Propuesta de intervención de la planta de tratamiento de agua residual de la UCLV (página 3)

Gasto medio de aguas residuales domésticas: De acuerdo a las normas vigentes, el caudal de las aguas residuales domésticas está constituido por un porcentaje que varíaentre 70% y 80% dela dotación deagua potable. Los valores de dotaciónen litros por habitantes al día se presentanen la Tabla siguiente: Tabla 2.3Dotación en litros por habitantes al día (L/ hab*d) Fuente: [NC 973] Ec 2.1 Donde: P=Población D=Dotación Qmed=ls/seg Gasto mínimo de aguas residuales Para la verificación del gasto mínimo en las alcantarillas se deberá aplicar la siguiente relación: Ec 2.2

Gasto máximohorario Ec 2.3 Datos K1=1.5 K2=2.4 K3=0.3 Calculo del Canal de Entrada El canal 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 cieloabiertoy consección 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 necesariamente habrá de ser calculada, pero habrá de ser suficiente paradar cabida a la basura que se aglomere en las rejillas. La velocidad deaproximación alas rejillas seencuentra entre 0.30 a 0.60 m/s. 1- Según [CASTILLO, TORRES, 2010] el áreade la sección del canal es: Ec 2.4 Donde: A=área Q= caudal en m³/s V=velocidad en m/s 2- Cálculo de las dimensionesdelcanal: Ec 2.5 Donde: A=área y=alturade la lámina B=Anchodel canal Despejando y de la ecuación 2.8 queda: Ec 2.6

Según [CASTILLO, TORRES, 2010] laaltura del canal hmax, será igual a h= (y+0.20m) de borde libre tomado como criterio técnico, para que no trabaje a canal lleno. Figura 2.8 Vistatransversal del canalde entrada 3- Cálculo de bg (sumade las separacionesentrebarras) Ec 2.7 Donde: b=ancho del canal (mm) bg=suma de separaciónentre barras (mm) e=separación entre barras (mm) s=espesor de las barras (mm) 4- Cálculo de la longitudde lasbarras: Ec 2.8 5- Cálculo de área libre: Ec 2.9

6- A continuación,calculamos lavelocidad que fluyeatravés de los espacios de la rejilla Las velocidades se verifican deacuerdo comose muestra acontinuación: Ec 2.10 Donde: Q=Caudal máximo m³/s A=Área m² La velocidad debe de estar dentro de los límites de (0.3-0.6) 7- Cálculo delnúmero de barras necesarias paralasrejillas El primer paso en el tratamiento preliminar 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 triturador, que reducen a partículas diminutas los sólidos gruesos,pero sinsepararlos 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 comparanen la siguiente tabla. [CASTILLO, TORRES, 2010] Figura 2.9 Vistatransversal del colocado delas barras en el canal

Tabla 2.4 Parámetros de diseño para rejas de barras. Fuente: [CASTILLO, TORRES, 2010] Ec 2.11 Donde: B=ancho del canal en la zona de rejas (m) W=separación entre barras (m) e=espesor de barras (m) 8- Cálculo de las pérdidas Se comprueba las perdidas por la expresión de Kirchner, 1926 Ec 2.12 Donde: ß=1.79 barras circulares e=espesor máximo de barras (m) w=separación entre barras (m) V2/2g= carga develocidad ante la reja (m) Tabla 2.5 Tipo de barras según su geometría

Figura 2.10 Vistaen planta de las rejillas y canal Figura xxxxx Canal de entrada junto a las rejillas – Diseño del desarenador En el diseño del Desarenador se tuvo en cuenta la secuencia de pasos según [Fair, Geyer, Okun, 2001]

1. Cálculo de la velocidad de sedimentación Ec 2.13 Donde: G=gravedad ?=1.01×10-6 m2/s s= Densidad relativa d=Diámetro en cm 2. Cálculo del Volumen Ec 2.14 Donde: Q=Caudal en m³/s T=tiempo en segundo 3. Cálculo del área superficial Ec 2.15 Donde: Cs=Carga superficial enm³/m² *s 4. Cálculo de la altura Ec 2.16 5. Cálculo del ancho – Cálculo de la velocidad horizontal Ec 2.17 Donde: K=Para arenas unigranulares (0.04)

f=0.025-0.03 d=Diámetro g=Gravedad – Área Transversal Ec 2.18 – Ancho del desarenador Ec 2.19 6. Cálculo de la longitud Ec 2.20 Se asume dos canales,uno trabajando en bypass 7. Diseño delvertedor proporcionalenlacámaradesarenadora para mantener constante la velocidad del flujo. Ec 2.21 De la fórmula sedespeja b y queda dela forma siguiente. Ec 2.22

