)0 .5 (Ec. 4.22)
Nf = (2.13 m/seg) / [(9.8 m/seg2) (0.098 m)]0 .5
Nf = 2.17
109
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
Según requisito de diseño de canaleta parshal l el número de Froude debe
estar comprendido entre los rangos 1.7 – 2.5 o 4.5 – 9.0, lo cual se
cumple.
3. Condiciones de salida
a) Altura después del resalto
h2 = (h1 / 2) [(1 + 8 Nf2)0 .5 – 1] (Ec. 4.23)
h2 = 0.256 m
b) Sumergencia
S = (h2 – N) / hO (Ec. 4.24)
S = (0.256 m - 0.114 m) / 0.21 m
S = 0.68
Otro de los requisitos en el diseño de la canaleta parshal l establece que la
relación de máxima Sumergencia Hb/Ha para una garganta de 1 pie no
debe exceder de 0.7 y en este caso esta relación Hb/Ha = 0.68 < 0.7 por
lo tanto se cumple esta condición.
0.098 m
2 1 + 8 (2.17) 2
0.5
– 1 h2 =
110
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
c) Pérdida de carga
hf = Ho + N – h2 (Ec. 4.25)
hf = 0.21 m + 0.114 m – 0.256 m
hf = 0.068 m
Los valores de N, D, W, son los que aparecen en la tabla 2.5 de
dimensiones de la canaleta Parshal para una garganta de 0.305 m.
Como ha podido comprobar, se cumplen todos los requisitos de diseño
hidrául ico para la canaleta parshal l que se ha propuesto.
4.4 FASE II - TRATAMIENTO PRIMARIO
4.4.1 Tanque de Sedimentación Primaria
Tabla 4.5. Información usual para diseño de sedimentadores
rectangulares y circulares empleados para el tratamiento primario
y secundario de aguas residuales
Valor según tipo de tratamiento Primario Secundario
Parámetro Unidad Intervalo Valor usual Intervalo Valor usual
Rectangular
Profundidad pie 10-16 14 10-22 18
Longitud pie 50-300 80-130 50-300 80-130
Ancho pie 10-80 16-32 10-80 16-32
Velocidad del
barredor Pie/min 2-4 3 2-4 3
111
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
Tabla 4.6. Información para diseño de sedimentador primario
seguido por tratamiento secundario.
Valor
Parámetro Unidad Intervalo Valor usual
Tiempo de retensión h 1.5-2.5 2.0
Carga superficial
Para caudal medio gal/pie2 . d 740-1230 1000
Para caudal máximo gal/pie2 . d 2000-3000 2200
Carga sobre
vertedero gal/pie . d 10000-40000 15000
Velocidad de arrastre. Para evitar la resuspensión de las part ículas
sedimentadas, las velocidades horizontales a lo largo del tanque deben
mantenerse lo suficientemente bajas. A partir de los resultados de los
estudios real izados por SHIELDS (1936), CAMP (1946) desarrol ló la
siguiente ecuación para calcular la velocidad crít ica horizontal.
(Ec. 4.26)
Donde:
VA = Velocidad horizontal a la cual se inicia el arrastre de
partículas
K = Constante que depende del material arrastrado
S = Gravedad específ ica de las partículas
G = Aceleración debida a la fuerza de la gravedad
D = Diámetro de las part ículas
F = Factor de fr icción de Darcy Weisbach
VA = 8k (s – 1) gd f
0.5
112
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
Los valores usuales de k son: 0.04 para arenas unigranulares y 0.06 para
part ículas más aglomeradas. El factor de fr icción de Darcy Weisbach
depende de las característ icas de la superf icie sobre la que t iene lugar el
f lujo y el número de Reynols. Los valores usuales de f van desde 0.02
hasta 0.03. la ecuación 4.26 se puede usar tanto en unidades del sistema
inglés como en unidades del sistema internacional, s iempre y cuando se
haga en forma consistente ya que k y f son adimensionales.
Remoción de Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) y Sólidos
sedimentables totales (SST)
Información habitual a cerca de la efic iencia en la remoción de DBO y SST
en tanques de sedimentación primaria, como función de la concentración
afluente y el t iempo de retención usando la siguiente expresión:
R = t/a + bt (Ec. 4.27)
Donde:
R = % de remoción esperado.
t = Tiempo nominal de retensión (en horas)
a, b = Constantes empíricas.
