DISEÑO PLANTA DE TRATAMIENTO AGUAS RESIDUAL A continuación se presenta la propuesta de diseño de las unidades de tratamiento primario para una planta de tratamiento de agua residual, para tratar el agua que se descarga sobre la quebrada Cameguadua del municipio de Chinchina. 1. CARACTERIZACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES URBANAS DEL MUNICIPIO

DE CHINCHINA 1.1. Población proyectada 2030 Para realizar la caracterización de las aguas residuales y determinar el caudal de diseño se requiere determina inicialmente la población proyectada para el periodo de diseño el cual se estableció para el año 2030, La población se estableció según el estudio de factibilidad y diseño para el saneamiento básico de las aguas residuales del municipio de Chinchina realizado en el 2005, en el cual se tuvo en cuenta los planes de desarrollo y ordenamiento territorial, las tendencias poblacionales y la información censal. Los resultados de la población proyectada se resumen en la tabla 1. Tabla 1. Calculo Población Proyectada

DESCRIPCIÓN VALOR UNIDADESPoblación 2005 68.460 HabitantesDensidad a 2005 375 ha/ha Área casco urbano 1.823.525 m2 Perímetro urbano 2.382 mm/año Población 2030 118.688 hab Densidad a 2030 651 ha/ha

1.2. Calculo caudales de diseño El volumen de aguas residuales aportadas a un sistema de recolección y evacuación esta integrado por las aguas residuales domésticas, industriales, comerciales e institucionales. Este se calculo con base a la información histórica de consumos, mediciones y evaluaciones realizadas por Empocaldas y reportadas en el estudio anteriormente mencionado. A partir de este estudio se determinó:

 

Teniendo en cuenta que cerca del 87 % del agua residual que se produce en la ciudad de Chinchina, se descarga sobre la quebrada Cameguada se obtiene:

Los diferentes parámetros necesarios para determinar el caudal de diseño y los caudales máximo y pico fueron tomados del estudio de Saneamiento básico del municipio de Chinichina. El área aferente se tomo de dicho estudio, sumando solo las zonas que vierten las aguas residuales del municipio sobre esta quebrada. Los resultados obtenidos de caudal medio, máximo y pico esperados en la planta de tratamiento de aguas residuales de Cameguadua se encuentran reportados en la tabla 2. Tabla 2. Resultados Qmedio-Q máximo – Q pico.

Parametro Valor Unidades

Población real proyectada 2030 118.688,00 hab Dotación neta de agua potable 160,95 L/hab.d Coeficiente de retorno 0,85 - APC_ARD 136,81 L/hab.d Caudal de ARD 16.237.408,56 L/d Factor para caudal máximo horario de ARD1 2,00 - Caudal máximo de ARD 32.474.817,12 L/d Caudal de ARI comerciales e institucionales 2.125.440,00 L/d Factor para caudal máximo de ARI_C e_I1 1,47 - Caudal máximo de ARI_C_e_ I 3.128.278,40 L/d Inflitración1 0,30 L/s-Ha Área aferente1 159,57 Ha Caudal de infiltración 4.136.054,40 L/d Qmd (tiempo seco) 22.498.902,96 L/d Qmd 22.498,90 m3/d Qmd 0,26 m3/s Qmax (tiempo seco) 39.739.149,92 L/d Qmax 39.739,15 m3/d Qmax 0,46 m3/s Factor de caudal pico (dilución) 1 3,00 - Caudal pico (tiempo lluvioso) 67.496.708,88 L/d Qpico 0,78 m3/s Población equivalente I_C_e_I1 20.000,00 hab

Población equivalente total 138.688,00 Hab 1.3. Características fisicoquímicas agua residual

                                                            1 Tomado Estudio Saneamiento básico 2005. Empocaldas 

Para la caracterización del agua residual que ingresa a la planta de tratamiento de Cameguadua, dado que no se encontró datos fisicoquímicos de monitoreos sobre los descargas a esta quebrada, se tomo los valores de aporte percápita de diferentes parámetros reportados en el estudio de factibilidad para la recuperación y mantenimiento de la calidad de la cuenca del río Chinchina - fase I, seleccionando los valores reportados del municipio de Villamaria como parámetros validos para Chinchina, dada la cercanía y características de los municipios (ver tabla 3). Tabla 3. Aporte percapita parámetros fisicoquímicos tomados para el diseño

