Procedimiento de Diseño de Humedales de Flujo Subsuperficial
PRETRATAMIENTO
A.
CAJÓN DE ENTRADA:
El fondo de este cajón está 15 cm más bajo que el nivel de llegada del emisario (10– 15 cm según recomendación del ex – IEOS). Tiempo de caída: Donde:
t=
2y g
t= Tiempo de caída (S) y= Desnivel desde el fondo del cajón y el emisario g=gravedad (9.81 m/s2)
.
Distancia a la que debe ir la pantalla: Donde: X=distancia a la que debe ir la pantalla t= Tiempo de caída (S) V= Velocidad con que llega el agua al cajón (m/s)
X = V.t
B.
CANAL DE LLEGADA
Ancho del canal de llegada: Según Manual de depuración Uralita: 0.30m
V > 0.6 m/s. (A Caudal Medio Q med. med.)
-
V < 2.5 m/s. (A Caudal Máximo Q máx. máx.)
Por lo tanto el procedimiento que sigue a continuación se debe realizar para cada caudal, con la finalidad de evitar velocidades velocidades muy altas que causen erosión en el canal o velocidades muy muy bajas que favorezcan la sedimentación, las siguientes fórmulas son para canales rectangulares: Donde:
K=
Q*n b8/3 * S1/2
K=Constante de velocidad Q= Caudal (m3/s) n= Coeficiente de rugosidad de Mannig b=ancho del canal de llegada (m) S=pendiente del canal (%)
Canal rectangular, entonces: Donde:
d b
d=tirante de agua en el canal (m) b= ancho del canal de llegada (m) K= Constante de velocidad
= 1.66240 * K 0.74232
Velocidad en el canal: Donde:
V=
1 n
*R
2/3
V= Velocidad con que llega el agua al cajón (m/s) n= Coeficiente de rugosidad de Mannig R=Radio hidráulico del canal (m) S=pendiente del canal (%)
1/2
*S
Altura total del canal: hT ≥ 0.40m h T = h s + h + BL
Donde: hs= altura de seguridad. H = corresponde al tirante de agua para el caudal medio. BL= es el borde libre por seguridad. C. CRIBAS: La velocidad del flujo entre las barras se debe mantener entre: 0.40 ≤ V ≤ 0.75 m/s → Caudal Mínimo y Medio
0.70 ≤ V ≤ 2.50 m/s → Caudal Máximo El ancho en la zona de rejillas rejill as vendrá dado por: Donde:
c b = − 1(s + a ) + s s
c= ancho del canal de llegada s= separación entre barrotes (m) a= diámetro del barrote (m)
El número de barras vendrá dado por: Donde: Nb =
b−s a +s
Nb= Número de barrotes s= separación entre barrotes (m) a= diámetro del barrote (m) b= ancho de la zona de rejillas (m)
Si el ancho entre el canal de llegada y la zona de rejillas es diferente, se requiere hacer una transición entre las dos estructuras, dicha longitud de transición está dada por: El ángulo de transición adoptado de 12.5º, ya que con este ángulo se obtienen perdidas mínimas en la transición (Manual de depuración Uralita). L
=
b canal de cribado
−
b canal de llegada
2(tan12.5)
Verificación de la velocidad del flujo en el canal de cribado: Donde:
K=
K=Constante de velocidad Q= Caudal (m3/s) n= Coeficiente de rugosidad de Mannig b=ancho del canal de llegada (m) S=pendiente del canal (%)
Q*n b8/3 * S1/2
Canal rectangular, entonces: Donde:
d b
d=tirante de agua en el canal (m) b= ancho del canal de llegada (m) K= Constante de velocidad
= 1.66240 * K 0.74232
Velocidad en el canal: Donde:
V=
1 n
*R
2/3
V= Velocidad con que llega el agua al cajón (m/s) n= Coeficiente de rugosidad de Mannig R=Radio hidráulico del canal (m) S=pendiente del canal (%)
1/2
*S
Perdidas de energía en la rejilla: Tabla………:Pérdidas Tabla………:Pérdidas de Energía en la Rejilla (Según Kirshmer): Fuente: Manual de depuración Uralita Tipo de Barra 2.42 Rectangular con cara recta 1.67 Rectangular con cara recta y semicircular 1.79 Circular Donde:
hv =
v
2
2g
V= Velocidad a caudal máximo en la rejilla (m/s) g=gravedad (9.81 m/s2) R=Radio hidráulico del canal (m) S=pendiente del canal (%)
El ángulo de inclinación de las barras entre 45 y 60 (Según EX – IEOS) Donde: H= Perdida total en la rejilla (m) β=gravedad (9.81 m/s2) s= separación entre barrotes (m) a= diámetro del barrote (m) hv=Perdida de energía en la rejilla (m) ϴ= Ángulo de inclinación adoptado.
4 3
a H = β hv.senθ s Según EX – IEOS: H mín ≥ 0.15m Área de la Rejilla: Donde: A=
A= Área de la rejilla (m2) Q=Caudal máximo (m3/s) V= Velocidad a caudal máximo (m/s)
Q V
Tirante de agua en la rejilla: Donde: y=
y= Tirante de agua en la rejilla (m) A= Área de la rejilla (m2) b= Ancho de la rejilla (m)
A b
*Altura de la rejilla: Hrej= y + BL + H Donde: Hrej= altura total de la rejilla H = Pérdida total en la rejilla BL= Borde libre por seguridad. *Longitud de la Rejilla: Donde: L=
H senθ
L= Longitud total de la rejilla (m) H = Altura total de la rejilla (m) ϴ= Ángulo de inclinación adoptado.
*Volumen de agua que pasa por la rejilla durante 1 día de operación.
Vol = Qt
Donde: Q= Caudal máximo (m3/s) t= Tiempo (1 día=86400s)
Vol= Volumen que pasa por la rejilla en un día (m3)
Tabla ……: Material cribado retenido según aberturas de cribas Fuente: Normativa de EX - IEOS (Tabla X.4) Cantidad ( ) (l/m3) 0.038 0.023 0.023 0.009
Abertura (mm) 20 25 30 40
*Volumen del material retenido durante un día de operación: Donde: VMT= Volumen de material retenido en la l a rejilla (m3) α = Cantidad según abertura (Tabla…) Vol= Volumen que pasa por la rejilla en un día (m3)
VMT = α (Vol)
D. DESARENADOR: Según el Ex – IEOS, la velocidad del flujo en el desarenador esta entre: 0.24m/s < V < 0.35m/s. *Área del Desarenador: Donde: A=
A= Área del desarenador (m2) Q=Caudal máximo (m3/s) V= Velocidad en el desarenador adoptada (m/s)
Q V
* Longitud de transición al desarenador
L=
b desarenador − b
canal de cribado
2(tan12.5)
*Tirante de Agua: Donde: ha =
A b
A= Área del desarenador (m2) b= ancho del desarenado (m) ha= tirante de agua en el desarenador (m)
*Altura de sedimentación, de acuerdo con la normativa del EX – IEOS es de mínimo 0.20m. HT = ha + hs Donde: HT= Altura total del desarenador (m) ha= Tirante de agua en el desarenador (m) hs= Altura de sedimentación (0.20m) *De acuerdo con el Manual de Depuración Uralita, en un desarenador: 1<
b h
<5
Donde: h= Altura total del desarenador (m) b= Ancho del desarenador (m)
EX – IEOS: tiempo de retención del flujo dentro del desarenador va de 30 a 90s, y el periodo de limpieza del mismo de 10 a 30 días. *Volumen máximo de agua que pasa por el Desarenador a los 15 días. Donde: Q= Caudal máximo (m3/s) t= Tiempo (s)
Vol = Qt
Cantidad de arena recogida por el desarenador, desarenador, según según el Texto Texto de la Dra. Petia Mijaylova Mijaylova Nacheva varía de 7,5 a 90 lts por cada 1000 m³ de AR. A R. *Volumen de Arena Recogida por el Desarenador:
Vol arena =
Vol(Cant. rec) 1000000
Donde: Cant =Cantidad de arena recogida en el desarenador, adoptado (m3) Vol = Volumen de agua que pasa por el desarenador en 15 días.
*Según Ex – IEOS: Se debe considerar una tasa de aplicación del desarenador entre 25m/h y 50m/h.
*Área superficial del Desarenador: Donde: Q= Caudal máximo (m3/h) Ts= Tasa de aplicación del desarenador (m/h)
A = Q(Ts)
*Longitud del Desarenador: Donde:
Ld =
Varena= Volumen de arena recogida en el desarenador (m3) Ht= Altura total del desarenador (m) b= Ancho del desarenador (m)
Varena Ht(b)
*Según la normativa del Ex – IEOS: Se debe incrementar incrementar la longitud del desarenador entre el 30% y 50%. *Longitud última del desarenador: Lu = L(1 − ∇ )
Donde: L= Longitud total del desarenador (m) Δ= Incremento de longitud (%)
*Según la normativa del Ex IEOS, la relación entre el largo y la altura del desarenador debe ser mínimo de 25. L ≥ 25 Ht Donde: Ht= Altura total del desarenador (m) L= Longitud total del desarenador (m) Chequeo de la Eficiencia Hidráulica del Desarenador:
*Volumen útil del desarenador, para cada cámara: Donde:
Vútil = L(Hs)(b)
L= Longitud del desarenador (m) Hs= Altura del desarenador (m) b= Ancho del Desarenador (m)
*Periodo de retención: Donde: Vútil= Volumen útil del desarenador desarenador (m3) Q= Caudal máximo (m3/s)
Vútil
Tr =
Q
*El periodo de retención debe ser menor o igual ig ual al periodo de retención adoptado para el diseño.
Tr ≤ Tradoptado E. DESENGRASADOR: Para la remoción de aceites animales o minerales (hidrocarburos), con una densidad de alrededor de 0,8 kg/l, se debe proveer una permanencia de: Tabla …..: Periodo de Permanencia en el Desengrasador Fuente: Normativa de EX - IEOS (Tabla X.4) Tiempo de Permanencia (min) Caudal (l/s) 3 < 10 4 10 – 20 5 > 20 La carga superficial recomendada es de 4 l/(s.m 2) y el área se determina para el caudal máximo horario. Los desengrasadores tienen una relación largo/ancho de 1,8 a 1. (EX – IEOS) *Superficie del Desengrasador:
A=
2
Q
Donde: A= Área del desengrasador desengrasador (m2) Q= Caudal máximo (m 3/s) CS= Carga superficial adoptada (l.s.m 2)
CS
El denominador dentro de la raíz corresponde a la relación largo/ancho adoptada. b=
A
Donde: b= ancho ancho del desengrasador desengrasador (m) A= Área del desengrasador desengrasador (m3)
1.5
*Longitud del Desengrasador: Donde: L = 1.5(b)
b= ancho ancho del desengrasador desengrasador (m) L=longitud del desengrasador (m)
*Altura del Desengrasador: Donde: h=
TR(Q)
b= ancho ancho del desengrasador desengrasador (m) L=longitud del desengrasador (m) TR=Tiempo de permanencia (Tabla….) Q= Caudal máximo (m3/s)
bL
F. HUMEDAL DE FLUJO SUBSUPERFICIAL (HSS): Dentro del diseño de los HSS, se debe considerar varios parámetros que incluyen: tiempo de permanencia hidráulica, profundidad y geometría del humedal (ancho y longitud), así también la concentración concentración de DBO5, Sólidos Suspendidos, Suspendidos, Nitrógeno y Fósforo, considerando que el tamaño de los HSS es determinado por el contaminante que requiere la mayor área para su remoción. A continuación continuación se presentan algunos parámetros de diseño para HSS: Tabla ……: Parámetros indicativos para el diseño de HSS Fuente: Folleto informativo de Tecnologías de aguas residuales EPA Parámetro de Diseño Unidad HSS Tiempo de retención Hidráulica d 3 – 15 Profundidad del Humedal m 0.30 – 0.90 3 2 0.014 – 0.046 Carga Hidráulica m /m .d 3 3 Superficie Específica Ha/(10 m /d) 7.1 – 2.15 Pendiente % <5 Así también, se debe considerar el material filtrante dentro del lecho, dadas las características de este de acuerdo con su granulometría: Tabla …..: Características típicas de los medios para HSS Fuente: Depuración de Aguas Residuales con Humedales Artificiales (Lara J., 1999)
Tipo de material Arena gruesa Arena gravosa Grava fina Grava media Roca gruesa
Tamaño efectivo Porosidad Conductividad Hidráulica D10 (mm) (n) (k) m3/m2.d 2 28 – 32 100 – 1000 8 30 – 35 500 – 5000 16 35 – 38 1000 – 10000 32 36 – 40 10000 - 50000 128 38 - 45 50000 - 250000
Tabla ….: Características típicas de especies vegetales para HSS Fuente: Manual de Fitodepuración (BEASCOCHEA E., 2009) Especie Vegetal
Profundidad de la Raíz (cm)
JUNCOS
30
ENEAS
60
PHRAGMITES
> 75
*Dentro del proceso de diseño, corresponde seleccionar la profundidad del HSS, para la siembra de carrizos. Considerando que la grava que se encuentra en contacto con la atmósfera se encontrará parcialmente mojada, y una de residuos de vegetación que cubren el humedal. De la Tabla……., seleccione el tipo de grava, gr ava, por ejemplo: Grava
Media
Tamaño Efectivo
32mm
Porosidad
38 %
Conductividad Hidráulica
25000 m3/m2.d
Siendo la temperatura media del agua determinada durante los aforos de 23,8ºC, se determina la temperatura en el humedal que por lo general g eneral tiende a bajar 1ºC. (Lara J., J. , 1999) Tem Humedal = Temp Agua - 1
De aquí que la constante de temperatura en el humedal es: K 23
= 1.104(1.06
T − 20
)
Para el diseño del humedal, humedal, se requiere expresar el caudal en unidades de m3/día.
*Remoción de la DBO5:
Considerando la concentración de DBO5, se determinó la superficie necesaria para su remoción, considerando una concentración en el Efluente de 100mg/l de acuerdo con el límite máximo permisible de DBO5 para reutilización en la agricultura agri cultura según la normativa del medio ambiente.
As =
Q Ln(DBO5 )AFLUENTE − Ln(DBO5 )EFLUENTE K 23 (y)(n)
Considerando la superficie del humedal, su profundidad, carga de caudal y porosidad del medio filtrante se determina el periodo de retención hidráulica. TRH =
As(y)(n) Q
Considerando la última capa de grava y la capa de residuos que cubren el humedal se debe determinar el coeficiente de transferencia de calor. Tabla 6.7: Conductividad Térmica de los componentes de un HSS Fuente: Depuración de Aguas Residuales con Humedales Artificiales (Lara J., 1999) MATERIAL Capa de restos de vegetación Grava seca (25% de humedad) Grava Saturada Suelo Seco Hielo (a 0ºC)
K (W/mºc) 0.05 1.50 2.00 0.80 2.21
Por lo que el coeficiente de calor esta dado por: U=
Y1 K1
+
1 Y2 K2
+
Y3 K3
Donde: Y1,2,3: Espesor de cada una de las capas que componen el HSS K1,2,3: Conductividad Térmica de cada capa. Considerando este coeficiente coeficiente de calor, se calcula el cambio de temperatura en el humedal: Tc =
U(Tagua − Taire)(TRH)86400 Cp(Q)(y)(n)
Donde: T agua: Temperatura del agua residual tomada durante los aforos (23.8ªC)
T aire: Temperatura del aire, obtenida del análisis hidrológico (22.34 ºC) Cp: Capacidad de Calor Específico del AR (4215 J/Kg ºC)
De aquí que la temperatura del efluente está dada por: por : Te = Tagua − Tc La temperatura promedio en el humedal será de: Tagua + Te Tw = 2 La temperatura promedio en el humedal debe ser menor m enor o igual a la temperatura del afluente. Tw ≤ Tafluente Para una mejor eficiencia del sistema y facilitar operaciones de mantenimiento se diseñaran dos humedales, por tanto la superficie de cada humedal es: Ap =
As Nº hum
Ancho de cada humedal: W=
Q/Ap y Nº hum(J)(Ks)
1
Longitud del Humedal: L=
Ap W
m
*Remoción de Sólidos Suspendidos:
Para determinar la remoción r emoción de sólidos en el humedal, se debe considerar la velocidad del flujo en el humedal en función de la cual se efectuara la sedimentación. Velocidad del flujo: CH =
Q As
(100)
Concentración de Sólidos en el efluente: Ce = SS[0.1058 + (0.0014(CH))] A continuación se debe verificar que la concentración de sólidos en el efluente cumpla con los requerimientos de la normativa base. *Remoción de Nitrógeno:
Para la eficiente remoción del nitrógeno en un humedal se debe considerar la temperatura del agua dentro del humedal, para llevar a cabo los procesos de desnitrificación. Constante de temperatura en el humedal: K T = 0.2187(1.048
T − 20
)
Superficie necesaria para la remoción de Nitrógeno:
Nafluente Nefluente
Q LN As =
KT(n)(y)
El tiempo de retención hidráulica del flujo para la remoción del nitrógeno es de: TRH =
As(y)(n) Q
La superficie de 6342.41m 2 y el TRH de 5 días, consideran que en el humedal solamente radica el
vertido, ignorando tanto la grava como la vegetación presente, considerando estos factores el diseño se da como sigue a continuación: Primeramente se determina la concentración de Nitrógeno como Nitrato en el efluente, dado que el Nitrato permanece en el agua para ser absorbido por medio de la vegetación, en este diseño en particular el carrizo lo absorbe por vía radicular y lo utiliza para formar sus proteínas. La desnitrificación del nitrato a nitrógeno gaseoso, se produce en condiciones anaerobias por microorganismos que utilizan el nitrato como aceptor de electrones y el carbono orgánico como donante electrónico; es decir, son condiciones indispensables la ausencia de oxígeno y la disponibilidad de carbono orgánico. (BEASCOCHEA E., 2009) La concentración de nitratos en el afluente es de: 7.60 mg/l.
