0 UNIVERSIDAD DE LA SERENA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES
1
Índice
1. ASPECTOS BÁSICOS DE LA INGENIERÍA SANITARIA ... 3
1.1 LA SUPERINTENDENCIA DE SERVICIOS SANITARIOS ... 4
1.2 PROCESO DE REGULACIÓN DE TARIFA ... 4
1.3 PLANES DE DESARROLLO ... 4
1.4 SITUACIÓN RURAL ... 5
2 ESTIMACIÓN DE DEMANDA ... 6
2.1 ESTIMACIÓN DEL CRECIMIENTO POBLACIONAL ... 6
2.2 RESUMEN... 7
3. SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE AGUA POTABLE ... 13
3.1 CLASIFICACIÓN DE FUENTES SEGÚN EL ORIGEN DE LAS AGUAS ... 13
3.2 REQUISITOS GENERALES DE FUENTES SUPERFICIALES ... 13
3.3 SEGURIDAD DE ABASTECIMIENTO ... 13
3.4 COMPONENTES DE LAS ESTRUCTURAS DE CAPTACIÓN ... 14
3.4.1 TOMA DE AGUA ... 14
3.4.2 REJAS PARA SÓLIDOS FLOTANTES ... 14
3.4.3 CÁMARAS DE CAPTACIÓN ... 15
3.4.4 CANALES ... 15
3.4.5 DISPOSITIVO DE MEDICIÓN Y REGULACIÓN DE FLUJO ... 15
3.4.6 OBRAS DE REMOCIÓN DE MATERIAL DE ARRASTRE ... 15
3.4.7 OBRAS DE PROTECCIÓN ... 16
3.5 DERECHOS DE AGUA ... 16
3.6 CALIDAD DEL AGUA POTABLE ... 16
3.6.1 NOMENCLATURA IMPORTANTE ... 17
3.6.2 CONCEPTOS IMPORTANTES ... 17
3.6.3 MUESTREO ... 17
3.7 TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE ... 18
3.7.1 PROCESOS ... 18
4. DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE ... 19
4.1 CONDUCCIÓN ... 19
4.2 COEFICIENTES Y FACTORES MÁXIMOS DE CONSUMO ... 20
4.3 DOTACIONES ... 20
4.4 CAUDALES... 20
2
4.6 FENÓMENO TRANSIENTE (GOLPE DE ARIETE) ... 23
5. REGULACIÓN Y ALMACENAMIENTO ... 34
5.1 CALCULO DE VOLUMEN DE ESTANQUE ... 38
5.1.1 CÁLCULO DEL VOLUMEN DE INCENDIO ... 38
5.1.2 VOLUMEN DE RESERVA ... 38
6. SISTEMA DE RECOLECCIÓN, TRATAMIENTO Y DISPOSICIÓN FINAL DE AGUAS SERVIDAS ... 43
6.1 TRATAMIENTO DE AGUAS SERVIDAS ... 43
6.1.1 TRATAMIENTO PRELIMINAR ... 43 6.1.2 TRATAMIENTO PRIMARIO ... 44 6.1.3 TRATAMIENTO SECUNDARIO ... 44 6.1.4 TRATAMIENTO TERCIARIO ... 45 6.1.5 DESINFECCIÓN ... 45 6.2 RECOLECCION ... 46 6.2.1 REDES DE COLECTORES ... 47
6.2.2 ELEMENTOS DE UNA RED DE COLECTORES ... 47
6.3 CALCULOS EN ALCANTARILLADO ... 50
6.3.1 CALCULO DE COLECTORES ... 51
6.3.2 CÁLCULO DE CAUDALES ... 51
6.3.2 RESTRICCIONES DE DISEÑO ... 51
3 1. ASPECTOS BÁSICOS DE LA INGENIERÍA SANITARIA
ROL DE LOS SERVICIOS PUBLICOS Y PRIVADOS Localidad Urbana CLIENTES EMPRESA SANITARIA (Privado) SUPER INTENDENCIA DE SERVICIOS SANITARIOS (Publico)
PROCESOS TARIFARIOS PLAN DE TRABAJO
ETAPA PRODUCCION AGUA POTABLE ETAPA DISTRIBUCION AGUA POTABLE ETAPA RECOLECCION AGUA POTABLE ETAPA DE TRATAMIENTO Y DISPOSICION FINAL
4 1.1 LA SUPERINTENDENCIA DE SERVICIOS SANITARIOS
La SISS debe determinar las tarifas máximas a cobrar por los servicios que prestan las empresas sanitarias (agua potable y alcantarillado de aguas servidas), efectuando los estudios correspondientes y velando por el cumplimiento de los procesos tendientes a su cálculo, de conformidad a la ley. Dichas tarifas constituyen valores máximos, que son formalizados mediante decretos del Ministerio de Economía, a proposición de la SISS, en procesos de fijación tarifaria que deben realizarse cada cinco años para cada empresa sanitaria.
1.2 PROCESO DE REGULACIÓN DE TARIFA
La fijación de tarifas tiene su fundamento en el concepto de Empresa Modelo. Se establece una tarifa de forma que una empresa que opera eficientemente obtenga una rentabilidad igual al costo de capital sobre los activos empleados. Las tarifas se ajustan periódicamente por inflación, y cada cinco años se determinan nuevas fórmulas tarifarias (conjunto de cargos variables y fijo determinados a una fecha de referencia), de acuerdo a los términos fijados en la ley de tarifas (DFL MOP N°70/88) y su reglamento (DS MINECON N°453/90).
Esta modalidad regulatoria pretende desvincular la fijación de tarifas de la estructura y niveles de costos que reportan las empresas reguladas, supeditando el beneficio a un modelo de eficiencia. Se simula así una situación de competencia contra la Empresa Modelo, lo que incentiva la innovación y eficiencia. Las tarifas se complementan con un Sistema de Subsidio Directo, focalizado a los usuarios de menores ingresos, cuya administración se apoya en el sistema nacional de manejo de todo tipo de subsidios directos (MIDEPLAN y Municipios).
El modelo busca garantizar la solvencia financiera de las empresas a través de un régimen tarifario que pretende asegurar el autofinanciamiento y la eficiencia en el largo plazo, asegurando un servicio adecuado en calidad y cobertura, y a precio justo.
1.3 PLANES DE DESARROLLO
Es el programa de Inversiones para un período de tiempo dado, cuyo objeto es permitir al prestador reponer, extender y ampliar sus instalaciones, con el fin de responder a los requerimientos de la demanda del servicio, de acuerdo a lo señalado en el Art. Nº 53 letra K del DFL Nº 382/88 y Art. Nº 155 del DS Nº 1199/04.
El Plan de Desarrollo contiene el estudio de Prefactibilidad Técnica y Económica, el Programa de Inversiones y el Cronograma de Obras. El período de previsión del Plan de Desarrollo es de 15 años.
El Plan de Desarrollo es un estudio que se efectúa a nivel de Prefactibilidad; por lo tanto, lo relevante son las soluciones asociadas a un objetivo, entendiendo que los componentes de dichas soluciones podrán ser ajustados posteriormente, de acuerdo con los estudios de ingeniería de detalle que el prestador debe realizar, para la materialización de las obras.
5 Localidad Rural
1.4 SITUACIÓN RURAL
Los sistemas de agua potable rural (APR) son aquellos servicios que se prestan en áreas calificadas como rurales, conforme con los respectivos instrumentos de planificación territorial (Plan Regulador), y no reúnen los requisitos de servicio público de distribución de agua potable que establece la Ley General de Servicios Sanitarios para estos efectos (inciso 2ª, artículo 5º, D.F.L. MOP Nº382/88). Los sistemas de APR no cuentan con una regulación jurídico - institucional y no están sujetos al cumplimiento del régimen de concesiones sanitarias. Por tanto, estos sistemas se forman y constituyen como un servicio particular, bajo la forma de un Comité o Cooperativa u otra figura jurídica que acuerden los interesados, obteniendo los permisos de funcionamiento del Ministerio de Salud, a través del los respectivos Servicios de Salud del Ambiente de la jurisdicción. No obstante, los sistemas rurales deben cumplir con las normas sobre calidad de los servicios (Título III, D.F.L. MOP Nº382/88) y las normas técnicas respectivas. El régimen tarifario se regula 2QQ1por las disposiciones estatutarias de cada comité o cooperativa. La fiscalización de la calidad de los servicios corresponde a los Servicios de Salud del Ambiente (Ministerio de Salud). A su vez, la Superintendencia de Servicios Sanitarios carece de competencia para intervenir en el manejo administrativo o técnico de los servicios de APR, ni tiene injerencia para la constitución y fiscalización, como tampoco para la determinación de las tarifas o cobros.
