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ESTACIÓN DE COMPRESIÓN “EMILIANO ZAPATA” MEMORIA DE CÁLCULO PLANTA DE TRATAMIENTO

DISEÑO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO

PLANTA: Estación de Compresión “Emiliano Zapata” LUGAR: Las Víboras, municipio de Emiliano Zapata, Veracruz. NO. DE CONTRATO: PGPB-SD-GRM-0006/2004 NO. DE PROYECTO CLIENTE: Q-200-52-01 PARTIDA PRESUPUESTAL: Q-200-52-02 CLIENTE: PEMEX GAS Y PETROQUÍMICA BÁSICA

0

FEB/2005

J.L.O.H.

M.C.A.

A.R.C.

Rev.: 0 Fecha: FEB-2005 Hoja

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MC – A - 013

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MC – A - 013

INDICE

Sección

Descripción

Página

1

Objetivos

3

2

Consideraciones de diseño

3

3

Diseño de la planta

4

4

Bibliografía

85

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MC – A - 013

1. Objetivos: Elaborar el diseño de una planta para el tratamiento de las aguas drenaje sanitario y aceitoso que genere la estación de compresión Emiliano Zapata. 2. Consideraciones de diseño: Capacidad de la planta de tratamiento: Población servida 30 hab. dotación 150L/hab.d y un retorno del 75%. Gasto a tratar = 30 hab. x 150 L/hab. d Gasto a tratar = 4,500 L/d x 0.75 Gasto a tratar = 3,375 L/d / 86,400 seg./d Gasto a tratar = 0.039 = 0.04 L/seg. Tomaremos un valor de 0.1 L/seg. para el diseño de la planta, considerando posibles fluctuaciones en la población servida y en la dotación. Haciendo algunos ajustes en los tiempos de retención, para beneficio en el proceso de la planta.

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ESTACIÓN DE COMPRESIÓN

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“EMILIANO ZAPATA”

Hoja

MEMORIA DE CÁLCULO

MC – A - 013

PLANTA DE TRATAMIENTO

3. 3.1

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Diseño de la planta Determinación de la Calidad del Agua Residual Esperada a Tratar en la Planta de Tratamiento

1. De la tabla Análisis Promedio de las aguas residuales domesticas normales, de acuerdo a la Secretaria de Recursos Hidráulicos del libro "Sistemas Económicos de Tratamiento de Aguas Residuales Adecuados a las Condiciones Nacionales" México, DF. Enero de 1975. Análisis de Aguas Residuales Domesticas Parámetro

Unidad

Concentración

Sólidos tot.

mg/L

1370

Sólidos tot. Volátiles

mg/L

600

Sólidos suspendidos

mg/L

260

Sólidos sedimentables

mL/L

7

Grasas y Aceites

mg/L

60

DBO5 tot

mg/L

274

pH

unidades

7.2

Coliformes tot.

NMP/100ml

16E08

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ESTACIÓN DE COMPRESIÓN

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“EMILIANO ZAPATA”

Hoja

MEMORIA DE CÁLCULO

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PLANTA DE TRATAMIENTO

2. La tabla muestra datos típicos de parámetros individuales presentes en las aguas residuales de origen domestico o municipal, clasificándose como fuerte media o débil, dependiendo de la concentración de los diferentes contaminantes. Referencia: Metcalf and Edy. Inc, "Wastewater Engineering Treatment Disposal" segunda edición, Mc Graw Hill, New York, 1979.

Parámetros

Concentración Alta

media

baja

Sólidos tot.

1200

720

350

Sólidos dis. tot.

850

500

250

Sólidos dis fijos

525

300

145

Sólidos dis volátiles

325

200

105

Sólidos susp. tot.

350

220

100

Sólidos susp. Fijos

75

55

20

Sólidos susp volátiles

275

165

80

Sólidos sedimentables

20

10

5

DBO5 tot. a 20ºC

400

220

110

DQO tot.

1000

500

250

Nitrógeno tot.

85

40

20

Nitrógeno orgánico

35

15

8

Nitrógeno amoniacal

50

25

12

Nitratos

0

0

0

Nititos

0

0

0

Fosfatos

15

8

4

Alcalinidad tot.

200

100

50

Grasas y Aceites

150

100

50

Todas las unidades están en mg/L, excepto los sólidos sedimentables ml/L

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3. La tabla muestra la calidad del agua residual domestica dependiendo del tamaño de la población. Presentando las características de las aguas residuales domesticas para poblaciones de 2.500 a 100,000 habitantes en el país. Referencia: SRH, Subsecretaria de Planeación, Dirección General de Usos del Agua y Prevención de la Contaminación "Sistemas Económicos de Tratamiento de Aguas Residuales, Adecuadas a las Condiciones Nacionales, Segunda Etapa" 1986. Tamaño de población No. de habitantes Parámetro

2,500 a 10,000

10,000 a 20,000

20,000 a 100,000

pH (unidades) Temperatura (ºC) DBO5 tot. DQO tot. Sólidos sediment. (ml/l) Grasas y aceites Nitrógeno amoniacal Nitrógeno orgánico Nitrógeno tot. Fosfatos tot. Saam Coliformes tot (NMP/100ml) Sólidos tot. Sólidos tot. dis. Sólidos tot. susp. Sólidos tot. volat. Sólidos volat. dis. Sólidos volat. susp. Sólidos fijos tot. Sólidos fijos dis. Sólidos fijos susp.

7.4 25 264 698 9 56 24 18 42 20 14 E08 1552 1266 286 737 514 223 815 699 116

6.9 20 299 719 5 44 28 23 51 24 11 E08 1141 832 309 871 379 192 570 425 145

6.9 23 254 609 8 65 14 23 37 16 17 E07 1391 1158 233 449 298 151 942 759 183

Todas las unidades están en mg/l, excepto los que se indican

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4. La tabla presenta aportaciones promedio de contaminantes por habitante, estimadas a partir de datos de caracterizaciones de aguas residuales, aforos de descargas en 26 poblaciones servidas en el país. Referencia: SRH, Subsecretaria de Planeación, Dirección General de Usos del Agua y Prevención de la Contaminación "Sistemas Económicos de Tratamiento de Aguas Residuales, Adecuadas a las Condiciones Nacionales, Segunda Etapa" 1986. Aportación Promedio de Contaminantes por Habitante (g/hab.-día) Parámetro

Aportación

Valor Esperado

DBO5 tot.

54

360

DQO tot.

110

733

Nitrógeno tot

8

53.3

Fosfatos tot.

4.6

30.7

Sólidos tot.

243

1620

Sólidos tot. dis.

191

1273.3

Sólidos tot. susp.

52

346.7

Sólidos tot. volat.

95

633.3

Sólidos volat. dis.

59

393.3

Sólidos volat. susp.

36

240

Sólidos fijos. tot.

148

986.7

Sólidos fijos dis.

132

880

Sólidos fijos susp.

16

106.7

Todas las unidades están en mg/L.

5. Tabla comparativa entre las diferentes calidades típicas de acuerdo a los criterios antes señalados.

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SRH Enero,1975

Concentración Alta

(1)

(2)

SRH 1986 2,500 a 10,000 hab. (3)

pH

7.2

---

7.4

---

Sólid. sed.

7

20

9

---

Sólid. tot.

1370

1200

1552

1620

Sólid. sus, tot.

260

350

286

346.7

DBO5 tot.

274

400

264

360

DQO tot.

---

1000

698

733

Nitrógeno tot.

---

85

42

53.3

Fosfato tot.

---

15

20

30.7

GyA

60

150

56

---

Colif. tot.

16E08

---

1E08

---

Parámetro

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SRH 1986 Aportación (4)

De acuerdo a la tabla comparativa y a las características que se pueden esperar del agua, los valores de la tercer columna se puedan tomar como validos para el diseño de la planta de tratamiento. Las condiciones particulares de descarga, son las que marca la NOM ECOLMexicana 001-1995 para disposición a cuerpos receptores sin abastecimiento de agua potable con los siguientes valores: -Grasas y aceites

25 mg/L

-Sólidos sedimentables

2 ml/L

-Sólidos suspendidos totales

125 mg/L

-DBO5 tot.

150 mg/L

-Nitrógeno total

25 mg/L

-Fósforo tot.

20 mg/L

-Colif. tot.

menor de 1000 NMP/100ml

3.2

Datos de Diseño

Q med = 0.1 L/seg. = 0.0001 m3/seg.

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Q máx = Q med x

1 +

14 4+

Q máx = 0.1 L/seg. x

P 14

1 + 4 +

Q máx = 0.1 L/seg. x

0.03 14

1 +

4 + 0.173

Q máx = 0.1 L/seg. x

1 +

14 4.173

Q máx. = 0.1 L/seg. x 1 + 3.35 Q máx. = 0.1 L/seg. x 4.35 = .435 L/seg. Q dis = Q máx x factor de previsión Q dis =0.435 L/seg x 4.87 = 2.12 L/ seg Donde: Q med = flujo medio l/s Q máx = flujo máximo l/s Q dis = flujo de diseño l/s P = numero de habitantes en miles De acuerdo a los valores tomados para el diseño de la planta de: -DBO5 tot. -DQO tot -Sólidos tot. -Sólidos susp. tot. -Nitrógeno tot. -Fosfatos tot. -Grasas y Aceites -pH -Sólidos sed.

264 mg / L 698 mg / L 1552 mg / L 286 mg / L 42 mg / L 20 mg / L 56 mg / L 7.4 unidades 9 mg / L

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-Coliformes tot.

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1E08 NMP/100ml

Con estos valores un proceso biológico convencional de aereación extendida con nitrificación, es lo más conveniente. El tren de tratamiento completo esta formado de la siguiente manera: 1.- Pretratamiento 1.a) Cribado 1.b) Desarenado 2.- Cárcamo de bombeo 3.- Proceso biológico convencional en la modalidad de Aereación Extendida. 4.- Sedimentación. 5.- Desinfección 6.- Medidor Parshall 7.- Tratamiento de lodos 7.a) Espesado 7.b) Lechos de secado de lodos

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3.3

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Desarrollo del diseño de la planta de tratamiento

3.3.1 Pretratamiento 3.1.1.a.

Cribado

La operación de cribado se emplea para remover el material grueso, generalmente flotante, contenido en algunas aguas residuales crudas, que puede obstruir o dañar bombas, tuberías y equipos de las plantas de tratamiento o interferir con la buena operación de los procesos de tratamiento. El cribado puede ser fino, por medio de mallas de alambre, o grueso, por medio de rejillas. Características de las unidades. Rejillas. Las rejillas consisten en barras, verticales o inclinadas, espaciadas de 16 a 76 mm (5/8 a 3 pulg.) y colocadas en los canales de acceso a las plantas, antes de las estaciones de bombeo. Los sistemas de limpieza de las rejillas pueden ser manuales o automáticos. Las barras pueden ser rectangulares o cuadradas con uno o ambos extremos redondeados. Las características más comunes de rejillas son las que se indican en el siguiente cuadro:

Concepto

Tipo de Rejilla Limpieza Manual

Limpieza Mecánica

Espesor de las barras (cm)

0.6 a 1.6

0.6 a 1.6

Espaciamiento entre barras (cm)

2.5 a 5.1

1.6 a 7.6

Pendiente con la horizontal (˚)

30 a 60

0 a 30

Velocidad de la llegada del agua (cm/seg.)

