DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO

February 28, 2018 | Author: Paul Carlos Seguil Huaman | Category: Wastewater, Oxygen, Water, Foods, Waste

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Descripción: PTAR...

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ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA DE CIENCIAS QUÍMICAS

“DISEÑO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO PARA AGUAS RESIDUALES DE LA CIUDAD DE CAÑAR”

Tesis de Grado Previo a la obtención del título de: INGENIERA EN BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL

MARTHA CECILIA TENESACA GUAMÁN

Riobamba – Ecuador 2011

AGRADECIMIENTO En primera instancia agradezco a Dios por ser el dador de la vida, y por

llenar mi

alma y mi

corazón de paz, amor y sabiduría para vencer todos los obstáculos. A toda mi familia, que creyeron en mí y que con empeño me ayudaron a culminar una etapa más en mi vida, un agradecimiento infinito a mi madre Anita Guamán, a mi padre Luis Tenesaca, y a mis hermanos. Al Ilustre Municipio del Cantón Cañar y al Departamento de Alcantarillado y Agua Potable por su acogida y aporte importante, para llevar a cabo esta investigación. A mi director de tesis Dr. Gerardo León y a mi colaborador Ing. Hanníbal Brito, quienes con su don de gente me han proporcionado su apoyo y sus valiosos conocimientos para la exitosa culminación de esta tesis. A todos mis profesores y amigos quienes me han enseñado algo nuevo cada día a lo largo de mi carrera universitaria.

DEDICATORIA El presente trabajo va dedicado de manear muy especial a mis padres Luis Tenesaca y Ana Guamán quienes con gran esfuerzo, paciencia y amor me han brindado su apoya moral, espiritual y económico de manera infinita e incondicional; a mis hermanos Ana, Ramiro y Miriam, por acompañarme en toda mi vida; y a Santiago Leonel por ser mi alegría y un ejemplo de valentía. A todos ustedes mi gratitud infinita por ser parte de este logro.

“Yo, Martha Cecilia Tenesaca Guamán, soy responsable de las ideas, doctrinas y resultados expuestos en ésta Tesis, y el patrimonio intelectual de la Tesis de Grado pertenecen a la

Escuela

Superior

Politécnica

de

Chimborazo.”

MARTHA CECILIA TENESACA GUAMÁN

NOMBRE

Dra. Yolanda Díaz DECANA FAC. CIENCIAS

Dr. José Vanegas C. DIRECTOR DE ESCUELA

Dr. Gerardo León DIRECTOR DE TESIS

Ing. Hannibal Brito MIEMBRO DEL TRIBUNAL

Ing. Paola Chiluiza MIEMBRO DEL TRIBUNAL

Sr. Carlos Rodríguez DIRECTOR DEL CENTRO DE DOCUMENTACIÓN

NOTA DE LA TESIS

FIRMA

FECHA

ÍNDICE DE ABREVIATURAS A

Área

Al

Área libre

Als

Área de lecho de secado

As

Área del sedimentador

AS

Área superficial

At

Área total

B

Ancho del sedimentador

b

Ancho del canal

bg

Suma de las separaciones entre barras

BL

Borde libre

C

Carga de sólidos

°C

Grados centígrados

CD

Coeficiente de arrastre

CEPIS

Centro Panamericana de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente

Cs

Carga superficial

D

Dotación

d

Diámetro de la partícula

d

Factor de dispersión

ρ

Densidad del agua

DBO

Demanda bioquímica de oxigeno

ρlodo

Densidad de los lodos

DQO

Demanda química de oxigeno

ρs

Densidad de la arena

e

Separación entre barras

ETAPA

Empresa Pública Municipal de Telecomunicaciones, Agua Potable,

Alcantarillado y Saneamiento F

Factor de mayoración

fcr

Factor de capacidad relativa

Fp

Factor punta

g

Aceleración de la gravedad

H

Profundidad del desarenador

h

Tirante del agua en el canal

Ha

Profundidad de aplicación

hf

Pérdida de carga

L

Largo

Lo

DBO5 del afluente

Lp

DBO5 del efluente

m/s

Metros por segundo

m2

Metros cuadrados

m³/s

Metros cúbicos por segundo

mg/L

Milígramo por litro

Msd

Masa de sólidos

mm

Milímetros

n

Coeficiente de rugosidad de Manning

η

Viscosidad cinemática del agua

N

Período de limpieza

NMP

Número más probable

NRe

Número de Reynolds

α

Ángulo de la reja con respecto a la horizontal

OD

Oxígeno disuelto

ONG’s

Organizaciones no gubernamentales

OPS

Organización Panamericana de Salud

P

Población

%

Porcentaje

pH

Potencial de Hidrógeno

PR

Período de retención

Q

Caudal

Qmax

Caudal máximo

Qmin

Caudal mínimo

R

Radio hidráulico

RAS

Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico

S

Pendiente

s

Espesor de las barras

SS

Sólidos suspendidos

T

Temperatura

Td

Tiempo de digestión

TULAS

Texto Unificado de Legislación Ambiental Secundario

v

Velocidad

V

Volumen

va

Velocidad de arrastre

vh

Velocidad horizontal

vR

Velocidad a través de las rejillas

W

Ancho de la laguna

Z

Profundidad de la laguna

Zp

Talud

SISTEMA DE UNIDADES Parámetro

Símbolo

Unidad

Área

A

m2

Ancho

a

m

Aceleración de la gravedad

g

m/s2

Ángulo de la reja con respecto a la horizontal

α

º

Caudal

Q

L/s ó m3/día

Carga orgánica

C

gDBO/día

Dotación

D

L/hab*día

Diámetro

θ

m

Densidad

ρ

g/cm3

Espesor de barras

e

m

Pendiente

S

%

PR

días

Profundidad

h

m

Radio hidráulico

R

m

Velocidad

v

m/s

Viscosidad cinemática

η

m2/s

Volumen

V

m3

Temperatura

T

ºC

Tiempo de digestión

Td

días

e

m

Período de retención

Separación entre barras

TABLA DE CONTENIDO - Pp CAPÍTULO I .......................................................................................................................... - 29 1

MARCO TEÓRICO ................................................................................................ - 29 -

1.1

AGUAS RESIDUALES ..........................................................................................- 29 -

1.1.1

CONCEPTO DE AGUAS RESIDUALES. .............................................................- 29 -

1.1.2

CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES ......................................- 30 -

1.1.2.1

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS ............................................................................. - 31 -

1.1.2.2

CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS. ....................................................................... - 32 -

1.1.2.3

CARACTERÍSTICAS BIOLÓGICAS. ................................................................... - 33 -

1.1.3

MEDICIÓN DE CAUDALES .................................................................................- 33 -

1.1.3.1

MÉTODOS VOLUMÉTRICOS.............................................................................. - 34 -

1.1.3.2

MÉTODO VELOCIDAD/SUPERFICIE ................................................................ - 34 -

1.1.3.3

FÓRMULAS EMPÍRICAS PARA CALCULAR LA VELOCIDAD .................... - 34 -

1.1.3.4

VERTEDEROS DE AFORO .................................................................................. - 35 -

1.1.4

CAUDALES DE LAS AGUAS RESDIUALES .....................................................- 36 -

1.1.4.1

CAUDAL DIARIO DE AGUA RESIDUAL .......................................................... - 37 -

1.1.4.2

CAUDAL SANITARIO MEDIOM QSM ................................................................. - 38 -

1.1.4.3

CAUDAL MÁXIMO QMAX ..................................................................................... - 38 -

1.1.4.4

FACTOR DE MAYORACIÓN............................................................................... - 39 -

1.1.4.5

CAUDAL DE INFILTRACIÓN QINF ..................................................................... - 39 -

1.1.4.6

CAUDAL DE CONEXIONES ERRADAS QCE ..................................................... - 40 -

1.1.4.7

FACTOR DE PUNTA Fp........................................................................................ - 40 -

1.1.4.8

CAUDAL DURANTE PERÍODOS DE LLUVIA .................................................. - 41 -

1.1.5

MUESTREO DE AGUAS RESIDUALES .............................................................- 41 -

1.1.5.1

CLASIFICACIÓN DE LAS MUESTRAS.............................................................. - 42 -

1.1.5.2

PRESERVACIÓN DE MUESTRAS ...................................................................... - 43 -

1.1.5.3

VOLÚMEN DE AGUA RESIDUAL PARA ANÁLISIS ....................................... - 43 -

1.1.6

LOCALIZACIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO.......................................................- 43 -

- Pp 1.1.6.1

LOCALIZACIÓN GEOGRÁFICA ......................................................................... - 43 -

1.1.6.2

DESCRIPCIÓN GENERAL DEL ÁREA DE ESTUDIO ...................................... - 45 -

1.1.6.3

ZONIFICACIÓN DE LA CIUDAD DE CAÑAR .................................................. - 45 -

1.1.6.4

COORDENADAS ................................................................................................... - 46 -

1.1.6.5

CLIMA. ................................................................................................................... - 46 -

1.1.6.6

RIESGOS NATURALES ........................................................................................ - 47 -

1.2

TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES ....................................................- 48 -

1.2.1

PRETRATAMIENTOS ...........................................................................................- 48 -

1.2.2

TRATAMIENTOS PRIMARIOS............................................................................- 48 -

1.2.3

TRATAMIENTOS SECUNDARIOS. ....................................................................- 49 -

1.2.4

TRATAMIENTOS TERCIARIOS. .........................................................................- 49 -

1.2.5

TRATAMIENTOS DE LODOS. .............................................................................- 50 -

1.3

SISTEMA DE TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES ...........................- 51 -

1.3.1

PARÁMETROS DE DISEÑO PARA UN SISTEMA DE TRATAMIENTO ........- 52 -

1.3.1.1

PERÍODO DE DISEÑO .......................................................................................... - 52 -

1.3.1.2

POBLACIÓN DE DISEÑO .................................................................................... - 53 -

1.3.2

ESTRUCUTURAS COMPLEMENTARIAS ..........................................................- 53 -

1.3.2.1

CANAL DE LLEGADA ......................................................................................... - 53 -

1.3.2.2

ALIVIADEROS DE CRECIDA ............................................................................. - 54 -

1.3.2.3

AFORADOR PARSHALL...................................................................................... - 55 -

1.3.3

REJILLAS ...............................................................................................................- 56 -

1.3.3.1

CRITERIOS DE DISEÑO....................................................................................... - 57 -

1.3.3.2

DIMENSIONAMIENTO DE REJILLAS ............................................................... - 57 -

1.3.4

DESARENADOR....................................................................................................- 59 -

1.3.4.1

COMPONENTES.................................................................................................... - 59 -

1.3.4.2

CRITERIOS DE DISEÑO....................................................................................... - 60 -

1.3.4.3

DIMENSIONAMIENTO DE UN DESARENADOR RECTANGULAR DE FLUJO

HORIZONTAL .......................................................................................................................- 62 -

-Pp1.3.5

TANQUES IMHOFF ...............................................................................................- 65 -

1.3.5.1

COMPONENTES.................................................................................................... - 66 -

1.3.5.2

CRITERIOS DE DISEÑO....................................................................................... - 67 -

1.3.5.3

DIMENSIONAMIENTO DEL TANQUE IMHOFF .............................................. - 69 -

1.3.5.4

LECHOS DE SECADO .......................................................................................... - 71 -

1.3.6

LAGUNAS FACULTATIVAS ...............................................................................- 73 -

1.3.6.1

DIMENSIONAMIENTO DE UNA LAGUNA FACULTATIVA .......................... - 74 -

1.3.7

IMPACTO AMBIENTAL .......................................................................................- 78 -

1.3.7.1

CARACTERÍSTICAS DE LA METODOLOGÍA DE LEOPOLD ........................ - 82 -

1.3.8

MATRIZ PARA LA EVALUACIÓN GLOBAL DE IMPACTOS ........................- 84 -

1.4

NORMATIVA AMBIENTAL ................................................................................- 86 -

CAPÍTULO II ......................................................................................................................... - 89 2

MATERIALES Y MÉTODOS ................................................................................ - 89 -

2.1

MATERIALES ........................................................................................................- 89 -

2.1.1

MATERIALES Y EQUIPOS TOPOGRÁFICOS. ..................................................- 89 -

2.1.2

MATERIALES PARA LA MEDICIÓN DE CAUDALES.....................................- 89 -

2.2

MÉTODOS ..............................................................................................................- 90 -

2.2.1

MÉTODO PARA LA MEDICIÓN DE CAUDALES .............................................- 90 -

2.2.2

MÉTODO PARA EL MUESTREO DE AGUAS RESIDUALES ..........................- 90 -

2.2.3

MÉTODO PARA LA CARACTERIZACIÓN DE AGUAS RESIDUALES. ........- 91 -

2.2.4

MÉTODOS PARA EL DIMENSIONADO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTOS

DE AGUAS RESIDUALES. ..................................................................................................- 92 2.2.4.1

MÉTODO PARA LA PROYECCIÓN DEMOGRÁFICA ..................................... - 92 -

2.2.4.2

MÉTODO PARA DIMENSIONAR LAS ESTRUCTURAS DE LA PLANTA DE

TRATAMIETO....................................................................................................................... - 92 2.2.4.3

MÉTODO PARA LA ELABORACIÓN DE PLANOS. ......................................... - 92 -

2.2.5

METODOLOGÍA

PARA

LA

VALORACION

E

IDENTIFICACIÓN

DE

IMPACTOS AMBIENTALES ...............................................................................................- 92 2.2.5.1

MATRIZ DE LEOPOLD ........................................................................................ - 92 -

-Pp2.2.5.2

MATRIZ PARA LA EVALUACIÓN GLOBAL DE IMPACTOS . ¡Error! Marcador no definido.

CAPÍTULO III ........................................................................................................................ - 95 3.

