HO-043-03

CONSULTORA PARA LA ESTRUCTURACIN Y VIABILIZACIN DEL MANEJO DE AGUAS SERVIDAS

PLANTA PARA Qd = 1.5 lps

JOSE ALBERTO MONTAEZ N.Ingeniero Civil

Bogot, SEPTIEMBRE 2012

CONSULTORA PARA LA ESTRUCTURACIN Y VIABILIZACIN DEL MANEJO DE AGUAS SERVIDAS PLANTA PARA Qd = 1.5 lps

TABLA DE CONTENIDO

TABLA DE CONTENIDO21REACTOR ANAEROBIO TANQUE HIMOFF32MEMORIAS de CALCULO62.1DISEO PLANTA DE TRATAMIENTO PARA AGUAS RESIDUALES DOMESTICAS62.1.1Clculo de la rejilla62.1.2Diseo de la trampa de grasas72.1.3Diseo del Tanque Himoff72.1.4Diseo del Floculador112.1.5Diseo del sedimetador de placas paralelas112.1.6Filtro de arena y carbon activado, filtro vertical142.1.7Sistema de Cloracin.152.1.8Almacenamiento.152.1.9Clculo de bombas.162.1.10Clculo de la tubera172.1.11Clculo del almacenamiento de lodos18

REACTOR ANAEROBIO TANQUE HIMOFF

En nuestra sociedad actual es un imperativo restaurar la calidad de las aguas usadas y descargadas, aguas residuales para la proteccin del medio ambiente.

Todas las posibilidades para encontrar tratamientos econmicos y prcticos deben ser considerados, en particular los tratamientos biolgicos, por la capacidad de biodegradar los compuestos contaminantes a intermediarios sencillos. Dentro de ellos, el tratamiento anaerobio es el ms ventajoso.

Debido a su capacidad de degradar ciertos compuestos, la digestin anaerobia es un proceso microbiolgico complejo que se realiza en ausencia de oxgeno, donde la materia orgnica es transformada a biomasa y compuestos orgnicos, la mayora de ellos voltiles. Aunque es un proceso natural, slo en los ltimos veinticinco aos ha llegado a ser una tecnologa competitiva en comparacin con otras alternativas. Esto ha sido posible gracias a la implementacin de sistemas que separan el tiempo de retencin hidrulico ( TRH ), del tiempo de retencin celular ( TRC ) los cuales han sido denominados reactores de alta tasa. Durante este proceso tambin se obtiene un gas combustible (Biogs) y lodos con propiedades adecuadas para ser usados como bioabonos.

Las tecnologas del tratamiento anaerobio como el reactor de flujo ascendente anaerobio de lecho de lodos (Tanque Himoff) y el filtro anaerobio, estn siendo rpidamente aceptados para tratamiento de aguas residuales que no cumplen con las regulaciones ambientales para descarga directa a cuerpos receptores por su elevada DQO, bajo pH y presencia de slidos en suspensin, adems de sus grandes volmenes (Noyola, 1995).

La tecnologa de la digestin anaerobia se encuentra firmemente establecida a nivel mundial y en Amrica Latina y puede ser adaptable a las caractersticas del residual a tratar y el lugar donde se quiera implementar.

Los reactores del tipo Himoff presentan una serie de ventajas sobre los sistemas aerobios convencionales, la inversin principalmente es menor (costos de implantacin y manutencin), produccin pequea de lodos excedentes, consumo pequeo de energa elctrica y simplicidad del funcionamiento (Ramrez y Koetz, 1998).

Estos son econmicos, energticos y ecolgicos.

Adems de las ventajas intrnsecas de los procesos anaerobios, a travs de estos procesos se obtienen subproductos los cuales pueden ser utilizados posteriormente, obtenindose beneficios apreciables de su aprovechamiento. Estos son:

Biogs: Producto gaseoso que puede ser empleado como combustible. Segn los reportes energticos 1 m3 de biogs equivale a 0.55 L de fuel-oil. Este puede sustituir parte del combustible (60 %) que se consume en calderas domsticas

Lodo: Estudios realizados han demostrado que su composicin guarda riquezas en cuanto al contenido de materia orgnica y mineral, pudiendo emplearse como biofertilizante y mejoradores de suelos (Rodrguez et al., 1998).

