Análisis y cálculos de planta de tratamiento

ANALISIS DE CALIDAD DE AGUA

De acuerdo a los parámetros determinados en laboratorio de

la calidad del agua de la fuente, se requiere tratamientos

enfocados a la remoción de la turbiedad, color y coliformes

totales, estableciendo el nivel de calidad del agua de acuerdo

al grado de polución; en una fuente regular, necesitando unos

procesos de desinfección, estabilización y filtración; y por la

presencia de un contenido no admisible de los parámetros de

turbiedad, color y coliformes totales se requiere procesos de

coagulación y floculación.

CARACTERISTICA VALOR

DECRETO

475

Tº Ambiente 21 ºC

Tº Agua 19 ºC

DBO 5 12

Oxigeno disuelto 4 mg/lit

Coliformes totales

4500

NMP/100 ml 0

pH 7.5 6.5 - 9

Turbiedad 16 UNT ≤ 5 UNT

Color verdadero 20 UC ≤ 15 UC

Cloruros 110 mg/lit 250 mg/lit

Alcalinidad 70 mg/lit 100 mg/lit

Dureza total 120 mg/lit 160 mg/lit

Hierro total 0.3 mg/lit 0.3 mg/lit

Características físico químicas y microbiológicas

Procesos que debe tener la planta de tratamiento.

• Mezcla Rápida: por medio de un vertedero rectangular.

• Mezcla Lenta: por medio de floculador de piedras de doble

compartimiento.

• Sedimentación: por medio de sedimentador convencional.

• Filtración: por medio de filtro rápido.

• Desinfección.

1. CALCULOS PRELIMINARES

• Cálculo de la Población futura (Pf)

Población actual (Pa) = 9800 Hab.

Tasa de crecimiento (r) = 2.8 %

Periodo de diseño (n) = 25 años

19546)r1(PiPf n Hab

Nivel de complejidad: Medio – Alto

• Cálculo de dotación

Dotación Neta (dn) = 140 lt/hab/día

Corrección por clima (c) = 15 %

Dotación Neta corregida (dnc) = )c1(dn = 161 lt/hab/día

Porcentaje de perdidas técnicas (P) = 25 %

Dotación bruta (db) = P1

dnc

= 214.67 lt/hab/día

Caudal medio diario (Qmd) = 86400

dbPf = 48.56 lt/seg

K1 = 1.2

Caudal Máximo Horario = Qd = 1KQmd = 59 lt/seg

2. MEZCLA RAPIDA CON VERTEDERO HORIZONTAL

Se estableció la cota inicial de 100 msnm en el muro de esta

estructura a partir de la cual se ha de referenciar las cotas

principales de los puntos de otras estructuras.

Inicialmente se toma un borde libre de 0.1 m por lo que la

cota de entrada del agua es de 99.90 m.

• Para las condiciones dadas:

Ancho de canal (B) = 0.8 m (asumido)

Caudal especifico (q) = B/Qd = 0.07 m3/seg*ml

Profundidad crítica = 32

g

q = 0.08 m

• Cálculo de alturas conjugadas del resalto h1 y h2

5.108.0

6.006.1

2

5.1hc

P06.1

2

hc

1h

h1 = 0.029 m

V1 = q / h1 = 0.07 / 0.029 = 2.56 m/seg

Número de Fraude (F1) = 1hg

1V

= 4.81

Para que el resalto sea estable, F1 debe estar entre 4.5 y 9, por

lo que esta condición está garantizada.

11F812

1h2h 2 = 0.18 m

V2 = q / h2 = 0.40 m/seg

• Cálculo de perdida de Carga

2h1h4

1h2hH

3

= 0.17 m

• Cámara de aquietamiento de la entrada

Se escogió una pantalla con 6 orificios de 6 pulg. cada uno

ubicados en 3 filas y 2 columnas. Se obtiene una altura

calculada = H + P = 0.17+0.60 = 0.77 m; y con un borde

libre de 0.13 m se tiene una altura de 0.90 m.

Los orificios están separados 0.165 m (horiz.) y 0.111 m

(vert.).

La velocidad por orificio se obtiene con la ecuación de

continuidad V = Q/A = 0.54 m/seg; donde Q es el caudal de

diseño y A, el área de todos los orificios.