DATOS, CÁLCULOS Y RESULTADOS .............................................................. - 95 -

3.1

DATOS ....................................................................................................................- 95 -

3.1.1

DATOS PARA LA MEDICIÓN DE CAUDALES.................................................- 95 -

3.1.1.1

UBICACIÓN DE LAS DESCARGAS EN EL SISTEMA DE ALCANTARILLADO 95 -

3.1.1.2

DATOS DE LAS TUBERIAS DE DESCARGA .................................................... - 96 -

3.1.2

DATOS PARA EL DIMENSIONADO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO. - 97 -

3.1.2.1

DATOS PARA LA PROYECCIÓN DEMOGRÁFICA ......................................... - 97 -

3.1.2.2

DATOS PARA EL CÁLCULO DEL CAUDAL DE DISEÑO .............................. - 97 -

3.1.2.3

DATOS PARA EL DIMENSIONADO DEL CANAL DE LLEGADA ................. - 97 -

3.1.2.4

DATOS PARA EL DIMENSIONADO DEL ALIVIADERO DE ENTRADA ...... - 97 -

3.1.2.5

DATOS PARA EL DIMENSIONADO DEL CANAL PARSHALL ..................... - 98 -

3.1.2.6

DATOS PARA EL DIMENSIONADO DEL REJILLAS ....................................... - 98 -

3.1.2.7

DATOS PARA EL DIMENSIONADO DEL DESARENADOR ........................... - 98 -

3.1.2.8

DATOS PARA EL DIMENSIONADO DEL TANQUE IMHOFF ........................ - 99 -

3.2

CÁLCULOS ..........................................................................................................- 101 -

3.2.1

CÁLCULO DE CAUDALES. ...............................................................................- 101 -

3.2.1.1

CÁLCULO DE CAUDALES EN LA DESCARGA 1 .......................................... - 101 -

3.2.1.2

CÁLCULO DE CAUDALES EN LA DESCARGA 2 .......................................... - 101 -

3.2.1.3

CÁLCULO DE CAUDALES EN LA DESCARGA 4, 5, 8, 9.............................. - 102 -

3.2.2

CÁLCULOS PARA EL DIMENSIONADO DE LAS ESTRUCTURAS DE LA

PLANTA DE TRATAMIENTO. ..........................................................................................- 103 3.2.2.1

CÁLCULO DE LA POBLACIÓN FUTURA ....................................................... - 103 -

3.2.2.2

CÁLCULO DEL CAUDAL DE DISEÑO ............................................................ - 103 -

3.2.2.3

CÁLCULO DE LA VELOCIDAD EN EL CANAL DE LLEGADA .................. - 105 -

3.2.2.4

CÁLCULOS PARA EL DIMENSIONADO DEL ALIVIADERO DE ENTRADA ..... 105 -Pp-

3.2.2.5

CÁLCULOS PARA EL DIMENSIONADO DEL CANAL PARSHALL ........... - 106 -

3.2.2.6

CÁLCULOS PARA EL DIMENSIONADO DE REJILLAS ............................... - 107 -

3.2.2.7

CÁLCULOS PARA EL DIMENSIONADO DEL DESARENADOR ................. - 108 -

3.2.2.8

CÁLCULOS PARA EL DIMENSIONADO DEL TANQUE IMHOFF .............. - 112 -

3.2.2.9

CÁLCULOS PARA EL DIMENSIONADO DE LAGUNAS FACULTATIVAS- 116 -

3.3

RESULTADOS .....................................................................................................- 122 -

3.3.1

RESULTADOS DE LA MEDICIÓN DE CAUDALES. ......................................- 122 -

3.3.1.1

RESULTADOS DE CAUDALES AFORADOS EN LA DESCARGA 1 ............ - 122 -

3.3.1.2

RESULTADOS DE CAUDALES AFORADOS EN LA DESCARGA 2 ............ - 123 -

3.3.1.3

RESULTADOS DE CAUDALES AFORADOS EN LA DESCARGA 4 ............ - 125 -

3.3.1.4

RESULTADOS DE CAUDALES AFORADOS EN LA DESCARGA 5 ............ - 126 -

3.3.1.5

RESULTADOS DE CAUDALES AFORADOS EN LA DESCARGA 8 ............ - 128 -

3.3.1.6

RESULTADOS DE CAUDALES AFORADOS EN LA DESCARGA 9 ............ - 129 -

3.3.1.7

RESULTADOS DEL CAUDAL TOTAL DE AGUA RESIDUAL ..................... - 131 -

3.3.2

RESULTADOS DE LA CARACTERIZACIÓN DEL AGUA RESIDUAL. .......- 133 -

3.3.3

RESULTADOS DEL DIMENSIONADO DE LAS ESTRUCTURAS DE LA

PLANTA DE TRATAMIENTO. ..........................................................................................- 135 3.3.3.1

RESULTADOS DE LA POBLACIÓN FUTURA ................................................ - 135 -

3.3.3.2

RESULTADOS DEL CAUDAL DE DISEÑO ..................................................... - 136 -

3.3.3.3

RESULTADOS DEL CANAL DE LLAGADA ................................................... - 136 -

3.3.3.4

RESULTADOS DEL ALIVIADERO DE ENTRADA......................................... - 136 -

3.3.3.5

RESULTADOS DE LAS DIMENSIONES DEL CANAL PARSHALL ............. - 136 -

3.3.3.6

RESULTADOS DE CÁLCULOS DE REJILLAS ................................................ - 138 -

3.3.3.7

RESULTADOS DE CÁLCULOS DE DESARENADORES ............................... - 138 -

3.3.3.8

RESULTADOS DE CÁLCULOS DE TANQUES IMHOFF ............................... - 139 -

3.3.3.9

RESULTADOS DE CÁLCULOS DE LAGUNAS FACULTATIVAS ............... - 140 -

3.3.3.10 CUMPLIMIENTO CON LA NORMATIVA AMBIENTAL ............................... - 141 -

3.3.3.11 RESULTADOS TOPOGRÁFICOS Y ELABORACIÓN DE PLANOS .............. - 141 -Pp3.3.3.11.1RESULTADOS TOPOGRÁFICOS...................................................................... - 141 3.3.3.11.2ELABORACIÓN DE PLANOS ........................................................................... - 142 3.3.4

VALORACIÓN E IDENTIFICACIÓN DE IMPACTOS .....................................- 144 -

3.3.4.1

MATRIZ DE IDENTIFICACIÓN DE IMPACTOS ............................................. - 144 -

3.3.4.2

MATRIZ DE LEOPOLD ...................................................................................... - 145 -

CAPÍTULO IV...................................................................................................................... - 149 4.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................... - 149 -

4.1

CONCLUSIONES .................................................................................................- 149 -

4.2

RECOMENDACIONES ........................................................................................- 151 -

RESUMEN ........................................................................................................................... - 152 SUMARY ............................................................................................................................. - 153 BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................. - 154 ANEXOS .............................................................................................................................. - 156 -

ÍNDICE DE TABLAS TABLA I

II III IV

Pp Biodegradabilidad del agua residual urbana según la relación DBO5/DQO……………………………………………………….....

33

Período de planeación de redes de recolección y evacuación de aguas residuales y lluvias……………………………………………

53

Geometría recomendada para desarenadores de diferente tipo……...

61

Relación entre diámetro de las partículas y velocidad de sedimentación……………………………………………………….

62

V

Dimensiones recomendadas de tanques imhoff……………………..

68

VI

Valores del factor de capacidad relativa…………………………….

70

VII

Valores de tiempos de digestión en función de la temperatura……..

70

VIII

Valoración de la magnitud e importancia de la matriz de Leopold…

82

IX

Evaluación de impactos de acuerdo a la metodología de Leopold….

83

X

Rangos para la clasificación ambiental……………………………...

83

XI

Valoración de tipos de impactos empleados para la valoración global de impactos…………………………………………………..

84

XII

Valores para la calificación global de impactos…………………….

85

XIII

Límites de descarga a un cuerpo de agua dulce…………………….

86

XIV

Métodos empleados para el análisis de los parámetros físicoquímicos y microbiológicos de aguas residuales……………………

91

XV

Ubicación de las descargas y Río al que se vierte…………………..

95

XVI

Características de las tuberías de descarga………………………….

96

XVII

Datos de población de la ciudad de Cañar…………………………..

97

XVIII

Datos básicos para el cálculo del caudal diseño…………………….

97

XIX

Datos básicos para el dimensionado del canal de llegada…………..

97

XX

Datos básicos para el dimensionado del aliviadero de entrada……...

TABLA

97 Pp

XXI

Datos para el dimensionado de rejillas…………………………...…

98

XXII

Datos de las características de la partícula a desarenar……………..

98

XXIII

Datos y dimensiones de un desarenador…………………………….

99

XXIV

Datos necesarios para el dimensionado de un tanque imhoff……….

99

XXV

Valores sobre la digestión de lodos…………………………………

99

XXVI

Criterios de diseño de lechos de secado……………………………..

100

XXVII

Datos necesarios para el dimensionado de una laguna facultativa….

100

XXVIII

Resultados de la medición de caudal D1 (descarga 1)………………

122

XXIX

Resultados de la medición de caudal promedio D2 (descarga 2)…...

124

XXX

Resultados de caudal promedio calculado en la D4 (Descarga 4)….

125

XXXI

Resultados de la medición de caudal en la D5 (Descarga 5).….…...

127

XXXII

Resultados de la medición de caudal en la D8 (Descarga 8)....…….

128

XXXIII

Resultados de la medición de caudales en la D9 (Descarga 9)……...

130

XXXIV

Resultados del caudal total generados por la ciudad de Cañar……...

131

XXXV

Comparación de caudal promedio de las descargas…………………

132

XXXVI

Caracterización del Agua Residual de las Descargas-Cañar………..

134

XXXVII

Resultados de los cálculos de caudal de diseño……………………..

136

XXXVIII

Resumen de datos del canal parshall………………………………..

137

XXXIX

Resultados de rejillas………………………………………………..

138

XL

Resultados de desarenadores………………………………………..

138

XLI

Resultados de datos del tanque imhoff……………………………...

139

XLII

Dimensiones de cada lecho de secado………………………………

140

XLIII

Resumen de datos de la laguna facultativa………………………….

140

XLIV

Comparación

141

de

la

remoción

de

DBO,

SS,

Coliformes

termotolerantes……………………………………………………… TABLA XLV

Pp Resumen de datos necesarios para elaborar los planos de la planta de tratamientos………………………………………………………

142

XLVI

Matriz de identificación de impactos………………………………..

144

XLVII

Matriz de Leopold (Causa-Efecto)………………………………….

145

XLVIII

Valores de afecciones y agregación de impactos por factor ambiental…………………………………………………………….

146

XLIX

Valores de afecciones y agregación de impactos por actividades…..

147

L

Resultados de caudal calculado en la D1. (Lunes)………………….

157

LI

Resultados de caudal calculado en la D1. (Martes)…………………

158

LII

Resultados de caudal calculado en la D1. (Miércoles)……………...

159

LIII

Resultados de caudal calculado en la D1. (Jueves)…………………

160

LIV

Resultados de caudal calculado en la D1. (Viernes)………………...

161

LV

Resultados de caudal calculado en la D1. (Sábado)………………

162

LVI

Resultados de caudal calculado en la D1. (Domingo)………………

163

LVII

Resultados de caudal calculado en la D2. (Lunes)………………….

164

LVIII

Resultados de caudal calculado en la D2. (Martes)…………………

165

LIX

Resultados de caudal calculado en la D2. (Miércoles)……………...

166

LX

Resultados de caudal calculado en la D2. (Jueves)…………………

167

LXI

Resultados de caudal calculado en la D2. (Viernes)………………..

168

LXII

Resultados de caudal calculado en la D2. (Sábado)………………...

169

LXIII

Resultados de caudal calculado en la D2. (Domingo)………………

170

LXIV

Resultados de caudal calculado en la D4. (Lunes)………………….

171

LXV

Resultados de caudal calculado en la D4. (Martes)…………………

172

LXVI

Resultados de caudal calculado en la D4. (Miércoles)..…………….

173

LXVII

Resultados de caudal calculado en la D4. (Jueves)…………………

TABLA

174 Pp

LXVIII

Resultados de caudal calculado en la D4. (Viernes)………………...

175

LXIX

Resultados de caudal calculado en la D4. (Sábado)………………...

176

LXX

Resultados de caudal calculado en la D4. (Domingo)………………

177

LXXI

Resultados de caudal calculado en la D5. (Lunes)………………….

178

LXXII

Resultados de caudal calculado en la D5. (Martes)…………………

179

LXXIII

Resultados de caudal calculado en la D5. (Miércoles)………..…….

180

LXXIV

Resultados de caudal calculado en la D5. (Jueves)…………………

181

LXXV

Resultados de caudal calculado en la D5. (Viernes)………………..

182

LXXVI

Resultados de caudal calculado en la D5. (Sábado)………………...

183

LXXVII

Resultados de caudal calculado en la D5. (Domingo)………………

184

LXXVIII

Resultados de caudal calculado en la D8. (Lunes)………..………...

185

LXXIX

Resultados de caudal calculado en la D8. (Martes)………..………..

186

LXXX

Resultados de caudal calculado en la D8. (Miércoles)…….………..

187

LXXXI

Resultados de caudal calculado en la D8. (Jueves)………………....

188

LXXXII

Resultados de caudal calculado en la D8. (Viernes)………………...

189

LXXXIII

Resultados de caudal calculado en la D8. (Sábado)...………………

190

LXXXIV

Resultados de caudal calculado en la D8. (Domingo)………………

191

LXXXV

Resultados de caudal calculado en la D9. (Lunes)………………….

192

LXXXVI

Resultados de caudal calculado en la D9. (Martes)…………………

193

LXXXVII

Resultados de caudal calculado en la D9. (Miércoles)…..….………

194

LXXXVIII Resultados de caudal calculado en la D9. (Jueves)…………………

195

LXXXIX

Resultados de caudal calculado en la D9. (Viernes)………………..

196

XC

Resultados de caudal calculado en la D9. (Sábado)……..…………

197

XCI

Resultados de caudal calculado en la D9. (Domingo)………………

198

XCII

Canal Parshall. Límites de Aplicación con escurrimiento libre…….

199

ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA

Pp

I

Vertedero con escotadura en V de 90°………………………………

36

II

Ubicación de la ciudad de Cañar en la Provincia de Cañar…………

44

III

Ubicación y límites de la Parroquia Cañar………………………….

44

IV

Plano de la ciudad de Cañar………………………………………...

46

V

Ecuador, zonas sísmicas para propósitos de diseño…………………

47

VI

Ciclo de las aguas residuales urbanas……………………………….

51

VII

Elementos constituyentes de las instalaciones para el tratamiento de aguas residuales urbanas……………………………………………

52

VIII

Partes del aforador parshall………………………………………….

56

IX

Componentes de un desarenador (Planta y Corte Longitudinal)……

60

X

Esquema de un tanque imhoff………………………………………

67

XI

Esquema representativo de una laguna facultativa…………………

76

XII

Diagrama de la planta de tratamiento de aguas residuales

ÍNDICE DE GRÁFICOS GRÁFICO

Pp

I

Resultados del caudal promedio vs. día de la D1………………….

123

II

Resultados del caudal promedio vs. día de la D2……………….….

124

III

Resultados del caudal promedio vs. día de la D4…………………..

126

IV

Resultados del caudal promedio vs. día de la D5…………………..

