UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
ESTUDIO DE FACTIBILIDAD PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE
UN SISTEMA DE REUTILIZACIÓN DE AGUAS GRISES EN UN
EDIFICIO HABITACIONAL DE LA CIUDAD DE QUITO
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO MECATRÓNICO
JOSUÉ DANIEL ASTUDILLO SILVA
DIRECTOR: ING. JUAN CARLOS RIVERA
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
BIBLIOTECA UNIVERSITARIA
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1722310800
APELLIDO Y NOMBRES: JOSUÉ DANIEL ASTUDILLO SILVA
DIRECCIÓN: MUÑECAS N44-48 Y PAREDES
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 2259556
TELÉFONO MOVIL: 0984504980
DATOS DE LA OBRA
TITULO: ESTUDIO DE FACTIBILIDAD PARA LA IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA DE REUTILIZACIÓN DE AGUAS GRISES EN UN EDIFIO HABITACIONAL DE LA CIUDAD DE QUITO
AUTOR O AUTORES: Josué Astudillo Silva
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
Juan Carlos Rivera
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: INGENIERO MECTRÓNICO
RESUMEN: Mínimo 250 palabras Con la finalidad de disminuir el
consumo de agua potable en las actividades cotidianas del ser humano se presenta un estudio que abarca el diseño e implementación, incluyendo costos, de un sistema de reutilización de aguas provenientes de duchas y lavamanos en edificios habitacionales. El estudio se lo realiza bajo las
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condiciones de consumo de la ciudad de Quito y explica a detalle los procesos de captación, limpieza y reutilización del agua residual, para que el estudio tenga mayor aplicabilidad se realiza todos los cálculos y una redistribución sanitaria que permita al acopio de aguas grises para su futuro tratamiento mediante sedimentación y filtrado en un edificio ya construido de la ciudad de Quito. Así como también se expone el análisis necesario para automatizar dichos procesos, y presenta el procedimiento de selección de tanques, bombas, electroválvulas y sistemas de control. El presente proyecto también incluye el desarrollo de un software capaz de realizar los
cálculos referentes al
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almacenamiento durante el proceso de tratamiento del agua residual.
PALABRAS CLAVES:
ABSTRACT: In order to reduce the consumption of
drinking water in everyday human
activities, is presented a study that
covers the design and
implementation, including costs, of a
system for reusing water from
showers and sinks in residential
buildings. The study is done under the
conditions of use of water in the city of
Quito and explains in detail the
processes of gathering, cleaning and
reuse of wastewater, so that the study
has wider applicability all the analysis
and pipe redistribution, that looks for
pulling apart the gray water for future
treatment by sedimentation and
filtration, are made for a building
already built in the city of Quito. The
analysis also exposes and presents
how to automate the purification
processes and also explain the
selection process for tanks, pumps,
valves and how to define the control
systems. This project also includes
the development of software capable
of performing calculations concerning
the sizing of the system that capture
the gray water, the pump capacity to
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toilets and some communal areas of
the building, and an estimate of the
costs for the implementation of the
piping systems. The study also
presents the results of a simulation
that allows observing the control
system behavior under of different
levels of liquid inside the storage and
sedimentation tanks during
wastewater treatment.
KEYWORDS
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de la Institución.
f:__________________________________________
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, JOSUÉ DANIEL ASTUDILLO SILVA, CI: 1722310800 autor del proyecto titulado: Estudio de Factibilidad para la Implementación de un Sistema de Reutilización de Aguas Grises en un Edificio Habitacional de la Ciudad de Quito previo a la obtención del título de GRADO ACADÉMICO COMO APARECE EN EL CERTIFICADO DE EGRESAMIENTO en la Universidad Tecnológica Equinoccial.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de
Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de
información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio
que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual vigentes.
Quito, Julio, 2016
f:_______________________________________ JOSUÉ DANIEL ASTUDILLO SILVA
DECLARACIÓN
Yo JOSUÉ DANIEL ASTUDILLO SILVA, 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 incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial 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.
_________________________ Josué Daniel Astudillo Silva
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Estudio de Factibilidad para la Implementación de un Sistema de Reutilización
de Aguas Grises en un Edificio Habitacional de la Ciudad de Quito”, que, para aspirar al título de Ingeniero en Mecatrónica fue desarrollado por Josué Astudillo, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería en Industria; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 19, 27 y 28.
___________________
Juan Carlos Rivera DIRECTOR DEL TRABAJO
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN i
ABSTRACT ii
1. INTRODUCCIÓN 2
2. MARCO TEÓRICO 4
2.1. AGUAS RESIDUALES 5
2.1.2.CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 6
2.2. TRATAMIENTO Y REUTILIZACIÓN DE AGUAS RESIDUALES 7
2.2.1.NIVELES DE TRATAMIENTO 8
2.2.2.TIPOS DE TRATAMIENTOS 9
2.3.3.OPERACIONES UNITARIAS 9
2.4. SISTEMAS HIDROSANITARIOS 10
2.4.1.TUBERÍAS 11
2.4.2.BOMBA HIDRÁULICA CENTRÍFUGA 11
2.5. MARCO LEGAL 11
2.5.1.CÓDIGO ORGÁNICO DE ORGANIZACIÓN TERRITORIAL,
AUTONOMÍA Y DESCENTRALIZACIÓN (COOTAD) 11
2.5.2.ORDENANZA MUNICIPAL 106 DISTRITO METROPOLITANO DE QUITO 12
3. METODOLOGÍA 13
3.1. REQUERIMIENTOS 15
3.2. PROTOCOLOS DE PRUEBA 16
4. DISEÑO 17
4.1. DISEÑO CONCEPTUAL 18
4.2. DISEÑO ESPECÍFICO 21
4.2.1.SISTEMA DE PURIFICACIÓN 21
4.2.2.SISTEMA DE CONTROL 38
4.2.3.SISTEMA SANITARIO 42
4.2.4.SOFTWARE DE APLICACIÓN 45
5.1. ANÁLISIS DE AGUA TRATADA 49
5.2. ESTUDIO DE FACTIBILIDAD 50
5.2.1.DIMENSIONAMIENTO DE TANQUES DE SEDIMENTACIÓN Y
ALMACENAMIENTO 52
5.2.2.SELECCIÓN DEL ESPESOR DE LOS TANQUES. 54
5.2.3.SELECCIÓN DEL TANQUE. 55
5.2.4.SELECCIÓN DE LA BOMBA DE DISTRIBUCIÓN A LOS INODOROS. 55
5.2.5.DIMENSIONAMIENTO Y SELECCIÓN DE FILTRO. 56
5.2.6.SELECCIÓN DE BOMBA INTER FILTROS. 57
5.2.7.SIMULACIÓN 57
5.2.8.COSTOS 60
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 64
BIBLIOGRAFÍA 67
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Características físicas, químicas y biológicas del agua residual, y su
fuente. ... 22
Tabla 2. Operaciones unitarias para el tratamiento de aguas residuales. ... 24
Tabla 3. Análisis de calidad de agua, agua residual sin tratar. ... 25
Tabla 4. Unidades de descarga de aparatos sanitarios que descargan al sedimentador. ... 28
Tabla 5. Unidades de descarga de aparatos sanitarios que son abastecidos por el sistema. ... 29
Tabla 6. Especificaciones técnicas sensor ultrasónico hc-sr04. ... 38
Tabla 7. Especificaciones técnicas arduino nano. ... 39
Tabla 8. Diámetro de tubería de abastecimiento por pesos. ... 43
Tabla 9. Rubros referenciales – costo directo. ... 44
Tabla 10. Análisis de calidad de agua, agua residual sedimentada. ... 49
Tabla 11. Análisis de calidad de agua, agua residual sedimentada y filtrada. ... 50
Tabla 12. Datos necesarios para el cálculo de capacidad del sistema. ... 50
Tabla 13. Valores obtenidos de la ventana “capacidad de la bomba” del software “reutilización de aguas domésticas” ... 53
Tabla 14. Límites de llenado de los tanques. ... 58
Tabla 15. Lógica de funcionamiento del control de nivel de los tanques. ... 58
