filtracion atarjea

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS Fundada en 1551

FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS E.A.P. DE INGENIERIA MECANICA DE FLUIDOS

DEDICATORIA El presente trabajo es dedicado íntegramente íntegrament e a mi Padre Juan Félix Cristóbal Morales QEPD, así como a mi Madre, Esposa, Hijo y Hermanos, que gracias a todos ellos he podid odidoo conc concre retar tar mi carre carrera ra profes profesio iona nall de Ingen Ingenie iería ría Mecánica de Fuidos, especializado en el área de Hidráulica e Hidrología. Asimismo, un agradecimiento especial al Sr. Director Ing. Guido Américo Rozas Olivera, puesto que siempre ha sido un profesional a carta cabal y ha brindado todo el apoyo necesario para aprender los elementos básicos de la

DEDICATORIA El presente trabajo es dedicado íntegramente íntegrament e a mi Padre Juan Félix Cristóbal Morales QEPD, así como a mi Madre, Esposa, Hijo y Hermanos, que gracias a todos ellos he podid odidoo conc concre retar tar mi carre carrera ra profes profesio iona nall de Ingen Ingenie iería ría Mecánica de Fuidos, especializado en el área de Hidráulica e Hidrología. Asimismo, un agradecimiento especial al Sr. Director Ing. Guido Américo Rozas Olivera, puesto que siempre ha sido un profesional a carta cabal y ha brindado todo el apoyo necesario para aprender los elementos básicos de la

ÍNDICE OBJETIVO CAPÍTULO CAPÍTULO I

INTRODUCCIÓN

CAPÍTULO II 2

MARCO TEÓRICO

2.1.Mecanismos de Filtración 2 2.1.1. Mecanismos de Transporte 2 (a) Impacto Inercial (b) Intercepción (c) Sedimentación

2.2.2. Características del Medio Filtrante (a) Tipo de Medio Filtrante (b) Tamaño Efectivo del Material Filtrante (c) Espesor de las Capas Filtrantes 2.2.3.Características Hidráulicas (a) Tasa de Filtración (b) Carga Hidráulica Disponible (c) Calidad del Efluente (d) Consideraciones Finales Sobre los Factores que Influyen en Filtración 2.3. Uso y Aplicación de la Filtración en el Tratamiento de Agua

2.5. Tipos de Filtración en Plantas de Tratamiento La Atarjea 2.5.1. Filtros Aquazur tipo T (Planta Nº 1) 2.5.2. Filtros Aquazur tipo V (Planta Nº 2)

CAPÍTULO III

DESARROLLO DEL ESTUDIO HIDRÁULICO DE LA BATERÍA DE FILTROS DE PLANTA Nº 1

3.1. Esquema de Ubicación de la Filtración en el Proceso de Tratamiento de Agua 3.2. Descripción de las Unidades de Filtración 3.3. Operación de Lavado de Filtros en Planta Nº 1 3.3.1. Condiciones de Lavado del Filtro

4.3. Condiciones Iniciales de la Grava 4.3.1. Características de la Grava en 36 Filtros de Planta Nº 1 4.4. Cálculo de la Pérdida de Carga en el Sistema de Filtración 4.4.1. Pérdida de Carga a la Entrada del Filtro 4.4.2. Pérdida de Carga en el Lecho Filtrante (a) En la Arena (b) En la Grava (c) En Todo el Lecho Filtrante 4.4.3. Pérdida de Carga por Toberas (a) Pérdida de Carga por Entrada a la Tobera

(c) Pérdida de Carga por Válvula (d) Pérdida de Carga por Fricción (e) Pérdida Total por Accesorios 4.5. Pérdida de Carga Total en el Filtro Nº 1 de Planta N° 1 4.6. Pérdida de Carga Total en Batería de Filtros de Planta N° 1

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

BIBLIOGRAFÍA

ANEXOS

Descripción Hidráulica de la Batería de Filtros de Planta No. 1 de La Atarjea. Félix Willy, Cristóbal Escobar.

Derechos reservados conforme a Ley

CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN

En la Planta de Tratamiento La Atarjea – Planta N° 1, que se muestra en la Lámina N° 01 la filtración representa la última etapa física del proceso de tratamiento del agua potable, que debe de cumplir con estándares de calidad necesarios, dado que es para Consumo Humano. La Planta de Tratamiento de Agua Potable “Gustavo Laurie Solis” o Planta Nº 01 La Atarjea, opera desde el año 1955, fue diseñado y construido inicialmente para un caudal de 5 m3/s, compuestos de 36 Unidades de Filtración por gravedad de 3.600 m2 de área de filtración total y que actualmente se encuentran en funcionamiento – Ver lámina N° 1 (ítem 08)



CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO

La filtración consiste en la remoción de partículas suspendidas y coloidales presentes en una suspensión acuosa que escurre a través de un medio poroso. En general la filtración es la operación final que se realiza en una planta de tratamiento de agua y por consiguiente, es la responsable principal de la producción de agua de calidad coincidente con los patrones de potabilidad. La filtración en la Batería de Filtros de Planta N° 1 se da a través de Filtros Aquazur de tipo T, se trata de filtros rápidos de arena; de flujo descendente y con tasa de filtración constante, para un caudal de operación máxima de 10 m 3/s, aquí se produce la clarificación completa del agua en el proceso de tratamiento de Agua Potable.



