134052844 diseno civilcad alcantarillado pdf
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Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
CCaappiittuulloo IIVV DDiisseeoo HHiiddrruulliiccoo
ddee llaa RReedd ddee AAllccaannttaarriillllaaddoo
SSaanniittaarriioo yy PPllaannttaa ddee TTrraattaammiieennttoo
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Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
4.1 INTRODUCCION:
El diseo hidrulico de sistemas para la recoleccin y transporte de las
aguas negras, hoy en da es un trabajo de suma importancia para el ingeniero
civil, puesto que en el rea urbana de las ciudades, existen problemas de
saneamiento, debido a la falta de sistemas adecuados para la evacuacin de las
aguas negras; debido a esto se hace necesario, conocer los parmetros y
criterios, que rigen la implementacin de alcantarillados sanitarios.
La correcta ejecucin de un proyecto de alcantarillado sanitario para
determinada rea urbana requiere un diseo cuidadoso. La red de alcantarillado
deben ser las apropiadas en tamao y pendiente de tal forma que pueda contener
el flujo mximo sin ser sobrecargadas y conserven velocidades que impidan la
expulsin de slidos. Antes de comenzar el diseo, se debe realizar el clculo de
caudal y las variaciones del mismo.
En este capitulo de diseo se llevaron a cabo actividades previas entre las
cuales podemos mencionar: levantamiento topogrfico del rea en estudio
(planimetra y altimetra), elaboracin de perfiles con su respectiva tubera y mas
detalles (realizados en autocad), elaboracin de planos con reas tributarias,
sentido del flujo y curvas de nivel.
Tambin en este capitulo se podr observar la propuesta de diseo de la
planta de tratamiento de las Aguas Negras, en la incluir el calculo o diseo de
cada una de las secciones que incluye la planta de tratamiento, como tambin los
planos con sus respectivos detalles.
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Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
4.2 CONSIDERACIONES BSICAS PARA EL DISEO
Para la elaboracin de este diseo se toman en cuenta bsicamente cinco
consideraciones las cuales consisten en:
9 Levantamiento topogrfico del rea en estudio 9 Perfiles de cada tramo de calles y avenidas del rea en estudio 9 Ubicacin en la red de los pozos de visita 9 Determinacin de reas tributarias 9 Determinacin de flujo
4.2.1 LEVANTAMIENTO TOPOGRFICO
El levantamiento topogrfico es una actividad sumamente importante,
previa al diseo de la red, puesto que un error complicara y afectara a las etapas
posteriores.
El trabajo topogrfico se realiza de la siguiente manera:
Se lleva a cabo en el rea urbana del municipio de Carolina, un
levantamiento topogrfico (planimetra y altimetria), para ello se utiliza la estacin
total con el cual se registran los datos para este trabajo; los puntos de inters son
el cordn cuneta, el eje de la calle, el radio de cada esquina.
4.2.2 PERFILES
Son los que muestran de una forma grfica las diferencias de nivel o pendientes
que tiene el terreno. Ver Plano 4.2 (Curvas de Nivel).
En la elaboracin de los perfiles se utilizan los datos de campo que se
registraron al momento de la medicin pues el aparato de estacin total tiene la
particularidad de registrar datos de los tres ejes coordenados.
Con estos datos y el uso del software computacional (Autocad 2007) se nos
facilito la elaboracin de los perfiles y a su vez una mejor precisin de estos.
En el siguiente cuadro, (Cuadro 4.1) se muestran los datos de campo
registrados para elaborar el perfil de la Avenida Santiago Hernndez, en el tramo
comprendido entre el Pozo 1 y Pozo 2.
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Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
CUADRO 4.1 DATOS DE ENTRADA PARA LA ELABORACIN DEL PERFIL DE LA AVENIDA SANTIAGO HERNANDEZ.
ESTACIN ELEVACIN (MSNM) Nivel de Piso Natural (NP)
0 + 000.00 99.81
0 + 054.79 93.17
0 + 109.58 86.48
0 + 155.53 86.38
0 + 201.55 78.20
0 + 223.84 77.42
0 + 295.94 74.09
0 + 301.03 73.93
0 + 380.63 71.73
0 + 407.16 70.96
0 + 465.32 68.91
0 + 515.69 66.91
0 + 613.18 65.38
0 + 711.33 60.95
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Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
En la figura 4.1 se presenta el perfil, elaborado con los datos anteriores *
* Fuente: Ver detalles en Plano 4.3 (Perfiles de Calles y Avenidas).
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Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
4.2.3 PLANO CON DETALLE DE TIPO DE SUPERFICIE
En este plano se muestran las diferentes superficies de rodadura de las
principales calle y avenidas que se encuentran en el rea urbana del municipio de
Carolina. Ver Plano 4.1 (Tipo de Superficie de Calles).
4.2.4 PLANO CON CURVAS DE NIVEL
En este plano se detallan las curvas de nivel que el terreno tiene donde sta
ubicada el rea urbana del municipio de Carolina. stas ayudan como referencia
para el momento de realizar los clculos y percepcin del flujo para desembocar.
Ver Plano 4.2 (Curvas de Nivel).
4.2.5 PERFILES DE CALLES Y AVENIDAS
Se presentan los perfiles naturales de las avenidas y calles, con su nivel
tubera. Plano 4.3 (Perfiles de Calles y Avenidas).
4.2.6 UBICACIN DE RED Y POZOS
La red de tuberas se ubicar segn como lo indican las normas tcnicas
para alcantarillados de aguas negras: Ver Plano 4.4 (Ubicacin de Red y Pozos).
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Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
En planimetra se colocarn al sur en las calles que estn de oriente a
poniente, y al poniente en avenidas que estn de norte a sur; dentro del ancho de
rodaje y a una separacin horizontal del cordn cuneta de 1.50 mts como mnimo,
en pasajes peatonales a una separacin mnima de 0.60 mts; la red de
alcantarillado se proyectar de manera que todos los colectores queden debajo de
los acueductos con una separacin mnima libre vertical de 0.20 mts (normas
tcnicas de anda parte II literal 12)1
Los pozos se proyectan primero en las intersecciones de las calles y
avenidas, luego en los tramos que los pozos estn espaciados ms de 100 mts se
colocarn pozos intermedios para cumplir las normas tcnicas de ANDA1, adems
en las casos que las pendientes sean muy pronunciadas se colocaran pozos con
cajas de sostn.
Los pozos de visita con una profundidad en la cama de agua mayor de 1.40
mts se construir un pozo de dimetro interno de 1.10 mts si la profundidad a la
cama de agua es menor se construir una caja de 1.00 mts x 1.00 mts 1
Ver Plano 4.5 (Detalle de Red y Pozos).
1 Fuente: Normas Tcnicas de ANDA
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Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
4.2.7 DETERMINACIN DE REAS TRIBUTARIAS
Cuando estn ubicados en su totalidad todos los pozos y la red se proceden
a obtener las reas tributarias que contribuyen a cada tramo, el rea tributaria total
de ste es la sumatoria de todas las reas que convergen en el tramo. Ver Plano 4.6
(Areas Tributarias).
