diseño de una planta fime
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caracterización del sistema, agua y demas factores que faciliten el diseño de una planta fime para potabilizar el agua de una finca.TRANSCRIPT
DISEÑO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE TIPO FIME
PARA LA FINCA LA ROSITA UBICADA EN LA VEREDA FIRAYA DEL
MUNICIPIO DE SIACHOQUE, BOYACÁ
ATARA CASTILBLANCO ALYSSON NYLOVNHA
CUERVO CASTILLO GISELLE ZULAY
HOLMAN EDUARDO MACIAS CEPEDA
PÉREZ LAVERDE ÁNGELA JULIETH
UNIVERSIDAD SANTO TOMAS
INGENIERÍA CIVIL
TRATAMIENTO DE AGUAS
TUNJA
2015
DISEÑO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE TIPO FIME
PARA LA FINCA LA ROSITA LA VEREDA FIRAYA DEL MUNICIPIO DE
SIACHOQUE, BOYACÁ
ATARA CASTILBLANCO ALYSSON NYLOVNHA
CUERVO CASTILLO GISELLE ZULAY
HOLMAN EDUARDO MACIAS CEPEDA
PÉREZ LAVERDE ÁNGELA JULIETH
Proyecto presentado al Ingeniero Camilo Lesmes Fabián en el Área en el
Área de Tratamiento de Aguas.
UNIVERSIDAD SANTO TOMAS
INGENIERÍA CIVIL
TRATAMIENTO DE AGUAS
TUNJA
2015
TABLA DE CONTENIDO
1 INTRODUCCIÓN.....................................................................................................................5
2 OBJETIVOS.............................................................................................................................6
2.1 GENERAL.........................................................................................................................6
2.2 ESPECIFICOS.................................................................................................................6
3 CARACTERIZACIÓN DEL SISTEMA...................................................................................7
3.1 LOCALIZACIÓN........................................................................................................................7
3.2 FUENTE DE ABASTECIMIENTO.......................................................................................8
3.3 CAPTACIÓN..........................................................................................................................8
3.4 CONTAMINANTES.......................................................................................................10
4 CARACTERIZACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA........................................................11
4.1 IRCA................................................................................................................................14
4.1.1 Cálculo del IRCA..........................................................................................................16
5 PROPUESTA DE TRATAMIENTO.....................................................................................17
6 DISEÑO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO..................................................................18
6.1 CALCULOS..........................................................................................................................18
6.1.1 Pre-Sedimentador........................................................................................................18
6.1.2 Tanque Sedimentador.................................................................................................19
6.1.3 Sistema de retro lavado..............................................................................................20
6.1.4 Sumergencia................................................................................................................21
6.1.5 Altura dinámica de elevación.....................................................................................22
6.1.6 Cavitación.....................................................................................................................24
8 CONCLUSIONES......................................................................................................................28
9 BIBLIOGRAFÍA...........................................................................................................................28
10 INFOGRAFÍA............................................................................................................................28
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Esquema de suministro de agua potable...................................................8Figura 2. Procesos básicos para un tratamiento convencional..............................15
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Caracterización del agua río Cataca........................................................11Tabla 2. Puntaje de riesgo para cálculo del IRCA..................................................13
1 INTRODUCCIÓN
El agua, juega un papel fundamental en el consumo y la elaboración de una gran
variedad de productos, no sólo forma parte en un alto porcentaje de nuestro
organismo, sino también se manifiesta en muchas de las tantas actividades que
realizamos a diario. De ahí la importancia de contar con una buena calidad del
recurso y una adecuada continuidad del servicio de suministro.
Hoy en día, se hace cada vez más difícil el contar con el recurso en un estado
adecuado para el consumo humano, lo que se deriva en altos costos de inversión
para las alcaldías de los distintos municipios, quienes asumen proyectos
pretendiendo mejorar la calidad del recurso hídrico. Sin embargo, la calidad del
agua y la cobertura del servicio en el área rural, no son los únicos problemas de
una red de agua potable, pues también se generan factores adversos como las
enfermedades ocasionadas por el no tratamiento de las aguas desde su fuente de
abastecimiento antes de ser distribuida a la población.