127

V

Resultados del caudal promedio vs. día de la D8…………….……

129

VI

Resultados del caudal promedio vs. día de la D9…………………..

130

VII

Resultados del caudal promedio vs. día generado por la ciudad de Cañar………………………………………………………………..

132

VIII

Resultados del caudal total promedio vs. Descarga...………………

133

IX

Resultados del caudal vs. Hora de la D1 (Lunes)…………………..

157

X

Resultados del caudal vs. Hora de la D1 (Martes)………………….

158

XI

Resultados del caudal vs. Hora de la D1 (Miércoles)………………

159

XII

Resultados del caudal vs. Hora de la D1 (Jueves)………………….

160

XIII

Resultados del caudal vs. Hora de la D1 (Viernes)………………...

161

XIV

Resultados del caudal vs. Hora de la D1 (Sábado)…………………

162

XV

Resultados del caudal vs. Hora de la D1 (Domingo)……………….

163

XVI

Resultados del caudal vs. Hora de la D2 (Lunes)…………………..

164

XVII

Resultados del caudal vs. Hora de la D2 (Martes)………………….

165

XVIII

Resultados del caudal vs. Hora de la D2 (Miércoles)………….......

166

XIX

Resultados del caudal vs. Hora de la D2 (Jueves)………………....

167

XX

Resultados del caudal vs. Hora de la D2 (Viernes)………………...

168

XXI

Resultados del caudal vs. Hora de la D2 (Sábado)…………………

169

XXII

Resultados del caudal vs. Hora de la D2 (Domingo)……………….

170

XXIII

Resultados del caudal vs. Hora de la D4 (Lunes)…………………..

171 Pp

GRÁFICO XXIV

Resultados del caudal vs. Hora de la D4 (Martes)………………….

172

XXV

Resultados del caudal vs. Hora de la D4 (Miércoles)………………

173

XXVI

Resultados del caudal vs. Hora de la D4 (Jueves)………………….

174

XXVII

Resultados del caudal vs. Hora de la D4 (Viernes)……..………….

175

XXVIII

Resultados del caudal vs. Hora de la D4 (Sábado)……….………..

176

XXIX

Resultados del caudal vs. Hora de la D4 (Domingo)…….…………

177

XXX

Resultados del caudal vs. Hora de la D5 (Lunes)……….………….

178

XXXI

Resultados del caudal vs. Hora de la D5 (Martes)……….…………

179

XXXII

Resultados del caudal vs. Hora de la D5 (Miércoles)….……..........

180

XXXIII

Resultados del caudal vs. Hora de la D5 (Jueves)………………….

181

XXXIV

Resultados del caudal vs. Hora de la D5 (Viernes)……….………..

182

XXXV

Resultados del caudal vs. Hora de la D5 (Sábado)…………..……..

183

XXXVI

Resultados del caudal vs. Hora de la D5 (Domingo)………..……...

184

XXXVII

Resultados del caudal vs. Hora de la D8 (Lunes)………….……….

185

XXXVIII

Resultados del caudal vs. Hora de la D8 (Martes)…………..……...

186

XXXIX

Resultados del caudal vs. Hora de la D8 (Miércoles)……..………..

187

XL

Resultados del caudal vs. Hora de la D8 (Jueves)………………….

188

XLI

Resultados del caudal vs. Hora de la D8 (Viernes)………..……….

189

XLII

Resultados del caudal vs. Hora de la D8 (Sábado)………..………..

190

XLIII

Resultados del caudal vs. Hora de la D8 (Domingo)…………........

191

XLIV

Resultados del caudal vs. Hora de la D9 (Lunes)………….……….

192

XLV

Resultados del caudal vs. Hora de la D9 (Martes)………………….

193

XLVI

Resultados del caudal vs. Hora de la D9 (Miércoles)…….………...

194

XLVII

Resultados del caudal vs. Hora de la D9 (Jueves)…….…………...

195

XLVIII

Resultados del caudal vs. Hora de la D9 (Viernes)………...………

GRÁFICO

196 Pp

XLIX

Resultados del caudal vs. Hora de la D9 (Sábado)……….………...

197

L

Resultados del caudal vs. Hora de la D9 (Domingo)……..………..

198

ÍNDICE DE ANEXOS ANEXO

Pp

A

Tablas de cálculos del caudal para los siete días en la Descarga 1..

157

A1

Tablas de cálculos del caudal para los siete días en la Descarga 2...

164

A2

Tablas de cálculos del caudal para los siete días en la Descarga 4...

171

A3

Tablas de cálculos del caudal para los siete días en la Descarga 5...

178

A4

Tablas de cálculos del caudal para los siete días en la Descarga 8...

185

A5

Tablas de cálculos del caudal para los siete días en la Descarga 9..

192

B

Canal Parshall. Límites de Aplicación con escurrimiento libre……

199

B1

Medidas estándar de los aforadores parshall……………………….

200

C

Fotografías de las descargas de la ciudad de Cañar……………….

201

D

D1

Plano topográfico de la ciudad de Cañar y del lugar designado para el Sistema de tratamiento de Aguas Residuales (Coyoctor)……….

204

Planos de las unidades del sistema de tratamiento de aguas residuales.………………………………………………………….

205

INTRODUCCIÓN El agua es uno de los recursos que constituye la base para el desarrollo de la vida y el adelanto de los pueblos. Sin embargo la descarga de aguas residuales domésticas e industriales en las corrientes y cuerpos superficiales de agua, sin previo tratamiento, conducen al deterioro de la calidad de dichas aguas hasta un grado tal que las pueda inutilizar como fuente de abastecimiento para la comunidad, además de alterar y perturbar el equilibrio ecológico del ecosistema y del medio en general. Este hecho es perjudicial para el ser humano afectando a su salud, ya que la falta del agua de riego y de tratamiento a las aguas negras obliga a los agricultores a regar sus cultivos con aguas residuales que contienen una serie de compuestos orgánicos e inorgánicos que alteran significativamente las aguas superficiales, las mismas que alteran la composición de los alimentos que son comercializados en el mercado y consumidos por la comunidad. Una herramienta básica para solucionar este problema es la adecuada gestión de los vertidos mediante el tratamiento de las aguas residuales. El tratamiento del agua residual implica la caracterización físico-química y microbiológica de la misma, la medición del caudal que genera una población de una determinada comunidad, así como la revisión y el análisis bibliográfico de información necesaria para el diseño de una planta de tratamiento para su posterior inversión y ejecución. Es así que, la ejecución de una planta de tratamiento puede disminuir la contaminación de las aguas residuales, se regula la situación sanitaria de los usuarios de estas aguas, se reduce la contaminación de los productos alimenticios que consume la población, se mejoraría el estado de salud de la población así como de sus actividades agropecuarias y por ende se obtendría un mejor desarrollo social, físico y económico de la población.

Por lo cual, en la actualidad es importante la construcción de plantas de tratamiento de aguas residuales en las industrias, para aguas domésticas y municipales, etc. por tal razón a nivel mundial existen diversos métodos para su tratamiento antes de ser vertidos a distintos cuerpos de agua. En Ecuador existen varios tratamientos que son financiados por el gobierno y por ONG’s, que preocupados por la disminución de agua pura y un incremento de su contaminación, buscan soluciones mediante el tratamiento de las aguas previo a la descarga al cuerpo receptor. La ciudad de Cañar cuenta con un sistema de alcantarillado combinado en la mayoría de su parte urbana, sin embargo el tratamiento de las aguas residuales se la realiza en una mínima parte de la ciudad; la población rural de la ciudad de Cañar también dispone de un sistema de alcantarillado en un alto porcentaje, no obstante cada comunidad está en la obligación de dar un tratamiento ya sea biológico y/o físico a sus descargas. La mayoría de las descargas de aguas residuales de la parte urbana de la ciudad de Cañar, se las realiza en el Río Pucuhuayco ubicado al este de la ciudad que cuenta con cinco descargas, y otra parte se vierte al Río Zhamzham con cuatro descargas que atraviesa la ciudad, provocando estas descargas una gran impacto visual y ambiental a las riveras a lo largo de estos ríos. El gobierno municipal de la ciudad de Cañar a través del Departamento de Alcantarillado y Agua Potable, consientes del gran impacto negativo que provoca a la ciudadanía, buscan solucionar este problema ambiental mediante la implementación de una planta de tratamiento de aguas residuales. En el año 2000 se realizó un estudio del sistema de alcantarillado y un diseño de una planta de tratamiento mediante lagunas de estabilización, la misma que no se construyó, actualmente se busca actualizar la información de hace once años y realizar un nuevo diseño de una planta de tratamiento. Para lo cual en el presente trabajo se realizó la medición de caudales en las descargas del sistema de alcantarillado y la caracterización del agua residual, en base a los resultados del caudal total y de los análisis del agua se seleccionó un adecuado sistema de tratamiento como son: rejillas, desarenadores, tanques imhoff y lagunas facultativas.

Con esta información básica se realizó el dimensionado y diseño de la planta de tratamiento para la ciudad de Cañar.

OBJETIVOS. GENERAL. •

Diseñar una Planta de Tratamiento de Aguas Residuales para la Ciudad de Cañar.

ESPECÍFICOS. •

Determinar el caudal de las aguas residuales en las descargas del sistema de alcantarillado de la Ciudad de Cañar.

•

Caracterizar los parámetros

físicos, químicos y microbiológicos de las aguas

residuales domésticas generados por la Ciudad de Cañar. •

Realizar el dimensionado a nivel de planos de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales para la Ciudad de Cañar.

CAPÍTULO I

- 29 CAPÍTULO I

1

MARCO TEÓRICO

1.1 1.1.1

AGUAS RESIDUALES CONCEPTO DE AGUAS RESIDUALES.

Las aguas residuales son un conjunto de aguas que son perturbadas durante su empleo en actividades domésticas, industriales y comunitarias realizadas por las personas, provenientes de residencias, edificios, instituciones, fábricas o industrias.

En tanto que, el término aguas servidas se refiere a aguas de desecho provenientes de lavamanos, tinas de baño, duchas, lavaplatos, y otros artefactos que no descargan materias fecales.

Es común clasificar a las aguas residuales en dos tipos: industriales y municipales.

a. Agua residual industrial.

Son las que proceden de cualquier taller o negocio en cuyo proceso de producción, transformación o manipulación se utilice el agua, incluyéndose los líquidos residuales, aguas de proceso y aguas de refrigeración.

En muchos casos las aguas residuales industriales requieren tratamiento antes de ser descargadas en el sistema de alcantarillado municipal; como las características de estas aguas residuales cambian de una a otra industria, los procesos de tratamiento son también muy variables. (1)

- 30 b. Agua residual municipal

Se origina principalmente en la vivienda y en el comercio, son las aguas residuales de centros urbanos.

Consisten básicamente en residuos humanos que llegan a las redes de alcantarillado por medio de descargas de instalaciones hidráulicas de la edificación también en residuos originados en establecimientos comerciales, públicos y similares.

El agua residual municipal fresca y aerobia tiene olor a queroseno y color gris. El agua residual con más tiempo de haber sido generada es séptica y pestífera; su olor característico es a sulfhídrico, similar al de los huevos podridos. El agua residual séptica es de color negro. (1)

1.1.2

CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES

El conocimiento de la naturaleza del agua residual es fundamental frente a un proyecto y explotación de las infraestructuras tanto de recogida como de tratamiento y evacuación de las aguas residuales, así como para la gestión de la calidad del medio ambiente. Las aguas residuales presentan características físicas químicas y biológicas especiales con respecto a las demás aguas que es necesario comprender para optimizar su manejo: recolección, transporte, tratamiento y disposición final y minimizar los efectos adversos de su vertimiento a aguas naturales o al suelo, obteniendo así un mejor manejo ambiental de los desechos y de la calidad del agua. (2) Las características físico-químicas y biológicas son importantes para establecer las cargas orgánicas y de sólidos que transportan, determinar los efectos del vertimiento a

- 31 cuerpos de agua y seleccionar las operaciones y procesos de tratamiento que resultaran más eficaces y económicos.

El gasto y la composición de las aguas residuales de un sistema de alcantarillado reflejan los diferentes usos del agua potable. Dicha composición puede cambiar ligeramente de acuerdo con la estación del año, pero incluso es posible observar fluctuaciones diarias. En general, los sistemas de localidades pequeñas con uso homogéneo del agua, experimentan mayores fluctuaciones en la composición de las aguas residuales. (2)

1.1.2.1 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Las principales características físicas de un agua residual son: la temperatura, la concentración y clases de sólidos, en tanto que el color, el olor y el sabor no son significativos. i. Temperatura.

Varía de un lugar a otro y durante las horas del día y épocas del año. El aumento de temperatura acelera la descomposición de la materia orgánica, aumenta el consumo de oxígeno para la oxidación y disminuye la solubilidad del oxígeno y otros gases. (2)

ii. Sólidos.

Se encuentran en suspensión, coloidales y disueltos. Los sólidos contenidos en aguas residuales se oxidan consumiendo el oxígeno disuelto en el agua, sedimentan al fondo de los cuerpos receptores donde modifican el hábitat natural y afectan la biota acuática. (2)

- 32 1.1.2.2 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS. A diferencia de las aguas naturales, las aguas residuales han recibido sales inorgánicas y materia orgánica de la preparación de alimentos y del metabolismo humano principalmente, y toda clase de materiales que se descartan por los desagües e imparten propiedades especiales a las aguas servidas; además es necesario incluir detergentes y desinfectantes. (2) a. Sales: Generalmente están en solución y contribuyen a aumentar la salinidad del agua. El aumento de sales disueltas durante cada uso del agua puede alcanzar a 300 350 mg/L. b. Trazas de elementos: Minerales como hierro, calcio, cobre, potasio, sodio, magnesio, manganeso, etc., son esenciales a la actividad microbiana. En ocasiones especialmente en desechos industriales, hay deficiencia de uno o más de estos elementos y la actividad microbiológica es inhibida. c. Oxígeno disuelto (OD): se disuelve desde la atmósfera y de la actividad fotosintética de algas. Hay muy poco oxígeno disuelto en el producto cloacal fresco y ninguno en aguas residuales sépticas. (2) d. Demanda bioquímica de oxígeno (D.B.O.): Es la Cantidad de oxígeno utilizado en la oxidación bioquímica de la sustancia orgánica, en un tiempo y a una temperatura especificada. Depende enteramente de la disponibilidad de materia utilizable como alimento biológico y de la cantidad de oxígeno utilizado por los microorganismos durante la oxidación. e. Demanda química de oxigeno (DQO).- es la cantidad de oxígeno necesaria para oxidar contaminantes (orgánicos e inorgánicos) por reacciones puramente químicas, se mide mediante análisis químicos.

