proyecto semestral

UNIVERSIDAD JUÁREZ DEL ESTADO DE DURANGO

FACULTAD DE INGENIERÍA, CIENCIAS Y ARQUITECTURA

TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

DR. FACUNDO CORTÉS MARTÍNEZ

PROYECTO:

“LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN”.

VICTOR JOSUÉ ACOSTA ÁLVAREZ

JESÚS MARTÍN HERNÁNDEZ ESPARZA

9° B ING. CIVIL

GÓMEZ PALACIO, DGO. A 19 DE OCTUBRE DE 2012.

Tratamiento de aguas residuales: Lagunas de estabilización.

ÍNDICE

Introducción....................................................................................................................... 3

Consideraciones de diseño................................................................................................ 3

Cálculo de gastos de diseño............................................................................................... 4

Pretratamiento.................................................................................................................... 5

Diseño de lagunas de estabilización.................................................................................. 11

a) Caso 1 (anaerobia, facultativa, maduración)......................................................... 11

b) Caso 2 (Facultativa, maduración).......................................................................... 20

Conclusiones...................................................................................................................... 27

Planos…………………………………………………………………………………… 28

Rejillas................................................................................................................... 28

Medidor Parshall.................................................................................................... 29

Canal desarenador.................................................................................................. 30

Vertedor triangular................................................................................................. 31

Lagunas de estabilización (caso 1)........................................................................ 32

Lagunas de estabilización (caso 2)........................................................................ 33

2


INTRODUCCIÓN

Las lagunas de estabilización son el método más simple de tratamiento de aguas residuales

que existe. Están constituidos por excavaciones poco profundas cercadas por taludes de

tierra. Generalmente tienen forma rectangular o cuadrada.

Las lagunas tienen como objetivos:

1. Remover de las aguas residuales la materia orgánica que ocasiona la contaminación.

2. Eliminar microorganismos patógenos que representan un grave peligro para la salud.

3. Utilizar su efluente para reutilización, con otras finalidades, como agricultura.

La eficiencia de la depuración del agua residual en lagunas de estabilización depende

ampliamente de las condiciones climáticas de la zona, temperatura, radiación solar,

frecuencia y fuerza de los vientos locales, y factores que afectan directamente a la biología

del sistema.

CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO

Realizar el diseño hidráulico de un sistema de tratamiento a base de lagunas de

estabilización para una población de 1500 habitantes. Se considerará una aportación de

aguas residuales de 154 l/hab-día, la temperatura mas baja que se registra en la zona es de

11.8ºC y la evaporación de 5 mm/día.

La caracterización del agua a tratar arroja un contenido de materia orgánica (DBO 5 ) de 220

mg/L y 1.0x107 NMP/100 ml de coliformes fecales. El efluente debe resultar con una

DBO menor a 30 mg/l y coliformes fecales inferiores a 1000 NMP/100 mL.

Diseñar el sistema de pretratamiento compuesto por un canal con rejillas, un medidor

parshall, un canal desarenador y un vertedor.

Para las lagunas. Considerar 4 mamparas en laguna de maduración, relación largo ancho (x)

para laguna anaerobia 2:1, para laguna facultativa 3:1. En la laguna de maduración

considerar el ancho de la laguna facultativa.

3


CALCULO DE GASTOS DE DISEÑO

o Gasto medio

Qmed=P(Ap)86400

=1500 (154)

86400=2.67 L/S

o Gasto mínimo

Qmin=Qmed2

=2.672

=1.33 L/S

Dejamos 1.5 l/s

o Coeficiente de Harmon

Cuando la población es mayor a 1000 habitantes, se utiliza la formula

M=1+ 144+√ p

Ϻ=1+ 144+√1.5

=3.68

o Gasto máximo instantáneo

Qmax Inst=Ϻ M (Qmed )Qmax Inst=3.68 (2.67 )=9.83 L/ S

o Gasto máximo extraordinario

Qmax Ext=1.5 (Qmax Inst )Qmax Ext=1.5 ( 9.83 )=14.75 L/S

Nota: el gasto máximo extraordinario, será el gasto utilizado para el diseñodel sistema de pretratamiento y el sistema lagunar.

4


PRETRATAMIENTO

Dimensionamiento del medidor Parshall.

