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DISEO HIDRULICO, ESTRUCTURAL, ARQUITECTNICO, ELCTRICO, EQUIPAMENTO E INSTRUMENTACIN DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE TUNJA (BOYAC).

CONTENIDO

51.INTRODUCCIN

82.REVISIN DEL DISEO BSICO

82.1DISEO DE PROCESOS

92.1.1.PARMETROS DE DISEO

152.1.2.DIAGRAMA DE FLUJO

152.1.3.DIMENSIONAMIENTO DE LAS UNIDADES

362.1.4.PERFIL HIDRULICO

362.2LOCALIZACIN TOPOGRFICA DE LA PTAR

362.2.3LOCALIZACIN DE LA PTAR

372.2.4TOPOGRAFA

373DISEO HIDRULICO

383.1INFORMACIN SUMINISTRADA

383.2HIPTESIS DE CLCULO

393.3PROCEDIMIENTO DE CLCULO

413.4CLCULOS HIDRULICOS

413.4.3INTERCONEXIN ENTRE LOS DIFERENTES ELEMENTOS DE LA PTAR

423.4.4DISEO HIDRULICO DEL UASB

473.4.5MEDICIN DE CAUDALES EN LA PTAR

493.4.6DISEO DE LAS LNEAS DE ALIMENTACIN A CADA UNO DE LOS MDULOS DE LA PTAR

503.4.7DISEO DE LA ESTRUCTURA DE DISTRIBUCIN DE CAUDALES

513.4.8DISEO DE LA ESTRUCTURA DE LLEGADA

533.4.9LA TUBERA DE DESCARGA AL RO JORDN

553.5MEMORIAS DE CLCULO HIDRULICO

633.6SISTEMA DE MANEJO DE AGUA LLUVIAS

633.6.1CUNETAS

643.6.2SUMIDEROS

653.6.3SUB DRENAJES

653.6.4RED DE RECOLECCIN DE AGUAS LLUVIAS Y AGUAS PRODUCIDAS EN LOS MODULOS.

663.7MEMORIA DE CALCULO RED DE SPRINKLER UABS

683.8RED DE SUMINISTRO DE AGUA INTERNA MDULO

704DISEO SISTEMA DE MANEJO DE GASES

704.6MANEJO DE GASES METANOGNICOS DEL UASB

704.6.1DISEO RED

734.7MANEJO DE GASES SUPERFICIALES Y CONTROL DE OLORES

765DISEO SISTEMA DE SUMINISTRO DE AIRE

775.6DIFUSORES PARA TRATAMIENTO BIOLGICO

796DISEO DE MANEJO DE LODOS

806.6ESPESADOR DE LODOS

816.7DESHIDRATADOR DE LODOS

827DISEO ARQUITECTNICO

827.6EL PREDIO Y SUS ALREDEDORES

827.7EL PROYECTO

827.7.1CONDICIONES FSICO AMBINTALES

837.7.2EJES Y TENSIONES DE ORGANIZACIN

837.7.3CRITERIOS DE INTERRELACIN DE LOS EDIFICIOS

837.8ESTILO ARQUITECTNICO DEL PROYECTO.

847.8.1DESCRIPCIN DEL PROYECTO ARQUITECTNICO

857.9MODULACION

857.10ALUMBRADO E ILUMINACION

857.11INSTALACIONES

857.11.1EDIFICIO DE OPERACIN

877.11.2CASETA DECANTER

877.11.3CASETA DE SOPLADORES

877.11.4SUBESTACIN ELCTRICA

887.11.5CERRAMIENTO

898DISEO MECNICO

898.6ESTRUCTURA DE ENTRADA

898.1.1MONTAJE REJILLA DE ENTRADA Y BANDA TRANSPORTADORA

908.1.2CLCULO DE PLATINAS DE FIJACIN PARA LA REJILLA

908.1.3CALCULO PERNOS DE FIJACIN

928.1.4PASARELA ESTRUCTURA DE ENTRADA

968.1.5VALVULAS DE COMPUERTA

968.1.6CLCULO DE SLIDOS PARA LA RETENCIN EN LA REJILLA

978.2CLCULO DEL DESARENADOR

978.3ELEMENTOS DE MANEJO DE GAS DEL UASB

978.3.1CUBIERTA

988.3.2PASARELA UASB

998.3.3CLCULO TUBO ESTRUCTURAL

1008.3.4CLCULO ESTRUCTURA DEL APOYO PASARELA

1018.3.5ESFUERZO A FLEXIN

1028.4UNIDADES DE BOMBEO

1028.4.1BOMBAS SUMERGIBLES TANQUE DE LODOS

1048.4.2HIDRONEUMTICO SPRINKLERS

1048.4.3HIDRONEUMTICO RED DE SUMINISTRO

1048.4.4BOMBA DE LODOS

1058.4.5BOMBA DE USO GENERAL

1058.5ESPESADORES DE LODOS

1068.6DESHIDRATADOR CENTRIFUGO

1068.7BARREDOR DEL SEDIMENTADOR

1078.7.1DISEO BARREDOR DE LODOS

1119DISEO ELCTRICO

1119.1METODOLOGA

1129.2CLCULOS

1209.3DISEO DE ELEMENTOS DE CONTROL

12410ESPECIFICACIONES DE OBRA

12410.1ESTRUCTURA DE LLEGADA

12510.2VA DE ACCESO ESTRUCTURA DE LLEGADA Y ZONA DE CARGUE DE RESIDUOS

12710.2.1EXCAVACIONES VA ESTRUCTURA DE LLEGADA

12810.3MDULO 2

12810.3.1ADECUACIN TERRENO MDULO 2

13010.3.2VAS PEATONALES MDULO

13110.4Va de acceso mdulo 2

13310.5Cantidades PTAR COMPLETA

13310.5.1Movimientos de tierra

13710.5.2Cantidades de obra estructuras

17010.7CANTIDADES DE OBRA ELCTRICA

1. INTRODUCCIN

Dentro de la Fase III del Plan Maestro de Alcantarillado para la ciudad de Tunja, Boyac y contando con el lote de terreno ideal para emplazar la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de Aguas Domsticas; la Empresa PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P., contrat a VELZEA LTDA., el diseo de las Alternativa Seleccionada de Tratamiento de las Aguas Residuales para la Ciudad de Tunja.

La planta de tratamiento de aguas residuales - PTAR que se disear tendr una construccin modular para cubrir paulatinamente el crecimiento de la ciudad y permitir la obtencin de los recursos financieros necesarios para una obra de este tamao. El prediseo lo realiz el Ingeniero Consultor ALVARO OROZCO, quien determin el mdulo ptimo de tratamiento y desarroll dos alternativas de tratamiento de las cuales PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P., seleccion el sistema mixto de reactor UASB y aireacin extendida, de acuerdo con el prediseo; del cual transcribimos a continuacin el proceso realizado y los resultados obtenidos.

PREDISEO

Tomando la informacin obtenida por PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P., en las dos fases anteriores del Plan Maestro se procedi a establecer los parmetros de diseo y a realizar el prediseo.

Para efectuar el prediseo de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales, PTAR, de Tunja, se identific la situacin actual, establecindose los caudales de Aguas Residuales, AR, y Aguas de Infiltracin en las condiciones actuales. A continuacin se cuantificaron los caudales futuros de AR y de Aguas de Infiltracin, y se proyect el crecimiento de la poblacin hasta saturacin, teniendo en cuenta los estudios efectuados en el Plan Maestro por PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P. Se defini, para condiciones del prediseo, la poblacin, P, la dotacin, q, el coeficiente de retorno, c, la contribucin de infiltracin, qI, el rea de aferencia, A, etc.

Con la curva de crecimiento de poblacin, se calcul el retardo en la prestacin del servicio de tratamiento de AR, etc., utilizando el anlisis del costo mnimo, para entonces propone una modulacin (unidad bsica de tratamiento) de la construccin de la planta de tratamiento.

Una vez modulada la planta y con la caracterizacin realizada por PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P., se calcul la carga orgnica unitaria, qDBO5 y dems parmetros de diseo.

Se evaluaron varias tecnologas de tratamiento y de acuerdo a criterios de seleccin bien establecidos, se escogieron las dos Alternativas de tratamiento mejor calificadas para unas condiciones de eficiencia superior al 85%.

Para las dos alternativas seleccionadas se efectu el diseo bsico, calculando las unidades hidrulicas y los reactores de tratamiento, lo cual result en un dimensionamiento de cada unidad, la especificacin de los equipos componentes para finalmente concluir con el clculo del costo de inversin y de operacin de cada mdulo de la PTAR.

Una vez comparados los costos de las dos alternativas se establece que el tratamiento combinado de UASB y Lodos Activados con Aireacin Extendida es significativamente ms favorable, por lo que PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P., orden el diseo definitivo de la PTAR con estas caractersticas.Igualmente se realiz, en conjunto con PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P.,, la seleccin del terreno para la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales, PTAR, ubicndose un rea suficiente para la expansin futura de la PTAR a medida que se requiera la construccin de los Mdulos adicionales.

DISEOEn este informe se presenta la ingeniera de detalle de la PTAR, en cuatro volmenes:

1. Revisin del Diseo Bsico, Diseo Hidrulico, Diseo Mecnico y Elctrico, Especificaciones y Costos de Construccin y Operacin.2. Diseo Estructural.

3. Manual de Operacin y Mantenimiento.

4. Planos

2. REVISIN DEL Diseo Bsico

El Diseo Bsico fue realizado en el ao 1999, segn se explic antes. Esta metodologa fue revisada de acuerdo a los ltimos desarrollos metodolgicos, empleando como base los procedimientos de diseo aceptados en la literatura tcnica reciente a la cual referiremos, principalmente la siguiente:

METCALF & EDDY, Wastewater engineering-Treatment and reuse, Fourth Edition, McGraw Hill, International Edition, Boston-USA, 2003.

Orozco Jaramillo, A., Bioingeniera de aguas residuales - Teora y Diseo, ACODAL, Bogot DC Colombia, 2005.

Para le revisin del diseo conceptual se utilizaron modelos en Excel, los cuales han sido entregados en copia digital, y cuya presentacin de salida se muestra en el presente captulo, para explicar el procedimiento de diseo y de operacin de los modelos. El modelo utilizado es CALC-LODOS ACTIVADOS TUNJA-V03.XLS.2.1 Diseo de Procesos

El Diseo de Procesos Biolgicos comprende las siguientes unidades:

a. UASB

b. Reactor Aerobio

c. Aireacin

d. Selector

e. Sedimentador secundario

f. Espesador

Los otros procesos unitarios de la planta son hidrulicos y se presentarn en la seccin correspondiente. A continuacin definiremos los parmetros de diseo que se emplearon para el dimensionamiento de las unidades.

2.1.1. Parmetros de Diseo

2.1.1.1 Caudal de diseo de aguas residuales

El caudal para el diseo de las Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales, (PTARs), se obtiene de sumar los caudales correspondientes a los aportes domsticos y por infiltracin. En estos clculos, los caudales de infiltracin incluyen los aportes por conexiones erradas, excepto las que conectan directamente al alcantarillado. Estas no se incluyen debido a que por la caracterstica del sistema de saneamiento (alcantarillado combinado), todos los aportes por aguas lluvias y de excesos sern aliviados en estructuras de separacin, antes de llegar a la PTAR.

El caudal de diseo promedio se calcular as:QD = QARD + QILos caudales promedio se emplearn para el diseo de los procesos biolgicos, y los caudales mximos para el diseo de las unidades hidrulicas.

