DISEÑO DEL SISTEMA DE AGUAS NEGRAS 4.1 CONSIDERACIONES BÁSICAS. Es necesario tomar en cuenta una serie de criterios que ayudarán a dar solución tanto técnica como económica. Entre los que se mencionan: Las normas técnicas establecidas por ANDA, serán las que regirán el diseño de la red. Se diseñarán los colectores para que operen como caudales abiertos transportando flujo uniforme por acción de la gravedad. La topografía del terreno permite evacuar las aguas por la acción de gravedad. Un mínimo del área total necesita de un sistema de bombeo para ser integrada al mismo, lo cual no es justificable, ya que los costos son altamente elevados, por lo cual se presentará alternativa de solución para estos sectores en donde no se introducirá la red. Para el diseño de colectores se utilizará la ecuación de Chezymanning, lo cual toma la forma siguiente V = 1/n Rh
2/3
S
½
(ecuación 4.1). Donde: V: velocidad media del flujo en el colector. N: coeficiente de rugosidad de manning Rh: radio hidráulico, S: pendiente del colector. 49
Para el cálculo de caudales de utilizará la ecuación de continuidad: Q=A x V Donde: Q: caudales de flujo en el colector. A: área de la sección transversal del colector. V: velocidad media del flujo calculado con la ecuación 4.1. 4.2 LEVANTAMIENTO TOPOGRÁFICO. Ésta comprende la zona urbana del municipio de nueva Granada, planimetría y altimetría. Se obtuvieron elevaciones en cada P.I, en donde se observará cambios de nivel, cambios de dirección, el alineamiento de las calles. De de aquí, surge el plano 4.1, donde se ubican detalles importantes como son edificios públicos, PNC, unidad de salud escuela, instituto. 4.3 PERFILES Estos, son de gran ayuda en el diseño de la red, debido a que representan las diferencias de nivel que existen en los diferentes puntos del terreno natural (plano 4.2). Contando con
las coordenadas de los ejes, se procede a la
elaboración de cada uno de los perfiles de las diferentes calles, utilizando software de aplicaciones en la ingeniería como son auto CAD.
50
Datos para la elaboración del perfil de la avenida principal cuadro 4.1 estación
elevación
0+000.00
404.28
0+020.00
403.50
0+040.00
402.73
0+060.00
401.96
0+080.00
401.19
0+100.00
400.41
0+120.00
400.11
0+140.00
400.33
0+160.00
400.57
0+180.00
400.80
0+209.47
401.13
fig. 4.1: perfil topográfico de la avenida principal
51
Los perfiles, fueron elaborados según el mismo proceso mostrado firmemente, estos se presentan al final del capítulo. 4.4 UBICACIÓN DE RED Y POZOS Las tuberías se colocarán al sur en calles de oriente a poniente, y al poniente en avenidas del norte a sur dentro del ancho del rodaje a una separación horizontal del cordón cuneta 1.50 como mínimo, la red de alcantarillado proyectará de manera que todos los colectores queden debajo de los acueductos con una separación mínima libre de 20 centímetros, (según normas técnicas de ANDA parte II literal12). Los pozos se proyectan primero en las intersecciones de calles y avenidas, luego en los tramos de los pozos que estén espaciados más de 100 metros se colocarán pozos intermedios para cumplir la normativa.
__________________________________ Normas técnicas de ANDA.
52
Figura 4.2 ubicación de la red (plano)
53
4.5 DETERMINACIÓN DE ÁREAS TRIBUTARIAS. Una vez ubicado los pozos y la red recolectora, se obtienen las áreas tributarias o áreas de infiltración que contribuyen a cada tramo. Estos se realiza trazando líneas a 45 grados con respecto a una línea más, que será la línea del colector y una línea paralela de su parte superior donde convergen con las líneas a 45 grados de lado opuesto ver figura 4.3 Obtenidas las áreas tributarias, se procede a obtener la sumatoria de todas ellas que convergen en el tramo; ver plano 4.3 (áreas tributarias). .Figura 4. 3 áreas tributarias.