Aporte percapita Valor Unidades % solubleT 21,00 ºC - -k, bottle 21ºC2 0,35 1/d - -bCOD/UBOD 1,18 - - -sCODe 30,00 mg/L - -ALK3 100,00 mgCaCO3/L - -APC_COD 190,20 g/hab-d 38,18 % Soluble APC_BOD 96,20 g/hab-d 40,56 % Soluble APC_TSS 78,60 g/hab-d 76,13 % es VSS APC_TKN 14,40 g/hab-d 74,00 % Soluble APC_NH4_N 9,60 g/hab-d 100 % Soluble APC_TP 2,80 g/hab-d 72,00 % Soluble

La k, fue tomada según lo sugerido por Jairo A. Romero R (Tratamiento de Aguas Residuales. Teoría y Principios de Diseño) (Tabla 1,16), realizando la respectiva corrección por temperatura a una temperatura media de 21 ºC, al igual que la alcalinidad, esta se tomo como 100, ya que es el valor recomendado como típico para aguas residuales domesticas. La fracción soluble de cada parámetro, fue tomada similar al ejemplo de diseño realizado en la asignatura de Plantas II, de la especialización en Ingeniería ambiental y sanitaria de la Universidad Nacional. Los resultados de la caracterización se presentan en la tabla 4. Tabla 4. Aporte percapita parámetros fisicoquímicos tomados para el diseño

Parámetro Valor Unidades Parámetro Valor UnidadesCOD 1172,433058 mg/L TP 17,25979265 mg/LsCOD 447,6818389 mg/L sTP 12,42705071 mg/LpCOD 724,7512192 mg/L pTP 4,832741943 mg/LBOD 592,9971618 mg/L kbottle 0,3696 mg/LsBOD 240,5196488 mg/L UBOD 717,7178172 mg/LpBOD 352,477513 mg/L bCOD 846,9070243 mg/LTSS 484,5070366 mg/L nbCOD 325,5260337 mg/LVSS 368,8455168 mg/L nbsCOD 30 mg/LiTSS 115,6615198 mg/L bsCOD 417,6818389 mg/LTKN 88,76464793 mg/L rbsCOD 417,6818389 mg/LsTKN 65,68583947 mg/L nbpCOD 295,5260337 mg/LpTKN 23,07880846 mg/L bpCOD 429,2251855 mg/L

NH4_N 59,17643195 mg/L bpCOD/pCOD 0,592237963 mg/LON 29,58821598 mg/L bVSS/VSS 0,592237963 mg/LsON 6,509407515 mg/L bVSS 218,4443174 mg/L

                                                            2 Tabla 1.16 Tto de Aguas Residuales. Teoría y Principios de Diseño. Jairo A. Romero R. 

3 Tabla 1.16 Tto de Aguas Residuales. Teoría y Principios de Diseño. Jairo A. Romero R. 

pON 23,07880846 mg/L nbVSS 150,4011994 mg/L Nota: La fracción de COD soluble no biodegradable se asumió en 30 mg/L ya que este parámetro debe ser determinado experimentalmente. 2. DISEÑO REJA 2.1. Marco conceptual: Las operaciones físicas o tratamiento primario se emplean para la separación de sólidos de gran tamaño, sólidos suspendidos y flotantes, grasas, y compuestos orgánicos voltaicos. Las operaciones y procesos unitarios que se analizaran a detalle serán: rejas, desarenadores y sedimentación primaria. El primer paso en el tratamiento del agua residual consiste en la separación de los sólidos gruesos. El procedimiento más habitual se basa en hacer pasar el agua residual bruta a través de rejas de barras Los materiales retenidos en las rejas se conocen con el nombre de residuos o basuras. Cuanto menos es la abertura libre del tamiz, mayor será la cantidad de residuos eliminada. A pesar de que no existe ninguna definición que permita identificar los materiales separables mediante rejas, y de que no existe ningún método reconocido para la medición de la cantidad de residuos eliminada, éstos presentan ciertas propiedades comunes. 2.2. Diseño: En este propuesta de diseño se usan rejas de limpieza mecánica ya que no solo reduce de manera considerable el trabajo manual necesario para la limpieza de las rejas, y la eliminación de basuras, sino también para evitar los reboses y desbordamientos que se producen por la obturación de aquellas. En la tabla 5 se presentan las consideraciones para el diseño de este sistema. Tabla 5. Parámetros de Diseño Reja

