Page 1

TRATAMIENTO Y REMOCION DE AGUAS TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE TALLER DE DISEÑO

Presentado por:

JUAN CARLOS MARCILLO AGUILAR cód.: 1123327504 CRISTHIAN CAMILO AYALA IBARRA cód.: 1115063187

Revisado por:

GABRIL LOZANO SANDOVAL INGENIERO CIVIL TITULAR DE LA ASIGNATURA DE TRATAMIENTO Y REMOCION DE AGUAS

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL FACULTAD DE INGENIERÍA UNIVERSIDAD DEL QUINDÍO ARMENIA 21-Abril-2015 INTRODUCCIÓN Dentro de un contexto social, el recurso hídrico se ha convertido en un índice de desarrollo que permite alcanzar estándares de calidad apropiados para una población. Al enmarcarse en dicho contexto, se hace de vital importancia la inversión en procesos técnicos y tecnológicos para alcanzar el aprovechamiento apropiado del recurso y así obtener agua con las características adecuadas para un uso específico, que para dicha situación es el consumo humano.


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS En Colombia existen una serie de normativas y reglamentos que establecen los procesos adecuados para el tratamiento de aguas superficiales; para el presente informe se hará el diseño de una planta de tratamiento de agua potable (PTAP), siguiendo los parámetros indicados en el reglamento técnico agua potable y saneamiento básico (RAS) el cual se adopta en Colombia mediante la resolución 1096 del 2000. El ejercicio que se hará a continuación es completamente de características académicas, todos sus datos son asumidos y tiene como finalidad realizar la práctica de diseño apegándose a la normativa técnica existente.

CONTENIDO

1. OBJETIVOS.

1.1.

Objetivo general. Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 2


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS Realizar el diseño de los elementos que complementan la estructura de una planta de tratamiento de agua potable. 1.2. •

Objetivos específicos.

Aplicar las metodologías de diseño especificadas en la normatividad definida para el tratamiento de agua superficial.

Realizar los diseños pertinentes a: Unidad de aquietamiento. Unidad de desarenación secundaría. Unidad de medición. Unidad de mezcla rápida. Unidad de floculación. Unidad de sedimentación unidad de filtración.

Analizar los resultados obtenidos en el diseño de los elementos, siguiendo los parámetros establecidos por las normas técnicas definidas.

Realizar un plano esquemático de la planta de tratamiento de agua potable (PTAP).

2. UNIDAD DE AQUIETAMIENTO: CAMARA DE AQUIETAMIENTO

Consideraciones iniciales: Tiempo de retención (30-60) segundos, para el caso, se asume un valor de 40 segundos. La altura de la cámara debe estar entre 1 y 2 metro de longitud, teniendo en cuenta la magnitud del caudal de diseño, se considera de una altura H=1,6m. La velocidad de llegada a la cámara de aquietamiento debe ser inferior a 0,3 m/s, se asume una velocidad de 0,26 m/s El ancho del canal de salida se asume de b=0,4. Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 3


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS

a. Volumen del tanque de aquietamiento: Volumen=Q diseño∗TR Volumen=

30,333∗40 =1,213 m3 1000

b. Área transversal: Area transversal= Area transversal=

Vol Altura

1,213 =0,7583 m2 1,6

c. Longitud de aquietamiento: Se considera una cámara de aquietamiento cuadrada Longitud =√ Area Longitud =√ 0,7583 m 2=0,87 m d. Área zona de aquietamiento: Area aquietamiento=

Area aquietamiento=

Qdiseño Velocidad de llegada

30,333/1000 =0,12 m2 0,26

e. Calculo de h1: h1=⌈

Q diseño ⌉ 1,84 Ancho de la salida

2 /3

30,333 23 1000 h1=⌈ ⌉ =0,12 m 1,84∗0,4

Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 4


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS

H h'

Sistema de Medicion sin Vertedero Altura del nivel de agua al tanque 0,3 Altura del fondo a la placa de aquietamiento 0,13

m m

Tabla Sistema de medición sin vertedero

Ilustración Esquema cámara de aquietamiento 3. UNIDAD DE DESARENACION SECUNDARIA

Consideraciones iniciales: Para el diseño del desarenador, se tuvieron condiciones de tubería de entrada (Caudal) y las condiciones de diseño, las cuales son las siguientes: Las condiciones de diseño, fueron obtenidas de acuerdo con las especificaciones dadas por la RAS 2000 en el titulo B.4.4.6 Datos generales: DATOS GENERALES NUMERO DE MODULOS 1 REMOCION DE 0,05 PARTICULAS (d) PORCENTAJE DE 80

mm %

SEGÚN NORMA B

MAYORE

Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 5


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS REMOCION VISCOCIDAD CINEMATICA GRADO DE DESARENADOR (n) RELAION LON-ANCHO

4.4.6.5

S A 75%

1,11E- Cm2/ 02 s 1

m3/S

6--1 Tabla Condiciones desarenador

Material Gravilla Gruesa Fina Arena Gruesa Media Fina Muy Fina

Diámetro (mm) >2.0 2.0 – 1.0 1.0 – 0.5 0.5 – 0.25 0.25 – 0.1 0.1 – 0.05

Material Fango Grueso y Mediano Fino Arcilla Gruesa y Media Fina Coloidal

Diámetro (mm) 0.05 – 0.01 0.01 – 0.005 0.005 – 0.001 0.001 – 0.0001 < 0.0001

Fuente:(López Cualla, R, 1997)

Tabla Tamaño de partículas según el tipo de suelo El porcentaje de eficiencia de cada desarenador será de 75% Con las condiciones establecidas para el diseño, se procede a determinar la Velocidad de sedimentación la cual se halla de la siguiente expresión: g ( ρs − ρ ) 2 Vs = * *d 18 µ Donde, Vs: Velocidad de sedimentación. g: Aceleración de la gravedad. ρs: Densidad de la arena. ρ:Densidad del agua. μ:Viscosidad cinemática. d:Diametro de la partícula a remover. a. sedimentación:

Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 6


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS CALCULO DE PARAMETRO DE SEDIMENTACION Ps(Arena) 2,65 p 1 Altura util sedimentacion 1,5 m Vs

0,202169514

Tabla Calculo de parámetros de sedimentación Por medio de la tabla anexas en el curso de abastos y remoción de aguas tenemos:

Tabla Porcentaje de remoción

Por Hazen: POR TABLA TENEMOS VS/Vo

n= 1 Remocion= 80% 4

TIEMPO DE REMOCION DE PARTICULA t

741,9516264 SEG

PERIODO DE RETENCION Ѳ CHEQUEO

0,824390696 HORAS CUMPLE

Tabla Chequeo periodo de retención.

Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 7


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS El tiempo de retención de cada partícula debe estar entre 0,5 y 4 horas para cumplir satisfactoriamente la sedimentación, al comparar el crítico de diseño con el valor obtenido, se comprueban los cálculos de diseño hasta el tiempo de retención. b. Volumen del tanque:

VOLUMEN DEL TANQUE V As B L

11,25280934 AREA SUPERFICIAL DEL TANQUE 7,501872894 DIMENSIONES DEL TANQUE L:B, 6:1 1,118173577 6,709041464

M3 M2 m m

Tabla volumen del tanque c. Dimensiones del tanque: Se procede a calcularse las dimensiones de “largo” y “Ancho” para el desarenador tipo que se está diseñando, considerando que la relación largo: ancho será de 6:1 L=Longitud del largo del desarenador B=Longitud del ancho del desarenador B=L/6

L=√ 6∗AREA DEL TANQUE Al reemplazar el valor del área superficial del tanque, se obtiene las siguientes dimensiones: L=6, 7 m B=1, 11 m H=1, 5 m d. Vertedero de excesos Los cálculos serán dados así: Carga hidráulica Asumiendo un ancho del vertedero 1m H=

[

Q 1,84 B

2 /3

]

H =0,041 mts Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 8


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS

Velocidad del vertedero: Para poder aplicar con rigor la ecuación del alcance horizontal de la vena vertiente Vv > 0,3 m/s Q Vv= BH Vv=0,37

m s

(Cumple)

Alcance horizontal de la vena vertiente XS: Está representado por medio de la siguiente expresión Xs=0,36Vv 2 /3 +0,60 Hv 4 /7 Xs=0,28 m Longitud cámara de rebose L=Ancho del tanque−Longitud de aquietamiento L=2,5−1,25=1,25 mts e. Pantalla deflectora Velocidad de los orificios en la pantalla =0,1 m/s Área efectiva de la pantalla Qdiseño Ae= velocidad de orificios Ae=0,15 m

2

Área efectiva de cada orificio π (6x0 , 0254)2 Ao= =0,0182 4 Numero de orificios n=

Ae 0,16 = =9 Und Ao 0,0182

f. Vertedero de la salida Altura de la salida

Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 9


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS

Hs=

[

Qdiseño 1,84 ancho del tanque

2 /3

]

Hs=0,038 mts

Velocidad de la salida Qdiseño Ve= Ancho del tanque∗Hs Ve=0,36 m/ s

Alcance horizontal de la vertiente 2 /3 4/ 7 Xs=0,36Ve +0,6 Hs Xs=0,27 m

g. Zona de entrada. Ancho de la entrada a=b /2 a=0,56 mts

Longitud de la entrada ¿= Longitud vertedero de excesos+ 0,3 ¿=1,3 mts

Profundidad H/3 h He= 3 Remplazando se tiene que: He=0,50 mts h. Zona de lodos

Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 10


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS

L:P Pfmax Pfmin Dpto salida Dpto salida V

Zona de Lodos Relacion Longitud: Profundidad Profundidad maxima Profundidad minima adaptada Distancia pto de salida camara de aquietamiento L/3 Distancia pto de salida vertedero de salida 2 L

10:1 0,7 0,75 2,2 4,5

m m m m

Tabla Dimensionamiento zona de lodos

P=

Pfmax−Pfmin ∗100 b

Reemplazando los datos correspondientes P=7,07 Pendiente longitudinal Pto incial Pfmax−Pfmin P= ∗100 Dpto salida Reemplazando se tiene: P=3,54 Pendiente longitudinal punto salida Pfmax−Pfmin P= ∗100 Dpto salida v Reemplazando se tiene: P=5,31 Volumen de sedimentación Vsedim=b∗L∗h Reemplazando se tiene 3 Vsedim=61,6 m Volumen de la tolva Vtolva=0,2Vsedim Vtolva=2,25 m3

4. UNIDAD DE MEDICIÓN: DISEÑO CANALETA PARSHALL

Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 11


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS

Ilustración Esquema de la canaleta parshall Procedimiento de diseño: a. Se asume un ancho de garganta para el dimensionamiento de la canaleta Parshall teniendo en cuenta la siguiente tabla:

Tabla Valores de K y m para la ecuación Se selecciona un ancho de garganta de la sección media de 6” (0,150m) para la cual corresponde un valor (K) 1,842 y (m) 0,636. b. La altura de agua en la sección de medición puede ser calculada por la ecuación: H a =K∗Qm Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 12


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS Donde (k) y (m) depende del ancho de la garganta de la canaleta tabla 1 y Q es el caudal de diseño, el cual para el caso es 0,03 m3/s. 3 Q=0,03 m H a =1,842∗0,03

0,636

H a =19,94 cm

c. Dimensionamiento de la canaleta según el ancho de garganta seleccionado: Ancho de W (cm) 15 Garganta K m Ancho de Garganta 1,842 0,636 Altura lámina de H (cm) 19,94 agua Long paredes Sc A (cm) 62,1 convergente Longitud Sección B (cm) 61 convergente C (cm) Ancho de salida 39,4 Ancho entrada Sc D (cm) 40,3 convergente E (cm) Profundidad Total 45,7 F (cm) Longitud de la 30,5 garganta Longitud de la Sc G' (cm) 61 divergente Long paredes Sc K (cm) 7,6 divergente Dif. Elevación N (cm) 11,4 entre salida cresta Tabla Dimensiones ya establecidas para la canaleta con un ancho de garganta de 6 pulgadas En la siguiente grafica se puede identificar la nomenclatura del dimensionamiento:

Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 13


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS

Ilustración Nomenclatura para el dimensionamiento d. El cálculo del ancho de la garganta en la sección media se hace con la siguiente ecuación: 2 W a= ∗( D−W ) +W 3 Reemplazando: 2 W a= ∗( 40,3−0,15 ) +0,15 3 2 W a= ∗( D−W ) +W 3 W a=31,867Cm e. Calculo de la velocidad media se hace con la siguiente ecuación: Q V a= W a∗H 1 Reemplazando:

Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 14


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS V a=

Q W a∗H 1

V a=

0,03 0,318∗19,94

V a =0,47

m s

f. Calculo de la energía total disponible en la sección 1-1: V E 1= a + H + N 2∗g Reemplazando: 0,47 E 1= + 0,2+ 0,11 2∗9,81 E 1=0,325 m g. Calculo de la velocidad inmediatamente antes del resalto sección 2-2: Q V 2= W ∗H 2 Reemplazando: 0,03 V 2= 0,15∗H 2 Se igualan energías desperdiciando las perdidas por fricción entre ambas partes: E 1=E 2

0,325=

(

2

0,03 ∗1 0,15∗H 2

)

2∗9,81

+H 2

Se resuelven las tres raíces y se selecciona la media: H 2=9,52 cm Por lo tanto la velocidad inmediatamente antes del resalto en la sección 2-2 es: m V 2 =2,12 s h. Cálculo de la altura de la lámina de agua en el resalto se calcula con la siguiente ecuación: H b=H 2 −N Reemplazando: Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 15


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS H b=9,52−11,4 H b=−1,88 cm

i. Calculo del grado de sumergencia (s): H S= b Ha Reemplazando: −1,88 S= 19,94 S =−0,09 Para el adecuado funcionamiento de la canaleta diseñada se debe respetar el condiciónate (S<0,6); siendo (S) el grado de sumergencia. Como se puede observar en los cálculos anteriores se cumple con el parámetro, por lo tanto se asegura que la canaleta funcionará en descarga libre y trabajará correctamente como aforador. j. Cálculo de número de Froude en la sección 2-2 se hace con la siguiente ecuación: F 2=