Existen tramos de la final 2 Calle Poniente, final 4 Calle Poniente, final 6
Calle Poniente; (ver figura 4.3); final 8 Calle Poniente y final 10 Calle Poniente
(ver figura 4.4) que no se toman en cuenta debido a que son reas donde la
topografa del terreno es muy accidentado; pero se propondr una fosa sptica
tipo para estos dos sectores los cuales detallaremos posteriormente. Ver Plano 4.7
(Tramos Excluidos).
Figura 4.2 Figura 4.3
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Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
4.2.8 DETERMINACIN DEL SENTIDO DE FLUJO
Una vez ubicada la red y los pozos y con la ayuda de los perfiles se
determina el sentido del flujo de las aguas negras para desembocar a los
colectores que conectarn con el lugar donde se encuntrala planta de
tratamiento, esto se hace con la ayuda de los perfiles de las calles, avenidas y
pasajes. Se debe procurar proyectar la tubera considerando la pendiente del
terreno pero en casos que la topografa no lo permita se debe proyectar en sentido
contrario. (Contra pendiente).
Las pendientes mximas que se calcularn dependern de no sobrepasar
las velocidades permisibles para el diseo. Plano 4.8 (Sentido del Flujo).
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Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
*Las reas tributarias se calcularon por medio del software CivilCad
4.3 CLCULO DEL CAUDAL DE DISEO ACUMULADO
4.3.1 POBLACIN FUTURA
PF = P2033 = 1,759 Habitantes 4.3.2 CLCULO DE LA DENSIDAD POBLACIONAL
DP = PF / AT (Ec. 1) DONDE :
DP : Densidad Poblacional.
PF : Poblacin Futura.
AT : rea Total (en Ha)*
DP = (1,759 / 22.76)
DP = 77.28 Habitantes / Hectreas.
Clculo del nmero de Habitantes por tramo.
El clculo del nmero de habitantes por tramo se realiza con la formula:
Nhab. = Dp x rea Tributaria de cada Tramo (Ha) (Ec. 2) Ejemplo para el tramo 1 de Avenida Santiago Hernndez de pozo 1 a pozo 2:
Nhab. = 77.28 x 0.2973 = 23 Habitantes
De igual forma se har el mismo procedimiento para cada tramo de las
diferentes calles y avenidas
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Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
4.3.3 CLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS NEGRAS POR TRAMO Clculo del caudal medio diario (Qmd) Para el clculo del caudal medio diario se utilizan los siguientes Datos:
N hab. = nmero de habitantes de cada tramo en estudio.
- Dotacin: 125 Lt / hab / da, (segn normas tcnicas de ANDA parte
1 numeral 5), donde: D = dotacin urbana 80 a 350 l/p/d.
Distribuido: Mnima 80 - 125 l/p/d, Media 125 - 175 l/p/d, Alta 175- 350 l/p/d
- 86400 = constante de conversin (86400 = 24 horas)
La constante de 125 l/p/d se toma en base a la dotacin urbana segn las
normas tcnicas de ANDA
Q md = (N hab. x dotacin) / 86400 (Ec. 3)
Q md = (23 hab x 125 lt/hab/da) / 86400
Q md = 0.0333 lt/seg.
Caudal mximo horario (Q mx hor)
Donde:
Q md = 0.0333 lt/seg.
K 2 = coeficiente de variacin horaria, segn normas de ANDA vara entre
1.80 a 2.40. Para nuestro estudio utilizaremos K2 = 2.40, por ser el mximo.
Q mx hor = K2 x Q md (Ec. 4)
Q mx hor = 2.40 x 0.0333 lt/seg
Q mx hor = 0.0799 lt/seg
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Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
Caudal del tramo (Q del tramo)
El Q del tramo ser igual al 80 % del Q mx. hor ms 0.10 Lt/seg/Ha por
infiltracin a lo largo de la tubera (segn normas tcnicas de ANDA parte II
numeral 4).
Donde:
Q mx. hor = 0.0799 lt/seg
AT : rea total tributaria del tramo : 0.2973 LUEGO:
Q del tramo = 0.8 Q mx. hor + [(0.1 Lt / seg / Ha)*At] (Ec. 5)
Q del tramo = 0.8 * 0.0799 + [0.1 * 0.2973]
Q del tramo = 0.0936 Lt / seg
Caudal de diseo acumulado (Q diseo acumulado)
DATOS:
Fs= Factor de seguridad que depende del dimetro de la tubera que para nuestro
caso es de 2, puesto que el dimetro asumido de la tubera se encuentra entre 8
y 12 (segn normas tcnicas de ANDA parte II numeral 4)
LUEGO:
Q diseo acumulado = Fs * Q del tramo + Q entrantes acumulado (Ec. 6)
Q diseo acumulado = 2 * 0.0936 + 0.00
Q diseo acumulado = 0.1872 Lt / seg
Para este ejemplo el caudal entrante es cero por ser tramo inicial. En los
siguientes tramos se irn sumando los caudales entrantes para cada tramo
ubicado de pozo a pozo.
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Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
Clculo de la velocidad a tubo lleno (VLL)
Obtenida la pendiente del tramo de pozo 1 a pozo 2 igual a S = 12.14 % y con
un dimetro de 8 y un coeficiente de rugosidad n = 0.011 (para tuberas plsticas)
se procede a introducir los datos a la frmula de Manning.
V LL = (1 / n) * (R H 2 / 3) * (S 1 / 2) (Ec. 7)
Donde:
V LL = velocidad a tubo lleno del tramo (m / seg)
n = coeficiente de rugosidad de la tubera
RH = Radio Hidrulico. (para tuberas llenas R H = D / 4) (en metros)
S = pendiente del tramo en estudio
LUEGO:
V LL = (1 / 0.011) * ((0.2032 / 4) 2 / 3 ) * (0.1214) 1 / 2
V LL = 4.3447 m / seg
Clculo del caudal a tubo lleno (QTLL) Utilizando la frmula de continuidad QTLL = VLL * ALL (Ec. 8)
Donde:
Q TLL = caudal a tubo lleno (m 3 / seg)
V LL = velocidad a tubo lleno del tramo en estudio (m / seg)
A LL = rea transversal de la tubera
LUEGO:
Q TLL = 4.3447 * 0.0324
Q TLL = 0.14077 m3 / seg
Q TLL = 140.77 Lt / seg
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Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
( Y D
) P
ROFU
NDID
AD D
EL F
LUJO
EN
PORC
ENTA
JE
40
PO RCENTAJE DEL VALO R PARA SECCIO N LLENAELEM ENTO S HIDRULICO S
0 10 3020 90
p a q r vP A Q R V
50 60 70 80 100 110 120 130
RADIO
HIDR
AULIC
O (4)
PERI
MET
RO M
OJA
DO (1
)
60
AREA
(2)
CAUD
AL (3
)
20
10
30
40
50
90
70
80
100
VELOC
IDAD (5
)
, , , ,
Relacin de caudales (Qdiseo acumulado / QTLL)
Para calcular la relacin de caudales se divide el caudal real que
transportar la tubera (Qdiseo acumulado) y el caudal a tubera llena (QTLL)
Donde:
q / Q = Qdiseo acumulado / QTLL (Ec. 9)
q / Q = 0.1872 / 140.77
q / Q = 0.0013
Figura 4.4: Diagrama de las Propiedades Hidrulicas de las tuberas
circulares para diversas profundidades de flujo (grafico del banano).
