memoria de calculo planta de tratamiento de aguas residuales

MEMORIA DE CALCULO PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

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12-JUL-06 DOR 1 de 18

NUMERO REV

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CONTENIDO

1. DESCRIPCIÓN DE LAS UNIDADES DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO

1.1. CÁRCAMO DE BOMBEO

1.2. TANQUES DE AIREACIÓN

1.3. SEDIMENTADOR SECUNDARIO

1.4. CLORACIÓN (DESINFECCIÓN)

1.5. DIGESTOR AEROBIO

1.6. LECHOS DE SECADO

1.7. DIAGRAMA DE FLUJO

2. CALCULOS DE LAS UNIDADES DEL PROCESO DE TRATAMIENTO PROPUESTO

2.1. CÁRCAMO DE BOMBEO DE AGUAS NEGRAS

2.2. TANQUES DE AIREACIÓN

2.3. SEDIMENTADOR SECUNDARIO

2.4. CLORACIÓN (DESINFECCIÓN)


2.6. LECHOS DE SECADO

3. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

4. BIBLIOGRAFÍA

5. PLANOS


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1. DESCRIPCIÓN DE LAS UNIDADES DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO La siguiente memoria corresponde a los cálculos correspondientes al dimensionamiento de las unidades que componen la planta de tratamiento. El cálculo estará basado en la literatura técnica especializada nacional e internacional, que se considera cumple con los requerimientos del presente proyecto. El sistema de tratamiento requerido es un proceso de tipo biológico a nivel secundario aerobio. Enseguida se describen las principales unidades que componen el sistema en orden del flujo de las aguas residuales.

1.1. CÁRCAMO DE BOMBEO El cárcamo de bombeo tendrá la función de almacenar temporalmente las aguas residuales que llegan del drenaje sanitario que operará por gravedad. Las aguas se bombearán a la unidad de tratamiento elevado, para que a partir de esta estructura el agua fluya por gravedad en las demás unidades con el fin de minimizar el consumo de energía eléctrica. El cárcamo estará equipado con un sistema de bombeo capaz de operar con el rango de gastos de diseño. Las bombas serán de tipo sumergible e inatascables; se tendrán tiempos de retención menores de una hora para evitar septicidad y malos olores.

1.2. TANQUES DE AIREACIÓN. El agua cruda, tras el desbaste, entrara en un compartimento de aireación en el que se mantendrá una concentración suficiente de lodos activados. Un sistema de agitación asegurará la difusión del aire y su mezcla con la masa líquida. El aire aportará el oxígeno necesario para las necesidades de las bacterias aerobias. De este modo se realizará la agitación del lodo creando una corriente de rotación del conjunto, renovándose constantemente la superficie líquida en contacto con el aire y evitando todo sedimento.

1.3. SEDIMENTADOR SECUNDARIO (CLARIFICADOR) El efluente del tanque de aireación se enviará a un tanque sedimentador o clarificador secundario, que tendrá como función separar por gravedad los sólidos sedimentables, principalmente orgánicos, del licor mezclado proveniente del tanque de aireación. El sedimentador deberá operar a gravedad y no contará con ningún mecanismo de rastras para concentrar los lodos; éstos se deslizarán, a través de las paredes inclinadas que forman una tolva donde se acumulan los sólidos sedimentados los cuales se retirarán en forma periódica; parte de estos lodos se recircularán al tanque de aireación para mantener la concentración de sólidos suspendidos volátiles requeridos en el proceso de lodos activados.

1.4. CLORACIÓN (DESINFECCIÓN) Para reducir los riesgos de afectación a la salud humana debido a posibles infecciones originadas por las bacterias patógenas presentes en el agua residual cruda, y aún en la tratada, el efluente clarificado se someterá a un proceso de desinfección aplicando una solución de cloro. El proceso se efectuará en un tanque denominado de "contacto" donde el cloro libre actuará sobre los microorganismos eliminando la gran mayoría de ellos llegando a tener un número que no representa riesgo de infección. El tanque se diseñará para que se efectúe óptimamente el proceso de desinfección con tiempo de contacto mínimo de 20 minutos para el gasto máximo extraordinario. El patrón de flujo será de tipo "pistón" y la relación largo: ancho que se tiene en el tanque rectangular será de 3 a 1.