30 a 60

60 a 90

15

15

30

30

Pérdida permisible de carga en las rejillas (cm) Profundidad útil del canal (cm)

Malla Las mallas pueden colocarse en marcos fijos o en tambores rotatorios. El agua fluye a través de la malla y los sólidos son retenidos en ella. Las mallas pueden ser de acero inoxidable, plástico o fibra de vidrio reforzada. Las mallas son frecuentemente utilizadas después de las rejillas, para disminuir la carga contaminante a los procesos

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subsecuentes de tratamiento; las eficiencias de remoción de contaminantes varían de 5 a 20% para DBO5 y de 5 a 25 % para sólidos suspendidos. En el caso de mallas en marcos fijos, el agua desciende por gravedad sobre la superficie de una malla inclinada, frecuentemente con pendiente variable (mayor pendiente en la parte superior y menor pendiente en la parte inferior), el agua pasa a través de la malla y los sólidos se recogen en la parte inferior del marco. Algunas características de este proceso son indicadas a continuación: Parámetros Apertura de la malla (mm) Carga hidráulica requerida (m) Requerimiento de energía ( Kwh/1000 m3)

Marcos Fijos 0.25 a 1.5 1.2 a 2.1 ---

Tambores Rotatorios 0.25 a 1.5 0.75 a 1.40 0.7

Criterios de diseño Los elementos de cribado son diseñados en función de los gastos picos de la planta. El número de barras en el canal se define en función del espaciamiento entre barras y el ancho de las barras. El espaciamiento entre barras, como se menciono en el cuadro anterior, varia entre 2.5 y 5.1 cm, para rejillas de limpieza manual y 1.6 a 7.6 cm para rejillas de limpieza automática. En aguas residuales municipales se recomienda una separación de 2.5 cm y un ancho de barras de 0.8 cm La pérdida de carga (cm), en rejillas limpias, puede ser estimada con la siguiente ecuación: h = β x W / b)4/3 x

Siendo:

V2 x sen2 Ú 2 x g

β = Factor de forma de las barras, = 2.42 para barras rectangulares, = 1.83 para barras circulares al frente y rectangulares atrás, = 1.79 para barras circulares = 1.67 para barras rectangulares al frente y parte posterior circular = 0.76 para barras rectangulares con frente circular y combada en su parte posterior para terminar en forma de gota, W = Ancho máximo de las barras (cm), b = Claro libre mínimo entre barras (cm), V = Velocidad de llegada del agua (cm/seg.),

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Ú = Angulo, respecto a la horizontal, de las barras, g = Aceleración de la gravedad (cm/seg 2). Las características de un sistema de cribado de rejillas son las señaladas en el cuadro de características de las rejillas. Características de residuos En aguas residuales municipales el volumen de sólidos retenidos en las unidades de rejillas puede variar de 4 a 40 litros por cada 1,000 metros cúbicos de agua residual. En mallas, la retención de sólidos puede variar de 200 a 400 litros por cada 1,000 metros cúbicos de agua residual. Los resultados recolectados pueden ser enterrados en rellenos sanitarios, incinerados o molidos y digeridos biológicamente. Otras características Impacto Ambiental. Pueden producirse olores desagradables si los residuos no son prontamente eliminados. Requerimientos de Energía. Solo en los sistemas mecanizados, requerimientos mínimos de energía. Confiabilidad. Procesos altamente confiables. poco expuestos a fallas de operación. Requerimientos de mano de obra calificada. Mínimos. Bases de Diseño Q máx.

gasto máximo

2.12 l /seg.

Vc

velocidad en el canal

de 0.3 a 0.6 m/seg.

Vatb

velocidad a través de las barras

de 0.45 a 0.55 m/seg.

B S

espesor de las barras separación entre barras

de 0.6 a 1.6 cm de 1.6 a 5.1 cm

Nota: Una problemática palpable en las plantas de tratamiento, es la presencia de sólidos menores a los 2 cm. Para ser retención se diseñaran 3 cribas en serie de mayor a menor separación entre barras, los cuales serán:

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1ª criba

2

cm de separación

2ª criba

1.5 cm de separación

3ª criba

1.2 cm de separación

Distancia entre cribas 0.5 m. Cálculos 

W = ancho

W =

B + S S

x

F Vatb x D

Donde: B = espesor de las barras S = separación entre barras F = gasto de diseño Vatb = velocidad a través de las barras D = tirante de agua a gasto de diseño (propuesto) Para la 1ª criba W =

12 mm + 20 mm 20 mm

x

0.00212 m3/seg. 0.55 m/seg. x 0.2 m

W = 1.6 x 0.019 m = 0.03 m = 3cm Para la 2ª criba W =

12 mm + 15 mm 15 mm

x 0.019 m

W= 1.8 x 0.019m = 0.034 m = 3.4 cm Para la 3ª criba W =

12 mm + 12 mm 12 mm

x 0.019 m

W = 2 x 0.019m = 0.038 m = 3.8 cm

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Como el valor del ancho de canal es muy bajo y no se podría construir, se dará un ancho de canal manejable para su construcción y se revisará su velocidad. 

NB = número de barras W + S B + S

NB = Donde:

W = ancho del canal (0.12m propuesto) S = separación entre barras B = espesor de las barras Para la 1ª criba 12 cm + 2 cm 1.2 cm + 2 cm

NB =

=

14 cm 3.2 cm

= 4.37 ≈ 4

=

13.5 cm 2.7 cm

= 5

=

13.2 cm 2.4 cm

= 5.5 ≈ 5

NB = 4 pzas. Para la 2ª criba 12 cm + 1.5 cm 1.2 cm + 1.5cm

NB =

NB = 5 pzas. Para la 3ª criba 12 cm + 1.2 cm 1.2 cm + 1.2 cm

NB =

NB = 5 pzas. 

Vatb = velocidad a través de las barras

Vatb = Donde:

F (NB - 1) x S x D

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F = gasto de diseño NB = numero de barras S = separación entre barras D = tirante de agua a gasto de diseño (propuesto) Para la 1ª criba

Vatb =

0.00212 m3/seg. (4 – 1) x 0.02 m x 0.1 m

0.00212 m3/seg. 0.006 m2

=

Vatb= 0.35 m/seg. la velocidad es baja, el rango es de 0.45 a 0.55 m/seg., por lo que proponemos otro ancho de canal y tirante hidráulico. Para la 1ª criba NB =

8 cm + 2 cm 1.2 cm + 2 cm

=

10 cm 3.2 cm

= 3.12 ≈ 3

NB = 3 pzas Para la 2ª criba NB =

8 cm + 1.5 cm 1.2 cm + 1.5 cm

=

9.5 cm 2.7 cm

= 3.52 ≈ 4

=

9.2 cm 2.4 cm

= 3.83 ≈ 4

NB = 4 pzas Para la 3ª criba NB =

8 cm + 1.2 cm 1.2 cm + 1.2 cm

NB = 4 pzas Para la 1º Criba Vatb =

0.00212 m3/seg. (3 – 1) x 0.02 m x 0.08 m

Vatb = 0.66 m/seg. Para la 2º Criba

=

0.00212 m3/seg. 0.0032 m2

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0.00212 m3/seg. (4 – 1) x 0.02 m x 0.08 m

Vatb =

=

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0.00212 m3/seg. 0.0048 m2

Vatb = 0.44 m/seg. las velocidades se aceptan con un ancho de canal de 8 cm y un tirante de agua a gastos de diseño de 8cm 

Vc= velocidad en el canal F W x D

Vc = Donde:

F = gasto de diseño W= ancho de canal D = tirante de agua a gasto de diseño 0.00212 m3/seg. 0.08 m x 0.08 m

Vc =

=

0.00212 m3/seg. 0.0064 m2

= 0.33 m/seg.

Vc= 0.33 m/seg. la velocidad esta dentro de rango, el cual es de 0.3 a 0.6 m/seg. 

hL = pérdidas de carga a través de las barras, considerando barras limpias e inclinadas. 4/3

HL =

B S

x β x hv x sen Ø

Donde: B = espesor de las barras S = separación entre barras β = factor de forma de la barra hv = carga corriente arriba de las barras Ø = ángulo de inclinación de las barras con respecto a la horizontal Para la 1ª criba 4/3

hL =

12 mm 20 mm

x 1.67 x 0.24 pies x sen 60°

hL= (0.6)1.333 x 1.67 x 0.24 pies x 0.866

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hL= 0.506 x 0.347 pies = 0.18 pies = 5.5 cm Para la 2ª criba 4/3

HL =

12 mm 15 mm

x 1.67 x 0.24 pies x 0.866

hL= (0.8)1.333 x 0.347 pies = 0.26 pies = 7.9 cm Para la 3ª criba 4/3

hL =

12 mm 12 mm

x 1.67 x 0.24 pies x 0.866

hL= (1)1.333 x 0.347 pies = 0.347 pies = 11.4 cm Tomaremos las perdidas mas desfavorables que son las de 11.4 cm.

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TABLA RESUMEN CANAL DE CRIBADO

-Gasto máximo a tratar

2.12 l /seg.

-Gasto medo de diseño

0.1 l /seg.

-No. de canales

2

-Gasto por canal

2.12 l /seg.

-No. de cribas por canal

3

-Espesor de las barras

12 mm

-Separación entre barras 1er criba

20 mm

2ª criba

15 mm

3ª criba

12 mm

-Angulo de inclinación de las barras

60º

-Tirante de agua a gasto máximo

8 cm.

-Perdidas de carga 1er criba

5.5 cm

2ª criba

7.9 cm

3ª criba

11.4 cm

-Bordo libre

5.5 cm

-Altura total

25 cm

-Ancho de canal

8 cm

-Separación entre cribas

50 cm.

- Limpieza

Manual

3.3.1.b Desarenado

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La desarenación es una operación unitaria que se emplea para remover gravillas, arenas, cenizas y otros materiales inorgánicos presentes en las aguas residuales municipales que pueden causar abrasión o desgaste excesivo en los equipos mecánicos de una planta de tratamiento. La desarenación se ubica generalmente después del cribado y antes de la sedimentación primaria. Con esta operación se busca remover el 100% de las partículas inorgánicas (densidad = 2.65 g/cm3) de un tamaño igual o mayor a 0.21 mm (malla No. 65) y dejar en suspensión el material orgánico. Para lograr esta remoción es necesario conservar la velocidad del agua, entre 25 y 38 cm/seg. La sedimentación gravitacional de las partículas es del tipo discreto (cada partícula se sedimenta independientemente, sin presentarse fenómenos de floculación de partículas). La eficiencia de remoción de partículas de tamaño inferior al tamaño de diseños es directamente proporcional a la relación de su velocidad de sedimentación con la velocidad de sedimentación de diseño. Características de las unidades Las cámaras de desarenación pueden ser de flujo horizontal con deposición simple por gravedad de las partículas en el fondo del canal o pueden ser aereadas con flujo en espiral. En ambos casos, para la concentración de las arenas sedimentadas se recomienda el empleo de rastras mecánicas. Los desarenadores aereados producen un sedimento más limpio y fácil de manejar que los desarenadores de flujo horizontal. Otra ventaja de los desarenadores aereados es que regulando la dosis de aire alimentado se pueden ajustar las condiciones de operación de la unidad en función de la proporción de sólidos inorgánicos y orgánicos que contengan el agua residual. Criterios de Diseño Para los desarenadores de flujo horizontal el criterio básico de diseño es la velocidad de sedimentación de las partículas y sus requerimientos de área por unidad de gasto, como se muestra en el siguiente cuadro para partículas con una densidad de 2.65 g/cm3

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ESTACIÓN DE COMPRESIÓN

Fecha: FEB-2005

“EMILIANO ZAPATA”

Hoja

MEMORIA DE CÁLCULO

MC – A - 013

PLANTA DE TRATAMIENTO

Tamaño de partícula

Velocidad de Sedimentación

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Área Requerida

No. de Malla

Tamaño (mm)

(cm/seg.)

L/seg. m2

m2_ L/seg.

18 20 35 48 65 100 150

0.833 0.595 0.417 0.295 0.208 0.147 0.105

7.47 5.34 3.76 2.64 1.88 1.32 0.92

74.7 53.4 37.6 26.4 18.8 13.2 9.2

0.013 0.019 0.027 0.038 0.053 0.076 0.109

En los desarenadores de flujo horizontal es necesario mantener una velocidad horizontal constante. Para conservar esta velocidad, con gastos variables, se recomiende el uso de vertedores proporcionales en la descarga. La cresta del vertedor deberá estar de 10 a 30 cm. por encima del fondo del canal para evitar el arrastre de sólidos. Generación de residuos El volumen de arenas removido para aguas domésticas varía de 7.5 a 90 litros por cada 1,000 metros cúbicos de agua. Otras características Impacto Ambiental. Pueden producirse olores desagradables si las arenas no son prontamente removidas. Requerimientos de Energía: Mínimos. Confiabilidad: Procesos confiables poco expuestos a fallas de operación. Requerimientos de mano de obra calificada. Mínimos. Bases de Diseño Q máx. Vc T S D

gasto máximo velocidad en el canal temperatura promedio densidad relativa de la partícula diámetro de la partícula a separar viscosidad cinemática del agua

2.12 L /seg. de 0.2 a 0.4 m/seg. 17ºC 2.65 adim. 0.2 mm

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Cálculos Vs = velocidad de sedimentación

Vs a 10ºC = 3 cm/seg. 1.0893E-2 cm2/seg. 1.3101E-2 cm2/seg.

