DISEÑO DE FILTROS LENTOS

8/12/2019 DISEO DE FILTROS LENTOS

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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOSFundada en 1551

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


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DEDICATORIA

El presente trabajo es dedicado ntegramente a mi PadreJuan Flix Cristbal Morales QEPD, as como a mi Madre,Esposa, Hijo y Hermanos, que gracias a todos ellos he podido concretar mi carrera profesional de IngenieraMecnica de Fuidos, especializado en el rea de Hidrulica

e Hidrologa.

Asimismo, un agradecimiento especial al Sr. Director Ing.Guido Amrico Rozas Olivera, puesto que siempre ha sidoun profesional a carta cabal y ha brindado todo el apoyonecesario para aprender los elementos bsicos de laMecnica de Fluidos.


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NDICE

OBJETIVO

CAPTULO I INTRODUCCIN

CAPTULO II MARCO TERICO2

2.1.Mecanismos de Filtracin22.1.1. Mecanismos de Transporte2

(a) Impacto Inercial

(b) Intercepcin

(c) Sedimentacin

(d) Difusin


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2.2.2. Caractersticas del Medio Filtrante

(a) Tipo de Medio Filtrante

(b) Tamao Efectivo del Material Filtrante

(c) Espesor de las Capas Filtrantes

2.2.3.Caractersticas Hidrulicas

(a) Tasa de Filtracin

(b) Carga Hidrulica Disponible

(c) Calidad del Efluente(d) Consideraciones Finales Sobre los Factores que Influyen en Filtracin

2.3. Uso y Aplicacin de la Filtracin en el Tratamiento de Agua

2.4. Unidades y Tipos de Filtracin


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2.5. Tipos de Filtracin en Plantas de Tratamiento La Atarjea

2.5.1. Filtros Aquazur tipo T (Planta N 1)

2.5.2. Filtros Aquazur tipo V (Planta N 2)

CAPTULO III DESARROLLO DEL ESTUDIO HIDRULICO DE LA

BATERA DE FILTROS DE PLANTA N 1

3.1. Esquema de Ubicacin de la Filtracin en el Proceso de Tratamiento de Agua

3.2. Descripcin de las Unidades de Filtracin3.3. Operacin de Lavado de Filtros en Planta N 1

3.3.1. Condiciones de Lavado del Filtro

3.3.2 Procedimiento de Lavado del Filtro


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4.3. Condiciones Iniciales de la Grava

4.3.1. Caractersticas de la Grava en 36 Filtros de Planta N 1

4.4. Clculo de la Prdida de Carga en el Sistema de Filtracin

4.4.1. Prdida de Carga a la Entrada del Filtro

4.4.2. Prdida de Carga en el Lecho Filtrante

(a) En la Arena

(b) En la Grava

(c) En Todo el Lecho Filtrante4.4.3. Prdida de Carga por Toberas

(a) Prdida de Carga por Entrada a la Tobera

(a-1) Por Contraccin


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(c) Prdida de Carga por Vlvula

(d) Prdida de Carga por Friccin

(e) Prdida Total por Accesorios

4.5. Prdida de Carga Total en el Filtro N 1 de Planta N 1

4.6. Prdida de Carga Total en Batera de Filtros de Planta N 1

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

BIBLIOGRAFA

ANEXOSA) TABLAS Y DIAGRAMA


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Descripcin Hidrulica de la Batera de Filtros de Planta No. 1 de LaAtarjea . Flix Willy, Cristbal Escobar.

Derechos reservados conforme a Ley

CAPTULO I

INTRODUCCIN

En la Planta de Tratamiento La Atarjea Planta N 1, que se muestra en la Lmina N01 la filtracin representa la ltima etapa fsica del proceso de tratamiento del agua potable, que debe de cumplir con estndares de calidad necesarios, dado que es paraConsumo Humano.

La Planta de Tratamiento de Agua Potable Gustavo Laurie Solis o Planta N 01 LaAtarjea, opera desde el ao 1955, fue diseado y construido inicialmente para un caudalde 5 m3/s, compuestos de 36 Unidades de Filtracin por gravedad de 3.600 m2 de reade filtracin total y que actualmente se encuentran en funcionamiento Ver lmina N1 (tem 08)

Posteriormente en el ao 1965 se ampli la capacidad de la Planta a 7,5 m3/s, con la


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CAPTULO II

MARCO TERICO

La filtracin consiste en la remocin de partculas suspendidas y coloidales presentes enuna suspensin acuosa que escurre a travs de un medio poroso. En general la filtracines la operacin final que se realiza en una planta de tratamiento de agua y porconsiguiente, es la responsable principal de la produccin de agua de calidadcoincidente con los patrones de potabilidad.

La filtracin en la Batera de Filtros de Planta N 1 se da a travs de Filtros Aquazur detipo T, se trata de filtros rpidos de arena; de flujo descendente y con tasa de filtracinconstante, para un caudal de operacin mxima de 10 m3/s, aqu se produce laclarificacin completa del agua en el proceso de tratamiento de Agua Potable.

2.1. Mecanismos de Filtracin


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primeras capas del medio filtrante, es responsable de aproximadamente el 90% dela prdida de carga total, mientras que, en el segundo caso, la penetracin de partculas es profunda, producindose una distribucin de prdidas de carga entodo el medio filtrante. La accin fsica de cernido es un mecanismo dominante en

la filtracin de accin superficial, mientras que, en la filtracin de accin a profundidad, este mecanismo es el de menor importancia entre otros responsables por el transporte de las partculas.