Para estimar los caudales mximo de diseo debern afectarse los aportes domsticos e industriales por los respectivos factores de mayoracin. Con los criterios anteriormente expuestos, se estimaron los caudales, en L/s, de AR para la PTAR, los cuales se consignan en el Cuadro 2.1 tomado del informe de prediseo.En el informe mencionado, se calcul la dotacin, q = 131 L/hab.d, la cul se corrigi en el modelo por 100 L/hab.d segn las mediciones ms recientes hechas por PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P.,, suministradas a los CONSULTORES. Para infiltracin se tom qI = 0,13 Lps/ha, medido directamente en el terreno.

Finalmente se calcula el coeficiente de mayoracin. Los caudales mnimos se producen durante la madrugada, cuando el consumo de agua es ms bajo y cuando el caudal circulante se debe a escapes, infiltraciones y pequeas cantidades de AR.

Con el propsito de definir la relacin del factor de mayoracin con respecto al rea de drenaje, se adopt la siguiente relacin, mediante la cual puede obtenerse el caudal mximo a partir del caudal medio, ste ltimo involucra en su clculo a las reas de drenaje.

(2.1)

La ecuacin refleja la estandarizacin del factor de mayoracin, el cual tiene la tendencia a adquirir valores altos para reas pequeas y bajos en reas mayores.

A manera de comprobacin de la anterior ecuacin se toma el factor de mayoracin del cuadro 3.1.2.1. (incluyendo la variacin estndar, del informe de prediseo):

K1K2 = 1.95+0.56 = 2.51

que resulta muy similar a:

QMH/QMD = 6.566 x (570)0.852/600 = 2.57.

Ahora, en Orozco (2005, pp 271 a 272) se encuentra que el valor de q es para el consumo de agua potable, pero aqu estamos interesados es en el caudal de AR. Para calcularlo se emplea una constante c, el coeficiente de retorno, que define la fraccin de agua consumida en una vivienda que va al alcantarillado. Usualmente est entre 0.8 y 0.9. De modo que el caudal de AR producido por una poblacin P ser:

(2.2)

donde 86400 son los segundos del da, para dar el resultado en Lps. Sin embargo un alcantarillado recibe continuamente agua de Infiltracin, presente siempre en la matriz del suelo, bien sea agua fretica o agua de las prdidas fsicas de la tubera de acueducto. La cantidad que recibe el alcantarillado no depende del agua presente en el subsuelo sino de la transmisibildad de ste, como sigue:

QI = qI Aa (2.3)

Donde:QI: caudal de infiltracin

qI: caudal unitario de infiltracin, 0,13 Lps/ha

Aa: rea de aferencia de infiltracin al alcantarillado, ha.

De este modo, el caudal de diseo de procesos de una PTAR domstica, QD, para los procesos ser:

QD = + qI Aa (2.4)

Para los pre-tratamientos y la hidrulica en general, QDH, ser:

QDH = k1k2+ qI Aa (2.5)

Siendo k1 la mayoracin por el caudal mximo diario (Qmaxd/Q), normalmente entre 1,5 y 1,8, y k2 la mayoracin por el caudal mximo horario (Qmaxh/Qmaxd), normalmente entre 1,3 y 1,7. El valor seleccionado para nuestro caso de k1k2 es el de mayoracin dado por la Ecuacin (2.1).

El resumen de los clculos se presenta en la Tabla N 2.1 del informe de prediseo, y en la Tabla N 2.2 del modelo actualizado que se utiliz en la revisin del diseo bsico. Tabla N 2.1: Clculo de los caudales en el prediseo

Tabla n 2.2: clculo de caudales y calidad del AR

Clculo de caudales en el modelo (Tabla N 2.2)a. En la casilla q, introducir la dotacin: 100 L/hab.d, dado por PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P., En la casilla p, introducir la poblacin: 131.387 habitantes, o sea la poblacin de Tunja del ao 2000. El programa calcula QAR.b. En la casilla qI introducir la infiltracin: 0,13 L/s/ha, calculado en el Plan Maestro. El programa calcula QI.

c. En la casilla Aa introducir el rea de aferencia: 2283 ha, de la Tabla N 2.1 en el ao 2000.

d. El programa calcula el caudal con la Ecuacin (2.4), en L/s y m3/h: QT = 448 L/s = 1616,36 m3/h.

2.1.1.2 Calidad de las Aguas ResidualesLa Tabla N 2.2 tambin permite calcular la calidad de las aguas residuales en la PTAR. Para ello se debe medir con mucha exactitud la carga per cpita de DBO5, qDBO= 0,045 kg/hab.d (y de los otros parmetros que se deseen calcular). El valor dado se calcul durante el perodo de elaboracin del Plan Maestro, y se volvi a calcular para las condiciones actuales con una medicin muy precisa, que corrobor el dato que se obtuvo inicialmente. Los consumos per cpita tambin se calcularon para otros parmetros. El modelo calcula las concentraciones a la entrada de la PTAR, teniendo en cuenta la infiltracin, las cules se resumen en la Tabla N 2.3. Hay que tener en cuenta que lo importante es la carga de DBO y no la concentracin, lo mismo que para los otros parmetros.Tabla N 2.3: Concentracin de Parmetros en La PTAR

Clculo de la calidad del agua residual en la PTAR (tabla n 2.2)a. En la casilla qDBO entrar la carga per cpita: 0,45 kg/hab.d

b. El programa calcula carga total, LDBO = 0,45 x p = 5912,415 kg/d.

c. El programa calcula la DBO5 = LDBO / QT, con las unidades apropiadas.

d. Del mismo modo el programa calcula la DQO, los SST, el NTK y el P.

Es importante aclarar que el clculo del PTAR se hace para la carga y no para el caudal. Aunque los mdulos se disean para 120 Lps (segn se determin en el informe del prediseo), en realidad la variable de diseo es la carga, o sea 5912 kg/d para un caudal de 448 Lps (en el caso del clculo de la Tabla N 2), es decir 5912 x 120/448 = 1584 kg/d por mdulo, o mejor para 1548/ 0,045 = 35190 habitantes. En caso de que la concentracin final de la PTAR vare dependiendo de los sectores que se recojan y traten primero (pueden ser ms o menos concentrados segn el rea de aferencia para infiltracin) el nmero de personas a las que se le puede hacer el tratamiento por mdulo ser el mismo, de modo que se podra variar el caudal proporcionalmente.

2.1.2. Diagrama de Flujo

El diagrama de flujo para la PTAR se seleccion durante el prediseo y se modific levemente segn se presenta en la Figura 2.1. Los cambios ms significativos consisten en la inclusin de un selector cintico antes del reactor aerobio, y la incorporacin de diversas posibilidades de recirculacin (al selector o al reactor) y de un by pass del desarenador al reactor aerobio. Una presentacin detallada de la circulacin interna de corrientes de agua, aire, gas metanognico y gas superficial se muestran en los planos N PTT-H07, M10, M11 Y M20 A M27.

FIGURA N 2.1: DIAGRAM DE FLUJO

2.1.3. Dimensionamiento de las Unidades

Para explicar el dimensionamiento de las unidades, haremos uso del programa CALC-LODOS ACTIVADOS TUNJA-V03.XLS. Para cada proceso se har una breve explicacin de los fundamentos tericos y luego se procede a explicar como funciona el modelo. Todos los diseos parten de los clculos de caudales y calidad presentados en la Tabla N 2.2. Se puede observar utilizando el modelo, que variaciones menores en calidad y caudal pueden ser asimiladas por la PTAR con cambios consecuentes en la operacin de la planta.2.1.3.1 UASB

Teora

El reactor UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) se puede disear a partir del procedimiento presentado por METACLF & EDDY (2003, pp 1010) y Orozco (2005, pp 376 a 379). Ver tambin la siguiente bibliografa citada en METCALF & EDDY: Lettinga, G. and W. Hulshoff Pol, UASB design for various types of wastewaters, Water Science and Technology, vol. 24, n 8, pp 87-107, 1991.

Orozco, A., Pilot and full scale anaerobic treatment of low-strength wastewater a sub-optimal temperature (15C) with a hybrid plug flow reactor, Proceedings of the 8th International Conference in anaerobic digestion, vol.2, pp 183-191, Sendai-Japan, 1997.Las variables de diseo para un UASB son la Carga Volumtrica, LV, kg DQOsol/m3.d y la velocidad ascensional, vs, m/h. El tiempo de detencin es una variable no determinante, pues se desprende de las dimensiones calculadas a partir del caudal, la vs y la LV. Sin embargo, para diseos estndar, el tiempo de detencin puede ser una gua.Las ecuaciones de diseo son:

LV = S0.Q/VL

(2.6)

vs = Q/As = Q.HL/VL

(2.7)

Con:S0 = sDQO (DQO soluble)

Q = caudal

VL = volumen de lquido en el reactor

HL = altura de lquido en el reactor

Si Q, S0, Lv y vs estn definidos, se pueden calcular VL y HL. El separador gas-slido-lquido tiene unos diseos predeterminados que dan una altura de HG = 2,5 m. La altura total del UASB ser entonces,

HT = HL + HG

(2.8)

Para el clculo de la produccin de gas se emplea la ecuacin:

VCH4 = 0,35 (1-1,22Y) (dS/dt) V

(2.9)

con:VCH4: volumen de metano producido, L/da Y: coeficiente de produccin, g SSV/gDQO.

dS/dt: tasa de metabolizacin de sustrato, g/m3.da

V: volumen del reactor, en m3.

T: temperatura en C.

0,35: L de CH4 producido por g DQO removido.

Vase Orozco (2005, pp 321).

Diseo con el modelo (Tabla N 2.4)La Tabla N 2.3, es una salida del programa, hoja UASB, utilizado y al cual nos referiremos para explicar el diseo.

De la Tabla 10-12 de METCALF & EDDY se encuentra que para AR con bajos AGV, para 15C, se puede aplicar una LV = 2 sDQO/m3.d para una eficiencia de remocin de sustrato (sDQO) del 85 a 90%.

De la Tabla 10-14 de METCALF & EDDY se encuentra que para Aguas Residuales Domsticas la vs = 0,8 1,0 m/h.

Tngase en cuenta que el clculo de caudales y calidad del AR se hace en la hoja Tanques Orozco cuya parte pertinente se muestra en la Tabla N 2, discutida anteriormente.

Tabla N 2.4: Diseo de Reactor UASB

La metodologa es como sigue:a. El caudal es 120 L/s = 432 m3/h.

b. El sDQO DBO5 = 152,46 mg/L. Esto se desprende del hecho que DQO/DBO5 = 2 (para esta AR) y que sDQO = 50% de la DQO en ARD, es decir, sDQO = DBO5. Estos valores vienen de la hoja Tanques Orozco.c. De las Tablas 10-12 y 10-14 de METCALF & EDDY se seleccionan LV = 2 kg sDQO/m3.d y vs = 0,75 m/h y se colocan en las casillas correspondientes.d. El diseo del separador gas-slidos lquido da una HG = 2,5 m y se coloca en la casilla indicada. e. La eficiencia segn las tablas citadas es de mnimo 85%; colocamos 80% en la casilla. Sin embargo, para el diseo del sistema completo basta con que opere al 50% de eficiencia, lo que da el primer factor de seguridad que va a redundar en la robustez de la PTAR.f. El modelo calcula: As = Q/vs = 576 m2 HL = S0.Q/LV.As = 2,06m de Ecuaciones (2.6) y (2.7). HT = HL + HG = 4,56 m. Sin embargo de hace HT=5,0 m para tener altura para absorber cargas pico.

El gas se calcula con la Ecuacin (2.8) aplicando una participacin del metano del 65%.

g.Las dimensiones del separador y dems se calculan de la Tabla 8.5 de Orozco (2005, pp 377).

