El agua residual al pasar por el tratamiento especificado, estará en condiciones de ser descargada al cuerpo receptor, en este caso el río Cuchipamba, cumpliendo los requisitos y límites permitidos por las normativas ambientales del país, en lo referente a la remoción de la DBO, grasas y lodos generados en las aguas residuales. En los análisis de aguas residuales en el laboratorio, obtuvo concentraciones de DBO5 de 21mg/l, la cual está por debajo de las características de una agua residual media por lo que se adoptó un valor de 120mg/l DBO5 y para sólidos suspendidos (SS), un valor de 100mg/l21, con lo que se procedió al cálculo y diseño de la planta de tratamiento.
El rendimiento que se obtendrá con esta planta de tratamiento se sitúa en promedio en un 70%, obteniendo concentraciones en el efluente de DBO5, según la normativa, por lo que el tratamiento escogido es el adecuado para la depuración de las aguas residuales provenientes de la cabecera parroquial de El Ideal y sectores La Esperanza, La Unión.
20Tratamiento de Aguas Residuales, Teorías y principios de diseño, Jairo R. Romero Rojas, 2001
- 53 -
A continuación se detallara el cálculo hidráulico de la planta de tratamiento:
PRETRATAMIENTO
- Cajón de llegada: La norma de la SSA en apartado 5.2.2, de la décima parte, recomienda el uso de un cajón, con el fin de uniformizar velocidades y disipar la energía de llegada.
Se colocara un pozo de revisión de 0.6 x 0.6m, ya que el diámetro del colector es de 250mm, en el numeral 5.2.5 de la norma mencionada recomienda dejar entre 10 a 15 cm entre el fondo del pozo y la batea del colector. Adoptaremos una altura de 15cm.
La pantalla disipadora de energía se ubicara una distancia de 25cm de la salida del colector y tendrá las siguientes dimensiones: ancho de 35cm y una altura de 35cm.
- Canal de entrada: Se adoptara un ancho de entrada de 0,30 m. (Manual de depuración, Uralita recomienda un ancho entre 0,30 y 0,70 m), el coeficiente de rugosidad de Manning será de n= 0,013, para canales abiertos de hormigón.
La pendiente adoptada es de 1.0 % (Manual de depuración, Uralita S≥ 0.5%) Para el cálculo de la longitud de transición se empleara la siguiente expresión.
= − � Ecu. 4.1
Dónde:
: Ancho del cajón de llegada (m) : Ancho del cajón de entrada (m) : Angulo de transición (°)
L: Longitud de transición (m)
= − � = , − ,° = ,
Se adoptara una longitud de 1m, para la transición.
Se verifica que la velocidad para caudal medio este entre 0,40 a 0,75 m/s, según norma de SSA, en su numeral 5.3.3.4 literal (c).
El caudal de entrada se tomara del diseño del alcantarillado sanitario Q=5,93 l/s.
= ⁄ ⁄ Ecu. 4.2
Dónde:
K: Acarreo en canal. b: Ancho del canal (m) S: Pendiente canal (°/oo) Q : Caudal (m/s)
- 54 - n: Coeficiente de Manning.
=
. .
. ⁄ . ⁄ = .
Para canal rectangular, tenemos:
= . x � .
= . x . . ,
= . m ≅ . cm alt�ra del fl�ido en el canal calado La velocidad se calculara con la siguiente expresión:
� = x � ⁄ x � ⁄ Dónde:
V: Velocidad (m/s) n: Coeficiente de Manning. S: Pendiente canal (°/oo)
R: Radio hidráulico en función del tirante hidráulico (m)
� = . x . +. .. x . = .
La altura de seguridad mínima recomendada en la norma SSA, sugiere que sea h ≥ 0,40 m.
ℎ = ℎ + ℎ + Ecu. 4.3
Dónde:
ℎ : Altura de seguridad. ℎ : Altura del canal de entrada. ℎ : Altura de calado del canal : Borde libre por seguridad.