La pérdida de carga en la pantalla hf = g2AC

q

22

2

= 0.03 m;

donde q y A son el caudal y el área de orificio, y C es el

coeficiente de gasto tomado como 0.7.

Con hf se encuentra la cota del agua luego de la pantalla

(99.87 m).

• Tiempo de mezcla

Extensión del resalto (Lj) = 6 (h2 – h1) = 0.92 m

Velocidad media del resalto (Vm) = (V2 + V1) / 2 = 1.48 m/seg

Tiempo de mezcla (Tm) = Lm / Vm = 0.62 seg; cumple con la

recomendación de Hudson (Tm < 1 seg).

Longitud de lamina vertiente Lm = 9.01.0 hcP3.4 = 0.43 m

Dique final = h2 / 6 = 0.03 m

• Cálculo de Gradiente

Para una temperatura de 19 ºC del agua:

Peso específico ( ) = 0.99843 Kg/m3

Viscosidad Absoluta ( ) = 0.0001055 Kg*seg/m2

G = Tm

H

= 1616 S-1

Por lo que cheque con los valores establecidos por el CEPIS

(1000 ≤ G ≤ 2000)

3. FLOCULADOR DE PIEDRAS

• Características de diseño:

Numero de

compartimentos 2

Caudal de Diseño (QD) 29.50 Lt/seg

Turbiedad Final (Tf) 4.5 UTN

Tiempo min. Floculacion

( 10 min

N 1.49

K 210000

• Características de la grava

Factor de forma 0.65

Porosidad (p) 0.35

Dim. mayor particula LM 2 plg

Dim. menor particula Lm 1 plg

Diametro nominal

(DN)=

mM L

35.0

L

19.1

24.1

= 1.31 plg

Diametro real asumido

(DE) 1.5 plg

• Tiempo de detención y Gradiente

Tiempo de detencion (T) 4.96 min

1Nm

No

Nm

Noln

T

donde No y Nm son la turbiedad inicial y la esperada.

Gradiente (G) 51 S-1

3/1K

G

• Pérdida de carga

a 0.2603 seg/cm

b 0.1102 seg2/cm2

32

E2

2

pD

p1162.0a

;

3

E pD

p1018.0b

Para sección media A2 = L22

Gradiente (G2) 51 S-1

Velocidad (V2) 0.5477 cm/seg

Longitud (L2) 2.32 m

232 Gipvibvia

;

i

Di

V

QL

Para sección de entrada A1 = L12

Gradiente (G1) 70 S-1

Asumido según la norma



Para sección de salida A3 = L32

Tan 17.246 rad

86.68 º

31

32

222

LLP

LVT3tan

H1 2.67 m



tan2

LL1H 21 ; 3/13

1323 LL2L ;

23

D3

L

QV

Gradiente (G3) 41.04 S-1

H2 2.10 m

Altura medio poroso (H) 4.77 m

233

33 VbVa

p

VG

;

tan

2

LLH 23

2 ; 21 HHH

• Pérdida de carga inicial

J2 0.18 cm/cm

h0 0.84 m

2222 VbVaJ ; HJho 2

4. SEDIMENTADOR CONVENCIONAL

Numero de Unidades 3

Caudal de Diseño 20 Lt/seg

Carga Superficial Cs (Según RAS

2000) 20 m3/m2d

Velocidad de Sedimentacion critica Vsc

= Cs/864 0.0231 cm/s

Area Superficial (de cada unidad) As =

QD/Cs 86.4 m2

Ancho B (de cada unidad) = 4/As 4.6 m

Largo Lu (de cada unidad) 18.6 m

Nivel de Agua H = Lu/5 (4 - 5

m RAS 2000) 3.7 m

Nivel de Agua Real Hr 4 m

Borde Libre 0.3 m

Altura de Sedimentador Hs 4.3 m

Volumen de Sedimentador (una

unidad) = Hs*As 371.52 m3

ZONA DE ENTRADA, Canal con orificios de fondo

Numero de Orificios No 10

Diametro de Orificio Do 5 pulg

Caudal por Orificio Qo = QD/No 0.00200 m3/s

Velocidad por Orificio Vo = Qo/Ao 0.158 m/s

Por condiciones hidráulicas, la velocidad debe ser > 0.15

m/seg.