INFORMACIÓN DE ENTRADA VALOR UNIDADES Q medio tiempo seco 0,26 m3/sQ máximo tiempo seco 0,46 m3/sQ pico t lluvioso 0,78 m3/s INFORMACIÓN RAS VALOR UNIDADES Canales con capacidad pico 2 Unidades Espaciamiento reja mecánica finos 3 cmTipo barrotes (Circular ) β 1,79Espesor barrotes finos 10 mmEspesor barrotes gruesos 10 mmEspaciamiento reja mecánica gruesos 7,5 cmVelocidad a través de la reja >V Q medio >= 0,4 m/sV Q max >= 0,6 m/sV Q pico >= 1,2 m/sVelocidad aproximación rejaMecánica 0,3 – 0,9 m/s

Angulo con la horizontal 60 Grados Factor de rugosidad maning 0,01

2.2.1. Pasos de Diseño 1. Estimación del diámetro del emisario

Reemplazando Ec 2 en Ec 1 y despejando D se tiene

Como este diámetro no es comercial, se aproxima al comercial más cercano

2. Calculo de QLL y VLL reales

3. Establecer la profundidad de flujo d1 a Qpico Mediante proceso iterativo se halla d1, primero se supone un valor de la relación de d1 sobre D, luego se calcula el área de flujo, el perímetro mojado, el radio hidráulico V1, esto se realiza hasta el Caudal hallado sea igual a Qpico, QMedio y QMaxímo, los resultados obtenidos se muestran a continuación.

Tabla 6. Determinación de la profundidad de flujo

Parámetro Qpico QMedio QMaxímo

Área 0,459 0,201 0,306 Perímetro Mojado 1,7314 1,1494 1,3868 Radio Hidráulico 0,265 0,175 0,22 V1 1,7007 1,291 1,5046 d1 0,6022 0,3161 0,432

4. Calculo y selección del área de flujo que cumpla criterios de diseño Para este cálculo suponemos d2, calculamos el área según criterios de diseño para la velocidad atreves de la reja a Qpico, QMedio y QMaxímo, Con cada área se calcula la velocidad para Qpico, QMedio y QMaxímo y se selecciona el área que cumpla los criterios de diseño. 

A Qpico

A QMedio

A QMaxímo

Tabla 7. Selección de área de diseño

Área (0,651m2) Criterio Área (0,767m2) Criterio VPico 1,2 Cumple (<= 1,2) 1,02 Cumple (<= 1,2) VMedia 0,707 Cumple (>= 0,4) 0,6 Cumple (>= 0,4) VMaxíma 0,4 Cumple (>= 0,6) 0,34 No Cumple (>= 0,6)

Área seleccionada 0,651m2

5. Dimensionamiento del canal y la reja fina Ahora iteraremos hasta convergencia el d2 supuesto en el paso anterior, para ello, utilizamos la ecuación de Bernoulli reemplazando los valores conocidos (Z1, Z2, V1, D1) y expresando las incógnitas en función de d2, iteramos hasta convergencia (d2 supuesto = d2 calculado), con este valor calculamos el numero de espacios libres, el ancho del canal,

el numero de barrotes y V2, que cumplan los criterios de diseño los valores se muestran en la siguiente tabla. Tabla 8. Criterios de diseño reja

Parámetro Valores UnidadesB 0,8905 m # espacios libres 29,7 - # espacios libres reales 30 - # barrotes 29 - Ancho canal W 1,181 m d2 0,7311 m V2 0,9052 m/s

El V2 cumple con el criterio de diseño (0,3 – 0,9) Ver tabla 5 6. Calculo de la perdida de carga hL atreves de la reja

7. Calculo de d3 y V3 Para el cálculo d3, suponemos un valor de d3 y mediante la ecuación de Bernoulli reemplazando los valores conocidos (Z2, Z3, V2, D2) y expresando las incógnitas en función de d3, iteramos hasta convergencia (d3 supuesto = d3 calculado), con este valor calculamos V3, que cumpla los criterios de diseño.

 

8. Calculo de la perdida de carga hL50 a reja colmatada

Para el cálculo de la perdida de carga hL a reja colmatada, suponemos una colmatación del 50 %, esto quiere decir que el área de flujo se reduce a la mitad. De igual manera que el paso anterior, utilizaremos la ecuación de Bernoulli para hallar y , posteriormente reemplazando los valores conocidos (Z’2, Z3, V3, D3) y expresando las incógnitas en función de , iteramos hasta convergencia ( supuesto = calculado), con este valor calculamos y a reja colmatada