(a) Impacto Inercial

Durante el escurrimiento, las lneas de corriente divergen al estar cerca de los

granos del medio filtrante, de modo que las partculas suspendidas, concantidad de movimiento suficiente para mantener su trayectoria, colisionan conlos granos, segn se muestra en la figura N 1

c


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gDv

F F i

g

i22= ..(2)

donde :II = parmetro adimensional que representa la eficiencia del

mecanismo

c

Fig. N2 Mecanismo de Intercepcin


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(b) Intercepcin

Normalmente, el rgimen de escurrimiento durante la filtracin es laminar, y por lo tanto, las partculas se mueven a lo largo de las lneas de corriente.

Debido a que las partculas suspendidas tienen densidad aproximadamenteigual a la del agua, ellas sern removidas de la suspensin cuando, con relacina la superficie de los granos del medio filtrante, las lneas de corriente estn auna distancia menor que la mitad del dimetro de las partculas suspendidas,como lo muestra la figura N 2.La ecuacin (3), propuesta por Ives, fue desarrollada para partculas

suspendidas y granos del medio filtrante de forma esfrica.

Dd

I = ...(3)

donde:


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vs = velocidad de sedimentacin de las partculas (LT-1)s = densidad de las partculas (ML-3)a = densidad del agua (ML-3)d = dimetro de las partculas (L)

= viscosidad absoluta del agua (ML-1T-1)g = aceleracin de la gravedad (LT-2)

Para g=9,8 m/s2, a =1000 kg/m3; = 103 kg/m/s y partculas de arcillasuspendida de d = 10 m y =2.500 Kg/m3, vs resulta aproximadamente iguala 0,1 mm/s.

El anlisis del escurrimiento alrededor de una esfera muestra que la velocidadtangencial decrece hasta hacerse cero en la superficie del grano.

La figura N 3 muestra el esquema del mecanismo de sedimentacin,resaltando la accin de la gravedad sobre la partcula suspendida.


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(d) Difusin

Se ha observado que las partculas relativamente pequeas presentan unmovimiento errtico cuando se encuentren suspendidas en un medio lquido.

Este fenmeno, resultado de un bombardeo intenso a las partculas suspendidas por las molculas de agua, es conocido como movimiento Browniano y esdebido al aumento de la energa termodinmica y a la disminucin de laviscosidad del agua.

El movimiento de partculas mayores que 1 m es afectado por la fuerza de

arrastre y de inercia de las mismas, y por lo tanto, la intensidad del movimientode difusin resulta inversamente proporcional al tamao de las partculassuspendidas.

La figura N 4 muestra, esquemticamente, como se produce el transporte de partculas por el mecanismo de difusin.


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ejemplo, la filtracin de agua cruda en filtros lentos de arena, y la de agua coaguladaen filtros rpidos de arena, resultan de interacciones distintas entre los granos delmedio filtrante y las partculas suspendidas, pues un factor importante de ser tenidoen cuenta en la filtracin lenta puede, muchas veces, no ser importante para la

filtracin directa.2.2.1 Caractersticas de la Filtracin

De modo general, la eficiencia de remocin de partculas suspendidas en unmedio filtrante, est relacionada con las siguientes caractersticas de lasuspensin:

- Tipo de partculas suspendidas;- Tamao de las partculas suspendidas;- Densidad de las partculas suspendidas;- Resistencia o dureza de las partculas suspendidas (flculos);- Temperatura del agua a ser filtrada;


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Algunos productos qumicos, como los coagulantes tradicionales y polmeros, pueden usarse para ajustar el tamao de las partculas suspendidas de modo deobtener una eficiencia mayor. Las partculas menores que el tamao crticosern removidas eficientemente debido a la accin de otros mecanismos, como

la interceptacin y sedimentacin.

(c)Densidad de las Partculas Suspendidas

Cuanto mayor sea la densidad de las partculas suspendidas, mayor ser laeficiencia de remocin de las partculas de tamao superior al crticomencionado anteriormente.

(d) Resistencia o Dureza de los Flculos

La dureza de los flculos es otro factor importante en la filtracin rpida, pueslos flculos dbiles tienden a fragmentarse y penetrar fcilmente en el interiordel medio filtrante, favoreciendo que ocurra el traspase final de la turbidez


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(g) Potencial Z

Cuando las partculas suspendidas y los granos del medio filtrante tienen potencial Z del mismo signo, la interaccin entre las capas dificulta la

adherencia, reduciendo la eficiencia de remocin. Como los materialesfiltrantes usuales presentan potenciales Z negativas, sera conveniente que las partculas suspendidas tuviesen potencial Z negativo.

(h) pH

El pH influye en la capacidad de intercambio inico entre las partculassuspendidas y los granos del medio filtrante. Para valores de pH inferiores a7,0 disminuye el intercambio de cationes y aumenta el intercambio de anionessobre las superficies positivas; mientras que para valores de pH superiores a7,0 se produce un aumento en el intercambio de cationes y una disminucin enel intercambio de aniones sobre las superficies negativas.