2 OBJETIVOS
2.1 GENERAL
Diseñar un sistema de tratamiento que garantice el cumplimiento de los
parámetros de calidad del agua de la fuente de abastecimiento de la vereda Firaya
ubicada en el municipio de Siachoque, Boyacá
2.2 ESPECIFICOS
Realizar un análisis de las características físicas, químicas y
microbiológicas del agua extraída del Rio Cataca, vereda Firaya Municipio
Siachoque, Boyacá.
Determinar los parámetros que se encuentran en incumplimiento de los
valores máximos admisibles establecidos en la Resolución 2115 de 2007 de
ministerio de la protección social, ministerio de ambiente, vivienda y
desarrollo territorial.
Establecer el tipo de tratamiento requerido para el control de los parámetros
que se encuentran fuera de los rangos admisibles.
Generar un diseño que contenga los tratamientos establecidos y se ajusten
a los recursos de una población rural. En este caso los habitantes de la
vereda Firaya Municipio Siachoque, Boyacá.
3 CARACTERIZACIÓN DEL SISTEMA
3.1 LOCALIZACIÓN
Figura 1 Localización
Fuente: Google Earth
1La vereda Firaya, se encuentra localizada en el municipio de Siachoque en el
departamento de Boyacá, dista a 5 Km del centro del municipio y está cerca a la
vía que conduce a Iguaza.
3.2 FUENTE DE ABASTECIMIENTO
2La vereda Firaya se abastece del agua extraída del Rio Cataca, que posee un
caudal de 20,0 l/s en época de verano y de 80,0 l/s en época de invierno.
3.3 CAPTACIÓN
La captación en el Rio Cataca se realiza a través de una Galería de Infiltración, en
donde por medio de una tubería perforada y filtros en piedra, se conduce el agua a
una caja colectora.
En el colector se capta un caudal de 0,076 l/s .Adicional a ello, se encuentran
ubicados varios filtros en piedra, los cuales ayudan a aumentar el caudal, debido a
que están distribuidos por todo el lote. A continuación se presenta un esquema y
descripción del funcionamiento de dicha captación:
1 ALCALDÍA MUNICIPAL, Siachoque. Esquema de Ordenamiento Territorial. Siachoque 2001-2010.
2 ALCALDÍA MUNICIPAL, Siachoque. Esquema de Ordenamiento Territorial. Componente Urbano. Siachoque 2001-2010.
Figura 2 Esquema de suministro de agua potable
Fuente: Informe Servicios públicos
1. Los puntos A, B y C se encuentran conectados a una caja con dos
compartimentos en el punto D.
2. 3En el punto (A) encontramos un pozo tipo alcantarillado construido con ladrillo
y sin revestimientos, que cuenta con dos entradas en tubería de Gres de 8”
(1,2), las cuales reciben el agua del nacimiento pasando por un lecho de grava.
3. La salida del pozo es una tubería de 4” en Gres conectada a una caja de
inspección de 30 x 30 cm en el punto (B), que comunica con la caja principal
(D) mediante una tubería de 3” en PVC.
4. A la caja del punto (C), llega un lecho de grava mediante una tubería de 4” en
Gres y sale una tubería de PVC con el mismo diámetro a la caja principal.
5. La caja principal posee dos compartimentos, uno de ellos encargado de recibir
los aportes del pozo (A) y las cajas de los puntos (B) y (C), con una tubería de
salida perforada de 4”, que regula el caudal hacia el tanque de
almacenamiento; y un segundo compartimiento, encargado de recibir los
excesos del primero, mediante una tubería de 2”.
