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Memoria descriptiva yde Cálculo

TANQUE SÉPTICO DE DOBLE CÁMARAMEJORADO

MODELO 1900

Para aguas residuales domésticas

Abril de 2014

Ing. Fernando Moreira Esquivel, MSc.INGENIERÍA CIVIL

INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL

Contenido

1. INTRODUCCIÓN.......................................................................................................................................... 1

2. GENERALIDADES Y MARCO TEÓRICO........................................................................................................... 1

3. FUNCIONES PRINCIPALES DE UNA FOSA SÉPTICA.........................................................................................2

4. SOLUCIÓN PROPUESTA............................................................................................................................... 2

4.1 TANQUE SÉPTICO.................................................................................................................................................34.2 FAFA................................................................................................................................................................4

5 CRITERIOS Y PARÁMETROS DE DISEÑO........................................................................................................ 4

5.1 POBLACIÓN Y CAUDAL ATENDIDO............................................................................................................................45.2 CRITERIOS DE DISEÑO...........................................................................................................................................5

6 PROCESO DE DISEÑO................................................................................................................................... 7

6.1 DISEÑO DEL TANQUE SÉPTICO...............................................................................................................................76.2 VERIFICACIÓN POR CRITERIOS DE LETTINGA.............................................................................................................106.3 DISEÑO DEL FAFA.............................................................................................................................................10

7 EFICIENCIAS ESPERADAS........................................................................................................................... 14

8 CONSIDERACIONES FINALES...................................................................................................................... 15

9 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.................................................................................................................. 15

CUADROS

Cuadro 1. Cálculo de aguas residuales por vivienda – Dotación 200L............................................5Cuadro 2. Cálculo de aguas residuales por vivienda – Dotación 250L............................................5Cuadro 3. Cálculo de aguas residuales por vivienda – Dotación 300L............................................5Cuadro 4. Cálculo de aguas residuales por vivienda – Dotación 350L............................................5Cuadro 5: Valores límite de las aguas de entrada (agua cruda)......................................................7Cuadro 6. Volumen resultante para diferentes dotaciones y poblaciones con extracción de

lodos cada año................................................................................................................9Cuadro 7. Volumen resultante para diferentes dotaciones y poblaciones con extracción de

lodos cada 2 años............................................................................................................9Cuadro 8. Tiempos de retención hidráulica para cada caso...........................................................11Cuadro 9. Cálculos hidráulicos en el FAFA para diferentes condiciones......................................12Cuadro 10. Eficiencia máxima esperable para cada caso...............................................................14Cuadro 11. Eficiencias esperadas en la unidad propuesta..............................................................14Cuadro 12. Concentraciones esperadas en el proceso....................................................................15

ANEXOS

Anexo 1: Fundamento teórico de la doble cámaraAnexo 2: Esquema del tanque séptico doble cámara mejorado 1900

Memoria “Tanque doble cámara mejorado Modelo 1900” i

SIMBOLOGÍA

°C: Grados CelsiusCUS: Carga por Unidad de SuperficieDBO: Demanda Bioquímica de OxígenoDQO: Demanda Química de OxígenoL o l: LitrosL/día: Litros por díaL/per-día: Litros por persona por díam: Metrosm/hr: Metros por horam/s: Metros por segundom2: Metros cuadradosm3: Metros cúbicosm3/m2/d: Metros cúbicos por metro cuadrado por díamg/l: Miligramos por litroP: Poblaciónper/casa: Personas por casaQ: Caudalq: Aporte de caudal unitarioT: TemperaturaTh o TRH: Tiempo de retención hidráulicaUASB: Reactor Anaeróbico de Flujo AscendenteVD: Volumen para digestiónVL: Volumen para acumulación de lodosVS: Volumen para sedimentaciónvu: Velocidad ascensional

Memoria “Tanque doble cámara mejorado Modelo 1900” ii

Memoria de DiseñoTANQUE SÉPTICO MEJORADO DE DOBLE CÁMARA

MODELO 1900

Para aguas residuales de tipo doméstico1. Introducción

La solución tanque séptico es la solución sanitaria más utilizada en Costa Rica, más del 70 % de las viviendas operan con este sistema. Constituye una solución sencilla, económica, fácil de implementar, y no requiere procesos complicados o costosos de instalación, operación y mantenimiento.

El presente diseño del sistema “tanque séptico elíptico mejorado de doble cámara” se plantea como un sistema de tratamiento para las aguas residuales generadas en viviendas unifamiliares, muy apropiado para uso en vivienda individual del rango medio a alto. Se pretende una solución eficiente y económica ambientalmente segura y eficaz, de manera que produzca un efluente de mucha mejor calidad que un tanque séptico convencional u otras opciones del mercado.

2. Generalidades y marco teórico

El tanque séptico recibe los fluidos residuales domésticos que incluyen aguas de origen fecal, grasas, aguas jabonosas y otros sólidos propios de las actividades domésticas. Los sólidos retenidos en el proceso son digeridos anaeróbicamente por efecto de las bacterias y se licuan parcialmente; el efluente clarificado en tal proceso, pasa normalmente a un sistema de drenaje sub-superficial como disposición final, por lo resulta importante inducir la mejor calidad de efluente posible.