Ec 2.23 Donde: a= (2.5-10)

c=0.61 para vertedores simétricos – Diseño del tanque Imhoff Para el dimensionamiento de tanque Imhoff se tomarán en consideración los criterios de la [NormaS090], dondese diseña la cámara de sedimentación queremueve granparte de los sólidos sedimentables. 1- Área delsedimentador (As,en m2). Ec 2.24 Donde: Cs: Carga superficial, igual a 1m³/(m²*hora). 2- Volumen del sedimentador (Vs, en m3). Ec 2.25 R: Periodo de retención hidráulica, entre 1,5 a2,5 horas (recomendable 2 horas). 3- Profundidad del sedimentador Ec 2.26 4- Longitud mínima del vertedero de salida (Lv, en m). Ec 2.27 Donde: Qmax: Caudal máximo diario de diseño, en m3/día. Chv: Carga hidráulica sobreel vertedero, estaráentre125 a500 m3/ (m*día), (Recomendable 250).

5- En eldiseño deldigestorse empiezaacalcular elvolumen de almacenamientoydigestión(Vd,enm³),dondesealmacenan ydigierenlos lodos. Para el compartimiento de almacenamiento y digestión de lodos (cámara inferior) se tendrá en cuentala siguiente tabla: Tabla 2.5. Factores decapacidad relativa enfunciónde la temperatura. (OPS; OMS, 2005). [D.C, 2000] Ec 2.28 Donde: fcr:factor decapacidadrelativa, ver tabla 3. P: Población.

Figura 2.11. Vista transversal del tanque Imhoff – El fondo de la cámara de digestión tendrá la forma de un tronco de pirámide invertida (tolva de lodos), parafacilitar el retirode los lodos digeridos. – Las paredes laterales de esta tolva tendrán una inclinación de 50° a 60° con respectoa la horizontal. – La altura máxima de los lodos deberá estar 0,50 m por debajo del fondo del sedimentador. 6- Tiempo de retención Ec 2.29 7- Volumen de sedimentación Ec 2.30 8- Volumen de almacenamiento de lodos Ec 2.31

9- Extracción de lodos – El diámetro mínimo de la tubería parala remoción delodos seráde200 mm y deberá estar ubicado 15 cmpor encima del fondodel tanque. Se requiere una carga hidráulica mínima de 1.8m – Área deventilación y cámara de natas – Espacio libre de1m – Borde libre de 0.3m El tiempo requerido para la digestión de lodos varia con la temperatura, para esto se empleará la tabla2. Tabla 2.6. Tiempo requerido para la digestión de lodos [D.C, 2000] Frecuencia delretiro de lodos Según [Gastolum Ramos] los lodos digeridos deberán retirarse periódicamente, para estimar la frecuencia deretiros de lodos se usarán los valores consignados en la tabla 2. La frecuencia de remoción de lodos deberá calcularse en base a estos tiempos referenciales, considerando que existirá una mezcla de lodos frescos y lodos digeridos; estos últimos ubicados al fondo del digestor. De este modo el intervalo de tiempo entre extracciones de lodos sucesivas deberá ser por lo menos el tiempo de digestión a excepción de la primera extracción en la que se deberá esperar el doble de tiempo de digestión. Extracción de lodos El diámetro mínimo de la tubería para la remoción de lodos será de 200 mm y deberá estar ubicado 15cm por encima del fondo del tanque. Para la remoción se requerirá de una carga hidráulicamínima de 1,80 m. Área de ventilación ycámara de natas – Para el diseño de la superficie libre entre las paredes del digestor y el sedimentador (zona de espuma o natas) se tendrán en cuenta los siguientes criterios: – El espaciamiento libre será de 1,0 m como mínimo.

