tratamiento de aguas - Universidad Alas Peruanas

TRATAMIENTO DE AGUAS
UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS
FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL
TRATAMIENTO DE AGUAS
CAPITULO IV:
TRATAMIENTO PRELIMINAR
Profesor:
Ing. Omar Eduardo Olivos Lara
Lima – Perú
Perú
2010
1
UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS
FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL
CAPITULO IV:
TRATAMIENTO PRELIMINAR
SESIÓN 4.1:
OBJETIVOS DEL TRATAMIENTO
PRELIMINAR
Ing. Omar E. Olivos Lara
2
TRATAMIENTO DE AGUAS
4.1 Objetivos del Tratamiento Preliminar.
Tiene como objetivo la retención de sólidos gruesos y sólidos finos con
densidad mayor al agua y arenas, con el fin de facilitar el tratamiento
posterior. Son usuales el empleo de canales con rejas gruesas y finas,
desarenadores, y en casos especiales se emplean tamices. Estas unidades,
en ocasiones obviadas en el diseño de plantas de tratamiento, son
necesarias para evitar problemas por el paso de arena, basura, plásticos,
etc., hacia los procesos de tratamiento propiamente dichos.
3
4.1 Objetivos del Tratamiento Preliminar.
• Las aguas superficiales normalmente presentan sólidos gruesos y
partículas abrasivas que hacen necesaria la utilización de unidades de
tratamiento preliminar como dispositivos de retención, remoción y/o
trituración. Muchos proyectos ignoran estas unidades.
• El tratamiento preliminar se compone de la cámara de rejas y del canal
desarenador.
4
TRATAMIENTO DE AGUAS
UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS
FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL
CAPITULO IV:
TRATAMIENTO PRELIMINAR
SESIÓN 4.2:
CANAL DE REJAS
Ing. Omar E. Olivos Lara
5
4.2 Canal de Rejas
Son dispositivos constituidos por barras metálicas paralelas e igualmente
espaciadas. Las barras pueden ser rectas o curvadas. Su finalidad es retener
sólidos gruesos, de dimensiones relativamente grandes, que estén en
suspensión o flotantes. Las rejas, por lo general, son la primera unidad de una
planta de tratamiento.
Finalidad del Canal de Rejas
Protección de los dispositivos de transporte de las aguas contra obstrucción
en las válvulas, bombas, equipos de aeración, tuberías y otras partes de la
planta .
Protección de los Equipos de tratamiento.
6
TRATAMIENTO DE AGUAS
4.2 Canal de Rejas
VISTA EN PLANTA DE UNA CÁMARA DE REJAS
L
Scb
S
B
ENTRADA
B:
L:
S:
Scb:
Ancho del Canal de Rejas
Ancho del Canal By-Pass
Pendiente del Canal de Rejas
Pendiente del Canal By-Pass
7
Tp
hut
Ain
Tmax
Htot
H
htcb
CORTE LONGITUDINAL DE UNA CÁMARA DE REJAS
L
S
Tmax:
Tp:
Ain:
S:
H:
Htot:
L:
hut:
htcb:
Tirante de agua máximo aguas arriba
Tirante de agua promedio aguas arriba
Angulo de inclinación de las barras
Pendiente del canal de rejas
Borde libre del canal de rejas
Altura total del canal de rejas
Ancho del canal By-Pass
Altura útil del canal by-pass
Altura total del canal by-pass
8
TRATAMIENTO DE AGUAS
REJAS
B
B: Ancho real del canal de Rejas
a: Espaciamiento entre barras
a
9
4.2.1 Tipos de Rejas
1.
2.
3.
Rejas Gruesas: se instalan
aguas arriba de las bombas
de grandes dimensiones,
turbinas, etc.
Rejas Medianas: con menor
espacio entre las barras (por
lo gral. de 25mm)
Rejas Finas: se emplean
cuando
están
bien
determinadas
las
características de las aguas.
Dimensionamiento de las Barras
Tipo
Espaciamiento
(mm)
Gruesa
40 – 100
Media
20 – 40
Fina
10 – 20
10
TRATAMIENTO DE AGUAS
4.2.1 Tipos de Rejas
Sección transversal rectangular de las barras
Tipo de Rejilla
Sección (mm x mm)
Gruesa
10 x 50
Gruesa
10 x 60
Gruesa
13 x 40
Gruesa
13 x 50
Media
8 x 50
Media
10 x 40
Media
10 x 50
Fina
6 x 40
Fina
8 x 40
Fina
10 x 40
11
4.2.1 Tipos de Rejas
1.