V 22 H 2∗g

Reemplazando: F 2=

2,12 2 0,095∗9,81

F 2=2,19 El número de Froude calculado siempre debe encontrarse entre los intervalos (1,7 a 2,5) y (4,5 a 9), esto asegura que el resalto será estable y permanecerá en una sola posición, lo cual facilita en gran medida la aplicación del coagulante. k. Calculo de la lámina de agua inmediatamente después del resalto sección 3-3: H H 3= 2 ∗(√ 1+8∗F 22 −1 ) 2 Reemplazando: 9,52 H 3= ∗( √ 1+8∗(2,19)2−1 ) 2 H 3=25,21 cm Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 16


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS l. Cálculo de la lámina de agua al final de la canaleta: H 4= H 3 −( N −K ) Reemplazando: H 4=25,21−( 11,4−7,6 ) H 4=21,41 cm

5. UNIDAD DE MEZCLA RÁPIDA (COAGULACIÓN): TIPO CANALETA PARSHALL. Procedimiento de diseño: a. Para el cálculo del tiempo medio de mezcla se utiliza la siguiente ecuación. G' t d= Vm Para el cálculo de la velocidad media: V +V V m= 3 4 2 V=

Q W ∗H

Reemplazando: Q V 3= W ∗H 3 V 3=

0,03 0,15∗0,25

V 3=0,8

m s

V 4=

Q W ∗H 4

V 4=

0,03 0,15∗0,21

V 4 =0,94

m s

Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 17


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS V m=

0,8+ 0,94 2

V m =0,87

t d=

G' Vm

t d=

0,61 0,87

m s

t d =0,7 S b. El cálculo del gradiente de velocidad (G) se hace con la siguiente fórmula: G=

γ∗∆ H μ∗t d

La pérdida de la carga de energía se realiza con la ecuación de Bernoulli: E 1=E 4 + ∆ H ∆ H=

V a2 V 2 + H a + N − 4 + H 4−(N − K ) 2∗g 2∗g

Reemplazando: 0,47 2 0,94 2 ∆ H= +0,19+ 0,11− +0,21−(0,11−0,76) 2∗9,81 2∗9,81 ∆ H =0,027 m G=

9797∗0,027 0,00112∗0,7

G=586,8 S

−1

La recomendación para un adecuado funcionamiento de mezcla, se debe cumplir para el gradiente de velocidad se encuentre entre 500 y 2000

S

−1

; según los

cálculos anteriores cumple con la recomendación. c. Cálculo de la distancia de elevación de la cresta por encima del fondo del canal (d): d =H 5−H 4 Se asume H 5 50 cm . Reemplazando: Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 18


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS d =21,4−50 d =28,6 cm

Se recomienda un factor de seguridad del 10%: d '=28,6∗1,1 d ' =31,5 d. Cálculo de la longitud de desarrollo del resalto: L=6∗( H 3−H 2 ) Reemplazando: L=6∗ ( 0,21−0,09 ) L=0,94 m

6. UNIDAD DE FLOCULACIÓN

6.1.

Unidad de floculación mecánica tipo eje normal

a. Se asumen los siguientes datos para el dimensionamiento: Qd Temperatura Radio Molino Área Paleta Volumen Jarra

30,33 20 0,02 0,0017 0,001

LPS C M m2 m3

Tabla Datos de entrada para el dimensionamiento Se asumen dos unidades de Floculación, por lo tanto: Qd Q' d= ¿ Unidades Q' d=

30,3 2

Q' d =15,17 LPS b. Se calcula volumen del tanque asumiendo un tiempo de retención (tr) de 30 min como se muestra a continuación: Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 19


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS Vtan=Qd und∗Tr∗60

Reemplazando los valores: Vtan=54,6 m3 Se calcula área superficial del tanque: As=L∗A Se asume una longitud del tanque (L) de 10 m y un ancho (B) de 4 metros: Reemplazando: 2 As=40 m Ahora se calcula la altura del tanque (H) con la siguiente fórmula: Vtan H= As Reemplazando: H =1,36 m c. Diseño de paletas: Se asumen los siguientes valores según el texto guía: Número de ejes Número de ruedas por eje Número de paletas Distancia de la rueda a la pared Distancia entre ruedas

N (und) 3 #Rp (und) 2 #Pal (und) 4 Dr (m) 0,6 Sr (m) 0,8

Tabla Valores asumidos

Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 20


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS

Ilustración Espaciamiento para el mezclador mecánico Para el cálculo del diámetro del agitador se utiliza la siguiente ecuación, donde e es el espaciamiento libre entre las ruedas y el tanque: L−e ∅ Rp= No . de ejes Reemplazando se obtiene: 10−2,4 ∅ Rp= 3 ∅ Rp=2,53 m

Área transversal del tanque Dicha área corresponde al área longitudinal del tanque, la cual se calcula de la siguiente forma: Ast= A∗H Reemplazando se obtiene: 2 Ast =5,46 m El ancho de la paleta se calcula con la siguiente formula, donde e es el espaciamiento libre: B−e Anp= ¿ Rpejes Sustituyendo los valores: 4−1,2 Anp= 2 Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 21


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS Anp=1,4 m

Área de las paletas Se considera un 15% del área longitudinal del tanque Apst =0,15∗Ast Reemplazando se obtiene Apst=0,15∗5,46 Apst=0,819 m2 Espesor de cada paleta El ancho de las paletas se calcula a partir del área de las paletas (Apst), numero de ejes y el largo total de la paleta calculado con anterioridad. Apst b= ¿ pal∗¿ Rpeje∗Anp Sustituyendo los determinados valores. b=0,07 m Área total de paletas Apt =24∗Anp∗b Se tiene entonces: 2 Apt =2,46 m Radio a la paleta más alejada ∅ Rp b ℜ2= − 2 2 Sustituyendo se tiene que ℜ2=1,23 m Radio a la paleta más cercana ∅ Rp b ℜ1= −b−0,5− 2 2 Sustituyendo ℜ1=0,66 m Radio promedio ℜ 1+ ℜ 2 r 2= 2 r 2=0,94 m

El diseño de las paletas sería de la siguiente forma: Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 22


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS

Ilustración Dimensiones para la paleta del mezclador

Ilustración Dimensiones ancho y alto del mezclador d. Verificación del gradiente de velocidad:

Tabla de relación B/b para determinar Ca Calculando Ca1 para la prueba de jarras: B 1=4∗r 1 B 1=0,08

Donde r1 radio del molino 1, el cual se asumió iniciando el ejercicio Ap 1 b 1= B1 b 1=0,02 Por lo tanto se tiene que: B1 =3,8 b1 Interpolando: Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 23


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS Ca 1=1,17

Calculando Ca para el diseño de las paletas: B 2=Anp B 2=1,4 b 2=b b 2=0,07

Por lo tanto B2 =19,1 b2 Interpolando: Ca 2=1,48 Una vez obtenido los valores de Ca, se realiza el chequeo de la velocidad y gradiente, Haciendo uso de las siguientes formulas: 1,33∗r 1 3 Ca 1∗Ap1∗V 2 N 2= ∗N 1∗ r2 Ca 2∗Ap 2∗V 1