– La superficie libre total será por lo menos 30% de la superficie totaldel tanque. – El bordelibre será comomínimo de 0,30 cm. – Las partes de la superficie del tanque deberán ser accesibles, para que puedan destruirseo extraerselas espumas y los lodos flotantes [Gastolum Ramos, 2000] Figura 2.12. Vista transversal de laventilación del tanque Imhoff Figura 2.13 Vistaen planta del Tanque Imhoff – Diseño del Filtro Percolador Según [Metcalf and Eddy, 1996] el diseño de los filtros percoladores, no se dispone de una ecuación universal, por lo que diversos investigadores han propuesto ecuaciones para describir los procesos, tales son los casos de Atkinson, Eckenfelder, Bruce, Velez, NRC, Pontiakov-Benzenov, etc. En nuestro caso utilizaremos el (NRC) Tabla 2.7 Información típica de diseño para filtros percoladores

Fuente: [Valdez, 2003] Características de diseño: Las profundidades de estos filtros son de 1m a 12m, de relleno de material como: roca, Clinker omaterial sintéticos. Las propiedades más importantes de los filtros son: Los lechos rellenos de roca, Clinker u otro material similar, no pueden sobrepasar profundidades de 1 a 2.5m. Para los rellenos comunes (roca, Clinker, etc.) las características normales son las siguientes: Diámetro=4-5cm, área superficial especifica=80-110m²/m³ de volumen global entre huecos=45-55 % y carga hidráulica max=3.4*10^¯4m³/seg*m² [Valdez, 2003] – Según [Valdez, 2003] para el diseño por las ecuaciones del NRC (National Research Council) son: 1. Cálculo del área superficial: Ec 2.32

?1+ Donde: Carga superficial = Carga hidráulica Q= Caudal (m³/h) 2- Cálculo del diámetro: Ec 2.33 3- Volumen neto será igual Se asume un volumen para después calcular el volumen neto Ec 2.34 Si la relación devacíos para filtro de roca en este caso piedra de río pequeña, es de 50 % 4- Cálculo de la eficiencia Son ecuaciones empíricas que pueden ser aplicadas en sistemas de etapas simples y de múltiples etapas. Para etapas simples o para la primera etapa en un sistema múltiple, la ecuaciónes: W V *F 1

1+ 0.442* E1 = Ec 2.35 2 ? R ? ? 10? 1+ R

? F = Ec 2.36 Cuando no hay recirculación F= 1 Donde: E1= fracción de eficiencia removida en el proceso, incluyendo la recirculación y sedimentación final en la primera etapa. W= carga de DBO en el filtro (Kg/d) V= volumen del medio filtrante(m3) F= se define como el número de pasadas efectivas a través del filtro. Cuando no hay recirculación es igual a1.

R= es la razón recirculación Como no hay recirculación no hace falta calcular la segundaetapa del filtro. – Sedimentador Secundario 1- Calculo del área; As (m²) Ec 2.37 Donde: Qp=Gasto en (m³/h) Cs=Carga superficial (m³/m² *h) 2- Volumen del sedimentador, Vs (m³) Ec 2.38 Donde: R= Período de retención hidráulica, de1.5-2.5h (recomendable 2h) 3- Longitud mínima delvertedor de salida,Lv (m³) Ec 2.39 Donde: Chv= Carga hidráulica sobre elvertedero de 125-500m³/m²*d, recomendable 250 m³/m² *d 4- Cálculo del volumen requerido de la cámara Ec 2.40 Donde: Cvf=Factor de volumen adicional por infraestructuraigual a 1.5

5- Cálculo del área superficialde la cámara Ec 2.41 Donde: Hf=Tirante hidráulico (m) 6- Ancho Ec 2.42 7- Con el valor del ancho se calcula el largo del sedimentador Ec 2.43 8- Tiempo de retención hidráulica Ec 2.44 Donde: Q=Caudal en m³/h V=Volumen del sedimentador en m³ La inclinación del fondoes de 50° a 60° – Lecho de Secado de Lodos Según [Harol E, 1961] los lechos de secado de lodos son generalmente el método más simple y económico de deshidratar los lodos estabilizados (lodos digeridos), lo cual resulta ideal para pequeñas comunidades. Puedenserconstruidosde mampostería,de concreto o de tierra (con diques), con profundidad total útil de 50 a 60 cm. El ancho de los lechos de secado es generalmente de 3 a 6m,peropara instalaciones grandes pueden sobrepasar los 10m.

