Captacion con lecho filtrante

Abastecimiento de Agua. Captación Mediante Lechos Filtrantes

Presentado por:

Ing. Pablo Angulo Angulo

Ing. José Alejandro González Suarez

Catedrático:

MSc. Ing. Yalena Navarro Cajina.

Managua, Viernes 20 de septiembre de 2013.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

Programa de Investigación Estudios Nacionales y Servicios Ambientales.

UNI - PIENSA

Maestría en Ingeniería Ambiental 2012-2013

Programa de investigación Estudios Nacionales y Servicios Ambientales Abastecimiento de Agua

Captación Mediante Lechos Filtrantes 1

Indice

I. INTRODUCCIÓN 2

II. OBJETIVOS 3 2.1 OBJETIVO GENERAL 3 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 3

III. DESARROLLO 4 3.1 CRITERIO DE SELECCIÓN 4 3.2 LECHO FILTRANTE O PRE FILTRO HORIZONTAL 4 3.2.1 MODO DE FUNCIONAMIENTO 5 3.2.2 CRITERIOS DE DISEÑOS 7 3.3 PREFILTRO VERTICAL 9 3.3.1 MODO DE FUNCIONAMIENTO 10 3.1.2 CRITERIOS DE DISEÑOS 11

IV. EJERCICIO DE APLICACIÓN 13

V. BIBLIOGRAFIA 16

VI. ANEXOS 17



I. Introducción Los sistemas de abastecimiento de agua potable cuentan con diferentes componentes, todos tienen como primer elemento la captación u obra de toma, que se refiere a la explotación del agua en las posibles fuentes mediante una estructura hidráulica que asegura el caudal de diseño, captándolo para posteriormente conducirlo al resto del sistema de agua. (Comisión Nacional del Agua, 2007). Las captaciones mediante lechos filtrantes están constituidas por una o más tuberías perforadas denominadas drenes, recubiertos con material granular clasificado que conforman el medio filtrante. Según el Instituto Nicaragüense de Acueductos y Alcantarillado (INAA), en las normas técnicas para el diseño de abastecimiento y potabilización de agua (NTON 09 03-99), la captación del agua mediante lechos filtrantes puede ser realizada de manera combinada con captación indirecta como un método de pre tratamiento. También, este tipo de captaciones puede ser construido colocando los drenes directamente sobre el lecho y recubriéndolos con el diferentes capas de material granular. (Ministerio de Servicios y Obras Publicas de la República de Bolivia, 2005). Debido a que el agua en una captación mediante lechos filtrantes antes de ser captada, primero atraviesa un material granular, también recibe el nombre de pre filtro y en dependencia de la dirección del flujo de agua a través del lecho filtrante se clasifican como pre filtros horizontal y vertical.

Captacion Mediante Lechos Filtrantes

Prefiltro Vertical Prefiltro Horizontal

Prefiltro Vertical de Flujo Ascendente

Prefiltro Vertical de Flujo Decendente



Estas estructuras de captación de agua también tienen la capacidad de pre tratar el efluente antes de conducirlo a la línea de aducción del sistema, mejorando la calidad del agua una vez atraviesa el lecho granular la conduce a los sistemas de tuberías perforadas o drenes en el fondo de la estructura de captación o lecho del rio, según sea el caso. Igual que cualquier tipo de obra de toma para el abastecimiento de agua, el diseño de captaciones mediante lechos filtrantes debe ser diseñada cuidadosamente. El sub dimensionamiento de la captación implicará déficit en el suministro o en caso contrario un sobre dimensionamiento encarecerá el sistema tanto en su construcción como en su operación al operar deficientemente. (Comisión Nacional del Agua, 2007).

II. Objetivos

2.1 Objetivo General Presentar Criterios de Diseños de acuerdo a Normativas para Captaciones mediante Lechos Filtrantes.

2.2 Objetivos Específicos 1. Describir elementos que componen los pre filtros de a acuerdo a su clasificación. 2. Presentar Criterios de Diseños para cada tipo de Pre filtro. 3. Describir los Criterios de Diseños de un tipo de Pre filtro mediante un ejemplo práctico.



