Estudio de factibilidad para el cambio de tasa constante a tasa declinante en el sistema de filtración de la planta de tratamiento Puengasí

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(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL. ESTUDIO DE FACTIBILIDAD PARA EL CAMBIO DE TASA CONSTANTE A TASA DECLINANTE EN EL SISTEMA DE FILTRACIÓN DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO PUENGASÍ. PROYECTO PREVIA A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO EN INGENIERÍA AMBIENTAL. MIRIAM ROCIO HUARACA HUARACA freetime_miry@hotmail.com. DIRECTOR: ING. MARCELO MUÑOZ R. M. SC. marcelo.munoz@epn.edu.ec. Quito, Abril 2015.

(2) II. DECLARACIÓN. Yo, Miriam Rocío Huaraca Huaraca, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluye en este documento.. La. Escuela. Politécnica. Nacional,. puede. hacer. uso. de. los. derechos. correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.. ------------------------------------------Miriam Rocío Huaraca Huaraca.

(3) III. CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Miriam Rocío Huaraca Huaraca, bajo nuestra supervisión.. ----------------------------------------------. ---------------------------------------------. ING. MARÍA BELÉN ALDÁS. M.Sc ING. MARCELO MUÑOZ R.. CODIRECTORA DE PROYECTO. DIRECTOR DE PROYECTO.

(4) IV. AGRADECIMIENTOS. A mis padres, quienes han sido mi fortaleza en los momentos más críticos de mi vida, les agradezco no solo por su apoyo económico sino también por su ejemplo de vida. A mis hermanos quienes indirectamente han colaborado en esta larga travesía de la vida estudiantil.. Al Ing. Marcelo Muñoz, Director del Proyecto, quien ha depositado su confianza en mis capacidades para el desarrollo del presente proyecto y con sus invaluables conocimientos ha facilitado la elaboración de este documento. A los miembros de la Planta Tratamiento Puengasí de la EPMAPS, quienes me brindaron las oportunas facilidades para la realización del proyecto..

(5) V. DEDICATORIA. A mis padres, quienes con su sacrificio permitieron continuar con mis estudios a pesar de las dificultades, especialmente a mi madre, quién con su amor y entrega motivó a superarme profesionalmente. Además a mi nueva razón de vida, Andrés, quién con su presencia me motiva a seguir el camino de la excelencia..

(6) VI. CONTENIDO DECLARACIÓN ..................................................................................................... II CERTIFICACIÓN .................................................................................................. III AGRADECIMIENTOS ........................................................................................... IV DEDICATORIA ....................................................................................................... V CONTENIDO ......................................................................................................... VI RESUMEN ........................................................................................................... XII ABSTRACT ......................................................................................................... XIV PRESENTACIÓN ................................................................................................ XVI CAPÍTULO 1 .......................................................................................................... 1 ANTECEDENTES .................................................................................................. 1 1.1 JUSTIFICACIÓN ............................................................................................ 1 1.2 OBJETIVOS ................................................................................................... 3 1.2.1 OBJETIVO GENERAL ........................................................................... 3 1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................. 3 1.3 ALCANCE ...................................................................................................... 4 CAPÍTULO 2 .......................................................................................................... 6 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA .................................................................................. 6 2.1 POTABILIZACIÓN DEL AGUA ...................................................................... 6 2.2 FILTRACIÓN RÁPIDA POR GRAVEDAD ..................................................... 8 2.2.1 MECANISMOS DE FILTRACIÓN........................................................... 9 2.2.2 TIPOS DE FILTROS .............................................................................. 9 2.2.3 FUNCIONAMIENTO DE FILTROS RÁPIDOS POR GRAVEDAD. ....... 10 2.2.4 LAVADO DEL FILTRO ......................................................................... 12 2.2.5 LECHO FILTRANTE ............................................................................ 13 2.3 SISTEMAS DE CONTROL DE TASA DE FILTRACIÓN .............................. 14 2.3.1 TASA CONSTANTE ............................................................................. 14 2.3.2 TASA DECLINANTE ............................................................................ 16 2.4 FLUJO EN ORIFICIOS ................................................................................ 17 2.4.1 ORIFICIOS ........................................................................................... 17.

(7) VII. 2.4.2 VERTEDERO ....................................................................................... 21 CAPÍTULO 3 ........................................................................................................ 24 INVESTIGACIÓN DE CAMPO ............................................................................. 24 3.1 EVALUACIÓN DEL SISTEMA ACTUAL ...................................................... 24 3.1.1 ANTECEDENTES ................................................................................ 24 3.1.2 PROCESO DE POTABILIZACIÓN DEL AGUA .................................... 25 3.1.3 CONDICIONES ACTUALES DEL SISTEMA DE FILTRACIÓN. .......... 28 3.1.4 RECOPILACIÓN Y EVALUACIÓN DE INFORMACIÓN EXISTENTE.. 30 3.2 DIMENSIONES DEL FILTRO PILOTO ........................................................ 34 3.2.1 PARÁMETROS DE DISEÑO ............................................................... 34 3.2.2 ALTERNATIVAS DE CAMBIO PARA SISTEMA DE CONTROL DE TASA EN FILTRACIÓN................................................................................. 40 3.3 FUNCIONAMIENTO DEL MODELO PILOTO .............................................. 45 3.3.1 ALTERNATIVA 1 – ORIFICIO NORMALIZADO ................................... 45 3.3.2 ALTERNATIVA 2 – VERTEDERO........................................................ 50 3.3.3 ENSAYOS ADICIONALES ................................................................... 52 CAPÍTULO 4 ........................................................................................................ 54 ANÁLISIS DE RESULTADOS .............................................................................. 54 4.1 ORIFICIO NORMALIZADO .......................................................................... 54 4.2 VERTEDERO .............................................................................................. 56 4.3 ENSAYOS ADICIONALES .......................................................................... 58 4.4 CURVA DE DESCARGA PARA ORIFICIO NORMALIZADO CON 230 mm DE DIÁMETRO .................................................................................................. 60 CAPÍTULO 5 ........................................................................................................ 62 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ....................................................... 62 5.1 CONCLUSIONES ........................................................................................ 62 5.2 RECOMENDACIONES ................................................................................ 65 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................... 66 ANEXOS .............................................................................................................. 68 CARRERA 1 - ORIFICIO CON DIÁMETRO DE 265 mm ..................................... 70 CARRERA 2 - ORIFICIO CON DIÁMETRO DE 250 mm ..................................... 71.

(8) VIII. CARRERA 3 - ORIFICIO DE DIÁMETRO 250 mm CON ESTRANGULACIÓN DE VÁLVULA DE SALIDA. ........................................................................................ 72 CARRERA 4 - INSTALACIÓN PLACA DE 205 mm ............................................. 73 CARRERA 5 - PLACA DE 205 mm ...................................................................... 73 CARRERA 6 - CAMBIO DE PLACA DE 205 mm A 220 mm. ............................. 74 CARRERA 7 - PLACA DE 220 mm ...................................................................... 75 CARRERA 8 - PLACA 220 mm ............................................................................ 77 CARRERA 9 - PLACA 230 mm. ........................................................................... 78 CARRERA 10 - PLACA 230 mm. ......................................................................... 79 CARRERA 11 - CAMBIO DE PLACA DE 230 mm A 240 mm .............................. 79 CARRERA 12 - CAMBIO DE PLACA DE 240 mm A 235 mm. ............................. 80 CARRERA 13 - CAMBIO DE PLACA DE 235 mm A 230 mm .............................. 81 CARRERA 14 - PLACA DE 230 mm .................................................................... 82 CARRERA 15 - PLACA DE 230 mm .................................................................... 84 CARRERA 16 - VERTEDERO (SIN ESTRANGULACIÓN) .................................. 85 CARRERA 17 - VERTEDERO (VÁLVULA ESTRANGULADA) ............................ 86 CARRERA. 18. -. VERTEDERO. OBSTRUCCIÓN. 0,10. m. (VÁLVULA. ESTRANGULADA). .............................................................................................. 87 CARRERA 19 - OBSTRUCCIÓN DE 0,10 m. CESE DE ESTRANGULACIÓN. VÁLVULA DE FILTRADO..................................................................................... 88 CARRERA. 20. -. INSTALACIÓN. OBSTRUCCIÓN. 0,20. m. (SIN. ESTRANGULACIÓN DE VÁLVULA) .................................................................... 89 CARRERA 21 - OBSTRUCCIÓN 0,20 m (SIN ESTRANGULACIÓN DE VÁLVULA) ............................................................................................................................. 90 CARRERA 22 - OBSTRUCCIÓN 0,20 m (SIN ESTRANGULACIÓN DE VÁLVULA) ............................................................................................................................. 91 CARRERA 23 - OBSTRUCCIÓN 0,20 m (SIN ESTRANGULACIÓN DE VÁLVULA) ............................................................................................................................. 92 CARRERA 24 - OBSTRUCCIÓN 0,20 m (SIN ESTRANGULACIÓN DE VÁLVULA) ............................................................................................................................. 93 CARRERA 25 - OBSTRUCCIÓN 0,20 m (SIN ESTRANGULACIÓN DE VÁLVULA) ............................................................................................................................. 94.

