MEMORIA DE CÁLCULO

Reingeniería Reingenier ía de la l a E.D.A.R. de Tarija (Bolivia)

MEMORIA DE CÁLCULO

Isabel Collado Arias. Escuela Universita Universitaria ria Politécnica.

1


Índice: PROCESO DE DEPURACIÓN: DEPURACIÓN:

3

1. PRETRATAMIENTO PRETRATAMIENTO

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2. LAGUNA ANAEROBIA

7

3. LAGUNA FACULTATIVA

11

4. CANAL DE OXIGENACIÓN

18


2


Proceso de depuración: La planta, tal y como va a ser diseñada en el presente documento ha de constar de los siguientes elementos:



Pretratamiento



Laguna anaerobia



Laguna Facultativa



Canal Abierto de Saneamiento (Canal de Oxigenación)

Cada uno de estos elementos constituyentes de la Estación Depuradora de Aguas Residuales de San Luis, (Tarija) está explicado en su correspondiente Anejo. En el presente documento se encontrarán los cálculos necesarios para el dimensionado de la planta, teniéndose como finalidad la obtención de un agua limpia y de calidad para su reutilización o vertido a río, sin que ello suponga un riesgo humano o ecológico.


3


1. Pretratamiento El pretratamiento se encuentra explicado en el Anejo 2 del presente Proyecto. En el Plano nº 5: Pretratamiento, tenemos detalladas las dimensiones del pretratamiento:

Dimensionado de las rejillas (desbaste):





Rejillas gruesas: -

Espesor de las barras: 3/8 “

-

Luz: 2,5 cm

-

Inclinación de las barras: 45º

-

Altura de la rejilla 1,70 m

-

Velocidad mínima: 0,60 m/s

Rejillas finas: -

Espesor de las barras: 1/4 “

-

Luz: 2 cm

-

Inclinación de las barras: 45º

-

Altura de la rejilla 1,70 m

-

Velocidad mínima: 0,60 m/s

Dimensionado del desarenador: -

Altura de la lámina de agua: H = 0,48 m


4

Reingeniería Reingenier ía de la l a E.D.A.R. de Tarija (Bolivia) -

Ancho del desarenador 2,5 m

-

Longitud: 12 m

-

Cantidad de material retenido según la fórmula de Marais: 1,63 m3/día

-

Profundidad útil del depósito de arena: 0,82 m

Dimensionado del Canal Parshall: -

Altura máxima: 0,64 m

-

Altura media: 0,52 m

-

Altura mínima 0,22 m

-

Cálculo del resalto: 0,16 m

La forma del Canal Parshall será, con las dimensiones anteriores, la que se refleja en la Figura 3:

Figura 3: Canal Parshall


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Diseño y ubicación de las estructuras de entrada y salida de aguas residuales a la laguna anaeróbia:

a)

b)

Figura 4: Diseño de la entrada de agua en la laguna anaerobia: a) Disposición actual. b) Disposición propuesta.

Figura 5: Ubicación propuesta para la entrada de agua a la laguna anaerobia.


6


2. Laguna anaerobia Datos de partida: Concentración Concentración del influente: Ci = 550.67 mg DBO5/l Caudal de entrada a la depuradora (a la laguna anaerobia 1): Q = 278.03 l/s

Anaeróbica 1

Proyecto

Construcción

Rectangular Rectangular con un

Rectángulo con un seg.

seg. De círculo

de círculo

Área

25 000 m2

25 600 m2

Volumen

75 000 m3

95 050 m3

Profundidad

3.00 m

3.750 m

Volumen de lodos

11 000m3

-

Forma

Tabla 1: laguna anaerobia 1 El diseño de lagunas anaerobias se lleva a cabo mediante procedimientos empíricos. Los parámetros de diseño más adecuados para lagunas anaerobias son la carga volumétrica

y el tiempo de

retención. La depuración depuración en medio anaerobio anaerobio es independiente independiente de los fenómenos de superficie que desempeñan un papel primordial en las lagunas facultativas y de maduración. A pesar de esto, existen varios procedimientos basados en la carga superficial necesaria para mantener una laguna en condiciones anaerobias, aunque los datos sugeridos por distintos autores varían enormemente. Según el Centro de las Nuevas Tecnologías del Agua de la Agencia Andaluza del Agua de la Consejería de Medio Ambiente (Junta de