Las concesionarias de servicios sanitarios pueden entregar asesoría a los sistemas rurales, como actividad relacionada y no obligatoria. Adicionalmente, las concesionarias pueden, en virtud del artículo 52 bis del D.F.L. MOP Nº382/88, establecer, construir, mantener y explotar sistemas de
DIRECCION DE OBRAS HIDRAULICAS
(DOH)
MINISTERIO DE OBRAS PÚBLICAS (MOP)
CLIENTES COMITÉ AGUA POTABLE
RURAL
(APR)
6 agua potable, alcantarillado y tratamiento de aguas servidas en el ámbito rural, bajo la condición de no afectar o comprometer la calidad y continuidad de los servicios públicos sanitarios que son de su responsabilidad. En este caso, ello se enmarca en el ámbito de prestaciones relacionadas con el objeto de las concesiones sanitarias, no obligatorias y sometidas al régimen privado o de los servicios particulares
2 ESTIMACIÓN DE DEMANDA
Para esto se deben calcular el crecimiento de la población. Como dato se tienen los censos de población (1982, 1992, 2002, etc.).
La empresa sanitaria entrega los datos todos los años de la cantidad de viviendas conectadas al sistema sanitario. Para cada vivienda tienen los m3 facturados, esto se llama “dotación de consumo” quiere decir el cuociente entre el volumen facturado entre el volumen facturado anualmente y el promedio de la población abastecida en el año por los 365
2.1 ESTIMACIÓN DEL CRECIMIENTO POBLACIONAL Pn = Po (1 + i)n
Donde
Pn: numero de viviendas año “n” Po: numero de viviendas año “cero” i: Tasa de crecimiento.
n: diferencia de años de proyección Análisis del crecimiento poblacional
Datos históricos
Información entregada por:
Censos (habitantes, viviendas) Empresas sanitarias
Comités APR (DOH)
Urbanizadores (inmobiliarias) Municipalidades
Para poder determinar el crecimiento se debe primero revisar el plan regulador (limite de una localidad), es un instrumento legal que define un conjunto de normas para ordenar las ciudades, específicamente el territorio de una comuna.
7 Determinar densidad
d = n° viviendas/ha ó d =m2 construidos/vivienda
Estimar el número de viviendas factibles a construir de acuerdo al terreno urbano disponible dividido por la densidad obtenida.
2.2 RESUMEN
1. Determinar tasas actuales de crecimiento natural. 2. Determinar la tasa actual de crecimiento.
3. Determinar la densidad actual de viviendas (m2/viv.) y disponibilidad de sectores donde construir nuevos emplazamientos.
4. Determinar tasas actuales de crecimiento natural.
PLAN REGULADOR (LIMITE DE UNA LOCALIDAD)
AREA ACTUAL CONSTRUIDA
AREA DISPONIB LE
8 EJEMPLO 1.
ESTIMACIÓN DEL CRECIMIENTO DE LA LOCALIDAD YYZ BAJO LOS SIGUIENTES SUPUESTOS
Planta general de la localidad:
Área Total: 20 ha
Área habitada 2007: 75%
ZEX-1 80 viviendas se instalaran el año 2009.
ZEX-2 240 viviendas se instalaran entre los años 2008 y 2010 de forma proporcional. ZEX-3 120 viviendas se instalaran los años 2009 y 2010 de forma proporcional. Información histórica con respecto a n° de viviendas
Año 1982 1992 2002 2003 2004 2005 2006 2007 N° viv. 60 410 580 586 590 595 598 602
i1 i2 i3 Densidad habitacional: 4 hab/viv.
9 Año 2008 80 = 80 viv.
Año 2009 80 ₊ 80 ₊ 60 = 220 viv. Año 2010 80 ₊ 60 = 140 viv. CRECIMIENTO NATURAL
Área habitada 2007 (75%) del área total 15 ha
N° de viviendas 2007 602 Dato de información histórica con respecto a n°viviendas (año 2007).
Densidad viviendas = 15*10.000/602 = 249.16 m2/viv.
= (410/60)1/10 – 1 = 21.2 % i2 = (580/410)1/10 – 1 = 3.5 %
i3 = (602/580)1/5 – 1 = 0.7 % cte. Hasta el año 2018
N° de viviendas 2018 (crecimiento natural): Pn = 602 (1 + 0.007)11
= 653.38 viv
= 654 viv
Considerar 654 viviendas en un área total, 20 ha el año 2018
Densidad de viviendas = 10000*20/654 = 305.81 m2/viv. Pn = Po (1 + i)n
ρ = m²contruidos/viv.
10 Solución:
Tasa de crecimiento % Habitantes.
Tasa de crecimiento % AÑO
n° VIV.
n°
hab VIVIENDAS HABITANTES
2007 602 2408 - - 2008 682 2728 13.3 13.3 2009 902 3608 32.3 32.3 2010 1042 4168 15.5 15.5 2011 1042 4168 0.0 0.0 2012 1042 4168 0.0 0.0 2013 1042 4168 0.0 0.0 2014 1042 4168 0.0 0.0 2015 1042 4168 0.0 0.0 2016 1042 4168 0.0 0.0 2017 1042 4168 0.0 0.0 2018 1042 4168 0.0 0.0 N° Viviendas CN
n° hab = densidad hab.• n° VIV.
Pn = Po (1 + i)n
11 CN ZEX 2007 602 0 = 602 2008 X 0,007 606 80 = 682 2009 X 0,007 610 220 = 902 2010 X 0.007 615 140 = 1042
12 Producción A.P. Captación Superficial (Presurizadora) Estación Reductora de Presión
PTAP
PTAP
S
S
ERP
Río
Red de distribución de A.P. Red de distribución de A.P. Red de distribución de A.P. Distribución de A.P. E.E.A.P. Distribución Captación Subterránea Estación Producción A.P. E.E.A.P. ProducciónPTAP: Planta de Tratamiento de agua potable. EEAP: Estación elevadora de agua potable.
13 3. SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE AGUA POTABLE
3.1 CLASIFICACIÓN DE FUENTES SEGÚN EL ORIGEN DE LAS AGUAS a) Agua meteórica
La que está o deriva en forma inmediata de la atmósfera.
b) Agua superficial
La procedente de corrientes, lagunas, lagos y embalses naturales y artificiales, que puede ser dulce o salobre.
c) Agua de mar
La proveniente de océanos y mares, que también se denomina agua salada.
d) Agua de manantial
Fuente natural de agua que brota de la tierra o entre las rocas. Puede ser permanente o temporal. Se origina en la filtración de agua de lluvia o nieve que penetra en un área y emerge en otra, de menor altitud, donde el agua no está confinada en un conducto impermeable.
3.2 REQUISITOS GENERALES DE FUENTES SUPERFICIALES
Los requisitos y la elección de la fuente superficial dependen de las condiciones hidrológicas, de las características topográficas, geológicas y geotécnicas de la zona alimentadora, de la calidad del agua y de otros, según corresponda.
3.3 SEGURIDAD DE ABASTECIMIENTO
a) Con el objeto de aumentar la seguridad del sistema de abastecimiento de agua potable se recomienda, si es técnica y económicamente factible, contar al menos con dos captaciones cuya capacidad conjunta sea mayor o igual al caudal máximo diario del sistema de abastecimiento. b) Al evaluar cada fuente, se debe tener la seguridad que el caudal disponible a través de ella sea mayor al caudal máximo diario del sistema de abastecimiento. El caudal disponible se considerará como el caudal medio mensual posible de extraer a partir de los derechos considerados con un 90% de probabilidad de excedencia. En caso de que existan variaciones estacionales en el rendimiento de los derechos de agua superficial, se deberá establecer un balance mes a mes en que se comparará, para cada mes analizado, el caudal máximo diario de producción del mes respectivo, asociado a la fuente en cuestión, respecto del caudal con un 90% de probabilidad de excedencia de dicho mes. Todos los caudales se expresarán en litros por segundo (L/s).
c) Se deben identificar los puntos de contaminación de la fuente aguas arriba y aguas abajo del posible emplazamiento de la captación y evaluar el impacto que originan en la calidad del agua. Se
14 debe proponer acciones y mecanismos para garantizar la protección de las fuentes hacia el futuro, considerando todas las leyes, decretos, reglamentos y/o normas relacionadas con la protección de fuentes de agua. En particular, se debe considerar la implementación y mantenimiento de estaciones de muestreo de los principales contaminantes de la fuente de abastecimiento para evitar el crecimiento inadecuado de organismos, la presencia de animales y la posible contaminación por otras causas. Como resultado se tendrá un programa de control de calidad de las fuentes, que al menos debe cumplir con lo exigido en el instructivo Calidad de Fuentes de Agua Potable (Resolución SISS N°1745/99) u otro que lo reemplace y se complementará con lo establecido en el Manual de de Normas y Procedimientos para la Conservación y Protección de Recursos Hídricos, el cual establece que corresponderá a la DGA el monitoreo de la calidad de las aguas naturales.
d) Se deben desechar las fuentes superficiales cuyas características pongan en riesgo la calidad del agua abastecida a la población e incrementen los costos de tratamiento.