Vs a 17ºC = 3 cm/seg. x

Vs a 17ºC = 3 cm/seg. x 0.83146 = 2.49 cm/seg. Comparando la velocidad en función del "término del diámetro" 

td = termino del diámetro 1/3

td =

g x (S – 1) 2

X D

Donde: g = gravedad S = densidad relativa de la particular = viscosidad cinemática del agua D = diámetro de la partícula a separar 1/3

td =

981 cm/seg2 x (2.61 – 1) (1.0893E-2 cm2/seg.)2

x 0.02 cm 0.333

td =

1579.41 cm/seg2 0.0001187 cm4/seg2

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x 0.02 cm

td = 236.96 1/cm x 0.02 cm = 4.73

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1.3101E-2cm2/seg. 1.0893E-2cm2/seg.

a 10ºC a 17ºC



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De la grafica anexa se tiene td = 0.48 =

Vs g x (S -1) x

1/3

1/3

Vs = 0.48 x g x (S-1) x

Vs = 0.48 x 981 cm/seg2 x (2.65-1) x 1.0893E-2cm2/seg. Vs = 0.48 x (17.63 cm3/seg3) 0.333 Vs = 0.48 x 2.6 cm/seg. = 1.248 cm/seg. 

As = área superficial

As = Q máx. Vs Donde: Q máx. = gasto de diseño o máximo Vs = velocidad de sedimentación 0.00212 m3/seg. 0.01248 m/seg.

As = 

= 0.169 m2 ≈ 0.17 m2

Asc = área superficial corregida

Asc =

As x Ef 100

Donde: As = área superficial Ef = eficiencia requerida Asc =

0.17 m2 x 110 100

0.187 m2 ≈ 0.19 m2

1/3

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

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Va = velocidad de arrastre 1/2

S–1 f

Va = 8 x β x g x D x

Donde: β = parámetro g = gravedad D = diámetro de la partícula a separar S = densidad relativa de la partícula f = coeficiente de rugosidad de Darcy para el concreto 1/2

Va = 8 x 0.04 x 981 cm/seg2 x 0.02 cm x Va = ( 345.31 cm2/seg2)0.5 = 18.58 cm/seg. 

At = área transversal Q máx. Va

At = Donde:

Q máx = gastos de diseño o máximo Va = velocidad de arrastre 0.00212 m3/seg. 0.1858 m/seg.

At = 

= 0.0114 m2

th = tirante hidráulico a gasto de diseño

th =

At W

Donde: At= área transversal W = ancho del canal (calculado) 0.0114 m2

2.65 – 1 0.03

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0.08 m

th = 

= 0.1425 m

Lc = largo del canal Asc W

Lc = Donde:

Asc = área superficial corregida W = ancho del canal (calculado) 0.19 m2 0.08 m

Lc =



= 2.375 m

tr = tiempo de retención W x Lc x th Q máx

tr = Donde:

W = ancho de canal Lc = Largo del canal th = tirante hidráulico a gasto de diseño Q máx. = gasto de diseño o máximo 0.08m x 2.37 m x 0.1425 m 0.00212 m3/seg.

tr =

=

tr = 12.74 seg. 

Vc = velocidad en el canal

Vc =

Q máx. th x W

Donde: Q máx. = gasto de diseño o máximo th = tirante hidráulico o gasto de diseño W = ancho del canal

0.027 m3 0.00212 m3/seg.

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0.00212 m3/seg. 0.1425 m x 0.08 m

Vc =

=

0.00212 m3/seg. 0.0114 m2

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= 0.1859 m/seg.

Vc= 18.59 cm/seg. Esta velocidad se acerca al mínimo establecido que es de 20cm/seg. (0.2m/seg.). Dimensionamiento de la tolva de recolección de arenas para un día de tiempo de retención. Para el diseño tomaremos 50 litros de arena por cada 1000m 3 de agua tratada. 

Vol. ag = volumen de agua tratada

Vol. ag = Q máx. x tr Donde: Q máx. = gasto de diseño o máximo tr = tiempo de retención Vol. ag. = 0.00212 m3/seg. x 1d x 86400 seg./d Vol. ag = 183.17 m3 

fact = factor de veces Vol. ag. 1000 m3

fact = Donde:

Vol. ag. = Volumen de agua 183.17 m3 1000 m3

fac. = 

= 0.183 veces

Vol. tolv. = volumen de tolva

Vol. tolv. = vol. arena x fact. Donde: Vol. arena = volumen de arena

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fact = factor (calculado) Vol. tolv. = 0.05 m3 x 0.183 = 0.0091 m3 Volumen de tolva para un día = 0.0091 m3 Cálculo del volumen de la tolva para 3 días de almacenamiento Vol. de tolva x 3 = 0.0091m3 x 3 = 0.0273m3 

t. tolv. = Altura de tolva

t. tol. =

Vol. tolv. Asc

Donde: Vol. tolv. = volumen de tolva Asc. = área superficial corregida t. tol. =

0.027 m3 0.19 m2

= 0.1437 m

t. tolv. = 14.37 cm Para controlar la velocidad en el canal desarenador es conveniente colocar un dispositivo de regulación de flujo al final del canal, tal como un vertedor proporcional doble sutro.

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Características Geométricas Gasto a través de un vertedor proporcional "doble sutro”. Ecuaciones 0.5

X =b*

1 – 2 x arc tan 

Y a

Q = b x (2 x a x g)0.5 x h + 2

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a 3

a = 3 cm b = 2 cm Y cm

X cm

h cm

Q L/seg.

1 2 4 6 8 10 15 20

1.6 1.25 .082 0.59 0.46 0.37 0.25 0.19

1 2 4 6 8 10 15 20

0.5 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.6 3.4

Hoja

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TABLA RESUMEN CANAL DESARENADOR -Gasto máximo a tratar

2.12 L/seg.

-Gasto medio de diseño

0.1 L/seg.

-No. de canales

2

-Gasto por canal

2.12 L/seg.

-Velocidad de sedimentación

1.25 cm/seg.

-Velocidad en el canal

18.59cm/seg.

-Velocidad de arrastre

18.58 cm/seg.

-Ancho de canal

8 cm

-Tirante hidráulico

14.25 cm

-Largo de canal

2.37 m

-Altura de tolva

14.37 cm

-Tiempo de almacenamiento de arenas

3 días

-Limpieza

Manual

-Bordo libre

17 cm

-Altura total

45.62 cm

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3.3.2 Carcamo de bombeo La estación de bombeo principal de una planta de tratamiento de aguas residuales recibe toda el agua residual de la red municipal y la eleva a una altura suficiente que permita que el agua residual fluya por gravedad a través de todos los procesos del tratamiento; cuando las condiciones del terreno donde esté situada la planta de tratamiento con respecto a las de la red municipal, permitan que el agua residual fluya por gravedad a los procesos del tratamiento, la estación de bombeo para el influente no será necesaria. Las partes esenciales de una estación de bombeo son: Equipo de bombeo, pozo de admisión o pozo húmedo, cámara de bombeo o pozo seco y unidad de fuerza motriz. El equipo especial para el funcionamiento satisfactorio de la estación de bombeo puede comprender, además, una rejilla, una cámara desarenadora y un pozo de recepción. La cámara desarenadora y la rejilla son necesarias para proteger las bombas contra desgastes y obstrucciones. Se deberá instalar un vertedor de excedencias o derivación para evitar daños a la estación de bombeo por sobre flujos. Generalmente cuando se requiere de uno o mas estaciones de bombeo, éstas se colocan en la misma planta, pero si por falta de espacio o por las condiciones topográficas del terreno no es posible, se pueden situar en otra parte y conectarlas a la planta de tratamiento mediante tubería a presión. Dependiendo de su función y su localización en la planta de tratamiento se pueden clasificar como estaciones de bombeo del influente, estaciones del efluente o estaciones de recirculación. Diseño de Estaciones de Bombeo Caudal de Diseño Para determinar el tamaño de la estación de bombeo, se deberá conocer la cantidad y las variaciones del caudal esperadas, ya que no hay un método para el dimensionamiento de las estaciones de bombeo que se aplicable a todas las condiciones. Los caudales normalmente varían de un mínimo en las primeras horas de la mañana a un máximo al medio día. Para hacer una elección apropiada del equipo de bombeo y el diseño correcto del pozo húmedo o de admisión de las aguas negras, se deberá conocer el caudal máximo, promedio y mínimo diario, así como hacer estimaciones de caudales futuros, ya que el periodo de diseño para una estación de bombeo es variable. El diseño de la estación de bombeo puede incluir equipo de bombeo con capacidad suficiente para manejar los caudales futuros o bien las previsiones necesarias para poder instalar en fechas futuras equipos mas grandes o adicionales.

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Equipo de bombeo Comúnmente se define una bomba, como una máquina hidráulica operada mediante un motor que puede ser eléctrico capaz de transportar un líquido de un espacio a otro, incrementando la presión del líquido en el lado de la descarga de la bomba; generalmente debido a la presencia de sólidos suspendidos en las aguas residuales domesticas, se utilizan bombas espirales o centrifugas que no se atascan para los requerimientos del agua residual. Las bombas centrifugas especialmente diseñadas para minimizar la posibilidad de taponamientos se recomiendan en la mayoría de los casos, debido a su impulsor abierto, ya que por su diseño permite que objetos relativamente grandes pasen a través de las bombas. (Estas bombas permitir el paso de esferas de por los menos 7.5 cm de diámetro). La instalación de bombas en las estaciones de bombeo se pueden clasificar del siguiente modo: bombas sumergidas bajo las aguas negras en el pozo de recepción, bomba en un pozo seco, a un nivel más bajo que el del líquido en el pozo de recepción y bombas colocadas mas altas que el nivel de las aguas negras en el pozo de recepción. Siendo la más común la que sitúa a las bombas en un pozo seco y a un nivel más abajo que el nivel de las aguas negras. La tubería de succión o descarga debe proporcionar cambios uniformes en la velocidad dentro y en camino hacia la bomba sin crear turbulencia. La baja velocidad en la entrada de la tubería de succión permite que el nivel del agua residual disminuya hacia el fondo del pozo húmedo sin que se formen remolinos que pueden atrapar aire y obstruyan la succión, generalmente se prefiere el uso de bombas no autocebables, debido a su gran rendimiento para esta operación. Selección del equipo de bombeo Los cálculos por hacer suponen que el gasto, así como la altura hasta la cual debe ser bombeada el agua han sido previamente determinados. Para lograr tal fin, debe tenerse cuidado al calcular la carga hidráulica total que tendrá que vencerse. El cálculo cuidadoso de este elemento es de la mayor importancia en la buena elección e instalación de una bomba centrifuga. La carga hidráulica total, está formada por la suma de todos y cada uno de los elementos que en seguida se enumeran.

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1º.- De la altura estática de succión (Hsuc) o carga de presión en la succión (Hpres) que es la distancia vertical entre la superficie libre del agua en el depósito y la línea del centro del eje de rotación horizontal de la bomba. 2º.- De la altura o carga estática de descarga (Hdesc) que es igual a la distancia vertical o desnivel entre la línea del centro del eje horizontal de rotación de la bomba y el nivel de la descarga. 3º.- De la carga de fricción (hf) o pérdida total por fricción que tendrá lugar en la succión y en la descarga. Cuando la bomba centrifuga se encuentra sobre el nivel del agua en la succión, la carga hidráulica total (H) es igual a la Hsuc + H desc + hf; pero cuado la bomba trabaja ahogada; H = Hdesc - Hpres + hf. Al calcular la carga hidráulica total que debe considerarse en un sistema de bombeo por instalar, las pérdidas por fricción y la carga o altura estática deben calcularse para un máximo o condiciones extremas. En otras palabras, debe considerarse la H máxima que podrá presentarse calculando las pérdidas por fricción para el gasto máximo que pudiera requerir el sistema de bombeo. La construcción de la curva carga-capacidad para el sistema, es el primer paso para la selección de las unidades de bombeo. Esta curva comúnmente conocida como la curva de carga del sistema, se obtiene graficando la capacidad total de bombeo contra la altura dinámica total para la capacidad dada. Como el nivel del agua en el lado de la succión de las estaciones de bombeo de aguas negras está normalmente sujeta a variaciones considerables, es recomendable graficar las curvas del sistema para ambos extremos de la carga estática. Las pérdidas en la tubería entre la succión y la bomba y entre la bomba y el impulsor o fuerza principal son, por conveniencia, usualmente despreciables para la curva de carga de la bomba. Los factores de fricción y coeficientes de resistencia para estimar las pérdidas en la tubería del sistema, se pueden determinar en cualquier libro de hidráulica. Es necesario hacer algunas estimaciones preliminares del tamaño de la tubería y del número de conexiones y válvulas, para el cálculo de la curva de la carga del sistema. El tamaño de la tubería puede estimarse con una ligera aproximación usando la velocidad del caudal, y el número de conexiones y válvulas se determinan por el plano de la estación. La curva del rendimiento de la bomba, muestra la eficiencia de operación de la bomba en diversos puntos de la curva hidráulica contra capacidad. La curva de potencia al freno, muestra la fuerza (en caballos) que debe proporcionarse a la bomba en diversos puntos de la primera curva. Calculando la carga hidráulica total (H) a que la bomba esté operando, de la curva pueden