Como Qmax=14.73 L/s, el medidor aplicable es el de W=3plg (7.6 cm) (Tabla 6.11).

Después de elegir el medidor Parshall de la tabla 6.11, obtener n y K de tabla 6.12.

De Tabla 6.12, Si W= 3" --> n= 1.547 K= 0.176

5


Profundidad de Lámina (estimada por tres caudales) -->

Si Qmax= 0.01476m3/s ----> Hmax= 0.20 mts

Si Qmed= 0.00267m3/s ----> Hmed= 0.067 mts

Si Qmin= 0.00134m3/s ----> Hmin= 0.043 mts

0.027 mts.

Enseguida se obtienen de la tabla 6.13 las dimensiones del medidor Parshall seleccionado.

W= 3" Dimensiones en cm (tabla 6.13)

W= 7.6A= 46.6B= 45.7C= 17.8D= 25.9E= 45.7F= 15.2G= 30.5K= 2.5N= 5.7

6


Dimensionamiento del canal desarenador.

Se harán dos canales iguales y paralelos, uno estará en funcionamiento y el otro paramantenimiento.

Altura Máxima de la lámina de agua:

H = H máx - Z = 0.175 mts.

Ancho del desarenador (se supone V=0.3 m/s):

b =Qmáx / HV = 0.28 mts

Longitud del desarenador:

L = 25H = 25(Hmax - Z) = 4.365 mts

Área Longitudinal del desarenador:

7


A= b*L = 1.230 m2

Tabla resumen

Q H H - ZS = b (H

- Z)V = Q /

S(m3/s) (m) (m) (m2) (m/s)

0.01476 0.20 0.175 0.049 0.3

0.00267 0.067 0.040 0.0112 0.24

0.00134 0.043 0.016 0.0045 0.3

Tasa de escurrimiento superficial para Qmed= 2.67 l/s

Q med / A = 187.8

5 m3/m2.día

Cantidad de material retenido

q = (Qmed x 75)/1000 = 17.325 L/día = 0.0173 m3/día

Suponiendo una limpieza cada = 15 díasla profundidad útil del depósito inferior de arena será

p = (q x t ) / A = 0.21 mts

Dimensionamiento de las rejillas

Se proponen rejillas de tabla 6.4:

8


Espesor propuesto t = 1/4" = 6 mm

Espaciamiento a = 1 1/2" = 40 mm

Eficiencia E = 0.857

Área útil necesaria para el escurrimiento (para Qmáx, V= 0.60 m/s):

Au = Qmáx / V = 0.0246 m2

Área Total

S = Au / E =0.028

7 m2

La longitud del canal se obtiene al suponer movimiento uniforme para un tiempo t= 3s.L = ( Q máx x 3 ) / S = 1.5426 mts

El ancho del canal será:

b = S / H = S / (H máx - Z ) = 0.164 mts

Tabla resumen de datos:

Q H H-Z S=b(H-Z) Au = S E V=Q/S

(m3/s) (m) (m) (m2) (m2) (m/s)

0.01476 0.20 0.175 0.0287 0.02459 0.514

0.00267 0.067 0.040 0.0066 0.00562 0.407

9


0.00134 0.043 0.016 0.0026 0.00223 0.514

Pérdidas de carga

Fórmula de Metcalf y Eddy (1991):

Donde: Hf= pérdida de carga, en m

V=velocidad a través de las barras, varía de 0.40 a 0.75 m/s.

v= VE, en m/s

E= eficiencia de la rejilla

g= aceleración de la gravedad, m/s2

V= 0.6 m/s

v = V E =0.514

2

Hf= 0.007 mtsDimensionamiento del vertedor triangular.-

Para vertedores triangulares, los más utilizados son los de 90° de pared delgada, cuyo gasto estádado por la fórmula de Thompson: Q=1.427H^(5/2)

Para este caso, se utilizará en gasto máximo extraordinario:

Qmaxext= 0.01476 m3/s

H= 0.16 mts

Hasta aquí se incluye el sistema de pretratamiento, cuyos planos se encuentran al final del documento. Enseguida se procederá a realizar el diseño de las lagunas de estabilización.