(9) IX. CARRERA 26 - OBSTRUCCIÓN 0,20 m (SIN ESTRANGULACIÓN DE VÁLVULA) ............................................................................................................................. 95 CARRERA 27 - OBSTRUCCIÓN 0,20 m (SIN ESTRANGULACIÓN DE VÁLVULA) ............................................................................................................................. 96 CARRERA 28 - OBSTRUCCIÓN 0,20 m (SIN ESTRANGULACIÓN DE VÁLVULA) ............................................................................................................................. 97 CARRERA 29 - OBSTRUCCIÓN 0,20 m (SUSPENSIÓN, REPARACIONES EN LÍNEA DE PRESIÓN) ........................................................................................... 98 CARRERA 30 - OBSTRUCCIÓN 0,20 m (SIN ESTRANGULACIÓN DE VÁLVULA) ............................................................................................................................. 99 CARRERA 31 - OBSTRUCCIÓN 0,20 m (SIN ESTRANGULACIÓN DE VÁLVULA) ........................................................................................................................... 100 CARRERA 32 - OBSTRUCCIÓN 0,20 m (SIN ESTRANGULACIÓN DE VÁLVULA) ........................................................................................................................... 101 CARRERA 33 - OBSTRUCCIÓN 0,20 m (SIN ESTRANGULACIÓN DE VÁLVULA) ........................................................................................................................... 102 CARRERA 35 - PLACA DE 235 mm .................................................................. 103 CARRERA 36 - PLACA DE 235 mm .................................................................. 104 CARRERA 43 - PLACA DE 230 mm .................................................................. 105 CARRERA 44 - PLACA DE 230 mm .................................................................. 106 CARRERA 45 - PLACA DE 230 mm .................................................................. 106.

(10) X. LISTA DE FIGURAS FIGURA 2.1 SENTIDO DE FLUJO EN FILTRO POR GRAVEDAD ..................... 11 FIGURA 2.2 SENTIDO DE FLUJO DURANTE LAVADO DE FILTRO ................. 13 FIGURA 2.3 FLUJO A TRAVÉS DE ORIFICIO .................................................... 18 FIGURA 2.4 FLUJO A TRAVÉS DE VERTEDERO .............................................. 21 FIGURA 3.1 FLUJOGRAMA DE PRODUCCIÓN DE AGUA POTABLE EN PLANTA DE TRATAMIENTO PUENGASÍ. .......................................................... 26 FIGURA. 3.2. COMPARACIÓN. ENTRE. TASA. CONSTANTE. Y. TASA. DECLINANTE....................................................................................................... 36 FIGURA 3.3 UBICACIÓN DE PIEZÓMETROS .................................................... 38 FIGURA 3.4 DIMENSIONES DE ORIFICIO NORMALIZADO .............................. 42 FIGURA 3.5 DIMENSIONES DE VERTEDERO................................................... 44 FIGURA 4.1 RESULTADOS DE CAUDALES MÁXIMOS Y MÍNIMOS PARA ORIFICIO NORMALIZADO .................................................................................. 55 FIGURA 4.2. RESULTADOS DE CAUDALES MÁXIMOS Y MÍNIMOS PARA. VERTEDERO ....................................................................................................... 57 FIGURA 4.3 RESULTADOS DE CAUDALES MÁXIMOS Y MÍNIMOS PARA ENSAYOS ADICIONALES con PLACAS DE 235 mm y 230 mm......................... 59 FIGURA 4.4 CURVA DE DESCARGA PARA ORIFICIO NORMALIZADO CON 230 mm DE DIÁMETRO ............................................................................................. 61.

(11) XI. LISTA DE FOTOGRAFÍAS FOTOGRAFÍA 3.1 VÁLVULA REGULADORA DEL SISTEMA DE CONTROL DE TASA CONSTANTE ............................................................................................. 32 FOTOGRAFÍA 3.2 UBICACIÓN DE PIEZÓMETROS. ......................................... 39 FOTOGRAFÍA. 3.3. INSTALACIÓN. DE. ACCESORIO. “A”. DE. ORIFICIO. NORMALIZADO ................................................................................................... 46 FOTOGRAFÍA. 3.4. INSTALACIÓN. DE. ACCESORIO. “B”. DE. ORIFICIO. NORMALIZADO ................................................................................................... 47 FOTOGRAFÍA 3.5 PREPARACIÓN DE ACCESORIOS “A” Y “B” PARA EMPALME ............................................................................................................ 47 FOTOGRAFÍA 3.6 EMPALME DE ACCESORIOS “A” Y “B” DE ORIFICIO NORMALIZADO ................................................................................................... 48 FOTOGRAFÍA 3.7 ORIFICIO NORMALIZADO .................................................... 48 FOTOGRAFÍA 3.8 MODELO DE PLACAS CON DIÁMETROS INFERIORES A 265 mm ................................................................................................................ 49 FOTOGRAFÍA 3.9 INSTALACIÓN PLACA 250 mm ............................................. 50 FOTOGRAFÍA 3.10 INSTALACIÓN DE ACCESORIOS “A” Y. “B” DE. VERTEDERO ....................................................................................................... 51 FOTOGRAFÍA 3.11 INSTALACIÓN DE ACCESORIO “C” DE VERTEDERO ...... 51 FOTOGRAFÍA 3.12 EMPALME DE ACCESORIOS “A”, “B” Y “C” DE VERTEDERO ....................................................................................................... 52. LISTA DE TABLAS TABLA 2.1 TIPOS DE FILTROS .......................................................................... 10 TABLA 3.1 DESCRIPCIÓN DEL LECHO FILTRANTE ........................................ 29 TABLA 3.2 RECOPILACIÓN-INFORMACIÓN MENSUAL DE OPERACIÓN DE FILTROS EN UNIDAD DE PUENGASÍ ................................................................ 31 TABLA 4.1 RESULTADOS PARA ENSAYOS DEL ORIFICIO NORMALIZADO .. 54 TABLA 4.2 RESULTADOS PARA ENSAYOS DE VERTEDERO......................... 57 TABLA 4.3 RESULTADOS PARA ENSAYOS ADICIONALES ............................. 59.

(12) XII. RESUMEN La planta de potabilización Puengasí presenta problemas en el sistema de filtración, ya que ha estado en funcionamiento con el mismo planteamiento tecnológico desde su inauguración, es decir, hace 37 años. El sistema de filtración opera con nivel y tasa constante, actualmente presenta problemas como presiones negativas que a su vez liberan burbujas de aire que obstruyen el filtro afectando su proceso de remoción, haciendo necesario reimplantar nuevos sistemas que mejoren las condiciones de operación. En este contexto, se realiza el estudio de factibilidad para el cambio de tasa constante a tasa declinante. Se realizó la investigación del comportamiento hidrodinámico de un filtro piloto en la misma planta para garantizar que las condiciones de los ensayos realizados sean. reales, y por tanto conseguir. resultados favorables. Para el cambio al nuevo sistema de tasa declinante se propone la modificación del control hidráulico mediante un orificio y una estructura hidráulica en forma de “H” donde la parte horizontal cumple las funciones de un vertedero. Estos dispositivos son fabricados en fibra de vidrio debido a la alta resistencia mecánica del material, lo cual evitará fracturas durante las pruebas que puedan derivar en alteración de resultados, además este material es liviano y brinda facilidades en su manipulación. Con el fin de establecer las dimensiones del accesorio que reemplace a la actual válvula reguladora, se analiza las características hidráulicas que más influyen en la eficiencia de filtración como: caudal, pérdida de carga, turbiedad efluente y carrera de filtración.. La estructura en forma de “H” no cumple con las actuales condiciones de operación de la planta ya que presenta altas tasas de filtración en cortas carreras,.