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El digestor aerobio servirá para destruir los componentes orgánicos degradables (principalmente sólidos volátiles) por mecanismo biológicos aerobios, así como reducir los olores que se pueden presentar en la operación y mejorar las características de desaguado de los lodos.

1.6. LECHOS DE SECADO. Los lechos de secado se usarán para la deshidratación de los lodos digeridos. El lecho consistirá en 10 a 23 cm de arena sobre una capa de grava o piedra de 20 a 45 cm de espesor. La arena tendrá un tamaño efectivo de 0.3 a 1.2 mm y la grava se graduará de 1/8 a 1 pulg. El lodo seco es removido debe cumplir con las normas aplicables para usarse como fertilizante o disponerse por el municipio.


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1.7. DIAGRAMA DE FLUJO DF-001


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2. CALCULOS PRELIMINARES DE LAS UNIDADES DEL PROCESO DE TRATAMIENTO PROPUESTO De acuerdo a los resultados de los estudios previos, el sistema de tratamiento en la CPTG Atasta estará formada por un módulo, como se ilustra en el plano D-849-077-A-001

2.1. CÁRCAMO DE BOMBEO DE AGUAS NEGRAS

2.1.1. Diseño de la unidad El tamaño del cárcamo de bombeo se determina con base al flujo de entrada (0.75 l/s), con respecto al gasto máximo extraordinario. (Q max ext = 4.14 lts/s)

Gastos de diseño No. Bomba Eq. Empleados Gasto bombeo (l/s) Qmín=1.50 l/s 1 1 1.00 Qmed= 0.75 l/s 1 0.75 Qmáx inst = 2.76 l/s 2 2 3.00 Qmáx ext = 4.14 l/s 1 y 2 4.00

Proponiendo un tiempo entre el arranque y la parada de la bomba de 20 minutos, se tiene una capacidad del cárcamo igual a:

Volumen requerido del cárcamo4

qv

Donde:

v: volumen mínimo requerido, m

3

: Tiempo mínimo de un ciclo de bombeo, mín. q: gasto de bombeo, m3/min. q = 0.75 l/s. (0.045 m3/min)

3m22504

045020v .

.

considerando un tirante útil de 1.5 m, el área es de 2m15051

2250A .

.

.

Esta área se ajustará considerando un volumen de acumulación debido al gasto máximo extraordinario. Considerando un tiempo de duración del gasto máximo extraordinario de 10 minutos, intervalo suficiente para el arranque de las bombas No. 1 y 2, se tiene lo siguiente:

min10 )Q- (Q Q duración de tiempo *gastos de Diferencia medext maxext max

33

034.21000

1

min

60min10)75.014.4( m

l

mseg

3259.2 mVolumentotal


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Por lo que considerando el mismo tirante útil, el área requerida es

254.1 mArea

Utilizando una geometría cuadrada se tienen las siguientes dimensiones:

mbAb 50.124.154.1

Considerando que se debe tener acceso para dar mantenimiento al cárcamo de aguas residuales, se dan 40 cm adicionales a la unidad en un sentido “a” para tal efecto

maba 90.194.14.0

Revisión por septicidad Considerando la operación de una sola bomba con un gasto de 0.75 l/seg.

min60min63800,375.0

850,2 seg

segl

l

Q

Vt

Por lo que en caso de llegar a la profundidad de 1 m, se tendrán problemas de olores desagradables debido a septicidad, siendo la altura máxima de 0.9 metros Dimensiones finales

Ancho 1.50 m Largo 1.90 m Tirante útil 1.50 m Borde libre mínimo 0.50 m Material de construcción Concreto

Ver figura 1

2.2. TANQUE DE AIREACIÓN Datos

Gasto: 0.75 l/seg = 64.8 m3/día

Numero de tanque: 1 DBO5 INFL. 190 mg/l DBO5 EFL. 30 mg/l

Criterios de diseño Los establecidos por Metcalf & Eddy en: Wastewater Engineering; Treatment, and Reuse, Fourth Edition; Mc Graw – Hill; 2003.


