Informe Final de Diseño
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Descripción: ptar tunja modulo 1...
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DISEÑO HIDRÁULICO, ESTRUCTURAL, ARQUITECTÓNICO, ELÉCTRICO, EQUIPAMENTO E INSTRUMENTACIÓN DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE TUNJA (BOYACÁ).
CONTENIDO 1.
INTRODUCCIÓN................................................................................................5
2.
REVISIÓN DEL DISEÑO BÁSICO.....................................................................8 2.1
2.1.1.
PARÁMETROS DE DISEÑO...............................................................9
2.1.2.
DIAGRAMA DE FLUJO......................................................................15
2.1.3.
DIMENSIONAMIENTO DE LAS UNIDADES.....................................15
2.1.4.
PERFIL HIDRÁULICO.......................................................................36
2.2
3
DISEÑO DE PROCESOS...........................................................................8
LOCALIZACIÓN TOPOGRÁFICA DE LA PTAR.......................................36
2.2.3
LOCALIZACIÓN DE LA PTAR...........................................................36
2.2.4
TOPOGRAFÍA....................................................................................37
DISEÑO HIDRÁULICO.....................................................................................37 3.1
INFORMACIÓN SUMINISTRADA............................................................38
3.2
HIPÓTESIS DE CÁLCULO.......................................................................38
3.3
PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO............................................................39
3.4
CÁLCULOS HIDRÁULICOS.....................................................................41
3.4.3
INTERCONEXIÓN ENTRE LOS DIFERENTES ELEMENTOS DE LA
PTAR
...........................................................................................................41
3.4.4
DISEÑO HIDRÁULICO DEL UASB...................................................42
3.4.5
MEDICIÓN DE CAUDALES EN LA PTAR.........................................47
3.4.6
DISEÑO DE LAS LÍNEAS DE ALIMENTACIÓN A CADA UNO DE
LOS MÓDULOS DE LA PTAR..........................................................................49 3.4.7
DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE DISTRIBUCIÓN DE CAUDALES. ...........................................................................................................50
3.4.8
DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE LLEGADA.................................51
3.4.9
LA TUBERÍA DE DESCARGA AL RÍO JORDÁN...............................53
3.5
MEMORIAS DE CÁLCULO HIDRÁULICO...............................................55
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DISEÑO HIDRÁULICO, ESTRUCTURAL, ARQUITECTÓNICO, ELÉCTRICO, EQUIPAMENTO E INSTRUMENTACIÓN DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE TUNJA (BOYACÁ).
3.6
SISTEMA DE MANEJO DE AGUA LLUVIAS............................................63
3.6.1
CUNETAS..........................................................................................63
3.6.2
SUMIDEROS......................................................................................64
3.6.3
SUB DRENAJES................................................................................65
3.6.4
RED DE RECOLECCIÓN
DE AGUAS LLUVIAS Y AGUAS
PRODUCIDAS EN LOS MODULOS................................................................65
4
3.7
MEMORIA DE CALCULO RED DE SPRINKLER UABS..........................66
3.8
RED DE SUMINISTRO DE AGUA INTERNA MÓDULO...........................68
DISEÑO SISTEMA DE MANEJO DE GASES.................................................70 4.6
MANEJO DE GASES METANOGÉNICOS DEL UASB............................70
4.6.1 4.7 5
7
MANEJO DE GASES SUPERFICIALES Y CONTROL DE OLORES......73
DISEÑO SISTEMA DE SUMINISTRO DE AIRE..............................................76 5.6
6
DISEÑO RED.....................................................................................70
DIFUSORES PARA TRATAMIENTO BIOLÓGICO...................................77
DISEÑO DE MANEJO DE LODOS..................................................................79 6.6
ESPESADOR DE LODOS........................................................................80
6.7
DESHIDRATADOR DE LODOS................................................................81
DISEÑO ARQUITECTÓNICO..........................................................................82 7.6
EL PREDIO Y SUS ALREDEDORES........................................................82
7.7
EL PROYECTO.........................................................................................82
7.7.1
CONDICIONES FÍSICO AMBIÉNTALES...........................................82
7.7.2
EJES Y TENSIONES DE ORGANIZACIÓN......................................83
7.7.3
CRITERIOS DE INTERRELACIÓN DE LOS EDIFICIOS..................83
7.8
ESTILO ARQUITECTÓNICO DEL PROYECTO.......................................83
7.8.1
DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO ARQUITECTÓNICO...................84
7.9
MODULACION..........................................................................................85
7.10
ALUMBRADO E ILUMINACION...............................................................85
7.11
INSTALACIONES......................................................................................85
7.11.1
EDIFICIO DE OPERACIÓN...............................................................85
7.11.2
CASETA DECANTER........................................................................87
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8
7.11.3
CASETA DE SOPLADORES.............................................................87
7.11.4
SUBESTACIÓN ELÉCTRICA............................................................87
7.11.5
CERRAMIENTO.................................................................................88
DISEÑO MECÁNICO.......................................................................................89 8.6
ESTRUCTURA DE ENTRADA..................................................................89
8.1.1
MONTAJE REJILLA DE ENTRADA Y BANDA TRANSPORTADORA. . ...........................................................................................................89
8.1.2
CÁLCULO DE PLATINAS DE FIJACIÓN PARA LA REJILLA...........90
8.1.3
CALCULO PERNOS DE FIJACIÓN..................................................90
8.1.4
PASARELA ESTRUCTURA DE ENTRADA.......................................92
8.1.5
VALVULAS DE COMPUERTA...........................................................96
8.1.6
CÁLCULO DE SÓLIDOS PARA LA RETENCIÓN EN LA REJILLA...... ...........................................................................................................96
8.2
CÁLCULO DEL DESARENADOR............................................................97
8.3
ELEMENTOS DE MANEJO DE GAS DEL UASB.....................................97
8.3.1
CUBIERTA.........................................................................................97
8.3.2
PASARELA UASB..............................................................................98
8.3.3
CÁLCULO TUBO ESTRUCTURAL...................................................99
8.3.4
CÁLCULO ESTRUCTURA DEL APOYO PASARELA.....................100
8.3.5
ESFUERZO A FLEXIÓN..................................................................101
8.4
UNIDADES DE BOMBEO.......................................................................102
8.4.1
BOMBAS SUMERGIBLES TANQUE DE LODOS...........................102
8.4.2
HIDRONEUMÁTICO SPRINKLERS................................................104
8.4.3
HIDRONEUMÁTICO RED DE SUMINISTRO.................................104
8.4.4
BOMBA DE LODOS.........................................................................104
8.4.5
BOMBA DE USO GENERAL...........................................................105
8.5
ESPESADORES DE LODOS.................................................................105
8.6
DESHIDRATADOR CENTRIFUGO.........................................................106
8.7
BARREDOR DEL SEDIMENTADOR......................................................106
8.7.1
DISEÑO BARREDOR DE LODOS..................................................107
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9
DISEÑO ELÉCTRICO.................................................................................111
9.1
METODOLOGÍA......................................................................................111
9.2
CÁLCULOS.............................................................................................112
9.3
DISEÑO DE ELEMENTOS DE CONTROL...........................................120
10
ESPECIFICACIONES DE OBRA............................................................124
10.1
ESTRUCTURA DE LLEGADA................................................................124
10.2
VÍA DE ACCESO ESTRUCTURA DE LLEGADA Y ZONA DE CARGUE
DE RESIDUOS...................................................................................................125 10.2.1 10.3
MÓDULO 2..............................................................................................128
10.3.1
ADECUACIÓN TERRENO MÓDULO 2..............................................128
10.3.2
VÍAS PEATONALES MÓDULO...........................................................130
10.4
Vía de acceso módulo 2..........................................................................131
10.5
Cantidades PTAR COMPLETA...............................................................133
10.5.1
Movimientos de tierra.......................................................................133
10.5.2
Cantidades de obra estructuras.......................................................137
10.7
1.
EXCAVACIONES VÍA ESTRUCTURA DE LLEGADA.....................127
CANTIDADES DE OBRA ELÉCTRICA...................................................170
INTRODUCCIÓN
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Dentro de la Fase III del Plan Maestro de Alcantarillado para la ciudad de Tunja, Boyacá y contando con el lote de terreno ideal para emplazar la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de Aguas Domésticas; la Empresa PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P., contrató a VELZEA LTDA., el diseño de las Alternativa Seleccionada de Tratamiento de las Aguas Residuales para la Ciudad de Tunja. La planta de tratamiento de aguas residuales - PTAR que se diseñará tendrá una construcción modular para cubrir paulatinamente el crecimiento de la ciudad y permitir la obtención de los recursos financieros necesarios para una obra de este tamaño. El prediseño lo realizó el Ingeniero Consultor ALVARO OROZCO, quien determinó el módulo óptimo de tratamiento y desarrolló dos alternativas de tratamiento de las cuales PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P., seleccionó el sistema mixto de reactor UASB y aireación extendida, de acuerdo con el prediseño; del cual transcribimos a continuación el proceso realizado y los resultados obtenidos. PREDISEÑO Tomando la información obtenida por PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P., en las dos fases anteriores del Plan Maestro se procedió a establecer los parámetros de diseño y a realizar el prediseño. Para efectuar el prediseño de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales, PTAR, de Tunja, se identificó la situación actual, estableciéndose los caudales de Aguas Residuales, AR, y Aguas de Infiltración en las condiciones actuales. A continuación se cuantificaron los caudales futuros de AR y de Aguas de Infiltración, y se proyectó el crecimiento de la población hasta saturación, teniendo en cuenta los estudios efectuados en el Plan Maestro por PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. Se definió, para condiciones del prediseño, la población, P, la dotación, INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. INFORME FINAL DE DISEÑO.doc
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q, el coeficiente de retorno, c, la contribución de infiltración, q I, el área de aferencia, A, etc. Con la curva de crecimiento de población, se calculó el retardo en la prestación del servicio de tratamiento de AR, etc., utilizando el análisis del costo mínimo, para entonces propone una modulación (unidad básica de tratamiento) de la construcción de la planta de tratamiento. Una vez modulada la planta y con la caracterización realizada por PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P., se calculó la carga orgánica unitaria, q DBO5 y demás parámetros de diseño. Se evaluaron varias tecnologías de tratamiento y de acuerdo a criterios de selección bien establecidos, se escogieron las dos Alternativas de tratamiento mejor calificadas para unas condiciones de eficiencia superior al 85%. Para las dos alternativas seleccionadas se efectuó el diseño básico, calculando las unidades hidráulicas y los reactores de tratamiento, lo cual resultó en un dimensionamiento de cada unidad, la especificación de los equipos componentes para finalmente concluir con el cálculo del costo de inversión y de operación de cada módulo de la PTAR. Una vez comparados los costos de las dos alternativas se establece que el tratamiento combinado de UASB y Lodos Activados con Aireación Extendida es significativamente más favorable, por lo que PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P., ordenó el diseño definitivo de la PTAR con estas características. Igualmente se realizó, en conjunto con PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P.,, la selección del terreno para la Planta de Tratamiento de Aguas INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. INFORME FINAL DE DISEÑO.doc
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Residuales, PTAR, ubicándose un área suficiente para la expansión futura de la PTAR a medida que se requiera la construcción de los Módulos adicionales. DISEÑO En este informe se presenta la ingeniería de detalle de la PTAR, en cuatro volúmenes: 1.
Revisión del Diseño Básico, Diseño Hidráulico, Diseño Mecánico y Eléctrico, Especificaciones y Costos de Construcción y Operación.
2.
2.
Diseño Estructural.
3.
Manual de Operación y Mantenimiento.
4.
Planos
REVISIÓN DEL DISEÑO BÁSICO
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El Diseño Básico fue realizado en el año 1999, según se explicó antes. Esta metodología fue revisada de acuerdo a los últimos desarrollos metodológicos, empleando como base los procedimientos de diseño aceptados en la literatura técnica reciente a la cual referiremos, principalmente la siguiente:
METCALF & EDDY, Wastewater engineering-Treatment and reuse, Fourth Edition, McGraw Hill, International Edition, Boston-USA, 2003.
Orozco Jaramillo, A., Bioingeniería de aguas residuales - Teoría y Diseño, ACODAL, Bogotá DC – Colombia, 2005.
Para le revisión del diseño conceptual se utilizaron modelos en Excel, los cuales han sido entregados en copia digital, y cuya presentación de salida se muestra en el presente capítulo, para explicar el procedimiento de diseño y de operación de los modelos.
El modelo utilizado es CALC-LODOS ACTIVADOS – TUNJA-
V03.XLS.
DISEÑO DE PROCESOS
2.1
El Diseño de Procesos Biológicos comprende las siguientes unidades: a.
UASB
b.
Reactor Aerobio
c.
Aireación
d.
Selector
e.
Sedimentador secundario
f.Espesador Los otros procesos unitarios de la planta son hidráulicos y se presentarán en la sección correspondiente. A continuación definiremos los parámetros de diseño que se emplearon para el dimensionamiento de las unidades. INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. INFORME FINAL DE DISEÑO.doc
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2.1.1. PARÁMETROS DE DISEÑO 2.1.1.1 Caudal de diseño de aguas residuales
El caudal para el diseño de las Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales, (PTARs), se obtiene de sumar los caudales correspondientes a los aportes domésticos y por infiltración. En estos cálculos, los caudales de infiltración incluyen los aportes por conexiones erradas, excepto las que conectan directamente al alcantarillado. Estas no se incluyen debido a que por la característica del sistema de saneamiento (alcantarillado combinado), todos los aportes por aguas lluvias y de excesos serán aliviados en estructuras de separación, antes de llegar a la PTAR. El caudal de diseño promedio se calculará así: QD = QARD + QI Los caudales promedio se emplearán para el diseño de los procesos biológicos, y los caudales máximos para el diseño de las unidades hidráulicas. Para estimar los caudales máximo de diseño deberán afectarse los aportes domésticos e industriales por los respectivos factores de mayoración. Con los criterios anteriormente expuestos, se estimaron los caudales, en L/s, de AR para la PTAR, los cuales se consignan en el Cuadro 2.1 tomado del informe de prediseño. En el informe mencionado, se calculó la dotación, q = 131 L/hab.d, la cuál se corrigió en el modelo por 100 L/hab.d según las mediciones más recientes hechas por PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P.,, suministradas a los INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. INFORME FINAL DE DISEÑO.doc
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CONSULTORES. Para infiltración se tomó q I = 0,13 Lps/ha, medido directamente en el terreno. Finalmente se calcula el coeficiente de mayoración. Los caudales mínimos se producen durante la madrugada, cuando el consumo de agua es más bajo y cuando el caudal circulante se debe a escapes, infiltraciones y pequeñas cantidades de AR. Con el propósito de definir la relación del factor de mayoración con respecto al área de drenaje, se adoptó la siguiente relación, mediante la cual puede obtenerse el caudal máximo a partir del caudal medio, éste último involucra en su cálculo a las áreas de drenaje. QMH 6,566 QMD0,852
(2.1)
La ecuación refleja la estandarización del factor de mayoración, el cual tiene la tendencia a adquirir valores altos para áreas pequeñas y bajos en áreas mayores. A manera de comprobación de la anterior ecuación se toma el factor de mayoración del cuadro 3.1.2.1. (incluyendo la variación estándar, del informe de prediseño): K1K2 = 1.95+0.56 = 2.51 que resulta muy similar a: QMH/QMD = 6.566 x (570)0.852/600 = 2.57. Ahora, en Orozco (2005, pp 271 a 272) se encuentra que el valor de q es para el consumo de agua potable, pero aquí estamos interesados es en el caudal de AR. Para calcularlo se emplea una constante c, el coeficiente de retorno, que define la fracción de agua consumida en una vivienda que va al alcantarillado. Usualmente INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. INFORME FINAL DE DISEÑO.doc
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está entre 0.8 y 0.9. De modo que el caudal de AR producido por una población P será: cqP 86400
Q dom
(2.2)
donde 86400 son los segundos del día, para dar el resultado en Lps. Sin embargo un alcantarillado recibe continuamente agua de Infiltración, presente siempre en la matriz del suelo, bien sea agua freática o agua de las pérdidas físicas de la tubería de acueducto.