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Reingeniería Reingenier ía de la l a E.D.A.R. de Tarija (Bolivia) Andalucía), el CENTA para el cálculo de la laguna anaerobia procederemos de la siguiente forma:

•

La carga volumétrica viene dada por: Cv = Ci × Q / V

Donde : Cv: carga volumétrica (g DBO 5/m3×día) Ci: carga del influente (mg/l = g/m 3) Q: caudal (m3/día) V: volumen de la laguna (m 3)

•

Luego para obtener el volumen tendremos: V = Ci × Q / Cv

•

Para temperaturas comprendidas entre los 10 – 20º C, la carga volumétrica es: Cv = 20×T – 100 Siendo T la temperatura en º C. Como la temperatura media de Tarija es de 18º C: Cv = 20×T – 100 = 360 – 100 = 260 g DBO5/m3×día

⇒

Cv = 260 g DBO5/m3×día

El caudal es de: Q = 278.03 l/s ×

24 × 3600 s día

×

1m 3 1000l

= 24021.792 m3/día


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Reingeniería Reingenier ía de la l a E.D.A.R. de Tarija (Bolivia) Ci = 550.67 mg/l

⇒

550.67 mg/l × 24021.792 m 3/día = 13228.0802 kg DBO5/día

El volumen de la laguna será:

V=

13228080.2 260

m3 =50877.23154 =50877.23154 m3

⇒

V = 50877.23154 m3

Como puede observarse en la tabla 1, la laguna anaerobia 1 de la depuradora (actualmente vacía) tiene un volumen V = 95050 m3. Con ese volumen y teniendo en cuenta los gramos de DBO 5 al día, podemos ver la carga volumétrica que puede tratar: 13228080.2/95050 = 139.17 g DBO 5/m3×día, es decir, que la laguna anaerobia 1 tiene un volumen tal que es capaz por sí misma de depurar la carga que le llega.

•

Otro factor a tener en cuenta es la altura de lámina de agua, que deberá oscilar entre 3 y 5 metros. Según la tabla 1, la laguna tiene una altura h = 3.750 m, luego tampoco hay que modificarla.

•

Tiempo de retención hidráulica: deberá ser mayor de 1 día. Θ = V / Q = 95050 m 3 / 24021.792 m3/día = 3.957 días ⇒

⇒

Θ = 3.957 días

Con estos datos puede llegarse a la conclusión de que la laguna anaerobia, tal como está, puede funcionar correctamente, sin necesidad de mejora alguna, salvo el pretratamiento. Otros aspectos a tener en cuenta:


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Reingeniería Reingenier ía de la l a E.D.A.R. de Tarija (Bolivia) La OMS recomienda que se cuente con al menos dos lagunas anaerobias en paralelo para asegurar la continuidad de la operación, en caso de limpieza y retirada de fangos en una de las dos unidades. La frecuencia con que ha de llevarse a cabo esta limpieza se calcula en base a una acumulación media de 40 litros de fango por persona y año. Se recomienda que la limpieza se lleve a cabo cuando el volumen de fangos acumulados es igual a la mitad del volumen de la laguna anaerobia. Por tanto, el intervalo en años en que debe limpiarse la laguna es el siguiente: T=Vl/2×Va f×población = 95050 m3/(2×0,04 m3/ (hab×año)×120000hab. = = 9 años

⇒

T = 9 años

Donde: Vl = Volumen de la laguna (m 3) Va f = velocidad de acumulación de los fangos (m 3/(hab×año)) = 0,04 m3 / (hab×año) Las recomendaciones del Centro de las Nuevas Tecnologías del Agua dicen que la retirada de fangos de las lagunas debe hacerse cada 5 – 10 años. El resultado obtenido está dentro de esos límites.


