memoria técnica de diseño la 8 lps

FRACCIONAMIENTO LOS ENCINOS DE SAN AGUSTIN (SAN PEDRO GARZA GARCIA, NUEVO LEON)

FRACCIONAMIENTOLOS ENCINOS DE SAN AGUSTIN

SAN PEDRO GARZA GARCÍA – NUEVO LEÓN

PLANTA PARA TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES, PTAR

MEMORIA TÉCNICA DE DISEÑO(ANTE-PROYECTO)

ELABORADO PORDURMAN ESQUIVEL SA DE CV

QUERETARO, JUNIO DE 2010

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CONTENIDO

DESCRIPICIÓN TÉCNICA DEL PROCESO 3

BASES DE DISEÑO 5

Caudal de diseño Sistema de tratamiento Calidad del afluente Calidad del efluente

PROCESO DE TRATAMIENTO – MEMORIA DE DISEÑO Y DIMENSIONES DE UNIDADES 7

Tratamiento Primario Sistema de Lodos Activados – Reactor Biológico Aerobio Sistema de Lodos Activados – Clarificador Final o secundario Tanque de Contacto con Cloro Sistema para manejo de lodos en exceso – Digestor de Lodos Deshidratación de Lodos – Filtro Prensa de Placas Medición de Caudales

COSTOS DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO 12

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DISEÑO, CONSTRUCCIÓN, EQUIPAMIENTO, ARRANQUE Y ESTABILIZACION DE LA PLANTA PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DEL “FRACCIONAMIENTO LOS ENCINOS DE SAN

AGUSTIN” EN SAN PEDRO GARZA GARCÍA (NUEVO LEÓN)

1. DESCRIPCIÓN TÉCNICA DEL PROCESO

El proceso propuesto para el tratamiento de las aguas residuales del Fraccionamiento Los Encinos de san Agustín (en San Pedro Garza García, Nuevo León), consta de las siguientes etapas:

(1) Un sistema de cribado grueso mediante una estructura de entrada a la planta en la cual se ubica una canastilla con paso de 10 mm, con el fin de proteger el equipo de bombeo. La canastilla se limpia diariamente como parte del proceso de operación y mantenimiento de la planta y sus residuos enviados al Relleno Sanitario de la ciudad

(2) Un cárcamo de bombeo de agua cruda, de 9.6 m3 de capacidad, equipado con tres (3) bombas sumergibles de agua cruda, dos en operación de manera alternada y una tercera como respaldo de las dos anteriores, cada una de ellas con capacidad para entregar hasta 12 L/s a las unidades siguientes

(3) Un sistema para la medición del flujo de entrada a la planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR) mediante dos (2) medidores de flujo magnético instalados a la entrada de cada uno de los trenes de tratamiento biológico

(4) Un sistema de cribado fino mediante dos (2) cribas estáticas – una por cada tren de tratamiento biológico - con paso de luz de 0.1 pulgadas (2.54 mm), de cara parabólica, auto-limpiante y con capacidad para 6 L/s cada una de ellas, incluyendo tolvas para el manejo y disposición de los residuos sólidos

(5) Un sistema de tratamiento biológico aerobio. El agua procedente del cárcamo de bombeo y que pasa a través del tamiz estático, ingresa luego a un sistema aerobio de Lodos Activados convencionales. El reactor biológico aerobio (o tanque de aireación) del sistema tiene un volumen total útil de 302 m3. El Tanque de aireación estará dividido en dos (2) celdas iguales operando en paralelo, equipadas con sistemas de aireación por aspiración de aire (equipos sumergidos) totalmente libres de ruidos molestos para los vecinos de la PTAR

(6) Un clarificador secundario a continuación de cada tanque de aireación, de tipo Lamellar (o de alta tasa), con placas planas paralelas inclinadas, de sección cuadrada y 21.6 m2 de área efectiva, y con fondo en forma de tronco de pirámide invertida. Cada clarificador cuenta con un sistema para el envío de lodos al tanque de aireación inmediatamente anterior, mediante dos (2) bombas sumergibles ubicadas en un cárcamo adyacente a cada unidad

