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
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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
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• 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
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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.
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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.
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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