Tabla 16. Datos a ingresados en la ventana “costos” del software “reutilización de aguas residuales” ... 61
INDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Metodología mecatrónica modelo en v. ... 14
Figura 2. Diseño conceptual del sistema de reutilización de aguas grises. ... 18
Figura 3. Estructura del sistema de reutilización de aguas grises. ... 20
Figura 4. Flujo de proceso. ... 21
Figura 5. Diltro de arena y grava a presión. ... 34
Figura 6. Sensor hc-sr04 ... 38
Figura 7. Circuito de potencia simulado en proteus 8.1 ... 41
Figura 8. Planos eléctricos ... 42
Figura 9. Ventana capacidad del sistema... 46
Figura 10. Ventana capacidad de la bomba. ... 46
Figura 11. Ventana costos. ... 47
Figura 12. Cálculo de capacidad del sistema para el sistema de reutilización de aguas grises del edificio marquise tenis. ... 51
Figura 13. Sección rectangular circunscrita. ... 54
Figura 14. Características del tanque cilíndrico horizontal de plastigama... 55
Figura 15. Cálculo de capacidad de la bomba para el sistema de reutilización de aguas grises del edificio marquise tenis. ... 56
Figura 16. Funcionamiento del control de nivel de los tanques, caso 1. ... 59
Figura 17. Funcionamiento del control de nivel de los tanques, caso 2. ... 59
Figura 18. Funcionamiento del control de nivel de los tanques, caso 3. ... 60
INDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO 1. ANÁLISIS DE CALIDAD DE AGUA ... 70
ANEXO 2. PROPIEDADES MECÁNICAS DEL POLIETILÉNO ... 73
ANEXO 3. ESPESIFICACIONES TÉCNICAS BOMBA BARNES HE
1.5.20-1 ... 74
ANEXO 4. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS FILTRO DE PISCINA
EMAUX 17" ... 76
INDICE DE ECUACIONES
ECUACIÓN PÁGINA
Ecuación 1. Consumo total de agua en el edificio. 26
Ecuación 2. Consumo total en duchas. 26
Ecuación 3. Consumo total en lavamanos. 27
Ecuación 4. Consumo total en inodoros. 27
Ecuación 5. Consumo en llaves de manguera. 27
Ecuación 6. Capacidad de reciclaje. 27
Ecuación 7. Volumen requerido. 28
Ecuación 8. Peso total de descarga en duchas. 28
Ecuación 9. Peso total de descarga en lavamanos. 28
Ecuación 10. Peso total de descarga al sistema. 29
Ecuación 11. Caudal de entrada al tanque sedimentador. 29
Ecuación 12. Peso total de descarga en inodoros. 30
Ecuación 13. Peso total de descarga en llaves de manguera. 30
Ecuación 14. Caudal de salida del sistema. 30
Ecuación 15. Área transversal del sedimentador. 30
Ecuación 16. Ancho de la base del sedimentador. 31
Ecuación 17. Altura máxima de agua en el tanque sedimentador 31
Ecuación 18. Altura del tanque sedimentador. 31
Ecuación 19. Volumen sobrante. 31
Ecuación 20. Velocidad de llenado del tanque sedimentador. 32
Ecuación 21. Caudal de evacuación de aguas grasas. 32
Ecuación 22. Área del tubo de evacuación de aguas grasas. 32
Ecuación 23. Presión. 33
Ecuación 24. Peso específico del líquido. 33
Ecuación 25. Tensión en la sección longitudinal. 33
Ecuación 26. Altura del medio filtrante. 35
Ecuación 27. Cámara de expansión. 35
Ecuación 28. Altura útil de filtrado. 35
Ecuación 29. Área del filtro. 36
Ecuación 30. Diámetro del filtro. 36
Ecuación 31. Pérdidas en el cálculo de la bomba. 37
Ecuación 32. Altura dinámica total. 37
i
RESUMEN
ii
ABSTRACT
In order to reduce the consumption of drinking water in everyday human
activities, is presented a study that covers the design and implementation,
including costs, of a system for reusing water from showers and sinks in
residential buildings. The study is done under the conditions of use of water
in the city of Quito and explains in detail the processes of gathering, cleaning
and reuse of wastewater, so that the study has wider applicability all the
analysis and pipe redistribution, that looks for pulling apart the gray water for
future treatment by sedimentation and filtration, are made for a building
already built in the city of Quito. The analysis also exposes and presents how
to automate the purification processes and also explain the selection process
for tanks, pumps, valves and how to define the control systems. This project
also includes the development of software capable of performing calculations
concerning the sizing of the system that capture the gray water, the pump
capacity to distribute de cleaned water to all toilets and some communal
areas of the building, and an estimate of the costs for the implementation of
the piping systems. The study also presents the results of a simulation that
allows observing the control system behavior under of different levels of
liquid inside the storage and sedimentation tanks during wastewater
treatment.
1 Dada la creciente necesidad del ser humano de ahorrar recursos, se crean diversos sistemas de reutilización, reciclaje y purificación para promover un desarrollo sustentable. Siendo el agua el principal recurso de consumo del ser humano existe la necesidad de desperdiciar la menor cantidad posible, y de evitar su contaminación a toda costa. Por esta razón nacen los sistemas de purificación y tratamiento de agua, para poder limpiarla antes de reintegrarla a los afluentes naturales y así minimizar el impacto ambiental sobre ríos y mares. Así mismo estos sistemas de purificación son aplicados para reutilizar el agua después de ser tratada. Los niveles de limpieza del agua dependen del tipo de tratamiento que se emplee y de la aplicación que se le quiera dar, dichas aplicaciones van desde riego hasta consumo humano (Aqua España, 2011).
Por otro lado se puede observar que la utilización de sistemas de ahorro de recursos en edificaciones y viviendas es una tendencia global, la intención es minimizar el consumo energético e hídrico. Esto se puede lograr de dos formas, reutilizando la mayor cantidad posible de agua e implementando un sistema alterno de generación basado en energía renovable (fotovoltaico, eólico, etc.).
Este tipo de sistemas son viables gracias al uso de herramientas tecnológicas capaces de incorporar los procesos de purificación y obtención de energía con el diseño y construcción de edificaciones habitacionales. El presente trabajo busca integrar la capacidad de automatizar el proceso de limpieza y reutilización de aguas dentro de la vida cotidiana, implementando un sistema capaz de limpiar y redistribuir las aguas grises en un edificio habitacional. Esto quiere decir diseñar y dimensionar todos los elementos de dicho sistema, así como también conocer sus costos de construcción e implementación.
2 hogar e higiene personal. Esto quiere decir que los habitantes de Quito gastan en promedio cerca de cuatro veces más agua de la recomendada para un desarrollo sustentable en relación a los recursos hídricos.
Tomando en cuenta que el agua es un líquido vital y el recurso de utilización más importante para el ser humano, su conservación y consumo sustentable es de extrema importancia. Existen algunas formas de ahorrar agua potable dentro del hogar, utilizar inodoros y lavadoras de bajo consumo, disminuir el tiempo para tomar un baño, intentar reducir el desperdicio mediante fugas, etc. Pero sin duda alguna una de las formas más eficaces para disminuir el gasto del agua es la reutilización de la misma. Poder purificar todas las aguas provenientes del uso del hogar sería lo ideal, pero su costo es muy elevado debido al nivel de contaminantes que se encuentra en las aguas negras. Pero si se separa solamente el agua proveniente de duchas, lavamanos y cocina, su proceso de purificación no es muy complicado y su reutilización puede llegar a disminuir en 40 % el gasto diario por persona, lo cual significa una rebaja en el desecho de aguas residuales a la red municipal de tratamiento de aguas y una disminución de consumo de la red pública de agua potable. Esto quiere decir que el usuario ahorra dinero al requerir menos cantidad de agua y también ahorra dinero a la ciudad que es la que se encarga del tratamiento de sus desechos.
