Memoria de Cálculo PTAS

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES

MEMORIA DE CÁLCULO PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

Preparador por: José Espinoza  – Alejandro Molina - Aldo Moraga  – Víctor Pozo Revisado por: Dr. Christian Seal Mery

Enero 2015

Ingeniería Sanitaria - USACH Memoría de Cálculo PTAS J. Espinoza - A. Moraga - A. Molina - V. Pozo

TABLA DE CONTENIDO 1

OBJETIVO .................................................. ........................................................................... ................................................... .......................................... ................5

2

ALCANCE .................................................. ........................................................................... ................................................... .......................................... ................5

3

DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO ................................................ ......................................................................... ................................. ........5

4

COMPONENTES DE LA PLANTA .................................................. ........................................................................... ............................. ....5

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8

Cámara de rejas ................................................ .......................................................................... ................................................... ................................. ........ 6 Canaleta Parshall ................................................... ............................................................................ .................................................. ............................. .... 6 Estanque ecualizador ................................................ ......................................................................... .................................................. .........................6 Desarenado - Desengrasado ............................ ...................................................... ................................................... ................................. ........ 6 Reactor biológico........................................................... .................................................................................... .............................................. .....................6 Decantador secundario ................................................. .......................................................................... .............................................. .....................7 Purga y digestión de lodos ................................................................. ......................................................................................... ........................7 Cloración y decloración ................................................ ......................................................................... .............................................. .....................7

5

BASES DE CÁLCULO Y CRITERIOS DE DISEÑO .................................................. ...................................................... ....7

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

Caracterización de las aguas servidas ................................................. ...................................................................... .....................7

6

CAUDALES ................................................ ......................................................................... ................................................... .......................................... ................8

6.1 6.2

Caudal medio diario (Qm) ................................................. ........................................................................... .......................................... ................8 Caudal máximo......................... máximo.................................................. ................................................... ................................................... ................................. ........ 9

7

CARGAS CONTAMINANTES .................................................. ........................................................................... ..................................... ............ 9

8

PRETRATAMIENTO................................................ ......................................................................... .................................................. ............................. ....9

8.1 8.2

Canal de aproximación .............................................. ....................................................................... ................................................. .......................... 9

8.2.1 8.2.2

Pérdida de carga a través de una reja............................................... ...................................................................... .......................12 Pérdida de carga por Kirchner............................................... ........................................................................ ................................... .......... 14 Canaleta Parshall ................................................... ............................................................................ .................................................. ........................... .. 14

8.3 8.4 8.5

Período de Previsión ................................................. .......................................................................... .................................................. .........................8 Población estimada y Dotación de consumo ................................... ........................................................... .......................... 8 Coeficiente de Recuperación ................................................. .......................................................................... ..................................... ............8 Caudales de diseño ............................................... ........................................................................ .................................................. ............................. .... 8

Cámara de rejas ................................................ .......................................................................... ................................................... ............................... ...... 10

Desarenador aireado ................................................. .......................................................................... ................................................ .......................15

Ecualizador ................................................ ......................................................................... ................................................... ........................................ ..............18 Enero 2015  Página 2 de 26

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9

TRATAMIENTO PRIMARIO ........................................................................................ 18

9.1

Reactor biológico ....................................................................................................... 18

9.1.1 9.1.2 9.1.3 9.1.4 9.1.5 9.1.6 9.1.7 9.1.8 9.1.9

10

Concentración del sustrato (S 0) ................................................................................ 18 DBO5 que escapa al tratamiento (S) ........................................................................19 Volumen del reactor .................................................................................................19 Eficiencia ..................................................................................................................20 Demanda de oxígeno ............................................................................................... 20 Lodo a purgar en el reactor ......................................................................................20 Tiempo de retención hidráulica del reactor...............................................................21 Relación F/M ............................................................................................................ 21 Carga volumétrica .................................................................................................... 21

DECANTADOR SECUNDARIO...................................................................................21

10.1 Diseño de vertedero convencional ........................................................................... 21 10.2 Campana y espesadores ........................................................................................... 22 11

DIGESTOR DE FANGO ..............................................................................................23

12

CÁMARA DE CONTACTO Y DESINFECCIÓN...........................................................24

13

DIAGRAMA DEL TRATAMIENTO ..............................................................................25

14

DOCUMENTOS DE REFERENCIA .............................................................................26

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LISTADO DE FIGURAS Figura No. 4-1 Figura No. 8-1 Figura No. 8-2 Figura No. 8-3

Principio básico del proceso de lodos activados..............................................7 Coeficientes K2 según tipo de rejilla ..............................................................12 Coeficientes K según tipo de rejilla pérdida de carga por Kirchner ................ 14 Curvas de Hazen para eliminación de arenas ...............................................17

LISTADO DE TABLAS Tabla No. 7-1 Calidad del efluente de la PTAS ........................................................................9 Tabla No. 7-2 Calidad del afluente de la PTAS ........................................................................9 Tabla No. 8-1 Datos de entrada canal de aproximación .........................................................10 Tabla No. 8-2 Iteración velocidad de aproximación ................................................................ 10 Tabla No. 8-3 Sección del canal de aproximación ..................................................................10 Tabla No. 8-4 Cámara de rejas...............................................................................................11 Tabla No. 8-5 Ancho de la cámara de rejas............................................................................ 11 Tabla No. 8-6 Ancho de la cámara de rejas............................................................................ 11 Tabla No. 8-7 Ancho de la cámara de rejas............................................................................ 13 Tabla No. 8-8 Pérdida de carga por Kirchner ......................................................................... 14 Tabla No. 8-9 Diseño del vertedero Parshall .......................................................................... 14 Tabla No. 8-10 Datos de entrada desarenador aireado..........................................................15 Tabla No. 8-11 Sedimentación por Ley de Allen.....................................................................15 Tabla No. 8-12 Diseño de velocidades desarenador .............................................................. 16 Tabla No. 8-13 Dimensiones del desarenador........................................................................16 Tabla No. 8-14 Longitud del desarenador............................................................................... 17 Tabla No. 8-15 Resumen de diseño desarenador ..................................................................17 Tabla No. 8-16 Resumen de diseño ecualizador .................................................................... 18 Tabla No. 9-1 Cargas contaminantes y concentración del sustrato........................................18 Tabla No. 9-2 Concentración del sustrato............................................................................... 18 Tabla No. 9-3 DBO 5 que escapa al tratamiento ......................................................................19 Tabla No. 9-4 Cálculo de volumen reactor biológico ..............................................................19 Tabla No. 9-5 Dimensiones del reactor biológico ................................................................... 19 Tabla No. 9-6 Demanda de oxígeno en reactor ......................................................................20 Tabla No. 9-7 Lodos a purgar en reactor ................................................................................ 20 Tabla No. 9-8 Masa de fango a purgar ................................................................................... 21 Tabla No. 10-1 Constantes de diseño para decantador secundario ....................................... 21 Tabla No. 10-2 Dimensiones decantador secundario .............................................................23 Tabla No. 10-3 Fangos espesados.........................................................................................23 Tabla No. 11-1 Cálculo de sólidos volátiles y producción de gas en el digestor ..................... 24 Tabla No. 12-1 Dimensiones de cámara de contacto .............................................................25

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OBJETIVO

Realizar el análisis y diseño para una planta de tratamiento de aguas servidas (PTAS) que hará parte del proyecto de urbanización en la localidad de San Carlos, comuna de Graneros, VI Región.

2

ALCANCE

Presentar la memoria de cálculo, dimensionamiento y procesos involucrados en cada una de las unidades que compondrán el sistema biológico aeróbico de lodos activados en modalidad convencional, para el tratamiento de aguas servidas de 2.000 habitantes en la localidad de San Carlos. La ingeniería básica para el diseño de la planta consideró lo dispuesto en la normativa ambiental vigente [2] y con respecto a la disposición final del efluente, con la descarga de este en aguas continentales [4].

3

DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

La planta de tratamiento propuesta corresponde al tipo lodos activados con modalidad de aireación extendida, considerando en su construcción una planta compacta. El diseño de la planta de tratamiento de aguas residuales San Carlos considera una población de 2000 personas donde el efluente será utilizado para riego [3].

4

COMPONENTES DE LA PLANTA

El sistema de lodos activados de la planta se basa conceptualmente en los siguientes componentes:

Tratamiento preliminar 

Reja de limpieza manual



Medición de caudal afluente (canaleta Parshall)



Desarenado - Desengrasado.



Estanque ecualizador con planta elevadora

Tratamiento secundario y desinfección 

Tratamiento biológico (reactor)



Sedimentación biológica (sedimentador secundario)



Medidor de caudal efluente tratado



Purga y digestión de lodos



Cloración



Decloración

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Se hace una breve descripción de los elementos considerados en la planta y su funcionamiento:

4.1 Cámara de rejas El desbaste de los sólidos gruesos en el afluente se realiza mediante el empleo de una cámara de rejas manual, que tendrá por objetivo el retener y separar los cuerpos voluminosos flotantes y suspendidos que vienen por el alcantarillado. Mediante este mecanismo se evitarán obstrucciones en las tuberías y bombas de la planta de tratamiento.

4.2 Canaleta Parshall Cumplirá el propósito de medir los caudales de aguas servidas que ingresarán a la planta mediante piezómetros laterales.

4.3 Estanque ecualizador La función del estanque de ecualización es absorber los flujos máximos, mezclar los diferentes efluentes, corregir el pH y bajar la temperatura de las aguas servidas en la planta. En resumen, su función es homogeneizar la carga del efluente para las siguientes etapas del tratamiento, amortiguando las sobrecargas de agua y por ende la materia orgánica que ingresará al reactor. Mediante este componente es posible distribuir de forma más homogénea el caudal afluente y diluir sobrecargas orgánicas que llegan al sistema. El estanque permitirá acumular un volumen establecido que llegará al sistema diariamente.

4.4 Desarenado - Desengrasado La función del desarenador convencional será separar el agua servida y decantar las arenas y partículas en suspensión gruesa que trae el afluente, con el fin de evitar se produzcan depósitos de estos en la planta. Por otra parte, el desengrasador cumplirá la función de separar aceites y grasas de las aguas servidas que ingresarán a la planta.

4.5 Reactor biológico El proceso aeróbico en la planta de lodos activados permite remover la materia orgánica disuelta y una fracción de los sólidos suspendidos en las aguas servidas. En el reactor biológico el tanque de aireación realizará el tratamiento biológico del efluente a través de microorganismos presentes en el tanque. La aireación en el tanque necesita de equipos que suministren oxígeno suficiente para realizar la floculación de acuerdo a la carga del diseño. Esto se cumple por medio de difusores instalados en el fondo que abastecen el estanque con el oxígeno necesario y que se cuantificarán por medio del cálculo de la necesidad de aire.

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Figura No. 4-1 Principio básico del proceso de lodos activados

4.6 Decantador secundario En el decantador secundario ocurrirá la sedimentación de los lodos biológicos desarrollados en el tanque de aireación. Estos lodos son recirculados al tanque de aireación y en parte removidos del proceso. Para la remoción de estos lodos el decantador tendrá un puente raspador.

4.7 Purga y digestión de lodos En el decantador secundario se realizarán purgas periódicas para mantener una concentración de lodos de tal manera que los parámetros de diseño cumplan con su óptimo funcionamiento. La digestión de los lodos será mediante metabolismo bacteriano del tipo aeróbico, donde se eliminará el aire de la parte que fermenta de los lodos activados (biomasa).

4.8 Cloración y decloración Será el último paso en la planta de tratamiento donde en la cloración se desinfectarán las aguas residuales que provienen del decantador secundario. Se utilizarán tabletas de cloro activo al 70% en forma proporcional al caudal de trabajo. En la decloración se utilizará un sistema de dosificación en base a bisulfito, evitando así altas concentraciones de cloro libre residual.

5

BASES DE CÁLCULO Y CRITERIOS DE DISEÑO

5.1 Caracterización de las aguas servidas  A modo de caracterizar el tipo de aguas residuales que serán el afluente de la planta de tratamiento se debe en primera instancia realizar un estudio de las aguas servidas en la localidad en particular, realizando ensayos de laboratorio que permitan determinar el nivel concentraciones que presentan estas aguas servidas, determinando así el tratamiento necesario a implementar. De acuerdo al alcance del proyecto, las aguas servidas que llegarán a la planta San Carlos son netamente de origen doméstico, por lo tanto las aguas residuales serán solo producto del Enero 2015 

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uso de baños y cocinas de las viviendas de la localidad. Los detergentes y limpiadores empleados en cocinas se pueden considerar biodegradables. Adicionalmente, no se consideraron aportes de residuos líquidos industriales, pesticidas, aceites de vehículos u otros elementos que puedan dañar o perjudicar el funcionamiento de la PTAS.

5.2 Período de Previsión El horizonte de vida del proyecto será de 25 años. En particular, para las obras proyectadas se adoptarán los siguientes periodos de vida útil: 

Obras Civiles: 25 años.



Equipo electromecánicos: 10 años.

5.3 Población estimada y Dotación de consumo Los caudales de aguas servidas son calculados directamente desde los caudales de consumo de agua potable, la metodología utilizada para determinar las demandas de la población se basó en las dotaciones de consumo proyectadas en la localidad. Se consideró atender a las necesidades de una población actual de 2000 personas con un crecimiento vegetativo anual del 2%. De acuerdo a los valores de dotación estimados en el RIDDA se consideró una dotación de agua potable de 200 lt/hab/día [9] y se estimó la vida útil del proyecto a 25 años, como se menciona en el período de previsión. Pfutura

 Pactual  (1 i)n  2000  (1 1,02)25  3282 habitantes

5.4 Coeficiente de Recuperación El coeficiente de recuperación es la relación entre el agua utilizada que efectivamente es dispuesta en la red de alcantarillado y la utilizada en la red de agua potable. Generalmente se considera entre 0,70 a 0,90, sin embargo como criterio de diseño se adoptó un coeficiente de 0,80 para el tipo de aguas servidas en la localidad de San Carlos.

5.5 Caudales de diseño Los caudales fueron calculados directamente por los consumos de agua potable dados por la NCh 691 [7] y los caudales máximos para aguas servidas en la NCh 1105 [1].

6

CAUDALES

6.1 Caudal medio diario (Qm) El caudal medio diario para las aguas de la localidad se calculó usando P: Población a servir - 3282 habitantes. R: Coeficiente de recuperación - 0,8. D: Dotación de consumo de agua de agua potable - 200 lt/hab/día. Qmd  Enero 2015 

PDR 86400



3282  200  0,8 86400

 6,1(l/s)  0,0061 (m3 / s)  525,12 (m3 / dia) Página 8 de 26

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6.2 Caudal máximo El mayor caudal de diseño que puede escurrir en un determinado período del día estará en función del coeficiente de Harmon, donde para más de 1000 habitantes se utilizó M: Coeficiente de Harmon. P: Población a servir - 3282 habitantes. 14

M  1 4

P 1.000

14

 1 4

3.282 1.000

 3,4089

Q max  M  Qm  3,4089  525,12  20,72 (l/s)  0,0207 (m3 / s)  74,59 (m3 / dia)  1790,08 (m3 / dia)

7

CARGAS CONTAMINANTES

Para el cálculo de las cargas contaminantes a tratar en la PTAS se utilizaron los parámetros de la siguiente tabla, donde se especifican las cargas contaminantes: Tabla No. 7-1 Calidad del efluente de la PTAS PARÁMETRO

CARGA [mg/l]

Concentración DBO5 afluente

250

Concentración de sólidos

250 53,8

Concentración NTK aflu ente

Tabla No. 7-2 Calidad del afluente de la PTAS PARÁMETRO Coliformes Fecales o Termo-tolerantes DBO5 Sólidos Suspendidos Totales Aceites y Grasas Nitrógeno Total Kjeldahl Fósforo Total

8

UNIDAD NMP/100 ml mg l mg/l mg/l A y G mg/l N mg/l P

EXPRESIÓN Coli fec./100 ml DBO5 SST AyG Nt Pt

LÍMITE MAXIMO PERMITIDO 1000 < 20 < 24 < 20 < 40 < 10

PRETRATAMIENTO

8.1 Canal de aproximación Para el canal de aproximación a la cámara de rejas se tienen los siguientes datos de entrada

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Tabla No. 8-1 Datos de entrada canal de aproximación Caudal de Diseño en [m³/h]

Qdis

74,59

[m³/h]

Caudal de Diseño en [m³/s]

Qdis

0,0207

[m³/s]

Caudal de línea de tratamiento

Qlt

0,0104

[m³/s]

n

0,013

Rugosidad de Manning Inclinación del canal

i = 0,5%

0,5

[%]

b

0,4

[m]

Ancho del canal

La velocidad de aproximación se obtuvo a través de un método iterativo donde se probaron los siguientes criterios: 

El caudal obtenido por la iteración deberá ser mayor al caudal real.



El caudal deberá tener una velocidad mayor a 60 [cm/s]. Tabla No. 8-2 Iteración velocidad de aproximación Altura de agua

Área

Perímetro mojado

Radio hidráulico

Velocidad

Caudal

Criterio Nº1

Criterio Nº2

[cm]

[m²]

[m]

AD

[m³/s]

[m³/s]

Prueba

Prueba

5

0,02

0,50

0,04

0,6361824

0,012724

Cumple

Cumple

6

0,02

0,52

0,05

0,6998639

0,016797

Cumple

Cumple

7

0,03

0,54

0,05

0,7563413

0,021178

Cumple

8

0,03

0,56

0,06

0,8069556

0,025823

Cumple

9

0,04

0,58

0,06

0,8526903

0,030697

Cumple

Cumple Cumple (Adoptado) Cumple

10

0,04

0,60

0,07

0,894295

0,035772

Cumple

Cumple

Tabla No. 8-3 Sección del canal de aproximación Caudal por cada lateral

Qlt

0,0104

[m³/s]

Vcanal

0,8070

[m/s]

Base del canal

b

0,40

[m]

Altura del canal

h

0,08

[m]

Sección del canal

S

0,032

[m²]

Revancha

hr

0,1

[m]

Altura total del canal

htc

0,18

[m]

Velocidad en el canal

8.2 Cámara de rejas Para la población considerada en el diseño, al ser superior a 1000 habitantes, se tendrán 2 líneas de tratamiento. Se seleccionó una reja de sección rectangular.

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Tabla No. 8-4 Cámara de rejas Ancho de la reja

a

6

[mm]

Separación de la reja

s

12

[mm]

Se diseña la sección en la cual se colocarán las rejas. Para facilitar el cálculo se ocuparon los siguientes criterios: 

Se consideró la altura de igual a la altura en el canal de aproximación.



La velocidad de aproximación se considera igual a la del canal de aproximación.



Se calculó el ancho de la sección por los dos métodos y se ocupó el más pequeño.

 Además la velocidad de paso obtenida deberá estar entre 0,6 y 1,2 m/s. Tabla No. 8-5 Ancho de la cámara de rejas Caudal del lateral (Qdis/2)

Qlt

0,0104

[m³/s]

Altura del agua en la sección

D

0,08

[m]

Ancho de la Reja

a

0,006

[m]

Separación de la Reja

s

0,012

[m]

Velocidad de paso (m/s)

Vp

0,8070

[m/s]

Coeficiente de seguridad

C

0,1

[m]

Ancho del canal de aproximación

j

0,4

[m]

Ancho según altura de agua

W1

0,3407

[m]

Ancho según norma DIN

W2

0,594

[m]

Ancho de diseño de la cámara

Wd

0,3407

[m]

Se escogió el menor calculado, por lo que Wd = 0,34 m. Tabla No. 8-6 Ancho de la cámara de rejas Ancho de diseño de la cámara Numero de separaciones Numero de rejas Área de paso Velocidad de paso Velocidad de aproximación Vp ≤ 0,7  Ancho de cámara final

Wd Ns Nb Ap Vp Va Wdf

0,6 34 33 0,0326 0,3174 0,3237 Cumple 0,65

[m]

[m²] [m/s] [m/s] [m]

Para la pérdida de carga en la cámara se utilizaron dos métodos, considerando el más desfavorable. El primero será calculado por coeficientes, mientras que el segundo será por pérdida de carga según Kirchner. Enero 2015 

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8.2.1 Pérdida de carga a través de una reja

Coeficiente K1: Coeficiente de atascamiento, donde puede tomar valores desde 60% hasta 90%. Se utilizó un coeficiente de atascamiento C: 70%. Coeficiente: K1 = 2,0408. Coeficiente K2: Depende exclusivamente del tipo de reja seleccionada. Se utilizó una sección rectangular.

Figura No. 8-1 Coeficientes K2 según tipo de rejilla

Coeficiente: K2 = 1. Coeficiente K3: Calculado de la siguiente tabla usando la altura de la suma de las barras en su lado largo, h = 0,08 m  Ancho de la Reja: d = 0,006 [m] Separación de la Reja: s = 0,012 [m] espesor de la barra S.D.F: z = 0,030 m]

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Tabla No. 8-7 Ancho de la cámara de rejas

Valor de entrada tabla (horizontal) = 0,667 Valor de entrada tabla (vertical) = 1,34 Como el valor no es exacto en la tabla, se obtuvo por extrapolación

7

8  … 

 … 

5

…..

1

2

6

….

3

4

Valor Nº1

v1

1,2

Valor Nº2

v2

0,91

Valor Nº3

v3

1,15

Valor Nº4

v4

0,58

Valor Nº5

v5

1

Valor Nº6

v6

1,4

Valor Nº7

v7

0,6

Valor Nº8

v8

0,7

Coeficiente K3

K3

0,81

Finalmente la pérdida por carga es de 0,00849 (m).

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8.2.2 Pérdida de carga por Kirchner

La pérdida de carga por Kirchner está dada por la siguiente expresión:

 a  ht  k     s 

4/3

 Vp      sen()   2g 

Figura No. 8-2 Coeficientes K según tipo de rejilla pérdida de carga por Kirchner Tabla No. 8-8 Pérdida de carga por Kirchner Coeficiente de forma

f

1,79

Angulo c/r a la horizontal

α

60

[º]

Ancho de la Reja

a

0,006

[m]

Separación de la Reja

s

0,012

[m]

Vp

0,3174

[m/s]

Δht 2

0,003

[m]

Velocidad de paso Perdida de carga por Kirchner

8.3 Canaleta Parshall Las canaletas Parshall se dimensionaron en función de las secciones calculadas en las cámaras de rejas y por las dos líneas de tratamiento determinadas. Tabla No. 8-9 Diseño del vertedero Parshall Caudal de diseño Área del canal Velocidad Canal Ancho máximo Altura máxima Velocidad critica Altura Critica Base del canal

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Qdis A canal Vh w max H max V cr H cr B

0,0104 0,0320 0,2228 0,4 0,1742 1,0751 0,0589 0,1634

[m³/s] [m²] [m/s] [m] [m] [m/s] [m] [m]

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8.4 Desarenador aireado De acuerdo a criterios de diseño y asumiendo valores para caracterizar el afluente, se determinó la velocidad de sedimentación de acuerdo a la Ley de Allen. Se calcularon las dimensiones del desarenador aireado y la necesidad de aire requerida de acuerdo al caudal de la planta de tratamiento. Tabla No. 8-10 Datos de entrada desarenador aireado Caudal de diseño Densidad de la arena Densidad de la materia orgánica Densidad del fluido Coeficiente de adherencia Coeficiente del material Diámetro de la partícula menor Temperatura del Agua Viscosidad dinámica

Qd ρs a

0,0104 2,42

[m³/s] [Ton/m³]

ρs o

1,1

[Ton/m³]

ρw

1

[Ton/m³]

β 

0,06

fm

0,03

φ

0,000152

[m]

T u

25 0,000101

[ºC]

Se calculó el número de Reinolds y la velocidad de sedimentación para el método de Allen. Tabla No. 8-11 Sedimentación por Ley de Allen Velocidad de sedimentación Numero de Reynolds

Vs

1,9264 [cm/s]

Re 2,8991

Como criterios para las dimensiones se aceptarán los siguientes valores:  Altura del desnivel simple: 0,3  h1  0,8  Anchó mínimo inferior : 0,3  f   0,5 Relación Altura total/Anch o máximo superior : 1  f   5 Relaciónentre desniveles : h1  0,75  h2

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Tabla No. 8-12 Diseño de velocidades desarenador Coeficientes de arrastre Cd según Metcalf Cd según Méndez Cd según Aurelio

Cd Cd Cd

9,7930 10,4803 10,3803

Velocidades de sedimentación Velocidad según Metcalf Vs

1,6979

[cm/s]

Velocidad según Méndez Velocidad según Aurelio Velocidad por tablas

1,6413 1,6492 1,7

[cm/s] [cm/s] [cm/s]

Velocidad horizontal de diseño por Bloodgood Velocidad de Bloodgood arena Vh 0,22281

[m/s]

Velocidad de Bloodgood MO Velocidad horizontal de diseño

[m/s] [m/s]

Vs Vs Vs

Vh Vh

0,05913 0,15000

Sección Transversal Caudal de diseño Velocidad horizontal

Qdis Vh

0,0104 0,2228

[m³/s] [m/s]

Área transversal del canal

Atc

0,0465

[m²]

