REEW

“Propuesta de diseño de planta de t ratamiento de aguas residuales en la cuidad de Jocoro, departamento de Morazán”

CAPITULO VI DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES.

CAPITULO VI

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CAPITULO VI. DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES. 6.0

CALCULO DE LOS SEGMENTOS DEL DISEÑO.

6.1.

CALCULO DE CANAL DE ENTRADA: El canal de acceso o de entrada, es la estructura en la cual descarga la tubería del

colector de conducción en la planta. Se propone un canal de conducción a cielo abierto y con sección rectangular del mismo ancho de la tubería de llegada, esto con el fin de mantener constantes la velocidad y el tirante del agua. La longitud del canal de acceso no

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CAPITULO VI. DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES. 6.0

CALCULO DE LOS SEGMENTOS DEL DISEÑO.

6.1.

CALCULO DE CANAL DE ENTRADA: El canal de acceso o de entrada, es la estructura en la cual descarga la tubería del

colector de conducción en la planta. Se propone un canal de conducción a cielo abierto y con sección rectangular del mismo ancho de la tubería de llegada, esto con el fin de mantener constantes la velocidad y el tirante del agua. La longitud del canal de acceso no

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necesariamente habrá de ser calculada pero habrá de ser suficiente para dar cabida a la basura que se aglomere en las las rejillas.

Canal de entrada Ø = 8 pulgadas = 25 cm. Base = 25 cm. Velocidad = 0.30 - 0.60 m/s. (Velocidad de aproximación propuesta por Crites y Tchobanoglous, para Rejillas de Limpieza Manual, pág. 249) Qmaxhor = 0.02329 m 3/seg.

Por continuidad Ecuación 6.1 De ecuación 6.1 se despeja A y sustituyendo el valor de caudal máximo horario calculado en el capitulo V de esta propuesta en la página #81, se obtiene:

A=0.04 mt2 Se asume un ancho de canal de b = 0.25mts.

A= Y*b

Ecuación 6.2

(Donde T es el tirante, t irante, o profundidad del flujo) Y= A/b Y = 0.04 mt² / 0.25 mts = 0.16 ≈ 0.20 0.20 mts.

Y= 20 cms. y se considerara 15 cms adicionales a dicionales para que no trabaje a canal lleno. Y = 20 cms ≈ 35 cms. Y = 35 cms. cms.

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Figura N· 11 6.2.

DISEÑO DE REJAS: El primer paso en el tratamiento preliminar del agua residual consiste en la

separación de los sólidos gruesos. El procedimiento más corriente, es hacer pasar el agua residual influente a través de rejas o tamices. Se puede utilizar también trituradores, que reducen a partículas diminutas los sólidos gruesos, pero sin separarlos del agua. Las rejas se fabrican con barras de acero soldadas a un marco que se coloca transversalmente al Canal. Las barras están colocadas verticalmente o con una inclinación de 30 a 80º respecto a la horizontal. Las rejas de barras pueden limpiarse a mano o mecánicamente. Las características en ambos casos se comparan en la siguiente tabla.

Tabla Nº 6.1 Parámetros de diseño para rejas de barras

Fuente: Tratamiento de aguas residuales en poblaciones pequeñas “Crites y Tchobanoglous” pagina # 249.

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En los procesos de tratamiento de agua residual, las rejas se utilizan para proteger bombas, válvulas, tuberías y otros elementos, contra los posibles daños e obstrucciones provocadas por la presencia de objetos extraños de gran tamaño. Al acumularse el material retenido por las barras, se produce un aumento en el nivel del agua en el canal de llegada; las rejillas deben limpiarse cuando se llega al nivel máximo definido. La acumulación excesiva de material retenido es inconveniente porque ocasiona que las partículas de menor tamaño de la separación entre barras no puedan pasar a través de ellas.

Criterios de diseño Para la cámara de rejas se emplearan barras. Inclinación de las rejas = 45° con respecto a la vertical. Espesor de barras propuestas S = 0.005 mts. Separación libre entre cada barra = e = 1” = 2.54cms = 0.0254 m Ancho de canal de entrada, b= 0.25 mts. Velocidad a través de reja limpia= 0.30 m/s Velocidad a través de reja obstruida = 0.60 m/s Los datos de velocidades antes descritos fueron recopilados del libro “Tratamiento de aguas residuales para poblaciones pequeñas, de Crites y Tchobanoglous, 2000 en la pagina #249”

6.2.1. Calculo de Área libre (A L) AL =

Ecuación 6.3

AL = AL = 0.04 m² Debido a que se propone un ancho de canal de b = 0.25 m se calcula el tirante de agua en el canal mediante la siguiente expresión: CAPITULO VI