En base a lo antes expuesto, el objetivo principal de este estudio es realizar el estudio de factibilidad de la implementación de un sistema automatizado de reutilización de aguas grises en un edificio habitacional.
Con el fin de alcanzar el objetivo principal se desglosan seis objetivos específicos que permitan explicar a detalle el estudio de factibilidad.
1. Definir el tipo de sistema de purificación a ser utilizado. 2. Diseñar la redistribución sanitaria del edificio.
3 5. Simular el funcionamiento del sistema bajo diferentes circunstancias. 6. Determinar el costo de construcción e implementación del sistema de
5
2.1. AGUAS RESIDUALES
Se denomina aguas residuales, negras o cloacales a aquellas aguas cuya calidad ha sido afectada negativamente como resultado de la acción del hombre en actividades domésticas, industriales y comerciales. Este tipo de actividades genera diferente tipos de contaminantes sobre el agua y para efectos de estudio se las clasifica en aguas residuales domésticas o urbanas y aguas residuales industriales (Metcalf & Eddy, 2002).
Residuos domésticos.- Son aquellos desechos líquidos resultado de actividades caseras en residencias, edificios e instituciones. Estas actividades comprenden: Aseo personal (duchas lavamanos e inodoros), cocción de alimentos, limpieza de pisos, ropa y vajilla, etc. Estas aguas residuales son encausadas mediante tuberías y desechadas todas juntas a la red central de alcantarillado para su futuro tratamiento y reinserción a los afluentes naturales. Los principales contaminantes que se pueden encontrar en aguas domésticas pueden ser: sólidos disueltos, sólidos en suspensión, sólidos sedimentables, alcalinidad, elementos y compuestos orgánicos (carbono, nitrógeno, fosforo, cloruros), aceites, grasas, etc.
Residuos sólidos.- Material fecal expulsado por el hombre, compuesto de celulosa, lípidos, prótidos, y materia orgánica en general. También forman parte de los residuos sólidos restos de comida, pelusas y cabellos.
Residuos líquidos.- Toda agua utilizada en el aseo personal, lavado de vajilla, pisos, etc. También se toma en cuenta la orina.
Arrastre de agua lluvia.- Por medio de sumideros en techos, terrazas, balcones, subsuelos, la lluvia arrastra al agua residual polvo orgánico, hollín, cemento, polvo de ladrillo, tierra de jardines, restos de hidrocarburos, etc.
6 principalmente pueden contener: metales pesados, pesticidas, fenoles, fósforo, azufre, materia orgánica, sólidos orgánicos, sólidos en suspensión, tintes, grasas, extremos de PH, etc. Son más complicadas de tratar que las aguas domésticas por lo que deben recibir tratamientos especiales antes de ser vertidas a la red central de alcantarillado. (Casquete & Choez, 2014)
2.1.2. CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES
2.1.2.1. Características Físicas
Sólidos.- Este tipo de aguas contiene sólidos disueltos, solidos sedimentables (partículas grandes que por gravedad se depositan en el fondo de los tanques receptores), sólidos en suspensión (basura, residuos vegetales, etc. que flotan en el agua).
Temperatura.- La temperatura en las aguas residuales tienden a ser mayor que el agua potable debido a que se mezcla con agua caliente proveniente de uso doméstico.
Sólidos disueltos totales (TDS).- “Los TDS (Total dissolved solids) son la suma de los minerales, sales, metales, cationes o aniones disueltos en el agua. Esto incluye cualquier elemento presente en el agua que no sea (H2O) molécula de agua pura y sólidos en suspensión. En general, la concentración de sólidos disueltos totales es la suma de los cationes (carga positiva) y aniones (cargado negativamente) iones en el agua.” (Metcalf & Eddy, 2002).
2.1.2.2. Características químicas
pH.- Es una escala que indica la calidad de un líquido, en este caso el agua, midiendo su acidez o alcalinidad. La medición de pH va en una escala de 0 a 14 siendo 7.0 neutro. Las soluciones con un pH menor a 7.0 se consideran ácidas. Las soluciones cuyo pH supera el 7.0 son denominadas alcalinas. El agua superficial en estado natural tiene un pH que oscila entre 6 y 8.
7 materia orgánica. El DBO5 es una prueba que indica el nivel de concentración de materia orgánica biodegradable en el agua.
Demanda Química de Oxígeno (DQO).- Es la cantidad de oxígeno que se necesita para que se efectúe una oxidación química de la materia orgánica. La DQO se utiliza para conocer el nivel de contaminación del agua en zonas industriales.
(Metcalf & Eddy, 2002).
2.2. TRATAMIENTO Y REUTILIZACIÓN DE AGUAS
RESIDUALES
8 Para poder determinar el tipo de purificación que se debe aplicar a las aguas residuales domésticas, primero hay que definir el grado de contaminación contenida en el agua, para de esta forma poder decidir el tipo de tratamiento a ser aplicado. Por el nivel y el tipo de contaminantes el agua se clasifica en:
Agua apta para consumo humano.- Cumple con estándares y normativas que verifican niveles de calidad del agua para consumo humano
Agua gris bruta.- Aguas residuales provenientes de duchas, lavamanos , bañeras, y sumideros de cocina
Aguas negras.- Aguas contaminadas con material fecal y orina.
Aguas pluviales.- Agua de lluvia, precipitación natural.
Una vez identificado el grado de contaminación del agua, se pasa a definir el grado de pureza que se desea obtener del agua tratada, este depende de la aplicación que se quiera dar al agua, para después elegir el tipo de tratamiento necesaria para purificarla (Aqua España, 2011).
2.2.1. NIVELES DE TRATAMIENTO
Pre-tratamiento.- Cumple principalmente dos funciones: medir y controlar el caudal de entrada a la planta de purificación y eliminar sólidos grandes que pueden tapar tuberías o impedir el normal funcionamiento de los filtros.
Primario.- Su principal objetivo es la eliminación de los sólidos disueltos, en suspensión y sedimentables no eliminados en el pretratamiento mediante operaciones unitarias físicas o físico-químicas como pueden ser sedimentación, flotación, desorción, filtración, oxidación, etc. El tratamiento primario también permite la neutralización del pH, la eliminación de grasas, aceites y elementos volátiles, en caso de que existan.
Secundario.- Elimina materia orgánica en disolución y en estado coloidal mediante procesos biológicos que separan la biomasa bacteriana del agua.
9 metales pesados, compuestos orgánicos, virus y bacterias, etc. Este tratamiento se aplica más a aguas residuales industriales y hospitalarios (Moreno, 2011).
2.2.2. TIPOS DE TRATAMIENTOS
Sedimentación.- Las partículas sólidas, por ser más densas que el agua, caen al fondo del recipiente.
Flotación.- Si el sólido es de baja densidad flotará en la superficie del agua y podrá ser removido con facilidad.
Filtración.- El agua pasa a través de filtros que permiten retirar los contaminantes sólidos (Metcalf & Eddy, 2002).
2.2.3. OPERACIONES UNITARIAS
Son aquellas operaciones que se utilizaran como parte del procesos de tratamiento del agua.