Simples, de limpieza manual; en
gral. Son gruesas y presentan
espacios relativamente grandes.
2.
Mecanizadas,
de
limpieza
mecánica, automática o no. Exigen
un mantenimiento cuidadoso.
Inclinación de las barras
1.
Limpieza manual: 45° - 60 ° con
la horizontal.
2.
Limpieza mecánica: 60 ° a 90 °
con la horizontal (más usual de
75 °a 85 °).
12
TRATAMIENTO DE AGUAS
4.2.2 Criterios de Dimensionamiento de
Rejas
Según Norma S.090 Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales
1. Las
rejas deben utilizarse en toda planta de tratamiento, aun en las más
simples.
2. Se
diseñarán preferentemente rejas de limpieza manual, salvo que la
cantidad de material cribado justifique las de limpieza mecanizada.
3. El
diseño de las rejas debe incluir:
una plataforma de operación y drenaje del material cribado con
barandas de seguridad;
iluminación para la operación durante la noche;
espacio suficiente para el almacenamiento temporal del material
cribado en condiciones sanitarias adecuadas;
solución técnica para la disposición final del material cribado; y
las compuertas necesarias para poner fuera de funcionamiento
cualquiera de las unidades.
13
4.2.2 Criterios de Dimensionamiento de
Rejas
Según Norma S.090 Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales
4.
El diseño de los canales se efectuará para las condiciones de caudal
máximo horario, pudiendo considerarse las siguientes alternativas:
tres
canales con cribas de igual dimensión, de los cuales uno servirá de bypass
en caso de emergencia o mantenimiento. En este caso dos de los tres
canales
tendrán la capacidad para conducir el máximo horario;
dos
canales con cribas, cada uno dimensionados para el caudal máximo
horario;
para instalaciones pequeñas puede utilizarse un canal con cribas con by
pass
para el caso de emergencia o mantenimiento
14
TRATAMIENTO DE AGUAS
4.2.2 Criterios de Dimensionamiento de
Rejas
Según Norma S.090 Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales
5.
Para el diseño de cribas de rejas se tomarán en cuenta los siguientes
aspectos:
a.
Se utilizarán barras de sección rectangular de 5 a 15 mm de espesor de 30 a
75 mm de ancho. Las dimensiones dependen de la longitud de las barras y el
mecanismo de limpieza.
b.
El espaciamiento entre barras estará entre 20 y 50 mm. Para localidades con
un sistema inadecuado de recolección de residuos sólidos se recomienda un
espaciamiento
c.
Las dimensiones y espaciamiento entre barras se escogerán de modo que la
velocidad del canal antes de y a través de las barras sea adecuada. La
velocidad a través de las barras limpias debe mantenerse entre 0,60 a 0,75
m/s (basado en caudal máximo horario). Las velocidades deben verificarse
para los caudales mínimos, medio y máximo.
d.
Determinada las dimensiones se procederá a calcular la velocidad del canal
antes de las barras, la misma que debe mantenerse entre 0,30 y 0,60 m/s,
15
siendo 0.45 m/s un valor comúnmente utilizado.
4.2.2 Criterios de Dimensionamiento de
Rejas
Según Norma S.090 Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales
5.
Para el diseño de cribas de rejas se tomarán en cuenta los siguientes
aspectos:
e.
En la determinación del perfil hidráulico se calculará la pérdida de carga a
través de las cribas para condiciones de caudal máximo horario y 50% del
área obstruida. Se utilizará el valor más desfavorable obtenido al aplicar las
correlaciones para el cálculo de pérdida de carga. El tirante de agua en el
canal antes de las cribas y el borde libre se comprobará para condiciones de
caudal máximo horario y 50% del área de cribas obstruida.
f.
El ángulo de inclinación de las barras de las cribas de limpieza manual será
entre 45 y 60 grados con respecto a la horizontal.
g.
El cálculo de la cantidad de material cribado se determinará de acuerdo con la
siguiente tabla.
16
TRATAMIENTO DE AGUAS
4.2.3 Dimensionamiento de Rejas
Según Norma S.090 Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales
Velocidad a través de las rejas:
Mínima = 0.60 m/s
Máximo = 1.00 m/s hasta 1.40 m/s para el caudal
máximo
Velocidad antes de las rejas: 0.3 – 0.6 m/s (siendo 0.45 m/s
un valor común)
Estos valores deben verificarse para los caudales mínimo,
medio y máximo.