2.1.3.2 Reactor Aerobio

TeoraLa teora del tratamiento biolgico parte de tres ecuaciones fundamentales, a saber: (i) remocin de sustrato; (ii) produccin de biomasa; y (iii) consumo de oxgeno. Esta ltima se deja para el clculo de la aireacin, numeral 2.1.1.3.

Para la remocin de sustrato existen dos tipos de ecuaciones que en la prctica producen el mismo resultado:La ecuacin de Eckenfelder que se generaliza a la ecuacin de Lawrence y McCarty:

(2.10).

Con S: sustrato efluente, mg/L

X: concentracin de biomasa, mg/L SSVLM

Y la ecuacin de McKinney

(2.11)

Que se puede generalizar con la siguiente ecuacin (ver Orozco, 2005, pp 178):

(2.12)

Donde KO depende de la edad de lodos, , as:

(2.13)

ConY: coeficiente de produccin, 0,5 para ARD

k0: tasa mxima de remocin de sustrato, 5,0 d-1

ke: constante endgena, 0,05 d-1

kc: constante de saturacin de Contois, 0,025 mg/L

U= =

(2.14)Aunque el modelo utiliza las Ecuaciones (2.12) y (2.13), hoja Tanques Orozco principalmente, hace una corroboracin con la Ecuacin (2.10) de Lawrence y McCarty, hoja Tanques L & Mc.Para el sistema completamente mezclado que se seleccion en el prediseo, las Ecuaciones (2.10) y (2.12), despus de efectuar el balance de masas correspondiente, se reciben, respectivamente, de la siguiente forma:

(2.15)

Con km: constante de saturacin de Monod, 50 mg/L.

(2.16)Para la produccin de biomasa la ecuacin aceptada universalmente es:

(2.16)

Con : edad de lodos, d.Remplazando la Ecuacin (2.12) en la (2.14): U = KOS/X, y remplazando en la (2.16) se recibe:

(2.17)

Para el clculo de la biomasa se emplea, por otra parte, la ecuacin:

(2.18)

Que se puede convertir en:

(2.19)De este modo el diseo para Tanques Orozco es como sigue:

Se propone una (40 d en este caso) y una X (2350 mg/L SSVLM) y se obtiene de Ecuacin (2.19) un td = 5 h y un S = 1,82 mg/L sDQO.Se corrobora el diseo con Tanques L &Mc es como sigue:

Se propone una (40 d en este caso) y una X (2350 mg/L SSVLM) y se obtiene de Ecuacin (2.19) un td = 4,98 h y de Ecuacin (2.15) un S = 3,09 mg/L sDQO.

Con los dos mtodos se obtiene prcticamente el mismo resultado. Para una ampliacin de la teora ver Orozco (2005, pp 173-180).Para el clculo de la Recirculacin, R, se emplea:

(2.20) Si el ndice Volumtrico de Lodos IVL = 125, entonces se recibe:

(2.21)

Aplicacin del modelo (Tablas 2.5 y 2.6)

Para utilizar el mtodo de las Ecuaciones (2.17) y (2.19) nos referiremos a la Tabla 2.5, correspondiente a la salida del programa en la hoja Tanques Orozco. Ntese que parte de la salida de los parmetros de diseo mostrados en la Tabla 2.2, aparecen en ella, pues en esta hoja tambin se hacen los clculos mostrados en la Tabla 2.2.

Por otro lado, esta hoja tambin calcula la dotacin (segn datos actualizado de PROACTIVA AGUAS DE TUNJA S.A. E.S.P.), el selector, los sedimentadores secundario, los espesadores, y los lodos para la centrfuga. Cuando En los apartes respectivos nos referiremos a ellos en base a esta tabla. Recurdese que para este caso, la DBO5 = sDQO (DQO soluble). En el supuesto de una remocin del 50% en el UASB (muy conservadora) la entrada al reactor ser el 0,5 DBO5 calculada.Adems es importante explicar que como ya se seleccion un td = 5 h, si se presentan condiciones nuevas de DBO5 inicial, basta manipular la edad de lodos y la X, para mantener el tiempo de detencin de diseo. O si vara el Q y el td (pues lo que se quiere es prestar el servicio a un nmero de personas, en este caso 35190 hab.) se pueden hacer los ajustes necesarios con el programa.Tabla 2.5: Diseo Reactor Aerobio (Tanques Orozco)

La metodologa para Tanques Orozco es como sigue (colores gris y rojo):g. En QT se introduce el caudal del modulo, 432 m3/h (120 L/s).

h. Se introduce la edad de lodos deseada (TRC = 40 d) la biomasa, X = 2.350 mg/L SSVLM. La DBO5 se calcula como el 0,5 de la inicial (pues se supone que el UASB remueve el otro 50%), es decir 76,23 mg/L.i. Se introduce Y, ke, k0 y kc, dados en la teora y el programa calcula KO.

j. Como los SSVLM son el 80% de los SST, XT, el programa calcula este valor para el diseo de sedimentadores, espesadores, etc.

k. S se calcula con la Ecuacin (2.17) y td con la (2.19), 1,82 mg/L de sDQO y 5 h respectivamente.

l. Se calcula V = Q.td = 2188 m3.

m. Se da una profundidad al reactor, h = 4 m, y se calculan las otras dimensiones y la eficiencia terica.

n. Si se asume un IVL = 125, se aplica la Ecuacin (2.21) y R = 0,58. Sin embargo para seguridad, en el Sedimentador secundario se aplica un R=1,0, como se ver ms adelante.

Estos resultados se ajustan un poco por circunstancias prcticas de diseo y construccin, y por ello no son los que resultan exactamente en los planos de diseo.

La metodologa para Tanques L & Mc es como sigue (ver Tabla N 2.6):

a. En el cuadro gris se entran los mismos parmetros que en los Tanques Orozco excepto el kc que se cambia por el km = 100 mg/L.Tabla N 2.6: Diseo Reactor Aerobio (Tanques L & Mc)

b. El programa calcula S = 3,09 mg/L con Ecuacin (2.15), y td = 4,98 h con Ecuacin (2.18).

c. El programa hace el resto de clculo igual que en la hoja anterior.2.1.3.3 Aireacin

TeoraLa aireacin calcula: (i) los equipos necesarios para suministra el O2 necesario para la bioconversin aerobia; y (ii) el Nivel de Potencia, NP, necesario para mantener la mezcla completa. Para el primer caso emplea las ecuaciones siguientes (ver Orozco, 2005, pp 266 y 267):

A partir del ORR (Oxgeno Requerido Real), se puede calcular la Tasa de Transferencia de Oxgeno a Condiciones Estndar, TTOE,

(2.22)

Dnde:cs:

Oxgeno Disuelto, OD, de saturacin estndar, 9,092 mg/L g/m3.FCA: Factor de Correccin de Altura, sobre el nivel del mar; FCA = 1 (1,17 x 10-4 x msnm).

msnm: metros sobre el nivel del mar de la PTAR.

(:

correccin de transferencia de Oxgeno de Agua Pura a Agua Residual. Depende del AR, pero es alrededor de 0,75.(:

correccin de salinidad, alrededor de 0,95.

csT:

cs a la temperatura del AR

c0:

OD de operacin deseado del reactor, 1 a 2 mg/L

T:

temperatura del AR

1,024(T-20): factor de correccin por T.

El ORR se puede calcular de varias maneras. El programa en la hoja Aireacin emplea la ecuacin de Eckenfelder,

(2.23)

Con a y b, constantes. El programa tambin anticipa consumo de O2 por nitrificacin (NTK) y produccin del mismo por desnitrificacin.

Para los requerimientos aproximados de mezcla se puede utilizar la siguiente ecuacin, (ver METCALF & EDDY, 2003, pp 846):NP = 0,004 XT + 5

(2.23)NP: Nivel de Potencia, kW/1000 m3XT: SST, mg/L.

Aplicacin del modelo (Tabla N 2.7)En la Tabla 2.7 se presenta una salida del modelo para la hoja Aireacin. La aplicacin del modelo es como sigue:a. El caudal viene de las otras hojas que lo calculan. Q = 120 Lps. El volumen se entra en la casilla V = 2316 m3, que debe ser seleccionado despus de tener en cuenta si hay selector y hacer consideraciones de construccin, a partir del volumen calculado en Tanques Orozco. Es un eleccin importante del diseador.

b. En la casilla de profundidad se entra h=4 m. Los valores de X y DBO5 vienen de otras hojas.

c. Se introduce en las casillas correspondientes SST, NH4, NTK, Temperatura, altura sobre el nivel del mar (msnm), edad de lodos y eficiencia.

Tabla N 2.7: Clculo de la Aireacin (Hoja Aireacin)

d. Se seleccionan las constantes: , , a, b. c y d, y los diferentes valores de concentraciones de OD (ci), pero se pueden dejar los sugeridos por el programa. Para hacer lo anterior, el que maneje el programa debe realmente saber lo que est haciendo.

e. El programa calcula las necesidades de aire para un sistema con difusores y la potencia requerida. Para un difusor determinado puede indicar el nmero necesario.

f. El programa tambin calcula los requerimientos para una aireador superficial y su Nivel de Potencia, NP, aproximado requerido.

g. Para un sistema con difusores se requieren 745 para suministrar un flujo de 2978 m3/h de aire. Ello requiere de sopladores con una potencia de 94 HP.

El manejo del programa requiere de conocimiento de la teora de suministro de aire que puede ser revisada en METCALF AND EDDY (2003, pp 430, section 5-12).

2.1.3.4 Selector

TeoraLa principal causa del abultamiento es el predominio de microorganismos filamentosos sobre los no filamentosos. Ver Figura 2.2. Por ello es necesario favorecer el crecimiento de organismos no filamentosos sobre los filamentosos para facilitar la separacin gravitacional en el sedimentador secundario. Como los organismos filamentosos son ms eficientes en CI, para promover el crecimiento de organismos no filamentosos, que son ms sedimentables, se disean unas unidades con bajos tiempos de detencin (de unos 15 minutos) a la entrada del reactor aerobio (especialmente en LACM) que someten a altas cargas los microorganismos promoviendo as el crecimiento de las bacterias esfricas. Luego estas bacterias llevan a cabo el tratamiento completo en el reactor. Estas unidades se conocen como selectores y tienen un diseo cintico (aerobio), y otro metablico (anaerobio, que se puede utilizar tambin para la remocin de nutrientes, N y P).

Figura 2.2: Curvas de crecimiento de bacterias filamentosas y no filamentosas, con el sustrato.

Para el diseo cintico recomienda tres selectores con cargas F/M (en g DQO/g SSLM.d) de 12, 6 y 3. La carga de cada selector incluye en su clculo la biomasa y DQO de todos los anteriores. Ver Orozco (2005, pp 337).Aplicacin del modelo (Tabla N 5, color amarillo)

Para el clculo del selector se aplica el modelo as:

Se entra el tiempo de detencin deseado: tds = 0,33 h = 20 min.

El programa calcula el volumen del selector y lo adiciona al de aireacin para obtener el volumen total del reactor, 142 y 2331 m3 respectivamente.

Se debe comprobar que tenga la F/M adecuada y los requerimientos de O2 que son aproximadamente del 20% del total.

El diseo del selector se observa en el plano PTT-H09.2.1.3.5 Sedimentador secundario

TeoraLa sedimentacin y la flotacin son procesos de gran de gran importancia en el TAR, pues la separacin de los slidos de la masa de agua es parte esencial del tratamiento. En general la sedimentacin se clasifica en cuatro tipos, a saber:

1. Sedimentacin Discreta: tambin conocida como Sedimentacin Tipo I. Se refiere a la sedimentacin de partculas discretas y en baja concentracin, donde las partculas sedimentan en forma individual y sin interferir la una con la otra. Es el caso de la Desarenacin. La teora la explica a travs de la Ecuacin de Stokes, aunque la aproximacin a travs de la TDS (Q/As) es ms utilizada en el TAR.