Pueden ser construidos de mampostería, de concreto o de tierra (con diques), con profundidad total útil de 50 a 60 cm. El ancho de los lechos de secado es generalmente de 3 a 6m, peropara instalaciones grandes pueden sobrepasar los 10m. – El medio de drenaje es generalmente de 0.30m de espesor y deberá tener los siguientes componentes: – El medio de soporte recomendado está constituido por una capa de 0.15m formada por ladrillos colocados sobre el medio filtrante, con una separación de 0.02 a 0.03m llena de arena. – La arenaes el medio filtrante y deberátener un tamaño efectivo de0.3 a 1.3 mm – Debajo de la arena se deberá colocar un estrato degrava graduadahasta.20mde espesor.[HarolE, 1961] 1- Carga de sólidos que ingresa al sedimentador C (kg de SS/día). Ec 2.45 Donde: SS: sólidos en suspensión en el agua residual crudaen mg/l. Q: caudal promedio deaguas residuales. 2- Masa de sólidos que conforman los lodos (Msd, en Kg SS/día). Ec 2.46 3- Volumen diario de lodos digeridos (Vol, en litros/día). Ec 2.47 Donde: ?lodo: Densidad de los lodos, igual a 1,04 Kg/l. % de sólidos: % de sólidos contenidos en el lodo, varía entre 8 a 12%. 4- Volumen de lodos a extraerse del tanque (en m³). Ec 2.48 Donde: Td: Tiempo de digestión, en días (ver tabla 2).

5- Área dellecho de secado (en m²). Ec 2.49 Donde: Ha: Profundidad de aplicación, entre 0,20 a 0,40m El ancho de los lechos de secado es generalmente de 3 a 6 m., pero para instalaciones grandes puede sobrepasar los 10 m. 2.6 Conclusiones parciales. Como conclusiones dela investigación realizada en el presente capítulo 2 1- Se realizó un resumen del diagnóstico de cada órgano que conforma la planta, llegando a la conclusión de que no cumple con los parámetros por el cual fue diseñada. 2- El resultado del estudio patológico de la PTAR nos permite afirmar que la actual planta está fuerade funcionamiento. 3- El resumen de la metodología realizada da a conocer como se debe diseñada hidráulicamente la planta en lazona central de la UCLV.

Capítulo 3.

Capítulo 3: Propuesta de intervención en la PTAR en la UCLV 3.1 Introducción. Para el diseño de la PTAR se tuvieron en cuenta las expresiones abordadas en el resumendel capítulo 1 y 2 que se adecuan al tipo de planta diseñada. Se muestran también los resultados obtenidos en el diseño de la planta de manera que se aproveche el área que ocupa. Se presenta una secuencia de pasos que permiten el mejor entendimiento del proceso de diseño realizado y finalmente se determinan los volúmenes de trabajo necesarios para ejecutar esta futura inversión. 3.4.1 Secuencias de paso a través de un diagrama de flujo. En el siguiente diagrama se propone la secuencia de pasos para el diseño de la PTAR y los resultados para cada órgano en específico la planta ubicada enla zonacentral de la UCLV. Pretratamiento

Resultados Obtenidos

Canal de entrada: Área Gasto de diseño Altura Velocidad de aproximación Ancho del canal Altura

Rejillas: ángulo Longitud Ancho del canal Número debarrasTOT Perdidas Velocidad que fluyepor los espacios de las rejas

Tratamiento Primario: Tanque Imhoff 1y 2 Sedimentador Áreatotal Volumen Profundidad media Longitud mínima del vertedor

Digestor Volumen Tiempo de retención Altura delodos Tiempo requeridopara la digestión Cámara de Natas Espaciamiento libre Superficielibre total Bordelibre

Lecho de Secado: Carga desolidos Masa de solidos queconforman los lodos Volumen diario de lodos Área Volumen de lodos a extraerse Ancho Largo Altura

3.2 Determinación del caudal de la nueva PTAR Para el diseño de la nueva PTAR se sigue la secuencia de pasos explicada en el capítulo 2, donde la determinación de estos caudales se obtiene através de las expresiones 2.1a la 2.3 Los caudales resultantes se presentan enla tabla a continuación: Tabla 3.1 Resultados de los Caudales Tratamiento Secundario: Filtro Percolador Área Diámetro Volumen Eficiencia