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Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
Clculo del tirante hidrulico (Y)
Trasladando este valor al Diagrama de las propiedades hidrulicas de las
tuberas circulares para diversas profundidades de flujos (curva del banano) y
trazando una lnea vertical hasta cortar la curva de caudal (3) y luego una
horizontal hasta marcar el valor en el eje de las Y, obtenemos el valor y / D.
(Ver figura 4.3)
y / D = 2.20
despejando y = (2.20 / 100) * 0.2032
y = 0.0045 ; donde y = tirante hidrulico
Este valor se debe comparar con el tirante mximo, que para nuestro caso
T mx = d * % LL (Ec. 10)
DONDE:
T mx = Tirante mximo
D = dimetro de la tubera
%LL = porcentaje que estar llena la tubera al final de la vida til, para
nuestro caso se pretende que al final de la vida til este lleno en un 70 %
LUEGO:
T mx = 0.2032 * 0.7
T mx = 0.1422
El tirante hidrulico procede ya que es menor que el tirante mximo permitido.
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Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
Clculo de la velocidad real (Vr) Marcando el punto y / D = y trazando una lnea horizontal hasta cortar la curva 5
de velocidades y luego trazando una lnea vertical hasta cortar el eje X y leyendo
el dato de V r / V LL = 14.72
Donde:
V r = (13.40 / 100) * V LL
V r = 0.1340 * 4.3447
V r = 0.5822 m / seg
As para cada uno de los tramos se utiliza el mismo procedimiento.
Todos estos datos se representan en los cuadros 4.2 y cuadro 4.3, y
representados en el plano Plano 4.9 (Datos Hidrulicos).
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4.4 CARACTERISTICAS DEL LUGAR DONDE SE CONSTRUIRA EL SISTEMA
DE TRATAMIENTO DE AGUAS NEGRAS.
En la zona urbana de la Ciudad de Carolina, existen dos lugares disponibles para
instalar un sistema de tratamiento de todas las aguas negras. Ver figura 4.1 1. De
los cuales el Lote N 1 es propiedad del Sr. Dionisio Sorto y el Lote N 2 propiedad
del Sr. Edmundo Edgar Franco. El terreno mas ptimo para la construccin de
este sistema es el Lote N 1 el cual contiene las caractersticas ms idneas como
Pendientes, amplio terreno.
Figura: 4.51.
4.4.2 Ubicacin Fsica del proyecto.
El proyecto consiste en construir una planta de tratamiento para depurar las aguas
negras de cada una de las viviendas de la Ciudad de Carolina, Depto. de San
Miguel, por lo que el lugar para la realizacin de este proyecto se llevara acabo en
el lote N 1, el cual tiene uso agrcola.
1
Fuente: Vista Proporcionada por Google Earth
Lote N1 Planta de Tratamiento
Lote N2
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Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
4.4.3 Referencias para llegar al lugar.
El terreno donde se pretende construir la planta de tratamiento esta ubicada en la
carretera saliente en el barrio San Agustn la cual conduce hacia Ro Torola
(Ver croquis de ubicacin en plano 4.10 de planta de tratamiento)2.
4.4.4 Descripcin topogrfica del lugar.
Dentro de los rasgos fsicos del lugar tenemos que la topografa es parte plana y
partes con pendientes, lo cual no es un terreno homogneo en pendientes.
4.4.5 Superficie disponible del lugar.
El terreno del Lote N 1 consta de un rea de = 35, 783.29 metros cuadrados, por
lo que se ocupara un rea de = 1,319.25 m2
4.4.6 Uso actual del suelo del lugar.
El uso actual que tiene el terreno es el sembradillo de zacate Aragua el cual es un
pasto para ganadera. Ver figura: 4.63 Y diferentes tipos de rboles como:
Figura: 4.63. Pasto para Ganadera.
2Fuente: Elaboracin Propia
3Fuente: Tomada Por Grupo de Tesis
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Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
4.4.7 Colindantes del lugar.
Las propiedades colindantes del terreno propuesto que es el Lote N 1 tenemos
los siguientes: Al Norte, con Al Sur, Al Poniente, Al Oriente
4.4.8 TOPOGRAFIA.
La propiedad donde se proyecta construir el sistema de tratamiento de las aguas
negras esta ubicado al Noreste de la Ciudad de Carolina, y este posee una
topografa y rea favorable para su construccin.
Dentro de lo que es el levantamiento topogrfico efectuado en el terreno del Sr.
Dionisio Sorto, se realizo por altimetra y planimetra (Ver plano Topogrfico 4.10) 4
4.5 CARACTERISTICAS DEL EFLUENTE (MUESTREO)
Existe un reglamento sobre la calidad del agua en nuestro pas, el cual tiene como
control de los vertidos y zonas de proteccin en el decreto 50, y 39 del reglamento
espacial de las aguas negras, por lo que este reglamento tiene como objetivo velar
porque las aguas residuales no alteren la calidad de los medios receptores, y
contribuir a la recuperacin, proteccin y aprovechamiento de los recursos
hdricos. En los anlisis de las caractersticas fsicos - qumicas y microbiolgicas
de las aguas residuales de tipo especial vertidas a un medio receptor, debern ser
determinados esencialmente los valores de los siguientes componentes e
indicadores:
4Fuente: Elaboracin Propia
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Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
a) Demanda Bioqumica de Oxgeno (DBO5);
b) Demanda Qumica de Oxgeno (DQO);
c) Potencial hidrgeno (Ph);
d) Grasas y aceites (G y A);
e) Slidos sedimentables (Ssed);
f) Slidos suspendidos totales (SST), y
g) Temperatura (T).
Segn la CONACYT norma salvadorea, establece las caractersticas y valores
fsicos qumicos y microbiolgicos que deben presentar el agua residual para
proteger y rescatar los cuerpos receptores de agua.
En la siguiente tabla se presentan los valores mximo requeridos del efluente,
establecido segn la norma salvadorea CONACYT para aguas residuales.
Tabla: 4.45. Valores Mximos Requeridos por la CONACYT
PARAMETROS
VAOLOR MAXIMO
PERMISIBLE
Demanda Bioqumica de Oxigeno (DBO5) 60 mg/L
Demanda Qumica de Oxigeno (DQO) 100 mg/L
Grasas y Aceites 20 mg/L
Potencial de Hidrogeno (PH) 5.50 9.0 Uni PH
C 20 - 35 C Cloruros n.n
Slidos sedimentables 1.0 mg/L
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Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
El tratamiento de las aguas negras es de mucha importancia por lo que la
determinacin de los parmetros tomados del efluente que involucran y
determinan la contaminacin presente en un vertido de descarga a un cuerpo
receptor de agua.
Para nuestro caso la Ciudad de Carolina, no consta con un sistema de
alcantarillado sanitario, por lo que decidimos tomar las muertas en Ciudad Barrios
ya que posee los mismos aspectos sociales, culturales, econmicos y sobre todo
tiene un sistema de alcantarillado sanitario. Por lo que decidimos tomar la muestra
en el punto de descarga ubicado en la Colonia Gerardo Barrios, para los anlisis
de laboratorio y comparar con los parmetros requeridos segn la norma
CONACYT los cuales se muestran a continuacin.