10


DISEÑO DE LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN

Atendiendo a las consideraciones propuestas anteriormente, se procede al diseño de las lagunas.

a) PRIMER CASO.

3 tipos de lagunas (anaerobia, facultativa y maduración). Sin mamparas en laguna facultativa. En maduración incluir el 70% de la longitud de las mamparas (considerar mamparas verticales).

Laguna de Anaerobia

1. Carga orgánica.

C .O .=Qi∗(DBO)

1000=

1274.97∗(220)1000

=280.49kg/dia

2. Carga volumétrica.

λv=20T−100=20 (11.8)−100=136gm3

d

3. Remoción de la DBO.

% de DBOrem=2T +20=2 (11.8 )+20=43.6 %

11


4. Volumen de la laguna.

Va=Li∗(Qi)

λv=

220∗(1274.97)136

=2062.45m3

5. Área de la laguna (Z=2-4 m)

Aa=VaZ

=2062.454

=515.61m 2

6. Tiempo de residencia hidráulico.

Oa=VaQi

=2062.451274.97

=1.62dias

7. Concentración de la DBO en el efluente.

DBOe=(100−%DBOrem ) (DBO )

100=

(100−43.6 ) (220 )100

=124.08mg /l

8. Gasto en el efluente.

Qe=Qi−0.001 ( Aa ) (e )=1274.97−0.001 (515.61 ) (5 )=1272.39m3 /dia

9. Remoción de coliformes fecales.

Constante global de decaimiento

Kt=2.6¿

Coliformes fecales en el efluente

Ne= ¿1+(Kt∗O)

= 100000001+(0.62∗1.62)

=4974832.7NMP /100ml

10. DBO e corregida por evaporación.

DBOecorr=DBO∗(Qi)

Qe=

124.08∗(1274.97)1272.39

=124.33mg /l

12


11. Coliformes fecales corregidos por evaporación.

Necorr=Ne∗(Qi)

Qe=

4974832.7∗(1274.97)1272.39

=4984912.5NMP/100ml

12. Dimensionamiento de la laguna, relación largo-ancho x=2.

B prom=√( A promX )=√(515.61

2 )=16.06m

L prom= A promB prom

=515.6116.06

=32.11m

Considerando un talud 0:1

B¿Bprom+Z (talud )=16.06+4 (0 )=16.06m

L¿ Lprom+Z (talud )=32.11+4 (0 )=32.11m

Calculo del área superficial

A¿¿

Binf=B prom−Z ( talud )=16.04−4 (0 )=16.04m

L inf=L prom−Z (talud )=32.11−4 (0 )=32.11m

Laguna Facultativa.

1. Carga orgánica

C .O .=Qi∗(DBO)

1000=

1272.39∗(124.33)1000

=158.20kg /dia

2. Carga superficial de diseño.

λs=250¿

3. Área de la laguna facultativa.

Af=10∗Li∗Qiλs

=10∗124.33∗1272.39128.06

=12353.22m 2

4. Volumen de la laguna.Se propone Z=1.5m

13


V=Af∗(Z )=12353.22∗(1.5 )=18529.82m 3

Tiempo de residencia hidráulico.

Of= VQi

=18529.821272.39

=14.56 dias

5. Dimensionamiento de la laguna. Relación largo- ancho x=3.

B prom=√( A promX )=√(12353.22

3 )=64.17m


=12353.2264.17

=192.51m


B¿Bprom+Z ( talud )=64.17+1.5 (2 )=67.17m

L¿ Lprom+Z (talud )=192.51+1.5 (2 )=195.51m

Calculo del área superficial.

A¿¿

Binf=B prom−Z (talud )=64.17−1.5 (2 )=61.17

L inf=L prom−Z (talud )=192.51−1.5 (2 )=189.51


Qe=Qi−0.001 ( Af ) (e )=1272.39−0.001 (12353.22 ) (5 )=1206.73m3 /d

Relación largo-ancho X=3. Sin mamparas

7. Remoción de coliformes.

d= X

−0.26118+0.25392 X+1.0136 X 2

d= 3

−0.26118+0.25392(3)+1.0136 (3)2=0.31

Calculo del coeficiente de decaimiento.

14


Kb=0.841¿

Calculo del factor “a”.

a=√¿¿

Coliformes fecales en el efluente.