Ve 2=2 π∗ℜ 2∗N 2 Vr 2=0,75∗Ve 2 Ve 1=2 π∗ℜ 1∗N 2 Vr 1=0,75∗Ve 1

Vr 2 (¿ ¿ 3+Vr 13) 51∗Ca 2 Pr= ∗¿ 2 Pu=

Pr Vtan

Gv=

Pu μ

¿=Gv∗35∗60

Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 24


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS

Coeficiente Velocidad de la paleta más alejada Velocidad de la rueda Velocidad de la paleta mas cercana Velocidad de la rueda Potencia de la rueda Potencia total Gradiente de velocidad Gradiente de tiempo

N2 (rps) 0,085 Ve2 (m/s) 0,653 Vr2 (m/s) 0,490 Ve1 (m/s) 0,349 Vr1 (m/s) 0,262 Pr (Kg*m/s) 4,189 Pu (Kg*m/s) 0,077 Gv (s-1) 26,915 Gt 56522,0213

Tabla Chequeo del gradiente de velocidad Por lo tanto el gradiente de velocidad es correcto puesto que se encuentra entre (20-40) sec-1. 6.2.

Floculada hidráulico de tabique (mamparas) horizontal.

Se diseñaran 2 floculadores hidráulicos compuestos por 3 tramos cada uno:

Ilustración Esquema básico del floculador de tabique horizontal a. Para el diseño del floculador se tiene en cuenta que: Tramos

Canales # Tramos V (m/s) Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 25


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS 1 2 3

10 10 10

10 10 9

0.28 0.25 0.2

Tabla Número de tramos y canales conjunto a la velocidad asumida Para el tramo 1 se tendrán 10 canales 10 tramos con una velocidad asumida de 0,28 m/s dentro del rango recomendando por el RAS-2000 Para el tramo 2 se tendrán 10 canales 10 tramos con una velocidad asumida de 0,25 en cumplimiento de la caída del gradiente de velocidad dentro del rango recomendando de 0,2-0,5 m/s Para el tramo 3 se tendrán 10 canales y 9 tramos con una velocidad de 0,2 m/s justo en el límite de la normatividad. A fin de realizar un pre dimensionamiento se tienen que asumir tanto una altura como un ancho del floculador, para tal efecto se tiene que: B (m) Ancho del floculador asumido 5 H (m) Altura del floculador asumido 1 Tabla Dimensiones asumidas para el floculador tipo mamparas Para todos los tramos, se determinaran todas las áreas y distancias entre tabiques mediante las siguientes expresiones: Q A= v a= A/ H

La distancia entre el tabique y la pared debe ser mayor o igual a 1,5 veces la distancia entre tabiques, determinado mediante la siguiente expresión: d =1,5∗a Para el cálculo, se supone un espesor de tabiques de 10cm, a partir de la forma del tanque de tabique forma horizontal, se obtiene la siguiente expresión para el cálculo de la longitud de cada tramo, y seguido de la longitud total del tanque. Li =Num Canales∗a + Num tramos∗e Los resultados son los siguientes:

Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 26


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS

Área del tramo 1 Área del tramo 2 Área del tramo 3 Separación entre tabiques del tramo 1 Separación entre tabiques del tramo 2 Separación entre tabiques del tramo 3 Distancia entre la pared y el muro del tramo 1 Distancia entre la pared y el muro del tramo 2 Distancia entre la pared y el muro del tramo 3 Longitud del tramo 1 Longitud del tramo 2 Longitud del tramo 3

A1 (m) 0.05 A2 (m2) 0.06 A3 (m2) 0.08 a1 (m) 0.05 a2 (m) 0.06 a3 (m) 0.08 d1 (m) 0.08 d2 (m) 0.09 d3 (m) 0.11 L1 (m) 1.54 L2 (m) 1.61 L3 (m) 1.66

Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 27


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS Tabla Resultados del dimensionamiento para cada uno de los tramos No .tabiques ∑¿ Lneta =( l 1+l 2+l 3 )−e∗¿ Reemplazando se tiene que Lneta =1,91 m b. Para el dimensionamiento del tanque se tienen las siguientes expresiones: b=basum+ dmax Y para un tanque rectangular se tiene que Vt= L∗b∗h Factor K

[

amax k = 0,124+3,104 dmax

(

3,5

)

]

∗F

Donde F, es un factor de seguridad asumido para el caso del diseño (F=3). Se obtienen lo siguientes resultados: Separación mayor entre a (m) 0.08 mamparas Separación mayor entre pared y d (m) 0.11 muro F Factor de seguridad asumido 3 K Factor K 2.62 h (m) Altura del tanque 1 b (m) Ancho del tanque 5.11 L (m) longitud del tanque 1.91 Vt (m3) Volumen del tanque 9.75 Tabla Dimensionamiento y volumen del tanque para un F=3 c. Para el cálculo del tiempo de retención (TR) se tiene que: Vt TR= Qd Tiempo de retención por tramo Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 28


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS TRtramo=

Lu tramo∗Tr ¿ neta

Donde la longitud útil del tramo viene dada por Lutramo=(li− No. tabiques∗e ) Por lo tanto para cada tramo se tiene que: Tiempo de retención Tiempo de retención tramo 1 Tiempo de retención tramo 2 Tiempo de retención tramo 3

Tr (s) 642.9 tr1 (s) 182.6 tr2 (s) 204.6 tr3 (s) 255.7

Tabla Tiempos de retención para cada tramo en la consideración del diseño d. Para realizar el cálculo del radio hidráulico se tiene la siguiente ecuación: Ri 2 /3=

[

h∗Ai 2+ Ai

2 /3

]

Para el cálculo de la perdida de energía se tienen en cuenta las siguientes expresiones: ¿∗K∗Vi 2 ∆ Ei= 2g Donde (Ni) número de canales en el tramo; Factor (K) encontrado con anterioridad y (Vi) Velocidad asignada al tramo. Cálculo de so*m y m mediante las siguientes expresiones: V ∗n S o∗M = 2 R3

( )

M =10∗B Cálculo de la potencia unitaria: 1000∗∆ E i P ui = TR Chequeo de gradiente: G=

Pu U

e. Tabla resumen de los cálculos: Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 29


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS

Perdidas del tramo 1 Perdidas del tramo 2 Perdidas del tramo 3 Radio Hidráulico del tramo 1 Radio Hidráulico del tramo 2 Radio Hidráulico del tramo 3 Multiplicador Pendiente en el tramo 1 Pendiente en el tramo 2 Pendiente en el tramo 3 Incremento Pendiente 1 Incremento Pendiente 2 Incremento Pendiente 3 Perdida de energía total en tramo 1 Perdida de energía total en tramo 2 Perdida de energía total en tramo 3 Potencia tramo 1 Potencia tramo 2 Potencia tramo 3 Gradiente tramo 1

hf1 (m) 0.1049 hf2 (m) 0.0836 hf3 (m) 0.0535 R1^2/3 (m) 0.0886 R2^2/3 (m) 0.0953 R3^2/3 (m) 0.1101 M (m) 51.1375 S1 0.0017 S2 0.0012 S3 0.0006 S1*M 0.0863 S2*M 0.0594 S3*M 0.0285 ∆E1 (m) 0.1912 ∆E2 (m) 0.1430 ∆E3 (m) 0.0820 P1 (j) 1.0470 P2 (j) 0.6992 P3 (j) 0.3208 G1 (s-1) 99.4304

Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 30


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS Gradiente tramo 2 Gradiente tramo 3

G2 (s-1) 81.2584 G3 (s-1) 55.0412

Tabla Resumen de datos calculados para los chequeos de gradiente Como se puede observar en los cálculos de chequeo, el gradiente oscila entre 10 y 100 (s-1) y decrece. Cumple con los parámetros.