3.4 COMPONENTES DE LAS ESTRUCTURAS DE CAPTACIÓN
Las estructuras de captación comprenden en general los componentes siguientes, con las características indicadas. Todas las obras deben cumplir con las normas de diseño y construcción vigentes.
3.4.1 TOMA DE AGUA
Las tomas se deben construir de acuerdo con lo especificado en los planos del proyecto para cada tipo de obra de toma.
Las tomas de agua a través de tuberías se deben ubicar a la máxima altura posible para evitar que se obstruyan por sedimentos. Las tuberías se deben proteger contra la acción de las aguas y deben ser dotadas de válvulas para la interrupción del flujo con la posibilidad de una fácil maniobra. En las tomas de agua a través de canales o por tuberías, la distancia entre captación y el proceso siguiente debe ser lo más corto posible. Asimismo, ante la posibilidad de hundimiento por acción de las aguas, debe ser prevista la protección del suelo a través de un reforzamiento con roca o con cimientos profundos.
3.4.2 REJAS PARA SÓLIDOS FLOTANTES
En las captaciones laterales se debe utilizar una rejilla para la retención de sólidos flotantes construida con barras metálicas separadas de 3 mm a 5 mm, soportadas en un marco de plancha de fierro galvanizado.
En captaciones mediante canales de derivación de un curso superficial es recomendable la instalación de por lo mínimo dos rejas con diferente espaciamiento entre barras.
La primera reja que estará en contacto directo con el río, debe ser gruesa (espacio entre barras de 7,5 cm a 15 cm) en el caso de ríos con gravas gruesas o mediana (espacio entre barras de 2 cm a 4 cm) en el caso de ríos con gravas finas, y preferentemente se debe orientar en sentido paralelo al flujo del río para favorecer la autolimpieza.
La segunda reja debe ser una malla fina de diámetro libre de orificio de 3 mm a 5 mm, y se debe orientar con una inclinación de 70º a 80º en relación a la horizontal.
La distancia mínima entre rejas debe ser de 0,8 m previéndose una cámara o canal de limpieza entre rejas.
15 Las barras que constituyen las rejas deben ser de material anticorrosivo o protegidas por un tratamiento adecuado.
En captaciones de gran caudal o donde existe una importante presencia de sólidos flotantes, por ejemplo algas, es recomendable que las rejas sean mecanizadas para disminuir las labores manuales de limpieza.
3.4.3 CÁMARAS DE CAPTACIÓN
La cámara de captación es el elemento estructural de las obras de toma lateral, mediante el cual se reparte el caudal deseado a los demás componentes de la captación y el caudal remanente es retornado al río a través de un vertedero de rebase. El diseño del vertedero es para el caudal máximo de captación.
Las cámaras de captación deben cumplir con las especificaciones de estructuras de hormigón armado, con la estanqueidad requerida para el almacenamiento de agua.
Aguas abajo del vertedero de rebase, se debe instalar a una altura de 10 cm del fondo de la cámara, la tubería de aducción con un colador hacia la planta de tratamiento y a nivel del fondo de la cámara se debe instalar una tubería de desagüe de retorno al río.
3.4.4 CANALES
Los canales deben ser construidos cuidando que la velocidad no ocasione erosión ni sedimentación natural.
Cuando exista el riesgo de deslizamientos o roturas, los canales deben ser revestidos con hormigón armado o simple; también se pueden emplear rocas con base de mortero y recubiertas o enlucidos con cemento.
Es recomendable que los canales sean cubiertos con material similar al revestimiento o con otro material inerte y resistente al peso de animales y al manipuleo con fines de mantención.
Aquellos canales que pasen por áreas urbanas o habitadas se deben recubrir para evitar su contaminación.
3.4.5 DISPOSITIVO DE MEDICIÓN Y REGULACIÓN DE FLUJO
En las captaciones deben haber secciones de aforo que permitan medir el gasto de agua captada y dispositivos de regulación que resistan el empuje del agua y el golpe de sólidos grandes tales como troncos de árboles y piedras de gran tamaño, y que permitan el cierre total de la captación en casos de contaminación.
3.4.6 OBRAS DE REMOCIÓN DE MATERIAL DE ARRASTRE
Si las fuentes superficiales tienen material de arrastre (arcilla, arena, ripios) se deben considerar desarenadores, canales laterales desripiadores u otras estructuras que permitan remover los sedimentos para prevenir el embancamiento de la captación.
16 3.4.7 OBRAS DE PROTECCIÓN
Las captaciones deben estar debidamente protegidas mediante un enrocado con hormigón de las paredes del cauce u otra alternativa similar, para evitar el desmoronamiento del terreno y dar protección a la captación.
3.5 DERECHOS DE AGUA
Uso consuntivo. Es aquel derecho que faculta a su titular para consumir totalmente las aguas en cualquier actividad (por ejem. uso agrícola).
Uso no consuntivo. Es aquel derecho que permite emplear el agua sin consumirla y obliga a restituirla en la forma que lo determine el acto de constitución del derecho (por ejem., uso hidroeléctrico).
Ejercicio permanente. Permite usar el agua en la dotación que corresponda, salvo que la fuente de abastecimiento no contenga la cantidad suficiente para satisfacerlos en su integridad.
Ejercicio eventual. Permite usar el agua en las épocas en que el caudal matriz tenga un sobrante después de abastecidos los derechos de ejercicio permanente.
Ejercicio continúo. Permite usar el agua en forma no interrumpida durante las 24 hrs. del día, todos los días del año.
Ejercicio discontinuo. Permite usar el agua durante determinados períodos.
Ejercicio alternado. Permite usar el agua entre dos o más personas que se turnan sucesivamente.
La calidad del agua de la fuente de abastecimiento determina su aceptabilidad y costo, tiene variaciones considerables respecto de una región y otra, la calidad del agua en cuanto a los requisitos que debe cumplir el agua potable en todo el territorio nacional, se puede observar en la NCh 409/1 Of 2005.
Para agua potable los derechos se agua deben ser; Consecutivos, permanentes y continuos.
3.6 CALIDAD DEL AGUA POTABLE
Se define agua potable como el agua que cumple con los requisitos microbiológicos, de turbiedad, químicos, radiactivos, organolépticos y de desinfección descritos en NCh409/1, que aseguran su inocuidad y aptitud para el consumo humano
Los parámetros para definir los requisitos de calidad se han agrupado en los tipos siguientes:
Tipo I Parámetros microbiológicos y de turbiedad;
17 Tipo III Elementos radiactivos;
Tipo IV Parámetros relativos a las características organolépticas; Tipo V Parámetros de desinfección.
3.6.1 NOMENCLATURA IMPORTANTE - UFC: Unidad formadora de colonia - NMP: Número más probable
- UNT: Unidad nefelometrica de turbiedad 3.6.2 CONCEPTOS IMPORTANTES
Coliformes totales: grupo de bacterias aerobias y anaerobias facultativas, Gram negativo, no formadoras de esporas, fermentadoras de la lactosa a 35ºC con producción de ácido y gas, que poseen actividad β-D-galactosidasa.
Color verdadero: color causado por las materias disueltas en el agua, tales como iones metálicos (hierro, manganeso), taninos, ligninas y otras materias húmicas, y descargas industriales, que se determina luego de eliminar la turbiedad mediante filtración.
Contaminación: presencia de elementos, compuestos u organismos que modifican o alteran las propiedades físicas, químicas, biológicas y/o radiactivas del agua, excediendo los límites establecidos en NCh409/1.
Parámetros críticos: aquellos parámetros, característicos de la fuente o del servicio, tóxicos u organolépticos (Tipo II o Tipo IV), que en ausencia o falla del proceso de tratamiento superan el límite máximo especificado en NCh409/1
Turbiedad: Trasparencia que le quita las parte en suspensión al agua. Generalmente el agua que ingresa posee de 20 a 30 NTU (condiciones normales).