5Fuente: Norma Salvadorea CONACYT
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Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
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Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
4.6 INTERPRETACIONES DE LOS RESULTADOS.
Los datos que se muestran a continuacin son los resultados obtenidos en el
punto de descarga y son comparados con la reglamentacin propuesta por el
Consejo Nacional de Ciencias y Tecnologa (CONACYT). Tomando en cuenta los
datos de la tabla tcnica Numero 4.4
Tabla: 4.56. De Interpretaciones de los Resultados
PARAMETROS
UNIDAD
RESULTADOS
OBTENIDOS
Y N DE
MUESTRA
LIMTES DE
PROPUESTA
DE
CONACYT
OBSERVACIONES
Demanda Bioqumica de
Oxigeno (DBO5)
mg/L
1- 987.60
2- 997.65
3- 673.12
60 mg/L
El parmetro esta fuera de de
los limites establecidos por la
Norma CONACYT
Demanda Qumica de
Oxigeno (DQO)
mg/L
1- 745.20
2- 865.60
3- 539.24
100 mg/L
El parmetro esta fuera de de
los limites establecidos por la
Norma CONACYT
Grasas y Aceites
mg/L
1- 41.20
2- 46.80
3- 24.20
20 mg/L
El parmetro esta fuera de de
los limites establecidos por la
Norma CONACYT
Potencial de Hidrogeno
(PH)
Uni PH
1- 7.3
2- 7.9
3- 7.9
5.50 9.0
Uni PH
El parmetro se encuentra
entre los rangos establecidos
por la Norma CONACYT
Temperatura del Agua
C
1- 26.50
2- 26.70
3- 75.30
20 - 35C.
El parmetro se encuentra
entre los rangos establecidos
por la Norma CONACYT
Cloruros
n.n
1- 63.10
2- 73.20
3- 83.10
n.n
Slidos sedimentables
mg/L
1- 37.40
2- 47.10
3- 36.40
1.0 mg/L
El parmetro esta fuera de de
los limites establecidos por la
Norma CONACYT
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Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
Comparando lo resultados obtenidos con los que la Norma establece se concluye
que la mayora de los parmetros, no cumplen por lo que se revela la
contaminacin hdrica que generan las descargas de las Aguas Negras sobre un
cuerpo receptor.
Basndose en informacin emprica de ANDA en cuanto al tratamiento de aguas
residuales s la relacin DQO/DBO < 2.4 se puede utilizar procesos biolgicos de
tratamiento.
As tenemos:
Perodo 29/08/08; DQO/DBO = 745.20/987.60 = 0.75
Perodo 02/09/08; DQO/DBO = 865.60/997.65 = 0.87
Perodo 06/09/08; DQO/DBO = 539.42/673.12 = 0.80
Debido a los valores obtenidos de la relacin DQO/DBO en ambos perodos es
menor que 2.4 establecemos que para tratar el agua residual de la Ciudad de
Carolina se pueden utilizar procesos biolgicos.
4.7 DISEO HIDRAULICO.
Para el diseo de la planta de tratamiento tomaremos el caudal de diseo ha
cumulado el cual fue calculado en la (Ecu. 6 pag. 108) del diseo de la red de
alcantarillado sanitario y el cual se refleja en la tabla de clculos de Exel.
Q diseo = 25,49 Lt/Seg
6Fuente: Norma Salvadorea CONACYT y O. M Jurez Consultores Ingeniera Sanitaria Y Medio Ambiente.
-
137
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
Pero tambin utilizaremos los caudales siguientes.
Tabla 4.6 Caudal de alcantarillado sanitario (lt/s)
Mnimo Medio Mximo
0.86 2.883 6.92
4.7.2 TRATAMIENTO PRELIMINAR.
4.7.2.1 DISEO DEL CANAL DESARENADOR.
Se construirn dos canales desarenadores con las mismas dimensiones y en
paralelo, los cuales funcionarn alternadamente para facilitar su limpieza. Se
construir adems aguas debajo de los desarenadores un regulador de
velocidades constituido por un canal Parshall
Datos bsicos para el diseo:
Qmaxh : 25,49 lt/seg = 0.90 pie3 / seg
Qmin : 0.86 lt/seg = 0.0303 pie3 / seg ( de tabla 4.6 )
Velocidad reja: 0.3 m/seg = ya que esta velocidad arrastra la mayora de de las
partculas orgnicas atravs del canal desarenador y permite que las partculas de
arena sedimente, segn Tabla 2.1 de libro Metcalf Eddy
Tabla 4.7 Velocidades de sedimentacin segn Imhoff
Dimetro (mm) 1.000 0.50 0.20 0.10 0.05 0.010 0.005
Arena (cm/seg) 13.94 7.17 2.28 0.67 0.17 0.008 0.002
Carbn (cm/seg) 4.220 2.11 0.72 0.20 0.042 0.002 4.2x10-5
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138
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
La tabla 4.7. Muestra que para sedimentar partculas de 0.20mm dimetro que son
los utilizados para este diseo se debe utilizar una velocidad de sedimentacin de
2.28 cm/seg.
Clculo de las dimensiones de los canales desarenadores
Dado que el ancho (B) del canal vara entre 2 y 3 veces el ancho de la garganta
(W) de la canaleta Parshal y para este diseo W = 1pie = 0.305 m, se asumir un
ancho del canal B = 76 cm aplicando una relacin 2.5W.
Por lo tanto el ancho del canal B = 0.76 m (ver plano 4.11)
El nivel mximo de agua en el canal desarenador representado por (dmax) ser
calculado mediante la expresin:
Qmax = V.A (Ec. 4.1)
Qmax/V = A pero A = B x dmax
Sustituyendo A en Ec. 4.1 se tiene:
dmax = Qmax / V.B (Ec. 4.2)
dmax = (0.025 m3/seg) / (0.3 m/seg) (0.76 m)
dmax = 0.11 m
El nivel mnimo de agua en el canal desarenador representado por (dmin) ser
calculado mediante la ecuacin 4.2 pero utilizando el caudal mnimo.
dmin = Qmin / V.B
dmin = (0.00086 m3/seg) / (0.3 m/seg) (0.76 m)
dmin = 0.0038 m
-
139
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
Consecuente con los valores obtenidos para dmax y dmin en el desarenador, las
paredes verticales de ste tendrn una altura de 50 cm dejando 22 cms de borde
libre a partir del nivel mximo calculado en el desarenador.
Clculo de la longitud (L) de los canales desarenadores
Datos bsicos:
Dimetro mnimo de las partculas a sedimentar = 0.20 mm
La velocidad de sedimentacin correspondiente a un dimetro de 0.20 mm
es = 22.8 mm/seg. (De tabla 4.7)
Por lo tanto la longitud de los canales desarenadores viene dada por la expresin:
L= (0.3 m/seg) (0.11 m) / (0.0228 m/seg.)