La cantidad que recibe el alcantarillado no depende del agua
presente en el subsuelo sino de la transmisibildad de éste, como sigue: QI = qI Aa (2.3) Donde: QI: caudal de infiltración qI: caudal unitario de infiltración, 0,13 Lps/ha Aa: área de aferencia de infiltración al alcantarillado, ha.
De este modo, el caudal de diseño de procesos de una PTAR doméstica, Q D, para los procesos será: QD =
cqP + qI Aa 86400
(2.4)
Para los pre-tratamientos y la hidráulica en general, Q DH, será:
QDH = k1k2
cqP + qI Aa (2.5) 86400
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Siendo k1 la mayoración por el caudal máximo diario (Q maxd/Q), normalmente entre 1,5 y 1,8, y k2 la mayoración por el caudal máximo horario (Q maxh/Qmaxd), normalmente entre 1,3 y 1,7. El valor seleccionado para nuestro caso de k 1k2 es el de mayoración dado por la Ecuación (2.1). El resumen de los cálculos se presenta en la Tabla Nº 2.1 del informe de prediseño, y en la Tabla Nº 2.2 del modelo actualizado que se utilizó en la revisión del diseño básico. Tabla Nº 2.1: Cálculo de los caudales en el prediseño
Tabla nº 2.2: cálculo de caudales y calidad del AR
Cálculo de caudales en el modelo (Tabla Nº 2.2)
a.
En la casilla q, introducir la dotación: 100 L/hab.d, dado por PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P., En la casilla p, introducir la
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población: 131.387 habitantes, o sea la población de Tunja del año 2000. El programa calcula QAR. b.
En la casilla qI introducir la infiltración: 0,13 L/s/ha, calculado en el Plan Maestro. El programa calcula QI.
c.
En la casilla Aa introducir el área de aferencia: 2283 ha, de la Tabla Nº 2.1 en el año 2000.
d.
El programa calcula el caudal con la Ecuación (2.4), en L/s y m 3/h: QT = 448 L/s = 1616,36 m3/h.
2.1.1.2 Calidad de las Aguas Residuales
La Tabla Nº 2.2 también permite calcular la calidad de las aguas residuales en la PTAR. Para ello se debe medir con mucha exactitud la carga per cápita de DBO5, qDBO= 0,045 kg/hab.d (y de los otros parámetros que se deseen calcular). El valor dado se calculó durante el período de elaboración del Plan Maestro, y se volvió a calcular para las condiciones actuales con una medición muy precisa, que corroboró el dato que se obtuvo inicialmente. Los consumos per cápita también se calcularon para otros parámetros. El modelo calcula las concentraciones a la entrada de la PTAR, teniendo en cuenta la infiltración, las cuáles se resumen en la Tabla Nº 2.3. Hay que tener en cuenta que lo importante es la carga de DBO y no la concentración, lo mismo que para los otros parámetros.
Tabla Nº 2.3: Concentración de Parámetros en La PTAR
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Cálculo de la calidad del agua residual en la PTAR (tabla nº 2.2)
a.
En la casilla qDBO entrar la carga per cápita: 0,45 kg/hab.d
b.
El programa calcula carga total, LDBO = 0,45 x p = 5912,415 kg/d.
c.
El programa calcula la DBO5 = LDBO / QT, con las unidades apropiadas.
d.
Del mismo modo el programa calcula la DQO, los SST, el NTK y el P.
Es importante aclarar que el cálculo del PTAR se hace para la carga y no para el caudal. Aunque los módulos se diseñan para 120 Lps (según se determinó en el informe del prediseño), en realidad la variable de diseño es la carga, o sea 5912 kg/d para un caudal de 448 Lps (en el caso del cálculo de la Tabla Nº 2), es decir 5912 x 120/448 = 1584 kg/d por módulo, o mejor para 1548/ 0,045 = 35190 habitantes. En caso de que la concentración final de la PTAR varíe dependiendo de los sectores que se recojan y traten primero (pueden ser más o menos concentrados según el área de aferencia para infiltración) el número de personas a las que se le puede hacer el tratamiento por módulo será el mismo, de modo que se podría variar el caudal proporcionalmente. INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. INFORME FINAL DE DISEÑO.doc
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2.1.2. DIAGRAMA DE FLUJO El diagrama de flujo para la PTAR se seleccionó durante el prediseño y se modificó levemente según se presenta en la Figura 2.1.
Los cambios más
significativos consisten en la inclusión de un selector cinético antes del reactor aerobio, y la incorporación de diversas posibilidades de recirculación (al selector o al reactor) y de un by pass del desarenador al reactor aerobio. Una presentación detallada de la circulación interna de corrientes de agua, aire, gas metanogénico y gas superficial se muestran en los planos Nº PTT-H07, M10, M11 Y M20 A M27.
FIGURA Nº 2.1: DIAGRAM DE FLUJO
2.1.3. DIMENSIONAMIENTO DE LAS UNIDADES
Para explicar el dimensionamiento de las unidades, haremos uso del programa CALC-LODOS ACTIVADOS – TUNJA-V03.XLS. Para cada proceso se hará una breve explicación de los fundamentos teóricos y luego se procede a explicar como funciona el modelo. Todos los diseños parten de los cálculos de caudales y calidad INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. INFORME FINAL DE DISEÑO.doc
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presentados en la Tabla Nº 2.2. Se puede observar utilizando el modelo, que variaciones menores en calidad y caudal pueden ser asimiladas por la PTAR con cambios consecuentes en la operación de la planta.
2.1.3.1 UASB
Teoría El reactor UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) se puede diseñar a partir del procedimiento presentado por METACLF & EDDY (2003, pp 1010) y Orozco (2005, pp 376 a 379). Ver también la siguiente bibliografía citada en METCALF & EDDY:
Lettinga, G. and W. Hulshoff Pol, UASB design for various types of wastewaters, Water Science and Technology, vol. 24, nº 8, pp 87107, 1991.
Orozco, A., Pilot and full scale anaerobic treatment of low-strength wastewater a sub-optimal temperature (15ºC) with a hybrid plug flow reactor, Proceedings of the 8th International Conference in anaerobic digestion, vol.2, pp 183-191, Sendai-Japan, 1997.
Las variables de diseño para un UASB son la Carga Volumétrica, L V, kg DQOsol/m3.d y la velocidad ascensional, v s, m/h.
El tiempo de detención es una
variable no determinante, pues se desprende de las dimensiones calculadas a partir del caudal, la vs y la LV. Sin embargo, para diseños estándar, el tiempo de detención puede ser una guía. Las ecuaciones de diseño son: INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. INFORME FINAL DE DISEÑO.doc
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LV = S0.Q/VL
(2.6)
vs = Q/As = Q.HL/VL
(2.7)
Con: S0 = sDQO (DQO soluble) Q = caudal VL = volumen de líquido en el reactor HL = altura de líquido en el reactor Si Q, S0, Lv y vs están definidos, se pueden calcular V L y HL. El separador gassólido-líquido tiene unos diseños predeterminados que dan una altura de H G = 2,5 m. La altura total del UASB será entonces, HT = HL + HG
(2.8)
Para el cálculo de la producción de gas se emplea la ecuación:
273
VCH4 = 0,35 (1-1,22Y) (dS/dt) V 273 Tº C
con:
VCH4:
volumen de metano producido, L/día
Y:
coeficiente de producción, g SSV/gDQO.
dS/dt:
tasa de metabolización de sustrato, g/m3.día
V:
volumen del reactor, en m3.
T:
temperatura en ºC.
0,35:
L de CH4 producido por g DQO removido.
(2.9)
Véase Orozco (2005, pp 321). Diseño con el modelo (Tabla Nº 2.4)
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La Tabla Nº 2.3, es una salida del programa, hoja “UASB”, utilizado y al cual nos referiremos para explicar el diseño. De la Tabla 10-12 de METCALF & EDDY se encuentra que para AR con bajos AGV, para 15ºC, se puede aplicar una L V = 2 sDQO/m3.d para una eficiencia de remoción de sustrato (sDQO) del 85 a 90%. De la Tabla 10-14 de METCALF & EDDY se encuentra que para Aguas Residuales Domésticas la vs = 0,8 – 1,0 m/h. Téngase en cuenta que el cálculo de caudales y calidad del AR se hace en la hoja “Tanques Orozco” cuya parte pertinente se muestra en la Tabla Nº 2, discutida anteriormente.
Tabla Nº 2.4: Diseño de Reactor UASB
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La metodología es como sigue: a.
El caudal es 120 L/s = 432 m3/h.
b.
El sDQO ≈ DBO5 = 152,46 mg/L. Esto se desprende del hecho que DQO/DBO5 = 2 (para esta AR) y que sDQO = 50% de la DQO en ARD, es decir, sDQO = DBO5. Estos valores vienen de la hoja “Tanques Orozco”.
c.
De las Tablas 10-12 y 10-14 de METCALF & EDDY se seleccionan L V = 2 kg sDQO/m3.d y vs = 0,75 m/h y se colocan en las casillas correspondientes.
d.
El diseño del separador gas-sólidos líquido da una H G = 2,5 m y se coloca en la casilla indicada.
e.
La eficiencia según las tablas citadas es de mínimo 85%; colocamos 80% en la casilla. Sin embargo, para el diseño del sistema completo basta con que opere al 50% de eficiencia, lo que da el primer factor de seguridad que va a redundar en la robustez de la PTAR.
f.
El modelo calcula:
As = Q/vs = 576 m2
HL = S0.Q/LV.As = 2,06m de Ecuaciones (2.6) y (2.7).
HT = HL + HG = 4,56 m. Sin embargo de hace H T=5,0 m para tener altura para absorber cargas pico.
El gas se calcula con la Ecuación (2.8) aplicando una participación del metano del 65%.
g.
Las dimensiones del separador y demás se calculan de la Tabla 8.5 de Orozco (2005, pp 377).
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2.1.3.2
Reactor Aerobio
Teoría La teoría del tratamiento biológico parte de tres ecuaciones fundamentales, a saber: (i) remoción de sustrato; (ii) producción de biomasa; y (iii) consumo de oxígeno. Esta última se deja para el cálculo de la aireación, numeral 2.1.1.3. Para la remoción de sustrato existen dos tipos de ecuaciones que en la práctica producen el mismo resultado: La ecuación de Eckenfelder que se generaliza a la ecuación de Lawrence y McCarty: dS k 0S (2.10). Xdt k m S
Con
S: sustrato efluente, mg/L X: concentración de biomasa, mg/L SSVLM
Y la ecuación de McKinney dS k LS dt
(2.11)
Que se puede generalizar con la siguiente ecuación (ver Orozco, 2005, pp 178): dS KO S dt
(2.12)
Donde KO depende de la edad de lodos, θ c , así: INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. INFORME FINAL DE DISEÑO.doc
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KO
Con
1 k e θc
k 0 Y -
kcY
k0 - U kc
(2.13)
Y: coeficiente de producción, 0,5 para ARD k0: tasa máxima de remoción de sustrato, 5,0 d-1 ke: constante endógena, 0,05 d-1 kc: constante de saturación de Contois, 0,025 mg/L
U=
1 dS k e = Xdt θc
(2.14)
Aunque el modelo utiliza las Ecuaciones (2.12) y (2.13), hoja “Tanques Orozco” principalmente, hace una corroboración con la Ecuación (2.10) de Lawrence y McCarty, hoja “Tanques L & Mc”. Para el sistema completamente mezclado que se seleccionó en el prediseño, las Ecuaciones (2.10) y (2.12), después de efectuar el balance de masas correspondiente, se reciben, respectivamente, de la siguiente forma: 1 k m k e θc k m (1 k eθ c ) S= θ c (Yk 0 - k e ) 1 1 Yk 0 - k e θc
(2.15)
Con km: constante de saturación de Monod, 50 mg/L.
S
S0 1 KOtd
(2.16)
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Para la producción de biomasa la ecuación aceptada universalmente es: 1 YU k e (2.16) θc
Con θ c : edad de lodos, d. Remplazando la Ecuación (2.12) en la (2.14): U = K OS/X, y remplazando en la (2.16) se recibe:
X( S
1 kc ) c Y k0
(2.17)
Para el cálculo de la biomasa se emplea, por otra parte, la ecuación:
X=
θ c Y(S0 - S) Y(S0 S) t d (1 k eθ c ) 1 t d k e θc
(2.18)
Que se puede convertir en:
td =
θ c Y(S0 - S) Y(S0 S) X(1 k eθ c ) 1 X k e θc
(2.19)
De este modo el diseño para “Tanques Orozco” es como sigue:
Se propone una θ c (40 d en este caso) y una X (2350 mg/L SSVLM) y se obtiene de Ecuación (2.19) un td = 5 h y un S = 1,82 mg/L sDQO.
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Se corrobora el diseño con “Tanques L &Mc” es como sigue:
Se propone una θ c (40 d en este caso) y una X (2350 mg/L SSVLM) y se obtiene de Ecuación (2.19) un td = 4,98 h y de Ecuación (2.15) un S = 3,09 mg/L sDQO.
Con los dos métodos se obtiene prácticamente el mismo resultado. Para una ampliación de la teoría ver Orozco (2005, pp 173-180). Para el cálculo de la Recirculación, R, se emplea:
R
X T IVL 6
10 X T IVL
(2.20)
Si el Índice Volumétrico de Lodos IVL = 125, entonces se recibe:
R
XT 8000 X T
(2.21)
Aplicación del modelo (Tablas 2.5 y 2.6) Para utilizar el método de las Ecuaciones (2.17) y (2.19) nos referiremos a la Tabla 2.5, correspondiente a la salida del programa en la hoja “Tanques Orozco”. Nótese que parte de la salida de los parámetros de diseño mostrados en la Tabla 2.2, aparecen en ella, pues en esta hoja también se hacen los cálculos mostrados en la Tabla 2.2. Por otro lado, esta hoja también calcula la dotación (según datos actualizado de PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P.), el selector, los sedimentadores secundario, los espesadores, y los lodos para la centrífuga.
