INCI 6076

FLUJO DE DISEÑO PARA PLANTAS DE

TRATAMIENTO

Dr. Christian A. Villalta

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental

Universidad Politecnica de Puerto Rico

OBJETIVOS

• DEFINIR EL FLUJO DE DISEÑO PARA UNA PLANTADE POTABILIZACIÓN Y DE AGUAS RESIDUALES.

• DEFINIR EL PERIODO DE DISEÑO DE LA PLANTA.

• DETERMINAR LA POBLACIÓN FUTURA SERVIDA.

• CALCULAR EL FLUJO DE DISEÑO PARA UNAPLANTA DE POTABILIZACIÓN.

DEFINICIONES

• PERIODO DE DISEÑO – PERIODO DE TIEMPOPARA EL CUAL EL FUNCIONAMIENTO DE LAPLANTA SE ANTICIPA SERÁ ADECUADO

• POBLACIÓN DE DISEÑO – POBLACIÓNMÁXIMA A SER SERVIDA POR LA PLANTA. ESUNA POBLACIÓN FUTURA, LA CUAL TIENEQUE SER PREDICHA.

• PARA ELLO EXISTEN MODELOS DEPREDICCION DE POBLACIONES.

DEFINICIONES

• FLUJO DE DISEÑO – FLUJOS MÁXIMOSPARA LOS CUALES LAS PLANTAS SONDISEÑADAS.

• PUEDE HABER UN FLUJO DE DISEÑOBASADO EN CAPACIDAD HIDRÁULICAMÁXIMA Y OTRO BASADO ENCONSIDERACIONES/LIMITACIONESOPERACIONALES DE LOS PROCESOS.

• MUCHAS VECES NO COINCIDEN ESTOS DOS.

FLUJO DE DISEÑO

• FLUJO DE DISEÑO - ESTABLECE LA CAPACIDADMÁXIMA OPERACIONAL DE LA PLANTA PARADISEÑO.

• POTABILIZACIÓN - ES FUNCIÓN DE LADEMANDA DE AGUA EN LA POBLACIÓN - SEDEBE OBTENER EL NÚMERO DE ABONADOSSERVIDOS EN UN MUNICIPIO EN PARTICULARDE LA AUTORIDAD DE ACUEDUCTOS YALCANTARILLADOS DE P.R. (AAA)

FLUJO DE DISEÑO

• DEMANDA ES FUNCIÓN DE LAPOBLACIÓN Y DEL CONSUMO PERCÁPITA.

• DEMANDA PROMEDIO PER CÁPITA –▫ AUTORIDAD DE ACUEDUCTOS DE PUERTO

RICO - 80 gal/día-hab X 5 hab/fam = 400gal/día-fam

• DEMANDA PROMEDIO PER CÁPITA =CONSUMO TOTAL DIARIO/POBLACIÓNSERVIDA

FLUJO DE DISEÑO

• DEMANDA PROMEDIO DIARIA TOTAL (DPDT)

• DPDT = DEMANDA DOMÉSTICA + DEMANDACOMERCIAL + DEMANDA INDUSTRIAL +DEMANDA INSTITUCIONAL + PÉRDIDAS YFUGAS DE TRANSMISIÓN (P.R.: 45-48%, ~8-10%)

• FLUCTÚA DURANTE EL AÑO Y DURANTE ELDÍA

FLUJO DE DISEÑO

• DEMANDA COMERCIAL, INDUSTRIAL, EINSTITUCIONAL SE TIENEN QUE DETERMINARINDEPENDIENTEMENTE MEDIANTE ESTUDIOSINDEPENDIENTES (ESTIMADOS ESTIPULADOS PORAAA BASADOS EN ÁREA DE OCUPACIÓN ENCUERDAS Y TIPO DE USO: C1, C2, C3,…, I1, I2, I3,…).

• INSTITUCIONES - ESCUELAS, UNIVERSIDADES; 10-20GAL/DÍA-EST.

