Diseño_EDAR

UNIVERSIDAD DE OVIEDO

ESCUELA POLITÉCNICA DE MIERES GRADO EN INGENIERÍA CIVIL

ASIGNATURA

Sistemas de Depuración

Diseño de una Estación Depuradora de Aguas Residuales

Christian Suárez Blanco Curso 2014-‐2015

ÍNDICE

1 Datos iniciales ................................................................................................................. 5

2 Cálculo de caudales de diseño .................................................................................... 5

3 Concentración de los vertidos .................................................................................... 5

4 Diagrama de flujo ........................................................................................................... 7

5 Dimensionamiento hidráulico ................................................................................... 7

5.1 Canal de entrada .................................................................................................................. 7 5.2 Pozo de gruesos ................................................................................................................... 8 5.3 Aliviadero antes de pretratamiento ............................................................................. 9 5.4 Desbaste: reja de entrada a pretratamiento ........................................................... 10 5.5 Extracción de residuos generados en el pozo de gruesos .................................. 10 5.6 Tornillos de Arquímedes ............................................................................................... 11 5.7 Canal de entrada a rejas de desbaste ........................................................................ 11 5.8 Rejas de desbaste ............................................................................................................. 12 5.9 Desarenador -‐ Desengrasador ..................................................................................... 15 5.10 Decantador primario .................................................................................................... 18

Christian Suárez Blanco Diseño de una Estación Depuradora de Aguas Residuales

5

1 Datos iniciales

Los datos proporcionados para el dimensionamiento de la Estación Depuradora de

Aguas (EDAR), son los siguientes:

• Qmedio = 310 m3 / h

• Qmaxpret = 1.085 m3 / h

• Qmaxtrat = 744 m3 / h

• Población: 21.107 habitantes

2 Cálculo de caudales de diseño

Para el dimensionamiento no se considerará incremento poblacional alguno, ya que

no se dispone de un estudio de la evolución de la población, el cual permita poder

hacer una estimación del número de habitantes que podría tener en un futuro el lugar

donde se emplazará la EDAR, por lo tanto se calculará con los datos y la población

indicados en el punto 1.

• 𝑄!"#$% = 𝑄!"#$% ·!

!"#$%&'ó!!"""

! != 723,144 !

!

!

Para el cálculo del caudal de lluvia, se utiliza el caudal medio multiplicado por un

factor de mayoración.

• 𝑛!!"#$% = 3

• 𝑄!!"#$% = 𝑄!"#$% · 𝑛!!"#$% = 930 !!

!

En función a los parámetros anteriores, el caudal total de efluente a tratar será:

• 𝑄!"!#$ = 𝑄!"#$% + 𝑄!!"#$% = 1.653,14 !!

!

3 Concentración de los vertidos

Para conocer las concentraciones medias necesitaríamos tener un análisis riguroso de

las aguas residuales, al no disponer de estos datos proporcionados por los análisis, se

6 Grado en Ingeniería Civil. Universidad de Oviedo.

adoptan unas concentraciones medias para un agua residual urbana, los valores

medios de carga contaminante más utilizados son:

• DBO5 = 120 gr/hab·∙día

• SS=100 gr/hab·∙día

A partir de estos valores podremos calcular las cargas contaminantes en las que nos

basaremos para establecer el sistema de depuración, pues para el diseño de la

estación es necesario conocer los kg/hab·∙día de DBO5 y de sólidos en suspensión (SS).

Estos parámetros se obtienen multiplicando los valores medios de carga

contaminante por la población.

• Carga DBO5 medida:

𝐷𝐵𝑂! = 120 · 21.107 = 2.532.840 𝑔𝑟/𝑑í𝑎

La carga de DBO5 adoptada será de 2.532,840 kg/día.

• Carga SS medida:

𝑆𝑆 = 100 · 21.107 = 2.110.700 𝑔𝑟/𝑑í𝑎

La carga de SS adoptada será de 2.110,700 kg/día.

Una vez conocidas las cargas contaminantes y el caudal medio, se calcularán las

concentraciones:

• 𝐷𝐵𝑂! = !"#$" !"#! !"#$"#!"#$"% !!"#$

= !.!"#.!"#!"/!í!!"# !! !í!