Como resultado de múltiples investigaciones y experiencias, se ha concluido -como convenientes- ciertos detalles de construcción, de entrada, de salida y volúmenes (asociados a tiempos de retención hidráulica), cuyo comportamiento ha demostrado ser técnicamente mejor que otros. Se debe referir como premisa importante, que previo a la llegada de los fluidos al tanque, las aguas procedentes de fregaderos de cocina y similares se hayan pasado por trampas de grasa, para reducir los efectos y acumulación innecesaria y perjudicial en el tanque séptico.

Costa Rica no posee normativa para evaluar de la calidad de un efluente de un tanque séptico. La concentración promedio de DBO observada en varios efluentes de tanques sépticos varía entre 90 y 170 mg/l y los sólidos suspendidos promedio varían entre 44 y 69 mg/l [4]. Por lo tanto, es importante recordar la necesidad de contar posteriormente con un adecuado sistema de disposición final para descartar sanitariamente los efluentes del tanque; por esta razón se recuerda que para cada situación debe diseñarse la zanja o campo de infiltración, con base en los resultados de las pruebas de suelo realizadas en el campo, o bien asegurar que la descarga o vertido sea sanitariamente adecuado y satisfactorio.

Memoria “Tanque doble cámara mejorado Modelo 1900” 1

Los campos de infiltración o absorción se diseñan no sólo como elementos de disposición final, sino como tratamiento facultativo complementario al del tanque. En casos de suelos de condiciones difíciles la solución planteada incluye un filtro de flujo ascendente, predominantemente anaerobio pero que incorpora organismos facultativos.

3. Funciones principales de una fosa séptica

La solución fosa séptica cumple básicamente tres funciones, las cuales se enumeran según la importancia en cada una de estas unidades:

- Sedimentación: una fosa séptica es fundamentalmente una unidad en la que se logra remover por precipitación una determinada cantidad de sólidos en suspensión y algunos en solución, como resultado de reacciones bioquímicas. Si la unidad funciona como sedimentador y logra acumular esos sólidos, logra remover del agua residual una importante cantidad de materia orgánica.

- Biodigestión: la fosa séptica debe ser capaz de degradar parcialmente la materia orgánica mediante la intervención de organismos vivos (biomasa) anaerobios y facultativos que descomponen la materia contaminante contenida en las aguas crudas provenientes de la residencia o establecimiento para convertirla en sustancias más estables y menos polutivas. A este proceso se le llama biodigestión.

- Amortiguador y homogenizador: tomando en cuenta que la fosa biológica no es la última etapa en el proceso de tratamiento de las aguas residuales, esta unidad resulta muy útil para homogenizar los diferentes tipos de agua que le llegan durante la jornada diaria, de modo que se logre amortiguar picos en las variaciones de calidad que usualmente se presentan en al agua proveniente de las diferentes actividades del ente generador.

El diseño de esta unidad considera estas tres funciones y adelante se plantean los parámetros y criterios tomados en cuenta en cada una de ellas.

4. Solución propuesta

El sistema propuesto denominado “Tanque séptico de doble cámara mejorado” plantea una mejora sustantiva de una fosa séptica convencional e integra a un filtro anaeróbico de flujo descendente, como etapa posterior. Las premisas de funcionamiento son las siguientes:

A) La primera etapa es un tanque séptico de doble cámara cuyas funciones básicas son como sedimentador primario en el que además se inicia la degradación anaerobia.

B) La segunda etapa adiciona a la fosa séptica una etapa de mejora posterior bajo el principio de filtración biológica de flujo ascendente.

En vista de estas premisas, el “Tanque séptico de doble cámara mejorado” se concibe como una solución completa para el tratamiento del agua residual doméstica, cuyo producto final (efluente) podría ser dispuesto con mayor confianza que el de una fosa convencional, en virtud de su mejor calidad.


Esta segunda etapa es un filtro anaerobio de flujo ascendente (FAFA), unidad cuyo lecho filtrante es grava de diversa granulometría.

Los componentes son tanques fabricados en fibra de vidrio de alta resistencia, con un diseño geométrico y estructural que hace posible que resistan los empujes típicos del suelo al estar enterrados. Son tanques con características de entrada y salida óptimas para operación hidráulica; además, cada unidad dispone de registros de boca circular con una tapa (manhole), para facilitar su inspección y limpieza.

4.1 Tanque séptico4.1.1 Primera cámara

La primera cámara es una fosa biológica en la que se identifican varios estratos o zonas. La zona de almacenamiento, en el fondo, donde se acumulan los sólidos o lodos; la zona intermedia, de sedimentación, en la que se ubican los líquidos con materia orgánica disuelta, sobre esta se encuentra la zona de grasas o natas. En la parte superior, sobre la zona de natas se tiene un espacio libre apropiado para que se ubiquen los gases producidos por el proceso anaerobio de descomposición de la materia. El material sedimentado (los sólidos) forma una capa de lodos o fango en el fondo del depósito, que degrada biológicamente dado el tiempo de residencia y la acción de los microorganismos. El lodo viejo acumulado es un material que debe extraerse periódicamente (cada uno o dos años, según sea). La periodicidad de la limpieza es un factor que puede permitir variación en la cantidad de usuarios, así como la dotación de agua de consumo que se utilice en para cada caso.