III. Desarrollo

3.1 Criterio de Selección El uso de captaciones mediante lechos filtrantes depende de la calidad del agua con que se cuente en una determinada fuente superficial. La NTON 09 03-99 establece que este tipo de obras de captación son necesarias como pre tratamiento del agua, cuando el valor promedio de turbiedad es mayor a 50 UTN en periodos que sobrepasan algunas semanas, o más de 100 UTN en periodos que sobrepasan algunos días.

3.2 Lecho Filtrante o Pre filtro Horizontal Este método de captación según las normas técnicas para el diseño de abastecimiento y potabilización de agua del INAA, representa un método indirecto de captación de agua donde el flujo se desplaza de manera horizontal a través de un canal perpendicular al flujo del rio con graba de diferentes diámetros colocadas en tres diferentes capas como medio filtrante y el agua es conducida con tuberías perforadas hacia una cámara de recolección, tal como se puede observar en la figura siguiente. Fig. 3.1 Vista en Planta de Pre filtro Horizontal Fuente: NTON 09 03-99



3.2.1 Modo de Funcionamiento El Pre filtro horizontal trabaja mediante la entrada del flujo de agua cruda que ingresa en sentido horizontal a través de varios estratos de grava de diferentes espesores que conforman la cámara de pre filtración hasta llegar a la cámara de colección. También, es común que este tipo de estructuras cuente con una cámara de captación directa que es, donde el ingreso del agua hacia la cámara de colección es controlado mediante válvulas hidráulicas. Cámara de Pre filtrado (Lecho Filtrante) La cámara de pre filtrado se coloca en sentido transversal a la corriente de la fuente de agua y está compuesta por tres diferentes lechos de material granular que disminuye su tamaño a medida avanza el flujo de agua que finalmente es colectado mediante la utilización de un dren o tubo perforado que se ubica en la parte inferior del ultimo lecho filtrante tal como se muestra en la figura 3.2. El lecho filtrante del pre filtro horizontal está conformado por piedra y grava de acuerdo a las características mostradas en la siguiente tabla:

Lecho Espesor (m) Diámetro (mm) 1 1.0 80-250 2 4.5 30-70 3 4.5 5-12

Tabla 3.1 Especificaciones de Grava Pre filtro Horizontal Fuente: NTON 09 03-99 El dimensionamiento de la cámara de pre filtración depende de la velocidad de filtración del lecho filtrante y el caudal de diseño. De acuerdo a la normativa con estas especificaciones de grava se puede alcanzar una velocidad máxima de filtración de 12 m3/m2/d (0.50 m/h).

Fig. 3.2 Vista longitudinal de pre filtro Horizontal Fuente: NTON 09 03-99



Captación Directa y Cámara Recolección El área de captación directa forma parte de la estructura del pre filtro pero funciona de manera independiente, permitiendo el ingreso del agua cruda de la fuente de manera lateral a través de las rejillas de barrotes de hierro y posteriormente esta puede ser transportada directamente a la cámara de colección. La razón por la que se coloca la captación directa es para permitir agua al sistema cuando la turbidez de la fuente es adecuada en algunos periodos del año. De igual manera funciona como un elemento de emergencia en caso que ocurra algún problema con el pre filtro o el caudal del rio disminuya. (Ver figura 3.3) . La cámara de recolección es donde se colecta el agua pre filtrada que ingresa

desde el dren en el último lecho filtrante. También esta cámara permite de forma controlada por medio de válvula el ingreso de agua cruda de la fuente que ingresa desde la captación directa. Una vez el agua llega a la cámara de recolección es transportada a través de la línea conducción al siguiente elemento del sistema de agua para su posterior tratamiento y distribución. (Ver Imagen 3.4)

Fig. 3.3 Captación Directa en Pre filtro Horizontal Fuente: NTON 09 03-99

Fig. 3.4 Cámara de Recolección de Pre filtro Horizontal Fuente: NTON 09 03-99



3.2.2 Criterios de Diseños En términos generales el uso de un pre filtro horizontal se aplica cuando la calidad del agua superar 50 UTN1 y para su diseño se deben tener en cuenta los siguientes criterios: a) La turbiedad del agua cruda o sedimentada del afluente deberá ser como máximo, de 400 UTN. b) Deberá considerarse como mínimo 3 compartimientos de material filtrante. c) El diámetro del material debe ser de 1 a 4 cm, y variará de mayor a menor tamaño en el sentido del flujo. d) Las tasas de velocidad máximas deben variar entre 10 y 36 m3/(m2/d). Las tasas mayores acortan las carreras y reducen proporcionalmente la remoción de microorganismos. Con las características indicadas y con una tasa de 14 m3/(m2/d) se obtienen eficiencias de remoción de coliformes fecales de hasta 99%. e) La longitud del pre filtro puede variar entre 5 y 10 m. Área de Pre filtración: El dimensionamiento del área requerida de pre filtración está en dependencia del caudal de diseño y la velocidad de filtración del lecho filtrante y se determina mediante la siguiente ecuación.