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Debido a que la forma del canal de entrada tiene una forma rectangular se utiliza la formula básica de descrita en la ecuación 6.2: A=b*h Donde: A: el área del canal de entrada en metros. b: el ancho del canal de entrada h: el tirante del flujo en el canal Luego despejando “h” de la ecuación anterior se obtiene: h=A/b h = 0.04 / 0.25

h = 0.20 m Calculo de la suma de las separaciones entre barras bg:

Ecuación 6.4

Donde: b = ancho del canal en mm. bg = suma de las separaciones entre barras, mm. e = separación entre barras, mm. S = espesor de las barras, mm. Despejando bg de ecuación 6.4:

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Calculando área libre de sección de barras:

Figura N·12

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Figura N· 13

Figura N· 14

Hipotenusa = h / seno θº

Figura N·15

Ecuación 6.5

H = 0.20 / seno 45º CAPITULO VI

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H = 0.2828 m ≈ 0.30 m

AE: Área de espacios.

Ecuación 6.6

A E = H * bg AE = 0.30 m * 0.213 m

AE = 0.0639 m 2 A continuación calculamos la velocidad que fluye a través de los espacios de la rejilla mediante la ecuación 6.1 descrita anteriormente:

V = 0.3645 m/s Calculando el número de barras necesarias para las rejillas:

nº = (bg / e) – 1

Ecuación 6.7

Los valores de “bg” y “e” se tomaran en mm. nº = (213 / 25.4 ) - 1 nº = 7.38 8 barras ∴

6.2.2. Comprobando la perdida de carga ≤ 15 cms. La ecuación que se utiliza es propuesta del Libro Tratamiento de Aguas Residuales en Pequeñas Poblaciones, Crites y Tchobanoglous, Páginas 249, edición 2000.

Hf =

Ecuación 6.8

Donde: CAPITULO VI

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Hf = Perdidas de cargas en metros V = Velocidad de flujo a través del espacio entre las barras de la reja, m/s. v = Velocidad de aproximación del fluido hacia la reja, m/s. de acuerdo a Tabla 6.1. g = aceleración gravitacional (9.81 m/ seg 2) Encontrando pérdidas en barras de Ecuación 6.8:

Hf = 0.00003124 cms. Cumple con la Tabla 6.1. Las pérdidas de carga admisibles no deben pasar de 15 cms. Por lo tanto cuando genere una obstrucción del paso de influente a través de las rejillas deberán ser limpiadas; debido a que, puede generar una reducción de la velocidad del flujo del agua y por lo tanto una aglomeración de volumen en el canal de entrada.

6.3.

DISEÑO DEL CANAL DESARENADOR: Una parte de sólidos suspendidos en aguas residuales está constituida por

materiales orgánicos inertes tales como arena, fragmentos de metal, cáscaras, etc. Esta arena no es benéfica para el tratamiento o técnicas de procesamiento de lodos, puede bloquear conductos y promover desgaste excesivo del equipo mecánico. Los dispositivos para remoción de arena dependen de la diferencia de densidad específica entre sólidos orgánicos e inorgánicos para efectuar su separación. Remoción de arena (Desarenador): en esta etapa existe una compuerta que permite controlar las partículas grandes de gravas y arenas y las separa para su posterior remoción, típicamente incluye un canal de arena donde la velocidad de las aguas residuales es cuidadosamente controlada para permitir que la arena y las piedras de ésta se sedimenten, pero todavía se mantiene la mayoría del material orgánico con el flujo. CAPITULO VI

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Este equipo es llamado colector de arena o desarenador. La arena y las piedras necesitan ser removidas a tiempo en el proceso para prevenir daño en las bombas y otros accesorios o equipos en las etapas restantes del tratamiento. Así como es importante debido a que las presencia de arenilla y grasa atrasan el proceso de que las bacterias oxigenadas maten a las bacterias nocivas.

Parámetro de diseño V = 0.3 m/s (Velocidad constante que permite que la arena de 0.2 mm. Sedimente a una velocidad de sedimentación de 0.02 m/s, Metcalf – Eddy, Pág. 457.) Longitud adicional por turbulencia La = 0.25 L.

Ecuación 6.9

(La expresión anterior fue tomada de Metcalf – Eddy, Pág. 457.) L = Longitud del canal desarenador.

Consideraciones a tomar en cuenta para el caudal: Los caudales característicos son:( Ver pag. # 79 del capítulo V.) Qmáxh = 0.02329 m³/seg. Qmed diario = 0.01242 m³/seg Qminh = 0.00276 m³/seg.

DISEÑO DEL DESARENADOR: Para el diseño de desarenadores que por lo general se utiliza para remover partículas de gravedad especifica de 2.65. Para el diseño del desarenador, con el objetivo conseguir una velocidad constante, es necesario que la sección de control sea rectangular y con pendiente uniforme. (Tratamiento de aguas Residuales en poblaciones pequeñas, Crites y Tchobanoglous, Pagina #292, 293 ) En la práctica se pueden tomar como base los datos válidos en sedimentación libre para, partículas de arena de densidad 2,65, temperatura del agua de 15,5ºC y eliminación del 90% CAPITULO VI

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Tabla 6.2. Datos de sedimentación Diámetro de las partículas eliminadas

Velocidad de sedimentación

0,150 mm

40-50 m/h

0,200 mm

65-75 m/h

0,250 mm

85-95 m/h

0,300 mm

105-120 m/h

Si el peso de la arena es sustancialmente menor de 2,65 deben usarse velocidades de sedimentación inferiores a las expuestas en el cuadro anterior.

A = b (1.5 b) = 1.5 b 2 Calculando caudal máximo horario y velocidad de derrame de acuerdo a las unidades de diseño necesarias para calcular el área de la sección del desarenador:

Calculando área del desarenador utilizando la ecuación 6.1 descrita anteriormente:

Calculando el ancho “b” del desarenador para luego calcular su profundidad “h”:

Ecuación 6.10

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Conociendo b se puede encontrar h = 1.5 b

Ecuación 6.11

h = 1.5 (0.23 m ) = 0.345 h = 0.35 m Calculando el tiempo de retención t r Ecuación 6.12

Luego se calcula la distancia del desarenador utilizando la siguiente expresión:

Ecuación 6.13

Y debido a que se debe considerar un porcentaje adicional para evitar turbulencia en el desarenador se considera un 25% de la longitud utilizando le ecuación 6.9 obteniendo el resultado: L = 5.25 mt * 1.25 = 6.5625 mts ≈ 7.00

L = 7.00 metros. 6.4

CALCULO DE CANALETA PARSHALL.

CANALETA PARSHALL.El objetivo de la Canaleta Parshall es el de servir como estructura de aforo, es decir, medir el caudal de agua residual que ingresa diariamente a la planta de tratamiento de aguas residuales o negras, con el fin poder llevar una medición y a su vez un mejor control de los procesos del tratamiento primario.

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La canaleta Parshall está constituida por tres partes fundamentales que son: la entrada, la garganta y la salida. La entrada está formada por dos paredes verticales simétricas y convergentes, el fondo es inclinado con pendiente ascendente 4:1 La garganta está formada por dos paredes verticales paralelas, el fondo es inclinado con una pendiente descendente 2,67:1. La distancia de la sección de la garganta determina el tamaño del medidor y se designa por w. La salida está formada por dos paredes verticales divergentes y el fondo es ligeramente inclinado con una pendiente ascendente de 17,9:1 En la canaleta parshall se pueden presentar dos tipos de flujo. Un flujo a descarga libre para lo cual es solo necesario medir la carga Ha para determinar el caudal; un flujo en que se presenta la sumersión o ahogamiento para el cual se toman las cargas Ha y Hb.

CANALETA PARSHALL.

Para determinar las dimensiones del medidor parshall, utilizaremos las tablas que se presentan en el Manual de Hidráulica. En el manual se establecen dos condiciones de descarga del flujo a través de un medidor parshall: •

Flujo o descarga libre

•

Agotamiento o Sumersión En el caso de la planta de tratamiento se tomara en cuenta que es flujo o descarga

libre, para determinar el caudal. En este caso basta con medir la carga H, utilizando la siguiente expresión:

Q = K Hn

Los valores de K y n son obtenidos a partir de los anexos, tabla 1, 2,3, incluidos en esta propuesta de diseño. CAPITULO VI

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El medidor de caudal que se diseñara consiste en una canaleta parshall, que está formada por tres partes principales, entrada principal, la garganta o tramo angosto del canal y la salida o parte divergente presentando los cálculos necesarios para sus dimensiones. Mediante las siguientes expresiones:

T = 2W

Ecuación 6.14

W=T/2 W = 0.25 / 2 W = 0.125 m ≈ 15 cm W = 15 cm

W = 6” Usando w=6” se utiliza como parámetro de entrada a la siguiente tabla en el cual se presenta dimensiones típicas de canaletas parshall para su diseño:

Tabla Nº 6.3 dimensiones típicas de medidores Parshall

Los valores de la tabla anterior corresponden a las siguientes dimensiones de la canaleta: W = Tamaño de la garganta. A = Longitud de la pared lateral de la sección convergente. B = Longitud axial de la sección convergente.

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C = Ancho del extremo de aguas debajo de la canaleta. D = Ancho del extremo de aguas arriba de la canaleta. E = Profundidad de la canaleta. F =Longitud de la garganta. G = Longitud de la sección divergente. K = Diferencia de nivel entre el punto más bajo de la canaleta y la cresta. N = Profundidad de la depresión en la garganta debajo de la cresta. Para corroborar que el tamaño del medidor Parshall es correcto, lo verificamos en el manual de hidráulica de J.M. de Azevedo Netto y Guillermo Acosta Álvarez, 6ª Edición. Se tiene que para un ancho de garganta de 6” se tiene una capacidad mínima de caudal de 1.52 lts/seg. Y una máxima de 110.4 lts/seg. Y como el caudal máximo horario es 23.29 lts/seg., como podemos observar el valor del caudal máximo horario esta dentro del rango.

Tabla Nº 6.4 limites de aplicación, medidores parshall con descarga libre

Los valore de K y n se obtienen de la (tabla nº 4) 29-3 del manual de hidráulica de J.M. de Azevedo Netto y Guillermo Acosta Álvarez, 6ª Edición, ver anexo 5), para un medidor Parshall de 6” de ancho de garganta.

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Tabla Nº 6.5 valores del exponente N coeficiente K

Obteniéndose los siguientes valores: n = 1.580. K = 0.381. Quedando la fórmula para calcular el caudal de la siguiente manera

Q=KHn

Ecuación 6.15

Q = 0.381 H 1.580 Punto de medición: con la descarga libre la única medida de carga H, es necesaria y suficiente para conocer el caudal, esta es hecha en la sección convergente en un punto localizado a 2/3 de la dimensión A. En esta posición se puede medir el tirante de agua con una regla o se instala un medidor junto a la pared (en metros) para lograr calcular el valor de H y así poder determinar el caudal que está circulando a través de la canaleta parshall.

6.5. SEDIMENTADOR PRIMARIO Siempre que un líquido que contenga sólidos en suspensión se encuentre en estado de reposo, los sólidos de peso específico superior al del líquido tenderán a depositarse en el fondo, y los de menor peso específico a ascender. Estos principios básicos se emplean para el análisis y diseño de los tanques de sedimentación utilizados en el tratamiento de aguas residuales. La finalidad del tratamiento por sedimentación es eliminar los sólidos fácilmente sedimentables y del material flotante; por lo tanto, reducir el contenido de

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sólidos en suspensión en el agua tratada. Los tanques de sedimentación primaria contribuyen de manera importante al tratamiento del agua residual. Cuando se utilizan como único medio de tratamiento, su objetivo principal es la eliminación de: 1.- sólidos sedimentables capaces de formar depósitos de fango en las aguas receptoras; 2.- aceite libre, grasas y otras materias flotantes, 3.- parte de la materia orgánica vertida a las aguas receptoras. Cuando los tanques se emplean como paso previo de tratamientos biológicos, el cual es el caso de nuestro proyecto, su función es la reducción de la carga afluente a los filtros biológicos. Los tanques de sedimentación primaria dimensionados y operados de manera eficiente pueden eliminar entre el 50% y 70% de los sólidos suspendidos y entre el 25% y 40% de la DBO5. Los tanques de sedimentación primaria que preceden a los procesos de tratamiento biológico, pueden diseñarse de forma que sus tiempos de retención hidráulica sean menores y tengan una carga de superficie más alta que los que se utilizan como único medio de tratamiento, excepto cuando el lodo activado en exceso se envié a los tanques de sedimentación primaria para su mezcla con el lodo primario.

6.5.1. Fundamentos de diseño Si todos los sólidos presentes en el agua residual fueran partículas discretas de tamaño, densidad, peso específico y forma uniforme, la eficiencia de eliminación de estos sólidos dependería solamente del área superficial del tanque y del tiempo de retención. En tal caso, suponiendo que las velocidades de circulación horizontales se mantuvieran por debajo de las de arrastre, la profundidad del tanque tendría poca importancia. Sin Embargo, en realidad, los sólidos de la mayoría de las aguas residuales no presentan características regulares debido a su naturaleza homogénea. A continuación se describen los parámetros más importantes involucrados en el diseño de sedimentadores primarios.

6.5.1.1 Remoción de DBO y SST La figura se obtuvo a partir de observaciones realizadas a sedimentadores en funcionamiento, y en ella se presenta información útil acerca de la eficiencia en la remoción de DBO y SST en tanques de sedimentación primaria, como función de la concentración del afluente y el tiempo de retención.

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La familia de curvas en la figura puede modelarse matemáticamente como una hipérbola regular usando la siguiente expresión:

Donde: R = porcentaje de remoción de DBO o SST esperado, % t = tiempo nominal de retención, h a,b = constantes empíricas De acuerdo a Crites y Tchobanoglous páginas #303 - 305 (2000), las constantes a y b pueden tomar los siguientes valores a 20°C según tabla:

Tabla N 6.6 Valores de las constante empíricas a y b (Crites y Tchobanoglous, Paginas #304, 2000) Variable

