análisis y cálculos de planta de tratamiento
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ANALISIS DE CALIDAD DE AGUA
De acuerdo a los parámetros determinados en laboratorio de
la calidad del agua de la fuente, se requiere tratamientos
enfocados a la remoción de la turbiedad, color y coliformes
totales, estableciendo el nivel de calidad del agua de acuerdo
al grado de polución; en una fuente regular, necesitando unos
procesos de desinfección, estabilización y filtración; y por la
presencia de un contenido no admisible de los parámetros de
turbiedad, color y coliformes totales se requiere procesos de
coagulación y floculación.
CARACTERISTICA VALOR
DECRETO
475
Tº Ambiente 21 ºC
Tº Agua 19 ºC
DBO 5 12
Oxigeno disuelto 4 mg/lit
Coliformes totales
4500
NMP/100 ml 0
pH 7.5 6.5 - 9
Turbiedad 16 UNT ≤ 5 UNT
Color verdadero 20 UC ≤ 15 UC
Cloruros 110 mg/lit 250 mg/lit
Alcalinidad 70 mg/lit 100 mg/lit
Dureza total 120 mg/lit 160 mg/lit
Hierro total 0.3 mg/lit 0.3 mg/lit
Características físico químicas y microbiológicas
Procesos que debe tener la planta de tratamiento.
• Mezcla Rápida: por medio de un vertedero rectangular.
• Mezcla Lenta: por medio de floculador de piedras de doble
compartimiento.
• Sedimentación: por medio de sedimentador convencional.
• Filtración: por medio de filtro rápido.
• Desinfección.
1. CALCULOS PRELIMINARES
• Cálculo de la Población futura (Pf)
Población actual (Pa) = 9800 Hab.
Tasa de crecimiento (r) = 2.8 %
Periodo de diseño (n) = 25 años
19546)r1(PiPf n Hab
Nivel de complejidad: Medio – Alto
• Cálculo de dotación
Dotación Neta (dn) = 140 lt/hab/día
Corrección por clima (c) = 15 %
Dotación Neta corregida (dnc) = )c1(dn = 161 lt/hab/día
Porcentaje de perdidas técnicas (P) = 25 %
Dotación bruta (db) = P1
dnc
= 214.67 lt/hab/día
Caudal medio diario (Qmd) = 86400
dbPf = 48.56 lt/seg
K1 = 1.2
Caudal Máximo Horario = Qd = 1KQmd = 59 lt/seg
2. MEZCLA RAPIDA CON VERTEDERO HORIZONTAL
Se estableció la cota inicial de 100 msnm en el muro de esta
estructura a partir de la cual se ha de referenciar las cotas
principales de los puntos de otras estructuras.
Inicialmente se toma un borde libre de 0.1 m por lo que la
cota de entrada del agua es de 99.90 m.
• Para las condiciones dadas:
Ancho de canal (B) = 0.8 m (asumido)
Caudal especifico (q) = B/Qd = 0.07 m3/seg*ml
Profundidad crítica = 32
g
q = 0.08 m
• Cálculo de alturas conjugadas del resalto h1 y h2
5.108.0
6.006.1
2
5.1hc
P06.1
2
hc
1h
h1 = 0.029 m
V1 = q / h1 = 0.07 / 0.029 = 2.56 m/seg
Número de Fraude (F1) = 1hg
1V
= 4.81
Para que el resalto sea estable, F1 debe estar entre 4.5 y 9, por
lo que esta condición está garantizada.
11F812
1h2h 2 = 0.18 m
V2 = q / h2 = 0.40 m/seg
• Cálculo de perdida de Carga
2h1h4
1h2hH
3
= 0.17 m
• Cámara de aquietamiento de la entrada
Se escogió una pantalla con 6 orificios de 6 pulg. cada uno
ubicados en 3 filas y 2 columnas. Se obtiene una altura
calculada = H + P = 0.17+0.60 = 0.77 m; y con un borde
libre de 0.13 m se tiene una altura de 0.90 m.
Los orificios están separados 0.165 m (horiz.) y 0.111 m
(vert.).
La velocidad por orificio se obtiene con la ecuación de
continuidad V = Q/A = 0.54 m/seg; donde Q es el caudal de
diseño y A, el área de todos los orificios.
