Obra de captacion: Lecho filtrante

Diseño de obra de captación: Lecho Filtrante 2011

DISEÑO DE OBRA DE CAPTACIÓNLECHO FILTRANTE

AGUA Y SANEAMIENTO

CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y ESTUDIOS EN EL MEDIO AMBIENTE

ELABORADO POR:

Rosa Verónica Reyes RodríguezCarlos Miguel Vanegas BenavidesManagua, 11 de Junio de 2011


TABLA DE CONTENIDO

1. Prefiltro Horizontal: ........................................................................................................................................................ 1

1.1. Principio de Funcionamiento .................................................................................................................................. 1

1.1.1. La estructura de entrada: ................................................................................................................................ 1

1.1.2. La zona de pre filtración: ................................................................................................................................. 2

1.1.3. Captación directa: ........................................................................................................................................... 2

1.1.4. Zona de Salida: ................................................................................................................................................ 3

1.2. Conveniencia de su aplicación ................................................................................................................................ 3

1.2.1. Ventajas ........................................................................................................................................................... 3

1.2.2. Restricciones ................................................................................................................................................... 3

1.3. Criterios de Diseño .................................................................................................................................................. 4

1.3.1. Calidad del agua: ............................................................................................................................................. 4

1.3.2. Capacidad máxima: ......................................................................................................................................... 4

1.3.3. Velocidad óptima de filtración: ....................................................................................................................... 4

1.3.4. Medio Filtrante: .............................................................................................................................................. 4

1.4. Procedimiento para el diseño ................................................................................................................................. 4

1.4.1. Metodo Simpliflicado: ..................................................................................................................................... 4

1.4.2. Método completo: .......................................................................................................................................... 5

2. Prefiltro Vertical .............................................................................................................................................................. 7

2.1. Principio de Funcionamiento .................................................................................................................................. 7

2.1.1. Zona de pre filtración: ..................................................................................................................................... 7

2.1.2. Captación directa: ........................................................................................................................................... 7

2.1.3. Sistema de control .......................................................................................................................................... 7

2.2. Conveniencia de su aplicación ................................................................................................................................ 8

2.2.1. Ventajas ........................................................................................................................................................... 8

2.2.2. Restricciones ................................................................................................................................................... 8

2.3. Criterios de Diseño .................................................................................................................................................. 8


2.3.1. Velocidad máxima del curso de agua: ............................................................................................................ 8

2.3.2. Calidad del agua: ............................................................................................................................................. 8

2.3.3. Capacidad máxima del prefiltro ...................................................................................................................... 8

2.3.4. Velocidad de filtración .................................................................................................................................... 8

2.4. Procedimiento para el diseño ................................................................................................................................. 9

3. BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................................................................ 10


E l a b o r a d o p o r : R o s a V e r ó n i c a R e y e s / C a r l o s M i g u e l V a n e g a s Página 1

I. DEFINICIÓN:

El sistema de lecho filtrante o unidades de prefiltración, como también se denominan es una obra de captación de agua y al mismo tiempo funciona como pretratamiento, se pueden clasificar de acuerdo a la dirección del flujo, pueden ser de dos tipos, horizontal y vertical. Los de flujo vertical pueden ser, a su vez, de dos tipos: descendentes y ascendentes.

• Prefiltro Horizontal

• Prefiltro Vertical Múltiple de Flujo Descendente

• Prefiltro Vertical de Flujo Ascendente

1. Prefiltro Horizontal:

1.1. Principio de Funcionamiento

Este tipo de captación indirecta está ubicado en la ribera de cursos superficiales de agua, estando constituido por los siguientes elementos:

1.1.1. La estructura de entrada:

Para proteger de la erosión y distribuir uniformemente el caudal en toda la sección se sugiere el uso de un muro seco de ladrillo hueco o de cantos rodados sujetos por una malla de hierro redondo (gaviones). Este muro debe ser construido con juntas abiertas para que sea absolutamente permeable.

Figura 1: Vista de planta del Prefiltro horizontal.