(13) XIII. motivo por el cual tuvo un requerimiento adicional de agua, derivando problemas de abastecimiento para las demás cámaras de filtración. El orificio normalizado de 230 mm es el dispositivo que tiene un comportamiento hidráulico muy similar a la válvula reguladora, siendo éste la mejor alternativa para el cambio a un sistema de tasa declinante. Este dispositivo no requiere modificaciones en las obras civiles de los filtros, por lo que su implementación será sencilla. El orificio de 230 mm cumple con los parámetros de diseño, es decir, su carrera fue de 54 horas, en este número de horas se obtuvo un caudal máximo de 202 l/s, un caudal mínimo de 117 l/s y un caudal medio de 160 l/s, que a su vez genera un gradiente de caudal de 1,6 l/s x h indicativo que la disminución del caudal a través de la carrera de filtración es paulatino. Además se registró una carga hidráulica de 2,3 m y se mantuvo turbiedades del efluente menores a 0,6 NTU. La modificación en el sistema de filtración de la planta de potabilización, permitirá a futuro mejorar las condiciones de operación y optimizará el proceso al producir un mayor volumen de agua potable bajo las normas NTE INEN 1108:2014..

(14) XIV. ABSTRACT The water treatment plant Puengasí presents problems in the filtration system as it has been running with the same technological approach since its opening, 37 years ago. The filtration system operates with constant rate and level, currently presents problems like negative pressures that release air bubbles that clog the filter affecting its removal process, making it necessary to introduce new systems to improve operating conditions. In this context, the feasibility study for the exchange of rate constant to rate declining is performed. The investigation of hydrodynamic behavior of a pilot filter in the same plant to ensure that the conditions of the tests are real and thus achieved favorable results was made. For the change the new system of declining rate hydraulic control modification is proposed through an orifice and a hydraulic structure in form of "H" where the horizontal portion acts as a dump. These devices are manufactured in fiberglass due to the high strength of the material, which will prevent fractures during tests that may result in alteration of results, besides this material is lightweight and provides facilities for handling. Flow, pressure drop, effluent turbidity and filtration career are the hydraulic characteristics that influence the efficiency of filtration; these characteristics are analyzed in order to establish the dimensions of the device to replace the valve. The structure in the form of "H" does not fulfill the current operating conditions of the plant because it has high filtration rates in small career, accordingly had an additional water requirement, deriving supply problems for other cameras filtration. The standard 230 mm orifice is the device that has a hydraulic behavior very similar to the valve, this being the best alternative for the change to a declining.

(15) XV. rate system. This device requires no modifications to the civil works of the filters, so that its implementation is simple. The orifice of 230 mm fulfill the design parameters, that is to say, its career was 54 hours, this number of hours a maximum flow of 202 l/s, a minimum flow of 117 l/s and an average flow of 160 l/s, which in turn generates a gradient flow rate of 1,6 l /s x h indicative that the reduced flow through the filter run is gradual. Also a hydraulic load of 2,3 m and was remained lower effluent turbidity of 0,6 NTU was recorded.. The change in the system of filtration water treatment plant will enable future operating conditions improve and optimize the process to produce a greater volume of drinking water under the rules NTE INEN 1108:2014..

(16) XVI. PRESENTACIÓN El presente documento se ha realizado para determinar la factibilidad de cambio de tasa constante a tasa declinante en el sistema de filtración de la Planta de Tratamiento Puengasí de la EPMAPS, así se tiene: Capítulo 1 - Antecedentes, hace referencia a la justificación del presente trabajo en base al cual se determina los objetivos que persigue la investigación y a su vez se define su alcance.. Capítulo 2 - Revisión bibliográfica, describe el fundamento teórico necesario para conocer los aspectos hidráulicos más relevantes del funcionamiento de un filtro, y a su vez, permite entender las ecuaciones de cálculo del caudal tanto de orificios como de vertederos que permitirán determinar las dimensiones de los prototipos para la fase experimental. Capítulo 3 - Investigación de campo, detalla datos teóricos de la planta que servirán de referencia para determinar los parámetros de diseño, además se define las dimensiones de los prototipos y se indica los ensayos realizados. Capítulo 4 - Análisis de resultados, éste. presenta y evalúa los resultados. obtenidos de la fase experimental del funcionamiento del orificio normalizado y del vertedero. Finalmente el capítulo 5 - Conclusiones y recomendaciones; muestra las conclusiones. de. la. investigación. y. sugiere. acciones. que. faciliten. la. implementación del sistema de tasa declinante.. De esta manera, se pone a consideración la investigación que puede ser un referente para trabajos que requieran similares metodologías..

(17) CAPÍTULO 1 ANTECEDENTES. 1.1 JUSTIFICACIÓN La Planta de Puengasí no dispone de un sistema de automatización que permita tener un control permanente y detallado de las operaciones unitarias involucradas en el proceso de potabilización. Actualmente. se evidencia problemas en el. proceso de filtración, mismo que no ha sido modificado desde su inauguración en 1977. (EPMAPS-Unidad de Puengasí, 2014) Los inconvenientes del sistema de filtración pueden radicar en problemas operacionales del lecho filtrante ó del sistema de control de tasa. Ojeda (2013) realiza el estudio referente a la “Evaluación del sistema de filtración de la planta de tratamiento Puengasí e investigación en la columna de filtración piloto” donde analiza las características granulométricas y espesores del lecho filtrante y, sus parámetros operativos como velocidad de filtración, velocidad de lavado, expansión del lecho filtrante, tiempo de lavado y fluctuaciones de pérdida de carga, en base a éste antecedente se considera que el lecho filtrante se encuentra en óptimas condiciones operativas. Motivo por el cual la presente investigación se enfoca en el análisis del sistema de control de tasa de filtración.. De acuerdo con Villalba (2004) el proceso de filtración tiene un sistema de control de tasa constante que opera con una válvula reguladora que gobierna el sistema hidráulico; esta válvula tiene dispositivos complejos que requieren de un mantenimiento continuo y calibraciones adecuadas para mantener las condiciones esperadas de caudal..

(18) 2. Con el paso del tiempo la válvula reguladora tiene instrumentos antiguos con calibraciones inadecuadas mostrando falencias en su operación ya que genera presiones negativas que a su vez liberan burbujas de aire que obstruyen el filtro afectando su proceso de remoción, lo cual incrementa la pérdida de carga y disminuye el tiempo de operación así como la calidad del efluente. (Villalba, 2004) Para superar estas problemáticas, es necesario desarrollar la implementación de tasa declinante como alternativa de mejoramiento operativo del sistema de control de filtración. Estos prototipos no requieren de válvulas reguladoras o dispositivos mecánicos que con el paso del tiempo estén sujetos a desgastes o roturas que deriven falencias en su operación y/ó altos costos de mantenimiento. El cambio del sistema de control hidráulico facilitará mantener un funcionamiento eficaz de los filtros, maximizando las acciones correctivas ejecutadas por la organización con el fin de tener el control permanente de los procesos de potabilización. Al no modificar el sistema de control de tasa en el proceso de filtración; la planta seguirá operando con un sistema sujeto a daños permanentes y filtros fuera de servicio. Para el fortalecimiento operativo del proceso de filtración la presente investigación planteará el estudio de dos estructuras hidráulicas con sistema de tasa declinante que suplan la función de la actual válvula reguladora de control. Estos prototipos permitirán tener un control permanente y detallado del proceso de filtración, así como la disminución de costos de mantenimiento derivados de la válvula reguladora y facilitará el cambio de tecnología empleada en el proceso de filtración..

(19) 3. 1.2 OBJETIVOS. 1.2.1 OBJETIVO GENERAL. Realizar un estudio de factibilidad para el cambio de tasa constante a tasa declinante en el sistema de filtración de la planta de tratamiento Puengasí.. 1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS. Con la presente investigación se pretende cumplir los siguientes objetivos:. ·. Determinar la factibilidad para el cambio de tasa constante a tasa declinante de los filtros.. ·. Determinar los parámetros de diseño del filtro de tasa declinante, que garanticen el correcto funcionamiento del sistema de filtración bajo las condiciones reales de producción de agua potable de la planta.. ·. Dimensionar el accesorio análogo a la válvula reguladora de control para el cambio de tasa constante a tasa declinante de los filtros.. ·. Analizar datos de caudales, pérdida de carga y carrera de filtración, así como turbiedad y color tanto de afluente y efluente en el filtro piloto con sistema de control de tasa declinante.. ·. Verificar que la calidad del efluente cumpla con los límites establecidos en la Norma Técnica Ecuatoriana de agua potable NTE INEN 1108: 2014..