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obtenerse los litros por minuto que se bombean; de la misma manera se obtiene la potencia requerida por la bomba y la eficiencia de la misma, para cualquier condición. Generalmente las bombas para aguas negras se diseñan para operar a velocidades tan altas como 1800 revoluciones por minuto (rpm), aunque en la práctica general se usan las velocidades de 1200 rpm o menores. Cuando se opera una bomba centrifuga a alta velocidad, se desarrollan bajas presiones en el ojo del impulsor o en los extremos de las aletas. Cuando esta presión disminuye hasta un valor menor a la presión de vapor del liquido, pueden presentares la vaporización en estos puntos. Las burbujas de vapor formadas se mueven hacia la región de alta presión y se desbaratan produciendo el fenómeno conocido como "cavitacion" que se manifiesta por una reducción en la potencia y por lo tanto de la eficiencia, vibraciones y fuertes ruidos. La cavitacion puede reducirse o eliminarse reduciendo la velocidad de la bomba. Si la cavitacion no se reduce o elimina, resultarán daños mecánicos en la bomba. A la diferencia entre la presión total, expresada en columna de liquido en la entrada de succión y la presión expresada en altura de liquido correspondiente a la presión de vapor de liquido en la entrada de la bomba se le define como la carga neta de succión positiva (NPSH); cuando la presión total expresada en columna de fluido en la succión, menos la presión de aceleración de este punto al ojo del impulsor, es igual o menor que la presión de vapor del fluido, es probable que se presente la cavitacion. Bases de Diseño Q máx. Q med Q mín

gasto máximo gasto medio gasto mínimo

Capacidad mínima -5 minutos de almacenamiento a gasto máximo -15 minutos de operación continua de la bomba Capacidad máxima Sin exceder de 20 minutos a gasto medio

Cálculos 

V mín = Volumen mínimo

2.12 L/seg. 0.1 L/seg. 0.05 L/seg.

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V mín = Q dis x tr Donde: Q dis = gasto de diseño tr = tiempo de retención V mín = 0.00212 m3/seg. x 5 mín x 60 seg./mín V mín = 0.636 m3 V mín = 0.0001 m3/seg. x 15 mín x 60 seg./mín V mín = 0.09 m3 

V máx. = volumen máximo

V máx. = Q dis x tr Donde: Q dis = gasto de diseño tr = tiempo de retención V máx. = 0.0001 m3/seg. x 20 mín x 60 seg./mín V máx. = 0.12 m3 Se tomara el valor de 0.64 m3 que es el de 5 minutos de almacenamiento a gasto máximo. 

Geometría del cárcamo

Área =

V h

Donde: V = volumen h = tirante

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0.64 m3 1.0 m

Área =

= 0.64 m2

El cárcamo de bombeo se propone circular para evitar zonas muertas.  x d2 4

A= Donde:

4 x A 

d =

=

4 x 0.64 m2 3.1416

=

0.8149 m2

d = 0.9027 m ≈ 0.9m = 90 cm  th =

Tirante de agua a gasto mínimo V A

Donde: V = volumen A = área th = 

0.09 m3 0.64 m2

= 0.1406 m = 14.06 cm

Selección de Bomba

Q = 0.0001 m3/seg. x 3,600 seg./hra = 0.36 m3/hra

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TABLA RESUMEN CARCAMO DE BOMBEO -Gasto máximo

2.12 L/seg.

-Gasto medio

0.1 L/seg.

-Gasto mínimo

0.05 L/seg.

-Tiempo de retención a gasto máximo

5 min.

-Volumen

0.64 m3

-área

0.64 m2

-Diámetro

0.90 m

-Tirante hidráulico máximo

1.00 m

-Tirante hidráulico mínimo

0.14 m

- Bomba tipo

Centrifuga horizontal

- No. de Bombas

2 (una opera, una de reserva)

- Potencia de la Bomba

1/2 HP

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3.3.3 Proceso biológico en la modalidad de aeración extendida con nitrificación El proceso de aereación extendida es una variante del proceso convencional de lodos activados consistente en el empleo de: (a) altos tiempos de retención hidráulica, (b) altas concentraciones de lodos activados en el reactor, (c) altos valores de la edad de lodos y (d) bajas relaciones F/M (alimento/microorganismos). Bajo estas condiciones, el proceso biológico opera en la fase de respiración endógena con mineralización, casi completa, de los lodos biológicos. Debido al alto tiempo de retención hidráulico empleado y alta concentración de lodos en el reactor, el proceso soporta fácilmente fluctuaciones tanto en la carga hidráulica como en la carga orgánica. La aplicabilidad de este proceso se limita, generalmente, a plantas pequeñas. Características del Proceso El proceso de aereación extendida es empleado generalmente sin sedimentación primaria. Otras características de este proceso son: (a) cierta eficiencia en la remoción de compuestos volátiles por desorción (b) adsorción de metales pesados en el lodo biológico (c) nitrificación de las aguas, o sea, conversión biológica de las formas reducidas de nitrógeno ( N-orgánico y N-NH3) a nitratos. El proceso de aereación extendida puede tener lugar en un reactor totalmente mezclado, pero, con el fin de aprovechar mejor la energía requerida en el suministro de oxigeno, es frecuente el empleo de las variantes de aereación por pasos o de la variante conocida como estabilización por contacto. En la aereación por pasos, se busca establecer un régimen hidráulico de flujo pistón en el reactor y la alimentación de oxigeno en cada sección del tanque es proporcional a la demanda de oxigeno especifica de cada sección. En el proceso de estabilización por contacto, el agua cruda es aereada por un corto periodo (generalmente menos de 1 hora) con una alta concentración de lodos activos y de ahí se pasan a la separación gravimétrica, de esta manera se logra eliminar parte de la DBO5 por adsorción en el lodo activo, reduciendo la demanda de oxigeno del sistema; este proceso se emplea generalmente, cuando una fracción importante de la DBO5 se encuentra en forma suspendida.

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La demanda de oxigeno en el proceso de aereación extendida es considerablemente mayor que en el proceso convencional de lodos activados. La magnitud de la demanda es el resultado de la suma de demanda de oxigeno para la bioxidación de la DBO5 carbonacea, mas la demanda de oxigeno para el proceso de nitrificación (4.6 Kg de 02 por Kg de N-NH3 oxidado). El proceso de nitrificación, cabe mencionar, reduce la alcalinidad del agua. La generación de lodos es menor que en el proceso convencional de lodo activados, con la ventaja adicional de que los lodos producidos están casi totalmente digeridos y son relativamente fáciles de desaguar. La ecuación para estimar la generación de lodos es similar que para el proceso convencional: Exceso de Lodos = a x (DBO5 removida) - b x (Masa de lodos biológicos en el reactor). La velocidad de remoción de DBO5 puede ser aproximada, para aguas residuales de origen doméstico, con la misma ecuación que para el proceso convencional de lodos activados: DBO5 efluente = DBO5 entrada

x

1 1 + k x X x t

Dos parámetros de utilidad en el control del proceso son la edad de lodos (EL) y la relación alimento / biomasa (F/M), definidos por las siguientes ecuaciones: Edad de Lodos = Alimento Biomasa

=

Masa de lodos en el reactor (Kg.) Purga de lodos biológicos (Kg/día) Masa de DBO5 en el influente (Kg/día) Masa de lodos en el reactor (Kg.)

Estos dos parámetros se relacionan, a su vez, con la siguiente expresión: 1 El

= a x ( F/M)r – b

Siendo (F/M)r la relación (F/M) multiplicada por la eficiencia del proceso o, expresado de otra manera, la relación entre la DBO 5 removida (Kg/día) y la masa de lodos en el reactor (Kg.).

Eficiencia del Proceso

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remoción de DBO5 del 85 a 95 % remoción de N-NH3 del 50 a 90 % Generación de Lodos La generación de lodos biológicos en este proceso es una de las mas bajas entre todas las variantes del proceso de lodos activados, generalmente entre 0.15 y 0.30 Kg de exceso de lodos generados por Kg de DBO5 removida. Criterios de Diseño En la tabla siguiente se comparan los criterios típicos de diseño para una planta de aereación extendida con una planta convencional de lodos activados para aguas residuales de origen predominantemente municipal: Parámetro

Convencional

Aereación Extendida

0.40 a 0.80 25 a 50 4a8 1500 a 3000 0.25 a 0.50

0.08 a 0.16 5 a 10 18 a 36 3000 a 6000 0.05 a 0.15

54 a 102 800 a 1500 5 a 10 -----------

204 a 272 3000 a 4000 20 a 40 0.75 a 1.50 0.6 a 0.7

Carga Org. volumétrica KgDBO5/día-m3 lb/día-1000 pie3 Tiempo de retención (horas) SST en el reactor (mg/l) Relación (F/M) (Kg DBO5/Kg SSV-día) Necesidad de aire m3/Kg DBO5 removida (pie3/lb DBO5 removida) Edad de lodo (días) Recirculación Fracción volátil de los SST Consumo de Energía

La demanda de oxigeno en el proceso de aereación extendida varia entre 2.0 y 2.5 Kg de 02 por Kg de DBO 5 removida; expresado en términos de Kwh y para una demanda de 150 mg de oxigeno por litro de agua; la demanda de energía es función de la eficiencia del equipo de aereación, como se indica en la siguiente tabla. Para una relación No. / Nr de 2.0: Eficincia del Aerador lb/HP-h Kg/Kw-h 1.5 0.93 2.0 1.23 2.5 1.54

Energía Kw-h/m3 0.65 a 0.81 0.49 a 0.61 0.39 a 0.49

ESTACIÓN DE COMPRESIÓN

Fecha: FEB-2005

“EMILIANO ZAPATA”

Hoja

MEMORIA DE CÁLCULO

1.85

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MC – A - 013

PLANTA DE TRATAMIENTO

3.0

Rev.: 0

0.32 a 0.41

Lodos Activados con Nitrificación Este proceso también es conocido como nitrificación de un solo paso, debido a que el amonio y los materiales carbonáceos son oxidados en la misma unidad de aereación. Como en cualquier proceso biológico aeróbico, los materiales carbonáceos son oxidados por organismos aeróbicos heterotróficos. En general, las condiciones optimas para la nitrificación son: temperatura de aproximadamente 30ºC; pH de 7.2 a 8.5 unidades; F/M de aproximadamente 0.05 a 0.15; tiempos de retención hidráulicos relativamente largos; y tiempos de retención de lodos de aproximadamente 20 a 30 días, dependiendo de la temperatura. El grado de nitrificación depende básicamente de tres factores, SRT (Tiempo de Retención de los Lodos), concentraciones de oxigeno disuelto y temperatura del agua residual. En general, la nitrificación comienza a un SRT de aproximadamente 5 días, pero no es apreciable sino hasta que el SRT llega aproximadamente a los 15 días; dependiendo de la temperatura. El sistema de aereación es diseñado para proveer oxigeno adicional necesario para oxidar el nitrógeno amoniacal. Criterios de Diseño Los criterios de diseño para el proceso de lodos activados con nitrificación en su variante de aereación extendida y en zanjas de oxidación, se presentan a continuación: Concepto Carga volumétrica (lb DBO5 /d/1000 pies3) (Kg DBO5/d/1000m3) SSVLM (mg/l) F/M (Kg DBO5/d/kg SSVLM) Tiempo de retención de aereación (basado en flujo promedio diario) (h) Suministro de aire (pies3/lb DBO5 aplicado) (m3/kg DBO5 aplicado) lb O2/ab DBO5 aplicado Tiempo de retención de lodos (d) Tasa de recirculación Fracción volátil de SSLM (mg/l)

Aereación Extendida

Zanjas de Oxidación

5-10 80-160 3,000-6,000 0.05-0.15

10-15 160-240 3,000-5,000 0.03-0.10

18-36

24

3,000-4,000 187-250 2.0 - 2.5 20 - 30 0.7 - 1.5 0.6 - 0.7

--------2.0 -2.5 20 - 30 0.25 - 0.75 0.6 - 0.7

ESTACIÓN DE COMPRESIÓN “EMILIANO ZAPATA” MEMORIA DE CÁLCULO PLANTA DE TRATAMIENTO

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MC – A - 013

Eficiencia del Proceso Un proceso de aereación bien establecido reducirá el nitrógeno amoniacal en aproximadamente 1 mg/l, si la temperatura del agua es de aproximadamente 55ºF (13ºC). Consumo de Energía Para la estimación del consumo de energía se pueden hacer las siguientes consideraciones: 1. La pérdida de carga hidráulica a través del tanque de aereación es despreciable. 2. La recirculación de lodos y la energía para el bombeo de lodos son parte de la operación del sistema de sedimentación. 3. Los requerimientos de oxigeno son de 1.5 lb O 2 / lb de DBO5 removido a 4.6 lb O2 / lb NH4-N removido. 4. Transferencia de oxigeno en el agua residual: aereación Extendida Difusor de burbuja gruesa Difusor de burbuja fina aereación mecánica Zanja de oxidación

= = = =

1.08 lb O2/hp-h 1.44 lb O2/hp-h 1.08 lb O2/hp-h 1.80 lb O2/hp-h

Otras Características Impacto Ambiental: Desde el punto de vista de los lodos de desecho el Impacto ambiental es mínimo comparado con los procesos de lodos activados de alta tasa y lodos activados convencionales. Sin embargo, los problemas de contaminación del aire y de olores son muy similares a los de los otros procesos de lodos activados. Confiabilidad del Proceso: Buena. Limitaciones: La nitrificación biológica es muy sensible a los cambios de temperatura, con reducciones muy pobres en los meses fríos. Además, los metales pesados, tales como Cd, Cr, Ni, Pb y Zn, componentes fenólicos y componentes de cianuro y halogenados puede inhibir las reacciones de nitrificación. Bases de Diseño Q dis

gasto de diseño

0.1 l/seg.