𝐴 = 3600𝑄𝑉𝑓

Dónde: A: Área de Pre filtración (m) Q: Caudal de Diseño (m3/s) Vf: Velocidad de Filtración (m/h) Velocidad de Filtración: La velocidad de filtración recomendada es de 0.1 m/h a 0.6 m/h. Para las especificaciones de grava de material filtrante recomendadas por la NTON 09 03-99 en la tabla 3.1, se establece una velocidad de filtración de 0.5 m/h. Ancho del Pre filtro

1 UTN: Unidades de Turbidez Nefelométricas



El ancho del pre filtro se calcula con la siguiente ecuación:

𝐵 = 𝐴𝐻

Donde: B: Ancho del pre filtro (m) A: Área de pre filtración (m2) H: Profundidad del lecho Filtrante (m) La profundidad del lecho filtrante varia de 0.4 m a 1.5 m Longitud de Compartimientos de Pre filtrado

𝑙! = 𝐿𝑛(𝑇!/𝑇!)

𝜆!

Donde: li : Longitud del compartimiento i (m) Tf : Turbiedad del efluente (UTN) T0 : Turbiedad del afluente (UTN) λi : Modulo de Impedimento ( m-1) Módulo de Impedimento: El módulo de impedimento esta en función de las velocidades de filtración y el diámetro de grava. El CEPIS ha obtenido valores experimentales para el módulo de impedimento en plantas pilotos. A partir de estos datos presentados en el cuadro siguiente se calcula por medio de interpolación el módulo de impedimento para cada lecho filtrante tomando en cuenta la velocidad de filtración adoptada en el diseño.

Velocidad de Filtración

Vf (m/h) Diámetro de la Grava

0.625 cm 1.25 cm 2.5 cm 5 cm 0.1 1.03 0.88 0.69 0.54 0.2 0.93 0.81 0.63 0.49 0.3 0.86 0.68 0.56 0.44 0.4 0.75 0.60 0.43 0.30 0.5 0.62 0.48 0.40 0.24 0.6 0.42 0.3 0.21 0.18

Tabla 3.2 Valores Experimentales del módulo de impedimento Fuente: CEPIS



3.3 Pre filtro Vertical La captación mediante lecho filtrante o pre filtro vertical, de igual manera que el pre filtro horizontal sirve como pre tratamiento al agua, mejorando su calidad antes de pasar a otras unidades de tratamiento del sistema. Está constituido por una o más tuberías perforadas o drenes introducidas transversalmente en el lecho del río y recubiertas con material filtrante clasificado. El agua se filtra a través de los diferentes estratos del lecho filtrante hasta el drene, para luego ser conducida mediante tuberías hasta la cámara de recolección lateral en el margen del río.

Fig. 3.5 Vista en Planta de Pre filtro Vertical Fuente: NTON 09 03-99



3.3.1 Modo de Funcionamiento El Pre filtro vertical trabaja mediante la entrada del flujo de agua cruda que ingresa en sentido vertical descendente a través de varias capas material granular de diferentes espesores que conforman el lecho filtrante hasta llegar la tubería perforada ubicada en el lecho del río. El agua captada en estas tuberías perforadas es concentrada en un dren principal que la trasporta a cámara de colección. También, al igual que los pre filtros horizontales en este tipo de estructuras se puede contar con una cámara de captación directa que es, donde el ingreso del agua hacia la cámara de colección es controlado mediante válvulas hidráulicas. Material Filtrante El material filtrante es la selección de material clasificado de diferente granulometría para la filtración del agua del curso natural. El diámetro del material filtrante seleccionado puede variar entre 6 a 40 mm y podrá ser colocado en capas de 0.10 a 0.50 m, variando la velocidad de filtración en dependencia del diámetro del material filtrante y los espesores de capas. De acuerdo al INAA para lograr una velocidad de filtración descendente de 6 m3/m2/d (0.25 m/h), el pre filtro vertical estará conformado por grava de acuerdo a las características señaladas en la tabla 3.3