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Figura 1. Cárcamo de bombeo Consideraciones de diseño

Tipo de proceso: Lodos activados Constantes cinéticas1 Y= 0.6 Kd= 0.10

De )1(

)(

C

C

kdx

SeSoQyV

(Ecuación 1 )

Sustituyendo

De

344.12)101.01(2500

)30190(6.08.6410mV

1 Tabla 7-9 de Medtcalf & Eddy, pagina 585


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Considerando un tirante útil de 2.2 m

23

m66522

m4412A .

.

.

Para un tanque rectangular y con una relación de 2:1, se tiene las siguientes dimensiones2: a = 2.00 metros b = 4.00 metros

2842 mabA y 36.172.2*8 mV

Se determinaran los siguientes parámetros de control del proceso correspondiente a los gastos calculados.

Relación M

F

F= QSo Donde: F= Carga orgánica, Kg DBO5/día. Q= Gasto, l/seg. So= DBO5 del influente, mg/l. M = Vx Donde: V= Volumen del tanque en m3

x= SSVLM, mg/l Sustituyendo

27.0

10002500*6.17

0864.019075.0

M

F

El rango recomendado para el proceso es 0.2 ≤ F/M ≤ 0.63

. Carga Volumétrica C. Vol.

C.Vol.= kFx Donde: C.Vol.= Carga orgánica, Kg/m3

.día F= Carga orgánica, Kg DBO5/día k= Factor de conversión

2 Estas dimensiones son las consideradas mínimas de diseño para obtener una aireación eficiente.

3 Metcalf&Eddy. Tabla 8-16, Pag 747


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7.06.17

0864.019075.0

CV

El rango recomendado para el proceso es 0.3 ≤ CV ≤ 1.604 Tiempo de retención hidráulico tr

Q

Vtr Donde:

tr= Tiempo de retención hidráulico, h V= Volumen del tanque, m

3 Q= Gasto, m3/h

hrstr 61.47.2

44.12

El rango recomendado para el proceso es 3 ≤ tr ≤ 5, Ver referencia 4 Dimensiones finales:

Ancho mínimo 2.00 metros Largo mínimo 4.00 metros Tirante 2.20 metros Bordo Libre: 0.80 metros Material de construcción Concreto

Cálculo de la cantidad de oxígeno Para determinar la cantidad de oxígeno requerido para biodegradar la materia orgánica contenida en las aguas residuales, se utilizará la siguiente expresión:

PxKggxf

SeSoQdOKg 42.1

/10

)(/

32

Donde: Q= gasto, m3

/d So= DBO5 del influente, mg/l Se= DBO5 del efluente, mg/l F= Factor de Conversión de la DBO5 a DBOL (última) Px= Cantidad de lodos producidos por día en el proceso de lodos activados, Kg/día Así mismo

4 Metcalf&Eddy. Tabla 8-16, Pag 747


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310

)( eoobsx

SSQYP

y

cKd1

YYobs

Sustituyendo valores

300100601

60Yobs .

)(.

.

dKg11310

30190864300P

3x /.)(.*.

díaKg39101134211070

30190864dKgO

32 /.).(.)(.

)(./

Cálculo del número y potencia de los aireadores superficiales Para este proyecto se consideraron equipos de aireación 1.59 Kg/hp.h con una tasa de transferencia de oxígeno de 3.5 lb/hp.h en condiciones estándar. Para determinar la tasa de transferencia en condiciones reales o de campo, se utiliza la siguiente expresión.