4.1.2 Segunda cámara

La segunda cámara de la fosa tiene el mismo tamaño de la anterior pero acumulará mucho menos cantidad de sólidos y natas. Con esto se logra dar un tratamiento al agua con el mismo tiempo de retención hidráulica de un tanque de una sola cámara pero con las ventajas que implica una segunda cámara que se comporta más como reactor biológico que como sedimentador, por lo tanto el efluente es de mejor calidad y presenta mejores condiciones para la siguiente etapa de filtración (FAFA) como sistema de pulimento del agua tratada. El desarrollo teórico de la doble cámara se incluye en el Anexo 1.

Los accesorios de entrada y salida son indispensables para el resultado final del proceso llevado a cabo en el tanque. Se trata de “tees” con prolongaciones y largo suficiente para que sus puntos más bajos se ubiquen en la parte inferior del estrato líquido, pero sobre la zona de almacenamiento de lodos. Los gases del tanque se evacuarán por la parte superior de la “tee” de salida mediante niple de tubo de PVC acoplado para este procedo al cual debe unirse la tubería de ventilación. A la “tee” de entrada opcionalmente, puede acoplarse un dispositivo para impedir que los gases se devuelvan hacia la red de recolección de la vivienda o establecimiento. Los gases remanentes viajarán hacia la segunda etapa del tanque y luego a las tuberías drenaje para oxidarse en su camino hacia la atmósfera, gracias al estrato de suelo que atraviesa; de ahí la importancia de no cubrir o impermeabilizar la zona de drenaje o campo de infiltración.


4.2 FAFAComo se ha citado, la segunda etapa es diseñada como el paso del agua residual a través de un medio de fijación microbiana, de modo que se constituye esta etapa como la segunda parte de la degradación biológica, en este caso de características anaerobias y facultativas. Este elemento representa una mejora sustancial en la solución, ya que le confiere al efluente resultante una mejor calidad en la remoción de materia orgánica en términos de sólidos suspendidos totales (SST) y demanda bioquímica de oxígeno (DBO) y en ciertos casos podría sustituir parcialmente la zanja de infiltración como proceso de pulimento biológico, aunque siempre se deberá pensar en la disposición final del efluente.

En el filtro el agua residual proveniente del tanque séptico de doble cámara, ingresa por la parte inferior y se filtra a través del lecho en forma ascendente; este lecho está conformado por un medio sumamente permeable al que los microorganismos se adhieren y a través del cual se filtra el agua residual. El tamaño de las piedras del medio filtrante está entre 2,5 y 10cm de diámetro, la profundidad del lecho es de 107cm.

La materia orgánica remanente de la primera etapa es degradada por la población de microorganismos adherida al medio, esta materia es absorbida por una capa viscosa (película biológica) de ambiente anaerobio facultativo.

En este tipo de filtro se desarrolla una comunidad biológica importante y variada. Los microorganismos predominantes en el filtro percolador son las bacterias anaerobias que descomponen la materia orgánica del agua residual; también crecen hongos, que son los causantes de la estabilización del agua residual, pero su contribución es importante sólo a un pH bajo. De los protozoos que se encuentran en el filtro los del grupo “ciliata” son los predominantes; su función no es estabilizar el agua residual sino controlar la población bacteriana.

5 Criterios y parámetros de diseño

Estas unidades son muy apropiadas para uso en conjuntos habitacionales de vivienda unifamiliar como para otras aplicaciones de mayor consumo de agua potable. De acuerdo con la experiencia e investigaciones de los últimos cien años, los tanques sépticos se conciben principalmente como tanques de sedimentación, y el grado de destrucción de sólidos es menor como resultado de la actividad anaeróbica. Complementariamente, la segunda etapa en la doble cámara cámara y el FAFA, sí constituyen un tratamiento principalmente biológico. Tomando en cuenta lo anterior, se establece los parámetros y criterios de diseño que se muestran a continuación.


5.1 Población y caudal atendidoDe acuerdo con los supuestos de vivienda unifamiliar media y alta, esta fosa sería aplicable para viviendas cuya cantidad de habitantes por casa sea la adecuada según la dotación de agua para consumo que se tome en cada proyecto o caso y de acuerdo con el período de limpieza del tanque, desde 4 hasta de 8 habitantes, como se verá en los cálculos que se presentan más adelante.

En los siguientes cuadros se presentan los valores de dotación y factor de hacinamiento posibles de aplicar para este modelo de tanque séptico.

