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Sección 2
Diseños Básicos del Sistema de Tratamiento
Seleccionado
Tabla de Contenidos
2.1.
Descripción del Proceso de Lodos Activados con Alimentación Escalonada
................................................................................................................. 1
2.2.
Criterios de Diseño para el Sistema de Lodos Activados con Alimentación
Escalonada .............................................................................................. 3
2.2.1 Reparto de Caudal a la Entrada de los Tanques de Lodos
Activados .......................................................................... 3
2.2.2 Tanques Lodos Activados ................................................. 3
2.2.3 Sistema de Aireación ........................................................ 4
2.2.4 Criterios de Diseño de los Clarificadores Secundarios ...... 6
2.2.5 Cargas Hidráulicas y de Sólidos en los Clarificadores
Secundarios ...................................................................... 6
2.2.6 Concentraciones y Cargas de Diseño ............................... 7
2.3.
Componentes del Diseño Básico .............................................................. 8
2.3.1 Topografía ........................................................................ 8
2.3.2 Estudio de Suelos y Geotecnia ......................................... 8
2.3.3 Dimensionamiento de los Procesos de Tratamiento ......... 8
2.3.4 Prediseños Hidráulicos ..................................................... 8
2.3.5 Prediseños Electromecánicos e Instrumentación .............. 9
2.3.6 Prediseños Obras Civiles .................................................. 9
2.3.7 Prediseños de Arquitectura y Paisajismo ........................ 10
2.3.8 Prediseños de Control de Olores .................................... 10
2.3.9 Planos de Anteproyecto del Diseño Básico ..................... 10
2.3.10 Memorias de Cálculo del Diseño Básico ......................... 10
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Índice de Cuadros
Cuadro 2.1 Parámetros de Diseño del Afluente ................................................... 2
Cuadro 2.2 Criterios de Diseño Lodos Activados con Alimentación Escalonada . 4
Cuadro 2.3 Criterios de Diseño Sistema de Aireación ......................................... 5
Cuadro 2.4 Criterios de Diseño Clarificadores Secundarios ................................ 6
Cuadro 2.5 Cargas Hidráulicas y de Sólidos para los Clarificadores Secundarios7
Cuadro 2.3.6 Cargas esperadas en el Afluente Secundario ............................... 7
Cuadro 2.3.7 Concentraciones y Cargas esperadas en el Efluente Secundario . 7
Índice de Figuras
Figura 2-1 Alternativa de lodos activados con alimentación escalonada.......................... 1
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2.1.Descripción del Proceso de Lodos Activados con Alimentación Escalonada
La alimentación escalonada es una modificación del proceso convencional de Lodos
Activados con flujo pistón en donde el agua residual clarificada se introduce al reactor
en 3 o 4 puntos de alimentación para conseguir un valor F/M (alimento/microorganismos) uniforme y en consecuencia disminuir el pico en la demanda de
oxígeno. Generalmente se usan tres o más canales paralelos.
Una de las ventajas más importantes de este proceso es la flexibilidad operativa que
permite cambios en la distribución de la alimentación de aguas residuales al reactor
para ajustarse a las condiciones de operación del momento.
El proceso de Lodos Activados con Alimentación Escalonada consiste en un arreglo de
lodos activados típico con una configuración de flujo modificada. Esta configuración de
flujo permite que el efluente primario sea introducido en la línea del proceso en diferentes puntos a lo largo del tanque de aireación. Un esquema del patrón de flujo de este
proceso a nivel de ejemplo se indica en la Figura 3-3.
Figura 2-1
Alternativa de lodos activados con alimentación escalonada
Dentro de las ventajas de este proceso se incluyen:
 Una mayor cantidad de sólidos pueden mantenerse en la parte frontal del tanque de
aireación, permitiendo que la PTAR opere a un mayor Tiempo de Retención de Sólidos (SRT).
 La operación a un mayor SRT puede mejorar la eficiencia y permitir la transición
hacia las operaciones del proceso de Remoción Biológica de Nutrientes (BNR) que
la PTAR requerirá para cumplir las normas futuras de remoción de nutrientes.
