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CAPTACIÓN Y PLANTA DE TRATAMIENTO TR ATAMIENTO
I.
INTRODUCCIÓN:
Una vez realizados los cálculos de los caudales necesarios para cubrir las necesidades de agua potable de una comunidad, el siguiente paso es la localización y selección de los recursos que ofrezcan, no solo dicha cantidad, sino economía economía de construcción y explotación, para ello se tienen diversos criterios como pueden ser la cercanía al punto de destino lo que será favorable en la economía de transporte del agua, calidad del agua en origen que incidirá de forma determinante, sobre los costos de potabilización y tratamiento (para una ciudad costera el recurso más próximo será el agua por medio de pozos, pero su costo de extracción es más elevado por el sistema de bombeo que se utiliza). Seguridad en el suministro relacionada con las fluctuaciones estacionales, tanto de la cantidad de recurso como de su calidad, así como la influencia de condicionantes meteorológicos, geológicos, etc. Frecuentemente, puede ser necesario almacenar parte del recurso excedente en ciertas épocas del año, para compensar la escasez en otras (regulación).Topografía de la zona que permitirá o no conducirla por gravedad a su punto de consumo, así como que esto se realice mediante obras más o menos sencillas. Posibilidades de ampliación que permitirán o no, resolver el problema a más largo plazo del previsto inicialmente por el estudio. Solucionado este punto, es necesario pensar en su captación sea esta: superficial, cuando el recurso utilizado se encuentra por encima de la corteza terrestre (ríos, lagos de agua dulce, embalses, etc.) o subterránea, cuando el recurso se encuentra profundo.
1. OBJETIVOS: GENERAL:
Tener una visión global del proceso de abastecimiento de agua potable desde su Captación hasta su Tratamiento, para comprender así la importancia de realizar operaciones de mantenimiento y control de una Captación, Pre tratamiento y Planta de Tratamiento.
ESPECÍFICOS:
Diseñar las diferentes Estructuras Hidráulicas para la Captación de Manantiales Laterales y Ascendentes. Diseñar las diferentes Estructuras Hidráulicas en el proceso de Pretratamiento y Tratamiento de Agua.
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2. ANTECEDENTES: Al elaborar este estudio y diseño de las diferentes estructuras de la Captación, Pretratamiento y Tratamiento, nos basamos en el primer trabajo escalonado elaborado, tomando de éste los datos de Caudal Máximo Diario, ya que con éste se diseñará todas las estructuras que intervienen en la Captación, Pretratamiento y Tratamiento. 3. ALCANCES:
La captación se realizará de dos tipos de manantiales (lateral y de fondo o ascendente), considerando un número proporcional de manantiales, con el fin de igualar o sobrepasar el valor del Caudal Máximo Diario. Con estos datos obtenidos diseñaremos las diferentes estructuras dentro del Pretratamiento y el Tratamiento, teniendo en cuenta los datos proporcionados por el docente como: Diámetro de la partícula: Tipo de Floculador: Velocidad de Filtración: Temperatura:
⁄
4. JUSTIFICACIÓN: Es necesario aprender el sistema utilizado para el abastecimiento de agua y dentro de éste lo que corresponde a captación, pretratamiento y tratamiento. Porque el agua necesita un cuidado y tratamiento especial para poder así ser proporcionada a la población en general. En el ambiente laboral nos encontraremos con diferentes tipos de problemas y situaciones, como captar aguas de pozos, manantiales o fuentes pluviales como ríos y quebradas, con este trabajo profesionalmente estaremos en condiciones de analizar y resolver cualquier problema de captación y tratamiento.
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2. ANTECEDENTES: Al elaborar este estudio y diseño de las diferentes estructuras de la Captación, Pretratamiento y Tratamiento, nos basamos en el primer trabajo escalonado elaborado, tomando de éste los datos de Caudal Máximo Diario, ya que con éste se diseñará todas las estructuras que intervienen en la Captación, Pretratamiento y Tratamiento. 3. ALCANCES:
La captación se realizará de dos tipos de manantiales (lateral y de fondo o ascendente), considerando un número proporcional de manantiales, con el fin de igualar o sobrepasar el valor del Caudal Máximo Diario. Con estos datos obtenidos diseñaremos las diferentes estructuras dentro del Pretratamiento y el Tratamiento, teniendo en cuenta los datos proporcionados por el docente como: Diámetro de la partícula: Tipo de Floculador: Velocidad de Filtración: Temperatura:
⁄
4. JUSTIFICACIÓN: Es necesario aprender el sistema utilizado para el abastecimiento de agua y dentro de éste lo que corresponde a captación, pretratamiento y tratamiento. Porque el agua necesita un cuidado y tratamiento especial para poder así ser proporcionada a la población en general. En el ambiente laboral nos encontraremos con diferentes tipos de problemas y situaciones, como captar aguas de pozos, manantiales o fuentes pluviales como ríos y quebradas, con este trabajo profesionalmente estaremos en condiciones de analizar y resolver cualquier problema de captación y tratamiento.