2.2.3.1. Desarenador
El desarenador también llamado sedimentador es un tanque, rectangular o cilíndrico, en el que se deja reposar el agua con el objetivo que los sólidos sedimentables caigan al fondo por efecto de la gravedad. El tiempo de sedimentación dependerá de la cantidad de contaminantes que se encuentren en el agua y de la densidad de los mismos. Los sólidos más pequeños y cuya densidad no es muy diferente a la del agua contaminada permanecerán en el líquido y deberán ser retirados mediante procesos de filtrado (Metcalf & Eddy, 2002).
2.2.3.2. Filtración
Después de la etapa de sedimentación, se puede retener los sólidos restantes de menor tamaño suspendidos en el agua haciéndola pasar por elementos filtrantes.
Elementos filtrantes
- Arena Sílica.- Compuesto producto de la unión de dos átomos de
10 denominados de lecho profundo ya que retiene los flósculos pequeños que no fueron separados en la decantación o sedimentación.
- Graba Sílica.- Se lo obtiene al triturar la roca sílica de textura abierta. Se
lo utiliza en los filtros de lecho profundo como soporte de medios filtrantes (carbón activado, arena sílica). Ya que las partes cóncavas de los filtros es un área en la que no se genera un proceso de filtración, se las rellena con grava de sílice por su costo y por ser un elemento que no añade ninguna característica al agua.
- Antracita.- Es un carbón natural de color negro y alta dureza, con un
bajo contenido de materia volátil. Es el carbón mineral de más alta pureza con concentraciones de carbono de hasta un 95%. Es un excelente medio de filtración para depuración de agua debido a que la forma especial de sus granos permite que el material que se encuentra suspendido sea retenido en el fondo del lecho filtrante.
(Carbotecnia S.A., 2016).
2.3. SISTEMAS HIDROSANITARIOS
El ser humano crea este tipo de sistemas con el fin de separar el suministro de agua para consumo de la ya utilizada que debe ser desechada, y así poder desarrollarse en un ambiente saludable y seguro. El agua potable es agua tratada, limpia y libre de impurezas o contaminantes, que es conducida mediante tuberías y bombas hasta los puntos de consumo. Por otro lado el agua que se desecha después del consumo humano ya puede contener impurezas o contaminantes biológicos, por esta razón este tipo de agua es llevada por conductos diferentes hasta el sistema de alcantarillado y por último a plantas de tratamiento.
11 2.3.1. TUBERÍAS
Los sistemas hidrosanitarios consisten en una red de tuberías que direccionan el agua potable y el agua residual a los puntos para su consumo o su tratamiento y vertido, respectivamente. Al manejar diferente tipo de agua en calidad y densidad, las tuberías se diversifican en muchos productos de diferentes formas, tamaño y material.
Para efecto del manejo de agua potable es reglamentario el uso de tubería de cobre debido a su resistencia y a que no aportan ninguna sustancia o característica al agua. Por otro lado para el desecho de aguas residuales es más común la utilización de tuberías de plástico, ya que su costo es menor. 2.3.2. BOMBA HIDRÁULICA CENTRÍFUGA
Es una máquina generadora capaz de transformar energía mecánica en energía del fluido en movimiento. Su principio de funcionamiento se basa en un rotor que gira haciendo que la fuerza centrífuga aumente la presión del fluido, añadiendo velocidad al mismo y a su vez generando su traslado. El movimiento del fluido deberá seguir una trayectoria perpendicular al eje del rotor.
- Succión Positiva.- El nivel del líquido en el depósito está por encima de
la línea de centro de succión de la bomba.
- Succión negativa.- El nivel del líquido en el depósito está por debajo de
la línea de centro de succión de la bomba (Ávila, 1997).
2.4. MARCO LEGAL
Existen normas a nivel nacional y a nivel municipal que rigen el manejo de desechos producto de la actividad de hombre. El conjunto de leyes que se manejan en la ciudad de Quito, que son acordes y en las que se fundamenta este estudio se encuentran repartidas entre varios documentos como son el COOTAD y algunas ordenanzas municipales.
2.4.1. CÓDIGO ORGÁNICO DE ORGANIZACIÓN TERRITORIAL,
AUTONOMÍA Y DESCENTRALIZACIÓN (COOTAD)
12 "a) Promover el desarrollo sustentable de su circunscripción territorial cantonal, para garantizar la realización del buen vivir a través de la implementación de políticas públicas cantonales en el marco de sus competencias constitucionales y legales.”
“i) Implementar, prevenir y controlar la contaminación ambiental en el territorio cantonal de manera articulada con las políticas ambientales nacionales.”
“o) Regular y controlar las construcciones en la circunscripción cantonal, con especial atención a las normas de control y prevención de riesgos y desastres".
2.4.2. ORDENANZA MUNICIPAL 106 DISTRITO METROPOLITANO DE
QUITO
Artículo... (3).- Ámbito de aplicación.- “La autorización del incremento de número de pisos podrá otorgarse en los siguientes casos y de conformidad con las Reglas Técnicas previstas en el Anexo Único de esta Sección: a) En las Zonas Urbanísticas de Asignación Especial (ZUAE).
b) En proyectos urbano-arquitectónicos especiales, de conformidad con el ordenamiento jurídico metropolitano y siempre que constituyan aportes urbanísticos, que mejoren las contribuciones de áreas verdes y espacios públicos, la imagen urbana y el paisaje, y contribuyan al mantenimiento de las áreas naturales así como a la inclusión social como ejercicio del derecho a la ciudad. Se permitirá el incremento de número de pisos sin aumento del COST, a partir de la redistribución del Coeficiente de Ocupación del Suelo Total (COST).”
14 Una de las formas de expresar la metodología mecatrónica es el modelo en V (figura 1), tomado del proceso de desarrollo de software y adaptado a los requerimientos mecatrónicos. Este modelo describe la secuencia lógica en el procedimiento de desarrollo de sistemas mecatrónicos y consta de los siguientes elementos (VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE, 2004).
Figura 1. Metodología Mecatrónica modelo en v.
(VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE, 2004)
o Requerimientos.- Se establecerá los parámetros de funcionamiento de todo el sistema a base de normas y medias de calidad para el uso del agua, establecidos en el Texto Unificado de Legislación Ambiental, así como también en las políticas de ahorro y reutilización de agua que recomienda la Empresa Pública Metropolitana de Agua Potable. Al ser un estudio de factibilidad, el diseño no comprende solamente un caso específico, sino un diseño genérico que puede variar de acuerdo a las necesidades del cliente y las condiciones del edificio. Por lo tanto no se establecen parámetros técnicos, como potencia de la bomba, capacidad de los tanques, diámetro de tuberías, etc.
15 o Diseño de ámbito específico.- Habiendo definido el diseño conceptual se procederá a detallar a fondo el diseño eléctrico, electrónico, mecánico y de software. Se establecerá el modelo matemático, el sistema de control y los materiales a utilizarse para un adecuado desarrollo del sistema. Así como también se desarrollará un programa (software) capaz de realizar todos los cálculos para elegir los elementos sanitarios, hidráulicos y mecánicos, y sus respectivos costos.
o Integración.- Se concatena el funcionamiento de sensores, actuadores y el controlador. Así mismo se comprueba el trabajo del sistema diseñado mediante su simulación por computador.
o Aseguramiento de propiedades.- Se realizará el estudio de un caso específico en el cual se calculará todos los datos técnicos del sistema. Realizando las pruebas necesarias se podrá comprobar los niveles de calidad del agua tratada. Se verificará el cumplimiento de los requerimientos establecidos.
o Producto.- El estudio de factibilidad de un sistema de reutilización de aguas grises para un edificio habitacional en la ciudad de Quito. (VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE, 2004).
3.1. REQUERIMIENTOS
- El agua proveniente de duchas y lavamanos debe ser encausada
mediante una tubería independiente hacia el sedimentador, donde empezará el proceso de tratamiento del agua residual.
- El resto del agua residual, especialmente aquella proveniente del
desecho de inodoros y lavadoras deben ser direccionadas, mediante otro sistema de tuberías, directamente al desagüe.
