Modulo Aguas Residuales

– UNAD UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Sistemas de tratamiento de aguas residuales

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA - UN AD ESCUELA DE CIENCIAS AGRÍCOLAS, PECUARIAS Y DEL MEDIO AMBIENTE

358003 – SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

DIANA MARCELA FUQUENE YATE Ingeniero Químico, Msc. Ing. Ambiental

(Director Nacional)

RUTH ESPERANZA LÓPEZ MEDINA (Acreditador)

BOGOTÁ 2013


INDICE DE CONTENIDO

Lista de tablas ..................................................................................................................... 7 Lista de figuras ................................................................................................................... 5 Lista de símbolos y abreviaturas ...................................................................................... 8 Aspectos de propiedad intelectual y versionamiento .................................................. 10 Introducción ...................................................................................................................... 10 UNIDAD 1 – SISTEMAS DE ALCANTARILLADO ........................................................... 13 Capítulo 1 – Conceptos básicos ..................................................................................... 14 Lección 1 – Origen del agua residual ...................................................................................14 Lección 2 – Principios de mecánica de fluidos e hidráulica Lección 3 – Normatividad

...............................................18

.......................................................................................................26

Lección 4 – Alteraciones y contaminantes del agua residual Lección 5 – Enfermedades asociadas al agua residual

...........................................28

.....................................................33

Capítulo 2 – Sistemas de alcantarillado sanitario y pluvial ......................................... 36 Lección 6 – Clasificación de los sistemas de alcantarillado ..............................................38 Lección 7 – Tuberías utilizadas para alcantarillado Lección 8 – Alcantarillado sanitario Lección 9 – Alcantarillado pluvial

............................................................39

.......................................................................................42

..........................................................................................45

Lección 10 – Alcantarillado combinado

................................................................................46

Capítulo 3 – Obras complementarias ............................................................................. 47 Lección 11 – Pozos de inspección ........................................................................................48 Lección 12 – Cámara de caída ..............................................................................................49 Lección 13 – Aliviaderos

.........................................................................................................50

Lección 14 – Sumideros y rejillas Lección 15 – Sifones invertidos

..........................................................................................52

.............................................................................................53


UNIDAD 2 – SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL ............................. 57 Capítulo 4 – Muestreo de agua residual ........................................................................ 58 Lección 16 – Materiales, elementos y equipos de muestreo de aguas residuales.........58 Lección 17 – Medición de caudales de descarga

...............................................................60

Lección 18 – Técnicas de muestreo .....................................................................................69 Lección 19 – Conservación de muestras .............................................................................72 Lección 20 – Interpretación de datos de laboratorio

...........................................................74

Capítulo 5 – Etapas de tratamiento de agua residual .................................................. 78 Lección 21 – Tratamiento de aguas residuales ...................................................................78 Lección 22 – Operaciones de plantas de tratamiento de aguas residuales Lección 23 – Pretratamiento y tratamiento primario

.................... 81

...........................................................82

Lección 24 – Tratamiento secundario y te rciario

.................................................................87

Lección 25 – Entrega del agua residual tratada

..................................................................92

Capítulo 6 – Tratamiento y aprovechamiento de lodos ............................................... 95 Lección 26 – Conceptos básicos de lodos residuales (composición y características) . 95 Lección 27 – Espesadores

.....................................................................................................98

Lección 28 – Deshidratación de lodos Lección 29 – Digestión de lodos

................................................................................1 00

..........................................................................................102

Lección 30 – Uso del lodo residual tratado (biosólidos)

...................................................103

UNIDAD 3 – SISTEMAS DE BOMBEO DE AGUA RESIDUAL ..................................... 107 Capítulo 7 – Principios de los sistemas de bombeo .................................................. 108 Lección 31 – Conceptos y términos utilizados en los sistemas de bombeo..................108 Lección 32 – Hidráulica de bombas y sistemas de bombeo ............................................110 Lección 33 – Clases de equipos para bombeo de agua residual ................................... 114 Lección 34 – Esquemas de sistemas de bombeo .............................................................1 17 Lección 35 – Curvas ca racterísticas

...................................................................................119

Capítulo 8 – Elementos de estaciones de bombeo .................................................... 126 Lección 36 – Bombas ............................................................................................................128 Lección 37 – Cárcamo

..........................................................................................................129

3


Lección 38 – Tuberías de succión e impulsión Lección 39 – Accesorios

..................................................................131

.......................................................................................................132

Lección 40 – Instrumentación de estaciones de bombeo

................................................134

Capítulo 9 – Tipos de estaciones de bombeo ............................................................. 136 Lección 41 – Clasificación de estaciones de bombeo ......................................................1 36 Lección 42 – Características de las estaciones de bombeo ............................................137 Lección 43 – Estaciones de bombeo convencionales

......................................................1 42

Lección 44 – Estaciones de bombeo prefabricadas

.........................................................143

Lección 45 – Operación de estaciones de bombeo

..........................................................144

Bibliografía ...................................................................................................................... 146 Glosario............................................................................................................................150


LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 1: Número de Reynolds ............................................................................................ 23 Tabla 2. Número de rugosidad de Manning para diferentes materiales ........................... 24 Tabla 3. Efectos indeseables de las aguas residuales ...................................................... 29 Tabla 4. Contaminantes de importancia en aguas residuales ........................................... 30 Tabla 5. Contaminantes de importancia en aguas residuales ........................................... 31 Tabla 6. Elementos y compuestos tóxicos ......................................................................... 31 Tabla 7. Normas técnicas de tuberías ................................................................................ 40 Tabla 8. Profundidad mínima de colectores ....................................................................... 44 Tabla 9. Ecuaciones según el tipo de vertedero ................................................................ 63 Tabla 10. Requerimientos para la conservación y almacenamiento de muestras de agua ............................................................................................................................................. 73 Tabla 11. Valores de Q para un nivel de confianza del 90% ............................................. 76 Tabla 12. Procesos aplicables en el tratamiento de aguas residuales ............................. 79 Tabla 13. Fuentes de sólidos y de lodos en el tratamiento de aguas residuales.............. 96 Tabla 14. Características de los lodos ............................................................................... 98 Tabla 15. Velocidad máxima aceptable en la tubería de succión, según el diámetro .... 131 Tabla 16. Clasificación de las estaciones de bombeo según su capacidad y método constructivo ....................................................................................................................... 137 Tabla 17. Características generales de las estaciones de bombeo convencionales y prefabricadas .................................................................................................................... 140

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LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 1: Fuentes de generación de aguas residuales domésticas .................................. 15 Figura 2: Descripción del flujo laminar ............................................................................... 21 Figura 3: Descripción de un flujo turbulento ....................................................................... 22 Figura 4: Descripción de flujo transicional ......................................................................... 22 Figura 5. Expectativa de vida mundial ............................................................................... 34 Figura 6. Reporte de los registros civiles de muertes ........................................................ 35 Figura 7. Municipios que carecen de infraestructura de Servicios de Alcantarillado ........ 37 Figura 8. Pozo de inspección en el barrio El Edén (Tolima).............................................. 49 Figura 9. Limpieza de una cámara de caída en Málaga (España) .................................... 50 Figura 10. Aliviadero de presa The Glory Hole (California USA) ...................................... 51 Figura 11. Rejillas de alcantarillado en Cartagena de Indias ............................................ 52 Figura 12. Jarillón del sifón invertido que opera en el sector de Puente la Balsa............. 54 Figura 13. Botellas muestreadoras .................................................................................... 59 Figura 14. Cono imhoff ....................................................................................................... 59 Figura 15. Vertedero triangular ........................................................................................... 62 Figura 16. Aforo de caudal con molinete............................................................................ 66 Figura 17. Tratamiento de aguas residuales en Medellín.................................................. 80 Figura 18. Reja de cribado fino mecanizada ...................................................................... 83 Figura 19. Desarenador aireado......................................................................................... 84 Figura 20. DAF de la PTAR de Colanta ............................................................................. 86 Figura 21. Tanque séptico .................................................................................................. 88 Figura 22. Tanque imhoff.................................................................................................... 89 Figura 23. Militamiz giratorio .............................................................................................. 90


Figura 24. Consumo de agua por habitante, m 3/año ......................................................... 94 Figura 25. Lodos de una PTAR de un Laboratorio Cosmético .......................................... 97 Figura 26. Espesador por gravedad circular ...................................................................... 99 Figura 27. Espesamiento por flotación ............................................................................... 99 Figura 28. Lechos de secado de lodos en una curtiembre de Villapinzón ...................... 101 Figura 29. Placas del Filtro prensa ................................................................................... 101 Figura 30. Difusores de burbuja fina ................................................................................ 102 Figura 31. Suelos restaurados con el biosólido generado por la PTAR El Salitre .......... 104 Figura 32. Clasificación de bombas ................................................................................. 114 Figura 33. Partes de una bomba centrifuga ..................................................................... 115 Figura 34. Tornillo de Arquímedes ................................................................................... 117 Figura 35. Esquemas de un sistema de tres bombas en paralelo .................................. 118 Figura 36. Esquemas de un sistema de tres bombas en serie ....................................... 119 Figura 37. Representación espacial de las curvas características de una bomba ......... 121 Figura 38. Proyección sobre el plano (H m, q) de las curvas características de una bomba ........................................................................................................................................... 122 Figura 39. Ensayo completo de una bomba centrífuga a diferente n° de rpm ................ 125 Figura 40. Central de control de Fukushima .................................................................... 135 Figura 41. Estación de bombeo convencional de aguas residuales ............................... 138 Figura 42. Estación de bombeo prefabricada de aguas residuales ................................ 139 Figura 43. Estación de bombeo prefabricada de aguas residuales ................................ 143

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LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS

Sistema de unidades Símbolo Término año Año día Día h Hora ha Hectárea hab Habitante °C Grados centígrados kg. Kilogramo km. Kilómetro L Litro m2 Metro cuadrado m3 Metro cúbico mg Miligramo min. Minuto mm Milímetro

Sistema de unidades métrico físico Variable Fuerza Masa Longitud Tiempo Temperatura

F M L T °T

Cgs Unidad Símbolo Dina Gramo masa gm Centímetro cm Segundo s Grado Kelvin °K

°K = 273° + °C donde °C = (5/9)(°F-32) Donde, cgs = 1 Dina = 1 Gm*1 cm/s 2 MKS = 1N = 1Kgm*1m/s2

MKS (SI) Unidad Símbolo Newton N Kilogramo masa Kgm Metro m Segundo s Grado Kelvin °K


Sistema de unidades métrico técnico Variable Fuerza Masa Longitud Tiempo Temperatura

F M L T °T

Gravitacional Símbolo Unidad Kilogramo Fuerza Kg Kilogramo masa Kgm Metro m Segundo s Grado Kelvin °K

Absoluto Unidad Kilogramo Fuerza U.T.M Metro Segundo Grado Kelvin

Símbolo Kg UTM m s °K

°K = 273° + °C donde °C = (5/9)(°F-32) Donde, 1UTM = 1Kgm/(1m/s2)

Sistema de unidades Inglés Variable Fuerza Masa Longitud Tiempo Temperatura

F M L T °T

Gravitacional Símbolo Unidad Libra Fuerza Lb Libra masa Lbm Pie Pie Segundo s Grado Rankine °R

Absoluto Unidad Libra Fuerza Slug Pie Segundo Grado Rankine

Símbolo Lb Slug Pie s °R

°R = 460° + °F donde °F = (9/5)(°C+32) Donde, 1Slug = 1Lb/(1ρ/s2)

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ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO El contenido didáctico del curso académico Sistemas de Tratamiento de Aguas Residuales se diseña en su primera versión en el año 2011 por la Especialista Diana Marcela Fuquene Yate, Ingeniera Química de la Fundación Universidad de América, Especialista en Ingeniería Ambiental de la Universidad Nacional de Colombia y Magíster en Ingeniería Ambiental de la Universidad Nacional de Colombia.

Para citar este material por favor hacerlo de la siguiente manera: Fuquene Yate, Diana Marcela (2013). Sistemas de Tratamiento de Aguas Residuales. Módulo didáctico. Bogotá. Universidad Nacional Abierta y a Distancia – UNAD.


INTRODUCCIÓN El ser humano a través de sus actividades cotidianas y de industrialización y modernismo afecta cada vez más el recurso agua, que es uno de los recursos naturales más importantes para la supervivencia no sólo del ser humano, sino de la flora y la fauna. La importancia que se le ha otorgado al recurso está íntimamente relacionada con su agotamiento, ya que en el pasado se creía que el abastecimiento de agua era suficiente para satisfacer las necesidades de todos, se consideraba erróneamente como infinito y no se vislumbraba la multiplicación de las poblaciones; sin embargo al pasar de los tiempos se ha reconocido el mal uso dado al recurso y se ha asumido la responsabilidad por haberlo empleado sin tener en cuenta un consumo mínimo y apropiado para su recuperación y sostenibilidad en el tiempo. El problema con el recurso hídrico no radica solo en el mal uso que se le da al mismo, ya que a parte del uso desmedido del agua en actividades cotidianas y de producción, se genera contaminación en las corrientes naturales de agua, como nacederos, quebradas, ríos, entre otros., causadas por el vertimiento de aguas residuales domésticas e industriales contaminadas que otorgan cargas más altas de la que pueden autodepurar estas corrientes naturales. Por lo anterior es importante desarrollar acciones para el correcto tratamiento y purificación de las aguas, dejándolas aptas para usos posteriores. Para el profesional del área ambiental es prioritario desarrollar habilidades que le permitan depurar las corrientes naturales de agua, mediante actividades que involucren el manejo y solución de los impactos ambientales negativos generados sobre uno de los recursos más importantes para la vida: el agua. En este módulo didáctico se describen las etapas necesarias para el tratamiento de las aguas residuales domésticas e industriales, desde su recolección y conducción hasta su

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tratamiento y vertido final, teniendo en cuenta no sólo los conceptos básicos del tratamiento en sí, sino los conceptos operativos para el funcionamiento en la práctica, para lo cual se distribuye el contenido del curso Sistemas de Tratamiento de Aguas Residuales en tres unidades, equivalentes a nueve capítulos (tres por unidad) y 45

lecciones (cinco por capítulo) En la Unidad 1 se desarrolla el tema de sistemas de alcantarillado como el mecanismo de recolección de aguas residuales generadas por comunidades, se reconocen las redes, sistemas, estructuras y obras complementarias de un sistema de alcantarillado y se identifica la normatividad vigente. En la Unidad 2 se desarrolla el tema de tratamiento de aguas residuales como solución a los vertimientos generados en actividades domésticas e industriales, se muestra la importancia ambiental y sanitaria del tratamiento de las aguas residuales y el entendimiento de las variables que intervienen en el dimensionamiento, diseño y manejo integral de los sistemas de tratamiento de aguas residuales. En la Unidad 3 se desarrolla el tema de sistemas de bombeo del agua residual como eje principal de la circulación y manejo del caudal de aguas residuales, se identifican sus elementos constitutivos, se reconocen los elementos y procesos que intervienen en una estación de bombeo y se comprende la importancia y aplicabilidad del sistema. En el presente módulo didáctico usted encontrara palabras subrayadas que se distinguen con color azul, lo que indica que tienen material de apoyo. No olvide revisarlo porque le ayudara a ampliar sus habilidades para el desarrollo de su ámbito laboral.


UNIDAD 1 Nombre de la unidad

Sistemas de alcantarillado En la Unidad 1 se desarrolla el tema de sistemas de

Introducción

Justificación

alcantarillado como elpormecanismo de se recolección aguas residuales generadas comunidades, reconocen de las redes, sistemas, estructuras y obras complementarias de un sistema de alcantarillado y se identifica la normatividad vigente. Se desarrolla el tema “Sistemas de alcantarillado”, que son el mecanismo por el cual se realiza la recolección de las aguas residuales generadas por una comunidad. Para el tecnólogo e ingeniero ambiental es prioritario reconocer su importancia (ambiental y sanitaria), conocer las leyes hidráulicas y de fluidos en las que se basa su funcionamiento y operación, las obras complementarias requeridas, así como la normatividad que debe cumplir una obra de este tipo. Esto para lograr el adecuado funcionamiento de este tipo de sistemas, que en caso de fallar pueden generar problemas sanitarios y de salud pública, al igual que inconvenientes en la movilidad, especialmente en las grandes ciudades, y deterioro de los bienes públicos y, en

Intencionalidades Formativas

algunos casos,laen los privados. ambiental y sanitaria de la Comprender importancia recolección, tratamiento y distribución de las aguas residuales.

Capítulo 1

Conceptos básicos

Lección 1 Lección 2 Lección 3 Lección 4 Lección 5 Capítulo 2

Origen del agua residual Principios de mecánica de fluidos e hidráulica Normatividad Alteraciones y contaminantes del agua residual Enfermedades asociadas al agua residual

Sistemas de alcantarillado sanitario y pluvial

Lección 6 Lección 7 Lección 8

Clasificación de los sistemas de alcantarillado Tuberías utilizadas para alcantarillado Alcantarillado sanitario

Lección 9 Lección 10

Alcantarillado Alcantarillado pluvial combinado

Capítulo 3

Lección 11 Lección 12 Lección 13 Lección 14 Lección 15

Obras complementarias Pozos de inspección Cámara de caída Aliviaderos Sumideros y Rejillas Sifones invertidos

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Capítulo 1 – Conceptos básicos Siendo los sistemas de alcantarillado una obra civil, el estudiante en este capítulo encontrará los conceptos básicos de mecánica de fluidos e hidráulica primordiales para el transporte de las aguas residuales, desde el lugar donde se generan hasta el sitio de tratamiento y/o vertido; identificará el srcen, la problemática y la normatividad ambiental vigente de las aguas residuales y, por último, conocerá cuáles son los impactos ambientales y las enfermedades relacionadas con el manejo inadecuado de la misma.

Lección 1 – Origen del agua residual Según Romero1, la generación de aguas residuales es un producto inevitable de la actividad humana. El tratamiento y disposición apropiada de las aguas residuales supone el conocimiento de las características físicas, químicas y biológicas de dichas aguas; de su significado y de sus efectos principales sobre la fuente receptora 2. Las aguas residuales provienen de cuatro fuentes2 fundamentales que son: aguas domésticas o urbanas (Ver Figura 1), aguas residuales industriales, escorrentías de usos agrícolas y pluviales. Aunque el objetivo principal de este módulo didáctico es el estudio del tratamiento de las aguas residuales industriales y domésticas, la contaminación debida a los usos agrícolas así como las aguas pluviales de zonas urbanas están adquiriendo una gran importancia. Normalmente las aguas residuales, tratadas o no, se descargan finalmente a un receptor de aguas superficiales (mar, río, lago, entre otros).

1

Romero Rojas Jairo Alberto. Tratamiento de aguas residuales, teoría y principios de diseño. 2005 2

Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá – EAAB. Video institucional. 2010


Figura 1: Fuentes de generación de aguas residuales domésticas

Fuente. Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente. División de Salud y Ambiente. Organización Panamericana de la Salud - Organización Mundial de la Salud. Conferencia Sistemas de Tratamiento de Aguas Residuales. 2002.

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En cuanto a la composición de las aguas residuales, es importante recalcar que las escorrentías de usos agrícolas arrastran fertilizantes (fosfatos) y pesticidas, que causan eutrofización3 de lagos y pantanos y tal como se indica en la Conferencia “Sistemas de Tratamiento de Aguas Residuales” la composición de las aguas residuales es muy

variable en razón de los diversos factores que lo afectan, como por ejemplo, del consumo promedio de agua por habitante y por día que afecta su concentración (cantidad) y los hábitos alimenticios de la población que caracteriza su composición química (calidad). En general, las aguas residuales contienen aproximadamente un 99.9% de agua y el resto está constituido por materia sólida. Los residuos sólidos están conformados por materia mineral y materia orgánica. La materia mineral proviene de los subproductos desechados durante la vida cotidiana y de la calidad de las aguas de abastecimiento. La materia orgánica proviene exclusivamente de la actividad humana y está compuesta por materia carbonácea, proteínas y grasas. Las proteínas constituyen del 40 al 50% de la materia orgánica y están representadas por los complejos de amino ácidos y proporcionan la mayor parte de los nutrientes bacterianos. Aproximadamente un 50-60% de las proteínas se encuentran disueltas en las aguas residuales y un 20-30% en la fracción sedimentable. La materia carbonácea está representada por los hidratos de carbono y que a su vez están constituidos por los almidones, los azúcares y la celulosa, de esta materia carbonácea, los dos primeros son fácilmente degradables. Los porcentajes de hidratos de carbono que se encuentran en forma disuelta y sedimentable son semejantes a las proteínas. Las grasas incluidas en los ácidos grasos no suelen ser solubles y se degradan más lentamente. En líneas generales, se considera que la composición de los residuos secos de las aguas residuales en sus diversos constituyentes tienen los siguientes porcentajes: 3

La eutrofización es el proceso natural de envejecimiento de los lagos, el cual se acelera debido a al enriquecimiento, productividad, degradación y sedimentación aportada por las aguas residuales




Materia orgánica 50%, mineral 50%.



Materia sedimentable 20%, no sedimentable 80%.



Materia sedimentable orgánica 67%, mineral 33%.



Materia no sedimentable orgánica 50%, mineral 50%.

De otra parte, las aguas residuales, estén o no diluidas con aguas de lluvia, contienen elementos contaminantes que al ser descargados al curso receptor pueden causar impacto ambiental y poner en riesgo la salud del hombre. Los principales contaminantes que contiene el agua residual y que pueden estar disueltos o suspendidos, se agrupan en: 

Materia orgánica con grado variable de biodegradabílidad.



Compuestos nitrogenados de srcen orgánico y/o mineral.



Compuestos fosforados de srcen mineral.



Microorganismos compuestos por organismos saprofitos y patógenos tales como helmintos, protozoos, bacterias y virus.

Este conjunto de características confiere al agua las propiedades siguientes: a) Pestilente: Causados por la descomposición anaeróbica de la materia putrescible. b) Tóxico: Muchos compuestos orgánicos e inorgánicos tienen efectos negativos sobre la flora y fauna. c) Infectivo: La presencia de microorganismos patógenos confiere al agua la propiedad de transmitir enfermedades de srcen hídrico. d) Estético: Modificación de la apariencia física.

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Lección 2 – Principios de mecánica de fluidos e hidráulica Como este módulo didáctico se centra en el tratamiento de aguas residuales, se 4

desarrolla la Lección 2 con base en los estudios de la Comisión Nacional del Agua donde se establece que la eficiencia del funcionamiento hidráulico de una red de alcantarillado para conducir aguas residuales, pluviales o ambas, depende de sus características físicas, por lo que se repasarán los conceptos básicos de hidráulica, útiles para el diseño y revisión de una red de alcantarillado, sin dejar a un lado el estudio de la mecánica de fluidos, que como exponen Duarte y Niño5, es un área de la ciencia que estudia el comportamiento de los fluidos tanto en reposo como en movimiento, lo que nos ayuda al estudio del aprovechamiento de los recursos hidráulicos subterráneos o superficiales y al entendimiento del transporte de aguas residuales industriales. Antes de iniciar el estudio de los conceptos básicos de hidráulica, se debe revisar la lista de símbolos y abreviaturas (ir al inicio del módulo) donde se presenta el sistema fundamental de unidades que se utiliza para expresar las propiedades de los fluidos y sus magnitudes. Los conceptos básicos principales para el diseño y revisión de una red de alcantarillado se relacionan fundamentalmente con los principales factores que intervienen en el flujo y con los principios de conservación de la física.