primeras capas del medio filtrante, es responsable de aproximadamente el 90% de la pérdida de carga total, mientras que, en el segundo caso, la penetración de partículas es profunda, produciéndose una distribución de pérdidas de carga en todo el medio filtrante. La acción física de cernido es un mecanismo dominante en la filtración de acción superficial, mientras que, en la filtración de acción a profundidad, este mecanismo es el de menor importancia entre otros responsables por el transporte de las partículas. (a) Impacto Inercial Durante el escurrimiento, las líneas de corriente divergen al estar cerca de los granos del medio filtrante, de modo que las partículas suspendidas, con cantidad de movimiento suficiente para mantener su trayectoria, colisionan con los granos, según se muestra en la figura N° 1 c



c

Fig. N°2 Mecanismo de Intercepción

F i F g

donde : II

=

2v i

2

gD

= parámetro adimensional que representa la eficiencia del

..(2)



(b) Intercepción Normalmente, el régimen de escurrimiento durante la filtración es laminar, y por lo tanto, las partículas se mueven a lo largo de las líneas de corriente. Debido a que las partículas suspendidas tienen densidad aproximadamente igual a la del agua, ellas serán removidas de la suspensión cuando, con relación a la superficie de los granos del medio filtrante, las líneas de corriente están a una distancia menor que la mitad del diámetro de las partículas suspendidas, como lo muestra la figura N° 2. La ecuación (3), propuesta por Ives, fue desarrollada para partículas suspendidas y granos del medio filtrante de forma esférica. I =

donde:

d D

...(3)



vs

ρs ρa d

µ g

= velocidad de sedimentación de las partículas (LT -1 ) = densidad de las partículas (ML -3 ) = densidad del agua (ML-3 ) = diámetro de las partículas (L) = viscosidad absoluta del agua (ML -1 T-1 ) = aceleración de la gravedad (LT -2 )

Para g=9,8 m/s2, ρa =1000 kg/m3; µ = 10−3 kg/m/s y partículas de arcilla suspendida de d = 10 µ m y ρ =2.500 Kg/m 3, vsr esulta aproximadamente igual a 0,1 mm/s. El análisis del escurrimiento alrededor de una esfera muestra que la velocidad tangencial decrece hasta hacerse cero en la superficie del grano. La figura N° 3 muestra el esquema del mecanismo de sedimentación, resaltando la acción de la gravedad sobre la partícula suspendida.



(d) Difusión Se ha observado que las partículas relativamente pequeñas presentan un movimiento errático cuando se encuentren suspendidas en un medio líquido. Este fenómeno, resultado de un bombardeo intenso a las partículas suspendidas por las moléculas de agua, es conocido como movimiento Browniano y es debido al aumento de la energía termodinámica y a la disminución de la viscosidad del agua. El movimiento de partículas mayores que 1 µ m es afectado por la fuerza de arrastre y de inercia de las mismas, y por lo tanto, la intensidad del movimiento de difusión resulta inversamente proporcional al tamaño de las partículas suspendidas. La figura N° 4 muestra, esquemáticamente, como se produce el transporte de partículas por el mecanismo de difusión



ejemplo, la filtración de agua cruda en filtros lentos de arena, y la de agua coagulada en filtros rápidos de arena, resultan de interacciones distintas entre los granos del medio filtrante y las partículas suspendidas, pues un factor importante de ser tenido en cuenta en la filtración lenta puede, muchas veces, no ser importante para la filtración directa. 2.2.1 Características de la Filtración De modo general, la eficiencia de remoción de partículas suspendidas en un medio filtrante, está relacionada con las siguientes características de la suspensión: - Tipo de partículas suspendidas; - Tamaño de las partículas suspendidas; - Densidad de las partículas suspendidas; - Resistencia o dureza de las partículas suspendidas (flóculos);



Algunos productos químicos, como los coagulantes tradicionales y polímeros, pueden usarse para ajustar el tamaño de las partículas suspendidas de modo de obtener una eficiencia mayor. Las partículas menores que el tamaño crítico serán removidas eficientemente debido a la acción de otros mecanismos, como la interceptación y sedimentación. (c)Densidad de las Partículas Suspendidas Cuanto mayor sea la densidad de las partículas suspendidas, mayor será la eficiencia de remoción de las partículas de tamaño superior al crítico mencionado anteriormente. (d) Resistencia o Dureza de los Flóculos La dureza de los flóculos es otro factor importante en la filtración rápida, pues los flóculos débiles tienden a fragmentarse y penetrar fácilmente en el interior



(g) Potencial Z Cuando las partículas suspendidas y los granos del medio filtrante tienen potencial Z del mismo signo, la interacción entre las capas dificulta la adherencia, reduciendo la eficiencia de remoción. Como los materiales filtrantes usuales presentan potenciales Z negativas, sería conveniente que las partículas suspendidas tuviesen potencial Z negativo. (h) pH El pH influye en la capacidad de intercambio iónico entre las partículas suspendidas y los granos del medio filtrante. Para valores de pH inferiores a 7,0 disminuye el intercambio de cationes y aumenta el intercambio de aniones sobre las superficies positivas; mientras que para valores de pH superiores a 7,0 se produce un aumento en el intercambio de cationes y una disminución en el intercambio de aniones sobre las superficies negativas.