20T

520

LWALTo 0241

C

CCNN

.

donde: N= Tasa de transferencia de O2 en condiciones de campo, kg/hp.h. No= Tasa de transferencia de O2 en condiciones estándar, kg/hp.hora CWALT= Concentración de O2 disuelto saturado en agua limpia a una altura y temperatura de campo, mg/l. C520= Concentración de O2 saturado en agua limpia a 20°C y a nivel mar CL= Concentración de O2 de operación en el tanque de aireación, mg/l. T= Temperatura, °C = Factor de corrección de transferencia de O2 para aguas residuales, adimensional = Factor de corrección de tensión superficial salina, adicional. Cálculo de N


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De referencia 5(1) y con T= 24.7

Se tiene que lmg298CWALT /.

lmg089C

20S /.

)(/. propuestolmg02CL

De Metcalf & Eddy, página 429

90.

950. Sustituyendo valores

diahpKg8915hHpKg660900241

089

02298950591N 20724 ./../.).(.

.

.... .(

La potencia requerida para suministrar el oxigeno requerido es:

Kw490Hp650diahpKg8915

diaKg3910HP ..

./.

/.

Revisión de la potencia requerida para mezclado. De referencia6, para aireadores mecánicos superficiales, se recomienda un rango de 20 a 40 Kw/10 3 m3

El tanque tiene un volumen de 17.6 m

3, por lo que

33

3310/84.27

100176.0

49.0mKw

mx

Kw

que se encuentra dentro del rango recomendado. Por lo que se tomará dos unidades de 0.5 Hp como motor comercial. En caso de utilizar equipo de difusión, se requerirá un soplador de 2.5 HP para garantizar el suministro de aire requerido.

2.3. SEDIMENTADOR SECUNDARIO O CLARIFICADOR

Consideraciones de diseño:

Número de unidades: 1 Qmed 64.80 m3/d

5 Metcalf & Eddy; Apéndice D, página 1745 6 Metcalf & Eddy; pagina 448


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Qmax ext 357.70 m3/d Carga superficial 22 m3/m 2d Tipo: Circular Altura Propuesta 2.2 m

Cálculo del área superficial teórica

2

23

3

s m952dmm22

dm864

CS

QA .

/

/.

si se considera la unidad cuadrada, las dimensiones son

mAl 71.195.2

Se propone una dimensión de 2 m y se recalcula el área superficial

222 00.42 maAs

El volumen del sedimentador secundario será:

38.82.2*00.4* mhAV s

Se verifica el tiempo de retención hidráulico (TRH)

horasdíadíam

m

Q

VTRH

med

25.313.0/8.64

8.83

3

El rango de valores es de 1.5 a 2.5 horas, por lo que el TRH es aceptado.

Entonces el valor de la carga sobre el vertedor será:

díammm

díam

P

QCV ./4.32

2

/8.64 33

El valor es aceptable puesto que el rango es de 125 y 500 m3/m.d

Calculando la carga de sólidos:


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hmKgSSTdh

dmLmg

A

QSSTC

s

avsol

23

/16.04*/24*1000

/8.64*/250*

Se revisa el diseño para el gasto máximo extraordinario.

Carga superficial:

dmmm

dmCS ./43.89

4

/7.357 23

2

3

No cumple, rediseñando con el valor máximo recomendado7 para sedimentadores secundarios después de

tratamiento de lodos activados en la modalidad de completamente mezclados, que es de 64 m3/m2-d. Por lo

cual se requiere de un área 5.91 m2, con lo cual se obtiene una dimensión de 2.43 m, que convertido a una

medida estándar nos dará un valor de 2.5 metros.