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 Una concentración de sólidos menor se presenta al final del tanque de aireación,
disminuyendo la Tasa de Carga de Sólidos en los tanques de sedimentación secundaria.
 Durante los eventos de tiempo húmedo, los caudales pueden ser dirigidos hacia el
final de tanque de aireación eliminando la perdida de sólidos en el mismo.
El Proceso de Lodos Activados con Alimentación Escalonada es comúnmente utilizado
en varias plantas de tratamiento de aguas residuales a nivel mundial. Por ejemplo,
Hazen and Sawyer ha suministrado con su experiencia, los servicios de consultoría al
Departamento de Protección Ambiental de la ciudad de Nueva York - New York City
Department of Environmental Protection (NYCDEP) ejecutando las tareas de optimización en varias de sus plantas con este proceso.
A continuación se presentan los parámetros básicos de diseño para el dimensionamiento de los tanques de aireación y los clarificadores secundarios del sistema de tratamiento de lodos activados con alimentación escalonada, seleccionado para la expansión de
la PTAR Cañaveralejo.
En el Cuadro 2.1 se presentan las concentraciones de DBO5 y de SST, las relaciones,
factores pico y caudales para el año 2035, horizonte de diseño del proyecto en cuestión.
Los parámetros que se presentan a continuación fueron sometidos a discusión durante
varios talleres en los que participaron el Consultor, EMCALI, y en algunas ocasiones,
ciertas entidades como la CVC, el DAGMA y la Universidad del Valle.
Cuadro 2.1
Parámetros de Diseño del Afluente
Parámetro
2035
3
8493,0
Caudal Medio en Tiempo Seco, m /s
3
Caudal Medio en Tiempo Húmedo, m /s
DBO5, mg/L
DBO Soluble, mg/L
10950,8
205,2
92,3
DQO, mg/L
430,9
DQO Soluble, mg/L
150,8
SST, mg/L
213,7
SSV, mg/L
136,8
NTK, mg/L
31,6
PT, mg/L
Alcalinidad, mg/L
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4,3
148,0
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DQO/DBO5
2,1
SSV/SST
0,6
DBO5/NTK
6,5
DBO5/PT
48,0
Factor Pico Máximo Mensual (Caudal en tiempo seco)
1,40
Factor Pico Máximo Semanal (Promedio del caudal máximo
mensual y máximo diario en tiempo seco)
1,61
Factor Pico Máximo Día (Máximo horario en tiempo seco)
1,92
Las estructuras propuestas serán diseñadas para cumplir las cargas máximas mensuales de diseño para el año 2035, conforme a las discusiones sostenidas en los diferentes
talleres de discusión. Algunos equipos, como el sistema de aireación y los sopladores
serán verificados para las cargas máximas semanales y máximas diarias cuando así lo
amerite. Es importante mencionar, que para el año 2020, fecha aproximada para el inicio de la construcción de la segunda etapa de la expansión, algunos de los equipos de
procesos alcanzarán el final de su vida útil y estarán programados para ser reemplazados. Para esta fecha, la necesidad de reparar, reemplazar, modificar o expandir las estructuras y equipos existentes deberá ser evaluada y confirmada de acuerdo a las condiciones actualizadas (reales) de caudales y cargas.
2.2.Criterios de Diseño para el Sistema de Lodos Activados con Alimentación
Escalonada
El conjunto de tanques de lodos activados constituye el elemento más importante del
sistema de tratamiento secundario, en dichos tanques tiene lugar el crecimiento y retención de una suspensión de microorganismos que transforman los constituyentes orgánicos biodegradables, así como ciertos componentes inorgánicos del agua residual, en
nuevas células y productos intermedios.
2.2.1
Reparto de Caudal a la Entrada de los Tanques de Lodos Activados
El efluente de todos los clarificadores primarios será descargado a través de una tubería
común que lo conducirá hacia los tanques de lodos activados. Se propone construir dos
(2) baterías independientes de lodos activados, cada una con cuatro (4) tanques de
aireación. En el sistema de conducción se instalarán dos (2) estructuras hidráulicas para
dividir y dirigir el caudal en cantidades iguales a las dos baterías de reactores.