- El sistema de tratamiento de aguas grises debe ser capaz de separar
sólidos, químicos y grasas del agua cumpliendo con las normas y parámetros de calidad impuestos por el Instituto Ecuatoriano de Normalización, INEN, norma 1108.
- El control de nivel de los tanques debe ser efectuado mediante un
16 - Se debe utilizar una bomba centrífuga para el traslado del agua,
después de ser tratada, desde el tanque de almacenamiento hasta los inodoros y otros puntos de distribución.
- Una vez que el agua cumpla las normas de calidad debe ser
direccionada a inodoros, jardines y llaves de manguera. Las zonas en las que se desee utilizar el agua deben estar debidamente señalizadas y protegidas.
- Tener un programa que sea capaz de calcular el volumen de los
tanques, caudal de entrada y salida del sistema de reutilización de aguas grises, potencia de la bomba necesaria, diámetro de salida de la cisterna o tanque de almacenamiento, así como también los costos implicados en tubería.
3.2. PROTOCOLOS DE PRUEBA
Se realizará un estudio de factibilidad aplicando los diseños en un edificio habitacional de la ciudad de Quito con la finalidad de determinar el costo de instalación del sistema de reutilización de aguas grises.
Mediante tres pruebas de calidad de agua realizadas por el “Centro de Investigaciones y Control Ambiental” de la Escuela Politécnica Nacional se podrá observar las características del líquido residual antes y después de hacerla circular por cada una de las etapas del proceso de tratamiento de aguas grises, así se podrá tener un resultado de la eficiencia de dicho proceso para limpiar el agua que posteriormente será reutilizada en inodoros y zonas comunales del edificio en estudio.
18
4.1. DISEÑO CONCEPTUAL
Como se puede observar en la figura 2 el sistema de reutilización de aguas grises tiene dos funciones fundamentales, la primera: el encause y distribución del agua, tanto sucia como tratada, al desagüe, tanques de tratamiento y zonas destinadas a su reutilización respectivamente; y la segunda: el proceso de tratamiento mediante el cual se limpia el agua proveniente de duchas y lavamanos utilizando decantadores y filtros. En esta segunda función es necesaria la acción de un sistema de control que permita que el proceso pueda desarrollarse de manera autónoma.
Figura 2. Diseño conceptual del sistema de reutilización de aguas grises.
19 pasar por el proceso de tratamiento, a las zonas de consumo. Acopio de aguas grises se refiere al adecuado diseño sanitario que permite separar el agua proveniente del uso en duchas y lavamanos del resto de agua utilizada en el hogar. Esto evita que el agua que se requiere para ser tratada sea contaminada con material fecal y químicos o detergentes provenientes de lavadoras.
Al no ser el agua tratada apta para consumo humano, el abastecimiento de inodoros, llaves de manguera, zonas de riego y limpieza comunal del edificio debe cumplir con la protección y señalización que asegure que no exista un inadecuado uso de dicha agua, y así evitar enfermedades.
La segunda función principal del sistema es el tratamiento de las aguas grises antes encausadas, para esto el líquido pasa por un decantador que gracias al efecto de la gravedad separa las grasas y solidos que poseen una densidad diferente a la del agua. El tiempo de sedimentación de los sólidos difiere del tamaño y tipo de materia suspendida.
Después de pasar por el decantador el agua pasa a través de un filtro de arena que retiene los sólidos disueltos y cierto tipo de químicos presentes en jabones, champús, y otros productos de limpieza personal. Una vez se obtiene agua que cumple con los parámetros adecuados para su reutilización se procede a almacenarla en un tanque, desde el cual será direccionada a los puntos destinados para su uso.
20 La estructura del sistema está basado en la figura 3. Si bien el esquema es de una casa, para aplicación de un proceso de tratamiento de aguas residuales en edificios el principio sigue siendo el mismo pero varía el tamaño del sistema, es decir el número de componentes y las distancias que debe recorrer el agua son mayores.
Figura 3. Estructura del sistema de reutilización de aguas grises.
21 Una vez determinada la estructura del sistema de tratamiento del agua se puede determinar el flujo del proceso (figura 4), en donde se detalla el orden lógico establecido para que se desarrollen las funciones y sub-funciones de todo el sistema, tomando en consideración que el sistema de control participa solamente en la decantación, filtrado y almacenamiento del agua, es decir controlando el nivel de los tanques de trataminento.
Figura 4. Flujo de Proceso.
4.2. DISEÑO ESPECÍFICO
4.2.1. SISTEMA DE PURIFICACIÓN
En la tabla 1 se puede ver las características que se presentan en el agua residual dependiendo de donde viene. Para el caso de estudio se toman aquellos desechos que dentro de los contaminantes domésticos provengan solamente de duchas y lavamanos. Y como se indica en la tabla estos provocan cambios en el agua, principalmente en sus propiedades físicas y químicas. Entre las principales propiedades presentes en el agua a ser tratada se tiene: cambio de olor, color, temperatura, presencia de sólidos, carbohidratos, grasas y aceites, proteínas, variación de pH y ciertos minerales y metales provenientes de detergentes y jabones.
Acopio de aguas
grises
Pretratamiento y
tratamiento
primario
Filtrado
Almacenamiento
Control de
calidad de agua
(periodicamente)
22
Tabla 1.Características físicas, químicas y biológicas del agua residual, y su fuente.
Característica Fuente
Propiedades físicas
Color Residuos domésticos e industriales.
Olor Descomposición de aguas residuales, residuos industriales
Sólidos Suministro de agua doméstica, residuos industriales y domésticos, erosión infiltraciones.
Temperatura Residuos domésticos e industriales.
Componentes químicos
Orgánicos
Carbohidratos Residuos domésticos, comerciales e industriales. Grasas y aceites Residuos domésticos, comerciales e industriales. Pesticidas Residuos agrícolas.
Fenoles Residuos Industriales.
Proteínas Residuos domésticos, comerciales e industriales. Contaminantes primarios Residuos domésticos, comerciales e industriales. Tensioactivos Residuos domésticos, comerciales e industriales. Compuestos orgánicos
volátiles Residuos domésticos, comerciales e industriales.
Inorgánicos
Alcalinidad Residuos domésticos, suministro de agua doméstica, infiltración de aguas subterráneas.
Cloruros Residuos domésticos, suministro de agua doméstica, infiltración de aguas subterráneas.
Metales pesados Residuos Industriales.
Nitrógeno Residuos domésticos y agrícolas.
Potasio Residuos domésticos, comerciales e industriales.
23
Tabla 1.Características físicas, químicas y biológicas del agua residual, y su fuente continuación….
Fósforo Residuos domésticos, comerciales e industriales. Contaminantes primarios Residuos domésticos, comerciales e industriales.
Sulfuro Residuos domésticos, comerciales e industriales; suministro de agua doméstica
Característica Fuente
Propiedades físicas
Gases
Sulfuro de hidrógeno Descomposición de desechos domésticos. Metano Descomposición de desechos domésticos.
Oxígeno Suministro de agua doméstica, infiltración de aguas superficiales.
Componentes biológicos
Animales Afluentes abiertos y plantas de tratamiento.
Gusanos Desechos domésticos.
Plantas Afluentes abiertos y plantas de tratamiento.
Protistas Desechos domésticos, infiltración de aguas superficiales, plantas de tratamiento.
Virus Desechos domésticos.
(Metcalf & Eddy, 2002)
Para limpiar el agua de los contaminantes antes mencionados y dejarla con los parámetros calidad establecidos para su reutilización, existen diversas formas y métodos (Tabla 2). Con pretratamiento y tratamiento primario se podrán retirar la cantidad necesaria de desechos para su futura reutilización en inodoros y llaves de manguera.