2. Sedimentacin Floculenta: o sedimentacin Tipo II. Se refiere a la sedimentacin de partculas no muy concentradas pero que tienden a flocular, de modo que la velocidad de sedimentacin de la partcula aumenta con el proceso de sedimentacin. Es lo que sucede en los sedimentadores Primarios y se disea con el parmetro de la TDS:TDS = Q/As

(2.24)3. Sedimentacin Perturbada o de Zona: conocida tambin como sedimentacin Tipo III, ocurre con concentraciones intermedias de partculas, cuando las partculas, en la parte final de la sedimentacin, forman una inter-fase slido-lquido definida. Las fuerzas entre partculas son suficientes para estorbarse unas a otras, permaneciendo en posiciones fijas, una respecto a las otras. Ocurre en los sedimentadores secundarios del tratamiento biolgico de las aguas residuales, y los parmetros que gobiernan el diseo son la TDS y la carga de slidos, Qs Qs =Q(1+R).X/As. (2.25)4. Sedimentacin de Compresin: es la que ocurre cuando las partculas estn sedimentadas y tienen una estructura de partculas ya formada. Esto sucede cuando la concentracin es muy grande, y ms sedimentacin solo puede ocurrir por compresin. Es lo que ocurre en los espesadores y en el fondo de los sedimentadores secundarios. Se conoce como sedimentacin tipo IV y su parmetro de diseo es el Qs.

La sedimentacin secundaria se requiere siempre, en todo TAR. En el tanque secundario de sedimentacin se deben separar los slidos del licor mixto del agua tratada. Normalmente la biomasa contiene un alto porcentaje de la DBO introducida con el agua residual, y si no se separa eficientemente, entonces el trabajo de conversin de la DBO del agua residual en slidos biolgicos se pierde. Es as como un efluente con un alto contenido de slidos suspendidos, SS, contiene asimismo una alta DBO debido a ellos. Este es pues el paso final necesario para tener un efluente bien clarificado con bajo contenido de SS y DBO. Sin embargo, existen en la clarificacin fenmenos de espesamiento y concentracin de lodos, que hacen que este factor sea determinante en el diseo de clarificadores secundarios.

El clarificador secundario debe servir dos funciones bsicas: a) remover los SS del agua tratada y b) espesar el lodo de retorno. Ambas consideraciones deben tomarse en cuenta en el diseo de un clarificador. Adems debe proveerse de un volumen adecuado de almacenamiento para condiciones de flujos picos.Para la sedimentacin se emplean las tasas de sobre-flujo, cargas superficiales o Tasa de Desbordamiento Superficial, TDS segn se quiera llamar, presentados en la Tabla 7.4.

Tabla 2.8: Parmetros de Diseo de Sedimentadores

Estas cargas deben emplearse conjuntamente con el procedimiento para espesamiento, con el parmetro de la carga de slidos, Qs, y as determinar cul es el factor determinante en el diseo del clarificador secundario. Para la carga hidrulica sobre el vertedero puede emplearse un valor entre 125 y 500 m3/d por metro lineal de vertedero. Ver Orozco (2005, pp 290-306).Aplicacin del modelo (Tabla N 2.5, color azul)La aplicacin del modelo es como sigue:

a. Entrar en la casilla TDS = 0,5 m/h de la Tabla N 2.8.

b. Entrar en la casilla Qx = 3 kg/m2.h de la Tabla N 2.8.

c. Entrar el nmero de sedimentadores N = 2.

d. Se selecciona una recirculacin R = 1,0 en este caso,

e. El programa produce el dimetro del sedimentador para las cargas propuestas, aplicando las ecuaciones (2.24) y (2.25). stas pueden ser modificadas a valores menos conservadores. En este caso dio un dimetro de 23,45 m, que se puede modificar un poco por situaciones de construccin y diseo. 2.1.3.6 Espesador

Teora Aplica la misma teora de la sedimentacin de compresin o Tipo IV, que se presenta en el numeral de sedimentacin.

Aplicacin del Modelo (Tabla N 2.5, color verde)

La aplicacin del modelo es simple:

a. Se selecciona de la Tabla N 2.8 el Qs (o Qx) deseado en este caso, 1 kg/m2.h.

b. Se selecciona el numero de espesadores, N = 2.

c. El programa calcula en base la Ecuacin (2.25) el rea y el dimetro necesario. El espesamiento de lodos se trabaja en forma discontinua por lo que se multiplica por 6 la descarga promedia. En este caso nos da 2 espesadores de 5,06 m de dimetro.d. En la cuadro color lila del la Tabla N 2.5 se calcula la cantidad e lodos espesados que al deshidratador. En este caso 3,21 m/d.

2.1.4. Perfil hidrulico

La disposicin topogrfica del lote donde se ubicar la PTAR permite el flujo del agua residual por gravedad, desde la entrada hasta la salida al ro, lo que resulta ser una gran ventaja en el ahorro de energa y equipos de bombeo.

En el captulo de diseo hidrulico (No. 3) se establecer el perfil completo de flujo de agua residual.

2.2 Localizacin Topogrfica de la PTAR

2.2.3 Localizacin de la PTAR

El proyecto se encuentra ubicado en un predio al NorOriente de la ciudad de Tunja. Localizado entre el ro Jordn y la quebrada La Cebolla, en los limites entre los municipio de Tunja y Oicat, colindando con los predios San Rafael y El Triangulo. Las coordenadas del proyecto son:

Norte

Este

Esquina tanque 5

1109.071,1372

1083.613,8974

Esquina tanque 4

1109138,3384

1083770,9715

Esquina tanque 1

1108893,1202

1083875,8845

Esquina tanque 8

1108825,9183

1083718,8087

2.2.4 Topografa

Hacia el costado Sur occidental se caracteriza por ser un terreno en ladera, el cual va cambiando su configuracin hacia el norte con una pendiente promedio del 12% llegando a una semi-planicie aledaa al ro Jordn. Esta tendencia se repite hacia el oriente del lote con una pendiente promedio del 17% llegando al punto mas bajo en la quebrada la cebolla.

Esta configuracin del terreno hace necesario la realizacin de cortes y rellenos relativamente grandes con diferencias de nivel de 18 metros promedio; para tal fin y basados en el estudio de suelos suministrado, los cortes se realizarn con taludes 1 a 1 (45) dejando un quiebre de talud de 3 metros (en planta) para diferencias de altura mayores a 6 metros.

La cota seleccionada para el proyecto fue la 2640, cuya eleccin se realiz teniendo en cuenta que los materiales de corte se reutilicen en los rellenos minimizando la adquisicin de materiales de cantera; As mismo, esta cota minimiza problemas relacionados con inundaciones al encontrase el ro Jordn y la quebrada La Cebolla aledaas al predio de la construccin.

3 Diseo Hidrulico

Este informe presenta los resultados de los clculos hidrulicos de la PTAR de Tunja y se basa en la informacin acopiada por VELZEA. El informe se presenta en seis sub captulos:

Los tres primeros indican la informacin, hiptesis y procedimientos que sirvieron de base para los diseos.

El cuarto sub captulo muestra los clculos realizados, el quinto detalla el perfil hidrulico obtenido.

Finalmente, en los sub captulos sexto y sptimo se anexan las memorias de clculo y los planos.

Los diseos se basaron en el esquema propuesto por el diseador sanitario que contempla la implantacin de ocho mdulos de caractersticas idnticas y que se construirn sobre la margen derecha del ro Jordn.

3.1 informacin suministrada

La informacin utilizada fue:

Levantamiento topogrfico del lote.

Caudales de la primera etapa y de la etapa final del proyecto.

Prediseo de la planta. Dimensiones de el desarenador, tanque UASB, tanque de aireacin, tanques sedimentadores.

Caudales de recirculacin.

Localizacin en planta y elevacin de los mdulos.

Planos de excavacin.

3.2 hiptesis de clculo

Las hiptesis de clculo hacen referencia a los caudales y niveles que sirven de base para los diseos hidrulicos.

Puesto que los clculos se realizan de aguas abajo hacia aguas arriba, el nivel de control es el nivel mximo del ro Jordn. En visita realizada al sitio del proyecto, se inform que el ro ocasionalmente ocupa la vega hasta una elevacin 2536, por lo que para efectos de diseo se supuso que el nivel de descarga del efluente de la PTAR debe estar por encima de la cota 2537. El patio de operacin estar a la cota 2540.

El caudal de la primera etapa ser de 0.12 m3/s, como caudal de diseo con un mnimo de 0.080 m3/s y un mximo de 0.30 m3/s. El funcionamiento hidrulico debe verificarse para el caudal medio, el mnimo y el mximo.

En una primera etapa se debe controlar el caudal en el primer mdulo a 0.12 m3/s con la posibilidad de pasar hasta 0.30 m3/s.

Los caudales de recirculacin son de 0.12 m3/s entre el tanque sedimentador y el tanque de aireacin.

3.3 procedimiento de clculo

El clculo se realiz utilizando las hiptesis de flujo permanente y la repetida aplicacin de la ecuacin de Bernoulli entre las diferentes estructuras de la planta.

Donde,

= elevacin del nivel del agua en msnm

= presin en el punto. Para este caso se toma como referencia la presin atmosfrica y se hace igual a cero.

=cabeza de velocidad en el punto de inters en m

=prdidas entre las secciones 1 y 2. Las prdidas son por friccin y se estimaron utilizando la frmula de Darcy Weisbach, y prdidas locales por accesorios.

La planta cuenta con un nmero de vertederos cuyo clculo se realiz utilizando la expresin:

Donde:

=Caudal en m3/s

=Coeficiente de descarga del vertedero. Se tom un valor de 1.8.

=Longitud del elemento sobre el cual se produce el vertimiento.

=Cabeza sobre el vertedero en m.

Para el clculo de las prdidas por friccin se utiliz la frmula de Darcy Weisbach:

Donde:

=prdidas por friccin en el tramo, en m

=factor de friccin. Se tom un valor constante de 0.022

=longitud sobre la cual se desarrolla la friccin, en m

=dimetro de la tubera, en m.

Las prdidas menores se basaron en el manual INTERNAL FLOW A GUIDE TO LOSSES IN PIPE AND DUCT SYSTEMS

3.4 clculos hidrulicos

3.4.3 Interconexin Entre los Diferentes Elementos de la PTAR

Las memorias de clculo se presentan en el Apndice 1 para los elementos de interconexin entre las diferentes estructuras y se explican por s solas, con la ayuda del diagrama de flujo incluido. Todas las tuberas de interconexin son en 18.

Estos clculos presentan la hidrulica de la interconexin entre:

Los sedimentadores y el tanque de salida

El tanque de aireacin y los sedimentadores El tanque UASB y el tanque de aireacin

La hidrulica entre la canaleta Parshall y el tanque UASB se presenta en el siguiente numeral, dada su complejidad.

El desarenador

La hidrulica entra la cmara de distribucin y el desarenador se presenta en otro numeral.

En todos los casos el procedimiento como se mencion anteriormente, se basa en calcular el nivel esperado en la estructura de aguas arriba, basados en el nivel aguas abajo y en las prdidas por friccin y por los accesorios entre las estructuras.

3.4.4 Diseo Hidrulico del UASB

3.4.4.1 Diseo de las Tuberas de Distribucin

Explicacin especial merece el diseo hidrulico del UASB, para lo cual se desarroll una hoja de clculo con el fin de cumplir las condiciones de diseo, y que se adjunta a estas memorias:

Los caudales a travs de los orificios deben ser tan uniformes como sea posible. Se aceptan desviaciones hasta de un 10% entre el caudal mnimo y el mximo en el tanque.

