monografia tratamiento de aguas residuales

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA

FACULTAD DE CIENCIAS

Diseño de Planta de Tratamiento de Agua Potable

PROFESOR : Ing. Lawrence Quipuzco

CURSO : Tratamiento y Abastecimiento de Agua

ALUMNOS : Coello, Mirko

Mejía Salas, David

Ramos Perez-Egaña, Aracelli

Contenido1. INTRODUCCION...............................................................................................................2

2. OBJETIVOS.......................................................................................................................2

3. REVISIÓN DE LITERATURA...............................................................................................3

3.1. DESCRIPCIÓN DE LAS UNIDADES.................................................................................3

3.1.1. CANALETA PARSHALL...............................................................................................3

3.1.2. DIFUSOR...................................................................................................................4

3.1.3. FLOCULADOR DE PANTALLA DE FLUJO VERTICAL....................................................4

3.1.4. DECANTADOR LAMINAR..........................................................................................7

3.1.5. FILTRO DE TASA DECLINANTE..................................................................................8

4. MATERIALES Y MÉTODOS..............................................................................................10

4.1. MATERIALES...............................................................................................................10

4.2. MÉTODOS...................................................................................................................10

5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN............................................................................................11

5.1. ETAPA PRELIMINAR...................................................................................................11

5.2. CALCULOS UNIDADES................................................................................................12

5.2.1. CANALETA PARSHALL.............................................................................................12

5.2.2. DIFUSOR.................................................................................................................14

5.2.3. FLOCULADOR DE PANTALLA DE FLUJO VERTICAL..................................................15

5.2.4. DECANTADOR LAMINAR........................................................................................17

5.2.5. FILTRO DE TASA DECLINANTE................................................................................21

5.2.6. DRENAJE Y CANALETAS DE LAVADO......................................................................25

5.3. RECOPILACIÓN DE RESULTADOS Y DISCUSIONES......................................................26

6. CONCLUSIONES..............................................................................................................27

7. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS......................................................................................28

8. ANEXOS..........................................................................................................................28

ANEXO I: PLANO DE LA CANALETA PARSHALL......................................................................28

ANEXO II: PLANO DE FLOCULADOR.......................................................................................28

ANEXO III: PLANO DE DECANTADOR.....................................................................................28

ANEXO IV: PLANO DE FILTRO................................................................................................28

ANEXO V: VISTA DE PLANTA DEL DISEÑO DE TRATAMIENTO DE AGUAS.............................28

ANEXO VI: DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS EN LABORATORIO......................................28

1. INTRODUCCION

1

Existe la necesidad de proporcionar un adecuado suministro de agua a la población en términos de calidad, cantidad y accesibilidad esto una prioridad indiscutible en todos los países y en particular en los países en vías en desarrollo como el nuestro en donde las enfermedades ligadas al agua y al saneamiento inadecuado alcanzan porcentajes elevados en los casos de consulta externa y de hospitalización. Por otra parte, el desarrollo económico de los pequeños núcleos se ve frenado por la carencia de infraestructuras básicas como son las redes de abastecimiento de agua potable.

Con el fin de mejorar la salud y la calidad de vida se desarrollan e implementan plantas de tratamiento de agua son instalaciones que convierten el agua natural o bruta en agua potable. Están localizadas entre las instalaciones de captación de agua (fuentes, ríos, embalses y pozos) y los depósitos y canalizaciones que la distribuirán por los hogares. Tienen como misión la eliminación de tres tipos principales de sustancias indeseables en el agua destinada al consumo humano:

Materia mineral. Materiales orgánicos: fenoles, hidrocarburos, detergentes, residuos de pesticidas, etc. Contaminantes biológicos: microorganismos como bacterias, protozoos, virus, etc.

Por esta razón, el siguiente trabajo muestra las condiciones y parámetros a tomar en cuenta al diseñar una planta de tratamiento, la cual se basa en el ahorro energético, económico y espacial; haciendo de este un proyecto accesible a la realidad peruana.

2. OBJETIVOS

Objetivo general

Desarrollar el diseño de una planta de tratamiento de agua potable, de tipo primario, para un caudal de 2.5 m3/s.

Objetivo específico

Diseñar las unidades de tratamiento: Mezclador, floculador, decantador y filtro. Realizar los cálculos necesarios para el diseño de una planta de tratamiento

3. REVISIÓN DE LITERATURA

2

3.1. DESCRIPCIÓN DE LAS UNIDADES3.1.1. CANALETA PARSHALLMezcladores

Los mezcladores tienen como objetivo la dispersión instantánea del coagulante en toda la masa de agua que se va a tratar. Esta dispersión debe ser lo más homogénea posible, con el objeto de desestabilizar todas las partículas presentes en el agua y optimizar el proceso de coagulación.

Mezcladores de resalto hidráulico Estas unidades son especialmente adecuadas para aguas que la mayor parte del tiempo están coagulando mediante el mecanismo de adsorción; es decir, aguas que presentan alta concentración de coloides. Los tipos más frecuentes tienen la ventaja de servir de unidades de medición de caudal y de unidades de mezcla rápida, por lo cual son muy populares.

Resalto hidráulico

El resalto o salto hidráulico es un fenómeno local, que se presenta en el flujo rápidamente variado, el cual va siempre acompañado por un aumento súbito del tirante y una pérdida de energía bastante considerable (disipada principalmente como calor), en un tramo relativamente corto. Ocurre en el paso brusco de régimen supercrítico (rápido) a régimen subcrítico (lento), es decir, en el resalto hidráulico el tirante, en un corto tramo, cambia de un valor inferior al crítico a otro superior a este.

Un tipo de dispositivo muy utilizado en las plantas de tratamiento con la doble finalidad de medir el caudal y efectuar la mezcla rápida es la canaleta Parshall1.

1 Lidia de Vargas, Manual I: Teoría, Mezcla Rápida, pág. 246.

3

Figura 1: Canaleta Parshall

Fuente: 1: Lidia de Vargas, 2008. Tratamiento de agua para consumo humano.

El número de Froude para conseguir un resalto estable es de 2 a 3 para canaletas Parshall y de 4,5 a 9 para canales con cambio de pendiente, vertederos rectangulares y triangulares.

El gradiente de velocidad óptimo para este tipo de unidades es de aproximadamente 1.000 s-1.