Cuando En los
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apartes respectivos nos referiremos a ellos en base a esta tabla. Recuérdese que para este caso, la DBO5 = sDQO (DQO soluble). En el supuesto de una remoción del 50% en el UASB (muy conservadora) la entrada al reactor será el 0,5 DBO 5 calculada. Además es importante explicar que como ya se seleccionó un t d = 5 h, si se presentan condiciones nuevas de DBO 5 inicial, basta manipular la edad de lodos y la X, para mantener el tiempo de detención de diseño. O si varía el Q y el t d (pues lo que se quiere es prestar el servicio a un número de personas, en este caso 35190 hab.) se pueden hacer los ajustes necesarios con el programa. Tabla 2.5: Diseño Reactor Aerobio (“Tanques Orozco”)
La metodología para “Tanques Orozco” es como sigue (colores gris y rojo):
g.
En QT se introduce el caudal del modulo, 432 m3/h (120 L/s).
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h.
Se introduce la edad de lodos deseada (TRC = 40 d) la biomasa, X = 2.350 mg/L SSVLM. La DBO5 se calcula como el 0,5 de la inicial (pues se supone que el UASB remueve el otro 50%), es decir 76,23 mg/L.
i.
Se introduce Y, ke, k0 y kc, dados en la teoría y el programa calcula KO.
j.
Como los SSVLM son el 80% de los SST, X T, el programa calcula este valor para el diseño de sedimentadores, espesadores, etc.
k.
S se calcula con la Ecuación (2.17) y t d con la (2.19), 1,82 mg/L de sDQO y 5 h respectivamente.
l.
Se calcula V = Q.td = 2188 m3.
m.
Se da una profundidad al reactor, h = 4 m, y se calculan las otras dimensiones y la eficiencia teórica.
n.
Si se asume un IVL = 125, se aplica la Ecuación (2.21) y R = 0,58. Sin embargo para seguridad, en el Sedimentador secundario se aplica un R=1,0, como se verá más adelante.
Estos resultados se ajustan un poco por circunstancias prácticas de diseño y construcción, y por ello no son los que resultan exactamente en los planos de diseño. La metodología para “Tanques L & Mc” es como sigue (ver Tabla Nº 2.6): a.
En el cuadro gris se entran los mismos parámetros que en los “Tanques Orozco” excepto el kc que se cambia por el km = 100 mg/L. Tabla Nº 2.6: Diseño Reactor Aerobio (“Tanques L & Mc”)
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b.
El programa calcula S = 3,09 mg/L con Ecuación (2.15), y t d = 4,98 h con Ecuación (2.18).
c.
El programa hace el resto de cálculo igual que en la hoja anterior.
2.1.3.3 Aireación
Teoría La aireación calcula: (i) los equipos necesarios para suministra el O 2 necesario para la bioconversión aerobia; y (ii) el Nivel de Potencia, NP, necesario para mantener la mezcla completa.
Para el primer caso emplea las ecuaciones
siguientes (ver Orozco, 2005, pp 266 y 267): A partir del ORR (Oxígeno Requerido Real), se puede calcular la Tasa de Transferencia de Oxígeno a Condiciones Estándar, TTOE,
TTOE =
OOR * c s [ * FCA * c sT - c 0 ] *1.024 (T-20)
(2.22)
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Dónde: cs :
Oxígeno Disuelto, OD, de saturación estándar, 9,092 mg/L ó g/m 3.
FCA :
Factor de Corrección de Altura, sobre el nivel del mar ; FCA = 1 – (1,17 x 10-4 x msnm). msnm: metros sobre el nivel del mar de la PTAR.
:
corrección de transferencia de Oxígeno de Agua Pura a Agua Residual. Depende del AR, pero es alrededor de 0,75.
:
corrección de salinidad, alrededor de 0,95.
csT :
cs a la temperatura del AR
c0 :
OD de operación deseado del reactor, 1 a 2 mg/L
T:
temperatura del AR
1,024(T-20) :
factor de corrección por T.
El ORR se puede calcular de varias maneras. El programa en la hoja “Aireación” emplea la ecuación de Eckenfelder, dO 2 dS a' b' X dt dt
Con a’ y b’, constantes.
(2.23)
El programa también anticipa consumo de O 2 por
nitrificación (NTK) y producción del mismo por desnitrificación. Para los requerimientos aproximados de mezcla se puede utilizar la siguiente ecuación, (ver METCALF & EDDY, 2003, pp 846): NP = 0,004 XT + 5
(2.23)
NP: Nivel de Potencia, kW/1000 m3 XT: SST, mg/L. INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. INFORME FINAL DE DISEÑO.doc
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Aplicación del modelo (Tabla Nº 2.7) En la Tabla 2.7 se presenta una salida del modelo para la hoja “Aireación”. La aplicación del modelo es como sigue: a.
El caudal viene de las otras hojas que lo calculan. Q = 120 Lps. El volumen se entra en la casilla V = 2316 m 3, que debe ser seleccionado después de tener en cuenta si hay selector y hacer consideraciones de construcción, a partir del volumen calculado en “Tanques Orozco”. Es un elección importante del diseñador.
b.
En la casilla de profundidad se entra h=4 m. Los valores de X y DBO 5 vienen de otras hojas.
c.
Se introduce en las casillas correspondientes SST, NH 4, NTK, Temperatura, altura sobre el nivel del mar (msnm), edad de lodos y eficiencia. Tabla Nº 2.7: Cálculo de la Aireación (Hoja Aireación)
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d.
Se seleccionan las constantes: α, β, a, b. c y d, y los diferentes valores de concentraciones de OD (ci), pero se pueden dejar los sugeridos por el programa. Para hacer lo anterior, el que maneje el programa debe realmente saber lo que está haciendo.
e.
El programa calcula las necesidades de aire para un sistema con difusores y la potencia requerida.
Para un difusor determinado puede
indicar el número necesario.
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f.
El programa también calcula los requerimientos para una aireador superficial y su Nivel de Potencia, NP, aproximado requerido.
g.
Para un sistema con difusores se requieren 745 para suministrar un flujo de 2978 m3/h de aire.
Ello requiere de sopladores con una
potencia de 94 HP. El manejo del programa requiere de conocimiento de la teoría de suministro de aire que puede ser revisada en METCALF AND EDDY (2003, pp 430, section 512).
2.1.3.4 Selector
Teoría La principal causa del abultamiento es el predominio de microorganismos filamentosos sobre los no filamentosos. Ver Figura 2.2. Por ello es necesario favorecer el crecimiento de organismos no filamentosos sobre los filamentosos para facilitar la separación gravitacional en el sedimentador secundario. Como los organismos filamentosos son más eficientes en CI, para promover el crecimiento de organismos no filamentosos, que son más sedimentables, se diseñan unas unidades con bajos tiempos de detención (de unos 15 minutos) a la entrada del reactor aerobio (especialmente en LACM) que someten a altas cargas los microorganismos promoviendo así el crecimiento de las bacterias esféricas. Luego estas bacterias llevan a cabo el tratamiento completo en el reactor. Estas unidades se conocen como selectores y tienen un diseño cinético (aerobio), y otro metabólico (anaerobio, que se puede utilizar también para la remoción de nutrientes, N y P).
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Figura 2.2: Curvas de crecimiento de bacterias filamentosas y no filamentosas, con el sustrato.
Para el diseño cinético recomienda tres selectores con cargas F/M (en g DQO/g SSLM.d) de 12, 6 y 3. La carga de cada selector incluye en su cálculo la biomasa y DQO de todos los anteriores. Ver Orozco (2005, pp 337). Aplicación del modelo (Tabla Nº 5, color amarillo) Para el cálculo del selector se aplica el modelo así:
Se entra el tiempo de detención deseado: tds = 0,33 h = 20 min.
El programa calcula el volumen del selector y lo adiciona al de aireación para obtener el volumen total del reactor, 142 y 2331 m3 respectivamente.
Se debe comprobar que tenga la F/M adecuada y los requerimientos de O2 que son aproximadamente del 20% del total.
El diseño del selector se observa en el plano PTT-H09.
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2.1.3.5 Sedimentador secundario
Teoría La sedimentación y la flotación son procesos de gran de gran importancia en el TAR, pues la separación de los sólidos de la masa de agua es parte esencial del tratamiento. En general la sedimentación se clasifica en cuatro tipos, a saber: 1. Sedimentación Discreta: también conocida como Sedimentación Tipo I. Se refiere a la sedimentación de partículas discretas y en baja concentración, donde las partículas sedimentan en forma individual y sin interferir la una con la otra. Es el caso de la Desarenación. La teoría la explica a través de la Ecuación de Stokes, aunque la aproximación a través de la TDS (Q/As) es más utilizada en el TAR. 2. Sedimentación Floculenta: o sedimentación Tipo II.
Se refiere a la
sedimentación de partículas no muy concentradas pero que tienden a flocular, de modo que la velocidad de sedimentación de la partícula aumenta con el proceso de sedimentación. Es lo que sucede en los sedimentadores Primarios y se diseña con el parámetro de la TDS: TDS = Q/As 3. Sedimentación
Perturbada
o
(2.24) de
Zona:
conocida
también
como
sedimentación Tipo III, ocurre con concentraciones intermedias de partículas, cuando las partículas, en la parte final de la sedimentación, forman una inter-fase sólido-líquido definida.
Las fuerzas entre partículas son suficientes para
estorbarse unas a otras, permaneciendo en posiciones fijas, una respecto a las otras. Ocurre en los sedimentadores secundarios del tratamiento biológico de las
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aguas residuales, y los parámetros que gobiernan el diseño son la TDS y la carga de sólidos, Qs Qs =Q(1+R).X/As.
(2.25)
4. Sedimentación de Compresión: es la que ocurre cuando las partículas están sedimentadas y tienen una estructura de partículas ya formada.
Esto sucede
cuando la concentración es muy grande, y más “sedimentación” solo puede ocurrir por compresión.
Es lo que ocurre en los espesadores y en el fondo de los
sedimentadores secundarios.
Se conoce como sedimentación tipo IV y su
parámetro de diseño es el Qs.
La sedimentación secundaria se requiere siempre, en todo TAR. En el tanque secundario de sedimentación se deben separar los sólidos del licor mixto del agua tratada. Normalmente la biomasa contiene un alto porcentaje de la DBO introducida con el agua residual, y si no se separa eficientemente, entonces el trabajo de conversión de la DBO del agua residual en sólidos biológicos se pierde. Es así como un efluente con un alto contenido de sólidos suspendidos, SS, contiene asimismo una alta DBO debido a ellos. Este es pues el paso final necesario para tener un efluente bien clarificado con bajo contenido de SS y DBO. Sin embargo, existen en la clarificación fenómenos de espesamiento y concentración de lodos, que hacen que este factor sea determinante en el diseño de clarificadores secundarios. El clarificador secundario debe servir dos funciones básicas: a) remover los SS del agua tratada y b) espesar el lodo de retorno. Ambas consideraciones deben to marse en cuenta en el diseño de un clarificador. Además debe proveerse de un volumen adecuado de almacenamiento para condiciones de flujos picos.
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Para la sedimentación se emplean las tasas de sobre-flujo, cargas superficiales o Tasa de Desbordamiento Superficial, TDS según se quiera llamar, presentados en la Tabla 7.4.
Tabla 2.8: Parámetros de Diseño de Sedimentadores
Estas cargas deben emplearse conjuntamente con el procedimiento para espesamiento, con el parámetro de la carga de sólidos, Q s, y así determinar cuál es el factor determinante en el diseño del clarificador secundario. Para la carga hidráulica sobre el vertedero puede emplearse un valor entre 125 y 500 m 3/d por metro lineal de vertedero. Ver Orozco (2005, pp 290-306).
Aplicación del modelo (Tabla Nº 2.5, color azul) La aplicación del modelo es como sigue: a.
Entrar en la casilla TDS = 0,5 m/h de la Tabla Nº 2.8.
b.
Entrar en la casilla Qx = 3 kg/m2.h de la Tabla Nº 2.8.
c.
Entrar el número de sedimentadores N = 2.
d.
Se selecciona una recirculación R = 1,0 en este caso,
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e.
El programa produce el diámetro del sedimentador para las cargas propuestas, aplicando las ecuaciones (2.24) y (2.25). Éstas pueden ser modificadas a valores menos conservadores. En este caso dio un diámetro de 23,45 m, que se puede modificar un poco por situaciones de construcción y diseño.
2.1.3.6 Espesador
Teoría Aplica la misma teoría de la sedimentación de compresión o Tipo IV, que se presenta en el numeral de sedimentación. Aplicación del Modelo (Tabla Nº 2.5, color verde) La aplicación del modelo es simple: a.
Se selecciona de la Tabla Nº 2.8 el Q s (o Qx) deseado en este caso, 1 kg/m2.h.
b.
Se selecciona el numero de espesadores, N = 2.
c.
El programa calcula en base la Ecuación (2.25) el área y el diámetro necesario. El espesamiento de lodos se trabaja en forma discontinua por lo que se multiplica por 6 la descarga promedia. En este caso nos da 2 espesadores de 5,06 m de diámetro.
d.
En la cuadro color lila del la Tabla Nº 2.5 se calcula la cantidad e lodos espesados que al deshidratador. En este caso 3,21 m/d.
2.1.4. PERFIL HIDRÁULICO La disposición topográfica del lote donde se ubicará la PTAR permite el flujo del agua residual por gravedad, desde la entrada hasta la salida al río, lo INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. INFORME FINAL DE DISEÑO.doc
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que resulta ser una gran ventaja en el ahorro de energía y equipos de bombeo. En el capítulo de diseño hidráulico (No. 3) se establecerá el perfil completo de flujo de agua residual.
2.2
LOCALIZACIÓN TOPOGRÁFICA DE LA PTAR
2.2.3 LOCALIZACIÓN DE LA PTAR El proyecto se encuentra ubicado en un predio al Nor–Oriente de la ciudad de Tunja. Localizado entre el río Jordán y la quebrada La Cebolla, en los limites entre los municipio de Tunja y Oicatá, colindando con los predios San Rafael y El Triangulo. Las coordenadas del proyecto son: Norte
Este
Esquina tanque 5
1’109.071,1372
1’083.613,8974
Esquina tanque 4
1’109138,3384
1’083770,9715
Esquina tanque 1
1’108893,1202
1’083875,8845
Esquina tanque 8
1’108825,9183
1’083718,8087
2.2.4 TOPOGRAFÍA Hacia el costado Sur – occidental se caracteriza por ser un terreno en ladera, el cual va cambiando su configuración hacia el norte con una pendiente promedio del 12% llegando a una “semi-planicie” aledaña al río Jordán. Esta tendencia se repite hacia el oriente del lote con una pendiente promedio del 17% llegando al punto mas bajo en la quebrada la cebolla.