(b) Tamaño Efectivo del Material Filtrante Los materiales filtrantes se especifican sobre la base de por lo menos cuatro características: ü

ü

ü

Tamaño efectivo (Te): en relación al porcentaje (en peso) que pasa por las mallas de una serie granulométrica, el tamaño efectivo se refiere al tamaño de granos correspondiente al porcentaje de 10 %. Coeficiente de uniformidad (C u): con relación al porcentaje (en peso) que pasa por las mallas de una serie granulométrica, el coeficiente de uniformidad es igual a la relación entre el tamaño de los granos correspondiente al 60% y el tamaño de los granos correspondiente al 10%. Forma: la forma de los granos normalmente se evalúa en función del coeficiente de esfericidad (C e), que es igual a la relación entre el diámetro de una esfera, de velocidad de sedimentación igual a la del grano considerado, y el tamaño medio de los granos entre dos mallas



c

n ó i c a r t l i f e d a r e r r a c a l

Punto óptimo

e d n ó i c a r u D

Agua filtrada

Pérdida de carga

Espesor de la capa filtrante

Fig. N°5 Punto Óptimo de Operación e n función de la Carrera de Filtración y espesor de la capa filtrante

2.2.3. Características Hidráulicas



(b) Carga Hidráulica Disponible La carga hidráulica a fijarse en un filtro influye significativamente en la duración de la carrera de filtración. Este parámetro es empírico y normalmente es seleccionado por el proyectista. Sin embargo, estudios mostraron que los filtros de tasa declinante producen carreras de filtración más largos que los de tasa constante para una misma pérdida de carga en el medio filtrante y la misma tasa de filtración promedio. Esto significa que los filtros de tasa constante necesitarían de una carga hidráulica disponible superior a los de tasa declinante para obtener carreras de filtración de la misma duración. Por otro lado, fijar la carga hidráulica con la que un filtro o un sistema de filtración debe operar, depende de otros factores, como el espesor y granulometría del medio filtrante, aspectos económicos, etc. (c) Calidad del Efluente



c

d a d i l a C

tiempo Fig.N°6 Variación de la Calidad del efluente Durantela Carrera de Filtración

(d) Consideraciones Finales Sobre los Factores que Influyen en la Filtración Desde el punto de vista académico, representar los factores por separado



2.3. Uso y Aplicación de la Filtración en el Tratamiento de Agua El uso de la filtración en el tratamiento de agua no es reciente, teniendo noticias de que la primera instalación de filtración en arena fue construida en el siglo XIX, en Inglaterra. Este tipo de instalación funcionaba con tasas de filtración inferiores a 4 m3/m2/día; y por necesitar de un área relativamente extensa, no obtuvo éxito en los Estados Unidos donde en cambio se desarrollaron los filtros rápidos de arena a finales del siglo XIX. Estas últimas instalaciones filtraban agua sometida preliminarmente a las operaciones de coagulación, floculación y sedimentación, y funcionaban con tasa constante e igual a 120 m3/m2/día. Hasta 1950 muy poco se había alterado en la práctica de filtración, siendo consideradas dos condiciones para el cierre de la carrera de filtración: (1) que la carga hidráulica disponible se utilizara totalmente; y (2) que la turbidez, o la

Descripción Hidráulica de la Batería de Filtros de Planta No. 1 de La Atarjea. Atarjea. Félix Willy, Cristóbal Escobar.


ESQUEMAS DE INSTALACIONES DE TRATAMIENTO DE AGUA EN CUANTO A LA FUNCION DE LA UNIDAD DE FILTRACION. AGUA CRUDA

Mezcla Rápida.

AGUA CRUDA

Mezcla Rápida

AGUA CRUDA

Mezc. Rápida

AGUA CON DUREZA ELEVADA

AGUA CON FE Y MN

Floculación

Floculación

Sedimentación

Filtración

Filtración

Filtración

Empleo de Productos Químicos.

Sedimentación .

Aireación

Filtración.