Sobre 20.000 NTU el agua adquiere un color café, esto sucede luego de 3 días de lluvia, si esto sucede se debe recurrir a la captación subterránea ya que el ciclo no alcanza a bajar el nivel de turbiedad.
Elementos como el Cu, Cromo, Fe, Manganeso se eliminan por medio de la filtración, en donde el carbón activo corresponde a la última capa del filtro (este elimina principalmente hierro y manganeso).
3.6.3 MUESTREO
Los procedimientos de inspección y muestreo para verificar los requisitos microbiológicos, químicos, radiactivos, organolépticos y de desinfección del agua potable, que se especifican en NCh409/1 se definen en NCh409/2.
18 3.7 TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE
Se define tratamiento según NCh1365 como proceso o procesos a que debe someterse el agua cruda, con objeto de lograr una calidad o requisitos pre establecidos.
Dependiendo de la calidad del agua NCh409/1 se debe considerar un tratamiento del agua, los diferentes procesos que se consideran en el tratamiento de agua son los siguientes:
Las plantas de tratamiento deben ubicarse, en lo posible, en las cercanías de las obras de captación, considerando factores sanitarios, de seguridad, económicos y de explotación.
La capacidad nominal debe ser la suficiente para satisfacer el gasto del día de máximo consumo del último año del período de previsión adoptado.
En los proyectos debe consultarse un exceso de capacidad que varía generalmente entre el 5% y 10% para compensar gastos de agua de lavado de los filtros, pérdidas por remoción de fangos, etc. La remoción de las impurezas, como ser, materias en suspensión o coloidal, materias orgánicas e inorgánicas en disolución, micro-organismos y sustancias radiactivas que hacen el agua inapropiada para usos domésticos, hasta los límites establecidos en
NCh409/1, se realiza en unidades de tratamiento en que se desarrollan procesos físicos, químicos, biológicos y/o combinación de algunos de éstos.
3.7.1 PROCESOS
Limpieza: Consiste en limpiar los sólidos grandes, basura y desechos, mediante un sistema de rejas, normalmente instalada en la bocatoma.
Desarenación: Proceso realizado por desarenador, estructura diseñada para remover partículas discretas, generalmente de tamaño igual o mayor que 0,1 ó 0,2 mm.
Por efecto de velocidades baja de agua y gravedad, las arena existente decanta y aclara el agua.
Coagulación y floculación: Proceso por el cual las partículas suspendidas en el agua se depositan por acción de la fuerza de gravedad.
Se agregan coagulantes (cloruro férrico o sulfato de aluminio) para facilitar la aglomeración de partículas aún existentes en el agua.
Sedimentación o Decantación: Proceso por el cual las partículas suspendidas en el agua se depositan por acción de la fuerza de gravedad.
Filtración: Proceso que consiste en pasar agua a través de un medio adecuado (arena, tierra de infusorios, antracita, etc.; membranas, láminas perforadas o mallas) con el propósito de eliminar la materia suspendida, coloidales y microorganismos que no pueden eliminarse por sedimentación.
19 Cloración: Eliminación de microorganismos presentes como bacterias, virus y hongos.
La desinfección es la etapa final de todo tratamiento y se realiza antes de distribuirse al agua para el consumo.
Fluoración: Contribución a la salud dental.
Las unidades más características empleadas para el efecto son las siguientes:
Unidad Proceso
a) Desarenador Físico
b) Sedimentador o decantador simple Físico
c) Mezclador Físico-químico
d) Floculador Físico-químico
e) Decantador Físico-químico
f) Filtros rápidos Físico-químico
g) Desinfección Físico-químico
h) Filtro lento Biológico
4. DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE
Parte del sistema de abastecimiento de agua que comprende el almacenamiento, conducción, redes de distribución y arranques de agua potable, inclusive la medición, grifos públicos, u otros. El sistema de distribución de cualquier servicio de agua potable, deberá ajustarse a lo establecido en la norma chilena NCh 691 “Agua Potable - Conducción, Regulación y Distribución”.
4.1 CONDUCCIÓN
Se define conducción como transporte de agua por medio de tuberías o canalizaciones sin servicio domiciliario.
La conducción, en general, está constituida por dos partes:
a) conducción primaria, entre fuentes de abastecimiento y elementos de regulación inclusive;
b) conducción secundaria, entre elementos de regulación y red de distribución.
o Aducción
o Impulsión
o Acueducto
Aducción: No necesita de un medio mecánico para impulsar el agua (funciona por gravedad). Conducción primaria
20 Impulsión: Necesita de un medio mecánico para impulsar el agua.
Acueducto: Tubo que funciona como canal (no se utiliza de un sistema de distribución). 4.2 COEFICIENTES Y FACTORES MÁXIMOS DE CONSUMO
Coeficiente del mes de máximo consumo (C.M.M.C.).
Es el cuociente entre el mayor consumo mensual y el consumo medio mensual. Coeficiente del día de máximo consumo en el mes de máximo consumo (C.D.M.C.).
Es el cuociente entre el consumo máximo diario y el consumo promedio diario del mes de mayor consumo.
Factor del día de máximo consumo (F.D.M.C.).
Corresponde al producto entre el coeficiente del mes de máximo consumo (C.M.M.C.) y el coeficiente del día de máximo consumo en el mes de máximo consumo (C.D.M.C.).
Factor de la hora de máximo consumo (F.H.M.C.).
Es el cuociente entre el consumo máximo horario y el consumo promedio horario en el día de consumo máximo diario.
4.3 DOTACIONES
a) De consumo (D.c.): cuociente entre el volumen facturado anualmente y el promedio de la población abastecida en el año multiplicado por 365.
D.c. = V.F.A./(Pob.A * 365) En que:
V.F.A. = volumen facturado anualmente;
Pob.A = promedio de la población abastecida anualmente.
b) De producción (D.p.): cuociente entre el volumen de agua producido anualmente, medido a la salida del sistema de producción y el promedio de la población abastecida en el año multiplicado por 365.
D.p. = V.P.A./ (Pob.A * 365) = D.c./[1 - (A.N.C./100)] En que:
V.P.A. = volumen de agua producido anualmente;
Pob.A = promedio de la población abastecida anualmente; A.N.C. = aguas no contabilizadas en porcentaje.
21 a) Caudal medio diario de agua potable (Qmd). Queda determinado por la relación:
En que:
Pob. = población total (hab);
D.p. = dotación de producción anual (L/hab/día); Cob. = cobertura anual (en porcentaje).
b) Caudal máximo diario (Qmáxd). Queda determinado por la relación: Qmáxd = F.D.M.C. * Qmd (L/s)
En que:
F.D.M.C. = factor del día de máximo consumo; Qmd = caudal medio diario de agua potable (L/s).
c) Caudal máximo horario (Qmáxh). Queda determinado por la relación: Qmáxh= F.H.M.C. • Qmáxd (L/s)
En que:
F.H. M.C. = factor de la hora de máximo consumo; Qmáxd = caudal máximo diario de agua potable (L/s).
Perdidas = 15%
22 En captación superficial de agua = 5%
QmáxD distribución A.P = QmáxD consumo A.P / (1 - % Perdida de distribución) QmáxD producción A.P = QmáxD distribución A.P / (1 - % Perdida de producción) QmáxD producción A.P = QmáxD consumo A.P / ((1 - % Perd. Prod.)(1 - % Perd. Dist.) 4.5 CONSIDERACIONES GENERALES
Las tuberías no deben tener tramos horizontales, deben tener por lo menos una pendiente mínima.
Para todo proyecto primero se debe realizar un levantamiento topográfico.
Debe existir una separación mínima de 50-60 cm entre la cota de terreno y la cota de radier. Cada 15 metros se debe analizar los puntos altos y bajos, cambios de material, dirección, cruces, etc.
Cuando un sondaje no está habilitado se hace un sondaje sobre una losa.
La ventosa permite la salida de toda la columna de aire que se encuentra dentro de la tubería cuando la bomba comienza a funcionar.
Bomba vertical es distinta de la bomba horizontal, la bomba horizontal tiene un eje horizontal. Una bomba siempre viene con un código: ver el tipo de bomba con la serie (el último nº antes del slach, tiene que ver con el diámetro de la tubería y el diámetro que está después del guión es el diámetro del expulsor de la bomba).
23 Siempre se va a producir una intersección entre la curva de la bomba y la curva del sistema. El punto de operación de la bomba es distinto al punto de diseño de la bomba.
Una bomba de baja eficiencia es porque esta es muy grande para el punto de operación. El segundo criterio para elegir una bomba es que su eficiencia sea sobre un 60%.