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Esta configuración del terreno hace necesario la realización de cortes y rellenos relativamente grandes con diferencias de nivel de 18 metros promedio; para tal fin y basados en el estudio de suelos suministrado, los cortes se realizarán con taludes 1 a 1 (45º) dejando un quiebre de talud de 3 metros (en planta) para diferencias de altura mayores a 6 metros. La cota seleccionada para el proyecto fue la 2640, cuya elección se realizó teniendo en cuenta que los materiales de corte se reutilicen en los rellenos minimizando la adquisición de materiales de cantera; Así mismo, esta cota minimiza problemas relacionados con inundaciones al encontrase el río Jordán y la quebrada La Cebolla aledañas al predio de la construcción.
3
DISEÑO HIDRÁULICO
Este informe presenta los resultados de los cálculos hidráulicos de la PTAR de Tunja y se basa en la información acopiada por VELZEA. El informe se presenta en seis sub capítulos: Los tres primeros indican la información, hipótesis y procedimientos que sirvieron de base para los diseños. El cuarto sub capítulo muestra los cálculos realizados, el quinto detalla el perfil hidráulico obtenido. Finalmente, en los sub capítulos sexto y séptimo se anexan las memorias de cálculo y los planos. Los diseños se basaron en el esquema propuesto por el diseñador sanitario que contempla la implantación de ocho módulos de características idénticas y que se construirán sobre la margen derecha del río Jordán.
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3.1
INFORMACIÓN SUMINISTRADA
La información utilizada fue:
Levantamiento topográfico del lote.
Caudales de la primera etapa y de la etapa final del proyecto.
Prediseño de la planta. Dimensiones de el desarenador, tanque UASB, tanque de aireación, tanques sedimentadores.
Caudales de recirculación.
Localización en planta y elevación de los módulos.
Planos de excavación.
3.2
HIPÓTESIS DE CÁLCULO
Las hipótesis de cálculo hacen referencia a los caudales y niveles que sirven de base para los diseños hidráulicos.
Puesto que los cálculos se realizan de aguas abajo hacia aguas arriba, el
nivel de control es el nivel máximo del río Jordán. En visita realizada al sitio del proyecto, se informó que el río ocasionalmente ocupa la vega hasta una elevación 2536, por lo que para efectos de diseño se supuso que el nivel de descarga del efluente de la PTAR debe estar por encima de la cota 2537.
El patio de operación estará a la cota 2540.
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El caudal de la primera etapa será de 0.12 m3/s, como caudal de diseño
con un mínimo de 0.080 m3/s y un máximo de 0.30 m3/s. El funcionamiento hidráulico debe verificarse para el caudal medio, el mínimo y el máximo.
En una primera etapa se debe controlar el caudal en el primer módulo a
0.12 m3/s con la posibilidad de pasar hasta 0.30 m3/s.
Los caudales de recirculación son de 0.12 m3/s entre el tanque
sedimentador y el tanque de aireación.
3.3
PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO
El cálculo se realizó utilizando las hipótesis de flujo permanente y la repetida aplicación de la ecuación de Bernoulli entre las diferentes estructuras de la planta.
z1
p1 v12 p v2 z2 2 2 hl1 2g 2g
2
Donde,
z= p
elevación del nivel del agua en msnm
= presión en el punto. Para este caso se toma como referencia la presión atmosférica y se hace igual a cero.
v2 = cabeza de velocidad en el punto de interés en m 2g
hl =
pérdidas entre las secciones 1 y 2. Las pérdidas son por fricción y se
estimaron utilizando la fórmula de Darcy – Weisbach, y pérdidas locales por accesorios. INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. INFORME FINAL DE DISEÑO.doc
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La planta cuenta con un número de vertederos cuyo cálculo se realizó utilizando la expresión:
Q CLH
3
2
Donde: Q=
Caudal en m3/s
C=
Coeficiente de descarga del vertedero. Se tomó un valor de 1.8.
L=
Longitud del elemento sobre el cual se produce el vertimiento.
H = Cabeza sobre el vertedero en m. Para el cálculo de las pérdidas por fricción se utilizó la fórmula de Darcy – Weisbach: hf f
l v2 D 2g
Donde: hf f
= pérdidas por fricción en el tramo, en m
=
l=
factor de fricción. Se tomó un valor constante de 0.022 longitud sobre la cual se desarrolla la fricción, en m
D = diámetro de la tubería, en m. Las pérdidas menores se basaron en el manual “INTERNAL FLOW – A GUIDE TO LOSSES IN PIPE AND DUCT SYSTEMS”
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3.4
CÁLCULOS HIDRÁULICOS
3.4.3 INTERCONEXIÓN ENTRE LOS DIFERENTES ELEMENTOS DE LA PTAR Las memorias de cálculo se presentan en el Apéndice 1 para los elementos de interconexión entre las diferentes estructuras y se explican por sí solas, con la ayuda del diagrama de flujo incluido. Todas las tuberías de interconexión son en 18”. Estos cálculos presentan la hidráulica de la interconexión entre:
Los sedimentadores y el tanque de salida
El tanque de aireación y los sedimentadores
El tanque UASB y el tanque de aireación
La hidráulica entre la canaleta Parshall y el tanque UASB se presenta en el siguiente numeral, dada su complejidad. El desarenador
La hidráulica entra la cámara de distribución y el desarenador se presenta en otro numeral.
En todos los casos el procedimiento como se mencionó anteriormente, se basa en calcular el nivel esperado en la estructura de aguas arriba, basados en el nivel aguas abajo y en las pérdidas por fricción y por los accesorios entre las estructuras.
3.4.4 DISEÑO HIDRÁULICO DEL UASB
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3.4.4.1 Diseño de las Tuberías de Distribución
Explicación especial merece el diseño hidráulico del UASB, para lo cual se desarrolló una hoja de cálculo con el fin de cumplir las condiciones de diseño, y que se adjunta a estas memorias:
Los caudales a través de los orificios deben ser tan uniformes como sea posible. Se aceptan desviaciones hasta de un 10% entre el caudal mínimo y el máximo en el tanque.
Cada orificio debe cubrir un área no mayor de 2 m 2 de tanque. Se adoptó una separación entre laterales de 1.38m y entre orificios en cada lateral de 1.38m.
La disposición de las tuberías de alimentación al tanque UASB y de los laterales con los orificios se presenta en la figura correspondiente. Para lograr una distribución uniforme de la descarga en los orificios se debe minimizar las pérdidas entre el lateral más cercano y el más alejado (L1 y L19), así como en los laterales mismos. La hoja se basa en el cálculo de las pérdidas por fricción y las pérdidas inducidas por los codos y las “tees” de derivación para los laterales y en cada uno de los orificios. El caudal que descarga cada uno de los orificios se obtiene de la diferencia de nivel entre la elevación de la línea de energía inmediatamente aguas arriba del orificio y el nivel del agua en el UASB, a partir de la expresión: Q CA 2 gH
Donde: INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. INFORME FINAL DE DISEÑO.doc
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Q=
Descarga por el orificio en m3/s
C=
Coeficiente de descarga del orificio. Se tomó un valor de 0.5.
A=
Área del orificio en m 2, teniendo en cuenta la recomendación antes
mencionada.
H = Diferencia entre la elevación de la línea de energía y el nivel en el UASB El procedimiento es de tanteos y tiene como objetivo el mantener la diferencia en los caudales en los orificios dentro de un 10% para lograr así un desempeño óptimo del proceso que se desarrolla en el UASB. La hoja de cálculo se desarrolló para la primera flauta (lateral) y la última flauta. Los resultados obtenidos son:
NO. DE LATERALES NO. DE ORIFICIOS POR LATERAL NO. DE ORIFICIOS CAUDAL POR ORIFICIO DIÁMETRO DE LOS ORIFICIOS DIÁMETRO DE LOS LATERALES DIÁMETRO DE LOS PRINCIPALES DIÁMETRO ALIMENTACIÓN
19 X 2 8 304 (19 X 2 X 8) 0.0003947 M3/S 0.05 M 8” 27” 18”
Las pérdidas entre la canaleta Parshall y el UASB se presentan en la siguiente figura, basada en los resultados de los análisis realizados con la antedicha hoja de cálculo:
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E indican que las pérdidas son del orden de 0.65m para el caudal máximo esperado de 0.3 m3/s, de 0.1m para el caudal de diseño sanitario de 0.12 m 3/s y de 0.05m para el caudal mínimo esperado. Con base en estos resultados se ajustaron los niveles en el tanque y en la canaleta Parshall.
3.4.4.2 Diseño de las Canaletas Recolectoras
El diseño de las canaletas se basa en que el caudal unitario de vertimiento debe ser inferior a 125 m3/día – ml para el caudal de diseño, 0.12 m 3/s, y no más de 250 m3/día – ml para el caudal máximo de 0.3 m3/s. Con base en esto se diseñaron las canaletas secundarias que resultaron en 2 x 5 canaletas en cada uno de los tanques que vierten a su vez a una canaleta principal.
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La metodología utilizada se conoce como “Flujo Gradualmente Variado con descarga creciente” cuyos fundamentos teóricos se encuentran el clásico libro de V. T. Chow, Open Channel Hydraulics. La ecuación para calcular el perfil hidráulico en condiciones de flujo gradualmente variado con descarga creciente, se deriva a partir de la ecuación de cantidad de movimiento y se expresa así:
Q1 V1 V2 g Q Q 1 2
y
V2 Q S f x Q1
V
Donde: y : Variación de la superficie del agua Q1 : Caudal en el tramo anterior al considerado Q2 : Caudal en el tramo considerado
V1 : Velocidad en el tramo anterior al considerado V2 : Velocidad en el tramo considerado
V : Diferencia entre la velocidad en el tramo considerado y el anterior Q :
Diferencia entre el caudal en el tramo considerado y el anterior
S f : Pendiente de la línea de energía
x : Longitud del tramo considerado.
En la ecuación en mención, el primer término del lado derecho representa el efecto de las pérdidas por impacto, y el segundo la fricción. Este último término se calcula a partir de la ecuación de Manning mediante la siguiente expresión: n 2V 2 S f 4 / 3 R
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Siendo
n la rugosidad, y R el radio hidráulico.
El cálculo se efectúa mediante un procedimiento de tentativa y error en el que se supone un valor de y , el cual genera una profundidad, velocidad y fricción que se comprueban aplicando la ecuación mencionada. En el caso de flujo subcrítico, como es el de las canaletas del UASB, los cálculos se efectúan de aguas abajo hacia aguas arriba a partir de la profundidad crítica que se presenta al final de las canaletas en referencia. Considerando lo anterior, tanto la elevación de la canaleta principal como la elevación de las canaletas secundarias del UASB se determinaron de modo que descargaran libremente. Los cálculos se presentan en la hoja de cálculo correspondiente y en las figuras siguientes se grafican los perfiles por las canaletas.
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3.4.5 MEDICIÓN DE CAUDALES EN LA PTAR La medición de caudales en la PTAR se realiza en dos puntos: En la canaleta Parshall que es un elemento de reconocida precisión para la medición de caudales por lo que se ha incluido una en cada uno de los módulos de la PTAR. La canaleta tiene el doble objeto de medir y controlar el caudal que pasa por el UASB. La función de medición se garantiza con la construcción de una canaleta con dimensiones estándar que se ajuste a la gama de caudales por medir, en tanto de la función de control se basa en la operación de una válvula que alimenta una tubería que conecta un punto localizado aguas arriba de la canaleta y el tanque de aireación. La canaleta Parshall seleccionada tiene una garganta de 12” recomendada para un rango entre 0.010 m3/s y 0.450 m3/s. La curva de calibración de la canaleta se desarrolla en la hoja de cálculo y se presenta a continuación.
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Por otra parte, en la estructura de distribución se han previsto sendos vertederos de cresta aguda que alimentan cada uno de los módulos y que permitirán la medición con una precisión comparable a la de la canaleta Parshall, de la totalidad del caudal que pasa a cada uno de los módulos. La ecuación de un vertedero es:
Q CLH
3
2
Donde, Q=
Caudal que pasa por el vertedero en m 3/s
C=
Coeficiente de descarga del vertedero que toma un valor de 1.8 para
vertederos de cresta aguda
L=
Longitud del vertedero en m
H = Cabeza sobre el vertedero incluyendo la cabeza de velocidad en m.
3.4.6 DISEÑO DE LAS LÍNEAS DE ALIMENTACIÓN A CADA UNO DE LOS MÓDULOS DE LA PTAR
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El diseño de las líneas de alimentación a cada uno de los módulos está ligada a la estructura de distribución de caudales. Las condiciones para su diseño incluyen:
La cabeza disponible está limitada por las condiciones topográficas del lote, la localización de los módulos y de la tubería del afluente ya construida.
El caudal para el diseño varía entre un mínimo de 0.08 m 3/s y 0.30 m3/s y el desempeño debe ser aceptable dentro de todo la gama, con velocidades que no promuevan la sedimentación y que no excedan los máximos permisibles.
La diferencia de nivel en la estructura de distribución para la gama de caudales debe ser razonable.
Para el análisis se desarrollo una hoja de cálculo muy simple en la cual, basada en la distribución en planta de lo módulo, se adelantaron los análisis de varias opciones, llegando a la conclusión que el diámetro más conveniente para las conducciones es de 18”. El cálculo se basó en calcular para caudales de 0.080 m3/s y 0.30 m3/s, la cabeza necesaria para llevar el agua desde la estructura de distribución hasta cada uno de los módulos, dada una localización de la estructura de distribución, definida por el esquema de la planta. La figura siguiente presenta los resultados del análisis donde se grafican los niveles para los caudales máximos y mínimos.
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3.4.7 DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE DISTRIBUCIÓN DE CAUDALES La estructura de distribución de caudales es un elemento de importancia en el adecuado funcionamiento de la planta. La estructura debe ser flexible y simple de operar y debe garantizar una equidistribución de los caudales. La estructura adoptada se basa en una distribución frontal en octavas partes del caudal afluente a la PTAR, mediante la implantación de vertederos de cresta aguda colocados a la misma elevación, y con aducciones de un tamaño adecuado. El caudal que pasa por los vertederos descarga aun pozo, en el cual la elevación que adquiere el agua es función del caudal y en ningún caso ahoga el vertedero, garantizando una descarga libre y así, una correcta medición de los caudales. La estructura está provista de válvulas de compuerta en las tuberías que alimentan los módulos, y cuya operación deberá realizarse cuando salga el módulo de servicio. 3.4.8 DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE LLEGADA La estructura de llegada debe cumplir con los siguientes requisitos:
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La estructura debe estar en condiciones de regular el caudal afluente a la PTAR, independiente del caudal que llega a esta. Se debe tener presente que el sistema de alcantarillado es combinado y que son de esperarse en tiempo de lluvia, caudales muy superiores a los máximos sanitarios.