17
4.2.3 Dimensionamiento de Rejas
Fijada la velocidad del agua a través de barras, se puede calcular el
área útil (o área libre), Au:
Au =
Q
V
Conociéndose la abertura entre las barras (a), así como el espesor de
las mismas (t), se puede calcular el área total o sección de flujo aguas
arriba de la reja (S):
S = Au.
a +t
Au
=
a
a
a +t
18
TRATAMIENTO DE AGUAS
4.2.3 Dimensionamiento de Rejas
El denominador de la ecuación anterior es denominado por "eficiencia"
de la reja y representa más que la relación entre el área libre y el área
total del canal.
a
= E
a +t
La "eficiencia" E varía entre 0.60 a 0.85, siendo más comunes valores
alrededor de 0.75.
Eficiencia de las rejas en función del espesor de las barras
Espesor
Eficiencia: valores de E
t
a=20 mm
a=25 mm
6 mm
0.750
0.800
a=30 mm a=40 mm
0.834
0.857
8 mm
0.706
0.768
0.803
0.826
10 mm
0.677
0.728
0.770
0.800
11 mm
0.632
0.696
0.741
0.774
13 mm
0.600
0.667
0.715
0.755
19
4.2.4 Pérdidas de carga de Rejas
Corresponde a la resistencia ofrecida al pasar el agua a través del canal
de rejas y se presentan algunas fórmulas.
"Metcalf & Eddy"
V 2 − v2
h f = 1.43
2g
hf: pérdida de carga, en metros
g: aceleración gravitacional, g = 9,8 m/s2
V: es la velocidad a través de las barras V=v*E
v: es la velocidad aguas arriba de las rejas:
20
TRATAMIENTO DE AGUAS
4.2.4 Pérdidas de carga de Rejas
“Kirschmer, Jaeger" :
4
t 3
v2
h f = K .( ) .sen(b)
a
2g
hf: pérdida de carga, en metros
g: aceleración gravitacional, g = 9,8 m/s2
v: es la velocidad aguas arriba de las rejas: v = V * E
b: ángulo que la rejilla hace con la horizontal
a: espaciamiento entre barras
t: espesor de las barras
K: factor que de pende de la sección transversal de las barras
21
4.2.4 Valores de K, fórmula de Kirschmer
Sección
K
Rectangular
2.42
Circular
1.79
La pérdida de carga debe ser calculada para el caso en que la
reja quede 50% "sucia", es decir, para un valor V' igual a dos
veces V.
El área útil para la determinación de la velocidad del flujo a
'través de las barras” es considerada en proyección vertical.
22
TRATAMIENTO DE AGUAS
4.2.5 Detalles del canal de rejas
Las instalaciones mecanizadas deben ser diseñadas con dos o más
unidades, o por lo menos con un "by-pass" dotado de una reja gruesa
simple.
El ancho del canal de las rejas se acostumbra a construirlo más grande que
el diámetro o el ancho del canal de ingreso de agua y debe igualar el ancho
de las propias rejas, evitándose espacios muertos. El ángulo recomendado
para la transición entre el canal de ingreso y el canal de rejas es de 12°30´ y
la longitud puede calcularse con la siguiente expresión:
L=
B2 − B1
2 tg(12°30´)
23
4.2.5 Detalles del canal de rejas
Las instalaciones mecanizadas deben ser diseñadas con dos o más
unidades, o por lo menos con un "by-pass" dotado de una reja gruesa
simple.
El ancho del canal de las rejas se acostumbra a construirlo más grande que
el diámetro o el ancho del canal de ingreso de agua y debe igualar el ancho
de las propias rejas, evitándose espacios muertos. El ángulo recomendado
para la transición entre el canal de ingreso y el canal de rejas es de 12°30´ y
la longitud puede calcularse con la siguiente expresión:
L =
B 2 − B1
2 tg( 12 ° 30 ´)
Donde:
L: Longitud de transición ingreso – canal, en metros
B2: Ancho del canal de rejas, en metros
B1: Ancho o diámetro del canal de ingreso, en metros
24
TRATAMIENTO DE AGUAS
4.2.5 Detalles del canal de rejas
La perdida de carga producida por esta transición, se calcula con la siguiente
relación:
Donde,
hft: Pérdida de carga en la transición, en metros
v1: Velocidad en el canal de ingreso, en m/s
v2: Velocidad en el canal de rejas, en m/s
(v − v2 ) 2
h ft = 0 ,1 1
2g
El canal de acceso debe ser suficientemente largo para que se evite la
turbulencia junto a las barras.