A

B

DBO

0.018

0.020

SST

0.0075

0.014

Figura N· 16

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6.5.1.2. Tiempo de retención Por lo general, los tanques de sedimentación primaria se proyectan para proporcionar un tiempo de retención entre 1.5 a 2.5 horas para el caudal medio del agua residual. Los tanques que proporcionan tiempos de retención menores (0.5 a 1 hr), con menor eliminación de sólidos suspendidos, se usan en ocasiones como tratamiento primario previo a las unidades de tratamiento biológico. En el análisis y diseño de tanque de sedimentación primaria, los efectos de la temperatura no suelen requerir atención especial. Sin embargo, en zonas de climas fríos, los incrementos de la viscosidad del agua producidos por las bajas temperaturas pueden retardar la sedimentación de partículas y, consecuentemente, reducir la eficiencia del proceso de separación de sólidos cuando las temperaturas bajen de los 10ºC. En nuestro proyecto, la temperatura promedio de la ciudad de Jocoro, Morazán, El salvador, ronda por los 38ºC, por lo que el tiempo de retención no se verá afectado por ese factor.

6.5.1.3. Cargas de superficies Los tanques de sedimentación se suelen dimensionar en función de la carga de superficie, expresada en M 3/M2. La adopción de una carga de superficie adecuada depende del tipo de suspensión que se deba sedimentar. La tabla presenta información típica para el diseño de tanques de sedimentación primaria.

Tabla Nº6.7 Información típica para el diseño de tanques de sedimentación primaria.

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Los efectos de la carga de superficie y del tiempo de retención sobre la eliminación de sólidos suspendidos varían ampliamente en función de las características del agua residual, de la proporción de sólidos sedimentables y de la concentración de sólidos, principalmente. Es conveniente poner especial atención en el hecho de que las cargas de superficie deben ser lo suficientemente reducidas como para asegurar el rendimiento de las instalaciones en condiciones de caudal máximo.

6.5.1.4. Velocidad de arrastre La velocidad de arrastre es importante en las operaciones de sedimentación. Las fuerzas actuantes sobre las partículas sedimentadas son causadas por la fricción del agua que fluye sobre las mismas. En los tanques de sedimentación, las velocidades horizontales se deben mantener a niveles bajos, de modo que las partículas no sean arrastradas desde el fondo del tanque. La velocidad critica dada por la siguiente ecuación desarrollada por Camp, a partir de estudios realizados por Shields (1936):

Donde: VH = velocidad horizontal mínima a la cual se inicia el arrastre de partículas k = constante que depende del tipo de material arrastrado s= peso especifico de las partículas g= aceleración de la gravedad d= diámetro de las partículas f= factor de fricción de Darcy – Weisbach. Los valores más comunes de k son 0.04 para arena unigranular, 0.06 para materia mas agregada. El factor de Darcy-Weisbach depende de las características de la superficie sobre la que tiene lugar el flujo y del número de Reynolds, sus valores típicos están entre 0.02 y 0.03. Tanto k y f , son constantes a dimensionales.

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6.6 DIMENSIONAMIENTO DE SEDIMENTADOR PRIMARIO: 6.6.1. Área Superficial Se diseñara un tanque de sedimentación primario de forma rectangular, cuyo diseño se describe a continuación. Lo primero que se debe calcular es el área superficial necesaria. Dado el caudal medio diario 12.42 lt/seg y que equivale a 1,073.09 m 3/dia y proponiendo un valor de carga de superficie de 50 m³/m²*dia (tabla 6.7) se calcula el area superficial necesaria de la siguiente manera: A = Q/CS = (1,073.09 m 3/dia) / (50 m³/m²*dia )

Ecuación 6.16

A = 21.46 m² Proponiendo una relación de largo/ancho de 4 a 1, se calcula el largo y ancho del tanque:

Por lo tanto, el largo será de 2.32 m por ser la distancia más corta con el objetivo de evitar elementos estructurales (vigas) y el ancho será de 9.28 m, estas dimensiones se redondean a 3 m y 10 m respectivamente.

6.6.2. Calculo de volumen del tanque sedimentador: Proponiendo una profundidad de 4 metros, se calcula el volumen del tanque:

Ecuación 6.18

Volumen = 3m x 10m x 4m = 120 m³

La nueva carga superficial será utilizando ecuación 6.16: CS = Q/A = (1,073.09 m 3/día) / (4 m * 10 m) CS = 26.83 m3/m²*día

6.6.3 Calculo del tiempo de retención: Tr = Vol / Q = 120 m³ / 1,073.09 m 3/día CAPITULO VI

Ecuación 6.19 DISEÑO DE PTAR

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Tr = 0.1118 día x 24 horas / 1 día = 2.68 horas

6.6.4 Calculo de velocidad de arrastre: De la ecuación 6.20 se puede calcular la velocidad de arrastre usando los siguientes valores: Constante de cohesión

k = 0.05

Gravedad Especifica

s = 1.25

Aceleración de la gravedad

g = 9.806 m/s 2

Diámetro de partículas

d = 100 μm

Factor de fricción de Darcy-Weisbach

f = 0.025

Ecuación 6.20

Esta velocidad de arrastre calculada se compara con la velocidad horizontal, la cual es igual al caudal dividido entre la sección de flujo (3m por 4m profundidad por ancho), entonces por continuidad ecuación 6.1:y VH = Q/ AX = (1,073.09 m 3/día) / (3m x 4m) = 89.42 m/día 89.42 m/dia *

*

*

= 0.0010349 m/s

VH = 0.0010349 m/s. La velocidad horizontal, es considerablemente menor que la velocidad de arrastre. Por lo tanto, el material sedimentado no será resuspendido.