La estructura debe permitir una operación adecuada en la primera etapa cuando sólo un módulo esté en operación, y dar la flexibilidad para ir incrementando el caudal una vez se implementen los módulos siguientes.
La estructura adoptada se basa en controlar los caudales por medio de orificios que se pondrán en servicio en la medida que la capacidad de la planta esté en condiciones de procesar los caudales. La estructura tiene ocho pares de orificios, diseñados de tal manera que por uno de ellos pase un caudal de 0.12 m 3/s y por el otro 0.18 m3/s para un caudal combinado por pareja de 0.30 m 3/s. Los excesos se vierten por un rebosadero que descarga sus aguas al río Jordán. Los cálculos hidráulicos se basan en suponer un caudal afluente y definir la elevación y longitud del rebose para controlar un caudal determinado hacia la planta. El cálculo se basa en la ecuación de un orificio: Q CA 2 gH
Donde: Q=
Descarga por el orificio en m3/s
C=
Coeficiente de descarga del orificio. Se tomó un valor de 0.5.
A=
Área del orificio en m 2, teniendo en cuenta la recomendación antes
mencionada.
H = Cabeza sobre el eje del orificio.
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Para lograr un control adecuado de los caudales es necesario contar con una longitud de vertimiento apreciable, de manera de minimizar las variaciones de la cabeza sobre el orificio. La ecuación del vertedero de rebose es la misma del vertedero de cresta aguda antes citada, pero el coeficiente de descarga varía entre 1.7 y 2.4, dependiendo de la geometría. Para los cálculos de la PTAR se supuso un coeficiente de 1.8 m ½/s Los resultados de la aplicación de la ecuación se desarrollan en la hoja de cálculo y se presentan a continuación.
Los cálculos hidráulicos de los orificios se basan en la aplicación de la relación antes presentada para estas singularidades.
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3.4.9 LA TUBERÍA DE DESCARGA AL RÍO JORDÁN Los caudales de exceso vertidos en la estructura de entrada y control se conducen hasta el Río Jordán mediante un sistema de tuberías y pozos de caída convencionales. El diseño de la tubería se basó en el criterio que el flujo se mantuviera en régimen subcrítico, con velocidades mínimas de 0.70 m/s y velocidades máximas de 3.0 m/s. Como caudal máximo se adoptó una descarga de 5 m/s. Con base en lo anterior, y buscando que las profundidades de excavación fueran como máximo de 5 m, se determinó un diámetro de la tubería de 1.6 m con una pendiente de 0.3%. Es de anotar que para prevenir problemas de socavación, al final de la tubería se ha previsto la colocación de una estructura de descole la cual finalmente entrega las aguas al río en un ángulo de 45° con respecto a la dirección del cauce. el perfil hidráulico de la planta INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. INFORME FINAL DE DISEÑO.doc
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La figura siguiente resume los resultados de los cálculos en la forma del perfil hidráulico de la PTAR de Tunja.
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3.5
MEMORIAS DE CÁLCULO HIDRÁULICO
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3.6
SISTEMA DE MANEJO DE AGUA LLUVIAS
El sistema de manejo de aguas lluvias está constituido principalmente por cuatro tipos estructuras: Cunetas tipo I y II Sumideros Red de subdrenajes Red de recolección de aguas lluvias y aguas producidas en los modulos.
3.6.1 CUNETAS Se diseñaron dos tipos de cunetas denominadas tipo 1 y tipo 2, ubicadas paralelas a los ejes de las vías de acceso tanto de la planta como a la estructura de llegada. De la misma forma se ubicaron sobre el talud de corte en el sector Occidental del terreno. Estas cunetas tienen por objeto la recolección de las agua lluvias providentes de las vías de acceso, el talud del costado Occidental y de los módulos, para tal fin, las vías y el terreno donde quedarán los módulos debe garantizar una pendiente del 0.5% con el fin de obtener un buen drenaje de agua lluvias. Las cunetas tipo 1 se localizaron paralelo a las vías en donde no existe cruces vehiculares, en aquellos sitios donde existe algún tipo de intersección (entrada de vehículos al desarenador) se ubicaron las cunetas tipo II que brindan un mejor comportamiento tanto estructural como hidráulico. De la misma forma la cuneta tipo II se ubico perimetralmente a los módulo obteniendo un mejor comportamiento antes las aguas provenientes del talud. INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. INFORME FINAL DE DISEÑO.doc
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Las condiciones de operación a flujo lleno (borde libre 5 cm.) se presentan a continuación:
3.6.2 SUMIDEROS Estas estructuras tienen por objeto la recolección aguas lluvias provenientes tanto de las cunetas, así como la recolección de aguas subterráneas provenientes del sistema de subdrenajes. Las dimensiones de las estructuras son: INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. INFORME FINAL DE DISEÑO.doc
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Alto: variable entre 1.30 y 1.50 m
Largo: 1.28 m internos
Ancho: 0.63 m internos
El sumidero presenta un volumen sobre su parte inferior diseñado como colchón para mitigación de impactos directos de agua lluvia sobre la losa de fondo, así como deposito temporal de residuos que deberán ser removidos regularmente dependiendo de las características de operación del sistema de drenaje. En total se instalaron 12 sumideros recolectando agua lluvia del talud, vías y módulos. 3.6.3 SUB DRENAJES Consistente en un sistema de filtro que recoge las agua por intermedio de una tubería en PVC perforada en el sector medio inferior. Los detalles de materiales y características en general se observan posteriormente.
3.6.4 RED DE RECOLECCIÓN DE AGUAS LLUVIAS Y AGUAS PRODUCIDAS EN LOS MODULOS. La red de recolección esta constituido por tuberías en concreto reforzado clase II de 1 y 1.5 m de diámetro interno, que recogen las aguas provenientes de de los sumideros y del proceso de tratamiento de cada uno de los módulos para fu final vertimiento en la Q. las Cebollas. Las características del diseño se presentan a continuación:
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Los cálculos de las estructuras de recolección de aguas lluvias se realizaron asumiendo un nivel de aguas del río Jordán el cual fue la cota de 2636.5 msnm. Suponiendo una pendiente del 0.1%, las cotas del nivel de agua en la Q cebollas en los puntos de salida de las tuberías son 2636.6 y 2636.8. Las cotas de las tuberías se determinaron poniendo el eje horizontal a la elevación del nivel del agua en la Q Cebollas, es decir a las cotas 2636.6 y 2636.8 Con las cotas anteriores, las cotas de fondo para tuberías de 1.5 m de diámetro a la salida en la Q Cebollas son 2635.85 y 2636.05 La capacidad hidráulica a tubo lleno se calculó mediante la fórmula de Manning, con un coeficiente de rugosidad de 0.016. Los caudales incluyen los aportes de los sumideros.
3.7 MEMORIA DE CALCULO RED DE SPRINKLER UABS La red de suministro de agua al interior del UASB tiene por objeto impedir la formación de sólidos o la también conocida “galleta” sobre las gargantas de salida de gas metano. La red consta de una bomba que succiona el agua del tanque de salida y lo dirigen hacia el tanque UASB por intermedio de una tubería de Ø1 ½”, INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. INFORME FINAL DE DISEÑO.doc
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esta tubería de subdivide en 6 tuberías de Ø3/4” que entran directamente a cada garganta del UASB. Cada tubería de Ø3/4” esta provista de 8 sprinklers que inyectan el agua en un solo sentido minimizando al formación de sólidos (se adjunta especificaciones del fabricante). Los requerimientos de los sprinklers son los siguientes: Caudal: 0.03 L/s Presión: 2.1 Bares
Altura dinámica total de la bomba es de 24.02 m. con un caudal de 1.44 L/s. Los sprinklers que mejor se ajustan a las características de la red son de la marca “Rain Bird” modelo 15CST con una presión de trabajo de 2.1 Bar, caudal de 0.03 L/s y área de acción de 1.2 * 4.6 m (ver especificaciones técnicas).
3.8 RED DE SUMINISTRO DE AGUA INTERNA MÓDULO
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Con el fin de suministrar agua para mantenimiento de cada una de las unidades de tratamiento, se tiene prevista una red de agua cuyo origen es al tanque de salida. La red brindara servicios a: 1. Foso UASB 2. Desarenador (suministro aéreo) 3. Decanter 4. Espesador de lodos 5. Tanque de aireación (control de espumas) 6. Foso UASB 7. Tanque de aireación 8. Caseta de sopladores 9. Tanque de lodos (suministra de la misma forma a caja de agua residual proveniente del edificio de control y operación). 11. Tanque de aireación (control de espumas) 12. Tanque de aireación (control de espumas) Las memorias de cálculo se anexan a continuación:
Altura dinámica total: 28.52 m, caudal de 1.44 L/s. La red cuenta con 4 aspesores instalados del tipo “Rain Bird” con una presión de trabajo de 2.5 Bar, radio de operación de 10.40 m, caudal de 0.09 L/s.
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Teniendo en cuenta que la descarga de agua residual proveniente del edifico de operaciones será baja en sus inicios, se hace necesario suministrar agua de la red interna del modulo de forma manual mínimo 4 veces al día, de tal forma que la acumulación de sólidos y olores se mínima durante el transcurso del día. Las características de los equipos de los equipos de bombeo son similares, por lo tanto debe instalarse dos equipos en el tanque de lodos, la especificación del equipo se observan en las fichas técnicas posteriores.
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4
DISEÑO SISTEMA DE MANEJO DE GASES
Como ya se menciono anteriormente, en el reactor anaerobio UASB se producen reacciones las cuales liberan principalmente el llamado “biogás” compuesto esencialmente por Metano (CH 4) y gas carbónico (CO2) y en menor proporción acido sulfhídrico (H2S). Estos gases producidos deben ser separados, recogidos, secados, quemados o inyectados de acuerdo al tipo de gas, proceso que se explicará a continuación:
4.6 MANEJO DE GASES METANOGÉNICOS DEL UASB El biogás formado en la parte baja del tanque hace que el floculo o gránulo de lodo se infle y ascienda hacia la superficie, en este trayecto, el floculo chocará con la estructura denominada “rombo” haciendo que los gases se separen. El gas metano viaja hacia el exterior de las “tolvas” a las denominadas “gargantas”. Allí es conducido hacia una tubería de recolección de gases que lo dirige al tratamiento de gases. El tratamiento consta de una trampa de sedimentación, una válvula atrapa llamas, una válvula de alivio de presión y finalmente el quemador. Es necesario aclarar que la producción de gas metano es muy baja por ende es necesario tener previsto una pipa de gas GLP para mantener constante la combustión del mismo.
4.6.1 DISEÑO RED Para el diseño de la red se tienen los siguientes parámetros: Presión interna en el tanque= 101.32 KPa INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. INFORME FINAL DE DISEÑO.doc
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Caudal: 60 m3/h = 0.016 m3/s Densidad = 1.3 Kg/m3 Viscosidad dinámica = 0.0001027 Pois Viscosidad cinemática (m2/s) = 0.0000079 m2/s El diseño de la red se realizó con las ecuaciones de transporte de fluidos compresibles: Ecuaciones generales: Q
v , A
A
D 2 4
Donde: Q: Caudal V: Velocidad A: Área D: Diámetro de la tubería Ecuación de Hazen-Williams para gases: f * L *T * Q2 P*D
hf 9.82 * 10 8
Donde: f: factor de fricción P: presión (atm) P T: Temperatura en la tubería: T To Po
0.283
(ºK)
To: Temperatura ambiente (287 ºK) P= Presión de suministro (2*Po) Po = Presión barométrica del ambiente (Tunja 2782 msnm, Po=0.71 atm) Q = Caudal (m3/seg.) D = Diámetro (m)
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La longitud aproximada de la tubería es de 107.35 m y el gas se transportara por tubería de PVC (coeficiente de rugosidad 0.01 mm), se asumen perdidas del 10% por rugosidad y accesorios. El procedimiento de cálculo se describe a continuación:
Se asume una velocidad inicial. Para este caso 1 m/s
Con la velocidad y la ecuación general se haya el diámetro
Se calculan perdidas, 10% de la longitud de la tubería
Se haya el numero de Rynolds
Se haya la rugosidad relativa (e/d)
Con el número de Rynolds, la rugosidad relativa y los nomogramas de Moody se haya el factor de fricción f
Con la ecuación de Hazen-Williams se determina la velocidad y se comprará con la inicial, el procedimiento es iterativo hasta encontrar la velocidad definitiva. La siguiente tabla resume los resultados obtenidos:
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El diámetro seleccionado para la tubería principal de conducción es Ø4”, teniendo en cuenta los datos obtenidos y los requerimientos para asegurar un buen montaje. Para la salida de las gargantas (6 salidas por garganta) se selecciono un diámetro de Ø2”, la recolección de estas tuberías se hará en Ø3”, que conducirán a la tubería principal.
4.7 MANEJO DE GASES SUPERFICIALES Y CONTROL DE OLORES El proceso de producción y ascenso del H 2S es similar al descrito con el metano, la diferencia radica en que este gas asciende al interior de las tolvas razón por lo cual la superficie del tanque UASB deberá estar cubierto impidiendo su salida, al ser este gas un foco de mal olor. Este gas será recolectado en los domos (ver
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capitulo de cubiertas del UASB), y mediante un proceso de extracción – inyección será tratado en el tanque de aireación oxidándolo. El procedimiento para el cálculo de la red es similar al obtenido con el metano:
Esta red contará con una caseta denominada de control de olores, en donde será ubicado un equipo denominado “separador de goticulas” cuyo objeto es la separación del vapor de agua que viene con el H 2S y así impedir la formación de H2SO4 perjudicial para la operación normal de la red; Se colocarán dos equipos sopladores (ver especificación equipos), uno de ellos en stand-by, para la inyección del gas en el tanque de aireación. La tubería de salida de los sopladores se realiza en Ø2” PVC, se entierra hasta llegar al tanque de aireación donde existe un pasamuros para su entrada. Dentro del tanque se colocará una tubería de Ø4” conectada a 10 difusores para su inyección dentro del tanque.
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Los difusores dispuestos son iguales a los de suministros de aire por lo tanto en este capitulo no se hará mención de ellos. Las especificaciones de lo equipos se mencionan en un capitulo posterior.