Sedimentador Secundario: Área Volumen Longitud del Vertedor Área de laCámara Ancho Longitud Tiempo de retención hidráulica

3.3 Diseño de los elementos que conforman la nueva PTAR – Canal de entrada A continuación, se muestra los resultados calculados para el canal deentrada de la PTAR enla zonacentral de la UCLV. Se diseñó por las expresiones 2.4 a la 2.9 explicadas en el capítulo 2. Los datos para lograr estos resultados son: Dotación de 340 L/hab/d, Según [NC 973] Población =1500 hab Gasto de diseño de0.017m³/s. Con los resultados calculados por las expresiones mostradas en el capítulo 2 y los datos señalados se obtuvo los resultados expuestos enla tabla siguiente Tabla 3.2Dimensiones del canal – Rejillas Los resultados de las rejillas mostrados a continuación fueron calculados por las expresiones 2.10 y 2.12 mostradas en el capítulo 2, seleccionadas minuciosamente en la bibliografía, en la tabla se muestran los resultados. Tabla 3.3Dimensiones de la rejilla

– Desarenador El diseño del Desarenador fue por las expresiones 2.13a la 2.23 Tabla 3.4 Dimensiones del Desarenador Se asumirá dos canales de Wc= 0.62m Figura 3.1 Vista en3D de un canal de entrada, las rejillas y el desarenador Tanque Imhoff 1 y 2 A continuación, se verán los resultados de los Tanques Imhoff 1 y 2 separados por tres cámaras llamadas: – Cámara deSedimentación – Cámara dedigestión – Cámara deNatas

1) Cámara de Sedimentación El dimensionamiento de esta cámara fue calculado por las expresiones 2.24 a la 2.27 mostradas en el capítulo 2, fueroncalculadas con los datos siguientes: Gasto de diseño: 0.018688 m³/s Cs: Numéricamente es igual a la velocidad de asentamiento=0.0013m/s, para diámetros de partículas (dp=0.003 cm),para arenas finas. Tiempo de retención: 45 min. Tabla 3.5 Dimensiones del sedimentador 2) Cámara de Digestión Para el cálculo de la cámara de digestión se hizo necesario las expresiones 2.28 a la 2.31 del capítulo 2. A continuación, semuestra los datos para los cálculos de la cámara de digestión. Factor de capacidad relativa=0.5 (obtenido de la tabla 2.5 del capítulo 2) Tabla 3.6 Dimensiones del digestor 3) Cámara de Natas Para la cámara de natas los resultados mostrados en la tabla fueron sacados de [Gastolum Ramos, 2000] Tabla 3.7 Dimensiones deCámara de Natas

Figura 3.2 Vista en3D de los Tanques Imhoff Lecho de secado Los resultados del Lecho de secado fueron calculados por las expresiones 2.45 a la 2.49 del capítulo 2. Datos Ss=22 mg/l (Sólidos en suspensión) Población=5000 hab Gasto=67.27m³/h Td=30 días (Tabla 2.6) Tabla 3.8 Resultados de diseño del Lechode secado

Figura 3.3 Vistaen 3D del Lecho de Secado – Filtro Percolador Los resultados obtenidos para el diseño del Filtro Percolador fueron calculados por las expresiones 2.32 ala 2.36mostradas enel capítulo 2 Tabla 3.9 Dimensiones del Filtro Percolador

Figura 3.4 vista en 3D deun Filtro Percolador

Figura 3.5 Vistaen 3D del Filtro Percolador 1. Cálculo delsistema de distribucióndel Filtro Percolador – El diámetro de los brazos distribuidores oscila entre 50 y 200mm. Se utilizarán 4 brazos por cada filtrode 150mm dediámetro, – El diámetro de los orificios oscilaentre 6y 25mm. Se utilizarán orificios de 10mm dediámetro. – El sistema se moverá por cargahidráulica. – La distancia entre los orificios extremos en unbrazo (a) oscilaentre 30 y 100mm, seescogerá 50mm. – El diámetro de las líneas de alimentación a los filtros oscila entre 150y 350mm – Sedim entador secundario Para su diseño fuenecesario utilizar las expresiones 2.37 a la 2.44 mostradas en el capítulo 2 El Sedimentador Secundario tiene gran importancia porque es diseñado a continuación de un Filtro Percolador con el objetivo deseparar el exceso debiomasa producida por el Filtro. Datos: