CAPITULO II MARCO TEÓRICO
2.2. Bases Teóricas
2.2.5. Modelo general de diseño
2.2.5.1. Modelo de tratamiento preliminar del agua residual
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Potencial de hidrogeno (pH)
Es cuantificación de la concentración de ion hidrogeno en el agua, las aguas residuales con concentraciones adversas de pH son dificultosas de tratar por medios biológicos alterando el ecosistema del cuerpo receptor resultando fatales para los microorganismos.
Aguas con pH bajos incentivan el desarrollo de hongos sobre las bacterias en tratamientos biológicos, y en aguas con pH altos la forma predominante del nitrógeno es el amonio (NH3), compuesto perjudicial pero pudiendo ser eliminado por medios químicos. El valor de pH óptimo para los procesos en el tratamiento y para el desarrollo de la vida biológica generalmente varia en el rango de 6.5 a 8.5. (Romero Rojas, 2004, pág. 66).
2.2.4.2.3. Parámetros biológicos
Coliformes
Los microorganismos patógenos que se pueden desarrollar en las aguas residuales son escasos y complicados de agrupar e identificar, por ello se utiliza a los Coliformes como organismo indicador de contaminación por desechos humanos y animales productores de enfermedades. Las bacterias coliformes en específico el género Escherichia de la especie coli son consideradas la asociación de bacterias Coliformes más representativa de contaminación fecal representados como Coliformes fecales o termotolerantes (Romero Rojas, 2004, pág. 36).
Según (Romero Rojas, 2004, pág. 37) el tiempo de retención, la temperatura, la radiación ultravioleta, la concentración de algas y el consumo de ciertas organismos tienen un efecto directo en su remoción. Ciertos componentes de los Coliformes fecales pueden causar enfermedades intestinales y facilitan la transferencia genes resistentes a las drogas siendo necesaria e indispensable su remoción.
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transversal al flujo, de manera que el agua residual pase a través de ellas, quedando retenidos todos los sólidos presentes de un tamaño superior al espaciamiento entre las barras. Todas las barras de la reja se encuentran sujetas en un marco.
Las dimensiones de las barras usados en las rejillas, depende del tamaño de los materiales que se pretende retener, de manera que sean lo suficientemente fuertes para que no se deformen. Para rejillas gruesas se usan barras de entre ½ y 1 pulgada de diámetro y para las finas, de entre ¼ y ½ pulgada (Lozano Rivaz, 2012, pág. 54).
Diseño
Los criterios de diseño de las rejillas se basan en las velocidades de circulación del flujo de las aguas residuales mediante ellas. La velocidad del flujo no debe ser tan lenta para evitar la sedimentación de sólidos en el canal ni tan elevada lo que produciría el arrastre de sólidos ya retenidos por rejillas. Según la reglamentación la velocidad entre las rejas debe estar en el rango de 0.6 a 0.75 m/s.
Una vez determinadas las dimensiones del canal de desbaste, el área del canal en la zona de los barrotes se puede determinar mediante la siguiente formula:
𝑆𝑢 =𝑄𝑚𝑎𝑥
𝑣𝑟 Ec. II-11 Donde:
𝑆𝑢: Superficie útil de la reja en m2.
𝑄𝑚𝑎𝑥: Caudal máximo horario en m3/s.
𝑣𝑟: Velocidad entre rejas en m/s.
Para estimar la velocidad de aproximación en el canal se puede utilizar la siguiente expresión:
𝑣0 = 𝑣𝑟∗ 𝑎
𝑎+𝑒 Ec. II-12 Donde:
𝑣0: Velocidad de aproximación en m/s.
𝑎: Separación entre barras en m.
𝑒: Ancho de las barras en m.
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La pérdida de carga ocasionada por la rejilla o la diferencia de niveles de la lámina de agua antes y después de la rejilla se puede determinar a través de la siguiente relación:
ℎ𝑓 = 1.143 ∗𝑉𝑟2−𝑉𝑜2
2𝑔 Ec. II-13 El tirante de agua en la condición que se presente se determina mediante la siguiente relación:
𝑦 =𝐴𝑟
𝐵 Ec. II-14 Donde:
𝐴𝑟: Es el área efectiva para la condición del canal en m2.
𝐵: Ancho del canal en la zona de la reja en m.
Por último, la cantidad de barras de la reja gruesa 𝑁 se deduce mediante la siguiente ecuación:
𝑁 = (𝐵∗100+𝑎)
𝑎+𝑒 + 1 Ec. II-15
2.2.5.1.2. Canal Parshall
Según (López Zúniga, 2012, pág. 1) es una estructura hidráulica que posibilita la medición del volumen de agua que fluye por una sección de canal, esta estructura se puede construir de diferentes tamaños para cuantificar las descargas que van desde un litro por segundo hasta cien metros cúbicos por segundo. La selección del tamaño del canal depende del rango de la descarga que se va a cuantificar.