(20) 4. 1.3 ALCANCE La Empresa Pública Municipal de Agua Potable y Saneamiento de Quito (EPMAPS), cuenta con la planta de tratamiento Puengasí, que inicia sus operaciones en 1977 y ha venido operando de manera ininterrumpida con el planteamiento tecnológico de la época en que fue construida; específicamente cuenta con un sistema de control hidráulico de tasa constante para el sistema de filtración, mismo que es comandado por una válvula reguladora, que debido al paso del tiempo está sujeta a desgastes y roturas por lo que requiere un mantenimiento continuo para obtener un desempeño eficaz de los filtros, de hecho se tiene cámaras de filtración fuera de servicio por daños en las mencionadas válvulas. (EPMAPS-Unidad de Puengasí, 2014) Con esta investigación se pretende optimizar las condiciones de operación del sistema de control de la filtración en la planta de tratamiento Puengasí mediante el estudio de factibilidad para el cambio de tasa constante a tasa declinante de los filtros. Esta optimización se derivará en la reducción de costos de mantenimiento del sistema de filtración y a su vez permitirá que la planta cuente con filtros capaces de cubrir la demanda de producción de agua potable de la ciudadanía. Jorge Arboleda aduce que, Cleasby en 1969, demostró la factibilidad de convertir filtros convencionales, en filtros con tasa declinante, y sugirió modificar el control hidráulico de los diseños tradicionales, esto puede hacerse de tres formas: con vertedero efluente, con orificio o con sistema de bombeo. (CEPIS, 1973) Para el desarrollo de esta investigación, se propone la evaluación del funcionamiento hidrodinámico de un filtro piloto con tasa declinante, bajo parámetros involucrados en el proceso de filtración rápida tales como: caudal, pérdida de carga, turbiedad efluente y carrera de filtración considerando que el prototipo se encontrará bajo condiciones reales de operación de la planta. Se evaluará el funcionamiento de dos prototipos que den soporte al estudio de factibilidad de implementación de la tasa declinante en los filtros de la planta..

(21) 5. El primer prototipo estará basado en un “orificio normalizado” de un determinado diámetro que garantice la mínima variación de caudal. El segundo prototipo se basará en una estructura hidráulica en forma de “H” donde la parte horizontal cumple las funciones de vertedero. Para la evaluación de los prototipos se utilizará los siguientes métodos:. ·. Observar, procesar y verificar el comportamiento hidrodinámico del filtro con tasa declinante mediante un ensayo análogo a la prueba de trazadores, mediante datos de turbidez de afluente y efluente.. ·. Obtener y procesar los datos referidos a los parámetros de diseño en base al comportamiento de un flujo estacionario uniforme.. ·. Caracterización de parámetros físicos del agua, mediante los métodos establecidos en Standard Methods for Examination of Water and Wastewater (American Public Health Association, 2005) o Valoración de la turbidez mediante el método. nefelométrico con. ayuda del turbidímetro. o Valoración del color mediante una comparación visual con los patrones de Platino-Cobalto..

(22) 6. CAPÍTULO 2 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 2.1 POTABILIZACIÓN DEL AGUA El agua potable, compuesto vital para la salud y bienestar del ser humano es un producto fabricado a partir de agua cruda o natural captada de ríos, pozos, drenes y/o lagunas. Esta agua destinada al consumo debe ser libre de microorganismos patógenos y sustancias nocivas o tóxicas que atente la salud humana. (Rojas, 1999). “La producción de agua potable es un conjunto de procesos químicos e hidráulicos que se lleva a cabo para retirar los sólidos contenidos en el agua, filtrarla y desinfectarla.” (EPMAPS, 2014) De acuerdo con Acosta (2008) la potabilización comprende procesos como captación, sedimentación, coagulación y floculación, alcalinización, filtración, desinfección, control de calidad y distribución. CAPTACIÓN: Se realiza de acuerdo a las fuentes de agua disponibles en cada localidad (meteórica, superficial y subterránea), teniendo en cuenta la seguridad del abastecimiento y sus posibilidades de ampliación posterior. Siempre es preferible elegir agua que requiera el mínimo tratamiento. SEDIMENTACIÓN: Consiste en la remoción de las partículas en suspensión en el agua, lo cual se realiza por acción de la gravedad. Se consigue almacenando el agua en recipientes, tanques, etc. durante un tiempo determinado para que las partículas más grandes se asienten. En general se aplica para la corrección de aguas superficiales, que son las de mayor contenido bacteriano y turbiedad..

(23) 7. Los efectos de la sedimentación son los siguientes: ·. Reducción de turbiedad, lo cual dependerá de la naturaleza de las partículas, de su tamaño, del tiempo de retención y de la temperatura.. ·. Reducción de contenido bacteriano: Siendo el agua un medio de cultivo inadecuado, y cuando las condiciones son adversas en cuanto a la acidez y a la temperatura, la reducción bacteriana puede llegar a ser de un 80% y se realiza en este caso por arrastre de bacterias con la sedimentación.. ·. Reducción de color: Para que sea eficaz dependerá del tiempo de partículas que contenga el agua.. ·. Producción de algas, por la presencia de sustancias a base de nitrógeno, fósforo y nutrientes en general. Se lo puede controlar adicionando sulfato de cobre.. COAGULACIÓN Y FLOCULACIÓN: Las partículas no eliminadas en la sedimentación y que podrían obturar los filtros, deberán ser removidas en esta etapa. La coagulación consiste en aglutinarlas, aumentándolas de tamaño por la adición de sustancias coloidales de signo contrario a los del agua, y que por atracción eléctrica dan lugar a la formación de partículas más grandes llamadas “flóculos”. Para facilitar la formación de un coágulo grande, se realiza su acondicionamiento a través de una agitación lenta y decreciente por medios mecánicos. De esta manera, también se facilita su decantación. ALCALINIZACIÓN: Tiene como objetivo corregir la acidez del agua tratada, protegiendo las instalaciones contra la corrosión, y lograr un pH óptimo para la coagulación. Se utilizan como agentes alcalinizante la cal, el carbonato de sodio y el hidróxido de sodio. FILTRACIÓN: Este proceso elimina turbiedad, microorganismos y quistes de ameba que son resistentes a la cloración..

(24) 8. Consiste en el paso del agua por mantos de arena con una granulometría adecuada.. Este. proceso. es. complejo,. ya. que. hay. efectos. de. sedimentación, adsorción, floculación y acción biológica. Existen filtros rápidos y lentos. Los rápidos son de uso convencional en plantas de cierta magnitud. Se debe realizar una coagulación previa. La remoción bacteriana es menor que en los filtros lentos. DESINFECCIÓN: Consiste en la reducción del contenido bacteriano, por destrucción de organismos patógenos. A diferencia de la esterilización, que elimina todo tipo de vida, se destruyen solo gérmenes patógenos.. CONTROL DE CALIDAD: Se realiza previo a la distribución del agua por la red. Toda planta potabilizadora debe tener un laboratorio donde se puedan realizar los controles del agua en cada etapa del proceso de potabilización y antes de su distribución, a fin de asegurar el cumplimiento de los parámetros de potabilización. Con el objetivo de lograr la calidad, se deberá trabajar en base a normas cuyo cumplimiento debe ser asegurado, aplicando un sistema de monitoreo y vigilancia permanente por todo el personal de la empresa. DISTRIBUCIÓN: Se realiza a partir de las redes de distribución que tenga cada ciudad o localidad. Para asegurar que el agua llegue en óptimas condiciones al usuario, debe controlarse el estado de estas redes que muchas veces se convierten en focos de contaminación en la distribución. Es aconsejable realizar una cloración de las tuberías principales y de los depósitos después de limpiarlos o repararlos. Se debe evitar los retrocesos del agua en la red para prevenir la contaminación del sistema.. 2.2 FILTRACIÓN RÁPIDA POR GRAVEDAD La filtración es un proceso físico para separar las impurezas suspendidas en el agua a través de su paso por un medio poroso. (Schulz & Okun, 1984).

(25) 9. De acuerdo con Arboleda (2000) los filtros a gravedad están abiertos a la atmósfera, y el flujo a través del medio se consigue por gravedad, los mismos, usualmente son empleados en las plantas de potabilización. Dentro de los procesos de una planta de tratamiento, la filtración es la operación final de la clarificación y la calidad del efluente filtrado determina la producción de agua de calidad coincidente con los patrones de potabilidad.. 2.2.1 MECANISMOS DE FILTRACIÓN. La filtración es el resultado de dos mecanismos complementarios; el transporte y la adherencia de partículas suspendidas. Inicialmente las partículas por remover son transportadas de la suspensión a la superficie de los granos del medio filtrante y estas permanecen adheridas a los granos, siempre que resistan las condiciones hidrodinámicas del deslizamiento del agua a través del filtro. “El transporte de partículas es un fenómeno de trasferencia de masa, mientras que la adherencia entre partícula y grano es básicamente un fenómeno de tensión superficial” (Yactayo, 2004).. 2.2.2 TIPOS DE FILTROS. Los sistemas de filtración pueden ser clasificados bajo los siguientes parámetros: velocidad de filtración, medio filtrante, sentido de flujo y carga sobre el lecho, como se detalla en la Tabla 2.1..