L = 1.50m (ver plano 4.7.3)
Clculo de volumen de arena depositada en el canal desarenador
Se estima que el volumen retenido de arena ser de 30 lt por cada 1000 m3 de
agua, o sea:
VArena = (0.030 m3) (2,202.34 m3 /da) /1000 (Ec. 4.4)
VArena = 0.066 m3 /da
Previendo su retiro o limpieza cada 6 das se determina la altura que se
profundizar el fondo de las cajas para el almacenamiento de la arena:
(Velocidad de reja ) (dmax)
Velocidad de sedimentacinL= (Ec. 4.3)
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140
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
6Vol =B. L.h (Ec. 4.5)
Donde:
6 = dias de limpieza o retiro Vol = Volumen de arena
B = Ancho del canal L = Longitud
h = altura de profundidad de las cajas para almacenar arena
Despejando h de Ec. 4.5 se tiene:
h = 6Vol / B.L
h = 6 (0.066 m3) / (0.76 m) (1.50 m)
h= 0.35 m se asumir una altura de 0.60 m (ver corte A-A, plano 4.11)
Para los slidos retirados de la Rejilla se construir una plataforma de secado o
bandeja de escurrimiento. Esta consistir en una placa perforada para que los
objetos extrados se puedan almacenar temporalmente para su drenaje.
Las dimensiones de esta bandeja debido a que se ubicar sobre el canal
desarenador tendrn el mismo ancho que este canal es decir 0.76m y de largo
tendr una longitud de 0.60m.
El rea til de la plataforma de secado ser de:
AP = (0.60 m) (0.76 m) = 0.46 m2 (Ec. 4.6)
A la misma se le sern perforados 48 agujeros menores de 2.5 cm de dimetro
espaciados cada 5 cm para el drenaje del agua remanente en los slidos
retirados.
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141
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
4.7.2.2 DISEO DE REJILLA.
Para el clculo de la rejilla colocaremos varilla de 1/2 y tomaremos los valores
segn Metcalf Eddy7, los cuales son:
Ancho de barra (a) = 1.27 cm
Espesor de barras (b) = 1.27 cm
Angulo de inclinacin () = 60
Velocidad de entrada (V) = 0.3 m/s
Calculando tenemos:
rea libre (Al)
Despejando (Al) de Qmax = V.A (Ec. 4.7)
Tenemos Al = Qmax V (Ec. 4.8)
Al = 0, 02549 m3/s 0.3 m/s
Al = 0.085 m2
Clculo del rea de la seccin transversal de flujo (Af) aguas arriba de la reja:
Donde:
Af = rea de flujo
a = Separacin entre barras
t = Espesor de las barras
Af = 0.17 m2
7Fuente: Tomada del Libro Metcalf Eddy
Af = 0.085 m2 (0.0127 m + 0.0127 m) / 0.0127m
Af = AL (a + t) / a (Ec. 4.9)
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142
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
Como el ancho del canal desarenador = 0.76 m entonces el ancho de la rejilla
debe ser el mismo.
Por lo tanto ancho de la rejilla = 0.76m (ver plano 4.11)
La longitud sumergida de la reja (LS) ser:
L S = dmax / sen 60 (Ec. 4.10)
Donde:
Ls = Longitud Sumergida
dmax = Distancia Mxima del nivel del agua en el desarenador
Sen60 = Angulo
L S = 0.11 m / sen 60
L S = 0.13 m
S N = Nmero de barras que conforman la reja, entonces:
(N + 1) a + N ( t ) = B (Ec. 4.11)
Donde:
B = Ancho del canal desarenador
t = Espesor de las barras
a = Separacin entre barras
N = (B a) / (a + t)
N = (76 cm 1.27 cm) / (1.27 cm + 1.27cm)
N = 29 barras
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143
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
Pendiente de la plantilla del canal (S)
De Cheezy Manning
V = (1/n) (R 2/3) (S 1/2) (Ec. 4.12)
Donde:
V = Velocidad de reja limpia = 0.3 m/seg.
n = Coeficiente de rugosidad, para = 0.011
S = Pendiente
R = Radio Hidrulico
Para el clculo del radio hidrulico (R) se tiene:
R = 8.53cm
Sustituyendo R en Ec. 4.12 se tiene:
S = 0.029 %
Como se puede observar la pendiente en el canal desarenador es casi cero, es
decir casi plano.
( 76 cm ) ( 11cm )
76 cm + 2 (11cm) R =
0.011 (0.3 m / seg.)
(0.085 m) 2 /3 S =
2
0.011 V
R2/3 S =
2
( B ) (dmax )
( B + 2 dmax ) R = (Ec. 4.13)
-
144
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
4.7.2.3 DISEO DEL CANAL PARSHALL.
Datos bsicos:
Caudal Q = 0.90 pie3/seg.
Ancho de la garganta W = 1 pie de tabla 4.8 de dimensiones de la canaleta
parshal
1. Condiciones hidrulicas de entrada
a) El nivel de agua en la garganta de la canaleta (Ha) se calcula con la frmula
Donde:
Ha = Nivel del agua en la garganta del canal
W = Ancho de la garganta
Obtenindose el valor de Ha = 0.40 pies = 0.12m. Uno de los requisitos en el diseo de la canaleta parshall establece que la relacin
de Ha/W est entre 0.40 y 0.80 y en este caso esta relacin 0.40 /1 = 0.40 por lo
tanto se cumple dicha condicin.
b) Ancho de la canaleta en la seccin de medida
D' = 2(D - W)/3 + W (Ec. 4.15)
Donde:
D' = Ancho de la canaleta
D = valor tomado de a tabla 4.8 de dimensiones de la canaleta Parshal
W = Ancho de la garganta
D' = 2 (0.845m 0.305m)/3 + 0.305m
D' = 0.67 m
0.90 pie3/seg. = 4(1pie)Ha1/1 .53
Qmax = 4WHa1.53W (Ec. 4.14)
-
145
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
c) Velocidad en la seccin D'
VO = Q/( D' . hO) (Ec. 4.16)
Donde: hO = Ha
D' = Ancho de la canaleta
Caudal Q = 0.90 pie3/seg
VO = (0.02549m3/seg.)/ (0.67m) (0.12 m)
VO = 0.32 m/seg.
d) Energa especfica
E = (VO 2/ 2g) + hO + N (Ec. 4.17)
Donde:
E = Energa especifica
VO 2 = Velocidad
2g = valor de la gravedad
hO = Ha
N = valor tomado de a tabla 4.8 de dimensiones de la canaleta Parshal
E = [(0.32 m/seg.)2 / 2 (9.8 m/seg2)] + 0.12m + 0.114m
E = 0.24
2. Condiciones en la garganta
a) Velocidad antes del resalto V13 2g. V1. EO = - 2 Qg/W (Ec. 4.18)
V13 4.9 V1 = - 1.63
De donde V1 = Velocidad por tanteo es = 2.13 m/seg.
2g = valor de la gravedad
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146
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
b) Altura antes del salto hidrulico
h1 = Q / (V1. W) (Ec. 4.19)
Donde:
h1 = Altura
V1 = Velocidad por tanteo es = 2.13 m/seg.
W = Ancho de la garganta
Caudal Q = 0.02549 m3/seg
h1 = (0.02549m3/seg) / (2.13 m/seg.) (0.305m)
h1 = 0.040 m
c) Nmero de Froude
Nf = V1 / (g . h1)0.5 (Ec. 4.20)
Donde:
Nf = Numero de Froude
V1 = Velocidad por tanteo es = 2.13 m/seg.
h1 = Altura antes del salto hidrulico
g = Gravedad
Nf = (2.13 m/seg) / [(9.8 m/seg2) (0.040 m)]0.5
Nf = 3.40
Segn requisito de diseo de canaleta parshall el nmero de Froude debe estar
comprendido entre los rangos 1.7 2.5 o 4.5 9.0, lo cual si cumple.