El aforador es una reducción de la sección que produce que el agua a eleve o se “remanse", y volver a caer hasta el nivel que se tenía sin la presencia del aforador. En este proceso ocurre una aceleración del flujo que permite establecer una relación matemática univoca entre la elevación del agua y el caudal (López Zúniga, 2012, pág. 2).
La geometría de un aforador Parshall está directamente relacionado con el ancho de la garganta, en la siguiente figura se muestra su forma y nomenclatura de cada una de sus partes cuya descripción de valores de muestra en la tabla II-5.
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Figura II-5: Geometria y partes de un aforador Parshall.
Fuente: (López Zúniga, 2012, pág. 2).
Tabla II-5
Nomenclatura de partes de un aforador Parshall.
Descripción Nomenclatura
Ancho de la garganta W
Longitud de las paredes de la sección convergente A Ubicación del punto de medición Ha a Longitud de la sección convergente B
Ancho de la salida C
Ancho de la entrada de la sección convergente D
Profundidad total E
Longitud de la garganta T
Longitud de la sección divergente G Longitud de las paredes de la sección divergente H Diferente de elevación entre la salida y la cresta K Longitud de la transición de entrada M
Profundidad de la cubeta N
Ancho de la entrada de la transición P
Radio de curvatura R
Abscisa del punto de medición Hb X
Ordenada del punto de medición Y
Fuente: (López Zúniga, 2012, pág. 3)
Teniendo en cuenta el caudal que se presenta y el espacio y el espacio disponible para su instalación se puede realizar el diseño del aforador teniendo como punto de partida el ancho de garganta mediante la siguiente tabla:
31 Tabla II-6
Dimensiones estándar de un aforador Parshall.
Fuente: (López Zúniga, 2012, pág. 4).
Diseño
Para el diseño se considera como variable principal los caudales horarios máximos y mínimos, y en base a estos establecer el ancho de garganta del aforador a través de la siguiente tabla:
Tabla II-7
Ancho de garganta de aforador Parshall en función del caudal.
Ancho de garganta (cm) Caudal (l/s)
w Mínimo Máximo
7.62 0.85 53.80
15.24 1.52 110.40
22.86 2.55 251.90
30.48 3.11 455.60
45.72 4.25 696.20
60.69 11.89 936.70
91.44 17.26 1426.30
121.92 36.79 1921.50
152.40 62.80 2422.00
182.88 74.40 2929.00
213.36 115.40 3440.00
243.84 130.70 3950.00
304.80 200.00 5660.00
Fuente: Elaboración propia.
De esta manera el caudal que escurre por el aforador Parshall está determinada experimentalmente por la siguiente relación:
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𝑄 = 0.3716𝑤(3.28𝐻𝑎)1.522𝑤0.26 = 𝑘(𝐻𝑎)𝑛 Ec. II-16 Donde:
𝑄: Caudal que escurre a través del aforador en m3/s.
𝑤: Ancho de garganta del aforador en m.
𝐻𝑎: Tirante de agua ubicado a 2/3 del A del inicio de la garganta en m.
𝑘, 𝑛: Coeficientes adimensionales de calibración de la medición del caudal que dependen del ancho de garganta.
El ancho de la sección de medición Ha se determina a través de la siguiente relación:
𝐷′ = 𝑤 +2(𝐷−𝑤)
3 Ec. II-17 Donde:
𝐷′: Ancho de la sección de medición en m.
𝐷: Dimensión de la canaleta del aforador en m.
La velocidad en la sección de medición 𝐻𝑎 será:
𝑣 =𝑄𝑚𝑎𝑥
𝐻𝑎∗𝐷′ Ec. II-18 Donde:
𝑣: Velocidad en la sección de medición Ha en m/s.
𝑄𝑚𝑎𝑥: Caudal máximo horario en m3/s.
La carga hidráulica disponible en la sección de medición se calcula mediante la siguiente relación:
𝐸 = 𝐻𝑎 + 𝑁 +𝑣2
2𝑔 Ec. II-19 Donde:
𝐸: Energía especifica o carga hidráulica disponible en m.
𝑁: Profundidad de la cubeta del aforador en m.
2.2.5.1.3. Desarenador
De acuerdo a (Lozano Rivaz, 2012, pág. 62) el desarenador separa las partículas de arena y similares de tamaños superiores a 0.20 mm de diámetro que pueden causar la abrasión y
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daños en las tuberías y en los equipos de las unidades de tratamiento. Los desarenadores consisten en un ensanchamiento del canal, donde la velocidad del fluido decrece lo suficiente para generar la sedimentación de las partículas, pero no lo suficiente para que se presente el asentamiento de la materia orgánica.