Tabla No. 8-13 Dimensiones del desarenador Altura total del diseño Ancho máximo (superior) Ancho mínimo (inferior) Altura del desnivel simple Altura del desnivel compuesto Área de trabajo real Permite el tránsito del fluido

h a f

1,2 0,4 0,3

[m] [m] [m]

h1

0,3

[m]

h2

0,225

[m]

A tr

0,48

[m²]

Cumple

Para la longitud del desarenador se utilizó la curva de Hazen y el tiempo de sedimentación obtenido por el cuociente entre la altura total del diseño y la mínima velocidad de sedimentación: to



h vs



120 1,6413

 73,11(s)

Utilizando la curva de Hazen y definiendo un valor de n=3 para un rendimiento bueno y una eficiencia del 90% en la eliminación de las arenas, se obtuvo

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Tabla No. 8-14 Longitud del desarenador Razón de diseño 2 Tiempo de diseño Tiempo de diseño

td/to td td

3 219,34 3,66 Cumple

[s] [min]

Ld

32,90

[m]

2,5 *min+ ≤ to ≤ 5 *min+ 

Longitud del desarenador

Figura No. 8-3 Curvas de Hazen para eliminación de arenas Tabla No. 8-15 Resumen de diseño desarenador Caudal de diseño Largo de diseño Ancho de superficie Área superficial Velocidad de ascensión Área transversal Volumen de aire necesario por m Caudal de Aire requerido

Enero 2015 

Qd Ld a Aas

0,0104 32,9 0,4 13,2

[m³/s] [m] [m] [m²]

Vas

0,0008

[m/s]

Atrs Ca

1,0 4,9

[m²] [m³/h/m²]

Qa

161,9

[m³/h]

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8.5 Ecualizador Se consideró al inicio del tratamiento homogeneizar la carga de afluente para las etapas siguientes de la planta, se instalará un aliviadero de seguridad para admitir un caudal máximo de 74,625 m3/h, con un tiempo de retención de 3 hrs. Volumen  Q max(m3 / h)  3(h)  74,625(m3 / h)  3(h)  224 (m3) Tabla No. 8-16 Resumen de diseño ecualizador 

9

Altura

h

3,0

[m]

Revancha

hr

0,5

[m]

Ancho

a

6,1

[m]

Largo

Ld

12,2

[m]

Volumen

Vas

225

[m3]

TRATAMIENTO PRIMARIO

9.1 Reactor biológico Se presentan los cálculos para el diseño del reactor biológico. 9.1.1 Concentración del sustrato (S 0)

La concentración del sustrato limitante que entrará al reactor biológico. Se asumió la densidad de los lodos y una concentración del 5% en el reactor. Tabla No. 9-1 Cargas contaminantes y concentración del sustrato 3

(mg/L)

(kg/m )

(kg/d)

fracción

(kg/d)*fr

DB05 

250

0,25

448

0,33

149

SSV (mg/L)

280

0,28

501

0,67

334

Tabla No. 9-2 Concentración del sustrato Lodo primario

5

%

lodo

1,05

kg/m3

Q 1 = Q dis

1791

m3/día

6,4

m3/día

1784,6

m3/día

299

kg/día

S0

167,3

mg/L

SST

93,7

mg/L

Q 2 = Q si Q 3 = Q 1 - Q 2 DBO5 (3)

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9.1.2 DBO5 que escapa al tratamiento (S)

Se definen por normativa las concentraciones en el afluente y la carga que escapa al tratamiento. Tabla No. 9-3 DBO5 que escapa al tratamiento DBO5 efluente SST en efluente % Biodegrab

20 24 63

mg/L mg/L %

DBO5 ultimo por SS en efluente

21,5

mgO2/L

DBO5/DBOultima  

0,67

DBO5SS S

14,4 5,6

Eficiencia

mgO2/L mg/L

96,6%

9.1.3 Volumen del reactor

El volumen del reactor se determinó por la siguiente ecuación: Vr  

c  Q  Y  (S0 S) SSLM  (1 K d  c )

Tabla No. 9-4 Cálculo de volumen reactor biológico 3

Vr

434

[m ]

Volumen de estanque de aireación

c

10

días

Edad del lodo

Q

1790

Y

0,6

S0

0,167

3

[m /día]

Caudal de diseño de aguas residuales crudas

[gSSV/gDQO] Coef estequiométrico de producción de lodos [kg/m3] 3

Concentración de DBO del afluente

S

0,0056

[kg/m ]

Concentración de DBO del efluente

SSLM

2,5

[mg/lt]

Concentración de sólidos suspendidos volátiles en tanque

kd 

0,06

-1

(d )

Coeficiente de decaimiento endógeno

Tabla No. 9-5 Dimensiones del reactor biológico

Enero 2015 

Altura

h

4,5

[m]

Revancha

hr

0,5

[m]

Ancho

a

7,0

[m]

Largo

Ld

14,0

[m]

Volumen

Vrb

441

[m3]

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9.1.4 Eficiencia

La eficiencia basada en la DBO5 soluble será Es 

S0 S S0



167  5,6 167

 96,6 %

9.1.5 Demanda de oxígeno

La demanda diaria de oxigeno en el reactor Tabla No. 9-6 Demanda de oxígeno en reactor  Demanda O2xDBO5 Kg/día DBO5 afluente Kg O2 x DBO5