Agua con precipitados de carbonato de calcio

Filtración



Características Generales de Construcción y Operación: 3 2 ü Velocidad de filtración; de 0,935 a 2,805 m /m /día 2 ü Tamaño del lecho; Grande, ½acre (2.023 m ) ü Profundidad del lecho; 30,50 cm de grava, 1,06 cm de arena, generalmente reducida a no menos de 61 cm por raspado. ü Tamaño de la arena; tamaño efectivo de 0,25 a 0,35 a 0,35 mm, coeficiente de no uniformidad: 2 a 2,5 a 3 mm. ü Distribución del tamaño de granos de arena en el filtro; No estratificado. ü Sistema de drenaje inferior; laterales de arcilla seleccionados, tendidos en piedra iedra grues gruesa, a, y des desca carga rgand ndoo a los drenes drenes princ principa ipales les de arcill arcillaa o concr concreto eto.. ü Pérdida de carga; 1,52 cm inicial a 3,04 cm final. ü Duración del ciclo entre limpiezas; 20 a 30 a 60 días ü Penetración de la materia suspendida; Superficial. 2.4.2. Filtración Rápida



Tasa de Filtración Filtraci ón Constante

Cuando el caudal afluente es constante y la entrada a los filtros se hace de modo que el caudal total es dividido equitativamente y permite que el nivel del agua en el interior de cada filtro varíe in dependientemente de los otros, la tasa de filtración será constante si la resistencia del filtro es acompañada por el aumento de la carga hidráulica disponible. El nivel del agua variará desde un mínimo, cuando el medio filtrante se encuentra limpio; hasta un máximo, cuando el filtro debe lavarse. Al inicio de la operación, el medio filtrante estará limpio y por lo tanto, para evitar que el nivel mínimo se localice debajo de la superficie de la capa filtrante, debe preverse la instalación de una válvula en la tubería del efluente para ajustar el nivel mínimo.

Ventajas: ü Las baterías de tasa declinante operan con una carga hidráulica que por lo menos es la cuarta parte de lo que requeriría un filtro de tasa constante en condiciones equivalentes.



ü

ü

ü

ü ü ü

Tamaño de la arena; 0,45 mm y mayores; coeficiente de no uniformidad: 1,5 y menor, según el sistema de drenes inferiores. Distribución del tamaño de granos de arena en el filtro; Estratificado con los granos más pequeños o más ligeros en la parte superior y los más gruesos o más pesados en el fondo. Sistema de drenaje inferior; 1)Tubos laterales perforados descargando a los tubos principales; 2)Placas porosas sobre la capa de entrada; 3)Bloques porosos con canales incluidos. Pérdida de carga; 30,48 cm inicial a 2,74 cm final. Duración del ciclo entre limpiezas; 12 a 24 a 72 horas. Penetración de la materia suspendida; Profunda.

(a) Filtración Directa con Flujo Ascendente El agua ingresa por la parte inferior, haciéndose la colección por medio de tuberías provistas de bocas e instaladas en el medio filtrante



(a-2) Diferentes Posibilidades de Filtración Directa CALIDAD DEL AGUA Coagulación Coagulante Coagulación

Coagulación Filtración

Fflujo ascendente en la filtración con declinación

Flujo ascendente en filtración constante

Desinfección, fluorización, control de pH


Coagulación Coagulante Coagulación

Coagulación Filtración

Flujo ascendente en filtración constante con flujos descendentes durante el proceso

Flujo ascendente en filtración constante con flujos descendentes durante el proceso


Filtración de flujo descendente con constante declinación



Tecnología de tratamiento de agua 5 6 7 8

Parámetros Turbiedad Color verdadero Manganeso como Mn (mg/l) Total de Fe (mg/l) pH BOD5 (mg/l) Coliformes Totales por 100 ml Coliformes fecales por 100ml TOC (mg/l) Algas Sustancias potenciales

20 25 0,5 3,0 * 1,5 5000 200 2,0 500 **

20 25 0,5 3 * 1,5 5000 500 2,0 500 **

* Entre 5.5 y 9.0 **Valores que no causan enfermedad a la población

(b-2) Diferentes Posibilidades de Filtración Directa

100 100 1,0 10,0 * 5 5000 1000 5,0 100 0 **

200 150 1,0 15,0 * 10,0 20000 5000 5,0 2500 **



(b-3) Diferentes Tipos de Controles en el Sistema de Filtración A.- Control de nivel de agua a través de válvula instalada en la salida de agua filtrada. DETECTOR DE NIVEL

Valvula de entrada

ALTURA DE AGUA SOBRE LA CAPA FILTRANTE

Agua deca nta da

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

h=cte CAPA FILTRANTE

CAPA SOPORTE

FONDO FALSO Val. Control de sal.

B.- Control de caudal por vertedero u orificio en la entrada . Orificio vertedero.

ALTURA DE AGUA SOBRE LA CAPA FILTRANTE

Agua deca nta da

. . . . . . . . . . . . . . .



2.5. Tipos de Filtración en Plantas de Tratamiento La Atarjea En la Planta de Tratamiento de la Atarjea se utiliza filtros rápidos de patente Degremont y son de tipo T y V, es decir varían en su diseño, velocidades de filtración y lavado. 2.5.1. Filtros Aquazur, tipo T (Planta Nº 1) Se caracteriza por: ü Un Lecho filtrante de granulometría homogénea, y que permanece homogénea después del lavado. ü Un lavado por retorno simultáneamente de aire a fuerte caudal y de agua a caudal reducido, seguido de un aclarado a caudal medio, que no provoca expansión del lecho filtrante. ü Una pequeña altura de agua por encima de la arena: 0,50 m ü Una caída geométrica reducida, en general 2 m, que evita que debido a un