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5
DISEÑO SISTEMA DE SUMINISTRO DE AIRE
Para el requerimiento en el suministro aire se opto por colocar dos equipos sopladores (ver especificación equipos) y uno adicional en stand-by que alimentarán dos tuberías (Ø6”) de salida de aire, él cual es inyectado al tanque de aireación. Cada línea de aire (Ø6”) se divide dentro el tanque en seis tuberías de Ø4”, de las cuales una de ellas va al selector. A su vez, cada línea de Ø4” se divide en dos líneas que dirigen el flujo hacia los difusores, sectorizando la distribución. El tanque de aireación esta dividido en dos sectores uno de ellos denominado “selector” cuyo objeto es la concentración de oxigeno (alrededor del 20% del total) promoviendo
el
crecimiento
de
organismos
no
filamentosos
que
son
sedimentables. Las tuberías principales de distribución serán en hierro fundido o acero galvanizado teniendo en cuenta las altas temperaturas que se presentan a la salida de los sopladores. Dentro del tanque, el material de las tuberías en cambiado a PVC teniendo en cuentas su menor costo y que las altas temperaturas se mitigaran al encontrase sumergidas las tuberías, por lo cual, no se ven afectadas por este fenómeno. Cada tubería principal (Ø6”) contara con una válvula de cortina y cheque a la salida de los sopladores. La válvula tiene por objeto independizar los sopladores previendo posibles reparaciones sin afectación del suministró de oxigeno; el cheque impide la entrada de aire a los sopladores cuando éste no se encuentre operando.
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Las tuberías de distribución (Ø6”, 12 e total) estarán provistas de válvulas de cortina, de tal forma, que cada sector pueda ser independizado en caso de mantenimiento sin afectar en gran medida la operación normal del tanque. En resumen se tiene:
Dos tuberías principales de distribución de Ø6”
Tres juegos de válvula de cortina y cheque para cada soplador
Cada tubería de Ø6” se divide para el suministro de aire en 6 tuberías de Ø4 (total 12) cada una provista de una válvula de cortina para aislamiento de flujo”
A su vez, cada tubería de Ø4” se divide en dos tuberías de Ø4” que dirigen el aire a los difusores. En total se tienen 24 líneas de tuberías de difusores, cuatros de ellas dirigidas al selector.
5.6 DIFUSORES PARA TRATAMIENTO BIOLÓGICO Los difusores son elementos fabricados en polipropileno provistos de un disco de membrana perforada que reciben el flujo de aire de las tuberías y lo inyectan al tanque en forma de micro-burbujas. De acuerdo a los diseños, para transferencia de oxigeno necesario se requiere de 800 difusores topo Nopon PIK 300, distribuidos de la siguiente manera:
40 difusores por línea en el selector para un total de 160, transfiriendo aproximadamente el 20% de aire a este sector.
32 difusores por línea para el resto del tanque para un total de 640 difusores.
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Teniendo cuenta la longitud de la tubería y la cantidad de difusores por línea los soportes se dividieron de la siguiente manera:
18 soportes por línea en el selector para un total de 72
16 soportes por línea en el resto del tanque para un total de 320
La especificación de los sopladores se presenta en un capitulo posterior.
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6
DISEÑO DE MANEJO DE LODOS
Los lodos producidos principalmente en los sedimentadores se conducirán por tubería (Ø10” PVC) al tanque de lodos, cuyo caudal promedio es de 60 L/s. Así mismo y de manera esporádica del tanque UASB se extraerá un volumen de 57.2 m3 de lodos que llegarán de igual forma a este tanque, el caudal de diseño es de 7.95 L/s de acuerdo al tiempo de vaciado, estimado en dos horas. Los lodos contenidos dentro del tanque se tratarán de dos formas. La primera de ellas es la denominada recirculación hacia el tanque de aireación cuyo objetivo es el de lograr las condiciones ideales en el licor contenido en el tanque de aireación para obtener la máxima eficiencia de remoción, ésta recirculación se realizará con un sistema de bombeo con una tubería de Ø12” en PVC, con una caudal promedio de 120 L/s. El segundo de ellos consiste en un sistema de espesado, el cual consta de dos instalaciones; el espesador de lodos y el equipo centrífugo (deshidratador de lodos). Este proceso se realiza una vez se hayan estabilizado los lodos primarios y secundarios producidos en la instalación, y el objetivo principal consiste en liberar de agua los lodos a concentraciones entre el 20 y 30% de sólidos totales para pasar a su disposición final en el relleno sanitario. La conducción se realiza por intermedio de un sistema de bombeo (tanque de lodos – espesador de lodos) con una tubería de Ø8”. Los cálculos detallados de producción de lodos son los siguientes, conforme a lo establecido en el modelo de cálculo:
Producción de lodos INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. INFORME FINAL DE DISEÑO.doc
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Px V *
dX t VX t 2188,62 * 2937,50 160,73Kg . / día dt l 40
Producción de lodos sedimentador (1%) Q. sedimentador = Px/0.01= 160,73/0,01= 16,07 m 3/día Producción de lodos espesador (5%) Q. espesador = Px/0.05 = 160,73/0,05 = 3.21 m 3/día Producción centrifuga (20%) Q. centrifuga = Px/0.20= 160,73/0.20 = 0.80 m3/día En el modelo de trabajo el valor de Px. se altero con un factor de 6 para el espesador de lodos, ello indica que el proceso de espesamiento de lodos se realizará durante un lapso de tiempo de 4 horas. Como se puede observar el volumen de lodos esperado para un día es 0.80 m 3 el cual es almacenado en
6.6 ESPESADOR DE LODOS Consiste en una estructura metálica elevada conformada por un tanque circular de entrada de Ø5.8 m interno que dirige los lodos hacia una tolva. Los lodos al tener una densidad mayor que la del agua se depositan en la parte baja de la tolva desplazando el agua hacia la parte superior. De allí los lodos depositados son conducidos por gravedad con una tubería de Ø4” al equipo centrífugo (deshidratador de lodos) también llamado “decanter”.
6.7 DESHIDRATADOR DE LODOS INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. INFORME FINAL DE DISEÑO.doc
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El proceso de deshidratación está calculado para evacuar la producción de lodos de un día 1 hora efectiva, de tal manera que la producción total de 8 módulos se podrá evacuar con un secador en 10 horas promedio teniendo en cuenta perdidas de tiempo y adecuación del decanter con un flujo de 4 m 3/h. Para este fin se tiene estimado la utilización de 0.5 Kg./h de polielectrolito diluido en 270 L de agua, para un caudal de 0.27 L/h de polielectrolito. Las especificaciones del equipo de deshidratación (decanter) se presentan posteriormente.
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7
DISEÑO ARQUITECTÓNICO
Mediante la valoración de las áreas necesarias y su conjugación con la planta de tratamiento se determinaron los espacios principales e intermedios para el uso del terreno. De tal forma que contribuyan a establecimiento de los más altos estándares de desempeño laboral. En cuanto al edificio de operación se localiza estratégicamente para jerarquizar la operación y el control de toda la planta de tratamiento. Ubicándose en el acceso principal del terreno de la misma.
7.6 EL PREDIO Y SUS ALREDEDORES Las determinantes del sector no influyen decisivamente en el diseño, excepto en el caso de los accesos. La implementación y la configuración volumétrica están supeditadas especialmente a la influencia de la planta de tratamiento y al aprovechamiento de las condiciones del terreno, (topografía, acceso y vistas) lo que sugiere el carácter mismo del proyecto, él cual debe ser austero y significativo.
7.7 EL PROYECTO
7.7.1 CONDICIONES FÍSICO AMBIÉNTALES
El proyecto esta asentado sobre un lote de topografía irregular.
Las edificaciones están orientadas con un sentido adecuado, respondiendo a la asoleación y ventilación.
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El proyecto se desarrolla dentro de un área de calma verde, colaborando con la actividad que allí ser desarrolla.
7.7.2 EJES Y TENSIONES DE ORGANIZACIÓN
La vía a Oicata
constituye una determinante paramental bastante
importante, conformando el primer eje
La vía de acceso a la planta constituye el segundo eje de tensión
La vía interna que va a la zona de cargue es el tercer eje de consideración.
7.7.3 CRITERIOS DE INTERRELACIÓN DE LOS EDIFICIOS
La orientación y la forma de las edificaciones está obedeciendo a los ejes de tensión como también a la articulación y organización de la planta de tratamiento.
El edificio de operación valora la relación y facilita la vinculación desde la planta.
Las
actividades
compatibles
entre
edificaciones
se
desarrollan
respectivamente en el sector de la planta.
Los volúmenes se volcán hacia la planta de tratamiento para dar escala a ésta, estructurarla y valorarla correspondiendo a las condiciones del sector.
7.8 ESTILO ARQUITECTÓNICO DEL PROYECTO. El proyecto, desarrollado en forma integral, obedece a determinantes funcionales. Son pocos los trazos que arman y estructuran los volúmenes inscribiéndolos entre las líneas modernas. De otro lado, fue llevado a cabo con una arquitectura limpia y expresiva acorde con el entorno. INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. INFORME FINAL DE DISEÑO.doc
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7.8.1 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO ARQUITECTÓNICO El proyecto está integrado por las siguientes edificaciones:
Edificio de operación
Caseta Decanter
Caseta de Sopladores
Subestación Eléctrica
El diseño de las anteriores edificaciones corresponde
a una gran sencillez y
eficiencia constructiva porque permite acudir a recursos existentes en la región. Es así, como la conformación de los volúmenes arquitectónicos y de los diferentes espacios construidos permite una máxima aireación, ventilación e iluminación natural. Además, un componente obligado en este proyecto fue el manejo de la buena acústica y la protección contra ruidos lográndose niveles de confort. De otro lado, es fácil la identificación de los elementos arquitectónicos que conforman la volumetría total del proyecto. Las
especificaciones
generales
de
materiales,
siguiendo
los
preceptos
mencionados anteriormente, son las siguientes:
La estructura (columnas y vigas) en concreto a la vista.
La mampostería como las alfajías en ladrillo a la vista.
La cubierta en Ajover trapezoidal super termo-acustic.
7.9 MODULACION INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. INFORME FINAL DE DISEÑO.doc
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La relación armónica entre edificaciones se logra proporcionando todas las máquinas y equipos necesarios para deducir un módulo, con base en este antecedente se dan relaciones métricas
en la concepción del diseño
arquitectónico.
7.10
ALUMBRADO E ILUMINACION
En el alumbrado se otorgó mayor importancia a la calidad de la superficie iluminada. Se trataron los siguientes conceptos:
Las fuentes luminosas son apartadas de la visual y se evitaron los contrastes entre fuentes de brillo intenso y penumbra, las lámparas a utilizar son todas de luz directa, lográndose en los locales los valores requeridos para los diferentes tipos de trabajo.
El flujo luminoso que penetra por las ventanas solo incide en una parte de la superficie de los locales y el resto es enviado por reflexión a toda la superficie de los sitios. Lo anterior es logrado por la dimensión y disposición de las ventanas y su localización y orientación en las edificaciones.
7.11
INSTALACIONES
7.11.1 EDIFICIO DE OPERACIÓN Se determinaron las características de los espacios en cuanto a superficie, altura y relaciones de dependencia entre los mismos. Se acordó el sistema de construcción tradicional.
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La edificación cuenta con una área de 150.80 m2 incluyendo cubierta, esta dividido en los siguientes espacios:
Almacén: Área de 18.67m2
Cuarto de control : Área de 18.67m2
Oficina: Área de 10.35 m2
Recepción: Área de 5.00 m2
Baño Oficina: Área de 1.40 m2
Laboratorio: Área de 16.25 m2
Baños: Área de 7.87 m2 por genero (Femenino y Masculino)
Circulación perimetral de 1 ml de ancho.
En cuanto a las instalaciones sanitarias se contaron con los siguientes elementos:
Retretes
Vestuarios
Baños de ducha
Las puertas de los retretes deben cerrarse por dentro, y se abrirán por fuera por medio de una llave de tubo. Numero Necesario: 1 retrete de cubeta:
Por cada 20 a 25 personas
1 urinario o un urinario de canal de 1 m:
Por cada 20 a 25 Hombres
1 lavamanos ancho de plaza de 0.50 a 0.60 cm:
Por cada 3 a 7 Operarios
1 ducha con trabajo sucio:
Por cada 15 Operarios
(Neufert Ernest. Arte de proyectar en arquitectura. Editorial Gustavo Gili S.A. Barcelona 1969 Pág. 294) INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. INFORME FINAL DE DISEÑO.doc
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7.11.2 CASETA DECANTER Se siguieron los preceptos de diseño del edificio de operación, la solución a este espacio fue determinada por el tamaño de los equipos, la relación entre los mismos, el acceso de éstos al área, como también los espacios necesarios para circulación y reparación de los mismos. La caseta cuenta con una área de 79.82 incluyendo cubierta
7.11.3 CASETA DE SOPLADORES Por ser una edificación con equipos especiales en cuanto a tamaño y producción de ruido, este espacio tuvo vital importancia en el aislamiento acústico, lográndose una alta amortiguación del sonido. En cuanto al diseño del espacio se determinó por el volumen de los tres sopladores, el acceso al área, el espacio necesario de circulación y reparación del equipo. La caseta de sopladores cuenta con una área de 86.95 m2 incluyendo cubierta.
7.11.4 SUBESTACIÓN ELÉCTRICA Es determinada básicamente por el volumen de la subestación eléctrica, el acceso para cambio o reparación, los criterios de circulación y aislamiento. El área con que cuenta la subestación es de 20.00m2 incluyendo cubierta, sin embargo esta instalación esta a nivel de prediseño.
