CONTENIDO

1. DESCRIPCION DEL PROBLEMA - PLANTA DE POTABILIZACION DE AGUA.

2. DETERMINACION DEL NIVEL DE COMPLEJIDAD Y CAUDAL DE DISEÑO.

3. CLASIFICACION DE LA FUENTE.

4. AIREACION – AIREADORES POR CASCADA.

5. MEDICION DEL CAUDAL - VERTEDERO RECTANGULAR.

6. MEZCLA RAPIDA - RETROMEZCLADOR DE EJE VERTICAL.

7. MEZCLA LENTA - FLOCULADOR MECANICO ROTATORIO DE PALETAS DE EJE

VERTICAL.

8. SEDIMENTACION – DECANTADOR DE PLACAS DE FLUJO ASCENDENTE.

9. FILTRACION - FILTRO RÁPIDO DE TASA DECLINANTE CON AUTOLAVADO.

10. TANQUE DE CLORACION.

11. TANQUE DE ALMACENAMIENTO.

12. PERDIDAS EN EL SISTEMA.

1. DESCRIPCION DEL PROBLEMA - PLANTA DE POTABILIZACION DE AGUA.

Características.

Población 13500 hab.

Tasa de crecimiento 2.8 %

Dotación neta 180 L/hab./día

Temperatura ambiente 21 ºC

Temperatura del agua 19 ºC

Análisis de agua cruda

DBO5 12

Oxigeno disuelto 7 mg/L

Coniformes totales 3600 NMP/100ml

pH 7

Turbiedad 20 UNT

Color verdadero 20 UPC

Cloruros 60 mg/L

Alcalinidad 20 mg/L

Dureza total 100 mg/L

Hierro total 1.2 mg/L

Cloro residual 1 mg/L

Dosificación de alumbre 42 mg/L

Procesos

Mezcla rápida (coagulación) Retromezclador.

Mezcla lenta (floculación) Floculador de paletas de eje vertical.

Sedimentación Alta tasa.

Filtración Auto lavado.

Otros procesos Aireación para remoción de Fe.

2. DETERMINACIÓN DEL NIVEL DE COMPLEJIDAD Y CAUDAL DE DISEÑO.

Población futura.

Se determina utilizando el método geométrico por la siguiente ecuación:

Por lo tanto el nivel de complejidad es medio alto.

Caudal de diseño.

3. CLASIFICACION DE LA FUENTE.

Según el articulo 107 del titilo A del RAS-2000, en el cual se establecen los siguientes

parámetros para la clasificación de fuentes de abastecimiento.

Parámetros Unidades Resultados de los análisis en t90

DBO 5 días

Promedio mensual mg/L > 4

Máximo diario mg/L > 6

Coliformes totales

Promedio mensual(NMP/100 mL) >5000

Oxígeno disuelto mg/L < 4

PH promedio 3.8 – 10.5

Turbiedad (UNT) 150

Color verdadero (UPC) 40

Gusto y olor Inaceptable

Cloruros (mg/L - Cl) 300

Fluoruros (mg/L - F) > 1.7

La fuente se clasifica como: fuente muy deficiente.

4. AIREACION – AIREADORES POR CASCADA.

Caudal, Q. 0.1 m3/s.

Velocidad afluente. 1 m/s.

Numero de bandejas, N. 3 und.

Altura de las bandejas, h. 5 m.

Altura total (H).

Profundidad del agua en la bandeja. 0.12 m.

Área tubería afluente.

Radio. 7 pulg.

Plataforma 3.

Diámetro exterior, De. 3.5 m.

Diámetro interior, Di. 0.36 m.

Área.

Carga superficial.

Plataforma 2.

Diámetro exterior, De. 5,0 m.

Diámetro interior, Di. 3,5 m.

Área.

Carga superficial.

Plataforma 1.

Diámetro exterior, De. 6,0 m.

Diámetro interior, Di. 5,0 m.

Área.

Carga superficial.

Chequeo de la altura de la lamina de agua en la plataforma superior.

Chequeo de la altura de la lamina de agua en la plataforma inferior.

5. MEDICION DEL CAUDAL - VERTEDERO RECTANGULAR.

Para el cálculo de las dimensiones del vertedero se empleo la siguiente ecuación para vertederos

triangulares:

En la cual para las dimensiones indicadas y para un caudal de 100 LPS se tiene:

= 0.6589 = 90°

h = 33.5 cm w = 16.5 cm

B = 67 cm

6. MEZCLA RAPIDA - RETROMEZCLADOR DE EJE VERTICAL.

Según el RAS 2000, por motivos de operación y mantenimiento se proyecta la construcción de

dos compartimientos, cada uno diseñado para la mitad del caudal de diseño total, esto es 50 LPS.

Además se asume un tiempo de detención de 20 s.

Volumen del tanque.

Suponiendo Dt = 1.20 m.

Área de la planta

Profundidad del agua.

Se deja un borde libre (Bl) 13cm.

Profundidad del tanque.

Localización y diámetro del agitador.

Diámetro de la turbina.

Chequeo.

Localización sobre el fondo. Se supone una altura sobre el fondo, h = 0.3 m. y se

chequea.

Valor que esta entre 0.75 y 1.3, OK.

Dimensiones de la paleta.

Ancho del estator.

Potencia total consumida.

Potencia del motor.

Factor de eficiencia = 0.85

Velocidad de rotación del agitador.

Altura de la lámina de agua a la salida de coagulación.

7. MEZCLA LENTA - FLOCULADOR MECANICO ROTATORIO DE PALETAS DE EJE

VERTICAL.

Según el RAS 2000 se deben tener en cuenta los siguientes parámetros de diseño, td debe estar

entre 20 y 40 min. y G entre 15 – 75 s-1. La velocidad periférica para floculadotes de alta energía

debe ser 3m/s. Para los de baja energía de 0.3 - 0.75 m/s. Las dimensiones del agitador deben ser

tal que la distancia de los extremos de las paletas a los muros, al piso y la superficie libre del agua

debe estar entre 0.15 a 0.3 m. La interconexión entre cámaras para evitar los cortocircuitos debe

hacerse con orificios sumergidos y vertedero ahogado intercalado.

Para el nivel de complejidad medio alto se deben diseñar como mínimo 4 unidades.

Tiempo de detención. Asumimos td = 20 min.

Volumen de cada cámara.

Dimensiones de cada cámara.

Utilizando un tanque de 2.8 x 2.8 m de planta.

Donde p es la profundidad del agua, se deja un borde libre (Bl) de 0.19m.

Profundidad del tanque.

Dimensiones y posición del agitador.

Suponiendo que se deja una distancia entre los muros y los extremos de las paletas de 0.2 m

se tiene:

Diámetro del agitador D=2.4 m

Chequeo

Largo de las paletas

Se deja un espacio entre las paletas la superficie libre del agua y el fondo de 0.2m.

Ancho de la paleta

Se asume un ancho, l = 0.25m

Distribución de paletas

Se utilizan dos paletas localizadas sobre cada uno de los dos brazos colocados entre si a

180°, las dimensiones que se adoptan se muestran en la siguiente figura.

Velocidad de rotación.

Se asume n = 6 rpm.

Velocidad tangencial máxima paleta exterior

Velocidad tangencial máxima paleta intermedia

Gradiente de velocidad

La potencia de un brazo de dos paletas se obtiene aplicando la siguiente ecuación

Para 19°C se tiene:

=998.43 kgf/m3

=1.06*10-4 kgf*s/m2

El valor de Cd se encuentra usando tabla teniendo en cuenta la relación b/l

Los valores de k son:

Paleta exteriork = 0.30

Paleta interior k = 0.25

Por lo tanto

(Potencia útil introducida al agua)

La potencia total disipada por el agitador se halla con ayuda de tabla, que muestra la relación de

las potencias determinadas experimentalmente para diferentes tipos de agitadores.

Potencia máxima:

Potencia mínima:

Potencia media:

Con base en la potencia media se halla el gradiente:

Potencia del motor:

El mismo procedimiento se sigue para las tres cámaras siguientes, las cuales conservan iguales

dimensiones para el tanque y para el agitador, lo que cambia para cada cámara es la velocidad de

rotación, n, para lo cual se obtuvieron los siguientes datos.