Ce = Nitratos afluente(EXP(-KT(TR H)))
Para determinar la superficie requerida para la remoción del nitrato se realizaron dos cálculos, considerando el 50 y 100% de obstrucción del humedal a causa de las raíces. *50% de obstrucción:
Constante de obstrucción al 50%. 2.6077 50 = 0.01854 + 0.3922 = 0.08288 100
K ( 50 )
Superficie del humedal:
Nafluente Nefluente
Q LN As(50) =
K (50) (n)(y)
Tiempo de Retención Hidráulica: TRH =
As(y)(n) Q
Concentración de Nitratos en el Efluente: Ce = Nitratos afluente EXP(-K (50) (TRH)) *100% de obstrucción:
Constante de obstrucción al 100%.
K (100)
Superficie del humedal:
2.6077 100 = 0.01854 + 0.3922 = 0.41074 100
Nafluente Nefluente
Q LN As(100) =
K (100) (n)(y)
Tiempo de Retención Hidráulica: TRH =
As(y)(n) Q
Concentración de Nitratos en el Efluente: Ce = Nitratos afluente EXP(-K(100) (TRH))
*Remoción de Fósforo:
El fósforo, se acumula en los sedimentos, cuando no es constituyente de organismos. Así pues, el principal mecanismo de remoción de fósforo de las aguas residuales necesariamente está basado en la acumulación en sedimentos y biomasa; la vegetación contribuye a la remoción del fósforo, siempre y cuando la biomasa se retire del sistema. La remoción del fósforo en los humedales artificiales requiere de un proceso que exige grandes superficies, en este caso se tiene una concentración en el efluente de 5.31 mg/l, la normativa permite una concentración de 10 mg/l, de acuerdo a esto la remoción de fósforo no es un factor limitante del diseño. Para constancia del proceso de diseño se calculó la superficie necesaria para la remoción del fósforo, donde se adopto una concentración en el efluente de 5.00 mg/l. Basándose en el análisis de los datos de la North American Data Base, Kadlec ha propuesto una constante de primer orden igual a 10 m/año para estimar la remoción de fósforo en un sistema de humedales artificiales. Los 10 m/año equivalen a 2.74 cm/día. (Lara J., 1999)
Esta constante se usa en la siguiente sig uiente ecuación para calcular la Carga Hidráulica promedio anual:
− 2.74 Ce P
CH = Ca P EXP
Superficie requerida para la remoción de fósforo:
Ca P (100 ) Ce P
Q LN As =
2.74
Periodo de Retención Hidráulica: TRH =
As(y)(n) Q
De acuerdo con el cálculo presentado, si se requiere una concentración en el efluente menor a la adoptada de 5 mg/l, la superficie aumentara radicalmente. radicalmente. *Superficie de Diseño:
La superficie de diseño corresponde a la de mayor magnitud mag nitud entre las calculadas: Superficie para Remoción de DBO: Superficie para Remoción de NT (50% raíces) Superficie para Remoción de NT (100% raíces) Superficie para Remoción de PT: De las superficies expuestas anteriormente, la de mayor magnitud es la necesaria para la remoción del Nitrógeno Total con una obstrucción por raíces del 50%, pero se debe tener presente que la obstrucción por raíces es del 100% considerando la grava que conforma el lecho del humedal, por tanto la superficie de diseño no considera una obstruccion del 50% si no del 100%.
Ap =
As Nº hum
Ancho de cada humedal: Q 1 Ap W= y Nº hum(J)(Ks)
Longitud del Humedal:
L=
Ap W