Tambin se ha mostrado que debido a su composicin aminoacdica, calidad sanitaria, concentraciones de nitrgeno y protena bruta; puede ser utilizado como alimento animal (Figueroa, 1993; Prez, 1997; Prez 1998).

Efluente lquido: Segn los resultados obtenidos en investigaciones, se ha demostrado que este conserva nitrgeno en forma fcilmente asimilable y otros iones los cuales enriquecen este residuo y lo hacen propicio para su uso en fertirriego.

FUNCIONAMIENTO

Las aguas residuales en este caso domsticas se toman de un efluente que es el colector de aguas negras, esta planta calculada para un caudal de 2.0 LPS permite inicialmente que esta aguas pasen a travs de una rejilla que retendr elementos mayores, papeles, toallas y otras basuras, del agua.

De la rejilla pasan al tanque de control de grasas o TRAMPA GRASAS y de este sale al Tanque Himoff.

Al Tanque Himoff el agua ingresa por la parte superior, esta pasa por un vertedero descendente que permite la sedimentacin de lodos en la cmara inferior del Tanque, all los lodos permiten las reacciones biolgicas necesarias, del tipo de digestin anaerbia.

DIGESTIN ANAEROBIA

El proceso de digestin anaerobia consiste en la degradacin de la materia orgnica por parte de microorganismos en ausencia de oxgeno molecular. En ella se obtiene como subproducto el denominado biogs que se compone de un 70% de metano y un 30% de una mezcla de dixido de carbono y otros compuestos como nitrgeno, hidrgeno, amonaco y sulfuro de hidrgeno, los cuales son responsables de los malos olores generados durante la digestin.

Dicho proceso se caracteriza por un conjunto de reacciones asociadas al metabolismo de numerosas especies de microorganismos, que son los intermediarios necesarios para transformar la materia orgnica en sustratos simples fermentables por las bacterias metano gnica.

En general, las bacterias son incapaces de alimentarse de material complejo por lo que las macromolculas (protenas, carbohidratos y lpidos) son hidrolizados previamente por enzimas extracelulares a compuestos ms simples (azcares, aminocidos y cidos grasos). Esta hidrlisis ayuda a que el material particulado y los polmeros orgnicos que componen las aguas residuales puedan ser asimilados por las bacterias e incorporados a sus procesos metablicos, as:

Protenas a aminocidos Carbohidratos a azcares Lpidos a cidos grasos y alcoholes

El proceso de fraccionamiento de la materia orgnica absorbe agua, por ello se denomina hidrlisis. El proceso ocurre en el exterior de las bacterias debido a la accin de catalizadores biolgicos llamados exoenzimas, producidas por las bacterias cido gnico o fermentativo. Dependiendo de la presencia de sustratos solubles o complejos en el agua residual, la hidrlisis puede ser rpida o muy lenta.

Despus de obtenidas las molculas simples en la hidrlisis, stas pueden ser absorbidas a travs de la pared celular de las bacterias y son descompuestas internamente mediante los procesos metablicos. El proceso es llevado a cabo por las bacterias cido gnico o fermentativo.

Como producto final del proceso de cido gnesis o fermentacin est el cido actico, o en su defecto otros cidos grasos voltiles (AGV) como el propinico, el butrico y el valrico.

Dependiendo de la concentracin de hidrgeno: si la presin parcial de hidrgeno es menor que 10-4 el producto final ser cido actico, de lo contrario, se obtienen los otros cidos grasos. Adems de los cidos, la cido gnesis produce hidrgeno como un subproducto y su concentracin se convierte en un elemento regulador del metabolismo del proceso, debido a que elcido actico y el hidrgeno constituyen las vas de formacin del metano.