ℎ = , + , + ,
ℎ = , Se adopta una altura de 0,60 m. Las dimensiones finales del canal de entrada serán - Ancho: 0,30m
- 55 - . Longitud del canal: 1m
- Diseño de la rejilla de entrada: La norma de SSA recomienda el diseño de cribas de limpieza manual, el ancho de las varillas varía de 5mm a 15mm y el espaciamiento entre 25mm a 50mm.
Tabla 23 Datos de rejilla
a: Ancho de los barrotes de la rejilla (mm) 10
c : Ancho del canal de entrada (mm) 300
s : separación útil entre barrotes (mm) 25
ᶿ : Angulo de inclinación con la horizontal (°) 45
Fuente: El autor Elaboración: El autor
El ancho del canal para la rejilla de cribado se determina por:
= − . s + a + s Ecu. 4.4
= .. − . . + . + . = . m Se adopta un acho de 0,45 m.
Dónde:
b1: Ancho de rejilla (m).
c: Ancho del canal de llegada (m) s: Separación entre barrotes (m) a: Diámetro del barrote (m)
Se determina que el ancho para el cribado es mayor al de llegada por lo que se calculara una longitud de transición. El ángulo asumido es de 10° para reducir las pérdidas en la transición.
= − ∅ = . − . ° = . m
Se adopta de 0,45m
Determinamos el número de barras:
= +−
Ecu. 4.5 Dónde:
Nb: Numero de barras
b: Ancho del canal de cribado (m) s: Separación entre barrotes (m) a: Diámetro del barrote (m)
- 56 -
Para la perdida de energía en las rejillas tenemos que para varillas circulares se tiene un factor de forma de 1,7922 y se calculara con la fórmula de Kirshmer23, se adoptara un ángulo de 45° para la inclinación de la rejilla con respecto a la horizontal.
� = β ⁄ . h� . �en ∅
Ecu. 4.6
= Ecu. 4.7
Dónde:
H: Perdida de energía (m)
β: Factor de forma de barras
w: ancho de la sección de las barras en dirección del flujo (m) b: Separación entre barras (m)
hv: Altura o energía de velocidad del flujo de aproximación (m)
∅: Angulo de la rejilla con la horizontal (°)
v: Velocidad de aproximación (m/s) g: Aceleración de la gravedad (m/s2) = = .. = . m � = β ⁄ . h� . �en ∅ � = . .. ⁄ x , (sen ) = . m
Se adopta un perdida de H = 0,20m, la norma de la SSA recomienda Hmin= 0,15m.
Área de rejilla:
� =V Ecu. 4.8
� = ., = . m
Tirante del flujo en la rejilla:
=A Ecu. 4.9
= .. = . m
Altura de rejilla:
22Tratamiento de Aguas Residuales, Teorías y principios de diseño, Jairo R. Romero Rojas, 2001, Pag 289 23Tratamiento de Aguas Residuales, Teorías y principios de diseño, Jairo R. Romero Rojas, 2001, Pag 288
- 57 - hr = y + BL + H
hr = 0,022m + 0,15m + 0,20m hr = 0,372m
La altura de la rejilla es inferior a la del canal y por labores de limpieza se adopta la altura del canal h = 0,60m
Longitud de la rejilla:
L = ∅ Ecu. 4.10
L = . = . m
Dimensiones finales de la rejilla:
Largo: 0,85m Ancho: 0,45m Numero barras: 14 barras Inclinación barras: 45° Diámetro de barras: 10mm Espaciamiento entre barras: 25mm
TRATAMIENTO PRIMARIO FOSA SÉPTICA
Los parámetros para el diseño son los siguientes:
Tabla 24 Datos para diseño de fosa séptica
DATOS DE DISEÑO SIMBOLO UNIDAD VALOR
Número de habitantes N hab. 663
Producción aguas residuales por
persona C lt/hab*día 96,00
Producción aguas residuales TOTAL CT = N x C lt/día 63.648
Tiempo de retención adoptado T dias 0,50
Contribución de lodos frescos Lf lt/hab*día 1,00
Relación Largo/ancho L/b adim. 3,00
Fuente: El autor Elaboración: El autor
Se eligió una fosa séptica de doble cámara y el dimensionamiento de la fosa séptica de doble cámara se realizará siguiendo el procedimiento establecido en el libro "Tratamiento de esgotos Domésticos", de Eduardo Pacheco Jordao, página 207 a 208, y Cuadro 11.7 de la página 201, de la siguiente forma:
- 58 - En donde:
V: Volumen en litros.