1.1.2. La zona de pre filtración:

Esta es de tipo horizontal, con velocidad de flujo de 0.50 m/h. Conformada por tres o más tramos llenos de grava de diferentes diámetros dispuestos en sentido decreciente. La longitud de los tramos es variable y depende de la calidad del agua, del tamaño de la grava y de la velocidad de filtración. Estos tramos tienen las siguientes características:

Capa Profundidad Diámetro mm

1 1.00 25‐80

2 4.50 30‐70

3 4.50 5‐12

El sistema de recolección está formado por una tubería perforada de PVC que desemboca en una cámara de recolección. Las paredes laterales están formadas por muros secos de cantos rodados, sin armadura, o por bolsas de cemento Portland tipo 1.

Figura 2: vista longitudinal del prefiltro horizontal, en donde se representan los distintos tramos de grava de diferentes diámetros.

Para evitar la entrada de agua de escorrentía superficial se sugiere el uso de una capa de arcilla o de tela de polietileno en la parte superior del prefiltro.

1.1.3. Captación directa:

Cuando se presenten aguas con buenas características que permitan el uso directo de filtración lenta se utilizará la cámara de captación lateral ubicada en la ribera de la fuente.

La entrada está protegida por una rejilla de hierro de Φ ¼” con separación de 2 cm para evitar la entrada de material flotante.

Figura 3: Detalle de cámara de captación lateral ubicada a orillas del río para captación directa.



1.1.4. Zona de Salida:

La zona de salida la constituye la cámara de recolección. Dicho dispositivo cuenta con un sistema de control manual formado por compuertas de hierro y/o madera.

Figura 4: Perfil transversal del prefiltro, en donde se observa el dren PVC y la cámara de recolección con sus respectivos sistemas de control de flujo.

1.2. Conveniencia de su aplicación

1.2.1. Ventajas

a. En general, son más eficientes que los sedimentadores, por la gran superficie específica disponible en la grava. b. Cuando opera con carreras largas, no sólo remueve partículas inertes, sino también microorganismos.

1.2.2. Restricciones

a. Profundidades mayores de 1.5 m y anchos mayores de 5.0 m dificultan la limpieza de la unidad. En general, se recomiendan profundidades no mayores de 1.0 m y anchos máximos de 4.0 m. Estas recomendaciones restringen el uso de estas unidades a caudales pequeños; la otra alternativa es considerar muchas unidades en paralelo.

b. Turbiedades mayores de 300 UNT demandan unidades de 8 a 16 m de largo.

c. Este tipo de prefiltro no es adecuado para la remoción de material coloidal (diámetro < 1 micrón). Debido a que las concentraciones de oxígeno disuelto en esta clase de prefiltro son generalmente bastante bajas, no teien la capacidad para remover materia orgánica oxidable, color, hierro y/o manganeso.



1.3. Criterios de Diseño

1.3.1. Calidad del agua:

a. Turbiedad máxima: 150 UN (Con filtración lenta)

b. Turbiedad máxima: 750 UN (Con sedimentación simple y filtración lenta)

1.3.2. Capacidad máxima:

10.8 m3/h (Recomendada)

1.3.3. Velocidad óptima de filtración:

0.50 m/h

1.3.4. Medio Filtrante:

Grava de 1/4" a 2", colocada en sentido decreciente. En contacto con los muros se colocará material de diámetro mayor que el de los orificios.

1.4. Procedimiento para el diseño

Existen varios métodos para el diseño de un prefiltro horizontal entre ellos se encuentra:

1.4.1. Metodo Simpliflicado:

• Calcular la capacidad necesaria del prefiltro y asimilarla a su inmediata superior de la columna 1

• Seleccionar la altura del prefiltro (entre 0.7 y 1 m) de acuerdo a las condiciones locales y adóptese el ancho correspondiente de la columna 2.

• Obtener el diámetro correspondiente al dren de la columna 3.