Gradiente 21.42 S-1

Separacion a lo largo del canal 0.31 m

El gradiente debe ser ≤ que el último que se dio en la

Floculación.

Canaleta vertical con orificios

Filas de orificios (F) 7

Columnas de orificios (C) 10

Diametro de orificio Do 2 Pg

Caudal por orificio Qo = QD/(F*C) 0.000285714 M3/seg

Velocidad por orificio Vo = Qo/Ao 14.10 Cm/s

Por condiciones hidráulicas, la velocidad debe ser < 0.15

m/seg.

Gradiente 33.38 S-1

El gradiente debe ser ≤ que el último que se dio en la

Floculación.

Separacion Horizontal 0.38 m

Separacion Vertical 0.23 m

Espaciamiento superior/inferior

H/5 0.74 m

ZONA DE SALIDA

Lamina agua sobre corona de vertedero

L3/2

D

B84.1

Q

0.02 m

Velocidad de paso en vertedero = QD/(L*B) 0.24 m/s

Ancho de Canaleta (Bc) 0.8 m

Altura de lamina de agua La = 3/2

D

Bc100

Q73

7.0 cm

Borde Libre 13 cm

Altura de Canaleta de recolección 20 cm

ZONA DE LODOS

Tiempo de detención (2 - 4 h RAS

2000) 2 h

Ubicación a Lu /3 6.20 m

Con pendiente del 10 % (S) 0.62 m

Volumen de Lodos Vl =

((Lu*S)/2)*B 26.80 m3

Tiempo de Vaciado Tv (max. 6 h

RAS 2000) 2 h

Caudal de Vaciado =

((As*Hr)+Vl)/Tv 0.052 m3/s

Velocidad de Vaciado 1.5 m/s

Area de Tubo 0.03 m2

Diametro de tubo 8.249 pulg

Diametro Reaal del Tubo 10 pulg

4. FILTRO RAPIDO

Características del filtro

Tasa Media de Filtración (qmed)

RAS 2000 200.00 m3/m2.d

Número de Filtros (Nf) 6

Área Total de Filtración (AT) =

Q/qmed 25.49 m2

Área de cada Filtro (A) = AT /

Nf 4.25 m2

Nº Canaleta de Lavado 1

Largo (L) 2.70 m

Ancho (B) 1.57 m

Cumple que 1≤L/B≤3

Características de los medios filtrantes

Arena

Tamaño Efectivo (TE) 0.50 mm

Densidad Relativa (SS) 2.65

Coeficiente de Uniformidad

(CU) 1.60

Porosidad (Po) 0.42

Coeficiente de Esfericidad 0.81

d10 = TE 0.50 mm

d60 = d10 * CU 0.80 mm

d90 Según gráfica de características

granulométricas 1.06 mm

Antracita

Tamaño Efectivo (TE) 1.20 mm

Densidad Relativa (SS) 1.50

Coeficiente de Uniformidad

(CU) 1.40

Porosidad (Po) 0.45

Coeficiente de Esfericidad 0.72

d10 = TE 1.20 Mm

d60 = d10 * CU 1.68 Mm

d90 Según gráfica de características

granulométricas 2.06 Mm

Granulometría de los Lechos

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1.0 10.0

Lecho de Antracita Lecho de Arena

Espesor del lecho

Espesor del Lecho Asumido (0.60m-.095m) RAS

2000

0.68

m

Espesor del Lecho de Arena (0.15m-0.45m) RAS

2000

0.20

m

Espesor del Lecho de Antracita (0.45m-0.50m)

RAS 2000

0.48

m

Grava de Soporte

Posición Espesor Tamaño

Fondo 0.12 m 25.4 - 50.0

Segunda capa 0.10 m 12.7 - 25.4

Tercera capa 0.09 m 6.4 - 12.7

Cuarta capa 0.09 m 3.2 - 6.4

Espesor Grava de Soporte 0.40 m

Estructura de Drenaje: Se utilizara falso fondo con

viguetas prefabricadas, como se muestra en la figura.

Nº Orificios de 3/4" 144

Nº Viguetas Prefabricadas 4

Estructura de Entrada: Se utilizara un canal de grandes

dimensiones para evitar las perdidas de carga y se

empleara en cada unidad una válvula de compuerta tipo

pistola.