3.1.2. DIFUSOREste tipo de mezclador es especialmente apropiado para canales de mezcla profundos y cuando no se tiene mucha carga disponible para el mezclador. Cuando la altura de agua en el punto de mezcla es grande, la mezcla es más eficiente si la aplicación del coagulante se efectúa en toda la sección y no en un solo punto. Cuando el coagulante se aplica en un solo punto, los resultados no son buenos debido a que la mezcla se completará en una distancia tal como L, lo que demandará un exagerado tiempo de mezcla (T).

Como el sulfato de aluminio al contacto con el agua se hidroliza y polimeriza en fracciones de segundo, la eficiencia del proceso disminuye. Cuando el número de puntos de aplicación es mayor, menor es la distancia (L/4) y el tiempo de mezcla (T/4), y la dispersión del coagulante más rápido, con lo que se logra una eficiencia mayor.

3.1.3. FLOCULADOR DE PANTALLA DE FLUJO VERTICALFloculación

El objetivo del floculador es proporcionar a la masa de agua coagulada una agitación lenta aplicando velocidades decrecientes, para promover el crecimiento de los flóculos y su conservación, hasta que la suspensión de agua y flóculos salga de la unidad

Parámetros operacionales

El gradiente de velocidad debe variar en forma uniformemente decreciente, desde que la masa de agua ingresa a la unidad hasta que sale

El tiempo de retención puede variar de 10 a 30 minutos, dependiendo del tipo de unidad y de la temperatura del agua. En las zonas tropicales, donde las aguas presentan temperaturas por encima de los 20 °C, el tiempo de floculación necesario suele ser más breve, alrededor de 15 minutos. En cambio, en los lugares fríos, donde el agua tiene temperaturas de 10 a 15 °C, generalmente

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el proceso se optimiza con tiempos de retención iguales o superiores a 20 minutos.

Para que el periodo de retención real de la unidad coincida con el de diseño, ella debe tener el mayor número posible de compartimientos o divisiones

El paso del mezclador al floculador debe ser instantáneo y deben evitarse los canales y las interconexiones largas.

El tiempo de retención y el gradiente de velocidad varían con la calidad del agua

Floculadores

Los floculadores se clasifican como mecánicos o hidráulicos de acuerdo con el tipo de energía utilizada para agitar la masa de agua.

Si tomamos en cuenta el modo en que se genera la aglomeración podemos clasificarlos del siguiente modo:

Floculadores de contacto de sólidos floculadores de potencia o de disipación de energía..

Figura 2: Clasificación de floculadores

Fuente: Lidia de Vargas, 2008. Tratamiento de agua para consumo humano.

Floculadores de potencia

En estos floculadores las partículas son arrastradas por el flujo de agua a través del tanque de floculación sin que prácticamente exista concentración de sólidos. De acuerdo con la forma de disipación de energía, se pueden clasificar en hidráulicos y mecánicos.

Hidráulicos: Se utilizan la energía hidráulica disponible a través de una pérdida de carga general o específica. Un tipo de floculador hidráulico es el de pantallas y es el que utilizaremos en nuestro proyecto.

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Floculadores de pantallas

Los floculadores pueden ser de flujo horizontal en donde el agua circula con un movimiento de vaivén o de flujo vertical donde la corriente sube y baja sucesivamente, contorneando las diversas pantallas.

Las unidades de flujo vertical el flujo sube y baja a través de canales verticales formados por las pantallas. Es una solución ideal para plantas de medianas a grandes, porque debido a la mayor profundidad que requieren estas unidades, ocupan áreas más reducidas que los canales de flujo horizontal.

La pérdida de carga total es la suma de dos parciales. La primera, de menor cuantía, debida a la fricción en el canal; y la segunda, la principal, debida a los cambios de dirección.

Esta puede ser calculada mediante la siguiente ecuación:

h1=(nV /r 2/3)2∗l

Donde:

n = coeficiente de fracción de ManningV = velocidad del flujor = radio hidráulico de los canalesl = longitud de canales en cada tramo

Figura 3: Floculador de pantallas


6

Figura 4: Floculador vertical tipo Alabama


3.1.4. DECANTADOR LAMINAR

Mediante la colocación de placas paralelas o módulos de diferentes tipos en la zona de sedimentación, se obtiene en estas unidades una gran superficie de deposición para los lodos lográndose disminuir apreciablemente el área superficial de los tanques

Decantadores de flujo Ascendente: en un decantador laminar de flujo ascendente, lo más importante es conseguir una distribución uniforme del agua floculada en toda el área de placas, y una recolección también uniforme del efluente encima de las placas , a fin de obtener que la participación del flujo se a lo más pareja posible en toda la superficie de decantación.

Parámetros

Zona de entrada. Esta zona tiene como objetivo distribuir el caudal de manera uniforme a todas las unidades que operan en paralelo y a lo largo del módulo de placas. Esta función la desempeñan dos canales con diferente ubicación.

Zona de decantación. Esta zona se proyecta sobre la base de la tasa de decantación seleccionada durante el estudio de laboratorio efectuado con el agua cruda. La muestra debe tomarse durante el periodo lluvioso, para que los resultados de estas pruebas, que constituyen los parámetros de diseño del proyecto, correspondan a las necesidades de la época más críticas. Las lonas que se utilizan como placas son de vinilo y reforzadas con hilos de poliéster de alta tenacidad

Zona de salida. La uniformidad en la ascensión del flujo depende tanto de las características de la zona de entrada como de la de salida. Para conseguir una extracción uniforme, se puede diseñar ya sea un canal central recolector y canales laterales, un canal central y tuberías laterales perforadas o un canal central y vertederos laterales

Zona de depósito y extracción de lodos. Esta zona está compuesta por las tolvas de almacenamiento y el sistema de evacuación o de descarga hidráulica de los lodos. La alternativa más recomendable, por su excelente funcionamiento, es la de tolvas separadas, con colector múltiple de extracción hidráulica y uniforme.

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Figura 5: Esquema de decantador de flujo ascendente


3.1.5. FILTRO DE TASA DECLINANTE Filtración

En general, se considera la filtración como el paso de un fluido a través de un medio poroso que retiene la materia que se encuentra en suspensión. En las principales instalaciones de filtración, los filtros sueles ser abiertos, mientras los filtros cerrados suelen utilizarse para instalaciones pequeñas (menor de 40m3/h).