• ARPE Y/Ó JUNTA DE PLANIFICACIÓN DEFINE: #GAL/DÍA-CUERDA

FLUJO DE DISEÑO

• DEMANDA PROMEDIO DIARIA (DPD) –

• DEMANDA PROMEDIO ANNUAL EJERCIDA = POBLACIÓN X DEMANDA PER CÁPITA (GAL/DÍA-CÁPITA, M³/DÍA-CÁPITA)

• DEMANDA TOTAL DOMÉSTICA = DPD

FLUJO DE DISEÑO

• DEMANDA MÁXIMA DIARIA - DEMANDADEL DÍA DE MAYOR CONSUMO DE AGUADURANTE EL AÑO - DATO DE DISEÑO -USUALMENTE NO ESTÁ DISPONIBLE, PEROSE ESTIMA.

• DEMANDA MÁXIMA DIARIA FUTURA - ES LA BASE DE DISEÑO DE LAS PLANTAS FDMD = QMAX/QDPD

FLUCTUACIÓN ANNUAL DE LA DEMANDA

TIEMPO EN EL AÑO

QFLUJO

DIARIO

FLUJO MÁXIMO DIARIO

QPD

FLUJO DE DISEÑO

• CICLO DIURNO DE LA DEMANDA - (VER FIGURA),DEMANDA MÁXIMA BIMODAL - BASADO ENCICLO DIURNO PROMEDIO ANNUAL.

• FLUJO MÁXIMO HORARIO - SE DETERMINAUTILIZANDO EL CONCEPTO DE FACTOR DEFLUJO MÁXIMO HORARIO (FFMH)

• FFMH = FLUJO MÁXIMO HORARIO/FLUJOPROMEDIO DIARIO = QMAX HORARIO/QPROM

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

FL

UJO

DIA

RIO

(ft

³/s)

0 6 12 18 24

HORA DEL DÍA

Promedios Horarios Promedio Diario

VARIACIÓN DIURNA DE LA DEMANDAW astewater Engineering

FLUJO DE DISEÑO

• FLUJO MÁXIMO HORARIO - FLUJO DURANTE LAHORA DE MAYOR DEMANDA DURANTE EL CICLODIURNO - DEBE ESTAR BASADO EN UN CICLODIURNO PROMEDIADO ANUALMENTE

• NECESARIO PARA DIMENSIONAR LAS TRONCALESCOLECTORAS, ESTACIONES DE BOMBAS,MEDIDORES DE FLUJO, SEDIMENTADORES,TANQUES DE CONTACTO DE CLORO Y CANALES

FLUJO DE DISEÑO

• QPROM = DEMANDA PROMEDIO DIARIA PER CÁPITA(gal/día-hab) x POBLACIÓN SERVIDA

• PERIODO DE DISEÑO - PLANTA TIENE QUE SERDISEÑADA PARA UN PERIODO NO MENOR DE 20 AÑOS =VIDA ÚTIL ESPERADA

• POBLACIÓN DE DISEÑO - TIENE QUE SER LA POBLACIÓNAL FINAL DEL PERIODO TOTAL QUE TRANSCURRA,DESDE QUE SE DECIDE REALIZAR LA PLANTA, HASTAQUE ESTA COMIENZA OPERACIONES; INCLUYE ELPERIODO DE PLANIFICACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y LA VIDAÚTIL ESPERADA

PERIODO DE DISEÑO

TIPO DE OBRA

PERIODO DE

DISEÑO

RECOMENDADO

OBRAS GRANDES – DIFÍCILES DE

ENSANCHAR – EMBALSES, TOMAS

DE AGUA, CANALES DE

TRANSMISIÓN PRINCIPALES

25 A 50 AÑOS

OBRAS FÁCILMENTE

EXPANDIBLES – CAMPOS DE

POZOS, SISTEMAS DE

DISTRIBUCIÓN, PLANTAS DE

TRATAMIENTO, RED

ALCANTARILLADO

10 A 25 AÑO9

(25 AÑOS

PLANTAS)

FLUJO DE DISEÑO

• INTERVALO PARA LA PROYECCIÓN DE LA POBLACIÓN FUTURA, IPPF

▫ PERIODO DE PLANIFICACIÓN PF (1-3, 2 AÑOS)

▫ PERIODO DE CONSTRUCCIÓN PC 1.5- 4, 2 AÑOS)

▫ VIDA ÚTIL VU (20-25 AÑOS)

▫ IPPF = PF + PC + VU

FLUJO DE DISEÑO

• POBLACIÓN DE DISEÑO = PROYECCIÓN DELA POBLACIÓN ESTIMADA PARA DENTRODE IPPF AÑOS

• POBLACIÓN DE DISEÑO PARA EL AÑO QUESE COMIENZA PROYECTO + IPPF)

FLUJO DE DISEÑO

• PLANTAS DE POTABILIZACIÓN

• REYNOLDS & RICHARDS RECOMIENDAN EL FLUJO MÁXIMO DIARIO PARA FLUJO DE DISEÑO

• QMD/QP= 1.5 PARA E.U.