425,75

[kg/día]

Demanda de oxígeno (usando un factor de 0,68)

447,75

[kg/día]

Aporte de consumo 1,2 kgO2al dia x DBO5

537,3

[kg/día]

Necesidad de oxigeno

NTK

53,8

[mg/L]

Kg O2 x NTK Suma DBO5 y NTK O2

443,2

[kg/día]

Demanda de oxígeno por NK 4,6 kg

980,5

[kg/día]

Necesidades teóricas de oxígeno

3493

[m aire/día]

O2

30,3

3

Cantidad teórica de aire necesario

3

[m aire/min]

9.1.6 Lodo a purgar en el reactor

Se suponen que los sólidos volátiles del afluente (SSV) corresponden al 80% de los sólidos suspendidos (SS). Usando la ecuación de producción de biomasa:

c 

Vr   X Q w  X  Qe  X e

Yobs



Y 1  k d  c

Tabla No. 9-7 Lodos a purgar en reactor 

Enero 2015 

Yobs Px

0,38 109

[kg/día]

Px (SS)

136

[kg/día]

Pe ) SSTefluente Edad del lodo

43,5 92

[kg/día] [kg/día]

10

días

Xe

0,6

Fango a purgar diariamente Masa fango activado volátil purgado Fango en total a los sólidos totales en suspensión SST en el efluente Sólidos a purgar = PXss-Pe

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X Qw

2,5 26,0

Sólidos a purgar

Tabla No. 9-8 Masa de fango a purgar  masa fango act volátil purgado

108,57

relación

kg/día

0,80

1. m total fango en base a ssts

135,71

kg/día

2. m en afluente

42,98

kg/día

Lodo a purgar = 1-2

92,72

kg/día m3/día

Caudal de lodo a purgar

9.1.7 Tiempo de retención hidráulica del reactor

El tiempo de retención hidráulica del reactor será: 3

t r 

Vr  434 (m )   24  5,82 (h)  0,24 (días) Q 1790 (m3 / s)

9.1.8 Relación F/M

Para asegurar una población adecuada de microorganismos, como medida de control se calculó el tiempo de relación F/M por la ecuación: F/M 

S0 t r   X



0,167 (kg/m3 ) 0,24 (días)  2,5 (kg/m ) 3

 24  0,24 (día -1 )

9.1.9 Carga volumétrica

La carga volumétrica del reactor estará dada por: CVR



S0  Q Vr 



0,167 (kg/m3 )  1790(m3 / dia) 3

434 (m )

  kg    0,69  3   m  día 

10 DECANTADOR SECUNDARIO 10.1 Diseño de vertedero convencional Se consideran los siguientes parámetros operacionales para el cálculo del decantador secundario: Tabla No. 10-1 Constantes de diseño para decantador secundario carga sobre vertedero Proceso

Convencional

Enero 2015 

(m3/h/m) ≤

4,0

≤

Tiempo de retención (h)

Velocidad ascensional (m3/m2·h)

4,2

3,6

1,5

Carga de sólidos (Kg/m2-d)

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Para el cálculo de la superficie requerida por diseño:



 A sed

Qmax Vasc

 m3    74,625  h      49,75 m2     m3   1,5  2   m  h 

Se propone una superficie con base circular y diámetro 8 m:  A dis



  2 4



  82 4

 50,3 m2 

La carga de sólidos en la superficie proyectada:

Csolidos 

X  Qmax  A dis

 kg    m3   2,5  3   74,625  m hr  kg            3,712      2 50,27 m2   m  hr  

Para el volumen del decantador se consideró un tiempo de retención de 2 horas:

 m3    2 hr   149,25 m3     Vsed Qmax tr  74,625    hr   La altura para el decantador será: h

Vsed  A dis



 50,27 m 

149,25 m3 2

 2,98 m  3 m

Y finalmente la carga sobre el vertedero será:

Cvertedrero



Qmax  A dis

 kg    m3    2,5  3   74,625  hr  m kg            3,712      2 50,27 m2   m  hr  

De acuerdo a la Tabla No.10-1 los resultados cumplen con lo pedido.

10.2 Campana y espesadores Se dotará al tanque con dos brazos provistos de rasquetas cuales girarán en la zona central. Con esto se asegurará que las aguas servidas fluyan uniformemente en todas las direcciones por la campana central, cual tendrá un diámetro que representa el 20% del tanque y una profundidad de 2,5 m.

campana  8m  20%  1,6 m Enero 2015 

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Se tienen en resumen las siguientes dimensiones geométricas para el decantador: Tabla No. 10-2 Dimensiones decantador secundario Altura

h

3,0

[m]

Revancha Diámetro estanque Sección Diámetro campana

hr

0,5

[m]

est

7,0

[m]

Adis

50,3

[m2]

cam

441

[m3]

Para los espesadores se consideró la concentración de fango espesado al 4%, la recuperación esperada para los sólidos al 90% y el peso específico del fango de alimentación y espesado como 1. Se utilizó la carga volumétrica de lodos calculada en el numeral 9.1.6. Tabla No. 10-3 Fangos espesados CVR

92,72

[kg/día] 3

Masa de fango espesado

Q l

37,09

[m /día]