Cada orificio debe cubrir un rea no mayor de 2 m2 de tanque. Se adopt una separacin entre laterales de 1.38m y entre orificios en cada lateral de 1.38m.

La disposicin de las tuberas de alimentacin al tanque UASB y de los laterales con los orificios se presenta en la figura correspondiente.

Para lograr una distribucin uniforme de la descarga en los orificios se debe minimizar las prdidas entre el lateral ms cercano y el ms alejado (L1 y L19), as como en los laterales mismos.

La hoja se basa en el clculo de las prdidas por friccin y las prdidas inducidas por los codos y las tees de derivacin para los laterales y en cada uno de los orificios. El caudal que descarga cada uno de los orificios se obtiene de la diferencia de nivel entre la elevacin de la lnea de energa inmediatamente aguas arriba del orificio y el nivel del agua en el UASB, a partir de la expresin:

Donde:

=Descarga por el orificio en m3/s

=Coeficiente de descarga del orificio. Se tom un valor de 0.5.

=rea del orificio en m2, teniendo en cuenta la recomendacin antes mencionada.

=Diferencia entre la elevacin de la lnea de energa y el nivel en el UASB

El procedimiento es de tanteos y tiene como objetivo el mantener la diferencia en los caudales en los orificios dentro de un 10% para lograr as un desempeo ptimo del proceso que se desarrolla en el UASB.

La hoja de clculo se desarroll para la primera flauta (lateral) y la ltima flauta. Los resultados obtenidos son:

No. de laterales19 x 2

No. de orificios por lateral8

No. de orificios304 (19 x 2 x 8)

Caudal por orificio 0.0003947 m3/s

Dimetro de los orificios0.05 m

Dimetro de los laterales8

Dimetro de los principales27

Dimetro alimentacin18

Las prdidas entre la canaleta Parshall y el UASB se presentan en la siguiente figura, basada en los resultados de los anlisis realizados con la antedicha hoja de clculo:

E indican que las prdidas son del orden de 0.65m para el caudal mximo esperado de 0.3 m3/s, de 0.1m para el caudal de diseo sanitario de 0.12 m3/s y de 0.05m para el caudal mnimo esperado.

Con base en estos resultados se ajustaron los niveles en el tanque y en la canaleta Parshall.

3.4.4.2 Diseo de las Canaletas Recolectoras

El diseo de las canaletas se basa en que el caudal unitario de vertimiento debe ser inferior a 125 m3/da ml para el caudal de diseo, 0.12 m3/s, y no ms de 250 m3/da ml para el caudal mximo de 0.3 m3/s.

Con base en esto se disearon las canaletas secundarias que resultaron en 2 x 5 canaletas en cada uno de los tanques que vierten a su vez a una canaleta principal.

La metodologa utilizada se conoce como Flujo Gradualmente Variado con descarga creciente cuyos fundamentos tericos se encuentran el clsico libro de V. T. Chow, Open Channel Hydraulics.

La ecuacin para calcular el perfil hidrulico en condiciones de flujo gradualmente variado con descarga creciente, se deriva a partir de la ecuacin de cantidad de movimiento y se expresa as:

Donde:

Variacin de la superficie del agua

Caudal en el tramo anterior al considerado

Caudal en el tramo considerado

Velocidad en el tramo anterior al considerado

Velocidad en el tramo considerado

Diferencia entre la velocidad en el tramo considerado y el anterior

Diferencia entre el caudal en el tramo considerado y el anterior

Pendiente de la lnea de energa

Longitud del tramo considerado.

En la ecuacin en mencin, el primer trmino del lado derecho representa el efecto de las prdidas por impacto, y el segundo la friccin. Este ltimo trmino se calcula a partir de la ecuacin de Manning mediante la siguiente expresin:

Siendo la rugosidad, y el radio hidrulico.

El clculo se efecta mediante un procedimiento de tentativa y error en el que se supone un valor de , el cual genera una profundidad, velocidad y friccin que se comprueban aplicando la ecuacin mencionada. En el caso de flujo subcrtico, como es el de las canaletas del UASB, los clculos se efectan de aguas abajo hacia aguas arriba a partir de la profundidad crtica que se presenta al final de las canaletas en referencia.

Considerando lo anterior, tanto la elevacin de la canaleta principal como la elevacin de las canaletas secundarias del UASB se determinaron de modo que descargaran libremente.

Los clculos se presentan en la hoja de clculo correspondiente y en las figuras siguientes se grafican los perfiles por las canaletas.

3.4.5 Medicin de Caudales en la PTAR

La medicin de caudales en la PTAR se realiza en dos puntos:

En la canaleta Parshall que es un elemento de reconocida precisin para la medicin de caudales por lo que se ha incluido una en cada uno de los mdulos de la PTAR.

La canaleta tiene el doble objeto de medir y controlar el caudal que pasa por el UASB. La funcin de medicin se garantiza con la construccin de una canaleta con dimensiones estndar que se ajuste a la gama de caudales por medir, en tanto de la funcin de control se basa en la operacin de una vlvula que alimenta una tubera que conecta un punto localizado aguas arriba de la canaleta y el tanque de aireacin.

La canaleta Parshall seleccionada tiene una garganta de 12 recomendada para un rango entre 0.010 m3/s y 0.450 m3/s. La curva de calibracin de la canaleta se desarrolla en la hoja de clculo y se presenta a continuacin.

Por otra parte, en la estructura de distribucin se han previsto sendos vertederos de cresta aguda que alimentan cada uno de los mdulos y que permitirn la medicin con una precisin comparable a la de la canaleta Parshall, de la totalidad del caudal que pasa a cada uno de los mdulos.

La ecuacin de un vertedero es:

Donde,

=Caudal que pasa por el vertedero en m3/s

=Coeficiente de descarga del vertedero que toma un valor de 1.8 para vertederos de cresta aguda

=Longitud del vertedero en m

=Cabeza sobre el vertedero incluyendo la cabeza de velocidad en m.

3.4.6 Diseo de las Lneas de Alimentacin a cada uno de los Mdulos de la PTAR

El diseo de las lneas de alimentacin a cada uno de los mdulos est ligada a la estructura de distribucin de caudales.

Las condiciones para su diseo incluyen:

La cabeza disponible est limitada por las condiciones topogrficas del lote, la localizacin de los mdulos y de la tubera del afluente ya construida.

El caudal para el diseo vara entre un mnimo de 0.08 m3/s y 0.30 m3/s y el desempeo debe ser aceptable dentro de todo la gama, con velocidades que no promuevan la sedimentacin y que no excedan los mximos permisibles.

La diferencia de nivel en la estructura de distribucin para la gama de caudales debe ser razonable.

Para el anlisis se desarrollo una hoja de clculo muy simple en la cual, basada en la distribucin en planta de lo mdulo, se adelantaron los anlisis de varias opciones, llegando a la conclusin que el dimetro ms conveniente para las conducciones es de 18. El clculo se bas en calcular para caudales de 0.080 m3/s y 0.30 m3/s, la cabeza necesaria para llevar el agua desde la estructura de distribucin hasta cada uno de los mdulos, dada una localizacin de la estructura de distribucin, definida por el esquema de la planta.

La figura siguiente presenta los resultados del anlisis donde se grafican los niveles para los caudales mximos y mnimos.

3.4.7 Diseo de la Estructura de Distribucin de Caudales

La estructura de distribucin de caudales es un elemento de importancia en el adecuado funcionamiento de la planta. La estructura debe ser flexible y simple de operar y debe garantizar una equidistribucin de los caudales.

La estructura adoptada se basa en una distribucin frontal en octavas partes del caudal afluente a la PTAR, mediante la implantacin de vertederos de cresta aguda colocados a la misma elevacin, y con aducciones de un tamao adecuado. El caudal que pasa por los vertederos descarga aun pozo, en el cual la elevacin que adquiere el agua es funcin del caudal y en ningn caso ahoga el vertedero, garantizando una descarga libre y as, una correcta medicin de los caudales.

La estructura est provista de vlvulas de compuerta en las tuberas que alimentan los mdulos, y cuya operacin deber realizarse cuando salga el mdulo de servicio.

3.4.8 Diseo de la Estructura de Llegada

La estructura de llegada debe cumplir con los siguientes requisitos:

La estructura debe estar en condiciones de regular el caudal afluente a la PTAR, independiente del caudal que llega a esta. Se debe tener presente que el sistema de alcantarillado es combinado y que son de esperarse en tiempo de lluvia, caudales muy superiores a los mximos sanitarios.

La estructura debe permitir una operacin adecuada en la primera etapa cuando slo un mdulo est en operacin, y dar la flexibilidad para ir incrementando el caudal una vez se implementen los mdulos siguientes.

La estructura adoptada se basa en controlar los caudales por medio de orificios que se pondrn en servicio en la medida que la capacidad de la planta est en condiciones de procesar los caudales. La estructura tiene ocho pares de orificios, diseados de tal manera que por uno de ellos pase un caudal de 0.12 m3/s y por el otro 0.18 m3/s para un caudal combinado por pareja de 0.30 m3/s. Los excesos se vierten por un rebosadero que descarga sus aguas al ro Jordn.

Los clculos hidrulicos se basan en suponer un caudal afluente y definir la elevacin y longitud del rebose para controlar un caudal determinado hacia la planta. El clculo se basa en la ecuacin de un orificio:

Donde:

=Descarga por el orificio en m3/s

=Coeficiente de descarga del orificio. Se tom un valor de 0.5.

=rea del orificio en m2, teniendo en cuenta la recomendacin antes mencionada.

=Cabeza sobre el eje del orificio.

Para lograr un control adecuado de los caudales es necesario contar con una longitud de vertimiento apreciable, de manera de minimizar las variaciones de la cabeza sobre el orificio.

La ecuacin del vertedero de rebose es la misma del vertedero de cresta aguda antes citada, pero el coeficiente de descarga vara entre 1.7 y 2.4, dependiendo de la geometra. Para los clculos de la PTAR se supuso un coeficiente de 1.8 m/s

Los resultados de la aplicacin de la ecuacin se desarrollan en la hoja de clculo y se presentan a continuacin.

Los clculos hidrulicos de los orificios se basan en la aplicacin de la relacin antes presentada para estas singularidades.

3.4.9 La Tubera de Descarga al Ro Jordn

Los caudales de exceso vertidos en la estructura de entrada y control se conducen hasta el Ro Jordn mediante un sistema de tuberas y pozos de cada convencionales.

El diseo de la tubera se bas en el criterio que el flujo se mantuviera en rgimen subcrtico, con velocidades mnimas de 0.70 m/s y velocidades mximas de 3.0 m/s. Como caudal mximo se adopt una descarga de 5 m/s.

Con base en lo anterior, y buscando que las profundidades de excavacin fueran como mximo de 5 m, se determin un dimetro de la tubera de 1.6 m con una pendiente de 0.3%.

Es de anotar que para prevenir problemas de socavacin, al final de la tubera se ha previsto la colocacin de una estructura de descole la cual finalmente entrega las aguas al ro en un ngulo de 45 con respecto a la direccin del cauce.

el perfil hidrulico de la planta

La figura siguiente resume los resultados de los clculos en la forma del perfil hidrulico de la PTAR de Tunja.

3.5 MEMORIAS DE CLCULO HIDRULICO

ESQUEMA FLUJO ALIMENTACIN DEL UASB

3.6 SISTEMA DE MANEJO DE AGUA LLUVIAS El sistema de manejo de aguas lluvias est constituido principalmente por cuatro tipos estructuras:

Cunetas tipo I y II

Sumideros

Red de subdrenajes

Red de recoleccin de aguas lluvias y aguas producidas en los modulos.