(26) 10. TABLA 2.1 TIPOS DE FILTROS SEGÚN VELOCIDAD. SEGÚN MEDIO. SEGÚN EL SENTIDO. DE FILTRACIÓN. FILTRANTE USADO. DEL FLUJO. Lentos 2 – 10. Arena. m3/m2xd. Lecho Simple. Rápidos. · Arena. 120 – 360 m3/m2xd. · Antracita. Ascendente Descendente. SEGÚN LA CARGA SOBRE EL LECHO Por Gravedad. Ascendente. Por Gravedad. Descendente. Por Presión. Ascendente. Por Gravedad. Descendente. Por Presión. Lecho Mixto Rápidos 240 - 480. m3/m2xd. · Lecho doble: Arena y Antracita · Lecho triple: Arena, Antracita y Granate. Fuente: Arboleda J., 2000.. 2.2.3 FUNCIONAMIENTO DE FILTROS RÁPIDOS POR GRAVEDAD.. El método de operación de los filtros depende, de la forma como se aplica la carga hidráulica disponible y el sentido del flujo es descendente como se aprecia en la Figura 2.1. Los filtros rápidos por gravedad suelen ser de forma rectangular y su funcionamiento se basa en que el efluente de los clarificadores entra por un canal lateral superior que actúa como vertedero por desbordamiento, el agua se desplaza a través del lecho filtrante pasando a una cámara inferior separada por un falso fondo dotado de boquillas colectoras que dejan pasar el agua filtrada pero no el material filtrante..

(27) 11. FIGURA 2.1 SENTIDO DE FLUJO EN FILTRO POR GRAVEDAD. Fuente: Pérez J., (s.f.) Elaboración: Miriam Huaraca. Como inicialmente el filtro está limpio, el agua adquiere un nivel mínimo suficiente para vencer las pérdidas por fricción que se generan con el paso del agua a través del lecho filtrante, la grava de soporte y el falso fondo. Con el transcurso del tiempo, el lecho filtrante se va obstruyendo paulatinamente, generando cada vez más pérdida de carga hasta que el agua alcanza su nivel máximo dentro del filtro. Antes de que esto suceda, se procede al lavado del filtro.. Carrera del filtro. Es el periodo útil de filtración entre lavados. Según Pérez, (s.f) para el caso de filtros rápidos con lecho triple de arena, antracita y granate el tiempo entre limpiezas es de 48 a 72 horas..

(28) 12. 2.2.4 LAVADO DEL FILTRO. Durante la filtración los granos del lecho filtrante se recubren de material depositado en ellos hasta obstruir el paso del flujo, lo que obliga a limpiarlos periódicamente para asegurar la calidad del agua filtrada. De acuerdo con Arboleda (2000) el método más tradicional en los filtros rápidos es la fluidificación, método en el cual se introduce un flujo ascendente, como se observa en la Figura 2.2.. Cuando se introduce un flujo ascendente en un medio granular, la fricción inducida por el líquido al pasar por entre las partículas, produce una fuerza que se dirige en sentido contrario a la del peso propio de los granos y que tiende a reorientarlos en la posición que presente menor resistencia al paso del flujo. Por tanto, cuando la velocidad de lavado es baja, el lecho no se expande, ni su porosidad se modifica mayormente. Pero a medida que se va incrementando dicha velocidad, las fuerzas debidas a la fricción se van aumentando también hasta llegar a superar el peso propio de las partículas, momento en el cual éstas dejan de hacer contacto unas con otras y se separan, quedando suspendidas libremente en el líquido. Las propiedades de la mezcla sólido-líquido, que se forma en éste caso, se parecen más a las de un fluido y por eso se dice que el lecho se “fluidifica”..

(29) 13. FIGURA 2.2 SENTIDO DE FLUJO DURANTE LAVADO DE FILTRO. Fuente: Arboleda J., 2000. Elaboración: Miriam Huaraca. Para el lavado se cierran los orificios de entrada y la válvula de la tubería de agua filtrada, se abre la válvula de la tubería de evacuación de agua de lavado y se inyecta agua en sentido contrario (ascendente) a una cierta velocidad con lo cual el lecho filtrante se expande y el material retenido es arrastrado hasta las canaletas de recolección de agua de lavado. Realizada la limpieza, el filtro está listo para otra jornada de filtración.. 2.2.5 LECHO FILTRANTE. Las unidades de filtración rápida generalmente tiene un lecho filtrante triple constituido por material granular como arena, antracita y granate. Las características de un material granular se define por dos parámetros fundamentales: el tamaño efectivo y el coeficiente de uniformidad. La determinación de ambos se realiza por medio de un análisis granulométrico. (Yactayo, 2004).

(30) 14. La grava tiene la función de hacer que se distribuya uniformemente el agua de lavado, evitando la formación de chorros, y además sirve de soporte al medio filtrante para que no se pierda por el drenaje durante la filtración. (Arboleda, 2000) El falso fondo tiene el objetivo de dejar una cámara en la parte inferior del filtro que recoge toda el agua de filtrado uniformemente además de distribuir el agua de lavado con presión uniforme. (Arboleda, 2000). 2.3 SISTEMAS DE CONTROL DE TASA DE FILTRACIÓN Los filtros requieren de un sistema de control para regular la hidráulica del proceso, ya que la pérdida de carga a través del lecho filtrante aumenta durante la carrera de filtración, debido a la obstrucción gradual del lecho por las impurezas del agua, haciendo necesario un controlador de velocidad mecánica en el tubo de salida del filtro para proporcionar una resistencia a la disminución de flujo (Rojas, 1999). Los sistemas de control de los filtros dependen, esencialmente, de la forma como se opera la tasa de filtración, así se tiene, el sistema de tasa constante y el sistema de tasa declinante.. 2.3.1 TASA CONSTANTE. Hace referencia a un caudal de filtración constante, para lo cual se controla el efluente del filtro al instalar un complejo sistema de control en la tubería de salida.. Los dispositivos de control disponen de un medidor de caudal, un transmisor, una válvula de control y un fijador de caudal. La conexión entre los dispositivos puede ser mecánica, neumática, eléctrica, hidráulica o el resultado de la combinación de dos o más medios de conexión. (Arboleda, 2000).

(31) 15. Estos sistemas de control de tasa, permiten conocer el caudal producido por cada cámara de filtración y por ser constante ofrece simplicidad en la operación hidráulica de la planta, pero es bastante costoso y de difícil mantenimiento. El nivel del agua en el filtro variará desde un valor mínimo, cuando el medio filtrante se encuentra limpio, hasta un valor máximo, cuando el filtro deberá ser lavado. Al inicio de la carrera de filtración, el medio filtrante está limpio, y para que la resistencia total del filtro sea mantenida constante, es necesario un dispositivo controlador que genere un valor de pérdida de carga igual a la diferencia entre la carga hidráulica total disponible y la suma de las pérdidas de carga en el sistema. A medida que progresa la carrera de filtración, aumenta la pérdida de carga en el medio filtrante debido a la retención de partículas y, como resultado, la pérdida de carga introducida por el dispositivo controlador debe disminuir. Generalmente las variaciones de la altura del agua en la cámara de filtración son usadas para regular el caudal, a través de la transmisión de estas variaciones a un aparato hidráulico que disminuya o aumente el paso del flujo, según varíe el nivel del agua, para mantener un nivel constante y con eso un caudal constante. (Arboleda, 2000) El medidor de caudal puede ser un Venturi, de boquilla o de orificio. Como el caudal en estos medidores es proporcional a la diferencia de presión a la válvula de control, la válvula de control permitirá que el caudal sea corregido siempre que el valor medido fuera diferente de aquel preestablecido por el fijador. Además de estos componentes, los dispositivos de control de caudal y nivel poseen un medidor de nivel que también podrá accionar la válvula de control.. Uno de los inconvenientes de los filtros con tasa constante se observa cuando son forzados hacia el final de su carrera de filtración, ya que debe operar con la misma tasa que al inicio de ella, es evidente que se obtendrá de él un agua filtrada de menor calidad que la que se obtiene de un filtro operado bajo la.