En las instalaciones de filtración de las estaciones de tratamiento de agua, el medio poroso suele ser generalmente arena, arena + antracita o bien carbón activo en grano, y la materia en suspensión está constituida por flóculos o microflóculos procedentes de la etapa anterior de decantación o bien formados expresamente cuando se sigue el proceso conocido como "microfloculación sobre filtro" o filtración directa". Los filtros de estas instalaciones, generalmente son abiertos, con velocidades de filtración entre 6 y 15 m/h, empleándose los filtros cerrados a presión en instalaciones pequeñas (menores de 50 m3/h).

El espesor de la capa de arena suele oscilar entre 0,7 y 1 m. y la talla efectiva entre 0.8 y 1mm con un coeficiente de uniformidad entre 1,5 y 1,7. En el caso de lechos bicapa, el espesor de arena es 1/3 del total y sobre ella una capa de antracita de 2/3 del espesor total y talla efectiva entre 1,2 y 2,5mm2

Realmente, el espesor y granulometría depende de la velocidad de filtración, del tamaño y naturaleza de las partículas que van a ser retenidas y de la pérdida de carga disponible.

2 Gestión de Aguas y Residuos, http://s267388628.mialojamiento.es/webgedar/Teoria/FILTRACION.pdf

8

Batería de filtros de tasa declinante3

Los filtros son las unidades más complejas de una planta de tratamiento de agua. Su correcta concepción depende de la interrelación que exista entre las características de la suspensión afluente y los rasgos del medio filtrante, para que predominen los mecanismos de filtración apropiados que darán como resultado la máxima eficiencia posible.

La concepción de estas unidades varía dependiendo de las características de la suspensión por filtrar, por lo que podemos diferenciar las unidades que filtran agua decantada de las que reciben agua coagulada o brevemente floculada. En el primer caso, se tratará de las baterías de filtros que integran una planta de filtración rápida completa y, en el segundo, de una planta de filtración directa

Ventajas de las baterías de filtros de tasa declinante y lavado mutuo

No requieren una carga hidráulica muy grande para operar. Los filtros de tasa constante operan con una carga hidráulica de 1,80 a 2 metros para completar una carrera de operación de 40 a 50 horas en promedio. En estas mismas condiciones, normalmente una batería de filtros operando con tasa declinante requiere una carga similar a la que necesitaría si estuviera operando con tasa constante, dividida por el número de filtros que componen la batería.

No se requiere instrumental sofisticado ni consolas o pupitres para la operación, aunque en las plantas grandes se los suele incluir.

La batería de filtros opera bajo el principio de vasos comunicantes. Las unidades están intercomunicadas por la entrada a través del canal de entrada y también del canal de interconexión en la salida. Por esta característica, las unidades presentan todos los mismos niveles y es posible controlar el nivel máximo de toda la batería, con un solo vertedero-aliviadero en el canal de entrada.

3 Capitulo 5 Bateria de filtroa de tasa declinante y lavado mutuo, http://www.bvsde.ops-oms.org/bvsatr/fulltext/tratamiento/manualII/ma2_cap5.pdf

9

Figura 6: Vistas de un filtro de tasa declinante


4. MATERIALES Y MÉTODOS

4.1. MATERIALES

-Programas utilizados:

Microsoft Excel

AutoCAD

4.2. MÉTODOS

-Formulas:

Se utilizaron todas las formulas indicadas en las clases de teoría del curso de tratamiento y abastecimiento de agua.

-Ensayos de laboratorio:

Se utilizaron los datos obtenidos en los ensayos de laboratorio para las etapas de: Mezcla rápida, coagulación y floculación. Dichos resultados se presentan en el anexo 6.

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5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

5.1. ETAPA PRELIMINAREl diseño de la presente planta de tratamiento fue realizado a partir de datos de caudal de diseño de la Planta de Tratamiento de agua potable Agua Azul ubicada en Carabayllo. Esta planta opera con un caudal promedio de 2.5m3/seg., y abastece de agua potable a la mayor parte de la población de Lima Norte, 750,000 habitantes de los distritos de Carabayllo, Comas, Ancón, Puente Piedra y Santa Rosa4.

El área estimada ocupada por la planta de tratamiento diseñada es de 7745.133 m2, con 77.5 m de ancho por 100.131 m de largo. Plano de Distribución de Planta de Tratamiento y en la Memoria Descriptiva Asociada a este plano.

Dentro del diseño de la planta es de suma importancia considerar la calidad del Agua Cruda5 en términos de turbiedad, pH y temperatura, para poder determinar el tipo de unidades de tratamiento, el diseño de las mismas entre otras consideraciones. Para el caso los parámetros de calidad del Agua Cruda se visualizan en el cuadro 1.

Cuadro 1. Parámetros de calidad el Agua Cruda.

PARÁMETRO VALOR UNIDADESTemperatura 26.8 ºC

pH 7.36 ---Turbiedad 89 UNT


En base a las características de agua cruda antes mencionadas y al caudal de diseño se determinó las siguientes unidades de tratamiento las cuales se presentan en el cuadro 2.

Cuadro 2. Parámetros de calidad el Agua Cruda.

UNIDAD DE TRATAMIENTO PROCESO UNITARIO CANTIDAD DE UNIDADESCanaleta Parshall Mezcla Rápida 6

Floculador de Pantalla de flujo vertical

Floculación 6

Decantador Laminar Decantación 6, con ocho tolvas cada una.

Filtro de tasa declinante Filtración 6 baterías con 6 filtros.Fuente: Elaboración propia

Con las unidades propuestas se presume una efectividad de remoción de partículas suspendidas y microorganismos patógenos de alrededor del 99.99%. La diferencia deberá ser tratada con un proceso de desinfección por cloración debido a los costos bajos de esta tecnología en comparación a las demás existentes. Por otro lado cabe resaltar que para la planta de tratamiento no se ha considerado un proceso de pre-cloración ni pre-sedimentación con desarenadores, debido a las características del agua cruda que no amerita dichos tratamientos.

4http://www.carabayllo.net/distritos/carabayllo/368-la-planta-de-agua-potable-de-agua-azul-en-carabayllo.html.5 Agua Cruda=Agua que ingresa a la planta de tratamiento a ser tratada.

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Estas unidades propuestas son descritas a continuación en las secciones siguientes del informe.

5.2. CALCULOS UNIDADES

5.2.1. CANALETA PARSHALLEl caudal de diseño para la planta de tratamiento es Q = 2.5 m 3/s. En la planta de tratamiento de aguas del Consorcio Agua Azul se utilizaron 4 canaletas Parshall para la realización de la mezcla rápida. En este caso, se ha decidido tratar el caudal de diseño en 5 canaletas, por lo que para cada una de las canaletas se tratará un caudal de:

Q = 2.5 m3/s /4 = 0.625 m3/s = 625 L/s

Cuadro 3: Parámetros para el mezclador Parshall

PARÁMETRO ECUACION VALOR UNIDADESCaudal (Q) ----- 2.5 m3

sAltura de agua en la sección de

medición (Ho)Ho=K∗Qm 0.45 m

Ancho de la sección de medición (D’) D'=2

3∗(D−W )+W 1.353 m

Velocidad de la sección de medición (Vo) Vo= Q

D'∗Ho1.026 m

sCaudal Específico (q) 0.683 m3

m∗segCarga Hidráulica disponible (Eo) 0.733 m

Θ1 2.264 ----

Velocidades antes del resalto (V1)

3.189

Altura de agua antes del resalto (H1)

0.214 m

Numero de Froude (F1) 2.201 ----

Altura del resalto (H2) 0.568 mVelocidad del resalto (V2) 1.202

Altura en la sección de salida de la canaleta (H3)

0.415 m

Velocidad en la sección de salida (V3)

1.645

Pérdida de carga en el resalto (hp)

0.111 m

12

Tiempo de mezcla en el resalto (T)

0.643 seg

Gradiente de velocidad 1214.209 Seg-1

Fuente: Elaboración propia

Cuadro 4: Datos derivados del caudal para mezclador Parshall

DATOS

W 0.915K 0.608m 0.639

Gravedad 9.8√(y/u) 2920.01


Para ancho de garganta W=91.5cm o W=0.915m se tienen los datos del cuadro 5.

Cuadro 5: Dimensiones estandarizadas del mezclador Parshall

DIMENSIONES ESTANDARIZADAS

A 1.677B 1.645C 1.22D 1.572E 0.915F 0.61G 0.915K 0.076N 0.299Fuente: Elaboración propia

Cuadro 6: Valores de √Y / μ

TEMPERATURA √ϒμ

0 2336.944 2501.56

10 2736.5315 2920.0120 3114.6425 3266.96


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El diseño a escala de la canaleta parshall puede visualizarse en el anexo I.

5.2.2. DIFUSORSe va a emplear un difusor con el fin de agregar una solución coagulante (generalmente sulfato de aluminio) y para conseguir la mayor dispersión y mezcla de este se hace uso de múltiples puntos de descarga distribuidos en toda la sección de la unidad.

NOTA: La dosis optima y la concentración utilizada, es la misma que se utilizó para la pruebas de laboratorio (ver Anexo 2: Determinación de laboratorio).

Cuadro 7: Parámetros para el difusor

PARÁMETRO ECUACION VALOR UNIDADNumero de orificios (N) 22 -----

Sección de los orificios (Ao)

0.00001257 m2

Caudal promedio de solución por aplicar (qo)

0.0006

Velocidad en los orificios (Vo)

2.274

Velocidad en la tubería (Vt)

0.822

Sección del difusor (At) 5.053 m2

Diámetro del difusor (Dt) 0.0125 m


Cuadro 8: Datos para el diseño del difusor

DATOSAncho de canal B 0.915

Espaciamiento entre orificios (m)

e 0.04

Diámetro de los orificios (m)

do 0.15748

Dosis óptima (mg/L) D 20Concentración óptima (mg/L)

C 20000

Rendimiento estándar

R 0.45


14

5.2.3. FLOCULADOR DE PANTALLA DE FLUJO VERTICALPara el proceso de mezcla lenta se va a utilizar una unidad de floculación de pantallas de flujo vertical, por lo que el caudal de diseño de cada una de estas también será 0.625 m 3/seg y un tiempo de retención de 30 minutos.

Cuadro 9: Parámetros para el floculador

PARÁMETRO ECUACION VALOR UNIDAD

Caudal (Q) ------- 0.625

Tiempo total del floculador (T)

----- 30 min.

Volumen total de la unidad (V)

1125

Profundidad del floculador (H)

---- 4 m

Ancho total de la unidad (B)

2.5 m

Ancho del canal 1 (b1) ---- 2.5 mAncho del canal 2 (b2) ---- 2.5 mAncho del canal 3 (b3) ---- 2.5 m

Tiempo de retención del canal (t)

Tiempo de retención del canal 1 (t1)

9.87 min.

Tiempo de retención del canal 2 (t2)

10 min.

Tiempo de retención del canal (t3)

10.13 min.

Gradiente de velocidad (G)

Gradiente de velocidad en el tramo 1 (G1)

----- 63.00 s-1


----- 45.00 s-1


----- 20.00 s-1

Numero de compartimientos entre pantallas (M) usando el

criterio de Richter

M=0 .45 ×3√( b×L×GQ )

2×t

Compartimientos entre pantallas para el tramo

1 (M1)

42.76 = 42 ----


2 (M2)

34.32 = 34 -----

15


3 (M3)

20.07= 20 -----

Nuevo ancho total (B) B = b1+b2+b3 7.5 mTiempo de retención (T) T = t1+t2+t3 30 min.

Separación o espaciamiento entre

pantallas (a)

0.83 m

Velocidad en los tramos o canales Verticales

m/s

V1 0.30

V2 0.24

V3 0.14

Velocidad en los pasos o pasajes de un

compartimiento a otro

-----

Vp1 0.20

Vp2 0.16

Vp3 0.09

Altura de paso (hp) -----

hp1 1.2 mhp2 1.6 mhp3 2.8 m

Extensión total de los canales (l)

-----

l1 178.1 ml2 2 142.4 ml3 82.1 m

Radio hidráulico del compartimiento entre

pantallas (Rh)

----

Rh1 0.31 mRh2 0.37 mRh3 0.53 m

Pérdida de carga continua en los canales

(h)

-----

0.012864 m0.005088 m

0.00058653

m

Pérdida de carga de las vueltas (hv)

-----

hv1 0.29 m

16

hv2 0.15 mhv3 0.03 m

Pérdida de carga total (hF)

hF = h+hv ----

hF1 0.3 mhF2 0.15 mhF3 0.03 m

Volumen del tramo (Vt) -----Vt1 355.4 m2

Vt2 364.76 m2

Vt3 377.04 m2

Comportamiento del gradiente de velocidad total en el caudal (G)

G1 67.34 Seg-1

G2 46.87 Seg-1

G3 20.06 Seg-1


Cuadro 10: Resumen de los parámetros del floculador

TRAMOS ANCHO DEL

TRAMO (M)

SEPARACIÓN DE

PANTALLAS (M)

N° COMPARTIMIENTOS

ALTURA DE PASO (M) GRADIENTE DE VELOCIDAD (S-1)

TIEMPO DE RETENCIÓN

(MIN.)

PÉRDIDA DE CARGA HF

(M)

1 2.5 0.83 42 1.2 67.34 9.87 0.3

2 2.5 0.83 34 1.6 46.87 10 0.153 2.5 0.83 20 2.8 20.06 10.13 0.03

TOTAL 30.00 0.48Fuente: Elaboración propia

El diseño floculador de pantallas verticales diseñado en el presente trabajo se visualiza en el Anexo II.

5.2.4. DECANTADOR LAMINAREl decantador diseñado es del tipo laminar con placas paralelas de lonas de vinilo de 0.06cm de espesor. Para el presente trabajo se propuso 4 decantadores con 8 tolvas cada 1, dispuestos de manera consecutiva a los floculadores. Las consideraciones preliminares del caudal por decantador se visualizan en el cuadro 11.

Cuadro 11: Caudal de diseño

PARÁMETRO NOMENCLATURA VALORQ entrada (m3/seg)

Q 2,5

Número de decantadores

estimados

n 4

17

Caudal/decantador (m3/seg)

q 0,625


Los parámetros requeridos para el dimensionamiento del decantador de placas paralelas para el caudal de diseño por decantador se visualizan en el cuadro 12.

Cuadro 12. Parámetros de Dimensionamiento de Decantador

PARÁMETRO NOMENCLATURA VALOREspaciamiento entre placas (cm) d 10,33

Longitud útil de la placa (m) lu 1,14

Longitud relativa del módulo de placas L 11,03

Coeficiente del módulo de placas f 5,53

Área superficial de la Unidad (m2) As 194.95

Número de canales formados por las placas

Nc 284

Longitud del decantador (m) Lt 34.68


Para la determinación de dichos parámetros se recurrió a parámetros adicionales y criterios de diseños que pueden ser visualizados en el cuadro 13.

Cuadro 13. Parámetros Adicionales y Criterios de diseño para el Dimensionamiento de Decantador

NOMENCLATURA PARÁMETRO VALOR

e' (m)* Separación de la placa en el plano horizontal

0.12

e(m)** Espesor de las lonas de vinilo 0,0006

Θ* ángulo de inclinación 1,0472

l(m)** Longitud del ancho de placas 1,2

18

S* Módulo de eficiencia de placas 1

Vs(m/s)*** Velocidad de Sedimentación 0,0006

B**(m) Ancho total de la zona de decantación 5.75

*Criterio de Diseño; **Medida Estándar; *** Dato obtenido en laboratorioFuente: Elaboración propia

Los parámetros requeridos para el dimensionamiento del sistema de recolección del agua por tuberías laterales en el cuadro 14.

Cuadro 14. Parámetros de Dimensionamiento del sistema de recolección de agua

PARÁMETRO NOMENCLATURA

VALOR

Longitud de la tubería de recolección (m)

L 312.5

Número de Tubos de recolección por módulo Nt 130

Número de Orificios n 24

Área de los orificios (m2)

Ao 1,27E-04

Área del tubo de recolección (m2)

Ac 0.0203

Diámetro del tubo (m)

D 0,161


Los criterios de diseño usados para el diseño del sistema de recolección del agua se visualizan en el cuadro 15.

Cuadro 15. Criterios de diseño para el dimensionamiento del sistema de recolección del agua

NOMENCLATURA PARÁMETRO VALOR

qr (m3/s/m) Tasa de recolección 0.002

e1 Espaciamiento de orificios (m)

0,1

19

do (m) Diámetro de orificios 0,0127

r Relación de recolección uniforme con dv menor a 5%

0,15


Los parámetros requeridos para el dimensionamiento del colector múltiple con tolvas separadas se muestran en el cuadro 16.

Cuadro 16. Parámetros de Dimensionamiento del colector múltiple

PARÁMETRO NOMENCLATURA

VALOR

Longitud de la base mayor de cada tolva (m)

X 4.3351

Sección máxima de la tolva (m2)

A 24.9267

Volumen de la parte recta de la tolva (m3)

Vt1 99.7070

Volumen del tronco de la pirámide (m3)

Vt2 66.4713

Volumen total de las tolvas(m3)

VTt =Vt1+ Vt2 166.1783

Caudal de lodos producidos por la unidad

QL 0.005

Frecuencia de descarga (días) F 0.3847 día diámetro de orificios de

descarga (m)d 0,2638

diámetro colector múltiple D 1.1513Fuente: Elaboración propia

Los criterios de diseño usados para el diseño del colector múltiple con tolvas separadas se visualizan en el cuadro 17.

Cuadro 17. Criterios de diseño para el dimensionamiento del colector múltiple con tolvas separadas.

NOMENCLATURA PARÁMETRO VALORr* Relación de recolección uniforme con dv menor a 0,42

20

10%N** Número de Tolvas 8

h1(m)*

altura de la parte recta de la tolva 0,5

h2(m)*

altura del tronco de la pirámide de la tolva 1

qL* Tasa de producción de lodos 0,008

H(m)*

Carga Hidráulica 4

Va(m/s)*

Velocidad de Arrastre 0,01

*Criterio de Diseño; **Definido por consenso grupal.Fuente: Elaboración propia

El diseño a escala del decantador diseñado puede ser visualizado en el Anexo III.

5.2.5. FILTRO DE TASA DECLINANTEFiltración

Para la filtración se han diseñado 5 baterías con 6 filtros de arena y antracita, de 0.5 m3/s cada uno.

Cuadro 18. Datos para el diseño del Filtro

Numero de baterías 4

Caudal (m3/s) 0.63

Velocidad ascensional (m/min) 1

Área de cada filtro (m2) 37.5

Área total de filtros (m2) 225

Numero de Filtros 6


Cuadro 19. Parámetros para el dimensionamiento de baterías de filtros

PARÁMETRO ECUACION VALOR UNIDAD

Área de cada filtro (AF) AT = Q/Va 150 m2

21

Área total de filtros (AT) At= QVf

900 m2

Numero de filtros (N)N= At

Af6 -


Características del lecho filtrante seleccionado

El cuadro que se muestra a continuación se logró con la ayuda de las tablas que permiten determinar las características de las partículas de cada lecho, ya sea arena o antracita para nuestro caso específico.

Cuadro 20. Características del lecho filtrante seleccionado

Característica Arena AntracitaEspesor de la capa (m) 0,3 0,6Tamaño efectivo (mm) 0,55 0,825

Coeficiente de Uniformidad 1,45 1,5Tamaño Máximo (mm) 1,41 2,38Tamaño Mínimo (mm) 0,42 0,68

Tamaño correspondiente al 90% que pasa la malla

1.65


Cuadro 21. Datos necesarios para el desarrollo de las ecuaciones para el cálculo de la expansión del lecho filtrante

Parámetros Valor

Peso Específico (Kg/m3) Arena

Antracita

2650

1500

Peso Específico de Agua (Kg/m3)

1000

Viscosidad Dinámica del agua a 16ºC (Kg/s*m)

0.0011

Gravedad (m/s2) 9.81

Velocidad ascensional (m/min.)

1

Porosidad de la arena y antracita limpia

0.42

0.45


Cálculos de la expansión del lecho filtrante

22

Diámetro Equivalente (De)

dMindMaxDe

Dónde:

dMin=Diámetro más fino de la capa de Arena

DMax=Diámetro más grueso de la capa de Arena

Numero de Galileo (Ga)

63,133633 DeGa

Numero de Reynolds Modificado (Re)

1515,15Re De

23

Cálculo de la expansión de la arena (CE=0.8)d1 (min) d2 (máx.) xi De Ga Re Ei xi/(1-Ei)

1.1 1.41 0.04 1.2453915 25839.5645 18.8695494 0.46 0.074074071 1.1 0.09 1.04880885 15433.2191 15.8910273 0.5 0.18

0.85 1 0.21 0.92195445 10483.2485 13.9689928 0.55 0.466666670.72 0.85 0.26 0.78230429 6404.63856 11.8530834 0.65 0.742857140.59 0.72 0.24 0.65176683 3703.77209 9.87524512 0.7 0.80.55 0.59 0.1 0.56964901 2472.80315 8.63103705 0.75 0.40.42 0.55 0.06 0.48062459 1485.20179 7.28218353 0.8 0.3

1 2.964Cuadro 22. Calculo de la expansión de la arena


Cuadro 23. Calculo de la expansión de la antracita

Cálculo de la expansión de la antracita (CE=0.7)d1 d2 Xi Dε Ga Re εi xi/(1-Ei)2 2.38 0.05 2.18 42098.263 33.06 0.5 0.10

1.6 2 0.15 1.79 23204.8473 27.10 0.55 0.331.3 1.6 0.29 1.44 12160.4249 21.85 0.65 0.83

1.05 1.3 0.28 1.17 6464.76474 17.70 0.65 0.800.9 1.05 0.16 0.97 3723.92959 14.73 0.7 0.530.7 0.9 0.07 0.79 2027.05052 12.03 0.75 0.28

1 2.88Fuente: Elaboración propia

Cuadro 24. Parámetros de porosidad y altura del lecho filtrante

PARÁMETRO ECUACION Arena AntracitaPorosidad expandida

promedio de la capa (ae)ae=1−

1

∑xi

1−εi

0.66 0.65

Porcentaje de expansión promedio (E) E=

ae−εo

1−ae

0.72 0.58

Altura de la capa expandida (Lo)

La = L*(1+ E) 0.52 0.95

Altura del lecho filtrante expandido (LE)

LE = Lo arena + Lo antracita 1.53


Estos datos son especialmente importantes al momento de diseñar el filtro, ya que las canaletas de colección de agua de lavado no pueden estar por debajo de la altura de expansión del medio filtrante, si este fuera el caso perderíamos filtro.

24

5.2.6. DRENAJE Y CANALETAS DE LAVADO

Las dimensiones de las viguetas de drenaje van de la mano con el área de cada filtro, sin embargo lo correspondiente a los orificios no lo alteramos de las medida dadas en clase por que asumimos que si el diámetro de cada orificio aumentaba se podría perder grava y a continuación arena y hasta antracita.

Al diseñar las canaletas de lavado debimos calcular un aumento aproximado en ancho y alto de la canaleta para cumplir con el caudal, de lo contrario íbamos a tener que poner demasiadas canaletas.

Cuadro 25. Datos para la colocación de la canaleta de lavado del filtro

PARÁMETRO MEDIDA UNIDADAltura de falso fondo (H1) 0.4 mAltura del drenaje más la

grava (H2)0.52 m

Altura expandida del filtro(LE)

1.5 m

Altura útil de la canaleta de lavado (ho)

0.35 m

Losa de fondo 0.1 mAltura total de la canaleta

de lavado más losa del fondo (H)

1.5 Lo + Losa de fondo =

0.625 m

Número de canaletas N 13Caudal que recolecta cada

canaleta (Qc)Qc = 1.3*Q/N = 3.75 m3/min

Ancho de la canaleta de lavado

W = Qc/(82.5*Lo1.5 )

= 0.22 m


Cuadro 26. Diseño del drenaje

PARÁMETRO ECUACION MEDICION UNIDADES

Numero de viguetas del drenaje (N)

N = B/b 17 -

Numero de orificios en cada vigueta (n)

n = 2*C/e 120 -

Número total de orificios en el drenaje

(NT)

NT = N*n 2040 -


Dónde:

B: ancho de c/filtro (5 m)b: ancho de c/vigueta (0.3 m)C: espaciamiento entre orificios (6)

25

e: longitud de c/vigueta (0.1)do: diámetro de los orificios del drenaje (0.019 m)

Diseño del falso fondo

Cuadro 27. Diseño del falso fondo

PARÁMETRO ECUACION MEDICION UNIDADES

Sección transversal del falso fondo (AFF)

AFF = H1 * C 2 m2

Velocidad en el falso fondo durante el retrolavado (VFF)

VFF = Q/AFF 0.25 m/s


El diseño a escala de la batería de filtro se puede visualizar en el anexo IV.