- 33 La relación DBO5/DQO es un factor importante, que indica la biodegradabilidad de las aguas residuales urbanas, entendiéndose por biodegradabilidad, la característica de algunas sustancias químicas de poder ser utilizadas como sustrato por microorganismos, que las emplean para producir energía (por respiración celular), y crear otras sustancias como aminoácidos, nuevos tejidos y nuevos organismos. (3) TABLA I. Biodegradabilidad del agua residual urbana según la relación DBO5/DQO DBO5/DQO

Biodegradabilidad del agua residual

0,4

Alta

0,2 – 0,4

Normal

0,2

Baja

FUENTE: Guía sobre tratamientos de aguas residuales urbanas para pequeños núcleos de población

1.1.2.3 CARACTERÍSTICAS BIOLÓGICAS.

En aguas residuales se encuentran microorganismos saprófitos que degradan la materia orgánica en compuestos simples utilizando o no oxígeno disuelto y microorganismos patógenos agregados a las aguas que mueren rápidamente al encontrarse en un medio o hábitat extraño. Los patógenos sin embargo, sobreviven un tiempo suficientemente prolongado para infectar a otros usuarios del agua, como es el caso de los coliformes termotolerantes. (2)

1.1.3

MEDICIÓN DE CAUDALES1

El análisis y diseño de unidades para reducir o eliminar constituyentes presentes en aguas residuales involucra la consideración de los factores que afectarán el dimensionado, el desempeño y la confiabilidad de estas instalaciones. Las etapas iniciales de un proyecto, tales como la planeación de instalaciones, las fases de diseño conceptual y preliminar, se consideran por ser factor crítico en el éxito del proceso final

1

Depósitos de la FAO (www.faoorg/docrep/t0848s/t080s00.htm)

- 34 de análisis y diseño. Durante estas fases se determinan los caudales y cargas de diseño, se lleva a cabo la selección de los procesos, se desarrollan, refinan y establecen los criterios de diseño, se examinan los puntos relacionados con la evaluación de riesgos y confiabilidad del proceso, y se distribuyen físicamente los elementos de la planta. 1.1.3.1 MÉTODOS VOLUMÉTRICOS La forma más sencilla de calcular los caudales pequeños es la medición directa del tiempo que se tarda en llenar un recipiente de volumen conocido. Para los caudales de más de 4 L/s, es adecuado un recipiente de 10 litros de capacidad que se llenará en 2½ segundos. Para caudales mayores, un recipiente de 200 litros puede servir para corrientes de hasta 50 L/s. 1.1.3.2 MÉTODO VELOCIDAD/SUPERFICIE Este método depende de la medición de la velocidad media de la corriente y del área de la sección transversal del canal. Una forma sencilla de calcular la velocidad consiste en medir el tiempo que tarda un objeto flotante en recorrer, corriente abajo, una distancia conocida. 1.1.3.3 FÓRMULAS EMPÍRICAS PARA CALCULAR LA VELOCIDAD La velocidad del agua que se desliza en una corriente o en un canal abierto está determinada por varios factores. El gradiente o la pendiente. Si todos los demás factores son iguales, la velocidad de la corriente aumenta cuando la pendiente es más pronunciada. La rugosidad. El contacto entre el agua y los márgenes de la corriente causa una resistencia (fricción) que depende de la suavidad o rugosidad del canal. Forma. Los canales pueden tener idénticas áreas de sección transversal, pendientes y rugosidad, pero puede haber diferencias de velocidad de la corriente en función de su

- 35 forma. La razón es que el agua que está cerca de los lados y del fondo de una corriente se desliza más lentamente a causa de la fricción; un canal con una menor superficie de contacto con el agua tendrá menor resistencia fricción y, por lo tanto, una mayor velocidad. El parámetro utilizado para medir el efecto de la forma del canal se denomina radio hidráulico del canal. Se define como la superficie de la sección transversal dividida por el perímetro mojado, o sea la longitud del lecho y los lados del canal que están en contacto con el agua. Todas estas variables que influyen en la velocidad de la corriente se han reunido en una ecuación empírica conocida como la fórmula de Manning, tal como sigue:

Ecuación 1

Donde: V= velocidad media de la corriente, m/s R = el radio hidráulico, m S = pendiente media del canal, m/m n = coeficiente de Manning. 1.1.3.4 VERTEDEROS DE AFORO La medición del caudal de las corrientes naturales nunca puede ser exacta debido a que el canal suele ser irregular y por lo tanto es irregular la relación entre nivel y caudal. Vertederos de pared aguda Los dos tipos más comunes son el vertedero triangular (con escotadura en V) y el vertedero rectangular. Debe haber una poza de amortiguación o un canal de acceso aguas arriba para calmar cualquier turbulencia y lograr que el agua se acerque al vertedero lenta y suavemente. Para tener mediciones precisas el ancho del canal de acceso debe equivaler a ocho veces al ancho del vertedero y debe extenderse aguas

- 36 arriba 15 veces la profundidad de la corriente sobre el vertedero. El vertedero debe tener el extremo agudo gudo del lado aguas arriba para que la corriente fluya libremente. Para determinar la profundidad de la corriente a través del vertedero, se instala un medidor en la poza de amortiguación en un lugar en el que se pueda leer fácilmente. El cero del medidor fija el nivel en el punto más bajo de la escotadura. El medidor debe instalarse bastante detrás de la escotadura para que no se vea afectado por la curva de descenso del agua a medida que el agua se acerca a la misma. FIGURA Vertedero con escotadura en V de 90° FIGURAI.

FUENTE: Depósitos de la FAO (www.faoorg/docrep/t0848s/t080s00.htm (www.faoorg/docrep/t0848s/t080s00.htm)

La ecuación para el caudal en vertederos de cresta fina es: Ecuación 2 Donde: Q= caudal, m³/s h= altura del agua, m

1.1.4

CAUDALES DE LAS AGUAS RESIDUALES RES

El caudal de agua a tratar corresponde al volumen de agua que llega a la estación depuradora por unidad de tiempo. La capacidad de una planta de tratamiento de aguas residuales normalmente se estima con base en el caudal diario promedio correspondiente al año en el que qu se realiza el

- 37 diseño. Sin embargo, las plantas de tratamiento deben ser diseñadas teniendo en cuenta condiciones críticas de operación, causadas por variaciones en aspectos del agua a tratar como caudal, concentración de contaminantes y la combinación de estos (carga másica). También deben considerarse las condiciones críticas originadas por caudales pico y cargas pico de contaminantes en los diferentes procesos de tratamiento. La cantidad de aguas residuales que produce una comunidad está en proporción con el consumo de agua de abastecimiento y el grado de desarrollo económico y social de la misma, ya que un mayor desarrollo conlleva un mayor y más diverso uso del agua en las actividades humanas. (3) 1.1.4.1 CAUDAL DIARIO DE AGUA RESIDUAL La estimación del caudal diario del agua residual urbana que llega a una estación depuradora, en la mayoría de los casos, se realiza a partir de la dotación y población servida, de la forma:

Ecuación 3

Donde: QD = caudal diario, m3/d D = dotación, L/hab.d P = población, hab C= coeficiente de transformación En la práctica, entre el 60 y el 85% del agua de abastecimiento consumida se transforma en aguas residuales, dependiendo del consumo de agua para actividades particulares como el riego de zonas verdes, de la existencia de fugas, del empleo del agua en procesos productivos, etc.; este porcentaje debe aplicarse a los datos obtenidos a partir de la fórmula anterior. (3)

- 38 1.1.4.2 CAUDAL SANITARIO MEDIO QSM La estimación y la proyección de los caudales promedio se necesitan para definir la capacidad de diseño, así como los requerimientos hidráulicos del sistema de tratamiento. Los caudales promedios deben ser desarrollados tanto para las condiciones de diseño como para el período inicial de operación. (3) El caudal sanitario medio (QSM) vendrá definido por:

Ecuación 4

Donde: QSM= Caudal diario (L/d) Pf= población futura. Hab D= dotación, L/hab*día C= coeficiente de transformación 1.1.4.3 CAUDAL MÁXIMO QMAX Los caudales pico o máximos son caudales de una magnitud dada que se mantienen durante un período específico de tiempo. Los caudales pico o máximo se asocian por lo general con períodos de tiempo lluvioso, el caudal máximo horario se usa en el diseño de instalaciones de bombeo y líneas de conducción de agua residual, y para dimensionar algunas unidades de tratamiento. (3) El caudal máximo, se puede determinar a partir de una serie de fórmulas matemáticas de tipo empírico, siendo una de las más utilizadas: Q F Q Q ! Ecuación 5

Donde: QMAX= caudal máximo, L/s QSM= caudal sanitario medio, L/s

- 39 F= factor de mayoración QINF= caudal de infiltración, L/s QCE= caudal de conexiones erradas, L/s 1.1.4.4 FACTOR DE MAYORACIÓN2 El factor de mayoración es necesario para estimar el caudal máximo horario, en base al caudal sanitario medio QSM, teniendo en cuenta así las variaciones en el consumo de agua por parte de la población.

Siendo la ecuación de Harmon válida para poblaciones entre 1000 y 1000000 habitantes: "1

$%⁄

Ecuación 6

Donde: F= factor de mayoración Pf= población futura, hab 1.1.4.5 CAUDAL DE INFILTRACIÓN QINF El cálculo del caudal de infiltración es necesario, ya que es inevitable la infiltración de aguas sub-superficiales al sistema de alcantarillado sanitario principalmente freáticas, a través de fisuras en los colectores, en la unión de colectores con pozos de inspección y demás estructuras. El caudal de infiltración se determina tomando en cuenta los rangos establecidos por la RAS: 0,15 – 0,4L/s*Ha.

2

Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico RAS – 2000, titulo d, pág., 37

- 40 1.1.4.6 CAUDAL DE CONEXIONES ERRADAS QCE Este caudal considera los aportes de aguas lluvias al sistema de alcantarillado sanitario, provenientes de malas conexiones de bajantes de tejados y patios. La estimación del QCE, se puede estimar mediante métodos, como porcentajes del caudal sanitario medio e infiltración: '( 10% +Q F Q ,

Ecuación 7

Donde: QCE= caudal de conexiones erradas, L/s QSM= caudal sanitario medio, L/s F= factor de mayoración QINF= caudal de infiltración, L/s QCE= caudal de conexiones erradas, L/s 1.1.4.7 FACTOR DE PUNTA Fp Debido a la dificultad de comparar los valores numéricos de caudales máximos para diferentes plantas de tratamiento de agua residual, se recurre a la normalización de los caudales mediante la utilización de un parámetro conocido como factor de punta. Al dividir los valores de los caudales máximos por el caudal promedio. (3) La relación entre el caudal máximo y el medio se define como Fp, de la forma: "-

./01 .2/

Donde: Fp= factor punta QMAX= caudal máximo, L/s QSM= caudal sanitario medio, L/s

Ecuación 8

- 41 1.1.4.8 CAUDAL DURANTE PERÍODOS DE LLUVIA Los aportes asociados a períodos de lluvia deben ser tomados en consideración al determinar el caudal de diseño, para lo cual debe hacerse un estudio de infiltración y afluentes. Es altamente recomendable que antes de construir la planta de tratamiento se realicen campañas de minimización de caudales de infiltración, afluentes y conexiones erradas al sistema, pues estos aumentan innecesariamente el tamaño de la planta y por ende los costos. El porcentaje de recolección debe estar entre 5 y 20 % del caudal de aguas negras o debe usarse el siguiente criterio: para zonas residenciales se admitirá entre 25 y 50 L/h/d, y para zonas industriales y comerciales un caudal de 0,2 L/s/ha. (4) 1.1.5

MUESTREO DE AGUAS RESIDUALES

El objetivo principal en la recolección de la muestra de agua es que sea representativa del sistema del cual se capta. A veces se desea que lo sea solamente de una parte del sistema, mientras que en otras ocasiones una sola muestra debe ser característica de todo el mismo. (4) El diseño del programa de muestreo debe considerar los siguientes factores a fin de asegurar que las muestras sean representativas: •

Ubicación del lugar de muestreo

•

Tiempo y frecuencia del muestreo

•

Volumen de muestra

•

Procedimiento de recolección

•

Muestras simples o compuestas

•

Transporte, preservación y almacenamiento de muestras

•

Datos de campo recogidos con cada muestra (5)

- 42 1.1.5.1 CLASIFICACIÓN DE LAS MUESTRAS3 Las muestras pueden ser simples o compuestas. a. Muestras simples.- se definen como aquellas tomadas en un momento determinado. Resultan apropiadas cuando se desea: •

Determinar las características de descargas instantáneas, transientes y para identificar la fuente y evaluar los efectos potenciales en los procesos de tratamiento.

•

Estudiar variaciones y extremos en un flujo de desechos en determinado período.

b. Muestra compuesta.- son la mezcla de varias muestras instantáneas recolectadas en el mismo punto de muestreo en diferentes tiempos. La mezcla se hace sin tener en cuenta el caudal en el momento de la toma. Debe usarse muestreo compuesto para: •

Determinar las concentraciones medias de residuos.

•

Calcular la carga (masa/unidad de tiempo).

El volumen requerido de cada muestra instantánea para formar una muestra completa se determina de la siguiente forma: .:;:

34í67893 .?@ABCD

Ecuación 9

Donde: Valícuota= volumen de muestra, L Qt= caudal total en el momento de muestreo, L/s Vt= volumen total de muestra, L Qm=caudal promedio durante el período de muestreo, L/s N°muestra = número de muestras para formar la muestra compuesta

3

Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico RAS – 2000, título e, pág., 1718

- 43 1.1.5.2 PRESERVACIÓN DE MUESTRAS La preservación de muestras, completa y sin errores, tanto de residuos domésticos, industriales o de aguas naturales, es una imposibilidad práctica. Cabe destacar que la mejor forma de preservar las muestras es efectuando el análisis lo más pronto posible. Hasta el momento de efectuar el análisis la muestra deberá refrigerarse a aproximadamente 4ºC. 1.1.5.3 VOLÚMEN DE AGUA RESIDUAL PARA ANÁLISIS

Cinco litros de agua residual son suficientes para efectuar un análisis simple, en tanto que se requiere de 0,15 a 1 litro para un análisis microbiológico del agua. Para los análisis de trazas de elemento generalmente se necesitan varios litros de agua en diferentes botellas, de 1 ó 2 litros.

