5. DISEÑO METODOLOGICO
5.2. METODOLOGIA
5.2.4. FASE N°4 DIAGNOSTICO DE LAS OBRAS HIDRÁULICAS DE LA
Calculo de la rejilla
Las rejillas deben colocarse aguas arriba de las estaciones de bombeo o de cualquier dispositivo de tratamiento subsecuente que sea susceptible de obstruirse por el material grueso que trae el agua residual sin tratar, las rejillas se pueden dividir en:
• Limpiadas manualmente • Limpiadas mecánicamente • En forma de canasta • Retenedoras de fibra15
Para este caso se utilizara el método manual, y se basara en las ecuaciones del Ing. WILLIAM ANTONIO LOZANO RIVAS, MCs, PhD, en su trabajo titulado Diseño de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales del año 2012.
A continuación las ecuaciones a utilizar:
Área útil de la rejilla
𝐴𝑟 = 𝐵𝑐 ∗ ( 𝐿
𝐿 + 𝐵) ∗ (1 − 𝐺 100) Dónde:
𝐴𝑟= Área útil decanal en la zona de la rejilla (m2). 𝐵𝑐= Ancho del canal (m).
𝐿= Luz o espacio entre barrotes (m). 𝐵= Ancho de los barrotes (m).
𝐺= Grado de colmatación (usualmente se utiliza 30%).16
15 REGLAMENTO TECNICO DEL SECTOR DE AGUA POTABLE Y SANEAMINETO BASICO. Titulo E Tratamiento de Aguas Residuales. RAS-2000. Bogotá: 2000. P. 50,51
16 LOZANO-Rivas. Diseño de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales. Bogotá: Universidad Nacional Abierta y a Distancia. Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y Medio Ambiente. Mod Tesis, 2012, p. 54-60
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Perdida de carga generada por la rejilla
𝛥𝐻 = (𝑉𝑝
2
9,1) Dónde:
𝛥𝐻= Perdida de cargas generada por la rejilla (m).
𝑃𝑝= Velocidad de paso entre la rejilla (m/s), (0,3 - 0,6) m/s.
Numero de barrotes 𝑁 = (𝐵𝑟− 𝐿
𝑏 + 𝐿) Dónde:
𝑁= Numero de barrotes.
𝐵𝑟= Ancho del canal en la zona de la rejilla (m). 𝐿= Luz o espacio entre barrotes (m).
𝑏= Ancho de los barrotes (m).17
Trampa de grasas
Son tanques pequeños de flotación donde la grasa sale a la superficie, y es retenida mientras el agua aclarada sale por una descarga inferior. No lleva partes mecánicas y el diseño es parecido al de un tanque séptico. Recibe nombres específicos según al tipo de material flotante que vaya a removerse.
Domiciliar: Normalmente recibe residuos de cocinas y está situada en la propia instalación predial del alcantarillado.
Colectiva: Son unidades de gran tamaño y pueden atender conjuntos de residencias e industrias.
En Sedimentadores: Son unidades adaptadas en los sedimentadores (primarios en general), las cuales permiten recoger el material flotante en dispositivos
17 LOZANO-Rivas. op. Cit, p. 54-60
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convenientemente proyectados, para encaminarlo posteriormente a las unidades de tratamiento de lodos.18
En la siguiente tabla del Ing. WILLIAM ANTONIO LOZANO RIVAS, MCs, PhD, en su trabajo titulado Diseño de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales del año 2012, dependiendo del caudal (l/s), se puede determinar las dimensiones de la trampa de grasas y compararla con las medidas tomadas en campo, y poder determinar un diagnostico en este aspecto.
Tabla 3.Dimensiones recomendadas para las trampas de grasas, según el caudal de diseño
Fuente. Lozano-Rivas, material de clase para la asignatura de tratamiento de aguas residuales, 2012.
TRATAMIENTO ANAEROBIO (UASB O RAFA)
El reactor o proceso de flujo ascensional y manto de lodos anaerobio, conocido en inglés como UASB y en español como RAFA o PAMLA, es un proceso en el cual el agua residual se introduce en el fondo del reactor y fluye a través de un manto de lodos conformado por granos biológicos o partículas de microorganismos. El tratamiento se efectuado por contacto del agua residual con el lodo granulado o flatulento, en el cual se deben desarrollar bacterias con buenas características de sedimentación, bien mezclado por el gas en circulación.