N: Número de contribuyentes al final del período de diseño en habitantes. C: Contribución de desechos por persona promedio en l/hab/día. T: Período de retención en días.
Lf: Contribución de lodos frescos en l/hab/día.
� = . , +
� = , litros
� = ,
La longitud mínima de la fosa séptica es de L=0,80, su profundidad útil mínima de h=1,20m, la relación entre el largo y su ancho (L/b) debe estar entre 2 a 4, el ancho interno no debe ser mayor que dos veces que la profundidad útil, la longitud de la primera cámara debe ser 2/3 L y de la segunda de 1/3 L, siendo L la longitud total de la fosa séptica, el orificio para el paso del agua entre las dos cámaras se ubicara a 2/3 de la altura, con estas consideraciones procedemos al dimensionamiento respectivo, todas las medidas son las internas de la fosa, la pendiente de la losa de piso de la primera cámara tendrá una pendiente de 2% hacia la entrada del flujo.
La relación adoptada entre largo y ancho es L/b=3.
Se asume una altura útil de h = 2,20m y una altura de seguridad entre el nivel de agua residuales y la losa superior de 0,40m.
El volumen de un cubo es:
� = ℎ Ecu.4.12 En donde: V: Volumen en m3. L: Largo en m. b: Ancho en m. h: Altura en m. � = ℎ � = ℎ � = √�ℎ � = √ ,, = , � = � = ,
- 59 - � = ,
La longitud de las cámaras se calcula según los parámetros mencionados anteriormente: Longitud primera cámara:
� = /
� = / ,
� = ,
Longitud segunda cámara:
� = /
� = / ,
� = ,
Altura de orificio de paso:
� = / ℎ
� = / ,
� = ,
Para la frecuencia de limpieza se supone una capacidad para lodos de un tercio del volumen del tanque y una tasa de acumulación de 0,04m3, por persona servida por año24.
Periodo de desenlode:
= � . Ecu. 4.13
En donde:
P: Periodo en años. V: Volumen en m3.
ta: Tasa de acumulación en m3/hab.año. P: Población en habitantes.
= , � ,
= , ñ
Por lo tanto se recomienda realizar la limpieza de lodos una vez por año. Las dimensiones finales de la fosa séptica son:
Largo: 13,20m
- 60 - Ancho: 4,40m
Altura: 2,20m + 0,40m = 2,60m Longitud primera cámara: 8,80m Longitud segunda cámara: 4,40m Volumen útil: 127,78m3
-Remoción de DBO5 y sólidos suspendidos totales.
Los valores de sólidos suspendidos y DBO5 iniciales registrados en la caracterización son los siguientes:
Afluente:
DBO5 (mg/l): 120 Sólidos suspendidos (SS) (mg/l): 100
Eficiencias de remoción esperadas:
DBO5 (mg/l) y Solidos suspendidos totales (mg/l) en promedio: 50%
(Tratamiento de esgotos domésticos, Eduardo Pacheco Jordao, página 211, Numeral 11.9.1 y 11.9.2, recomienda utilizar remociones de 60% para SS y entre 35 -61% para DBO5).
Valores efluente:
DBO5 (mg/l): 120 – (0, 5 x 120) = 60 mg/l.
Sólidos suspendidos (SS) (mg/l): 100 – (0,5 x 100) = 50 mg/l. TRATAMIENTO SECUNDARIO FILTRO BIOLÓGICO.
El tratamiento secundario estará conformado por un filtro biológico anaerobio.