(32) 16. condición de que no se fuerce a la unidad a trabajar con una tasa mayor a su capacidad de filtración, definida por el nivel de colmatación del medio filtrante.. 2.3.2 TASA DECLINANTE. Otro sistema de operación consiste en aquel donde la carga hidráulica disponible es íntegramente aplicada desde el inicio hasta el final de la carrera de filtración, lo que conlleva, con el transcurso del tiempo, una disminución gradual del caudal filtrado. Se conoce también que la calidad del efluente con tasa declinante es superior, con carreras de filtración más largas, en relación con la obtenida en filtros operados con tasa constante. Algunas modificaciones introducidas en el sistema de tasa constante permitieron que se pudiese emplear con éxito el sistema de tasa declinante. De acuerdo con Yactayo, (2004) las principales ventajas del sistema de tasa declinante con relación al sistema de tasa constante son: ·. La calidad del efluente es mejor cuando la tasa de filtración disminuye desde el inicio hasta el final de la carrera de filtración.. ·. Cuando un filtro es retirado de operación para que se le efectúe el lavado, el nivel de agua sube gradualmente en los demás y, como resultado de ello, las variaciones de las tasas de filtración son graduales.. ·. La pérdida de carga es evidente para el operador por la simple observación del nivel de agua en los filtros.. ·. Es mayor el volumen de agua producido por unidad de pérdida de carga debido a la retención de partículas.. ·. La carga hidráulica necesaria para la filtración es menor.. ·. Se evita la ocurrencia de presión inferior a la atmosférica en el interior del medio filtrante.. ·. Se eliminan los equipos mecánicos de control de toda índole, con la consiguiente reducción en los costos iniciales..

(33) 17. 2.4 FLUJO EN ORIFICIOS El estudio del flujo en orificios permite comprender el comportamiento hidrodinámico del flujo de un líquido contenido en un recipiente, a través de un pequeño orificio, bajo la acción de la gravedad.. 2.4.1 ORIFICIOS. 2.4.1.1 Definición Los orificios, según la hidráulica, aplican a cualquier abertura realizada por debajo de la superficie libre del líquido, con perímetro cerrado, practicada en una pared que permite el derrame del agua contenida en un recipiente. (Sotelo, 1998) Las aberturas hechas hasta la superficie libre del líquido constituyen los vertederos. La utilidad del orificio es descargar un caudal predeterminado, para controlar el paso de la corriente o verificar el aforo de ésta (medición del gasto).. 2.4.1.2 Clasificación Los orificios pueden clasificar bajo los siguientes criterios: ·. Por el funcionamiento: ¨ Libre.- Cuando descarga al aire ¨ Ahogado.- Cuando la descarga es sumergida. ·. Por la geometría: ¨ Circulares ¨ Cuadrados ¨ Rectangulares, también denominados orificios de tubo..

(34) 18. ·. Por el espesor de su pared: ¨ Orificios de pared delgada ¨ Orificios de pared gruesa. ·. Por las dimensiones relativas: ¨ Orificio pequeño.- Cuando la dimensión vertical es igual o inferior a un tercio de la profundidad. ¨ Orificio grande. 2.4.1.3 Ecuaciones de cálculo del caudal De acuerdo con Sotelo, (1998) para determinar la ecuación de cálculo del caudal, se supone que el nivel en el tanque permanece constante (para lo cual el tanque es alimentado con un caudal igual o superior al evacuado por el orificio), entonces el orificio descarga un caudal teórico Q, constante, cuya magnitud se puede determinar al plantear la ecuación de Bernoulli entre la superficie libre (punto 1) y la sección (punto 2) más contraída del chorro, detallados en la Figura 2.3.. FIGURA 2.3 FLUJO A TRAVÉS DE ORIFICIO. Fuente: Sotelo G., 1998.

(35) 19. Tomando como nivel de referencia una línea que pase por el centro de gravedad del orificio (punto 2) y considerando que la velocidad del agua en el tanque es despreciable, se puede obtener la ecuación 2.1.. ‫ܪ‬ൌ. ௏మమ. ଶ௚. (2.1). Despejando de la ecuación 2.1 la velocidad, se obtiene la ecuación 2.2 ܸଶ ൌ ඥʹ݃‫ܪ‬. (2.2). Expresión denominada de Torricelli, que indica que la velocidad sigue una ley parabólica con la carga H. La hipótesis planteada para el valor de H tendrá mayor validez en la medida en que la dimensión del orificio en la dirección de H sea mucho menor que este valor. Con el fin de tomar en cuenta parámetros no considerados en la forma teórica de un fenómeno, se suelen considerar coeficientes de correlación a los valores teóricos obtenidos que proporcionen valores reales, así para los flujos en orificios tenemos:. Coeficiente de descarga El coeficiente de descarga Cd es la relación entre el caudal real que pasa a través de un dispositivo y el caudal ideal. (Giles, Evett & Lui, 1994). ‫ܥ‬ௗ ൌ . ௖௔௨ௗ௔௟௥௘௔௟. ௖௔௨ௗ௔௟௜ௗ௘௔௟. (2.3).

(36) 20. Coeficiente de velocidad El coeficiente de velocidad Cv es la relación entre la velocidad media real en la sección recta de la corriente y la velocidad media ideal que se tendría sin rozamiento”. (Giles, Evett & Lui, 1994). ‫ܥ‬௩ ൌ . ‫݀ܽ݀݅ܿ݋݈݁ݒ‬௠௘ௗ௜௔௥௘௔௟. ௩௘௟௢௖௜ௗ௔ௗ௠௘ௗ௜௔௜ௗ௘௔௟. (2.4). Coeficiente de contracción. El coeficiente de contracción Cc es la relación entre el área de la sección recta contraída de la corriente y el área del orificio a través del cual fluye el fluido. (Giles, Evett & Lui, 1994). ‫ܥ‬௖ ൌ . ௥௘௔ௗ௘௙௟௨௝௢ܿ‫ܽݎݐ݊݋‬À݀‫݋‬ ௥௘௔ௗ௘௟௢௥௜௙௜௖௜௢. (2.5). Para el fluido a través de orificios se cumple que Cd = C vCc; este coeficiente se introduce en el cálculo del caudal quedando: ܳ ൌ ‫ܥ‬ௗ ‫ܸܣ‬ଶ . (2.6). Al reemplazar la ecuación 2.2 en la ecuación 2.6, el caudal se puede expresar como: ܳ ൌ ‫ܥ‬ௗ ‫ܣ‬ඥʹ݃‫ܪ‬. (2.7). Donde: Q: caudal Cd: coeficiente de descarga A: área del orificio g: aceleración de la gravedad H: altura entre la superficie libre y el centro de gravedad del orificio.

(37) 21. 2.4.2 VERTEDERO. 2.4.2.1 Definición Hidráulicamente es un orificio que no está totalmente ahogado por el nivel de aguas arriba, de manera que una parte del orificio está libre y no proporciona gasto alguno (Figura 2.4), o sea que equivale a un orificio sin el borde superior. (Sotelo, 1998). FIGURA 2.4 FLUJO A TRAVÉS DE VERTEDERO. Fuente: Sotelo G., 1998. 2.4.2.2 Clasificación. ·. Por la geometría ¨ Vertedero rectangular. ¨ Vertedero triangular. ¨ Vertedero trapezoidal. ¨ Vertedero circular..

(38) 22. ·. Por el ancho de la cresta ¨ Vertedero de cresta delgada. ¨ Vertedero de cresta ancha.. 2.4.2.3 Ecuaciones de cálculo del caudal De acuerdo con Sotelo, (1998) para determinar el caudal que pasa a través del vertedero se aplica la ecuación de energía, considerando algunas suposiciones básicas, entre ellas: ·. Pérdida por fricción y locales despreciables.. ·. La tensión superficial es despreciable.. ·. El flujo aguas debajo de la estructura debe ser libre para garantizar que la presión en el chorro sea la atmosférica.. Bajo estas suposiciones las variables Q y H siguen un modelo matemático dado por la ecuación 2.8. ܳ ൌ ݇‫ ܪ‬௠. (2.8). Al considerar un elemento diferencial “dh” con longitud “L” y si se considera que funcionaría como un orificio con carga “h”, el gasto diferencial “dQ” que se tendría es: ݀ܳ ൌ ‫ܮ‬ඥʹ݄݃݀‫ܮ‬. (2.9). Integrando desde el umbral inferior del vertedor, hasta la altura “H”, se tendría el gasto total: ଶ. ܳ ൌ ଷ ‫ܮ‬ඥʹ݃‫ ܪ‬ଷȀଶ. (2.10). La ecuación 2.10 es la expresión teórica para vertedores rectangulares, sin embargo debido al cambio de dirección de las partículas líquidas a la llegada a la escotadura del vertedor, tanto horizontal como vertical y al paso del flujo sobre la.