3.4 CONTAMINANTES
El agua captada de la fuente de abastecimiento se ve afectada por la degradación
de las cuencas, el arrastre de sedimentos por erosión natural y las altas
concentraciones de fosfatos, debido a cultivos en la zona, y a los extremos
microbiológicos y de turbiedad ocurridos en invierno. Alterando parámetros como:
color aparente, Turbiedad y hierro total.
3 ALCALDÍA MUNICIPAL, Siachoque. Informe de la Captación del Sistema de Acueducto. Siachoque 2012.
4 CARACTERIZACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA
Con el fin de revisar los parámetros de calidad de agua del Río Cataca y verificar
su respectiva correspondencia con el decreto 1575 de 2007 y la resolución 2115
del mismo año. Se realizó en el afluente la toma de una muestra del recurso
hídrico y se llevó a cabo el análisis fisicoquímico y microbiológico de la misma. A
continuación se presenta una tabla con los resultados que arrojó dicho análisis. En
ellos se evidencia una alta concentración de turbidez debido al arrastre de tierra y
capa vegetal aguas arriba de la captación, además de un valor de hierro total y
color aparente fuera del límite admisible. Los demás resultados son en general
bastante buenos y se encuentran dentro del rango de los valores permitidos.
Tabla 1. Caracterización del agua río Cataca
Parámetro Unidades Método analítico Resultado Dcto 1575/2007 Res
2115/2007
pH Unidades ELECTROMÉTRICO 6,64 6,5-9,0
ALCALINIDAD TOTAL mg/L VOLUMÉTRICO 10 200
ALUMINIO mg/L FOTOMÉTRICO 0,01 0,2
CALCIO mg/L Ca VOLUMÉTRICO EDTA 1,6 60
CLORUROS mg/L FOTOMÉTRICO 0,6 250
COLOR APARENTE UPC FOTOMÉTRICO 24 15
CONDUCTIVIDAD μS/cm ELECTROMÉTRICO 11 1000
DUREZA TOTAL mg/L VOLUMÉTRICO EDTA 6 300
FOSFATOS mg/L FOTOMÉTRICO 0,01 0,5
HIERRO TOTAL mg/L Fe FOTOMÉTRICO 0,3 0,3
MAGNESIO mg/L Mg CÁLCULO 0,49 36
NITRATOS mg/L FOTOMÉTRICO 0 10
NITRITOS mg/L FOTOMÉTRICO 0,029 0,1
SULFATOS mg/L FOTOMÉTRICO 2 250
TURBIEDAD UNT FOTOMÉTRICO 44 ≤5
COLIFORMES TOTALES UFC/100 mL FILTRACIÓN POR MEMBRANA 20 0 UFC/100 mL
ESCHERICHIA COLI UFC/100 mL FILTRACIÓN POR MEMBRANA 0 0 UFC/100 mL
CARACTERIZACIÓN DE AGUA RÍO CATACA
��ଷାܣ
�ܥ �ܥ ଷ
��ାܣ
�ܥ �ܥ ଷ
ܥ ସଷା�
ܥ ଷ
ܥ ଶ
ܥ ସଶା�
Fuente: Reporte de resultados caracterización del agua Serviquímicos E.U
4.1 IRCA
Con base a los resultados obtenidos, se determina el grado de riesgo de
ocurrencia de enfermedades relacionadas con el no cumplimiento de las
características físicas, químicas y microbiológicas del agua para consumo
humano, o IRCA, asignando así a cada uno de los parámetros analizados un
puntaje de riesgo en correspondencia con los lineamientos contenidos en el
Artículo 13 de la Resolución 2115 de 2007 del ministerio de la protección social,
ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial, así:
Tabla 2. Puntaje de riesgo para cálculo del IRCA
Parámetro Unidades Método analítico Resultado Dcto 1575/2007 Res
2115/2007Puntaje de
riesgoRiesgo por parámetro
pH Unidades ELECTROMÉTRICO 6,64 6,5-9,0 0 1,5
ALCALINIDAD TOTAL mg/L VOLUMÉTRICO 10 200 0 1
ALUMINIO mg/L FOTOMÉTRICO 0,01 0,2 0 3
CALCIO mg/L Ca VOLUMÉTRICO EDTA 1,6 60 0 1
CLORUROS mg/L FOTOMÉTRICO 0,6 250 0 1
COLOR APARENTE UPC FOTOMÉTRICO 24 15 6 6
CONDUCTIVIDAD μS/cm ELECTROMÉTRICO 11 1000 0 0
DUREZA TOTAL mg/L VOLUMÉTRICO EDTA 6 300 0 1
FOSFATOS mg/L FOTOMÉTRICO 0,01 0,5 0 1
HIERRO TOTAL mg/L Fe FOTOMÉTRICO 0,3 0,3 0 1,5
MAGNESIO mg/L Mg CÁLCULO 0,49 36 0 1
NITRATOS mg/L FOTOMÉTRICO 0 10 0 1
NITRITOS mg/L FOTOMÉTRICO 0,029 0,1 0 3
SULFATOS mg/L FOTOMÉTRICO 2 250 0 1
TURBIEDAD UNT FOTOMÉTRICO 44 ≤5 15 15
COLIFORMES TOTALES UFC/100 mL FILTRACIÓN POR MEMBRANA 20 0 UFC/100 mL 15 15
ESCHERICHIA COLI UFC/100 mL FILTRACIÓN POR MEMBRANA 0 0 UFC/100 mL 0 25
SUMATORIA 36 78
CARACTERIZACIÓN DE AGUA RÍO CATACA
��ଷାܣ
�ܥ �ܥ ଷ
��ାܣ
�ܥ �ܥ ଷ
ܥ ସଷା�
ܥ ଷ
ܥ ଶ
ܥ ସଶା�
��ଷାܣ
�ܥ �ܥ ଷ
��ାܣ
�ܥ �ܥ ଷ
ܥ ସଷା�
ܥ ଷ
ܥ ଶ
ܥ ସଶା�
Fuente: Autores
La columna “Riesgo por parámetro”, corresponde a valores especificados en el
artículo 13 de la resolución mencionada para cada uno de los parámetros
analizados.
4.1.1 Cálculo del IRCA
Para el cálculo del Índice de Riesgo de la Calidad del Agua para consumo
humano, se aplica la fórmula contenida en el Artículo 14 de la Resolución 2115 de
2007, donde:
IRCA (% )= ∑ Puntaje deriesgoasignado a las característicasnoaceptables
∑ Puntajesderiesgoasignados atodas las característicasanalizadas∗100
Reemplazando, se obtendría un IRCA del 28,85%:
IRCA (% )=22,578
∗100
IRCA=28,85%
Con base en el cual se revisa el Cuadro N° 7 del Artículo 15 de la resolución, ello
con el fin de clasificar el nivel de riesgo con que cuenta el recurso hídrico con el
que actualmente se abastece la población de la vereda Firaya del municipio de
Siachoque, Boyacá.
Dicho cuadro, permitió designar un nivel de riesgo “Medio” , debido a que el IRCA
calculado se encuentra en el rango de 14,1 a 35%, lo que corresponde a un agua
“No apta para el consumo humano” , pero no inviable sanitariamente, razón por la
cual se procede a analizar las posibilidades de tratamiento para este recurso
hídrico.
5 PROPUESTA DE TRATAMIENTO
De acuerdo a la caracterización obtenida, se puede establecer que los procesos
que deben llevarse a cabo para el tratamiento del recurso hídrico son de tipo
FIME. A continuación se presenta un esquema de los tratamientos que se
desarrollaran para la potabilización del agua obtenida del Rio cataca del Municipio
de Siachoque, Boyacá.