3.6.1 Cunetas

Se disearon dos tipos de cunetas denominadas tipo 1 y tipo 2, ubicadas paralelas a los ejes de las vas de acceso tanto de la planta como a la estructura de llegada. De la misma forma se ubicaron sobre el talud de corte en el sector Occidental del terreno. Estas cunetas tienen por objeto la recoleccin de las agua lluvias providentes de las vas de acceso, el talud del costado Occidental y de los mdulos, para tal fin, las vas y el terreno donde quedarn los mdulos debe garantizar una pendiente del 0.5% con el fin de obtener un buen drenaje de agua lluvias.Las cunetas tipo 1 se localizaron paralelo a las vas en donde no existe cruces vehiculares, en aquellos sitios donde existe algn tipo de interseccin (entrada de vehculos al desarenador) se ubicaron las cunetas tipo II que brindan un mejor comportamiento tanto estructural como hidrulico.

De la misma forma la cuneta tipo II se ubico perimetralmente a los mdulo obteniendo un mejor comportamiento antes las aguas provenientes del talud.

Las condiciones de operacin a flujo lleno (borde libre 5 cm.) se presentan a continuacin:

3.6.2 SUMIDEROSEstas estructuras tienen por objeto la recoleccin aguas lluvias provenientes tanto de las cunetas, as como la recoleccin de aguas subterrneas provenientes del sistema de subdrenajes.

Las dimensiones de las estructuras son: Alto: variable entre 1.30 y 1.50 m

Largo: 1.28 m internos

Ancho: 0.63 m internos

El sumidero presenta un volumen sobre su parte inferior diseado como colchn para mitigacin de impactos directos de agua lluvia sobre la losa de fondo, as como deposito temporal de residuos que debern ser removidos regularmente dependiendo de las caractersticas de operacin del sistema de drenaje.En total se instalaron 12 sumideros recolectando agua lluvia del talud, vas y mdulos. 3.6.3 Sub drenajes

Consistente en un sistema de filtro que recoge las agua por intermedio de una tubera en PVC perforada en el sector medio inferior. Los detalles de materiales y caractersticas en general se observan posteriormente.

3.6.4 Red de recoleccin de aguas lluvias y aguas producidas en los modulos.

La red de recoleccin esta constituido por tuberas en concreto reforzado clase II de 1 y 1.5 m de dimetro interno, que recogen las aguas provenientes de de los sumideros y del proceso de tratamiento de cada uno de los mdulos para fu final vertimiento en la Q. las Cebollas. Las caractersticas del diseo se presentan a continuacin:

Los clculos de las estructuras de recoleccin de aguas lluvias se realizaron asumiendo un nivel de aguas del ro Jordn el cual fue la cota de 2636.5 msnm.

Suponiendo una pendiente del 0.1%, las cotas del nivel de agua en la Q cebollas en los puntos de salida de las tuberas son 2636.6 y 2636.8.

Las cotas de las tuberas se determinaron poniendo el eje horizontal a la elevacin del nivel del agua en la Q Cebollas, es decir a las cotas 2636.6 y 2636.8

Con las cotas anteriores, las cotas de fondo para tuberas de 1.5 m de dimetro a la salida en la Q Cebollas son 2635.85 y 2636.05

La capacidad hidrulica a tubo lleno se calcul mediante la frmula de Manning, con un coeficiente de rugosidad de 0.016. Los caudales incluyen los aportes de los sumideros.3.7 Memoria de calculo red de sprinkler uabsLa red de suministro de agua al interior del UASB tiene por objeto impedir la formacin de slidos o la tambin conocida galleta sobre las gargantas de salida de gas metano. La red consta de una bomba que succiona el agua del tanque de salida y lo dirigen hacia el tanque UASB por intermedio de una tubera de 1 , esta tubera de subdivide en 6 tuberas de 3/4 que entran directamente a cada garganta del UASB. Cada tubera de 3/4 esta provista de 8 sprinklers que inyectan el agua en un solo sentido minimizando al formacin de slidos (se adjunta especificaciones del fabricante).

Los requerimientos de los sprinklers son los siguientes:

Caudal: 0.03 L/s Presin: 2.1 Bares

Altura dinmica total de la bomba es de 24.02 m. con un caudal de 1.44 L/s.

Los sprinklers que mejor se ajustan a las caractersticas de la red son de la marca Rain Bird modelo 15CST con una presin de trabajo de 2.1 Bar, caudal de 0.03 L/s y rea de accin de 1.2 * 4.6 m (ver especificaciones tcnicas).

3.8 Red de suministro de agua interna mdulo

Con el fin de suministrar agua para mantenimiento de cada una de las unidades de tratamiento, se tiene prevista una red de agua cuyo origen es al tanque de salida. La red brindara servicios a:1. Foso UASB

2. Desarenador (suministro areo)

3. Decanter

4. Espesador de lodos

5. Tanque de aireacin (control de espumas)

6. Foso UASB

7. Tanque de aireacin

8. Caseta de sopladores

9. Tanque de lodos (suministra de la misma forma a caja de agua residual proveniente del edificio de control y operacin).11. Tanque de aireacin (control de espumas)

12. Tanque de aireacin (control de espumas)

Las memorias de clculo se anexan a continuacin:

Altura dinmica total: 28.52 m, caudal de 1.44 L/s.

La red cuenta con 4 aspesores instalados del tipo Rain Bird con una presin de trabajo de 2.5 Bar, radio de operacin de 10.40 m, caudal de 0.09 L/s.Teniendo en cuenta que la descarga de agua residual proveniente del edifico de operaciones ser baja en sus inicios, se hace necesario suministrar agua de la red interna del modulo de forma manual mnimo 4 veces al da, de tal forma que la acumulacin de slidos y olores se mnima durante el transcurso del da.

Las caractersticas de los equipos de los equipos de bombeo son similares, por lo tanto debe instalarse dos equipos en el tanque de lodos, la especificacin del equipo se observan en las fichas tcnicas posteriores.

4 Diseo Sistema de Manejo de Gases

Como ya se menciono anteriormente, en el reactor anaerobio UASB se producen reacciones las cuales liberan principalmente el llamado biogs compuesto esencialmente por Metano (CH4) y gas carbnico (CO2) y en menor proporcin acido sulfhdrico (H2S). Estos gases producidos deben ser separados, recogidos, secados, quemados o inyectados de acuerdo al tipo de gas, proceso que se explicar a continuacin:

4.6 Manejo de Gases Metanognicos del UASB

El biogs formado en la parte baja del tanque hace que el floculo o grnulo de lodo se infle y ascienda hacia la superficie, en este trayecto, el floculo chocar con la estructura denominada rombo haciendo que los gases se separen.

El gas metano viaja hacia el exterior de las tolvas a las denominadas gargantas. All es conducido hacia una tubera de recoleccin de gases que lo dirige al tratamiento de gases.

El tratamiento consta de una trampa de sedimentacin, una vlvula atrapa llamas, una vlvula de alivio de presin y finalmente el quemador. Es necesario aclarar que la produccin de gas metano es muy baja por ende es necesario tener previsto una pipa de gas GLP para mantener constante la combustin del mismo.

4.6.1 Diseo red

Para el diseo de la red se tienen los siguientes parmetros:

Presin interna en el tanque= 101.32 KPa

Caudal: 60 m3/h = 0.016 m3/s

Densidad = 1.3 Kg/m3Viscosidad dinmica = 0.0001027 Pois

Viscosidad cinemtica (m2/s) = 0.0000079 m2/s

El diseo de la red se realiz con las ecuaciones de transporte de fluidos compresibles:

Ecuaciones generales:

,

Donde:

Q: Caudal

V: Velocidad

A: rea

D: Dimetro de la tubera

Ecuacin de Hazen-Williams para gases:

Donde:

f: factor de friccin

P: presin (atm)

T: Temperatura en la tubera: (K)

To: Temperatura ambiente (287 K)

P= Presin de suministro (2*Po)

Po = Presin baromtrica del ambiente (Tunja 2782 msnm, Po=0.71 atm)

Q = Caudal (m3/seg.)

D = Dimetro (m)

La longitud aproximada de la tubera es de 107.35 m y el gas se transportara por tubera de PVC (coeficiente de rugosidad 0.01 mm), se asumen perdidas del 10% por rugosidad y accesorios.

El procedimiento de clculo se describe a continuacin:

Se asume una velocidad inicial. Para este caso 1 m/s

Con la velocidad y la ecuacin general se haya el dimetro

Se calculan perdidas, 10% de la longitud de la tubera

Se haya el numero de Rynolds

Se haya la rugosidad relativa (e/d)

Con el nmero de Rynolds, la rugosidad relativa y los nomogramas de Moody se haya el factor de friccin f

Con la ecuacin de Hazen-Williams se determina la velocidad y se comprar con la inicial, el procedimiento es iterativo hasta encontrar la velocidad definitiva. La siguiente tabla resume los resultados obtenidos:

El dimetro seleccionado para la tubera principal de conduccin es 4, teniendo en cuenta los datos obtenidos y los requerimientos para asegurar un buen montaje. Para la salida de las gargantas (6 salidas por garganta) se selecciono un dimetro de 2, la recoleccin de estas tuberas se har en 3, que conducirn a la tubera principal.

4.7 Manejo de Gases superficiales y Control de Olores

El proceso de produccin y ascenso del H2S es similar al descrito con el metano, la diferencia radica en que este gas asciende al interior de las tolvas razn por lo cual la superficie del tanque UASB deber estar cubierto impidiendo su salida, al ser este gas un foco de mal olor. Este gas ser recolectado en los domos (ver capitulo de cubiertas del UASB), y mediante un proceso de extraccin inyeccin ser tratado en el tanque de aireacin oxidndolo.

El procedimiento para el clculo de la red es similar al obtenido con el metano:

Esta red contar con una caseta denominada de control de olores, en donde ser ubicado un equipo denominado separador de goticulas cuyo objeto es la separacin del vapor de agua que viene con el H2S y as impedir la formacin de H2SO4 perjudicial para la operacin normal de la red; Se colocarn dos equipos sopladores (ver especificacin equipos), uno de ellos en stand-by, para la inyeccin del gas en el tanque de aireacin.

La tubera de salida de los sopladores se realiza en 2 PVC, se entierra hasta llegar al tanque de aireacin donde existe un pasamuros para su entrada. Dentro del tanque se colocar una tubera de 4 conectada a 10 difusores para su inyeccin dentro del tanque.

Los difusores dispuestos son iguales a los de suministros de aire por lo tanto en este capitulo no se har mencin de ellos. Las especificaciones de lo equipos se mencionan en un capitulo posterior.5 Diseo Sistema de Suministro de Aire

Para el requerimiento en el suministro aire se opto por colocar dos equipos sopladores (ver especificacin equipos) y uno adicional en stand-by que alimentarn dos tuberas (6) de salida de aire, l cual es inyectado al tanque de aireacin. Cada lnea de aire (6) se divide dentro el tanque en seis tuberas de 4, de las cuales una de ellas va al selector. A su vez, cada lnea de 4 se divide en dos lneas que dirigen el flujo hacia los difusores, sectorizando la distribucin.

El tanque de aireacin esta dividido en dos sectores uno de ellos denominado selector cuyo objeto es la concentracin de oxigeno (alrededor del 20% del total) promoviendo el crecimiento de organismos no filamentosos que son sedimentables.

Las tuberas principales de distribucin sern en hierro fundido o acero galvanizado teniendo en cuenta las altas temperaturas que se presentan a la salida de los sopladores. Dentro del tanque, el material de las tuberas en cambiado a PVC teniendo en cuentas su menor costo y que las altas temperaturas se mitigaran al encontrase sumergidas las tuberas, por lo cual, no se ven afectadas por este fenmeno.