(7) Un Sistema de Desinfección. El agua tratada será mezclada con cloro líquido (hipoclorito de sodio al 13%), llevado a un tanque (en donde permanece el tiempo apropiado para que se den las condiciones necesarias con el fin de lograr la

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desinfección del agua) y finalmente enviada al receptor final. Se construirá un Tanque de Contacto con cloro, de 14.4 m3 de capacidad, con un tiempo de contacto de 30 minutos a caudal medio de diseño

(8) Manejo de lodos en exceso del sistema . Una vez alcanzado el nivel adecuado de lodos (biomasa) dentro del sistema aerobio, su exceso será enviado a un Digestor aerobio de Lodos de 66 m3 en donde será digerido. El digestor contará con dos boquillas para decantado de sobrenadante en las partes superior y media del tanque, así como boquilla en la parte inferior del tanque para bombeo de lodos al sistema de deshidratación mecánica de lodos

(9) Unidad para deshidratación de lodos en exceso . La planta contará con un Filtro Prensa de Placas para el secado de los Lodos, con todos los elementos requeridos para su normal operación. La humedad del lodo seco resultante será cercana al 65%

(10) Medición del caudal total de agua tratada por la planta : la salida del Tanque de Contacto con Cloro pasará - antes de su descarga final - a través de un vertedero previamente calibrado, de manera que se podrá determinar en cualquier momento el volumen de agua que está siendo tratado por la planta

(11) Calidad del agua tratada . El agua tratada cumplirá con la norma NOM-003-SERMANAT-1997 que establece los límites máximos permisibles de contaminantes para las aguas residuales tratadas que se re-usen en servicios al público con contacto directo

(12) Calidad de los Lodos . Dado el origen de las aguas residuales a tratar, principalmente de origen doméstico, se espera que los lodos biológicos (o biosólidos) en exceso, producidos por el sistema, cumplirán con la Norma Oficial Mexicana NOM-004-SERMANAT-2002 la cual establece los límites máximos permisibles para los lodos provenientes del tratamiento de aguas residuales

(13) Área requerida : el área total requerida para la PTAR es de 600 m2

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2. BASES DE DISEÑO

Caudal de diseño

La PTAR será diseñada y construida de acuerdo con la información suministrada por el cliente. Para efectos de su capacidad hidráulica, la PTAR manejará los caudales de diseño que se muestran en la Tabla 1 siguiente:

Tabla 1. Gasto de diseño de la PTARMínimo Medio Máximo Instantáneo

Caudal de diseño, L/s 2.0 8.0 12.00

Sistema de tratamiento

Tomando en cuenta las características físicas, químicas y biológicas del agua cruda (agua residual procedente de zona urbana), el proceso de tratamiento propuesto será de tipo biológico aerobio de Lodos Activados seguido por un sistema de desinfección para obtener la calidad de agua requerida. Incluirá Digestión aerobia y deshidratación mecánica de lodos en Filtro Prensa de Placas para cumplir con la calidad bajo la NOM-004-SERMANAT-2002 Clase C.

Calidad del afluente

Basado en la información suministrada por el cliente, las condiciones del agua cruda tomadas como base para esta propuesta son las que aparecen en la Tabla 2.

Se muestran en color negro resaltado, los valores suministrados por el cliente. Los otros valores han sido tomados del Manual de la CNA, “Cuadro IV-3. Características promedio de las aguas residuales municipales por tamaño de población.”

Calidad del efluente

El efluente de la planta cumplirá con la calidad que establece la NOM-003-SERMANAT-1996 que establece los límites máximos permisibles de contaminantes para las aguas residuales tratadas que se re-usen en servicios al público con contacto directo. La calidad del agua tratada que será producida por la planta aparece en la Tabla 3.