Con lo cual, tiempo de retención hidráulico

hrdíadm

mTRH 92.0038.0

/7.357

75.133

3

Carga volumétrica:

diammm

dmCV ./05.143

5.2

/7.357 33

Calculando la carga de sólidos:

hmKgSSTdh

dmLmg

A

QSSTC

s

sol2

3

/6.025.6*/24*1000

/7.357*/250*

Los valores encontrados se encuentran dentro de los rangos recomendados, por lo que se aceptan las

dimensiones. Dimensiones finales

Diámetro 2.736 m Tirante hidráulico 2.200 m

7 Metcalf & Eddy. Tabl 8-7. Página 687.


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Bordo libre 0.800 m Material de construcción Concreto

2.4. TANQUE DE CONTACTO DE CLORO

Consideraciones de diseño:

Número de unidades: 1 Qmed 0.045 m3/min Tiempo de retención 15 a 30 min Dosis empleada: 10 mg/l Altura Propuesta 1.0 m

Cálculo del volumen teórico

33m12125m0450tQV .min*

min.*

Con la altura propuesta se determina el área

2m12101

121

h

VA .

.

.

Considerando una relación de 2:1, se tiene largo de 2 metros y ancho de 1.5 metros para el tanque.

Se verifica el tiempo de contacto para Qmax ext. min.

68250

3

Q

Vt

med

Dimensiones finales (mínimas)

Tirante hidráulico 1.00 m. Bordo libre 0.50 m Largo 2.00 m Ancho 1.50 m Material de construcción Concreto

Consumo de reactivos

Considerando que la desinfección del agua clarificada se llevará a cabo con Hipoclorito de Calcio al 65% con una dosis de 10 mg/l.

C

CsQmCt

donde:

Ct : cantidad de reactivo, Kg/d.


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Qm : gasto medio, l/s. Cs : cantidad de cloro, mg/l. C : porcentaje de concentración de cloro.

d

kg6480

mg10

kg1

d1

s86400

s

mg507

l

mg10

s

l750

6...

día

kg001650

díakg6480

Ct ..

.

Cisterna de almacenamiento de agua tratada Considerando un tiempo de almacenamiento del agua de una hora y sin riego como situación más desfavorable se requiere de un volumen

33m7260m0450tQV .min*

min.*

Considerando un tirante hidráulico similar al tanque de contacto de cloro de 1 m, se requiere un área de 2.7 m

3 y proponiendo una relación de 2:1.5. Tenemos un largo de 1.89 m y ancho de 1.42 m. Dimensiones finales (mínimos)


2.5. DIGESTOR DE LODOS Considerando los siguientes datos: Total de lodos = 22.91 lb/d DBO5= 190.00 mg/l SS= 300.00 mg/l Y= 0.06 Tverano= 37.8 ºC Tinvierno= 16.6 ºC Reducción de SVverano= 40 % Concentración de lodos = 2 % Gravedad especifica = 1.03 Conc. de lodos digestor = 70 % Kd15= 0.06 d

-1

Fracción de SS= 0.8 Tiempo de ret= 12 d Volumen de lodo por día es Q = 17.82 ft

3/d = 0.50 m

3/d

De acuerdo a las condiciones de temperatura y de la Fig. 14-31 del Metcalf, se tiene Requerido= 28.61 d


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Verano= 1081.63 d Fig. 14-31 del Metcalf Reducción de lodos = 44 % Los SST son: VSS= 18.32 lb/d Verano= 7.33 lb VSS/d Invierno= 8.06 lb VSS/d Determinación del oxigeno requerido, de la tabla 14-34 del Metclaf, se obtiene un valor de 2.3, que al ajustarlo se tienen los siguientes valores Verano= 16.86 lb O2/d Invierno= 18.54 lb O2/d El volumen de aire requerido para condiciones estándar es de 0.075 lb/ft3, ajustándolo a las condiciones del área Verano= 968.88 ft

3/d = 27.46 m

3/d

Invierno= 1,065.77 ft3/d = 30.20 m

3/d

Considerando una eficiencia del oxigeno de transferencia del 10 % Verano = 6.73 ft