-
147
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
3. Condiciones de salida
a) Altura despus del resalto
h2 = (h1 / 2) [(1 + 8 Nf2)0.5 1] (Ec. 4.21)
Donde:
h1 = Altura antes del salto hidrulico
Nf = Numero de Froude
h2 = 0.17 m
b) Sumergencia
S = (h2 N) / hO (Ec. 4.22)
Donde:
S = Sumergencia
h2 = Altura despus del resalto
N = valor tomado de a tabla 4.8 de dimensiones de la canaleta Parshal
hO = Ha
S = (0.17 m - 0.114 m) / 0.12 m
S = 0.49
Otro de los requisitos en el diseo de la canaleta parshall establece que la relacin
de mxima Sumergencia Hb/Ha para una garganta de 1 pie no debe exceder de
0.7 y en este caso esta relacin Hb/Ha = 0.49 < 0.7 por lo tanto se cumple esta
condicin.
0.040 m
2 1 + 8 (3.40) 2
0.5 1 h2 =
-
148
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
c) Prdida de carga hf = Ho + N h2 (Ec. 4.23)
Donde:
hf = Perdida de carga
hO = Ha = Nivel del agua en la garganta del canal
N = valor tomado de a tabla 4.8 de dimensiones de la canaleta Parshal
h2 = Altura despus del resalto
hf = 0.12 m + 0.114 m 0.17 m
hf = 0.40 m
Los valores de N, D, W, son los que aparecen en la tabla 2.5 de dimensiones de la
canaleta Parshal para una garganta de 0.305 m
Tabla: 4.88 Dimensiones de la canaleta Parshal
W cm A B C D E F G K N 9 22.90 88.0 86.40 38.0 57.5 61.0 61.0 45.70 7.60 11.40
1 30.5 137.30 134.40 61.0 84.50 91.50 61.0 91.50 7.6 22.90
Como ha podido comprobar, se cumplen todos los requisitos de diseo hidrulico
para la canaleta parshall que se ha propuesto.
8
Fuente: Tomada del Manual de Dimensiones de la Canaleta Parshall
-
149
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
4.7.3 TRATAMIENTO PRIMARIO.
4.7.3.1 TANQUE DE SEDIMENTADOR PRIMARIO
Tabla 4.9 Informacin usual para diseo de sedimentadores rectangulares y
circulares empleados para el tratamiento primario y secundario de aguas
negras
Valor segn tipo de tratamiento
Primario Secundario
Parmetro Unidad Intervalo Valor usual Intervalo Valor usual
Rectangular
Profundidad pie 10-16 14 10-22 18
Longitud pie 50-300 80-130 50-300 80-130
Ancho pie 10-80 16-32 10-80 16-32
Velocidad
del barredor Pie/min 2-4 3 2-4 3
Tabla 4.10. Informacin para diseo de sedimentador primario seguido por tratamiento secundario.
Valor
Parmetro Unidad Intervalo Valor usual
Tiempo de retensin h 1.5-2.5 2.0
Carga superficial
Para caudal medio gal/pie2 . d 740-1230 1000
Para caudal mximo gal/pie2 . d 2000-3000 2200
Carga sobre vertedero gal/pie . d 10000-40000 15000
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150
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
Velocidad de arrastre.
Para evitar la resuspensin de las partculas sedimentadas, las velocidades
horizontales a lo largo del tanque deben mantenerse lo suficientemente bajas. A
partir de los resultados de los estudios realizados por SHIELDS (1936), CAMP
(1946) desarroll la siguiente ecuacin para calcular la velocidad crtica horizontal.
(Ec. 4.24)
Donde:
VA = Velocidad horizontal a la cual se inicia el arrastre de partculas
K = Constante que depende del material arrastrado
S = Gravedad especfica de las partculas
G = Aceleracin debida a la fuerza de la gravedad
D = Dimetro de las partculas
F = Factor de friccin de Darcy Weisbach
Los valores usuales de k son: 0.04 para arenas unigranulares y 0.06 para
partculas ms aglomeradas. El factor de friccin de Darcy Weisbach depende de
las caractersticas de la superficie sobre la que tiene lugar el flujo y el nmero de
Reynols. Los valores usuales de f van desde 0.02 hasta 0.03. La ecuacin 4.24 se
puede usar tanto en unidades del sistema ingls como en unidades del sistema
internacional, siempre y cuando se haga en forma consistente ya que k y f son
adimensionales.
VA = 8k (s 1) gd f
0.5
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151
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
Remocin de Demanda Bioqumica de Oxgeno (DBO) y Slidos
Sedimentables totales (SST)
Informacin habitual a cerca de la eficiencia en la remocin de DBO y SST en
tanques de sedimentacin primaria, como funcin de la concentracin afluente y el
tiempo de retencin usando la siguiente expresin:
R = t/a + bt (Ec. 4.25)
Donde:
R = % de remocin esperado.
t = Tiempo nominal de retensin (en horas)
a, b = Constantes empricas.
Las constantes empricas de la ecuacin 4.25 toman los siguientes valores a una
temperatura de 20 C.
Tabla 4.11. Constantes empricas
Variable a, h b
DBO 0.018 0.020
SST 0.0075 0.014
4.7.3.2 Diseo del Tanque de Sedimentacin Primaria
Datos bsicos:
Caudal Medio Diario =2.883Lts/S = 249,09m/dia
Caudal Mximo Diario = 25.49 Lts/S = 2,202.34 m/dia
Tasa de valor superficial = 1000 gal/pie.dia (40.72 m/m.dia)
De tabla 4.10.
Profundidad efectiva del agua = 11 pies (3.35 m) De tabla 4.9.
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152
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
Dimensionamiento
a) Clculo del rea superficial para una relacin largo ancho 4-1
(Ec. 4.26)
A = 6.12 m
4L = 6.12 m (Ec. 4.27)
De donde el ancho es 1.24 mts. y el largo 4.96 mts. Sin embargo, por
conveniencia, las dimensiones del rea superficial se redondean a 1.25m y 5.00
m (ver plano 4.12).
b) Clculo del tiempo de retencin para caudal medio, tomando un valor = 8.20
pies = 2.50 m (de tabla 4.7.3.2.) como profundidad efectiva del agua (ver corte C
C, plano 4.13)
Entonces el Volumen del tanque = ( 1.25 x 5.0 x 2.50) = 15.63 m
Utilizando la ecuacin 4.1 se tiene:
Qmd
TVS A =
249.09 m/dia
40.72 m/m.dia =
Qmed
A
249.09 m/da
(1.25 x 5.00) Carga superf ic ial = = = 39.85 m/m . d
Vol.
Qmed
15.63 m
249.09 m/diaTiempo de retencin = = = 1.5 Horas.