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II.
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REVISIÓN DE LITERATURA: CAPTACIÓN
Para el siguiente trabajo se trabajará con la captación de manantiales. Un manantial puede ser de afloramiento vertical ascendente, o de afloramiento lateral; pudiendo ser en cualquiera de los casos, manantial con nacimiento de aguas en un sólo punto o manantial de vena ancha (para el siguiente trabajo se considerará manantiales laterales y vertical ascendentes). Los manantiales se pueden clasificar en: 1. POR SU UBICACIÓN EN EL TERRENO: Manantial de ladera: Son ladera: Son aquellos que se presentan como consecuencia de capas impermeables que sirven de base a la napa freática, la característica principal de éstos manantiales, es que afloran en laderas y a una misma altura, según la línea del estrato impermeable. Manantial de falla: Son consecuencias directas de la acción geológica y se presentan en forma de grietas en la superficie del terreno, por lo general provienen de zonas profundas de la tierra y a temperaturas elevadas, permitiendo la disolución de las sales que encuentran a su paso. Manantiales de tubo: Estos tubo: Estos manantiales, como su nombre lo indica, provienen después de haber perforado en forma de tubo la corteza terrestre, generalmente a los terrenos calizos, debido a la disolución de calizas, emanando aguas cargadas de carbonatos de calcio; no recomendándose este tipo de agua para consumo humano, por ser muy duras. 2. POR SU FORMA COMO DISCURRE EL AGUA A TRAVÉS DE LA CORTEZA TERRESTRES, HASTA SALIR A LA SUPERFICIE: Manantiales de agua descendente: descendente: El agua de estos manantiales, corre sobre los estratos impermeables inclinados, hasta que afloran en la superficie y discurren por acción de la gravedad. Manantiales de agua Ascendente o Artesianos: Su Artesianos: Su formación es permeable, o de grieta confinada entre dos capas impermeables, y que ascienden a presión hasta la superficie del terreno. Para la utilización de estos manantiales es necesaria la construcción de una estructura apropiada que permita centralizar el agua en un determinado punto, dándole la debida protección contra la contaminación; ya que éstos podrían variar su recorrido r ecorrido debido a fallas geológicas interiores.
TRATAMIENTO DE AGUA El presente trabajo sugiere una metodología de selección de proceso de tratamiento de agua, en función del grado de desarrollo de la comunidad o región, la capacidad de las empresas administradoras de los sistemas y la calidad del agua cruda; además presenta métodos de diseño simplificados de las diferentes estructuras de una planta de tratamiento. ABASTECIMIENTO DE AGUA Y ALCANTARILLADO
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El presente trabajo escalonado se refiere al diseño de una Planta de tratamiento asumiendo que las aguas captadas es de un río, donde se hará la operación unitaria de transferencia de sólidos, cribado, sedimentación, filtración. El caudal de diseño es el calculado en el trabajo anterior, es decir el Caudal máximo diario. 1. CRIBADO: Consiste en separar del agua los sólidos que sean de mayor tamaño de la aberturas de las rejas, así como barra evitar el paso de las ramas, basuras y en general todo tipo de desperdicios. Para éste fin se suelen utilizar rejas de fierro, las cuales se colocan transversalmente a los canales de conducción y con una inclinación recomendada de a respecto de la horizontal.
2. SEDIMENTACION: Este es el proceso mediante el cual se verifica la disposición de las partículas en suspensión por acción de la gravedad es decir por la fuerza que desarrolla el peso de la partícula al caer. 3. MEZCLA: Es aquí donde se produce la coagulación, que se define como la reacción que ocurre frente a la adición de coagulantes al agua para aglutinar ag lutinar las partículas en conglomerados o grupos. 4. COAGULANTE: Compuesto de elementos que producen Hidróxidos gelatinosos; así tenemos los Compuestos de Aluminio, de Fierro, otros. 5. ALCALIS: Para prever y mantener la alcalinidad necesaria para el proceso (Cal, Hidróxido de Calcio, Carbonato de Sodio, etc.). El Sulfato de Aluminio Al es el coagulante más comúnmente empleado.
A. SEDIMENTACION: Las aguas superficiales en su desplazamiento cargan material granular y partículas de todo tamaño. Para la sedimentación es necesario reducir la velocidad del agua hasta el punto de causar la deposición de las partículas en suspensión dentro de un determinado tiempo de detención, para cada partícula existe una velocidad máxima que debe darse al agua por encima de la cual no sedimenta. La sedimentación se produce cuando la componente vertical de la velocidad de una partícula dentro del agua es mayor que la velocidad de arrastre motivada por el flujo. Es por éste motivo que la partícula cae por su propio peso. ABASTECIMIENTO DE AGUA Y ALCANTARILLADO
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Para dar éste tratamiento al agua, se hace muy necesario un análisis de las partículas que el agua lleva en suspensión; después de la captación de acuerdo al diámetro de las partículas se escogen las estructuras necesarias para dar el tratamiento al agua; pueden ser desarenadores y/o sedimentadores.