Cada tubera principal (6) contara con una vlvula de cortina y cheque a la salida de los sopladores. La vlvula tiene por objeto independizar los sopladores previendo posibles reparaciones sin afectacin del suministr de oxigeno; el cheque impide la entrada de aire a los sopladores cuando ste no se encuentre operando.

Las tuberas de distribucin (6, 12 e total) estarn provistas de vlvulas de cortina, de tal forma, que cada sector pueda ser independizado en caso de mantenimiento sin afectar en gran medida la operacin normal del tanque.

En resumen se tiene:

Dos tuberas principales de distribucin de 6

Tres juegos de vlvula de cortina y cheque para cada soplador

Cada tubera de 6 se divide para el suministro de aire en 6 tuberas de 4 (total 12) cada una provista de una vlvula de cortina para aislamiento de flujo

A su vez, cada tubera de 4 se divide en dos tuberas de 4 que dirigen el aire a los difusores. En total se tienen 24 lneas de tuberas de difusores, cuatros de ellas dirigidas al selector.

5.6 Difusores para Tratamiento Biolgico

Los difusores son elementos fabricados en polipropileno provistos de un disco de membrana perforada que reciben el flujo de aire de las tuberas y lo inyectan al tanque en forma de micro-burbujas.

De acuerdo a los diseos, para transferencia de oxigeno necesario se requiere de 800 difusores topo Nopon PIK 300, distribuidos de la siguiente manera:

40 difusores por lnea en el selector para un total de 160, transfiriendo aproximadamente el 20% de aire a este sector.

32 difusores por lnea para el resto del tanque para un total de 640 difusores.

Teniendo cuenta la longitud de la tubera y la cantidad de difusores por lnea los soportes se dividieron de la siguiente manera:

18 soportes por lnea en el selector para un total de 72

16 soportes por lnea en el resto del tanque para un total de 320

La especificacin de los sopladores se presenta en un capitulo posterior.

6 Diseo de Manejo de Lodos

Los lodos producidos principalmente en los sedimentadores se conducirn por tubera (10 PVC) al tanque de lodos, cuyo caudal promedio es de 60 L/s. As mismo y de manera espordica del tanque UASB se extraer un volumen de 57.2 m3 de lodos que llegarn de igual forma a este tanque, el caudal de diseo es de 7.95 L/s de acuerdo al tiempo de vaciado, estimado en dos horas.

Los lodos contenidos dentro del tanque se tratarn de dos formas. La primera de ellas es la denominada recirculacin hacia el tanque de aireacin cuyo objetivo es el de lograr las condiciones ideales en el licor contenido en el tanque de aireacin para obtener la mxima eficiencia de remocin, sta recirculacin se realizar con un sistema de bombeo con una tubera de 12 en PVC, con una caudal promedio de 120 L/s.

El segundo de ellos consiste en un sistema de espesado, el cual consta de dos instalaciones; el espesador de lodos y el equipo centrfugo (deshidratador de lodos). Este proceso se realiza una vez se hayan estabilizado los lodos primarios y secundarios producidos en la instalacin, y el objetivo principal consiste en liberar de agua los lodos a concentraciones entre el 20 y 30% de slidos totales para pasar a su disposicin final en el relleno sanitario. La conduccin se realiza por intermedio de un sistema de bombeo (tanque de lodos espesador de lodos) con una tubera de 8.

Los clculos detallados de produccin de lodos son los siguientes, conforme a lo establecido en el modelo de clculo:

Produccin de lodos

Produccin de lodos sedimentador (1%)Q. sedimentador = Px/0.01= 160,73/0,01= 16,07 m3/da Produccin de lodos espesador (5%)

Q. espesador = Px/0.05 = 160,73/0,05 = 3.21 m3/da Produccin centrifuga (20%)

Q. centrifuga = Px/0.20= 160,73/0.20 = 0.80 m3/da

En el modelo de trabajo el valor de Px. se altero con un factor de 6 para el espesador de lodos, ello indica que el proceso de espesamiento de lodos se realizar durante un lapso de tiempo de 4 horas. Como se puede observar el volumen de lodos esperado para un da es 0.80 m3 el cual es almacenado en 6.6 Espesador de Lodos

Consiste en una estructura metlica elevada conformada por un tanque circular de entrada de 5.8 m interno que dirige los lodos hacia una tolva. Los lodos al tener una densidad mayor que la del agua se depositan en la parte baja de la tolva desplazando el agua hacia la parte superior. De all los lodos depositados son conducidos por gravedad con una tubera de 4 al equipo centrfugo (deshidratador de lodos) tambin llamado decanter.6.7 DESHIDRATADOR de Lodos

El proceso de deshidratacin est calculado para evacuar la produccin de lodos de un da 1 hora efectiva, de tal manera que la produccin total de 8 mdulos se podr evacuar con un secador en 10 horas promedio teniendo en cuenta perdidas de tiempo y adecuacin del decanter con un flujo de 4 m3/h. Para este fin se tiene estimado la utilizacin de 0.5 Kg./h de polielectrolito diluido en 270 L de agua, para un caudal de 0.27 L/h de polielectrolito. Las especificaciones del equipo de deshidratacin (decanter) se presentan posteriormente.

7 Diseo arquitectnicoMediante la valoracin de las reas necesarias y su conjugacin con la planta de tratamiento se determinaron los espacios principales e intermedios para el uso del terreno. De tal forma que contribuyan a establecimiento de los ms altos estndares de desempeo laboral.

En cuanto al edificio de operacin se localiza estratgicamente para jerarquizar la operacin y el control de toda la planta de tratamiento. Ubicndose en el acceso principal del terreno de la misma.

7.6 EL PREDIO Y SUS ALREDEDORES

Las determinantes del sector no influyen decisivamente en el diseo, excepto en el caso de los accesos. La implementacin y la configuracin volumtrica estn supeditadas especialmente a la influencia de la planta de tratamiento y al aprovechamiento de las condiciones del terreno, (topografa, acceso y vistas) lo que sugiere el carcter mismo del proyecto, l cual debe ser austero y significativo.

7.7 EL PROYECTO

7.7.1 Condiciones Fsico Ambintales

El proyecto esta asentado sobre un lote de topografa irregular.

Las edificaciones estn orientadas con un sentido adecuado, respondiendo a la asoleacin y ventilacin.

El proyecto se desarrolla dentro de un rea de calma verde, colaborando con la actividad que all ser desarrolla.

7.7.2 Ejes y Tensiones de Organizacin

La va a Oicata constituye una determinante paramental bastante importante, conformando el primer eje La va de acceso a la planta constituye el segundo eje de tensin

La va interna que va a la zona de cargue es el tercer eje de consideracin.

7.7.3 Criterios de interrelacin de los edificios

La orientacin y la forma de las edificaciones est obedeciendo a los ejes de tensin como tambin a la articulacin y organizacin de la planta de tratamiento.

El edificio de operacin valora la relacin y facilita la vinculacin desde la planta.

Las actividades compatibles entre edificaciones se desarrollan respectivamente en el sector de la planta.

Los volmenes se volcn hacia la planta de tratamiento para dar escala a sta, estructurarla y valorarla correspondiendo a las condiciones del sector.

7.8 estilo arquitectnico del proyecto.

El proyecto, desarrollado en forma integral, obedece a determinantes funcionales. Son pocos los trazos que arman y estructuran los volmenes inscribindolos entre las lneas modernas. De otro lado, fue llevado a cabo con una arquitectura limpia y expresiva acorde con el entorno.

7.8.1 Descripcin del proyecto arquitectnico

El proyecto est integrado por las siguientes edificaciones:

Edificio de operacin

Caseta Decanter

Caseta de Sopladores

Subestacin Elctrica

El diseo de las anteriores edificaciones corresponde a una gran sencillez y eficiencia constructiva porque permite acudir a recursos existentes en la regin. Es as, como la conformacin de los volmenes arquitectnicos y de los diferentes espacios construidos permite una mxima aireacin, ventilacin e iluminacin natural. Adems, un componente obligado en este proyecto fue el manejo de la buena acstica y la proteccin contra ruidos logrndose niveles de confort. De otro lado, es fcil la identificacin de los elementos arquitectnicos que conforman la volumetra total del proyecto.

Las especificaciones generales de materiales, siguiendo los preceptos mencionados anteriormente, son las siguientes:

La estructura (columnas y vigas) en concreto a la vista.

La mampostera como las alfajas en ladrillo a la vista.

La cubierta en Ajover trapezoidal super termo-acustic.

7.9 MODULACIONLa relacin armnica entre edificaciones se logra proporcionando todas las mquinas y equipos necesarios para deducir un mdulo, con base en este antecedente se dan relaciones mtricas en la concepcin del diseo arquitectnico.

7.10 ALUMBRADO E ILUMINACION

En el alumbrado se otorg mayor importancia a la calidad de la superficie iluminada. Se trataron los siguientes conceptos:

Las fuentes luminosas son apartadas de la visual y se evitaron los contrastes entre fuentes de brillo intenso y penumbra, las lmparas a utilizar son todas de luz directa, logrndose en los locales los valores requeridos para los diferentes tipos de trabajo.

El flujo luminoso que penetra por las ventanas solo incide en una parte de la superficie de los locales y el resto es enviado por reflexin a toda la superficie de los sitios. Lo anterior es logrado por la dimensin y disposicin de las ventanas y su localizacin y orientacin en las edificaciones.

7.11 INSTALACIONES7.11.1 Edificio de operacin

Se determinaron las caractersticas de los espacios en cuanto a superficie, altura y relaciones de dependencia entre los mismos.

Se acord el sistema de construccin tradicional.

La edificacin cuenta con una rea de 150.80 m2 incluyendo cubierta, esta dividido en los siguientes espacios:

Almacn: rea de 18.67m2

Cuarto de control : rea de 18.67m2

Oficina: rea de 10.35 m2

Recepcin: rea de 5.00 m2

Bao Oficina: rea de 1.40 m2

Laboratorio: rea de 16.25 m2

Baos: rea de 7.87 m2 por genero (Femenino y Masculino)

Circulacin perimetral de 1 ml de ancho.

En cuanto a las instalaciones sanitarias se contaron con los siguientes elementos:

Retretes

Vestuarios

Baos de ducha

Las puertas de los retretes deben cerrarse por dentro, y se abrirn por fuera por medio de una llave de tubo.

Numero Necesario:

1 retrete de cubeta:

Por cada 20 a 25 personas

1 urinario o un urinario de canal de 1 m:

Por cada 20 a 25 Hombres

1 lavamanos ancho de plaza de 0.50 a 0.60 cm: Por cada 3 a 7 Operarios

1 ducha con trabajo sucio:

Por cada 15 Operarios

(Neufert Ernest. Arte de proyectar en arquitectura. Editorial Gustavo Gili S.A. Barcelona 1969 Pg. 294)7.11.2 Caseta Decanter

Se siguieron los preceptos de diseo del edificio de operacin, la solucin a este espacio fue determinada por el tamao de los equipos, la relacin entre los mismos, el acceso de stos al rea, como tambin los espacios necesarios para circulacin y reparacin de los mismos.

La caseta cuenta con una rea de 79.82 incluyendo cubierta

7.11.3 Caseta de Sopladores

Por ser una edificacin con equipos especiales en cuanto a tamao y produccin de ruido, este espacio tuvo vital importancia en el aislamiento acstico, logrndose una alta amortiguacin del sonido. En cuanto al diseo del espacio se determin por el volumen de los tres sopladores, el acceso al rea, el espacio necesario de circulacin y reparacin del equipo.

La caseta de sopladores cuenta con una rea de 86.95 m2 incluyendo cubierta.