El éxito del proceso UASB radica en la generación de lodos o bioconglomerado que permita su retención en el reactor. Las bacterias tienen la capacidad de generar gránulos en ambientes naturales o artificiales.
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El UASB es un reactor económico cuando se forma un lodo de buen asentamiento, lo cual es factible con aguas residuales ricas en carbohidratos.19 En el reactor tipo UASB se pueden definir 4 zonas principales:
La zona 1 lecho de lodos. La zona 2 la manta de lodos.
La zona 3 bajo nivel de turbulencia.
La zona 4 del diagrama sirve como sedimentados.20
Figura 4.Esquema general de un reactor UASB
Fuente. Reactores Anaerobios de flujo (RAFA o UASB) Antología 2011.
Volumen del reactor
El volumen efectivo de tratamiento es el volumen ocupado por el manto de lodo y de biomasa activa. Un volumen adicional existe entre el volumen efectivo y la unidad de recolección ce gas donde se produce una cierta separación adicional de sólidos y la biomasa se diluye.
𝑉𝑟 = 𝑇𝑅𝐻 ∗ 𝑄 Dónde:
𝑉𝑟= Volumen del reactor (m3).
𝑇𝐻𝑅= Tiempo de retención hidráulica (s). 𝐿= Caudal (m3/s)
19 ROMERO ROJAS, Jairo Alberto. Tratamiento de Aguas Residuales Teoría y Principios de Diseño. 1ed Bogotá: Escuela Colombiana de Ingeniería, 2000. p. 696-701.
20 CENTRO TECNOLÓGICO ARAGÓN, Reactores Anaerobios de flujo (RAFA o UASB) Antología 2011. {En línea}. {10 de Abril de 2016} disponible en: <http://chita.aragon.unam.mx/papime100310/documentos/RAFA.pdf>.
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Área del reactor
𝐴𝑟 =
𝑉𝑟 ℎ Dónde:
𝐴𝑟= Volumen del reactor (m2).
𝐷= Altura del reactor (m).
Longitud del reactor
𝐿𝑟 = √𝐴𝑟∗ 2
Dónde:
𝐿𝑟= Altura del reactor (m). 𝐴𝑟= Volumen del reactor (m2).
Ancho del reactor
𝐴 =( 𝑙 𝑎) 𝐿𝑟 Dónde:
𝐴= Ancho del reactor (m). 𝑙
𝑎
⁄ = Relación longitud ancho (el ancho corresponde a la medida en campo) 𝐿𝑟= Longitud reactor (m).
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Calculo de la demanda química de oxigeno (DQO)
Para el cálculo de la demanda química de oxigeno (DQO), se basó en los parámetros consignados en la Tabla 1.10 cargas promedio de las aguas residuales domesticas en el área rural del libro Tratamiento de Aguas Residuales Teoría y Principios de Diseño.
Tabla 4. Cargas Promedio de las Aguas Residuales Domesticas en el Área Rural
TABLA 1.10 CARGAS PROMEDIO DE LAS ARD EN EL
AREA RURAL
PARAMETRO (L/hab*dia)
DQO 75-80
DBO5 30-35
SS 25-30
Fuente. Tratamiento de Aguas Residuales Teoría y Principios de Diseño
𝐷𝑄𝑂 =(𝐶 ∗ ℎ𝑎𝑏) 𝑄𝑑 Dónde:
𝐷𝑄𝑂= Demanda Química de Oxigeno (g/m3). C= Parámetro de la tabla 1.10 (L/hab*dia) ℎ𝑎𝑏= Habitantes.
𝑄𝑑= Caudal de diseño
Calculo de la demanda bioquímica de oxigeno (DBO5)
Para este parámetro se utilizara la tabla 4 nombrada anteriormente:
𝐷𝐵𝑂5 = (𝐶 ∗ ℎ𝑎𝑏) 𝑄𝑑 Dónde:
𝐷𝐵𝑂5= Demanda Bioquímica de Oxigeno (g/m3). C= Parámetro de la tabla 1.10 (L/hab*dia)
ℎ𝑎𝑏= Habitantes. 𝑄𝑑= Caudal de diseño
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Calculo de los sólidos suspendidos (SS)
Para este parámetro se utilizara la tabla 4 mencionada anteriormente:
𝑆𝑆 =(𝐶 ∗ ℎ𝑎𝑏) 𝑄𝑑
Dónde:
𝑆𝑆= Solidos suspendidos (g/m3).
C= Parámetro de la tabla 1.10 (L/hab*dia) ℎ𝑎𝑏= Habitantes
𝑄𝑑= Caudal de diseño
Flujo másico
𝐹 = Vr∗ carga Dónde:
𝐹= Flujo másico (KgDOQ/d). 𝑉𝑟= Volumen del reactor (m3).
Carga hidráulica 𝐶ℎ = 𝑄 𝐴𝑟 Dónde: 𝐶ℎ= Carga hidráulica (m/h). 𝑄= Caudal (m3/s).
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Velocidad de flujo en la campana 𝑉𝑓 = 4 ∗ 𝐶ℎ Dónde:
𝑉𝑓= Velocidad de flujo (m/h). 𝐶ℎ= Carga hidráulica (m/h). 21
SEPARADOR GAS – LÍQUIDO – SOLIDO (GLS)
“Otra parte importante y critica en el diseño de un reactor UASB es la campana o el separador GLS el cual es fundamental para lograr un buen funcionamiento del reactor a fin de mantener un lodo sedimentable (en su mayoría granular), un efluente clarificado (libre de gases) y unos gases adecuadamente separados”.22
Área de abertura 𝐴𝑎𝑏𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑎 = Q Vf Dónde: 𝐴𝑎𝑏𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑎= Área de abertura (m2). 𝑄= Caudal (m3/s). 𝑉𝑓= Velocidad de flujo (m/h).
Área de sección transversal de la campana
𝐴𝑐𝑎𝑚𝑝𝑎𝑛𝑎 = 𝐴𝑟− 𝐴𝑎𝑏𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑎 = 𝜋𝑅𝑐2
Dónde:
𝐴𝑎𝑏𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑎= Área de abertura (m2). 𝐴𝑐𝑎𝑚𝑝𝑎𝑛𝑎= Área de campana (m2). 𝑅𝑐= Radio mayor de la campana (m).
𝐴𝑟= Área del reactor (m2).
21 CENTRO TECNOLÓGICO ARAGÓN, Reactores Anaerobios de flujo (RAFA o UASB) Antología 2011. {En línea}. {10 de Abril de 2016} disponible en: <http://chita.aragon.unam.mx/papime100310/documentos/RAFA.pdf>. 22 CAICEDO, Javier. Diseño, Construcción y Arranque de Reactor UASB. Piloto Para el Tratamiento de
Lixiviados. Manizales: Universidad Nacional. Área Sanitaria. Especialista en Ingeniería Ambiental, 2006. 22- 23p.
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Carga orgánica de DBO
CO =DQO5 ∗ Q Vr
Dónde:
𝐶𝑂= Carga orgánica de DBO (KgDBO/m3*dia) 𝐷𝑄𝑂5= Demanda bioquímica de oxigeno (Kg/m3) 𝑄= Caudal de diseño (m3/d)
VR= Volumen del reactor (m3)
Carga hidráulica superficial CHS = Q
Ar Dónde:
𝐶𝐻𝑆= Carga hidráulica superficial (m/d) 𝑄= Caudal de diseño (m3/d)
VR= Área del reactor (m3)
FILTRO ANAEROBIO DE FLUJO ASCENSIONAL
Es un crecimiento adherido propuesto por Young McCarthy en 1969, para el tratamiento de residuos solubles. De los tratamientos anaerobio es el más sencillo de mantener como una película microbial adherida y por que como el flujo es ascensional el riesgo de taponamiento es mínimo. El filtro anaerobio está constituido por un tanque o columna, relleno con un medio sólido para el soporte del crecimiento biológico anaerobio, el proceso no utiliza recirculación ni calentamiento y produce una cantidad mínima de lodos, las pérdidas de energía a través del lecho son mínimas, el filtro anaerobio usa como medio de soporte de crecimiento piedras, anillos de plásticos o bioanillos de plásticos colocados al azar. Para aguas residuales de baja concentración es preferible diseñarlos con base en el tiempo de retención hidráulica, en general la recirculación puede ser necesaria cuando la DQO del residuo es mayor de mg/l.23
23 ROMERO ROJAS, Jairo Alberto. Tratamiento de Aguas Residuales Teoría y Principios de Diseño. 1ed Bogotá: Escuela Colombiana de Ingeniería, 2000. p. 706-707.