PARA FLUJO LAMINAR:
Donde:
Velocidad de sedimentación.
Diámetro de la partícula de diseño.
Viscosidad cinemática.
PARA FLUJO EN TRANSICIÓN:
PARA FLUJO TURBULENTO:
() ( ⁄) ⁄ ⁄
(Ley de STOKES)
1. DESARENADOR: Estructura que tiene por finalidad, separar las partículas gruesas del agua, que se encuentran en suspensión. Generalmente un desarenador consta de 4 zonas: Zona de Entrada: Compuesta por una transición que une el canal de conducción; en algunos casos tubería y la zona de desarenación. La longitud de transición tiene la función de distribuir uniformemente las líneas de flujo dentro de la zona de desarenación; evitará también que se produzcan los llamados corto circuitos y por consiguiente la formación de zonas muertas en la ABASTECIMIENTO DE AGUA Y ALCANTARILLADO
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estructura. En ésta zona se ubican dos compuertas para orientar el flujo hacia la compuerta de limpieza. Zona de Desarenación: Esta es la zona donde se llevará a cabo el recojo de las partículas analizadas; las partículas se recogerán en el fondo de la misma. Zona de Salida: Estará conformada por un vertedero que mantendrá la velocidad que no altera a los sedimentos. Zona de Lodos: Es la zona que posee una pendiente favorable para la compuerta de limpia. 2. SEDIMENTADOR: Estructura que cumple con las mismas funciones que el desarenador, sólo que en ésta estructura se albergarán a partículas más pequeñas que las tratadas en el desarenador; son de iguales características.
B.
AFORADOR PARSHALL:
Estructura que se encarga de controlar los caudales de llegada, la forma en que se determina el caudal es muy directa; sólo basta medir el tirante de agua en la garganta del mismo y aplicando una fórmula nos da a conocer el caudal; en algunos casos ésta misma estructura se usará para realizar la mezcla rápida del floculante con el agua, aprovechando el resalto que en éste se produce. Su diseño está en función del caudal con que se diseña, estas dimensiones son estándares y se encuentran en tablas. C. MEZCLA RAPIDA:
Generalmente se compone de una caseta de dimensiones estándar: a donde llegan las tuberías de conducción del caudal a tratar; al igual que el Aforador Parshall, aprovechará la turbulencia del agua para realizar la mezcla del floculador y el agua cruda. La dosificación del floculante como el Sulfato de Aluminio o Sulfato de Fierro está en función de la turbidez y del caudal a tratar. En algunos casos sólo será necesario aplicar Sulfato de Cobre para matar las algas y los microorganismos que el agua lleva consigo; esto se realiza en épocas de verano donde las aguas no llevan material en suspensión excesivo. El análisis de la turbidez se realiza por el método de jarras y haciendo uso de los Turbidímetros. D. FLOCULADORES: En el caso de Floculadores el agua y el elemento químico reaccionan y las partículas de limo y arcilla se agrupan para decantarse después en el decantador. Los floculadores se clasifican en: Hidráulicos y Mecánicos. 1. FLOCULADORES HIDRAULICOS:
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Están compuestos por una serie de pantallas cuya separación está en función del caudal y de la velocidad de viaje del agua. Estos floculadores a su vez pueden ser: Horizontales o Verticales 2. FLOCULADORES MECANICOS: Pueden ser: Rotatorios y Recíprocos. Estos floculadores necesitan de energía para su funcionamiento lo que los hace más costosos. E. DECANTADORES: Estructuras encargadas de retener en su fondo los flóculos formados al añadirle al agua elementos químicos para formar los flóculos. Tienen las siguientes partes: 5.1 ZONA DE ENTRADA. Permitirá la distribución uniforme del flujo dentro del decantador. Esta zona comprende un vertedero y la cortina de distribución que puede ser una pantalla de orificios.
5.2 ZONA DE SALIDA. Conformada por una estructura rectangular con volumen y por consiguinte con longitudes adecuadas para le sedimentación de los flóculos. 5.3 ZONA DE SALIDA. Constituida por un vertedero, canaletas o tubos con perforaciones que tienen la finalidad de recolectar al afluente sin perturbar la sedimentación de las partículas. 5.4. ZONA DE RECOLLECCION DE LODOS. Zona conformada por una tolva con capacidad para depositar los lodos sedimentados, una tubería y una válvula para una limpieza periódica.