El fondo del canal es generalmente de 10 a 15 centímetros más bajo que la
solera del canal de ingreso. Este desnivel puede ser calculado mediante la
siguiente expresión:
v2
v2
∆Z = E1 − E2 − h ft = ( 1 + y1 ) − ( 2 + y2 ) − h ft
2g
2g
Donde:
∆Z: Desnivel entre la solera del canal de ingreso y el fondo del canal, en metros
E1: Energía en el canal de ingreso, en metros
E2: Energía en el canal de rejas, en metros
y1: Tirante de agua en el canal de ingreso para el caudal máximo, en metros
y2: Tirante de agua en el canal de rejas para el caudal máximo, en metros
25
4.2.5 Detalles del canal de rejas
Este “by pass” consta de un rebose lateral en uno de los muros del canal principal,
que puede ser calculado como un vertedero rectangular, cuyo dimensionamiento se
puede realizar con la fórmula de Francis:
Q = 1 .838 L. H
(3 2 )
Donde,
Q: Caudal máximo, en m3/s
L: Longitud del vertedero, en metros
H: Altura de la lámina de agua sobre la cresta
del vertedero, en metros
El canal de “by pass” al cual rebosan las aguas residuales por el vertedero lateral
debe ser dimensionado a una cota inferior de la cresta del vertedero pero superior a
la cota de fondo del canal principal, para permitir la descarga en éste último, en lo
posible a una nivel superior al de la lámina de agua que ocurriría en canal principal en
un flujo máximo.
26
TRATAMIENTO DE AGUAS
4.2.6 Material retenido en rejas
La cantidad de material que queda en las rejas es influenciada por condiciones
locales, costumbres de la población, época del año, etc. y depende mucho de la
abertura especificada.
En los Estados Unidos la cantidad de material retenido en rejas con aberturas de la
orden de 25 mm generalmente está comprendida entre 0.015 y 0.030 litros por m3 de
agua residual. En la ciudad de Sao Paulo han sido encontrados entre 0.010 y 0.025
l/m3.
Los valores recomendados por la Norma S090 son:
Abertura, mm
Cantidad, l/m3
20
0.038
25
0.023
35
0.012
40
0.009
Este material es constituido principalmente por papel, trapos, detritos de cocina, etc.;
contiene entre 70 y 90% de agua y pesa de 0.7 a 1.8 kg/litro.
27
4.2.6 Remoción y disposición final del
material retenido
En las pequeñas instalaciones de limpieza es ejecutada por rastrillos manuales y el
material extraído debe ser enterrado en un micro-relleno ubicado en las cercanías
de las rejas, este enterramiento se realiza una vez al día.
Para evitar el problema de malos olores y presencia de moscas, al material extraído
en cada limpieza se le debe aplicar cal.
28
TRATAMIENTO DE AGUAS
4.2.7 Dibujo de Canal de Rejas
En las pequeñas instalaciones de limpieza es ejecutada por rastrillos manuales y el
material extraído debe ser enterrado en un micro-relleno ubicado en las cercanías
de las rejas, este enterramiento se realiza una vez al día.
Para evitar el problema de malos olores y presencia de moscas, al material extraído
en cada limpieza se le debe aplicar cal.
29
Ejemplo diseño de rejas
Una comunidad desea implementar la construcción de una nueva planta de tratamiento
de aguas residuales. La población futura al año 20 (población de diseño) se estima en
55,000 habitantes. De acuerdo con los hábitos de consumo de agua potable de la
localidad se establece una dotación de 200 l/hab/día. Tendiendo en consideración que el
% de contribución al alcantarillado es del orden del 85% y que los factores de variación
de consumo máximo y mínimo son: 1.8 y 0.7, respectivamente. Se pide dimensionar la
unidad de pre tratamiento del canal de rejas.