Diámetro Válvula de Entrada 10 pul

Estructura de Salida: Se utilizara vertedero rectangular de

borde agudo para cada unidad; fijando nivel y aforando

el efluente.

Ancho de Cresta 0.40 m

HIDRAULICA DE LAVADO

Lecho de Arena

Número de Galileo (Ga) 18159

Velocidad de Fluidificación

(Va) 1.22 cm/s

Va 0.73 m/min

2

390S

v

d)1S(gGa

;

7.33Ga0408.07.33

90d

v3.1Va

5.02

Lecho de Antracita

Número de Galileo (Ga) 40073

Velocidad de Fluidificación (Va) 1.23 cm/s

Va 0.74 m/min

Condición crítica para el lecho de antracita.

Expansión del lecho (Resumen de Cálculos)

Expansión de un Lecho de Arena

Nº de

Tamiz

d1

(cm)

d2

(cm)

di

(cm) Ga Re

Vs

(cm/s) Re

Pc c xi xi xi

Lc

(m)

40-

30 0.042 0.059 0.050 1877 35.00 7.25 0.25 0.64 0.62 0.10 0.08 0.08 0.01

30-

20 0.059 0.084 0.070 5310 62.36 9.14 0.28 0.57 0.35 0.46 0.38 0.31 0.02

20-

16 0.084 0.119 0.100 15210 111.88 11.54 0.31 0.50 0.15 0.84 0.69 0.31 0.01

16-

12. 0.119 0.168 0.141 43022 199.32 14.54 0.35 0.42 0.00 1.21 1.00 0.31 0.00

A 0.04

Expansión de un Lecho de Antracita

Nº de

Tamiz

d1

(cm)

d2

(cm)

di

(cm) Ga Re

Vs

(cm/s) Re

Pc c xi xi xi

Lc

(m)

30-

20 0.059 0.084 0.070 1609 25.21 3.69 0.25 0.76 1.28 0.46 0.31 0.31 0.19

20-

16 0.084 0.119 0.100 4609 48.08 4.96 0.27 0.69 0.76 0.84 0.56 0.25 0.09

16-

12. 0.119 0.168 0.141 13037 90.97 6.63 0.29 0.62 0.44 1.21 0.81 0.25 0.05

12-

10. 0.168 0.200 0.183 28405 146.66 8.25 0.30 0.56 0.26 1.48 1.00 0.19 0.02

A 0.36

Diám. Promedio y % Retenido para la Arena

Nº de

Tamiz

d1

(cm)

d2

(cm)

di

(cm)

di2

(cm2) xi

xi/di2

(cm-

2)

40-

30 0.042 0.059 0.050 0.002 0.08 31.90

30-

20 0.059 0.084 0.070 0.005 0.31 61.69

20-

16 0.084 0.119 0.100 0.010 0.31 30.96

16-

12. 0.119 0.168 0.141 0.020 0.31 15.29

1.00 140

Diám. Promedio y % Retenido para Antracita

Nº de

Tamiz

d1

(cm)

d2

(cm)

di

(cm)

di2

(cm2) xi

xi/di2

(cm-

2)