F. FILTROS: Los filtros son las últimas estructuras que dan un Tratamiento Físico al agua; estos filtros pueden ser clasificados en:
Filtros rápidos con lecho mixto ( arena y Antracita) Filtros rápidos con lecho de arena. Filtros lentos con lecho de arena.
6.1 FILTROS RAPIDOS. ABASTECIMIENTO DE AGUA Y ALCANTARILLADO
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Por lo general éste tipo de filtros necesitan de energía para su funcionamiento. 6.2 FILTROS LENTOS. Este tipo de filtros contiene como lecho filtrante a cualquier material estable; en Plantas de Tratamiento de Agua Potable es usual tener como material granular a la arena, por ser más barata, inerte y durable. Un filtro lento consta básicamente de:
Un tanque que contiene un volumen de agua. Un lecho de arena. Una capa soporte. Dispositivos de control y regulación del filtro.
6.3 FILTRO LENTO MODIFICADO. Esta estructura consta de un vertedero a la salida del afluente; tiene la función de establecer una altura mínima de agua sobre el lecho filtrante. A medida que la colmatación aumenta en el lecho filtrante, la pérdida de carga se aumenta y consecuentemente la altura del agua sobre la arena hasta llegar a un nivel máximo, regulado por un vertedero de rebose que mantiene el caudal de entrada y la sección de la unidad constante.
G. DESINFECCION: La desinfección en una Planta de Tratamiento es ya un proceso químico que se le da al agua haciéndola que sea capaz de ser consumida por los pobladores de una determinada ciudad. La desinfección se realiza con rapidez con:
Cal clorada ( ) Hipoclorito de Sodio
Los compuestos clorados aplicados al agua pueden ser dosificados y aplicados mediante:
Bombas desinfectadoras. Hidroinyectores. Equipos de montaje local (Hipoclorador de Sifón, Frasco de Mariote).
DESINFECCION CON CLORO: El cloro en forma líquida, gaseosa o de hipoclorito es el principal producto químico para destruir las bacterias en los suministros de agua, indudablemente es el método de desinfección más generalizado por las múltiples ventajas que ofrece: efectivo, económico y de fácil control. La dosis de cloro agregada el agua depende de la cantidad de impureza por eliminar y el residuo deseado de cloro en el agua. Una dosis de uno o dos mg/Lt. Suele ser suficiente para destruir todas las bacterias y dejar un residuo adecuado. En las corrientes de afluente de las plantas de tratamiento ABASTECIMIENTO DE AGUA Y ALCANTARILLADO
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de agua, se mantiene un residuo de cloro de 0.1 ó 0.2 ppm. Con un factor de seguridad en agua mientras se envía al consumidor. TRATAMIENTOS DIVERSOS: Se utilizan muchos métodos de tratamiento par a eliminar elementos indeseables como, olor, sabor, color, exceso de fluoruro, detergentes, hierro y magnesio. Algunos métodos son especiales como la aplicación de carbón activado y la ebullición. El uso del carbón activado es común para eliminar sabores y olores. El carbón puede en polvo en el agua y después eliminarlo con un filtro de arena o también, el agua puede tratarse de un lecho de carbón. Además existen varios métodos físicos y químicos para desinfectar el agua tales como:
METODOS QUIMICOS: Ozono, Yodo, Plata, Cloro METODO FISICOS: Filtración, Ebullición, Rayos ultra - Violetas.
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III.
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PROCEDIMIENTO (METODOLOGÍA):
CAPTACIÓN Del trabajo anterior lo gramos determinar el caudal máximo diario, el cual tiene un valor:
⁄
Manantial Lateral: Caudal Manantial Lateral: Caudal Aforado Manantial Lateral: Manantial Ascendente: Caudal Manantial Ascendente: Caudal Aforado Manantial Ascendente:
⁄ ⁄ ⁄ ⁄
MANANTIAL
NÚMERO
Lateral Ascendente TOTAL
12 8 20
TOTAL
0.82 3.6
9.84 28.8 38.64
A. CAPTACION DEL MANANTIAL LATERAL: Para una Zona Permeable: Teniendo en cuenta las condiciones de Bertrán tenemos que:
Donde:
: Diámetro de la abertura del tamiz que pasa el
: Diámetro de la abertura del tamiz que pasa el
Para nuestro caso asumiremos el valor de los diámetros:
1. CALCULO DE LOS DIÁMETRO DE LOS ESTRATOS DE FILTROS: FILTRO I:
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Luego:
Entonces para el FILTRO I utilizaremos: FILTRO II:
–
Luego:
Entonces para el FILTRO II utilizaremos:
GRAVA FINA
FILTRO III:
–
Luego:
Entonces para el FILTRO III utilizaremos:
GRAVA GRUESA
2. CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD: Asumimos:
Arena Gruesa : Grava Fina : Grava Gruesa :
⁄ ⁄ ⁄
–
Por razones de construcción consideramos los siguientes espesores de estrato: Arena Gruesa : Grava Fina : Grava Gruesa : Longitud total del estrato
:
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Asumimos como gradiente hidráulico i%=15.00% ya que la dirección del flujo es perpendicular a los estratos, utiliza la siguiente fórmula:
∑
Donde: : Permeabilidad total y perpendicular al estrato : Permeabilidad de cada estrato : Ancho de cada estrato : Longitud total de los estratos
( ) ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ Entonces:
Consideramos la profundidad de filtro
y los siguientes elementos de filtro:
ESTRATO I:
( ) Según Darcy:
⁄⁄ Como
, entonces no se produce TUBIFICACIÓN.