NfNo

= 4∗a∗e(1− a

2d )(1+a )2

=4∗3.07∗e(1− 3.07

2∗0.31 )(1+3.07 )2

=0.0267

Nf=(0.0267 ) ( 4984912.53 )=133010.60

8. Coliformes corregidos por evaporación.

Necorr=Ne∗(Qi)

Qe=

133010.60∗(1272.39)1206.73

=140248.05NMP/100ml

9. Concentración de la DBO en el efluente

Kf= 1.066

1.08535−T

1.066

1.08535−11.8=0.1606 d−1

DBOe= DBOi(Kf∗O)+1

DBOe= 124.33(0.1606∗14.56)+1

=37.24mg / l

10. Eficiencia de la remoción de la DBO

% remocionDBOe=DBOi−DBOeDBOi

(100 )=124.33−37.24124.33

(100 )=70.05 %

11. DBOe corregida por evaporación.

DBOecorr=DBOe∗(Qi)

Qe=

37.24∗(1272.39)1206.73

=39.26mg / l

Laguna de Maduración 1.

1. Tiempo de retención.Se proponen: O= 8 días


Vm=Q∗(O )=1206.72∗(8 )=9653.76m 3

15


3. Área de la laguna.Se propone una altura Z=1

Am=VZ

=9653.761

=9653.76m2

4. Dimensiones de la laguna.

Se toma el mismo ancho de la laguna facultativa. Y se propone la profundidad

B prom = 64.17 m

Z=1 m

Lprom= AB prom

9653.7664.17

=150.44m

Considerando un talud 2:1 se tiene que:

B¿Bprom+Z (talud )=64.17+1 (2 )=66.17m

L¿ Lprom+Z (talud )=150.44+1 (2 )=152.44m


A¿¿



5. Gasto en el efluente.Qe=Qi−0.001 ( Am) (e )=1206.73−0.001 (9653.76 ) (5 )=1158.45m 3/d

La relación largo-ancho x se calcula considerando 4 mamparas con longitud de 0.70 (mamparas verticales).

X=Bpom (%deB ) (Nomam+1 )

L prom(Nomamp+1 )

X=64.17 (0.70 ) (4+1 )

150.44(4+1 )=7.46

16


6. Remoción de coliformes fecales.Coeficiente de dispersión.

d= X

−0.26118+0.25392 X+1.0136 X 2

d= 7.46

−0.26118+0.25392(7.46)+1.0136 (7.46)2=0.1285

Coeficiente de decaimiento.

Kb=0.841¿


a=√¿¿


NfNo

= 4∗a∗e(1− a

2d )(1+a )2

NfNo

=4∗1.7060∗e(1− 1.7060

2∗0.1285 )(1+1.7060 )2

=0.0597

Nf=(0.0597 ) (140248.05 )=8371.05NMP/100ml


Necorr=Nf∗(Qi)

Qe=

8371.05∗(1206.73)1158.45

=8719.84NMP/100ml


Kf= 1.00

1.08535−T= 1.00

1.08535−11.8=0.1507d−1


= 39.26(0.1507∗8)+1

=17.80mg / l

9. Eficiencia de la remoción.

% deremDBOe=DBOi−DBOeDBOi

∗100

17


% deremDBOe=39.26−17.8039.26

∗100=54.66 %



Qe=

17.80∗(1206.73)1158.45

=18.54mg / l


1. Tiempo de retención.

Se proponen: O= 6 días


Vm=Q∗(O )=1158.45∗(6 )=6950.7m3


Am=VZ

=6950.71

=6950.7m 2


Se toma el mismo ancho de la laguna de maduración. Y se propone la profundidad

B prom = 64.17 m

Z=1 m

Lprom= AB prom

6950.764.17

=108.32m


B¿Bprom+Z (talud )=64.17+1 (2 )=66.17m

L¿ Lprom+Z (talud )=108.32+1 (2 )=110.32m


A¿¿

18





Qe=Qi−0.001 ( Am) (e )=1158.45−0.001 (6950.7 ) (5 )=1123.70m3/d



L prom(Nomamp+1 )

X=64.17 (0.70 ) (4+1 )