24 operaciones y procesos unitarios que se utilizarán y detallarán a fondo son rejas, flotación, sedimentación primaria y filtración.
Tabla 2. Operaciones Unitarias para el tratamiento de aguas residuales.
Operación Aplicación Herramienta
Cribado grueso Remoción de sólidos grandes como palos, ramas,
etc. Reja de barras
Mallado fino Remoción de partículas pequeñas Malla fina Micro mallado Remoción de solidos finos, materia flotante y algas Micro malla
Floculación
Promover la agrupación de partículas pequeñas en partículas de mayor tamaño para mejorar su remoción por sedimentación gravitacional
Floculador
Sedimentación
acelerada Remoción de arena y sólidos grandes Desarenador
Sedimentación Remoción de sólidos sedimentables Clarificador primario
Flotación Remoción de solidos finos divididos suspendidos y partículas con densidad cercana al agua
Flotación por aire disuelto, diferencia de densidades
Filtración profunda Remoción de sólidos suspendidos Filtros profundos
Filtración superficial Remoción de sólidos suspendidos Filtros superficiales
Filtración por membrana
Remoción de sólidos suspendidos y coloidales, materia orgánica e inorgánica disuelta
Osmosis inversa y sistemas de membranas. (Metcalf & Eddy, 2002)
25 con el fin de retirar los sólidos de ella. La filtración ayuda a la remoción de sólidos finos suspendidos y materia orgánica e inorgánica disuelta.
Tabla 3. Análisis de calidad agua residual sin tratar.
Parámetro Unidad Resultado Límite
Alcantarillado
Límite Cause de Agua Demanda Bioquímica de Oxígeno
DBO5 mg/L 388,9 170 100
Demanda Química de Oxígeno DQO mg/L 587 350 160
Densidad g/mL 0,998
PH NA 7,44 6 a 9 6 a 9
Sólidos Totales mg/L 604
4.2.1.1. Mallado
Siendo que sumideros de duchas y lavamanos ya tienen rejas que impiden el paso de sólidos de gran tamaño es necesario aplicar un mallado fino para impedir el paso de partículas pequeñas al sedimentador. Para lograr este objetivo se implementará un filtro de mallado fino, cuyas especificaciones se detallará más adelante, a la entrada del tanque de sedimentación para que sea de fácil acceso de mantenimiento y limpieza. El tamaño del filtro viene dado por el diámetro de la tubería de entrada al tanque, el cual se define en función del caudal producto del acopio de todas las aguas grises que serán tratadas.
4.2.1.2. Capacidad de reciclaje y dimensionamiento de los tanques
26 - Zona Rural 250 l/persona/día.
- Zona urbana 300 l/persona/día.
- Valles 350 l/persona/día.
Una vez definido el consumo diario por persona se lo multiplica por el número aproximado de personas que habitarían el edificio, como se observa en la ecuación número 1, para obtener una proyección de consumo total.
𝐶𝑡 = 𝐶𝑝 × #𝑝 [ 1 ]
Dónde:
Ct: Consumo Total en todo el edificio (l/día). Cp: Consumo de agua por persona (l/día).
#p: Número de personas que habitan el edificio (aforo máximo).
Con el fin de conocer la cantidad de agua destinada a tratamiento para ser reutilizada se debe determinar el consumo diario por aparato sanitario en todo el edificio. Para calcular el consumo de duchas se parte del dato que en Ecuador una ducha en 10 minutos consume en promedio 32 galones (R.D.Ingeniería, 2015), lo que da un consumo de 0.21 l/seg. Si se asume que el tiempo de uso de la ducha será de 15 minutos (900 segundos) se tiene la ecuación 2.
𝐶𝑑 = 0.21 × #𝑑 × 900 [ 2 ]
Dónde:
Cd: Consumo total en duchas (l/día). #d: Número total de duchas en el edificio.
27 Asumiendo en lavamanos un consumo por persona al día de 12 litros se calcula el gasto total del edifico en este aparato sanitario, como se expresa en la ecuación número 3.
𝐶𝑙 = #𝑙 × 12 [ 3 ]
Dónde:
Cl: Consumo total en lavamanos (l/día). #l: Número total de lavamanos en el edificio.
El gasto requerido en inodoros, expresado en la ecuación 4, se obtiene con el fundamento que cada inodoro utiliza un máximo de 6 litros por jalada, si se asume que cada persona lo ocupa un promedio de tres veces al día se obtiene:
𝐶𝑖 = #𝑖 × 6 × 3 [ 4 ]
Dónde:
Cl: Consumo total en inodoros (l/día). #l: Número total de inodoros en el edificio.
Para determinar el gasto de llaves de manguera (ecuación 5), se asume un caudal de 0.21 litros por segundo y un tiempo de operación de cada llave de 15 minutos (900 segundos) al día (R.D.Ingeniería, 2015). En caso de ser necesario se puede modificar el tiempo de uso de las llaves en función de las necesidades de cada edificio.
𝐶𝑚 = 0.21 × 900 × #𝑚 [ 5 ]
Dónde:
Cm: Consumo en llaves de manguera (l/día). #m: Número de llaves de manguera.
Una vez obtenidos todos estos datos se puede determinar la capacidad de reciclaje, que como se expresa en la ecuación número 6 es la cantidad de agua que el edificio consume en duchas y lavamanos.
𝐶𝑟 = 𝐶𝑑 + 𝐶𝑙 [ 6 ]
28 Cr: Capacidad de reciclaje (m3/día).
El volumen requerido (ecuación 7) es la cantidad de agua que se necesita para satisfacer las necesidades de consumo de inodoros y llaves de manguera.
𝑉𝑟 = 𝐶𝑖 + 𝐶𝑚 [ 7 ]
Dónde:
Vr: Volumen requerido (m3/día).
4.2.1.3. Caudal de entrada al sistema de tratamiento
El cálculo de caudal se lo realiza por el peso que tiene cada uno de los elementos hidrosanitarios medido en unidades de descarga. En la tabla 4 se muestra el peso de cada uno de los elementos a ser utilizados para determinar el caudal.
Tabla 4. Unidades de descarga de aparatos sanitarios que descargan al sedimentador.
Elemento Peso (Unidades de
descarga)
Ducha 3
Lavamanos 1
Sumidero de
cocina 2
(R.D.Ingeniería, 2015)
Según los datos que presenta la tabla 4 se obtiene en las ecuaciones 8 y 9 el gasto total para todos los aparatos sanitarios del edificio que descargan agua residual al sistema de reutilización de aguas grises.
𝑃𝑡𝑑 = #𝑑 × 3 [ 8 ]
𝑃𝑡𝑙 = #𝑙 × 1 [ 9 ]
Dónde:
29 #l: Número total de lavamanos en el edificio.
Si se suma el gasto total de cada aparato sanitario se obtiene el peso de descarga total de todo el edificio al sistema de reutilización de aguas grises (ecuación 10), con lo cual se procede a calcular el caudal bajo la relación de la ecuación número 11:
𝑃𝑡𝑒 = 𝑃𝑡𝑑 + 𝑃𝑡𝑙 [ 10 ]
𝑄𝑒 = 0.3√𝑃𝑡𝑒 [ 11 ]
Dónde:
Pte: Peso total de descarga al sistema de reutilización de aguas grises (Unidades de descarga).
Qe: Caudal de entrada al tanque sedimentador (l/seg).
Este caudal de descarga al sedimentador será el punto de partida para definir el diámetro de la tubería para el desagüe que junta el líquido que viene del uso de duchas y lavamanos.
4.2.1.4. Caudal de salida del sistema de tratamiento de aguas grises
Para calcular el caudal de salida se toma en cuenta los aparatos sanitarios que serán abastecidos por el sistema, como son los inodoros y las llaves de manguera de zonas comunales del edificio.