-
153
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
c) clculo del tiempo de retencin y la carga superficial para caudal mximo
d) Clculo de la velocidad de arrastre usando la Ecu. 4.24
Donde:
Constante de cohesin (k) = 0.05
Gravedad especfica (s) = 1.25
Aceleracin de la gravedad (g) = 9.8 m/seg
Dimetro de las partculas (d) = 0.003 m
Factor de friccin de Darcy Weisbach (f) = 0.025
Qmax
A
2,202.34 m/da
(1.25 x 5.00)Carga superf ic ial = = = 352.37 m/m.d
Vol.
Qmax
15.63 m
2,202.34 m/diaTiempo de retencin = = = 0.17Horas.
VA = 8 k (s-1) gd
f
0.5
VA = 8 ( 0.05 )( 0.25 )( 9.8 )( 0.003 )
0.025
0.5
= 0.34 m/s
-
154
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
Comparando la velocidad de arrastre calculada con la velocidad horizontal bajo
condiciones de caudal mximo.
La velocidad horizontal a travs del sedimentador para caudal mximo es igual al
caudal mximo entre el rea de la seccin del flujo
El valor de la velocidad horizontal, incluso bajo condiciones de caudal mximo, es
sustancialmente menor que la velocidad de arrastre. Por lo tanto, el material
sedimentado no ser resuspendido. Para recolectar los slidos sedimentados se
utilizarn rasgadores horizontales que arrastran el fango hasta la poseta
situada en el extremo del tanque (ver plano 4.13) desde donde sern extrados
en forma intermitente a travs de tuberas instaladas en el fondo de la poseta,
dicha extraccin se realizar por presin hidrosttica
a) Clculo de las tasas de remocin de DBO y SST a caudales medio y
mximo utilizando la ecuacin 4.25
Donde:
2,202.34m/d
( 1.25 m x 2.50 A= = 0.0082 m/seg
Qmax VH = = 704.75 m/dia
R = t
a + bt
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155
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
Remocin de DBO
1.50
1.50
R = porcentaje de remocin esperado
t = tiempo nominal de retencin
a,b = constantes empricas
1) Para caudal promedio:
2) Para caudal mximo
los tanques de sedimentacin primaria son capaces de remover entre un 30 a un
60% de los slidos totales en suspensin (SST) y de reducir la demanda
bioqumica de oxgeno (DBO) entre 25 a 35%, el tanque sedimentador diseado
estar removiendo un 52.63% de SST y un 31.25% de DBO
0.018 + ( 0.020 x 1.50 )
t
a + bt
= 31.25 % = =
= t
a + bt =
0.17
0.018 + ( 0.020 x 0.17) = 7.94 % Remocin de DBO
= t
a + bt =
0.17
0.0075+ ( 0.014 x 0.17) = 17.21%Remocin de SST
0.0075 + ( 0.014 x 1.50)
t
a + bt = 52.63% = =Remocin de SST
-
156
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
4.7.4 TRATAMIENTO SECUNDARIO.
4.7.4.1 Filtros Percoladores Biolgicos
Los datos bsicos para el diseo son:
Caudal medio diario Qmd = 2.883 lt/seg. = 249.09 m3/da
Caudal mximo horario Qmax = 25.49 lt/seg. = 2,202.34 m3/da
DBO bruto = 997.65 mg/lt
DBO del efluente final: 60 mg/lt (Requerido por la Norma CONACYT)
Profundidad = 1.8 m
Para el diseo se usarn las ecuaciones del NCR (National Research Council
U.S.A.)
Donde:
E1 = Rendimiento de eliminacin de la DBO para el primer filtro
E2 = Rendimiento de eliminacin de la DBO para el segundo filtro
W1 = Carga de DBO aplicada al primer filtro
W2 = Carga de DBO aplicada al segundo filtro
V1 = Volumen del primer filtro
V2 = Volumen del segundo filtro
F = Factor de recirculacin
E1 = 100
1 + 0.4425 ( W1 / V1 . F )0 .5 (Ec. 4.28)
E2 = 100
0.4425 1 + 1 E1
( W2 / V2 . F )0 .5 (Ec. 4.29)
F = 1+ r
( 1 + 0.1r ) 2 (Ec. 4.30)
-
157
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
r = Razn de circulacin: para nuestro caso r = 0 entonces F =1
Considerando lo anterior y el requerimiento de ANDA se determina realizar el
proceso en dos etapas a travs de dos filtros colocados en serie.
Proceso de diseo:
a) Clculo de la eficiencia para cada filtro E1 y E2
E1 + E2 (1 E1) = 0.94 (Ec. 4.32)
La eficiencia en la segunda etapa ser 0.70 de la eficiencia en la primera etapa
(E1)
E1 + 0.7 (1 E1) = 0.94
E1 = E2 = 0.49
b) Clculo de la carga de Demanda Bioqumica de oxgeno (DBO) del primer
filtro
W1 = (DBO influente) (Qmd) (Ec. 4.33)
W1 = (997.65 mg/lt) (249.09 m3/da)
W1 = (0.99765 kg/m3) (249.09 m3/da)
W1 = 248.50 kg/da
997.65 60 997.65
x 100 = 94 % Eficiencia conjunta = (Ec. 4.31)
-
158
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
c) Clculo del volumen para la primera etapa usando la Ec. 4.28
Donde:
E1 = Rendimiento de eliminacin de la DBO para el primer filtro
W1 = Carga de DBO aplicada al primer filtro
V1 = Volumen del primer filtro
V1 = 44.92 m3
d) Clculo del rea del primer filtro
A1 = V1/ h (Ec. 4.34)
Donde: A1 = Calculo del rea del primer filtro
V1 = Volumen del primer filtro
Profundidad = 1.8 m
A1 = 44.92 m3/1.8 m
A1 = 24.95 m2
De donde: L1 = 3.0 m y L2 = 8.40 m
La distancia ms corta ha sido asumida con el objeto de evitar elementos de apoyo
(vigas) para los canales de distribucin del agua residual en los filtros y adems con
estas dimensiones se logra el rea anteriormente calculada (ver planta
arquitectnica, Plano 4.14).
E1 = 100
1 + 0.4425 (W1 / V1 . F)0 .5
49 = 100
1 + 0.4425 (248.50 / V1. 1)0 .5
-
159
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
e) Clculo de la carga de Demanda Bioqumica de oxgeno (DBO) del
segundo filtro.