Cuadro 1. Cálculo de aguas residuales por vivienda – Dotación 200L

Variable Unidad Población (per/casa)Hacinamiento Per/casa 4 5 6 7 8Dotación por casa L/día 800 1 000 1 200 1 400 1 600Factor de retorno 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8Aporte A. Residual L/día 640 800 960 1 120 1 280


Variable Unidad Población (per/casa)Hacinamiento Per/casa 4 5 6 7 8Dotación por casa L/día 1 000 1 250 1 500 1 750 2 000Factor de retorno 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8Aporte A. Residual L/día 800 1 000 1 200 1 400 1 600


Variable Unidad Población (per/casa)Hacinamiento Per/casa 4 5 6 7 8Dotación por casa L/día 1 200 1 500 1 800 2 100 2 400Factor de retorno 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8Aporte A. Residual L/día 960 1 200 1 440 1 680 1 920


Variable Unidad Población (per/casa)Hacinamiento Per/casa 4 5 6 7 8Dotación por casa L/día 1 400 1 750 2 100 2 450 2 800Factor de retorno 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8Aporte A. Residual L/día 1 120 1 400 1 680 1 960 2 240


5.2 Criterios de diseñoPara la primera etapa los criterios de diseño son los siguientes:

- Horas de aporte real: 18 horas- Factor máximo horario: 2,25

Función de sedimentación:

Tiempo de retención para caudal máximo horario: 0,8 díasCarga por unidad de superficie (CUS): 10 a 20 m3/m2/dVolumen para acumulación de lodo y flotantes: 45% del volumen útil

Función de bio-digestión:

Tiempo de retención promedio: 20 horas (0,83 días)Velocidad de ascenso: 0,06 a 1,5 m/s

Cada uno de los estratos citados en el apartado 4 ocupa un volumen específico y diferente de los otros, dentro de la fosa biológica. Para el cálculo de cada uno de estos volúmenes, existe un método establecido por dos investigadores; Dr. D.D. Mara profesor de la Universidad de Leeds, Inglaterra y el Dr. G.S. Sinnatamby, coordinador técnico del programa HÁBITAT, Naciones Unidades. Estos cálculos tienen como variables, la población servida, el aporte per cápita de aguas residuales, la temperatura del agua, los tiempos de retención y la frecuencia de limpieza del tanque.

Mara y Sinnatamby han demostrado en sus investigaciones que en regiones tropicales en las que la variación de temperatura es poca, la eficiencia en remoción de DBO es del orden del 70% y de 80% en remoción de sólidos suspendidos totales.

Las ecuaciones planteadas para cada uno de estos volúmenes se muestran en el siguiente apartado de “Proceso de diseño”.

Para la segunda etapa los criterios de diseño son los siguientes:

- Tiempo de retención hidráulica [TRH]: entre 6 y 15 horas (0, 25 y 0,625 días)- Velocidad de filtración [Vf]: entre 0,1 y 0,2 m/h- Carga orgánica volumétrica [L]: 20 a 40 kg de DBO/m3*d- Pérdida de carga [Hf]: entre 0,5 y 0,8m- Factor de porosidad: 0,5 como promedio- Eficiencia [Ɛ] de la etapa anterior (calidad del agua influente): en este caso se considera la

condición promedio de la primera etapa

5.3 Parámetros de diseño


5.3.1 Caudal de diseño

Tal como se comentó, de acuerdo con la dotación de diseño, la población atendida podría ser desde 4 personas por casa hasta 8 personas por casa. En general. Se parte de una capacidad máxima de 1 600L (mil seiscientos litros)

5.3.2 Calidad del agua cruda

La calidad del agua de ingreso se ha limitado a la típica para aguas domésticas ordinarias para poder obtener el efluente esperado. En el siguiente cuadro se resume la calidad de aguas residual esperada.

Cuadro 5: Valores límite de las aguas de entrada (agua cruda)

Parámetro Unidad Valor máximoDemanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) mg/l 300Demanda Química de Oxígeno (DQO) mg/l 450Sólidos Suspendidos Totales (SST) mg/l 300Sólidos Sedimentables ml/l-h 5pH 6 a 8Temperatura °C 20 a 35Grasas y Aceites mg/l 50Sustancias activas al azul de metileno (SAAM) mg/l 5

6 Proceso de diseño

Se procede a realizar el procedimiento de cálculo correspondiente para las dimensiones del sistema.

6.1 Diseño del Tanque Séptico Es muy importante contar con un volumen suficiente para cada estrato y la colocación de los accesorios de entrada y de salida.

Por tal razón se consideran válidas las observaciones de Lettinga para el diseño de los reactores anaeróbicos de flujo ascendente (UASB), en los que toma la velocidad de ascenso como la velocidad crítica para evitar barrido de la biomasa floculenta flotante.

Las ecuaciones para el cálculo de volumen en cada uno de los estratos son las siguientes:

Volumen para sedimentación (VS):

VS = P*q*Th*10-3


Donde:

P = poblaciónq = caudal de aporte per cápitaTh = tiempo de retención hidráulica

En el presente caso se usará la población y caudal de aporte según corresponda a zona urbana (GAM) o zona rural. El tiempo de retención usual para esta etapa es de 0,8 días.