0,8899 

0,7437 m/s 

= =1,9509 m/s 

9. Calculo reja de gruesos El canal ya está establecido, el espesor de barrotes gruesos es 0,01 m, el espaciamiento de barrotes gruesos es 0,075 m y el ancho canal W es 1,181 m, entonces el numero de barrotes de gruesos es:

10. Estimación del volumen de residuos

 

11. Estructura de control para mantener la profundidad d3

Se propone para mantener el nivel d3, un vertedero proporcional. Tabla 9. Resultados cálculos vertedero proporcional a diferentes condiciones flujo

Hmax (m)4 0,47L (m) 0,574LH ^(1/2) 0,395

Flujo total (m3/s)  H (m)  L (m) Depth en el canal (m) vel en el canal (m/s) 0,7812 0,474 0,574 0,9000 1,061 0,4599 0,279 0,748 0,429 0,908 0,2604 0,158 0,994 0,308 0,716

0,05 0,030 2,269 0,180 0,235

Figura 1. Detalles de diseño del vertedero proporciona

12. Perfil hidráulico de la Reja Con los resultados obtenidos en el diseño de la reja, se construye el perfil hidráulico el cual se presenta en la figura 2.

                                                            44 Ecuación pagina 205 Ejemplo diseño reja Qasim, S. R.  

Figura 2. Perfil hidráulico Reja para Q pico

3. DISEÑO DESARENADOR 3.1. Marco conceptual Un Desarenador es una estructura diseñada para retener la arena que traen las aguas servidas o las aguas superficiales a fin de evitar que ingresen, al canal de aducción, a la central hidroeléctrica o al proceso de tratamiento y lo obstaculicen creando serios problemas. Existen varios tipos de desarenadores, los principales son:

Desarenador Longitudinal: Su funcionamiento se basa en la reducción de la velocidad del agua y de las turbulencias, permitiendo así que el material sólido transportado en suspensión se deposite en el fondo, de donde es retirado periódicamente. Normalmente se construyen dos estructuras paralelas, para permitir la limpieza de una de las estructuras mientras la otra está operando.

Desarenador de vórtice: Los desarenadores de vórtice consisten en un tanque cilíndrico al cual ingresa el agua a tratar en forma tangencial, creando un vórtice dentro del cilindro. Existen dos clases de desarenadores de vórtice. En el primero de éstos, el diseño permite que tanto la salida como la entrada del agua sea en forma tangencial. La turbina giratoria se emplea para producir una trayectoria toroidal de las partículas, logrando así que las arenas sedimenten en el fondo del pozo, de donde se extraen con una bomba de arenas o del tipo air lift. Las arenas extraídas de la unidad se pueden procesar posteriormente para remover material orgánico presente.

Figura 3. Esquema desarenador tipo vórtice

En el segundo tipo de desarenadores se genera un vórtice libre por acción del flujo tangencial de entrada. El efluente sale por el centro de la parte superior de la unidad desde un cilindro rotatorio, llamado también “ojo” del fluido (Figura 3). Las fuerzas centrífuga y gravitacional, presentes dentro de este cilindro rotatorio, limitan la liberación de las partículas con densidad superior a la del agua. Las partículas de arenas se sedimentan por gravedad en la parte inferior de la unidad, mientras que las partículas orgánicas y demás partículas separadas de las arenas por acción de las fuerzas centrífugas, abandonan el desarenador con el efluente. Si se instalan más de dos unidades se deben proveer arreglos especiales para la división de caudal. 3.2. Diseño desarenador tipo vórtice En la propuesta de diseño de la planta de tratamiento de agua residual, para tratar las aguas provenientes del municipio de Chinchina y que se descargan a la quebrada Cameguadua, se propone como unidad para remover la arena, un desarenador tipo vórtice. Para el diseño de este tipo de desarenador se contemplaron los parámetros de diseño que se presentan en la tabla 10. Tabla 10. Consideraciones de diseño

Características Desarenador Valor considerado Rangos % Humedad arena salida 13 - 65 % % material volátil 1 - 56 % Gravedad arena limpia 1,3 - 2,7 Densidad global arena 1600 kg/m3 Tiempo de retención a Q medio (seg) 30 20-30 seg Diámetro camara superior 1,2 -7,2 m Diámetro camara inferior 0,9-1,8 Altura 2,7 2,7-4,8 m Tasas de remoción

malla 50 (0,3 mm) 95 %

malla 70 (0,21 mm) 85 % malla 100 (0,15 mm) 65 %

Cantidad de arena 0,015 0,004-0,2 m3/103 m3 agua Tomado. Metcalf and Eddy. Ingeniería de aguas residuales Calculo del volumen del Desarenador Se diseñan dos desarenadores de iguales dimensiones, para lavado y mantenimiento

Dimensiones Desarenador Se fijo la altura y el diámetro de la cámara inferior, siguiendo las recomendaciones de diseño reportadas en la tabla 10.