108.32(4+1 )=10.37


d= X

−0.26118+0.25392 X+1.0136 X 2

d= 10.37

−0.26118+0.25392(10.37)+1.0136 (10.37)2=0.0931


Kb=0.841¿


a=√¿¿


NfNo

= 4∗a∗e(1− a

2d )(1+a )2

NfNo

=4∗1.4279∗e(1− 1.4279

2∗0.0931)(1+1.4279 )2

=0.0974

Nf=(0.0974 ) (8719.84 )=849.46NMP/100ml


19


Necorr=Nf∗(Qi)

Qe=

849.46∗(1158.45)1123.70

=875.74NMP /100ml


Kf= 1.00

1.08535−T= 1.00

1.08535−11.8=0.1507d−1


= 18.54(0.1507∗6)+1

=9.74mg /l



∗100

% deremDBOe=18.54−9.7418.54

∗100=47.48 %



Qe=

9.74∗(1158.45)1123.70

=10.04mg / l

b) SEGUNDO CASO.

2 tipos de lagunas (facultativa y maduración). En laguna facultativa sin mamparas y maduración incluir mamparas al 70% de la longitud (considerar mamparas verticales).

Laguna Facultativa.

1. Carga orgánica

C .O .=Qi∗(DBO)

1000=

1274.97∗(220)1000

=280.49kg/dia

2. Carga superficial de diseño.λs=250¿

3. Área de la laguna facultativa.

20


Af=10∗Li∗Qiλs

=10∗220∗1274.97128.06

=21903.15m2

4. Volumen de la laguna.Se propone Z=1.5m

V=Af∗(Z )=21903.15∗(1.5 )=32854.72m3

Tiempo de residencia hidráulico.

Of= VQi

=32854.721274.97

=25.77dias

5. Dimensionamiento de la laguna. Relación largo- ancho x=3.

B prom=√( A promX )=√(21903.15

3 )=85.45m


=21903.1585.45

=256.34m


B¿Bprom+Z (talud )=85.45+1.5 (2 )=88.45m

L¿ Lprom+Z (talud )=256.34+1.5 (2 )=259.34m


A¿¿

Binf=B prom−Z ( talud )=85.45−1.5 (2 )=82.45

L inf=L prom−Z (talud )=256.34−1.5 (2 )=253.34

6. Gasto en el efluente.Qe=Qi−0.001 ( Af ) (e )=1274.97−0.001 (21903.15 ) (5 )=1160.28m3/d

Relación largo-ancho X=3. Sin mamparas

7. Remoción de coliformes.

d= X

−0.26118+0.25392 X+1.0136 X 2

21


d= 3

−0.26118+0.25392(3)+1.0136 (3)2=0.31

Calculo del coeficiente de decaimiento.

Kb=0.841¿


a=√¿¿


NfNo

= 4∗a∗e(1− a

2d )(1+a )2

=4∗3.99∗e(1− 3.99

2∗0.31 )(1+3.99 )2

=0.0053

Nf=(0.0053 ) (10000000 )=52812.43

8. Coliformes corregidos por evaporación.

Necorr=Nf∗(Qi)

Qe=

52812.43∗(1274.97)1160.28

=58032.64NMP/100ml

9. Concentración de la DBO en el efluente

Kf= 1.066

1.08535−T

1.066

1.08535−11.8=0.1606 d−1


DBOe= 220(0.1606∗25.77)+1

=42.81mg / l

10. Eficiencia de la remoción de la DBO

% remocionDBOe=DBOi−DBOeDBOi

(100 )=220−42.81220

(100 )=80.54 %



Qe=

42.81∗(1274.97)1160.28

=47.04mg / l

22





2. Volumen de la laguna.Vm=Q∗(O )=1160.26∗(6 )=6961.68m3


Am=VZ

=6961.681

=6961.68m 2



B prom = 85.45 m

Z=1 m

Lprom= AB prom

6961.6885.45

=81.47m


B¿Bprom+Z (talud )=85.45+1 (2 )=87.45m

L¿ Lprom+Z (talud )=81.47+1 (2 )=83.47m


A¿¿

Binf=B prom−Z (talud )=85.45−1 (2 )=83.45m


5. Gasto en el efluente.Qe=Qi−0.001 ( Am) (e )=1160.28−0.001 (6961.68 ) (5 )=1125.47m3/ d


23



L prom(Nomamp+1 )