• FLUJO DE DISEÑO

• QD= QMD/QPX QPF= QMD/QP x PF x GPCF

CAPACIDADES DE DISEÑO

• TANQUES DE RESERVA - VOLUMENEQUIVALENTE A LA DEMANDA MÁXIMAHORARIA FUTURA DURANTE LA HORAMÁXIMA Ó EL FLUJO MÁXIMO DIARIOFUTURO MÁS LA DEMANDA DE FUEGO (ENE.U., 150 gal/día-cap).

FLUJO DE DISEÑO

• PROYECCIONES DE POBLACIÓN - DEBENTOMAR EN CUENTA EL RÉCORD HISTÓRICO

• TENDENCIA SUGERIDA POR LOS AÑOS MÁSRECIENTES (MÍNIMO DE CUATRO DATOSCENSALES)-SAN JUAN -BAYAMÓN -ARECIBO -MAYAGÜEZMARICAO

FLUJO DE DISEÑO

• QDISEÑO = QMÁXIMO DIARIO FUTURO = QMDF

• QMDF= FMD x POBLACIÓN FUTURA x CONTRIBUCIÓN PROMEDIO DIARIA

• POBLACIÓN FUTURA = POBLACIÓN ALFINAL DEL PERIODO DE PLANIFICACIÓN,CONSTRUCCIÓN Y DISEÑO - PERIODOTOTAL

FLUJO DE DISEÑO• HAY QUE SUPLIR ALMACENAJE DE AGUA

PARA CUMPLIR CON DEMANDA MÁXIMA HORARIA FUTURA

• VOLUMEN DEL TANQUE DE DISTRIBUCIÓN PARA CUMPLIR CON DEMANDA MÁXIMA HORARIA SALE DE LA CURVA DE VARIACIÓN PROMEDIO DE 24 HORAS

• INTEGRACIÓN NUMÉRICA SOBRE Q

FLUJO DE DISEÑO• DEBE REPRESENTAR LA VELOCIDAD DE

CONSUMO DE AGUA DIARIO EN LOS SECTORES RESIDENCIALES, COMERCIALES E INDUSTRIALES DE LA CIUDAD

• EL COMPONENTE COMERCIAL E INDUSTRIAL TIENEN QUE SER EVALUADOS INDEPENDIENTEMENTE DEL RESIDENCIAL (%?)

PERIODO DE DISEÑO

• LARGOS CUANDO -CRECIMIENTO POBLACIONAL PEQUEÑO, EXPANSIÓN ES DIFÍCIL, LA VIDA ÚTIL ESPERADA ES LARGA, Y LA TASA DE INTERÉS ES BAJA.

• CORTOS CUANDOCRECIMIENTO POBLACIONAL ES ALTO, EXPANSIÓN EN ETAPAS ES FACTIBLE, LA VIDA ÚTIL ESPERADA ES CORTA, Y LA TASA DE INTERÉS ES ALTA.

POBLACIÓN DE DISEÑO INICIAL

• ESTIMARLA UTILIZANDO EL MISMO MODELO DE POBLACIÓN UTILIZADO PARA PREDECIR LA TENDENCIA HISTÓRICA SIGNIFICATIVA DE LARGO PLAZO

POBLACIÓN DE DISEÑO

• BASADO EN LA TENDENCIA HISTÓRICA DEL CRECIMIENTO POBLACIONAL PARA EL FUTURO

• PUEDE SER:▫ EXPONENCIAL▫ LINEAL▫ DE CRECIMIENTO PORCENTUAL CONSTANTE▫ LOGARÍTMICO▫ LOGÍSTICO

POBLACIÓN DE DISEÑO FINAL• MÉTODO DE LOGÍSTICA -• BASADO EN EL HECHO QUE LAS

POBLACIONES TIENDEN A CRECER HASTA QUE SE LLEGA AL LÍMITE DE LA OPORTUNIDAD ECONÓMICA

• POBLACIÓN VS TIEMPO GRAFICA UNA CURVA “S” EN PAPEL ARÍTMÉTICO

• POBLACIÓN VS TIEMPO GRAFICA UNA LÍNEA RECTA EN PAPEL LOGÍSTICO (LOGARÍTMICO DE UN CICLO?)