Empleando la formula de volumen para un cono tronco se obtiene:

Donde:

Calculando por ensayo y error para un volumen de 7,81 m3 se determinó:

Tiempo de retención hidráulica Para un Q medio se tiene un tiempo de retención de 30 segundos, sin embargo se debe calcular el TRH para el caso de Q picos.

En el caso de tener Q picos se deben operar los dos desarenadores a la vez con el fin de tener tiempos de retención entre los rangos recomendados (20-30 seg) Cantidad de arena Para determinar la cantidad de arena obtenida en el desarenador se escogió el valor típico recomendado de 0,015 m3 arena/1000 m3 Agua (Ver tabla 10).

Los resultados de las dimensiones del desarenador se resumen en la tabla 11. Tabla 11. Resultados diseño Desarenador tipo vórtice

Dimensiones H 2,7 m D cámara superior 2,78 m D cámara inferior 0,9 m Volumen desarenador 7,8118 m3

Q pico 0,78 m3/s TRH a Q pico 20 s

TRH A Q medio 30 s

Cantidad de arena Arena 0,34 m3/d

4. DISEÑO ESTACIÓN DE BOMBEO

4.1. Planteamiento del problema Se requiere diseñar un equipo para bombear agua desde el desarenador hasta el sedimentador primario, para los caudales de diseño: Pico, medio y mínimo (ver tabla 2). Los niveles de referencia son:

Cota de solera o de fondo de los pozos húmedo y seco: 0,00 m Cota de mínima elevación del agua en el pozo húmedo: 2,5 m Cota de máxima elevación del agua en el pozo húmedo: 3,5 m Cota de nivel de agua en el desarenador: 13 m Longitud conducción tubería: 105,3 m

Se emplean bombas de pozo (pit) seco, de velocidad variable, cada una con campana de succión independiente desde el pozo húmedo. En la tabla 12, se presentan los resultados de las pérdidas menores en la conducción principal (desde la salida de la estación hasta el sedimentador primario) los accesorios son los mismos del ejemplo de diseño presentado en la clase de diseño de PTAR, de la especialización en ingeniería ambiental y sanitaria.

Tabla 12. Resultados cálculos estación de bombeo

ITEM ACCESORIO D CANTIDAD K Q asumido 0,253 m/s

Q asumido 0,507 m/s

Q asumido 0,761 m/s

Q asumido 0,887 m/s

Q asumido 1,013 m/s

Q asumido 1,21 m/s

V m/s

Pérdida (m)

V m/s

Pérdida (m)

V m/s

Pérdida (m)

V m/s

Pérdida (m)

V m/s

Pérdida (m)

V m/s

Pérdida (m)

1 codos 90º 0,92 2 0,3 0,381 0,004 0,763 0,018 1,145 0,040 1,334 0,054 1,524 0,071 1,820 0,101

2 codos 45º 0,92 2 0,2 0,381 0,003 0,763 0,012 1,145 0,027 1,334 0,036 1,524 0,047 1,820 0,068

3 codos 221/2º 0,92 2 0,15 0,381 0,002 0,763 0,009 1,145 0,020 1,334 0,027 1,524 0,036 1,820 0,051

5 Ramal en Y 0,92 1 1 0,381 0,007 0,763 0,030 1,145 0,067 1,334 0,091 1,524 0,118 1,820 0,169

6 Plug valve 0,92 1 1 0,381 0,007 0,763 0,030 1,145 0,067 1,334 0,091 1,524 0,118 1,820 0,169

7 Salida 0,92 1 1 0,381 0,007 0,763 0,030 1,145 0,067 1,334 0,091 1,524 0,118 1,820 0,169

4 Venturi 0,92 1 0,14 1,522 0,017 3,051 0,066 4,579 0,150 5,337 0,203 6,095 0,265 7,281 0,378

Subtotal 0,0483 0,1939 0,4368 0,5935 0,7740 1,1044

PÉRDIDAS MAYORES (TUBERÍA) Longitud de la conducción =105,30 m

Valor de C Valor de C Valor de C Valor de C Valor de C Valor de C 100 140 100 140 100 140 100 140 100 140 100 140