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Para el cálculo del filtro anaerobio se tomara como punto de partida el cálculo del tiempo de retención hidráulica, para lo cual se determinara de la tabla E.4.29 (tiempos de retención hidráulica) RAS-2000 título E de la siguiente manera:
Tabla 5. Tiempos de retención hidráulica para filtros Anaerobios
Fuente. RAS-2000 título E Cálculo del tiempo de diseño
Td =td1+ td2 2 Dónde:
𝑇𝑑= Tiempo de diseño (h)
td1 𝑦 𝑡𝑑2= Se obtienen de la tabla 5 (h)
Para el cálculo del volumen del filtro se usara la siguiente ecuación: Vf = Q ∗ Td
Dónde:
𝑉𝑓= Volumen del filtro (m3) 𝑇𝑑= Caudal de diseño (m3/s) Td= Tiempo de diseño (h)
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Ya calculado el volumen del filtro se procede a al dimensionamiento del mismo área superficial, longitud y base, la altura se tomara de la obtenida de la topografía. Área superficial As =Vf h Dónde: A𝑠= Área superficial (m2) 𝑉𝑓= Volumen del filtro (m3)
h= Altura del filtro (tomada de la topografía (m)
Longitud del filtro
Lf= √As∗ 2
Dónde:
L𝑓= Longitud del filtro (m)
A𝑠= Área superficial (m2)
Base del filtro
Bf=
Lf 2 Dónde:
B𝑓= Base del filtro (m) L𝑓= Longitud del filtro (m)
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SECADO DE LODOS DE ARENA
Los lechos de secado de arena constituyen uno de los métodos más antiguos para reducir el contenido de humedad de los lados en forma natural. Posiblemente es el método más usado en plantas pequeñas, de menos de 100 L/s, para secado de lodos, durante los últimos cien años.
El lecho típico de arena para secado de lodos es un lecho rectangular poco profundo con fondos poroso colocados sobre un sistema de drenaje. El lodo se aplica sobre el lecho en capas de 0,2-0,3 m y se deja secar. El desaguado se efectúa mediante drenaje de las capas inferiores y evaporación de la superficie por acción del sol y el viento, una vez formada una capa de lodo sobrenadante, el agua es removida por decantación y por evaporación.24
Algunas de las ventajas y desventajas de los lechos de secado de arena, se relaciona a continuación:
Tabla 6.Tiempos de retención hidráulica para filtros Anaerobios
Ventajas Desventajas
Cajos costo si hay terreno
disponible Diseño empírico que no permite
análisis económico certero No requiere operación especial
Consumo de energía bajo Requiere áreas grandes
Poco sensible a cambios en la características de los lodos
Requiere lodo estable
Sensible a cambios de clima Consumo de químicos bajos Visible ala público
Contenido alto de sólidos en la pasta
Requiere gran cantidad d mano de obra para la remoción de la pasta
Fuente. Jairo Alberto Romero Rojas (Teoría y Principios de Diseño)
Para el cálculo del lecho de secado de lodos, se utilizara la Tabla 26.25 del libro Tratamiento de Aguas Residuales Teoría y Principios de Diseño de Jairo Alberto Romero Rojas
24 ROMERO ROJAS, Jairo Alberto. Tratamiento de Aguas Residuales Teoría y Principios de Diseño. 1ed Bogotá: Escuela Colombiana de Ingeniería, 2000. p. 831.
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Área del lecho de secado Al = 𝐿𝑝∗ 𝐻𝑏
Dónde:
A𝑙= Área del lecho de secado (m2)
𝐿𝑝= Lodo primario (m2/Hb) “Tabla 17”
h= Altura del filtro (tomada de la topografía (m)
El lecho de secado se dividirá en cuatro secciones así: Sn =𝐴𝑙
4 Dónde:
𝐶𝑛= Sección (m2)
A𝑙= Área del lecho de secado (m2)
Lados de la sección L = √𝑆𝑛 L = 𝐵 Dónde: 𝐿= Lados sección (ml) 𝐶𝑛= Sección (m2)
Espesores del lecho filtrante
De la Tabla 6 se pueden obtener los espesores del lecho filtrante, y se relacionan a continuación:
Espesor arena: 0,25 m Espesor grava: 0,25 m
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