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3. Laguna facultativa Datos de partida de las lagunas Anaerobia 2, Facultativa y de Maduración:

Anaeróbica 2

Proyecto

Construcción

Forma

Rectangular

Rectangular

Área

25 000 m2

25 400 m2

Volumen

75 000 m3

98 602 m3

Profundidad

3.00 m

3.880 m

Volumen de lodos

11 000m3

-

Tabla 2: laguna anaerobia 2

Facultativa

Proyecto

Construcción

Forma

Trapezoidal

Trapezoidal

Área

52250 m2

48100 m2

Volumen

104500 m3

108616 m3

Profundidad

2.00 m

2.260 m

Tabla 3: laguna facultativa

Maduración

Proyecto

Construcción

Forma

Trapezoidal

Trapezoidal

Área

52250 m2

34600 m2

Volumen

1045000 m3

74712 m3

Profundidad

2.00 m

2.160 m

Tabla 4: laguna l aguna de maduración


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Reingeniería Reingenier ía de la l a E.D.A.R. de Tarija (Bolivia) Las lagunas facultativas se diseñan de tal forma que se favorezcan los mecanismos de oxigenación del medio: actividad fotosintética (principalmente) (principalmente) y reaireación superficial.

Dado que las algas precisan luz para generar oxígeno y que la difusión de éste en el agua es muy lenta, la profundidad de estas lagunas oscila entre 1.0 – 2.0 m.

Para el dimensionado de la laguna facultativa, haremos uso de métodos empíricos: son métodos experimentales que recomiendan el empleo de valores de carga superficial (C s) que serán función de la ubicación geográfica, geográfica, las temperaturas temperaturas de la zona, la l a profundidad de la laguna, etc.

•

Método de la Organización Mundial de la Salud: La OMS, para climas templados, recomienda dimensionar las lagunas facultativas con cargas superficiales entre 200 y

400 kg DBO5/ha×día.

•

Ecuación de Arceivala o método indio: Este

método

está

deducido

a

partir

de

datos

experimentales obtenidos en la India, siendo sólo aplicable a zonas ubicadas geográficamente de manera similar a este país: latitudes comprendidas entre los 8 – 36º. Tarija está situada en el hemisferio sur, pero en una latitud similar y su clima es tropical. Sus coordenadas son: 21º 31’ 54” S, 64º 43’ 52” O.


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La ecuación de Arceivala es: CS = 375 – 6.25 × L, donde: L es la latitud l atitud donde su ubica el lagunaje Cs es la carga orgánica superficial (kg DBO 5/ha×día) CS = 375 – 6.25 × L = 375 – 6.25 × 21º = 243.75 kg DBO 5/ha×día ⇒

•

⇒

CS = 243.75 kg DBO5/ha×día

Método de McGarry y Pescod: Tras el estudio de numerosas lagunas que operaban con cargas superficiales comprendidas entre 34 y 560 kg DBO5/ha×día, se obtuvo la siguiente expresión que relaciona la carga superficial máxima que se puede aplicar a una laguna facultativa con la temperatura media del mes más frío: Cs máx = 60(1.099)T donde: T: temperatura media del mes más frío (ºC) Cs: carga orgánica superficial (kg DBO 5/ha×día)


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Reingeniería Reingenier ía de la l a E.D.A.R. de Tarija (Bolivia) Según la tabla 5, tomamos como temperatura media del mes más frío 15º C, temperatura correspondiente a junio y julio, meses más fríos fríos en Tarija. Tarija.