OJO: las reducciones siempre deben ser excéntricas (recta por un lado e inclinada por el otro) y no concéntricas.
4.6 FENÓMENO TRANSIENTE (GOLPE DE ARIETE)
El estudio de los fenómenos de flujo no-permanente (golpe de ariete, conocido en inglés como “waterhammer”) ha sido tema de interés de connotados físicos y matemáticos desde hace mucho tiempo (CHAUDHRY, 1987). El golpe de ariete aparece en las redes de tuberías cuando el estado de flujo permanente es perturbado mediante la modificación de la velocidad del flujo. En general, el cambio en la velocidad del flujo puede ser causado por la apertura o cierre de válvulas, falla de mecanismos hidráulicos, partida / parada de bombas, etc. El nombre “golpe de ariete” proviene del sonido que generalmente acompaña al fenómeno, similar al ruido del martillo golpeando una tubería. Sin embargo, la magnitud del ruido no es equivalente a la magnitud de la onda de choque, ya que el sonido puede ser amortiguado mientras la onda de presión daña las instalaciones. El efecto más severo del golpe de ariete se produce generalmente cuando las bombas detienen su funcionamiento, dando lugar a presiones excesivas que pueden causar daños serios a tuberías y mecanismos hidráulicos, tales como rupturas, colapsos por vacío, etc., sin considerar otros efectos que también podrían generar costos humanos, materiales y financieros, incluyendo problemas sanitarios (Le CHEVALLIER et al., 2003).
El fenómeno del golpe de ariete puede generar presiones extremas en las redes de distribución, lo cual puede llevar a fallas en la red y artefactos hidráulicos, e inclusive rupturas en las tuberías, con el consiguiente riesgo de corte del servicio, pérdidas de agua, intrusión de contaminantes al sistema, etc. Un golpe de ariete severo puede generar la separación de la columna de agua, con consecuencias desastrosas para la integridad de las tuberías. Debido a esto la simulación del flujo no-permanente y del golpe de ariete se ha convertido en un requisito esencial para asegurar el correcto diseño y operación de los sistemas de distribución de agua.
En la mayoría de los sistemas hidráulicos, se producen por diferentes razones (cierres de válvulas, paradas o partidas de bombas, corte de energía) transientes hidráulicos que son variaciones bruscas en el tiempo de las variables de presión, velocidad y caudal. Estas variaciones pueden producir graves daños en las impulsiones, si estas últimas no son debidamente diseñadas y protegidas.
Los transientes hidráulicos no sólo generan subpresiones y sobrepresiones que pueden romper la impulsión, sino que también producen ruidos excesivos, desgaste acelerado debido a la cavitación,
24 problemas de porteo y, en algunos casos, fallas en la operación de los circuitos de control. También, la entrada en resonancia del periodo de vibración inherente a algunos sistemas de tuberías, pueden destruir un sistema hidráulico.
Cuando en una impulsión ocurre la detención brusca de las bombas, debido a un corte de energía, por ejemplo, la presión cae rápidamente en la planta elevadora propagándose aguas abajo de la impulsión hasta llegar al estanque de descarga. Ésta es la fase más crítica pues, conforme a la forma del perfil longitudinal de la impulsión, la tubería puede quedar sometida en algunos tramos a subpresiones (ver Figura 1) que pueden hacer colapsar la tubería, o si ésta resiste habrá una separación de la columna líquida que luego, en la fase de sobre presión, produciría fuertes aumentos de presión.
Figura 1
Por otra parte, después de que la onda de presión es reflejada hacia las bombas en la misma intensidad que la caída de presión, la tubería puede quedar sometida a sobrepresiones que pueden colapsarla.
De acuerdo al análisis anterior, podemos inferir que para proteger una impulsión contra el golpe de ariete, hay que controlar fundamentalmente la caída de presión. En la gran mayoría de los casos el elemento más apropiado a instalar es un estanque hidroneumático junto a las bombas, porque inmediatamente después que se produce la detención de éstas, el hidroneumático introduce agua a la impulsión (no aire), producto de la expansión del aire a presión contenido en
25 su interior. Esto provoca el amortiguamiento de la caída de presión y por consecuencia controla la sobrepresión. Posteriormente, la sobrepresión reducida es nuevamente amortiguada debido a la compresión del mismo aire que se encuentra a presión dentro del estanque (ver Fig.2).
Figura 2
Los equipos que se utilizan son: Equipo hidroneumático Hidropack
Hydroballs
Válvula anticipadora de onda EQUIPO HIDRONEUMÁTICO
Los equipos hidroneumáticos sirven para mantener la presión constante en las tuberías de aguas blancas, dentro de una casa, oficina y planta purificadora de agua. Estos aparatos permiten que el agua salga a la presión y flujo adecuado, sin importar lo retirado que estén los diferentes puntos de agua de la entrada principal del inmueble (ver Figura 3)
26 Figura 3
HIDROPACK
Están diseñados interiormente con una membrana elastomérica (ver Figura 4), que tiene las siguientes funciones:
1. Dilatarse y contraerse provocando la compresión y expansión del aire en su interior, permitiendo a su vez manejar las diferencias de presiones provocadas en el sistema.
2. Evita la disolución del aire en el agua y actuar como pulmón. 3. Evita el contacto del agua con el metal del estanque.
Están diseñados con el objetivo de amortiguar el golpe de ariete, de manera de proteger a las cañerías y los equipos de bombeo. Esto se realiza mediante la inyección del fluido en forma oportuna y permanente, producto de la capacidad de contracción y dilatación de la membrana.
La finalidad de estos sistemas es inyectar una gran cantidad de agua inmediatamente producido el transiente hidráulico provocando la reducción de la caída de presión y por ende el control de la sobrepresión.
27 Figura 4
HYDROBALLS
El estanque hydroballs es un estanque hidroneumático que sirve para controlar el golpe de ariete en impulsiones cuyo funcionamiento es original y muy simple, ya que no necesita utilizar compresor ni bolsa elastomérica interna y presenta muchas ventajas frente a los estanques convencionales (ver Figura 5).
Figura 5
Estos tres tipos estabilizan en el tiempo el fenómeno de transiente y todos estos sirven cuando hay presiones menores.
VÁLVULA ESTABILIZADORA
Válvulas Anticipadoras de golpe (ver Figura 6) son usadas generalmente en sistemas de bombas. Las válvulas anticipadoras de onda no solo trabajan sintiendo la baja presión, sino también se abren cuando la presión aumenta hasta sobrepasar el ajuste del piloto de alta presión. En pocas palabras, también son de alivio de alta presión.
28
Cuando falla la electricidad y la bomba se para de repente, lo primero que ocurre es que la columna de agua se para y ocurre una baja presión. Cuando cae la presión, el piloto sensor de la baja presión se abre, así drenando la tapa a la atmósfera abriendo la válvula principal. La onda de alta presión regresa y encuentra la válvula abierta, aliviando la onda a la atmósfera o a un tanque. Válvulas anticipadoras de golpe trabajan entre dos puntos, la alta presión y la baja presión. Mientras la válvula está operando entre éstos dos puntos la válvula queda cerrada, pero en el momento que la presión caiga o suba al ajuste de cualquiera de los pilotos, la válvula se abre. La válvula anticipadora, igual que la válvula de alivio, es instalada en desvío o bypass del sistema.
El sensor de presión, cuanto más cerca está del cabezal, mejor y más precisa será la operación.
29 EJEMPLO 2.
Ejercicio de aplicación
Evaluar si es suficiente la captación superficial para la red nueva y si se necesita una captación subterránea
Red 1:
= 7.76 l/s CT=145m
30 Caudal máximo de producción:
= 14.39 l/s Red1 + Red2 Qmed Cons2= 7.76 + 500 x 15 x ( 1000x12 ) = 10.62 l/s 365 x 86400 Red 1 Red 2 = 10.62*1.38 = 14.65 l/s QmáxD Prod = QmáxD cons = 14.65 = 19.69 l/s (1 - %P Prod) (1 – %P Dist) 0.93 x 0.8
Caudal máximo diario para las dos redes es de 19, 69 l/s aproximadamente 20 l/s, por lo tanto debemos obtener 4 l/s de la captación subterránea.