Su diseño se basa en las velocidades de sedimentación de las partículas que requieren separarse en las condiciones de flujo presente. En la práctica se utilizan desarenadores de sección trapecial que se aproximan a la sección de diseño parabólica, siendo necesario conocer los caudales extremos de operación para garantizar la remoción de las partículas de composición inorgánica para todas las condiciones de caudal (Romero Rojas, 2004, pág.
294).
Diseño
En la tabla II-8 se muestran los criterios de diseño para los desarenadores de flujo horizontal.
Tabla II-8
Parámetros de diseño para desarenadores de flujo horizontal.
Parámetro Valor o rango
Carga superficial 40-70 m3/m2*h (a caudal máximo) Tiempo de retención hidráulica 100-300 s. (a caudal máximo)
Velocidad de sedimentación 65-75 m/h (a caudal medio) Velocidad horizontal 0.2-0.4 m/s (a caudal máximo) Relación Longitud/Altura de agua 10/1 - 30/1
Cantidad de arena removida 5-40 ml/m3
Fuente: (Lozano Rivaz, 2012, pág. 61).
(Romero Rojas, 2004, págs. 296-301) establece la metodología de diseño de desarenadores para el tratamiento preliminar de aguas residuales fijando una sección de control de forma parabólica que permita mantener la velocidad del flujo constante, sin embargo, para el diseño final se aproxima a una sección con tramos rectos.
𝐻 = 3𝑄
2𝑇𝑣 Ec. II-20 Donde:
𝐻: Altura de la sección en m.
𝑄: Caudal en la sección de control en m3/s.
34 𝑇: Ancho superior de la sección en m.
𝑣: Velocidad horizontal en la sección de control m/s.
Se determina la altura de velocidad y la profundidad en la sección de control, según Bernoulli, igualando la energía aguas arriba del canal con la energía en la sección de control, la al tura de velocidad se calcula mediante la siguiente relación:
𝑣𝑐2 2𝑔 = 1
3.1(𝐻 +𝑣2
2𝑔) Ec. II-21 Donde 𝑣𝑐 es la velocidad en la sección de control y el ancho de la sección de control se determina a través de la siguiente ecuación:
𝑤 = 𝑄
𝑣𝑐𝑑𝑐 Ec. II-22 En el cual 𝑑𝑐 es la profundidad en la sección de control. Mediante las ecuaciones II-21 y II-22 se determinan las alturas y ancho de lámina de agua para todas las situaciones de funcionamiento en función del caudal. La longitud teórica de la cámara desarenadora se estima para las condiciones de un caudal máximo por medio de la siguiente relación:
𝐿 𝑣= 𝐻
𝑣𝑠 Ec. II-23 Donde:
𝐿: Longitud teórica del desarenador en m.
𝑣: Velocidad horizontal del flujo en m/s.
𝑣𝑠: Velocidad de sedimentación de las partículas en m/s.
Adicionalmente a la longitud teórica se debe de considerar una longitud adicional para compensar los efectos de turbulencia a la entrada y salida del desarenador.
2.2.5.1.4. Lecho de secado de arena
(Romero Rojas, 2004, pág. 831) menciona que es un lecho rectangular con poca profundidad con una base porosa situados sobre un sistema de drenaje, el lodo se vierte sobre el lecho en capas y se deja secar. La evacuación se realiza por medio del drenaje de las capas ubicadas en el fondo y la evaporación por medio del sol y viento en la superficie. Una vez constituida la capa de arena sobre el sistema de drenaje el agua es evacuada por gravedad y por evaporación, en un primer momento el agua se filtra a través del lodo y de la arena para ser evacuada por una tubería perforada en unos pocos días.
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El diseño de los lechos de secado depende de varios factores siendo los principales las características del lodo y el clima, en la tabla II-9 se muestran valores típicos de diseño.
Tabla II-9
Criterios de diseño para lechos de secado de arena.
Característica Criterio
Área requerida per cápita para lodo primario 0.09 m2/m3 Carga de solidos secos para lodo primario 134 kg/m2.año
Altura sobre la arena 0.5-0.9 m
Pendiente tubería de drenaje principal > 1%
Distancia entre drenajes principales 2.5-6 m
Espesor de la capa de grava 20-46 cm
Tamaño de grava 3-25 mm
Profundidad de la capa de arena 20-46 cm
Tamaño efectivo de la arena 0.3-0.75 mm
Ancho del lecho para limpieza manual 7.5 m
Placa de salpicamiento 0.9x0.9x0.1 m
Fuente: (Romero Rojas, 2004, pág. 833).
2.2.5.2. Modelo de procesos de biopelícula fija sumergida