Tabla 5. Unidades de descarga de aparatos sanitarios que son abastecidos por el sistema.
Elemento Peso (Unidades de
descarga)
Inodoro 0.3
Llave de
manguera 0.5
(R.D.Ingeniería, 2015)
30
𝑃𝑡𝑖 = #𝑖 × 0.3 [ 12 ]
𝑃𝑡𝑚 = #𝑚 × 0.5 [ 13 ]
Dónde:
Pti: Peso total de descarga en inodoros (Unidades de descarga).
Ptm: Peso total de descarga en llaves de manguera (Unidades de descarga).
Con estos datos se puede calcular el caudal de salida del sistema (ecuación 14), el cual permite obtener la potencia de la bomba y el diámetro de salida de la tubería de la cisterna o tanque de almacenamiento de agua. (Metcalf & Eddy, 2002)
𝑃𝑡𝑠 = 𝑃𝑡𝑖 + 𝑃𝑡𝑚ooo
𝑄𝑠 = 0.3√𝑃𝑡𝑠 [ 14 ]
Dónde:
Pts: Peso total de los aparatos a ser abastecidos por el sistema de reutilización de aguas grises (Unidades de descarga).
Qs: Caudal de salida del sistema (l/seg).
4.2.1.5. Sedimentador
Dimensionamiento del Tanque Sedimentador
Debido a su eficiencia a los tiempos aproximados de retención de líquido (dos horas), se utilizará un sedimentador de base rectangular sin inclinación que funcionará a su vez como trampa de grasas. El principal parámetro en el que se basa el diseño del sedimentador es la velocidad de sedimentación, mediante la siguiente fórmula. (Metcalf & Eddy, 2002)
𝑄𝑒 = 𝐴𝑠 × 𝑉𝑐𝑠 [ 15 ]
Donde:
As: Área transversal del sedimentador, (m2). Vcs: Velocidad crítica de sedimentación, (m/s).
31 2:1 a 3:2. Si se escoge una relación de 3:2 se puede determinar las medidas del sedimentador con base en:
𝐴 = 𝑙 × 𝑎 00000
𝑙 = 1.5𝑎 000000
𝐴 = 1.5𝑎2 [ 16 ]
Dónde:
l: Largo de la base del sedimentador. a: Ancho de la base del sedimentador.
Para determinar la altura del tanque, se utiliza el volumen total esperado de agua a ser reciclado en un día.
𝑉 = 𝐴 × ℎ1 [ 17 ]
ℎ1 =𝑉
𝐴 00000
Dónde:
h1: Altura máxima de agua dentro del tanque sedimentador.
El documento “Especificaciones Técnicas para el Diseño de Trampa de Grasa” establece que se debe dejar un espacio mínimo de 0.3m entre la altura máxima de líquido y la superficie inferior de la tapa del tanque, por lo tanto:
ℎ = ℎ1 + 0.3𝑚 [ 18 ]
Dónde:
h: Altura del tanque sedimentador.
El tanque sedimentador al funcionar al mismo tiempo como trampa de grasas debe tener un orificio para desborde de las aguas aceitosas, el diámetro de ese orifico se lo calcula en función de la capacidad de reciclaje (Cr) y el volumen requerido (Vr), ya que existe una cantidad de agua sobrante que se desea desechar por el orificio de desborde. Cabe recalcar que el agua que se evacúa contiene grasas, aceites y ciertos sólidos flotantes.
32
𝑉𝑠 = 𝐶𝑟 − 𝑉𝑟 [ 19 ]
Dónde:
Vs: Volumen sobrante (m3).
En vista de que se conoce el caudal de entrada y el área del tubo que conduce las aguas residuales al sedimentador, se puede obtener la velocidad de llenado de dicho tanque.
𝑉𝑙 = 𝑄𝑒 𝐴𝑡
[ 20 ]
Dónde:
Vl: Velocidad de llenado del tanque sedimentador (m/s).
At: Área del tubo que encausa las aguas residuales dentro del tanque sedimentador (m2).
El caudal de evacuación de aguas grasas se lo calcula con base en el volumen sobrante, ya que este volumen entrará al tanque en el transcurso de un día, se expresa este caudal por segundo.
𝑄𝑒𝑔 = 𝑉𝑠 86400
[ 21 ]
Dónde:
Qeg: Caudal de evacuación de aguas grasas (m3/s).
La velocidad de llenado del tanque sedimentador es la misma velocidad con que se desea que se evacúen las aguas grasas del mismo tanque. Al también conocer este caudal se puede determinar el área del tubo de evacuación de aguas grasas. Una vez obtenido el área del tubo se encuentra su diámetro.
𝐴𝑡𝑒 = 𝑄𝑒𝑔
𝑉𝑙 [ 22 ]
Dónde:
33 Selección del material y espesor del Tanque Sedimentador
Para escoger el material que se utilizará en el tanque sedimentador se calcula el esfuerzo que este debe soportar. Este esfuerzo viene dado por la presión que ejerce el líquido sobre la superficie del tanque.
𝑃 = ℎ1 × 𝑃𝑒 [23]
Dónde: P: Presión.
Pe: Peso específico del líquido.
El peso específico de un fluido es su peso por unidad de volumen.
Para obtener el peso específico del agua residual se aplica la relación que existe entre este, la densidad del líquido, la cual depende de su temperatura, y la aceleración gravitacional.
𝑃𝑒 = 𝑑 × 𝑔 [ 24 ]
Dónde:
d: Densidad del líquido.
g: Aceleración de la gravedad.
Si bien el tanque sedimentador se dimensionó como tanque rectangular, para determinar el material del tanque sedimentador se lo hace asumiendo la forma del tanque como un cilindro de pared delgada. Tomando en cuenta que la tensión tangencial para este tipo de tanques es el doble de la tensión longitudinal, se podría asegurar que el material podría fallar a lo largo de su sección longitudinal, por lo tanto la selección del material se realiza utilizando la fórmula para obtener la tensión en la sección longitudinal del tanque.
σ =P × D 2𝑒
[ 25 ]
Dónde:
σ: Tensión en la sección longitudinal (Pa). D: Diámetro Del cilindro (m).
34 Para poder aplicar esta fórmula se debe conocer el material o el espesor de las paredes del tanque. Para el presente caso se utilizará tanques de polietileno debido a que el plástico por su aplicabilidad es idóneo para su uso en retención y almacenamiento de líquidos no agresivos. Reemplazando la constante de resistencia del material se puede conocer el espesor a utilizarse en los tanques de almacenamiento y sedimentación.
4.2.1.6. Filtrado
Se ha escogido un filtro de arena y grava a presión ya que ofrece mayor rapidez en un menor espacio de filtrado. El filtro será realizado en acero inoxidable ya que esto no se corroe y puede estar en contacto la materia orgánica contenida en el agua, y porque este material soporta fácilmente las presiones ejercidas por el peso del lecho filtrante y el agua dentro del filtro.
Figura 5. Filtro de arena y grava a presión.
(EMAUX, 2014).
En la figura 5 se puede ver las entradas y salidas, los componentes principales y la disposición de la arena y grava dentro del filtro. Como se puede observar la grava se coloca al fondo por debajo de los brazos colectores para evitar la fuga de arena hacia la parte inferior del filtrado.
Altura del Tanque de filtrado
35 arena y grava de sílice, la grava sirve de soporte para retener la arena y distribuirla uniformemente. En los primeros 10-15 cm de arena se retienen hasta un 95 % de los sólidos presentes en el agua (Estrada, 2001), por lo tanto escoger una altura de 25 cm para la capa de arena daría un factor de seguridad de dos, lo cual asegura la retención de las partículas. Al ser la capa de grava solo el soporte de la capa de arena, debe ser de menor altura, por lo que se asume 15 cm. Mediante la ecuación 26 se encuentra la altura del medio filtrante. La cámara de expansión es la distancia que existe entre la superficie superior del medio filtrante y la entrada de agua al tanque de filtrado, y debe ser entre el 15% y el 30% de la altura del medio filtrante, como se observa en la ecuación 27 (Metcalf & Eddy, 2002). La altura útil de filtrado (ecuación 28) es la sumatoria de la altura del medio filtrante con la altura de la cámara de expansión.