__________________________________ www.epa.gob/owm/mtv/cs_99/073.pdf
54
4.6 DETERMINACIÓN DEL SENTIDO DEL FLUJO. Colocada la red y los pozos de registro se determina el sentido del flujo de las aguas residuales, los perfiles son de gran ayuda , la tubería se proyecta considerando la pendiente del terreno pero en casos que la topografía no lo permita se debe proyectar en sentido contrario, cuando se trate de terrenos planos. En nuestro caso presenta pendientes pronunciadas esto ayuda a seguir la misma pendiente del terreno (de plano 4. 4 distribución de la red, sentido del flujo, y ubicación de pozos).
4.7 SELECCIÓN DEL MATERIAL PARA LOS COLECTORES. Se ha tomado en cuenta las propiedades y características de los diferentes materiales utilizados para un diseño, optando por el de cloruro de polivinilo (PVC). Este material es mucho más ventajoso respecto a otros materiales existentes en el mercado. Entre las características principales de este material tenemos: 4.7.1 CARACTERÍSTICAS DE CONSERVACIÓN Y DURABILIDAD: *resistencia a la corrosión y al intemperismo. *no permite incrustaciones. *resistencia a la abrasión. *Resistencia al ataque electrolítico. *resistencia a las algas, microorganismos y bacterias. *larga vida de servicios.
55
4.7.2 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y MECÁNICAS. *muy
liviano:
pesa
6
veces
menos
que
otros
materiales
convencionales. *superficies lisas: posee un coeficiente de fricción de hasta un 30% menos que es de otros materiales, su coeficiente de rugosidad mannig tiene un valor de 0.011 *no es tóxico, por lo cual no contamina el medio ambiente. *dimensiones exactas y estables. 4.7.3 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS. *químicamente inerte. *resistente a las sustancias químicas. 4.7.4 DISPONIBILIDAD DE TAMAÑOS Y ACCESORIOS. *diversidad de diámetros. *línea completa y variada de accesorios, uniones y acoples
4.7.5 TRANSPORTE, INSTALACIÓN Y COSTO. *es muy fácil de transportar, cortar, unir e instalar. *es de bajo costo inicial, bajo costo de transporte, bajo costo de Instalación y bajo costo de mantenimiento.
__________________________________ Hidráulica de canales abiertos, Ven Te Show.
56
4.8 CÁLCULO DE CAUDALES DE DISEÑO. 4.8.1 DOTACIONES DE CONSUMO Tomando en cuenta las características de la población de estudio, se determina que las dotaciones deben utilizarse en el diseño, las cuales son dotación para vivienda media, escuela y unidad de salud. Las normas técnicas de ANDA facilitan un listado de dotaciones de agua potable en función de la actividad económica y la estructura social de la población. Para vivienda alta la dotación oscila entre los valores de 175 a 350 litros por persona por día. Tomando 175 lt/per/dia para este diseño , más el 20% por desperdicios y fugas, para escuela proporciona los valores con alumnos externos 40 litros por alumno por día, internados 200 litros por alumno por día y para la unidad de salud 500 litros por consultorio por día, parque 1. 5 litros por metro cuadrado por día.
Las dotaciones a utilizar en el diseño son: Para vivienda 210 litros por persona por día. Para escuelas con alumnos externos 40 lt/alumno/d. Unidad de salud 500/consultorio/d. Parque 1. 5/m2/d. __________________________________ Normas técnicas de ANDA.
57
4.8.2
POBLACIÓN
Son de mucha importancia los datos de población, densidad y tendendicias de crecimiento urbano. Esta incide directamente sobre la planificación de los sistemas, en cuanto a dimencionamiento. De acuerdo al reporte de censos oficiales, brindados por DIGESTIC se tiene una población:
año
Población urbana
1961
839
1992
1109
Censo realizado por el grupo de trabajo y datos proporcionados, por organización Izcanal (Nueva Granada).