Temperatura media Temperatura máxima media Temperatura mínima media Promedio días con precipitación Promedio días con precipitación nieve

Enero

Febrero

Marzo

Abril

Mayo

Junio

Julio

Agosto

Septiembre

Octubre

Noviembre

Diciembre

21

21

20

18

16

15

15

17

18

20

21

21

26

26

25

25

23

23

23

26

26

26

26

27

14

14

13

10

6

5

4

6

8

12

13

6

5

4

1

0

0

0

0

0

2

5

4

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Tabla 5: Datos climatológicos cl imatológicos de Tarija. Cs máx = 60(1.099)T = 60(1.099)15 = 247.24 kg DBO5/ha×día ⇒

⇒

Cs máx = 247.24 kg DBO5/ha×día

Normalmente el hecho de tomar la temperatura media del mes más frío ya supone la aplicación de un margen de seguridad, puesto que el agua suele tener unos 2-3º C más que el aire.

•

Método de Arthur: Relaciona la carga superficial máxima que puede aplicarse a una laguna facultativa con la temperatura media del mes más frío de acuerdo con la l a expresión: Cs max = (20 × T) – 60 Donde:


14

13

Reingeniería Reingenier ía de la l a E.D.A.R. de Tarija (Bolivia) Cs max: carga orgánica superficial máxima (kg DBO 5/ha×día). T: temperatura media del mes más frío (º C). Cs max = (20 × T) – 60 = (20 × 15) – 60 = 240 kg DBO5/ha×día ⇒

•

⇒

Cs max = 240 kg DBO5/ha×día

Métodos de Gloyna: Gloyna recomendó una serie de valore de carga superficial en función de las características climáticas de la zona donde, valores que se reflejan en la tabla 6.

kg DBO5/ha×día <10 10 – 50 50 – 150 150 - 300

Características climáticas Zonas muy frías con cobertura de hielo estacional, aguas con temperatura uniforme baja y nubosidad variable. Clima frío con cobertura de hielo estacional y temperatura templada de verano en una estación corta. Clima entre templado y semitropical, cobertura ocasional de hielo, sin nubosidad persistente. Clima tropical, sol y temperatura uniformes, sin nubosidad estacional.

Tabla 6: Valores recomendados de carga superficial en lagunas facultativas facultativas en función de las características climáticas de la zona. Según esta tabla y teniendo en cuenta las características climatológicas de Tarija vistas ya en la tabla 5, podemos concluir que se puede trabajar con una carga superficial de

150 – 300 kg DBO5/ha×día.


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Reingeniería Reingenier ía de la l a E.D.A.R. de Tarija (Bolivia) Con los datos del punto 1.- Laguna anaerobia, sabemos que partimos de que tenemos una carga de 13228.0802 kg DBO 5/día. De la laguna anaerobia anaerobia se espera un alto rendimiento, ya que está dimensionada por encima de las necesidades y cumple sobradamente con los requerimientos técnicos (en cuanto a volumen, tiempo de residencia, altura, carga volumétrica, etc.). Con ello y de acuerdo con los fundamentos de la depuración por lagunaje (basados e la temperatura y carga volumétrica) podemos suponer que vamos a tener un mínimo del 60% de rendimiento 1. Con ello tendremos la siguiente salida de la laguna l aguna anaerobia anaerobia – entrada de la facultativa: 13228.0802 kg DBO 5/día × 0.4 = 5291.23 kg DBO5/día Anteriormente calculamos la carga superficial necesaria para el buen funcionamiento del sistema de depuración en cuanto a laguna facultativa, llegando a la conclusión de que podría trabajarse con una carga superficial de 250 kg DBO 5 / Ha × día. Con ello necesitaríamos necesitaríamos una superficie de:

Área =

5291.23 kg DBO 5 /día 250 kg DBO 5 / (Ha × día )

=

21.16 Ha

⇒

Área = 21,16 Ha

La laguna facultativa, según la Tabla 3, tiene una superficie de 4,81 Ha y, como podemos ver en el resultado anterior, la laguna facultativa requeriría una superficie de 21,16 Ha. Está claro que la superficie de laguna facultativa es demasiado inferior al mínimo requerido, así que vamos a recurrir a las otras lagunas que todavía no hemos empleado: anaerobia anaerobia 2, facultativa facultativa y maduración. maduración. Las características características de estas estas

1

Datos del Centro de Nuevas Tecnologías del Agua, Junta de Andalucía.