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COV Tr F/M

carga orgánica volumétrica tiempo de retención relación alimento-biomasa

C.O = carga orgánica

C.O. = DBO5 tot x gasto = 264 mg/L x 0.1L/seg. C.O. = 26.4 mg/seg. x 86,400 seg./d / 1´000,000 mg/kg C.O. = 2.28 kg/d 

V = volumen

V = Q x tr Donde Q = gastos de diseño tr = tiempo de retención V= 0.0001m3/seg. x 36 h x 3,600 seg./h = 12.96 m3 

C.O.V. = Carga orgánica Volumétrica

C.O.V. =

C.O. V

Donde: C.O. = carga orgánica V = volumen C.O.V. = F M

=

2.28 kg/d 12.96 m3 Alimento Bimasa

=

Fecha: FEB-2005 Hoja

= 0.176 kg/d-m3 Masa DBO5 influente kg/d Masa de lodos biológicos en el reactor kg

Masa DBO5 influente = 2.28 kg DBO5/d Masa de lodos biológicos en el reactor SSVLM = 3,000 mg/L x 1,000 L/m3 = 3´000,000 mg/m3 SSVLM = 3´000,000 mg/m3 / 1´000,000 mg/kg = 3 kg/m3

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MC – A - 013

de 0.08 a 0.16 kg DBO5/día-m3 de 18 a 36 h de 0.05 a 0.05 d -1

Cálculos 

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MC – A - 013

SSVLM = 3 kg/m3 x 12.96m3 = 38.88 kg F M

2.28 kg DBO5/d 38.88 kg SSVLM

= 

= 0.0586 d-1

Geometría del Tanque

As = área superficial V th

As = Donde:

V = volumen th = tirante hidráulico 12.96 m3 3.0 m

As =

= 4.32 m2

Para una mezcla completa tomaremos una relación largo-ancho de 1.1 As = W x L Donde: L=W Por lo tanto As = W x W = W2 Entonces: W =

As

= 4.32 m2 = 2.07 m

W = 2.07m ≈ 2.10 m L = 2.10 m La velocidad a la que se lleva a cabo la remoción de la DBO 5 se puede determinar para aguas residuales de origen municipal o domestico, con una ecuación cinética de primer orden.

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DBO5 efluente = DBO5 influente x

1 1+KxXxt

Donde: K = constante de bioxidación de 0.0007 a 0.002 L/mg-h X = concentración de biomasa activa en el reactor mg/L t = tiempo de retención h Se = So x

1 1+0.0015L/mg - h x 3,000 mg/L x 32 h

Se = 264 mg/L x

1 1+ 144

= 264 mg/L x

1 145

Se = 264 mg/L x 0.006896 = 1.82 mg/L Eficiencia de remoción del 99.31 % Se purgara como máximo el 6% del gasto que entra a la planta. 0.1 L/seg. x 0.06 = 0.006 L/seg. Purga de lodos = 3,000 mg/L x 0.006 L/seg. Purga de lodos = 18 mg/seg. / 1´000,000 mg/kg Purga de lodos = 0.000018 kg/seg. x 86,400 seg./d Purga de lodos = 1.55 kg/d Edad de lodos =

EL =



38.88 kg 1.55 kg/d

Masa de lodos en el reactor kg Purga de lodos biológicos kg/d

= 25.08 d

Requerimientos de Oxigeno

1.5 lb O2 /lbDBO5 removida 4.6 lb O2 /lb Nitrógeno amoniacal removido DBO5 rem = 264mg/L x 0.9931= 262.81 mg/L 262.18 mg/L x 0.1 L/seg. = 26.22 mg/seg.

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MC – A - 013

26.22mg/seg. x 86,400seg/d = 2´265,408 mg/d 2´265,408 mg/d / 1´000,000 mg/kg = 2.26 kg/d DBO5 rem = 2.26 kg/d NH4 - N rem = 42 mg/l x 0.9762 = 41 mg/L 41 mg/L x 0.10 L/ seg. = 4.1 mg/seg. 4.1 mg/seg. x 86,400seg/d = 354,240 mg/d 354,240 mg/d / 1´000,000 mg/kg = 0.354 kg/d NH4 - N rem = 0.354 kg/d D.O. = 0.68 kg O2 / Kg DBO5 rem x 2.26 kg DBO5 rem/d D.O. = 1.54 kg O2 /d D.O. = 2.09 kg O2 / kg NH4 - N rem x 0.354 kg NH4 - N/d D.O. = 0.74 kgO2 /d D.O. = 1.54 kgO2 /d + 0.74 kg O2 /d D.O.= 2.28 kgO2 /d 1.5 coeficiente pico para la demanda de oxigeno con EL > 20 d 1.5 x 2.28 kgO2 /d = 3.42 kgO2 /d Nr No

=

Nr No

=

Capacidad en condiciones reales Capacidad en condiciones estándar x

ß x CsL. Co Csr

Θ (T -20)

Donde: = Relación de velocidad de transferencia de oxigeno en agua limpia y velocidad de transferencia de oxigeno en agua residual ( de 0.8 a 1.0) ß = Relación de solubilidad de oxigeno en agua limpia y solubilidad de oxigeno en agua residual ( de 0.8 a 1) Co = Concentración mínima permisible de oxigeno en el reactor para sustentar la actividad biológica de los microorganismos (2 mg/L) CsL = Concentración de saturación de oxigeno en agua limpia en las condiciones de presión y temperatura del agua residual en el reactor. Csr = Concentración de oxigeno en agua limpia en condiciones estándar (20ºC y 760 mm de Hg) (9.17 mg/L) Θ = Factor de corrección por temperatura de la velocidad de transferencia de oxigeno (1.024)

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“EMILIANO ZAPATA”

Hoja

MEMORIA DE CÁLCULO

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MC – A - 013

PLANTA DE TRATAMIENTO

T = Temperatura del agua en el reactor en ºC

Nr = 3.42 kgO2 /d x 0.9 x

0.9 x 9.745 mg/L - 2 mg/L 9.17 mg/l

x 1.024 (17.20)

Nr = 3.42 kgO2 /d x 0.9 x 0.74 x 0.93 = 2.12 kgO2 /d En la tabla siguiente se muestran valores representativos de la relación Nr/No para valores medios de a y B de 0.9, Cs de 1.0 mg/L, una presión atmosférica de 585 mm de Hg y diferentes temperaturas. TºC

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

Cso

11.87 11.33 10.83 10.37 9.95

9.54

9.17

8.83

8.53

8.22

Cs1

9.14

7.34

7.06

6.80

6.57

6.33

8.72

8.34

7.98

7.66

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------Nr/No 0.50

0.50

0.50

0.50

0.50

0.50

0.50

0.50

0.50

0.50

No/Nr 1.99

2.00

2.01

2.01

2.01

2.02

2.02

2.01

2.00

1.99

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------Cso = Conc. de saturación de oxigeno a 760 mm de Hg (mg/l) Cs1 = Conc. de saturación de oxigeno a 585 mm de Hg (mg/l) Hp =

Nr To

Donde: Hp = potencia del equipo Nr = capacidad en condiciones reales To = transferencia de oxigeno en el agua residual. Difusor de burbuja fina Nr = 2.12 kgO2/d / 24h/d = 0.088 kgO2/h

Hp =

0.088 kg O2/h 0.65 kg O2/Hp-h

= 0.13 Kg

Hp = 0.13 Potencia comercial = 0.25 Hp = 1/4 Hp

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Flujo De Aire Requerido Volumen de aire suministrado por m3 de agua tratada = 8.4 m3/m3 Volumen de agua tratada = 12.96 m3/d 12.96 m3/d x 8.4 = 108.86 m3/d 108.86 m3/d / 24h/d = 4.53 m3/h Flujo de aire por difusor = 0.726 m3/h 

Nd = numero de difusores

Nd =

V Fa

Donde: V = volumen de aire suministrado Fa = flujo de aire Nd =

4.53 m3/h 0.726 m3/h

= 6.24 pzas ≈ 6 pzas

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TABLA RESUMEN REACTOR BIOLÓGICO -Gasto de diseño

0.1L/seg.

-Carga orgánica volumétrica

0.176 kg/d-m3

-Tiempo de retención

36 hrs. 0.0586 d-1

-Relación F/M -Edad de lodos

25 días

-DBO5 tot influente

264 mg/l

-DBO5 tot efluente

1.82 mg/l

-SSVLM

3,000 mg/l

-Volumen

12.96 m3

-Área superficial

4.41 m2

-Tirante hidráulico

3.00m

-Ancho

2.10m

-Largo

2.10m

-Demanda de Oxigeno

2.12 kgO2 /d

-Suministro de aire

Difusores

-No. de difusores

9 pzas

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3.3.4

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Sedimentador secundario rectangular

En el diseño de sedimentadores secundarios se deben considerar grandes volúmenes de sólidos en el licor mezclado. Aun más, el licor mezclado, tiene la tendencia de fluir a la entrada del tanque como una corriente densa e interferir en la separación de sólidos y el espesamiento de los lodos. Para manejar exitosamente estas características se deben de considerar los siguientes factores: (1) tipo de tanque deseado, (2) carga hidráulica superficial, (3) carga de sólidos, (4) velocidades del flujo, (5) localización de vertedores y cargas sobre vertedores, y (6) recolección de material flotante. El influente del tanque es distribuido al interior de la unidad por medio de bafles y fluye a lo largo del taque para salir sobre unos vertedores. La longitud máxima es de aproximadamente 300 pies y con profundidades de 12 a 15 pies (3.7 a 4.6 m). El equipo de remoción de sólidos consiste de un par de cadenas sin fin, con piezas de madera de 2 pulgadas (5 cm) de espesor y de 6 a 8 pulgadas (15 a 20 cm) de profundidad, localizadas a cada 10 pies (3 cm). La velocidad lineal de las cadenas es de 2 a 4 pies/mín (0.6 a 1.2 m/mín). También, se utilizan rastras para la limpieza de los tanques fijadas a un puente móvil que viaja a lo largo de la unidad. La colección del material flotante se realiza al final del tanque en el efluente y su remoción puede ser manual, hidráulica o mecánica. Criterio de Diseño En sistemas de lodos activados los criterios de diseño recomendados son: Carga hidráulica: Media (gpd/pie2) 400 a 800 2 (L/seg.-m ) 0.19 a 0.38 2 pico (gpd/pie ) 700 a 1,200 2 (L/seg.-m ) 0.33 a 0.57 Carga de sólidos: media (Lb/h-pie2) 0.6 a 1.2 2 (kg/día - m ) 70 a 140 2 pico (Lb/h-pie ) 1.25a 2.0 2 (kg/día - m ) 146a 293 Velocidad de flujo máx. en el inf. de los vertedores: (pies/h) 12 a 24 (m/h) 3.66 a 7.32 Profundidad (pies) 12 a 15 (m) 3.7 a 4.6 ----------------------------------------------------------------------------------------------------

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Eficiencias del Proceso Las concentraciones máximas de sólidos de lodo secundarios en sistemas de lodos activados varían de 0.5 a 2.0 por ciento, dependiendo de las características de sedimentación y compactación de los lodos. Los sólidos suspendidos totales (SST) en el efluente varían de 20 a 30 mg/l. Consumo de Energía La energía requerida para vencer una pérdida de carga de 2 a 3 pies (60 a 90 cm) se puede estimar por la siguiente ecuación: KWh/año = 1625 (Mgal/d de flujo de agua + Mgal/d de retorno de lodos) Carga Dinámica Total a una eficiencia de 70 por ciento. Otras Características Impacto Ambiental: Aunque requiere de grandes extensiones de terreno, el sistema ofrece una eficiencia de espacio mayor que la de sedimentadores circulares. Confiabilidad del proceso: La confiabilidad del proceso es alta, pero depende mucho del buen funcionamiento de los aereadores aguas arriba del sistema para la producción de un buen lodo sedimentable. La confiabilidad mecánica puede ser considerada alta, siempre y cuando se cuenta con mantenimiento e inspección adecuados. Bases de Diseño Q dis gasto de diseño CHS carga hidráulica superficial a gasto medio a gasto pico th tirante hidráulico tr tasa de recirculación Cálculos Q dis = 0.1 L/seg. Q res = 0.15 = 0.15 L/seg.