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Con ecuaciones 6.21 y 6.22 tomando en cuenta los valores de las constantes empíricas de la Tabla Nº6.5 (Valores de la constante empírica a y b, Crites y Tchobanoglous, Páginas #304, 2000), se pueden calcular las tasas de remoción de DBO y SST:

6.6.5. Calculo de Remoción de DBO y SST Ecuación 6.21 Ecuación 6.22

6.7. DIMENSIONAMIENTO DE FILTROS BIOLOGICOS. Los filtros percoladores, son sistemas de depuración biológica de aguas residuales, en los que la oxidación de la materia orgánica se produce al hacer pasar a través de un medio poroso cubierto de una película biológica, aire y agua residual. Y se clasifican de la siguiente manera: Filtros Biológicos de baja velocidad. Filtros biológicos de media velocidad. Filtros biológicos de alta velocidad. Filtros biológicos de súper alta velocidad. Filtros biológicos de desbaste. En nuestro diseño hemos considerado filtros biológicos de desbaste ya que nos respaldamos con la siguiente información típica extraída de la pagina web del NRC ( National Research Council) www.nap.edu.

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Para el dimensionamiento de los Filtros biológicos de desbaste los datos básicos son:

Medio de plástico Área específica Av 40 - 80 m2 m-3 Peso específico ρ (2 - 3). 103 kg m-3 Espacio vacío 50 % del volumen del espacio. - DBO = 302.01 mg/l – 33% = 202.35 mg/l - Calidad deseada 60 mg/l/s - Recirculación = 1 (f =1.65) ya que se trata de un filtro biológico de carga baja. - Qmed día = 12.42 lt/seg y que equivale a 1,073.09 m 3/dia Para el cálculo de los rendimientos de los filtros percoladores se describen por las ecuaciones de NCR (National Research Council, USA) “Consulado Nacional de Investigación de los Estados Unidos de América”, que son expresiones empíricas desarrolladas a partir de recopilación de los registros de datos de las plantas de tratamiento implementando filtros percoladores que trabajaban los residuos de las instalaciones militares durante la segunda guerra mundial, la aplicación de estas fórmulas está especialmente indicada, para filtros de materiales pétreos o de plastico de una o CAPITULO VI

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varias fases con relación a la recirculación diversa. Para el diseño de los filtros percoladores, se uso las ecuaciones NCR para un filtro de desbaste con un factor de recirculación.

6.7.1. Calculo de la eficiencia para cada filtro E1 Y E2 Ecuacion 6.23 Donde: E = Eficiencia del sistema E1 = E2 So = DBO afluente de entrada a filtro = 302.01 mg/ l – 33% = 202.34 mg/l Sf = DBO efluente final o deseada = 60 mg/l según norma técnica salvadoreña.

E = 70% E1 + E2 (1 – E1) = E Formula empírica según NRC de los Estados Unidos de América. E1 + E2 (1 - E1) = 0.70 como E1=E2 entonces E1 + E1 - E1 2= 0.70 2E1 – E1 2 = 0.70 E1² - 2 E1 + 0.70 = 0 Utilizando la cuadrática

Ecuacion 6.24

E1 = 0.45 Y como E1 = E2 = 0.45

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Factor de recirculación se calcula mediante la siguiente Ecuacion 6.25 :

Como R = 1 entonces f = 1.65

6.7.2. Calculo de carga de DBO del primer filtro Ecuacion 6.26

W = 217.14 kg/día. 6.7.3. Calculo de volumen de carga de la primera etapa utilizando ecuación: Ecuacion 6.27

V= 28.56 m3 6.7.4. Calculo del área del primer filtro: Ecuacion 6.28

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De donde se tomará un filtro con las dimensiones de L1 = 1.80 m y L2 = 8.82 m.≈

9.00 m. La longitud más corta ha sido asumida para evitar elementos de apoyo, para los canales de distribución del agua residual en el primer filtro y satisface el área calculada.