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(b) Tamao Efectivo del Material Filtrante

Los materiales filtrantes se especifican sobre la base de por lo menos cuatrocaractersticas: Tamao efectivo (Te): en relacin al porcentaje (en peso) que pasa por las

mallas de una serie granulomtrica, el tamao efectivo se refiere altamao de granos correspondiente al porcentaje de 10 %.

Coeficiente de uniformidad (Cu): con relacin al porcentaje (en peso) que pasa por las mallas de una serie granulomtrica, el coeficiente deuniformidad es igual a la relacin entre el tamao de los granos

correspondiente al 60% y el tamao de los granos correspondiente al10%. Forma: la forma de los granos normalmente se evala en funcin del

coeficiente de esfericidad (Ce), que es igual a la relacin entre eldimetro de una esfera, de velocidad de sedimentacin igual a la delgrano considerado, y el tamao medio de los granos entre dos mallas


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2.2.3. Caractersticas Hidrulicas

Las caractersticas hidrulicas que influyen en la eficiencia de la filtracin son: la

c

Fig. N5 Punto ptimo de Operacin e nfuncin de la Carrera de Filtracin yespesor de la capa filtrante

Prdida de carga

Agua filtradaPunto ptimo

D u r a c

i n

d e

l a c a r r e r a

d e

f i l t r a c

i n

Espesor de la capa filtrante


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(b) Carga Hidrulica Disponible

La carga hidrulica a fijarse en un filtro influye significativamente en laduracin de la carrera de filtracin. Este parmetro es emprico y normalmente

es seleccionado por el proyectista. Sin embargo, estudios mostraron que losfiltros de tasa declinante producen carreras de filtracin ms largos que los detasa constante para una misma prdida de carga en el medio filtrante y lamisma tasa de filtracin promedio. Esto significa que los filtros de tasaconstante necesitaran de una carga hidrulica disponible superior a los de tasadeclinante para obtener carreras de filtracin de la misma duracin.Por otro lado, fijar la carga hidrulica con la que un filtro o un sistema defiltracin debe operar, depende de otros factores, como el espesor ygranulometra del medio filtrante, aspectos econmicos, etc.

(c) Calidad del Efluente

La calidad del efluente est relacionada con diversas caractersticas inherentes


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(d) Consideraciones Finales Sobre los Factores que Influyen en la Filtracin

Desde el punto de vista acadmico, representar los factores por separadofacilita la comprensin de la influencia que ejerce cada uno en la eficiencia de

c

Fig.N6 Variacinde la Calidad del efluente DurantelaCarrera de Filtracin

C a

l i d a

d

tiempo


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2.3. Uso y Aplicacin de la Filtracin en el Tratamiento de Agua

El uso de la filtracin en el tratamiento de agua no es reciente, teniendo noticiasde que la primera instalacin de filtracin en arena fue construida en el siglo XIX,

en Inglaterra. Este tipo de instalacin funcionaba con tasas de filtracin inferioresa 4 m3/m2/da; y por necesitar de un rea relativamente extensa, no obtuvo xitoen los Estados Unidos donde en cambio se desarrollaron los filtros rpidos dearena a finales del siglo XIX.

Estas ltimas instalaciones filtraban agua sometida preliminarmente a lasoperaciones de coagulacin, floculacin y sedimentacin, y funcionaban con tasaconstante e igual a 120 m3/m2/da.

Hasta 1950 muy poco se haba alterado en la prctica de filtracin, siendoconsideradas dos condiciones para el cierre de la carrera de filtracin: (1) que lacarga hidrulica disponible se utilizara totalmente; y (2) que la turbidez, o laconcentracin de slidos en el agua filtrada, alcanzara un valor predeterminado.


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2.4. Unidades y Tipos de Filtracin

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

AGUACRUDA

Mezcla Rpida. Floculacin

FloculacinMezcla Rpida FiltracinAGUACRUDA

Sedimentacin.

Empleo deProductosQumicos.

Agua conprecipitados decarbonato de

calcio

FiltracinMezc. RpidaAGUACRUDA

AGUA CONDUREZA

ELEVADA

Filtracin.AireacinAGUACON FE Y MN

Sedimentacin Filtracin

Filtracin


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Caractersticas Generales de Construccin y Operacin: Velocidad de filtracin; de 0,935 a 2,805 m3/m2/da Tamao del lecho; Grande, acre (2.023 m2) Profundidad del lecho; 30,50 cm de grava, 1,06 cm de arena, generalmente

reducida a no menos de 61 cm por raspado. Tamao de la arena; tamao efectivo de 0,25 a 0,35 a 0,35 mm, coeficientede no uniformidad: 2 a 2,5 a 3 mm.

Distribucin del tamao de granos de arena en el filtro; No estratificado. Sistema de drenaje inferior; laterales de arcilla seleccionados, tendidos en

piedra gruesa, y descargando a los drenes principales de arcilla o concreto. Prdida de carga; 1,52 cm inicial a 3,04 cm final. Duracin del ciclo entre limpiezas; 20 a 30 a 60 das Penetracin de la materia suspendida; Superficial.

2.4.2. Filtracin Rpida

La filtracin rpida, realizada por gravedad, es usualmente empleada en plantas


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Tasa de Filtracin Constante

Cuando el caudal afluente es constante y la entrada a los filtros se hace demodo que el caudal total es dividido equitativamente y permite que el nivel delagua en el interior de cada filtro vare in dependientemente de los otros, la tasa

de filtracin ser constante si la resistencia del filtro es acompaada por elaumento de la carga hidrulica disponible. El nivel del agua variar desde unmnimo, cuando el medio filtrante se encuentra limpio; hasta un mximo,cuando el filtro debe lavarse. Al inicio de la operacin, el medio filtrante estarlimpio y por lo tanto, para evitar que el nivel mnimo se localice debajo de lasuperficie de la capa filtrante, debe preverse la instalacin de una vlvula en la

tubera del efluente para ajustar el nivel mnimo.Ventajas: Las bateras de tasa declinante operan con una carga hidrulica que por lo

menos es la cuarta parte de lo que requerira un filtro de tasa constante encondiciones equivalentes.

La operacin con tasa declinante reduce la posibilidad de deterioro del


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Tamao de la arena; 0,45 mm y mayores; coeficiente de no uniformidad:1,5 y menor, segn el sistema de drenes inferiores.

Distribucin del tamao de granos de arena en el filtro; Estratificado conlos granos ms pequeos o ms ligeros en la parte superior y los ms

gruesos o ms pesados en el fondo. Sistema de drenaje inferior; 1)Tubos laterales perforados descargando alos tubos principales; 2)Placas porosas sobre la capa de entrada; 3)Bloques porosos con canales incluidos.

Prdida de carga; 30,48 cm inicial a 2,74 cm final. Duracin del ciclo entre limpiezas; 12 a 24 a 72 horas. Penetracin de la materia suspendida; Profunda.

(a) Filtracin Directa con Flujo Ascendente

El agua ingresa por la parte inferior, hacindose la coleccin por medio detuberas provistas de bocas e instaladas en el medio filtrante


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(a-2) Diferentes Posibilidades de Filtracin Directa

Desinfeccin,fluorizacin, control

de pH

Desinfeccin,fluorizacin,

Coagulacin CoagulacinCoagulante Coagulante

Filtracin FiltracinCoagulacin

Flujo ascendente enfiltracin constante

con flujosdescendentes

durante el proceso

Filtracin de flujodescendente con

constantedeclinacin

Coagulacin

Flujo ascendente enfiltracin constante

con flujosdescendentes

durante el proceso

Coagulacin

Flujoascendente en

filtracinconstante

Desinfeccin,fluorizacin,control de pH

CALIDAD DEL AGUA

Coagulacin

Fflujoascendente en la

filtracin condeclinacin

Desinfeccin,fluorizacin,control de pH


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(b-2) Diferentes Posibilidades de Filtracin Directa

Parmetros 5 6 7 8Tecnologa de tratamiento de agua

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

Turbiedad 20 20 100 200Color verdadero 25 25 100 150Manganeso como Mn (mg/l) 0,5 0,5 1,0 1,0Total de Fe (mg/l) 3,0 3 10,0 15,0pH * * * *BOD5 (mg/l) 1,5 1,5 5 10,0Coliformes Totales por 100 ml 5000 5000 5000 20000Coliformes fecales por 100ml 200 500 1000 5000TOC (mg/l) 2,0 2,0 5,0 5,0

Algas 500 500 1000 2500Sustancias potenciales ** ** ** **


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(b-3) Diferentes Tipos de Controles en el Sistema de FiltracinA.- Control de nivel de agua a travs de vlvula instalada en la salida de agua filtrada.

Valvula de entrada DETECTOR DE NIVEL

ALTURA DE AGUA

Agua deca nta da SOBRE LA CAPAFILTRANTE

. . . . . . . . . . . . . . . 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 AGUASOBRE LA CAPA

FILTRANTE Agua deca nta da . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . CAPA FILTRANTE

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


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2.5. Tipos de Filtracin en Plantas de Tratamiento La Atarjea

En la Planta de Tratamiento de la Atarjea se utiliza filtros rpidos de patenteDegremont y son de tipo T y V, es decir varan en su diseo, velocidades de

filtracin y lavado.

2.5.1. Filtros Aquazur, tipo T (Planta N 1)

Se caracteriza por: Un Lecho filtrante de granulometra homognea, y que permanece

homognea despus del lavado. Un lavado por retorno simultneamente de aire a fuerte caudal y de agua a

caudal reducido, seguido de un aclarado a caudal medio, que no provocaexpansin del lecho filtrante.

Una pequea altura de agua por encima de la arena: 0,50 m Una cada geomtrica reducida, en general 2 m, que evita que debido a un

atascamiento excesivo se produzca una importante desgasificacin del agua.


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Medio FiltranteTipo de Arena : Arena cuarzosaTamao efectivo : 0,95 mmAltura : 1,00 m

Material de soporteGrava : 0,5 cmAltura : 5,0 cm

Falso fondo (Lozas pre-fabricadas equipado con toberas) N de toberas : 6.144 toberas de polipropilenoTasa de filtracin : 240 m3/m2/daLavado : Aire y aguaTiempo de retencin : 6-12 min.Flujo pistn : 25% - 48%Espacios muertos : 58% - 65%Eficiencia de mezcla : 0,8 1,3


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la tasa de filtracin ha quedado aumentada a 10 (m/hora)/m, trabajando enconsecuencia de una manera forzada.