CAMARA 1 2 3 4

n (rpm) 6 5 4 3

V tangencial paleta exterior (m/s) 0.75 0.63 0.50 0.38

Pmed (kgf*m/s) 5.56 3.22 1.65 0.68

G (s-1) 59.15 44.98 32.20 20.09

Altura de la lámina de agua a la salida de floculación.

Canal de recolección de agua floculada.

Como el gradiente de velocidad en la última cámara es de 20.09 s -1, la sección del canal será la

siguiente.

En un canal rectangular, la sección óptima es aquella cuya base es el doble de la altura por cuanto

el gradiente se hace mínimo.

Siendo h = altura y 2h = base, se debe hallar el valor de h para el cual G ≤ 20 s-1

Por lo tanto, la altura de la lamina de agua sobre el canal será de 0.4 m y la base del canal será

igual a 0.8 m.

8. SEDIMENTACIÓN – DECANTADOR DE PLACAS DE FLUJO ASCENDENTE.

Decantador de placas de flujo ascendente.

Placas planas de asbesto-cemento

Alto 1.2 m

Ancho 2.4 m

Espesor 0.008 m

Caudal 100 LPS

Separación entre palcas 0.05 m

Angulo de inclinación 60 °

Temperatura 19 °C

Se adoptan dos unidades.

Viscosidad cinemática 0.01036 cm2/s

Viscosidad absoluta 105 E6 Kgf*s/m2

Peso especifico 998.43 Kgf/m3

Factor de eficiencia, S 1 -

Suponemos una velocidad de sedimentación crítica de diseño.

Caudal por unidad.

Longitud relativa.

Velocidad a través de las placas.

Carga superficial.

Cumple ya que para placas angostas el valor de CS esta entre 120 m3/(m2.día) y 185 m3/(m2.día).

Numero de Reynolds.

Según el RAS-2000, el número de Reynolds (Re) debe ser menor a 500, se recomienda un

Reynolds menor a 250.

Numero de placas.

Donde:a : longitud de la placa en el sentido normal al flujo.

Longitud ocupada por las placas.

Donde l : longitud de la placa en el sentido del flujo.

Tolva de lodos.

Según la geometría del diseño se obtiene el siguiente volumen real de la tolva.

Conducto de entrada.

Se utiliza un canal sumergido con orificios en la parte superior, a través de los cuales el gradiente

debe ser menor o igual a 15s-1.

Se adopta dos canales por cada unidad, donde el caudal por cada canal es de 25 LPS, con una

velocidad de 0.15 m/s. Entonces la sección inicial del canal es:

El canal llevara orificios en la parte superior, los cuales tienen un diámetro de 0.12m, y están

separados entre si 0.4m, entonces el número de orificios es:

Caudal por orificio.

Velocidad por orificio.

Debido a que la velocidad debe ser constante, se debe construir un canal de sección variable, para

garantizar que el caudal para cada orificio sea constante. Por ello la sección al final del canal es

de 0.15m

Chequeo del gradiente.

Cumple ya que es menor a 15s-1.

Canaletas de recolección de agua decantada.

Se utilizaron 8 canaletas a lo largo de toda la celda de sedimentación, con un caudal por canaleta

igual a 6.25 LPS

Caudal por metro de vertedero.

No se produce arrastre de floc.

Suponiendo b=25 cm. Se tiene.

Dejando un borde libre de 5 cm. la altura total de la canaleta es de 11.93 cm.

Tubería de descarga de lodos.

La evacuación de lodos se hace mediante tubos distribuidos a lo largo del decantador, que

funcionan como tubos cortos a descarga libre, ya que desaguan a un canal triangular que trabaja

parcialmente lleno.

Se utiliza 10 tubos de diámetro 4 plg.

Caudal máximo al comenzar el lavado.

Canal de descarga de lodos.

De acuerdo a la forma del canal y aplicando la ecuación de Manning se chequea que el canal

trabaje máximo hasta la altura media, cuando se inicia el lavado, con lo cual se garantiza que

trabaja desahogado.

Se asumen los siguientes datos:

B=1.1m Φ=60° n=0.013 s=1%

De donde h=0.195 para Q=0.41 m3/s.

9. FILTRACIÓN - FILTRO RÁPIDO DE TASA DECLINANTE CON AUTOLAVADO.

La filtración se hará a través de filtros rápidos de tasa declinante autolavantes.