año
Población Urbana
2004
1170
2006
1181
58
4.8.3
PROYECCIÓN DE LA POBLACIÓN POR EL MÉTODO ARITMÉTICO:
ECUACIÓN DE PROYECCIÓN LINEAL. Es tomado únicamente el crecimiento poblacional de la zona urbana de Nueva Granada, ya que el diseño limita el área urbana. MÉTODO ARITMÉTICO El uso de este método, radica en la aplicación que tiene sobre poblaciones que presentan crecimientos aproximadamente iguales entre censos recientes. La hipótesis puede ser expresada como: Pt= Po + Kt Pt= población para periodo proyectado. Po= población actual. K= tasa de crecimiento poblacional. T= tiempo de proyección. Periodo de 1961 – 1992 Ka1= (1109 – 839) / (1992 – 1961) Ka1= 8.70
Periodo de 1992 – 2004 Ka2= (1170 – 1109) / (2004 – 1992) 59
Ka2= 5.08 Periodo 2004 – 2006 Ka3= (1181 – 1170) / (2006 – 2004) Ka3= 5.26 Tasa de crecimiento poblacional promedio Ka= 6.42 4.8.4 POBLACION FUTURA Proyectando la población para el año 2026. 20 años de vida útil para el sistema. Tomando el valor de la población del 2004 de la tabla, y sustituyendo en la ecuación los valores obtenidos de K y t se tiene: Por proyección de la población por el método aritmético Pt= Po + K (t) P2026= 1181 + 6.42 (2026 – 2006) P2026= 1309.4 hab. = 1,310 habitantes 4.8.5 DENSIDAD POBLACIONAL Dp = Pt/ At Donde: Dp= densidad poblacional Pt= población total futura At= área total en ha Dp= Pt/At 60
Dp = 1,310 hab. / 20.52 ha Dp = 63.84
CALCULO DE NÚMERO DE HABITANTES POR TRAMO (P1-P2) Es utilizado la siguiente ecuación, para determinar el numero de habitantes existentes en el tramo p1-p2. No de habitante /tramo =
Dp * A rea tributaria de cada tramo(ha)
No hab/tramo= 63.81 ha* 0.37 ha No hab/tramo= 24 habitantes Realizando el mismo procedimiento para cada uno de los tramos siguientes.
Asumiendo el mismo procedimiento para cada tramo. 4.8.6 CALCULO DE CAUDAL POR CONTRIBUCIÓN DE ESCUELA Dotación por alumno : 40 Lt/alumno/día Nº de alumnos de institución: 350 alumnos Qmd= Nº de alumno
x
dotación por alumno 86400 s/d
Qmd=
350 alumn x 40 lt/alumn/dia 86400
61
Qmd=
0,16 L/s
Caudal máximo horario Qmh= K2 x Qmd Qmh=2,4 x 0,16 Qmh=0,38 L/s CAUDAL DE ESCUELA Qescuela=0,8 x Qmh Qescuela=0,8 x 0,38 Qescuela=0,31L/s
4.8.7 CALCULO DE CAUDAL POR CONTRIBUCIÓN DE UNIDAD DE SALUD Dotación por consultorio : 500 Lt/cons/dia Nª consultorios = 1 consultorios Qmd= Nª de consultorios
x
dotación
86400 s/d Qmd= 1 consul x 500 lt/cons/dia 86400 Qmd=0, 005787 L/s 62
Qmh=0,013889 L/s Qu.salud=0,8 x Qmh Qu.salud=0,8 x 0,0138 lt/seg Qu.salud=0,011 L/s 4.8.8 CALCULO DE CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES POR TRAMO CAUDAL MEDIO DIARIO (P1-P2) El cálculo se hará por la formula: Qmd = No hab. /tramo * dotación/ (86400) Donde: No hab/tramo= Numero de habitantes de cada tramo en estudio Dotación= 210 lt/habi/dia, según norma técnica de ANDA 86400= constante de conversión (86400=24 horas) Sustituyendo: Qmd = 24 hab. * 210/86400 Qmd = 0.058 l/s CAUDAL MÁXIMO HORARIO ( P1-P2) La ecuación a utilizar es: 63
Qmh = K Qmd Donde: K= es un factor de variación de consumo que según norma técnica de ANDA varia de 1.8-2.4. En el diseño es utilizado K= 2.4. Qmh = 2.4 * 0.058 Qmh = 0.14 Asumiendo el mismo procedimiento para cada tramo 4.8.9 DISEÑO DE COLECTOR. P1-P2 Para
ilustrar
el
diseño
de
los
colectores
en
la
red
de
alcantarillado, se presenta a continuación el diseño del colector ubicado en la primera avenida sur, entre los pozos P1 y P2. ÁREA DE INFILTRACIÓN (AINF). Es el área medida en hectáreas por la cual podrían infiltrarse las aguas lluvias y entrar en los colectores: Área de infiltración (Ainf) = 0.37 Ha
Longitud del tramo (L) Longitud = 55.42 mts.