Lecho Espesor (m) Diámetro (mm) 1 0.1 15 -25 2 0.20 10 -15 3 0.50 5-10

Tabla 3.3 Especificaciones de Grava Pre filtro Vertical Fuente: NTON 09 03-99 Fig. 3.6 Vista Longitudinal de Pre filtro Vertical Fuente: NTON 09 03-99



Tubería Perforada (Drenes) El tipo, longitud y diámetro de los drenes depende de la calidad del agua y el caudal de diseño. Comúnmente se emplea tubería PVC que es muy estable ante cualquier tipo de agua.

Fig. 3.7 Detalle de la Tubería perforada o dren Fuente: Ministerio de Servicios y Obras Publicas de la República de Bolivia, 2005.

3.1.2 Criterios de Diseños En términos generales el uso de un pre filtro vertical se aplica cuando la calidad del agua superar 50 UTN y para su diseño se deben tener en cuenta los siguientes criterios: a) La turbiedad del agua cruda o sedimentada del afluente deberá ser inferior a 400 UTN. b) Se deben considerar como mínimo tres capas de material filtrante de diferentes espesores. La grava debe ser canto rodado y será decreciente entre la primera y la última capa que es la del fondo. c) Las tasas de filtración varían en dependencia del diámetro del material filtrante y el espesor de la capas de 2 a 24 m3/m2/d. No obstante, para la clasificación de material filtrante proporcionada por el INAA, la velocidad de filtración es de 6 m3/m2/d (0.25 m/h). d) Debe diseñarse un sistema hidráulico de lavado con tasas de filtración de 1 a 1.5 m/min.



e) La velocidad en los orificios de las tuberías perforadas debe oscilar entre 0.1 0.15 m/s para evitar arrastre de partículas. Área de Pre filtración: El dimensionamiento del área requerida de pre filtración está en dependencia del caudal de diseño y la velocidad de filtración del lecho filtrante y se determina mediante la siguiente ecuación.

𝐴 = 3600𝑄𝑉𝑓

Dónde: A: Área de Pre filtración (m) Q: Caudal de Diseño (m3/s) Vf: Velocidad de Filtración (m/h) Velocidad de Filtración: La velocidad de filtración recomendada es de 2 a 24 m3/m2/d. Para las especificaciones de grava de material filtrante recomendadas por la NTON 09 03-99 en la tabla 3.3, se establece una velocidad de filtración de 6 m3/m2/d equivalente a 0.25 m/h. Longitud de Tubería Perforada (Drenes): La longitud tubería perforada se calcula mediante la siguiente ecuación:

𝐿 = 2×𝑄𝐴!×v

Donde: L : Longitud total del drene en m Q: Caudal de diseño en m3/s v: Velocidad del agua a través de los orificios en m/s v = 0,10 m/s a 0,15 m/s para evitar arrastre de partículas. Af: Área efectiva de los orificios o ranuras por metro lineal en m2/m para el diámetro adoptado (también denominada área específica – dependerá del fabricante o de la cantidad de ranuras u orificios que se hagan en las tuberías)



01.- DATOS GENERALES

Qmd = Turbidez Maxima: Qmd =

03.- VELOCIDAD DE FILTRACION

Asumiremos:Vf =

04.- AREA DE FILTRACION

A: Área de Pre filtración (m)Q: Caudal de Diseño (m3/seg)Vf: Velocidad de Filtración (m/h)

A =05.- ALTURA DE GRAVA

Considerando la profundidad de la grava de :H= 1.40 m (Valor Asumido)

06.- ANCHO DE PREFILTRO

B: Ancho del pre filtro (m)A: Area de pre filtracion (m2)H: Profundidad del lecho Filtrante (m)

B = 3.21 mB = 3.30 m

500.000 UTN

Ecuacion

Criterio

Se recomienda velocidades de filtración de 0.10 - 0.60 m/h variables en razón inversa a la calidad

del agua

Criterio

La profiundidad del lecho filtrante varia de 0.4 m a 1.5 m

Ecuacion

0.500 L/seg.0.00050 m3/seg.

0.400 m/h

4.500 m2

3.30

1.80

PLANTA4.60

1.80

1.00

CORTEh = 1.40

Esquema

IV. Ejercicio de Aplicación Calculo Hidráulico de Pre filtro Horizontal



07.- LARGO DE PREFILTRO

Li : Longitud del compartimiento i (m)