Factores que intervienen en el flujo de aguas residuales 1. Propiedades físicas del agua transportada (residual, pluvial o mezcla). Incluye la masa específica, el peso específico, la densidad, la viscosidad y la compresibilidad (ver definiciones en el glosario). 4

5

Manual de agua potable, alcantarillado y saneamiento.2007

Duarte Agudelo Carlos Arturo y Niño Vicentes José Roberto. Introducción a la mecánica de fluidos. 2004


2. Pendiente del terreno y/o del tubo de conducción . Está ligada directamente con la pendiente longitudinal de las calles o del terreno por donde se ubica. La pendiente determina las condiciones en las que se manifiestan los principios de cantidad de movimiento, energía y masa y, por ende, el tipo de flujo manifestado por el fluido durante su transporte. Por ejemplo, un flujo que presenta pendiente constante a lo largo de la conducción, presentará flujo uniforme (velocidad uniforme).

3. Área de la sección transversal del tubo de conducción y condiciones de

flujo (libre, a presión, lleno, parcialmente lleno, permanente). El área de sección transversal es especialmente importante en la determinación del caudal que circula por la tubería y determina la capacidad total de la tubería y el área transversal mojada, es decir, el área ocupada por el fluido durante su movimiento, será la que se utilice en la determinación del caudal real de circulación.

Si el flujo circula a tubería llena (ocupando el área transversal total) estará sometido a condiciones de la física diferentes a las que tendría si el flujo circula a tubería parcialmente llena (flujo libre). Un flujo a tubería parcialmente llena estará sometido a las condiciones de la gravedad y de la atmósfera mientras que un flujo a tubería llena (flujo a presión) estará sometido a condiciones de presión. 4. Tipo de flujo. La identificación del tipo de flujo en una conducción es esencial debido a que las ecuaciones de diseño solo son aplicables a ciertas condiciones de flujo o han sido desarrolladas para casos o intervalos específicos. El flujo del agua en una conducción puede clasificarse según:

a. El tipo de movimiento: Flujo libre: El movimiento ocurre por la acción de la gravedad. Se presenta en conducciones abiertas o en las conducciones cerradas pero llenas parcialmente.

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Flujo a presión: El movimiento ocurre por una presión diferente a la de la atmósfera. La conducción es cerrada y se encuentra llena.

b. El espacio: Flujo uniforme: Se presenta cuando los parámetros hidráulicos del flujo (velocidad, profundidad, entre otros) son constantes a lo largo de la conducción.

Flujo variado: Se presenta cuando los parámetros hidráulicos del flujo varían a lo largo de la conducción. Ocurre en conducciones abiertas (por compuertas, desagües, sumideros, entre otros) y en conducciones a presión, cuando se presentan cambios de sección transversal y presencia de controles (como válvulas).

c. El tiempo: Flujo permanente: Sucede cuando los parámetros hidráulicos del flujo son constantes en el tiempo, es decir, cuando la velocidad en un punto dado permanece constante.

Flujo inestable o no permanente: Sucede cuando la velocidad de flujo varía con el tiempo.

d. El tiempo y el espacio: Flujo permanente uniforme: Se presenta cuando la velocidad del flujo permanece constante en tiempo y espacio.

Flujo no permanente uniforme: Sucede cuando la velocidad permanece contante en el espacio pero no en el tiempo. Es prácticamente imposible


encontrar este tipo de flujo en la naturaleza, debido a que los cambios tendrían que ocurrir en forma simultánea a todo lo largo de la conducción.

Flujo variado permanente: Sucede cuando la velocidad de flujo varía en el espacio pero no en el tiempo. Este tipo de flujo puede subdividirse en gradualmente variado o rápidamente variado, dependiendo si los cambios son graduales o abruptos, respectivamente.

Flujo variado no permanente: Se presenta cuando la velocidad varía en el espacio y en el tiempo.

Flujo especialmente variado: Se presenta cuando el caudal varía a lo largo de la conducción pero permanece constante en el tiempo.

e. El régimen de flujo: Flujo con régimen laminar: Ocurre cuando las fuerzas viscosas son mucho más fuertes con relación a las fuerzas inerciales. El movimiento de las partículas del fluido se realiza siguiendo trayectorias definidas o líneas de corriente (ver Figura 2) y las capas de fluido con espesor infinitesimal parecen deslizarse sobre capas adyacentes

Figura 2: Descripción del flujo laminar

Líneas de corriente

Trayectoria de partículas

Fuente. Duarte Agudelo Carlos Arturo y Niño Vicentes José Roberto. Introducción a la mecánica de fluidos. 2004

21


Flujo con régimen turbulento: Ocurre cuando las fuerzas viscosas son mucho menores con relación a las fuerzas inerciales. Las partículas del fluido con régimen laminar se mueven ordenadamente siguiendo trayectorias definidas, pero al aumentar la velocidad las partículas del fluido chocan entre sí y se desvían siguiendo trayectorias irregulares (ver Figura 3) que no son suaves ni fijas y que constituyen el flujo turbulento.

Figura 3: Descripción de un flujo turbulento

Fuente. Duarte Agudelo Carlos Arturo y Niño Vicentes José Roberto. Introducción a la mecánica de fluidos. 2004

Flujo con régimen transicional: Ocurre cuando el paso de régimen laminar a turbulento ocurre de manera gradual (ver Figura 4)

Figura 4: Descripción de flujo transicional

Laminar Fuente. Autor. 2011

Transicional

Turbulento


El régimen del flujo está determinado por la relación entre las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas y se basa en el parámetro adimensional conocido como “Número de Reynolds – Re ”, el cual relaciona las fuerzas inerciales con las viscosas, así:

Re 

VL 

Donde, Re: Número de Reynolds, adimensional ѵ: Viscosidad cinemática del fluido, m 2/s

V: Velocidad media del flujo, m/s L: Longitud característica, m (En tuberías a presión es el diámetro y en conducciones a superficie libre es cuatro veces el radio hidráulico) La definición del tipo de flujo según el régimen de flujo, se hace con respecto a los intervalos del número de Reynolds (ver Tabla 1).

Tabla 1: Número de Reynolds

Tipo de Flujo Laminar Transicional Turbulento

Conducciones a Presión (tuberías)

Superficie libre (canales)

Re < 2300 2300 ≤ Re ≤ 4000

Re < 500 500 ≤ Re ≤ 12500

Re > 4000

Re > 12500

Fuente. Comisión Nacional del Agua. Manual de agua potable, alcantarillado y saneamiento.2007

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5. Rugosidad de la superficie interior de la conducción . Está determinada por las características de las paredes internas del conducto, es función del material del conducto, del acabado de la construcción y su tiempo de uso. Esta propiedad no presenta valores significativos pero sí es importante en los cálculos hidráulicos de tuberías. Para el diseño y evaluación de alcantarillados el cálculo de la rugosidad se realiza típicamente con el coeficiente o “Número de Manning – n” (número adimensional); este coeficiente es específico para cada tipo de material de tubería. En la Tabla 2 se presenta el coeficiente de Manning para diferentes tipos de conducciones y en diferentes tipos de materiales.

Tabla 2. Número de rugosidad de Manning para diferentes materiales

Corrientes Naturales Limpias, orillas rectas, fondo uniforme, altura de lamina de agua suficiente Limpias, orillas rectas, fondo uniforme, altura de lamina de agua suficiente, algo de vegetación Limpias, meandros, embalses y remolinos de poca importancia Lentas, con embalses profundos y canales ramificados Lentas, con embalses profundos y canales ramificados, vegetación densa Rugosas, corrientes en terreno rocoso de montaña Áreas de inundación adyacentes al canal ordinario Cunetas y Canales revestidos

Número de Manning 0,027-0,033 0,033-0,040 0,035-0,050 0,060-0,080 0,100-0,2001 0,050-0,080 0,030-0,2001 Número de Manning

Hormigón Hormigón revestido con gunita

0,013-0,017 0,016-0,022

Encachado

0,020-0,030

Paredes de hormigón, fondo de grava

0,017-0,020

Paredes encachadas, fondo de grava

0,023-0,033

Revestimiento bituminoso

0,013-0,016


Tabla 2. (Continuación) Cunetas y canales sin revestir

Número de Manning

En tierra ordinaria, superficie uniforme y lisa

0,020 - 0,025

En tierra ordinaria, superficie irregular

0,025 - 0,035

En tierra con ligera vegetación En tierra con vegetación espesa

0,035 - 0,045 0,040 - 0,050

En tierra excavada mecánicamente

0,028 - 0,033

En roca, superficie uniforme y lisa

0,030 - 0,035

En roca, superficie con aristas e irregularidades

0,035 - 0,045

Fuente. S.M. Woodward and C. J Posey. Hydraulics of steady flow in open channels

Principios de conservación en los que se fundamenta el flujo en tuberías

1. Conservación de la masa o principio de continuidad. El principio de conservación de masa o de continuidad define que: “La diferencia entre la cantidad de masa que ingresa a un volumen de control y la que se sale del mismo es igual al cambio en el almacenamiento dentro del propio volumen ”.

2. Conservación de la energía. El principio de conservación de la energía define que: “La energía total que contiene un fluido en movimiento es la suma de las energías correspondientes a la posición o elevación del flujo con respecto a un nivel de referencia (energía potencial), la presión estática (energía de presión) y la presión dinámica (energía cinética)”.

3. Conservación de la cantidad de movimiento. La ecuación de conservación de cantidad de movimiento se deriva de la segunda ley de Newton del movimiento, la cual establece que “El producto de la masa de un cuerpo por la aceleración es igual a la resultante de todas las fuerzas que actúan sobre él, incluyendo su propio peso”.

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Lección 3 – Normatividad Según Ramalho6, una desventaja de las normas de vertimientos es que no establece controles sobre el total de cargas contaminantes vertidas en los receptores. Por ejemplo, una gran industria, aunque lleve a cabo el mismo tratamiento que una pequeña, puede causar una mayor contaminación debido al volumen y periodicidad de los vertimientos generados. En el RAS7 se presentan las siguientes leyes, decretos y resoluciones colombianas:

Ley 9 de 1979 , por la cual se expide el Código Sanitario Ley 142 de 1994, por la cual se establece el régimen de los Servicios Públicos Domiciliarios y se dictan otras disposiciones.

Ley 373 de 1997 , por la cual se establece el programa de uso eficiente y ahorro del agua.

Ley 388 de 1997 , por el cual se establecen los Planes de Ordenamiento Territorial. Ley 400 de 1997, por la cual se adoptan Normas sobre Construcciones Sismoresistentes - NSR 98

Ley 99 de 1993, por la cual se crea el Ministerio del Medio Ambiente.

6 7

Ramalho Ruben S. Tratamiento de aguas residuales. 1981

Reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico – RAS. Sección III, Titulo H. 2000


Decreto 302 de febrero de 2000 de Mindesarrollo, por el cual se reglamenta la Ley 142 de 1994, en materia de prestación de los servicios públicos domiciliarios de acueducto y alcantarillado.

Decreto 1594 de 1984 de Minsalud , por el cual se reglamenta parcialmente el Título I de la Ley 9 de 1979, así como el Capítulo II del Título VI -Parte III- Libro II y el Título III de la Parte III -Libro I- del Decreto-Ley 2811 de 1974 en cuanto a usos del agua y residuos líquidos.

Decreto 2104 de 1983 del MinSalud , por el cual se reglamentan el título III de la parte IV del Libro I del Decreto 2811 de 1974 y los títulos I y XI de la Ley 09 de 1979 en cuanto a Residuos Sólidos.

Decreto 475 de 1998 del MinSalud y MinDesarrollo, por el cual se establece la calidad del agua potable Decreto 605 de 1996 del MinDesarrollo por el cual se reglamenta la ley 142 de 1994 en relación con la prestación del servicio público domiciliario de aseo.

Decreto 948 de 1995 del Ministerio del Medio Ambiente . Por el cual se reglamentan, parcialmente, la Ley 23 de 1973, los artículos 33, 73, 74, 75 y 76 del Decreto - Ley 2811 de 1974; los artículos 41, 42, 43, 44, 45, 48 y 49 de la Ley 9 de 1979; y la Ley 99 de 1993, en relación con la prevención y control de la contaminación atmosférica y la protección de la calidad del aire

Decreto 3102 de 1997 de Mindesarrollo , por el cual se reglamenta el artículo 15 de la Ley 373/97 en relación a la instalación de equipos, sistemas e implementos de bajo consumo de agua.

Decreto 3930 de 2010 de Ministerio del Medio Ambiente , por el cual se reglamenta parcialmente el Título I de la Ley 9ª de 1979, así como el Capítulo II del Título VI -Parte III Libro II del Decreto-ley 2811 de 1974 en cuanto a usos del agua y residuos líquidos.

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Resolución 0014 de1997 de Mindesarrollo , por la cual se reglamenta la medición de consumos de agua potable.

Resolución 0138 de 2000 de Mindesarrollo, por la cual se establece en nivel de consumo para grandes consumidores vinculados al servicio público domiciliario de acueducto o de alcantarillado para los efectos del Decreto 302 de 2000.

Resolución 541 de 1994 del Ministerio del Medio Ambiente , por medio de la cual se regula el cargue, descargue, transporte, almacenamiento y disposición final de escombros, materiales, elementos, concretos y agregados sueltos, de construcción, de demolición y carga orgánica, suelo y subsuelo de excavación.

Resolución 2309 de 1986 del Ministerio de Salud, por la cual se dictan normas para el cumplimiento del Título III de la Parte 4 del Libro 1 del Decreto - Ley número 2811 de 1974 y de los títulos i, iii, XI de la ley 9 de 1979, en cuanto a Residuos Especiales. Con el fin de que ustedes puedan consultar las normas mencionadas y estén actualizados con la normatividad ambiental vigente, les presento los siguientes links:

Normas Distrito Capital

Normas Colombia

Lección 4 – Alteraciones y contaminantes del agua residual Toda agua residual afecta en alguna manera la calidad del agua de la fuente o cuerpo de agua receptor. Sin embargo, se dice que un agua residual causa polución solamente cuando introduce condiciones o características que hacen el agua de la fuente o cuerpo receptor inaceptable para el uso propuesto de la misma.


En las tablas 3 a 6 se presentan, de forma muy breve y generalizada, los efectos más importantes de los principales agentes de polución de las aguas residuales8.

Tabla 3. Efectos indeseables de las aguas residuales Contaminante Materia orgánica biodegradable

Materia suspendida

Sustancias corrosivas, cianuros, metales, fenoles Microorganismos patógenos Sustancias que causan turbiedad, temperatura, color, olor Sustancias o factores que trastornan el equilibrio biológico

Constituyentes minerales

Efecto Desoxigenación del agua, muerte de peces, olores indeseables Deposición en los lechos de los ríos; si es orgánica se descompone y flota mediante el empuje de los gases; cubre el fondo e interfiere con la reproducción de los peces o trastorna la cadena alimenticia Extinción de peces y vida acuática, destrucción de bacterias, interrupción de la autopurificación Las ARD pueden transportar organismos patógenos, los residuos de curtiembre ántrax El incremento de temperatura afecta a los peces; el color, olor y turbiedad hacen estéticamente inaceptable el agua para uso público Pueden causar crecimiento excesivo de hongos o plantas acuáticas, las cuales alteran el ecosistema acuático, causan olores, entre otros Aumentan la dureza, limitan los usos industriales sin tratamiento especial, incrementan el contenido de sólidos disueltos a niveles perjudiciales para los peces o la vegetación, contribuyen a la eutrofización del agua

ARD: Agua Residual Doméstica Fuente. Romero Jairo. Tratamiento de aguas residuales. 2005

8

Romero Jairo, Op. Cit, p.22

29


Tabla 4. Contaminantes de importancia en aguas residuales

Contaminante Sólidos suspendidos

Materia orgánica degradable

Patógenos Nutrientes

Materia orgánica refractaria Metales pesados

Sólidos orgánicos disueltos

Causa de su importancia Pueden conducir al desarrollo de depósitos de lodos y condiciones anaerobias cuando se descargan AR crudas en un medio acuático Está compuesta principalmente de proteínas carbohidratos y grasas. Se mide en términos de DBO y DQO por lo general. Si no es previamente removida puede producir agotamiento del OD de la fuente receptora y desarrollo de condiciones sépticas Producen enfermedad El C, N y P son nutrientes. Cuando se descargan en AR pueden producir crecimiento de vida acuática indeseable. Cuando se descargan en cantidades excesivas sobre el suelo pueden producir polución del agua subterránea Resiste tratamiento convencional. Ejemplos: detergentes, fenoles y pesticidas agrícolas Provienen de aguas residuales comerciales e industriales y es posible que deban ser removidos para reuso del agua Algunos como el calcio, sodio y sulfatos son agregados al suministro doméstico srcinal como resultado del uso y es posible que deban ser removidos para reuso del agua

AR: Agua Residual OD: Oxígeno Disuelto C: Carbono N: Nitrógeno P: Fosforo Fuente. Romero Jairo. Tratamiento de aguas residuales. 2005


Tabla 5. Contaminantes de importancia en aguas residuales

Contaminante Materia orgánica degradable Materia suspendida

Parámetro típico de medida DBO, DQO SST, SSV

Patógenos

CF

Amoníaco

NH4+ - N

Fósforo

Ortofosfatos Como cada material tóxico especifico

Materiales tóxicos Sales inorgánicas

SDT

Energía térmica

Temperatura

Iones hidrógeno

pH

Impacto ambiental Desoxigenación del agua, generación de olores indeseables Causa turbiedad en el agua, deposita lodos Hace el agua insegura para consumo y recreación Desoxigena el agua, es tóxico para organismos acuáticos y puede estimular el crecimiento de algas Puede estimular el crecimiento de algas Peligroso para la vida vegetal y animal Limita los usos agrícolas e industriales del agua Reduce la concentración de saturación de oxígeno en el agua, acelera el crecimiento de organismos acuáticos Riesgo potencial para organismos acuáticos

Fuente. Romero Jairo. Tratamiento de aguas residuales. 2005

Tabla 6. Elementos y compuestos tóxicos

Substancia Antimonio, Sb Arsénico, As Bario, Ba

Efecto Se acumula en el hígado. Afecta el corazón. Puede ser acumulado por organismos marinos Tóxico agudo o crónico para los seres vivos. Subproducto de algunas industrias La ingestión de sales de bario es tóxica. Puede ser tóxico para las plantas 31


Tabla 6. (Continuación)

Substancia Berilio, Be Boro, B Cadmio, Cd Cianuros, CN-

Cobre, Cu

Cromo, Cr Fenoles Flúor, F Litio, Li Mercurio, Hg Molibdeno, Mo Níquel, Ni Nitrógeno amoniacal, NH3 Nitrógeno de nitratos, NO3Plata, Ag Plomo Sodio, Na

Efecto Tóxico para los seres vivos. Sus óxidos e hidróxidos son insolubles, dentro de los rangos normales de pH Grandes cantidades pueden producir trastornos digestivos y nerviosos Tóxico para los seres vivos, acumulativo. Protector metálico contra la oxidación, usado industrialmente Tóxico no acumulativo. Biodegradable en ríos Esencial para los seres humanos en cantidades pequeñas, 2mg/d. Produce sabores desagradables en el agua en concentraciones de 1 – 5 mg/L – Cu. Es elemento esencial para la vida; pero es tóxico, en concentraciones variables, para las plantas y la vida acuática El cromo hexavalente es tóxico para los seres humanos. El cromo trivalente es oxidado lentamente en aguas a cromo hexavalente. Tóxico para las plantas Produce sabores y olores. Tóxico para los peces Protector contra la caries dental, tóxico en altas concentraciones Fitotóxico en altas concentraciones Tóxico para los seres vivos. El metil mercurio es 50 veces más tóxico que el mercurio inorgánico Micronutriente esencial no acumulable en seres humanos, los cuales toleran grandes cantidades. Algunos animales como el ganado bovino son sensibles a ese metal Baja toxicidad oral para los humanos. Tóxico para plantas y vida marina No es tóxico para los humanos en las concentraciones naturales. Puede ser tóxico para los peces Tóxico para los infantes en concentraciones altas Tóxico acumulable en los tejidos, produciendo coloración azul grisosa de la piel (argiria). Tóxico para la vida acuática Acumulativo en seres humanos y ganado. La absorción humana de plomo ingerido es pequeña; dosis grandes únicas no son un problema Peligroso para personas con problemas cardiacos. Destructor del suelo



Substancia Sulfuros, S

=

Talio, Tl Tungsteno, W Uranio, U Vanadio, V Zinc, Zn

Efecto El H2S no ionizado es tóxico Tóxico acumulativo con efectos subletales como pérdida del cabello e hipertensión. Inhibe la fotosíntesis. Neurotóxico para peces e invertebrados acuáticos Insoluble en agua, no hay información de su toxicidad Tóxico para los humanos y los organismos acuáticos Tóxico para las plantas Nutriente esencial no tóxico para humanos y animales. Tóxico agudo y crónico para organismos acuáticos y, en altas concentraciones, para las plantas.

Fuente. Romero Jairo. Tratamiento de aguas residuales. 2005

Lección 5 – Enfermedades asociadas al agua residual Para entender mejor las consecuencias sobre la salud que causa el inadecuado manejo de las aguas residuales nos remitimos a la Organización Mundial de la Salud – OMS, quienes son los encargados de establecer normas, desempeñar una función de liderazgo en los asuntos sanitarios mundiales, configurar la agenda de las investigaciones en salud, articular opciones de política basadas en la evidencia, prestar apoyo técnico a los países y vigilar las tendencias sanitarias mundiales. En los siguientes links encontrará: Principales enfermedades relacionadas con el agua Hojas informativas sobre enfermedades relacionadas con el agua La carga de enfermedad y los estimados de costo – eficacia La cantidad de agua domiciliaria, el nivel del servicio y la salud

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Con el fin de contextualizar lo que sucede en Colombia debido a las enfermedades asociadas al agua residual, se revisa la tasa de mortalidad estandarizada por la OMS, donde se miden cuántas personas mueren al año, la cual es de 565 para Colombia. En la Figura 5 se observa que la expectativa de vida (para ambos sexos, es decir hombres y mujeres) en Colombia está entre los 70 y 79 años.

Figura 5. Expectativa de vida mundial

Fuente. OMS. 2009

En la Figura 6 se muestra la cobertura de los registros civiles de la mortalidad y la carga de las enfermedades asociadas al agua residual.


Figura 6. Reporte de los registros civiles de muertes

Fuente. OMS. 2009

Tal como se indica en las graficas anteriores la situación del manejo de las aguas residuales en Colombia no es tan crítico como en otros lugares del mundo (ver link: http://www.dailymotion.com/video/xcofek_importancia-del-tratamiento-de-agua_news), por ejemplo en los estudios realizados por la OMS (2006), se concluyo que más del 10% de la población mundial consume productos irrigados con aguas residuales no tratadas, debido a los altos costos de las plantas de depuración y tratamiento de aguas, lo que las hace inasequibles para los países pobres como China, donde hay 50 ciudades que todavía desaguan sus residuos directamente a ríos sin ningún tratamiento y en otras 400, casi todas ellas en el norte del país, la escasez provoca cortes de agua crónicos.