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7.11.5 CERRAMIENTO Se tiene previsto un cerramiento en malla eslabonada de calibre 10 y altura 1.95 m. apoyada sobre una viga de amarre en concreto reforzado (acero ½” para refuerzo longitudinal y 1/4” para estribos separados cada 0.30 m.) sección de 0.30 * 0.50 m, deberá ser apoyada sobre terreno natural compactado en caso de encontrar suelo con buenas características mecánicas. La malla tiene incluido:
Postes (tubería galvanizada de Ø2”) separados 3 cada tres metros
Diagonal de refuerzo en tubería galvanizada (Ø2”)
Tensor de alambre calibre 8 exterior recubierto en PVC
Malla eslabonada calibre 8 recubierta en PVC
Alambre de púa galvanizado calibre 14
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8
DISEÑO MECÁNICO
8.6 ESTRUCTURA DE ENTRADA
8.1.1 MONTAJE REJILLA DE ENTRADA Y BANDA TRANSPORTADORA El montaje de estos elementos fue diseñado teniendo en cuenta las especificaciones dadas por los fabricantes, así con las condiciones de operación dentro de la PTAR. Para las bases de fijación, así como los pernos de anclaje de la rejilla de entrada se tuvieron en cuenta los siguientes datos: DIMENSIONES BÁSICAS Alto (m)
8.8
Largo(m)
2.6
Ancho(m)
4
Peso aprox. (Kg)
2800
Para la banda transportadora: DIMENSIONES BÁSICAS Alto (m)
1.2
Largo(m)
4.0
Ancho(m)
0.5
Peso aprox. (Kg)
300
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8.1.2 CÁLCULO DE PLATINAS DE FIJACIÓN PARA LA REJILLA Estas platinas serán empleadas para facilitar el anclaje de la rejilla al concreto y permitir que esta opere bajo condiciones seguras. Estarán sometidas a esfuerzo cortante. Material a emplear: Acero ASTM A-36
P P p h A bh b * * 0.75
h
27.44 KN 0.25m * 248MPa * 0.75
h 5.26 * 10 3 m 0.15in 1 / 4in
8.1.3 CALCULO PERNOS DE FIJACIÓN El anclaje de la máquina será realizado mediante pernos de fijación. Todas las roscas de los pernos son gruesas tipo UNC. Tornillos y pernos de fijación ASTM A490 CORTPERMT 22 KSI 152 MPa TENSPERMT 44 KSI 372 MPa
Cálculo de pernos de fijación: Falla por cortante fs = τa As τa = Esfuerzo cortante permisible As = Área sometida a cortante INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. INFORME FINAL DE DISEÑO.doc
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Ns = Número de pernos
As
Ns * * D 2 4
Carga de seguridad aproximada de pernos sometidos a cortante
Diámetro (in)
Carga de seguridad (kgs)
3/8
122
7/16
169
1/2
218
9/16
279
Número de pernos =16 Peso aproximado rejilla 2.8 Ton Se seleccionaron pernos de ½ in, de anclaje expansivo, ref. Hilti HDA ½” Conexión
Tamaño
Diámetro mayor
Hilos por
Área de
Longitud
Anclaje rejilla
(in) 1/2
básico (in) 0.500
pulgada 13
esfuerzo 0.1419
(mm) 55
Sujeción banda
1/4
0.25
16
0.08
45
Características pernos de anclaje
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Falla por tensión Ft ta * At
ta 0.6 Y At (W NDh)t
W = Ancho de la placa N = Número de agujeros Dh = Diámetro del agujero En estructuras, Dh = D + 1/16 in ó D = 2 mm Tornillos y pernos de fijación ASTM A490 CORTPERMT 22 KSI 152 MPa TENSPERMT 44 KSI 372 MPa
Para conexión de apoyo sin roscas en el plano de cortante = 40 KSI (σ cortantepermitido)
8.1.4 PASARELA ESTRUCTURA DE ENTRADA La función de esta pasarela es permitir el transito por la parte superior de la estructura, esto para facilitar la operación y mantenimiento de los diferentes elementos ubicados allí.
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El diseño de la pasarela se realizó con una carga de 300 Kg. Previendo que tenga que soportar. La pasarela cuenta con una baranda que rodea su perímetro para garantizar la seguridad de las personas que transiten sobre ella. Se seleccionó la lámina de alfajor (espesor 5mm) debido a su costo y facilidad de montaje y mantenimiento. SELECCIÓN DE PERFILES DE APOYO PARA PISO EN ALFAJOR
Viga Longitud 5.25 m La carga estará distribuida uniformemente, lo que genera que el momento máximo se efectúe en el centro de la viga. La carga a la que estará sometido el piso corresponde al peso de la banda transportadora y el peso de los operarios encargados de realizar mantenimiento e inspección a los equipos. Momento máximo: 16455.25 Nm Selección del perfil
ADMFLEXION
MF S
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Donde: MF = momento flector máximo S = módulo de la sección transversal. Material a utilizar: ASTM A36 Se utilizará un factor de diseño N = 8, por estar sometido a cargas repetidas
DISEÑO
S
U 400 MPa 50 MPa 8 8
M F 16455.25 Nm 0.000329105m 3 20.08in 3 D 50 *10 6 N 2 m
Se seleccionó perfilería en C, debido a la facilidad para el montaje de la estructura y se hizo teniendo en cuenta el módulo de sección requerido. Perfil Seleccionado: C4 x 5.5 Cálculo de soldaduras de unión entre perfiles: En todas las uniones se empleará el mismo tipo de soldadura, con electrodo 6010. Se escogió este electrodo porque es el más adecuado para el material que se va a soldar. Soldadura de filete. Ecuación esfuerzo cortante en uniones soldadas INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. INFORME FINAL DE DISEÑO.doc
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CORTANTE
P l *t
P = Carga l = Longitud de la soldadura t = Garganta Garganta: 1/8 in t = 0.707 (1/8) = 0.0883 in l = 4 in + 1.75 in + 1.75 in = 4.5 in τ tension = 60000psi τ cortante = 18000psi
P P *l *t l *t
A tensión:
P = 60000psi*4.5in*0.0883in = 23841lbf
A cortante:
P = 18000psi*4.5in*0.0883in = 7152.3 lbf
Soldadura ángulos de refuerzo para montaje de piso Garganta: 1/8 in t = 0.707 (1/8) = 0.0883 in l = 2in+2 in +2 in = 6 in A tensión:
P = 60000psi*6in*0.0883in = 31788lbf
A cortante:
P = 18000psi*6in*0.0883in = 9536.4 lbf
8.1.5 VALVULAS DE COMPUERTA
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Las válvulas se seleccionaron a partir de los diámetros obtenidos de los cálculos hidráulicos, así como las condiciones de operación requeridas en la PTAR. Datos Generales: Material Hierro fundido ASTM A278-84 Tipo Espigo o brida Sellos en bronce Columna de maniobra general Juego de guía y portaguia para el vástago Vástago en acero inoxidable Tiempo mínimo de cierre de válvula para evitar problemas de golpe de ariete o succión 2 minutos.
8.1.6 CÁLCULO DE SÓLIDOS PARA LA RETENCIÓN EN LA REJILLA
8.2
CÁLCULO DEL DESARENADOR
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8.3
ELEMENTOS DE MANEJO DE GAS DEL UASB
8.3.1 CUBIERTA La función de la cubierta es contener los gases superficiales del UASB, causantes de los malos olores en las plantas de tratamiento, pudiendo extraerlos fácilmente y oxidarlos en el tanque aerobio. La cubierta estará dividida en cinco secciones, cada una compuesta por 13 módulos con forma de domos, dos finales con tapa y 11 intermedios. La unión se hará mediante tornillos de ½ x2” y un empaque de neopreno esponjoso de ¼ x 3”, los cuales irán fijados a unas pestañas que sobresalen del domo. El anclaje al INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. INFORME FINAL DE DISEÑO.doc
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concreto se hará también mediante tornillos de 1/2x4”, que a su vz irán fijados a las pestañas laterales que sobresalen del módulo. Las dimensiones de los domos fueron determinadas buscando que estos fueran autoportantes, fáciles de manipular y que pudieran apoyarse sobre las vigas canales de concreto exteriores del UASB, aprovechando el sello de agua producido por estas. (Ver plano PTT-M29-M30) El material seleccionado fue resina de poliéster reforzada con fibra de vidrio, con un acabado liso exterior y rugoso interiormente. Este material lo hace resistente a la atmósfera corrosiva presente en el tanque y capaz de resistir una carga viva de 200Kg/m2. Se empleará tubería estructural como soporte de la estructura, la cual irá anclada al concreto mediante pernos de fijación. El montaje del piso se hará sobre ángulos mediante 8.3.2 PASARELA UASB Esta pasarela está diseñada para permitir el transito por la parte superior del UASB y facilitar el mantenimiento de las cubiertas de fibra de vidrio. Se seleccionó lámina de alfajor de 5mm de espesor. La pasarela está divida 5 secciones e irá unida a las vigas canales exteriores del UASB, las separación entre apoyos será de 2m, con refuerzo transversal en ángulo cada 1m.
8.3.3 CÁLCULO TUBO ESTRUCTURAL INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. INFORME FINAL DE DISEÑO.doc
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Material: Acero estructural ASTM A-36, límite de fluencia 248MPa.=36000psi Longitud=0.32m L 0.32 x 2.1 25.84 r 0.026 L Cc r Cc 126.09
F .S
5 3 L/r 1 L/r x 3 8 Cc 8 Cc
3
5 3 25.84 1 25.84 F .S x 3 8 126.09 8 126.09 F .S . 1.742
3
Donde: L/r = Razón de esbeltez Cc= Coeficiente de transición F.S= Factor de seguridad
ADM
y F .S
ADM
36000 1 25.84 1 1.742 2 126.09
1
1 L/r 2 Cc
2
ADM 20231.947 psi
2
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ADM
P A
P ADM * A ext 2 int 2 4
P 20231.94 *
P 7897.64lb 35130 N 2940 N
A partir de estos cálculos y teniendo encuentra el tipo de montaje a realizar se seleccionó tubo estructural de 2” de diámetro Material: Acero estructural ASTM A-36, límite de fluencia 248MPa.
8.3.4 CÁLCULO ESTRUCTURA DEL APOYO PASARELA La estructura de apoyo se realizará mediante ángulos, los cuales estarán sometidos a flexión.
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8.3.5 ESFUERZO A FLEXIÓN El material a usar será acero estructural ASTM A-36 con un límite de fluencia de 248MPa, el factor de seguridad para elementos sometidos a flexión es de 0.6, por lo tanto se trabajará con esfuerzo admisible de 148.8MPa.
MF S 1470 N .m S 9.87 x10 6 m 0.6028in 3 6 148.8 x10 Pa
FLEXION
Se seleccionaron ángulos de 2x2x1/4”. Además de está estructura se ubicarán refuerzos transversales para evitar que la lámina de alfajor se flecte.
8.4
UNIDADES DE BOMBEO
8.4.1 BOMBAS SUMERGIBLES TANQUE DE LODOS
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Estas bombas fueron seleccionadas de manera que puedan conducir los lodos desde el tanque hasta los espesadores, así como permitir su recirculación desde el tanque de lodos hacia el tanque de aireación. Se han seleccionado dos equipos para suplir toda la recirculación de acuerdo con el caudal (60 L/s) y cabeza de diseño (7 m) en la siguiente figura se observa la curva de la bomba. Por ser las bombas un equipo crítico en la operación, se dispone de la instalación de una bomba adicional para que se alterne con las dos de diseño. Una de las bombas contará con un variador de velocidad que permitirá manipular el caudal. (Ficha técnica variador y bomba sumergible)
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8.4.2 HIDRONEUMÁTICO SPRINKLERS Esta bomba está diseñada para suministrar el caudal necesario a los sprinklers para la remoción de la “galleta” que se forma dentro del UASB. Está ubicada en el tanque de salida y bombeará agua hacia el UASB, el caudal apox. es de 1.44 l/s.
8.4.3 HIDRONEUMÁTICO RED DE SUMINISTRO Está diseñado para alimentar la línea de rociadores que remueven la espuma dentro del tanque de aireación y para suministro de servicios generales del modulo. Funcionará intermitentemente, de acuerdo a los requerimientos de la planta
8.4.4 BOMBA DE LODOS Está bomba se requiere para alimentar el secador centrífugo, respondiendo a comandos sincronizados con el secador. En la siguiente figura se observa la curva de selección de la bomba.
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8.4.5 BOMBA DE USO GENERAL Está bomba será utilizada para realizar el desagüe del UASB de cada uno de los módulos, por lo que no cuenta con una ubicación específica.
8.5
ESPESADORES DE LODOS
Fueron diseñados para espesar y almacenar los lodos producto del proceso y de ahí llevarlos al secador para su deshidratación. Constituye una estructura metálica conformada por tanque y tolva que está soportada por perfiles en ángulo.
DIMENSIONES BÁSICAS INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P.
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8.6
ALTO (M)
6.4
DIÁMETRO(M)
5.8
PESO APROX. (KG)
9300
DESHIDRATADOR CENTRIFUGO
Equipo especial que reduce sustancialmente lel contenido de humedad del lodo, dejándolo listo para disponer en relleno sanitario. Se ha seleccionado uno de 6 m3/h de capacidad máxima, para una operación de 4 m 3/h.
8.7
BARREDOR DEL SEDIMENTADOR
Este elemento está diseñado para recoger los lodos que se van depositando en el fondo del sedimentador, con el movimiento del barredor se los hace pasar por la salida hacia el tanque de lodos. Consta de una estructura metálica soportada en sus dos extremos y gira a 5 vueltas por hora impulsado por un moto reductor. Cuenta con una pasarela para acceder a la zona del mecanismo central de operación del barredor, lo cual facilita el mantenimiento. Los equipos se describen en las fichas técnicas incluidas en el capítulo 10.
8.7.1 DISEÑO BARREDOR DE LODOS
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El recorrido con el diseño de los rascadores es de 15º de inclinación para la partícula que cae en la orilla del decantador hacia el centro ( la partícula más lejana) equivale a 1.37 vueltas del puente decantador. Por lo consiguiente se toma como dato inicial para el diseño la carga que puede tener el sedimentador durante el transcurso de tiempo que demora en desocupar las partículas.
ANÁLISIS Datos Generales INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P.
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Producto a trabajar VARIABLE Tamaño del Tanque
Lodos agua residuales SÍMBOLO
VALOR
UNIDAD
Diámetro Tanque decantador
27.5
metros
Diámetro tanque dentro vertedero Diámetro Línea de conducción rueda perímetro del tanque fuera vertedero perímetro del tanque dentro vertedero
23.9 27.1 86.39 75.08
metros metros metros 2 metros 2
Tamaño puente rascador ancho Alto Largo Caudal
Q=
1.2 1.3 15.2 60.00
metros metros metros l/s
Porcentaje de decantación
% decant. =
5.00
%
Rata de Lodo Densidad de Lodo
Rata = =
3.00 1.30
Velocidad del puente
=
5.00
l/s gr./ml vueltas /
Velocidad de desplazamiento carro testero
V carro.
68.75
hora metros / hora metros /
1.15 velocidad de desplazamiento ruedas motriz
V rued.
minuto metros /
67.75
hora metros /
1.13 494 º 1.37
minuto grados vueltas
t
16.47
minutos
t
988
segundos
2964
litros
3853.20 1.20 4624
Kg.
7850
Kg./m3.
ángulo barrido vueltas de partícula mas lejana tiempo de duración de recorrido de la partícula
Volumen de lodo almacenado por el decantador
Vol. = Rata /
en este tiempo
t
Peso total de lodo factor de seguridad Peso total de lodo
P f W=P.f
peso especifico acero A36
Kg.
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Para seleccionar los perfiles tanto de la base del puente como de los soportes de las rasquetas utilizamos la siguiente fórmula: CALCULO DEL MÓDULO DE LA SECCIÓN esfuerzo _ admisible _ acero _ la min ado _ en _ caliente
2 klb
in 2
Modulo _ de _ la _ sec ción :
Mc M M S I S
Después de desarrollar la fórmula podemos seleccionar los materiales según tablas.