Tf : Tubiedad del efluente (UTN)

T0 : Tubiedad del afluente (UTN)λ : Modulo de Impedimento ( m-1)

TASA DE FILTRACION

0.1 1.00 - 1.40 0.70 - 0.90 0.40 - 0.80

0.2 0.70 - 1.00 0.60 - 0.80 0.30 - 0.70

0.4 0.60 - 0.90 0.40 - 0.70 0.25 - 0.60

0.8 0.50 - 0.80 0.30 - 0.60 0.15 - 0.50PRIMER TRAMO: GRAVA DE 3 A 4 CM

Vf =

Se obtiene: λ = 0.425To=Tf =Reemplazando valores

L1 = 1.75

L1 = 1.80 mSEGUNDO TRAMO: GRAVA DE 2 A 3 CM

Vf =

Se obtiene: λ = 0.55 To = Turbidez igual a la salida del tramo 1To =Tf =Reemplazando valorescen Ecuacion

L2 = 1.75

L2 = 1.80 mTERCER TRAMO: GRAVA DE 1 A 2 CM

Vf =

Se obtiene: λ = 0.75 To = Turbidez igual a la salida del tramo 2To =Tf =

Reemplazando valoresL3 = 0.92

L3 = 1.00 m

Por lo tanto la longitud total del prefiltro sera:

L = 4.60 m

300.00 UTN

Ecuacion

100.00 UTN

Ecuacion

50.00 UTN

Ecuacion

0.40 m/h

0.40 m/h

0.40 m/h

VALORES EXPERIMENTALES DEL MODULO DE IMPEDIMENTO (λ)

Ecuacion

100.00 UTN

500.00 UTN

300.00 UTN

DIAMETRO DE GRAVA

3 - 4 2 - 3 1 - 2



Calculo de la Longitud de la Tubería Perforada o Dren:

01.- DATOS GENERALES

Qmd = Turbidez Maxima: Qmd =

02.- VELOCIDAD DEL AGUA A TRAVES DE LOS ORIFICIOS

Asumiremos:Vf =

03.- AREA EFECTIVA DE LOS ORIFICIOS

Af: efectiva de orificios (m2)d: Diametro de los orificios (m)n: Cantidad de orificios por anillos: Separacion entre anillos (m), se recomienda una separacion minima de 0.05m

Proponiendod=n=s=

Reemplazando lo Valores en la EcuacionAf =

4.- Longitud de la tuberia Perforada o Dren

L: Longitud Total del Dren (m)Q: Caudal de Diseño (m3/s)v: Velocidad del agua a traves de los orificios (m/s)Af: Area efectiva de los orificios

Proponiendod=n=s=

Reemplazando lo Valores en la EcuacionL=

L=

El dren estara compuesto por un tubo perforado de 6m de longitud6.00 m

Ecuacion

0.005 m3 orificios0.05 m

5.66 m

0.005 m3 orificios0.05 m

0.500 L/seg. 500.000 UTN0.00050 m3/seg.

Criterio

Se recomiendan velocidades de filtración de 0.10 - 0.15 m/S para evitar arrastres

de particulas0.150 m/seg.

Ecuacion

0.00117810 m2/m



V. Bibliografía Autoridad Nacional del Agua: Manual Criterios de Diseños de Obras Hidráulicas para Formulación de Proyectos Hidráulicos Multisectoriales y de Afianzamiento Hídrico. Lima, Perú 2007. Comisión Nacional del Agua: Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento Obras de Toma. Tlalpan, México 2007. Instituto Nicaragüense de Acueductos y Alcantarillados Ente Regulador: Normas Técnicas para el Diseño de Abastecimiento y Potabilización del Agua (NTON 09 003-99). Managua, Nicaragua 1999. Ministerio de Servicios y Obras Publicas de la República del Perú: Guía Tectónica de Diseño de Proyectos de Agua Potable para Poblaciones Menores a 10,000 Habitantes. Lima, Perú 2005



VI. Anexos 6.1 Metodología de Diseño para Pre filtros horizontales



6.1 Esquema de Pre filtro Vertical

Captacion con lecho filtrante

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