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ESTRATO II:
( ) Según Darcy:
⁄⁄ Como
, entonces no se produce TUBIFICACIÓN.
ESTRATO III:
( ) Según Darcy:
⁄ ⁄ ( ) Como
, entonces no se produce TUBIFICACIÓN.
Chequeo para toda la estratificación:
Según Darcy:
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⁄⁄ Como
, por lo tanto no existe TUBIFICACIÓN en los estratos.
3. CALCULO DEL CAUDAL CAPAZ DE ATRAVEZAR POR LA ESTRATIFICACIÓN:
⁄ ⁄ ⁄ ⁄
Los espesores de los estratos del filtro, son suficientes para filtrar el caudal máximo aforado de: 4. CÁLCULO DE LA DESCARGA SOBRE EL ORIFICIO DE INGRESO: Se recomienda que:
pero:
Donde:
Carga para producir la velocidad de pasaje : Velocidad de pasaje en los orificios
: Gravedad
Asumimos: Entonces:
Sabemos que:
Luego:
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5. CALCULO DEL ÁREA Y NÚMERO DE ORIFICIOS:
Donde:
⁄
: Caudal máximo aforado : Coeficiente de descarga : Velocidad de pasaje : Área del orificio.
.
De la fórmula:
Considerando:
Luego:
6. CÁLCULO DEL VOLUMEN DE ALMACENAMIENTO:
Donde: : Volumen de almacenamiento : Caudal máximo diario : Tiempo de retención
⁄ Considerando:
Optamos por las siguientes medidas para la caja de captación:
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7.
CÁLCULO DEL DIÁMETRO DE SALIDA DE LA TUBERÍA DE CONDUCCIÓN:
Donde:
⁄ ⁄ : Caudal máximo diario : Coeficiente de Descarga : Área del conducto : Gravedad : Carga sobre la tubería
, asumimos:
De la fórmula: Luego:
8. CÁLCULO DE LA TUBERÍA DE DESAGUE O DE LIMPIEZA: Ésta tubería debe desaguar un caudal igual al máximo aforado del manantial más el volumen aforado en la cámara húmeda en un tiempo determinado, entonces:
Donde: : Caudal de salida : Volumen almacenado : Tiempo de salida : Caudal aforado
⁄ ⁄ ⁄
Luego: ABASTECIMIENTO DE AGUA Y ALCANTARILLADO
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⁄ ⁄ Donde:
: Coeficiente de Gasto : Gravedad : Carga sobre la tubería
Entonces:
9. CÁLCULO DE LA TUBERÍA DE REBOSE:
⁄⁄ ⁄ ⁄ Entonces: : Caudal máximo aforado : Caudal máximo diario
Ésta tubería además de servir de rebose, también cumple cierta función ante posibles obstrucciones o cierre de válvulas. Así mismo ésta tubería se comporta como un vertedero de sección circular y pared ancha.
⁄⁄
El caudal a Evacuar es el total captado: Suponiendo una velocidad de evacuación: Por continuidad tenemos que:
10. CALCULO DE LA TUBERÍA DE VENTILACIÓN: Se hará uso de un tubo de PVC de un sombreo de ventilación.
sobresaliendo
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y en cuyo extremo se colocará
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B. CAPATACIÓN DEL MANANTIAL ASCENDENTE:
⁄ ⁄ ⁄ ⁄
Presión de salida del agua:
1. CÁLCULO DEL VOLUMEN DE ALMACENAMIENTO:
Considerando:
Dimensiones de la Primera Cámara: Para garantizar la continuidad del flujo debe cumplirse que la altura del nivel del agua almacenada debe ser menor que la altura de presión de salida del agua . Por lo que las dimensiones de la caja de captación serán:
Chequeamos las dimensiones:
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Luego las dimensiones finales de la Primera Cámara (Caja de captación), considerando un borde libre para efectos de aireación y construcción, serán:
Dimensiones de la Segunda Cámara:
Luego las dimensiones finales de la Segunda Cámara (Caja de almacenamiento), considerando un borde libre para efectos de aireación y construcción, serán:
Considerando además la parte superior del nivel de agua almacenada al tirante sobre la cresta:
Entonces:
2. CÁLCULO DEL DIÁMETRO DE SALIDA DE LA TUBERÍA DE CONDUCCIÓN:
⁄ Luego:
3. CÁLCULO DE LA TUBERÍA DE DESAGUE O DE LIMPIEZA:
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⁄
Para calcular el diámetro de la tubería de desagüe lo realizaremos como orificio de pared gruesa (boquilla), donde el caudal viene expresado por:
Luego:
4. CÁLCULO DE LA TUBERPIA DE REBOSE:
⁄⁄ ⁄ ⁄ Entonces: : Caudal máximo aforado : Caudal máximo diario
Por continuidad:
5. CÁLCULO DE LA TUBERÍA DE VENTILACIÓN: Se utilizará un tubo de PVC de sombrero de ventilación.
, sobresaliendo
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y en cuyo extremo se colocará un
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C. DISEÑO DE LA CAMARA DE REUNIÓN:
1. CÁLCULO DEL VOLUMEN DE ALMACENAMIENTO:
Considerando:
Optamos por las siguientes medidas:
Luego las dimensiones finales de la Cámara de Reunión, considerando un borde libre para efectos de aireación y construcción, serán:
2. CÁLCULO DEL DIÁMETRO DE SALIDA DE LA TUBERÍA DE CONDUCCIÓN:
Luego:
3. CÁLCULO DE LA ALTURA QUE EVITE LA ENTRADA DE AIRE: Primer Criterio:
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Condición para que no entre el aire:
⁄ ⁄ ⁄ Luego:
Segundo Criterio:
⁄ ⁄
El valor obtenido por remolinos:
(Para salidas puntuales) (Para salida lateral del flujo)
debe satisfacer la ecuación de POLIKOVK para evitar la formación de
Considerando una salida de flujo lateral:
⁄
⁄ ⁄ ⁄ ⁄
Con las comprobaciones realizadas observamos que dos valores son menores que: Finalmente: 4. CÁLCULO DE LA TUBERÍA DE DESAGUE O DE LIMPIEZA:
Donde: : Caudal de salida : Volumen almacenado : Tiempo de salida
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⁄ ⁄ Entonces:
Luego:
5. CÁLCULO DE LA TUBERÍA DE REBOSE: Caudal máximo diario: Velocidad de Evacuación:
Por continuidad tenemos:
6. CÁLCULO DE LA TUBERÍA DE VENTILACIÓN: Se utilizará un tubo de PVC de sombrero de ventilación.
, sobresaliendo
y en cuyo extremo se colocará un
PRETRATAMIENTO La captación hecha en el trabajo es de manantial, el agua que emana de estas fuentes, es por lo general apta para el consumo humano, no siendo necesario ser tratada. Por cuestiones de estudio, vamos a suponer para este trabajo que la captación es de río para poder diseñar todas las estructuras que se requieren para poder purificar el agua. A. DISEÑO DEL CANAL DE ENTRADA: Canal de máxima eficiencia hidráulica:
⁄
Pendiente Coeficiente de rugosidad
canal revestido de C°
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⁄⁄ ⁄ ⁄
Por Manning: Tirante normal Ancho de solera Área Hidráulica Perímetro Mojado Radio Hidráulico Espejo de agua Tirante Medio Velocidad del Agua Número de Froude Tipo de Flujo:
Borde Libre: Para canales pequeños
B. DISEÑO DE SEDIMENTADOR: Datos:
⁄
⁄
Diámetro de la partícula a evacuar, arena fina Densidad relativa de la arena Temperatura del agua Viscosidad cinemática del agua
UNC
Donde: : Densidad de la arena : Densidad del agua
⁄ 1. VELOCIDAD DE SEDIMENTACIÓN
Se utiliza la fórmula de STOKES para:
NÚMERO DE REYNOLDS
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2. COEFICIENTE DE ARRASTE
3. VELOCIDAD DE ARRASTRE
√ ⁄ 4. VELOCIDAD HORIZONTAL
⁄
√
5. ÁREA TRANSVERSAL
6. ÁREA SUPERFICIAL
UNC
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7. DIMENSIONAMIENTO DE LA ZONA DE SEDIMENTACIÓN: Recomendaciones:
⁄
⁄ ⁄
Entonces, tenemos que las dimensiones son:
Para compensar turbulencias, se recomienda incrementar la longitud , mediante:
Incrementaremos
, para cumplir la condición:
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DISEÑO DE LA ZONA DE ENTRADA:
Longitud de transición
Asumiendo:
Pendiente
:
:
8. DISEÑO DE LA ZONA DE LODOS: Cálculo de
:
Se considera la pendiente
y el canal de limpieza tendrá
Profundidad al extremo de la zona de sedimentación : ABASTECIMIENTO DE AGUA Y ALCANTARILLADO
de ancho
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9. DISEÑO DEL CANAL DE LIMPIA:
Para esto necesitamos saber el caudal que evacuará. Asumimos un orificio de forma rectangular en el fondo de la zona de sedimentación. Se recomienda tomar dimensiones de Asumiendo:
Ancho de orificio Altura de orificio
Caudal Máximo de Salida
:
Se calculará como orificio de forma rectangular de dimensiones iguales al de la compuerta, asumiendo
⁄
√
Cálculo del Tirante en el Canal de Limpieza :
Se calcula con la ecuación de Manning, asumiendo que la pendiente del canal es
.