Volumen para digestión (Vd):

Vd = P*Td*0,5*10-3

Donde:

P = poblaciónTd = tiempo de retención para que ocurra la biodegradación anaerobia, de acuerdo con:

Td = 28*(1,035)(35-t)

t = temperatura media del agua en °C

La temperatura promedio utilizada es de 23°C. En caso de ser mayor beneficia el metabolismo anaerobio y acelera la degradación.

Volumen de acumulación de lodos (VL):

VL= P*r*(n-(Td/365))*10-3

Donde:

P = poblaciónTd= tiempo de retención para que ocurra la biodegradación anaerobiar = factor de producción de agua, usualmente igual a 40n = periodicidad de limpieza de la fosa, se usará 1 y 2 años

De acuerdo con las ecuaciones anteriores y según los parámetros de población y aportes unitarios antes comentados, en el cuadro siguiente se muestran los volúmenes para diferentes condiciones de trabajo mostradas en los Cuadros 1, 2, 3 y 4.

Como se observa en los cuadros siguientes, el volumen resultante en cada condición mostrada, es menor o similar a la capacidad del modelo de tanque séptico objeto de esta memoria de diseño.


El aporte unitario se basa en un factor de retorno de 0,8. El TRH para la sedimentación es de 0,8 días y la temperatura promedio utilizada es de 23°C. Los cuadros corresponden a cálculos realizados para períodos de extracción de lodos de 1 año (cuadro 6) y dos años (cuadro 7)

Cuadro 6. Volumen resultante para diferentes dotaciones y poblaciones con extracción de lodos cada año

Volúmenes Unidad Dotación (L/per-día)350 300 250 200

Población per/casa 5 6 7 8Aporte unitario l/per-d 280 240 200 160Aporte de Diseño l/per-d 280 240 200 160V. de sedimentación m3 1,120 1,152 1,120 1,024V. de digestión m3 0,106 0,127 0,146 0,210V. de almacenamiento de lodos m3 0,177 0,212 0,248 0,350Volumen Total m3 1,403 1,491 1,514 1,584

Cuadro 7. Volumen resultante para diferentes dotaciones y poblaciones con extracción de lodos cada 2 años

Volúmenes Unidad Dotación (L/per-día)350 300 250 200

Población per/casa 4 5 6 7Aporte unitario l/per-d 280 240 200 160Aporte de Diseño l/per-d 280 240 200 160V. de sedimentación m3 0,896 0,960 0,960 0,896V. de digestión m3 0,085 0,106 0,127 0,148V. de almacenamiento de lodos m3 0,301 0,377 0,452 0,528Volumen Total m3 1,282 1,443 1,539 1,572

En todos los casos considerados en los cuadros anteriores, el volumen total es menor a la capacidad total del tanque de 1,6m3 (1 600L), por lo tanto, la capacidad del tanque es satisfactoria para las distintas condiciones planteadas.

Eficiencia esperada

De acuerdo con las premisas expuestas en el Anexo 1, se observa que la eficiencia típica en remoción de DBO del 70% de un tanque séptico convencional se pueda aumentar a un 75% con un tanque séptico de doble cámara, y pasar de un 80% a un 85% en remoción de sólidos suspendidos totales, por lo que el efluente (salida del tanque) podría tener las siguientes características:


- DBO≈ (300-300*0,75) = 75mg/L- SST≈ (300-300*0,85) = 45mg/L

6.2 Verificación por criterios de Lettinga

TANQUE DE DOBLE CÁMARA

Parámetro Nomenc Valor Unidad ComentarioDotación diaria 350 l / pers /día Máxima dotación consideradaFactor de retorno 0,8Aporte de aguas residuales 280 l / pers /díaNúmero de personas servidas 5 personasVolumen generado de aguas residuales V = 1 400,00 litros/día

V = 1,40 m3/día

Valores en condiciones críticas de trabajo

Parámetro Nomenc Valor Unidad ComentarioAltura total interna de la fosa Ht= 1,60 mAltura útil interna Hu= 1,35 mBorde libre BL= 0,25 mÁrea superior Asup= 1,72 m2Área inferior Ainf= 0,650 m2Área promedio Aprom= 1,19 m2Volumen útil Vu= 1,60 m3TRH real TRH= 1,14 días Superior al recomendado de 1 día

CUS máxima como sedimentador CUS= 0,20 m/segDOS CÁMARAS CUS= 0,72 m/hr

CUS= 17,28 m3/m2/d

Velocidad de flujo deseable Vu= 0,07 m/segVu= 0,25 m/hrVu= 6,05 m3/m2/d

Factor Máximo Horario FMH= 2,50Caudal Máximo Horario Qmh= 0,194 m3/hr En 18 horas efectivasÁrea resultante por sedimentación As= 0,77 m2Área promedio de medio tanque Ar= 1,19 m2 Mayor que As, bienCUS de cada cámara (para caudal máximo horario) CUS Qmáx= 0,16 m3/m2/hr

3,94 m3/m2/d Menor que 10 m3/m2/dCaudal Promedio Qprom= 0,08 m3/hr En 18 horas efectivasCUS de la Fosa (para caudal promedio) CUS Qprom= 0,07 m3/m2/hr

1,58 m3/m2/d Mucho menor que 10 m3/m2/d

Re-cálculo de tiempos de retención y otros parámetros

Como se observa la unidad cumple con los criterios de diseño de TRH, velocidad ascensional y carga por unidad de superficie CUS aún para condición de caudal máximo horario.