1.1.6

LOCALIZACIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO

La presente investigación se lleva a cabo en la parte urbana de la Ciudad de Cañar, siendo esta la Parroquia Central del Cantón Cañar, Provincia de Cañar, que se encuentra a una altitud de 3170 m.s.n.m. 1.1.6.1 LOCALIZACIÓN GEOGRÁFICA Región:

Sierra.

Provincia:

Cañar

Cantón:

Cañar.

Parroquia:

Cañar.

- 44 FIGURA II. Ubicación de la ciudad de Cañar en la Provincia de Cañar

FUENTE: INFOPLAN

FIGURAIII. Ubicación y límites de la Parroquia Cañar

FUENTE: INFOPLAN

- 45 1.1.6.2 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL ÁREA DE ESTUDIO Los ríos Pucuhuayco y Zhamzham, que en su curso bañan a la parroquia Cañar y sus poblados, que luego con el Río Culebrillas y el Río Silante forman el Río Cañar. La ciudad de Cañar cuenta actualmente con una población aproximada de 16000 habitantes, no obstante la presente investigación abarca el 73% de la población es decir una población de 11955 habitantes, ya que seis ciudadelas de la ciudad cuentan con un tratamiento para sus aguas residuales ubicados en los sectores: Cañaribamba, Chaglabán, y Correuco. 1.1.6.3 ZONIFICACIÓN DE LA CIUDAD DE CAÑAR En la ciudad se puede distinguir las siguientes zonas: i. Zona comercial – residencial: delimitado por las calles Panamericana, Avda. 24 de Mayo y Avda. san Antonio, que abarca un área de 39,2 Ha en la cual se encuentran los mercados, la mayoría de los establecimientos comerciales una ciudadela, áreas verdes y edificaciones para uso residencial; además este sector cuenta con calles pavimentadas y una buena cobertura de servicios básicos. ii. Residencial 1: se le da esta denominación porque es una zona consolidada y con una densidad poblacional muy alta, está delimitada por las calles Avda. San Antonio, Avda. 24 de Mayo, Avda., Ingapirca, Calle Justiniano Crespo, Carrera Cuenca y Panamericana., el trazado de las calles es definido, la cobertura de servicios básicos es buena, en esta zona se incluye a más de las edificaciones para uso residencial, una feria libre, dos ciudadelas, complejos deportivos, abarca un área aproximada de 49,7 Ha. iii. Residencial 2: Esta zona no es consolidada con una densidad poblacional baja por el hecho de no existir muchas viviendas construidas y ocupa la parte periférica de la ciudad, en esta zona podemos encontrar las ciudadelas Tiopamba, Fe y Alegría, ÑucanchiHuasi, Ángel María Iglesias Cañaribamba, además los sectores rurales de Nar,

- 46 Chaglabán, Guantug, Narrío y Quilloac, tiene un área aproximada de 65,3 Ha, la cobertura de los servicios básicos es baja. El área de estudio se encuentra ubicada dentro de los límites de la línea punteada de color negro. FIGURA IV.Plano de la ciudad de Cañar

FUENTE: Ilustre Municipio de Cañar

1.1.6.4 COORDENADAS Latitud:

02º33’’5’ S

Longitud: 78º56’’15’O Altitud:

3170 msnm

1.1.6.5 CLIMA. Temperatura: 11,18 ºC Humedad:

73,8 %

Precipitación: 1300 a 670 mm

- 47 1.1.6.6 RIESGOS NATURALES La parte correspondiente a la investigación se encuentra limitada por el Río Zhamzham y por el Río Pucuhuayco, los mismos que en temporada invernal presentan crecientes que no representan riesgo de inundaciones. Los riesgos por deslizamientos y derrumbes del suelo son bajos. Bajo el amparo del Mapa de Zonas Sísmicas del Código Ecuatoriano de la Construcción, el área de estudio se encuentra situada en la zona 3 de peligrosidad sísmica, zona de riesgo sísmico moderado. FIGURAV.Ecuador, zonas sísmicas para propósitos de diseño

FUENTE: Código Ecuatoriano de la Construcción

- 48 1.2

TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES

Las aguas contaminadas provienen de diferentes fuentes, como pueden ser las industrias y las zonas habitacionales, por lo que están compuestas de partículas muy variadas tanto en tamaño como en composición, a lo que se refiere al agua proveniente de una casa, esta trae consigo desperdicios alimenticios, grasas, desechos del inodoro, jabones utilizados en baño y para lavar ropa y un sin número de materia orgánica e inorgánica que se desaloja. (6) Los tratamientos para las aguas de deshecho, pueden reconocerse en base a su ubicación en el proceso de limpieza, como primarios, secundarios y avanzados. Los últimos tienen fines muy específicos. 1.2.1

PRETRATAMIENTOS

En este caso se debe realizar por medio de procesos físicos y/o mecánicos, como rejillas, desarenadores y trampas de grasa, dispuestos convencionalmente de modo que permitan la retención y remoción del material extraño presente en las aguas negras y que pueda interferir los procesos de tratamiento. 1.2.2

TRATAMIENTOS PRIMARIOS.

Los sistemas primarios son los más sencillos en la limpieza de agua y tienen la función de preparar el agua, limpiándolas de toda aquellas partículas cuyas dimensiones pueden obstruir o dificultar los procesos consecuentes. Los Tratamientos Primarios más habituales son:4 Decantación primaria: su objetivo es la eliminación de la mayor parte de los sólidos sedimentables, bajo la acción exclusiva de la gravedad.

4

GARCÍA, I., Guía sobre tratamientos de aguas residuales urbanas para pequeños núcleos de población. Págs., 44

- 49 Tratamientos físico-químicos: en este tipo de tratamiento se consigue, mediante la adición de reactivos químicos, incrementar la reducción de los sólidos en suspensión, al eliminar, además, sólidos coloidales. Se incrementa el tamaño y densidad de los mismos mediante procesos de coagulación-floculación. Estos tratamientos se aplican fundamentalmente: •

Cuando las aguas residuales presentan vertidos industriales que pueden afectar negativamente al tratamiento biológico.

•

Para evitar sobrecargas en el posterior tratamiento biológico.

•

Cuando se dan fuertes variaciones estacionales de caudal.

•

Para la reducción del contenido en fósforo.

1.2.3

TRATAMIENTOS SECUNDARIOS.

Con estos tratamientos se pretende la reducción de la contaminación orgánica y la coagulación y eliminación de sólidos coloidales no decantables. Los procesos biológicos se realizan con la ayuda de microorganismos (fundamentalmente bacterias), que en condiciones aerobias actúan sobre la materia orgánica presente en las aguas residuales. El aporte de oxígeno para el mantenimiento de las reacciones biológicas (oxidación, síntesis y respiración endógena), generalmente se realiza introduciendo aire en los recipientes donde se llevan a cabo estas reacciones. (8) 1.2.4

TRATAMIENTOS TERCIARIOS.

Los Tratamientos Terciarios, también conocidos como tratamientos avanzados, más rigurosos, complementarios, etc., permiten obtener mejores rendimientos de eliminación de DBO5 y materia en suspensión, así como reducir otros contaminantes como nutrientes y metales, lo que puede permitir la posterior reutilización de los efluentes depurados. La eliminación de materia particulada y coloidal presente en los efluentes

- 50 depurados puede lograrse mediante la aplicación de tratamientos físico-químicos (coagulación-floculación). (8) Para la eliminación de nutrientes (nitrógeno y fósforo), se recurre cada vez más al empleo de procesos biológicos. No obstante, en el caso del fósforo, los procesos de precipitación química, empleando sales de hierro y de aluminio, continúan siendo los de mayor aplicación. Para la eliminación biológica del fósforo, se combinan reactores operando bajo condiciones anaerobias, óxicas y anóxicas, quedando el fósforo almacenado en los microorganismos, que posteriormente se extraen como lodos en exceso. (8) 1.2.5

TRATAMIENTOS DE LODOS.5

El tratamiento de las aguas residuales urbanas conduce a la producción de unos subproductos conocidos como lodos o fangos, entre los que cabe hacer la distinción de: Lodos primarios: son los sólidos decantados en el Tratamiento Primario. Lodos secundarios o biológicos: corresponden a los sólidos retenidos en el Decantador tras el paso de las aguas por el Reactor Biológico. Existen una serie de etapas en el tratamiento de los lodos generados en la depuración aguas residuales: i. Espesamiento: se incrementa la concentración del lodo mediante la eliminación del agua que contiene. ii. Estabilización: se reduce la fracción biodegradable presente en los lodos, para evitar su putrefacción y la consecuente generación de olores desagradables. iii. Acondicionamiento: mediante la adición de productos químicos, se mejora la deshidratación de los lodos, facilitando la eliminación del agua.

5

GARCÍA, I., Guía sobre tratamientos de aguas residuales urbanas para pequeños núcleos de población. Págs., 50-51

- 51 1.3

SISTEMA DE TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES

En muchas ocasiones los vertidos de aguas residuales urbanas superan la capacidad de dilución y autodepuración de los cauces y medios receptores, lo que conlleva a un deterioro progresivo de la calidad de los mismos, e imposibilita la reutilización posterior del agua. Independientemente del origen y características de las aguas residuales urbanas, éstas han de ser tratadas adecuadamente antes de su vertido o reutilización, con el fin de: •

Proteger el estado ecológico de los medios receptores de la contaminación orgánica procedente de las aguas residuales urbanas.

•

Evitar riesgos para la salud pública de la población.

•

Producir efluentes con características físicas, químicas y microbiológicas aptas para su reutilización. (8)

Hoy en día, las estaciones de tratamiento de aguas residuales son un complemento artificial e imprescindible de los ecosistemas acuáticos. FIGURA VI. Ciclo de las aguas residuales urbanas

FUENTE: Guía sobre tratamientos de aguas residuales urbanas para pequeños núcleos de población

Las instalaciones para el tratamiento de las aguas residuales urbanas constan de tres elementos principales:

- 52 1. Recogida y conducción de las aguas generadas hasta la estación de tratamiento. 2. Tratamiento de las aguas residuales. 3. Evacuación de los productos resultantes del tratamiento, efluentes depurados y lodos. (8) FIGURAVII. Elementos constituyentes de las instalaciones para el tratamiento de aguas residuales urbanas

FUENTE: Guía sobre tratamientos de aguas residuales urbanas para pequeños núcleos de población

1.3.1

PARÁMETROS DE DISEÑO PARA UN SISTEMA DE TRATAMIENTO

Los parámetros de diseño constituyen los elementos básicos para el desarrollo de un sistema de tratamiento, tales como vida útil del sistema, población de diseño, caudal de diseño. 1.3.1.1 PERÍODO DE DISEÑO El período de diseño, depende de la programación de inversiones, la factibilidad de ampliaciones y las tasas de crecimiento de la población. Los sistemas de tratamiento deben proyectarse para los siguientes períodos: (9)

- 53 TABLA II.Período de planeación de redes de recolección y evacuación de aguas residualesy lluvias Nivel de complejidad del sistema

Período de diseño

Bajo y medio

15

Medio alto

20

Alto

25

FUENTE: Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico RAS – 2000.

1.3.1.2 POBLACIÓN DE DISEÑO La población de diseño corresponde a la población futura servida, la misma que se calcula utilizando varios métodos para la proyección demográfica, uno de los más empleados es el método geométrico con la siguiente expresión: EF Pa+1 r,

Ecuación 10

Donde: Pf= población futura, hab Pa= población Actual, hab r= tasa de crecimiento n= período de diseño, años 1.3.2

ESTRUCUTURAS COMPLEMENTARIAS

Las estructuras complementarias incluyen canal de llegada, medidor de caudal y aliviadero. 1.3.2.1 CANAL DE LLEGADA El canal por el cual ingresa el afluente al sistema tratamiento, debe ser diseñado de tal manera que soporte el caudal de diseño.

- 54 Según la norma EX-IEOS la velocidad en el canal debe ser mayor a 0,6 m/s para el caudal medio diario, y una velocidad menor a 2,5 m/s para el caudal máximo o de diseño. Velocidad para el caudal que a traviesa el canal de llegada.6 La velocidad se calcula tanto para el caudal medio como para el caudal máximo, mediante la ecuación de Manning, descrita anteriormente. Coeficiente de manning para el calculo del tirante de agua: J

.

L

K

Ecuación 11

Donde: K= coeficiente de manning para el calculo del tirante de agua. Q= caudal maximo de diseño, m3/s n= coeficiente de rugosidad de manning b= base del canal, m S= pendiente del canal. 1.3.2.2 ALIVIADEROS DE CRECIDA Los aliviaderos tienen la finalidad de evacuar, en el curso de agua más próximo, el excedente de caudal sobre el que se ha calculado como tope para funcionamiento del sistema depurador. El caudal vertido por el aliviadero se diseña con la siguiente ecuación propuesta por Uralita: M Q 10000

Vs (cm/s)

100

Régimen

Turbulento

Ley Aplicable

v 1,82ydg {

ρN P ρ } ρ

Newton 0,100

1000

10,0

0,080

600

8,3

0,050

180

6,4

Arena

0,050

27

5,3

gruesa

0,040

17

4,2

0,030

10

3,2

0,020

4

2,1

0,015

2

1,5

0,010

0,8

0,8

0,008

0,5

0,6

0,006

0,24

0,4

0,005

1,0

0,3

0,004

1,0

0,2

0,003

1,0

0,13

0,002

1,0

0,06

0,001

1,0

0,015

Arena fina

Transición

Allen

Laminar

FUENTE: OPS/CEPIS/05.158

10

OPS/CEPIS/05.158. Págs., 14-16

ρN P ρ b/a d v 0,22 { g} +µ/ρ,/a ρ

v

1 ρN P ρ b g{ }d 18 µ Stokes

- 63 •

Por lo general, como primera aproximación se utiliza la ley de Stokes. Mv

t g e A h db

Ecuación 18

Donde: vs= velocidad de sedimentación, cm/seg g= aceleración de la gravedad, cm/s ρa =densidad de la arena, g/cm3 d = diámetro de la partícula, cm η = viscosidad cinemática del agua, cm2/seg •

Comprobar el número de Reynolds:

Donde:

^]

Ecuación 19

Re= número de Reynolds vs= velocidad de sedimentación, cm/seg d= diámetro de la partícula, cm η = viscosidad cinemática del agua, cm2/seg •

Se determina el coeficiente de arrastre (CD), con el valor del número de Reynolds a partir del nuevo valor de vs hallado. b

'

Donde:

a

%

0,34

Ecuación 20

CD= coeficiente de arrastre NRe= número de Reynolds •

Se determina la velocidad de sedimentación de la partícula en la zona de transición mediante la ecuación:

u

Mv a +ρ P 1, dEcuación 21

- 64 •

Determinar la velocidad límite que resuspende el material o velocidad de arrastre: M3 125+ρ P ρ, d⁄b

Ecuación 22

Donde: va= velocidad de arrastre, cm/s ρs = densidad de la arena, g/cm3 ρ = densidad del agua, g/cm3 d= diámetro de la partícula, cm •

Determinar el área superficial mediante la expresión: .