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Capítulo 2 – Sistemas de alcantarillado sanitario y pluvial En Colombia la Comisión de Regulación de Agua Potable y Saneamiento Básico - CRA establece el Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico – RAS, con el fin de establecer los criterios y parámetros básicos de diseño de los sistemas de acueducto y alcantarillado a construirse en el país, lo que permite solucionar los problemas de sobredimensionamiento generados por las altas dotaciones y los niveles elevados de pérdidas técnicas y periodos de diseño.

Así, en este capítulo se van a ampliar los criterios de diseño basados en el RAS. Pero antes se presenta el análisis de la superintendencia de servicios públicos 9 para el sector de alcantarillado y saneamiento básico, donde se establece que Colombia tuvo un crecimiento importante a nivel de las coberturas alcanzadas. Sin embargo aún existen zonas como Atlántico, Bolívar y Magdalena que no cuentan con infraestructura para la prestación del servicio de alcantarillado, mediante una conexión directa de la vivienda a la red de recolección. De acuerdo con lo anterior se estima que aproximadamente 1.025.000 habitantes, asentados en las zonas urbanas no cuentan con ninguna solución de alcantarillado o conducción de aguas servidas domiciliarias (ver Figura 7). Los departamentos de la región Caribe son los que concentran mayor número de municipios que carecen de sistemas de redes de alcantarillado (cerca del 78% de este conjunto de población), seguido de la región Pacífica (5%) y la región de la Orinoquía (3%).

9

Superintendencia de servicios públicos. Sistemas de alcantarillado en Colombia. 2009


Figura 7. Municipios que carecen de infraestructura de servicios de alcantarillado

Fuente. Superintendencia de servicios públicos. 2009

37


Lección 6 – Clasificación de los sistemas de alcantarillado Existen tres tipos de sistemas, que son: 1. Sistemas convencionales: Los alcantarillados convencionales son los sistemas tradicionales utilizados para la recolección y transporte de aguas residuales o lluvias hasta los sitios de disposición final, estos son: a. Alcantarillado combinado: En el que las aguas residuales y pluviales son recolectadas y transportadas por el mismo sistema. b. Alcantarillado separado: La recolección y transporte de las aguas residuales y pluviales se hace mediante sistemas independientes; es decir, alcantarillado sanitario y alcantarillado pluvial. 2. Sistemas no convencionales: Debido a que los alcantarillados convencionales usualmente son sistemas de saneamiento costosos, especialmente para localidades con baja capacidad económica, en las últimas décadas se han propuesto sistemas de menor costo, alternativos al alcantarillado convencional sanitario, basados en consideraciones de diseño adicionales y en una mejor tecnología disponible para su operación y mantenimiento. Los sistemas no convencionales pueden constituir alternativas de saneamiento cuando, partiendo de sistemas in situ, se incrementa la densidad de población. a. Los alcantarillados simplificados: funcionan esencialmente como un alcantarillado sanitario convencional pero teniendo en cuenta para su diseño y construcción consideraciones que permiten reducir el diámetro de los colectores tales como la disponibilidad de mejores equipos para su mantenimiento, que permiten reducir el número de pozos de inspección o sustituirlos por estructuras más económicas.


b. Los alcantarillados condominiales: son sistemas que recogen las aguas residuales de un conjunto de viviendas que normalmente están ubicadas en un área inferior a 1 ha mediante colectores simplificados, y son conducidas a la red de alcantarillado municipal o eventualmente a una planta de tratamiento.

c. Los alcantarillados sin arrastre de sólidos: son sistemas en los que el agua residual de una o más viviendas es descargada a un tanque interceptor de sólidos donde estos se retienen y degradan, produciendo un efluente sin sólidos sedimentables que es transportado por gravedad en un sistema de colectores de diámetros reducidos y poco profundos. Sirven para uso doméstico en pequeñas comunidades o poblados y su funcionamiento depende de la operación adecuada de los tanques interceptores y del control al uso indebido de los colectores. Desde el punto de vista ambiental pueden tener un costo y un impacto mucho más reducido. 3. Sistemas in situ: Existen sistemas basados en la disposición in situ de las aguas residuales como las letrinas y tanques, pozos sépticos y campos de riego, los cuales son sistemas de muy bajo costo y pueden ser apropiados en áreas suburbanas con baja densidad de población y con adecuadas características del subsuelo. En el tiempo, estos sistemas deben considerarse como sistemas transitorios a sistemas no convencionales o convencionales de recolección, transporte y disposición, en la medida en que el uso de la tierra tienda a ser urbano.

Lección 7 – Tuberías utilizadas para alcantarillado En general las tuberías son prefabricadas mediante procesos industriales perfectamente establecidos. Éstas pueden ser de los siguientes materiales: arcilla vitrificada (gres), concreto simple, concreto reforzado, asbesto cemento, hierro fundido, hierro dúctil, PVC,

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polietileno, polietileno de alta densidad, plástico reforzado con fibra de vidrio, resina termoestable reforzada (fibra de vidrio), mortero plástico reforzado y acero. En ningún caso se permiten tuberías de arcilla cocida. Las tuberías y demás elementos fabricados con nuevos materiales deben cumplir con las normas de calidad correspondientes y se demuestre ante la DSPD y la Junta Técnica Asesora del reglamento su funcionalidad y aplicabilidad. En la tabla 7 se relacionan las normas técnicas del ICONTEC e internacionales asociadas con tipos de tuberías.

Tabla 7. Normas técnicas de tuberías Tipo de tubería

Norma ICONTEC

Norma Internacional ANSI/ASTM C 76 ANSI/ASTM C 361

Concreto reforzado

NTC 401 NTC 1328 NTC 3789

Asbesto – Cemento

NTC 44 NTC 239 NTC 268 NTC 384 NTC 487

Arcilla vitrificada (gres)

NTC 511 NTC 3526 NTC 4089

Hierro fundido

NTC 3359

Concreto simple

NTC 1022 NTC 1328

ANSI/ASTM C 443 ANSI/ASTM C 506 ANSI/ASTM C 507 ANSI/ASTM C 655 ANSI/ASTM C 877 ASTM C 428 ASTM C 644C ISO R 881 ASTM C 12 ANSI/ASTM C 700 ASTM C 425 ANSI/ASTM C 301 ASTM A 74-72 ANSI A 21.6 (AWWA C 106) ASTM C 644 ANSI/ASTM C 14


Tabla 7. (Continuación) Tipo de tubería

Norma ICONTEC

Norma Internacional

Fibra de vidrio (resinatermoestable

NTC 3870

ASTM D 3681

reforzada) Polibutileno

Hierro dúctil

NTC 2346 NTC 2587 NTC 2629 NTC 3359

Fibra de vidrio (Resina termoestable reforzada,

NTC 2836

RTR)

Policloruro de vinilo (PVC)

ASTM D 3262

NTC 1087 NTC 1341 NTC 1748 NTC 2534 NTC 2697 NTC 3640 NTC 3721 NTC 3722 NTC 4764 (PARTES 1 y2)

ASTM F 809 ASTM D 2581 AWWA C902-88 ISO 2531 ISO 4633 ISO 5208 ISO 5210 ISO 5752 serie 14 ISO 5752 ISO 7005-2 ISO 7259 ANSI A 21.4 (AWWA C 104) ANSI A 21.5 (AWWA ANSI/AWWA C 110 C 105) ANSI A 21.5 (AWWA C 115) ASTM A 746 ASTM D 2996 ANSI/ASTM D 2997 ASTM D 2310 ASTM D 3262 ASTM D 3754 ANSI/ASTM D 2564 ANSI/ASTM D 2680 ANSI/ASTM D 3033 ANSI/ASTM D 3034 ANSI/ASTM D 3212 ANSI/ASTM F 477 ASTM F 545 ASTM F 679 ASTM F 949

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Tabla 7. (Continuación) Tipo de tubería

Norma ICONTEC

Acero

NTC 2091

Polietileno de alta densidad Mortero plástico reforzado (RPM)

Norma Internacional ASTM A A 760 475 ASTM ASTM A 762 AASHTO M-36 AASHTO M-245 ASTM D 1248 ASTM D 2412 ASTM D 3035 ASTM F 714 ASTM F 894 ANSI/ASTM D 3262 ASTM D 3754

Fuente. RAS. 2000

Lección 8 – Alcantarillado sanitario El alcantarillado sanitario tiene el propósito de transportar las aguas residuales generadas por las actividades humanas, mayoritariamente domésticas. No obstante, a este sistema pueden entrar aguas residuales provenientes de otras actividades como las comerciales, industriales y algunas no controladas como las infiltraciones. En el Capítulo D3 del Título D del RAS se establece la metodología de cálculo para el diseño de los alcantarillados sanitarios. Los parámetros a tener en cuenta para este diseño son principalmente: 1. Población actual y futura, con base en información oficial censal y censos disponibles de suscriptores del acueducto y otros servicios.


2. Contribuciones de aguas residuales. El volumen de aguas residuales aportadas a un sistema de recolección y evacuación está integrado por las aguas residuales domésticas, industriales, comerciales e institucionales.

3. Caudal máximo horario. El caudal máximo horario es la base para establecer el caudal de diseño de una red de colectores de un sistema de recolección y evacuación de aguas residuales.

4. Factor de mayoración. Tiene en cuenta las variaciones en el consumo de agua por parte de la población, este factor disminuye en la medida en que el número de habitantes considerado aumenta, pues el uso del agua se hace cada vez más heterogéneo y la red de colectores puede contribuir cada vez más a amortiguar los flujos.

5. Caudal de diseño. Este caudal es el correspondiente a las contribuciones acumuladas que llegan al tramo hasta el pozo de inspección inferior. Cuando el caudal de diseño calculado en el tramo es inferior a 1,5 L/s, debe adoptarse este valor como caudal de diseño.

6. Diámetro interno real mínimo. En las redes de recolección y evacuación de aguas residuales, la sección circular es la más usual para los colectores, principalmente en los tramos iniciales. El diámetro interno real mínimo permitido en redes de sistemas de recolección y evacuación de aguas residuales tipo alcantarillado sanitario convencional es 200 mm (8 pulgadas) con el fin de evitar obstrucciones de los conductos por objetos relativamente grandes introducidos al sistema.

7. Velocidad mínima. Si las aguas residuales fluyen por un periodo largo a bajas velocidades, los sólidos transportados pueden depositarse dentro de los colectores por lo que se debe disponer regularmente de una velocidad suficiente

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para lavar los sólidos depositados durante periodos de caudal bajo. La velocidad mínima real permitida en el colector es 0,45 m/s.

8. Velocidad máxima. Se recomienda que la velocidad máxima real no sobrepase los 5 m/s. 9. Pendiente mínima. Debe permitir las condiciones de autolimpieza y control de gases.

10. Pendiente máxima. El valor de la pendiente máxima admisible es aquel para el cual se tenga una velocidad máxima real.

11. Profundidad hidráulica máxima. Para permitir la aireación adecuada del flujo de aguas residuales, el valor máximo permisible de la profundidad hidráulica para el caudal de diseño en un colector debe estar entre 70 y 85% del diámetro real de éste.

12. Profundidad mínima a la cota clave. Los colectores de redes de recolección y evacuación de aguas residuales deben estar a una profundidad adecuada para permitir el drenaje por gravedad de las descargas domiciliarias sin sótano. Los valores mínimos permisibles de cubrimiento de los colectores se definen en la Tabla 8.

Tabla 8. Profundidad mínima de colectores

Servidumbre Vías peatonales o zonas verdes Vías vehiculares Fuente. RAS. 2000

Profundidad a la clave del colector (m) 0,75 1,20


13. Profundidad máxima a la cota clave. La máxima profundidad de los colectores es del orden de 5 m.

14. Retención de sólidos. En los sistemas no convencionales de alcantarillados sanitarios sin arrastre de sólidos, el agua residual es descargada a un tanque interceptor de sólidos donde estos se retienen y degradan, produciendo un efluente sin sólidos sedimentables que es transportado por gravedad al sistema de colectores.

Lección 9 – Alcantarillado pluvial En esta lección se establecen las condiciones para la definición y estimación de los parámetros de diseño que deben considerarse en el proceso de diseño de sistemas de recolección y evacuación de aguas lluvias. Los sistemas de recolección y evacuación de aguas lluvias pueden proyectarse cuando las condiciones propias de drenaje de la localidad requieran una solución a la evacuación de la escorrentía pluvial. No necesariamente toda población o sector requiere un sistema pluvial. Dependiendo de las condiciones topográficas, tamaño de la población, las características de las vías, la estructura y desarrollo urbano, entre otras, la evacuación de la escorrentía podría lograrse satisfactoriamente a través de las cunetas de las calles. Donde se requiera de estos sistemas, se puede abarcar la totalidad de la población o solamente los sectores con problemas de inundaciones. Los sistemas de recolección y evacuación de aguas pluviales pueden ser proyectados y construidos para: 1. Permitir una rápida evacuación de la escorrentía pluvial de las vías públicas. 2. Evitar la generación de caudales excesivos en las calzadas.

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3. Evitar la invasión de aguas pluviales a propiedades públicas y privadas. 4. Evitar la acumulación de aguas en vías de tránsito. 5. Evitar la paralización del tráfico vehicular y peatonal durante un evento fuerte de precipitación. 6. Evitar las conexiones erradas del sistema de recolección y evacuación de aguas residuales. 7. Mitigar efectos nocivos a cuerpos de agua receptores por contaminación de escorrentía pluvial urbana. Los siguientes son algunos de los factores que deben ser considerados en el estudio de los problemas de recolección y evacuación de aguas pluviales en áreas urbanas: 1. Tráfico peatonal y vehicular. 2. Valor de las propiedades sujetas a daños por inundaciones. 3. Análisis de soluciones con canales abiertos o conductos cerrados. 4. Profundidad de los colectores. La capacidad de recolección de aguas lluvias del conjunto de sumideros debe ser consistente con la capacidad de evacuación de la red de colectores para garantizar que el caudal de diseño efectivamente llegue a la red de evacuación. En el Capítulo D4 del Título D del RAS también se establece la metodología de cálculo para el diseño de los alcantarillados pluviales.

Lección 10 – Alcantarillado combinado Este sistema puede ser adoptado en aquellas localidades donde existan situaciones de hecho que limiten el uso de otro tipo de sistemas o cuando resulte ser la mejor alternativa, teniendo en cuenta los costos de disposición de las aguas residuales. Localidades con una densidad de drenaje natural alta pueden ser apropiadas para este tipo de sistemas. Su adopción requiere una justificación sustentada de tipo técnico,


económico, financiero y ambiental que garantice que representa mejor alternativa de saneamiento, incluidos los costos asociados con la disposición final y eventual tratamiento. Un sistema combinado puede tener ventajas en lo que a costos se refiere. Sin embargo, esto no debe ser analizado considerando el sistema de recolección y evacuación independientemente, sino en conjunto con los requerimientos de tratamiento de las aguas residuales diluidas, para cumplir con la legislación vigente sobre vertimientos a cuerpos de agua receptores. Esto, por consiguiente, está asociado con consideraciones de tipo ambiental debido a que en las aguas combinadas se genera necesariamente dilución de las aguas residuales, las cuales no podrían estar sujetas a un tratamiento apropiado todo el tiempo por el alivio que en ocasiones se requiere hacer. Por otro lado, en épocas de verano las velocidades del flujo debido sólo a los aportes de aguas residuales pueden llegar a ser inferiores a las de autolimpieza, lo cual puede causar la acumulación de materia orgánica, cuya descomposición puede generar olores ofensivos y gases. Por estas razones, su selección requiere un juicioso análisis técnico, económico, financiero y ambiental que permita recomendarlo por encima de sistemas de recolección y evacuación separados. En el Capítulo D5 del Título D del RAS también se establece la metodología de cálculo para el diseño de los alcantarillados combinados.

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Capítulo 3 – Obras complementarias Este capítulo está relacionado con la definición de las diferentes estructuras que complementan un sistema de recolección y evacuación de aguas residuales y/o pluviales. Dentro de las estructuras complementarias están las estructuras de conexión y pozos de inspección, cámaras de caída, sumideros, aliviaderos, codos, curvas y reducciones, sifones invertidos, transiciones, canales y otras estructuras especiales.

Lección 11 – Pozos de inspección La unión o conexión de dos o más tramos de colectores debe hacerse con estructuras hidráulicas, denominadas estructuras de conexión. Usualmente, estas estructuras son pozos de unión o conexión o estructuras – pozo. Estas estructuras están comunicadas con la superficie mediante pozos de inspección, los cuales permiten el acceso para la revisión y mantenimiento de la red. El término pozo de inspección usualmente hace referencia al conjunto estructura de conexión-pozo de inspección. Por lo general, la forma de la estructura – pozo es cilíndrica en su parte inferior y de cono truncado en su parte superior. Sus dimensiones deben ser suficientemente amplias para que el personal de operación y mantenimiento pueda ingresar y maniobrar en su interior. Para esto debe ser provista una escalera de acceso con pasos de hierro (ver Figura 8) y los elementos mínimos de seguridad industrial para los operarios. La cañuela o piso de la estructura es una plataforma en la cual se hacen canales que prolongan los conductos y encauzan sus flujos, cuando esto se requiera. La parte superior remata en una protección de su desembocadura a la superficie donde se coloca la correspondiente tapa. Deben hacerse consideraciones sobre la ventilación de los pozos.


Figura 8. Pozo de inspección en el barrio El Edén (Tolima)

Fuente. Claudia Restrepo. El Tiempo. 2011

Lección 12 – Cámara de caída Las cámaras de caída son estructuras de conexión frecuentes en terrenos con pendiente pronunciada, con el objeto de evitar velocidades mayores de las máximas permisibles. Todos los colectores que lleguen a una estructura de conexión, con una diferencia mayor de 0.75 m con respecto a la batea del colector de salida, deben entregar al pozo mediante una cámara de caída (Figura 9), cuya boca inferior debe estar orientada en tal forma que el flujo confluya con un ángulo máximo de 15º con respecto a la dirección del flujo principal. Para colectores afluentes menores de 300 mm de diámetro puede analizarse la alternativa de no construir la cámara de caída pero proveer un colchón de agua en la parte inferior del pozo que amortigüe la caída.

49


Figura 9. Cámara de caída en 3D

Fuente. Sebastián Díaz. 2010

Lección 13 – Aliviaderos Los aliviaderos en sistemas combinados tienen como objetivo disminuir los costos de conducción de los flujos hasta el sitio de disposición final o de tratamiento de las aguas residuales. Estas estructuras derivan parte del caudal que se supone es de escorrentía pluvial a drenajes que usualmente son naturales o a almacenamientos temporales, aliviando así los caudales conducidos por colectores, interceptores o emisarios al sitio de disposición final, que puede ser una planta de tratamiento de aguas residuales.


En algunos casos están provistos de un tanque de almacenamiento a continuación del alivio con el propósito de almacenar los contaminantes provenientes del primer lavado de la época de lluvias, el cual puede arrastrar concentraciones mayores de contaminación. Los aliviaderos pueden ser laterales, transversales o de tipo vórtice (ver Figura 10), y deben permitir que el caudal de aguas residuales de tiempo seco continúe por el colector hasta la planta de tratamiento o lugar de disposición final, pero durante determinados eventos de precipitación y escorrentía asociada deben derivar o aliviar lo que les corresponda de aquella porción en exceso a la capacidad de la red aguas abajo o la capacidad de la planta de tratamiento.

Figura 10. Aliviadero de presa The Glory Hole (California USA)

Desocupado

Lleno

Fuente. Google Maps. 2011

51


Lección 14 – Sumideros y rejillas Son estructuras para la captación de la escorrentía superficial, que pueden ser diseñadas en forma lateral o transversal al sentido del flujo, y se localizan en las vías vehiculares (Figura 11) o peatonales.

Figura 11. Rejillas de alcantarillado en Cartagena de Indias

Fuente. Julio Castaño. El Universal. 2011

La capacidad de recolección de aguas lluvias del conjunto de sumideros de un sistema pluvial o combinado debe ser consistente con la capacidad de evacuación de la red de colectores para garantizar que el caudal de diseño efectivamente llegue a la red de evacuación.


Los sumideros deben ubicarse en los cruces de las vías, de tal manera que intercepten las aguas antes de las zonas de tránsito de los peatones y en los puntos intermedios bajos. Los siguientes son algunos criterios para su ubicación: 1. Puntos bajos y depresiones. 2. Reducción de pendiente longitudinal de las calles. 3. Antes de puentes y terraplenes. 4. Preferiblemente antes de los cruces de calles y pasos peatonales. 5. Captación de sedimentos

Lección 15 – Sifones invertidos Deben proyectarse sifones invertidos en los casos en que sea necesario salvar accidentes topográficos o de otra índole, tales como obstáculos, conducciones o viaductos subterráneos, cursos de agua (Figura 12) a través de valles, entre otros, que impidan la instalación de colectores en condiciones normales. Los sifones invertidos están conformados por dos o más tuberías, dependiendo del caudal de diseño que se requiera conducir. Estas tuberías deben constar de facilidad de limpieza. La velocidad mínima de flujo para el caso de alcantarillado sanitario debe ser 1 m/s y el diámetro mínimo debe ser 200 mm. Para el sistema pluvial o combinado la velocidad mínima es 1,2 m/s y el diámetro mínimo de 300 mm. En cualquier caso, la velocidad mínima debe ser superior a la velocidad de autolimpieza determinada por esfuerzo cortante. Las entradas a los conductos auxiliares deben ser reguladas por vertederos, de tal forma que las tuberías puedan entrar en servicio progresivamente.

53


Figura 12. Sifón invertido terminado

Fuente. COEPSA. 2009


Actividades de autoevaluación de la Unidad 1 Preguntas sobre la Unidad 1



¿Cuál es el sitio de descarga más común de las aguas residuales?



¿A qué condiciones está sometido un flujo a tubería llena?



¿Qué efectos pueden causar las aguas residuales contaminadas con materia orgánica biodegradable?



¿Qué es un alcantarillado combinado?



¿Cuál es el propósito de un alcantarillado sanitario?











¿Cuál estructura se utiliza para evitar velocidades mayores a las máximas permisibles? ¿Cuál es la forma general de los pozos de inspección? ¿Cuál estructura se utiliza para disminuir los costos de conducción del agua residual? ¿Con qué estructuras se recoge la escorrentía superficial? ¿Qué se debe hacer, si en la zona a conducir las aguas residuales se tienen muchos accidentes topográficos?

Actividades prácticas relacionadas con la Unidad 1



Identifique el srcen de las aguas residuales que se generan en su municipio.



Elija una industria y establezca el efecto de sus vertimientos, por contaminante.



Establezca las enfermedades asociadas al agua residual que se dan en su municipio.

55




Identifique el tipo de alcantarillado que maneja su municipio.



Identifique las obras complementarias con que cuenta su municipio.