30-

20 0.059 0.084 0.070 0.005 0.31 63.17

20-

16 0.084 0.119 0.100 0.010 0.25 25.19

16-

12. 0.119 0.168 0.141 0.020 0.25 12.44

12-

10. 0.168 0.200 0.183 0.034 0.19 5.55

1.00 106

Expansión Total Lecho (T) 0.27

Expansión Total Lecho 27%

Características de Lavado

Caudal de Lavado (qL) 0.052 m3/s

qL<QD CHEQUEA

Tiempo de Lavado 10 min

Canaleta de recolección de agua de Lavado

Nº de Canaletas 1

Ancho de la Canaleta Interior (b) 0.30 m

Altura del Agua 0.25 m

Borde Libre 0.06 m

Altura de la Canaleta Interior 0.31 m

Espesor de la Pared 0.10 m

Altura de la Canaleta 0.41 m

Factor de Seguridad 0.25 m

Altura Cresta respecto Lecho no

Expandido (w) 0.93 m

w>0.5 Según RAS 2000 CHEQUEA

Tuberías y Accesorios

Diámetro de Tubería de Lavado 10 pul

Longitud de Tubería de Lavado 63.8 m

Longitud Equivalente 90.5 m

Tubería PVC () 0.00001 m

Longitud Equivalente para Lavado

Cantidad Elemento Longitud

Equivalente

4 Codo 90º 31.60 m

2 Válvula de compuerta

abierta 3.40 m

5 Tee paso directo 27.50 m

1 Tee salida lateral 16.00 m

1 Salida de Tubería 7.50 m

1 Entrada de Tubería 4.50 m

Total 90.50 m

Características del Tanque de Lavado

Volumen del Tanque de Lavado 31.48 m3

Profundidad de Agua 1.00 m

Área Superficial 31.48 m2

Largo 5.61 m

Ancho 5.61 m

Altura 1.20 m

Pérdidas de Carga durante el lavado

Perdida de Carga en la Arena 0.19 m

Perdida de Carga en la

Antracita 0.13 m

Perdida de Carga Total en el

Lecho 0.32 m

Perdida de Carga en la Grava 0.10 m

Perdida de Carga en el Falso

Fondo 0.13 m

Perdida de Carga en Canaleta 0.07 m

Perdida de Carga en Tubería y

Accesorios 0.34 m

Perdida de Carga Total durante

el Lavado 0.96 m

HIDRAULICA DE LA FILTRACION

Tuberías y Accesorios

Diámetro de Tubería de

Filtración 10 pul

Longitud de Tubería de

Filtración 1.5 m

Longitud Equivalente (Detalle

en Anexo 2) 35.2 m

Tubería PVC () 0.00001 m

Longitud Equivalente para Filtración

Cantidad Elemento Longitud

Equivalente

1 Válvula de compuerta

abierta 1.70 m

1 Tee paso directo 5.50 m

1 Tee salida lateral 16.00 m

1 Salida de Tubería 7.50 m

1 Entrada de Tubería 4.50 m

Total 35.20 m

Pérdidas de Carga durante la filtración

Pérdida de Carga en Válvula de

Entrada (hVA)

7.40E-

10 q2

Pérdida de Carga en la Arena 4.25E-

04 q

Pérdida de Carga en la Antracita 7.14E-

04 q

Pérdida de Carga Total en el Lecho 1.14E-

03 q

Pérdida de Carga en Grava de

Soporte

9.26E-

05 q

Pérdida de Carga en Falso Fondo 1.14E-

07 q2

Pérdida de Carga de Tubería y

Accesorios

1.00E-

01 q0

Pérdida de Carga en el Vertedero 1.65E-

03 q0.6667

Durante la filtración

Qmax 260.00 m3/m2.d

Qa 232.34 m3/m2.d

Qb 207.67 m3/m2.d

Qc 185.61 m3/m2.d

Qd 165.90 m3/m2.d

Qmin 148.29 m3/m2.d

N1 0.49 m

N2 0.54 m

ho' 0.05 m

Durante el Lavado

Qmax 296.58 m3/m2.d

Qa 265.08 m3/m2.d

Qb 236.93 m3/m2.d

Qc 211.77 m3/m2.d

Qd 189.28 m3/m2.d

N3 0.60 m

h 0.06 m

Canaleta de Salida

Altura lámina de Agua sobre Canaleta

Lavado 0.07 m

Altura Vertedero Salida respecto cresta

Canaleta 1.03 m

5. TANQUE DE DESINFECCION

Método de Concentración – Tiempo

QD 0.0590 m3/s

Dosificación de Cloro (C) 0.8 mg/Lit

Temperatura del agua 19 ºC

pH 7.5

K 44 mg*min/lit

K es obtenido de la tabla C.8.2.C de RAS 2000. Como K = C*t

; t = K/C

t = 55 min

Volumen de tanque Vol =

QD*t 194.70 m3

Altura de tanque Ht (Según

filtro) 2.70 m

Area Superficial = Vol/Ht 72.11 m2

Lado asumido 8 m

Lado complementario 9.01 m

Ancho de Placas 0.1 m

Numero de Placas 13

Separación entre placas 0.55 m

Análisis y cálculos de planta de tratamiento

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