La pérdida de carga en la pantalla hf = g2AC
q
22
2
= 0.03 m;
donde q y A son el caudal y el área de orificio, y C es el
coeficiente de gasto tomado como 0.7.
Con hf se encuentra la cota del agua luego de la pantalla
(99.87 m).
• Tiempo de mezcla
Extensión del resalto (Lj) = 6 (h2 – h1) = 0.92 m
Velocidad media del resalto (Vm) = (V2 + V1) / 2 = 1.48 m/seg
Tiempo de mezcla (Tm) = Lm / Vm = 0.62 seg; cumple con la
recomendación de Hudson (Tm < 1 seg).
Longitud de lamina vertiente Lm = 9.01.0 hcP3.4 = 0.43 m
Dique final = h2 / 6 = 0.03 m
• Cálculo de Gradiente
Para una temperatura de 19 ºC del agua:
Peso específico ( ) = 0.99843 Kg/m3
Viscosidad Absoluta ( ) = 0.0001055 Kg*seg/m2
G = Tm
H
= 1616 S-1
Por lo que cheque con los valores establecidos por el CEPIS
(1000 ≤ G ≤ 2000)
3. FLOCULADOR DE PIEDRAS
• Características de diseño:
Numero de
compartimentos 2
Caudal de Diseño (QD) 29.50 Lt/seg
Turbiedad Final (Tf) 4.5 UTN
Tiempo min. Floculacion
( 10 min
N 1.49
K 210000
• Características de la grava
Factor de forma 0.65
Porosidad (p) 0.35
Dim. mayor particula LM 2 plg
Dim. menor particula Lm 1 plg
Diametro nominal
(DN)=
mM L
35.0
L
19.1
24.1
= 1.31 plg
Diametro real asumido
(DE) 1.5 plg
• Tiempo de detención y Gradiente
Tiempo de detencion (T) 4.96 min
1Nm
No
Nm
Noln
T
donde No y Nm son la turbiedad inicial y la esperada.
Gradiente (G) 51 S-1
3/1K
G
• Pérdida de carga
a 0.2603 seg/cm
b 0.1102 seg2/cm2
32
E2
2
pD
p1162.0a
;
3
E pD
p1018.0b
Para sección media A2 = L22
Gradiente (G2) 51 S-1
Velocidad (V2) 0.5477 cm/seg
Longitud (L2) 2.32 m
232 Gipvibvia
;
i
Di
V
QL
Para sección de entrada A1 = L12
Gradiente (G1) 70 S-1
Asumido según la norma
Velocidad (V1) 0.7294 cm/seg
Longitud (L1) 2.01 m
Para sección de salida A3 = L32
Tan 17.246 rad
86.68 º
31
32
222
LLP
LVT3tan
H1 2.67 m
Longitud (L3) 2.56 m
Velocidad (V3) 0.45 cm/seg
tan2
LL1H 21 ; 3/13
1323 LL2L ;
23
D3
L
QV
Gradiente (G3) 41.04 S-1
H2 2.10 m
Altura medio poroso (H) 4.77 m
233
33 VbVa
p
VG
;
tan
2
LLH 23
2 ; 21 HHH
• Pérdida de carga inicial
J2 0.18 cm/cm
h0 0.84 m
2222 VbVaJ ; HJho 2
4. SEDIMENTADOR CONVENCIONAL
Numero de Unidades 3
Caudal de Diseño 20 Lt/seg
Carga Superficial Cs (Según RAS
2000) 20 m3/m2d
Velocidad de Sedimentacion critica Vsc
= Cs/864 0.0231 cm/s
Area Superficial (de cada unidad) As =
QD/Cs 86.4 m2
Ancho B (de cada unidad) = 4/As 4.6 m
Largo Lu (de cada unidad) 18.6 m
Nivel de Agua H = Lu/5 (4 - 5
m RAS 2000) 3.7 m
Nivel de Agua Real Hr 4 m
Borde Libre 0.3 m
Altura de Sedimentador Hs 4.3 m
Volumen de Sedimentador (una
unidad) = Hs*As 371.52 m3
ZONA DE ENTRADA, Canal con orificios de fondo
Numero de Orificios No 10
Diametro de Orificio Do 5 pulg
Caudal por Orificio Qo = QD/No 0.00200 m3/s
Velocidad por Orificio Vo = Qo/Ao 0.158 m/s
Por condiciones hidráulicas, la velocidad debe ser > 0.15
m/seg.