Medio Filtrante Tipo de Arena Tamaño efectivo Altura

: : :

Arena cuarzosa 0,95 mm 1,00 m

Material de soporte Grava Altura

: :

0,5 cm 5,0 cm

Falso fondo (Lozas pre-fabricadas equipado con toberas) N° de toberas : 6.144 toberas de polipropileno Tasa de filtración : 240 m3/m2 /día Lavado : Aire y agua Tiempo de retención : 6-12 min. Flujo pistón : 25% - 48% Espacios muertos : 58% - 65%



la tasa de filtración ha quedado aumentada a 10 (m³/hora)/m², trabajando en consecuencia de una manera forzada. 3.3. Operación de Lavado de Filtros en Planta Nº 1 3.3.1. Condiciones de Lavado del Filtro Un filtro se va lavar cuando presenta las siguientes condiciones: ü Pérdida de carga del Filtro mayor o igual 2,20m. ü Porcentaje de apertura de válvula de filtración menor al 30%. ü Tiempo de carrera de filtración mayor a 48 horas ü Turbiedad de salida del Filtro mayor a 1 NTU. Debido a que los Filtros de Planta Nº 1 son antiguos, existen problemas operacionales, por lo que se han realizado diferentes evaluaciones para lavar un filtro ya sea por perdida de carga, porcentaje de apertura de válvula filtrada,



ü

Finalmente se apagan las 02 bombas de agua y el filtro queda con una pérdida de carga entre 0,70m a 1,00m.

3.4. Vulnerabilidad de Unidades Hidráulicas de Filtración ü

ü

El arrastre de partículas floculentas asociado con el incremento de caudal, hacen que los filtros se colmaten rápidamente produciéndose la pérdida de agua por rebose hacia los canales. Como se mencionó, el área de filtración no es suficiente para compensar el incremento de caudal por tiempos prolongados, además que el dispositivo de regulación del filtro no es el apropiado para estas condiciones. La regulación del nivel de agua no presenta una eficiencia al 100%, como consecuencia de que no existe una calibración y ajuste de las válvulas de apertura y cierre automático, pues cuando existe mayor producción se produce arrastre de sedimentos por la aceleración filtrada y cuando se baja la producción ocurre que las válvulas se cierran totalmente.



Punto (a)

Punto (c)

Punto (b)



reparación de los problemas estructurales, precedentemente es indispensable se construya una batería de 8 Filtros rápidos, con los que se producirá un volumen de agua que compense la producción de agua de la mitad de la Planta 1 para reparación y luego la segunda mitad, lógicamente con diseños hidráulicos y estructurales mejorados.

3.6. Aparatos de Control Son dispositivos para mejorar el control y funcionamiento de los filtros. ü ü

ü

ü

Piezómetro, que sirve para medir el estado de atascamiento del lecho filtrante. Compuertas y válvulas, que da la información sobre el caudal de agua filtrada y la equidistribución del caudal de ingreso. Turbidímetro, que sirve para medir la calidad del agua filtrada. Lo ideal es controlar la turbiedad del agua a la salida de cada filtro. Bombas de agua y compresor, que da la cantidad de agua y aire que debe



CAPÍTULO IV PÉRDIDA DE CARGA HIDRÁULICA EN BATERÍA DE FILTROS DE PLANTA Nº 1 Tomando en consideración el Filtro Nº 1. 4.1. Condiciones de Diseño Caudal de Planta Temperatura Viscosidad cinemática Numero de toberas Número de Filtros Número de celdas por Filtro Dimensiones de cada celda

: : : : : : :

Q plant a T pla nta

γ N toberas Nfiltros N celdas

= 36.000 m 3/h = 20 ºC = 1,00E-06 m 2/s = 6,144 = 36 =2



Considerando que los datos de diámetro efectivo, porosidad y nivel de arena corresponden a la evaluación efectuada en Mayo del 2005, por ser la última información obtenida.

FILTRO N°

DIAMETRO EFECTIVO ( m )

POROSIDAD

NIVEL DE ARENA (m)

DISEÑO

0,95

0,400

1,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1,10 1,20 0,98 1,05 1,05 1,05 0,94 0,94 1,00 1,09 1 20

0,355 0,462 0,375 0,375 0,418 0,455 0,387 0,406 0,424 0,412 0 343

1,03 1,02 0,99 0,96 0,93 0,89 1,02 0,84 0,96 0,94 0 93



4.3. Condiciones Iniciales de la Grava Diámetro efectivo : Porosidad : Altura del lecho filtrante : Coeficiente de esfericidad:

Defectivo Po Llecho Ce

= 0,005 m (promedio Planta Nº 1) = 0,400 (Ver Tabla Nº 1) = 0,05 m (altura de diseño) = 0,82 (para partículas redondeadas, Ver Tabla Nº 1)

4.3.1. Características de la Grava en 36 Filtros de Planta Nº 1 Las condiciones de la grava se consideran de acuerdo al diseño e igual para toda la batería de filtros de Planta Nº 1. FILTRO

DIAMETRO EFECTIVO ( m )

POROSIDAD

NIVEL DE GRAVA (m)