Con las dimensiones del módulo, el volumen útil total es de 1,60 m3, con lo que el tiempo teórico de retención hidráulica (TRH) es suficiente para la ocurrencia de digestión biológica esperada, ya que el TRH mínimo teórico recomendado (Lettinga y otros) es de 20 horas (0,83días) y esta unidad tiene un TRH teórico de 1,14 días (para la condición evaluada de aporte).


6.3 Diseño del FAFA

Volumen del estrato (VE)

Para el cálculo del volumen del estrato se parte del caudal generado para calcular el TRH; tal como se expuso antes, los volúmenes generados de aguas residuales varían según las dotaciones de diseño y de acuerdo con la población atendida en cada caso.

Se parte de las mismas condiciones expuestas en los cuadros 1, 2, 3 y 4, en los que se considera un factor de retorno del 80%.

El tiempo de retención hidráulica mínimo recomendado es de 6 horas. No obstante, en el cuadro 8 se muestran los tiempos de retención resultantes con mayores exigencias de caudal al filtros, los tiempos de retención menores al recomendado implican una eficiencia menor como se observa en el cuadro 10, pero no significa que no funcionen. El volumen total real del filtro es el siguiente:

Calculo de volúmenes:- V1 volumen de material filtrante = 0,530 m3

- V2 volumen de agua en material filtrante = 0,234 m3

- V3 volumen de agua libre (inferior y superior) = 0,025 m3

- VTL volumen total de agua = 0,320 m3

Se calcula el tiempo TRH para cada uno de los casos. Los resultados se muestran en el siguiente cuadro.

Cuadro 8. Tiempos de retención hidráulica para cada caso

Dotación PoblaciónAgua

residual TRH(L/per-d) (per/casa) (L/d) (días) (hr)

200

4 640 0,50 12,005 800 0,40 9,606 960 0,33 8,007 1120 0,29 6,868 1280 0,25 6,00

250

4 800 0,40 9,605 1000 0,32 7,686 1200 0,27 6,407 1400 0,23 5,498 1600 0,20 4,80

300

4 960 0,33 8,005 1200 0,27 6,406 1440 0,22 5,337 1680 0,19 4,578 1920 0,17 4,00

350 4 1120 0,29 6,86


5 1400 0,23 5,496 1680 0,19 4,577 1960 0,16 3,928 2240 0,14 3,43

Carga orgánica volumétrica (L)

El cálculo de la carga orgánica volumétrica se hace a partir de la DBO remanente de la primera etapa, en su condición promedio. En este caso la DBO ingresando a la segunda etapa sería de 75mg/L, que con el caudal promedio significa una carga de:

L= DBOE*10-1/TRH

La carga orgánica volumétrica para cada caso se muestra en el cuadro 9.

Velocidad de filtración (Vf)

Si el área promedio de la unidad es de 0,537m2, si consideramos la porosidad del 50% el área efectiva es de 0,269m2, por lo que la velocidad de filtración para cada caudal se muestra en el cuadro 9. Según los criterios de diseño, esta velocidad debería ser menor de 0,2m/h

Pérdida de carga (Hf)

La pérdida de carga en un lecho de grava está dada por la ecuación:

Sustituyendo los respectivos valores, para las diferentes velocidades, la pérdida de carga también se muestra en el cuadro 9.

Cuadro 9. Cálculos hidráulicos en el FAFA para diferentes condiciones

Dotación Población CaudalCarga

orgánica volumétrica

Velocidad de filtración Pérdida de

carga(L/per-d) (per/casa) (m3/h) (kg/m3-d) (m/h) (cm)

200 4 0,027 15,00 0,099 3,35


Dotación Población CaudalCarga

orgánica volumétrica

Velocidad de filtración Pérdida de

carga(L/per-d) (per/casa) (m3/h) (kg/m3-d) (m/h) (cm)

5 0,033 18,75 0,124 4,196 0,040 22,50 0,149 5,027 0,047 26,25 0,174 5,868 0,053 30,00 0,199 6,70

250

4 0,033 18,75 0,124 4,195 0,042 23,44 0,155 5,236 0,050 28,13 0,186 6,287 0,058 32,81 0,217 7,338 0,067 37,50 0,248 8,37

300

4 0,040 22,50 0,149 5,025 0,050 28,13 0,186 6,286 0,060 33,75 0,223 7,547 0,070 39,38 0,261 8,798 0,080 45,00 0,298 10,05

350

4 0,047 26,25 0,174 5,865 0,058 32,81 0,217 7,336 0,070 39,38 0,261 8,797 0,082 45,94 0,304 10,268 0,093 52,50 0,348 11,72

Como se observa, los valores de velocidad son adecuados (entre 0,124 y 0,348). Por otro lado, los valores de pérdida de carga son poco significativos.