3/min = 0.19 m

3/min

Invierno = 7.40 ft3/min = 0.21 m

3/min

Determinación del volumen del digestor aerobio V = 193.83 ft

3 = 5.49 m

3

Considerando un tirante útil de 2.2 y una sección rectangular se tiene un ancho de 1.5 m y largo de 3.00 metros Mientras que el aire requerido por 1000 ft

3 de digestión, es de 38.18 ft

3/10

3 ft

3-min

2.6. LECHO DE SECADO DE LODOS

Se espera que los lodos tengan una concentración del 2.5%

8 y de acuerdo al proceso se puede esperar la cantidad de 3.11 kg/día, por lo que se tendrían 0.12 m3/d. Por la cantidad manejada no es conveniente implementar un sistema mecánico de deshidratación de lodos, en cambio es recomendable instalar un sistema de lecho de secado de lodos. Lechos de Secado Para calcular el tiempo requerido para el secado de lodos se utiliza la siguiente fórmula empírica:

d21

O tS

1

S

1

bRaE

HS30T

Donde:

8 CNA, 2002. Manual de Diseño de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento. Punto 3.2.33. Espesador de

Lodos


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H = Tirante de agua aplicado, pulg. So = Concentración de sólidos, % a = Factor adimensional E = Evaporación en el lecho de secado, pulg/mes b = Fracción de lluvia absorbida, adimensional R = Precipitación en el mes más lluvioso, pulg/mes S1 = Contenido de Sólidos después de td días S2 = Contenido final de sólidos % td = Tiempo en el que el drenaje es significativo, días Para el diseño se consideran los siguientes valores: H = 6 pulg. (15 cm). So = 2.5 % a = 0.75 E = 4.95 pulg./mes (4.154 mm/día)9 b = 0.57 R = 6.08 pulg/mes (7.18 mm/día) S1 = 25 % S2 = 30 % td = 15 días Sustituyendo

dias 93221530

1

25

1

187x57954x750

52x6x30T .

....

.

para diseño se tomará 23 días. Cálculo del área requerida Para el área requerida de los lechos de aplicará la siguiente fórmula empírica:

H487

QT12SA

.

Donde: Q = Gasto de lodos a aplicar, gal/día T = Tiempo requerido de secado, días H = Tirante inicial de lodos, pulg. SA = Área requerida, ft

2

Sustituyendo valores

22 m521ft4016pu6487

dias23diagal32SA ..

lg)(.

)(/

Se proponen lechos de 1.5 m x 1.5 m por lo que el número de lechos requeridos es:

9 Unidad del Servicio Metereológico Nacional. Ciudad del Carmen. Memorias Climatológicas


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lechoslechom

N 1/25.2

52.12

Dimensiones finales


3. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Las dimensiones de las unidades de la planta de tratamiento pueden cambiar de acuerdo al fabricante / proveedor, pero en ningún caso las dimensiones podrán ser menores a las marcadas en esta memoria y mayores a las presentadas en el plano D-849-077-A-001. 4. BIBLIOGRAFÍA

Unidad del Servicio Metereológico Nacional, 2005. Ciudad del Carmen. Memorias Climatológicas. CNA, 2002. Manual de Diseño de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento. Punto 3.2.33.

Espesador de Lodos. Metcalf & Eddy, 2003. Wastewater Engineering; Treatment, and Reuse, Fourth Edition; Mc Graw –

Hill. NRF-104-PEMEX-2005. Sistemas de Tratamiento de Aguas Residuales en Instalaciones de PEMEX

Exploración y Producción. NORMA Oficial Mexicana NOM-001-ECOL-1996, Que establece los límites máximos permisibles de

contaminantes en las descargas de aguas residuales en aguas y bienes nacionales. NORMA Oficial Mexicana NOM-002-ECOL-1996, Que establece los límites máximos permisibles de

contaminantes en las descargas de aguas residuales a los sistemas de alcantarillado urbano o municipal.

5. PLANOS D-849-077-A-001 Localización general y arreglo de la planta de tratamiento de aguas residuales

memoria de calculo planta de tratamiento de aguas residuales

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