7. SEDIMENTADOR

7.1.

Sedimentador convencional

Datos generales: Por norma se diseñan 2 módulos sedimentadores, esto se hará con el fin de no afectar su continuo funcionamiento del sistema Para cada módulo el caudal será Q diseño= 30,333/2(Lps) Q diseño = 15,166 (Lps) De la tabal 5.3 de las guías del curso de tratamiento de agua potable para la instalación proyectada con nueva tecnología y buena operación Cs=45

Tabla carga superficial fuente, Jorge arboleda a. Velocidad de sedimentación Se igualara a la carga superficial, la cual puede ser hallada a partir de la siguiente tabla de la biografía consultada. Cs=vs vs=45 m3 /m2∗día vs=5,208333E-4 m/s

Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 31


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS b. Área superficial A partir de la ecuación de continuidad, se calcula el área superficial neta: As=

Qdis vs

As=29,12 m2

Dependiendo de la carga superficial encontrada y el número de unidades, el área superficial se verá afectada por un porcentaje extra de su valor, según a lo referido en la tabla mostrada a continuación:

Tabla Porcentaje extra del área superficial Interpolando para una carga superficial de Cs=45 se tiene: 40----------33 50----------67 45------------x X=50 Por lo tanto tiene un incremento de 50% Asf =( 50 ) As=43,68 m2 c. Dimensionamiento del tanque La relación longitud-Ancho (L/B) del tanque sedimentador debe ser mayor o igual a 2 y menor o igual a 5. Para este caso, se diseñará cada tanque con una relación de: L=4B Para una sección rectangular, el área superficial está representada por la siguiente expresión As=B*L Al reemplazar la relación L=4*B en el área superficial se tiene

Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 32


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS

B=

As 4

Por lo tanto se tiene que: L=13,22 m B=3,305 m

La altura del tanque se toma de acuerdo a la siguiente tabla:

Tabla Determinación de H teniendo L Por lo tanto se tiene que H=2m

d. Volumen del tanque Tanque de sección rectangular V = B∗L∗H V =87,36 m

3

e. Zona de lodos La zona de lodos ocupará un espacio máximo del 10% al 20% del volumen. Al adoptar una zona de lodos del 15% del volumen, por lo tanto se obtiene el siguiente volumen de lodos y su respectivo espesor dentro del tanque sedimentador. Vlodos=0,15∗Vt Vlodos=13,104 m3 Hlodos=

Vlodos As

Hlodos=0,3 m

Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 33


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS f. Periodo de retención. El tiempo de retención (TR) deberá ser mayor o igual a 5 horas, para satisfacer la sedimentación. V Tr= Qdis Tr=

87,36 =5760seg=1,6 h1,5 h< 1,6 h<5 h Cumple 0,01516

g. Velocidad horizontal Q cm cm Vh= ∗100=0,229 < 0,6 B∗H s s

7.2.

Sedimentador de alta tasa.

Datos generales Del título C, 6.5.1.3 se tomaran los siguientes parámetros de diseño. Estos datos son relacionados para sedimentadores de alta tasa. Tiempo de retención La unidad debe diseñarse de manera que el tiempo de detención se encuentre entre 10 y 15 min Profundidad La profundidad del tanque debe estar entre 4 y 5,5m Carga superficial La carga superficial de la unidad debe estar entre 120 y 185 m3/m2.dia para placas angostas y de 200 a 300 m3/m2.dia para placas profundas Sistema de salida El sistema debe cubrir la totalidad del área de sedimentación acelerada y debe constar de tuberías perforadas o canaletas que trabajen con un tirante no inferior a 8cm. Numero de Reynold El número de Reynolds (Re) debe ser menor a 500,se recomienda un Reynolds menor a 250 Sedimentadores con placa La inclinación de las placas debe ser de 55° a 60°. • El espacio entre las placas debe ser de 5 cm. • En caso de emplear placas de asbesto - cemento el espesor de la placa debe ser de 8 mm a 10 mm. Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 34


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS • Con placas profundas para cada fila de placas debe dejarse un ducto de ingreso del agua por el fondo a una altura aproximada de 15 a 30% de la longitud de la placa y en la parte superior se colocará el sistema de recolección por medio de vertederos u orificios. Cada placa debe tener su elemento hidráulico de extracción del flujo Número de unidades La planta de tratamiento, debe tener como mínimo 2 unidades de sedimentación de alta tasa. Extracción de lodos Puede hacerse con múltiples perforados colocados en superficies inclinadas con un ángulo no menor de 45° o con sistemas patentados. La extracción debe ser continua. a. Longitud relativa de las placas Se obtiene de la longitud de las placas a partir de la relación entre la longitud y la separación asumida: Lr =

Lplaca separacion

Lr =28cm/ cm b. Velocidad media Se obtiene calculando la velocidad media, teniendo en cuenta la inclinación de placas y la velocidad crítica establecida en la cual se obtuvo: Vm=0,0047 m/ s

c. Numero de Reynolds Para determinar el tipo de flujo, podemos calcular el número de Reynolds, si se encuentra por debajo de 500 nos encontramos en flujo laminar de acuerdo a la siguiente ecuación V ∗L ℜ= v Donde Viscosidad cinemática v=0,01059 ℜ=222,66 d. Número de placas Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 35


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS Asumiendo la longitud y ancho de las placas a utilizar es posible determinar cuántas placas se necesitaran a partir de

Sustituyendo Nplacas=23 e. Longitud ocupada por las placas Una vez asumida la longitud, la inclinación y la separación entre las placas es fácil encontrar la longitud que requieren a través de la siguiente ecuación:

La longitud que ocupan las placas es de l∗¿ 2,4 m Para la recolección del agua ya sedimentada se utilizaran canaletas que se llenaran hasta la mitad donde estarán ubicados unos orificios los cuales serán diseñados a continuación: Del caudal de diseño el caudal de mantenimiento será: Q diseño= 0,030333 m^3/s 1,25∗Qdiseño Qd = ¿ de unidades Qd =0,03791/2 Qd =0,01895 m3/s • Caudal de diseño en la mitad de la canaleta Qd=0,01895m3/s • Velocidad de los orificios= 0,15m/s • Separación entre orificios=0,5m f. Diámetro de los orificios Adoptando un área circular del orificio se tiene que ∅=0,58 m g. Chequeo del gradiente de velocidad en los orificios Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 36