El paso siguiente es la aceto gnesis cido clstico y consiste en la generacin de cido actico a partir de los AGV formados en la aceto gnesis. En esta fase, un grupo de bacterias conocidas como bacterias aceto gnicas productoras de hidrgeno (OHPA), convierten los productos de la fermentacin en cido actico, dixido de carbono e hidrgeno. Estos organismos utilizan los cidos grasos o alcoholes como fuente energtica.

MEMORIAS de CALCULODISEO PLANTA DE TRATAMIENTO PARA AGUAS RESIDUALES DOMESTICAS

Clculo de la rejilla

Donde:

Qd = Caudal de diseo, m3/sAn = Area NetaAn = axBxNDonde: a = espacio entre barras = 0.0625 m.(1/4)B = ancho de la rejilla = 0.185 mN = nmero de espacios = 7V = Velocidad del flujo v 5.40

Volumen del sedimentador del Himoof, Vs, en m3

R = Perodo de retencin hidrulica, entre 1.5 a 2.5 horas

Vs = 5.40 x 2 = 10.80 m3

A = 13.50 m2

H = 10.80/13.50 = 0.80 m.

Longitud mnima del vertedero de salida (Lv, en m)

Donde:

Qmax: Caudal mximo diario de diseo en m3/da.Chv:Carga hidrulica sobre el vertedero, estar entre 125 a 500m3/(m*da)Qmax = 129.60 m3/da.Lv = 129.60 /1 25 = 1.037 m

Volmen de almacenamiento del digestor, Vd en m3

Donde:

fcr: factor de capacidad relativa, ver tabla 1 P : PoblacinVd = 70x1600x0.5/1000 = 56.00 m3

A = 13.50 m2H = 56.00 / 13.50 = 4.14 m

Tabla 1Temperatura CFactor de capacidad relativa(fcr)

52.0

101.4

151.0

200.7

>250.5

Tiempo requerido para digestin de lodos

Tabla 2Temperatura CTiempo de digestin en das

5110

1076

1555

2040

>2530

Frecuencia de retiro de lodos = 76 Das

Carga de slidos que ingresan al sedimentador (C, en Kg. de SS/da)

Donde: SS; Slidos en suspensin en agua residual cruda en mg/Lt Q: Caudal promedio de Aguas Residuales

Contribucin per cpita promedio es de 70 gr.SS/ (hab*da)

C = 1600x70/1000 = 112 mg/Lt.

Masa de slidos que conforman los lodos, Msd, en Kg.SS/da

Msd = 0.325 X 112 = 36.40 Kg.SS/da

Volmen diario de lodos digeridos, Vld, en Lt. /da

Donde: Lodo; Densidad de los lodos = 1.04 Kg/Lt %de slidos: 10%Vld = 36.40 /(1.04x0.1) =350.00 lt/da

Volumen de lodos a extraerse del tanque, Vel, en m3

Donde: Td = Tiempo de digestin, ver tabla 2

Vel = 350x30/1000 = 10.50 m3rea del lecho de secado

Donde: Ha: Profundidad del lecho 1.50 m.

Als =10.50/1.50 = 7.00 m2.

Diseo del Floculador

El objetivo del floculador es proporcionar a la masa de agua coagulada una agitacin lenta aplicando velocidades decrecientes, para promover el crecimientode los flculos y su conservacin, hasta que la suspensin de agua y flculos salgan de la unidad.

La energa que produce la agitacin del agua puede ser de origen hidrulico o mecnico.

Donde:

Qd = Caudal de diseoTr = Tiempo de RetencinV = Volumen del floculador

Tr = 6.96 / 5.40 = 1.29 hr

Diseo del sedimetador de placas paralelas

En la decantacin lamelar se utilizan varias placasparalelas inclinadas para conseguir la mxima superficie de decantacin en cualquier espacio de suelo disponible. De este modo, es posible reducir al mnimo el tamao y el coste del decantador por gravedad mediante el acercamiento de los requisitos de clarificacin y espesamiento.