= 8.170,45 𝑚𝑔/𝑙

• 𝑆𝑆 = !"#$" !" !! !"#$"#!"#$"% !"#$%

= !.!!".!"" !"/!í!!"# !! !í!

= 6.808,71 𝑚𝑔/𝑙


7

4 Diagrama de flujo

5 Dimensionamiento hidráulico

5.1 Canal de entrada

Para el dimensionamiento del canal de entrada al pozo de gruesos, se han

considerado los siguientes parámetros de diseño:

• S = A·∙H;

• P = A+2·∙H;

• RH = S/P;

• V = (RH3/2·∙S1/2)/n;

• Q = V·∙S;

donde;

• A, ancho del canal.

• H, altura de la lámina de agua en el canal.

• S, sección del canal.


• P, perímetro mojado del canal.

• RH, radio hidráulico.

• V, velocidad del agua en el canal.

• n=0,013, coeficiente de rugosidad de Manning.

• Q, caudal de agua en el canal.

Para calcular las dimensiones que debe tener el canal de entrada, se ha tomado un

valor de ancho del canal de 0,5 metros, y el valor de la altura se ha variado, realizando

varias iteraciones mediante una hoja de cálculo hasta encontrar el valor adecuado de

altura del canal, de 0,42 metros.

• A = 0,5 m

• H = 0,42 m

• S = 0,21 m2

• P = 1,34 m

• RH = 0,15671642 m

• V = 2,1869459 m/s

• Q = 1.653,3311 m3/h

Se puede comprobar que el caudal del canal, es igual al caudal total para el que debe

ser dimensionada la EDAR.

La solución constructiva adoptada para el canal de entrada será, de un canal de forma

cuadrada de 0,5 metros de lado, con un resguardo del canal de 8 cm, construido de

hormigón.

5.2 Pozo de gruesos

En el pozo de gruesos el agua se remansa, pasa a través de las rejas y a partir de aquí

es llevada a una cota superior mediante tornillos de Arquímedes. Los materiales más

pesados decantan en el fondo y los más voluminosos quedan retenidos en las rejas.

Mediante una cuchara bivalva, se extraen los residuos acumulados a un contenedor.

Para el cálculo del volumen del pozo se utilizará el caudal total multiplicado por el

tiempo que el agua estará en el pozo (tiempo de retención). El tiempo de retención


9

varía entre los 30 segundos y los 4 minutos, en este caso utilizaremos un tiempo de

retención de 4 minutos.

• 𝑉!"#" = 𝑇!"#$"#%!ó! · 𝑄!"!#$ = 240 𝑠 · 0,4592 !!

!= 110,208 𝑚!

Una vez conocido el volumen del pozo de gruesos, se debe calcular su superficie, para

lo que se utilizará un valor de la carga hidráulica (CH) de 1 m3/m2·∙min.

• 𝑆!"#" =!!"!#$!!

=!.!"#,!"!

!

!

!"##· !!"!!

!!·!"#

= 27,5523 𝑚!

Con los valores del volumen y de la superficie del pozo, se obtiene la altura del pozo de

gruesos.

• 𝐻!"#" =!!"#"!!"#"

= !!",!"#!!

!",!!"#!! = 3,99996 𝑚

En la solución constructiva, se utilizará una altura mínima del pozo de gruesos de 4

metros.

Conocido el volumen y la altura del pozo de gruesos, y estableciendo una geometría

rectangular del mismo, se obtienen las siguientes dimensiones para el pozo de

gruesos:

• Spozo = 27,5523 m2

• A = 6 m

• B = 4,6 m

5.3 Aliviadero antes de pretratamiento

En la fase de pretratamiento, el caudal máximo que admite la planta es de 1.085 m3/h,

inferior al caudal máximo que podría llegar a la planta, por lo que se necesita evacuar

ese exceso de agua mediante un aliviadero.

El caudal de agua a evacuar será de:

• Qaliviadero = Qtotal – Qmaxpret = 1.653,14 – 1.085 = 568,14 m3/h


Para el cálculo del canal de aliviadero, se considerarán los mismos parámetros que

para el cálculo del canal de entrada a la planta.

• A = 0,4 m

• H = 0,33 m

• S = 0,132 m2

• P = 1,06 m

• RH = 0,1245283 m

• V = 1,22813388 m/s

• Q = 583, 60922 m3/h

Se puede observar que el caudal admitido por el canal, es ligeramente superior al

caudal que es necesario evacuar.

La solución constructiva del aliviadero, sería un canal rectangular de o,4 metros de

ancho y o,35 metros de altura, construido en hormigón.

5.4 Desbaste: reja de entrada a pretratamiento

Antes de entrar al pretratamiento, en el pozo de gruesos hay una reja de muy gruesos

que evita que partículas con un tamaño demasiado grande pasen a la fase de

pretatamiento, quedándose en el pozo y depositándose en el fondo de este para

luego ser extraídos mediante una cuchara bivalva.

Esta reja de muy gruesos tendrá una separación entre barrotes de 150 mm

5.5 Extracción de residuos generados en el pozo de gruesos

En una Estación Depuradora se puede estimar la cantidad de arena que llega a la

misma, considerando que existen 0,031 l/hab·∙día de residuos. De esta cantidad total

se puede considerar que el 30% se extrae en el pozo de gruesos. Teniendo en cuenta

que la población es de 21.107 habitantes, la cantidad de arena originada sobre el

caudal medio será:

• Cantidad de arena = 0,3·∙0,031 ·∙ 21.107 /1000 = 0,1963 m3/día


11

Teniendo en cuenta que la densidad es de 1,6 t/m3, el peso de arenas a extraer en

estas condiciones será:

• Peso de arenas = 0,1963 ·∙ 1,6 = 0,31408 t/día

Para la recogida y almacenamiento de estos residuos, se utilizará una cuchara bivalva

electrohidráulica y un contenedor de 4 m3 de capacidad.

5.6 Tornillos de Arquímedes

Se instalarán tres tornillos de Arquímedes, ya que con uno de ellos se podrá bombear

hasta la mitad del caudal máximo, con dos el caudal máximo, y con el tercero se

dispondrá de una reserva en caso de avería en alguno de los anteriores.

Teniendo en cuenta que el caudal máximo es de 1.085 m3/h, la capacidad de cada uno

de los tornillos debe ser al menos de :

• Qtornillo = 1.085 / (3600·∙2) = 0,1507 m3/s

Para el caudal anterior y con un ángulo de inclinación de 30º, el tornillo deberá tener

un diámetro de 800 mm, con una rotación máxima de 62 r.p.m., y una elevación

máxima de 5,5 m, según las especificaciones del fabricante.

5.7 Canal de entrada a rejas de desbaste

Se proyectarán 3 canales de entrada a las rejas de desbaste con una capacidad igual a

la mitad del caudal máximo en pretratamiento. Se considerarán los siguientes

parámetros para su diseño:

• A = 0,5 m

• H = 0,25 m

• S = 0,125 m2

• P = 1,00 m

• RH = 0,12508383 m

• V = 1,2039396 m/s

• Q = 542,5 m3/h


La altura H, corresponde a la altura de la lámina de agua en el canal.

5.8 Rejas de desbaste

Se dispondrán rejas de limpieza automática que requieren una menor atención que las

manuales, siendo preciso mantenerlas perfectamente ajustadas y lubricadas.

El sistema de limpieza automático de las rejas, se realiza de manera discontinua,

siendo actuado mediante un temporizador o bien por la determinación de la

diferencia de nivel del agua antes y después de la reja, lo que indica el grado de

colmatación en que ésta se encuentra.

Se instalarán rejas de medios de limpieza automática en todos los canales con un

ancho de los barrotes de 10 mm y una separación entre estos de 20 mm.

El ancho del canal en la zona de la reja de medios, vendrá determinado por:

• 𝑊 = !!"#!·!

· !!!!

+ 𝐶!"#

donde:

• W, ancho del canal (m)

• Qmax, caudal máximo (m3/s)

• V, velocidad de paso (m/s)

• D, nivel aguas arriba de la rejilla a caudal máximo (m)

• a, ancho de los barrotes (m)

• s, separación entre barrotes (m)

• Crej, coeficiente de seguridad en función del ancho de los barrotes (m)

• 𝑊 = !,!"#$!,!"#$·!,!"#!