0,0264 0,0142 0,0957 0,0513 0,2028 0,1088 0,2693 0,1445 0,3443 0,1847 0,4783 0,2567 Pérdida en la conducción (Hazen-Williams) PERDIDA TOTAL

Valor de C Valor de C Valor de C Valor de C Valor de C Valor de C 100 140 100 140 100 140 100 140 100 140 100 140

0,0747 0,0625 0,2896 0,2452 0,6397 0,5457 0,8627 0,7380 1,1183 0,9588 1,5827 1,3610

CABEZA DINÁMICA TOTAL Nivel mínimo 2,5 m Nivel máximo 3,5 m Nivel elevación 13 m Q medio 0,26 m3/s Tabla 13. Resultados cálculos cabeza dinámica

Q Pérdida total

Cabeza estática de descarga

Cabeza dinámica total

Niv. min Niv. max Niv. min pozo Niv. max pozo

C=100 C=140 pozo pozo C=100 C=140 C=100 C=140

0,253 0,075 0,062 10,5 9,5 10,575 10,562 9,575 9,562

0,507 0,290 0,245 10,5 9,5 10,790 10,745 9,790 9,745

0,761 0,640 0,546 10,5 9,5 11,140 11,046 10,140 10,046

0,887 0,863 0,738 10,5 9,5 11,363 11,238 10,363 10,238

1,013 1,118 0,959 10,5 9,5 11,618 11,459 10,618 10,459

1,21 1,583 1,361 10,5 9,5 12,083 11,861 11,083 10,861

1,3 1,82096 1,5678664 10,5 9,5 12,321 12,0679 11,320958 11,0679

1,4 2,10488 1,8145963 10,5 9,5 12,6049 12,3146 11,604878 11,3146

1,5 2,40891 2,0791095 10,5 9,5 12,9089 12,5791 11,90891 11,5791

Bomba seleccionada 54 cm (211/4") de diámetro de impeller, velocidad variable Tabla 14. Determinación de pérdidas individuales de la bomba para la preparación de la curva modificada de la bomba

ITEM

Accesorio

D,(m)

No

K

Q asumido Q asumido Q asumido Q asumido Q asumido 0,15 0,2 0,250 0,3 0,35

V Perdida V Pérdida V Pérdida V Pérdida V Pérdida

1 entrada 0,81 1 0,04 0,291 0,000 0,388 0,000 0,485 0,000 0,582 0,001 0,679 0,001

2 codo de 90 0,61 1 0,3 0,513 0,004 0,684 0,007 0,855 0,011 1,027 0,016 1,198 0,022

3 valv. comp. 0,61 1 0,19 0,513 0,003 0,684 0,005 0,855 0,007 1,027 0,010 1,198 0,014

4 reductor 0,355 2 0,25 1,515 0,059 2,021 0,104 2,526 0,163 3,031 0,234 3,536 0,319

5 valv. cheque 0,51 1 2,5 0,734 0,069 0,979 0,122 1,224 0,191 1,469 0,275 1,713 0,374

6 codo de 90 0,51 1 0,3 0,734 0,008 0,979 0,015 1,224 0,023 1,469 0,033 1,713 0,045

7 valv. comp. 0,51 1 0,19 0,734 0,005 0,979 0,009 1,224 0,015 1,469 0,021 1,713 0,028

8 Té 0,51 1 1,8 0,734 0,049 0,979 0,088 1,224 0,137 1,469 0,198 1,713 0,269 Total 0,197 0,350 0,547 0,788 1,072

Curva característica de la bomba (fabrica) Pérdida individual

Curva modificada

Capacidad de bombeo en paralelo

Q Altura total 1 bomba 2 bomba 3 bomba 4 bomba

0 20,73 0,000 20,726 0,000 0,000 0,000

0,15 18,77 0,197 18,577 0,300 0,450 0,600

0,2 17,87 0,350 17,515 0,400 0,600 0,800

0,250 16,96 0,547 16,410 0,500 0,750 1,000

0,3 16,20 0,788 15,412 0,600 0,900 1,200

0,35 15,14 1,072 14,068 0,700 1,050 1,400

En la figura 4 se presenta la curva característica de la bomba y las curvas de combinación de las bombas en paralelo mostrando las cabezas de operación y capacidad, con los cuales se decide la configuración de bombas adecuada para el desplazamiento del agua desde el desarenador hasta el sedimentador primario