Figura 3. Esquema tratamiento seleccionado.
Fuente: Autores
Los componentes que se tendrán en cuenta para conseguir la potabilización del
agua para la finca la Rosita se representan en el siguiente esquema.
Figura 4. Componentes del sistema de tratamiento
Fuente: Autores
6 DISEÑO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO
6.1 CALCULOS
6.1.1 Pre-Sedimentador
Los parámetros para el diseño del Pre-Sedimentador fueron:
Caudal de 23 ml/s.
Temperatura del agua 13 °C para la cual la viscosidad dinámica 0,01202
g/cm*s.
Tamaño de las partículas a remover 0.01 mm correspondiente a un fango
medio.
Gravedad específica del material.
6.1.2 Tanque Sedimentador
El sedimentador fue adaptado en un tanque plástico para continuar utilizando este
tipo de material en el sistema garantizando facilidad para el transporte y la
instalación
Velocidad de sedimentación
vs= g18
(ρs−ρH 2O)μ
d2
Área superficial
As= QVs
Diámetro del tanque
D=√ 4 Aπ Área superficial tanque
As= π D 2
4
Velocidad del agua
Vs= QAs
Tamaño de partículas a remover
d=√ 18 μVsg(ρs−ρH 2O)
Tiempo de retención
Trh= HVs
6.1.3 Sistema de retro lavado
El sistema de lavado para los filtros está integrado por el sistema de bombeo por
medio de la cual se conduce el agua hasta el tanque elevado y la red instalada en
cada tanque para conducir el agua a través del lecho filtrante, a continuación se
describe el diseño de estos dos componentes.
Sistema de bombeo
El diseño se realiza utilizando la metodología propuesta en el libro Elementos para
el diseño para acueductos y alcantarillados de López Cualla. Los parámetros para
el diseño del Sistema de Bombeo:
Caudal de 1 l/s.
Temperatura del agua 15°C con una viscosidad cinemática de 0.01146
cm2/s.
Coeficiente de Hazen para tubería PVC 150.
Altura sobre el nivel del mar 1350 m.
Calculo de diámetros
1. Tubería de impulsión
Diámetro
D=1.3∗14
√Q
Velocidad de la tubería
Vi=QA
2. Tubería de Succión
Se utiliza el diámetro comercial siguiente, en este caso 1¼”.
Velocidad de la tubería
Vs=QA
6.1.4 Sumergencia 𝑆=2.5×𝐷s+1.0
6.1.5 Altura dinámica de elevación
Perdidas en la succión
Para la instalación de la succión se utilizan una válvula globo, una entrada de
borda, un codo de 90º radio corto, y 1.5 metros de longitud de tubería recta de
diámetro de una pulgada. La pérdida total de los accesorios es de 9.7 m, luego la
longitud equivalente total es igual a 9.7 m + 1.5 m = 11.3 m.
Perdidas unitarias de la succión
J=[ Q278.5∗C∗D2.63 ]
10.54
Perdidas en la succión
Js=J∗longitud equivalente total
Perdidas en la impulsión
Para la instalación de la impulsión se utilizan una válvula globo, una te de paso
lateral, dos codos de 90º radio corto, y 24 metros de longitud de tubería recta de
diámetro de una pulgada. La pérdida total de los accesorios es de 15.8 m,
entonces la longitud equivalente total es igual a 11.5 m + 24 m = 35.5 m.
Perdidas unitarias de la impulsión
J=[ Q0.2785∗C∗D2.63 ]
10.54
Perdidas en la impulsión
Ji=J∗longitud equivalente total
Altura de la velocidad de descarga
Vd=V i2
2g
Cotas del sistema
Tabla 3 Cotas del sistema
Cota de fondo del tanque de succión 100,0 mCota de llegada de impulsión 106,5 m
Cota de la moto bomba 101,0 mCota de entrada de la succión 100,25 m
Altura de la Impulsión (Hi) 6,5 mAltura de la Succión (Hs) 0,95 m
COTAS DEL SISTEMA
Fuente: Autores
Altura dinámica total
Hdt=Hi+Hs+Vd+Js+Ji
Cálculo de la potencia
Potencia inicial
Para estas condiciones el peso específico es 9.798 KN/m3, según la temperatura
15º, y se estima una eficiencia (e) del 65%.