2.2.2
Tanques Lodos Activados
El sistema de tratamiento biológico consistirá de tanques convencionales de lodos
activados, los cuales incluirán zonas anóxicas seguidas por los tanques de aireación.
Los criterios de diseño para los tanques de lodos activados se pueden encontrar en el
Cuadro 2.2. El diseño propuesto consiste de ocho (8) biorreactores de flujo pistón
organizados en dos baterías, cada una compuesta de cuatro (4) biorreactores.
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Las zonas anóxicas a la entrada de cada biorreactor abarcarán aproximadamente el
30% del volumen total de cada uno de estos y consistirán de una celda con mezcladores verticales de álabes de alta eficiencia (tipo “hydrofoil”) o mezcladores verticales del
tipo hiperbólico (hyperboloid).
Paredes o pantallas de separación serán dispuestas para permitir, a través de un paso
libre con poca pérdida de carga, el paso de espumas. La edad del lodo (o tiempo de
residencia celular) para el sistema será de 5,5 y 6,2 días operando bajo condiciones de
carga Máxima Mensual (MM) y Promedio Anual (PA), respectivamente.
La concentración de SSLM en los biorreactores será de aproximadamente 2.400 a
2.600 mg/L.
Cuadro 2.2
Criterios de Diseño Lodos Activados con Alimentación Escalonada
Parámetro
Alimentación Escalonada,
Flujo Pistón
8
Configuración
Número de biorreactores
Volumen, cada tanque, m
Valor
3
16,545.2
3
132,361
Profundidad lateral lámina de agua, m
6.9
Volumen, Total, m
Tiempo de retención hidráulica (td) total, horas
Zona anóxica
td mínimo en zona anóxica, minutos
Tipo de mezcladores en el zona anóxica
Potencia de entrada mínima en el mezclador de la zona
3
anóxica, W/m
Distribución de caudal para alimentación escalonada (Paso A, Paso B, Paso C, Paso D)
Concentración de diseño SSLM (mg/L)
4.7
1 celda por paso / 4 por
reactor
89
Mezclador vertical de
álabes o del tipo hiperbólico
2.0
20%, 40%, 30%, 10%
2,600
Tiempo de residencia celular (θc) bajo carga MM, días
5.5
Tiempo de residencia celular (θc) bajo carga PA, días
6.2
Temperatura mínima mensual, °C
24
2.2.3
Sistema de Aireación
El sistema de aireación consistirá de difusores de membrana de burbuja fina y
sopladores centrífugos de una etapa o varias etapas (aún por definir). Los criterios de
diseño para el sistema de aireación se pueden encontrar en el Cuadro 2.3. Los
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sopladores serán dimensionados para proveer el máximo flujo de aire de acuerdo a los
siguientes criterios:
■ Capacidad bajo carga Máxima Mensual (MM), para mantener concentraciones
de oxígeno disuelto (OD) > 2 mg/L;
■ Concentraciones de OD > 1,5 mg/L bajo carga Máxima Semanal (MS);
■ Concentración de OD > 0,5 mg/L bajo carga Máxima Diaria (MD).
El número y tamaño de los sopladores serán seleccionados de manera que el flujo de
aire podrá ser reducido lo suficiente para proveer el mínimo aire requerido para el
mezclado de los biorreactores con solo la mitad de los tanques en funcionamiento.
El caudal del aire mínimo será confirmado en el diseño final para los caudales y cargas
de diseño iniciales durante la noche, Lo que se monitoreara con control automático de
OD.
Los sopladores serán controlados automáticamente en función de la presión del
sistema. Habrá válvulas manuales de control de flujo de aire para cada zona ubicadas
en cada conducto bajante. Se instalará un mínimo de ocho bajantes (u ocho zonas de
difusores por cada biorreactor).