Las constantes empíricas de la ecuación 4.27 toman los siguientes valores
a una temperatura de 20 ºC.
Variable a, h b
DBO 0.018 0.020
SST 0.0075 0.014
113
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
4.4.1.1 Diseño del Tanque de Sedimentación Primaria
Datos básicos:
Caudal Medio Diario = 1536.88 m³/dia
Caudal Máximo Diario = 5532.80 m³/dia
Tasa de valor superf ic ial = 1000 gal/pie².dia (40.72 m³/m².dia)
De tabla 4.6
Profundidad efectiva del agua = 11 pies (3.35 m) De tabla 4.5
Dimensionamiento
a) Cálculo del área superf ic ial para una relación largo – ancho 4-1
(Ec. 4.28)
A = 37.74 m²
4L² = 37.74 m² (Ec. 4.29)
De donde el ancho es 3.07 mts. y el largo 12.28 mts. Sin embargo, por
conveniencia, las dimensiones del área superf ic ial se redondean a 3.10m x
12.30 m (ver plano 4.4).
Qmd
TVS A =
1536.88 m³/dia
40.72 m³/m².dia =
114
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
b) Cálculo del t iempo de retención para caudal medio, tomando un valor =
11 pies = 3.35 m (de tabla 4.6) como profundidad efectiva del agua (ver
corte C–C, plano 4.5)
Entonces el Volumen del tanque = (3.10 x 12.30 x 3.35) = 127.73 m³
Uti l izando la ecuación 4.5 se t iene:
c) cálculo del t iempo de retención y la carga superf icial para caudal
máximo
d) Cálculo de la velocidad de arrastre usando la 4.26 ecuación
Qmed
A
1536.88 m³/día
(3.10 x 12.3) Carga superf ic ial = = = 40.31 m³/m² . d
Vol.
Qmed
127.73 m³
1536.88 m³/diaTiempo de retención = = = 2 Horas.
Qmax
A
5532.8 m³/día
(3.10 x 12.3)Carga superf ic ial = = = 145.10 m³/m².d
Vol.
Qmax
127.73 m³
5532.8 m³/diaTiempo de retención = = = 0.55 Horas.
115
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
Donde:
Constante de cohesión (k) = 0.05
Gravedad específ ica (s) = 1.25
Aceleración de la gravedad (g) = 9.8 m/seg²
Diámetro de las part ículas (d) = 0.003 m
Factor de fr icción de Darcy – Weisbach (f) = 0.025
Comparando la velocidad de arrastre calculada con la velocidad horizontal
bajo condiciones de caudal máximo.
La velocidad horizontal a través del sedimentador para caudal máximo es
igual al caudal máximo entre el área de la sección del f lujo
“El valor de la velocidad horizontal, incluso bajo condiciones de caudal
máximo, es sustancialmente menor que la velocidad de arrastre. Por lo
tanto, el material sedimentado no será resuspendido. Para recolectar los
sól idos sedimentados se uti l izarán rasgadores horizontales que arrastran el
fango hasta la poseta situada en el extremo del tanque (ver plano 4.5)
desde donde serán extraídos en forma intermitente a través de tuberías
5532.8m³/día
( 3.1 m x 3.35 m)A= = 0.006 m/seg
Qmax VH = = 532.77 m/dia
VA = 8 k (s-1) gd
f
0.5
VA = 8 ( 0.05 )( 0.25 )( 9.8 )( 0.003 )
0.025
0.5
= 0.34 m/s
116
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
instaladas en el fondo de la poseta, dicha extracción se real izará por
presión hidrostática”
a) Cálculo de las tasas de remoción de DBO y SST a caudales medio y
máximo uti l izando la ecuación 4.27
Donde:
R = porcentaje de remoción esperado
t = t iempo nominal de retención
a,b = constantes empíricas
1) Para caudal promedio:
2) Para caudal máximo