3.3. Operacin de Lavado de Filtros en Planta N 1

3.3.1. Condiciones de Lavado del Filtro

Un filtro se va lavar cuando presenta las siguientes condiciones: Prdida de carga del Filtro mayor o igual 2,20m. Porcentaje de apertura de vlvula de filtracin menor al 30%. Tiempo de carrera de filtracin mayor a 48 horas Turbiedad de salida del Filtro mayor a 1 NTU.

Debido a que los Filtros de Planta N 1 son antiguos, existen problemasoperacionales, por lo que se han realizado diferentes evaluaciones para lavar unfiltro ya sea por perdida de carga, porcentaje de apertura de vlvula filtrada,carrera de filtracin y por calidad de agua en turbiedad. Actualmente se trabaja y


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

3.4. Vulnerabilidad de Unidades Hidrulicas de Filtracin

El arrastre de partculas floculentas asociado con el incremento de caudal, hacenque los filtros se colmaten rpidamente producindose la prdida de agua porrebose hacia los canales. Como se mencion, el rea de filtracin no essuficiente para compensar el incremento de caudal por tiempos prolongados,adems que el dispositivo de regulacin del filtro no es el apropiado para estascondiciones.

La regulacin del nivel de agua no presenta una eficiencia al 100%, comoconsecuencia de que no existe una calibracin y ajuste de las vlvulas deapertura y cierre automtico, pues cuando existe mayor produccin se producearrastre de sedimentos por la aceleracin filtrada y cuando se baja la produccinocurre que las vlvulas se cierran totalmente.

Actualmente el rea de filtracin es el mismo al del ao 1955.


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Punto (a)

Punto (c)

Punto (b)


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reparacin de los problemas estructurales, precedentemente es indispensablese construya una batera de 8 Filtros rpidos, con los que se producir unvolumen de agua que compense la produccin de agua de la mitad de laPlanta 1 para reparacin y luego la segunda mitad, lgicamente con diseoshidrulicos y estructurales mejorados.

3.6. Aparatos de Control

Son dispositivos para mejorar el control y funcionamiento de los filtros.

Piezmetro, que sirve para medir el estado de atascamiento del lecho filtrante. Compuertas y vlvulas, que da la informacin sobre el caudal de agua filtraday la equidistribucin del caudal de ingreso.

Turbidmetro, que sirve para medir la calidad del agua filtrada. Lo ideal escontrolar la turbiedad del agua a la salida de cada filtro.

Bombas de agua y compresor, que da la cantidad de agua y aire que debeutilizarse cuando se lava cada filtro.


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CAPTULO IVPRDIDA DE CARGA HIDRULICA EN BATERA DE FILTROS DE PLANTA N

1

Tomando en consideracin el Filtro N 1.

4.1. Condiciones de Diseo

Caudal de Planta : Q plant a = 36.000 m3/hTemperatura : T planta = 20 CViscosidad cinemtica : = 1,00E-06 m2/s Numero de toberas : Ntoberas = 6,144 Nmero de Filtros : Nfiltros = 36 Nmero de celdas por Filtro : Nceldas = 2Dimensiones de cada celda :

lcelda = 12,50 m


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Considerando que los datos de dimetro efectivo, porosidad y nivel de arenacorresponden a la evaluacin efectuada en Mayo del 2005, por ser la ltimainformacin obtenida.

FILTRON

DIAMETROEFECTIVO ( m ) POROSIDAD

NIVEL DE ARENA( m )

DISEO 0,95 0,400 1,001 1,10 0,355 1,032 1,20 0,462 1,023 0,98 0,375 0,994 1,05 0,375 0,96

5 1,05 0,418 0,936 1,05 0,455 0,897 0,94 0,387 1,028 0,94 0,406 0,849 1,00 0,424 0,9610 1,09 0,412 0,9411 1,20 0,343 0,9312 1,10 0,412 1,0313 1 10 0 394 0 99


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4.3. Condiciones Iniciales de la Grava

Dimetro efectivo : Defectivo = 0,005 m (promedio Planta N 1)Porosidad : Po = 0,400 (Ver Tabla N 1)Altura del lecho filtrante : Llecho = 0,05 m (altura de diseo)Coeficiente de esfericidad: Ce = 0,82 (para partculas redondeadas,

Ver Tabla N 1)

4.3.1. Caractersticas de la Grava en 36 Filtros de Planta N 1

Las condiciones de la grava se consideran de acuerdo al diseo e igual para toda la batera de filtros de Planta N 1.

FILTRO DIAMETROEFECTIVO ( m )

POROSIDADNIVEL DE GRAVA

( m )

DISEO 0,005 0,400 0,05


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Dimensiones de orificio de entrada al filtro

Dimensin un orificio : lorificio = 0,45 mAorificio = 0,25 m

Caudal de un orificio : Qorificio =orificios

fi lt ro

N Q = 0,070 m3/s

Prdida de carga de un orificio: Hf orificio = g

vk orificio

2

2

(a)

Velocidad de un orificio : Vorificio =orificio

orificio

AQ

(b)rea de un orificio : Aorificio = lorificio aorificio

Aorificio = 0,1125 m2


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4.4.2. Perdida de Carga en el Lecho Filtrante (ver Lmina N 3 y N 4)

(a) En la Arena

De la ecuacin de Fair y Hatch para prdida de carga en lechos filtrantes noestratificados

2

3

2 6)1( =ceo

oarena DC P

P v

g L

f Hf

(c)

DondeCoeficiente de Kozeny : f = 5,00(1) Altura del lecho : L = 103 cmGravedad : g = 981 cm/s2 Viscosidad cinemtica : = 1,00E-02 cm2/sPorosidad : P = 0 36 (Ver Tabla N 1)


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DondeCoeficiente de Kozeny : f = 5,00(1) Altura del lecho : L = 5,00 cmGravedad : g = 981 cm/s2 Viscosidad cinemtica :

= 1,00E-02 cm2/s

Porosidad : Po = 0,40 (Ver Tabla N 1)Coeficiente de esfericidad : Ce = 0,82 (Para partculas

redondeadas, Ver Tabla N1)

Dimetro de la arena : Dc = 0,50 cm

Velocidad de filtracin : v = 875,98278,0

= fi lt ro fi lt ro

A

Q

m/s

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

Reemplazando datos en (d)


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Dimensiones de una tobera

18,60 cm

d1=4,30 cm

Nivel de agua

A A

36 ranuras de 2cm x 0,3mm

contraccin

expansin 4,30 cm

DETALLE A-A


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aranura = 0,30 mm

rea de ranura : Aranura = lranura aranura

Aranura = 6,00 E-06 m2

Velocidad por ranuras : vranura = 0600,6062556,1

=

E E

AQ

ranura

ranura m/s

vranura = 0,209 m/s

En las ranuras se va a producir dos tipos de perdidas de carga: Contraccin yExpansin

(a-1) Por Contraccin


45/72



(a-2) Por Expansin

Hf e = g

vvranura2

)( 212

(f)

Por ecuacin de continuidad: v1 =1 A

Qtobera m/s

rea del tubo : A1 = 4

21d

Dimetro del tubo de la tobera: d1 = 4,30 cm

Por lo que el A1 y v1 sern: A1 = 0,00145 m2

V1 = 0,031 m/s


46/72



(b) Perdida de Carga por Contracciones

g

vd d

k Hf ncontracci 2

)1( 221

2=

(g)

De las dimensiones :

V 2

d1=4,30 cm


47/72



Hf contraccin = 0,31 cm

(c) Perdida de Carga por Friccin en Tubera

Por la frmula de Darcy Weisbach

2

222

2 gd v L

f Hf fri cci n =

(h)

De las dimensiones :

d1=4,30 cmd1=4,30 cm


48/72



Hf friccin = 0,0011 m

Hf friccin = 0,11 cm

(d) Prdida de Carga a la Salida del Vstago

Por la frmula de Darcy Weisbach Hf salida = g

vk

2

22

(i)

Coeficiente de prdida por salida: k = 1 (Ver Tabla N 3, Item 3)

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

Hf salida = 0,46 cm


49/72



rea de la Cmara : Acmara = 4

2cmarad

Dimetro de la Cmara : dcmara = 0,53 m

Por lo tanto : Acmara = 0,221 m2

vcmara = 1,26 m/s

Reemplazando en la ecuacin (j):Hf cmara = 0,0405 m

Hf cmara = 4,05 cm

4.4.5. Perdida de Carga por Accesorios

d l d l d l d l d


50/72



Determinacin de la velocidad : va =a

fi lt ro

A

Q; v b

=b

fi lt ro

A

Q

va = 1,26 m/s

v b = 1,91 m/s

Reemplazando en la ecuacin (k):

Hf codos = 0,0934 m

Hf codos = 9,34 cm

(b) Perdida de Carga por Tee (ver Foto N 18)2

D i i Hid li d l B t d Filt d Pl t N 1 d L


51/72



Reemplazando en la ecuacin (m):Hf vlvula = 0,0558 m

Hf vlvula = 5,58 cm

(d) Perdida de Carga por Friccin (ver Foto N 17)

Entre codo y codo Hf friccin =b

b

gd Lv

f 2

2

(n)Considerando : L = 3,21 m

f = 0,018

Reemplazando en la ecuacin (n):Hf friccin = 0,025 m

Descripcin Hidrulica de la Batera de Filtros de Planta No 1 de La


52/72



4.6. Prdida de Carga Total en Batera de Filtros de Planta N 1

Para los 35 filtros restantes se resuelve siguiendo el mismo procedimiento que serealiz para el Filtro N 1, pero tomando las caractersticas inherentes a cada filtro.

FILTRON

ENTRADA ALFILTRO( cm )

ARENA( cm )

GRAVA( cm )

TOBERAS( cm )

SALIDA DE LACAMARA( cm )

ACCESORIOS( cm )

TOTAL( cm )

ECUA. PARA Hf ( cm )