En el principio de la decantacin lamelarLos criterios bsicos para los equipos de decantacin son la claridad adecuada dellquido rebosado y la mxima densidad de los slidos evacuados.La superficie necesaria para clarificar una suspensin suele ser superior a la necesaria para su espesamiento.

Las partculas situadas entre las placas lamelaresllegan a la superficie de cada placa siguiendo el vector resultante de las dos fuerzas:el arrastre del fluido (Fl) y la gravedad (Fg).Una vez sobre las placas, las partculas descienden resbalando para ser evacuadas en la zonade espesamiento.

Control de entrada: El caudal de entrada se har por un vertedero transversal a la entrada que permita la distribucin uniforme del flujo.

Control de temperatura: Con el fin de aumentar la temperatura se han colocado una seria de tubos de precalentamiento por energa solar y mantenerla entre 14C y 18c. para acelerar la sedimentacin de las partculas.

La zona de sedimentacin est compuesta por un canal rectangular con placas o lminas de acrlico inclinadas a 60.

La salida ser 5 cms por debajo de la tubera de entrada.

Cmara de recoleccin de lodos: Caja con capacidad para depositar los lodos sedimentados, y un manhol para su evacuacin peridica.

Tiempo de retencin: entre 2 - 6 horas.

Carga superficial ser entre los valores de 1 5 m3/m2/da.

Profundidad del sedimentador ser entre 1,5 2,5 m.

El fondo de la unidad debe tener una pendiente entre 5 a 10% para facilitar eldeslizamiento del sedimento hacia la cmara de recoleccin de lodos.

La pantalla difusora debe ser entre 0,7 a 1,00 m de distancia de la pared de entrada.

Viscosidad Cinemtica = 1.0105x10-2 cm2/seg

CALCULO SEDIMENTADOR

Tabla 3

ELEMENTO, mmV sedimentacinmm/segTiempo deSedimentacin

Arenas gruesas1.083 Seg

Arenas finas0.10.15438 Seg

Sedimento0.050.015433 minutos

Bacterias0.0010.0015435 horas

Caudal Q1 = 1.50 lps = 0.0015 m3/Seg.Q = Vol/T ; Vol = Q/TVol = 0.0015 x 1980 = 2.97 m3

El sedimentador debe cumplir L/a < 20 si Tomamos un ancho de 2.00 mts.Altura = 1.30 m.L = 2.97/(1.2 x2.00) = 1.24Por lo que el sedimentador quedara de a = 2.00; L = 2.00 y H altura 1.30 mts.L/a = 2.00/2.00 = 1.00 0.5R = Vs x d / n

Para:R Numero de ReynoldsVs Velocidad de sedimentacinD Dimetro de la partcula sedimentablen viscosidad cinemtica del flujo n = 0.010105 cm2/segVs = 1/18 x g x (Ros -1/n) x d2Ros = 2.65 para arenasVs = 1.78R = 3.55 cumple

Por lo que el sedimentador quedara de a = 2.00 m. ( dimensin mnima) y L = 2.00 m.

Filtro de arena y carbon activado, filtro vertical

Los filtros de arena o filtro vertical, son los elementos ms utilizados para filtracinde aguas con cargas bajas o medianas de contaminantes, que requieran unaretencin de partculas de hasta veinte micras de tamao. Las partculas ensuspensin que lleva el agua son retenidas durante su paso a travs de un lechofiltrante de arena. Una vez que el filtro se haya cargado de impurezas, alcanzandouna prdida de carga prefijada, La calidad de la filtracin depende de variosparmetros, entre otros, la forma del filtro, altura del lecho filtrante, caractersticasy granulometra de la masa filtrante, velocidad de filtracin.

El carbn activado es un material que se usa para filtrar qumicos nocivos del suelo y del agua contaminada. Tiene una textura similar a la de pequeos grnulos de arena negra. A medida que el agua o el aire fluyen a travs de un filtro de carbn activado, los qumicos son absorbidos o se adhieren a la superficie y dentro de los poros de los grnulos. La mayora de los filtros de agua corriente y filtros de tanques de uso en los hogares contienen carbn activado y funcionan de la misma manera. A menudo, los filtros de carbn activado se utilizan como parte de un sistema de extraccin y tratamiento para limpiar aguas domsticas.