Cálculo de la Velocidad en el Canal de Limpieza : La velocidad en el canal debe ser el permisible, de modo que no deje material sedimentado o genere erosión del revestimiento:
⁄
10. DISEÑO DEL CANAL BY-PASS: Diseñaremos un By-Pass de máxima eficiencia hidráulica:
⁄ Pendiente Coeficiente de rugosidad
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11.
UNC
()
CARGA DE AGUA SOBRE EL VERTEDERO DE SALIDA
√
12. VELOCIDAD DE PASO POR EL VERTEDOR :
⁄ ⁄ Sabemos que:
y
, entonces
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:
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TRATAMIENTO A. DISEÑO DEL CANAL PARSHALL: 1. DISEÑO COMO UNIDAD DE MEZCLA RÁPIDA:
Ancho de Canal de Entrada Asumiremos:
Ancho de la Garganta
:
:
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Asumiendo:
Dimensiones del Canal Parshall: Son las correspondientes a siguiente tabla:
, cuyas medidas están ya establecidas y se indican en la
W
6"
9"
1'
A
62.07
87.95
137.16
B
60.96
86.36
134.30
C
39.37
36.10
60.98
D
39.69
57.47
84.46
E
60.26
78.20
91.44
F
30.48
30.48
60.96
G
60.96
45.72
91.44
H
30.49
30.48
38.10
N
11.43
11.43
22.86
P
90.17
107.95
149.23
M
40.64
40.64
50.00
Cálculo del resalto Hidráulico: a. Condiciones Hidráulicas antes del resalto: Tirante de agua (Y1) en la garganta del canal:
⁄
El gasto a circular en el canal es el caudal máximo diario: La pendiente se determina del gráfico y corresponde a la siguiente expresión:
El coeficiente de rugosidad depende del revestimiento del canal: El área hidráulica se determina por la siguiente expresión:
El radio hidráulico se determina con la siguiente expresión:
Luego, el tirante normal se halla por la ecuación de Manning: Resolviendo se tiene:
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Velocidad en la sección
:
⁄ √ Comprobación del tipo de Resalto:
, además se sabemos que:
b. Condiciones Hidráulicas después del resalto: Tirante de agua luego del resalto (Y2): Se determina con la siguiente expresión
⁄ En hidráulica en la sección es:
Velocidad en la sección:
Extensión del resalto hidráulico:
V 12 V 22 Y 1 Y 2 Pérdida de Carga en el Resalto: h f 2 g 2 g
c. Condiciones de Mezcla: Tiempo de Mezcla:
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UNC
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, además se sabe que
Gradiente de Velocidad:
Donde:
UNC
⁄ ⁄ ⁄ ⁄
: Peso específico del agua, : Pérdida de carga en el resalto, : Viscosidad dinámica del agua, : Tiempo que demora la mezcla rápida,
Temperatura del agua Peso específico del agua Viscosidad Dinámica del agua
Grado de sumersión:
donde:
Hallamos el tirante de agua en la sección “o”:
2. DISEÑO COMO AFORADOR: El canal Parshall funcionará como medidor de régimen crítico, como el flujo en este canal es libre, es suficiente medir una sola carga en la sección para determinar el caudal que pasa. La medición se tomará a los 2/3 de la dimensión A mediante un pozo lateral de aguas tranquilas cuyo nivel con el canal principal se mantiene igual por el sistema de “vasos comunicantes” .