· !,!"!!,!"!,!"

+ 0,1 = 0,85 𝑚


13

La pérdida de carga a través de la reja de medios será:

• ∆ℎ = 𝑘! · 𝑘! · 𝑘! ·!!

!·!

donde:

• h, pérdida de carga (m)

• v, velocidad de paso en el canal (m/s)

• g, aceleración de la gravedad (m/s2)

• k1, coeficiente de atascamiento

• k2, coeficiente dependiente de la sección horizontal de los barrotes

• k3, coeficiente dependiente de la sección de paso entre barrotes

Para el cálculo de k1, se considerará un porcentaje de limpieza de la rejilla del 90%, por

tanto k1 será:

• 𝑘! =!""!"= 1,11

El valor de k2, vendrá determinado por:

En este caso, el valor de k2 será de 0,74.


Para hallar el valor de k3 se utilizará la siguiente tabla:

Para este caso en particular, los valores que se deberán consultar en la tabla serán:

• !!!!

= !,!"!,!"!!,!"

= 0,67

• !!· !

!+ !

!= !,!"

!· !

!,!"+ !

!,!"#$= 0,26

Se realizará una interpolación doble según la siguiente tabla:

0,6 0,67 0,7

0,2 1,87 ka 0,91

0,26 kc k3 kd

0,4 1,80 kb 0,88

Obteniéndose los siguientes resultados:

• ka = 1,198

• kb = 1,156

• kc = 1,849

• kd = 0,901

• k3 = 1,1854

Una vez se obtienen todos los valores necesarios, se calcula la pérdida de carga en la

reja de medios:


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• ∆ℎ = 1,11 · 0,74 · 1,1854 · !,!"#$!

!·!,!"= 0,0719 𝑚

Por tanto, la altura de la lámina de agua después de la reja de medios será:

• ℎ = 𝐻 − ∆ℎ = 0,25− 0,0719 = 0,1781 𝑚

5.9 Desarenador -‐ Desengrasador

El objetivo del desarenador es separar los elementos en suspensión de granulometría

superior a las 200 micras (0,02 cm) para evitar problemas posteriores.

El procedimiento utilizado consiste en provocar una reducción de la velocidad del

agua por debajo de los límites de precipitación de los granos de la arena, pero por

encima de los de sedimentación de la materia orgánica, con el fin de evitar depósitos

de materia susceptibles de fermentación.

Los principales datos para el cálculo del desarenador – desengrasador serán:

• Caudal de entrada al desarenador: 0,1507 m3/s

• Diámetro de las partículas a separar: 0,02 cm

• % de sedimentación deseado: 90%

• Calidad del desarenador: Muy buena (n=5)

Las velocidades del agua dentro del desarenador, vendrán dadas por la siguiente

tabla:

d(cm) 0.005 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.10 0.20 0.30 0.50 1.00

VS (cm/s) 0.2 0.7 2.3 4.0 5.6 7.2 15 27 35 47 74

VS′ (cm/s) 0 0.5 1.7 3.0 4.0 5.0 11 21 26 33 -‐

VH (cm/s) 15 20 27 32 38 42 60 83 100 130 190

Para un valor de VH de 0,27 m/s, la longitud el desarenador es demasiado grande, por

lo tanto se utilizará una velocidad de VH de 0,09 m/s, que sigue siendo superior a los

0,06 m/s que es considerado el valor crítico.


La sección transversal del desarenador será como la de la siguiente figura:

Y viene determinada por:

• 𝑆!"#$%&'"%#( =!!"#!!

= !,!"#$!,!"

= 1,6744 𝑚!

Para el cálculo de cada una de las dimensiones, se tendrán en cuenta las siguiente

recomendaciones:

• 1 < h/a < 5

Teniendo en cuenta que la sección transversal es de 1,6744 m2:

• 𝑎 = !!"#$%&'"%#(!,!