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9
9.1
DISEÑO ELÉCTRICO
METODOLOGÍA
El proceso realizado para llegar a la obtención de capacidades de equipos, calibres de conductores fue el siguiente: a partir de los parámetros suministrados del diseño de planta, se establecen o agrupan los equipos teniendo en cuenta el voltaje de alimentación; teniendo en cuenta la capacidad instalada requerida por cada uno de ellos, se aplican los factores de demanda que en ultimas indican el régimen de trabajo de cada uno de los equipos. Con la sumatoria de todas las potencias demandadas se dimensiona el alimentador de cada uno de los tableros por capacidad de corriente, posteriormente se tiene en cuenta la longitud del alimentador o acometida para determinar la máxima caída de tensión que se permite, todo teniendo en cuenta el C.E.N (NORMA ICONTEC 2050). De manera similar para la obtención de la capacidad del transformador y la planta eléctrica que han de suministrar la energía al voltaje adecuado de operación, se tienen en cuenta todas las cargas, un factor de demanda y se obtiene la capacidad del transformador, teniendo en cuenta los valores normalizados por los fabricantes. Es necesario aclarar que para esta primera etapa, además del diseño de las Instalaciones del modulo 2, se
establecieron las rutas de ducterias para las
etapas posteriores, tanto de media y baja tensión así como la infraestructura para realizar el sistema de control de la planta de tratamiento. De otra parte se solicitó la disponibilidad de servicios ante la electrificadora de Boyacá, para tener el punto desde el cual se puede dar servicio al proyecto, indicándoles previamente el desarrollo por etapas que se ha previsto. En este INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P.
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sentido se deberá prolongar la red aérea actual de 13.200 v para la primera etapa (eléctricamente la primera etapa cubre dos módulos) y el servicio será entregado a este nivel de tensión. Para la segunda etapa, se debe implementar la subestación principal en 34.500 v, por lo que se planteó en el proyecto de subestación primera etapa, la instalación de estructuras y herrajes propios de 34.500 pero que se conectaran temporalmente a 13.200 v. Una vez se realice el proyecto de la red de 34.500, lo único que no se podrá utilizar de la subestación de la primera etapa será la celda de medida y el grupo de medida, pues la medida se realizará en 34.500.
9.2
CÁLCULOS
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9.3
DISEÑO DE ELEMENTOS DE CONTROL
La automatización
consiste en la implementación de equipos y controles que
faciliten la operación de la planta, disminuyendo el riesgo de posibles errores, INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P.
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optimizando el trabajo de los operarios y aumentando la eficiencia general de la PTAR. Los puntos sobre los cuales se desea hacer control en la PTAR son:
Estructura de llegada: medición de flujo en tiempo real e integrador. Medición de flujo en vertedero de exceso.
Canaleta Parshall: (i) medición de flujo en tiempo real a la salida (2); (ii) control de flujo con válvula solenoide (o equivalente) a la entrada (1).
UASB: (i) medición de producción de gas metano en tiempo real e integrador; (ii) presión en la tubería, (iii) control de condensado: consultar con el proveedor de equipo que más controles se necesitan. Puntos de muestreo a diferentes alturas.
Reactor Aerobio: (i) medidor de O 2 en tiempo real; (ii) controlador de aireación: chequear con proveedores que otros controles se necesitan; termómetro, horómetro (iii) medición de presión en tubería de suministro de aire: chequear con proveedores que otros controles se necesitan.
Operadores automáticos en: (i) la dos válvulas de la tubería de distribución de llegada al UASB; (ii) las dos válvulas que comunican con los sedimentadores; (iii) el sistema de bombeo de recirculación (tres bombas), colocar variador de velocidad en una de las bombas.
Diseñar sistema de cerrado y apertura (requiere el control de varias válvulas): (i) descarga de lodos del UASB; (ii) recirculación al reactor aerobio; (iii) alimentación a los espesadores; (iv) alimentación de del sistema antiespumante en el reactor aerobio; (v) alimentación de los sprinklers para la salida del gas de UASB.
Sistema de deshidratación:
PLC que maneje todo el sistema.
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A continuación se presenta una lista de elementos de control a utilizar en la PTAR de Tunja:
El mando sobre el sistema de control se hará mediante un PLC, ubicado en la caseta de fuerzas de cada módulo, el cual según la lógica y los setpoints planteados realizará el control sobre la planta. Cada PLC controlará el funcionamiento de 1 módulo. El sistema de mando central de los 8 módulos se realizará mediante un computador ubicado en el edificio de operaciones, a este llegará la señal de cada uno de los PLCs, Las características del PLC básicas del PLC son:
DIGITALES
ANÁLOGAS
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ENTRADAS
32
8
SALIDAS
32
4
10 ESPECIFICACIONES DE OBRA Las especificaciones contemplan los siguientes ítems: INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P.
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Estructura de llegada
Vía de acceso estructura de llegada y zona de cargue de residuos
Adecuación de terreno módulo 2
Vía de acceso módulo
Cantidades totales planta de tratamiento
10.1 ESTRUCTURA DE LLEGADA Para la determinación de las cantidades de excavación y rellenos de la estructura de llegada se trazaron secciones en sentido longitudinal de la estructura, calculando los cortes con taludes a 45º siguiendo las recomendaciones trazadas en el estudio de suelos. Las cantidades se expresan en la siguiente tabla: ESTRUCTURA DE LLEGADA LOCALIZACIÓN ABSCISA
CORTE AREA VOLUMEN
RELLENOS AREA VOLUMEN (M2) 11.65 11.65
6.82
(M2) 87.70 74.41 56.55 44.05 37.17 26.62 23.97
0.25 57.04
190.73 4.68
CÁMARA DE ENTRADA, VERTEDERO y REJILLA
3.90 2.80
ESTRUTURA SALIDA 9.44
BASE TALUD
(M3)
TOTAL
41.57 46.77 383.36
17.50 12.82
(M3) 6.70
143.11
172.51 47.68 267.05 958.94
190.73 4.68
47.68 267.05 464.54
Además se tiene previsto la colocación de recebo compactado (capa de 20 cm. de espesor) sobre la base de la estructura con las recomendaciones trazadas en el estudio de suelos y específicamente del ensayo del Proctor.
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10.2 VÍA DE ACCESO ESTRUCTURA DE LLEGADA Y ZONA DE CARGUE DE RESIDUOS Las vías de acceso tanto a la estructura de llegada como a los módulos se diseñaron con los siguientes parámetros de acuerdo con el manual de diseño geométrico para carreteras del Instituto Nacional de Vías:
PARÁMETROS DE DISEÑO VALOR UNIDAD 30 Km./h
PARAMETRO Velocidad de diseño Velocidad de marcha Velocidad media Peralte máximo Radio de curvatura Ancho de carril Pendiente Bombeo Ancho recomendado para calzada Berma Elevación anden
25.5 – 28.5 27 0.08 30 3 7 - 11 2 5 0.5 10 – 25
Km./h Km./h m/m m m % % m
OBSERVACIONES Vía secundaria – tercería
30%
Desgaste < 50%
Granulometría
Tamiz 3“ No. 4 No. 200
% Pasa 100 30 - 70 0 – 15
Compactar al 95% del ensayo de proctor modificado
En necesario aclarar que en el estudio de suelos no se realizó ninguna anotación en cuento a vías peatonales, por lo tanto se tomo una estructura típica para este tipo de vías (norma IDU). La especificación mencionada debe ser avalada por el Ingeniero que realizó el estudio de suelos. INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P.
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10.4 VÍA DE ACCESO MÓDULO 2 El diseño geométrico de la vía se realizó con los parámetros mencionados con anterioridad, exceptuando la calzada. La vía se trazo con una calzada de doble carril cada uno de 3 metros de ancho, bermas de 50 cm. a cada costado y cunetas perimetrales. Esta selección se realizó teniendo en cuenta que sobre esta vía existirá mayor flujo vehicular, contrario a la vía de la estructura de llegada, por lo cual se necesitará una vía de mayor capacidad. A continuación se presenta los volúmenes de movimientos de tierra.
K+ 0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00 160,00 180,00
VIA EXCAVACIÓN RELLENOS AREA (M2) VOL. (M3) AREA (M2) VOL. (M3) 15,5599 0 26,4241 629,76 0 0 13,9572 403,813 13,1792 197,688 10,1096 240,668 0 131,792 9,8134 199,23 1,6157 16,157 9,0218 188,352 2,8452 44,609 8,9804 180,022 3,3818 62,27 8,8986 178,79 3,2832 66,65 8,8192 177,178 3,985 72,682 8,8683 176,875 3,7856 77,706 TOTAL 2374,688 669,554
Las cantidades de obra de la vía se mencionan a continuación:
Longitud Concreto asfaltico Base granular Sub base granular Mejoramiento Sub. Rasante
171,82 61,00 254,29 358,24 1494,83
ml m3 Compactados m3 Compactados m3 Compactados m3 Compactados
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Acceso desarenador:
Área Concreto asfaltico Base granular Sub base granular Mejoramiento Sub. Rasante
42,37 2,12 8,47 10,59 42,37
m2 m3 Compactados m3 Compactados m3 Compactados m3 Compactados
Total excavaciones y rellenos (vía de acceso estructura de llegada y vía interna ptar hasta módulo 2. Excavación: 3.260,51 m3 Rellenos: 673.20 m3 (no incluye estructura del pavimento)
10.5 CANTIDADES PTAR COMPLETA Las cantidades totales incluyen:
Movimientos de tierra (adecuación terreno)
Vía interna completa
10.5.1 MOVIMIENTOS DE TIERRA
PRIMER BLOQUE MODULOS (módulos 5 a 8) EXCAVACIÓN RELLENOS AREA (M2) VOL. (M3) AREA (M2) VOL. (M3)
K+ 0 20 40
476,147
11,187
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60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 TOTALES
K+ 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 TOTALES
K+ 0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00
505,574 498,932 412,313 264,458 210,502 187,204 274,810 211,089 145,056 77,999 68,006 71,093 81,264
9817,213 10045,061 9112,446 6767,709 4749,606 3977,062 4620,139 4858,984 3561,448 2230,553 1460,053 1390,991 1523,572 64114,837
12,374 13,588 16,879 24,818 26,484 31,839 14,776 36,574 20,675 53,224 84,631 162,838 297,316
235,610 259,625 304,676 416,974 513,015 583,226 466,150 513,501 572,488 738,984 1378,543 2474,687 4601,544 13059,023
SEGUNDO BLOQUE MODULOS (módulos 1 a 4) EXCAVACIÓN RELLENOS AREA (M2) VOL. (M3) AREA (M2) VOL. (M3)
82,405 82,710 82,860 82,833 83,500 83,547 83,505 81,285 84,378 82,014 79,936 78,337 73,755 78,280
1651,152 1655,701 1656,933 1663,335 1670,477 1670,526 1647,897 1656,620 1663,911 1619,496 1582,730 1520,922 1520,354 21180,054
122,432 169,716 179,316 178,422 245,054 244,738 244,764 212,083 325,512 297,030 301,743 313,614 312,621 344,469
2921,483 3490,317 3577,380 4234,763 4897,917 4895,015 4568,463 5375,948 6225,418 5987,727 6153,572 6262,354 6570,898 65161,255
VIA EXCAVACIÓN RELLENOS AREA (M2) VOL. (M3) AREA (M2) VOL. (M3) 15,5599 0 26,4241 629,76 0 0 13,9572 403,813 13,1792 197,688 10,1096 240,668 0 131,792 9,8134 199,23 1,6157 16,157 9,0218 188,352 2,8452 44,609 8,9804 180,022 3,3818 62,27
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140,00 160,00 180,00 200,00 220,00 240,00 260,00 280,00 300,00 TOTALES
8,8986 8,8192 8,8683 10,3386 13,801 13,801 13,801 13,801 13,801
178,79 177,178 176,875 192,069 241,396 276,02 276,02 276,02 276,02 3912,233
3,2832 3,985 3,7856 5,3628 0 0 0 0 0
66,65 72,682 77,706 91,484 53,628 0 0 0 0 814,666
Los rellenos de la vía no incluyen la estructura, ésta es referenciada posteriormente.
EXCAVACIÓN MONTAÑA K+ AREA (M2) VOL. (M3) 200,00 0,00 220,00 38,01 380,06 240,00 52,98 909,91 260,00 155,34 2083,29 280,00 196,66 3520,01 300,00 82,38 2790,39 320,00 0,00 823,83 TOTAL 10507,50
EXCAVACIÓN TALUD INICIO (sur-occ) K+ DELTA X AREA (M2) VOL. (M3) 2641,00 0,50 2647,00 46,73 18,00 432,28 2648,00 4,15 24,50 88,19 2654,00 25,49 84,50 1389,11 2655,00 7,00 5,36 314,53 TOTAL 2224,11
RELLENO TALUD FIN (nor - ori) K+ DELTA X AREA (M2) VOL. (M3) 2640 - 2636 2,73 INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P.
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2641 - 2636 2642 - 2636 2643 - 2636 2644 - 2636 2645 - 2636 TOTAL
43,91 31,03
4,70 3,21 0,00 4,08 4,08
48,07 20,29
163,01 122,71 98,03 82,77 466,52
Para la determinación de las excavaciones y rellenos de cada estructura se tiene como nivel de referencia la cota 2640. Lo rellenos en recebo constan de una capa de 20 cm. de espesor bajo la losa de cimentación y los rellenos en tierra se realizan con el mismo material de las excavaciones.
ESTRUCTURA Desarenador UASB (incluye muros de contención) T. aireación Sedimentadores Tanque de lodos Tanque de salida
EXCAVACIÓN (M3)
RELLENO EN TIERRA (M3)
1.183,45
267,22
RELLENOS EN RECEBO COMPACTADOS (M3) 49,93
3.428,18
-
201,07
2.807,80 6.208,22 431,25 248,59
517,58 1.038,44 208,26 109,44
125,49 217,90 10,90 6,30
Es necesario aclarar que los rellenos deben dejarse con una densidad ( suelo) de 1.6 Ton/m3. Los totales se resumen a continuación: Excavaciones: 116.246,24 m3 Rellenos: 80.113,49 m3 Cantidades de obra vía acceso ptar: VIA ACCESO TOTAL PTAR Longitud 310,58 ml Concreto asfáltico 110,26 m3 Compactados Base granular 459,66 m3 Compactados Sub base granular 647,56 m3 Compactados Mejoramiento Sub. 2702,05 m3 Compactados Rasante INFORME FINAL DE DISEÑO PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P.
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Acceso desarenador (8 accesos):
Área Concreto asfaltico Base granular Sub base granular Mejoramiento Sub. Rasante
338,96 16,96 67,76 84,72 338,96
m2 m3 Compactados m3 Compactados m3 Compactados m3 Compactados
10.5.2 CANTIDADES DE OBRA ESTRUCTURAS
ESTRUCTURA Est. de llegada Desarenador UASB (incluye muros de contención) T. aireación Sedimentadores Tanque de lodos Tanque de salida
Cimentación (m3) 88.50 151.66
CONCRETO Muros y columnas (m3) 171.56 34.38
Vigas y losas aéreas (m3) 72.50
32.321,20 45.536,84
566,97
332,99
724.76
138.378,24
296,10 473,96 24,56 17,96
207,36 324.46 44,72 24.00
ACERO (KG.)
53.422,53 60.199,16 8.822,27 4.495,92
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10.6 CANTIDADES DE OBRA ELÉCTRICA
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