Cálculo de eficiencia

Para el cálculo de eficiencia máxima esperable en el filtro se utiliza la siguiente ecuación:

Donde: E1 = eficiencia de la eliminación DBO para el proceso

W = carga de DBO al filtro, en kg/día

V = volumen del medio filtrante en m3

F = factor de recirculación (en este caso este valor es 1 ya que no hay recirculación)

Sustituyendo valores, el resultado de máxima eficiencia esperable, para cada caso es:


Cuadro 10. Eficiencia máxima esperable para cada caso

Dotación Población Caudal Carga orgánica

Eficiencia calculada

(L/per-d) (per/casa) (m3/h) (kg DBO/d) (%)

200

4 0,027 0,048 92,2%5 0,033 0,060 91,3%6 0,040 0,072 90,6%7 0,047 0,084 89,9%8 0,053 0,096 89,3%

250

4 0,033 0,060 91,3%5 0,042 0,075 90,4%6 0,050 0,090 89,6%7 0,058 0,105 88,9%8 0,067 0,120 88,2%

300

4 0,040 0,072 90,6%5 0,050 0,090 89,6%6 0,060 0,108 88,7%7 0,070 0,126 87,9%8 0,080 0,144 87,2%

350

4 0,047 0,084 89,9%5 0,058 0,105 88,9%6 0,070 0,126 87,9%7 0,082 0,147 87,1%8 0,093 0,168 86,3%

7 Eficiencias esperadas

De acuerdo con los criterios de diseño, las eficiencias esperadas en remoción de parámetros usuales a determinar en aguas residuales, se muestran en el siguiente cuadro.

Cuadro 11. Eficiencias esperadas en la unidad propuesta

Parámetro Eficiencia del tanque (%) Eficiencias en FAFA (%)Máxima Mínima Máxima

Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO) 75 84,9 90,6Demanda Química de Oxígeno (DQO) 65 60 80Sólidos Suspendidos Totales (SST) 85 80 95


De acuerdo con estos porcentajes de eficiencia, si tomamos aguas residuales de características promedio (Cuadro 5) y se le aplican los porcentajes máximos de eficiencia, tendríamos las siguientes concentraciones en el sistema.

Cuadro 12. Concentraciones esperadas en el proceso

Parámetro Unidad Agua cruda ingresando

Salida del tanque séptico Salida del FAFA

Con Eficiencia Máxima

Con Eficiencia máxima

Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO) mg/l 300 75 9,36Demanda Química de Oxígeno (DQO) mg/l 450 157,5 56,25Sólidos Suspendidos Totales (SST) mg/l 300 45 7,5Nota: Valores obtenidos aplicando las condiciones óptimas y las eficiencias máximas

8 Consideraciones finales

La capacidad de la solución considera poblaciones promedio de 4 a 8 personas por vivienda, según diferentes dotaciones de diseño entre 200 y 350 L/per-d y según la frecuencia de limpieza de la unidad. Estas dotaciones son usualmente utilizadas en vivienda unifamiliar de clase media y alta De aumentarse la población, se reduce el tiempo de retención hidráulica y la capacidad general del sistema por lo que debe considerarse un modelo de mayor capacidad.

Los cálculos consideran la utilización de accesorios sanitarios de bajos consumo de agua (ABC)

La extracción de lodo considerada es de uno y dos años (Cuadros 6 y 7)

Resulta especialmente importante la relación largo / ancho del tanque, en este caso, al ser un tanque de forma rectangular, la relación largo/ancho es de 2,2, ya que el recorrido de las partículas permite una adecuada sedimentación, como se confirma en la verificación por carga por unidad de superficie (CUS)

La longitud y diseño general del campo de infiltración dependerán del tipo y calidad del suelo y será un tema del profesional responsable de cada proyecto.

Los resultados finales de calidad del agua consideran condiciones óptimas de operación y han sido calculados con las eficiencias máximas esperables.

9 Referencias bibliográficas

[1] Centro Regional de Ayuda Técnica, AID; “Manual de Fosas Sépticas”; México, 1975

[2] Metcalf & Eddy; Tratamiento y Disposición de Aguas Residuales; Mc Graw Hill, España, 1998


[3] McGhee, Terence J.; Abastecimiento de Agua y Alcantarillado. Ingeniería Ambiental; Mc Graw Hill, Colombia, 1999

[4] A. Ingham, “Discussion- Efficiency of a Septic Tile Field”, Journal of Water Pollution Control Federation, 1977

[5] Moreira, Fernando; “Evaluación de la eficiencia de un reactor anaerobio de flujo ascendente en una planta piloto”; Universidad de San Carlos, Guatemala, 1989.

[6] Rosales Escalante, Elías. Tanques sépticos. Conceptos teóricos base y aplicaciones. Febrero 2003. CIVCO-ITCR

[7] Waste Water Technology - Origin, Collectio, Treatment and Analysis of Waste Water. Institut Fresenius GmbH Forschungsinstitut fur Wassertechnologie, 1988

[8] Crites & Tchobanoglous, Sistemas de Manejo de Aguas Residuales para Núcleos Pequeños y Descentralizados; Mc Graw Hill, Colombia, 2000

[9] Henry & Henke, Ingeniería Ambiental; Prentice Hall; México, 1996

[10] Bernard, O., Hadj-Sadok, Z., Dochain, D., Genovesi, A. y Steyer, J. P. Dynamical Model Development and Parameter Identification for an Anaerobic Wastewater Treatment Process. Biotechnology and Bioengineering 75 (2001) 424-438

[11] Rivas Mijares, G. Tratamiento de Aguas Residuales. Editorial Vega, 1978.