El agua transportada por gravedad pasa por la columna de carbn activado para retirar los malos olores y coloracin turbia. Este filtro presenta forma cilndrica y trabaja en sentido vertical. Los grnulos de carbn detienen los flculos que no pudieronser retenidos en el filtro de arena gruesa.

0. Retrolavado del filtro vertical

Al finalizar el proceso de tratamiento, se inicia el lavado del filtro,cuando el agua en el tanque delfiltro alcanza el nivel mnimo, se abre la vlvula que permite elpaso de una ducha de agua limpia sobre la superficie del filtro.

Cuando el agua alcanza el nivel mximo permitido en la bandeja del filtro, arranca la bomba de retrolavado y transporta los residuos de la filtracin y el agua hacia el tanque de tratamiento inicial.

Clculo de los filtros

NUMERO DE UNIDADES FILTRANTES

Para un caudal de 0.0263 lpspor mdulo y una velocidad de filtracin promedio de 125 m3/m2-da[endnoteRef:5], se tiene que el rea necesaria para un mdulo proyectados es: [5: FILTRACION CON ANTRACITA Y ARENA CASO PRACTICO EN EL REINO UNIDO, Derek G. Miller, Asociacin de Investigacin sobre el Agua, Marlow, Inglaterra.]

Al = 0.000263x86400/125 = 0.19 m2

Tc entre 2 a 30 minutos Tiempo de contacto

Filtro de arena gruesa:

V = 20/60 x 0.0263 / 0.9997 = 0.0315 m3

Altura del lecho H = V / Al ; H = 0.0315 / 0.19 =0.17 m. Altura mnima para cualquiera de los lechos filtrantes.

Alturas superiores mejoran la operacin de filtracin, se tomaron: h filtro de arena gruesa =0.55m h Filtro de carbon activado = 0.35 m h Filtro de arena fina = 0.55 m

Sistema de Cloracin.Se har por medio de un dosificador de lquido compuesto por una solucin de cloro granulado al 80% o por penclorito 130.

El sistema tendr un kit para la medicin de: Ph y Cloro residual para lo cual se capacitar al personal en la operacin.

Almacenamiento.

El agua procedende del filtro se almacenar en un tanque de 2.00 m3 agua que ser bombeada para la irrigacin de los jardines o podr ser utilizada en labores de aseo.

Clculo de bombas.

Bomba para Retrolavado

Donde:Ph = Potencia de la bomba (HP)Q = Caudal (m3/s) = Densidad del agua ( 1000 Kgr/m3)h = Altura diferencial (mts.)n = Eficiencia de la bomba (60%)

para retrolavado:Q = 3 lps = 0.003 m3/seg.h = 8.00 mts.n = 60%

Ph = 1000x0.003x8 / (75x0.60) = 0.53

Electrobomba de HP

Bomba para Irrigacin

Para Irrigacin:

Q = 2 lps = 0.002 m3/seg.h = 70.00 mts.n = 60%

Ph = 1000x0.002x70 / (75x0.60) = 3.11

Electrobomba de 3 HP

Bomba para Recirculacion de Lodos

Q = 2 lps = 0.002 m3/seg.h = 8.00 mts.n = 60%

Ph = 1000x0.002x8.00 / (75x0.60) = 0.35

Electrobomba de 0.5 HP

Bomba elevar cabeza hidrulica al tanque Himoof

Donde:Ph = Potencia de la bomba (HP)Q = Caudal (m3/s) = Densidad del agua ( 1000 Kgr/m3)h = Altura diferencial (mts.)n = Eficiencia de la bomba (60%)

para ingreso:Q = 1.5 lps = 0.0015 m3/seg.h = 8.00 mts.n = 50%

Ph = 1000x0.0015x8 / (75x0.50) = 0.32

Electrobomba de HP

Clculo de la tubera

Las tuberas para el flujo de los lquidos debe cumpli una v