W2 = (1 E1) (W1) (Ec. 4.35)
W2 = (1 0.49) (248.50Kg/da)
W2 = 126.74Kg/da
f) Clculo del volumen del filtro para la segunda etapa usando Ec. 4.29
V2 = 84.72 m3
g) Clculo del rea del segundo filtro
A2 = V2/ h (Ec. 4.36)
A2 = 84.72m3/1.8 m
A2 = 47.07m2
De donde L1 = 6.0 y L2 = 8.40 m
Este filtro estar dividido por una pared intermedia (de 30 cm de espesor) con el
fin de apoyar los canales de distribucin del agua residual y adems con estas
dimensiones se logra el rea necesaria. (Ver corte E-E, plano 4.15)
E2 = 100
0.4425 1 + 1 E1
( W2 / V2 . F ) 0 .5
1 0.48
49 = 100
0.4425 1 + (126.74 / V2 . 1 )0 .5
-
160
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
h) Clculo de la carga orgnica de cada filtro
Filtro de la primera etapa
Carga de DBO = W1/ V1 = (248.50Kg/da)/44.92 m3 = 5.53 kg/m3da
Filtro de la segunda etapa
Carga de DBO = W2/ V2 =(126.74Kg/da)/84.72 m3 = 1.5 kg/m3 . da
i) Clculo de la carga hidrulica de cada filtro
Filtro de la primera etapa
Carga hidrulica = Qmax/ A1 = (2202.34 m3/da) / 24.95 m2
Carga hidrulica = 88.27 m3/m2 . da
Filtro de la segunda etapa
Carga hidrulica = Qmax/ A2 = (2202.34 m3/da) / 47.07 m2
Carga hidrulica = 46.79 m3/m2. da
-
161
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
Tabla 4.12 Informacin tpica de diseo para filtros percoladores
Elemento Baja
carga
Carga
intermedia
Carga
alta
Muy alta
carga De desbaste
Medio f i l t rante Piedra,
escor ia Piedra, escor ia Piedra Piedra Plst ico, madera
Carga hidrul ica
m3/m2 . da 1.20-3.50 3.5-9.4 9.4-37.55 11.70-70.40 47-188
Carga orgnica
Kg de DBO/m3 .
da
0.08-0.40 0.25-0.50 0.50-0.95 0.48-1.60 1.6-8
Profundidad m 1.80-2.40 1.80-2.40 0.90-1.80
Relacin de
recirculacin 0 0-1 1-2 1-2 1-4
Moscas en el
f i l t ro
Abundante
s Algunas Escasas
Escasas o
ninguna Escasas o ninguna
Arrastre de
sl idos
Intermitent
es Intermitente Continua Continua Continua
Ef ic iencia de
el iminacin de la
DBO, %
8-90 50-70 65-85 65-80 40-65
Efluente Bien
ni tr i f icado
Parc ia lmente
ni tr i f icado
Escasamen
te
ni tr i f icado
Escasamente
ni tr i f icado No nitr if icado
-
162
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
Basndose en los resultados obtenidos de la carga hidrulica, carga orgnica y
eficiencia requerida, se disearn filtros de desbaste sin recirculacin para no
tener que mecanizarlos.
4.7.5 TRATAMIENTO DE LODOS.
El trmino lodos se utiliza para designar a los slidos que se sedimentan cuando
las aguas negras pasan a travs del tanque de sedimentacin. El lodo producido
por estos tanques est formado por los slidos orgnicos e inorgnicos presentes
en el agua cruda, al momento de salir del tanque de sedimentacin los lodos
contienen un 5% de slidos y un 95% de agua. El mtodo comn de disposicin
de lodos es la digestin.
4.7.5.1 Digestor de Lodos
Son tanques generalmente circulares que sirven para retener el lodo producido por
los sedimentadores. La digestin de los lodos bajo condiciones anaerobias es
producto de bacterias capaces de vivir en las mismas condiciones ambientales.
Estas bacterias atacan las sustancias orgnicas complejas, las grasas, los
carbohidratos y las protenas convirtindolas en compuestos orgnicos simples y
estables.
En base a las condiciones ambientales en la zona una buena digestin se da en el
perodo de 20 a 30 das de retencin.
-
163
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
Para el diseo de las unidades que componen el tratamiento de lodos se utilizan
los datos de la siguiente tabla:
Tabla 4.13 Produccin de lodos en litros por persona por da
Lodos
Nuevos
Lodos Digeridos Lodos Secos
Sedimentacin primaria 1.10 0.30 0.10
Filtros biolgicos 1.50 0.50 0.15
Lodos activados 1.80 0.80 0.20
Dimensionamiento
Los datos bsicos para el diseo son:
Poblacin = 1759 habitantes
Produccin de lodos nuevos = 1.10 lt/p/da (de tabla 4.13)
Perodo de retensin = 20 das
Clculo del volumen necesario del tanque digestor
Vn = N de habitantes x PLn x Tr (Ec. 4.37) Donde:
PLn = Produccin de lodos nuevos
Tr = Tiempo de retensin
-
164
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
Entonces:
Vn = (1759) (1.10) (20)
Vn = 38,698 lts = 38.70 m3
Clculo del dimetro:
Se tomar una profundidad total h = 3.40 m, distribuida de la siguiente manera:
Una parte cilndrica con una altura de 1.40 m y un dimetro de 11.40 m (ver plano
4.17).
Una parte cnica de 2.0 m de altura (ver corte F-F, plano 4.18).
Entonces:
VT = Vol. del cilindro + Vol. del cono (Ec. 4.38)
VT = .d2 hcil. /4 + .d2 hcono /12
VT = (11.40m)2 (1.4m) /4 + (11.40m)2 (2.0 m) /12
VT = 210.9 m3 > Que el Vol. Necesario.
4.7.5.2 Patios de Secado de Lodos
En este diseo los patios de secado son lechos de 15 a 30 cm de arena que
descansa sobre capas de grava de dimetros 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.
-
165
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
Las paredes laterales y divisorias de los patios de secado son de concreto y se
elevan unos 35 cm por encima de la superficie de arena y el fondo tendr una
ligera pendiente hacia los tubos de drenaje.
El funcionamiento de los patios de secado se distribuyen los lodos en capas de 15
a 20 cm de espesor. Se produce una prdida de agua por evaporacin y la otra
parte es conducida al cuerpo receptor. El lodo seco es inofensivo y puede
utilizarse para rellenar depresiones del terreno o como fertilizante.
Dimensionamiento.
Datos bsicos:
Poblacin =1759habitantes
Produccin de lodos secos = 0.10 lt/p/da (de tabla 4.13)
Perodo de retensin: 20 das
Distribucin de capas: 0.20 m
Clculo del volumen necesario (Vn)
Vn = N de habitantes x PLs x Tr (Ec. 4.39) Donde:
PLs = Produccin de lodos secos
Tr = Tiempo de retensin
Entonces:
Vn = 1759 x 0.10 x 20.0 = 3518 lt = 3.342 m3
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166
Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
Clculo del rea necesaria
An = Vn / ECL (Ec. 4.40)
Donde:
Vn = Volumen necesario
ECL = Espesor de capas de lodos
Entonces:
An = 3.52 m3/0.20 m = 17.60 m2
Se construirn 2 patios de secado con dimensiones de:
6.80 m de ancho y 7.0 m de largo (ver plano 4.19).
La construccin de estos patios puede realizarse en dos etapas, el primer patio se
construir junto con los otros elementos de la planta y el segundo cuando sea
necesario, es decir cuando la produccin de lodos sea tal que supere la capacidad
de almacenamiento del primero.
Estabilizacin con cal de los lodos
Para estabilizar los lodos crudos se aadir cal en cantidades suficientes como
para elevar el pH a 12. El pH alto mata los microorganismos presentes en el lodo
y, por consiguiente, estabiliza la materia orgnica.
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Capitulo IV: Diseo de Alcantarillado Sanitario y Planta de Tratamiento
Dentro de las ventajas de estabilizacin por cal se encuentran los tiempos de
retencin cortos que se requieren, la simplicidad del proceso y, en donde hay
condiciones de suelo cido, el pH alto del lodo es un beneficio en la aplicacin en
suelo
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