Fuentes Documentales Unidad 1 







Empresa de acueducto y alcantarillado de Barranquilla y Soledad. (2011). Sistemas de distribución. Empresa de Acueducto y Alcantarillado institucional.

de Bogotá

– EAAB. (2010). Video

Reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico – RAS. (2000). Títulos B, C, D y H. Superintendencia de servicios públicos. (2009). Sistemas de alcantarillado en Colombia.



Introducción

Justificación

Intencionalidades Formativas Capítulo 4




Sistemas de tratamiento de agua residual Se desarrolla el tema de tratamiento de aguas residuales como solución a los vertimientos generados en actividades domésticas e industriales, se muestra la importancia ambiental y sanitaria del tratamiento de las aguas residuales y el entendimiento de las variables que intervienen en el dimensionamiento, diseño y manejo integral de los sistemas de tratamiento de aguas residuales. Se desarrolla el tema como solución a los impactos ambientales negativos generados por los vertimientos garantizando la conservación de los recursos hídricos. Para lograr esto, es indispensable cuantificar los caudales y conocer los parámetros biológicos, físicos y químicos del agua a tratar, con el fin de obtener un adecuado dimensionamiento de los sistemas de tratamiento, además de lograr la correcta selección de las unidades y etapas que debe tener el sistema, según el tipo de agua a tratar y las especificaciones finales del efluente a verter. Desarrollar y aplicar metodologías para diseñar las estructuras y procesos que componen un sistema de tratamiento de aguas residuales.

Muestreo de agua residual Materiales, elementos y equipos de muestreo de aguas residuales Medición de caudales de descarga Técnicas de muestreo Conservación de muestras Interpretación de datos de laboratorio

Etapas de tratamiento de agua residual Tratamiento de aguas residuales Operación de plantas de tratamiento de aguas residuales Pretratamiento y tratamiento primario Tratamiento secundario y terciario Entrega del agua residual tratada

Tratamiento y aprovechamiento de lodos Conceptos básicos de lodos residuales Espesadores Deshidratación de lodos Digestión de lodos Uso del lodo residual tratado (biosólidos)

57


Capítulo 4 – Muestreo de agua residual El Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia – IDEAM, es el ente encargado de acreditar los laboratorios del país que realizan análisis fisicoquímicos o microbiológicos de calidad ambiental sobre el agua y otros recursos naturales, para lo cual establece el Instructivo para la toma de muestras de aguas residuales, con el fin de estandarizar y homogenizar el monitoreo y seguimiento del agua. El desarrollo de este capítulo se hará con base en lo establecido el instructivo del IDEAM que describe los requerimientos, instrucciones y cuidados que se deben tener en cuenta para la toma de muestras de aguas residuales industriales (ARI) o domésticas (ARD) para análisis en laboratorio.

Lección 16 – Materiales, elementos y equipos de muestreo de aguas residuales A continuación se presenta una lista general de los implementos requeridos en el momento del muestreo: 

Si tiene, lleve el geoposicionador y el altímetro.



Equipos portátiles para mediciones de temperatura, pH y conductividad eléctrica.





Cronómetro. Neveras de icopor o poliuretano con suficientes bolsas de hielo para mantener una temperatura cercana a 4°C.







Toalla de papel absorbente, cinta pegante y de enmascarar, esfero (bolígrafo), marcador de tinta indeleble y tabla portapapeles. Bolsa pequeña para basura. Muestreador: botella Van Dorn, Kemmerer o balde (ver Figura 13)


Figura 13. Botellas muestreadoras



Van Dorn

Kemmerer

Fuente Aguamarket. 2010

Fuente Haltech Aquatic Research Inc. 2009

Baldes plásticos de 10 L de capacidad, con llave, para la composición de muestras y medición de caudal cuando se requiera.



Tubo plástico para homogenización de la muestra compuesta, probeta plástica graduada de 1000 ml y frasco lavador





Papel aluminio (cuando se requiera). Cono imhoff (Figura 14) para análisis de sólidos sedimentables (si se requiere)

Figura 14. Cono imhoff

Fuente. Instrumentación Científica Técnica, S.L. 2011



Agua destilada. Si no se tiene, se debe utilizar agua embotellada o de bolsa.

59




Preservantes para muestras: Ácido sulfúrico concentrado (H 2SO4), Ácido nítrico (HNO3), Hidróxido de sodio (NaOH) 6N, Acetato de Zinc 6N, Ácido clorhídrico concentrado (HCl) u otro cuando se requiera.



Recipientes plásticos y de vidrio. Varía según requerimientos de análisis.



Instructivos de calibración del pHmetro y conductímetro.



Cuerda de nylon de 0.5 a 1 cm de diámetro de longitud suficiente para manipular los baldes en las cajas de inspección.



Papel indicador universal, para verificación de pH de preservación.



Barretón de hierro para levantar tapas de cajas de inspección.



Documentos de identificación personal (carnet de EPS y ARP).



Equipos de Protección Personal – EPP, como: Overol o ropa de trabajo cómoda y que le brinde protección adecuada, Guantes, Gafas de seguridad, Máscara respiradora con filtros para ácidos y vapores orgánicos, Impermeable y Botas de caucho.

Lección 17 – Medición de caudales de descarga El método para realizar el aforo depende de si el vertimiento se presenta a través de una tubería o de un canal abierto. Entre las posibilidades para realizar el aforo están: método volumétrico, vertedero, flotadores, molinete o micromolinete. 1. Método volumétrico mediante balde o caneca. Este método se aplica para tubería o canal abierto, cuando el vertimiento presenta una caída de agua en la cual se pueda interponer un recipiente; se requiere un cronómetro y un recipiente aforado (balde de 10 o 20 litros con graduaciones de 1 L, o caneca de 55 galones con graduaciones de 1 a 5 galones). Se utiliza un balde para caudales bajos o una caneca cuando se deban manejar grandes caudales. El recipiente se purga dos o tres veces con porciones de aproximadamente 1 L (para el balde) o 10 L (para la caneca) del efluente, que se desechan. Luego se coloca el recipiente bajo la descarga de tal manera que reciba todo el flujo; de manera simultánea se activa el cronómetro. Se debe tener un especial cuidado en


el momento de la toma de muestra y la medición del tiempo, ya que es un proceso simultáneo donde el tiempo comienza a tomarse en el preciso instante que el recipiente se introduce a la descarga y se detiene en el momento en que se retira de ella. Se toma un volumen de muestra cualquiera dependiendo de la velocidad de llenado y se mide el tiempo transcurrido desde que se introduce a la descarga hasta que se retira de ella. El caudal para ese instante de tiempo se calcula así:

Q

V t

Donde, Q = Caudal, L/s V = Volumen, L t = Tiempo, s Este método tiene la ventaja de ser el más sencillo y confiable, siempre y cuando el lugar donde se realice el aforo garantice que al recipiente llegue todo el volumen de agua que sale por la descarga; se debe evitar la pérdida de muestra en el momento de aforar, así como represamientos que permitan la acumulación de sólidos y grasas. Este método es de fácil utilización en el caso de que el suelo donde se disponga la caneca sea firme y no permite que esta se hunda o se mueva. Dentro de los principales problemas que se pueden presentar es la manipulación de las canecas por su peso exagerado. 2. Método del vertedero. Este método aplica para plantas de tratamiento o grandes industrias, según las características físicas (geometría) de la salida del efluente, y en el caso de que el método volumétrico sea inoperante, este método consiste en una obstrucción hecha en el canal (ver Figura 15) para que el líquido retroceda un poco atrás de ella y fluya sobre o a través de ella. Si se mide la altura de la superficie líquida corriente arriba es posible determinar el flujo.

61


Figura 15. Vertedero triangular

Fuente. Helier Yesid Perea. 2009

En caso de tomar la decisión de utilizar un vertedero de geometría conocida implica necesariamente que el flujo del vertimiento se dirija sobre un canal abierto, en el cual se pueda conocer la carga o cabeza (H) de la corriente sobre el vertedero. Con este valor se podrá determinar el caudal en el canal. Este método no es muy aplicable por dos razones: a) La mayoría de descargas se realizan por medio de tuberías b) Lograr coincidir un vertedero de geometría conocida (rectangular con o sin contracción, triangular o trapezoidal) y graduado con el ancho del canal es bastante improbable. En la Tabla 9 se encuentran las ecuaciones que deben utilizar para establecer el caudal, según el tipo de vertedero.


Tabla 9. Ecuaciones según el tipo de vertedero Tipo de vertedero

Diagrama

Ecuación

Q  1,83  L  H 1,5 Rectangular con contracción

Rectangular sin contracción (cuando cae por una pared)

Q = Caudal, m 3/s L = Longitud de la cresta, m H = Cabeza, m

Q  3,3  L  H 1,5 Q = Caudal, m 3/s L = Longitud de la cresta, m H = Cabeza, m

Q  1,4  H 5 2 Triangular de 90°

Q = Caudal, m 3/s H = Cabeza, m

Q  0,775  H 2, 47 Triangular de 60°

Q = Caudal, m 3/s H = Cabeza, m

Q  1,859  L  H 1,5 Trapezoidal*


* Se aplica, si la pendiente de los lados tiene una relación 4

(vertical) /

1 (horizontal)

63


Tabla 9. (Continuación) Tipo de vertedero

Diagrama

Ecuación

Q  1,67  L  H 1,5 Cresta gruesa


Fuente. IDEAM. 2007

En caso de encontrar instalado en el efluente un vertedero con una geometría diferente a las consignadas en el cuadro, se debe contar con su ecuación de calibración para calcular el caudal, de lo contrario no puede determinarse este valor en campo. Si se instala el vertedero en el momento del aforo, se debe tener cuidado de cubrir la totalidad del ancho del canal de manera que todo el flujo se vea represado por el vertedero, adicionalmente se deben tener las siguientes precauciones: a) Se recomienda utilizar vertederos triangulares para descargas pequeñas, en dónde se debe cuidar que la cabeza (H) mínima sea de 6 cm y la máxima de 60 cm. b) La placa del vertedor debe ser una hoja metálica o de otro material con poca aspereza, ya que al aumentar la aspereza del lado corriente arriba de la placa del vertedor el coeficiente de la ecuación de calibración aumenta, al incrementarse el espesor de la capa límite.


3. Canales abiertos. Aplica para efluentes como canales, quebradas, ríos o zanjas. En algunas ocasiones se podrá observar la presencia de instalaciones que permiten la salida fácil del vertimiento y con dimensiones conocidas o fácilmente medibles (Tabla 9); una vez se conozca el área de la sección transversal de la salida del vertimiento se determina la velocidad de salida. Esta velocidad se puede obtener mediante la utilización de un elemento que flote a lo largo del canal o tubería (método flotador), de manera que pueda determinarse la velocidad superficial del vertimiento o mediante la utilización de un molinete para hallar la velocidad media de la corriente. 4. Molinete Se establece la sección transversal de control en la que se realizará el aforo. Para seleccionar la sección transversal del canal que se tomará para el aforo, se debe tener en cuenta las siguientes condiciones: a) No deben existir obstáculos sobre la corriente que alteren el paso del agua. b) Seleccionar una sección en la que las orillas del canal sean paralelas.

c) Evitar secciones con presencia de excesiva turbulencia. Se tiende una cuerda sobre el canal, que señale la sección transversal de control seleccionada (Figura16). Esta cuerda debe permanecer amarrada firmemente a las orillas del canal, de manera que se evite cualquier desplazamiento de la misma. Para facilitar la determinación de los puntos de medición de velocidad de la corriente, esta cuerda puede tener marcaciones cada metro o medio metro. Si no es posible tender esta cuerda, se debe tomar como referencia algún objeto ubicado en las orillas del canal, para verificar en el desarrollo del aforo la localización de la misma.

65


Figura 16. Aforo de caudal con molinete

Cuerda

Molinete

Fuente. Autor. 2009

Tomando como referencia la cuerda tendida sobre el canal, se mide con la cinta métrica el ancho del mismo (W). Se establece el número y espaciamiento entre los puntos en los que se medirá la velocidad del agua con el molinete, según: a) Para un canal de fondo plano sin diferencia de profundidades a lo largo de la sección transversal, se toma la velocidad de la corriente con el molinete sobre una misma posición en el canal.


b) Para un canal de fondo irregular o con diferencias de profundidad, se toman entre tres y seis datos de velocidad de la corriente con el molinete, según el ancho del canal (entre más ancho, tomar mayor número de mediciones). Para esto dividir el ancho de la sección transversal entre cuatro a siete partes (denominadas verticales) y tomar mediciones de velocidad y profundidad (H) del canal en cada una de estas. Para medir la velocidad de la corriente con el molinete se selecciona el molinete a utilizar según el intervalo de caudal a aforar. Se inserta el molinete en el número de varas necesarias para que la base de la primera de ellas descanse sobre el fondo del canal. Se coloca la punta del molinete en dirección aguas arriba de la corriente, a una altura equivalente al 20% y 80% de la profundidad del canal en ese punto (tirante). Se verifica el libre movimiento de la hélice. Se coloca en ceros el tacómetro del molinete y el cronómetro y se comienza el conteo simultáneamente en los dos dispositivos. Al minuto de iniciado el conteo del tacómetro, se determina la cantidad de revoluciones de la hélice. Se repite la medición de velocidad para verificar la precisión de los datos. Se determina la profundidad del nivel de agua en el mismo lugar en el que se tomó la medida de velocidad de la corriente. Repetir los anteriores pasos para los demás puntos en los que se determinará la velocidad de la corriente. Para establecer el caudal, se debe utilizar la siguiente fórmula:

Q

( a  b  f j )   h j n

W

Donde, Q = Caudal de la descarga, m 3/s a y b = Datos reportados por el fabricante del molinete

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f = Revoluciones por minuto del molinete, rpm h = Profundidad en cada vertical, m n = Número de puntos de medición o verticales W = Ancho de la corriente, m

5. Flotadores. Obtener el área transversal midiendo el ancho del efluente, luego dividir en secciones y medir la profundidad en cada una de ellas para obtener el área transversal promedio. Medir y demarcar una distancia conocida a lo largo del canal; colocar suavemente sobre la superficie del agua un elemento flotante en el canal y simultáneamente activar el cronometro; medir el tiempo transcurrido hasta que el objeto termine de recorrer la distancia asignada. Repetir este proceso varias veces y calcular el promedio. El objeto flotante no se debe dejar caer ni arrojar sobre la corriente, por cuanto esto le imprimiría una velocidad que afecta la medición. El caudal se calcula como:

Q V A Donde, Q = Caudal, m 3/s V = Velocidad superficial, m/s A = Área transversal promedio, m2

La velocidad se calcula como:

V 

X t


Donde, V = Velocidad superficial, m/s X = Longitud recorrida por el elemento flotante, m t = Tiempo de recorrido del elemento flotante, s El área transversal promedio se calcula como:

A W 

( H j ) n

Donde, A = Área transversal promedio, m2 W = Ancho de la corriente, m H = Profundidad en cada vertical, m n = Número de puntos de medición o verticales

Lección 18 – Técnicas de muestreo El plan de monitoreo es una herramienta fundamental para realizar un buen control ambiental, que en el caso del análisis de las aguas residuales, busca analizar la eficiencia de los sistemas de tratamiento propuestos, diseñados e implementados. A continuación se presentará la forma de elaborar un el plan de monitoreo de aguas residuales industriales, ya que para las otras aguas residuales (domésticas) se utiliza la misma metodología, pero no se tienen en cuenta las actividades propias de la empresa, como la producción o elaboración de los productos comercializados. Es indispensable que el plan de monitoreo no interfiera de ninguna manera con las actividades de producción propias de la industria. Las entidades reguladoras solamente

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requieren monitorear aquellos residuos que son descargados por las industrias en sistemas como el alcantarillado municipal o las corrientes superficiales o el aire que respiramos. Generalmente la parte a la cual se le da más atención en cualquier caracterización de aguas residuales, es a los resultados de los análisis de laboratorio; mientras que la que recibe menor atención es la toma y manejo de las muestras; siendo esta la de mayor importancia, ya que los resultados de un programa de caracterización son o no representativos10 en la medida en que la muestra y el análisis de campo sean representativos de la realidad del proceso industrial. Programas de caracterización no representativos pueden llegar a producir resultados en los análisis de laboratorio muy altos, los cuales a su vez llevarían a sobreestimar el problema a controlar, a instalar tecnología costosa con equipos sobrediseñados, además de reportar niveles de contaminación mucho más críticos que los reales; si por el contrario los resultados del análisis de laboratorio son más bajos que los reales, se podrían enmascarar problemas y situaciones inadecuadas en el proceso y puede llevar a que la empresa sufra una sanción cuando la autoridad que regula los vertimientos descubra los errores en los resultados. Es posible establecer las etapas primordiales en el establecimiento de un programa de monitoreo, estas son: 1. Fijar de la manera más clara posible los objetivos del programa ; además es necesario especificar los alcances del mismo buscando evitar ambigüedades. El objetivo u objetivos planteados determinan las acciones que son necesarias para el desarrollo del programa. El desarrollo será diferente si el objetivo primordial es cumplir con una norma de vertimiento o si lo que se busca es determinar la eficiencia de un proceso de tratamiento de residuos o evaluar el rendimiento de una etapa dentro de un proceso.

10

Representatividad implica que la concentración medida sea igual a la existente en el punto de muestreo.


2. Seleccionar los parámetros a ser medidos . Estos estarán en función de los objetivos de caracterización y las exigencias ambientales, buscando que no se presenten ambigüedades.

a. Parámetros no específicos como los sólidos, la conductividad, la DBO, la DQO, el nitrógeno total. b. Parámetros específicos como el sodio, el potasio, el magnesio y el NO3. c. Conservativos, que son los que no sufren transformación físico – química como los cloruros.

d. No conservativos y no preservables como la temperatura, los gases disueltos y la conductividad. e. No conservativos y preservables como el nitrógeno, el fósforo, el azufre y en general los biodegradables.

3. Selección del sitio de muestreo. Para esta selección se debe contar con información preliminar del o los sitios posibles, teniendo en cuenta que donde se tome la muestra sea representativa, exista mezcla completa, se pueda medir el caudal, se tenga una buena accesibilidad, que las distancias hasta el laboratorio no sean muy grandes y sobre todo el factor de seguridad de las personas que tomarán las muestras.

4. Muestreo. Este estará en función de los objetivos del muestreo, pero en general se puede dividir así:

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a. Según el tipo: Este puede ser simple (útil si las concentraciones y los caudales son relativamente constantes), compuesto integrado (útil si la concentración varia pero el caudal es constante) o compuesto ponderado (útil si tanto el caudal como la concentración varían). b. Según la frecuencia: Estará definida por los objetivos del muestreo, las exigencias de las autoridades ambientales (según la zona, por ejemplo en Bogotá el ente regulador es la Secretaría Distrital de Ambiente – SDA) y la variabilidad de la calidad (cíclica, al azar).

c. Según el número de muestras: Son función de la variabilidad, del nivel de confianza, de los costos, de la adecuada selección del tipo de muestreo.

d. Según el método de muestreo: Este puede ser manual (es flexible, equipos sencillos, útil para estudios preliminares) o automático (menos personal, más confiable, altos costos de equipos).

e. Según el volumen de la muestra: Se recomiendan 4 litros para determinaciones fisicoquímicas, 300 ml para análisis bacteriológico y 20 litros para ensayos de tratabilidad.

Lección 19 – Conservación de muestras Hace referencia a lo estipulado en los Standard Methods y las guías de la EPA (Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos, conocida también como USEPA) para realizar la preservación de la muestra sin que se alteren las características físicas, químicas y biológicas que se desean analizar. En la Tabla 10 se presentan estos requerimientos para conservación y almacenamiento de muestras de agua:


Tabla 10. Requerimientos para la conservación y almacenamiento de muestras de agua

Parámetro a analizar

Alcalinidad total Cloruros Color Cianuro total Dureza Aceites y grasas DBO DQO Conductividad eléctrica

Conservación

Refrigeración No requiere Refrigeración Adicionar NaOH a pH >12, refrigerar en oscuridad Adicionar HNO3 a pH < 2 Adicionar HCl a pH < 2.0, refrigerar Refrigeración Analizar tan pronto sea posible, o adicionar H2SO4 a pH < 2.0, refrigerar Refrigeración Para metales disueltos

Metales en general Cromo VI

filtrar inmediatamente, adicionar HNO3 a pH<2 Refrigerar Adicionar HNO3 a pH<2, Mercurio refrigerar Analizar tan pronto como Amonio sea posible o adicionar H2SO4 a pH<2, refrigerar Analizar tan pronto como Nitrato sea posible ó refrigerar Adicionar H2SO4 a pH < 2.0, Nitrato + Nitrito refrigerar Analizar tan pronto como Nitrito sea posible ó refrigerar Adicionar H2SO4 a pH < 2.0, Nitrógeno orgánico, Kjeldahl refrigerar

Máximo almacenamiento Recomendado / Regulatorio

24h/14d 28d 48h/48h 24h/14 d; 24 h Si hay sulfuro presente 6 meses/6 meses 28d/28d 6h/48h 7d/28d 28 d/28 d 6 meses/6 mese 24h/24h 28 d/28 d 7 d/28 d 48 h/48 h 1-2d/28d Ninguno/48 h 7 d/28 d

Fenoles

Refrigerar, adicionar H2SO4 a pH< 2.0

Preferiblemente refrigerar durante el almacenamiento y analizar tan pronto sea posible /28 d después de la extracción.

Grasas y aceites

Adicionar HCl ó H2SO4 a pH < 2.0, refrigerar

28 d/28 d

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Parámetro a analizar

Oxígeno disuelto, electrodo Oxígeno disuelto, winkler pH PO4 Fósforo total Salinidad Sólidos Sulfatos Sulfuros Temperatura Turbidez

Conservación

Analizar inmediatamente Analizar inmediatamente, puede retrasarse la titulación después de la acidificación Analizar inmediatamente Para fósforo disuelto filtrar inmediatamente; refrigerar Adicionar H2SO4 a pH < 2.0, refrigerar Analizar inmediatamente Refrigeración Refrigeración Refrigerar, adicionar 4 gotas de acetato de zinc 2N/100 mL muestra; adicionar NaOH a pH > 9.0 Analizar inmediatamente Analizar el mismo día, guardar en oscuridad hasta 24 horas; refrigerar

Máximo almacenamiento Recomendado / Regulatorio

0.25 h/ 0.25 h 8 h/8h 0.25 h/0.25 h 48 h/ 28 d 6 meses 7 d/ 2-7 d 28 d /28 d 28d/7d 0.25 h/ 0.25 h 24 h/48 h

Fuente. IDEAM. 2007

Lección 20 – Interpretación de datos de laboratorio Romero11 nos hace pensar en la variabilidad de los flujos de las aguas residuales, en cuanto a la cantidad y composición de las mismas, lo que obliga a determinar sus características estadísticas para predecir o valorar los valores máximos, mínimos y promedios, así como su posible ocurrencia durante la operación del sistema de tratamiento. Estas características varían de una comunidad a otra y a través del tiempo, debido a diferencias en el clima, consumos de agua, hábitos nutricionales y de vida.