5.3. RECOPILACIÓN DE RESULTADOS Y DISCUSIONESMezcla rápida

La canaleta Parshall es adecuada para plantas de tratamiento que perciban caudales mayor iguales a 0.5 m3/s, haciéndolo ideal para el caso estudiado.

Los valores más importantes y cruciales para el diseño de la canaleta Parshall, son el número de Froude, tiempo de mezcla del resalto y gradiente de velocidad, para el cao, estos parámetros tienen las siguientes magnitudes:

El Número de Froude antes del resalto es 2.201

El tiempo de mezcla del resalto es de 0.643 segundos.

La gradiente de velocidad es de 1214.209 s-1.

Mezcla lenta

Los floculadores de pantallas de flujo vertical también son ideales para caudales mayores a 0.05 m3/s y porque demandan menor área que las de flujo horizontal. Son ventajosas por su eficiencia y economía.

El tiempo de retención considerado para el diseño es de 25 minutos.

Los anchos de los tres canales del floculador son 2.5 en los tres con gradientes de velocidad de 63, 45 y 20 seg-1 y tiempos de retención de 9.87 ,10 y 10.13 segundos.

El número de compartimientos entre pantallas es de 42, 34 y 20.

La altura de paso es 1.2, 1.6 y 2.8 m y la pérdida de carga total es de 0.3, 0.15 y 0.03.

Decantación

26

El área superficial del decantador es de 194.2m2.

La longitud del decantador es 34.68m.

El número de tubos de recolección por módulo es 130

El volumen total de las tolvas es de 166.18m3.

La frecuencia de descarga del decantador es 0.3847dias.

El material de los módulos sería lonas de vinilo reforzadas con hilos de poliéster de alta tenacidad, puesto que son más resistentes a la rotura, tienen mayor duración y son de fácil instalación. Sobre todo es confiable en zonas sísmicas, como el caso de Lima.

Filtración

Cuando se realiza el retrolavado, se eliminan los flóculos atrapados en los poros, haciendo que la arena y la antracita se expandan. Esta altura de expansión (1.5 m) nos ayuda a colocar adecuadamente la canaleta para que no haya pérdida del material del lecho filtrante.

El espesor de la capa de arena y antracita es de 0.3 y 0.6 m, y la altura de la capa expandida es de 0.46 y 0.89m respectivamente.

La altura expandida del lecho filtrante es de 1.5 m.

6. CONCLUSIONES

El caudal de diseño de la presente planta de tratamiento diseñada es de 2.5 m3/seg., determinada en base al caudal promedio de operación de la planta de tratamiento de Agua potable Agua Azul de Carabayllo.

El área estimada de la planta es de 7745.133 m2, con 77.5 m de ancho y 100.31 m de largo.

La calidad del agua cruda a tratar en la planta diseñada es de: 26.8°C, pH de 7.36 y 89 NTU de turbiedad.

Las unidades de tratamiento consideradas son: 5 canaletas parshall, 5 floculadores de pantalla de flujo vertical, 5 decantadores laminares con 8 tolvas cada uno y 5 baterías con 6 filtros de tasa declinante.

La dosis y concentración óptima para el diseño fueron de 25 y 20000 mg/L respectivamente.

27

7. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

Vargas, I. L. (2008). Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida Manual I: Teoría. Tomo II. CEPIS, Lima.

Vargas, I. L. (2008). Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría. Tomo I. CEPIS, Lima.

Vargas, I. L. (2008). Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida: Diseño. CEPIS, Lima.

8. ANEXOS

ANEXO I: PLANO DE LA CANALETA PARSHALLANEXO II: PLANO DE FLOCULADORANEXO III: PLANO DE DECANTADORANEXO IV: PLANO DE FILTROANEXO V: VISTA DE PLANTA DEL DISEÑO DE

TRATAMIENTO DE AGUASANEXO VI: DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS EN

LABORATORIO

28

LABORATORIO 1. DETERMINACIÓN DE LA DOSIS ÓPTIMA

OBJETIVO:

Determinación de la dosis óptima de coagulante para formar flóculos de buen tamaño y resistentes.

PROCEDIMIENTO:

La dosis óptima se determinó mediante la prueba de jarras, usando como coagulante el sulfato férrico. Fue necesaria la preparación de una solución patrón al 10%, y luego otra al 1% mediante la siguiente dilución:

- 100gr coagulante + Agua destilada= 1000ml solución patrón al 10%- 10ml de solución patrón + agua destilada= 100ml de solución al 1%

El volumen de la solución a aplicar se determinó mediante la siguiente fórmula:

q= D∗QC

Donde:

q= Volumen de la solución a aplicar en jeringa (mL) D= Dosis del coagulante (mg/L) Q= Capacidad de la jarra (L) C= Concentración de la solución (mg/L)

Para realizar la prueba de jarras fue necesario determinar la calidad del agua cruda (agua que ingresa), la cual presenta las mismas características del agua que será tratada en la planta de tratamiento. Estas pueden ser observadas en el cuadro 1:

Cuadro 1. Propiedades del agua crudaPropiedad Valor

Turbidez (UNT) 89Temperatura (°C) 26.8

pH 7.36

Los valores de programación del equipo de prueba de jarras se visualizan en el siguiente cuadro:

Cuadro 2. Programación para la simulación del proceso de mezcla rápida y floculaciónMezcla Rápida FloculaciónG=300s-1=300RPM G=20s-1=40RPMTiempo= 5segundos Tiempo= 20 minutos

RESULTADOS DE LA PRUEBA DE JARRAS:

29

Cuadro 3. Resultados para la determinación de la dosis óptimaJarra Dosis

(mg/L)Volumen de solución a aplicar (mL)

TurbidezGRUPO 1 GRUPO 2

1 5 1 5.4 5.222 10 2 1.8 1.393 15 3 0.86 0.624 20 4 0.54 0.395 25 5 0.46 0.656 30 6 0.61 0.64

Figura 1. Gráfica Dosis Óptima Vs Turbidez – Prueba de Jarras.