“Como se mencionó en el capítulo II los tanques de sedimentación primaria
son capaces de remover entre un 30 a un 60% de los sól idos totales en
suspensión (SST) y de reducir la demanda bioquímica de oxígeno (DBO)
entre 25 a 35%, el tanque sedimentador diseñado estará removiendo un
56.3% de SST y un 34.5% de DBO”
R = t
a + bt
Remoción de DBO 0.018 + ( 0.020 x 2 )
t
a + bt
2= 34.5 %= =
= t
a + bt =
0.55
0.018 + ( 0.020 x 0.55)= 19 %Remoción de DBO
= t
a + bt =
0.55
0.0075+ ( 0.014 x 0.55) = 36.2 %Remoción de SST
0.0075 + ( 0.014 x 2 )
t
a + bt
2= 56.3 % = =Remoción de SST
117
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
4.4 FASE III TRATAMIENTO SECUNDARIO
4.4.1 Filtros Percoladores Biológicos
Los datos básicos para el diseño son:
Caudal medio diario Qmd = 17.788 lt/seg. = 1536.88 m3/día
Caudal máximo horario Qmax = 64.037 lt/seg. = 5532.88 m3/día
DBO bruto = 319.25 mg/lt
DBO del ef luente final: 60 mg/lt (Requerido por ANDA en la sección II
numeral 20)
Profundidad = 1.8 m
Para el diseño se usarán las ecuaciones del NCR (National Research Counci l
U.S.A.)
Donde:
E1 = Rendimiento de el iminación de la DBO para el primer fi ltro
E2 = Rendimiento de el iminación de la DBO para el segundo f i l tro
E1 = 100
1 + 0.4425 ( W1 / V1 . F )0 .5(Ec. 4.30)
E2 = 100
0.4425 1 + 1 – E1
( W2 / V2 . F )0 .5 (Ec. 4.31)
118
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
W1 = Carga de DBO apl icada al primer f i l tro
W2 = Carga de DBO apl icada al segundo f i l tro
V1 = Volumen del primer fi l tro
V2 = Volumen del segundo f i l tro
F = Factor de recirculación
r = Razón de circulación: para nuestro caso r = 0 entonces F = 1
Considerando lo anterior y el requerimiento de ANDA se determina real izar
el proceso en dos etapas a través de dos f i l tros colocados en serie.
Proceso de diseño:
a) Cálculo de la eficiencia para cada filtro E1 y E2
E1 + E2 (1 – E1) = 0.73 (Ec. 4.34)
E1 = E2 = 0.48
F = 1+ r
( 1 + 0.1r ) 2 (Ec. 4.32)
209.11 – 56.5 209.11
x 100 = 73 % Eficiencia conjunta = (Ec. 4.33)
119
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
b) Cálculo de la carga de Demanda Bioquímica de oxígeno (DBO)
del primer filtro
W1 = (DBO influente) (Qmd) (Ec. 4.35)
W1 = (209.11 mg/lt) (1536.88 m3/día)
W1 = (0.20911 kg/m3) (1536.88 m3/día)
W1 = 321.38 kg/día
c) Cálculo del volumen para la primera etapa usando la Ec. 4.30
V1 = 53.62 m3
d) Cálculo del área del primer filtro
A1 = V1/ h
A1 = 53.62 m3/1.8 m
A1 = 29.79 m2
De donde: L1 = 3.0 m y L2 = 10.0 m
E1 = 100
1 + 0.4425 (W1 / V1 . F)0 .5
48 = 100
1 + 0.4425 ( 321.38 / V1 . 1)0 .5
120
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
“La distancia más corta ha sido asumida con el objeto de evitar elementos
de apoyo (vigas) para los canales de distr ibución del agua residual en los
f i l tros y además con estas dimensiones se logra el área anteriormente
calculada” (ver planta arquitectónica, plano 4.7).
e) Cálculo de la carga de Demanda Bioquímica de oxígeno (DBO) del
segundo filtro
W2 = (1 – E1) (W1) (Ec. 4.36)
W2 = (1 – 0.48) (321.38 Kg/día)
W2 = 167.12 Kg/día
f) Cálculo del volumen del filtro para la segunda etapa usando Ec.