6.7.5. Calculo de la carga de DBO del primer filtro: Ecuacion 6.29

Carga de DBO = 7.63 Kg / m³ / día. 6.7.6. Calculo de la carga hidráulica del primer filtro: Ecuacion 6.30

Carga hidráulica = 67.62

/día

6.7.7. CALCULO DEL SEGUNDO FILTRO 6.7.8. Calculo de la carga de DBO del segundo filtro: W2 = (1 – E1) W1

Ecuacion 6.31

W2 = 119.43 Kg. /día 6.7.9. Calculo del volumen del segundo filtro: Se utilizara la fórmula de Metcaly- Eddy (Pág. 467)

Ecuacion 6.32

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6.7.10. Calculo del área del segundo filtro con ecuación 6.37:

A2 = 48.77 m2 De donde se tomará un segundo filtro con las dimensiones de L1 = 1.80 m y L2= 27 m la longitud más corta ha sido asumida para evitar elementos de apoyo, para los canales de distribución del agua residual en el primer filtro y satisface el área.

6.7.11. Calculo de la carga orgánica del segundo filtro ecuación 6.38:

Carga de DBO = 1.36 Kg/m 3/día.

6.7.12. Calculo de la carga hidráulica del segundo filtro ecuación 6.39:

Carga hidráulica = 22.00 m 3/m2/dia * 24 horas = 528.07 m 3/m2/hora

Carga hidráulica = 528.07 m 3/m2/hora. Carga hidráulica = 0.14669 m³/m²/seg

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6.8.

TRATAMIENTO DE LODOS El termino lodos se utiliza para designar a los sólidos que se sedimentan cuando

las aguas negras pasan a través del tanque de sedimentación. El lodo producido por estos tanques está formado por los sólidos orgánicos e inorgánicos presentes en el agua cruda, al momento de salir del tanque de sedimentación los lodos contienen un 5% de sólidos y un 95% de agua. El método común de disposición de lodos es la digestión.

6.8.1. Digestor de Lodos Son tanques generalmente circulares que sirven para retener el lodo producido por los sedimentadores. La digestión de los lodos bajo condiciones anaerobias es producto de bacterias capaces de vivir en las mismas condiciones ambientales. Estas bacterias atacan las sustancias orgánicas complejas, las grasas, los carbohidratos y las proteínas convirtiéndolas en compuestos orgánicos simples y estables. En base a las condiciones ambientales en la zona una buena digestión se da en el periodo de 20 a 30 días en retención. Para el diseño de las unidades que componen el tratamiento de lodos se utilizan los datos de la siguiente tabla.

Tabla N° 6.8 Producción de lodos en litros por persona por día Lodos nuevos

Lodos digeridos

Lodos secos

(lts/p/día)

(lts/p/día)

(lts/p/día)

Sedimentación primaria

1.09

0.30

0.10

Filtros biológicos

1.50

0.50

0.15

Lodos activados

1.80

0.80

0.20

Fuente: Metcalf – Eddy

6.8.1.1. Dimensionamiento Los datos básicos para el diseño son: Población de diseño = 8,696 habitantes (año 2030)

CAPITULO VI

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111


Producción de lodos nuevos = 1.09 lt/p/día (de tabla N°6.8) Periodo de retención = 30 días Se propone el tiempo de retención de 30 días según lo indica la tabla N°6.9 donde se considera una temperatura aproximada de 23°C en condiciones ambientales.

Tabla N° 6.9 Digestión discontinua de los lodos de sedimentación libre a diferentes temperaturas. Temperatura °F

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

Temperatura °C

10.0

15.6

21.1

26.7

32.2

37.8

43

49

54

60

Periodo de

75

56

42

30

25

24

26

16

14

18

digestión días Tipo de digestión

Mesofilica

Termofilica

Fuente: Fair, Geyer, Okun, ingeniería sanitaria y de aguas residuales. Tomo 4

6.8.2. Cálculo del volumen necesario de agua residual para el tanque digestor. Vnr = N número de habitantes x PLn x Tr

Ecuación 6.33

Donde: PLn = Producción de lodos nuevos Tr = Tiempo de retención

Entonces: Vnr = (8,696 hab) (1.09 lts/p/día) (30dias) Vnr = 284,359.20 lts

Vnr = 284.36m³ 6.8.2.1. Calculo de diámetro para el tanque digestor. Se tomará una profundidad total h= 4.0 m, distribuida de la siguiente manera: Una parte cilíndrica con una altura de 2.0 m. Un diámetro de 12.0 m (ver plano vista de planta) y CAPITULO VI

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112


Una parte cónica de 2.0 m de altura (ver corte a-a y corte b-b en planos vista de perfil)

Entonces: Vt = vol. del cilindro + vol. del cono

Ecuacion 6.34

Vt = π .d² hcil. /4 + π .d² hcono /12 Vt = π(12m)² (2.0m) /4 + π(12m)² (2.0m) /12 Vt =226.19 + 75.40

Vt = 301.59 m³ Por lo tanto el Vt > que el volumen necesario.

Vt = 301.59 m³ > 284.36 m³ Para este diseño se propone una escalera y pasarela metálica, con el propósito de hacer limpieza manual de partículas de baja densidad y grasas.