(39) 23. cresta se tiene una pérdida de energía, dando como resultado que el gasto real sea menor al teórico. Lo más práctico es agrupar los valores constantes en un solo coeficiente de calibración, quedando finalmente la fórmula de un vertedero rectangular de la siguiente forma:. Donde:. ܳ ൌ ݇‫ ܪ‬ଷȀଶ . Q: caudal k:constante de calibración H: carga hidráulica. (2.11).

(40) 24. CAPÍTULO 3 INVESTIGACIÓN DE CAMPO. 3.1 EVALUACIÓN DEL SISTEMA ACTUAL. 3.1.1 ANTECEDENTES. La planta de tratamiento de potabilización de Puengasí brinda un abastecimiento de agua potable desde el sector de la Morán Valverde al sur de Quito hasta La Carolina al norte de la cuidad, beneficiando aproximadamente al 46% de la población quiteña. (EPMAPS-Unidad de Puengasí, 2014) Esta planta de tratamiento tiene un proceso de flujo por gravedad simple a través de las unidades de operación y fue puesta en funcionamiento en el año de 1977, operando ininterrumpidamente hasta la actualidad. El sistema de filtración ha operado durante 37 años con el mismo planteamiento tecnológico, y actualmente, éste, presenta problemas como presiones negativas que a su vez liberan burbujas de aire que obstruyen el filtro afectando su proceso de remoción, lo cual incrementa la pérdida de carga y disminuye la carrera de filtración, así como la calidad del efluente. Para resolver esta problemática se plantea la utilización de un sistema de tasa declinante, para no forzar a la unidad a operar con tasa constante, especialmente, hacia el final de su carrera de filtración cuando el filtro está colmatado. Además la válvula reguladora de control tiene mecanismos que con el paso del tiempo sufrieron desgastes y fisuras, así como, cuentan con calibraciones inadecuadas siendo necesario el cambio de tecnología en el sistema de control de filtración..

(41) 25. 3.1.2 PROCESO DE POTABILIZACIÓN DEL AGUA. La Unidad de Puengasí de la EPMAPS produce agua potable mediante las operaciones unitarias detalladas en el flujograma de la Figura 3.1, así se tiene: CAPTACIÓN Y CONDUCCIÓN.- La captación de aguas superficiales del río Pita se realiza por medio de una estructura hidráulica denominada bocatoma y es trasportada por medio de canales abiertos, túneles y conductos sostenidos por puentes hacia la planta de potabilización.. El agua cruda es conducida a los tanques de reserva a través de un canal abierto, en el cual, la materia en suspensión es retenida físicamente mediante un proceso de filtración gruesa; para tal propósito el canal cuenta con una serie de trampas y rejilla que cumple la función de retener hierbas, piedras, ramas, algas entre otros materiales flotantes. (EPMAPS-Unidad de Puengasí, 2014) RESERVA DE AGUA CRUDA.- La Unidad de Puengasí cuenta con dos tanques de almacenamiento con un volumen útil de 120.000 m 3 lo cual genera una reserva aproximada de 16 horas con un caudal de tratamiento de 2100 l/s. Cada uno de los estanques tiene una válvula de mariposa que permite alternar el envió de 300 l/s de agua cruda a la Planta de El Placer. Los tanques de agua cruda tienen la capacidad de neutralizar las variaciones en la calidad de agua de llegada mediante una presedimentación y aeración..

(42) Fuente: EPMAPS, Unidad de Puengasí, 2014. FIGURA 3.1 FLUJOGRAMA DE PRODUCCIÓN DE AGUA POTABLE EN PLANTA DE TRATAMIENTO PUENGASÍ.. 26.

(43) 27. SISTEMA DE DOSIFICACIÓN DE PRODUCTOS QUÍMICOS.- El agua cruda es provista de un tratamiento químico mediante la dosificación de cloro que tiene el objetivo de eliminar el mal sabor así como el contenido de hierro. Para la disminución de turbiedad se utiliza como coagulante primario el sulfato de aluminio y un polímero como ayudante de floculación, que mejoran el proceso de sedimentación de partículas más finas (coloidales). MEZCLA RÁPIDA.- Luego de aplicar los productos químicos es necesario agitar por poco tiempo en forma enérgica; esta energía de agitación permite conseguir una apropiada dispersión del coagulante y proporcionar las colisiones necesarias entre las partículas para conseguir una óptima floculación. Esta agua se reparte por medio de un canal en forma de T en los clarificadores del 1 al 4 directamente y del 5 al 8 se regula por medio de una compuerta operada manualmente para de esta manera controlar el ingreso de agua cruda a los clarificadores. CLARIFICACIÓN.- De acuerdo con EPMAPS-Unidad de Puengasí (2014) la planta cuenta con clarificadores de forma circular con barrederas de piso giratorio, mismo que mueve todos los sedimentos asentados hacia las descargas de pozos de recogida. Cada clarificador tiene tres pozos de recogida de descarga de sedimentos que se conecta a una válvula mediante la cual se controla la descarga de lodos hacia el estanque de excesos. El efluente de los clarificadores es receptado en un canal central que a través de conductos se conecta a las 16 unidades de filtración..

(44) 28. FILTRACIÓN.- Para la separación de materia en suspensión el efluente de los clarificadores ingresa por encima del filtro y mediante el escurrimiento a través del lecho filtrante se retienen las impurezas o turbiedad residual. La planta de tratamiento de Puengasí cuenta con 8 filtros rápidos de rata y nivel constante de dos cámaras; con material filtrante de antracita, arena silícica, granate, una capa de grava y un sistema de bloque de cerámica. DESINFECCIÓN.- El agua filtrada pasa a la etapa de post-tratamiento o desinfección, donde se destruyen los agentes microbianos por medio de la inyección de cloro, también permite prevenir contaminaciones en las redes de distribución y asegurar la calidad sanitaria. RESERVA DE AGUA TRATADA.- El agua tratada se acumula en tanques de 14784 m3 y 15000 m3 para su posterior distribución. SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN.- Este sistema parte desde el tanque de almacenamiento de agua tratada de la planta de tratamiento hacia los pequeños tanques de distribución; se lo realiza mediante gravedad usando válvulas de altitud o mediante un sistema de bombeo cuando esos tanques se ubican en un lugar más alto como las estaciones de Puengasí Alto, San Isidro Bajo y San Isidro Alto.. 3.1.3 CONDICIONES ACTUALES DEL SISTEMA DE FILTRACIÓN.. La Planta de Tratamiento de Puengasí cuenta con 8 filtros principales, cuatro a cada lado del edificio de filtros, cada filtro principal cuenta con 2 cámaras, haciendo un total de 16 cámaras de filtración. El efluente de los clarificadores es receptado en un canal central que lo lleva por medio de conductos hacia las 16 unidades de filtración en los 8 filtros rápidos de tasa y nivel constante..

(45) 29. Dimensiones de la cámara de filtración: Donde:. a. a = 4,85 m. b. b = 9,70 m. Así se tiene: Área de filtración por cámara = 47,05 m2 Área de filtración por filtro principal = 94,10 m2. Características del lecho filtrante La unidad de Puengasí cuenta con un lecho triple constituido de antracita, arena y granate, una capa de soporte constituida por grava y un falso fondo de bloque de cerámica Leopold para facilitar el desagüe inferior del agua. Este lecho tiene una profundidad de 1,017 metros, incluyendo el lecho de grava, su distribución se detalla en la Tabla 3.1.. TABLA 3.1 DESCRIPCIÓN DEL LECHO FILTRANTE. Material Altura de lecho Tamaño efectivo Coeficiente de uniformidad. Antracita. Arena. Granate. Grava. 0,495 m. 0,229 m. 0,038 m. 0,255 m. 1,0 – 1,1 mm. 0,42 – 0,55 mm. 21 – 32 mm. -. -. -. <1.8. -. Fuente: EPMAPS, Unidad de Puengasí, 2014. Lavado de filtros. Los filtros son lavados periódicamente utilizando dos sistemas de lavado: ·. Lavado superficial, y. ·. Retrolavado.

(46) 30. Existe un tanque de almacenamiento de agua de lavado, desde este tanque se abastece el agua tratada a la planta para todos sus requerimientos.. 3.1.4 RECOPILACIÓN Y EVALUACIÓN DE INFORMACIÓN EXISTENTE. La evaluación de información se basa en las características hidráulicas que influyen en la eficiencia de la filtración tales como: método de control de los filtros, tasa de filtración, carga hidráulica disponible, calidad de afluente y calidad de efluente.. La recopilación de información se fundamenta en los registros mensuales de operación de los filtros para un periodo de 8 meses comprendidos entre Octubre de 2013 a Mayo de 2014, esta información se detalla en la Tabla 3.2.