4.31
V2 = 103.12 m3
g) Cálculo del área del segundo filtro
A2 = V2/ h
E2 = 100
0.4425 1 + 1 – E1
( W2 / V2 . F ) 0 .5
1 – 0.48
48 = 100
0.4425 1 + ( 167.12 / V2 . 1 )0 .5
121
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
A2 = 103.12 m3/1.8 m
A2 = 57.29 m2
De donde L1 = 6.0 y L2 = 10.0 m
Este fi l tro estará dividido por una pared intermedia (de 30 cm de espesor)
con el f in de apoyar los canales de distr ibución del agua residual y además
con estas dimensiones se logra el área necesaria. (ver corte E-E, plano
4.8)
h) Cálculo de la carga orgánica de cada filtro
Filtro de la primera etapa
Carga de DBO = W1/ V1 = (321.38 Kg/día) / 53.62 m3 = 5.99 kg/m3 . día
Filtro de la segunda etapa
Carga de DBO = W2/ V2 = (167.12 Kg/día)/103.12 m3 = 1.62 kg/m3 . día
i) Cálculo de la carga hidráulica de cada filtro
Filtro de la primera etapa
Carga hidrául ica = Qmax/ A1 = (5532.88 m3/día) / 29.79 m2
Carga hidrául ica = 185.73 m3/m2 . día
Filtro de la segunda etapa
Carga hidrául ica = Qmax/ A2 = (5532.88 m3/día) / 57.29 m2
122
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
Carga hidrául ica = 96.58 m3/m2. día
Tabla 4.7. Información típica de diseño para filtros percoladores
Elemento Baja carga Carga intermedia Carga a l ta Muy a l ta carga De desbaste
Med io f i l t ran te P ied ra ,
escor ia P iedra , escor ia P iedra P iedra
P lás t i co ,
madera
Carga
h id ráu l i ca
m3/m2 . d ía
1 .20 -3 .50 3 .5 -9 .4 9 .4 -37 .55 11 .70-70 .40 47-188
Carga orgán ica
Kg de DBO/m3
. d ía
0 .08 -0 .40 0 .25 -0 .50 0 .50 -0 .95 0 .48 -1 .60 1.6-8
Pro fund idad m 1 .80-2 .40 1 .80 -2 .40 0 .90 -1 .80
Re lac ión de
rec i r cu lac ión 0 0 -1 1 -2 1 -2 1 -4
Moscas en e l
f i l t ro Abundantes A lgunas Escasas
Escasas o
n inguna
Escasas o
n inguna
Ar ras t re de
só l idos
In te rm i ten t
es In te rmi ten te Cont inua Cont inua Cont inua
Ef i c i enc ia de
e l im inac ión de
l a DBO, %
8-90 50-70 65-85 65-80 40-65
Ef luen te B ien
n i t r i f i cado
Parc ia lmente
n i t r i f i cado
Escasamente
n i t r i f i cado
Escasamente
n i t r i f i cado
No
ni tr i f icado
“Basándose en los resultados obtenidos de la carga hidrául ica, carga
orgánica y ef ic iencia requerida, se diseñarán fi l tros de desbaste sin
recirculación para no tener que mecanizarlos”.
4.5 FASE IV: TRATAMIENTO DE LODOS
El término lodos se uti l iza para designar a los sól idos que se sedimentan
cuando las aguas negras pasan a través del tanque de sedimentación. El
123
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
lodo producido por estos tanques está formado por los sól idos orgánicos e
inorgánicos presentes en el agua cruda, al momento de sal ir del tanque de
sedimentación los lodos contienen un 5% de sól idos y un 95% de agua. El
método común de disposición de lodos es la digestión.
4.5.1 Digestor de Lodos
Son tanques generalmente circulares que sirven para retener el lodo
producido por los sedimentadores. La digestión de los lodos bajo
condiciones anaerobias es producto de bacterias capaces de vivir en las
mismas condiciones ambientales. Estas bacterias atacan las sustancias
orgánicas complejas, las grasas, los carbohidratos y las proteínas
convirt iéndolas en compuestos orgánicos simples y estables.
En base a las condiciones ambientales en la zona una buena digestión se
da en el período de 20 a 30 días de retención.