11



En la interpretación de datos de laboratorio es conveniente recordar la metodología y el significado de los principales parámetros estadísticos usados para dicho propósito, como: 1. Cifras significativas. En un análisis de laboratorio, todos los dígitos del resultado deben ser significativos, y se supone que el analista tiene certeza de todos los dígitos, excepto del último, el cual puede estar en duda debido a la incertidumbre del proceso analítico. 2. Redondeo. Se usa para eliminar dígitos no significativos. En cálculos, cuando se multiplican o dividen varias cantidades, se debe redondear el resultado al mismo número de cifras significativas del factor con el número mínimo de ellas.

3. Promedios. Es una medida de la localización del punto de tendencia central, es decir del valor hacia el cual tienden los datos.

4. Límites de confianza. Cuando se asignan valores a los múltiplos de ± s, estos se denominan límites de confianza. Por ejemplo, 10 ±4 indica que los límites de confianza son 6 y 14 y los valores desde 6 hasta 14 representan el intervalo de confianza.

5. Intervalo. La dispersión de una serie de datos se puede caracterizar por su rango o intervalo, es decir, por sus valores mínimo y máximo.

6. Rechazo de datos. En teoría no se debe rechazar ningún dato porque ello implica una técnica de medida defectuosa que genera duda sobre todos los resultados. Sin embargo para rechazar datos en un análisis estadístico se usan técnicas diferentes. Cuando el número de datos es tres a diez, la prueba Q es la más aconsejable y si se tienen más de diez datos la desviación estándar es el criterio más apropiado.

75


a. Desviación estándar: Si un procedimiento analítico dispone de suficiente información para calcular la desviación estándar, se usa dicho valor como criterio de rechazo de datos extremos. Si la diferencia en el promedio y el valor cuestionable excede tres veces la desviación estándar, el dato se puede rechazar con un nivel de confianza mayor del 95%. b. Prueba Q: El parámetro Q se calcula dividiendo por el rango de datos la diferencia entre el dato cuestionable y el valor más próximo a él. Si el valor calculado de Q excede los valores enumerados en la Tabla 11, según el valor de n, se puede rechazar el dato con un nivel de confianza del 90%.

Tabla 11. Valores de Q para un nivel de confianza del 90% n 3

Q 0,94

45 6 7 8 9 10

0,76 0,64 0,56 0,51 0,47 0,44 0,41

Fuente. Romero Rojas Jairo. 2005

Por ejemplo, para los siguientes datos: 32,29 – 32,54 – 32,59 y 32,67, el valor de Q para el dato extremo superior es 0,21 y para el dato extremo inferior es 0,66. Por tanto, el valor de Q no se rechaza.

Q

32,67  32,59 32,54  32,29  0,21  0,76 ; Q   0,66  0,76 32,67  32,29 32,67  32,29


7. Exactitud de un ensayo. Se puede evaluar mediante el análisis de un estándar, es decir, de una solución de concentración conocida del constituyente de interés. 8. Muestreo. Aunque en la práctica el número de muestras está restringido por las limitaciones económicas, este depende realmente de la confiabilidad que se desee y del conocimiento de la variabilidad inherente al parámetro que se quiere cuantificar.

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Capítulo 5 – Etapas de tratamiento de agua residual Para Romero12 el objetivo básico del tratamiento de aguas residuales es proteger la salud y promover el bienestar de los individuos miembros de la sociedad. El retorno de las aguas residuales a nuestros ríos o lagos nos convierte en usuarios directos o indirectos de las mismas, y a medida que crece la población, aumenta la necesidad de proveer sistemas de tratamiento o renovación que permitan eliminar los riesgos para la salud y minimizar los daños al ambiente. En este capítulo se desarrollan determinadas operaciones y procesos unitarios, que permiten remover sustancias de interés ambiental y sanitario.

Lección 21 – Tratamiento de aguas residuales Para la selección del sistema de tratamiento se debe tener en cuenta la naturaleza del agua residual cruda (industrial, doméstica, entre otras) y los requerimientos de uso o disposición del efluente, tal como lo realiza la PTAR El Salitre (ver el siguiente video: http://www.youtube.com/watch?v=m4IKVyzjmzs) En un desarrollo gradual de sistemas de tratamiento se pueden considerar, como objetivos iniciales principales del tratamiento de aguas residuales, los siguientes: 1. Remoción de DBO 2. Remoción de sólidos suspendidos 3. Remoción de patógenos

12



Posteriormente ha sido común agregar: 4. Remoción de nitrógeno y fósforo Finalmente se involucra: 5. Remoción de sustancias orgánicas refractarias como los detergentes, fenoles y pesticidas 6. Remoción de trazas de metales pesados 7. Remoción de sustancias inorgánicas disueltas La complejidad del sistema de tratamiento es función de los objetivos propuestos y teniendo en cuenta el gran número de operaciones y procesos disponibles, es común hablar de pretratamiento, tratamiento primario, tratamiento secundario y tratamiento terciario de aguas residuales. La mejor alternativa de tratamiento se selecciona con base en el estudio individual de cada caso, de acuerdo con las eficiencias de remoción requeridas y con los costos de cada una de las posibles soluciones técnicas. Como guía general para la selección de procesos aplicables a la remoción de agentes contaminantes de aguas residuales se tiene la Tabla 12.

Tabla 12. Procesos aplicables en el tratamiento de aguas residuales Contaminante Proceso Lodos activados, lagunas aireadas, filtros percoladores, unidades de contacto biológico rotatorio o biodiscos, lagunas facultativas aireadas o fotosintéticas, lagunas DBO anaeróbicas, filtros anaeróbicos, proceso anaeróbico de contacto, reactores anaeróbicos de flujo ascensional (PAMLA o UASB) Sólidos suspendidos Sedimentación, flotación, cribado, filtración

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Tabla 12. (Continuación) Contaminante

Proceso

Nitrógeno Fósforo

– Nitrificación intercambio iónicobiológica, Precipitación desnitrificación, química, coprecipitación intercambio iónico Metales pesados Intercambio iónico, precipitación química Sólidos disueltos inorgánicos Intercambio iónico, electrodiálisis, ósmosis inversa Fuente. Romero Rojas Jairo. 2005

En la Figura 17 se observa el diagrama típico de un tratamiento convencional de aguas residuales municipales.

Figura 17. Tratamiento de aguas residuales en Medellín

Fuente. EPM. 2009


Lección 22 – Operaciones de plantas de tratamiento de aguas residuales Según Romero13, todo sistema de tratamiento de aguas residuales debe estar diseñado de tal manera que, cuando se opere adecuadamente, produzca en forma continua el caudal y calidad de efluente requerido. El sistema de tratamiento debe estar en capacidad de operar continuamente, aún en los casos en que sea necesario sacar de operación un equipo para su mantenimiento o reparación. Esto supone la existencia de dos o más unidades de repuesto o de reserva y la previsión en el diseño de suficientes accesorios y conexiones que faciliten la derivación o el aislamiento de los equipos de operación crítica. Para asegurar un mantenimiento adecuado se deben tener en cuenta los siguientes aspectos: 1. Definir claramente la responsabilidad del mantenimiento. 2. Asignar a personal competente la responsabilidad del mantenimiento. 3. Definir con claridad los objetivos del mantenimiento. 4. Establecer un adecuado programa de mantenimiento. 5. Asegurar el presupuesto asignado para los mantenimientos programados. 6. Contar con todos los repuestos, herramientas y controles requeridos para el sistema de tratamiento. 7. Planear y programar en forma permanente el mantenimiento preventivo. 8. Llevar un registro computarizado o escrito de cualquier labor de mantenimiento. 9. El programa de mantenimiento debe incluir labores relacionadas con: buen aseo general, almacenamiento de repuestos, lubricación y refrigeración de equipos.

13


81


Para operar exitosamente un sistema de tratamiento de aguas residuales se debe contar con un sistema de diseño excelente, con un personal de operación capacitado adecuadamente y con dedicación apropiada a los requerimientos de dicha operación. Por tanto, el periodo de cada sistema de tratamiento debe aprovecharse para entrenar los operadores, familiarizarlos con los equipos y modificar cualquier procedimiento con el objeto de asegurar la obtención de la calidad requerida del efluente. Con el fin de conocer a nivel mundial como se operan las plantas de tratamiento de aguas residuales, se revisa el sistema implementado en México (Chapala, Jalisco): http://www.youtube.com/watch?v=dFNyvY5gRmU.

Lección 23 – Pretratamiento y tratamiento primario Los pretratamientos o tratamientos preliminares generalmente son físicos e implican la reducción de sólidos en suspensión y el acondicionamiento de las aguas residuales para los posteriores procesos de tratabilidad. Los tratamientos preliminares fundamentales en un sistema de tratamiento de aguas residuales, son: 1. Cribado. Su objetivo es retener sólidos gruesos que floten o que se encuentren suspendidos en el agua, como papel, trapos, frascos, trozos de madera, cáscaras de frutas, latas, tapones de botellas, productos de higiene femenina, cepillos, cadáveres de animales y otros objetos que usualmente son transportados por la red de alcantarillado, con el fin de proteger la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales – PTAR contra obstrucciones en los equipos de bombeo, tuberías, válvulas y dispositivos de aireación. La captación de los sólidos se hace a través de cribas metálicas (Figura 18) o rejillas con un espaciamiento entre las barras de 15 a 50 mm para rejillas limpiadas manualmente, y entre 7 y 77 mm para rejillas limpiadas mecánicamente.


Figura 18. Reja de cribado fino mecanizada

Fuente. Carlos Julio Collazos. 2009

2. Desarenador. Su objetivo es prevenir la abrasión de los equipos mecánicos, evitar la sedimentación de arenas (Figura 19) en tuberías y canales y evitar la acumulación de materiales en los tanques y reactores ubicados aguas abajo, mediante estructuras destinadas a remover arenas y otros fragmentos presentes en las aguas residuales (vidrios, granos de maíz, granos de café, trozos de plástico y de cerámica, entre otros). Las características geométricas dependen del tipo de desarenador que se diseñe y están establecidas en el Capítulo E4 del Titulo E del RAS.

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Figura 19. Desarenador aireado

Fuente. PTAR El Salitre. 2010

3. Remoción de grasas. Su objetivo es retener las grasas que flotan, mientras el agua clarificada sale por una descarga inferior. Los sedimentadores primarios pueden usarse como sistemas de remoción de grasas, en dicho caso debe asegurarse que exista la capacidad de almacenamiento y los dispositivos mecánicos que permitan la evacuación del sobrenadante de forma segura y oportuna para evitar interferencias en los procesos posteriores y generación de malos olores por acumulación prolongada. 4. Homogenización. Su objetivo es regular o disminuir los efectos de la variación del flujo o de la concentración de las aguas residuales, mediante tanques de forma arbitraria o irregular con capacidad suficiente para contener el flujo de agua que sobrepasa un determinado valor.


Para determinar el volumen del tanque es necesario conocer el ciclo de variación del caudal y el grado de uniformidad que se pretende. A continuación se muestran los pasos para el cálculo del volumen de los homogenizadores:

Paso 1: Se calculan los volúmenes que entran al tanque de igualación en cada período de tiempo.

Paso 2: Se calculan los volúmenes que salen del tanque en cada período de tiempo (bombeo constante). El volumen que entra debe ser igual al volumen que sale en las 24 horas.

Paso 3: Se calculan los volúmenes acumulados que entran y que salen, respectivamente.

Paso 4: Se calcula la diferencia entre volúmenes que entran y que salen en cada período.

Paso 5: El volumen del tanque de igualación corresponderá al valor absoluto de la mayor diferencia negativa más la mayor diferencia positiva.

Paso 6: Se recomienda incrementar el volumen teórico en un 10%. El objeto de los tratamientos primarios es la remoción de los sólidos suspendidos y DBO en las aguas residuales, mediante el proceso físico de asentamiento en un tanque de sedimentación. Los tratamientos primarios fundamentales en un sistema de tratamiento de aguas residuales, son: 1. Flotación. Es un proceso unitario utilizado para la separación de partículas sólidas o líquidas en un medio líquido, que se consigue por separación simple o introduciendo burbujas muy finas de gas (aire) en la masa líquida; estas arrastran las partículas suspendidas hacia la superficie produciendo la separación por flotación.

85


El proceso más comúnmente utilizado es el denominado “Flotación por Aire

Disuelto – DAF” (Figura 20), en este proceso el agua residual se presuriza con aire en un tanque cerrado, luego se introduce al tanque de flotación pasando por una válvula reductora de presión. El súbito cambio de presión genera burbujas de 50 a 100 micras de diámetro y las burbujas ascienden a la superficie arrastrando consigo las partículas suspendidas (sólidos, aceites y grasas).

Figura 20. DAF de la PTAR de Colanta

Fuente. Autor. 2007

2. Sedimentación. Es un proceso físico en el cual se aprovecha la diferencia de densidad y peso entre el líquido y las partículas suspendidas. Los sólidos, más pesados que el agua, precipitan produciéndose la separación de los mismos, en general aplica para la remoción de sólidos con Vs > 10 m/d.


Existen tres tipos de sedimentación que son: a. Sedimentación discreta: Las partículas que conservan su identidad (forma y tamaño) b. Sedimentación floculenta: Las partículas coaguladas o de agua residual cruda que aumentan de masa.

c. Sedimentación zonal: Sucede cuando las partículas sedimentan en masa formando una interfase de clara diferenciación. El proceso de sedimentación se aplica para diferentes operaciones, como: a. Desarenadores, para la remoción de arena. b. Sedimentación primaria, para la remover partículas floculentas (con o sin coagulación) c. Sedimentación secundaria, para la remoción de partículas biológicas (biomasa) d. Espesamiento de lodos

Lección 24 – Tratamiento secundario y terciario Según Ramalho14, la expresión tratamiento secundario se refiere a todos los procesos de tratamiento biológico de las aguas residuales tanto aerobios como anaerobios. Los tratamientos secundarios fundamentales en un sistema de tratamiento de aguas residuales, son:

14

Ramalho, Op. Cit, p.253

87


1. Lodos activados. El nombre del proceso se deriva de la formación de una masa de ¨microorganismos activos¨ capaz de estabilizar un desecho orgánico bajo condiciones aerobias. Para el diseño de procesos de lodos activados se debe tener en cuenta: a. La selección del tipo de reactor. Se deben tener en cuenta los requerimientos para la transferencia de oxígeno, las características del agua residual y las condiciones medioambientales. b. Los criterios de carga. Maneja parámetros empíricos y racionales relativos al control del proceso como la relación alimento / microorganismos (F/M) y la edad de los lodos (θc) o tiempo de retención celular.

c. La producción de lodos. d. Los requerimientos de oxígeno. e. Las características del efluente.

2. Tanque séptico. Puede considerarse como un digestor convencional a escala reducida. Su uso ha estado limitado al tratamiento de las aguas residuales domésticas en zonas rurales o en las áreas suburbanas donde se carece del servicio de alcantarillado (ver Figura 21)

Figura 21. Tanque séptico

Fuente. Noyola. 2005


3. Tanque imhoff. Es un sistema un poco más elaborado, conformado por un par de compartimientos superpuestos (ver Figura 22); el de arriba destinado a facilitar la sedimentación de los sólidos sedimentables y el de abajo a la digestión de los lodos decantados.

Figura 22. Tanque imhoff

Fuente. Bueno J.L, Sastre H. y Lavín A.G. 1997

4. Lagunas anaerobias. Es empleado en el tratamiento de efluentes industriales con elevada carga y temperatura y, por supuesto, con cierto contenido de sólidos suspendidos sedimentables. También han sido utilizadas tradicionalmente para el tratamiento de aguas residuales municipales en combinación con lagunas facultativas y de maduración. Un aspecto que limita considerablemente su uso en cercanías de los centros urbanos son los olores desagradables asociados con el proceso, dada su configuración abierta.

89


Para Ramalho15, el tratamiento terciario (al que se le conoce también como tratamiento avanzado) es una serie de procesos destinados a conseguir una calidad del efluente superior a la del tratamiento secundario convencional. Algunos tratamientos terciarios son: 1. Militamiz Giratorio – MG. Es un implemento mecánico (ver Figura 23) de tratamiento capaz de remover la materia suspendida del agua residual. Puede ser utilizada para reducir organismos patógenos y la carga orgánica. El tamizado tiene una función similar a la del desbaste, pero a un nivel más fino. De hecho la malla de un tamiz puede tener aperturas que fluctúan entre 10,0 (en al caso de tamices) y 0,2 mm, dependiendo de su aplicación, pero se consideran como tamices finos aquellos entre 0,2 y 1,5 (micro y mili tamices, µT, MG).

Figura 23. Militamiz giratorio

Fuente. Orozco Alvaro. 2009

15

Ramalho, Op. Cit, p.285


En Militamices Giratorios, MG, con malla especial de 0,2 milímetros de apertura, se ha encontrado que la DQO de las aguas residuales municipales puede ser reducida en casi 35% y, con la adición de coagulantes antes del tratamiento, la remoción de la DQO total puede llegar al 60 %, con costos unitarios de remoción bajos. 2. Adsorción en carbón activo. La eliminación de contaminantes en las columnas de carbón activado se lleva a cabo mediante tres mecanismos: adsorción, fijación de partículas grandes y deposición parcial de materia coloidal. Los porcentajes de eliminación dependen fundamentalmente del tiempo de contacto entre el agua residual y el carbón activado. Cuando el agua residual fluye a través de una columna de carbón activo, los contaminantes se separan gradualmente, y el agua residual se va purificando progresivamente conforme desciende por la columna. 3. Osmosis inversa. En el tratamiento de las aguas residuales mediante esta técnica el afluente contaminado se pone en contacto con una membrana adecuada a una presión superior a la presión osmótica de la solución. El agua residual fluye bajo presión elevada (superior al valor de su presión osmótica) a través de un tubo interior formado por material semipermeable y proyectado para soportar presiones elevadas.

4. Intercambio iónico. Es un proceso en que los iones que se mantienen unidos a grupos funcionales sobre la superficie de un sólido por fuerzas electrostáticas se intercambia por iones de una especie diferente en solución. Este procedimiento ha llegado a ser notablemente importante en el campo del tratamiento de aguas residuales, ya que la desmineralización completa puede alcanzarse mediante intercambio iónico, es posible utilizar procesos de corriente partida, en los que parte del agua residual afluente se desmineraliza y se combina después con parte del afluente que ha sido desviado del tratamiento para producir un efluente de calidad especifica.

91


Lección 25 – Entrega del agua residual tratada El vertido o entrega final del agua tratada se realiza de varias formas; en las grandes ciudades, lo más común es entregar a la red de alcantarillado, mientras que en los municipios los vertimientos son entregados directamente a ríos, lagos, mares, o a cualquier tipo de fuente de agua natural que sirva de receptor de acuerdo a la cercanía y disponibilidad de la misma. Otro tipo de entregas del vertimiento tratado se realiza dependiendo de las condiciones socio – económicas, culturales y hasta topográficas y climáticas de la comunidad involucrada. Por ejemplo, en aquellos lugares del mundo en donde se enfrentan o se han enfrentado a una creciente escasez de agua, tanto de uso doméstico como industrial, y en donde las fuentes naturales de agua no son muy comunes, las autoridades empiezan a recurrir a estrategias de reuso y reciclaje de las aguas tratadas para rellenar acuíferos, regar cultivos preferencialmente no comestibles, para procesos industriales, recreación, entre otros usos. Este tipo de alternativas no se realiza al azar, su selección está relacionada con las necesidades de la comunidad y las exigencias normativas en cuanto a calidad y cantidad. Para que el propósito de la entrega del agua residual tratada al sitio destinado para tal fin sea viable, es necesario incluir desde el diseño del sistema de tratamiento, las características cualitativas y cuantitativas que se requieren para obtener la calidad de acuerdo al uso que se vaya a dar y a la normatividad que se deba cumplir. Colombia cuenta con el Decreto 3930 de Octubre 25 de 2010, por el cual se reglamentan los usos del agua y residuos líquidos (vertimientos) Por el cual se reglamenta. En el Capítulo IV de este Decreto se establecen los criterios de calidad que debe tener el agua según la destinación del recurso, es decir que si se desea realizar el vertimiento a un cuerpo de agua que tenga determinado uso, se deben entregar las aguas con la calidad destinada para tal fin.


En Colombia los usos más destacados del agua son: 1. Consumo humano y doméstico 2. Acuicultura 3. Riego agrícola 4. Recreación 5. Ganadería 6. Uso industrial 7. Energía hidroeléctrica Según un informe preparado por la UNESCO 16, el concepto de huella del agua es un indicador que relaciona el agua con el consumo - a todos los niveles - de la población. La huella hídrica de un país (o industria, o persona) se define como el volumen de agua necesaria para la producción de los productos y servicios consumidos por los habitantes de dicho país (o industria, o persona). El concepto, introducido en 2002, es un indicador que proporciona más información que los tradicionales datos basados en la producción. No obstante, otro concepto muy relacionado con el anterior, como es el de "agua virtual", vigente desde 1993. El agua virtual se define como el volumen de agua necesaria para elaborar un producto o facilitar un servicio. Por ejemplo, para fabricar un notebook se necesitan 20.000 litros de agua; para producir un kilo de carne, 15.000 litro. Se prevé que muy pronto este indicador formará parte del etiquetado de productos de todo tipo; los importadores, más temprano que tarde, tomarán en cuenta este dato. En Chile ya se trabaja en esta dirección. En Inglaterra muy pronto la información por producto estará disponible en las etiquetas. De esta forma, por una parte el consumidor podrá modificar sus hábitos a partir de la información, y por otra, los productores se verán forzados a optimizar sus procedimientos. 16

UNESCO, Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura

93


Para calcular la huella hídrica de los países (Ver Figura 24) se toman en cuenta varios factores, como el volumen total del consumo (nivel de riqueza del país), los patrones de consumo de agua (un país que consuma mucha carne tendrá mayor huella que un país con tendencia a no comer carne; así como un país que consuma más productos manufacturados industrialmente tendrá una mayor huella hídrica que aquellos que no). El clima también es relevante, porque en regiones más calurosas (donde el agua se evapora más rápido) se necesita mayor cantidad de agua para los cultivos. También se consideran las prácticas agrícolas que ahorren agua y que sean eficientes en su uso.

Figura 24. Consumo de agua por habitante, m3/año

Fuente. World Food Programme – WFP. 2008


Capítulo 6 – Tratamiento y aprovechamiento de lodos Según Romero17, uno de los principales problemas en el tratamiento de aguas residuales es el relacionado con el tratamiento y disposición de lodos. En los tanques de sedimentación se producen grandes volúmenes de lodos con alto contenido de agua, su deshidratación y disposición final pueden representar un costo muy alto 18, es por esta razón que en este capítulo se desarrollan los procesos necesarios para el tratamiento y disposición final de los lodos.

Lección 26 – Conceptos básicos (composición y características)

de

lodos

residuales

Los lodos que se producen en los procesos de tratamiento de aguas residuales son principalmente los siguientes: 1. Lodo primario proveniente de la sedimentación. 2. Lodo secundario proveniente del tratamiento biológico. 3. Lodos digeridos provenientes de los dos procesos anteriores, separados o mezclados. 4. Lodos provenientes de la coagulación y sedimentación. 5. Lodos provenientes de plantas de desarenadores y rejillas.

17

Romero Jairo, Op. Cit, p. 757

18

En las PTAR se estima que el costo del tratamiento y disposición de lodos puede representar hasta un 50% del valor del tratamiento total. Romero. 2005

95


En la Tabla 13 se resumen las principales fuentes de sólidos y de lodos en una planta convencional de tratamiento de aguas residuales.

Tabla 13. Fuentes de sólidos y de lodos en el tratamiento de aguas residuales Unidad

Tipo de sólido o de lodo

Cribado

Sólidos gruesos

Desarenadores

Arena y espuma

Preaireación

Arena y espuma

Sedimentación primaria

Lodo y espuma primarios

Tratamiento biológico Sedimentación secundario Tratamiento de lodos

Sólidos suspendidos Lodo y espuma secundarios Lodo, compost, cenizas

Observaciones Los sólidos retenidos por la criba son removidos manual o mecánicamente A menudo, se omite la remoción de espuma en desarenadores A menudo, se omite la remoción de espuma en la preaireación. Puede ocurrir sedimentación de arena si no existen desarenadores antes de la preaireación La cantidad depende del tipo de agua residual afluente Los sólidos suspendidos son el resultado de la síntesis biológica de la materia orgánica La remoción de espuma es requisito exigido por la USEPA* El lodo obtenido depende de su srcen y del proceso usado en su tratamiento

* USEPA, United States Environmental Protection Agency, en Colombia conocida como EPA Fuente. Romero Rojas Jairo. 2005

Todos los lodos crudos tiene un contenido bajo de sólidos (1 – 6%), por ello, la disposición de su pequeño contenido de sólidos requiere el manejo de un gran volumen de lodo (Figura 25). El problema principal del tratamiento de lodos, es concentrarlos mediante la máxima remoción de agua y reducir su contenido orgánico.


Figura 25. Lodos de una PTAR de un Laboratorio Cosmético

Sin deshidratar (salen 2 tanques iguales)

Deshidratados (solo queda este tanque)

Fuente. Autor. 2011

Los lodos provenientes de aguas residuales están compuestos en especial por materia orgánica removida del agua residual, la cual eventualmente se descompone y causa los mismos efectos indeseables del agua residual cruda. Las características de los lodos varían mucho dependiendo de su srcen, de su edad, del tipo de proceso del cual provienen y de la fuente srcinal de los mismos, mientras que la cantidad de lodo producido es muy variable, esta depende del proceso de tratamiento usado, de las características del agua residual, del grado de tratamiento previo, del tiempo de sedimentación, de la densidad de sólidos, del contenido de humedad, del tipo de equipo o método de remoción de lodos y de la frecuencia de remoción de los mismos. En la Tabla 14 se resumen los valores típicos de las cantidades y características de los lodos producidos por diferentes procesos de tratamiento para aguas residuales.

97


Tabla 14. Características de los lodos

Unidad Sedimentación primaria Filtro percolador Precipitación química Lodos activados Tanques sépticos Tanques imhoff Aireación prolongada Lodo primario digerido anaerobiamente Laguna aireada Lodo primario digerido aerobiamente

% humedad del lodo Intervalo Típico 88 - 96 95 91 -- 95 90 - 93 90 - 95 88 - 92 90 - 95 88 - 92 93 - 97

Densidad relativa Sólidos Lodo 1,4 1,02

93 93 92 93 90 90 93 90 96

1,5 1,7 1,3 1,7 1,6 1,3 1,4 1,3 1,4

1,025 1,03 1,005 1,03 1,04 1,015 1,02 1,01 1,012

Fuente. Romero Rojas Jairo. 2005

Lección 27 – Espesadores

El espesamiento es, generalmente, la primera etapa del tratamiento de lodos; se utiliza por gravedad o por flotación con aire disuelto para mejorar la operación de los digestores, rebajar el costo de la digestión y reducir el volumen del lodo. Recordemos que la sedimentación es un método común para separar sólidos de líquidos en tratamiento de aguas. Cuando la separación es para producir un efluente libre de sólidos se llama clarificación y cuando es para producir un lodo concentrado se denomina espesamiento. Los espesadores por gravedad (Figura 26) son sedimentadores dotados con barredora de lodos para producir un lodo más concentrado que el lodo aplicado. El rendimiento de un espesador gravitacional puede mejorarse agregando coagulantes. La dosis requerida de coagulante debe determinarse mediante ensayos de laboratorio, aunque generalmente se requieren dosis de 1 a 6 mg/L de cloruro férrico o de 5 a 12 mg/L de óxido de calcio.


Figura 26. Espesador por gravedad circular

Fuente. SIEMENS. 2010

El método de espesamiento por flotación se aplica a lodos gelatinosos, como los lodos activados y a lodos livianos de filtros percoladores. El espesamiento por flotación con aire disuelto – FAD (Figura 27) es una separación de sólidos del líquido mediante la introducción de burbujas finas de aire dentro de la fase líquida. Las burbujas se adhieren a los sólidos y el empuje combinado del gas y el sólido hacen que suba a la superficie del líquido donde son removidos.

Figura 27. Espesamiento por flotación

Fuente. AUTOR. 2009

99


Lección 28 – Deshidratación de lodos La deshidratación tiene el propósito de concentrar los lodos, con el fin de reducir el volumen que se va a estabilizar. Sus principales características son:

1. Disminuye los costos de transporte, al disminuir el volumen del lodo. 2. Disminuye la generación de malos olores. 3. Hace más manejables los lodos. 4. Aumenta el poder calorífico de los lodos, al disminuir la humedad. 5. Es necesaria si el lodo se va a compostar o a disponer en un relleno sanitario, ya que disminuye la formación de lixiviados. Existen varios métodos para deshidratar lodos, algunos de estos son: 1. Estabilización con cal. La adición de cal para la estabilización de lodos es un proceso sencillo que permite eliminar olores y patógenos mediante la creación de un pH igual a 12,0 durante más de dos horas. Cuando se agrega cal, los microorganismos que producen los gases olorosos de la descomposición anaerobia son destruidos o inactivados, así como los patógenos. La adición de cal también mejora las características de secado y sedimentación del lodo, reduce el poder fertilizante del lodo estabilizado en comparación con el lodo digerido anaerobiamente y aumenta su alcalinidad. 2. Lechos de Secado. Consiste en una estructura rectangular de poca profundidad (Figura 28) con un fondo poroso sobre una red de drenaje subterráneo, este sistema funciona mejor al ir agregando capas delgadas una encima de la otra a medida que el lodo se va secando. En sitios con alta pluviosidad debe estar cubierto para que la deshidratación sea efectiva.


Figura 28. Lechos de secado de lodos en una curtiembre de Villapinzón

Fuente. AUTOR. 2011

3. Filtros prensa. Consiste en un bombeo a presión (Figura 29). Es un sistema costoso y no es viable en sistemas que generen pequeñas cantidades de lodo.

Figura 29. Placas del Filtro prensa

Fuente. AUTOR. 2011

101


Lección 29 – Digestión de lodos La digestión de lodos se aplica con el propósito de producir un compuesto final más 19

estable y eliminar cualquier microorganismo patógeno presente en el lodo crudo . Existen dos alternativas para la digestión de lodos, que son: 1. Digestión aerobia. Es un proceso en el cual se produce una aireación (ver Figura 30), por un periodo significativo de tiempo, de una mezcla de lodo digerible de la clarificación primaria y lodo del tratamiento biológico aerobio, con el resultado de una destrucción de células y disminución de sólidos volátiles en suspensión. Su objetivo principal es reducir el total de lodos que se debe evacuar posteriormente; esta reducción es el resultado de la conversión, por oxidación, de una parte sustancial del lodo en productos volátiles (CO 2, NH3, H2).

Figura 30. Difusores de burbuja fina

Fuente. Sociedad Ingeniería Bio Agua Chile Ltda. 2010

19



En el caso de digestión aerobia, los tiempos de residencia son menores que en los procesos anaerobios, lo que significa menores inversiones en capacidad o volumen del digestor. 2. Digestión anaerobia. Se usa principalmente para estabilizar lodos primarios y secundarios. El resultado de la digestión es reducir el contenido volátil a cerca del 50% y los sólidos a aproximadamente un 70% de los valores srcinales. Los sólidos orgánicos remanentes son de naturaleza homogénea, relativamente estables, con olor a alquitrán; sin embargo la deshidratación del lodo digerido es difícil. Los

digestores

anaeróbicos

son

generalmente

tanques

cilíndricos

o

rectangulares. Los tanques cilíndricos tiene una relación profundidad / diámetro de 0,3 a 0,7 para facilitar la mezcla, fondo cónico con pendientes de 1/6 a 1/4 y bocas de extracción de lodos por el centro del cono y uno o más puntos intermedios entre el fondo del digestor y el nivel máximo del agua en el digestor. Se recomienda, además, dejar un espacio libre adicional de 0,9 a 1,5 m de longitud para acumulación de espuma y como borde libre. El cono del fondo no se incluye en el cálculo del volumen útil del digestor para permitir acumulación de arena y material no biodegradable.

Lección 30 – Uso del lodo residual tratado (biosólidos) Según Romero20, es necesario hacer claridad conceptual entre LODO y BIOSÓLIDO, ya que el término LODO corresponde a un líquido con contenido de sólidos en suspensión sin ningún tratamiento, mientras que BIOSOLIDO corresponde a un sólido que ha sido llevado a procesos de estabilización, que no genera riesgos ni a la sociedad, ni a los recursos naturales. 20


103


En general los BIOSOLIDOS son los sólidos provenientes del tratamiento de aguas residuales municipales, estabilizados biológicamente, con suficiente concentración de nutrientes, bajo contenido de microorganismos patógenos, presencia permisible de metales pesados, que se pueden utilizar como fertilizante, acondicionador o mejorador de suelos (Figura 31), de acuerdo con la composición fisicoquímica del biosólido y la vocación de uso del suelo.

Figura 31. Suelos restaurados con el biosólido generado por la PTAR El Salitre


En el siguiente link pueden observar la operación de una planta de tratamiento de lodos: http://www.youtube.com/watch?v=6L_l9sao9q8.







¿Cuál es el muestreador utilizado en aguas residuales? ¿Cómo se calcula el caudal con el método volumétrico, cuál es la expresión matemática?



¿De un ejemplo de parámetros no específicos?



¿Qué tipo de parámetro son los cloruros?



¿Cuál es el tiempo de conservación que se tiene para medir el pH?



¿En teoría, cuáles datos se deben rechazar?









¿Qué proceso renueve metales pesados? ¿Cuál es el objetivo de un tanque de homogenización? ¿Qué es DAF? ¿En qué tipo de sedimentación las partículas conservan su forma y tamaño?








Identifique cuales son residuales. los elementos de protección personal que se deben usar para muestrear aguas Elija una fuente de agua residual de su municipio y establezca las posibles formas de medir el caudal. Identifique cuales son los proceso de tratamiento que se le dan a las aguas residuales domésticas de su municipio.

105






Establezca cuales son los puntos de descarga de las aguas residuales tratadas en su municipio. Identifique que tipo de tratamiento se le da a los lodos en su municipio.

Fuentes Documentales Unidad 2





Comisión Nacional del Agua. (2007). Manual de agua potable, alcantarillado y saneamiento. Metcalf & Eddy. (1998). Ingeniería de aguas residuales: tratamiento, vertido y reutilización.



Perry, Roberth. (1997). Manual del Ingeniero Químico.



Ramalho, Ruben S. (1981). Tratamiento de aguas residuales.





Reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico – RAS. (2000). Títulos B, C, D y H. Romero Rojas, Jairo Alberto. (2005). Tratamiento de aguas residuales, teoría y principios de diseño.



Sistemas de bombeo de agua residual

Intencionalidades Formativas

En la Unidad 3 se desarrolla el tema de sistemas de bombeo del agua residual como eje principal de la circulación y manejo del caudal de aguas residuales, se identifican sus elementos constitutivos, se reconocen los elementos y procesos que intervienen en una estación de bombeo y se comprende la importancia y aplicabilidad del sistema. Se desarrolla el tema “Sistemas de bombeo de agua residual”, que hace referencia al sistema por el cual se conduce el agua residual desde la fuente hasta la entrada de la planta y dentro de la planta; es decir que es el sistema por el cual se lleva el agua de unidad en unidad para realizar su depuración. Este sistema no solo permite conducir el líquido, sino también manipular el caudal que se debe transportar con el fin de lograr los tiempos de residencia mínimos, según las remociones esperadas. Aplicar los conceptos desarrollados y su integración para generar soluciones de alto impacto.

Capítulo 7

Principio de los sistemas de bombeo

Introducción

Justificación

    


Capítulo 8     


Capítulo 9     


Conceptos y términos utilizados en los sistemas de bombeo Hidráulica de bombas y sistemas de bombeo Clases de equipos para bombeo de agua residual Esquemas de sistemas de bombeo Curvas características

Elementos de estaciones de bombeo Bombas Cárcamo Tuberías de succión en impulsión Accesorios Instrumentaciones de estaciones de bombeo

Tipos de estaciones de bombeo Clasificación de estaciones de bombeo Características de las estaciones de bombeo Estaciones de bombeo convencionales Estaciones de bombeo prefabricadas Operación de estaciones de bombeo

107


Capítulo 7 – Principios de los sistemas de bombeo Un sistema de bombeo, también llamado estación de bombeo, tiene como propósito fundamental transportar y/o elevar las aguas residuales en la red o en la planta de tratamiento cuando la disposición final del flujo por gravedad no es posible. Al igual que el diseño de los sistemas de acueducto y alcantarillado, la CRA establece los criterios y parámetros básicos de diseño de las estaciones elevadoras y de bombeo, así que en este capítulo se van a ampliar los criterios de diseño basados en el Capítulo D7 del RAS.

Lección 31 – Conceptos y términos utilizados en los sistemas de bombeo El estudio, definición y manejo de sistemas de bombeo involucra términos y conceptos específicos que se definen a continuación para una mayor comprensión del capítulo. 1. Alturas. Debido a que el propósito de las bombas está relacionado con el transporte o elevación de líquidos, se tienen tres dimensiones verticales a diferenciar: a. Altura estática de succión o aspiración: Corresponde a la diferencia entre la altura de la superficie del líquido a elevar y la altura del eje de la bomba. b. Altura estática de desca rga o impulsión: Corresponde a la diferencia de niveles entre la altura del eje de la bomba y la cota piezométrica superior, es decir, el punto más elevado de la instalación. c. Altura dinámica total de elevación: Corresponde a la sumatoria de las alturas estáticas más las pérdidas de carga. Estas últimas están referidas principalmente a las pérdidas de carga por fricción en las conexiones y tuberías.


2. Aspiración. Es el fenómeno ocurrido al succionar, cuando la bomba se encuentra ubicada sobre el nivel del líquido. Esta ubicación genera un cierto grado de vacío que hace subir el líquido, pero si la altura máxima de aspiración no se consigue puede ser causada por: a. Pérdidas de carga por fricción y pérdidas especiales de carga en la aspiración. b. Generación de presión de vapor, que se da cuando la presión absoluta es menor a la presión de vapor del líquido que se eleva, se produce vaporización y se interrumpe el escurrimiento. c. Cavitación, que sucede cuando por una pérdida de presión localizada, el líquido hierve en ese punto de la bomba, formando burbujas o cavidades llenas de vapor, esas cavidades desaparecen cuando las burbujas llegan a regiones de la bomba con mayor presión. 3. Carga neta de succión o NPSH (Net Positive Suction Head). Es la altura de la columna que se requiere para mover el líquido sin producir cavitación. Este es un valor totalmente experimental y es proporcionado por los fabricantes de las bombas. 4. Carga neta de s ucción disponible o NPSH disponible. Es la diferencia entre la altura de la presión atmosférica y la altura de aspiración más las pérdidas de carga más la presión de vapor. La NPSH disponible no depende de la bomba sino del sistema hidráulico.

5. Cebado. Es una operación o actividad que consiste en sacar el aire de la tubería o conducción de aspiración y de la bomba para que quede llena con líquido y no se generen situaciones de cavitación. Se puede realizar de dos formas: Sacando el aire por medio de una bomba de vacío o llenando la tubería o conducción con el líquido, ya sea desde una fuente exterior o bien desde una conducción o tubería de impulsión mediante un By-Pass.

109


6. Golpe de Ariete. Fenómeno causado sobre todo el sistema hidráulico srcinado al retornarse el agua que hay en la tubería de descarga por parada y/o apagado de la bomba. Este fenómeno debe prevenirse con la colocación de válvulas de retención, ya que su suceso daña las conducciones, las conexiones y las partes de la bomba.

7. Presión Atmosférica. Es la presión que ejerce el aire en cualquier punto de la atmósfera.

Lección 32 – Hidráulica de bombas y sistemas de bombeo El movimiento de un fluido a través de un ducto o canal se logra por medio de una transferencia de energía. Los medios comúnmente empleados para lograr flujo en los fluidos son: gravedad, desplazamiento, fuerza centrifuga, fuerza electromagnética, transferencia de cantidad de movimiento (momentum), impulso mecánico, o combinaciones de estos seis medios básicos. Después de la gravedad, el medio más empleado actualmente es la fuerza centrífuga 21: La descarga de un fluido mediante el desplazamiento parcial o total de su volumen interno por medio de bombas tiene las siguientes características: 1. Son adaptables para el funcionamiento a presiones elevadas. 2. El gasto a través de la bomba es variable, incluso se pueden emplear sistemas auxiliares de amortiguamiento para reducir la magnitud de la pulsación de presión y la variación de flujo. 3. Las condiciones mecánicas limitan los gastos máximos.

21

Perry Roberth. Manual del Ingeniero Químico – Séptima edición. 1997


4. Pueden tener un desempeño eficiente a índices de gasto de volumen extremadamente bajos. Cuando se utiliza fuerza centrífuga, ésta es proporcionada por medio de una bomba centrifuga o de un compresor. Aunque varía mucho el aspecto físico de los diversos tipos de bombas centrífugas, la función básica es siempre la misma, es decir producir energía cinética mediante la acción de una fuerza centrifuga y convertirla parcialmente en presión. Estos dispositivos tienen las siguientes características: 1. La descarga está relativamente libre de pulsaciones. 2. El diseño mecánico se presta a gastos elevados, lo que significa que las limitaciones de capacidad constituyen raramente un problema. 3. Pueden asegurar un desempeño eficiente a lo largo de un intervalo amplio de presiones y capacidades, incluso cuando funcionan a velocidad constante. 4. La presión de descarga es una función de la densidad del fluido. 5. Son dispositivos de velocidades relativamente bajas y más económicos. Cuando el fluido es buen conductor eléctrico, es posible aplicar un campo electromagnético en torno al ducto del fluido, de tal modo que se genere una fuerza impulsora que provocará el flujo. Esas bombas se desarrollaron para el manejo de líquidos para transferencia de calor, sobre todo en los reactores nucleares. La carga dinámica total H de una bomba es:

H  hd  hs Donde, hd = Carga total de descarga hs = Carga total de succión

111


Y hs es:

hs  hgs  atm  hvs

Donde, hgs = Lectura del manómetro en la brida de succión de la bomba atm = Lectura barométrica hvs = Carga de velocidad en el punto de colocación del medidor Si la presión manométrica en el succionador es menor que la atmosférica, requerirá la utilización de un vacuómetro cuya lectura se utilizará para h gs en la ecuación anterior, con un signo negativo. Antes de la instalación de la bomba, es posible estimar la carga total de succión como sigue:

hs  hss  h fs Donde, hss = Carga estática de succión hfs = Carga de fricción en la succión Para el cálculo del rendimiento de una bomba, se acostumbra conocer su potencia

desarrollada, que es el producto de la carga dinámica total y la masa de líquido bombeada en un tiempo dado. En unidades del SI22, la potencia se expresa en kilowatts, sin embargo en Estados Unidos la unidad convencional es el caballo de potencia (hp).

22

SI, Sistema Internacional (Ver Listado de símbolos y abreviaturas)


En unidades del SI

kW  HQ 3,670  105 Donde, hp = Potencia desarrollada por la bomba, hp H = Carga dinámica total (columna del líquido), ft Q = Capacidad, galones/min s = Gravedad específica del líquido En unidades usuales en Estados Unidos

hp  HQs 3,960  103 Donde, kW = Potencia desarrollada por la bomba, kW H = Carga dinámica total (columna del líquido), m Q = Capacidad, m 3/h ρ = Densidad del líquido, kg/m3

La potencia suministrada a una bomba es mayor que su potencia desarrollada a causa de las pérdidas internas debidas a fricción, fugas, entre otras. La eficiencia de una bomba se define como:

Eficiencia de la bomba  potencia desarrollada potencia su min istrada

113


Lección 33 – Clases de equipos para bombeo de agua residual Hay muchas formas de clasificar las bombas, por ejemplo se pueden catalogar por rangos de volúmenes a manejar o por fluidos a mover, entre otras. Sin embargo, la clasificación más general es en función de la forma en que las bombas imprimen el movimiento al fluido, las separa en dos tipos principales, tal como se indica en la Figura 32.

Figura 32. Clasificación de bombas

Fuente. Perry Roberth. 1997


Los principales instrumentos para elevar aguas residuales y pluviales son las bombas helicoidales, las bombas centrífugas y las bombas eyectoras. El funcionamiento de estos es el siguiente: 1. Las bombas centrífugas son accionadas por motores eléctricos (Figura 33) o de combustión interna. Son las más usadas y se fabrican para capacidades variadas. En general, tienen altos rendimientos y son las más apropiadas cuando las alturas de bombeo son grandes.

Figura 33. Partes de una bomba centrifuga

Fuente. Adrian Castillo Nava. 2010

115


El comportamiento hidráulico de estas bombas se basa en los mismos principios que rigen las bombas centrífugas utilizadas para el bombeo de agua limpia. Sin embargo, dado que las aguas residuales y pluviales contienen partículas en suspensión, estas bombas deben tener rotores especiales que permitan el paso de material sólido de un cierto diámetro (inatascables y resistentes a la acción corrosiva), además de registros de inspección a la entrada y salida para permitir su limpieza. Usualmente trabajan ahogadas, lo cual evita el cebado inicial y la utilización de la válvula de pie, la cual podría funcionar deficientemente con los sólidos transportados por el agua. Existen varios tipos de bombas centrífugas para aguas residuales y pluviales: de eje horizontal; de eje vertical con instalación en el pozo húmedo; de eje vertical con instalación en el pozo seco, y conjunto motor – bomba sumergible. Las de eje vertical tienen la ventaja de poder ser operadas por motores ubicados en niveles superiores libres de posibles inundaciones. Las de motor – bomba sumergible engloban en una sola carcasa, la bomba centrífuga y el motor eléctrico. Para determinar la capacidad de una bomba centrífuga y seleccionar el modelo apropiado es necesario conocer fundamentalmente el caudal de bombeo y la altura dinámica total.

2. Las bombas eyectoras reciben las aguas residuales sin cribado previo. Están conformadas por una cámara a la que llega el agua directamente desde un colector alimentador. Cuando el nivel alcanza una cota determinada, un sensor eléctrico activa un compresor que inyecta aire en la cámara e impulsa el agua por la tubería de salida. Son adecuadas para caudales de bombeo bajos.

3. Las bombas helicoidales están basadas en el tornillo de Arquímedes (Figura 34), funcionan al aire libre y, por lo tanto, a presión atmosférica. La altura que debe vencerse corresponde al desnivel existente entre las extremidades del


tornillo, colocado en su posición de operación. Estas bombas son adecuadas para caudales importantes y pequeñas alturas de elevación. Su rendimiento es relativamente bajo debido principalmente a fugas entre la hélice y la canaleta que la contiene.

Figura 34. Tornillo de Arquímedes


Lección 34 – Esquemas de sistemas de bombeo Cuando en un sistema de tratamiento de aguas residuales se tienen dos o más bombas, estas pueden conectarse de diferentes formas dependiendo del objetivo deseado. Según

117


Zertuche23, hay casos en que las necesidades de un sistema exigen que varíe la presión o el gasto, así como los requerimientos de succión y descarga; para ello se emplea el uso de bombas en serie o en paralelo y con ello se logra el aumento de la eficiencia de dicho sistema. En esta lección se estudiaran más a fondo estos dos tipos de sistemas. 1. Esquema de bombeo en paralelo. Este esquema es útil en situaciones donde se pronostican fluctuaciones significativas de caudal. Para esto, la demanda máxima de caudal se reparte en varias bombas iguales en paralelo (Figura 35) descargando al tiempo en un colector común conectado a la tubería de impulsión. A medida que aumenta el caudal se van prendiendo las bombas de acuerdo a la necesidad. En este caso se suman las capacidades de las bombas y se operan a la misma carga.

Figura 35. Esquemas de un sistema de tres bombas en paralelo

P-1

E-1

P-5 P-3

E-2

P-4

E-3

Fuente. Autor. 2011

23

Zertuche Rodríguez Jorge. Practica 6 – Bombas en serie y paralelo. 2010


2. Esquema de bombeo en serie. En este caso se suman las cargas de las bombas a la misma carga, conectando varias bombas una después de la otra (Figura 36) con el fin de lograr un aumento proporcional de la presión total o final del sistema. Así, una tubería de succión se introduce en la fuente de agua y a la entrada de la primera bomba, luego a la salida de esta bomba se conecta la entrada de la siguiente, y así sucesivamente. El caudal va sufriendo sucesivamente una relevación de altura cuando las bombas están distantes y de presión cuando las bombas están una inmediatamente después de la otra. El esquema en serie

resulta interesante cuando hay que suministrar alturas

elevadas y existe limitación de diámetros.

Figura 36. Esquemas de un sistema de tres bombas en serie

P-3 P-5

E-3 E-2

E-1

Fuente. Autor. 2011

Lección 35 – Curvas características Según Fernández24, la altura manométrica y el caudal de una bomba varían según la velocidad de rotación, dependiendo esta variación de las leyes de semejanza:

24

Fernández Díez Pedro. Curvas características, acoplamientos y empuje axial. 2000

119


q q



n

Hm

;

n

Hm





n2 n 2

La ley de variación de H m, q y n, viene a su vez definida por la ecuación de las curvas características, de la forma:

H m  A  Bq  Cq 2 en la que los valores de A y B son:

A

u 22 g

 u2 

  D2  n

60

2

1    D2  n      C1 n 2 g 60 

cot g   2   D2  n B  g  k2 2

60

;

C1 



2

 D22

3600g

  D2  cot g   2

 C n ; C  60  g  k 2   2  5,3428 2

2

 2,7975.10  4 D22

D2  cot g   2 k2  2

por lo que el valor de H m se obtiene en la forma:

H m  C1  n 2  C 2  n  q  C  q 2 que es la ecuación de las curvas características, en la que C1 y C2 son constantes para cada bomba y C es otra constante propia de la bomba e independiente de la velocidad de giro. Si la ecuación anterior se representa en el espacio tomando como ejes ortogonales H m, q y n, resulta una superficie que es la característica de la bomba centrífuga, paraboloide hiperbólico; si en dicha superficie se considera la intersección con la familia de planos

paralelos al (Hm, q), es decir, planos de ecuación, n = constante, se obtiene una familia de parábolas que constituyen las curvas características de la bomba, a diversas


velocidades de rotación, cuyas ecuaciones se deducen dando a n diversos valores, Figura 37, parábolas que vienen determinadas por un parámetro de la forma:

p

C 2

que, para una bomba dada, es constante para toda la familia de curvas características, ya que C es independiente de la velocidad de rotación n.

Figura 37. Representación espacial de las curvas características de una bomba

Fuente. Fernández Díez Pedro. 2000

De ello se deduce que las curvas características de una bomba dada correspondientes a distintas velocidades de rotación n son congruentes. Si estas curvas características se proyectan sobre un plano paralelo al (H m, q), Figura 38, se obtiene una familia de parábolas congruentes, de forma que sus máximos A 1, A2, A3 ... están a su vez sobre otra parábola (OA); asimismo, cada serie de puntos homólogos B 1,

121


B2, B3 ..., C1, C2, C3 ..., estarán sobre otras tantas parábolas (OB), (OC), .... respectivamente.

Figura 38. Proyección sobre el plano (H m, q) de las curvas características de una bomba


En efecto, dadas una serie de curvas características de una bomba, correspondientes a velocidades de giro n 1, n2, n3 ..., y si en dichas curvas se consideran los máximos A 1, A2, A3 ..., que corresponden a puntos homólogos (H mA1, qA1), (HmA2, qA2), (HmA3, qA3) ..., respectivamente, las ecuaciones de semejanza quedan en la forma:

qA1 qA2



n1 n1

qA2 n 2  qA3 n3

;

;

H mA1 H mA2 H mA2 H mA3

2  qA1       2  n 2  qA2   2 n 22  qA2      H2mA  H2mA   2   n3  qA3   q A1 q A2    

n12



1

2





H mA  kA q2 A


en donde kA es una constante para todos los puntos homólogos A 1, A2, A3 ..., que estarán sobre una parábola (OA) de regímenes semejantes, (igual rendimiento), de ecuación:

 k q2

H mA

A

A

en la que la constante k A se deduce conociendo uno cualquiera de estos puntos, dividiendo la altura manométrica del mismo por el cuadrado del caudal correspondiente. Asimismo, en cualquier otra serie de puntos homólogos que no sean los máximos, las leyes de semejanza serían idénticas, de la forma:

H mB1 2

q B1 H



H mB2 2

q B2





H

mC1 2 1

 q 2mC  q C C2 2



  kB  q B   mC k C H    H mB  k B q B2 ; H mC  k C q C2 q 2C    



H mB 2



que dicen que, los puntos homólogos están sobre otras tantas parábolas cuyas ecuaciones son las indicadas en dicho sistema. Estas parábolas se conocen como parábolas de regímenes semejantes. De todo ello se deduce que si se conoce la curva característica correspondiente a un número de revoluciones n, se conocen todas las curvas características para un número de revoluciones cualquiera. Si por ejemplo se conoce la curva característica correspondiente a n 1 rpm y el punto de funcionamiento dado por el caudal q A1 y la altura manométrica H mA1 del punto A1 de dicha curva característica, se determina la constante k A en la forma:

123


kA 

H mA1 q A21

y a partir de ella la ecuación de la parábola de regímenes semejantes (OA):

H mA  k A q A2

que en la posición A 2, (dado que A1 y A2 tienen el mismo rendimiento por estar sobre la misma parábola de regímenes semejantes), permite determinar el caudal q A2 o la altura HmA2, si se conoce n 2, o viceversa, mediante las expresiones:

q A2  q A1

nA n1

2

H mA2

n   qA   H mA  2   H mA  2   n1   qA1  1

2

1

En general, la curva característica suele aparecer con una ligera caída hacia la derecha (Figura 39); en principio podría parecer que mejor hubiera sido horizontal, pues permitiría regular la bomba en amplios intervalos de caudales, dando siempre la misma presión o altura de impulsión; sin embargo, el caudal se puede regular accionando la válvula de impulsión, de forma que la variación de presión que con esto se provoca, permite ajustar el caudal al valor deseado.


Figura 39. Ensayo completo de una bomba centrífuga a diferente n° de rpm

Curvas, Hm = f(q) ; N = f(q) ; h = f(q)


125


Capítulo 8 – Elementos de estaciones de bombeo En el numeral D.7.3 del Título D del RAS, se establece que la estación de bombeo debe cumplir con ciertas características y condiciones básicas, las cuales se describen a continuación: 1. Localización. La determinación de la ubicación de la estación de bombeo es muy importante, sobre todo en áreas no desarrolladas o parcialmente urbanizadas, ya que ésta podrá afectar el desarrollo completo del área. Los aspectos arquitectónicos también deben ser considerados en la selección del sitio, de tal forma que no afecte adversamente las áreas vecinas. En general, los factores que deben tenerse en cuenta son los siguientes: a. Condiciones del sitio. b. Drenaje del terreno. c. Menor altura media entre el punto de succión y punto de bombeo. d. Trayecto más corto de la tubería de bombeo. e. Cotas de acceso superiores a las cotas de inundación, o en caso contrario, con posibilidad de protección adecuada. f. Estabilidad geotécnica del terreno. g. Accesibilidad. h. Dimensiones del terreno suficientes para satisfacer las necesidades i.

actuales y futuras. Factibilidad de adquisición de predios.

j.

Facilidad de suministro adecuado de energía y disponibilidad de otros servicios (agua potable, teléfonos, entre otros).

k. Facilidad de vertimientos de aguas residuales o pluviales en condiciones eventuales e interrupción de bombeo.


l.

Reacondicionamiento mínimo de interferencias.

m. Menor movimiento de tierra. n. Integración de la obra con el paisaje circundante. o. Propiedad y facilidad de adquisición del terreno. p. Manejo de olores. 2. Inundaciones. La profundidad de los colectores o canales de llegada determinan la profundidad de la estructura de la estación de bombeo por debajo del nivel del terreno. Las estaciones de bombeo deben diseñarse de tal forma que sean resistentes a los efectos de flotación que pueden producir las inundaciones. Durante la operación de la estación no deben presentarse inundaciones dentro de ésta, y la edificación debe tener drenajes adecuados. En el pozo de succión debe dejarse un nivel de protección contra crecientes y fallas en la evacuación del caudal. La estación debe estar protegida para un periodo de retorno de 50 años.

3. Protección contra incendios. Deben existir dispositivos para extinguir incendios, ubicados en lugares adecuados, los cuales deben estar perfectamente señalizados. Además, los materiales de la estación deben ser a prueba de incendio. 4. Facilidad de mantenimiento. Deben dejarse los accesos necesarios para efectuar las labores de mantenimiento. En los niveles de complejidad medio alto y alto, la estación debe diseñarse de tal forma que las labores de mantenimiento no afecten la prestación del servicio. 5. Operación económica. La estación debe tener el menor costo posible de operación y las bombas deben operar con una eficiencia cercana a la máxima posible. 6. Restricción de acceso. Deben tomarse las medidas de seguridad necesarias para evitar el acceso de personas extrañas diferentes de las encargadas de la operación y/o mantenimiento.

127


7. Análisis de costo mínimo. En los niveles de complejidad medio alto y alto debe hacerse un análisis de costo mínimo, que tenga en cuenta los costos iniciales, de operación y de mantenimiento, las economías de escala y la tasa de descuento.

Lección 36 – Bombas En el numeral D.7.4.5 del Título D del RAS, se establece el tipo de bombas que debe llevar el sistema de tratamiento de aguas residuales, donde se establece que la magnitud y las variaciones de los caudales y los desniveles que deben ser vencidos permiten determinar el tipo de bomba. Las variaciones de caudales máximos a lo largo del tiempo contribuyen a determinar las etapas del proyecto y el tipo de instalación. Para pequeñas estaciones de bombeo pueden adoptarse instalaciones simplificadas con automatización en función de los niveles en el pozo húmedo, para ello deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos: 1. Características del agua residual afluente. 2. Tipo de energía disponible. 3. Espacios requeridos y disponibles. 4. Forma de operación prevista. 5. Variación en los niveles máximo y mínimo en la succión y la descarga, así como la variación en los caudales. 6. Periodos de operación. 7. Compatibilidad con equipos existentes. La estación de bombeo puede estar conformada por varias bombas. Usualmente, éstas están en paralelo (ver lección 34), en el caso de aguas residuales y lluvias. Debe procurarse que las bombas sean del mismo tipo y capacidad, y guardar similitud con equipos existentes. Otros criterios de selección son economía, facilidad de operación, disponibilidad en el mercado y soporte técnico.


Para establecer el número de bombas, pueden seguirse las siguientes pautas: 1. Debido a que el caudal máximo no se presenta en la etapa inicial, deben seleccionarse bombas iguales que se irán instalando de acuerdo con los requerimientos de las diferentes etapas. 2. En el caso de bombas pequeñas, deben instalarse como mínimo dos unidades, cada una con capacidad para bombear el caudal máximo, quedando la segunda como reserva.

3. En estaciones mayores debe ser prevista, además de las unidades necesarias para el caudal máximo, por lo menos una bomba con capacidad igual a la mayor de las bombas instaladas, como reserva.

4. En la selección de las unidades de bombeo deben observarse cuidadosamente las recomendaciones técnicas (curvas características, lección 35) y operativas de los fabricantes.

Lección 37 – Cárcamo El cárcamo o pozo húmedo es el compartimiento destinado a recibir y acumular las aguas residuales durante un determinado período. Su adecuado dimensionamiento y la utilización de controles de nivel permiten el correcto manejo de las aguas afluentes. El tiempo de permanencia del agua dentro del pozo no debe ser muy largo puesto que pueden generarse malos olores y gases, sobre todo en el caso de aguas residuales, y la acumulación de lodos en el fondo del pozo. Un valor recomendable del tiempo máximo de retención es 30 minutos. En caso de operación intermitente de la bomba, se recomienda un máximo de 3 a 5 arranques por hora en bombas horizontales y verticales. Para bombas sumergibles el número permitido de arranques por hora es 10. El tiempo

129


recomendable de un ciclo de bombeo debe estar entre 10 y 20 minutos y el ciclo de operación no debe ser menor de 5 minutos 25. La profundidad del pozo a partir del nivel del terreno debe determinarse de acuerdo con las siguientes consideraciones: 1. Cota batea del conducto afluente. 2. Diferencia de altura entre el nivel de aguas máximas y el nivel de aguas mínimas. Es recomendable que esta diferencia no sea menor que 1 m, en la mayoría de los casos. En estaciones de bombeo pequeñas puede adoptarse un valor menor, con la justificación técnica y operativa del caso.

3. Altura requerida para la instalación de la bomba y otros elementos para garantizar que la bomba opere en condición ahogada.

4. El nivel de aguas máximas debe estar por debajo de la cota de batea del colector más bajo que descarga en el pozo, excepto en aquellos casos donde sea útil aprovechar el volumen adicional si se deja parcialmente sumergido el colector de llegada. El fondo del pozo debe tener una inclinación mínima de 45° hacia la boca de succión, y el ancho mínimo deber estar alrededor de 1,5 m. El volumen requerido en el pozo húmedo depende de la operación de bombeo. Si la bomba puede bombear a una tasa similar al caudal de entrada (velocidad variable), el almacenamiento requerido en el pozo húmedo es menor que si se tiene una tasa de bombeo constante.

25

RAS. Título D – Numeral 7.4.6. 2000


El pozo húmedo puede tener dispositivos adicionales como compuertas y desvíos para controlar el flujo afluente. De esta manera es factible aislar la estación y verter el afluente a un curso de agua receptor adecuado de descarga cuando exista la necesidad. Estos elementos son necesarios en estaciones medianas y grandes, recomendándose la automatización de las compuertas en estas últimas. Para el nivel de complejidad del sistema alto es recomendable disponer de mediciones telemétricas para su control. Para el caso de bombas centrífugas, la carga mínima positiva de succión debe estar alrededor de 3 veces el diámetro de la tubería de succión, si ésta existe. Las velocidades recomendadas en la tubería de succión son de 1 m/s, y en la tubería de impulsión de 1,5 m/s. Estas velocidades deben ser confrontadas por las especificaciones técnicas de las bombas específicas en consideración.

Lección 38 – Tuberías de succión e impulsión

El Numeral 8.5.6 del Título B del RAS, establece que la velocidad máxima en tuberías de succión depende del diámetro, según la Tabla 15 y la velocidad mínima será 0.45 m/s.

Tabla 15. Velocidad máxima aceptable en la tubería de succión, según el diámetro Diámetro de la tubería de succión (mm) 50 75 100 150 200 250 300 Mayor que 400

Velocidad máxima (m/s) 0,75 1,00 1,30 1,45 1,60 1,60 1,70 1,80

Fuente. RAS. 2000

131


La velocidad en las tuberías de impulsión debe estar entre 1.0 y 3.0 m/s. Valores por fuera del rango deben ser justificados económicamente. El diámetro de tuberías de succión y de impulsión no pueden ser menores que las admitidas por el equipo de bombeo. Se recomienda que el diámetro de la tubería de succión sea mayor que el de impulsión, por lo menos en 50 mm. En caso de que el diámetro de la tubería de succión sea mayor que el de la admisión de la bomba, debe ponerse una reducción excéntrica con su parte superior horizontal. Las pérdidas por fricción y las pérdidas menores deben calcularse según lo establecido en los literales B.6.4.4 y B.6.4.5, respectivamente. El cálculo de la pérdida de cabezas debido a la fricción en una tubería o conducto cilíndrico largo, con un interior de diámetro continuo, debe hallarse mediante la ecuación de Darcy – Weisbach como se expresa en la siguiente ecuación:

hf  f 

L V2



D 2 g

Lección 39 – Accesorios El RAS establece que deben ser instalados en sitios accesibles para su operación, con indicaciones claras de posición abierta o cerrada para posibilitar su montaje y desmontaje. En caso de accionamiento manual, el esfuerzo tangencial que va a ser aplicado no debe sobrepasar 200 N. Si esto no puede lograrse, debe preverse un accionamiento mecanizado. Las presiones de servicio deben ser compatibles con las presiones máximas previstas.


La estación debe tener ciertos accesorios que permitan una fácil operación, según las siguientes disposiciones: 1. Las válvulas de regulación y válvulas de corte deben tener una señalización que indique si se encuentran abiertos o cerrados. 2. Para el nivel alto de complejidad o en válvulas mayores a 300 mm (12 pulgadas) las válvulas deben tener actuadores mecanizados. 3. Para válvulas de accionamiento manual, deben colocarse dispositivos que hagan posible su operación con una fuerza tangencial menor que 200 N. 4. Las válvulas y registros deben estar instalados en sitios de fácil acceso para el operador. 5. Los accesorios deben instalarse de tal manera que resulte fácil su inspección y mantenimiento, y que permitan un adecuado montaje y desmontaje.

En cuanto al tipo de válvulas necesarias, deben atenderse las siguientes recomendaciones: 1. Todas las unidades de bombeo deben tener una válvula de regulación y otra de cheque (retención) en la tubería de impulsión. 2. Las bombas instaladas en pozos secos, y que operen por debajo del nivel del agua de succión, deben tener válvula en la línea de succión. 3. En una tubería de succión que no trabaje bajo carga positiva debe instalarse una válvula de pie (retención) en la parte inferior para evitar su vaciado. 4. Deben ponerse válvulas de ventosa, cuyo uso y especificaciones depende del tipo de bomba que va a utilizarse, la operación y colocación adoptadas. Deben consultarse las normas técnicas NTC 1991, NTC 2011; en el caso de utilizar válvulas de retención, debe tenerse en cuenta la norma técnica NTC 1752.

133


Lección 40 – Instrumentación de estaciones de bombeo En el numeral 8.10 del RAS se establece que los dispositivos de control deben medir en todo momento las condiciones de operación y detectar fallas rápidamente. En los niveles medio alto y alto de complejidad, estos dispositivos deben ser automáticos, reduciendo al máximo la intervención del operador en las labores de medición. Como mínimo, deben colocarse los siguientes dispositivos de control: 1. Manómetros en la descarga e indicadores de presión en la línea de succión, cuando ésta trabaje en presiones negativas. 2. Un interruptor eléctrico accionado por flotador o electrónicamente en el tanque de succión conectado con el arrancador de la bomba. 3. Un interruptor eléctrico accionado por flotador o electrónicamente en el tanque de descarga, conectado con el arrancador de la bomba. 4. Alarma de bajo nivel en la succión. 5. Se recomienda un totalizador de caudales a la salida de la estación. Además de los dispositivos anteriores, en los niveles alto y superior deben colocarse los siguientes: 1. Cuando se tiene cabeza positiva de succión, un reóstato regulador conectado a la tubería de succión de cada bomba. 2. Manovacuómetro en la sección de control para controlar las presiones a la entrada de la bomba. 3. Tacómetro en el motor de la bomba e indicadores de presión y temperatura del aceite en los motores de combustión interna. 4. Voltímetros y amperímetros en la conexión a cada bomba. 5. Válvula de cierre automático en la entrada del pozo de succión, accionada con el llenado del pozo. 6. Sistemas de autolubricación de las bombas y cebado automático. 7. Relé de mínima potencia conectado al arrancador del motor.


8. Relé de máxima potencia para proteger el motor de altos voltajes. 9. Relé diferencial de fases para proteger el motor de variaciones de tensión de una fase individual. 10. Relé de contacto a tierra para proteger el motor de un eventual contacto a tierra. Para los niveles medio alto y alto de complejidad, los sistemas de medición deben transmitir los datos a la sala de control (Figura 40), en la cual se ubicarán tableros que indiquen las condiciones de operación de la estación. Como mínimo, los tableros deben incluir el caudal instantáneo por unidad de bombeo, la presión en las líneas de succión y descarga, el nivel del agua en el pozo de succión, la temperatura y presión del aceite, el voltaje y amperaje en las líneas de alimentación de las bombas y las revoluciones por minuto de los motores.

Figura 40. Central de control de Fukushima

Fuente. Tepco. – AP. 2011

Así mismo, en la sala de control deben disponerse los interruptores y mecanismos que permitan poner fuera de servicio cualquier elemento relacionado con el sistema de bombeo.

135


Capítulo 9 – Tipos de estaciones de bombeo El uso de estaciones de bombeo tiene tres propósitos específicos para el caso de redes de alcantarillado: 1. Elevar el agua residual cuando la cota de la zona a cubrir es bastante baja para evacuar por gravedad el líquido a los colectores. 2. Brindar el servicio a zonas situadas fuera de la cuenca vertiente pero dentro de la zona a dar cobertura. 3. Cuando es preferible, económica y técnicamente hablando, bombear el agua que realizar grandes excavaciones y grandes modificaciones del suelo y de infraestructura para construir el alcantarillado y dar cobertura a una zona específica. Para cumplir con este propósito, se han desarrollado esquemas de funcionamiento y reglas de operación específicas que hacen que estos sistemas resulten óptimos y eficientes en cada caso.