Figura 4. Curva característica bomba, curva modificada y curva sistema

A partir del análisis de la figura 4, se decidió emplear una configuración de 3 bombas en paralelo para el cual se garantiza en el caso eventual de un Q pico condiciones de operación normal, y una cabeza de elevación superior a los 10,5 metros. Tabla 15. Resumen de cabezas de operación de la bomba y capacidades

Condición y descripción Punto de referencia 

Cabeza de operación 

Capacidad de operación

Observaciones 

A cabeza estática mínima (nivel máximo en el pozo de bombeo), C = 100, tres bombas en operación, funcionando en paralelo

A 11,0 m 1,26 m3/s Capacidad máxima de la estación, con tres bombas en operación en paralelo

Proyección horizontal desde A hasta la curva característica individual modificada de la bomba

A' 11,0 m 0,42 m3/s Condición de operación de cada bomba cuando cuatro bombas están dispuestas en paralelo

Proyección vertical desde el punto A' hasta la curva característica de la bomba

A'' 12,8 m 0,42 m3/s

La línea A'-A'' representa las pérdidas de la estación (1,8 m), esto es, las pérdidas en la tubería de succión y de descarga de cada bomba

A cabeza estática máxima (nivel mínimo en el pozo de bombeo), C=100, una bomba en operación (curva modificada)

B 9,5 m 0,46 m3/s Condición de operación de una bomba

Proyección vertical desde el punto B a la curva característica de la bomba

B' 11 m 0,46 m3/s La línea B-B' representa las pérdidas en la estación (1.5 m)

Tabla 16.Resumen de cálculo de eficiencia, potencia de salida de la bomba, potencia de entrada y potencia del motor

Condiciones de operación para una sola bomba

Nivel máximo del pozo húmedo (cabeza estática mínima, cuatro bombas en

operación)

Nivel mínimo en el pozo húmedo (cabeza estática máxima, una bomba en

operación)

Cabeza de operación de la bomba 12,8 m (punto A'') 11 m (punto B')

descarga de operación de la bomba

0,42 m3/s (punto A'') 0,46 m3/s (punto B')

Eficiencia de operación bomba 81,5 78

Potencia de salida (wáter Power) 52,74 kW 49,64 kW

Potencia de entrada (Brake Power)

64,71 kW 63,64 kW

Potencia de motor (Wire Power) 73,53 kW 72,32 kW

Potencia motor a proveer por unidad: 10-20% mayor que la calculada, y sobre catálogo de un fabricante. La eficiencia para la operación en este problema, es aceptable. Si no lo es, debe seleccionarse otra bomba u otro fabricante Cálculo del NPSH disponible

vpLsabs HHHHNPSH

Tabla 17. Presiones del sistema

Habs 26,91 Presión absoluta del lugar, en metros de columna de agua

Habs 26,51 La presión absoluta se reduce en 0,4 m debido a condiciones climáticas

Hs 1,25 Cabeza mínima de succión, m

HL 1,440 Pérdidas en la succión a 0,46 m3/s, calculadas según la tabla de abajo.

Hvp 55,32 Presión de vapor, mm de Hg, a la temperatura de operación estimada en 40ºC

Hvp 0,751 presión de vapor en m de agua

Tabla 18. Pérdidas en la succión

Item  D  K  No.  Q  V  Pérdida 

entrada 0,81 0,04 1 0,46 0,89268433 0,00162464 Codo 90 0,61 0,3 1 0,46 1,57401287 0,03788252 Válv. comp. 0,61 0,19 1 0,46 1,57401287 0,02399226 Reductor 0,355 0,25 1 0,46 4,64741274 0,27520955 Cabeza de V 0,355 1 1 0,46 4,64741274 1,10083818

Total (m)  1,440 

NPSH disp=25,569 m

NPSH requerido en rango de bombeo normal según el fabricante (ver catálogo) es de 5,5 m (18 pies)

NPSH disponible debería exceder al menos en 1 metro el NPSH exigido por el fabricante NPSH disponible es aceptable.

5. DISEÑO SEDIMENTADOR PRIMARIO 5.1. Marco conceptual El primer tratamiento importante que sufren las aguas residuales después de las precedentes fases preliminares es, generalmente, la sedimentación de los sólidos suspendidos en un tanque adecuado en el que se mantienen las aguas por un lapso de 0.5 a 3 horas o más, que es suficiente para permitir que el 40 a 65% de los sólidos finamente divididos, se pose en el fondo del tanque, del cual se extraen por medio de colectores mecánicos, en forma de lodos. La sedimentación primaria es una operación unitaria diseñada para concentrar y remover sólidos suspendidos orgánicos del agua residual. En la actualidad, los requerimientos de tratamiento a nivel secundario han otorgado a la sedimentación primaria un rol menor. No obstante, muchos de los procesos unitarios de tratamiento secundario son capaces de manejar los sólidos orgánicos sólo si se ha llevado a cabo una buena remoción de arena y escoria durante el pretratamiento. La sedimentación primaria puede llevarse a cabo en tanques rectangulares alargados o en tanques circulares. Los sedimentadores circulares los tanques circulares cuentan con un brazo desnatador que está unido a la rastra de lodos, como se muestra en las figura 2.