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Tabla 2. Calidad del agua cruda a la entrada de la plantaParámetro Unidad Valor

Demanda Bioquímica de Oxígeno, DBO5 mg/L 335

Sólidos Suspendidos Totales, SST mg/L 300

Fijos mg/L 66

Volátiles mg/L 234

Demanda Química de Oxígeno, DQO mg/L 700

Nitrógeno Total mg/L 50

Orgánico mg/L 20

Amoniacal mg/L 30

Fósforo Total mg/L 20

Grasas mg/L 56

Tabla 3. Calidad de agua tratada a la salida de la plantaParámetro Unidad Promedio mes

Demanda Bioquímica de Oxígeno, DBO5 mg/L 20

Sólidos Suspendidos Totales, SST mg/L 20

Grasas y Aceites mg/L 15

Huevos de helminto H/L < 1

Coliformes Fecales NMP/100 mL < 240

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3. PROCESO DE TRATAMIENTO – MEMORIA DE DISEÑO Y DIMENSIONES DE UNIDADES

Como ya se ha mencionado, el diseño de la Planta para Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) propuesto para el Fraccionamiento Los Encinos de San Agustín, en San Pedro Garza García (Nuevo León), está basado en un sistema de tratamiento biológico aerobio, del tipo de Lodos Activados.

El caudal de diseño de la planta, con base en la información que ha sido suministrada por el cliente se estima en 8 L/s como caudal promedio, equivalentes a cerca de 691 m3/d de aguas residuales. La PTAR recibirá una carga orgánica, a condiciones plenas de diseño, de 231.6 kg de Demanda Bioquímica de Oxígeno, DBO5, por día. Esta carga equivale a tratar aguas residuales domésticas con una concentración media de 335 mg/L de DBO5. La siguiente memoria técnica contiene las bases del diseño utilizado para la planta de tratamiento.

Tratamiento Primario

De acuerdo con la información suministrada por el cliente, el agua llegará por gravedad hasta el sitio de la PTAR, a una profundidad de 4.0 m con respecto al nivel de piso terminado. El agua ingresa a través de una estructura en la cual se ubica una canastilla para recolección de sólidos gruesos, con una abertura de paso de 10 mm. El agua que sale de la canastilla ingresa directamente al cárcamo de bombeo de agua cruda. La canastilla cuenta con un mecanismo para facilitar su elevación y posterior limpieza por parte del operador. La planta contará con un cárcamo de bombeo de 9.6 m3 de capacidad desde el cual se alimentará a las unidades siguientes de la planta. El cárcamo estará equipado con tres (3) bombas sumergibles (dos en operación de manera alternada y una tercera como respaldo de las dos anteriores), cada una de ellas con capacidad para entregar hasta 12 L/s de aguas residuales contra una CDT de 11 m. Las bombas se encienden de acuerdo con el nivel de agua presente en el Cárcamo de Bombeo. Bajo condiciones normales de diseño y a caudal medio de llegada, estará en operación solo una de ellas. Cualquier flujo instantáneo en exceso sobre los 12 L/s será desviado - desde la tubería de entrada a la PTAR - hacia el emisor final de la planta y no será tratado. La descarga de las bombas de alimentación se une en una sola tubería de entrada a la PTAR (manifold de descarga), la cual se bifurca justo antes del proceso de tamizado fino. Una vez bifurcada, la descarga de la tubería de alimentación pasa a través de dos (2) medidores de flujo magnético y dos tamices estáticos (o hidro-tamices) con malla de 0.1 pulgadas (2.5 mm) de abertura, justo antes de su ingreso al proceso biológico. La basura retenida en los tamices estáticos será retirada diariamente de la PTAR y dispuesta con otros residuos sólidos del complejo habitacional.Las eficiencias de remoción esperadas en el Tratamiento Primario son del 25% en DBO5 y TKN, así como del 30% en SST. El agua ingresará al proceso biológico con cerca de 251 mg/L de DBO5 y 210 mg/L de SST y 38 mg/L de nitrógeno total (TKN).

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Sistema de Lodos Activados – Reactor Biológico Aerobio

El agua que pasa por los tamices estáticos (ahora libre de sólidos) es llevada a un tratamiento biológico aerobio de crecimiento suspendido, basado en el sistema convencional de Lodos Activados. De manera simplificada, el sistema de Lodos Activados está compuesto por un reactor biológico aerobio (o tanque de aireación), un sistema de aireación y mezcla del reactor biológico, un clarificador final (o secundario) para la separación de la biomasa suspendida, y un sistema de recirculación interna de lodos. Las siguientes son las condiciones de diseño establecidas para el reactor biológico aerobio:

Caudal a tratar, L/s 8.0 DBO5 de entrada, mg/L 251 DBOS de salida (requerido), mg/L 20 SST de entrada, mg/L 210 SST de salida (requerido), mg/L 20 Coeficiente de producción celular (Yield, a) 0.6 Tasa de decaimiento endógeno (b), d-1 0.06 SSVLM (biomasa), mg/L 2,400 Temperatura mínima, ºC 20 Régimen de reactor Completamente mezclado Edad de Lodos, días 6.52

Usando los modelos clásicos de la literatura (ver Metcalf and Eddy; MOP No. 8 de la WEF), se obtienen los siguientes resultados:

Volumen de reactor (Tanque de Aireación), m3 302 Lodos a ser descartados, kg SST/d 138.6 Relación F:M (alimento a biomasa), kg DBO5/kg SSV 0.240 Carga orgánica volumétrica, kg DBO5/m3/d 0.577 Caudal de recirculación interna de lodos, Qr/Q 0.43 Requerimiento medio de oxígeno, kg/d 243.1

El volumen del reactor estará dividido internamente en dos (2) celdas iguales, operando en paralelo, cada una de ellas con capacidad para tratar 4 L/s como caudal promedio. Cada celda del reactor tiene 3.60 m de altura útil y 41.8 m2 de área efectiva. La cantidad máxima de oxígeno requerida en todo el reactor biológico aerobio es de 15.2 kg por hora. El Tanque de Aireación estará equipado con cuatro (4) equipos de aireación por aspiración de aire (dos por cada celda), de la marca TSURUMI o similar, modelo 50TRN43.7-62, con una potencia nominal de 3.7 kW cada uno de ellos. Los equipos de aireación pertenecen a la categoría de equipos de aireación de “tercera generación”: son equipos de aspiración de aire, totalmente sumergidos dentro del tanque

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de aireación. Debido a esto, los equipos no presentan ningún tipo de ruido y utilizan de manera óptima la energía eléctrica que es suministrada al equipo, no solo para transferir al agua el oxígeno requerido sino para mezclar de manera continua el contenido del tanque de aireación.

Sistema de Lodos Activados – Clarificador Final o secundario

El contenido del Tanque de Aireación (conocido también como “licor mezclado”) pasa luego al Clarificador Secundario, donde la biomasa es separada del agua tratada, permitiendo obtener así un agua limpia (clarificada) con muy bajo contenido de sólidos en suspensión. El Clarificador Secundario propuesto para la planta es de tipo Lamellar, de sección cuadrada con fondo inclinado en forma de tronco de pirámide invertida. Los datos de diseño para cada uno de los dos clarificadores son los siguientes:

Caudal de diseño, L/s 4.0 Carga Superficial (Qs) a caudal medio, m3/m2/d 16.0 Área neta requerida de sedimentación, m2 21.6 Altura total del clarificador, m 3.00 Concentración de SST al Clarificador, kg/m3 3,000 Carga de sólidos a caudal medio, kg SST/m2/d 69

El licor mezclado ingresa al Clarificador por la parte inferior de la unidad, en una de sus paredes (a través de un pozo de disipación de energía y floculación), y asciende a la vez que va atravesando el Clarificador, buscando la canaleta de recolección de efluente (de agua clarificada) ubicada en la parte superior de la unidad. El Clarificador (de 2.52 x 1.36 m de área en la zona de placas) contará con 17 placas de PVC, de 1.22 m de largo y 1.22 m de ancho (2 celdas de 0.61 m de ancho), separadas perpendicularmente 0.10 m entre sí, e inclinadas a 60 grados con respecto a la horizontal. El Clarificador contará además con una canaleta para recolección de efluente, de sección rectangular de 0.20 x 0.20 x 2.48 m de largo, de forma que se tendrá una carga en vertederos de 70 m3/m/día a caudal medio de diseño.