[12] Harrison, J. & Daigger, G. “A comparison of trickling tilter media,” 58th Annual Conference of the Water Pollution Control Federation, Kansas City, Missouri, October 1985

[13] Chudoba, J.; Menéndez, Pérez, Fundamentos teóricos de algunos procesos para la purificación de aguas residuales, Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Ciudad de La Habana, 1986.

[14] Rusten, B.: "Wastewater Treatment with Submerged Biological Filters", JWPCF. Vol. 56. No. 5. 1986

Ing. Fernando Moreira EsquivelMSc. Ingeniería SanitariaIC-3237


ANEXO 1

FUNDAMENTO TEÓRICO DE LA DOBLE CÁMARA


Diseño de 2 tanques en serie (o un tanque de dos cámaras)

Vamos a suponer que trabajamos con un fluido de densidad constante, es decir, el caudal volumétrico de nuestro fluido es constante. Si aplicamos el balance de masa al reactor j de la batería de tanques obtenemos:

En este caso el término de acumulación es cero debido a que suponemos que estamos trabajando en condiciones de estado estacionario.

Los caudales molares de entrada y salida del reactor los ponemos en función de la remoción

sustituyendo en el balance de masa nos queda

reordenando

si hemos comentado anteriormente que la densidad del fluido es constante, la remoción la podemos expresar como

sustituyendo los valores de XAj y XAj-1 en la ecuación de diseño obtenemos


por definición de tiempo espacial

con lo que nos queda

De esta expresión podemos despejar la concentración de la especie A a la salida del reactor j de la batería de tanques

El valor de la concentración dependerá a partir de ahora de la ecuación cinética del proceso que se lleve a cabo en el reactor. Si suponemos que se lleva a cabo una reacción de primer orden

sustituyendo en la expresión anterior

para el primer reactor

para el segundo reactor

para el último de los reactores


si los reactores tienen el mismo volumen el tiempo espacial será el mismo para todos, con lo que podemos escribir

despejando el valor del tiempo espacial

expresión correspondiente al tiempo espacial para un reactor de la batería. El tiempo espacial total será

siendo n el número de reactores de la batería de tanques. Por lo tanto

Si aplicamos la ecuación de diseño a cada uno de estos reactores primer reactor

Si representamos FA0 frente a (-rA), vemos que, para obtener la misma remoción que trabajando con un solo reactor de mezcla completa el volumen total de reactor


necesario es inferior. Por lo tanto con reactores en serie reducimos el volumen total necesario de reactor. Lo mismo aplica si tenemos un solo tanque con dos o más cámaras.

Al aumentar el número de cámaras de en serie disminuimos el volumen total del reactor necesario para obtener una remoción dada.

De acuerdo con lo anterior, si un reactor (llámese tanque séptico o fosa séptica) se calcula con una eficiencia de 70%, tanto para remoción de DBO como de SST (aunque usualmente en este parámetro es mayor), en un tanque de doble cámara para obtener la misma eficiencia se podría reducir el tamaño total entre en un 30%.

Lo anterior significa que, conservadoramente, si se mantiene el mismo volumen, podría recibir un caudal del orden del 30% adicional.

Típicamente y en forma conservadora, la concentración de agua cruda (de ingreso) es del orden de 300mg/L y el efluente resultante (a la salida) es del orden de 90mg/L, esto significa una eficiencia en remoción del 70%

Si suponemos que el tanque tiene un tiempo de retención aproximado de un día (24hr), el caudal máximo que está tratando es del orden de 1,1m3/d.

Hemos dicho que el mismo tanque pero con doble cámara puede procesar al menos 30% más, obteniendo las mismas características de salida.

Si la carga orgánica es directamente proporcional al caudal de entrada, la concentración teórica máxima de entrada (en este ejercicio) sería de:

300mg/L x 1,3 = 390mg/L

De acuerdo con las ecuaciones de masa y con lo que se ha dicho, la calidad del agua de salida sería la misma, o sea 90mg/L

De manera que la eficiencia esperada, en forma conservadora será:

(390-90)/390 = 0,769, en términos prácticos y conservadores un 75%

Esto significa un incremento en la eficiencia de la unidad de

(77- 70)/70 = 0,1 o sea un 10%


ANEXO 2

ESQUEMA DEL SISTEMA TSM 1900DOBLE CÁMARA MEJORADO MARCA STAR

fabricado por Fibromuebles de Costa Rica S.A.

Ojo a los cajetines del plano. Agregar toda la información, los logos y detalle de mamparas.


abreviaturasfibromuebles.com/.../1900_doble_camara_con_fafa.docx · web viewel aporte unitario se...

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