64
DISEÑO DEL COLECTOR ASUMIENDO UN FLUJO A TUBERÍA LLENA. a) PENDIENTE DEL COLECTOR(S): Se tomará una pendiente que se apegue a la topografía de la calle y que a la vez cumpla con la pendiente mínima establecida por ANDA, la cual tiene un valor de 1% para tramos iniciales y 0.5% en tramos no iniciales para tubería PVC. S = 3.57% b) DIÁMETRO DE LA TUBERÍA (Ǿ): el diámetro mínimo para redes de alcantarillado será de 8” y en pasajes peatonales se permiten valores de hasta 6” como mínimo: Se asumirá un diámetro: ǿ = 8” = 0. 2032 mts
c) ÁREA DE LA TUBERÍA (ALL) ALL = =3.1416 (0.2032) 2
4 = 0.032 m2
4 d) RADIO HIDRÁULICO (RH): para tubería llena se calcula dividiendo el diámetro de la misma por 4. RH = 0.2032m
=
0.0508 m
4 VELOCIDAD A TUBERÍA LLENA (VLL): se calculará utilizando la fórmula de Chezy - Manning. 65
VLL = 1 RH n
2/3
S
½
Vll: velocidad a tubo lleno del tramo en estudio (en mt/se)
n= coeficiente de rugosidad de la tubería Rh= Radio hidraulico. Para tuberías llenas S= Pendiente del tramo en estudio, suponiendo la pendiente del tramo p1-p2 agual a S=3.57 y con un diámetro de 8¨ y un coeficiente derugocidad n= 0.011 ( valor que corresponde a las tuberías plasticas). sustituyendo:
Vll=1/0.011
(0.0508) 2/3 (0.036)
½
= 2.35 m/s
e) CAUDAL A TUBERÍA LLENA (QLL): Utilizando la ecuación de continuidad Qll= Vll * All Donde: Qll= caudal a tubo lleno ( en M3 /seg) Vll= velocidad a tubo lleno del tramo en estudio (m/seg) All= área transversal de la tubería Sustituyendo: QLL = All * VLL
66
Qll= (0.0324) (2.33) Qll = 0.076 m3/s F) CAUDAL DE TRAMO El Q del tramo sera igual al 80% del Qmh + 0.10 lt/se/ha por infiltracion alo largo de la tuberia, segun norma tecnica de ANDA. Qtramo = 0.80* Qmh+((0.10l/s/ha) * Atram) Donde: Qmh= 0.14lt/seg At= Area tributaria del tramo= 0.37 hectareas Sustituyendo: Qtramo = 0.80*0.14+ (0.10 l/s/ha.)* 0.37) Qtramo = 0.15 l/s H) CAUDAL DE DISEÑO ACUMULADO La ecuación a utilizar es la siguiente: Qdiseño acumulado= Fs * Q del tramo + Q entrante acumulado Donde: Fs: Factor de seguridad que depende del diámetro de la tubería que para este caso es 2, esto en función del diámetro asumido de la tubería, ya que esta entre 8´ y 12¨.