𝐻𝑚𝑓 = ℎ𝑎 + ℎ𝑔 [ 26 ]
𝐻𝑚𝑓 = 0.40 𝑚 000000
𝐶𝑒 = 0.3 × 𝐻𝑚𝑓 [ 27 ]
𝐶𝑒 = 0.12 𝑚 000000
𝐻𝑢 = 𝐻𝑚𝑓 + 𝐶𝑒 [ 28 ]
𝐻𝑢 = 0.52 𝑚 00000
Dónde:
Hmf: Altura medio filtrante (m). ha: Altura de la capa de arena (m). hg: Altura de la capa de grava (m). Ce: Cámara de expansión (m). Hu: Altura útil de filtrado (m).
Hay que tomar en cuenta que la altura del filtro se puede mantener siempre como valor general y lo que varía, de acuerdo a la cantidad de agua que se requiera filtrar, es el área superficial del medio filtrante.
Diámetro del Tanque de Filtrado
36
𝐴𝑓 = 𝑄1 𝑉𝑓
[29]
Dónde:
Q1: Caudal de salida del tanque sedimentador Af: Área del filtro.
Vf: Velocidad del filtrado.
Se recomienda trabajar con una velocidad de filtrado igual o mayor a 10m/h para garantizar una mayor retención de sólidos en el material filtrante (Metcalf & Eddy, 1996).
Una vez obtenida el área superficial del filtro se determina el diámetro del mismo mediante la ecuación 30.
𝑑 = √4𝐴𝑓 𝜋
[ 230 ] Dónde:
d: Diámetro del filtro de arena.
4.2.1.7. Selección de la Bomba
Para seleccionar la potencia de la bomba se necesita conocer la ubicación de los tanques con respecto a la bomba, el caudal de salida del tanque de almacenamiento y la altura dinámica total (TDH por sus siglas en inglés). Por facilidad de montaje y debido a que el nivel de agua está por encima del nivel de succión de la bomba se utilizará una bomba centrifuga de succión negativa.
Para el cálculo de la altura dinámica se toma en cuenta los siguientes valores con el fin de encontrar la altura máxima de bombeo. El número dentro del paréntesis luego de cada valor, servirá para representarlo en las ecuaciones 31 y 32.
1. Nivel superior del proyecto (1).- El punto más alto al que se debe abastecer de agua.
37 la mayoría de las veces este valor será negativo ya que el tanque se lo coloca en el subsuelo.
3. Altura de agua en cisterna (3).- Nivel máximo de agua en el tanque de abastecimiento.
4. Altura de aire en cisterna (4).- Como se especificó en el diseño del tanque sedimentador la cámara de expansión tiene una altura de 0.30 m.
5. Espesor de la tapa de la cisterna (5).- En caso de ser una cisterna de concreto el espesor es de 0.25 m. En el presente caso de estudio al utilizar tanque de plástico cuyo espesor es mínimo y despreciable ese valor se lo asume como cero.
6. Altura al eje de la bomba (6).- Al utilizar bomba centrífuga de succión negativa ese dato pasa a ser cero.
7. Altura de salida a inodoro (7).- Es la altura desde el piso hasta la toma de agua que abastece el inodoro, varía de acuerdo al diseño del edificio y el modelo de inodoro a utilizarse.
8. Carga de agua punto más desfavorable (8).- Es una constante en la que se toma en cuenta la distancia desde la tubería de subida de agua al punto más alejado. Se utiliza un valor de 15 m en el que se incluye un factor de seguridad.
9. Pérdidas (9).- Pérdidas por fricción dentro de las tuberías. Para lo cual se multiplica la altura total de tubería a utilizarse por 0.15 que es una constante de pérdida por fricción. (Sistemas Hidroneumáticos C.A., 1995)
Antes de calcular la TDH se utiliza los valores detallados arriba para obtener las pérdidas.
𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 (9) = 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 + (1 − 2) × 0.15 [ 31 ]
Una vez obtenidas las pérdidas se procede al cálculo del TDH.
𝑇𝐷𝐻 = 1 − 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 + 9 [ 32 ] Dónde:
38 La potencia de la bomba en HP se calcula bajo la fórmula que relaciona el caudal de bombeo y la altura dinámica total.
𝑃𝑡𝑏 =𝑄 × 𝑇𝐷𝐻 × 1.2
125
[ 33 ] Dónde:
Ptb: Potencia total de bombeo (HP). 4.2.2. SISTEMA DE CONTROL
4.2.2.1. Sensores
Para controlar el nivel de líquido en los tanques, de sedimentación y de abastecimiento se utiliza sensores de proximidad ultrasónicos HC-SR04 capaces de medir distancias de 10 - 400 cm. Dichos sensores tienen cuatro pines, alimentación, tierra, Trigger y Echo, como se puede observar en la figura 6.
Figura 6. Sensor HC-SR04 (Arduino, 2015)
Estos sensores fueron seleccionados ya que sus especificaciones (Tabla 6) permiten trabajar bajo las condiciones de humedad (con las debidas protecciones al circuito del sensor) y oscuridad que se tienen dentro de los tanques, y también por su compatibilidad con el controlador a utilizarse.
Tabla 6. Especificaciones técnicas Sensor Ultrasónico HC-SR04.
Voltaje de trabajo 5 VDC
Corriente de trabajo 15 mA
Frecuencia de trabajo 40 Hz
Rango máximo 4 m
Rango mínimo 2 cm
Ángulo de medición 15°
Señal de entrada
Trigger 10 μs pulso TTL
Señal de salida Echo Señal de nivel TTL de entrada y rango en proporción
Dimensión 45x20x15 mm
39 4.2.2.2. Controlador Arduino
El controlador Arduino será el encargado de receptar la señal de los sensores ultrasónicos y basado en los valores de estos permitir el trabajo de la bomba. Se ha seleccionado el Controlador Arduino Nano ya que sus características, especificadas en la tabla 7, son suficientes para satisfacer las necesidades de uso.
En cuanto a las entradas el controlador recibe la señal de los dos sensores, para esto se utilizan dos puertos digitales del Arduino para las señales de Trigger y Echo de cada sensor. La bomba y dos electroválvulas serán conectadas como salidas del controlador para distribuir el agua limpia y controlar el nivel de los tanques. Dicho esto se observa que se utilizarán siete pines digitales más uno o dos si se desea poner alarmas o luces indicativas en los tanques, para verificar su funcionamiento, para lo cual los 14 pines del Arduino nano son más que suficientes.
Tabla 7. Especificaciones técnicas Arduino Nano.
Microcontrolador Atmel ATmega168 o ATmega328
Voltaje de operación ( nivel lógico) 5V
Voltaje de entrada ( valores recomendados) 7 - 12 V
Voltaje de entrada ( límites) 6 - 20V
Pines E/S digitales 14 ( de los cuales 6 ofrecen salida PWM)
Pines de entrada analógicos 8
Corriente Continua por pin E/S 40 mA
Memoria Flash 16 Kb (ATmega168) o 32 Kb (ATmega328)
SRAM 1 Kb (ATmega168) o 2 Kb(ATmega328)
EPROM 512 bytes (ATmega168) o 1 Kb(ATmega328)
Velocidad del reloj 16 MHz
Dimensiones 0.73" x 1.70"
Largo 45 mm
Ancho 18 mm
Peso 5 g