Caudal de diseño: Q = 100 LPS

Temperatura del agua: T = 19 °C

Viscosidad cinemática: v = 0.01036 cm2/s

Tasa media de filtración.

Se supone un caudal medio de filtración de: qmed = 220 m3/(m2.d)

Numero de filtros.

Cuando el lavado de los filtros se hace de manera mutua entre las unidades, el número mínimo de

unidades debe ser cuatro (N = 7). (RAS-2000, titulo C.7.5.1.6).

Área total de filtración.

Área de cada filtro.

Características de los medio filtrantes.

LECHOTAMAÑO

EFECTIVO (d10)

COEFICIENTE DE

UNIFORMIDAD

PESO

ESPECIFICO

COEFICIENTE DE

ESFERICIDADPOROSIDAD

ARENA 0.5 1.6 2.65 0.8 0.42

ANTRACITA 1.1 1.4 1.5 0.75 0.45

Con la ayuda de la grafica se obtiene el d90 de la arena.

Espesor del lecho.

Para lechos de arena y antracita la profundidad convencional esta entre 0.6 m y 0.9 m. (RAS-

2000, titulo C.7.5.1.1).

Para el caso se adopta un espesor de lecho de: H = 0.7m

Esta correcto ya que el porcentaje de participación de la antracita es del 69%, y el de la arena es

de 31%.

Grava de soporte.

El lecho de soporte que sustenta la arena debe ser de grava, con unas dimensiones y

características que dependen del sistema de drenaje adoptado. Las partículas deben ser de

material duro y resistente a golpes y a la abrasión, de superficie lisa y deben tener en conjunto un

mínimo porcentaje de formas alargadas o planas. (RAS-2000, titulo C.0.1.1.1).

POSICION ESPESOR (cm) TAMAÑO (mm)

Fondo 10 25.4 – 50.0

Segunda capa 7.5 12.7 – 25.4

Tercera capa 7.5 6.4 – 12.7

Cuarta capa 7.5 3.2 – 6.4

Quinta Capa 7.5 1.7 – 3.2

Estructura de drenaje.

Se utiliza como estructura de drenaje un falso fondo con viguetas prefabricadas (fondo

Californiano).

Estructura de entrada.

Se utiliza un canal cuyas dimensiones adoptadas son grandes para que las perdidas que se

presentan en este se puedan despreciar. Para el control de entrada a las unidades se emplea una

válvula de compuerta de doble acción.

Estructura de salida.

La salida se hará a través de un vertedero individual para cada unidad de tipo rectangular con

borde agudo, que fija el nivel en la caja y sirve para aforar el caudal efluente. Se utiliza un ancho

de cresta de 0.4m.

Hidráulica del lavado.

Numero de Galileo

Para la arena

Para la antracita

Velocidad de fluidificación total, Va:

Para la arena:

Para la antracita:

La condición crítica es entonces para lecho de arena.

Expansión del lecho.

Expansión en la arena.

Expansión en la antracita.

La expansión total del lecho es:

Chequeo del funcionamiento del sistema autolavante.

Cumple ya que es menor de 100 LPS y el sistema es autolavante para 7 unidades.

Perdidas de carga durante el lavado.

Perdida de carga en la arena.

Perdida de carga en la antracita.

Perdida de carga total en el lecho.

Perdida de carga en la grava.

Pedida de carga en el falso fondo.

Se utilizan orificios de diámetro de ¾” ubicados cada 15cm, se tiene.

Entonces la sección definitiva del filtro es de 1,79m x 3,14m, de acuerdo a esto se

ubicaran 5 vigas en V invertidas. El número total de orificios por cada viga es 36 y el

número total de orificios es de 180.

Por lo tanto:

Perdida de carga total durante el lavado.

Hidráulica de la filtración.

Perdida de carga en la válvula de entrada.

Se utiliza una válvula de compuerta con diámetro de 12”, la cual tiene un área de 0.073m2 y

para la cual el valor de K1 = 1.56. Reemplazando en la formula anterior se tiene que:

Perdida de carga en el lecho.

Perdida

de carga en la

arena.

Perdida

de carga en la antracita.