DISEÑO

0,005

0,400

0,05



Dimensiones de orificio de entrada al filtro Dimensión un orificio

:

lorificio = 0,45 m Aorificio= 0,25 m

Caudal de un orificio

:

Q orificio =

Pérdida de carga de un orificio:

Hf orificio

Q fi lt ro N orificios

= k

= 0,070 m 3/s

2 v orificio

2 g

…

(a) Qorificio

Velocidad de un orificio

:

Vorificio=

Área de un orificio

:

Aorificio= l orificio a orificio A = 0,1125 m 2

Aorificio

(b)

…



4.4.2. Perdida de Carga en el Lecho Filtrante (ver Lámina Nº 3 y Nº 4) (a) En la Arena De la ecuación de Fair y Hatch para pérdida de carga en lechos filtrantes no estratificados Hf arena

= f

Lγ g

v

(1 − P o ) 2  6  3

P o

2

 C D   e c

…(c)

Donde Coeficiente de Kozeny Altura del lecho Gravedad

: : :

f L g

= 5,00 (1) = 103 cm = 981 cm/s 2



Donde Coeficiente de Kozeny Altura del lecho Gravedad Viscosidad cinemática Porosidad Coeficiente de esfericidad

: : : : : :

f L g

Diámetro de la arena

:

Dc

= 0,50 cm

Velocidad de filtración

:

v

=

v v

= 0,0028 m/s = 0,28 cm/s

γ Po Ce

= 5,00 (1) = 5,00 cm = 981 cm/s 2 = 1,00E-02 cm 2/s = 0,40 (Ver Tabla Nº 1) = 0,82 (Para partículas redondeadas, Ver Tabla Nº

1) Q fi lt ro A fi lt ro

= 0, 278 m/s 98,875



Dimensiones de una tobera d1=4,30 cm 36 ranuras de 2cm x 0,3mm

A

DETALLE A-A

A

expansión Nivel de agua

18,60 cm

contracción

4,30 cm



aranura = 0,30 mm Área de ranura

:

Aranura = lranura a ranura Aranura = 6,00 E-06 m2

Velocidad por ranuras

:

vranura =

Q ranura Aranura

E − 06

= 1,2556

6,00 E − 06

m/s

vranura = 0,209 m/s

En las ranuras se va a producir dos tipos de perdidas de carga: Contracción y Expansión



(a-2) Por Expansión Hf e

(v 2ranura − v1 2 ) = 2 g

v1

=

(f) Por ecuación de continuidad: Área del tubo

:

Qtobera A1

m/s

πd 12

A1

=

Diámetro del tubo de la tobera:

d1

= 4,30 cm

Por lo que el A1 y v 1 serán:

A1

= 0,00145 m 2

V1

= 0,031 m/s

4

…



(b) Perdida de Carga por Contracciones d 2

(1 − Hf contracción

= k

d 1

2 g

(g)

De las dimensiones

:

d1=4,30 cm

V 2

)v2

2

…



Hf contracción = 0,31 cm (c) Perdida de Carga por Fricción en Tubería Por la fórmula de Darcy Weisbach 2

L v Hf fri cci ón = f 2 2 2 gd 2

(h)

De las dimensiones

: d1=4,30 cm d1=4,30 cm

…



Hf fricción= 0,0011 m Hf fricción = 0,11 cm (d) Pérdida de Carga a la Salida del Vástago Por la fórmula de Darcy Weisbach

Hf salida = k

v 22

2 g

(i) Coeficiente de pérdida por salida:

k

= 1 (Ver Tabla N° 3, Item 3)

Reemplazando en la ecuación (i): Hf salida = 0,0046 m Hf

= 0,46 cm

…



Acámara=

2 πd cámara

Área de la Cámara

:

Diámetro de la Cámara

:

4 dcámara = 0,53 m

Por lo tanto

:

Acámara= 0,221 m2 vcámara = 1,26 m/s

Reemplazando en la ecuación (j): Hf cámara

= 0,0405 m

Hf cámara = 4,05 cm



Determinación de la velocidad =

=

Q fi lt ro

:

va

va

= 1,26 m/s

v b

= 1,91 m/s

Aa

Q fi lt ro Ab

Reemplazando en la ecuación (k): Hf codos = 0,0934 m Hf codos = 9,34 cm

;

v b



Reemplazando en la ecuación (m): Hf válvula

= 0,0558 m

Hf válvula

= 5,58 cm

(d) Perdida de Carga por Fricción (ver Foto Nº 17) Entre codo y codo (n) Considerando

Hf fricción :

= f

L

= 3,21 m

f

= 0,018

Reemplazando en la ecuación (n): Hf

0,025

Lvb2

2 gd b

…



4.6. Pérdida de Carga Total en Batería de Filtros de Planta Nº 1 Para los 35 filtros restantes se resuelve siguiendo el mismo procedimiento que se realizó para el Filtro Nº 1, pero tomando las características inherentes a cada filtro. FILTRO N°

ENTRADA AL FILTRO ( cm )

ARENA ( cm )

GRAVA ( cm )