1 0,156 45,06 0,09 16,828 4,05 29,56 95,74 Hfo = 0.6119Q 2 + 7.3898Q -11,812 0,156 18,99 0,09 16,828 4,05 29,56 69,67 Hfo = 0.6127Q 2 + 1.9778Q - 11,253 0,156 69,74 0,09 16,828 4,05 29,56 120,42 Hfo = 0.6111Q 2 + 7.1434Q - 11,834 0,156 58,91 0,09 16,828 4,05 29,56 109,59 Hfo = 0.6122Q 2 + 6.0285Q - 0.64045 0,156 35,73 0,09 16,828 4,05 29,56 86,41 Hfo = 0.6126Q 2 + 3.675Q - 0.39776 0,156 23,25 0,09 16,828 4,05 29,56 73,93 Hfo = 0.6119Q 2 + 2.4217Q - 0.3177 0,156 68,36 0,09 16,828 4,05 29,56 119,04 Hfo = 0.6118Q 2 + 6.9915Q - 0.75588 0,156 45,78 0,09 16,828 4,05 29,56 96,46 Hfo = 0.6123Q 2 + 4.6971Q - 0.51229 0,156 38,16 0,09 16,828 4,05 29,56 88,84 Hfo = 0.6123Q 2 + 3.9254Q - 0.434810 0,156 35,73 0,09 16,828 4,05 29,56 86,41 Hfo = 0.6128Q 2 + 3.6718Q - 0.389511 0,156 63,10 0,09 16,828 4,05 29,56 113,78 Hfo = 0.6121Q 2 + 6.4544Q - 0.690612 0,156 38,44 0,09 16,828 4,05 29,56 89,12 Hfo = 0.6122Q 2 + 3.9545Q - 0.441113 0,156 44,87 0,09 16,828 4,05 29,56 95,55 Hfo = 0.6126Q 2 + 4.6009Q - 0.490514 0,156 66,27 0,09 16,828 4,05 29,56 116,95 Hfo = 0.6118Q 2 + 6.7811Q - 0.745115 0,156 27,91 0,09 16,828 4,05 29,56 78,59 Hfo= 0.6127Q 2 + 2.881Q - 0.320216 0,156 40,69 0,09 16,828 4,05 29,56 91,37 Hfo = 0.6124Q 2 + 4.1788Q - 0.445417 0,156 26,19 0,09 16,828 4,05 29,56 76,87 Hfo = 0.613Q 2 + 2.7021Q - 0.280418 0,156 28,23 0,09 16,828 4,05 29,56 78,91 Hfo = 0.6128Q 2 + 2.9118Q - 0.307619 0,156 41,06 0,09 16,828 4,05 29,56 91,74 Hfo = 0.5833Q 2 + 4.6925Q - 2.3515



53/72



CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Se ha dado a conocer todo lo referente a la filtracin en la Produccin de Agua paraConsumo Humano en la Planta N 1 de La Atarjea, y que representa elabastecimiento a ms de 1/3 de la Poblacin de Lima.

La Filtracin representa la ltima etapa fsica en el Tratamiento de Agua paraConsumo Humano.

Todas las estructuras hidrulicas, accesorios, equipos, etc., que intervienen en laFiltracin son de vital importancia, puesto a que si alguno de ellos no cumple su

funcin en el proceso, ste se ve deteriorado tanto en la calidad como en lacantidad, es por ello que deben existir planes de contingencia y emergencia en elmantenimiento y proceso de produccin en las Plantas de La Atarjea.

No se debe exigir tanto la produccin en la Planta N 1 de La Atarjea, si bien escierto su capacidad instalada es de 10m3/s, esta no se cumple durante las 24 horas,

3



54/72



automatizacin en la apertura de las vlvulas de filtracin en la Planta N 1 y senecesitaba conocer en esos momentos como era el comportamiento hidrulico delos filtros, debido a que el porcentaje de apertura de las vlvulas de filtracinguarda relacin directa con la prdida de carga. Cabe resaltar que la determinacinde la prdida de carga hidrulica de los Filtros se realiz en una hoja de clculo(Excel) y que al variar las condiciones inherentes de cualquiera de los 36 Filtros, seobtendra rpidamente el valor de esta prdida de carga.

Finalmente se espera que esta Monografa sirva para orientar en la Construccin,Operacin y Proceso de Tratamiento de alguna Planta de Agua Potable que tenga

caractersticas similares al de La Atarjea.



55/72



BIBLIOGRAFA

- Teora, Diseo y Control de los Procesos de Clarificacin del Agua/CentroPanamericano de Ingeniera y Ciencias del Ambiente (CEPIS)/Jorge Arboleda 1973

- Manual de Tratamiento de Agua para Consumo Humano en Plantas de TratamientoLa Atarjea/SEDAPAL LA ATARJEA

- Plantas Modulares de Tratamiento de Agua/CEPIS (Lima Per)/DocumentosTcnicos N 8. Lima 1982 (actualizado 1990)

- Introduccin a la Mecnica de Fluidos/4ta Edicin/Fox, Robert W/McGraw - Hill(Mxico)

- Mecnica de Fluidos/3era Edicin/Shames/McGraw - Hill (Colombia)- Mecnica de Fluidos/9ena Edicin/John Finnemor, Joseph Franzini/McGraw Hill- Mecnica de Fluidos I y II/Francisco Ugarte Palacin/UNI 1991- Manual del Agua Potable/Spellman/Frank R./Acribia- Agua y Saneamiento/A. Prez, M. Camilo y F. Mogriny/Federacin

ISF/Universidad Politcnica de Catalua

Descripcin Hidrulica de la Batera de Filtros de Planta No. 1 de La


56/72



ANEXOS ANEXO A

TABLAS Y DIAGRAMA


57/72

TABLA N 1Factores de esfericidad y forma de los materiales granulares (de forma no laminar) y porosidades tpicas asociadas a ellos en lechos estratificados de filtros rpidos de arena.