Tabla 25 Datos para diseño del filtro biológico
DATOS DE DISEÑO SIMBOLO UNIDAD VALOR
Numero de aportantes N hab. 663
Producción aguas residuales por persona C lt/hab*día 96,00
Tiempo de retención adoptado T días 0,50
Fuente: El autor Elaboración: El autor
Caudal medio de agua residual (Qm):
Qm = N x C
Qm = 663 x 96
Qm = 63648,00 lit/día = 63,65 m3/día = 0,7367 lit/s
El volumen del filtro está dada por la siguiente expresión dada en el libro de “Tratamiento de Esgotos Domésticos”, volumen 1, de Eduardo pacheco Jordao, pág. 235:
- 61 - Donde:
V = Volumen útil (medio filtrante) en litros.
1,6 = Coeficiente empírico, para filtros biológicos con o sin recirculación. N = Número de contribuyentes en habitantes
C = Contribución de desechos (l/hab/día) T = Período de retención en días
� = , ,
� = , � ≅ ,
Para el cálculo de la tasa hidráulica y la carga hidráulica se usara los valores dados por Metcalf & Eddy en la tabla 10-13 (pág. 699)
Tabla 26 Datos para diseño de filtros percoladores
Información típica de diseño para filtros percoladores
Elemento Baja carga
Carga
Intermedia Carga alta
Muy alta carga De desbaste Doble etapa
Medio filtrante Piedra, escoria
Piedra,
escoria Piedra Piedra
Plástico, madera Roca, plástico Carga hidráulica m³/m²día 1.20-3.50 3.50-9.40 9.40-37.55 11.70-70.40 47.0-188.0 9.4-37.55 Carga orgánica, Kg DBO5/m³d 0.08-0.40 0.25-0.50 0.50-0.95 0.48-1.60 1.6-8.0 0.95-1.80 Profundidad, m 1.80-2.40 1.80-2.40 0.90-1.80 Relación de recirculación 0 0-1 1-2 1-2 1-4 0.5-2
Moscas en el filtro Abundantes Algunas Escasas Escasas o ninguna
Escasas o ninguna
Escasa o ninguna Arrastre de sólidos Intermitente Intermitente Continuo Continua Continua Continua Eficiencia de eliminación de la DBO, % 8-90 50-90 65-85 65-80 40-65 85-95 Efluente Bien nitrificado Parcialmente nitrificado Escasamente nitrificado Escasamente nitrificado No nitrificado Bien nitrificado
Fuente: Metcalf & Eddy, Tabla 10-13, pag. 699 Elaboración: Metcalf & Eddy, Tabla 10-13, pag. 699
Rivas Mijares en su libro “Manual de plantas de aguas”, recomienda para el filtro biológico una tasa de aplicación hidráulica (Tah) entre 1 a 5 m3/m2.dia de material para filtro, se adopta un valor de 2,5 m3/m2.dia, dentro de los rangos anteriormente especificados.
- 62 - Área transversal de filtros= Qd/Tah
Área transversal de filtros= 63,65/2,5 Área transversal de filtros= 25,46 m2
Para el tratamiento secundario la estructura física será un tanque de ferro cemento circular, para lo que se procede a calcular su radio a partir del área transversal para filtros.
= √�
= √ �,
= , d= 5,69 m
Por lo tanto el diámetro adoptado es de 5,70 m para el filtro biológico. Se verifica la tasa hidráulica con las medidas calculadas.
Área para filtros= r2= (5,70/2)2=25,52 m2
Tah = Qd / Área para filtros = 63,65 / 25,51 = 2,49 m3/m2.día Esta dentro del rango de 1 a 5 m3/m2.día, dados anteriormente. Por lo tanto el diámetro final del tanque es:
d = 5,70 m
Se asume una altura de material filtrante h= 1,80m y se procede a verificar a continuación, para la altura total se le sumara una altura entre lecho filtrante y la lámina libre del líquido de 20cm y un borde libre de 5cm.
Verificación del dimensionamiento para carga orgánica diaria máxima:
Carga orgánica diaria = DBO (mg/l O2) x Q (l/s) x 86.400 /(1000 x 1000)
Carga orgánica diaria (COD) = 120 mg/l x 0.7367 l/s x 86.400/10002 = 7,638 Kg/día.