Q del tramo= 0.15 lt/seg. 67
Q entrante acumulado= Este será el caudal que es evacuado de tuberías atrás. Sustituyendo: Q entrante en este tramo es Q escuela = 0.31 l/s Qd = F * Qtramo + Q entrante Qd = 2 * 0.15 +0.31 Qd = 0.61
RELACIÓN DE CAUDALES (QD/QLL): Para calcular la relación de caudales se divide el caudal real que transportará la tubería (Q acumulado) y el caudal a tubería llena. ( Qll) QD =
0.61 L/s = 0.80 %
QLL
76/s
VELOCIDAD DE DISEÑO (VD): Con el valor calculado de la relación de caudales y haciendo uso en la gráfica de elementos hidráulicos para secciones circulares y varias profundidades de flujo, comúnmente conocida como “curva del banano” (ver figura 4.4) se calcula el valor de la velocidad real siguiendo el procedimiento que se detalla a continuación. 68
Se ubica el valor de la relación de caudales en el eje de las abscisas y se proyecta una línea verticalmente hacia arriba, hasta cortar la curva de descarga. A partir de dicho punto se proyecta una línea horizontal, hasta cortar la curva de velocidades. Desde el punto interceptado en la curva de velocidades se proyecta una línea verticalmente hacia abajo, hasta cortar nuevamente el eje de las abscisas, donde se lee el porcentaje de la velocidad para tubería llena que corresponde a la velocidad real del flujo. VD =___VD____ = 31 % VLL
2.35 m/s
VD = 0.31 (2.35) Vd= 0.73 m/s Los parámetros límites para velocidades establecidos por ANDA tienen un valor de 0. 50 m/s como mínimo y 5 m/s como máximo para tuberías de PVC. Vmin = V < Vmax Así para cada uno de los tramos se utiliza el mismo procedimiento. Los datos son representados en los cuadros: 4.2.0, cuadro 4.2.1, cuadro 4.2.2 y cuadro 4.2.3 donde se muestra el resumen de las propiedades hidráulicas de la red. CALCULO DE TIRANTE HIDRAULICO
69
Con la relación de caudales, obtenemos un valor que es graficado en el diagrama de propiedades hidráulicas de tuberías circulares para diversas profundidades de flujos(curva del banano) y trazando una línea vertical hasta corta la curva de caudales y luego una horizontal hasta marcar el valor en el eje de las y. Obtenemos el valor siguiente Y/d = 7% Y = 0.014 Este valor debe ser comparado con un tirante máximo, y para este caso será: Ymax= D * % ll Donde: Ymax= Tirante máximo D= diámetro de la tubería %ll= Porcentaje en el cual estará llena la tubería al final de la vida . Útil, para este caso se proyectara al final de la vida útil este lleno en un 75% Sustituyendo tenemos: Ymax. = D x 0.75 Ymax. = 0.15 Comparando resultados 0.014 < 0.15 ok El tirante hidráulica procede ya que es menor que el tirante máximo permitido.
70
4.9 CONSIDERACIONES REFERENTES AL DISEÑO Para el diseño de la red de alcantarillado sanitario se hace uso de instrumentos esenciales con una serie de consideraciones y normas, por lo que el sistema esta regido por las normas técnicas de ANDA. El diseño esta elaborado con respecto a dicha norma,
a la vez se
toman consideraciones topográficas como lo son: los niveles de las calles
y
avenidas
representadas
por
medio
de
los
perfiles
longitudinales.
Debido a esto se hace la aclaración que en el diseño de los tramos se ha mantenido los requerimientos establecidos por las normas técnicas de ANDA, a pesar de la topografía de Nueva Granada. En el diseño del sistema de alcantarillado no ha sido posible darle tratamiento por completo a la zona urbana, quedando los siguientes tramos fuera del sistema parte de la calle el zope, 17ª calle oriente, parte de la calle Rendón, como también en un tramo de la avenida 14 de diciembre entre la calle principal y la 1ª calle tempisque. Esto es debido a las contra pendiente muy pronunciadas que no permiten la evacuación de las aguas residuales con respecto al punto de descarga, por lo que se presenta una propuesta de fosa séptica comunitaria.