Para el diseño de las unidades que componen el tratamiento de lodos se
uti l izan los datos de la siguiente tabla:
Tabla 4.8 Producción de lodos en litros por persona por día
Lodos Nuevos Lodos Digeridos Lodos Secos
Sedimentación primaria 1.10 0.30 0.10
Fi ltros biológicos 1.50 0.50 0.15
Lodos activados 1.80 0.80 0.20
124
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
Dimensionamiento
Los datos básicos para el diseño son:
Población = 9527 habitantes
Producción de lodos nuevos = 1.10 lt/p/día (de tabla 4.9)
Período de retensión = 20 días
Cálculo del volumen necesario del tanque digestor
Vn = N de habitantes x PLn x Tr (Ec. 4.37)
Donde:
PLn = Producción de lodos nuevos
Tr = Tiempo de retensión
Entonces:
Vn = (9527) (1.10) (20)
Vn = 209,594 lts = 209.594 m3
Cálculo del diámetro:
Se tomará una profundidad total h = 3.40 m, distr ibuida de la siguiente
manera:
Una parte ci l índrica con una altura de 1.40 m y un diámetro de 11.40 m
(ver plano 4.10).
125
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
Una parte cónica de 2.0 m de altura (ver corte F-F, plano 4.11).
Entonces:
VT = Vol. del ci l indro + Vol. del cono (Ec. 4.38)
VT = π .d2 hc i l . /4 + π .d2 hcono /12
VT = π(11.40m)2 (1.4m) /4 + π(11.40m)2 (2.0 m) /12
VT = 210.9 m3 > Que el Vol. Necesario.
4.5.2 Patios de Secado de Lodos
En este diseño los patios de secado son lechos de 15 a 30 cm de arena que
descansa sobre capas de grava de diámetros de 3 a 6 mm en la parte
superior y de 18 a 35 mm en la parte inferior con un espesor total de
grava de 30 cm.
Las paredes laterales y divisorias de los patios de secado son de concreto y
se elevan unos 35 cm por encima de la superf ic ie de arena y el fondo
tendrá una l igera pendiente hacia los tubos de drenaje.
El funcionamiento de los patios de secado se distr ibuyen los lodos en capas
de 15 a 20 cm de espesor. Se produce una pérdida de agua por
evaporación y la otra parte es conducida al cuerpo receptor. El lodo seco
es inofensivo y puede uti l izarse para rel lenar depresiones del terreno o
como fert i l izante.
126
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
Dimensionamiento.
Datos básicos:
Población = 9527 habitantes
Producción de lodos secos = 0.10 lt/p/día (de tabla 4.9)
Período de retensión: 20 días
Distr ibución de capas: 0.20 m
Cálculo del volumen necesario (Vn)
Vn = N de habitantes x PLs x Tr (Ec. 4.39)
Donde:
PLs = Producción de lodos secos
Tr = Tiempo de retensión
Entonces:
Vn = 9527 x 0.10 x 20.0 = 19054 lt = 19.054 m3
Cálculo del área necesaria
An = Vn / ECL (Ec. 4.40)
127
CAPITULO IV: PROPUESTA DE DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
Donde:
Vn = Volumen necesario
ECL = Espesor de capas de lodos
Entonces:
An = 19.054 m3/0.20 m = 95.27 m2
Se construirán 2 patios de secado con dimensiones de:
6.80 m de ancho y 7.0 m de largo (ver plano 4.12).
La construcción de estos patios puede real izarse en dos etapas, el primer
patio se construirá junto con los otros elementos de la planta y el segundo
cuando sea necesario, es decir cuando la producción de lodos sea tal que
supere la capacidad de almacenamiento del primero.
Estabilización con cal de los lodos
Para estabi l izar los lodos crudos se añadirá cal en cantidades suficientes
como para elevar el pH a 12.
El pH alto mata los microorganismos presentes en el lodo y, por
consiguiente, estabi l iza la materia orgánica.
Dentro de las ventajas de estabi l ización por cal se encuentran los t iempos
de retención cortos que se requieren, la simplicidad del proceso y, en
donde hay condiciones de suelo ácido, el pH alto del lodo es un beneficio
en la apl icación en suelo.