Gradiente 21.42 S-1
Separacion a lo largo del canal 0.31 m
El gradiente debe ser ≤ que el último que se dio en la
Floculación.
Canaleta vertical con orificios
Filas de orificios (F) 7
Columnas de orificios (C) 10
Diametro de orificio Do 2 Pg
Caudal por orificio Qo = QD/(F*C) 0.000285714 M3/seg
Velocidad por orificio Vo = Qo/Ao 14.10 Cm/s
Por condiciones hidráulicas, la velocidad debe ser < 0.15
m/seg.
Gradiente 33.38 S-1
El gradiente debe ser ≤ que el último que se dio en la
Floculación.
Separacion Horizontal 0.38 m
Separacion Vertical 0.23 m
Espaciamiento superior/inferior
H/5 0.74 m
ZONA DE SALIDA
Lamina agua sobre corona de vertedero
L3/2
D
B84.1
Q
0.02 m
Velocidad de paso en vertedero = QD/(L*B) 0.24 m/s
Ancho de Canaleta (Bc) 0.8 m
Altura de lamina de agua La = 3/2
D
Bc100
Q73
7.0 cm
Borde Libre 13 cm
Altura de Canaleta de recolección 20 cm
ZONA DE LODOS
Tiempo de detención (2 - 4 h RAS
2000) 2 h
Ubicación a Lu /3 6.20 m
Con pendiente del 10 % (S) 0.62 m
Volumen de Lodos Vl =
((Lu*S)/2)*B 26.80 m3
Tiempo de Vaciado Tv (max. 6 h
RAS 2000) 2 h
Caudal de Vaciado =
((As*Hr)+Vl)/Tv 0.052 m3/s
Velocidad de Vaciado 1.5 m/s
Area de Tubo 0.03 m2
Diametro de tubo 8.249 pulg
Diametro Reaal del Tubo 10 pulg
4. FILTRO RAPIDO
Características del filtro
Tasa Media de Filtración (qmed)
RAS 2000 200.00 m3/m2.d
Número de Filtros (Nf) 6
Área Total de Filtración (AT) =
Q/qmed 25.49 m2
Área de cada Filtro (A) = AT /
Nf 4.25 m2
Nº Canaleta de Lavado 1
Largo (L) 2.70 m
Ancho (B) 1.57 m
Cumple que 1≤L/B≤3
Características de los medios filtrantes
Arena
Tamaño Efectivo (TE) 0.50 mm
Densidad Relativa (SS) 2.65
Coeficiente de Uniformidad
(CU) 1.60
Porosidad (Po) 0.42
Coeficiente de Esfericidad 0.81
d10 = TE 0.50 mm
d60 = d10 * CU 0.80 mm
d90 Según gráfica de características
granulométricas 1.06 mm
Antracita
Tamaño Efectivo (TE) 1.20 mm
Densidad Relativa (SS) 1.50
Coeficiente de Uniformidad
(CU) 1.40
Porosidad (Po) 0.45
Coeficiente de Esfericidad 0.72
d10 = TE 1.20 Mm
d60 = d10 * CU 1.68 Mm
d90 Según gráfica de características
granulométricas 2.06 Mm
Granulometría de los Lechos
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.1 1.0 10.0
Lecho de Antracita Lecho de Arena
Espesor del lecho
Espesor del Lecho Asumido (0.60m-.095m) RAS
2000
0.68
m
Espesor del Lecho de Arena (0.15m-0.45m) RAS
2000
0.20
m
Espesor del Lecho de Antracita (0.45m-0.50m)
RAS 2000
0.48
m
Grava de Soporte
Posición Espesor Tamaño
Fondo 0.12 m 25.4 - 50.0
Segunda capa 0.10 m 12.7 - 25.4
Tercera capa 0.09 m 6.4 - 12.7
Cuarta capa 0.09 m 3.2 - 6.4
Espesor Grava de Soporte 0.40 m
Estructura de Drenaje: Se utilizara falso fondo con
viguetas prefabricadas, como se muestra en la figura.