X=85.45 ( 0.70 ) (4+1 )

81.47(4+1 )=18.35


d= X

−0.26118+0.25392 X+1.0136 X 2

d= 18.35

−0.26118+0.25392(18.35)+1.0136(18.35)2=0.0531


Kb=0.841¿


a=√¿¿


NfNo

= 4∗a∗e(1− a

2d )(1+a )2

NfNo

=4∗1.2617∗e(1− 1.2617

2∗0.0531 )(1+1.2617 )2

=0.0838

Nf=(0.0838 ) (58032.64 )=4862.50NMP /100ml


Necorr=Nf∗(Qi)

Qe=

4862.50∗(1160.28)1125.47

=5012.88NMP /100ml


Kf= 1.00

1.08535−T= 1.00

1.08535−11.8=0.1507d−1

24



= 47.04(0.1507∗6)+1

=24.71mg /l



∗100

% deremDBOe=47.04−24.7147.04

∗100=47.48 %



Qe=

24.71∗(1160.28)1125.47

=25.47mg / l




2. Volumen de la laguna.Vm=Q∗(O )=1125.47∗(4 )=4501.88m3


Am=VZ

=4501.881

=4501.88m2



B prom = 85.45 m

Z=1 m

Lprom= AB prom

4501.8885.45

=52.68m

25



B¿Bprom+Z (talud )=85.45+1 (2 )=87.45m

L¿ Lprom+Z (talud )=52.68+1 (2 )=54.68m


A¿¿



5. Gasto en el efluente.Qe=Qi−0.001 ( Am) (e )=1125.47−0.001 (4501.88 ) (5 )=1102.96m 3/d



L prom(Nomamp+1 )

X=85.45 ( 0.70 ) (4+1 )

52.68(4+1 )=28.38


d= X

−0.26118+0.25392 X+1.0136 X 2

d= 28.38

−0.26118+0.25392(28.38)+1.0136 (28.38)2=0.0345


Kb=0.841¿


a=√¿¿


26


NfNo

= 4∗a∗e(1− a

2d )(1+a )2

NfNo

=4∗1.1208∗e(1− 1.1208

2∗0.0345 )(1+1.1208 )2

=0.1727

Nf=(0.1727 ) (5012.88 )=865.52NMP /100ml


Necorr=Nf∗(Qi)

Qe=

865.52∗(1125.47)1102.96

=883.19NMP/100ml


Kf= 1.00

1.08535−T= 1.00

1.08535−11.8=0.1507d−1


= 25.47(0.1507∗4 )+1

=15.89mg / l



∗100

% deremDBOe=25.47−15.8925.47

∗100=37.60 %


DBOecorr=DBOe∗(Qi )

Qe=

15.89∗(1125.47 )1102.96

=16.22mg /l

CONCLUSIONES

27


Se diseñó el sistema de tratamiento a base de lagunas de estabilización. Primeramente se

determinaron las dimensiones y características de cada una de las estructuras del sistema de

pretratamiento: rejillas, medidor parshall, canal desarenador y vertedor triangular. Todas

estas estructuras conforman el sistema que permitirá que el agua residual del influente de

las lagunas posea las características idóneas para su adecuado tratamiento.

Además se estimaron las dimensiones de las lagunas de estabilización, utilizando como

metodología el procedimiento de cálculo recomendado por la Comisión Nacional del Agua.

Se consideraron dos alternativas para el diseño: una en la que se incluyen tres tipos de

lagunas (anaerobia, facultativa y de maduración) y otra en la que sólo de incluyeron dos

tipos de laguna, facultativa y de maduración.

Para concluir, se presentan los planos y gráficos que ilustran los cálculos incluidos en este

trabajo.

28


PLANOS DEL SISTEMA DE PRETRATAMIENTO

REJILLAS

29


MEDIDOR PARSHALL

30


CANAL DESARENADOR

**La altura de lámina de agua máxima H es igual a 0.175 mts.

31


VERTEDOR TRIANGULAR

32


LAGUNA DE ESTABILIZACIÓN (CASO 1)

Planta

Corte

33


LAGUNA DE ESTABILIZACIÓN (CASO 2)

Planta

Corte

34

proyecto semestral

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