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Reingeniería Reingenier ía de la l a E.D.A.R. de Tarija (Bolivia) lagunas las tenemos en las tablas 2, 3 y 4, según las cuales, entre las tres lagunas lograríamos una superficie de: Laguna Anaerobia 2:

25400 m2

Laguna Facultativa: Facultati va:

48100 m2

Laguna de Maduración:

34600 m 2

SUPERFICIE TOTAL:

108100 m2 = 10,81 Ha

Con ello obtenemos una superficie que sería prácticamente la mitad de la requerida para un rendimiento en la depuración bueno según la legislación. Ahora bien, pasada la laguna facultativa, el agua residual no pasará a una laguna de maduración, donde se eliminan los sólidos en suspensión la de materia orgánica remanente, los nutrientes y los patógenos, si no que pasa a un Canal de Oxigenación. En este canal lograremos complementar la labor de la Laguna Facultativa y obtendremos un agua de muy buena calidad, no siendo necesaria una laguna de maduración. Las profundidades de las lagunas empleadas se mantendrá tal y como están.


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4. Canal de Oxigenación A falta de superficie para poner una laguna de maduración y con el fin de obtener mejores resultados en la depuración, esta laguna de maduración va a ser sustituida por un canal abierto de saneamiento un poco particular: va a ser un Canal de Oxigenación. Oxigenación.

Uno de los pilares en el que se fundamenta esta opción tomada es que existe un gran desnivel disponible en el canal: 1 metro dentro de la depuradora en la propia entre las distintas lagunas y 10 metros después. Con este desnivel, colocando rápidos (piedras) y escaleras se consigue introducir una cantidad de oxígeno tal en el agua que se favorece increíblemente increíblemente la l a depuración.

Para ver lo positivo de este sistema, basta con comprobar la cantidad de energía eléctrica que requeriría un compresor para obtener los mismos resultados:



La energía potencial viene dada por la l a fórmula: E p = m×g×h



En nuestro sistema: h = 10 m (desnivel (desnivel disponible) g = 9,81 m/s2 m la obtenemos a partir del caudal:

Q = 278,03 l/s ×

1m 3 1000l

= 0,27803 m3/s

Como la densidad para el agua es: ρ ≈ 1000 kg/m 3:


18


•

Q= Q × ρ =

278,03 kg/s = 278,03 kg/s× kg/s×

3600 s 1h

=1000908 kg/h

Luego en una hora tendremos una masa circulante de: m = 1000908 kg/h

Y al introducirlo introducirlo todo en la fórmula anterior: Ep = m×g×h = 9,8 × 107 J

⇒

Ep = 9,8 × 107 J

Esta es la energía que teníamos en una hora, es decir: P = (9,8 × 107 J)/h × 1h/3600s = 27416’6 W = 27,42 kW ⇒ ⇒

P = 27,42 kW

Necesitaríamos un compresor de esa potencia para igualar lo que de forma natural ya tenemos, sin ningún tipo de coste.

Por otro lado, una turbina tiene una capacidad de Aportación

Específica de: 1,7kg O2 / kW Luego con la potencia que teníamos podemos introducir en el agua:


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Reingeniería Reingenier ía de la l a E.D.A.R. de Tarija (Bolivia) Kg O2 = 1,7 kg O2 / kW × 27,42 kW = 46,61 kg O 2

Es decir, tenemos en una hora, una potencia de 27,42 kW y logramos introducir unos 46,61 kg de O2. Esta cantidad de oxígeno supone, dado el caudal de agua que tenemos: 1000,908 m3 agua 46,61 kg O2

46,56 mg / l O2 El agua sólo puede tener, de manera aproximada, unos 9 mg /l de oxígeno disuelto, de manera que está claro que el canal de oxigenación nos proporciona todo el oxígeno posible para obtener una buena calidad de las aguas.

En Sevilla, diciembre de 2007 LA AUTORA DEL PROYECTO

Fdo: Isabel Collado Arias Isabel Collado Arias. Escuela Universita Universitaria ria Politécnica.

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