Cuadro 2.3
Criterios de Diseño Sistema de Aireación
Parámetro
Tipo
Número mínimo de grillas (zonas) de difusores por reactor
Esquema de diseño de los difusores
Base de diseño del flujo de aire, kg O2/kg DBO5
Flujo de aire mínimo de mezcla, m3/hr/m2 de área del reactor
3
Valor
Membranas de burbuja
fina
8
Distribución uniforme en el
fondo del tanque
1.15
4.06
Flujo de aire mínimo, m /hr/difusor
0.95
Alfa (αF), promedio
0,50
Beta
0,95
Elevación, m
1000
Temperatura máxima del aire °C
24
Concentración de OD bajo condiciones MM, mg/L
> 2,0
Concentración de OD bajo condiciones MS, mg/L
> 1,5
Concentración de OD bajo condiciones MD, mg/L
> 0,5
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2.2.4
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Criterios de Diseño de los Clarificadores Secundarios
El Cuadro 2.4 presenta los criterios de diseño de los clarificadores secundarios. Como
se indica en este cuadro, el caudal de diseño del sistema de recirculación de lodos
activados será igual al 100% del caudal de diseño, es decir 8.5 m3/s. La estación de
bombeo de los lodos activados recirculados constará de dos (2) pozos húmedos
independientes (uno para cada batería de lodos activados). Los pozos se
interconectarán a través de una tubería que incluirá una válvula de aislamiento. Las
bombas serán seleccionadas para proveer el caudal de diseño con una unidad fuera de
servicio.
Cuadro 2.4
Criterios de Diseño Clarificadores Secundarios
Parámetro
Número
Tipo
Valor
36
Rectangular de Flujo Horizontal
Largo x ancho
73.1 m x 5.7 m
Profundidad, m
6.8 m
Mecanismo de Remoción de Lodos y Espumas
Carga hidráulica superficial máxima a caudal
3
promedio – 8.5 m /s
Carga hidráulica superficial máxima a caudal
3
pico – 16 m /s
Carga de sólidos máxima a caudal promedio
Carga de sólidos máxima a caudal pico
(1)
RAS , Capacidad de diseño
RAS, concentración
Raspadores tipo Cadena
3
2
3
2
24.6 m /m .d
47.2 m /m .d
2
128.06 Kg/m .d
2
186.82 Kg/m .d
3
8.5 m /s (100% del Caudal de
Diseño)
0,5 a 1,5%
(1) Lodos Activados Recirculados, (RAS, Recycled Activated Sludge, por sus siglas en ingles)
2.2.5
Cargas Hidráulicas y de Sólidos en los Clarificadores Secundarios
El Cuadro 2.5 muestra la carga hidráulica superficial (CHS) y la carga de sólidos de los
clarificadores secundarios para los distintos caudales de diseño (basándose en una
concentración del licor mezcla de 2.600 mg/L). Como se puede apreciar en el Cuadro
2.5, estas cargas están por debajo de las cargas de diseño propuestas en el Cuadro
2.4, siendo la carga de sólidos bajo condiciones de caudal promedio la carga dominante
en el diseño.
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Cuadro 2.5
Cargas Hidráulicas y de Sólidos para los Clarificadores Secundarios
Parámetro
Promedio Anual
Máximo Mensual
Máximo Semanal
Máximo Horario Tratamiento
Secundario
(1)
Caudal
3
(m /s)
8.5
11.9
13.7
RAS
3
(m /s)
8.5
8.5
8.5
CHS
3
2
(m /m .d)
16.3
8.5
43,6
21,8
27,2
31,6
Carga de Sólidos
2
(Kg/m .d)
128.1
153.7
167.23
(1)(2)
186.8
(1) Calculada asumiendo 72 clarificadores secundarios en funcionamiento
(2) Calculada con base a una concentración del licor mezcla de 2.600 mg/L
2.2.6
Concentraciones y Cargas de Diseño
El Cuadro 2.3.6 muestra las concentraciones y cargas esperadas en el afluente
secundario, de acuerdo a los resultados de BioWin (Ver Sección 1 – Simulación en
Computador de la PTAR-C del Producto No. 5). El Cuadro 2.3.7 presenta las cargas
esperadas en el efluente secundario.