Donde:

v ^

Ecuación 23

As= área superficial, m2 Q= caudal de diseño, m3/s vs= velocidad de sedimentación, m/s •

Determina las dimensiones de largo, ancho y profundidad tomando en cuenta los criterios de diseño.

•

Calcular la longitud de la transición de ingreso mediante la ecuación: tK

9 b:u

Ecuación 24

Donde: θ= ángulo de divergencia (12° 30´) B= ancho del sedimentador (m) b= ancho del canal de llegada a la transición (m) •

Determinar la velocidad horizontal mediante: .

Mq k:Ecuación 25

- 65 Donde: vh= velocidad horizontal, m/s Q= caudal de diseño, m3/s At= área total, m2 •

Comparar que se cumpla Va >Vh

•

Calcular el período de retención: ;

E .

l .

Ecuación 26

Donde: PR= período de retención, s V= volumen del tanque desarenador, m3 l= largo del desarenador, m B= ancho del desarenador, m H= profundidad del desarenador, m Q= caudal de diseño, m3/s

1.3.5

TANQUES IMHOFF

El tanque imhoff es una unidad de tratamiento primario cuya finalidad es la remoción de sólidos suspendidos. Los tanques imhoff tienen una operación muy simple y no requiere de partes mecánicas; sin embargo, para su uso concreto es necesario que las aguas residuales pasen por los procesos de tratamiento preliminar de cribado y remoción de arena. (10) Esta alternativa resulta adecuada en caso no se cuente con grandes áreas de terreno para poder construir un sistema de tratamiento de aguas residuales domésticas, como es el

- 66 caso de las lagunas de estabilización, además de que el tanque imhoff deberá estar instalado alejado de la población, debido a que produce malos olores. El tanque imhoff elimina del 40 al 50% de sólidos suspendidos y reduce la DBO de 25 a 35%. Los lodos acumulados en el digestor del tanque imhoff se extraen periódicamente y se conducen a lechos de secados. (10) Debido a esta baja remoción de la DBO y coliformes, lo que se recomendaría es enviar el efluente hacia una laguna facultativa para que haya una buena remoción de microorganismos en el efluente. (10) 1.3.5.1 COMPONENTES Es de forma rectangular y consta de las siguientes partes: Cámara de sedimentación. Unidad del tanque imhoff, donde se remueven gran parte de los sólidos sedimentables. Cámara de digestión de lodos. Unidad de los tanques imhoff, donde se almacenan y digieren los lodos. Área de ventilación y acumulación de natas. Durante la operación, las aguas residuales fluyen a través de la cámara de sedimentación, donde se remueven gran parte de los sólidos sedimentables, estos resbalan por las paredes inclinadas del fondo de la cámara de sedimentación pasando a la cámara de digestión a través de la ranura con traslape existente en el fondo del sedimentador. El traslape tiene la función de impedir que los gases o partículas suspendidas de sólidos, producto de la digestión, interfieran en el proceso de la sedimentación. Los gases y partículas ascendentes, que inevitablemente se producen en el proceso de digestión, son desviados hacia la cámara de natas o área de ventilación.

- 67 Los lodos acumulados en el digestor se extraen periódicamente y se conducen a lechos de secado, en donde el contenido de humedad se reduce por infiltración, después de lo cual se retiran y dispone de ellos enterrándolos o pueden ser utilizados para mejoramiento de los suelos. (10) FIGURAX. Esquema de un tanque imhoff

FUENTE: Guía para el diseño de tanques sépticos, tanques imhoff y lagunas de estabilización, Lima, 2005. (OPS-CEPIS)

1.3.5.2 CRITERIOS DE DISEÑO11 Para el dimensionamiento de los tanques Imhoff, se recomienda los siguientes parámetros de diseño:

11

Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico RAS – 2000, titulo e. Págs., 3839

- 68 TABLA V. Dimensiones recomendadas de tanques imhoff. CRITERIOS DE DISEÑO PARAMETRO

VALOR

UNIDAD

Compartimento de sedimentación Relación longitud a ancho

2:1 a 5:1

Pendiente

1,25:1 a 1,75:1

Abertura de las ranuras

15 a 30

cm

Proyección de las ranuras

15 a 30

cm

encima de la superficie

45 a 60

cm

debajo de la superficie

15

cm

25 a 40

m³/m²*d

2a4

horas

Área superficial

15 – 30

% del total

Ancho de la abertura

45 a 75

cm

Bafle de espumas:

Carga de desbordamiento superficial Tiempo de retención

Área de ventilación del gas

Cámara de digestión de lodos Volumen

55 a 100

litros / cápita

Tubería de recolección de lodos

200 a 300

mm

30 a 90

cm

7 a 10

m

Profundidad debajo de la ranura hasta la superficie superior del lecho de lodos Profundidad del tanque (desde la superficie del agua hasta el fondo del tanque) FUENTE: Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico RAS – 2000.

- 69 1.3.5.3 DIMENSIONAMIENTO DEL TANQUE IMHOFF12 1.3.5.3.1 DIMENSIONAMIENTO DELACÁMARA DE SEDIMENTACIÓN Área del sedimentador v

Donde:

.

Ecuación 27

As =área del sedimentador, m2 Q= caudal de diseño, m3/h Cs= carga superficial, 1 m3/(m2*hora).

Volumen del sedimentador Donde:

v Q !Ñ PRH Ecuación 28

Vsed= volumen del sedimentador, m3 QDISEÑO= caudal de diseño, m3/s PRH= Período de retención hidráulica, entre 1,5 a 2,5 horas, recomendable 2 horas

El fondo del tanque será de sección transversal en forma de V y la pendiente de los lados respecto a la horizontal tendrá de 50° a 60°. 1.3.5.3.2 DIMENSIONAMIENTO DEL DIGESTOR Volumen de almacenamiento y digestión Para el compartimiento de almacenamiento y digestión de lodos (cámara inferior) se tendrá en cuenta la siguiente tabla:

12

OPS. Guía para el diseño de tanques sépticos, tanques imhoff y lagunas de estabilización, Lima, 2005. Págs., 14-18

- 70 TABLA VI. Valores del factor de capacidad relativa Temperatura °C Factor de capacidad relativa (fcr) 5

2,0

10

1,4

15

1,0

20

0,7

> 25

0,5

FUENTE: Guía para el diseño de tanques sépticos, tanques imhoff y lagunas de estabilización, Lima, 2005. (OPS-CEPIS)

s

Ecuación 29

Donde: Vd= volumen de digestión, m3 P = población de diseño fcr = factor de capacidad relativa, ver tabla anterior Tiempo requerido para digestión de lodos El tiempo requerido para la digestión de lodos varía con la temperatura, para esto se empleará la siguiente tabla TABLA VII. Valores de tiempos de digestión en función de la temperatura Temperatura °C

Tiempo de digestión en días

5

110

10

76

15

55

20

40

> 25

30

FUENTE: Guía para el diseño de tanques sépticos, tanques imhoff y lagunas de estabilización, Lima, 2005. (OPS-CEPIS)

- 71 Frecuencia del retiro de lodos Los lodos digeridos deberán retirarse periódicamente, para estimar la frecuencia de retiros de lodos se usarán los valores consignados en la tabla anterior. Extracción de lodos El diámetro mínimo de la tubería para la remoción de lodos será de 200 mm y deberá estar ubicado 15 cm por encima del fondo del tanque. Para la remoción se requerirá de una carga hidráulica mínima de 1,80 m. Área de ventilación y cámara 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 total del tanque.

•

El borde libre será como mínimo de 0,30 cm. (10)

1.3.5.4 LECHOS DE SECADO Los lechos de secado son generalmente el método más simple y económico de deshidratar los lodos digeridos, son dispositivos que eliminan una cantidad de agua suficiente de los lodos para que el resto pueda manejarse como material sólido, con un contenido de humedad inferior al 70 %. El lecho típico de secado es de forma rectangular poco profundo, con fondos porosos colocados sobre un sistema de drenaje. El lodo se aplica sobre el lecho en capas de 20 a 40 cm y se deja secar. (7)

- 72 1.3.5.4.1 DIMENSIONAMIENTO DE UN LECHO DE SECADO Carga de sólidos que ingresan al sedimentador A nivel de proyecto se puede estimar la carga en función a la contribución per cápita de sólidos en suspensión, de la siguiente manera: '

KlNó :Kó \ N:Ne

nC 22 h D íD

Ecuación30

Donde: C =carga de sólidos, Kg de SS/día

Masa de sólidos que conforman los lodos. v +0,5 0,7 0,5 C, +0,5 0,3 C,

Ecuación 31

Donde: Msd = masa de sólidos, Kg de SS/día C =carga de sólidos, Kg de SS/día

Volumen diario de lodos digeridos. 4

]

¢£ £ e%]\ ól]¤h

Ecuación 32

Donde: Vld = volumen de lodos digeridos, L/día ρlodo = densidad de los lodos, Kg/L % de sólidos= % de sólidos contenidos en el lodo, %

Volumen de lodos a extraerse del tanque. 4

;l]¥]

Ecuación 33

- 73 Donde: Vle = volumen de lodos a extraerse, m3 Vld = volumen de lodos digeridos, L/día Td= tiempo de digestión, días

Área del lecho de secado. 4v

Donde:

;\l N

Ecuación 34

Als = área de lecho de secado, m2 Vle = volumen de lodos a extraerse, m3 Ha= profundidad de aplicación, m (10)

1.3.6

LAGUNAS FACULTATIVAS

Las lagunas facultativas son aquellas que poseen una zona aerobia y una zona anaerobia, situadas respectivamente en superficie y fondo. Por tanto, en estas lagunas podemos encontrar cualquier tipo de microorganismo, desde anaerobios estrictos en el fango del fondo hasta aerobios estrictos en la zona inmediatamente adyacente a la superficie. Sin embargo, los seres vivos más adaptados al medio serán los microorganismos facultativos, que pueden sobrevivir en las condiciones cambiantes de oxígeno disuelto típicas de estas lagunas a lo largo del día y del año. Además de las bacterias y protozoos, en las lagunas facultativas es esencial la presencia de algas, que son las principales suministradoras de oxígeno disuelto. (11)

- 74 1.3.6.1 DIMENSIONAMIENTO DE UNA LAGUNA FACULTATIVA13

Caudal de diseño

Donde:

KlNó :Nò

%Contribucion

Ecuación 35

Q= caudal de diseño, m3/s Dotación= dotación, L/habitante/día. Carga orgánica '

KlNó \á:N

Ecuación 36

Donde: C= carga orgánica, KgDBO/día.

Condición de temperatura vs temperatura del agua. Según F. Yanez las condiciones de temperatura son las siguientes: ª 10,443 0,688Tai

(F. Yánez C.)

Ecuación 37

Donde: T= temperatura del agua, °C

Tai: temperatura del aire en el mes más frio; °C

Carga superficial Considerada como el caudal o masa de un parámetro por unidad de área y por unidad de tiempo, que se emplea para dimensionar un proceso de tratamiento puede ser expresada en m³/ m² día o kg DBO/ (ha*día).

13

OPS. Guía para el diseño de tanques sépticos, tanques imhoff y lagunas de estabilización, Lima, 2005. Págs., 28-30

- 75 La carga superficial máxima recomendada por el IEOS, se calcula mediante la siguiente expresión: 'vñ8 400,6 1,0993¥tb

Ecuación 38

Donde: CS=carga superficial, Kg DBO5/ (Ha*día) T= temperatura en el mes más frío, °C

Área de la laguna Á±3

²A@ñ£

Ecuación 39

Donde: Área= área de la laguna, Ha C= carga orgánica, KgDBO/día CS= carga superficial, Kg DBO5/ (hab*día)

Área de cada laguna 6⁄43j7³3

Á\N

Ecuación 40

Donde: Ac/laguna= área de cada laguna, Ha Área= área total, Ha n= número de lagunas Relación largo/ancho de la Laguna

Donde: L=largo, m W= ancho, m Profundidad de la laguna (Z, m) De 1,5 – 2,5 m

´

2a3

Ecuación 41

- 76 Talud (Zp) De 1,5 m a 3 m Borde libre (BL, m) Como mínimo 0,5 m. Para lo cual se puede utilizar las siguientes relaciones esquematizadas en la siguiente figura: FIGURAXI. Esquema representativo de una laguna facultativa

FUENTE: Guía para el diseño de tanques sépticos, tanques imhoff y lagunas de estabilización, Lima, 2005. (OPS-CEPIS)

Volumen de lodos 488v

Donde:

KlNó ¥N

Ecuación 42

Vlodos= volumen de lodos, m3 Ta= tasa de acumulación de lodos, litros/habxaño. N= período de limpieza, años. Período de retención ;B£BD¢

E .

µ2¶Ñ·

Donde: PR= período de retención, días

gNuN m ]]N] .¸¹º»Ñ¼

Ecuación 43

- 77 Vtotal= volumen total de la laguna, m3 Qp= caudal de diseño, m3/día

El tiempo de retención hidráulica para lagunas facultativas debe estar dentro de un rango de 5 a 30 días. (9) Cálculo de factor de dispersión (d) Las lagunas de estabilización trabajan a mezcla completa y no a flujo a pistón, si éste fuera el caso el valor de d sería cero; ellas trabajan bajo flujo disperso y a través de la ecuación de F. Yánez C. podemos calcularlo. ½

g¤ ¾ Ecuación t.b$.b¿aÀbÁg¤¾Â$.aÁg¤¾Â

44

Donde: d= factor de dispersión L/W = relación largo/ancho Cálculo de la constante “a” Para el cálculo de esta constante se utiliza la fórmula de Wehner& Wilhelm y simplificada por Thirimurthi.

Donde:

3 %1 +4 K K PR d,

Ecuación 45

PR= período de retención, días d= factor de dispersión Kb = coeficiente de mortalidad neto a la temperatura del agua promedio del mes más frio Cálculo de la constante Kb mediante la ecuación propuesta por CEPIS – Saenz y Yanez. J i 0,841 1,07¥tb

Ecuación 46

- 78 Coliformes en el efluente, N Una vez calculado las constantes anteriores, se reemplazan en la ecuación de Wehner& Wilhelm y simplificada por Thirimurthi. Todo esto parte de la Ley de Chick.