0 5 10 15 20 25 30 350

1

2

3

4

5

6

aplicación de dosis optima

grupo1grupo 2

dosis óptima (mg/L)

turb

idez

(UNT

)

DISCUSIONES:

Los resultados de laboratorio en las 2 repeticiones realizadas no presentaron la tendencia esperada en este tipo de análisis, lo cual pudo deberse a la hidrolizarían del sulfato férrico (su tiempo de almacenamiento es de máximo 4 meses en buenas condiciones de conservación),

Debido a lo anteriormente expuesto fue necesario repetir el análisis, en cuyo caso se obtuvo un valor de dosis óptima de 25 mg/L.

30

LABORATORIO 2. DETERMINACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN ÓPTIMA

OBJETIVO:

Determinar la concentración de coagulante que optimice el proceso

PROCEDIMIENTO:

En el caso de esta prueba, no sólo se determinará la concentración óptima sino que además se determinará la dosis óptima, la cual no pudo ser determinada debido a la hidrolización del sulfato férrico.

Cuadro 4. Propiedades del agua crudaPropiedad ValorTurbidez (UNT) 88.5Temperatura (°C) 2pH 7.3

Cuadro 5.Programación para la simulación del proceso de mezcla rápida y floculaciónMezcla Rápida FloculaciónG=300s-1=300RPM G=20s-1=40RPMTiempo= 5segundos Tiempo= 20 minutos

RESULTADOS:

Cuadro 7. Resultados para la determinación de la concentración óptimaJarra Concentración

(%)Volumen de solución a aplicar (mL)

TurbidezG1 G2

1 0.5 8 0.56 0.512 1 4 0.6 0.873 1.5 2.67 0.78 0.54 2 2 0.48 0.415 2.5 21.6 0.50 0.566 5 0.8 0.63 0.53

Figura 2. Concentración Vs Turbidez – Prueba de Jarra.

31

0 1 2 3 4 5 60

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

G1G2

concentración (%)

turb

idez

(UNT

)

DISCUSIONES:

En este caso se optó por que la dosis óptima de 20mg/L, para alcanzar una turbiedad de 0.39UNT.

En el caso de la concentración óptima, se distingue que el valor de la concentración es de 2%.

LABORATORIO 3. DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE FLOCULACIÓN

OBJETIVO

Determinación del gradiente de velocidad (G) y tiempo de retención (T)

PROCEDIMIENTO

En este caso, luego de la mezcla rápida se emplearán diferentes gradientes de velocidad, para cada repetición. Se considera que la dosis óptima es 25mg/L y que la concentración óptima es de 2%

Cuadro 8. Propiedades del agua crudaPropiedad ValorTurbidez (UNT) 72Temperatura (°C) 24.3pH 7.71

Cuadro 9.Programación para la simulación del proceso de mezcla rápida y floculaciónMezcla Rápida FloculaciónG=300s-1=300RPM G1=20s-1=40RPM

G2=40s-1=70RPMG3=60s-1=90RPMG4=80s-1=110RPM

Tiempo= 5segundos Tiempo= 5, 10, 15, 20, 25 y 30 minutos

RESULTADOS

Cuadro 10. Resultados para la determinación del gradiente de velocidad y tiempo de retenciónG(s-1) V(RPM) 5

min10 min

15 min

20 min

25 min

30 min

32

80 118 2.44 2.11 1.6 1.06 2.41 4.8060 90 9.69 2.18 1.60 0.56 1.58 1.1140 66 11.2 3.30 1.13 1.01 0.53 0.4720 39 26.1 5.36 2.39 1.29 0.87 0.57

Figura 3: Tiempo total de floculación

0 5 10 15 20 25 3005

101520253035

Tiempo total de floculacion

G = 80 s-1 G = 60 s-1 G = 40 s-1Tiempo (min)

Turb

ieda

d (U

NT)

Figura 4: Gradientes óptimos para floculación

80 60 36 200

5

10

15

20

25

30

35Gradientes optimos

T = 5 min T = 10 min T = 15 min T = 20 minT = 25 min T = 30 min

Gradientes de velocidad (s-1)

Turb

ieda

d (U

NT)

33

Cuadro 11. Gradientes de velocidad óptima de floculación

T (min) G(s-1)5 8010 7015 4020 3625 3630 30

Figura 5: Correlación de G y T

1 10 10010

100

f(x) = − 30.1192564982947 ln(x) + 130.168765772891R² = 0.913053738755667

Correlacion de G y T

Tiempo (min)

G (

s-1)

LABORATORIO 4. DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE DECANTACIÓN

OBJETIVO

Determinar la tasa de diseño y la eficiencia remocional de un decantador laminar de placas en condiciones ideales

PROCEDIMIENTO

34

Mediante la determinación de los valores de la velocidad de sedimentación, para obtener la curva de sedimentación para el agua en estudio y finalmente la tasa de decantación.

RESULTADOS

Cuadro 12. Valores de turbiedad obtenidas en laboratorio

T (s) Vs (cm/s) Tf (UNT)

C = Tf / To

60 0.1000 1.58 0.017120 0.0500 0.89 0.010180 0.0333 1.33 0.015240 0.0250 0.77 0.008300 0.0200 0.55 0.006600 0.0100 0.67 0.007

Con los resultados obtenidos del gráfico 4, se obtienen los siguientes valores necesarios para hallar la tasa de decantación:

Cuadro 13. Valores obtenidos a partir del gráfico 4

DATOSa = 0.021 cm/sCf = 0.006To = 91.5 UNT

Mediante todos los cálculos realizados, finalmente se puede determinar la tasa de decantación

Cuadro 14. Tasas de decantación

q (m3/m2/d)

Vs (cm/s)

Co (Tf/To) Rt (%) Tr (UNT) Tf (UNT)

25 0.029 0.018 0.998 91.35 0.1530 0.035 0.030 0.995 91.07 0.4335 0.041 0.050 0.989 90.53 0.9740 0.046 0.064 0.984 90.05 1.4545 0.052 0.070 0.981 89.75 1.7550 0.058 0.084 0.975 89.23 2.2755 0.064 0.090 0.972 88.92 2.5860 0.069 0.120 0.960 87.86 3.64

35

monografia tratamiento de aguas residuales

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