6.8.3. Patios de secado de Lodos. En este diseño los patios de secado son lechos de 15 a 30 cm de arena que descansan sobre capas de grava de diámetros de 3 a 6 mm en la parte superior y de 18 a 35 mm en la parte inferior con un espesor total de grava de 30 cm. Las paredes laterales y divisorias de los patios de secado son de ladrillo colocados de trinchera y se elevan unos 35 cm por encima de la superficie de arena y el fondo tendrá una ligera pendiente hacia los tubos de drenaje. El funcionamiento de los patios de secado se distribuye los lodos en capas de 15 a 20 cm de espesor. Se produce una pérdida de agua por evaporación y la otra parte es conducida al cuerpo receptor. El lodo seco es inofensivo y puede utilizarse para rellenar depresiones de terreno o como fertilizante.

Dimensionamiento: Datos básicos. Población = 8,696 habitantes (20 años) Producción de lodos secos = 0.10 lt/p/día (según tabla N°6.8)

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Periodo de retención = 30 días Distribución de capas = 0.20 m

Calculo del volumen necesario (Vn) Vn = N° de habitantes x PLs x Tr

Ecuacion 6.35

Donde: PLs = producción de lodos secos Tr = tiempo de retención

Entonces: Vn = 8,696 hab x 0.10 lt/p/día x 30 días Vn = 26,088 lts

Vn = 26.09 m³ Calculando el área superficial necesaria. An = Vn/ECL

Ecuacion 6.36

Donde: Vn = volumen necesario ECL = espesor de capas de lodos

Entonces: An = 26.09 m³ / 0.20m

An = 130.45 m² Se proponen para esta área dos patios de secado.

Entonces: An =

An = 65.23 m² cada patio Se construirán 2 patios de secado rectangulares con las siguientes dimensiones:

A = ancho x largo Asumiendo que el ancho es de W = 8 m CAPITULO VI

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L = Sustituyendo los valores para encontrar el largo. L=

L = 8.15 m ≈ 8.50 m. Por lo tanto las dimensiones de los patios serán: Ancho (W) = 8 m Largo (L) = 8.50 m La construcción de estos patios puede realizarse en dos etapas, el primer patio se construirá junto con los otros elementos de la planta y el segundo cuando sea necesario, es decir cuando la producción de lodos sea tal que supere la capacidad de almacenamiento del primero. Para la evacuación del agua tratada se proponen 6 tubos para su desagüe de pvc de 4”a una distancia de 1.35 m con una pendiente del 2 %.

6.8.4 Estabilización con cal de los lodos. Los procesos de tratamiento primario avanzado, son posible mediante el proceso de pos-estabilización alcalina empleando cal viva como reactivo. Las dosis requeridas para lograr la estabilización varían de acuerdo al contenido de agua presente en el lodo. En general para lodos con mayor contenido de sólidos la dosis de cal es menor que para lodos con bajas sequedades. Para estabilizar los lodos crudos se añadirá cal en cantidades suficientes como para elevar el pH a 12 dosis necesaria para reducir la densidad de coliformes fecales, lo cual demuestra que el criterio de pH alto mata los microorganismos presentes en el lodo y, por consiguiente, estabiliza la materia orgánica según la norma de la US EPA 1

13

Agencia de Protección ambiental, Estados Unidos

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115


6.8.5 Desinfección con cloro. El cloro es el desinfectante más usado para el tratamiento del agua residual doméstica porque destruye los organismos a ser inactivados mediante la oxidación del material celular. El cloro puede ser suministrado en muchas formas que incluyen el gas de cloro, las soluciones de hipoclorito y otros compuestos clorinados en forma sólida o líquida. Algunas de las alternativas de desinfección incluyen la ozonización y la desinfección con radiación ultravioleta (UV).

6.8.5.1. Ventajas y desventajas El cloro es un desinfectante que tiene ciertos limitantes en términos de salubridad y seguridad, pero al mismo tiempo tiene un largo historial como un desinfectante efectivo. Antes de decidir si el cloro reúne las condiciones para su uso por parte de una municipalidad es necesario entender las ventajas y desventajas de este producto. Ventajas



La cloración es una tecnología bien establecida.



El cloro residual que permanece en el efluente del agua residual puede prolongar el efecto de desinfección aún después del tratamiento inicial, y puede ser medido para evaluar su efectividad.



La desinfección con cloro es confiable y efectiva para un amplio espectro de organismos patógenos.



El cloro es efectivo en la oxidación de ciertos compuestos orgánicos e inorgánicos.



El cloro puede eliminar ciertos olores molestos durante la desinfección.

Desventajas 

El cloro residual, aún a bajas concentraciones, es tóxico a los organismos acuáticos y por ello puede requerirse la descloración.



Todas las formas de cloro son muy corrosivas y tóxicas. Como consecuencia, el almacenamiento, el transporte y el manejo presentan riesgos cuya prevención requiere normas más exigentes de seguridad industrial.

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REEW

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