(Ce) (s ) (Po)1 Esfricos 0,95 6 0,3552 Desgastados 0,94 6,1 0,3753 Redondeados 0,82 6,4 0,4004 Agudos 0,81 7,4 0,4155 Angulares 0,78 7,7 0,4306 Triturados 0,7 8,5 0,480

Item Factor de FormaEsfericidad PorosidadDescripcin

Referencia: Libro de Tratamiento de Aguas Residuales - UNI

TABLA N 2

1 Bordes afilados 0,99 Casi no hay rozamiento

2 Bordes no afilados


58/72

DIAGRAMA DE MOODYDIAGRAMA N 1

-43-

Descripcin Hidrulica de la Batera de Filtros de Planta No. 1 de La


59/72

Atarjea . Flix Willy, Cristbal Escobar.


ANEXO B

Vi d M I i d d Pl N 1 Vi d M D h d Pl N 1


60/72

Vista de Margen Izquierda de Planta N 1 Vista de Margen Derecha de Planta N 1

Batera de Filtros de Planta N 1 (1 al 9) Batera de Filtros de Planta N 1 (10 a l 8)

FOTO N 1

FOTO N 4FOTO N 3

FOTO N 2

-44-


61/72

Vista de Cucharas en Ventana de Ingreso a Filtro Sellado de Compuerta por Mantenimiento del Filtro


62/72

Vista de Cucharas en Ventana de Ingreso a Filtro Sellado de Compuerta por Mantenimiento del Filtro

Vista de Lecho Filtrante (arena) Vista de Falso Fondo

FOTO N 9

FOTO N 12

FOTO N 10

FOTO N 11

-46-

Vista de Orificios en Falso Fondo (Toberas) Arena extrada del Filtro por Mantenimiento


63/72

Vista de Orificios en Falso Fondo (Toberas) Arena extrada del Filtro por Mantenimiento

Tubera de Salida de Agua Filtrada Vlvula de apertura o cierre (Lavado del Filtro)

FOTO N 16

FOTO N 13 FOTO N 14

FOTO N 15

TEE VLVULA

-47-

Tubera de Recoleccin de Agua Filtrada Margen Izquierda Tubera de Recoleccin de Agua Filtrada Margen Derecha


64/72

Tubera de Recoleccin de Agua Filtrada Margen Izquierda Tubera de Recoleccin de Agua Filtrada Margen Derecha

Nivel Piezomtrico (Hf del Filtro) Tablero de Apertura y Cierre del Vlvula de Filtracin

FOTO N 17

FOTO N 20

FOTO N 18

FOTO N 19

CODOS

3,21 m(Longitud entrecodos)

-48-

Arqueta de Agua Filtrada


65/72

q g

Canal de Conduccin de Agua Filtrada Sala de Bombas de Agua para Lavado del Filtro

FOTO N 21

FOTO N 24FOTO N 23

FOTO N 22

-49-

Vlvula de Apertura y Cierre en Operacin de Lavado Tubera de Alimentacin de Agua para Lavado del Filtro


66/72

p y p Tubera de Alimentacin de Agua para Lavado del Filtro

Arqueta Principal de Agua Filtrada en Planta 1

FOTO N 28

FOTO N 25 FOTO N 26

FOTO N 27

-50-



67/72

Atarjea . Flix Willy, Cristbal Escobar.


ANEXO C

PLANTA DE TRATAMIENTO LAATARJEA


68/72

R O R M A C

LMINA N 1

ATARJEA

Item 8: Filtros dePlanta N 1

51

A la Ciudad

VISTA DE PLANTA DEL FILTRO


69/72

PLANTA N 1

LMINA N 2

Q

C A N A L D E A G U A D E C A N T A D ACELDA 2

CELDA 1

CANALETA DE PURGA PARA LAVADO

3 , 9

5 5 m

3 , 9

5 5 m

1 , 7 5 m

12,50 m

ORIFICIO DEENTRADA ALFILTRO (0,45m x0,25 m)

-52-


70/72

TOBERAS

CANAL DE DISTRIBUCION DE AGUA DECANTADA

PERFIL LONGITUDINAL DEL FILTROPLANTA N 1

LMINA N 3

12,50 m

CMARA DE RECOLECCIN DE AGUA

ARENA

CANALETA DE LAVADO

TUBERIA DE LAVADO CON AGUA

TUBERIA DE LAVADO CON AIRE

1,00 m

1,00 m

0,05 m

GRAVALECHOFILTRANTE

FALSO FONDO

SALIDA DE LA CMARA

-52-

SECCIN TRANVERSAL DEL FILTROPLANTA N 1


71/72

LMINA N 4

3,955 m 3,955 m1 75 m

1,00 m

1,00 m

0,05 m

ARENA

CMARA DE RECOLECCIN DEAGUA FILTRADA

FALSO FONDO

LECHOFILTRANTE

-52-


72/72

LMINA N 5

VISTA DE PLANTA DEL SISTEMA DE LAVADOPLANTA N 1

SALA DE BOMBAS Y COMPRESOR

9,22 m

m6096,0=

,

m VALVULA MARIPOSA

1,30 m

= 0 5334. m

m6096,0=4 m

6,40 m1,21 m

VALVULA COMPUERTA

ARQUETA DE FILTRACION

CELDA 1 CELDA 2

m5588,0=

Bomba 1Compresor Bomba 2

-52-

Documents

DISEÑO DE FILTROS LENTOS