Cuadro 2.3.6
Cargas esperadas en el Afluente Secundario
Promedio
Máximo
Máximo
Parámetro
Mensual
Semanal
Anual
Máximo
Diario
DBO5 (Ton/día)
105.40
147.64
169.89
202.25
SST (Ton/día)
62.74
87.88
101.12
120.39
DQO (Ton/día)
202.37
283.47
326.19
388.32
NT (Ton/día)
23.21
32.52
37.42
44.54
PT (Ton/día)
3.14
4.39
5.06
6.02
Cuadro 2.3.7
Concentraciones y Cargas esperadas en el Efluente Secundario
Promedio
Máximo
Máximo
Máximo
Parámetro
Mensual
Semanal
Diario
Anual
DBO5 (Ton/día)
4.22
5.91
6.80
8.09
SST (Ton/día)
9.41
13.18
15.17
18.06
DQO (Ton/día)
32.38
45.36
52.19
62.13
NT (Ton/día)
7.20
10.08
11.60
13.81
PT (Ton/día)
1.76
2.46
2.83
3.37
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2.3.Anexos del Diseño Básico
El desarrollo de los diseños referenciales se hizo bajo los siguientes 10 componentes:
Anexo 2.1 - Topografía
Se realizó el levantamiento topográfico con Estación Total Electrónica y Nivel de
Precisión de la PTAR-Cañaveralejo, incluyendo las profundidades de los ocho
sedimentadores, las 2 cadicas, estación de bombeo, desarenadores y puntos de nivel
sobre los digestores. También se hizo levantamiento al lote frente a la PTAR propiedad
de EMCALI a la margen izquierda del río Cauca en la zona rural de Palmira. Los
detalles se encuentran en el anexo 2.1
Anexo 2.2 - Estudio de Suelos y Geotecnia
En el anexo 2.2 se presenta el estudio de suelos y geotecnia en donde se estableció la
estratigrafía del subsuelo, como las características físico-mecánicas y los parámetros
geotécnicos de diseño de los diferentes estratos donde están proyectadas las
estructuras de los procesos de tratamiento secundario con el fin de obtener las
recomendaciones de cimentación para las estructuras.
Anexo 2.3 - Dimensionamiento de los Procesos de Tratamiento
Los principales procesos incluyen los tanques de aireación, sedimentadores
secundarios, cloración y estación de bombeo del efluente. Para cada uno de estos
procesos, en el anexo 22.3 se presentan los planos relacionados y el dimensionamiento
propuesto.
Anexo 2.4 - Prediseños Hidráulicos
En los prediseños hidráulicos se presenta la modelación hidráulica de la PTAR
Cañaveralejo utilizando el modelo Hazen Pro. Para el uso de este modelo se debió
esquematizar cada estructura de la PTAR y realizar una calibración con datos tomados
en campo por personal capacitado.
Los cálculos del perfil hidráulico tienen en cuenta las pérdidas en tuberías, canales,
compuertas, vertederos, orificios, entre otros. La modelación se llevó a cabo para diferentes elevaciones del río Cauca, con periodos de retorno de 3 a 100 años, así como
para los caudales promedio (8.5m3/s), máximo mensual (11.9 m3/s) y para la capacidad
máxima del tratamiento secundario (16.32 m3/s).
También se presentan los cálculos y soportes para la estación de bombeo del efluente,
la selección de bombas WAS/RAS, bombas de carga de digestores, bombas de
alimentación a centrifugas y bombas de alimentación a los silos de CAMBI. También se
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incluyen los soportes de cálculo del dimensionamiento de tuberías de aireación, los
cuales se pueden consultar en el anexo 2.4.
Anexo 2.5 - Prediseños Electromecánicos e Instrumentación
Los prediseños electromecánicos y de instrumentación de la PTAR Cañaveralejo se
realizaron bajo los lineamientos del Reglamento Técnico De Instalaciones Electricas, el
Código Eléctrico Colombiano NTC 2050 y normas como IEC, NEMA, ANSI e IEEE.
Partiendo de los requerimientos de los equipos electromecánicos de la PTAR-C, se ha
realizado el diseño del sistema eléctrico necesario para suministrar la energía eléctrica
de manera confiable y segura a cada uno de los equipos del tratamiento secundario.
La configuración de los Sistemas Eléctricos se ha diseñado partiendo de los estudios de
evaluación de cargas eléctricas las cuales se alimentarán a diferentes niveles de
tensión dependiendo de la cargabilidad de los barrajes principales, en donde se ha
determinado la necesidad de instalar equipos principales tales como unidades de
bombeo, sopladores, motobombas, mezcladores, puente grúas, compresores,
compuertas con actuador eléctrico, instrumentación, PLC’s y demás equipos eléctricos.