0.1 L/seg. De 0.19 a 0.38 l/seg.-m2 De 0.33 a 0.57 l/seg.-m2 De 3.7 a 4.6 m De 0.7 a 1.5 %

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

A = área Q dis CHS dis

A= Donde

Q dis= gasto de diseño CHS = cargo hidráulico superficial de diseño A gasto medio A=

0.1L/seg. 0.19L/seg /m2

= 0.526 m2

A gasto pico

A=

0.15L/seg. 0.33L/seg/m2

= 0.45 m2

El área a gasto medio cubre las necesidades de gasto pico. As = área superficial As = W x L donde L = 3 W Entonces As = W x 3W = 3 W2 Por lo tanto W=

As 3

W = 0.42 m ≈ 0.45m L = 0.45 m x 3 = 1.35 m

=

0.53 m2 3

=

0.177 m2

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

V = volumen

V = As x th Donde: As = área superficial th = tirante hidráulico V = 0.6075 m2 x 2.20 m = 1.34 m3  tr =

tr = tiempo de retención V Q

Donde V = volumen Q = gasto de diseño A gasto medio

tr =

1.34 m3 0.0001m3/seg.

= 13,400 seg. / 3,600 seg./h

tr = 3.72 hrs. A gasto pico

tr =

1.34 m3 = 8,933,33seg / 3,600 seg./h 0.00015m3/seg.

tr = 2.48 hrs. Se colocaran placas paralelas tipo panal de abeja

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3.2.2. Cárcamo de Recirculación Para retornar los lodos sedimentados al reactor biológico, se empleara un cárcamo de almacenamiento, que tenga la capacidad para recircular los lodos o purgarlos, enviándolos al sistema de tratamiento de los mismos. Bases de Diseño Q dis = gasto de diseño tr = tiempo de retención

0.15 L/seg. 30 mín

Cálculos 

V = volumen

V = Q dis x tr Donde: Q dis = gasto de diseño tr = tiempo de retención V = 0.00015 m3/seg. x 30 mín x 60 seg./mín V = 0.27 m3 

As = área superficial

As =

V th

Donde: V = volumen th= tirante hidráulico As =

0.27 m3 1.5 m

As =

x d2 4

Donde: d=

 x As 

= 0.18 m2

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d =

4 x 0.18 m2 3.1416

=

0.229 m2

= 0.478 m = 0.5 m

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TABLA RESUMEN SEDIMENTADOR SECUNDARIO -Gasto máximo

0.15 l / seg.

-Gasto medio

0.1 l / seg.

-Carga Hidráulica Superficial

0.19 l / seg.-m2

-Área superficial

0.6075 m2

-Tirante hidráulico

2.20 m

-Ancho

0.45 m

-Largo

1.35 m

-Tiempo de retención

3.71 hrs.

-Placas paralelas tipo

Panal de abeja

Cárcamo de Recirculación -Gasto máximo

0.15 l /seg.

-Tiempo de retención

30 mín

-Volumen

0.27 m3

-Área superficial

0.18 m2

-Diámetro

0.50 m

-Tirante hidráulico

1.5 m

-No. de Bombas

2

-Tipo de Bomba

centrifuga horizontal

-Potencia

1/2 HP

3.3.5 Cloración

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Cloración es el proceso de desinfección de aguas residuales mas comúnmente usado. El proceso incluye la adición de cloro o hipoclorito al agua residual. Cuando se usa cloro, este se combina con agua para formar acido hipocloroso (HOCl) y ácido clorhídrico (HCl). El acido hipocloroso es el desinfectante primario en el agua. En aguas residuales, el desinfectante primario son las especies de monocloraminas; por lo tanto, la tendencia del ácido hipocloroso para disociarse a ácido clorhídrico debe evitarse manteniendo un pH menor a 7.5. La demanda de cloro se determina mediante la diferencia entre el cloro suministrado y la concentración del cloro residual medido después de un tiempo de la aplicación del cloro, usualmente de 15 a 30 minutos. El tanque de contacto de cloro cuenta con bafles para tener buen mezclado y evitar los cortos circuitos. La coloración usada en desinfección tiene el objetivo de prevenir la proliferación de enfermedades y el control de crecimientos de algas y producción de olores. Criterios de Diseño Generalmente, se requiere un tiempo de contacto de 15 a 30 minutos para flujos pico. Los tanques de contacto se deben diseñar con bafles para evitar cortos circuitos. Se requiere una concentración de por lo menos 0.15 mg/l de cloro residual. A continuación se presentan las dosis típicas para desinfección del agua residual: _________________________________________________________________ Efluente Dosis (mg/l) _________________________________________________________________ Aguas crudas (Precloración) 6 -- 25 Sedimentación primaria 5 -- 20 Tratamiento de precipitación química 3 -- 10 Filtros percoladores 3 -- 10 Lodos activados 2 -- 8 Filtros de lechos mixtos + lodos activados 1 -- 5 _________________________________________________________________ Eficiencias del Proceso En el cuadro siguiente se presentan los coliformes remanentes después de un tiempo de contacto con cloro de 30 minutos, suponiendo un efluente primario con contenido de coliformes totales de 35,000,000, y un efluente secundario con contenido de coliformes totales de 1,000,000. Los valores dados dependen de una buena mezcla, un régimen de flujo altamente turbulento seguido de un flujo pistón en el tanque de contacto.

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Cloro Residual (mg/l) 0 .5 --- 1.5 1.5 --- 2.5 2.5 --- 3.5 3.5 --- 4.5

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Coliformes totales remanentes (NMP/100ml) Efluente Primario Efluente Secundario 24,000 --- 400,000 1,000 --- 12,000 6,000 --- 24,000 200 --- 1,000 2,000 --- 6,000 60 --200 1,000 --- 2,000 30 --60

Consumo de Energía Los requerimientos de energía para la cloración se derivan principalmente del consumo de agua para los eyectores al vació y para los evaporadores. Plantas con requerimientos de cloro mayores a 1,000 lb/d (454 kg/d) generalmente usan evaporadores eléctricos para la conversión de cloro líquido a gas. El calor requerido para la evaporación del cloro es de 111 Btu/1b (61.4 cal. / gm) a 60º F (15ºC). Otras Características Impacto Ambiental: El uso de cloro puede causar la formación de hidrocarbonos clorados. Requerimientos de terreno relativamente pequeños. Confiabilidad del Proceso: Extremadamente confiable. Limitaciones: Puede causar la formación de hidrocarbonos clorados, generalmente conocidos como componentes carcinógenos. La eficiencia de la cloración depende grandemente del pH y la temperatura del agua residual. El gas cloro es un material peligroso y requiere de un manejo adecuado. El cloro oxida el amoniaco, acido sulfhídrico, así como metales presentes en sus estados reducidos. Bases de Diseño Q dis tr L:W th

gasto de diseño tiempo de retención Relación largo/ancho tirante hidráulico

Cálculos 

V = volumen

V = Q dis x tr Donde: Q dis = gasto de diseño tr = tiempo de retención

0.1 l /seg. De 15 a 30 mín Mínimo de 10 De 1 a 3 m

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V = 0.0001 m3/seg. x 20 mín x 60 seg./mín V = 0.12 m3 

As = área superficial V th

As = Donde:

V = volumen th= tirante hidráulico 0.12 m3 1m

As =



= 0.12 m2

Geometría del Tanque

As = W x L Donde: L = 10 W Por lo tanto As = W x 10 W = 10 W2 Entonces W =

As 10

=

W = 0.11 m = 0.25 m L = 0.25 m x 10 = 2.5 m

0.12 m2 10

=

0.012m2

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TABLA RESUMEN CLORACIÓN - Gasto máximo

0.1L/seg.

- Tiempo de retención

20 mín

- Ancho de canal

25 cm

- Largo de canal

2.5 m

- No. de cámaras

3

- Largo de la cámara

2.05m

- Tirante hidráulico

1m

- Altura total

1.30 m

- Desinfectante

Hipoclorito de sodio

- Dosis

De 2 a 8 mg/L

CAMARA Cámara Cloracion-Decloracion La cámara de contacto ha sido diseñada especialmente para la desinfección de aguas residuales de plantas de tratamiento y cámaras filtrantes.

Producto N° 1370

La cámara de cloración - decolación en su interior se encuentran un dorador y un declorador que contienen dos tubos ranurados cada uno, en los cuales se introducen tabletas cloradoras (hipoclorito de calcio) y tabletas decloradoras (sulfito de sodio). En cámara de cloración - decoloración al pasar las aguas residuales por el dorador las tabletas en su interior liberan una cantidad de cloro activo (70%) proporcional al flujo. Luego las aguas son retenidas por un

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período de 30 minutos durante los cuales el cloro cumple su función bactericida, eliminando toda clase de bacterias. Posteriormente el líquido ya desinfectado sale por el declorador donde las tabletas en su interior remueven el cloro residual que es dañino para el medio ambiente. En la medida que el efluente de la planta de tratamiento fluye a través de la cámara de contacto, las tabletas se disuelven lenta y gradualmente dispersando ya sea cloro activo (dorador) o sulfito de sodio (declorador) en el líquido. Si el flujo aumenta, el líquido en los tubos sube y un mayor número de tabletas entran en contacto con él. Si el flujo disminuye, el líquido desciende y un menor número de tabletas quedan inmersas. De esta manera la dosificación de cloro o de sulfito de sodio se produce automáticamente, puesto que es proporcional al flujo de entrada y de salida.

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3.3.6 Medidor de flujo tipo parshall Para tener un control de gasto de entrada a la planta y a su salida, se instalara un medidor de flujo tipo Parshall en el efluente. El canal Parshall es una unidad medidora de flujo que consiste en un canal provisto de una sección de flujo restringido. Entre sus múltiples ventajas destacan las dos siguientes (1) la pérdida de carga en el medidor es muy baja en comparación con otros sistemas de medición de flujo, como los vertedores y (2) las altas velocidades que se alcanzan en la garganta del canal evitan la deposición de sólidos. Una desventaja del Parshall es la de ser una estructura que requiere de mas terrenos y mayor inversión en comparación con otras estructuras de medición, como son los vertedores. Las mediciones más exactas del canal Parshall se logran cuando la descarga es libre y no sumergida. La descarga libre se presenta cuando después de la garganta se alcanza la llamada profundidad crítica o cuando se produce un resalto de agua en la garganta. En condiciones de descarga libre el gasto de agua es función del ancho de la garganta (W) y de la carga hidráulica aguas arriba de la garganta (Ha). En el siguiente cuadro se presentan las ecuaciones de cálculo del gasto para descargas libres y los resultados de la aplicación de dichas ecuaciones para gargantas de 2.5 a 240 cm y cargas hidráulica de 5 a 100 cm.