Donde:

N\+ ÄD,⁄+ , +$N,

Ecuación 47

N= coliformes en el efluente a= constante No= concentración de coliformes fecales con que ingresa a la laguna el agua residual. (10) Remoción de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) Para el cálculo de la remoción de la DBO5 se ha supuesto que la laguna facultativa se comportará como un reactor de mezcla completa, por tanto: 8

+Å$,

Ecuación 48

Donde: Lo = DBO5 del afluente Lp = DBO5 del efluente JFÆÇº' JF

1,085+35ºC P T,

Ecuación 49

Donde: Kf = Constante de reacción de la DBO en lagunas facultativas (días-1) Kf35°C= Constante de reacción de la DBO en lagunas facultativas a 35 °C, 1,2días-1. (9) 1.3.7

IMPACTO AMBIENTAL14

La construcción e implementación de una Planta de Tratamientos de Aguas Residuales produce una serie de acciones que generan modificaciones del entorno, conocidos como impactos ambientales. 14

LEÓN J., Evaluación del impacto ambiental de proyectos de desarrollo. Págs., 17-19

- 79 Existen muchas metodologías aplicables para la identificación de impactos ambientales, tales como: lista de chequeo o verificación, análisis matricial (Leopold, Batelle, etc.) sistemas cartográficos, modelos temáticos etc., sin embargo es preciso tener en cuenta que ninguna resulta absolutamente específica para un determinado proyecto, ya que cada proyecto presenta diferencias en la realidad y condiciones específicas. El método más utilizado en proyectos de construcción es la Matriz Causa-Efecto, que es un método de identificación y valoración, que puede ser ajustado a características específicas de un proyecto, arrojando resultados cualitativos y cuantitativos, realizando análisis de las relaciones de casualidad entre una acción dada y sus posibles efectos en el medio, siendo así la más destacada la Matriz de Leopold. La base de este sistema es una matriz en que las entradas según columnas contienen las acciones del hombre que pueden alterar el medio ambiente y las entradas según filas son características del medio (o factores ambientales) que pueden ser alteradas. Con las entradas en filas y columnas se pueden definir las relaciones existentes. El número de acciones que figura en la matriz son cien y ochenta y ocho el de efectos ambientales que se propone en este método, resulta ocho mil ochocientas interacciones posibles, de las cuales, solo pocas son de interés especial. Sin embargo, no todas las acciones se aplican en todos los proyectos y no todos los factores ambientales afectables potencialmente son realmente susceptibles de ser modificadas, con lo que la matriz de interacción se reduce notablemente y el número de interacciones también, hasta tal punto de permitir que la información de esta matriz se obtenga, sea manejable. Además, de acuerdo a las características del proyecto, podrán agregarse otras acciones y parámetros (factores).

- 80 A. ACCIONES A CONSIDERARSE DURANTE LA EJECUCIÓN DE UN PROYECTO15 Durante la etapa de construcción de la planta de tratamiento y las obras complementarias, se proyecta realizar las siguientes acciones, que producirán impactos: Desbroce y limpieza: La afectación se presenta debido al corte de los árboles, arbustos, hierbas y cultivos presentes en la zona. Excavación a máquina: Esta actividad producirá la mayor parte del daño en la zona en la que se implementará la planta de tratamientos y unidades complementarias, ya que se eliminara por completo las plantas que existen en el lugar, además se producen daños al suelo y al aire por la presencia de maquinaria. Entubado: Esta acción afecta al suelo y a la vegetación de todo el tramo del área de proyecto, es decir desde la última descarga de la ciudad para la conducción del agua hasta el lugar en el que se construirá la planta de tratamiento. Desalojo de material: El desalojo afecta al aire y al suelo debido a la presencia de volquetas en la zona. Además la presencia de polvo afecta en gran medida el medioambiente del lugar. Transporte de material: Los vehículos que ingresan al lugar contaminan el aire y afectan en menor proporción el suelo. Ruido y vibraciones: Este parámetro proveniente de las actividades de construcción afecta la presencia de la fauna en la zona. Construcción de obras de concreto: La permanencia de las obras de concreto afecta el paisaje que ha inicio se encuentra en el lugar.

15

BERMEO L., Estudio, diseño y selección de la tecnología adecuada para tratamiento de aguas residuales domésticas para poblaciones menores a 2000 habitantes en la ciudad de Gonzanamá. Págs., 111-113

- 81 Mejoramiento de vía de acceso: esta acción afecta directamente al suelo y la cubierta vegetal, provoca además polvo. B. FACTORES A CONSIDERARSE DURANTE LA EJECUCIÓN DE UN PROYECTO En base a las acciones analizadas y considerando la descripción de las condiciones ambientales en la zona del proyecto, se seleccionan los factores ambientales de mayor significación que podrían verse afectados durante la etapa de construcción e implementación para cado acción del proyecto; estos son los siguientes: A. Condiciones Físicas A1. Tierra

A2. Agua

A3. Aire

a. Contaminación del

a. Descontaminación del

a. Olores

suelo.

agua

b. Polvo

b. Recarga cuerpo receptor y

c. Ruido

riego

B. Condiciones biológicas B1. Flora a. Arboles b. Cultivos

C. Factores culturales C1. Uso del territorio

C2. Nivel cultural

a. Paisaje

a. Empleo

b. Agricultura

b. Servicios Básicos

c. Ganadería

- 82 1.3.7.1 CARACTERÍSTICAS DELA METODOLOGÍA DE LEOPOLD Para cada acción se determina qué factores ambientales se afectan y se las califica cuantitativamente en términos de su magnitud e importancia. La magnitud de la acción se coloca en el lado izquierdo y la importancia en el lado derecho del casillero que está separado por una diagonal. Los valores de la magnitud e importancia que se asigna a los impactos identificados responden a valores prefijados, como los dados en la siguiente tabla, asignados por Leopold para mayor facilidad de valoración. La magnitud hace referencia a las categorías intensidad y afectación. En tanto que la importancia toma en cuenta las categorías duración e influencia. TABLA VIII. Valoración de la magnitud e importancia de la matriz de Leopold MAGNITUD

IMPORTANCIA

Calificación

Intensidad

Afectación

Calificación

Duración

Influencia

1

Baja

Baja

1

Temporal

Puntual

2

Baja

Media

2

Media

Puntual

3

Baja

Alta

3

Permanente

Puntual

4

Media

Baja

4

Temporal

Local

5

Media

Media

5

Media

Local

6

Media

Alta

6

Permanente

Local

7

Alta

Baja

7

Temporal

Regional

8

Alta

Media

8

Media

Regional

9

Alta

Alta

9

Permanente

Regional

10

Muy Alta

Alta

10

Permanente

Nacional

FUENTE: Matriz de Leopold 1971

Si la magnitud del impacto es positiva se emplea el signo positivo y si el impacto es negativo se emplea el signo negativo. Mientras que el valor de importancia siempre se tomará como absoluto o positivo. A partir de estos procedimientos se calcula los promedios positivos y negativos así como la agregación de los impactos, y se cuantifica la acción más beneficiosa y la más dañina.

- 83 Los resultados de la agregación de impactos serán evaluados de acuerdo a los valores de la siguiente tabla:

Tabla IX. Evaluación de impactos de acuerdo a la metodología de Leopold. RANGOS

IMPACTO

-70,1 a-100

Negativo

Muy alto

-50,1 a 70

Negativo

Alto

-25,1 a -50

Negativo

Medio

-1 a -25

Negativo

Bajo

1 a 25

Positivo

Bajo

25,1 a 50

Positivo

Medio

50,1 a 80

Positivo

Alto

80,1 a100

Positivo

Muy alto

FUENTE: Matriz de Leopold 1971

El nivel de significancia de la evaluación global de impactos se representa mediante la siguiente expresión: '3

ku\uNó ]\ al 99,9 %

pH

------

5-9

Sólidos Suspendidos

------

mg/L

100

Sólidos sedimentables

------

mg/L

------

Sólidos totales

------

mg/L

1 600

ºC

------

< 35

Demanda

Bioquímica

de

Oxígeno (5 días) Demanda Química de Oxígeno

Coliformes totales y termot. Potencial de hidrógeno

Temperatura

permisible

FUENTE: TULAS, 2003

Para el diseño y dimensionamiento de plantas de tratamientos de aguas residuales se aplicaran las siguientes normas ecuatorianas, pero también se utilizaran algunas normas Colombianas y Panamericanas, con el objeto de corroborar los cálculos:

•

Normas para Estudio y Diseño de sistemas de agua potable y Disposición de Aguas Residuales para poblaciones mayores a 1000 habitantes, publicadas en 1992, Décima Parte (X) Sistemas de Tratamiento de Aguas Residuales. (EX-IEOS)

- 87 •

Proyecto de Código Ecuatoriano para el diseño de la Construcción de Obras Sanitarias Co 10.07 – 601 Abastecimiento de Agua Potable y Eliminación de Aguas Residuales en el Área Rural.

•

Normas recomendadas por la Subsecretaría de Saneamiento Ambiental del Ministerio de Desarrollo Urbano y Vivienda. (SSA)

•

Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico RAS – 2000, Sección II Título E, Tratamiento De Aguas Residuales, República de Colombia Ministerio de Desarrollo Económico Dirección de Agua Potable y Saneamiento Básico. Bogotá D.C., Noviembre de 2000 (RAS 2000)

•

Organización Panamericana de la Salud, Área de desarrollo sostenible y salud ambiental (OPS/CEPIS/05.163 UNATSABAR) Guía para el diseño de tanque séptico, tanque imhoff y laguna de Estabilización. Lima 2005

CAPÍTULO II

- 89 CAPÍTULO II

2

MATERIALES Y MÉTODOS

En los siguientes puntos se detallará los materiales y métodos utilizados en el desarrollo de la presente investigación:

2.1

MATERIALES

2.1.1

MATERIALES Y EQUIPOS TOPOGRÁFICOS.

•

Cinta métrica.

•

Linnimetro

•

Flexómetro

•

Estacas de madera

•

Cuerda delgada (piola)

•

Nivel de burbuja

•

Madera triple

2.1.2

MATERIALES PARA LA MEDICIÓN DE CAUDALES

•

Cronómetro

•

Balde de 10 L

•

Madera triple

•

Escuadra de 35 cm

•

Piola

•

Libreta de apuntes

•

Graduador.

•

Nivel de burbuja

- 90 2.2

MÉTODOS

2.2.1

MÉTODO PARA LA MEDICIÓN DE CAUDALES

Debido a que el sistema de alcantarillado no cuenta con un colector común para realizar las descargas de las aguas servidas, por lo que existen varias descargas, la medición del caudal se realiza utilizando diferentes métodos, dependiendo de las características de los colectores de descarga, y de la facilidad de acceso. En la descarga 1 se aplica el método volumétrico, que consiste en medir el tiempo que tarda en llenar un balde de 8,75 litros. Para la descarga 2 se emplea el método de un vertedero triangular construido en madera triple con escotadura en V de 90°. Para las descargas 4, 5, 8 y 9 se utiliza el método empírico mediante la ecuación de manning para el cálculo de la velocidad y la ecuación de continuidad para calcular el caudal. En cada una de las descargas los caudales fueron aforados a partir de las 06h30 hasta las 18h30, los siete días de la semana, hay que recalcar que las mediciones se hicieron en tiempo seco, para obtener el volumen solamente de agua residual mas no del agua lluvia. Las descargas 3, 6, 7 no se aforó ya que presentan una mínima cantidad de agua. 2.2.2

MÉTODO PARA EL MUESTREO DE AGUAS RESIDUALES

Para el muestreo de aguas residuales se utilizó muestras compuestas de cinco litros, tomadas a partir de la hora pico cada media hora, en un período de dos horas, es decir la muestra compuesta se formó con cuatro muestras instantáneas, para ello se aplicó la ecuación 9 del Capítulo I.

- 91 Las descargas de las cuales se tomaron las muestras son D4, D5, D8 y D9, se recogió una sola muestra de cada descarga, tomando en cuenta el día con mayor caudal. Las muestras de agua fueron recolectadas en botellas plásticas limpias de 5 litros para los análisis físico-químicos, y en recipientes de 150mL estériles para el análisis microbiológico. 2.2.3

MÉTODO PARA LA CARACTERIZACIÓN DE AGUAS RESIDUALES.

El análisis de las aguas residuales se basa en los métodos empleados por el Laboratorio de Saneamiento ETAPA-Cuenca, ya que las muestras fueron enviadas a dicho laboratorio para su análisis, las cuales se describen a continuación: TABLA XIV. Métodos empleados para el análisis de los parámetros físico-químicos y microbiológicos de aguas residuales. PARÁMETRO

MÉTODO

DBO5

PEE/LS/FQ/01

DQO

PEE/LS/FQ/02

FÓSFORO TOTAL

PEE/LS/FQ/03

NITRÓGENO KJELDAHL TOTAL pH

SM 4500 Norg B SM 4500 H B

SÓLIDOS SEDIMENTABLES SÓLIDOS SUSPENDIDOS

SM 2540 F PEE/LS/FQ/04

SÓLIDOS SUP. VOLÁTILES

SM 2540 E

SÓLIDOS TOTALES

SM 2540 B

SÓLIDOS TOTALES VOLÁTILES

SM 2540 E

COLIFORMES TOTALES

SM 9221 E

COLIFORMES TERMOTOLERANTES

SM 9221 E

FUENTE: Ing. Yolanda Torres Moscoso, Laboratorio de Saneamiento ETAPA – Cuenca

- 92 2.2.4

MÉTODOS PARA EL DIMENSIONADO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES.

2.2.4.1 MÉTODO PARA LA PROYECCIÓN DEMOGRÁFICA Para calcular la población futura se empleó el método geométrico descrito en el numeral 1.3.1.2 del Capítulo I de este documento. 2.2.4.2 MÉTODO PARA DIMENSIONAR LAS ESTRUCTURAS DE LA PLANTA DE TRATAMIETO Para dimensionar las estructuras que componen la planta de tratamiento de aguas residuales se utilizó las ecuaciones mencionadas en el numeral 1.3 del capítulo I del presente trabajo. 2.2.4.3 MÉTODO PARA LA ELABORACIÓN DE PLANOS. Para la realización de planos se realizó con ayuda del programa de AutoCAD, la planimetría del diseño se realizó a escalas especificadas en las normas del EX-IEOS. La vista planta y cortes de cada unidad que compone la planta de tratamiento se traza a diferentes escalas, también tomando en cuenta las normas del EX-IEOS 2.2.5

METODOLOGÍA PARA LA VALORACIÓN E IDENTIFICACIÓN DE IMPACTOS AMBIENTALES

2.2.5.1 MATRIZ DE LEOPOLD Para la valoración e identificación de impactos ambientales se empleó la matriz de Leopold que se explica detalladamente en el numeral 1.3.7 del Capítulo I de este documento. Pero antes se realizó la identificación de qué acciones y qué factores del proyecto son significativos mediante la Matriz de Identificación de Impactos que consiste en marcar

- 93 con una x aquellos factores afectados por las acciones en la construcción e implementación de la planta de tratamiento de aguas residuales. La calificación global, se realizó mediante el nivel de significancia calculado a partir de la ecuación 51 desarrollada en el Capítulo I.