TOBERAS ( cm )

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

0,156 0,156 0,156 0,156 0,156 0,156 0,156 0,156 0,156 0,156 0,156 0,156 0,156 0,156 0,156 0,156 0 156

45,06 18,99 69,74 58,91 35,73 23,25 68,36 45,78 38,16 35,73 63,10 38,44 44,87 66,27 27,91 40,69 26 19

0,09 0,09 0,09 0,09 0,09 0,09 0,09 0,09 0,09 0,09 0,09 0,09 0,09 0,09 0,09 0,09 0 09

16,828 16,828 16,828 16,828 16,828 16,828 16,828 16,828 16,828 16,828 16,828 16,828 16,828 16,828 16,828 16,828 16 828

SALIDA DE LA ACCESORIOS CAMARA ( cm ) ( cm )

4,05 4,05 4,05 4,05 4,05 4,05 4,05 4,05 4,05 4,05 4,05 4,05 4,05 4,05 4,05 4,05 4 05

29,56 29,56 29,56 29,56 29,56 29,56 29,56 29,56 29,56 29,56 29,56 29,56 29,56 29,56 29,56 29,56 29 56

TOTAL ( cm ) 95,74 69,67 120,42 109,59 86,41 73,93 119,04 96,46 88,84 86,41 113,78 89,12 95,55 116,95 78,59 91,37 76 87

ECUA. PARA Hf ( cm ) Hfo = 0.6119Q2 + 7.3898Q -11,81 2

Hfo = 0.6127Q + 1.9778Q - 11,25 Hfo = 0.6111Q2 + 7.1434Q - 11,83 2

Hfo = 0.6122Q + 6.0285Q - 0.6404 Hfo = 0.6126Q2 + 3.675Q - 0.3977 Hfo = 0.6119Q2 + 2.4217Q - 0.317 2

Hfo = 0.6118Q + 6.9915Q - 0.7558 Hfo = 0.6123Q2 + 4.6971Q - 0.5122 2

Hfo = 0.6123Q + 3.9254Q - 0.4348 Hfo = 0.6128Q2 + 3.6718Q - 0.3895 Hfo = 0.6121Q2 + 6.4544Q - 0.6906 Hfo = 0.6122Q2 + 3.9545Q - 0.4411 Hfo = 0.6126Q2 + 4.6009Q - 0.4905 2

Hfo = 0.6118Q + 6.7811Q - 0.7451 Hfo= 0.6127Q 2 + 2.881Q - 0.3202 Hfo = 0.6124Q2 + 4.1788Q - 0.4454 Hfo = 0.613Q 2 + 2.7021Q - 0.2804



CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ü

Se ha dado a conocer todo lo referente a la filtración en la Producción de Agua para Consumo Humano en la Planta Nº 1 de La Atarjea, y que representa el abastecimiento a más de 1/3 de la Población de Lima.

ü

La Filtración representa la última etapa física en el Tratamiento de Agua para Consumo Humano.

ü

Todas las estructuras hidráulicas, accesorios, equipos, etc., que intervienen en la Filtración son de vital importancia, puesto a que si alguno de ellos no cumple su función en el proceso, éste se ve deteriorado tanto en la calidad como en la cantidad, es por ello que deben existir planes de contingencia y emergencia en el mantenimiento y proceso de producción en las Plantas de La Atarjea.

ü

No se debe exigir tanto la producción en la Planta Nº 1 de La Atarjea, si bien es



automatización en la apertura de las válvulas de filtración en la Planta Nº 1 y se necesitaba conocer en esos momentos como era el comportamiento hidráulico de los filtros, debido a que el porcentaje de apertura de las válvulas de filtración guarda relación directa con la pérdida de carga. Cabe resaltar que la determinación de la pérdida de carga hidráulica de los Filtros se realizó en una hoja de cálculo (Excel) y que al variar las condiciones inherentes de cualquiera de los 36 Filtros, se obtendría rápidamente el valor de esta pérdida de carga.

ü

Finalmente se espera que esta Monografía sirva para orientar en la Construcción, Operación y Proceso de Tratamiento de alguna Planta de Agua Potable que tenga características similares al de La Atarjea.



BIBLIOGRAFÍA -

Teoría, Diseño y Control de los Procesos de Clarificación del Agua/Centro Panamericano de Ingeniería y Ciencias del Ambiente (CEPIS)/Jorge Arboleda 1973 Manual de Tratamiento de Agua para Consumo Humano en Plantas de Tratamiento La Atarjea/SEDAPAL – LA ATARJEA Plantas Modulares de Tratamiento de Agua/CEPIS (Lima –Perú)/Documentos Técnicos Nº 8. Lima 1982 (actualizado 1990) Introducción a la Mecánica de Fluidos/4ta Edición/Fox, Robert W/McGraw - Hill (México) Mecánica de Fluidos/3era Edición/Shames/McGraw - Hill (Colombia) Mecánica de Fluidos/9ena Edición/John Finnemoré, Joseph Franzini/McGraw – Hill Mecánica de Fluidos I y II/Francisco Ugarte Palacin/UNI 1991 Manual del Agua Potable/Spellman/Frank R./Acribia Agua y Saneamiento/A. Pérez, M. Camilo y F. Mogrinyá/Federación