1
Y o n
Q
K
Para valores de
:
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UNC
Con la expresión anterior, podemos hallar el gasto que fluye en el canal midiendo el tirante de agua , en la siguiente tabla se muestra el gasto para diferentes tirantes medidos. Yo (cm)
12.00
14.00
16.00
18.00
20.00
22.00
24.00
Q (l/ s)
13.65
17.39
21.45
25.82
30.47
35.40
40.59
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UNC
B. DISEÑO DEL DECANTADOR:
DISEÑO DE DECANTADOR DE ALTA VELOCIDAD ZONA DE SEDIMENTACIÓN:
Dimensiones:
⁄
Consideraciones para sedimentadores de ala velocidad: Espaciamiento entre placas Longitud de placas : Se halla mediante la siguiente expresión
VELOCIDAD PROMEDIO DEL FLUJO A TRAVÉS DEL SEDIMENTADOR:
Donde: Velocidad de asentamiento Carga superficial Ángulo de inclinación de placas Cte. Crítica del sedimentador Temperatura del agua Viscosidad cinemática
⁄
: : : : : :
⁄⁄ ⁄
NÚMERO DE REYNOLDS:
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UNC
COMPROBAMOS LA VELOCIDAD DE ASENTAMIENTO:
TIEMPO DE RETENSIÓN DE LA PARTÍCULA:
ÁREA SUPERFICIAL DE SEDIMENTACION:
Es recomendable, para un mejor funcionamiento de la planta proveer de un área adicional cuyo porcentaje está en función de la carga superficial. En este caso para q =
⁄
el incremento será del 100%.
DIMENSIONES DE CADA UNIDAD:
NÚMERO DE PLACAS:
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Entonces vamos a tener 152 placas de 1.00x0.60
ZONA DE ENTRADA: Características del tabique difusor:
⁄ Con estos datos hallamos los diámetros de los orificios, el caudal que pasa por estos y la velocidad de flujo: Diámetro
Caudal
Velocidad
cm
l/s
cm/s
5
0.33
16.43
94
6
0.51
17.68
61
8
1.12
19.46
28
10
1.76
21.25
18
12
2.75
23.75
11
⁄⁄ ⁄ Como
Orificios más abajo: Orificios más abajo:
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# de orificios
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UNC
Adoptamos 28 orificios separados: Verticalmente: Horizontalmente:
ZONA DE SALIDA: La estructura de salida estará compuesta por un vertedero de pared delgada, un canal de salida y un deflector de viento. DISEÑO DEL VERTEDERO:
()
DISEÑO DEL CANAL:
⁄
ZONA DE LODOS:
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Volumen de Lodos: Volumen total a evacuar: Válvula de limpieza del Sedimentador:
UNC
Tiempo de Vaciado= 90 min H= 3.83 m
⁄
√
C. DISEÑO DE FILTRO:
Se optó por el diseño de filtros rápidos con lecho mixto con las características siguientes: Lecho: ARENA, ANTRACITA.
⁄ ⁄ ⁄ 1. AREA DE FILTROS:
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⁄
El sistema de lavado es de cada unidad de filtración será con el agua proveniente de otros filtros o de la cisterna. Se optará por 2 unidades filtrantes:
Dimensiones: ANCHO: 2.00 m
⁄
LARGO: 1.484 m 2. LECHO FILTRANTE: ARENA: Uniforme: Diámetro efectivo: Peso específico: Profundidad:
ANTRACITA: Uniforme: Diámetro efectivo: Peso específico: Profundidad: GRAVA: Peso específico: Profundidad:
TAMAÑO Y UBICACIÓN DE CAPAS DE GRAVA: PROFUNDIDAD (cm)
TAMAÑO (Pulgadas)
10
1 - 1 1/2
PRIMERO
8
1/2 - 3/4
SEGUNDO
8
1/4 - 1/2
TERCERO
8
1/8 -3/16
GRAVILLA
8
1/12 - 2/22
TOTAL
42
LECHO FONDO
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Con un porcentaje .
UNC
de agua usada para el lavado se obtiene una carrera filtrante de
⁄
Rata de trabajo:
3. LAVADO DE FILTRO: Tipo de Lavado: Por sistema de válvulas con agua aprovechada de otros filtros, trabajando en paralelo.
⁄ Rata de trabajo: Tiempo de lavado: Porcentaje de expansión del lecho filtrante Para arena expansión:
Para antracita expansión:
Altura total desde el lecho hasta el borde de la canaleta:
Sistema de recolección del agua de lavado: Se hará dos canaletas rectangulares, colocando al centro el filtro. Área del Filtro: Gastos del lavado:
⁄ ⁄ ⁄
⁄ Para:
Como la evacuación se hará por tubería, entonces:
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Altura total del filtro:
D. DESINFECCIÓN: Último proceso realizado en una Planta de Tratamiento, este procedimiento asegura la calidad microbiológica del agua. Para la desinfección usaremos el "Cloro" Dosis: Para la dosis, se considerara como valor permisible 0,80 ppm como valor apto para el consumo humano, además de que el agua está relativamente limpia después de los procesos de coagulación, floculación, filtración. Con estas consideraciones, se usara la siguiente dosificación: DOSIS: Que es lo mismo que:
⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ⁄
Luego la cantidad mínima de Cloro para asegurar la cantidad necesaria de Cloro Residual en la parte más alejada de la ciudad será:
⁄ ABASTECIMIENTO DE AGUA Y ALCANTARILLADO