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Hoja

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PLANTA DE TRATAMIENTO

GASTOS DE AGUA A TRAVES DE UN MEDIDOR PARSHALL CON DESCARGA LIBRE, EN L/SEG Ecuación: Q = a x (Ha)b

2.5 Ha 0.048 (cm) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

1.55 0.6 1.7 3.2 5.0 7.0 9.3 11.9 14.6 17.5 20.6

Ancho de la Garganta, W (cm) 5.1 7.6 15.2 Constantes "a" 0.096 0.142 0.264 "b" 1.55 1.547 1.58 1.2 1.7 3.4 3.4 5.0 10.0 6.4 9.4 19.0 10.0 14.6 30.0 14.1 20.6 42.7 18.7 27.4 56.9 23.7 34.8 72.6 29.2 42.7 89.7 35.1 51.3 108.1 42.3 60.3 127.6

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22.9 0.467 1.53 5.5 15.8 29.4 45.7 64.3 85.0 107.6 132.0 158.0 185.7

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3.3.7

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Tratamiento de lodos

3.3.2. a. Espesor de lodos El propósito del proceso de espesamiento de lodos es reducir el volumen de los mismos, para posteriormente ser estabilizados, deshidratados, etc. En el proceso, el contenido de sólidos se incrementa removiendo parcialmente el líquido. Las unidades de espesamiento por gravedad son similares a los sendimentadores circulares convencionales, con excepción de que la pendiente del fondo del espesador es mayor. El lodo es alimentado al centro del espesador y los sólidos se sedimentan para ser recolectados en una tolva de lodos. El líquido resultante fluye a través de un vertedor de salida localizado en la periferia del tanque y es retornado al tanque de sedimentación primaria. El grado en el que los lodos pueden ser espesados depende de muchos factores; entre los más importantes se encuentran: tipo de lodo a espesar, concentración de sólidos volátiles y concentración inicial de sólidos. Se ha demostrado que se logran resultados óptimos cuando la concentración de sólidos en el influente se encuentra entre 0.5 y 1.0 por ciento. Con el objeto de prevenir condiciones sépticas y malos olores en el espesador, es deseable mantener un flujo continuo de agua fresca en el influente. Los espesadores mecánicos se diseñan en base a las cargas hidráulicas superficiales y de sólidos. Los criterios de diseño son los mismos a los usados en el diseño de tanques de sedimentación. Generalmente, se usan tiempos de retención de uno a tres días; tirantes de agua de por lo menos 10 pies (3 m) y tolvas de lodos de 3 pies (90 cm). Las cargas hidráulicas superficiales típicas son de 400 a 900 gpd/pies2 (0.19 a 0.42 1/seg.-m2). La carga de sólidos en espesadores y el por ciento de sólidos en lodos espesados varia de acuerdo al tipo de lodos a espesar. Dichos datos se muestran a continuación: _________________________________________________________________ Tipo de Lodo Por ciento de Sólidos _Carga de sólidos__ No. esp. Esp. lb/día-pie2 kg/día-m2 -----------------------------------------------------------------------------------------------------------Lodos separados: Primarios 2.5-5.5 8-10 20-30 97.7-146.5 Fil. Percoladores 4-7 7-9 8-10 39.1-48.8 Aereación 2-4 4.3-7.9 7-18 34.2-87.9 Activados 0.5-1.2 2.5-3.3 4-8 19.5-39.1 Lodos combinados: Prim. + Percoladores 3-6 7-9 10-20 48.8-97.7 Prim. + aereación 3-4 8.3-11.6 12-20 58.6-97.7 Prim. + Activados 2.6-4.8 4-9 6-16 29.3-78.1 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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Otras Características Impacto Ambiental: Los requerimientos de terreno son relativamente pequeños. El material flotante tiene que ser desechado. Frecuentemente, resultan malos olores por condiciones sépticas del proceso. Confiabilidad del Proceso: Las unidades son mecánicamente muy confiables, pero son altamente afectadas por la calidad de lodos recibidos. Por lo tanto, puede haber disturbios en el proceso por cambios radicales en la calidad del agua cruda y de los lodos digeridos. Generación de Residuos: El volumen del material flotante esta directamente relacionado con el incremento de la concentración de sólidos en el espesador. El material flotante contiene varias cantidades de sólidos, variando de 10 a cientos de mg/l. Bases de Diseño Q diseño = Para que el funcionamiento de la planta sea óptimo, no se debe purgar en el sedimentador secundario mas del 10% del gasto que entra a la planta. Q de purga = 0.1 L/seg. x 0.1 = 0.01 L/seg. CHS = Carga hidráulica superficial

De 0.19 a 0.42 L /seg.-m2

th = tirante hidráulico

3m

tr = tiempo de retención

De 1 a 3 días

Cálculos 

As = área superficial

As =

Q dis CHS

Donde: Q días = gasto de purga máximo CHS = carga hidráulico superficial

As =

0.01 l/seg. 0.19 l/seg.-m2

=

0.053 m2

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

Geometría del Tanque  x d2 4

As = Donde:

4 x As 

d=

=

4 x 0.053m2 3.1416

=

0.067 m2

d = 0.258 m ≈ 0.30m 

V = volumen

V = As x th Donde: As = área superficial th = tirante hidráulico V = 0.071 m2 x 3m = 0.213 m3 

tr = tiempo de retención V Q

th = Donde:

V = volumen Q = gasto de purgado tr =

0.213 m3 =21,300 / 86,400 seg./d 0.00001m3/seg.

tr = 0.246 día = 5.904 horas

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TABLA RESUMEN ESPESADOR DE LODOS - Gasto de diseño

0.01 L/seg.

- Carga hidráulica superficial

0.19 L/seg. - m2

- Diámetro del tanque

0.3 m

- Tirante hidráulico

3.0 m

- Altura total

3.6 m

- Tiempo de retención

5.88 hrs.

- Área superficial

0.071 m2

3.4.2. b. Lechos de secado de lodos

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Los lechos de secado se usan para la deshidratación de lodos digeridos. El lodo es colocado sobre los lechos en capas de 8 a12 pulgadas (20 a 30 cm), para su secado. El lodo ya seco es removido de los lechos y se pone a disposición para usarse como fertilizante. Los lechos pueden estar abiertos a la intemperie o cubiertos. Los lechos abiertos se usan cuando existe un área adecuada para evitar problemas ocasionales causados por los malos olores. Los lechos cubiertos con techumbre tipo invernadero son mas convenientes donde es necesario deshidratar lodo continuamente durante el año sin importar el clima, y donde no existe el aislamiento suficiente para la instalación de lechos abiertos. El área total de secado es repartida en lechos individuales de aproximadamente 20 pies (6.1 m) de ancho por 20 a 100 pies (6.1 a 30.5 m) de largo. Los lechos generalmente consisten de 4 a 9 pulgadas (10 a 23 cm) de arena sobre una capa de grava o piedra de 8 a 18 pulgadas (20 a 45.7 cm) de espesor. La arena tiene un tamaño efectivo típico de 0.3 a 1.2 mm y un coeficiente de uniformidad menor a 5.0. La grava normalmente se gradúa de 1/8 a 1.0 pulg. Los lechos son desaguados por drenes localizados en la grava con espaciamientos de aproximadamente 6 a 20 pies (1.8 a 6.1 m). La tubería de los drenes tiene un diámetro mínimo de 4 pulgadas (10 cm) y una pendiente mínima de aproximadamente uno por ciento. Las paredes de los lechos pueden ser de concreto, madera o tierra, y tienen normalmente una altura de 12 pulgadas (30.5 cm). El lodo puede fluir aproximadamente 100 pies (30.5 m). si la pendiente del lecho es de aproximadamente 0.5 por ciento. Descripción del Proceso La deshidratación de lodos en lechos de secado ocurre por filtración del agua a través del medio filtrante y por evaporación del agua de la superficie del lodo. La filtración se lleva generalmente a cabo en 1 o 2 días. Esto depende en las características del lodo y la profundidad a la cual es puesto en los lechos. Después de que casi toda el agua haya sido filtrada y evaporada, el lodo se queda con un contenido de humedad en equilibrio con el aire. El contenido de humedad final depende de la temperatura y la humedad relativa del aire. El agua drenada puede ser recirculada al influente de los tanques de sedimentación primaria. Una vez que el lodo haya sido lo suficientemente deshidratado, este se remueve de los lechos manual o mecánicamente. Los lodos con 20 a 30 por ciento de sólidos se pueden remover mecánicamente, mientras lodos con 30 a 40 por ciento de sólidos requieren ser manejados manualmente. Criterios de Diseño Las tuberías de lodos en los lechos son generalmente de fierro fundido y se diseñan para una velocidad mínima de 2.5 pies/seg. (0.76 m/seg.); estas deben diseñarse de tal forma que se puedan lavar y para que no se congelen en climas fríos. Los lechos deben de contar con placas para recibir el lodo y distribuirlo sobre los lechos, además de prevenir la erosión de la arena. La carga de lodos se calcula en base a los

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habitantes o en base a una carga unitaria de sólidos secos por área por año. Los criterios típicos de diseño, para varios tipos de lodos, son los siguientes: ----------------------------------------------------------------------------------------------------------Concepto Lechos Lechos _____________________________________Abiertos_________ Cerrados Área Requerida: Lodos primarios digeridos (pies 2/capita) 1.0-1.5 0.75-1.0 (m2/capita) 0.09-0.14 0.07-0..09 Lodos primarios y activados (pies 2/capita) 1.75-2.5 1.25-1.5 (m2/capita) 0.16-0.23 0.12-0.14 Lodos precipitados con aluminio o fierro (pies2/capita) 2.0-2.5 1.25-1.5 (m2/capita) 0.19-0.23 0.12-0.14 2 Carga de sólidos (lb/pies -año) 10-28 12-40 (Kg/m2-año) 48.8-136.7 58.6-195.3 -----------------------------------------------------------------------------------------------------------Eficiencias del Proceso Una masa de lodos con 40 a 45 por ciento de sólidos se puede obtener en dos o seis semanas en un buen clima y con un lodo bien digerido, lodo primario o lodo mezclado. El tiempo de deshidratación puede ser reducido a un 50 por ciento si se cuenta con un acondicionamiento químico. Se puede lograr de un 80 a 90 por ciento de contenido de sólido en lechos de arena pero normalmente los tiempos requeridos son imprácticos. Requerimientos de Energía La energía (Et) requerida por el proceso se estima tomando en cuanta la energía (Em) usada por el manejo mecánico de lodos, energía (Er) para la recuperación de la arena perdida y la energía (Ed) requerida para el bombeo de lodos (cuando se requiera). Puede ser estimada de la siguiente manera: Et = Em + Er + Ep Em = 3.2E+6 Btu/año-Mgal/día del flujo de la planta a 900 lb, sólidos secos/Mgal del flujo de la plata. Er = 10% de Er o 0.32E+6 Btu/Mgal/día del flujo de la planta. Ep = 1140 (Mgal/día)* CDT / Eficiencia. CDT = Carga Dinámica Total

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Con un flujo de lodos de 0.5E+6 gal/día, una carga dinámica total (CDT) de 40 pies (12.2m) y una eficiencia de 60%. La energía requerida para el bombeo será de 38,000 KWh/año. Otras Características Impacto Ambiental: Un lodo pobremente digerido puede causar problemas de olores. Los requerimientos de terreno son grandes. Limitaciones: El proceso normalmente se restringe para lodos bien digeridos o bien estabilizados, ya que el lodo pobremente digerido o crudo es oloroso, atrae insectos y no se deshidrata satisfactoriamente. Las grasas y aceites colmatan las camas de arena y por lo tanto retarda seriamente el drenado. El diseño de los lechos se afecta por las condiciones del clima, las características del lodo, el costo y disponibilidad del terreno y su proximidad a los poblados. La operación del sistema se restringe severamente durante periodos prolongados de congelamiento y lluvia. Bases de Diseño Q lod. esp. A rq Ts W L

gasto lodos espesados área requerida tiempo de secado ancho largo

Cálculos 

As = área superficial (pie 2)

As =

Qs x 12 x T 7.48 x H

Donde: Qs = gasto de lodos (gal/día) T = tiempo total de secado (días) H = profundidad del lecho (pulgadas) Qs = 0.004 l/seg. x 86,400 seg./d = 345.6 l/día Qs = 345.6 l /día / 3.7854 l /gal = 91.3 gal/día H = 60 cm / 2.54 cm/pulg = 23.64 pulg

0.004 L/seg. De 0.16 a 0.23 m3/capita De 2 a 6 semanas 6.1 m De 6.1 a 30.5 m

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As =

91.3 gal/día x 12 x 28 d 7.48 x 23.64 pulg

=

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30,676.8 gal 176.68 pulg

As = 173.63 pie2 x 0.0929 m2/pie2 = 16.13 m2 Verificando el As Arq = área requerida = De 0.16 a 0.23 m2/capita Capita = No. de habitantes = 30 hab Ar = 0.16 m2/capita x 30 hab = 4.8 m2 0.23 m2/capita x 30 hab = 6.9 m2 Tomaremos para el diseño el valor obtenido por el As AL = área del lecho AL = W x L Donde: W = ancho L = largo AL = 6.1 m x 6.1 m = 37.21m2  No. de lechos No. de lechos =

As AL

Donde: As = área superficial AL = área de lecho No. de lechos =

16.13 m2 37.21 m2

= 0.43

No. de lechos = 0.43 ≈ 1 lecho

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TABLA RESUMEN LECHOS DE SECADO DE LODOS - Gasto de lodos

0.004 l/seg.