Q = V x A A = Q/ V Tubería 1 A = 0.016 = 0.008 m2 2 A = π x 0.25 x D2 0.101 m = 101 mm Ø teórico
31
PVC – 10 110 mm
HDPE PN – 10 e Ø ext = 99.4 mm
Para las tubería 2 A = Q/V = 19.69 / 2 Ø = 0.129 m
Para las tubería 3 A = 4/2 = 2 Ø = 0.05 m
Calculo de altura de la bomba:
Darcy-Weisbach ΔHf = F x L x V² D² x 2g
Como es muy pequeño se usa Ø = 100 mm para considerar crecidas B Dif. Geométrica + ΔH = ΔHf + ΔHs 5% - 15% de ΔHf Darcy-Weisbach Dif. Geom. 1.1 ΔHf Hazen-Williams
32
Hazen Williams ΔHf = 10.665 *Q1.852 * L Recomendable C1.852 * D4.869 Coeficiente tubería Nueva Hb = (163 - 100) + 10.665 * 0.0161.852 * 1000 * 1,1 10.665 * 0.0201.852 * 1000 * 1,1 + 1201.852 * 0.154,869 1201.852 * 0.154.869 Tubería 1 Tubería 2
Hb = 83.15 mca, por lo tanto esa bomba debe elevar máximo 85.15 mca
Para calcular la presión en el nudo: CPBomba = CpNudo + ΔHTramo
100 + 85.15 = CPNudo + 10.665 * 0.0161.865 * 1000 * 1.1 1201.852 * 0.154.869 185.15 – 8 = CpNudo 177.15 mca = CpNudo 177.15 = PNudo + 145
177,15 – 145 = PNudo PNudo = 32.15 mca
A CPb = CPa - ΔH CPa = CPa + ΔH
33 Calculo de la presión de la bomba de sondaje
1,852
Hbs = (145 - 58) + 10,665 x 0,004 x 500 x 1,1 + 30 = 119 mca
1,852 4.869
34 - Cilíndricos - Conos truncados - Especiales - Cúbicos 5. REGULACIÓN Y ALMACENAMIENTO
Los sistemas de agua potable deben incluir estanques de regulación para efectuar la compensación entre la producción máxima diaria y el consumo máximo diario y disponer de reserva para casos de emergencia, tales como incendio, ruptura de tuberías, cortes de energía.
Estanque de regulación: unidad de almacenamiento de agua potable en un sistema de agua potable, que puede ser elevado, semienterrado o enterrado dependiendo de los requerimientos del proyecto.
Regulación: volumen de compensación entre caudales producidos y consumidos. Estanques
H. armado Metálicos
Enterrados-Semienterrados-elevados
Estanque tradicional o cilíndrico: Generalmente todos los estanques en su interior tienen columnas, cumplen el rol de sostener la loza superior.
35 En los cilindros se tienen 25-50-100-200-300-500-1000-1500-2000-3000-4000 m3 todos estos están normalizados.
Conos truncados: Aparecen siempre elevados y especiales, generalmente metálicos.
Los especiales son de hormigón armado y también son elevados Altura máxima 25 m, Vol. Máximo 1000 m3
36 No tienen un Volumen
37 Cúbicos
No son recomendables ya que pueden tener problemas de haber movimientos de tierra.
- Impulsión - Aducción - Acueducto.
Estanque Circular
38 5.1 CALCULO DE VOLUMEN DE ESTANQUE
Para el cálculo de la capacidad de los estanques se deben considerar los volúmenes de regulación, de incendio y de reserva.
El volumen de regulación se determina a base de las curvas de conducción primaria y de consumo, correspondiente al día de máximo consumo, con un mínimo de un 15% de este último volumen.
5.1.1 CÁLCULO DEL VOLUMEN DE INCENDIO
El volumen de incendio se determina de acuerdo con la demanda y duración del siniestro. Para los efectos de cálculo, debe considerarse a lo menos 2 h de siniestro, con un caudal de 16 L/s en cada grifo de 100 mm de diámetro, según NCh1646, y el número de grifos en uso simultáneo que indica la tabla 1 siguiente.
Como alternativa y cuando su infraestructura lo permita, la empresa sanitaria prestadora puede emplear grifos de 32 L/s.
Cuando el volumen de incendio, calculado a base de 2 h de siniestro, supere el volumen de regulación, la Autoridad Competente puede autorizar un valor menor a 2 h de siniestro como base de cálculo pero no inferior a 1 h; en cualquier caso el volumen del estanque debe ser como mínimo 60 m3.
5.1.2 VOLUMEN DE RESERVA
Para hacer frente a fallas accidentales en la producción, elevación y conducción primaria se debe considerar un volumen de reserva (seguridad), el cual debe ser determinado por la Autoridad Competente, en función de la vulnerabilidad del sistema. El volumen mínimo a considerar debe ser equivalente a 2 h de consumo en el día de máximo consumo previsto.
El proyectista debe determinar el volumen de estanque tomando el mayor valor que resulta de las siguientes relaciones:
a) Vreg + Vinc b) Vreg + Vreserv
39 Antiguamente se graficaba el volumen de un estanque de regulación
Q=Vol/t
Antes del estanque se deben evaluar QmáxD Prod Después del estanque se deben evaluar QmáxH Dist
Hrs QmáxD Prod QmáxH Dist 0:00 8 l/s 2 … … … 6:00 0 l/s 0.5 … … … 12:00 8 l/s 10 … … 24:00:00 0 l/s 15 QmáxD Prod
- Se debe sacar el volumen de producción y luego se saca el volumen acumulado y se grafica |V1|
QmáxH Dist
- Se debe pasar a volumen y se debe acumular y el volumen acumulado y se grafica |V2|
40 Se debe siempre descontar de un volumen regular de un estanque el nivel mínimo del agua. El volumen regular está entre el nivel mínimo del agua y el límite de la tubería de desagüe.
Qe Qs Qe = Qs + Δs (Variación de almacenamiento) Δt Qe: Dato Qs: No se conoce
Δs: Se conoce con las variaciones de volumen en el QHdist.
Δs = V = volumen estanque = λR²h (cilíndrico) Δt t Δt 1hr
41 Ejemplo 3
Calcular volumen de estanque n°1
Máx. (Vreg + Vinc; Vreg + Vres)
Vreg = QmáxD prod*24 hrs*0.15 Vres = QmáxD prod * 2 hrs Vinc = table 1 Nch691
Qmed cons red 1+2 = 9.07 l/s
QmáxD cons = Qmed cons red 1+2*FDMC QmáxD cons = 9.07*1.65 = 14.97 l/s
42 QmáxD prod = 19.699 l/s Vreg = 19.699 l/s * 86400 seg * 1 m3/1000 l * 0.15 Vreg = 255.29 m3 Vres = 19.699 l/s * 7200 seg * 1 m3/1000 l Vres = 141.83 m3 Vinc= 230 m3
Número de habitantes = 2000 viv * 4 hab/vivienda = 8000 habitantes
6000-25000 hab Vinc=230 m3
V
E1=
Máx. (485.29; 397.12)43 6. SISTEMA DE RECOLECCIÓN, TRATAMIENTO Y DISPOSICIÓN FINAL DE AGUAS SERVIDAS
A comienzos de la década de los 90 comenzó en Chile, en forma incipiente, el proceso de construcción de plantas de tratamiento de aguas servidas (PTAS). Desde el año 2000, con la publicación de la Norma de Emisión de Residuos Líquidos a Aguas Marinas y
Continentales Superficiales (Ministerio Secretaría General de la Presidencia, Chile. 2001), el proceso se aceleró significativamente.
Hoy, aproximadamente el 66% de la población descarga sus aguas servidas a sistemas que cuentan con tratamiento.
6.1 TRATAMIENTO DE AGUAS SERVIDAS 6.1.1 TRATAMIENTO PRELIMINAR
El objetivo del tratamiento preliminar, también llamado pretratamiento, es eliminar cualquier elemento que pueda entorpecer alguna de las etapas siguientes del tratamiento. Los principales elementos objetivos de esta etapa son los sólidos gruesos, la arena y los aceites y grasas (Eckenfelder and Grau 1992). En Chile, el 64% de las PTAS tienen algún tipo de tratamiento preliminar, siendo las rejas el más común. La mayoría de las PTAS que no cuentan con esta etapa de tratamiento corresponden, en general, a plantas compactas que atienden a pequeñas poblaciones.
Los sólidos gruesos, plásticos, ramas y otros elementos que pueden tapar las tuberías o provocar daños en las instalaciones son típicamente removidos mediante barras y un sistema de rejas. Las rejas pueden incluir más de un tamaño de tamiz, y ser, a su vez, manuales o automáticas. En Chile las rejas son parte del tratamiento preliminar de todas las plantas que tienen esta etapa, es decir, un 64% del total. Las plantas pequeñas suelen tener un solo tamiz y de limpiado manual (típicamente una vez al día), mientras que plantas más grandes suelen incorporar dos, o hasta tres tamaños de tamices, y frecuentemente un sistema automático de extracción de los sólidos.