Figura 5. Tanque sedimentador primario de tipo circular, con alimentación por el borde.

A diferencia de los tanques rectangulares, cuyo flujo es horizontal, en los tanques circulares es de tipo radial. El agua a tratar se introduce por el centro o por la periferia del tanque, como se muestra en la Figura 3.

Figura 6. Corte sedimentador circular

5.2. Diseño sedimentador circular Para el diseño se consideran las siguientes recomendaciones, las cuales se encuentran reportadas en el RAS (Reglamento Técnico de Agua Potable y Saneamiento Básico) Tabla 19. Consideraciones de diseño sedimentador

Información de diseño TD a Q medio <= 33 m3/m2-d TD a Q max <= 65 m3/m2-d TD a Q pico <= 100 m3/m2-d

Carga sobre el vertedero <=CV Q< 44 L/s 248 m3/m-d CV Q> 44 L/s 372 m3/m-d

TRH a Q medio 2,5 h Q medio 0,26 m3/s Q max 0,46 m3/s Q pico 0,78 m3/s Angulo vertedero 90 grados

Calculo área sedimentador

Se selecciona la mayor área, y dado que se opera con dos sedimentadores se tiene:

Volumen sedimentador, diametro y profundidad útil

Carga del vertedero

Ahora se calculan las cargas sobre el vertedero, analizando que cumplan con las restricciones dadas en la tabla 3.

La carga del vertedero a un caudal pico, perjudica la calidad del agua que sale del sedimentador por lo que es necesario incrementar la longitud del vertedero haciendo que este salga por un canal interno. De esta forma la longitud del vertedero puede considerarse aproximadamente el doble.

Diseño estructura de salida Se proyecta un sistema con vertederos triangulares de 90º. Para cada lado se tiene: Lado exterior: Para el lado exterior se tiene:

Ahora para determinar la h disponible, se calcula determinando la tangente del triangulo rectángulo resultante del vertedero de 90°

Lado interior: Para un canal de recolección de 30 cm

En la tabla 20.se presenta un resumen del dimensionamiento del sedimentador circular Tabla 20. Resultados diseño sedimentador

Resumen resultados sedimentador primario A cada sedimentador 340,89 m2 Volumen sedimentador 1171,82 m3 Prof util H 3,44 m ѲQ max  1,42 h Ѳ Q pico 0,83 h D sedimentador 20,83 m Longitud vertedero externo 65,451 m Longitud vertedero interno 64,5 M Carga Vertedero Q medio 85,94 m3/m-d Carga Vertedero Q max 151,79 m3/m-d Carga Vertedero Q pico 257,82 m3/m-d

5.3. Calidad del agua que sale del sedimentador Aplicando balances de materia en el sedimentador y considerando una remoción del 60 % del material particulado se encuentra que el efluente sale con las características que se presentan en la tabla 21. Tabla 21. Calidad del agua del sedimentador

Parámetro Afluente sed (mg/L) Efluente sed (mg/L) % Remoción sBOD 240,52 240,52 0,00 pBOD 352,48 140,99 60,00 BOD 593,00 381,51 35,66

sCOD 447,68 447,68 0,00 pCOD 724,75 289,90 60,00 COD 1172,43 737,58 37,09

rbsCOD 417,68 417,68 0,00 TSS 484,51 193,80 60,00 VSS 368,85 147,54 60,00 iTSS 115,66 46,26 60,00

nbVSS 150,40 60,16 60,00 bVSS 218,44 87,38 60,00 sTKN 65,69 65,69 0,00 pTKN 23,08 9,23 60,00 TKN 88,76 74,92 15,60

NH4-N 59,18 59,18 0,00 sTP 12,43 12,43 0,00 pTP 4,83 1,93 60,00

TP 17,26 11,40 16,80 Estos resultados son de importantes para las demás unidades de diseño de la planta de tratamiento de aguas residuales; en especial el reactor de lodos activados.

BIBLIOGRAFIA

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