- Tiempo de secado

28 días

- Ancho

6.1 m

- Largo

6.1 m

- Nº de lechos

2 (uno operando y uno de reserva)

- Altura de lodo

30 cm

- Altura de arena

20 cm

- Altura de grava

25 cm

- Altura total

100 cm

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3.4

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Área de compresores

El agua producto del lavado de las equipos en el área de compresores será captada en trincheras y conducida a través de una línea hasta un tanque de almacenamiento, el cual posteriormente la enviará por medio de un gasto limitado al proceso unitario de separación de grasas y aceites, las cuales vienen mezcladas en el agua de lavado . El gasto estimado cada vez que se lava dicha área es de aproximadamente 1 m3 al día, generando en 30 min. de lavado continuo, esperando un gasto de 1,000 L/30 mín = 33.33 L/mín / 60 seg./mín Q esp. = 0.55 L/seg. El tanque de almacenamiento tendrá la capacidad para recibir un gasto esperado de 0.55 L/seg. en un lapso de tiempo de 30 min. Y el proceso separador de grasa se diseñará a un gasto de 0.1 L/seg. para que trabaje al menos por 3 horas al día cuando se presente el gasto de lavado. Remoción de Grasas y Aceites La remoción de grasas y aceites se puede llevar a cabo en tanques desnatadores o tanques de preaereación . Tanques Desnatadores Un tanque desnatador es una unidad construida de tal manera que el material flotante se remueve, y el agua fluye constantemente hacia fuera de la unidad por debajo de una cortina. Esto se puede lograr en un tanque individual o como combinación del sistema de sedimentación primaria, dependiendo del proceso y naturaleza del agua residual. La mayoría de los tanques desnatadores son de forma rectangular y tiene un tiempo de retención de 1 a 15 min. La salida del agua residual, la cual se encuentra sumergida, se localiza en el lado opuesto del influente a una elevación menor para mejorar la flotación de las grasas y aceites y/o sustancias flotantes. El uso de tanques con dos compartimentos en serie mejora la eficiencia de remoción de grasas y aceites. Preaeración Los objetivos de la aereación antes de la sedimentación primaria son: mejorar la tratabilidad; separar las grasas y aceites, controlar los olores, remover las arenas y mejorar la floculación; promover una distribución uniforme de los sólidos flotantes y suspendidos en las unidades de tratamiento; e, incrementar la remoción de DBO 5. Períodos cortos de preaereacion de 3 a 5 min., no mejoran materialmente la remoción de DBO5 o de grasas y aceites.

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Criterios de Diseño Parámetro Dimensión --------------------------------------------------------------------------------------------------------------TANQUES DESNATADORES Diámetro teórico de la gota de aceite (cm) > 0.015 2 Carga hidráulica superficial (1/seg.-m ) 0.25 - 1.00 Tanques rectangulares (gpm/pie 2) 0.40 - 1.60 Carga hidráulica superficial (1/seg.-m2) 1.40 - 4.20 Tanques circulares (gpm/pie 2) 2.10 - 6.20 Velocidad de flujo a través del tanque (m/h) 18 - 55 (pies/mín) 1 3 Ancho del tanque (m) 2 6 (pies) 6.7 - 20 Tirante de agua (m) 1.0 - 2.5 (pies) 3.3 - 8.3 Tiempo de retención (mín) 1 - 15 Parámetro Dimensión PREAEREACION Tiempo de retención a flujo medio (mín) 10 - 15 Tirante de agua (m) 4.6 (pies) 15 3 3 Requerimientos de aire (m / h / m de agua) 0.5 - 2.0 (pies 3/ h / gal de agua) 0.005 - 0.02 I.- Tanque de almacenamiento Bases de Diseño Q dis Tr

gasto de diseño tiempo de retención

Cálculos 

V = volumen

V = Q dis x tr Donde: Q dis = gasto de diseño tr = tiempo de retención

0.55 l / seg. 30 mín

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ESTACIÓN DE COMPRESIÓN “EMILIANO ZAPATA” MEMORIA DE CÁLCULO PLANTA DE TRATAMIENTO

V = 0.00055 m3 / seg. x 30 mín x 60 seg./mín V = 0.99 m3 ≈ 1 m3 Geometría del Tanque  A=

A = área V th

Dónde: V = volumen th = tirante hidráulico A=

1 m3 1.5 m

= 0.67 m2

A = 0.67 m2 A=

 x d2 4

Donde:

d =

4xH 

=

4 x 0.67 m2 3.1416

d = 0.92 m ≈ 0.95m = 95 cm

=

0.853 m2

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TABLA RESUMEN TANQUE DE ALAMACENAMIENTO - Gasto de diseño

0.55 l/seg.

- Tiempo de retención

30 mín

- Volumen

1 m3

- Área

0.71 m2

- Diámetro

0.95 m

- Tirante hidráulico

1.5 m

- Bordo libre

0.5 m

II. Tanque desnatador (Remoción de Grasas y Aceites) Base de Diseño - Q dis - CHS - Vc -W

gasto de diseño carga hidráulica superficial velocidad del flujo a través del tanque ancho del tanque

0.1 l/seg. De 0.25 a 1 l/seg.-m2 De 18 a 35 m/h De 2 a 6 m

ESTACIÓN DE COMPRESIÓN

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“EMILIANO ZAPATA” MEMORIA DE CÁLCULO PLANTA DE TRATAMIENTO

- th - tr

tirante hidráulico tiempo de retención

Cálculos 

A = área Q CHS

A= Donde:

Q = gasto de diseño CHS = carga hidráulica superficial 0.1 l/seg. 1 l/seg.-m2

A= 

= 0.1 m2

V = volumen

V = Q dis x tr Donde: Q dis = gasto de diseño tr = tiempo de retensión V = 0.0001 m3/seg. x 15 mín x 60 seg./mín V = 0.09 m3



th = tirante hidráulico

th =

V A

Donde: V= volumen A = área

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De 1 a 2.5 m De 1 a 15 mín

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th = 

0.09 m3 0.1 m2

= 0.9 m

Vc = velocidad en el tanque Q A

Vc= Donde:

Q = gasto de diseño A = área 0.0001 m3/seg. 0.1 m2

Vc =

= 0.001 m/seg. = 3.6 m/h

Geometría del Tanque 

A = área

A = W x th Donde: W = ancho de canal th = tirante hidráulico A = th Por lo tanto W=

0.1 m2 0.9 m

= 0.11 m ≈ 0.1 m = 10 cm

At = 0.1m x 0.9m = 0.09 m2 

Vc = velocidad en el canal

Vc =

Q A

Donde: Q = gastos de diseño A = área trasversal

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Vc =

0.0001 m3/seg. 0.09 m2

Vc =

= 0.0011 m/seg. x 3600 seg./h = 4 m/h



= 0.0011 m/seg.

Lc = lago del canal

Lc =

A W

Donde: A = área W = ancho Lc =

0.1 m2 0.1 m

=1

m

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TABLA RESUMEN DESNATADOR -Gasto de diseño

0.1 l/seg. 1 l/seg. – m2

-Carga hidráulica superficial - Tiempo de retención

15 mín

- Volumen

0.09 m3

- Área

0.09 m2

- Velocidad en el tanque

0.0011m/seg. 4 m/h

- Ancho del canal

0.1 m

- Tirante hidráulico

0.9 m

- Largo del tanque

1.2 m

- Largo de la cámara

0.2 m

- Numero de tanques

2

- Numero de cámaras

6

3.5

Remoción de Detergentes (saam)

Los drenajes de aguas negras y grises a la salida del conjunto habitaciones, van por separado, para poder darle un tratamiento previo de remoción de detergentes a las aguas grises antes de ser tratadas en la planta. Una vez tratadas esta agua se mezclan con las aguas negras, para abastecer la planta de tratamiento. Diseño del Proceso Del 100% de las aguas residuales, un 60% se calcula proceda de los baños y lavabos constituyendo las aguas grises. Del gasto total de diseño de la planta que es de 0.1 L/seg, se tomarán 0.06 L/seg., para cálculo de gasto que tratará el proceso que eliminará los detergentes. Introducción: Uno de los contaminantes presentes en las aguas residuales son los detergentes. Los detergentes son analíticamente medidos en el laboratorio como “substancias activas al azul de metileno” (Saam), un parámetro que da una idea de la

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concentración real de detergentes en el agua, si bien en aguas residuales (debido a la presencia de otros contaminantes) la medición del Saam esta sujeta adiferentes interferencias. Como base de diseño del proceso, se tomo la concentración del Saam en las aguas residuales de 17 mg/L y la calidad requerida en el efluente de 1.0 mg/L Bases de Diseño El proceso recibirá las aguas grises del conjunto habitacional, el cual, empleará un filtro empacado con tezontle. La eficiencia del proceso es proporcional a la CHS y a la altura de la columna del filtro. La profundidad recomendada de la columna del filtro de 1 m y el CHS es de 0.05 a 0.2 L/seg-m2 Diseño del Cárcamo Q

= 0.06 L/seg.

Remoción de Detergentes Gasto estimado 0.6 x 0.1 L/seg = 0.06 L/seg. Cárcamo de Bombeo Volumen = 0.27 m3

trh

=

Q 0.06 L/seg = = 4,500 seg ÷ 60 seg/min. = 75 minutos A 0.64 m2

El equipo de bombeo serán dos bombas centrífugas horizontales de ½ HP cada uno trabajando alternadamente.

Filtro Flotante Diámetro del filtro = 0.9 m

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Area

= 0.64 m2

CHS

=

Q 0.06 L/seg = = 0.094 L/seg-m2 2 A 0.64 m

Diámetro del tezontle

= de 2” a 3” (50.8 a 76.2 m)

Altura del filtro

=1m

Altura del falso fondo

= 0.3 m

Altura total del filtro

= 1.3 m

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4.

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Bibliografía

Sistemas alternativos de tratamiento de aguas residuales y lodos producidos. Libro II. Manual de diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales municipales. Secretaría de Agricultura y Recursos Hidráulicos. Subsecretaría de Planeación. Dirección General de usos de agua y prevención de la contaminación.

2.9 Plantas de tratamiento En este apartado se dan los criterios que corresponden al diseño y ejecución de las instalaciones donde se efectúa el proceso de tratamiento. Se seguirán las definiciones expuestas en el inciso 2.8.1. 2.9.1 Tratamiento preliminar El objetivo del tratamiento preliminar consiste en separar de las aguas negras aquellos constituyentes que pudiesen obstruir o dañar las bombas, o interferir con los procesos subsecuentes del tratamiento. A) Rejillas Las rejillas que se coloquen delante de las bombas de agua cruda deberán tener aberturas entre 50-150 mm. Las rejillas con aberturas más pequeñas serán convenientes para la mayoría de los otros dispositivos o procesos. La pérdida de carga en la circulación a través de las rejas se limitará, mediante el empleo de dispositivos de control, a valores del orden de 150 mm. B) Tanques desarenadores Con el fin de proteger los elementos mecánicos móviles de la abrasión y el excesivo desgaste, y de reducir la formación de depósitos pesados en el interior de las tuberías, canales y conducciones, provocado por la excesiva acumulación de arenas u otros materiales que no se descomponen, se proyectarán desarenadores que eliminen todas las partículas arenosas, generalmente aquellas con un diámetro nominal de 0.20 mm, o más grandes, y con un peso específico mayor de 2.65. Deberá haber siempre dos canales desarenadores como mínimo o un canal con una desviación para permitir su reparación y mantenimiento. - Desarenadores de flujo horizontal Deberán diseñarse de manera que la velocidad de

ESTACIÓN DE COMPRESIÓN “EMILIANO ZAPATA” MEMORIA DE CÁLCULO PLANTA DE TRATAMIENTO flujo sea de 0.30 m/s, para mantener las partículas orgánicas en suspensión, y que proporcione tiempo suficiente para que se sedimenten en el fondo del

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