Lección 41 – Clasificación de estaciones de bombeo Según Metcalf y Eddy26, algunos de los sistemas normales de clasificación son los siguientes: 1. Por capacidad (metros cúbicos por segundo, metros cúbicos por día o litros por segundo) 2. Según la fuente de energía (electricidad, motores diesel, entre otros) 26

Metcalf & Eddy. Ingenieria de aguas residuales: tratamiento, vertido y reutilización. 1998


3. Por el método de construcción empleado (in situ, prefabricadas, entre otros) 4. Por su función u objeto específico En la tabla 16 se presenta una clasificación de las estaciones de bombeo según su capacidad y el método constructivo normalmente utilizado.

Tabla 16. Clasificación de las estaciones de bombeo según su capacidad y método constructivo Clase / Tipo Eyectores neumáticos Prefabricada 1. Cámara de inspección 2. Cámara seca Convencional 1. Pequeña 2. Mediana 3. Grande

Intervalo de capacidad (m3/s) <0,02 0,006 – 0,003 0,006 > 0,1 0,2 – 0,09 0,06 – 0,65 >0,65

Fuente. Metcalf & Eddy. 1998

Como puede verse, hay un solape considerable en lo que se refiere al intervalo de capacidades entre las estaciones prefabricadas y las de construcción convencional.

Lección 42 – Características de las estaciones de bombeo Según la Comisión Nacional del Agua 27, el objeto básico de una estación de bombeo es elevar el agua, por lo que dentro de una estación se incluyen tanto las bombas como equipos auxiliares de las mismas. En consecuencia, las características de diseño de las estaciones de bombeo varían con la capacidad y el método constructivo a emplear.

27

Comisión Nacional del Agua. Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento. 2007

137


En la Figura 41 se muestra un diagrama esquemático de una moderna estación de bombeo convencional para aguas residuales y en la Figura 42 una estación de bombeo tipo prefabricada típica, mientras que las características generales de ambos tipos de estaciones de bombeo se resumen en la Tabla 17.

Figura 41. Estación de bombeo convencional de aguas residuales

Fuente. Comisión Nacional del Agua. 2007


Figura 42. Estación de bombeo prefabricada de aguas residuales


139


Tabla 17. Características generales de las estaciones de bombeo convencionales y prefabricadas

Características

Función normal

Construcción

Cámara de aspiración

Cámara seca

Recepción del agua residual de la red de alcantarillado y en almacenamiento antes del bombeo

Alojamiento de las bombas

Convencional

Prefabricada

Estructura de hormigón armado. La superestructura puede ser de fabrica de ladrillo, hormigón armado o paneles de madera o metálicos

Acero fibra de vidrio

A menudo se instalan equipos de protección de las bombas tales como rejas y dilaceradores. El acceso a la cámara de aspiración debe ser directo desde el exterior y por medio de una escalera

A menudo se emplean pozos de registro de hormigón como cámaras de aspiración en estaciones de pequeño tamaño

Los motores y cuadros de control se instalan en el piso intermedio de la cámara seca o en el piso superior a nivel del terreno

Los motores suelen colocarse en la cámara seca junto con el cuadro de control; generalmente, hay que instalar un deshumidificador para proteger este último contra la corrosión

Bombas

Tuberías de aspiración y descarga

Instrumentación

Equipo eléctrico

Situadas en la solera de la cámara seca con la parte superior de la carcasa por debajo del nivel mínimo de agua en la cámara de aspiración La tubería de aspiración conecta la cámara de aspiración con la bomba. La tubería de descarga conecta la bomba con la tubería de impulsión. Las válvulas suelen localizarse en las tuberías de aspiración y descarga para permitir el aislamiento de las bombas para su mantenimiento y limpieza Incluye los controles automáticos y manual de las bombas, las alarmas de nivel máximo y mínimo y la media del caudal

El cuadro de control de El cuadro de control se motores se coloca en el piso a nivel del terreno en las coloca en la cámara seca estaciones de gran tamaño

Los motores se colocan en el piso intermedio de la cámara Los motores eléctricos son el seca o en el que está a nivel sistema de accionamiento de del terreno. A veces se uso común de las bombas emplean motores duales en grandes estaciones para accionar las bombas

Los motores suelen acoplarse directamente a las bombas y el conjunto se coloca en la cámara seca



Características

Función normal

Prefabricada

Generalmente, sólo hay una línea de suministro alimentación de energía. Ello eléctrico aunque puede puede conseguirse mediante instalarse un grupo dos líneas eléctricas o una electrógeno como fuente línea y uno o más grupos auxiliar electrógenos montados en la estación

Fuente de Suministro de energía

Calefacción y ventilación

Convencional Por razones de seguridad de funcionamiento, la estación de bombeo debe tener doble

Dependiendo de la temperatura, la cámara de aspiración puede precisar calefacción para evitar condensaciones y heladas. En climas fríos, se necesita calefacción en la cámara seca para evitar heladas. Ambas cámaras requieren ventilación para eliminar vapores peligrosos

Fontanería

La instalación de la fontanería de las instalaciones de gran tamaño consiste, normalmente, en una bomba de sumidero para el drenaje de la cámara seca. Las trampas de acceso deben colocarse de modo que permitan la extracción de las bombas, motores y equipos auxiliares. Para facilitar el mantenimiento y extracción de elementos se suele utilizar pórticos o, preferiblemente, vigas carril con polipastos situadas sobre las trampas de acceso y sobre cada elemento pesado.

Varios

En ocasiones se instalan elementos complementarios tales como lavabo, almacén y taller. En algunas estaciones, especialmente en climas cálidos, las aguas sépticas y el sulfuro de hidrógeno pueden srcinar olores y problemas de corrosión. En estos casos hay que instalar en la estación sistemas de cloración u otros tratamientos químicos para eliminar tales problemas


141


Lección 43 – Estaciones de bombeo convencionales La Comisión Nacional del Agua establece que la capacidad de las estaciones de bombeo 3

convencionales suelen oscilar entre 0,02 y 0,65 m /s. Se emplean cuando: 1. Las condiciones locales impiden el uso de estaciones prefabricadas 2. La magnitud o la variación del caudal es tal que excede a las capacidades disponibles de las instalaciones prefabricadas. Aunque se emplea el término convencional para describir este tipo de estaciones, cada una de ellas se proyecta para adecuarla las condiciones locales. Para TRIPLE A S.A. ESP28, las estaciones de bombeo convencionales están constituidas por: 1. Un canal con rejilla incorporada, en la que se retiran los sólidos que traen las aguas residuales, de tamaño mayor a la distancia libre entre rejas. 2. Un pozo de succión, con su respectiva tubería y accesorios, que garantiza una adecuada sumergencia, mediante el establecimiento de niveles mínimos de operación, evitando la entrada de aire y proporcionando una cabeza de succión neta positiva. 3. Un pozo seco en el cual están instaladas las bombas y sus respectivas tuberías de descargas y accesorios. 4. Una sala de control, en la que se encuentran instalados los motores, tableros, controles de accionamiento para encendido y apagado de las bombas, así como las oficinas del operador. Las unidades de bombeo están compuestas por bombas centrífugas de eje vertical para pozo seco, con impulsores inatascables, operadas dentro de los niveles mínimos y máximos del pozo de succión establecidos para cada estación. La operación de las 28

Empresa de acueducto y alcantarillado de Barranquilla y Soledad.


bombas se hace en algunos casos mediante controles de encendido y apagado manuales, para lo cual se requiere de operadores; en otros, mediante controles automatizados.

Lección 44 – Estaciones de bombeo prefabricadas Según la Comisión Nacional del Agua, las estaciones de bombeo prefabricadas son suministradas en módulos que incluyen todos los equipos y componentes ya montados (ver Figura 43).

Figura 43. Estación de bombeo prefabricada de aguas residuales

Fuente. Salher. 2009

143


Normalmente, se encuentran disponibles en tres tipos de equipos de bombeo: eyectores neumáticos, bombas sumergidas y bombas de cámara seca. Los eyectores neumáticos se suelen emplear para caudales pequeños, ya que las bombas centrifugas cuya sección de paso sea de 75 mm, no puede funcionar a caudales menores de 0,006 m 3/s. Para caudales pequeños también se puede emplear bombas sumergidas que pueden ser extraídas para su mantenimiento sin afectar el sistema de impulsión. Ambos tipos de bomba pueden utilizarse en instalaciones prefabricadas o convencionales. En el curso de los últimos años, la capacidad de las instalaciones prefabricadas se ha visto incrementada notablemente, pudiendo conseguirse, en la actualidad instalaciones de capacidades superiores a 0,3 m 3/s.

Lección 45 – Operación de estaciones de bombeo Durante la operación de la estación, deben seguirse las disposiciones mostradas a continuación y establecidas en el RAS: 1. El

funcionamiento

de

la

estación

de

bombeo

debe

ser

verificado

permanentemente por al menos un técnico preparado para supervisar la operación y realizar las acciones correctivas o de suspensión del servicio en caso de que se presente cualquier situación anormal. 2. En los niveles medio alto y alto de complejidad, el accionamiento de bombas debe ser automático, mediante sensores de nivel en los pozos de succión y descarga, de tal forma que se apaguen las bombas, en caso de que los niveles de agua impidan el normal funcionamiento del sistema de bombeo. 3. Los dispositivos de medición y control deben dar indicaciones visuales y sonoras de una situación de potencial peligro.


4. Para los niveles de complejidad del sistema medio alto y alto, los parámetros mencionados a continuación deben medirse permanentemente, datos que deben almacenarse en un registro y tenerse a disposición de la SSPD. a. Caudal total de la estación. b. Presión en las líneas de succión y de impulsión. c. Nivel en el pozo de succión. d. Niveles de ruido y vibración. Debe definirse un programa rutinario de labores de inspección, mantenimiento y reparación, estableciendo una serie de actividades diarias, mensuales y anuales, según las siguientes disposiciones: 1. El mantenimiento de todo equipo electromecánico debe ser de carácter predictivo. 2. En los niveles medio alto y alto de complejidad, el programa de mantenimiento debe ser de labores de tipo predictivo permitiendo en todo caso el normal funcionamiento de la estación sin interrupciones en el servicio. 3. En el nivel medio de complejidad, el programa de mantenimiento debe ser de tipo preventivo. 4. En el nivel bajo de complejidad, el programa de mantenimiento debe incluir labores de carácter correctivo. 5. Debe llevarse un registro de las actividades de mantenimiento realizadas, que incluya el tipo de daño presentado, las posibles fallas, repuestos utilizados, tiempo de reparación y medidas preventivas tomadas para disminuir su ocurrencia.

145



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¿A qué tipo de altura se refiere la diferencia entre la altura de la superficie del líquido a elevar y la altura del eje de la bomba?

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¿Cómo se calcula la carga dinámica total de una bomba?

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¿Cómo se calcula la eficiencia de una bomba?

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¿Cómo se clasifican las bombas?

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¿Qué sistema de bombeo es útil en situaciones donde se pronostican fluctuaciones significativas de caudal? ¿Cuáles son las recomendaciones de las bombas en las estaciones de bombeo de aguas residuales y lluvias? ¿Qué estructura se utiliza para recibir y acumular las aguas residuales durante un lapso de tiempo establecido? ¿A dónde se deben transmitir los datos en los niveles medio alto y alto de complejidad de las estaciones de bombeo? ¿Cómo debe ser el accionamiento de las bombas en los niveles medio alto y alto de complejidad de las estaciones de bombeo? ¿Qué tipo de indicaciones deben dar los dispositivos de medición y control de las estaciones de bombeo?


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Identifique los sistemas de bombeo de aguas residuales en su municipio.


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Identifique los elementos de la estación de bombeo del agua residual que tiene su municipio. Identifique el tipo de bombas más común para transportar las aguas residuales que se utiliza en su municipio. Establezca cual es el esquema de bombeo más usado en aguas residuales. Identifique el tipo de estaciones de bombeo que se utilizan para transportar aguas residuales de srcen doméstico.

Fuentes Documentales Unidad 1

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Duarte Agudelo, Carlos Arturo y Niño Vicentes, José Roberto. (2004). Introducción a la mecánica de fluidos Fernández Díez, Pedro. (2000). Curvas características, acoplamientos y empuje axial. Reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico – RAS. (2000). Títulos B, C, D y H. Zertuche Rodríguez Jorge. (2010). Practica 6 – Bombas en serie y paralelo.

147


Bibliografía 1. Comisión Nacional del Agua. (2007). Manual de agua potable, alcantarillado y saneamiento. Coyoacán, México: Secretaria de Medio Ambiente y Recursos

Naturales.

2. Duarte Agudelo, Carlos Arturo y Niño Vicentes, José Roberto. (2004). Introducción a la mecánica de fluidos. Bogotá, Colombia: Universidad Nacional de

Colombia.

3. Empresa de acueducto y alcantarillado de Barranquilla y Soledad. (2011). Sistemas de distribución. Barranquilla, Colombia: Triple A S.S. E.S.P.

4. Empresa de Acueducto y Alcantarillado

de Bogotá – EAAB. (2010). Video

institucional. Bogotá, Colombia: EAAB.

5. Fernández Díez, Pedro. (2000). Curvas características, acoplamientos y empuje axial. Santander, España: Universidad de Cantabria.

6. Metcalf & Eddy. (1998). Ingeniería de aguas residuales: tratamiento, vertido y reutilización. Madrid, España: Mc Graw Hill.

7. Perry, Roberth. (1997). Manual del Ingeniero Químico. Séptima edición. Bogotá, Colombia: Mc Graw Hill.


8. Ramalho, Ruben S. (1981). Tratamiento de aguas residuales. Quebec, Canadá: Editorial Reverté, S.A.

9. Reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico – RAS. (2000). Títulos B, C, D y H. Bogotá, Colombia: Ministerio de Desarrollo Económico.

10. Romero Rojas, Jairo Alberto. (2005). Tratamiento de aguas residuales, teoría y principios de diseño. Bogotá, Colombia: Escuela Colombiana de Ingeniería.

11. Superintendencia de servicios públicos. (2009). Sistemas de alcantarillado en Colombia. Bogotá, Colombia: Imprenta Nacional de Colombia.

12. Zertuche Rodríguez Jorge. (2010). Practica 6 – Bombas en serie y paralelo. México: Universidad Anáhuac.

149


Glosario Para la correcta interpretación del modulo didáctico del curso Sistemas de Tratamiento de Aguas Residuales, se establecen las siguientes definiciones:

Aguas grises: Aguas residuales provenientes de tinas, duchas, lavamanos y lavadoras, aportantes de DBO, sólidos suspendidos, fósforo, grasas y coliformes fecales.

Aguas lluvias: Aguas provenientes de la precipitación pluvial.

Aguas negras: Aguas residuales provenientes de inodoros, es decir, aquellas que transportan excrementos humanos y orina, ricas en sólidos suspendidos, nitrógeno y coliformes fecales.

Aguas residuales domésticas: Desechos líquidos provenientes de la actividad doméstica en residencias, edificios e instituciones.

Aguas residuales no domésticas: Son los residuos líquidos procedentes de una actividad comercial, industrial o de servicios y que en general, tienen características notablemente distintas a las domésticas.

Alcantarillado: Conjunto de obras para la recolección, conducción y disposición final de las aguas residuales o de las aguas lluvias. Alcantarillado de aguas combinadas: Sistema compuesto por todas las instalaciones destinadas a la recolección y transporte, tanto de las aguas residuales como de las aguas lluvias.


Alcantarillado separado: Sistema constituido por un alcantarillado de aguas residuales y otro de aguas lluvias que recolectan en forma independiente en un mismo sector.

Aliviadero: Estructura diseñada en colectores combinados, con el propósito de separar los caudales que exceden la capacidad del sistema y conducirlos a un sistema de drenaje de agua lluvia.

Autoridad municipal ambiental (AMA): Entidad municipal que tiene a su cargo el manejo y ordenamiento ambiental.

Autoridad regional ambiental (ARA): Entidad regional que tiene a su cargo el manejo y ordenamiento ambiental.

Caja de inspección domiciliaria: Cámara localizada en el límite de la red pública de alcantarillado y la privada, que recoge las aguas residuales, lluvias o combinadas provenientes de un inmueble.

Cámara de caída: Estructura utilizada para dar continuidad al flujo cuando una tubería llega a una altura considerable respecto de la tubería de salida.

Canal: Cauce artificial, revestido o no, que se construye para conducir las aguas lluvias hasta su entrega final en un cauce natural.

Canalizar: Acción y efecto de construir canales para regular un cauce o corriente de un río o arroyo.

Cañuela: Parte interior e inferior de una estructura de conexión o pozo de inspección, cuya forma orienta el flujo.

Caracterización de las aguas: Determinación de la cantidad y características físicas, químicas y biológicas de las aguas.

151


Caudal de saturación: Caudal que corresponde a las condiciones máximas de desarrollo.

Coeficiente de escorrentía: Relación que existe entre la escorrentía y la cantidad de agua lluvia que cae en una determinada área.

Coeficiente de retorno: Relación que existe entre el caudal medio de aguas residuales y el caudal medio de agua que consume la población.

Coeficiente de rugosidad: Parámetro que representa el efecto friccional del contorno del conducto sobre el flujo y en general depende del tipo de material del conducto.

Colector principal ó matriz: Conducto cerrado circular, semicircular, rectangular, entre otros, sin conexiones domiciliarias directas que recibe los caudales de los tramos secundarios, siguiendo líneas directas de evacuación de un determinado sector.

Compresibilidad: Corresponde a la relación entre los cambios de volumen y cambios de presión a los que está sometido un fluido. La variación de volumen se relaciona directamente con la variación de masa específica si la masa total es constante.

Conexión domiciliaria: Tubería que transporta las aguas residuales y/o las aguas lluvias desde la caja domiciliar hasta un colector secundario. Generalmente son de 150 mm de diámetro para vivienda unifamiliar.

Conexiones erradas: Contribución adicional de caudal debido al aporte de aguas pluviales en la red de aguas sanitarias y viceversa.

Consumo: Volumen de agua potable recibido por el usuario en un periodo determinado. Cuneta: Canal de sección triangular ubicado entre el sardinel y la calzada de una calle, destinado a conducir las aguas lluvias hacia los sumideros.


Cuerpo receptor: Cualquier masa de agua natural o de suelo que recibe la descarga del afluente final.

Densidad: Corresponde a la relación existente entre la masa específica de una sustancia cualquiera y una sustancia de referencia. Para los líquidos se utiliza la masa específica del agua como referencia y para los gases se utiliza el aire.

Densidad de población: Número de personas que habitan dentro de un área bruta o neta determinada.

Dotación: Cantidad de agua promedio diaria por habitante que suministra el sistema de acueducto, expresada en litros por habitante por día.

Emisario final: Colectores cerrados que llevan parte o la totalidad de las aguas lluvias, sanitarias o combinadas de una localidad hasta el sitio de vertimiento o a las plantas de tratamiento de aguas residuales. En caso de aguas lluvias pueden ser colectores a cielo abierto.

Escorrentía: Volumen que llega a la corriente poco después de comenzada la lluvia. Estructura de conexión o estructura-pozo: Estructura construida para la unión de uno o más colectores, con el fin de permitir cambios de alineamiento horizontal y vertical en el sistema de alcantarillado, entre otros propósitos.

Estación de bombeo de aguas residuales: Componente de un sistema de alcantarillado sanitario o combinado utilizado para evacuar por bombeo las aguas residuales de las zonas bajas de una población. Lo anterior puede también lograrse con estaciones elevadoras de aguas residuales. Una definición similar es aplicable a estaciones de bombeo de aguas lluvias.

153


Frecuencia: En hidrología, número de veces que en promedio se presenta un evento con una determinada magnitud, durante un periodo definido.

Intensidad de precipitación: Cantidad de agua lluvia caída sobre una superficie durante un tiempo determinado.

Instalación interna: Conjunto de tuberías y accesorios que recogen y conducen las aguas residuales y/o lluvias de las edificaciones hasta la caja de inspección domiciliar.

Interceptor: Conducto cerrado que recibe las afluencias de los colectores principales, y generalmente se construye paralelamente a quebradas o ríos, con el fin de evitar el vertimiento de las aguas residuales a los mismos.

Masa especifica: Corresponde a la cantidad de masa o materia de una sustancia por unidad de volumen de la misma.

Peso específico: Corresponde a la fuerza con que la tierra atrae a una unidad de volumen gracias a la fuerza de la gravedad.

Plan maestro de alcantarillado: Plan de ordenamiento del sistema de alcantarillado de una localidad para un horizonte de planeamiento dado.

Población servida: Número de habitantes que son servidos por un sistema de recolección y evacuación de aguas residuales.

Precipitación: Cantidad de agua lluvia caída en una superficie durante un tiempo determinado.

Profundidad del colector: Diferencia de nivel entre la superficie del terreno o la rasante de la calle y la cota clave del colector.


Red local de alcantarillado: Conjunto de tuberías y canales que conforman el sistema de evacuación de las aguas residuales, pluviales o combinadas de una comunidad, y al cual desembocan las acometidas del alcantarillado de los inmuebles.

Red pública de alcantarillado: Conjunto de colectores domiciliarios y matrices que conforman el sistema de alcantarillado.

Red secundaria de alcantarillado: Conjunto de colectores que reciben contribuciones de aguas domiciliarias en cualquier punto a lo largo de su longitud.

Sifón invertido: Estructura compuesta por una o más tuberías que funcionan a presión. Se utilizan cuando es necesario pasar las tuberías por debajo de obstáculos inevitables.

Sumidero: Estructura diseñada y construida para cumplir con el propósito de captar las aguas de escorrentía que corren por las cunetas de las calzadas de las vías para entregarlas a las estructuras de conexión o pozos de inspección de los alcantarillados combinados o de lluvias.

Sustancia de interés ambiental: Son los compuestos, elementos, sustancias y parámetros indicadores de contaminación fisicoquímica y biológica, que permiten evaluar la calidad del vertimiento y su efecto sobre el recurso hídrico.

Sustancia de interés sanitario: Sustancias químicas, elementos o compuestos que pueden causar daños o son tóxicos para la salud humana o cualquier forma de vida acuática.

Tramo: Colector comprendido entre dos estructuras de conexión. Tubo ó tubería: Conducto prefabricado, o construido en sitio, de concreto, concreto reforzado, plástico, poliuretano de alta densidad, asbesto-cemento, hierro fundido, gres vitrificado, PVC, plástico con refuerzo de fibra de vidrio, u otro material cuya tecnología y

155


proceso de fabricación cumplan con las normas técnicas correspondientes. Por lo general su sección es circular.

Vertimiento: Cualquier descarga líquida hecha a un cuerpo de agua o a un alcantarillado.

Vertimiento no puntual: Aquel en el cual no se puede precisar el punto exacto de la descarga al recurso, tal es el caso de los vertimientos provenientes de la escorrentía, aplicación de agroquímicos u otros similares.

Viscosidad: Corresponde a una medida de la fluidez a determinadas temperaturas. Es la propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo al aplicársele una fuerza. Los fluidos de alta viscosidad presentan una cierta resistencia a fluir; los fluidos de baja viscosidad fluyen con facilidad.

Volumen útil: Volumen del pozo de succión, comprendido entre el nivel máximo y el nivel mínimo de operación de bombeo.

Modulo Aguas Residuales

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