CAPÍTULO III

- 95 CAPÍTULO III 3. DATOS, CÁLCULOS Y RESULTADOS 3.1

DATOS

3.1.1

DATOS PARA LA MEDICIÓN DE CAUDALES.

3.1.1.1 UBICACIÓN

DE

LAS

DESCARGAS

EN

EL

SISTEMA

DE

ALCANTARILLADO El sistema de alcantarillado cuenta con nueve descargas que recogen el agua residual del área que abarca el proyecto y que se vierten en los dos ríos que atraviesan la ciudad de Cañar, como es el Río Pucuhuayco y Río Zhamzham, que se detallan a continuación:

TABLA XV. Ubicación de las descargas y Río al que se vierte. N° de

Ubicación

descarga D1

Río en el que se vierte

Panamericana Norte, debajo del puente a la entrada a la Pucuhuayco ciudad de Cañar desde Biblian

D2

Al final de la calle Carrera Cuenca

Pucuhuayco

D3

En la parte posterior de la Cdla. “Santa Rosa”

Pucuhuayco

D4

Debajo del puente Zaruma

Pucuhuayco

D5

5m abajo del puente Zaruma

Pucuhuayco

D6

Puente hediondo

Zhamzham

D7

Sin nombre

Zhamzham

D8

Debajo del puente Camino a la U. Católica.

Zhamzham

D9

Cerca al Cementerio.

Zhamzham

FUENTE: Departamento de Agua Potable y Alcantarillado

- 96 3.1.1.2 DATOS DE LAS TUBERIAS DE DESCARGA Las tuberías de cada descarga presentan diferentes características que se detallan a continuación: TABLA XVI.Características de las tuberías de descarga. Parámetro

Expresado como:

Unidad

Valor

m

0,650

-----

PVC

DESCARGA 4 Diámetro de la tubería

D

Material de la tubería Coeficiente de rugosidad de manning

N

0,009

Gradiente hidráulico

S

%

0,187

D

m

0,550

-----

Concreto simple

DESCARGA5 Diámetro de la tubería Material de la tubería Coeficiente de rugosidad de manning

N

-----

0,013

Gradiente hidráulico

S

%

0,44

D

m

0,390

-----

Concreto simple

DESCARGA 8 Diámetro de la tubería Material de la tubería Coeficiente de rugosidad de manning

N

-----

0,013

Gradiente hidráulico

S

%

0,30

D

m

0,550

-----

Concreto simple

DESCARGA 9 Diámetro de la tubería Material de la tubería Coeficiente de rugosidad de manning

N

-----

0,013

Gradiente hidráulico

S

%

0,23

FUENTE:TesistaMartha Tenesaca

- 97 3.1.2

DATOS

PARA

EL

DIMENSIONADO

DE

LA

PLANTA

DE

TRATAMIENTO. 3.1.2.1 DATOS PARA LA PROYECCIÓN DEMOGRÁFICA TABLA XVII. Datos de población de la ciudad de Cañar. Parámetros

Expresado como

Unidad

Datos

Población actual

Pa

Hab

11955

Período de diseño

N

Años

15

Índice de crecimiento poblacional

R

%

1,59

FUENTE: INEC Censo 2010

3.1.2.2 DATOS PARA EL CÁLCULO DEL CAUDAL DE DISEÑO TABLA XVIII. Datos básicos para el cálculo del caudal diseño. Parámetro Dotación de agua residual Coeficiente de retorno Área de proyecto

Expresado como D C -----

Unidad L/hab*día % Ha

Datos 181 80 105,2

FUENTE: Departamento de Alcantarillado y Agua Potable.

3.1.2.3 DATOS PARA EL DIMENSIONADO DEL CANAL DE LLEGADA TABLA XIX. Datos básicos para el dimensionado del canal de llegada. Parámetro Expresado como Unidad Datos Coeficiente de rugosidad de manning n ----0,013 Pendiente del canal Velocidad en el canal de llegada

S v

% m/s

0.05 0,6 a 2,5

FUENTE:Tesista Martha Tenesaca

3.1.2.4 DATOS

PARA

EL

DIMENSIONADO

DEL

ALIVIADERO

DE

ENTRADA TABLA XX. Datos básicos para el dimensionado del aliviadero de entrada. Parámetro Expresado como Unidad Datos Coeficiente de dilución Cof. dil. ----3 Coeficiente del vertedero

C FUENTE: Manual de Uralita

-----

1,7

- 98 3.1.2.5 DATOS PARA EL DIMENSIONADO DEL CANAL PARSHALL Para el dimensionado del canal parshall, se empleó los datos de las tablas del Anexo B. 3.1.2.6 DATOS PARA EL DIMENSIONADO DEL REJILLAS TABLA XXI. Datos para el dimensionado de rejillas. Parámetros

Expresado como

Unidad

Datos

Velocidad a través de las rejillas

vR

m/s

0,6

velocidad en el canal de aproximación

Va

m/s

0,4

Ancho del canal (impuesto)

B

m

0,6

Aceleración de gravedad

G

m/s2

9,81

Altura de seguridad

Hs

m

0,13

Criterios de diseño de barrotes asumido Espesor de la barra

S

cm

1,27

Separación entre barras

E

mm

30

Inclinación de rejas (limpieza manual)

Α

°

45

FUENTE: Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico RAS – 2000.

3.1.2.7 DATOS PARA EL DIMENSIONADO DEL DESARENADOR Características de las partículas a desarenar TABLA XXII. Datos de las características de la partícula a desarenar. Parámetros

Expresado como

Unidad

Datos

Densidad de la arena

Ρa

g/cm3

2,65

Densidad del agua residual

Ρ

g/cm3

0,99940

Diámetro de la partícula

D

cm

0,02

Viscosidad cinemática del agua

Η

cm2/s

0,012068

Aceleración de gravedad

G

cm/s2

981

-----

°C

13

Temperatura media del agua

FUENTE: OPS/CEPIS/05.163

- 99 Datos y parámetros para el dimensionado del desarenador propiamente dicho TABLA XXIII. Datos y dimensiones de un desarenador. Parámetro Ancho del tanque desarenador

Expresado como

Unidad

Datos

B

m

0,75

Relación largo : ancho

3:1

Relación ancho : profundidad Tiempo de retención hidráulico

1,25 : 1 TRH

s

180

FUENTE: Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico RAS – 2000.

3.1.2.8 DATOS PARA EL DIMENSIONADO DEL TANQUE IMHOFF Datos para el dimensionado de la cámara de sedimentación TABLA XXIV. Datos necesarios para el dimensionado de un tanque imhoff Parámetro Coeficiente de retorno Tiempo de retención hidráulico

Expresado como:

Unidad

Datos

CR

0,8

TRH

horas

3

Carga superficial

CS

m3/m2 *día

24

Ancho de sedimentador

B

m

6

Ángulo de la pendiente de la cámara

Α

°

50

FUENTE: Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico RAS – 2000.

Datos necesarios para el dimensionado de la cámara de digestión TABLA XXV. Valores sobre la digestión de lodos Parámetro de diseño Factor de capacidad relativa

Expresado como fcr

Dotación de lodo Ángulo de la pendiente del fondo de

Unidades

Α

Datos 1

L/hab*año

70

°

18

la cámara FUENTE: Guía para el diseño de tanque séptico, tanque imhoff y lagunas de estabilización (OPS/CEPIS)

- 100 Datos para el dimensionado de lechos de secado Tabla XXVI. Criterios de diseño de lechos de secado. Parámetro de diseño

Símbolo

Unidades

Datos

ρlodo

Kg / L

1,04

%Sólidos

%

%

12

Sólidos suspendidos

SS

mg/L

154

Tiempo de digestión

Td

días

55

Profundidad de aplicación

Ha

m

0,4

Densidad de lodos

FUENTE: Guía para el diseño de tanque séptico, tanque imhoff y lagunas de estabilización (OPS/CEPIS)

3.1.2.9 DATOS

PARA

EL

DIMENSIONADO

DE

LA

LAGUANA

FACULTATIVA Tabla XXVII. Datos necesarios para el dimensionado de una laguna facultativa Parámetro de diseño Relación largo /ancho

Símbolo

Unidades

L/W

Datos 2a3

Profundidad del a laguna

Z

m

1,5 – 2,5

Talud

Zp

m

1,5 a 3

Borde libre

BL

m

mínimo 0,5

Kf35°C

días-1

1.2

Tasa de acumulación de lodos

Ta

L/hab*año

100 a 120

Período de limpieza

N

años

5

Período de retención hidráulica

PR

días

5 a 30

Factor de hidráulica

fch

Constante de reacción de la DBO en lagunas facultativas a 35 °C

0,3 a 0,8

FUENTE: Guía para el diseño de tanque séptico, tanque imhoff y lagunas de estabilización (OPS/CEPIS)

- 101 3.2 3.2.1

CÁLCULOS CÁLCULO DE CAUDALES.

Para calcular el caudal se empleó los datos de la tabla del numeral 3.1.1.2 del presente capítulo. 3.2.1.1 CÁLCULO DE CAUDALES EN LA DESCARGA 1 El volumen se midió tres veces, para obtener un mejor resultado, por ello se obtiene el tiempo medió, a continuación se realiza el cálculo para el día lunes a las 6:30: 9 t t b t a

9 6,046 7,039 6,069 6,38s

Luego para calcular de caudal se empleó la relación Volumen/tiempo:

V t

8,75 1,37 L/s 6,38

El mismo procedimiento se realizó para todas las horas aforadas y también para todos los días. 3.2.1.2 CÁLCULO DE CAUDALES EN LA DESCARGA 2 Para calcular el caudal se utilizó la ecuación 1 de este documento, a continuación se realiza el cálculo para las 06:30 del día lunes: 1,38 h¿⁄b 1,38 0,025¿⁄b 0,000136 ma ⁄s Este mismo cálculo se aplicó para valorar el caudal de todas las horas para todos los días.

- 102 3.2.1.3 CÁLCULO DE CAUDALES EN LA DESCARGA 4, 5, 8, 9 Los cálculos necesarios para deducir la ecuación de manning son las siguientes: Estos cálculos se realizan para la descarga 4 aforado el día lunes a las 6:30 Cálculo del ángulo (θ) que forman las aristas a donde llega el líquido con el centro de la sección circular: Î sint Ï Î sint Ï

+D⁄2, P h Ñ D ⁄2

+0,65⁄2, P 0,030 Ñ 1,14 0,65⁄2 ÒπP2α

Ò π P 2 1,14 0,87 Cálculo del perímetro de la tubería en contacto directo con el líquido (χ): Õ

Õ

Dθ 2

0,65 0,87 0,28m 2

Cálculo del área mojada del escurrimiento (Ω): ×

×

Db +θ P sin θ, 8

0,65b +0,87 P sin 0,87, 0,0055mb 8

Cálculo del radio hidráulico (R):

Ω χ

0,0055 0,0196m 0,28

Cálculo de la velocidad de escurrimiento, mediante la ecuación 1: 1 M ÁRb⁄a S ⁄b Â n

- 103 M

1 Á0,0196b⁄a 0,187⁄b Â 3,49 m/s 0,009

Cálculo del caudal: Ωv 0,0055 3,49 0,0192 ma ⁄s Û Ü

0,0192

1000Ý 19,2 L/s 1Þa

Este mismo procedimiento se realizó para el cálculo de caudal para todos los días para todas las horas en las descargas 4, 5, 8, 9. 3.2.2

CÁLCULOS PARA EL DIMENSIONADO DE LAS ESTRUCTURAS DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO.

3.2.2.1 CÁLCULO DE LA POBLACIÓN FUTURA Para ello se empleó la ecuación y los datos del numeral 3.1.2.1, detallado en este trabajo: EF Pa+1 r,

EF 11955+1 0,0159,¿ 15146,4hab ß 15146hab

3.2.2.2 CÁLCULO DEL CAUDAL DE DISEÑO Para el cálculo del caudal de diseño se hace uso de los datos de la tabla del numeral 3.1.2.2 del Capítulo III. Caudal Sanitario Medio, QSM Se empleó la ecuación 4:

Pf D C 86400

- 104

15146 181 0,8 25,4L/s 86400

Caudal de Infiltración. QINF Para calcular el QINF se empleó el criterio del numeral 1.1.4.5 del Capítulo I: à" 0,15

L 105,2Ha 15,7L/s s Ha

Cálculo del factor de mayoración, F El factor de mayoración se calculó empleando la ecuación 6: "1 "1

14

4 %Pf⁄1000 14

4 %15146⁄1000

2,77

Caudal de Conexiones Erradas, QCE Para este caso se empleó la ecuación 7: '( 10% +Q F Q , '( 10% +25,4 2,77 15,7, 8,6 L/s

Caudal de diseño, QDISEÑO El caudal de diseño se calculó empleando la ecuación 5: à(Ñá Q F Q Q ! à(Ñá 25,4 2,77 15,7 8,6 94,7

L ó 8182,08 ma /día s

- 105 3.2.2.3 CÁLCULO DE LA VELOCIDAD EN EL CANAL DE LLEGADA

Los siguientes cálculos corresponden a la velocidad máxima: Coeficiente de manning para el cálculo del tirante de agua es: J J

Qn

b S L

0,0947 0,013 0,068 0,60 0,005

Luego tirante de aguas es: 1,6624 K ,sbab c +1,6624 0,068,sbab , 0,60 0,13m i

Como radio hidráulico es:

bd 0,60m 0,13m 0,090 b 2d 0,60m +2 0,13,

Entonces se verifica la velocidad en la ecuación 1:

R S M n M

1 0,090 0,005 1,09m/s 0,013

Se prosigue este mismo procedimiento para calcular la velocidad para el caudal medio, tomando en cuenta que caudal medio es de 49,7 L/s ó 0,0497m3/s

3.2.2.4 CÁLCULOS PARA EL DIMENSIONADO DEL ALIVIADERO DE ENTRADA

Cálculo del caudal máximo: Para el cálculo del caudal máximo se empleó el criterio del numeral 1.3.2.2 mencionado en el Capítulo I:

- 106 â3ã 4Q

DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO

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