MÉTODO DE LOGÍSTICA• ECUACIÓN:

• P = PS/(1 + ea + bdeltat)

donde P = población para un año futuro

PS = población de saturación

a,b = constantes características

deltat = periodo de tiempo futuro, Años

MÉTODO DE LOGÍSTICA• AJUSTE DE LA CURVA - TRES VALORES

HISTÓRICOS DE POBLACIÓN, PO, P1, P2 A TIEMPOS tO ,t1 ,t2 A n AÑOS DE DISTANCIA

• DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS PS , a y b:

PS = (2 P0 P1 P2 - P12(P0+ P2))/(P0 P2 - P1

2)

a = ln (PS - P0)/ P0

b = 1/n ln (P0(PS - P1))/(P1(PS - P0))

MÉTODO DE PORCIENTO CONSTANTE

• APLICABLE CUANDO EL % DE CRECIMIENTO ES CONSTANTE - DADO POR CENSO - CIUDAD CRECERÁ UN % DEL % NACIONAL

• APLICABLE CUANDO EL GRAFICADO SEMI-LOGARÍTMICO DE POBLACIÓN VS TIEMPO ES UNA LÍNEA RECTA

• dP/dt = KP

• INTEGRANDO, ln P = ln PO + K deltat

• K = (ln P - ln PO)/deltat

• PRINCIPIOS DE LA CURVA “S” LOGÍSTICA

MÉTODO DE PORCIENTO CONSTANTE

• PUEDE SER ESTIMADO MEDIANTE LA ECUACIÓN DE % COMPUESTO DE FINANZAS ADAPTADA

• P(t) = P0 (1 + %)N

▫ P(t) = POBLACIÓN AL FINAL DEL PERIODO N AÑOS

▫ P0 = POBLACIÓN AL INICIO DEL PERIODO N AÑOS

▫ % = % DE CRECIMIENTO ANNUAL

▫ N = NÚMERO DE AÑOS EN PERIODO

MÉTODO ARITMÉTICO• APLICA CUANDO LA POBLACIÓN CRECE

LINEALMENTE

• GRÁFICA DE POBLACIÓN ES UNA LÍNEA RECTA EN PAPEL ARITMÉTICO

• dP/dt = K

P = PO + K deltat

• PORCIÓN INTERMEDIA DE LA CURVA LOGÍSTICA

MÉTODO EMPÍRICO 1• SE EXTRAEN DATOS DE FLUJO DE LOS

RÉCORDS DE BOMBEO (GRÁFICAS DE FLUJO CONTINUO)

• SE OBTIENE RÉCORD DE POR LO MENOS UN AÑO, PARA CUBRIR TODAS LAS VARIACIONES POSIBLES

MÉTODO EMPÍRICO 1• SE DETERMINA:

FLUJO MÁXIMO DIARIO - BASE PARA FLUJO DE DISEÑO - QMAXD/QPROM ACTUAL QDISEÑO = QMAXD/QPROM X QFUTURO

MÉTODO EMPÍRICO 2• FLUJOS DE DISEÑO PARA PLANTAS DE

TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES -ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE FLUJOS OBSERVADOS

• SE RECOGEN OBSERVACIONES DE FLUJOS DIARIOS DURANTE LOS MESES DE LLUVIA

MÉTODO EMPÍRICO 2

• SE ORDENAN LOS DATOS EN ORDEN DESCENDENTE

• SE LES ASIGNA UN RANGO M (DE 1 A N)• SE CALCULA LA PROBABILIDAD QUE UN

FLUJO DADO SEA <= AL FLUJO EN CUESTIÓN MEDIANTE = M/(N +1)

• EL FLUJO CUYO VALOR ES MAYOR A LOS FLUJOS OBSERVADOS EL 95% DEL TIEMPO SE PUEDE CONSIDERAR EL FLUJO MÁXIMO RAZONABLE.

EJERCICIO DE PREDICCIÓN DE

POBLACIÓN

• POBLACIÓN HISTÓRICA DE PUERTO RICO