71
4.10 CONSIDERACIONES GENERALES 4.2.1 CARACTERÍSTICAS FISICOQUÍMICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES
Parámetro
Resultados
PH
7.57
Sólidos totales
70 Mg/lt
Demanda bioquímica de oxígeno (DBO)
351 Mg/lt
Demanda química de oxígeno (DQO)
435 Mg/lt
Grasas y aceites
123 Mg/lt
Sólidos sedimentables
5 mg/lt
Para
la
elección
del
proceso
a
utilizar
se
basa
en
la
información emperica proporcionada por ANDA con respecto a aguas residuales, si la relación de DQO/DBO < 2.4 se pueden utilizar procesos de tipo biológico en el tratamiento de aguas residuales. A continuación se calcula la relación DQO/DBO. DQO/DBO = 435/351 = 1.24 Como el resultado obtenido de DQO/DBO es menor a 2.4 por lo que las aguas residuales de la zona urbana de nueva granada se puede utilizar procesos biológicos. 4.12 PROPUESTA DE DISEÑO DE FOSA SÉPTICA
72
4.12.1 Fosa séptica y pozo de absorción. La fosa séptica y el sistema el campo de absorción es el método más económico disponible para tratar las aguas negras residenciales. Pero para que pueda funcionar apropiadamente, debe escoger el sistema séptico al cuadro para el tamaño de la familia y el tipo de suelo, alguno de los sólidos se eliminan del agua, algunos se digieren y otros se quedan en el tanque. Hasta un 50% de los sólidos que se acumulan en el tanque se descomponen; el resto se acumula como lodo en el fondo y debe bombearse periódicamente del tanque. Las fosas sépticas quitan materia sólida por decantación, al detener agua residual en el tanque, que permite que se hundan los sedimentos y que flote la capa de impurezas (ver plano 4.11 y 4.12)
4.12.2 TIPOS PRINCIPALES DE FOSAS SÉPTICAS Para el tratamiento de aguas negras en sistemas individuales. 1) fosas sépticas de concreto: estás son las más comunes. 2) fosas de fibra de vidrio: las que cada vez se usaron más ya que son fáciles de llevar a los lugares de acceso difícil. 3) fosas plásticas/de polietileno: las que se venden en muchos tamaños y figuras diferentes, al igual que la fosas de fibra de vidrio, estás fosas son livianas, de una sola unidad y pueden llevarse a lugares de acceso difícil. 4.12.3 LIMPIEZA Y VACIADO DE POZOS SÉPTICOS. __________________________________ ARQHYS architec, fosa septica.htm
73
Es muy recomendable contratar a una empresa especializada, llevarse mediante bombeo, y transporte el cieno de fosas sépticas de su pozo o fosa séptica. Dado qué deben cumplirse ciertas normas con los residuos resultantes. Conviene supervisar la limpieza para asegurar que se haga debidamente. 4.12.4 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS FOSAS SÉPTICAS. Ventajas. El sistema séptico convencional que fluye por gravedad es usualmente el sistema más económico de instalar y operar para el desecho de las aguas negras producidas en la casa. Desventajas. Los sistemas sépticos convencionales por gravedad no pueden ser instalados en suelos arcillosos, suelos con subsuelo somero, suelos rocosos, suelos que llegan a saturarse de agua durante los periodos lluviosos del año, ni en suelos con un nivel hidrostático alto. Se debe mantener una separación de los pies entre el fondo del sistema de distribución y los suelos saturados o suelo restrictivos como los arcillosos o rocosos.
4.12.5 Recomendaciones. __________________________________ ARQHYS architec, site, Mantenimiento de fosa septica.htm
74
a) Utilice agua de una manera conservadora para no saturar el sistema séptico. b) Evite verter compuestos como acetona, aceites, alcohol o líquidos para lavado en seco del tanque séptico, pues no se descomponen fácilmente. c) El tanque séptico se debe inspeccionar por lo menos una vez al año. d) Cuando se abra la capa de cualquier parte del sistema para inspeccionar o limpieza se debe dejar pasar un tiempo que garantice una adecuada ventilación, porque los gases acumulados pueden causar explosiones o asfixia. e) Nunca utilice cerillos o antorchas para inspeccionar un tanque séptico. f) No arroje tapas ni basuras que puedan obstruir el sistema. g) Cuando haga la limpieza no debe extraer la totalidad de los lodos. Dejé un volumen que sirva de semilla. h) No debe lavar ni desinfectar el tanque séptico después de la extracción de los lodos. i) Los campos de oxidación y los pozos de absorción se deben inspeccionar periódicamente para observar su funcionamiento. 4.12.6 detalle de fosa séptica
75
76