(47) Volumen. 5782,112 6050,878. Mayo. 5151,688. Febrero. Abril. 5941,678. Enero. 5920,387. 6076,338. Diciembre. Marzo. 5963,720. 6128,006. m3. filtrado. Noviembre. Octubre. Mes. 11. 10. 10. 7. 5. 5. 5. Efluente. Afluente 5. 8. 8. 3. 3. 0. 0. 2. 0. 0. 0. Tasa m 3/. NTU. Afluente. día. 0,62. 1,33. 1,53. 0,96. 0,80. 0,75. 0,75. 0,92. 264,26. 266,19. 263,33. 263,25. 261,95. 271,88. 265,86. 275,94. m2 x. Promedio. Turbiedad. 282,39. 278,84. 276,30. 266,19. 277,30. 283,58. 287,60. 285,99. l/s. cada filtro. Color. 2259,13. 8. 8. 8. 8. 8. Caudal promedio en. Color. 2230,75. Mayo. 2129,50. Febrero. Abril. 2218,36. Enero. 2210,41. 2268,64. Marzo. 2300,81. Diciembre. 8. operación. l/s 2287,93. filtros en. de tratamiento. Noviembre. Octubre. Mes. Número de. Fuente: EPMAPS, Unidad de Puengasí, Informe Mensual de operación de filtros, 2014.. 2014. 2013. Año. 2014. 2013. Año. Caudal promedio. 57,25. 67,56. 66,67. 49,91. 47,42. 52,78. 65,76. 62,24. NTU. Efluente. 0,25. 0,36. 0,30. 0,19. 0,30. 0,20. 0,35. 0,26. Turbiedad. h. filtro. Carrera de. m. 1,16. 1,21. 1,18. 1,22. 1,24. 1,15. 1,03. 1,01. agua en la válvula. Lectura del nivel de. TABLA 3.2 RECOPILACIÓN-INFORMACIÓN MENSUAL DE OPERACIÓN DE FILTROS EN UNIDAD DE PUENGASÍ. 31.

(48) 32. 3.1.4.1 Sistema de control de caudal de filtración El proceso de filtración tiene un sistema de control de tasa constante que opera con una válvula reguladora que gobierna el sistema hidráulico, misma, que está instalada en el tubo de salida. La válvula reguladora que se muestra en la Fotografía 3.1, está conformada con los siguientes dispositivos: ·. Tubería interior de 300 mm de diámetro. ·. Estrangulación Venturi de abertura fija de 220 mm de diámetro. ·. Compuerta móvil. ·. Diafragma.. ·. Pesas de ajuste de caudal. FOTOGRAFÍA 3.1 VÁLVULA REGULADORA DEL SISTEMA DE CONTROL DE TASA CONSTANTE. Fuente: Miriam Huaraca..

(49) 33. 3.1.4.2 Tasa de filtración La tasa de filtración fluctúa entre el rango de 261,95 m3/m2xd a 275,94 m3/m2xd obteniendo una tasa promedio de 268,95 m3/m2xd para estos valores máximo y mínimo, previamente descritos. Para el periodo de ochos meses se registra un valor promedio de 266, 58 m3/m2xd.. 3.1.4.3 Caudal Se registra un caudal medio de 279,77 l/s para el periodo de ocho meses, este caudal corresponde al filtro principal, recordando que cada filtro tiene 2 cámaras, se registraría un valor de 139, 89 l/s en cada cámara. El caudal del filtro fluctúa entre un valor máximo de 287,60 l/s y un valor mínimo de 266,19 l/s obteniendo un valor promedio de 276,89 l/s para estos valores.. 3.1.4.4 Carrera de filtración La carrera de filtración fluctúa entre un valor máximo de 67,56 h y un valor mínimo de 47,42 h. Se registra un promedio de 59 h para el periodo analizado.. 3.1.4.5 Turbiedad afluente Se registra una turbiedad igual o menor a 1,5 NTU, lo cual indica una adecuada operación de los clarificadores..

(50) 34. 3.1.4.6 Turbiedad efluente En general la turbiedad del efluente registra valores inferiores a 0,50 NTU, lo cual indica un adecuado funcionamiento del material filtrante.. 3.2 DIMENSIONES DEL FILTRO PILOTO 3.2.1 PARÁMETROS DE DISEÑO. Para determinar las dimensiones del accesorio que reemplace la válvula reguladora, que permita el cambio del sistema de control de tasa constante a tasa declinante se analiza las características hidráulicas que más influyen en la eficiencia de filtración, entre las cuales se tiene: caudal, pérdida de carga, turbiedad efluente y carrera de filtración.. 3.2.1.1 Caudal y tasa de filtración Partiendo de las observaciones derivadas del análisis de la Tabla 3.2 se tiene un caudal aproximado de 150 l/s para cada cámara de filtración, bajo este antecedente, se establece este caudal como valor medio del sistema de tasa declinante, es decir, se inicia la carrera de filtración con un valor superior a los 150 l/s y disminuirá paulatinamente hasta obtener un valor inferior al final de su carrera. Para la implementación del sistema de tasa declinante se considera un coeficiente de seguridad, adoptando un caudal medio de 160 l/s para cada cámara.. En principio se establece como caudal máximo 200 l/s y como caudal mínimo 120 l/s, cumpliendo así, con un caudal promedio de 160 l/s. Esta modalidad origina un gradiente de caudal, el mismo que debería ser el menor posible..

(51) 35. Según las comparaciones mostradas en la Figura 3.2 el sistema con tasa declinante producirá un mayor volumen de agua tratada en comparación con el sistema de tasa constante, aún cuando cumplen las mismas horas de servicio.. Tasa declinante de filtración La tasa de filtración se ajusta al siguiente, modelo matemático: ொ. ܶܽ‫ ܽݏ‬ൌ ஺ (3.1) Donde: Q: caudal en m3/d A: área de cámara de filtración m2 Para este ensayo el área es de 47 m2, valor previamente descrito en las dimensiones de la cámara de filtración del subcapítulo 3.1.3 Con esta modalidad se espera tener una tasa máxima de 367,3 m3/m2xd y una tasa mínima de 220,4 m3/m2xd. Estas tasas de filtración son normalmente utilizadas en filtros con lecho doble..

(52) 36. FIGURA. 3.2. COMPARACIÓN. ENTRE. TASA. CONSTANTE. Y. TASA. Q l/s. DECLINANTE. 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0. Tasa=367,3 m3/m2xd. TASA DECLINANTE. TASA CONSTANTE = 275,5 m3/m2xd. Tasa= sa 220,4 m3/m2xd sa=. V Tasa Constante = 32400 m3/carrera V Tasa Declinante = 34560 m3/carrera. 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. CARRERA h. Elaboración: Miriam Huaraca. 3.2.1.2 Pérdida de carga Acorde a las características de diseño del filtro, permite tener una pérdida de carga relativamente alta, en torno de 2,5 m.. Para tener un adecuado control del sistema de filtración se instalan 3 piezómetros (Figura 3.3) que tienen como punto de referencia el piso de la galería de los filtros, el mismo que indica 0+00, todas las lecturas se registran con una regleta común (flexómetro), como se muestra en la Fotografía 3.2..

(53) 37. Los piezómetros permitirán evaluar las siguientes alturas:. ·. PIEZÓMETRO 1.-Registra la altura de agua antes del filtro (H1). ·. PIEZÓMETRO 2.- Registra la altura de agua después del filtro (H2). ·. PIEZÓMETRO 3.-Registra la altura de agua en el estrangulamiento Venturi (Ø=220 mm) en el filtro (H3). Con los piezómetros instalados se registrarán los siguientes parámetros:. PÉRDIDA DE CARGA EN EL FILTRO (ࢎࢌ ) ݄௙ ൌ ‫ܪ‬ଵ െ ‫ܪ‬ଶ (3.2) CARGA SOBRE EL ORIFICIO DE SALIDA (ࢎ࢕ ) ݄௢ ൌ ‫ܪ‬ଶ െ Ͳǡ͹Ͳ. (3.3). El valor de 0,70 m corresponde a la altura del eje del orificio de salida en referencia al piso de la galería de filtros considerado como nivel 0+00..

(54) 38. FIGURA 3.3 UBICACIÓN DE PIEZÓMETROS. Elaboración: Miriam Huaraca.