El fondo del Clarificador contará con paredes inclinadas a 60 grados con la horizontal, las cuales convergen hacia la tolva de lodos. La tolva tiene 0.83 m de alto y 0.40 m en su parte inferior y se comunica por la parte inferior con un cárcamo de bombeo de lodos y dos bombas sumergibles de 1 HP (una en operación, una en reserva) para envío de lodos al Tanque de aireación inmediatamente anterior, cada una de las cuales puede manejar hasta 4.0 L/s de lodos (al 1%) contra una CDT de 5.6 metros. Las natas del Clarificador se retiran manualmente y se envían directamente al sistema de deshidratación de lodos de la planta. Una vez que se alcance la concentración deseada de biomasa dentro del sistema aerobio, el exceso de lodos (131.7 kg SST por día, una vez descontados los sólidos perdidos en el efluente final) será enviado hacia el digestor de lodos, donde será digerido y estabilizado antes de su envío hacia el sistema de deshidratación manual de Lodos.

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Tanque de Contacto con Cloro

El agua ya tratada, se pone en contacto con cloro en forma líquida (Hipoclorito de Sodio, NaOCl al 13% de concentración) para entrar luego al Tanque de Contacto, en donde permanece el tiempo necesario para lograr una desinfección adecuada del agua tratada. El Tanque de Contacto con cloro tiene un volumen total útil de 14.4 m3, lo cual lleva a un tiempo de contacto de 30 minutos a caudal promedio de alimentación. Las dimensiones del Tanque de Contacto son las siguientes:

Altura hidráulica, m 1.20 Ancho del canal, m 0.65 Número de canales, N 5 Largo de cada canal, m 3.70

A plena carga de diseño (8 L/s), el consumo de cloro líquido al 13% de ingrediente activo será de 26.6 kg/d de hipoclorito de sodio, unos 22 L/d (0.24 galones por hora). La planta contará con dos (2) bombas dosificadoras, una en operación y una en reserva, con capacidad para manejar 1 galón por hora de hipoclorito de sodio cada una de ellas. El agua ya desinfectada pasa luego a través de un vertedero calibrado donde se mide el flujo de agua que está siendo tratado por la planta. Finalmente, el agua tratada se descarga a través de un emisor final hasta el receptor final.

Sistema para manejo de lodos en exceso – Digestor de Lodos

El exceso de lodos del sistema aerobio (131.7 kg SST/d una vez descontados los SST perdidos en el efluente) será llevado a un Digestor Aerobio de Lodos, de 66 m3 de capacidad. El Digestor recibirá una carga orgánica promedia de 1.6 kg SSV/m3/d. El digestor de lodos tiene 3.60 m de altura útil y 18.4 m2 de área efectiva. La cantidad de oxígeno requerida en el Digestor es de 4.04 kg por hora. El sistema de aireación se selecciona con un 25% de capacidad en exceso de la requerida teóricamente. Para ello, el digestor estará equipado con un (1) equipo de aireación por aspiración de aire, de la marca TSURUMI o similar, modelo 50TRN45.5-62, con una potencia nominal de 5.5 kW. Dentro del digestor, se espera una reducción de SSV del 40%, con lo cual la cantidad final de lodos a deshidratación final será de 89.5 kg SST/d.

Deshidratación de Lodos – Filtro Prensa de Placas

Luego de digeridos o estabilizados, los lodos excedentes de la PTAR (89.5 kg SST/d, unos 13.2 m3/d) serán secados en un Filtro Prensa de Placas, previo acondicionamiento químico con polímero catiónico, hasta alcanzar un 35% de sequedad (65% de humedad) y podrán luego utilizarse (cerca de 243 kg por día con un 35% de sólidos) como acondicionadores de áreas verdes

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de la misma empresa o en suelos agrícolas o forestales cercanos a la misma. Como última alternativa, los lodos secos podrán llevarse al Relleno Sanitario de la ciudad. Los lixiviados generados se regresan – por gravedad – a la planta de tratamiento para su tratamiento.