Nº Orificios de 3/4" 144
Nº Viguetas Prefabricadas 4
Estructura de Entrada: Se utilizara un canal de grandes
dimensiones para evitar las perdidas de carga y se
empleara en cada unidad una válvula de compuerta tipo
pistola.
Diámetro Válvula de Entrada 10 pul
Estructura de Salida: Se utilizara vertedero rectangular de
borde agudo para cada unidad; fijando nivel y aforando
el efluente.
Ancho de Cresta 0.40 m
HIDRAULICA DE LAVADO
Lecho de Arena
Número de Galileo (Ga) 18159
Velocidad de Fluidificación
(Va) 1.22 cm/s
Va 0.73 m/min
2
390S
v
d)1S(gGa
;
7.33Ga0408.07.33
90d
v3.1Va
5.02
Lecho de Antracita
Número de Galileo (Ga) 40073
Velocidad de Fluidificación (Va) 1.23 cm/s
Va 0.74 m/min
Condición crítica para el lecho de antracita.
Expansión del lecho (Resumen de Cálculos)
Expansión de un Lecho de Arena
Nº de
Tamiz
d1
(cm)
d2
(cm)
di
(cm) Ga Re
Vs
(cm/s) Re
Pc c xi xi xi
Lc
(m)
40-
30 0.042 0.059 0.050 1877 35.00 7.25 0.25 0.64 0.62 0.10 0.08 0.08 0.01
30-
20 0.059 0.084 0.070 5310 62.36 9.14 0.28 0.57 0.35 0.46 0.38 0.31 0.02
20-
16 0.084 0.119 0.100 15210 111.88 11.54 0.31 0.50 0.15 0.84 0.69 0.31 0.01
16-
12. 0.119 0.168 0.141 43022 199.32 14.54 0.35 0.42 0.00 1.21 1.00 0.31 0.00
A 0.04
Expansión de un Lecho de Antracita
Nº de
Tamiz
d1
(cm)
d2
(cm)
di
(cm) Ga Re
Vs
(cm/s) Re
Pc c xi xi xi
Lc
(m)
30-
20 0.059 0.084 0.070 1609 25.21 3.69 0.25 0.76 1.28 0.46 0.31 0.31 0.19
20-
16 0.084 0.119 0.100 4609 48.08 4.96 0.27 0.69 0.76 0.84 0.56 0.25 0.09
16-
12. 0.119 0.168 0.141 13037 90.97 6.63 0.29 0.62 0.44 1.21 0.81 0.25 0.05
12-
10. 0.168 0.200 0.183 28405 146.66 8.25 0.30 0.56 0.26 1.48 1.00 0.19 0.02
A 0.36
Diám. Promedio y % Retenido para la Arena
Nº de
Tamiz
d1
(cm)
d2
(cm)
di
(cm)
di2
(cm2) xi
xi/di2
(cm-
2)
40-
30 0.042 0.059 0.050 0.002 0.08 31.90
30-
20 0.059 0.084 0.070 0.005 0.31 61.69
20-
16 0.084 0.119 0.100 0.010 0.31 30.96
16-
12. 0.119 0.168 0.141 0.020 0.31 15.29
1.00 140
Diám. Promedio y % Retenido para Antracita
Nº de
Tamiz
d1
(cm)
d2
(cm)
di
(cm)
di2
(cm2) xi
xi/di2
(cm-
2)
30-
20 0.059 0.084 0.070 0.005 0.31 63.17
20-
16 0.084 0.119 0.100 0.010 0.25 25.19
16-
12. 0.119 0.168 0.141 0.020 0.25 12.44
12-
10. 0.168 0.200 0.183 0.034 0.19 5.55
1.00 106
Expansión Total Lecho (T) 0.27
Expansión Total Lecho 27%
Características de Lavado
Caudal de Lavado (qL) 0.052 m3/s
qL<QD CHEQUEA
Tiempo de Lavado 10 min
Canaleta de recolección de agua de Lavado
Nº de Canaletas 1
Ancho de la Canaleta Interior (b) 0.30 m
Altura del Agua 0.25 m
Borde Libre 0.06 m
Altura de la Canaleta Interior 0.31 m
Espesor de la Pared 0.10 m
Altura de la Canaleta 0.41 m
Factor de Seguridad 0.25 m
Altura Cresta respecto Lecho no
Expandido (w) 0.93 m
w>0.5 Según RAS 2000 CHEQUEA
Tuberías y Accesorios