7.11.4 Subestacin Elctrica

Es determinada bsicamente por el volumen de la subestacin elctrica, el acceso para cambio o reparacin, los criterios de circulacin y aislamiento.

El rea con que cuenta la subestacin es de 20.00m2 incluyendo cubierta, sin embargo esta instalacin esta a nivel de prediseo.

7.11.5 Cerramiento

Se tiene previsto un cerramiento en malla eslabonada de calibre 10 y altura 1.95 m. apoyada sobre una viga de amarre en concreto reforzado (acero para refuerzo longitudinal y 1/4 para estribos separados cada 0.30 m.) seccin de 0.30 * 0.50 m, deber ser apoyada sobre terreno natural compactado en caso de encontrar suelo con buenas caractersticas mecnicas. La malla tiene incluido:

Postes (tubera galvanizada de 2) separados 3 cada tres metros

Diagonal de refuerzo en tubera galvanizada (2)

Tensor de alambre calibre 8 exterior recubierto en PVC

Malla eslabonada calibre 8 recubierta en PVC

Alambre de pa galvanizado calibre 14

8 Diseo MECNICO

8.6 ESTRUCTURA DE ENTRADA8.1.1 MONTAJE REJILLA DE ENTRADA Y BANDA TRANSPORTADORA

El montaje de estos elementos fue diseado teniendo en cuenta las especificaciones dadas por los fabricantes, as con las condiciones de operacin dentro de la PTAR.

Para las bases de fijacin, as como los pernos de anclaje de la rejilla de entrada se tuvieron en cuenta los siguientes datos:

DIMENSIONES BSICAS

Alto (m)8.8

Largo(m)2.6

Ancho(m)4

Peso aprox. (Kg)2800

Para la banda transportadora:

DIMENSIONES BSICAS

Alto (m)1.2

Largo(m)4.0

Ancho(m)0.5

Peso aprox. (Kg)300

8.1.2 CLCULO DE PLATINAS DE FIJACIN PARA LA REJILLA

Estas platinas sern empleadas para facilitar el anclaje de la rejilla al concreto y permitir que esta opere bajo condiciones seguras. Estarn sometidas a esfuerzo cortante.

Material a emplear: Acero ASTM A-36

8.1.3 CALCULO PERNOS DE FIJACIN

El anclaje de la mquina ser realizado mediante pernos de fijacin. Todas las roscas de los pernos son gruesas tipo UNC.

Tornillos y pernos de fijacin ASTM A490

Clculo de pernos de fijacin:

Falla por cortante

fs = a As

a = Esfuerzo cortante permisible

As = rea sometida a cortante

Ns = Nmero de pernos

Carga de seguridad aproximada de pernos sometidos a cortante

Dimetro (in)Carga de seguridad (kgs)

3/8122

7/16169

1/2218

9/16

Nmero de pernos =16

Peso aproximado rejilla 2.8 Ton

Se seleccionaron pernos de in, de anclaje expansivo, ref. Hilti HDA

ConexinTamao (in)Dimetro mayor bsico (in)Hilos por pulgadarea de esfuerzoLongitud

(mm)

Anclaje rejilla1/20.500130.141955

Sujecin banda1/40.25160.0845

Caractersticas pernos de anclaje

Falla por tensin

W = Ancho de la placa

N = Nmero de agujeros

Dh = Dimetro del agujero

En estructuras, Dh = D + 1/16 in D = 2 mm

Tornillos y pernos de fijacin ASTM A490

Para conexin de apoyo sin roscas en el plano de cortante = 40 KSI (cortantepermitido)

8.1.4 PASARELA ESTRUCTURA DE ENTRADA

La funcin de esta pasarela es permitir el transito por la parte superior de la estructura, esto para facilitar la operacin y mantenimiento de los diferentes elementos ubicados all.

El diseo de la pasarela se realiz con una carga de 300 Kg. Previendo que tenga que soportar.

La pasarela cuenta con una baranda que rodea su permetro para garantizar la seguridad de las personas que transiten sobre ella.

Se seleccion la lmina de alfajor (espesor 5mm) debido a su costo y facilidad de montaje y mantenimiento.

SELECCIN DE PERFILES DE APOYO PARA PISO EN ALFAJOR

Viga

Longitud 5.25 m

La carga estar distribuida uniformemente, lo que genera que el momento mximo se efecte en el centro de la viga.

La carga a la que estar sometido el piso corresponde al peso de la banda transportadora y el peso de los operarios encargados de realizar mantenimiento e inspeccin a los equipos.

Momento mximo: 16455.25 Nm

Seleccin del perfil

Donde:

MF = momento flector mximo

S = mdulo de la seccin transversal.

Material a utilizar: ASTM A36

Se utilizar un factor de diseo N = 8, por estar sometido a cargas repetidas

Se seleccion perfilera en C, debido a la facilidad para el montaje de la estructura y se hizo teniendo en cuenta el mdulo de seccin requerido.

Perfil Seleccionado:

C4 x 5.5

Clculo de soldaduras de unin entre perfiles:En todas las uniones se emplear el mismo tipo de soldadura, con electrodo 6010. Se escogi este electrodo porque es el ms adecuado para el material que se va a soldar.

Soldadura de filete.

Ecuacin esfuerzo cortante en uniones soldadas

P = Carga

l = Longitud de la soldadura

t = Garganta

Garganta: 1/8 in

t = 0.707 (1/8) = 0.0883 in

l = 4 in + 1.75 in + 1.75 in = 4.5 in

tension = 60000psi

cortante = 18000psi

A tensin: P = 60000psi*4.5in*0.0883in = 23841lbf A cortante:P = 18000psi*4.5in*0.0883in = 7152.3 lbf

Soldadura ngulos de refuerzo para montaje de piso

Garganta: 1/8 in

t = 0.707 (1/8) = 0.0883 in

l = 2in+2 in +2 in = 6 in

A tensin: P = 60000psi*6in*0.0883in = 31788lbf A cortante:P = 18000psi*6in*0.0883in = 9536.4 lbf

8.1.5 VALVULAS DE COMPUERTA

Las vlvulas se seleccionaron a partir de los dimetros obtenidos de los clculos hidrulicos, as como las condiciones de operacin requeridas en la PTAR.

Datos Generales:

Material Hierro fundido ASTM A278-84

Tipo Espigo o brida

Sellos en bronce

Columna de maniobra general

Juego de gua y portaguia para el vstago

Vstago en acero inoxidable

Tiempo mnimo de cierre de vlvula para evitar problemas de golpe de ariete o succin 2 minutos. 8.1.6 clculo de slidos para la retencin en la rejilla

8.2 CLCULO DEL DESARENADOR

8.3 ELEMENTOS DE MANEJO DE GAS DEL UASB

8.3.1 CUBIERTA

La funcin de la cubierta es contener los gases superficiales del UASB, causantes de los malos olores en las plantas de tratamiento, pudiendo extraerlos fcilmente y oxidarlos en el tanque aerobio.

La cubierta estar dividida en cinco secciones, cada una compuesta por 13 mdulos con forma de domos, dos finales con tapa y 11 intermedios. La unin se har mediante tornillos de x2 y un empaque de neopreno esponjoso de x 3, los cuales irn fijados a unas pestaas que sobresalen del domo. El anclaje al concreto se har tambin mediante tornillos de 1/2x4, que a su vz irn fijados a las pestaas laterales que sobresalen del mdulo.

Las dimensiones de los domos fueron determinadas buscando que estos fueran autoportantes, fciles de manipular y que pudieran apoyarse sobre las vigas canales de concreto exteriores del UASB, aprovechando el sello de agua producido por estas. (Ver plano PTT-M29-M30)

El material seleccionado fue resina de polister reforzada con fibra de vidrio, con un acabado liso exterior y rugoso interiormente. Este material lo hace resistente a la atmsfera corrosiva presente en el tanque y capaz de resistir una carga viva de 200Kg/m2.

Se emplear tubera estructural como soporte de la estructura, la cual ir anclada al concreto mediante pernos de fijacin. El montaje del piso se har sobre ngulos mediante

8.3.2 Pasarela UASBEsta pasarela est diseada para permitir el transito por la parte superior del UASB y facilitar el mantenimiento de las cubiertas de fibra de vidrio.

Se seleccion lmina de alfajor de 5mm de espesor.

La pasarela est divida 5 secciones e ir unida a las vigas canales exteriores del UASB, las separacin entre apoyos ser de 2m, con refuerzo transversal en ngulo cada 1m.

8.3.3 Clculo Tubo EstructuralMaterial: Acero estructural ASTM A-36, lmite de fluencia 248MPa.=36000psi

Longitud=0.32m

Donde:

L/r = Razn de esbeltez

Cc= Coeficiente de transicin

F.S= Factor de seguridad

A partir de estos clculos y teniendo encuentra el tipo de montaje a realizar se seleccion tubo estructural de 2 de dimetro

Material: Acero estructural ASTM A-36, lmite de fluencia 248MPa.

8.3.4 Clculo Estructura del Apoyo PasarelaLa estructura de apoyo se realizar mediante ngulos, los cuales estarn sometidos a flexin.

8.3.5 Esfuerzo a FlexinEl material a usar ser acero estructural ASTM A-36 con un lmite de fluencia de 248MPa, el factor de seguridad para elementos sometidos a flexin es de 0.6, por lo tanto se trabajar con esfuerzo admisible de 148.8MPa.

Se seleccionaron ngulos de 2x2x1/4.

Adems de est estructura se ubicarn refuerzos transversales para evitar que la lmina de alfajor se flecte.

8.4 UNIDADES DE BOMBEO8.4.1 BOMBAS SUMERGIBLES TANQUE DE LODOS

Estas bombas fueron seleccionadas de manera que puedan conducir los lodos desde el tanque hasta los espesadores, as como permitir su recirculacin desde el tanque de lodos hacia el tanque de aireacin.

Se han seleccionado dos equipos para suplir toda la recirculacin de acuerdo con el caudal (60 L/s) y cabeza de diseo (7 m) en la siguiente figura se observa la curva de la bomba. Por ser las bombas un equipo crtico en la operacin, se dispone de la instalacin de una bomba adicional para que se alterne con las dos de diseo.

Una de las bombas contar con un variador de velocidad que permitir manipular el caudal. (Ficha tcnica variador y bomba sumergible)

8.4.2 HIDRONEUMTICO SPRINKLERS

Esta bomba est diseada para suministrar el caudal necesario a los sprinklers para la remocin de la galleta que se forma dentro del UASB.

Est ubicada en el tanque de salida y bombear agua hacia el UASB, el caudal apox. es de 1.44 l/s.

8.4.3 HIDRONEUMTICO RED DE SUMINISTROEst diseado para alimentar la lnea de rociadores que remueven la espuma dentro del tanque de aireacin y para suministro de servicios generales del modulo.

Funcionar intermitentemente, de acuerdo a los requerimientos de la planta

8.4.4 BOMBA DE LODOS

Est bomba se requiere para alimentar el secador centrfugo, respondiendo a comandos sincronizados con el secador. En la siguiente figura se observa la curva de seleccin de la bomba.

8.4.5 BOMBA DE USO GENERAL

Est bomba ser utilizada para realizar el desage del UASB de cada uno de los mdulos, por lo que no cuenta con una ubicacin especfica.

8.5 ESPESADORES DE LODOS

Fueron diseados para espesar y almacenar los lodos producto del proceso y de ah llevarlos al secador para su deshidratacin.

Constituye una estructura metlica conformada por tanque y tolva que est soportada por perfiles en ngulo.DIMENSIONES BSICAS

Alto (m)6.4

Dimetro(m)5.8

Peso aprox. (Kg)9300

8.6