La PTAR contará con un sistema completo de deshidratación mecánica de lodos en Filtro de Placas marca PACIFIC PRESS modelo P6 E132-12, con 42 placas de desplazamiento semiautomático de 63 x 63 cm, un área de filtración de 20.1 m2 capaz de procesar hasta 250 kg de SST por día, en dos ciclos por día (en un turno de operación). Sus dimensiones generales son 2.0 x 0.8 x 1.5 m de altura. El Filtro Prensa de Placas cuenta con sensores de carga y todas sus protecciones. El sistema incluye: (1) el Filtro Prensa de Placas; (2) una bomba para alimentación de lodos desde el Digestor de Lodos, de desplazamiento positivo, y su compresor respectivo de 5 HP; (3) un tanque de 1,000 L y su agitador mecánico con motor de ¼ HP para acondicionar los lodos; (4) un sistema para la preparación de polímero, incluyendo un tanque de 200 L, un agitador mecánico con motor de 1/20 HP, y una bomba dosificadora de polímero. El consumo de polímero será de 0.45 kg/d a plena carga de diseño.

Medición de Caudales

La planta de tratamiento propuesta cuenta con medición directa del flujo de entrada a la planta mediante dos (2) medidores de flujo magnético con indicación directa de campo y función integradora, justo antes de la entrada a cada tren del proceso biológico. De esa forma, se podrá saber no solo el flujo instantáneo que está entrando a la planta de tratamiento sino el caudal regulado que está siendo tratado y los volúmenes diarios de agua residual que trata la planta en sus procesos.

Finalmente, a la descarga del agua tratada se cuenta con un vertedero calibrado en el cual se puede saber en todo momento el caudal de agua que está siendo tratado.

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Operación Respaldo Operación Respaldo1 Bomba de alimentacion para 12 Lps @ 11 m CDT, No. 1 3.000 1 3.0 0.02 Bomba de alimentacion para 12 Lps @ 11 m CDT, No. 2 3.000 1 0.0 3.03 Bomba de alimentacion para 12 Lps @ 11 m CDT, No. 3 3.000 1 0.0 3.04 Medidor de flujo magnetico, Equipo No. 1 0.083 1 0.1 0.05 Medidor de flujo magnetico, Equipo No. 2 0.083 1 0.1 0.06 Aireador Sumergible para Tanque de Aireación, Equipo No.1 5.000 1 5.0 0.07 Aireador Sumergible para Tanque de Aireación, Equipo No.2 5.000 1 5.0 0.08 Aireador Sumergible para Tanque de Aireación, Equipo No.3 5.000 1 5.0 0.09 Aireador Sumergible para Tanque de Aireación, Equipo No.4 5.000 1 5.0 0.0

10 Bomba recirculación de Lodos del Sedimentador, Bomba No. 1 1.000 1 1.0 0.011 Bomba recirculación de Lodos del Sedimentador, Bomba No. 2 1.000 1 0.0 1.012 Bomba recirculación de Lodos del Sedimentador, Bomba No. 3 1.000 1 1.0 0.013 Bomba recirculación de Lodos del Sedimentador, Bomba No. 4 1.000 1 0.0 1.014 Bomba dosificadora de Cloro No. 1 0.125 1 0.1 0.015 Bomba dosificadora de Cloro No. 2 0.125 1 0.0 0.116 Aireador Sumergible para Digestor de Lodos 7.500 1 7.5 0.017 Compresor para Filtro Prensa de Placas (Bomba y cierre) 5.000 1 5.0 0.018 Periféricos de FPP (polímero, mezclador, etc.) 0.500 1 0.5 0.0

13 5 38.3 8.1

38.3 HP28.6 kW31.7 kVA8.1 HP6.1 kW6.7 kVA

Total de Potencia en Operación, requerida por el Proyecto 31.7 kVA ð 35 kVA

Potencias, HPRelación de EquiposPotencia por

equipo

Relación de equipos y cargas para la PTAR - Lodos Activados 8 L/s

TOTAL de Potencia en Reserva

No

TOTAL de Cargas

TOTAL de Potencia en Operación

No. de Equipos en


4. COSTOS DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO

El cuadro siguiente muestra los equipos y cargas requeridos por la PTAR propuesta.

A plena carga de diseño (8 L/s) la planta de tratamiento consumirá 13,800 kw/h de energía eléctrica y 808 kg de hipoclorito de sodio por mes. El costo variable de tratamiento será de $ 0.84 por cada m3 de agua tratada.

Juan Manuel López H.Ingeniero QuímicoM. Sc. Environmental EngineeringQuerétaro, México - Julio de 2010

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