La perdida de carga total en el lecho es.

Perdida de carga en la grava de soporte.

Perdida de carga en el falso fondo.

a : área total hueca, como son 180orificios de diámetro ¾”.

a = 5.13E-2m2

Perdida de caga en el vertedero.

Perdida de carga total durante la filtración:

Donde:H : perdida de carga total [m]

Q : tasa de filtración [m3/m2.d]

Para un caso general se tiene:

En la cual se tiene: A = 6.3E-8 G = 2

B = 0 J = 0

C = 1.28E-7 L = 2

D = 12.73E-4 M = 1

E = 1.98E-3 P = 0.6667

Con el uso del progre de computador, se obtuvieron los siguientes datos:

Durante la filtración.

qmax = 286 m3/m2.d

qa = 260.49 m3/m2.d

qb = 237.17 m3/m2.d

qc = 215.94 m3/m2.d

qd = 196.61 m3/m2.d

qe = 179.01 m3/m2.d

qmin = 162.99 m3/m2.d

N1 = 0.47 m

N2 = 0.51 m

h0’ = 0.04 m

Durante el lavado.

qmax* = 320.77 m3/m2.d

qa* = 292.05 m3/m2.d

qb* = 265.91 m3/m2.d

qa* = 242.10 m3/m2.d

qb* = 220.00 m3/m2.d

qb* = 200.70 m3/m2.d

N3 = 0.57 m

h = 0.06 m

Los niveles N1, N2, N3 se dan con respecto a la cresta del vertedero general de salida.

Forma y dimensiones de los filtros.

Canaleta de recolección de agua de lavado.

Se utilizan dos canaletas a lado y lado del filtro, las cuales descargan al canal de recolección de

agua de lavado.

Caudal por canaleta:

Suponiendo b = 30 cm

Borde libre = 6 cm

Dimensiones de la canaleta:

Ancho = 0.3 m (interior)

Altura = 0.42 m

Espesor de pared = 0.15 m

Altura total = 0.57 m

Altura de la cresta de la canaleta respecto a la superficie de lecho no expandido, w.

La distancia entre el borde de la canaleta y el lecho es: expansión del lecho + factor de seguridad

(asumido) + altura total de la canaleta.

Por lo tanto:

Altura del vertedero de salida respecto a la cresta de la canaleta, y.

Perdida de carga total durante el lavado: hLT = 0.71m

Altura de la lámina de agua sobre la canaleta:

Por lo tanto:

10. TANQUE DE CLORACION.

Se construye un tanque con una geometría similar a la de un floculador de tabiques de flujo

horizontal.

Placas de asbesto-cemento de: 1.2 x 2.4 x 0.008.

Velocidad de diseño, V: 0.23 m/s.

Caudal de diseño, Q: 0.1 m3/s.

Área superficial de flujo.

Borde libre, Bl = 0.2 m.

Altura de la lámina de agua.

Separación entre placas.

Se toma una separación del extremo de la pared del tanque de 0.4 m.

11. TANQUE DE ALMACENAMIENTO.

Para el proyecto se proyecta un tanque superficial semienterrado el cual poseerá una placa de

fondo la cual se apoyara en su totalidad sobre el terreno se diseña cubierto y con su estructura en

concreto reforzado; se contara con una unidad, para facilidad de operación y mantenimiento se

colocara un by-pass.

Calculo del volumen del tanque.

Volumen máximo diario.

Capacidad de regulación.

Volumen de almacenamiento.

Capacidad de almacenamiento contra incendio.

Por dos horas equivale a 7200 s. Qin = 2595 m3.

Se toma el mayor entre el volumen de regulación y el volumen contra incendios. Para el caso

3744 m3.

Dimensiones.

Largo: 30 m. Ancho: 15 m. Alto: 8.50 m. incluido borde libre.

12. PÉRDIDAS EN EL SISTEMA.

a) Compuerta de entrada a coagulación.

Área compuerta: 0.3 x 0.6 m2

b) Compuerta de entrada a floculación.

Área compuerta: 0.2 x 0.5 m2

c) Compuerta de entrada a sedimentación.

Área compuerta: 0.2 x 1.0 m2

d) Perdidas por orificios en el sedimentador.

Perdida total.