La arena es removida en un desarenador, con el objetivo de evitar la abrasión de las tuberías y su deposición en los estanques (sedimentadores primarios o secundarios). El desarenador puede ser aireado, con el fin de lavar la arena y al mismo tiempo evitar la sedimentación de materia orgánica –que requiere estabilización posterior– junto con la arena inorgánica.
Los aceites y las grasas, que pueden colmatar las tuberías y equipos, son removidos también durante el tratamiento preliminar en un desgrasador. El mecanismo de remoción de estos equipos es típicamente la flotación, y ellos pueden ser independientes o estar incorporados al desarenador, aprovechando la aeración de este último. El 23% de las PTAS cuentan con un
44 Figura 7
6.1.2 TRATAMIENTO PRIMARIO
El objetivo del tratamiento primario es la remoción de la materia orgánica suspendida (Diehl and Jeppsson 1998), pudiendo lograr una relativamente alta remoción de materia orgánica a bajo costo. Las principales tecnologías para la remoción de sólidos son la sedimentación y la flotación, siendo la flotación que usa aire disuelto la más común (DAF, por sus siglas en inglés).
En Chile, sólo un 11% de las PTAS incorporan tratamiento primario, de las cuales el 90% corresponde a sedimentación. No obstante el bajo porcentaje global, todas las plantas de gran tamaño incorporan esta etapa en el tratamiento.
6.1.3 TRATAMIENTO SECUNDARIO
El objetivo del tratamiento secundario es la remoción de la materia orgánica disuelta (Gaudy and Gaudy 1971), típicamente medida como la fracción soluble de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO). Esta etapa del tratamiento es muchas veces vista como la principal de una planta de tratamiento, y la que define como ‘biológico’ a aquellos procesos que utilizan organismos biológicos para la remoción de la materia orgánica.
Las principales tecnologías disponibles en Chile son los lodos activados, lagunas, sistemas de medio fijo y los lombrifiltros.
La tecnología de lodos activados es la más común en Chile, siendo utilizada en el 61% de las PTAS en sus diferentes variaciones: lodos activados convencionales, aeración extendida, zanjas de oxidación y reactores batch secuenciales.
Dentro de las distintas tecnologías de lodos activados, la más utilizada es la aeración extendida (62% del las plantas de lodos activados), seguida de los lodos activados convencionales (20%), las zanjas oxidativas (10%) y los reactores secuenciales batch (8%).
Las lagunas son tecnológicamente más simples, y pueden tener aireación mecánica (lagunas aireadas) o no tenerla (lagunas facultativas o de estabilización). Las lagunas son utilizadas en el 23% de las PTAS, en especial en comunidades pequeñas y en la zona centro-norte del país. De las plantas que utilizan la tecnología de lagunas, el 75% corresponde a lagunas aireadas, mientras que el 25% restante corresponde a lagunas de estabilización. Cabe destacar que muchas de las actuales lagunas aireadas fueron lagunas de estabilización durante algunos años, y se les
45 incorporó aireación forzada cuando la carga contaminante sobrepasó la capacidad depuradora de la laguna de estabilización.
Los sistemas de medio fijo son poco utilizados en Chile, representando sólo el 4,2% del total de las PTAS. Las tecnologías más usadas son las de sistemas rotatorios (en especial la denominada biodiscos) y los filtros biológicos.
Otra tecnología usada como tratamiento secundario es la denominada “lombrifiltro”, desarrollada por la Universidad de Chile (Fundación para La Transferencia Tecnológica, Universidad de Chile. 2004) y que es usada por un 3,9% de las PTAS. En este proceso los residuos son transformados en humus por lombrices. Los emisarios submarinos son también utilizados como una alternativa para el tratamiento secundario, los que aprovechan las condiciones de dispersión y de purificación natural del océano para tratar las aguas servidas. En Chile, los emisarios representan el 8,1% de las PTAS.
A la fecha, la tecnología de membranas, que ha tenido un desarrollo muy importante en el mundo durante la última década, tanto para tratamiento secundario como para tratamiento avanzado, no se utiliza en Chile.
6.1.4 TRATAMIENTO TERCIARIO
El objetivo del tratamiento terciario, o avanzado, es remover cualquier otro elemento no deseado (Eckenfelder 2000). Esta etapa del tratamiento está generalmente enfocada a la remoción de nutrientes (nitrógeno y fósforo). Actualmente sólo el 8% de las PTAS en Chile tiene algún tipo de tratamiento terciario, siendo las tecnologías más usadas la remoción biológica de nitrógeno y fósforo (65% del total), y la remoción química de fósforo (30% del total).
Llama la atención que, del total de plantas con tratamiento avanzado, el 80% se ubica en la X Región. Esta situación se debe, en parte, a que la norma de emisión de nutrientes (N y P) a lagos es cinco veces menor que aquélla para la descarga de nutrientes en ríos. No obstante, es posible observar que el 54% de las PTAS que poseen tratamiento avanzado no descargan sus aguas a lagos, ni a ríos que descarguen posteriormente en lagos, por lo que en teoría no requerirían de esta etapa de tratamiento. Por el contrario, existe un alto número de PTAS que, descargando a lagos, no poseen tratamiento avanzado ni remoción de nutrientes.
6.1.5 DESINFECCIÓN
El objetivo de la desinfección es remover organismos eventualmente patógenos para el ser humano (Olsson and Newell 1999). Como indicador, se utiliza el número de coliformes fecales por 100 ml, cuya norma de emisión es de 1.000 coliformes (100 ml)- 1, lo que equivale a la norma de calidad de agua para usos recreacionales.
El 90% de las PTAS cuenta con una etapa de desinfección de los efluentes finales. De las plantas que no cuentan con desinfección, el 80% corresponde a emisarios submarinos, los cuales no están forzados a desinfectar porque la norma de emisión fuera de la zona de protección litoral no establece un máximo de coliformes fecales.
Las tecnologías usadas en Chile corresponden a cloración (76% del total) y a los rayos ultravioleta (UV, 24% del total). La alternativa del ozono, ampliamente usada en otros países (Tchobanoglous
46 et al 2003), no se utiliza en Chile. Si bien esta última tecnología genera subproductos menos problemáticos que el cloro (Tchobanoglous 2003), los altos costos de capital hacen del ozono menos atractivo comercialmente.
La mayoría de las plantas utiliza cloración en base a hipoclorito (62%), en especial en aquellas plantas que atienden a poblaciones menores de 40.000 habitantes. El 38% restante utiliza gas cloro, tecnología que es usada en la mayoría de las PTAS de localidades con más de 40.000 habitantes. De aquellas plantas que utilizan cloración, el 26% incluye el proceso de decloración, es decir, la remoción del cloro residual antes de descargar el efluente final en el medio ambiente, con el objetivo de reducir la toxicidad a los peces (Cleseri et al 1998). Por su parte, la tecnología UV se utiliza principalmente en plantas que atienden a una población de menos de 35.000 habitantes, y sólo en plantas de lodos activados y lombrifiltros.
Figura 8
6.2 RECOLECCION
La palabra alcantarillado designa la evacuación de las aguas servidas (residuales), o de los efluentes líquidos de las viviendas a través de un sistema de conductos. Se aplica a los sistemas de transporte de desechos por agua, es decir, la recolección de aguas residuales domésticas e industriales y su adecuado tratamiento.
47 6.2.1 REDES DE COLECTORES
Consiste en un conjunto de tuberías que se desarrolla por las vías públicas, caminos, calles y pasajes, y que colectan las aguas servidas de las viviendas y la conducen a una planta de tratamiento de aguas servidas. Se diseñan exclusivamente como flujo gravitacional libre de canal abierto en tubería parcialmente llena.
Las cañerías se diseñan en alineaciones rectas, con cámaras de inspección en los siguientes Puntos:
• Al comienzo de los nacientes. • Cambios de dirección. • Cambios de pendientes. • Cambios de diámetro. • Cambios de material.
• Confluencia de dos o más tuberías, exceptuando los empalmes directos de uniones domiciliarias.
• Distancia máxima de 120m para diámetros nominales de tuberías de D<600mm. Se diseñan de acuerdo a la Norma Chilena NCh 1105.Of 1999.