H=Profundidad de prefiltro B=Ancho del prefiltro

1 2 3

Q B (m) Diámetro del Dren

M3/h H=0.7 m H=1.00 m Φ (in)

3.6 10.30 7.20 3

5.4 15.40 10.80 3

7.2 20.50 14.40 4

9 25.70 18.00 4

10.8 30.85 21.60 4

14.4 41.15 28.80 5

18 51.43 36.00 6

21.6 61.70 43.20 6

25.2 72 50.40 8

28.8 82.30 57.60 8

32.4 92.60 64.80 8

36 102.85 72.00 8



1.4.2. Método completo:

• Cálculo del área transversal de la unidad (tramo):

‐ Se toman como datos el caudal de diseño (Demanda) Q=1.8 m3/h= ‐ Proponer velocidad de filtración Vf=0.30 m/h

23600 3600 *0.0005 60.30F

QA mV

= = =

• Cálculo del ancho de la unidad

Se propone hmáx=1.5m

26 41.5

A mB mH m

= = =

• Cálculo de la longitud del primer tramo del prefiltro con grava de 4 cm

1

011

/λ

CCLnl =

λ1 depende de la velocidad de filtración y el tamaño de la grava. Dicho valor se interpola en la siguiente tabla:

0.625 1.25 2.5 5

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 1: Valores experimentales de λ

λ1=0.488

La turbiedad máxima del agua cruda es de Co=250 UT

La turbiedad del afluente según la caracterización física de la fuente es C1=100 UT

1(100 / 250) 20.488

Lnl m= ≈

Dg(cm) Vf(m/h)



N° Datos Unidad Criterios Resultados Unidad

1

Caudal de Diseño (Q) m3/s

FVNQA

.3600

= Área transversal de cada unidad m2 Número de unidades (N) adim Velocidad óptima de

Filtración (VF) m/h

2 Profundidad de la grava (H) m HAB = Ancho de cada unidad m

3

Se obtiene por interpolación λ1

adim

1

011

/λ

CCLnl = Longitud del primer tramo del prefiltro con grava de 3.0 a 4.0 cm

m Turbiedad máxima del agua

cruda (C0) UT

Turbiedad efluente del primer tramo (C1)

UT

4 Para el segundo tramo λ2 adim

2

122

/λ

CCLnl = Longitud del segundo tramo del prefiltro con grava de 2.0 a 3.0 cm

m Turbiedad afluente (C1) UT Turbiedad efluente (C2) UT

Para el tercer tramo λ3 adim

3

233

/λ

CCLnl = Longitud del tercer tramo del prefiltro con grava de 1.0 a 2.0 cm

m Turbiedad afluente (C2) UT Turbiedad efluente (C3) UT

6 321 lllL ++= Longitud total de la unidad m

7 Volumen de agua contenido

en la unidad (∀ ) m3

LBlBq

h L

.1

1

∀−= Altura de agua adicional requerida

para aplicar la tasa de lavado m

Tasa de levado (qL) m3/m2

8 Velocidad de descarga (VL) m/min 60

.. LBVLQL = Caudal de lavado m3/s

9 VLHhf 3/11 = Pérdida de carga en la grava m

10 Número de losas sobre el canal de limpieza (n)

adim

1+−

=n

anBe Ancho de las ranuras del canal de

limpieza m

Ancho de cada losa (a) m

11

Ancho del canal de limpieza (b)

m

( )[ ] gbeCnQLh

df 21 2

2

2 += Pérdida de carga en el canal de

limpieza m

Coeficiente de descarga de las ranuras (Cd)

adim

12 21 fff hhh += Pérdida de carga durante una descarga

m

13 Altura del canal de limpieza

(h2) m 21 2/1 hhHh ++= Presión de agua sobre la compuerta m

14 ( )fC hhgV −= 2 Velocidad en la compuerta de descarga

m/s

15 C

C VQLA = Sección de la compuerta m2



2. Prefiltro Vertical

2.1. Principio de Funcionamiento

Esta captación indirecta se ubica en el fondo del cauce y está formada por los siguientes elementos:

2.1.1. Zona de pre filtración:

Este prefiltro utiliza grava como medio filtrante, con las siguientes características: Siendo el flujo vertical descendente con baja velocidad (Vf=0.25 m/h). El sistema de recolección está formado por una tubería perforada de PVC que desmboca en una cámara de recolección. Las paredes laterales están formadas por muros secos de cantos rodados, sin armadura, o por bolsas de cemento Portland tipo 1. Para evitar la entrada de agua de escorrentía superficial se sugiere el uso de una capa de arcilla o de tela de polietileno en la parte superior del prefiltro.