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS

G=

9,81∗0,02 1,5 ∗0,3 =39,5 m 0,01069∗0,04

Dónde: F=coeficiente de Darcy =0,02 Densidad del agua U= viscosidad cinemática Sustituyendo G=39,5 h. Estabilidad del floc. Este parámetro garantiza que el floc no se rompa y las partículas se dispersen por la fuerza de velocidad estabilidad floc=0,165 i. Zona de salida Se consideró: Caudal por modulo=0,00758m3/s Tasa de diseño de vertederos=3lps.m Número de canales 4 Ancho de canaletas 0,2m j. Caudal por canaleta Caudal transportado por cada canaleta 0.00758 Q= =0,00189 m3/ s 4 k. Tirante en la canaleta. Tirante de la canaleta de acuerdo al caudal transportado

[

vertedero Y = 73∗Qmetro de Ancho de canaleta∗100

2 /3

]

=1,15 cm

l. Altura de la canaleta Adicionando el borde libre de la canaleta, dicho borde se asumirá de 5cm por lo tanto la altura de la canaleta será: Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 37


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS h=1,15+5=6,15 cm

m. Canal extractor de lodos Mediante el cálculo, se obtienen las siguientes dimensiones.

D L H g A T Qd ho n b b´ l d f L/D Cd ql v QL V F N vol T

CANAL EXTRACCION DE LODOS Diámetro del sifón Longitud del sifón Carga hidráulica Aceleración de la gravedad Área de sección de un sifón de 11/2" Tasa de producción de lodos Caudal de diseño Altura de la tolva Numero de tolvas Ancho Mayor (b) Ancho menor (b´) Longitud del Sedimentador Distancia entre sifones Frecuencia de descarga ideal Relación L/D Coeficiente de descarga Caudal que puede extraer cada sifón Velocidad de extracción Caudal total de lodo Producido Volumen de almacenamiento de lodos Max. capacidad de almacenamiento disponible Numero de sifones Volumen producido en 4 horas Duración de la descarga

50,8 2,84 2 9,81 0,0020 0,005 7,58 2 2 2,5 1 2,4 1 4 56 0,55 0,0070 3,445 0,03791667 16,46 5,02 16 0,36 0,052

mm m m m/s² m² L/L LPS m UNIDADES m m m m m/m m³/s m/s L/s m³ horas UNIDADES m³ min

Tabla Dimensiones finales canal de extracción lodos

8. DISEÑO DE LA UNIDAD DE FILTRACIÓN. Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 38


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS

a. Número de unidades de filtración: Para utilizar la siguiente expresión, las unidades de “caudal” deben estar en 3

m /dia .

N =0,44∗ Q

( dmí 3a )

N =2 Unidades b. Caudal de diseño: A partir del número de unidades y el caudal de diseño total, se calcula el caudal de diseño correspondiente a cada unidad de filtración QUnidad =Q Dise ñ o / N QUnidad =15,16< ¿ sec

c. Dimensionamiento del tanque. Para el dimensionamiento del tanque se construirán 6x5 placas de cemento de 0,61X0,61 m de área filtrante, con un total de 16 orificios de 5 cm2 y un diámetro de 2,5 cm cada uno. Respecto a lo anterior las dimensiones serán: L=0,61∗6=3,05 m B=0,61∗5=3,66 m Por lo tanto el área filtrante será: A Filtrante= L∗B A Filtrante=11,16 m

2

Ilustración Dimensionamiento de la unidad de filtración. Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 39


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS d. El cálculo de la tasa media de filtración se realiza mediante la siguiente expresión: Q T mf = Unidad AFiltrante Donde, las unidades del caudal de diseño para cada unidad deberán estar en 3

m /dia , para que los cálculos sean los esperados

T mf =117

m3 m 2∗dia

Al comparar el tiempo de retención calculado con el máximo considerado en el diseño, se verifican las suposiciones, así como los cálculos realizados m3 m3 117 2 <140 2 (CUMPLE) m ∗dia m ∗dia La velocidad de filtración, para efectos de cálculos corresponde a 1,5 veces la tasa media de filtración, la cual debe corresponder a las unidades en cm/s.

Ilustración Capacidad unidades de filtro. v fl =1,5∗T mf v fl =0 , 2 cm/sec

e. Perdidas de la arena. Para calcular las pérdidas en la arena se usa la siguiente fórmula: 180∗v 2 ∗(1− p ) g ∗L p3 xi H a= ∗∑ 2 ∗v fl 2 Ce di Dónde: Ha : Perdidas en la arena (cm)

Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 40


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS 2

v :viscosidad cinematica(cm /s ) 2

g : gravedad ( cm /s ) P : Porosidad arena=1 de vacios con relaci ó n al peso L : Espesor lecho de arena C e =Coeficiente de esferecidad x i=%Arena retenida entre dos tamices d i =Diametro promedio arena retenido entre dos tamices

A continuación, se presenta la granulometría correspondiente a la arena, de la cual se obtendrán los valores necesarios para calcular la perdida en la arena.

% pasa 100 80 60

D (mm) 1.55

di2

Xi/di2

20

1.425

2.03

9.85

20

1.118

1.25

16.0

20

0.842

0.71

28.17

30

0.65

0.42

71.43

10

0.52

0.27

37.04

162.49

1.3 0.935

40

0.75

10

0.55

0

Granulometría Xi di

0.49 Tabla Granulometría de la arena

Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 41


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS Se asume una porosidad en la arena del 40%; Debe enconctrarce entre 40% y 42 %. El coeficiente de esferidad (Ce) debe ser mayor o igual a 0,8 y menor o igual a 0,82. Para el presente informe se tomará un valor de 0,82. Por lo tanto, el resultado de la perdida de arena será: H a =35,05 cm f. Perdidas en la grava El lecho de sostén, se realizará en 5 capas de arriba hacia abajo: Lecho de sostén Grava en 5 capas Arena Torpedo 7.5 cm φ = 1/8” 7.5 cm φ 1/4” 7.5 cm φ 1/2” 7.5 cm φ 1” 15 cm φ 2” Espesor total 45 cm Tabla Lecho de sostén Las pérdidas en la grava será un porcentaje de 2,5% del espesor total de la grava: H g =0,025∗e T H g =1,13 cm

g. Perdidas en el falso fondo Para las placas de cemento se tienen las siguientes expresiones necesarias para hallar las perdidas en el falso fondo: vfl∗Af q= N Orificios q 0,62∗A H f= 2∗g

(

)

2

Reemplazando, se obtiene una pérdida en el falso fondo de: Hf =0.12 cm

Para una velocidad en la tubería mayor o igual a 50 cm/s y menor o igual a 200 cm/s se tienen las siguientes consideraciones Diámetro de la tubería: 8 pulgadas Perdidas K: 0.5 Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 42


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS v o =q / Afl

v o =145,7 cm/ s Hs=

K∗v o2 2∗g

Hs=1,25cm

h. Para las perdidas en tubería efluente: 2 K∗v o Ht= 2∗g Según la ecuación Hazen Williams, se tienen los siguientes datos de entrada: Diámetro de la tubería: 8 pulgadas C: 100 Kt: 4 Q: 21 lt/s L: 20 m Reemplazando en la ecuación de Hazen Williams, y según los datos coultados: Ht=10,03 cm Perdidas por fricción en el efluente: Hfe=J ∗L