Tasa orgánica permitida = < 4 Kg DBO5/m3.día en lecho de piedra día25 y según Metcalf & Eddy esta de 0,08 a 0,40 DBO5/m3.día.
Volumen de piedra (Vp) = r2 .h = . (2,85)2 x 1,80 m = 45,93 m3
Carga orgánica resultante = (COD) / (Vp) = 7,638 Kg/día/45.93 m3 = 0.166 Kg/m3.día Las dimensiones finales del filtro biológico son:
Diámetro: 5,70 m
Altura: 1,80m + 0,20m + 0,05cm = 2,05 m
- 63 - Volumen total: 52,31 m3
- Remoción de DBO5 y sólidos suspendidos totales.
Los valores de sólidos suspendidos y DBO5 iniciales registrados en la caracterización son los siguientes:
Afluente:
DBO5 (mg/l): 60
Solidos suspendidos (SS) (mg/l): 50
Eficiencias de remoción esperadas:
DBO5 (mg/l) y Solidos suspendidos totales (mg/l) en promedio: 70%
(Tratamiento de Aguas Residuales, Teorías y principios de diseño, Jairo R. Romero Rojas, 2001, Pág. 707, recomienda remociones de DBO de 80% aproximadamente y Tratamiento de esgotos domésticos, Eduardo Pacheco Jordao, recomienda utilizar remociones de 70% para SST).
Valores efluente:
DBO5 (mg/l): 60 – (0, 7 x 60) = 18 mg/l.
Solidos suspendidos totales (SST) (mg/l): 50 – (0,7 x 50) = 15 mg/l.
Para la planta de tratamiento del sector La Unión se siguió el mismo procedimiento para el cálculo diseño, por lo que las dimensiones finales son:
DATOS:
• PRETRATAMIENTO
Se considera el mismo diseño, que el determinado en la planta de tratamiento anterior, realizados las
comprobaciones respectivas para velocidades y con los caudales determinados en el sistema de alcantarillado. Las dimensiones finales del canal de entrada serán
- Ancho: 0,30m - Altura canal: 0,60m Longitud del canal: 1m
Dimensiones finales de la rejilla:
Largo: 0,85m Ancho: 0,45m Numero barras: 14 barras Inclinación barras: 45° Diámetro de barras: 10mm Espaciamiento entre barras: 25mm
TRATAMIENTO PRIMARIO FOSA SÉPTICA
- 64 -
Tabla 27 Datos para diseño de fosa séptica
DATOS DE DISEÑO SIMBOLO UNIDAD VALOR
Número de habitantes N hab. 255
Producción aguas residuales por
persona C lt/hab*día 96,00
Producción aguas residuales TOTAL CT = N x C lt/día 24.480
Tiempo de retención adoptado T dias 0,50
Contribución de lodos frescos Lf lt/hab*día 1,00
Relación Largo/ancho L/b adim. 3,00
Fuente: El autor Elaboración: El autor
Las dimensiones internas finales de la fosa séptica son: Largo: 8,70m
Ancho: 2,90m
Altura: 2,00m + 0,40m = 2,40m Longitud primera cámara: 5,80m Longitud segunda cámara: 2,90m Volumen útil: 50,46m3
TRATAMIENTO SECUNDARIO FILTRO BIOLÓGICO.
El tratamiento secundario estará conformado por un filtro biológico anaerobio.
Tabla 28 Datos para diseño de filtro biológico
DATOS DE DISEÑO SIMBOLO UNIDAD VALOR
Numero de aportantes N hab. 255
Producción aguas residuales por persona C lt/hab*día 96,00
Tiempo de retención adoptado T días 0,50
Fuente: El autor Elaboración: El autor
Las dimensiones finales del filtro biológico son: Diámetro: 3,50 m.
Altura: 1,80m + 0,20m + 0,05cm = 2,05 m Volumen total: 19,72 m3
- 65 -