ANEXOS ANEXO A

TABLA Nº 1 Factores de esfericidad y forma de los materiales granulares (de forma no laminar) y porosidades típicas asociadas a ellos en lechos estratificados de filtros rápidos de arena. Item 1 2 3 4 5 6

Descripción

Esfericidad

Factor de Forma

Porosidad

(Ce) 0,95 0,94 0,82 0,81 0,78 0,7

(s ) 6 6,1 6,4 7,4 7,7 8,5

(Po) 0,355 0,375 0,400 0,415 0,430 0,480

Esféricos Desgastados Redondeados Agudos Angulares Triturados

Referencia: Libro de Tratamiento de Aguas Residuales - UNI

TABLA Nº 2 Item

Orificio

Cv

Consideración

1

Bordes afilados

0,99

Casi no hay rozamiento

2

Bordes no afilados

<0,99

Con mucho rozamiento generalmente Cv=0,75

DIAGRAMA Nº 1 DIAGRAMA DE MOODY



ANEXO B

Vista de Margen Izquierda de Planta Nº 1

FOTO Nº 1

Batería de Filtros de Planta Nº 1 (1 al 9)

FOTO Nº 3

Vista de Margen Derecha de Planta Nº 1

FOTO Nº 2

Batería de Filtros de Planta Nº 1 (10 a l 8)

FOTO Nº 4

Canal de Ingreso Decantador a los Filtros

FOTO Nº 5

Canal de Distribución a Batería de Filtros Margen Derecha

FOTO Nº 6

ORIFICIOS DE ENTRADA AL FILTRO

Vista de un Filtro (formado por 2 celdas)

FOTO Nº 7

Compuertas de ingreso a celda del Filtro

FOTO Nº 8

Vista de Cucharas en Ventana de Ingreso a Filtro

FOTO Nº 9

Vista de Lecho Filtrante (arena)

FOTO Nº 11

Sellado de Compuerta por Mantenimiento del Filtro

FOTO Nº 10

Vista de Falso Fondo

FOTO Nº 12

Vista de Orificios en Falso Fondo (Toberas)

FOTO Nº 13

Tubería de Salida de Agua Filtrada

FOTO Nº 15 TEE

Arena extraída del Filtro por Mantenimiento

FOTO Nº 14

Válvula de apertura o cierre (Lavado del Filtro)

FOTO Nº 16 VÁLVULA

Tubería de Recolección de Agua Filtrada Margen Izquierda

FOTO Nº 17

Tubería de Recolección de Agua Filtrada Margen Derecha

FOTO Nº 18

CODOS

3,21 m (Longitud entre codos)

Nivel Piezométrico (Hf del Filtro)

Tablero de Apertura y Cierre del Válvula de Filtración

FOTO Nº 19

FOTO Nº 20

-48-

Arqueta de Agua Filtrada

FOTO Nº 21

FOTO Nº 22

Canal de Conducción de Agua Filtrada

Sala de Bombas de Agua para Lavado del Filtro

FOTO Nº 23

FOTO Nº 24

-49-

Válvula de Apertura y Cierre en Operación de Lavado

Tubería de Alimentación de Agua para Lavado del Filtro

FOTO Nº 26

FOTO Nº 25

Arqueta Principal de Agua Filtrada en Planta 1

FOTO Nº 28

FOTO Nº 27

-50-



ANEXO C

PLANTA DE TRATAMIENTO LA ATARJEA

R Í O R Í M A C

Item 8: Filtros de Planta Nº 1 A la Ciudad

-51-

LÁMINA Nº 1

VISTA DE PLANTA DEL FILTRO PLANTA N° 1

12,50 m

Q ORIFICIO DE ENTRADA AL FILTRO (0,45m x 0,25 m)

m 5 5 9 , 3

m 5 7 , 1

m 5 5 9 , 3

CELDA 2

CANALETA DE PURGA PARA LAVADO

CELDA 1

A D A T N A C E D A U G A E D L A N A C

LÁMINA Nº 2

-52-

PERFIL LONGITUDINAL DEL FILTRO PLANTA N° 1

1,00 m

CANALETA DE LAVADO

ARENA

LECHO FILTRANTE

1,00 m GRAVA

0,05 m FALSO FONDO CÁMARA DE RECOLECCIÓN DE AGUA

SALIDA DE LA CÁMARA

12,50 m

TOBERAS CANAL DE DISTRIBUCION DE AGUA DECANTADA

TUBERIA DE LAVADO CON AGUA TUBERIA DE LAVADO CON AIRE

LÁMINA Nº 3

-52-

SECCIÓN TRANVERSAL DEL FILTRO PLANTA N° 1

1 75 m

3,955 m

3,955 m

1,00 m

LECHO FILTRANTE

ARENA

1,00 m 0,05 m

FALSO FONDO CÁMARA DE RECOLECCIÓN DE AGUA FILTRADA

LÁMINA Nº 4

-52-

filtracion atarjea

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