J =0,030 Hfe=15,35 cm

Pérdidas totales en el efluente: HTotal =Ha+ Hg + Hf + Hs+ Ht + Hfe HTotal =62,94 cm

i. Lámina de agua en el vertedero (Hvert): Según la ecuación de Francis, para un vertedero sin contracciones se tiene que: 3/ 2 Q=1,84∗L∗Hvert L=0,70 m

Al reemplazar el respectivo valor de L y Q, y despejando: Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 43


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS Hvert =8,22 cm

Luego, La altura total de la lámina de agua, será la suma entre la altura generada por las pérdidas totales y la altura de la lámina de agua del vertedero: H =71 cm A continuación, se muestra el resultado en el siguiente esquema:

Ilustración Lámina de agua en el vertedero j. Perdidas en el afluente: K∗v 2 Ha= 2∗g Al utilizar nuevamente, las ecuaciones de Hazen Williams, se obtiene que: Para un diámetro de 8 pulgadas: C: 100 K: 0,6 Q: 21 lt/s L: 20 m Ha=2,68 cm La cota en el canal de accesos es: 2,68 cm+71 cm=73,68 cm k. Operación de lavado:

Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 44


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS Al lavar los filtros, el nivel del agua aumenta en el canal de accesos y en el filtro sin lavar, es necesario entonces determinar altura que acarrea la operación: Para ello es necesario considerar que: El ancho del canal debe ser mayor o igual a 0,6 metros y menor o igual a 1,0 metros, para el siguiente caso de diseño se tomará un valor de a=0,75 m. La duración del lavado debe estar entre 10 y 20 minutos.

Ilustración Esquema de la unidad de lavado

Cuando se cierra la válvula 2, el área represada es: Arep= Acanal + A filtro Para este caso de diseño el lavado durará 10 min, y el caudal de represado corresponderá al caudal de diseño dividido en el número de filtro hallados t lavado=10 min Qrep=15,17<¿ s

Por lo tanto, el volumen represado será: Vol rep =Qrep∗t lavado Vol rep =9,1 m

3

Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 45


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS

l. Área del canal La velocidad en el canal debe ser menor o igual a 0,3 m/s, para este caso, se toma un valor de V =0,3 m/ s A=

Qrep v

A=0,05 m

2

Calculo del tirante y ancho del canal: Se supone una situación de sección óptima para un canal rectangular A=b∗ y A=2∗y 2 y=0,16 m

b=0,32 m m. Área del filtro: A partir del esquema, se obtiene que el área del filtro es: A filtro =L∗B+ L∗2a A filtro =16,65 m2 Área represada: Arep =A filtro + Acanal Arep =20,47 m

Calculo del ∆ h=

2

∆h :

Vol rep Arep

∆ h=0,44 m

n. Diseño canaleta de lavado: Se colocan dos canaletas de lavado por filtro Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 46


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS

Ilustración Diseño canaleta de lavado El ancho w, deberá ser mayor a 30 cm y menor a 60 cm, en éste ejemplo se toma un valor de w=0,4 m: w T =0,10∗2+ w w T =60 cm La longitud efectiva, se calculará con la diferencia entre la longitud de los filtros y la longitud de los dos anchos totales de la canaleta. Lefect =2,46 m o. Caudal de lavado: Para una arena gruesa, se toma una tasa de lavado de 3 2 Tlavado=0,8 m /m dia Por lo tanto, el caudal de lavado para las dos canaletas será: Qlavado =Tlavado∗Af Q lavado =8930<¿ min

p. Altura de la canaleta: (Q canaleta )2 /3 H= 0,65∗w

H =35,34 cm

Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 47


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS

Ilustración Diseño de la Sección mixta de la canaleta Para una sección mixta, La altura “h” se calcula igualando las dos áreas transversales: AT1= AT2 AT1=

40∗h + 40∗20 2

AT2=30,9∗40

Por lo tanto, el valor de “h” será: h=21,8 cm

q. Expansión de la arena:

La velocidad de lavado es Espesor de la arena,

vL=1,33 cm/s

L=65 cm

Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 48


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS

Estrato Li (cm) 1.00 13.00 2.00 13.00 3.00 13.00 4.00 19.50 5.00 6.50

di (cm) 0.14 0.11 0.08 0.07 0.05

Ki di Vai/k2 Vai 34.51 9.00 23.13 27.12 7.00 17.99 30.34 5.80 14.91 15.74 4.10 10.54 12.59 3.50 8.99

VL/Va (VL/vai)^0,2 i 2 Fi 0.06 0.53 0.29 0.07 0.56 0.36 0.09 0.59 0.46 0.13 0.63 0.62 0.15 0.66 0.72 ∑

Ei (Fi*Li) 3.64 4.68 5.98 12.09 4.94 31.33

Tabla Cálculo de la expansión de la arena Por lo tanto, la expansión de la arena “Ei” será: Ei=31,33 cm Ei=

31,33 cm =48,2 65 cm

Dicha expansión, en todos los casos debe ser menor al 50%, por lo tanto se confirman los cálculos hasta ahora r. Tanque elevado: A partir del % de expansión hallado, se procede a calcularse el volumen del tanque: V =1,5∗QL∗TL V =133,96 m3 Para satisfacer el volumen hallado, se utilizará un tanque en forma de cubo, con las siguientes dimensiones: L=8 m B=8 m H =2,09 m

Su altura corresponderá, a la sumatoria de todas las perdidas presentes. Perdidas por fricción: hf =147,76 cm Perdidas por accesorios: Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 49


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS h acc =351,82 cm

Perdidas en la grava: h g =12,0 cm

Perdidas en el falso fondo: h ff =5,29 cm Perdidas en la arena: h a=63,57 cm

Por lo tanto, la altura total del tanque será: HT =hf +h acc + h g + h ff + h a HT =5,8 m

s. Sistema de bombeo: Se utilizará una tubería de 10 pulgadas de diámetro para la conducción. El espesor “s” de la capa de agua debe quedar sobre la entrada de agua en succión para evitar la entrada de aire al tubo s=2,5∗∅ +10 s=63,6 cm Perdidas por fricción: Está representado por la siguiente expresión: e=Longitu equivalente∗J J =0,0066 m

Longitudes Equivalentes Longitud Recta de Tubería 10” Longitud Horizontal 10” 1 Válvula de Pie 12” 1 Codo de 90° radio corto 12”

1.00 1.50 78.00 9.50

m m m m

Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 50


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS Entrada de tubería de Bomba 12” TOTAL hf H min

9.00 99.00 0.05 114.50

m m m cm

Tabla Longitudes equivalentes para perdidas por accesorios Por lo tanto: h min=s +50 hmin=114 ,5 m t. Diseño del pozo de succión: Se asume un tiempo de retención de 5 min, y su volumen y área se calculan mediante las siguientes expresiones: V =Qlavado∗Tr∗60 V =44,65 m