2.1.2. Captación directa:

Cuando se presenten aguas con buenas características que permitan el uso directo de filtración lenta se utilizará la cámara de captación lateral ubicada en la ribera de la fuente. La entrada está protegida por una rejilla de hierro de Φ ¼” con separación de 2 cm para evitar la entrada de material flotante.

2.1.3. Sistema de control

El sistema de control es manual y está formado por compuertas de hierro y/o madera.

Capa Profundidad (m) Diámetro mm

1 0.1 15‐25

2 0.2 10‐15

3 0.5 5‐10



2.2. Conveniencia de su aplicación

2.2.1. Ventajas

‐ La limpieza completa es más ágil que en los otros casos, porque la altura de la grava en cada compartimiento es de sólo 50 cms. Incluso puede ejecutarse dentro del mismo compartimiento.

‐ También posee las ventajas ya presentadas en los prefiltros horizontales.

2.2.2. Restricciones

‐ Este tipo de captación se recomienda usarlo con plantas de filtración lenta con y sin sedimentación simple laminar, para lo cual las turbiedades de las aguas deberían ser inferiores a 150 y 750 UN respectivamente.

‐ Este tipo de prefiltro no es adecuado para la remoción de material coloidal (diámetro < 1 micrón). Debido a que las concentraciones de oxígeno disuelto en esta clase de prefiltro son generalmente bastante bajas, no tiene la capacidad para remover materia orgánica oxidable, color, hierro y/o manganeso.

2.3. Criterios de Diseño

2.3.1. Velocidad máxima del curso de agua:

3 m/s 2.3.2. Calidad del agua:

Turbiedad máxima= 150 UN (Con filtración lenta) Turbiendad máxima= 750 UN (Con sedimentación simple y filtración lenta) 2.3.3. Capacidad máxima del prefiltro

9 m3/h (recomendada)

2.3.4. Velocidad de filtración

0.25 m/h



2.4. Procedimiento para el diseño

Para el diseño de un prefiltro múltiple se utiliza el siguiente procedimiento:

‐ Calcular la capacidad necesaria del prefiltro y asimilarla a su inmediata superior de la columna 1 ‐ Seleccionar el area necesaria de la columna 2 ‐ Decidir dimensiones del prefiltro en base a condiciones locales ‐ Seleccionar el diámetro del dren secundario (4) considerando el area máxima drenada, columna (3) y una

separación máxima entre drenes de 250 m. ‐ Seleccionar el diámetro del dren principal de la columna 4 de acuerdo al area total del prefiltro en la columna 3.

Q=Caudal Φ=Diámetro L=Profundidad del prefiltro

1 2 3 4 Q (m3/h) A*B Area m2 Criterio para la elección del dren Area máxima drenada Φ (in) 3.6 14.4 7.4 2 5.4 21.6 16.8 3 7.2 28.8 30 4 9 36.6 48.2 5 10.8 43.2 53 5 14.4 57.6 53 6 18 72 94 6 21.6 86.4 94 8 25.2 100.8 230 8 28.8 115.2 230 8 32.4 130 230 8 36 144 230 8



3. BIBLIOGRAFIA

• Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (1982). Plantas modulares para tratamiento del agua. Tomo 1

• Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (1982). Plantas modulares para tratamiento del agua. Tomo 1

• Ing. Lidia Vargas de Cánepa (1992) Manual de diseño Tratamiento, Filtración lenta. Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente División de Salud y Ambiente Organización Panamericana de la Salud Oficina Sanitaria Panamericana-Oficina Regional de la Organización Mundial de la Salud

• http://www.bvsde.ops‐oms.org/eswww/fulltext/tratagua/lenta/lenta1.html

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