Caudal de fango espesado

CF

90

%

Concentración del lodo

RS

4

%

Recuperación de Sólidos

fango

1

Q fango

2,086

[m3/día]

Caudal de fango espesado

Q recirc

35,00

[m3/día]

Caudal recirculado a la planta

SSdigestor

83,45

[kg/día]

Sólidos suspendidos en alimentación del digestor

SSrecirc

9,27

[kg/día]

Sólidos suspendidos recirculados a la planta

SS.DBO5

264,9

[g/m3]

DBO5 recirculada

DBO5

166,26

[mg/L]

DBO5 de sólidos suspendidos

DBO5 esc al trat

5,6

[mg/L]

DBO5 que escapa al tratamiento

C.DBO5.total

171,88

[mg/L]

DBO5

6,02

[kg/día]

Peso específico del fango de alimentación y espesado

11 DIGESTOR DE FANGO Para su funcionamiento se definieron los siguientes parámetros: 

El tiempo de retención será de 20 días.



Se destruirán los sólidos volátiles durante la digestión en un 50%.



Se producirán 1,12 m 3/kg de gas producto los sólidos volátiles destruidos.



Se consideró una DBO 5 sobrenadante en el digestor de 5 kg/m 3.

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

Los sólidos totales en el fango digerido serán del 5%. Tabla No. 11-1 Cálculo de sólidos volátiles y producción de gas en el digestor SSVa

334,3

[kg/día]

Sólidos volátiles en el afluente

SSVd

83,5

[kg/día]

Sólidos volátiles en el digestor

SS.tot

417,8

[kg/día]

Sólidos totales

Q total

7,66

[m3/día]

Caudal total

SS.tot.dig

297,4

[kg/día]

Sólidos volátiles totales alimentados al digestor

%SVMF

71,2%

%

Caudal de fango espesado

SVD

148,7

[kg/día]

Sólidos volátiles destruidos

CM

6686,4

[kg/día]

Caudal másico (fango primario al 5% de sólidos)

CMP

2086,3

[kg/día]

Caudal másico de la purga de lodo espesado al 4% de sólidos

CMT

8772,7

[kg/día]

Caudal másico total

SSfijos

120,3

[mg/L]

DBO5 de sólidos suspendidos

SSTFD

269,1

[mg/L]

Sólidos totales fango digerido

C.DBO5.total

172,2

[kg/día]

Producción de gas en el digestor

12 CÁMARA DE CONTACTO Y DESINFECCIÓN Para lograr el abatimiento o reducción de los coliformes fecales se instalará una cámara de contacto (tipo around and end) con 30 minutos de tiempo de retención para el caudal medio, comprobando la condición más desfavorable para 15 minutos a caudal máximo. La cámara de contacto diseñada permitirá el tiempo de contacto necesario en todos los escenarios durante el periodo de previsión, para que los coliformes estén en la descarga por debajo de los 1000 NMP/100 ml. Para asegurar una reacción completa del producto con los agentes biológicos, se dosificará al comienzo del estanque, llamado de desinfección, que deberá asegurar 30 minutos de retención para el caudal de diseño y 15 minutos para el caudal máximo horario. Considerando los caudales de diseño: VQmd

 Qmd(l / s)  30(min) 60(seg / min)  6,1 30  60  10,98 (m3)

V Qmax  Q max (l / s)  15(min) 60 (s / min)  20,72  15  60  18,65 (m3)

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Tabla No. 12-1 Dimensiones de cámara de contacto Canales

N°

4

[un]

Altura

h

1,0

[m]

Revancha Altura c/ revancha

hr

0,6

[m]

ht

1,6

[m]

Ancho

a

1,0

[m]

Largo

ld

3,0

[m]

Volumen

V

19,2

[m ]

3

13 DIAGRAMA DEL TRATAMIENTO Finalmente se resume la planta de tratamiento de aguas servidas con el siguiente esquema:

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14 DOCUMENTOS DE REFERENCIA [1] NCh 1105  – Ingeniería sanitaria - Alcantarillado de aguas residuales - Diseño y cálculo de redes. [2] D.S. N°4 - Reglamento para el manejo de lodos generadores en plantas de tratamiento de aguas servidas. [3] NCh 1333 - Requisitos de calidad del agua para diferentes usos. [4] D.S. N° 90 CONAMA - Norma de emisión para la regulación de contaminantes asociados a la descargas de residuos líquidos a aguas marinas y continentales superficiales. [5] NCh 2472 - Aguas residuales - Plantas elevadoras - Especificaciones generales. [6] NCh 3212 - Plantas de Tratamiento de Aguas Servidas  – Control de olores. [7] NCh 691 - Agua potable - Conducción, regulación y distribución. [8] Apuntes de cátedra Ingeniería Sanitaria - Dr. Christian Seal M. [9] RIDDA, Reglamento de Instalaciones Domiciliarias de AP y ALC. [10] "Manual de diseño de estaciones depuradoras de aguas residuales". Hernández Lehmann, Aurelio. [11] "Ingeniería de aguas residuales : tratamiento, vertido y reutilización" Metcalf y Eddy. [12] "E.D.A.R. para una población de más de 10.000 habitantes equivalentes" Andreu Beteta Riera.

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