A=

3

V hmin

A=39 m

2

u. Altura máxima de succión (AMS): AMS =10,33−(a +b+ c+ d +e + f ) Dónde: a : Perdidas por altura sobre el nivel del mar, para una altura de 1480 m.sn.m el valor de “a” será a=1,77 b : Perdidas por temperatura, para una T° promedio de 20°C el valor de “b” será 0,24, c : Perdidas por depresión barométrica, c=0,36 d : Perdidas por vacío imperfecto de la bomba, d=1,8 e : Perdidas por fricción f : Perdidas por velocidad, f=0,60 Por lo tanto: Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 51


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS AMS =5,67 m

v. Cabeza neta de succión: NPSH =ha−hT ° −hs Dónde: Cabeza Neta Positiva de Succión NPSH (m) ha-hT-hs Altura barométrica local 8.56 Altura de succión 1.49 Pérdida por temperatura hT° 0.24 NPSH 6.83

m m m m

Por lo tanto, NPSH =6,83 m La cabeza neta de succión (NPSH) es mayor a la altura máxima de succión (AMS), esto comprueba la confiabilidad de los datos calculados para el diseño.

9. ANALISIS DE RESULTADOS.

a. Para el diseño de la planta de tratamiento de agua potable establecida en el informe, el cumplimiento de normas y parámetros que se le realizaron fueron óptimos y adecuados para el diseño de esta. La funcionalidad del sistema no es afectada y el caudal el cual fue optado para la realización, chequea adecuadamente cada tipo de estructura diseñada. b. El diseño de la canaleta parshall se hace con doble propósito; para medir caudal y a la vez aprovechar el resalto que se produce en la salida para la aplicación del coagulante; Para asegurar un adecuado funcionamiento de la canaleta, se hace el chequeo por sumergencia (s) que es la relación entre la Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 52


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS lámina de agua inmediatamente antes de la turbulencia y la altura de la lámina de agua antes de la sección convergente. Para el diseño realizado en el presente informe dicha relación toma un valor de -0,09, siendo éste menor a el parámetro de seguridad 0,6 establecido por las guías, asegurando así que el resalto trabajará siempre a flujo libre y cumplirá adecuadamente su función como aforador. Además del cumplimiento del chequeo por sumergencia, también se hizo un chequeo por número de Froude teniendo éste un valor de 2,19, cumpliendo con lo establecido por las normas que exigen un número de Froude comprendido en un intervalo entre 1,7 y 2,5; De ésta manera se asegura la creación de un resalto estable lo que facilitará en gran medida la aplicación del coagulante. c. Para la aplicación de la cantidad de coagulante según el caso; se hace necesario el chequeo del gradiente de velocidad, el cual debe estar comprendido en un intervalo con valores limitantes de 500 y 2000 s-1; el cálculo hecho en el procedimiento de diseño deja ver un gradiente de velocidad para la mezcla rápida de 586,8 s-1; estando éste valor dentro del intervalo establecido en las guías permitiendo asegurar una adecuada mezcla rápida en la aplicación de los coagulantes. d. Para el presente informe se hizo el diseño de dos tipos de unidades para el proceso de floculación; una se hizo de tipo mecánico con eje normal al flujo, y la otra hidráulica tipo mamparas; cada prototipo con dos unidades de flujo. Para la unidad de floculación tipo mecánico, se hace un diseño con ejes perpendiculares al flujo; para cada tanque se usaron tres ejes con dos ruedas cada uno, y un volumen para el tanque de 10 de largo, 4 de ancho y 1,36 de alto, todo medido en metros. Cada rueda cuenta con dos alas y dos paletas por ala, tendiendo la paleta unas dimensiones de 1,4 de largo y 0,07 de ancho, medido en metros. Con las dimensiones mencionadas anteriormente se hace el cálculo del Ca para el diseño realizado, lo que permite aplicar el chequeo del gradiente de velocidad tomando como base la prueba de jarras hecha en el laboratorio; El resultado que arroja los cálculos, es un gradiente de velocidad con un valor de 26,9 s-1, estando éste entre el intervalo recomendado (20-40) para la necesaria formación del floc. En el diseño del prototipo para la floculación hidráulica, se adapta el tipo mamparas y de igual forma se hace el cálculo para dos unidades. Se asumen Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 53


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS para cada unidad 3 tramos de recorrido con una velocidad asumida de 0,28, 0,25 y 0,2 m/s en cumplimiento de la caída del gradiente de velocidad dentro del rango recomendado 0,2 y 0,5 m/s. En el chequeo de los gradientes de velocidad para cada tramo se obtienen los valores 99,4 81,25 y 55,04 medidos en s-1, para los tramos 1, 2 y 3 respectivamente. De nuevo cumple con lo requerido con la normatividad, la cual especifica que dicho gradiente debe estar comprendido entre 10 y 100 s-1. e. Para el diseño del prototipo de filtración, los cálculos arrojan la necesidad de dos unidades para el óptimo funcionamiento en el proceso de filtrado. Para la etapa superior del lecho, se utilizan capas de concreto con área filtrante que, según lo diseñado tienen un tiempo de retención 117 (m3)/(m2*día), cumpliendo el parámetro máximo exigido por la normatividad de 140 (m3)/ (m2*día). Las dos unidades tienen un factor de capacidad del 1,5 el cual será el factor de la tasa media de filtración la cual resulta ser de 0,2 cm/s. Para el fondo se usa arena y grava las cuales generan unas pérdidas en el lecho del filtro, además, también se hacen los cálculos de las perdidas generas por el falso fondo, el sistema de limpieza y el tanque elevado lo cual arroja un resultado para la altura del filtro de 5,8 metros necesarios para el buen funcionamiento de los filtros y la facilidad de limpieza de los mismos. En el caso del pozo de succión, se hace la comparación de la altura máxima de succión (AMS) 5,76 m y la cabeza neta de succión (NPSH) con un valor de 6,83 m; siendo la cabeza neta succión mayor a la altura máxima asegurando el buen funcionamiento del filtro y la confiabilidad de los cálculos realizados con anterioridad. REFERENCIAS  REGLAMENTO TECNICO DE AGUA POTABLE Y SANEAMIENTO BASICO  HIDRAULICA DE CANALES (2014), DISEÑO DE CÁMARA DE AQUIETAMIENTO, TABLAS PARA EL DISEÑO, VEN TE CHOW.  TEORÍA Y PRÁCTICA DE LA PURIFICACIÓN DEL AGUA (2014), DIMENSIONAMIENTO Y RECOMENDACIONES DEL DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS PARA LA ELABORACIÓN DE UNA PTAP, JORGE ARBOLEDA VALENCIA.  APUNTES E INFORMACIÓN DEL CURSO DE TRATAMIENTO DE AGUAS (2014), INGENIERO GABRIEL LOZANO Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 54


TRATAMIENTO Y REMOCIÓN DE AGUAS

Taller de Diseño Tratamiento de Agua Potable 55

DISEnO DE PLANTA DE TRATAMIENTO  

PARAMETROS TECNICOS PARA PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS

DISEnO DE PLANTA DE TRATAMIENTO  

PARAMETROS TECNICOS PARA PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS

Advertisement