Diámetro de Tubería de Lavado 10 pul
Longitud de Tubería de Lavado 63.8 m
Longitud Equivalente 90.5 m
Tubería PVC () 0.00001 m
Longitud Equivalente para Lavado
Cantidad Elemento Longitud
Equivalente
4 Codo 90º 31.60 m
2 Válvula de compuerta
abierta 3.40 m
5 Tee paso directo 27.50 m
1 Tee salida lateral 16.00 m
1 Salida de Tubería 7.50 m
1 Entrada de Tubería 4.50 m
Total 90.50 m
Características del Tanque de Lavado
Volumen del Tanque de Lavado 31.48 m3
Profundidad de Agua 1.00 m
Área Superficial 31.48 m2
Largo 5.61 m
Ancho 5.61 m
Altura 1.20 m
Pérdidas de Carga durante el lavado
Perdida de Carga en la Arena 0.19 m
Perdida de Carga en la
Antracita 0.13 m
Perdida de Carga Total en el
Lecho 0.32 m
Perdida de Carga en la Grava 0.10 m
Perdida de Carga en el Falso
Fondo 0.13 m
Perdida de Carga en Canaleta 0.07 m
Perdida de Carga en Tubería y
Accesorios 0.34 m
Perdida de Carga Total durante
el Lavado 0.96 m
HIDRAULICA DE LA FILTRACION
Tuberías y Accesorios
Diámetro de Tubería de
Filtración 10 pul
Longitud de Tubería de
Filtración 1.5 m
Longitud Equivalente (Detalle
en Anexo 2) 35.2 m
Tubería PVC () 0.00001 m
Longitud Equivalente para Filtración
Cantidad Elemento Longitud
Equivalente
1 Válvula de compuerta
abierta 1.70 m
1 Tee paso directo 5.50 m
1 Tee salida lateral 16.00 m
1 Salida de Tubería 7.50 m
1 Entrada de Tubería 4.50 m
Total 35.20 m
Pérdidas de Carga durante la filtración
Pérdida de Carga en Válvula de
Entrada (hVA)
7.40E-
10 q2
Pérdida de Carga en la Arena 4.25E-
04 q
Pérdida de Carga en la Antracita 7.14E-
04 q
Pérdida de Carga Total en el Lecho 1.14E-
03 q
Pérdida de Carga en Grava de
Soporte
9.26E-
05 q
Pérdida de Carga en Falso Fondo 1.14E-
07 q2
Pérdida de Carga de Tubería y
Accesorios
1.00E-
01 q0
Pérdida de Carga en el Vertedero 1.65E-
03 q0.6667
Durante la filtración
Qmax 260.00 m3/m2.d
Qa 232.34 m3/m2.d
Qb 207.67 m3/m2.d
Qc 185.61 m3/m2.d
Qd 165.90 m3/m2.d
Qmin 148.29 m3/m2.d
N1 0.49 m
N2 0.54 m
ho' 0.05 m
Durante el Lavado
Qmax 296.58 m3/m2.d
Qa 265.08 m3/m2.d
Qb 236.93 m3/m2.d
Qc 211.77 m3/m2.d
Qd 189.28 m3/m2.d
N3 0.60 m
h 0.06 m
Canaleta de Salida
Altura lámina de Agua sobre Canaleta
Lavado 0.07 m
Altura Vertedero Salida respecto cresta
Canaleta 1.03 m
5. TANQUE DE DESINFECCION
Método de Concentración – Tiempo
QD 0.0590 m3/s
Dosificación de Cloro (C) 0.8 mg/Lit
Temperatura del agua 19 ºC
pH 7.5
K 44 mg*min/lit
K es obtenido de la tabla C.8.2.C de RAS 2000. Como K = C*t
; t = K/C
t = 55 min
Volumen de tanque Vol =
QD*t 194.70 m3
Altura de tanque Ht (Según
filtro) 2.70 m
Area Superficial = Vol/Ht 72.11 m2
Lado asumido 8 m
Lado complementario 9.01 m
Ancho de Placas 0.1 m
Numero de Placas 13
Separación entre placas 0.55 m
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