El Sistema de Control, Supervisión, Instrumentación y Comunicaciones de la PTAR
Cañaveralejo es un sistema física y funcionalmente distribuido e integrado el cual
realizará todas las funciones de adquisición de información del proceso, procesamiento
y realizar la transmisión de ésta mediante enlaces de comunicación de datos a los
equipos de control y supervisión a ser instalados en la PTAR-C.
Todos los equipos mecánicos, líneas de procesos, tanques, conducciones, canales
abiertos, tuberías, compuertas, válvulas, etc., cuentan con toda la instrumentación
requerida para permitir el funcionamiento de los equipos, procesos y sub-procesos,
tanto para funciones de control como para automatismos, medición, indicación local y
remota y seguridades para el personal y los equipos. Los equipos de instrumentación se
integrarán por medio de una red de campo o bus de campo en la cual se realicen como
mínimo las funciones de configuración, calibración, diagnóstico, supervisión y
mantenimiento de los equipos de medición. En el anexo 2.5 se presentan los
prediseños electromecánicos y de instrumentación.
Anexo 2.6 - Prediseños Obras Civiles
Se establecieron las cargas de diseño y los requerimientos de diseño de los materiales
específicos a incorporar dentro de las estructuras, teniendo en cuenta que las
estructuras retenedoras de agua se diseñarán para ser herméticas y para permanecer
dentro del rango de esfuerzo elástico para limitar el potencial de agrietamiento. Los
pórticos de concreto reforzado, tanques de concreto reforzado y mampostería reforzada
se diseñaron bajo las normas NSR-10, ACI 318 y ACI 350. En el anexo 2.6 se
presentan los prediseños de obras civiles.
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Anexo 2.7 - Prediseños de Arquitectura y Paisajismo
En este informe se hizo la descripción arquitectónica actual de la PTAR Cañaveralejo y
se plantearon los parámetros de diseño arquitectónico a tener en cuenta para la
construcción de los nuevos edificios considerando su armonía con las edificaciones
existentes.
Se realizaron las recomendaciones constructivas de funcionalidad, estilo, seguridad y
accesabilidad para los nuevos edificios, así mismo se determinaron los aspectos a tener
en cuenta en el paisajismo toda vez, que el diseño del paisaje debe responder al mejoramiento del suelo, el medio ambiente y a las condiciones del lugar para reflejar la sensibilidad de la conservación del agua y la integración de la planta a la comunidad vecina. El anexo 2.7 presenta en detalle estos aspectos.
Anexo 2.8 - Prediseños de Control de Olores
Se realizó la selección de tecnología para el sistema de control de olores de la PTAR
Cañaveralejo teniendo en cuenta variables tecnológicas y económicas. El control de
olores se implementará para los edificios de cribado de lodos, espesamiento, predeshidratación y el edificio de deshidratación. La tecnología seleccionada fue el
tratamiento químico de olores con Scrubber. En el anexo 2.8 se presenta el diseño
referencial con los planos relacionados.
Anexo 2.9 - Planos de Anteproyecto del Diseño Básico
Se presentan todos los planos realizados durante la ejecución del proyecto que se
dividen en 7 grandes grupos a saber: Generales, Civiles, Mecánicos, Estructurales,
Arquitectónicos, Eléctricos y de Instrumentación. Los planos completos se encuentran
en el anexo 2.9.
Anexo 2.10 - Memorias de Cálculo del Diseño Básico
Comprenden los soportes del diseño que se llevó a cabo para la ampliación a
tratamiento secundario de la PTAR Cañaveralejo, se presentan los anexos del modelo
Hazen Pro, la excedencia de niveles del río Cauca, los Cálculos del perfil hidráulico, los
canales de distribución aireada, cálculos de requerimientos de aire, cálculos hidráulico
de las estaciones de bombeo, cálculos hidráulicos de las tuberías de aire y
dimensionamiento de sopladores. Estos soportes se encuentran en el anexo 2.10.
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