ESQUEMA DE UNA RED DE COLECTORES
6.2.2 ELEMENTOS DE UNA RED DE COLECTORES
Los sistemas de alcantarillado se componen básicamente de Tuberías o colectores, y de cámaras de inspección. Las tuberías se designan, en orden de importancia como Laterales, Cañerías, Colectores y emisarios. Las cámaras permiten la inspección y limpieza del sistema; se construyen
48 de hormigón hecho en sitio o prefabricado. Para alturas menores a 1.7m se utilizan cámaras tipo “b” con losa de hormigón armado. Para cámaras más profundas se utilizan cámaras tipo “a”. Las cámaras tienen escalines de fierro galvanizado para acceder a ellas, y tapas de fierro fundido que se rellenan con hormigón. Para las tuberías se utiliza generalmente PVC, por su bajo precio y existencia en el mercado. También se utilizan aunque con menor frecuencia Cañerías de Cemento Comprimido. En zonas con presencia de agua se ha utilizado también Polietileno de Alta Densidad, por sus uniones fundidas.
Colector:
49 Cañerías: Tiene unión domiciliaria.
Colector: No debe tener ninguna unión domiciliaria, funciona como canal. Laterales: Son los tramos iniciales.
Los colectores no deben ser utilizados para evacuar aguas lluvias ya que el tubo colapsa y se tapa. Cada CI posee las siguientes características:
- h terreno - Cota de entrada - Cota de salida
- h = cota terreno – cota de salida Entrada – Salida = 2 cm
Las EEAS del sistema de recolección son sumamente diferentes a las del sistema de distribución.
Cámara de rejas:
- Retiene sólidos superiores a 3 cm de diámetro. - Se limpian 2 veces al día (11:00-12:00 y 18:00 a 19:00) Sentina
50 - Las bombas no pueden funcionar más de 10-12 veces en una hora.
Entre una EEAS y una CI debe existir una cámara de amortiguación.
Asignación áreas tributarias
6.3 CALCULOS EN ALCANTARILLADO
Para dimensionar correctamente un sistema de alcantarillado se realizan cálculos, para cada elemento del sistema, que consideran lo siguiente:
- Población: Cantidad de habitantes que evacuan sus aguas servidas.
- Dotación: Es la consumo promedio de agua potable por cada habitante, por cada día. - Recuperación: Corresponde a la parte del agua potable consumida que va al
alcantarillado.
- Área Tributaria: Área geográfica cercana que podría ser evacuada por el sistema de alcantarillado que se diseña.
- Periodo de Previsión: Es el tiempo que se espera que las obras permanezcan en operación, antes de ser reemplazadas.
- Tasa de Crecimiento de la población: Permite calcular cuánto aumentara la población en el periodo de previsión.
51 6.3.1 CALCULO DE COLECTORES
Para diseñar el trazado y correcto dimensionamiento de los colectores se considera lo siguiente: - Caudales: obtenidos anteriormente.
- Diámetros y materiales disponibles: permitidos por las normas y disponibles en el mercado.
- Topografía del lugar: eligiendo un trazado de preferencia consecuente con las vertientes naturales.
- Características del subsuelo.
6.3.2 CÁLCULO DE CAUDALES
Caudal medio As Qmed As = Nº clientes x Dot x R R: 0,85
Caudal máximo horario As Qmáx AS = Si P ≤ 100 Hab.
Qmáx AS Tabla Boston Society Si P ≥ 1000 Habitantes. Qmáx As = M x Qmed As M = 1 + 14 4 +
√
P / 1000 Si 100 < P < 1000 Habitantes Qmáx AS Interpolación Caudal mínimo AS Qmín AS - Lateral Qmín As = Qmáx AS - Cañería Qmín AS = Qmed AS - Colector Q Min AS = 0.6 Qmed AS 6.3.2 RESTRICCIONES DE DISEÑO- Alturas máxima de escurrimiento h = 0.7 D : De este modo se restringe la altura de modo que no se convierta en escurrimiento en presión. Para un diámetro y caudal se obtiene pendiente mínima
52 - Altura mínima de escurrimiento h = 0.3 D : Determina para un caudal y diámetro una
pendiente máxima.
- Velocidad máxima v =3.0 m/s : Se limita la velocidad máxima para evitar problemas de deterioro de las instalaciones y problemas operativos.
- Velocidad Mínima v = 0.6 m/s : Se limita la velocidad mínima para evitar la sedimentación de los sólidos más pesados. Es consecuente con el concepto de Autolavado, es decir que las cañerías se mantengan limpias con el caudal que fluye por ellas.
- Diámetros mínimos: En calles D=200mm
- Profundidades mínimas : Cámaras nacientes H=1.6m
6.3.3 VERIFICACIÓN Y / O DISEÑO RED DE COLECTORES 1º verificación condiciones máximas:
A) Qmáx HAS total ≤ Qmáx Porteo AS Utilizando formula de Manning.
/n Donde: A = Área escurrimiento n = 0,013 B) Velocidad de escurrimiento < 3 m/s
2º Verificación condiciones mínimas
Si no se cumple condición anterior
53 1º de (*) : Q x n 1 = A * RH ⅔ : √i D8/3 Q * n A * RH ⅔ = √i x D8/3 D8/3
Buscar valor en tablas de Ven Te Chow
H/d ... A*Rh2/3/D8/3 0.7 … 0.2608 Por lo tanto Q x n = 0,2608 √i x D8/3 Ejemplo 4
54 Qb = 1.2 Qmáx Has
Qmáx HAS = 3,6 (por tabla), por lo tanto Qeeas = 4,32 l/s
TUBERÍA MATERIAL I [%] D 1 Acero 1,0 250 2 0,6 250 3 2,0 300 4 0,5 400 5 - 100 6 - 100 Dotación = 15 m³ /arr/mes Densidad = 5 Habitantes / viv R: 0.85
TRAMO C I i C I f CLIENTES DOTACIÓN Qmed As [ l/s ]
3 2 3 3800 15 18,436
4 3 PTAS 3800 15 18436
55 [ l/ s ]
Q máx Has As
* Q mín As
QEEAS Q inf Q ind Q máx AS total Q min As Total
49,31 11,07 17,21(*) 6 - 72,52 17,07 (**) 49,31 11,07 17,21 6 2 74,52 17,07 (*) QEEAS 1 = 4,32 (**) Qmin AS + Qinf Q máx HAS red 3 = 10,02 QEEAS 2 = 1,2 * (10,02 + 4,32) = 17,21
56 Ejemplo 5 TUBERÍA D L MATERIAL I (%) 1 100 PVC 1,2 2 110 PVC 0,9 3 120 PVC 0,6 4 80 PVC 0,81 5 95 PVC 1,9 6 100 PVC 0,6 7 300 PVC 2,0 8 250 PVC 2,2
Dotación de Consumo: 20m³/arr/mes Son solo Colectores.
Ø int = 188 mm
57
TRAMO C I i C I f CLIENTES
ASOCIADOS
DOTACIÓN Qmed AS HARMON Qmáx AS Q min AS QEEAS Qinf Qind Qmáx HAST
1 1 2 18 20 0,116 - 3,4 (tabla) 0,070 - - - 3,4 l/s 2 3 4 5 6 7 - - 200 20 - 1,2 - - 8 - - 100 20 - 1,2 - - 9 3 3
CONDICIONES MÁXIMAS CONDICIONES MÍNIMAS
Q min AS total
(*) QPorteo (**) H/D (***) Vesc Verific. 1 Verific. 2 Verific. 3 H/D (iv) V esc V autolavado Verific. 1 Verific. 2
58 (*) Se parte por D = 200 mm ; Q * n = 0.2608 Qporteo = 0.02549 m⅗ = 25,49 l/s √(i) x D8/3 (**) Q = 3.4 l/s Q * n 3.4 x 10¯³ x 0.013 A * Rh⅔ = = 0,034 0,034 = √i * D8/3 √(0,012) x (0,188)8/3 D8/3 (***) Q = V x A de la Col. de 0,23 en A / d₀² 0,1365 = A A = 0.0048 0,1882 Por lo tanto Volumen = 0,0034 / 0,004
= 0,708 m/s
NOTA: Siempre se trabaja con las Q totales
OJO: Si no se cumple alguna verificación se sugiere cambiar el Ø
Q x n 0,070x 10¯³ x 0,013
iv) IDEM pero con el Q min total = 0,070 = 0,000716 h/D = 0,04
√(i) x D8/3 √(0,012) x (0,188)8/3 A = 0,03711
Como la verificación 1 no se cumple, nos devolvemos y calculamos la Velocidad de escurrimiento Velocidad de autolavado = 0.37 + 0,242 x (h/D) = 0.38
0,04
En la tabla no está, por lo tanto busco el mayor h/D = 0.23