Pb= γ∗Q∗Hdte
Potencia del motor requerido
Pm=Pb∗K
Potencia en caballos de fuerza HP
El factor de conversión (fc) para caballos de fuerzas es de 1.341 HP
Pf=Pm∗fc
6.1.6 Cavitación
Altura barométrica
A nivel del mar, la altura máxima de succión es de 760 mm Hg, equivalente a
10.33 m de agua. Este valor debe corregirse teniendo en cuentea la elevación en
msnm, a razón de 1.2 m x 1000 m de nivel, por lo tanto:
Hlb=10.33−1.2∗alturamsnm1000
Altura estática total (Het)
Para una temperatura de 15º C, la presión de vapor es de 0.18 m, la altura total
del tanque con capacidad de 1500 litros es de 2 m, se va a dejar un borde libre de
0.20 m en el tanque. La altura estática de succión máxima (He max) es la
diferencia de la altura total del tanque con el borde libre estimado. He max = 1.8
m. La altura estática de succión mínima (He min) es la sumatoria de los valores
calculados de Sumergencia, la distancia de las paredes laterales o el fondo del
pozo a la coladera. He min = 0.95 m.
Het=Hemax−Hemin
Altura de velocidad
Hv=Vs2
2g
Cabeza neta de succión
CNPSd=[Altura ¯−(Alturaestática+Perd , fricción+ v2
2 g )Succión ]−Pvapor
6.1.7 Unidades de filtración
Lechos filtrantes
Tabla 4 Características de los lechos filtrantes
D10 D30 D60
Gravilla No. 1 (1-2) 1.22 2.15 3.27 2.69 1.17Gravilla No. 2 (2-5) 2.23 3.02 4.20 1.88 0.97Gravilla No. 3 (5-10) 5.03 6.03 7.52 1.50 0.96Gravilla T1 (1-3) 1.12 1.74 2.96 2.65 0.91Gravilla T2 (3-5) 2.25 2.80 3.64 1.62 0.96Gravilla T3 (5 - 10) 2.67 4.25 6.52 2.44 1.04Arena de río (0.3 - 1.0) 0.17 0.38 0.63 3.75 1.33Arena sílice - 0.12 0.21 0.36 3.05 1.09
Diámetro efectivo Coeficiente de Uniformidad
Coeficiente de
Curvatura
Tamaño (mm)
Material
Fuente: Autores
Filtro Grueso Ascendente FGA
Área superficial
As= QVs
∗36
Diámetro del tanque
D=√ 4 Aπ Velocidad de filtración
Vf=144Qπ D2
Filtro Grueso Dinámico FGDi
Diámetro del tanque
D=√ 144QπVf
Velocidad de filtración
Vf=144Qπ D2
Filtro Lento de Arena
Diámetro del tanque
D=√ 144QπVf
Velocidad de filtración
Vf=144Qπ D2
6.1.8 Control de caudal en los filtros
A la salida del filtro se instalara un vertedero de orificio para verificar el caudal y
controlar el paso del agua a la siguiente unidad.
Área del orificio
Ao= Q
Cd√2gH
Diámetro del orificio
Do=√ 4 Aoπ6.2 RESULTADO MEMORIAS DE CALCULO
7 RESULTADOS ESPERADOS
Según las características del sistema, la calidad del agua y el tipo de tratamientos
a implementar, realice una estimación de los resultados esperados en la calidad
final del agua.
8 CONCLUSIONES
9 BIBLIOGRAFÍA
10 INFOGRAFÍA