= 0,8184 𝑚

• ℎ = 2,5 · 𝑎 = 2,5 · 0,8184 = 2,046 𝑚

Para el resto de las dimensiones:

• 0,3 < h1 < 0,8

• h2 = 0,75 ·∙ h1

• 0,3 < f < 0,5

Por lo tanto:

• h1 = 0,4 m


17

• h2 = o,75 ·∙ 0,4 = 0,3 m

• f = 0,3 m

El tiempo de sedimentación de las partículas viene dado por:

• 𝑡! =!!!= !,!"#

!,!"#= 88,96 𝑠

Para determinar el tiempo de retención, se debe de consultar el ábaco de Hazen para

un porcentaje de sedimentación del 90% y una calidad del desarenador muy buena

(n=5):

Se obtiene una tasa de tratamiento (t/t0) de 3,2, por tanto el tiempo de retención (t)

será:

• 𝑡 = 𝑡! · 3,2 = 88,96 · 3,2 = 284,66 𝑠

Cumpliendo con la condición de que el tiempo de retención debe estar entre los 2,5 y

los 5 minutos.

Por último se calcula la longitud del desarenador:

• 𝐿 = 𝑉! · 𝑡 = 0,09 · 284,66 = 25,62 𝑚

Las necesidades de aire del desarenador vendrá determinado por:

• 𝑄! = 𝐶! · 𝐿


Tomando un valor de Ca de 7,5 m3 de aire/h·∙mlineal:

• 𝑄! = 7,5 · 25,62 = 192,15 𝑚!𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 ℎ

A partir de este valor y el de la longitud, se determinará el número de difusores y la

distribución de los mismos.

Teniendo en cuenta que la cantidad de aire necesaria es de 192,15 m3/h, y que la

capacidad de cada difusor es de 10 m3/h, la cantidad de difusores necesaria será:

• Nº difusores = 192,15 / 10 = 19,215

Por tanto serán necesarios 20 difusores y la distancia entre estos será:

• Distancia difusores = 25,62 / 20 =1,28 m

La cantidad de arenas producidas diariamente, estará determinada por el contenido

de arenas del agua residual, que en este caso es de 75 cm3/m3, por lo tanto:

• 𝑄!"#$! = 75 !"!

!! · 0,1507!!

!= 0,9765 !

!!" !"#$!!í!

La producción de grasas está condicionada a la cantidad de grasas producidas por

habitante y día, la población y la eficacia del desengrasador:

• La cantidad de grasas por habitante está estimada en este caso en 24 gr de

grasa / habitante·∙día.

• La población es de 21.107 habitantes.

• Eficacia del 30%.

Por lo tanto:

• 𝑚!"#$# = 0,024 · 21.107 · 0,3 = 151,97 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑔𝑟𝑎𝑠𝑎 ℎ𝑎𝑏𝑖𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 · 𝑑í𝑎

5.10 Decantador primario

Se calcula la superficie horizontal necesaria para Qmaxtrat para unos decantadores

circulares. Esta superficie está definida por:

• 𝑆 = !!"#$%"$!!"#


19

donde:

• S, superficie de decantación (m2)

• Qmaxtrat, caudal máximo en la fase de tratamiento (m3/h)

• Vasc, velocidad ascensional (m/h)

Considerando una velocidad ascensional de 2 m/h:

• 𝑆 = !""!= 372 𝑚!

Se llevará a cabo la construcción de dos decantadores, por tanto la superficie de cada

uno de ellos será:

• 𝑆 = !!= !"#

!= 186 𝑚!

A partir de la superficie, se determinará el diámetro, que es la forma habitual de

definir los decantadores.

• 𝑆 = !·!!

!

Por tanto:

• 𝐷 = !"#·!!

= 15,39 𝑚 ~ 15,4 𝑚

El cálculo del volumen vendrá definido por el caudal máximo en tratamiento y por el

tiempo de retención en el decantador. Considerando un tiempo de retención de 1,5

horas:

• 𝑉 = 𝑄!"#$%"$ · 𝑡!"#"$%&ó! = 744 · 1,5 = 1.116 𝑚!

Al igual que en el caso anterior, hay que considerar que se dispone de dos equipos, por

lo que el volumen de cada uno de ellos será la mitad del obtenido:

• 𝑉 = !.!!"!

= 558 𝑚!

La altura de cada decantador será:

• 𝐻 = !!= !!"

!"#= 3 𝑚

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