Solución
1) Cálculo de caudales
Qp =
Pob × Dot
55000 × 200
× %Contribuci ón =
× 0.85 = 108.22 l / s
86400
86400
Qmax = K max × Q p = 1.8 ×108.22 = 194.80 l / s
Qmin = K min × Q p = 0.7 ×108.22 = 75.80 l / s
30
TRATAMIENTO DE AGUAS
Ejemplo diseño de rejas
2) Cálculo de relación de vacíos
a = 25mm = 1"
e = 6mm = 1 / 4"
E=
a
1"
=
= 0.8
a + e 1"+1 / 4"
ae
3) Cálculo del área útil y total
Au =
V (0.60-0.75 m/s)
Acr =
Si :
3
Q max 0.1948 m / s
=
= 0.26 m 2
V max
0.75 m / s
2
Au 0.26 m
=
= 0.325 m 2
E
0. 8
B= 1.00 m
y= 0.325 m
31
Ejemplo diseño de rejas
4) Cálculo de la pendiente aguas arriba
A × R 2 / 3 × S 1/ 2
Q=
⇒
n
 Q×n 
S=
2/3
 A × R 
n= 0.013 (concreto)
2
R=
A
B× y
1 × 0.325
=
=
= 0.197m
P B + 2 y 1 + 2 × 0.325
 0.1948 × 0.013 
S=
= 5.3 x10 − 4 = 0.5% o
2/ 3
 0.325 × 0.197 
2
5) Velocidad de paso antes de la reja
V=
3
Q max 0.1948 m / s
=
= 0.6 m / s
Acr
0.325 m 2
V= 0.6 m/s
32
TRATAMIENTO DE AGUAS
Ejemplo diseño de rejas
6) Cálculo de la velocidad y tirante para caudal mínimo
AR 2 / 3 =
y/b
Z=0
circular
Q×n
S 1/ 2
AR 2 / 3
Q×n
0.1948× 0.013
= 1/ 2 8 / 3 =
= 0.044
b8/ 3
S ×b
(0.0005)1 / 2 ×18 / 3
Z=1
Del gráfico:
y
1
Z
b
y
= 0.18 m
b
y mín. = 0.18 m
AR 2 / 3
AR 2 / 3
ó
b8 / 3
d 8/3
Vmín =
0.0758
= 0.42 m / s ⟩ 0.30 m / s Ok!
0.18 ×1
V mín. = 0.42 m/s
33
Ejemplo diseño de rejas
7) Cálculo de pérdida de carga
Metcalf
hf =
Donde,
V: Velocidad en el canal (antes de la reja)
V’: Velocidad de paso a través de rejas
g: aceleración de la gravedad (9.8 m/s2)
V ' −V
1
×
2g
0.7
2
V ' = V max×
2
1
(1 - %pérdida )
Se asume 50% de obstrucción:
V ´ = 0.75 x
V = V max× E
hf =
1
= 0.75 × 2 = 1.50m / s
50%
1.50 2 − 0.60 2 1
×
= 0.14 m
2 × 9.8
0.7
β = 2.42 ( rectangular )
Kirshmer
e
hf = β  
a
 1/ 4 
hf = 2.42

 1 
4
3
4
3
⋅ sen θ ⋅
⋅ sen 60 o ⋅
2
V
2g
0.6 2
= 0 .056 m
2 (9.8 )
a = 25mm = 1"
e = 6mm = 1 / 4"
θ = 60o
hf = 0.15m
Por procedimiento
constructivo 34
TRATAMIENTO DE AGUAS
Ejemplo diseño de rejas
8) Número de barras
n =
n=
B
L
+1
a+e
1.00
+ 1 = 32barras
(1 + 1 / 4) × 0.0254
9) Diseño de canal by-pass
Q = K ⋅ B ⋅ H 3/ 2
0.1948 = 1.838 ⋅ (B − 0.2 H ) ⋅ H 3 / 2
0.20
Resolviendo ecuación:
B = 1.00 m
H = 0.231 m
B = 0.90 m
H = 0.249 m
L=0.23 m
A = 1 x 0.23 = 0.23m2
B=1.00 m
35
Ejemplo diseño de rejas
10) Cálculo de la pendiente del canal by-pass
n= 0.013 (concreto)
A × R 2 / 3 × S 1/ 2
Q=
⇒
n
 Q×n 
S=
2/3
 A × R 
2
R=
A B× y
1.00 × 0.231
=
=
= 0.158m
P B + 2 y 1.00 + 2 × 0.231
 0.1948 × 0.013 
S=
= 1.4 x10 −3 = 1.4%o
2/3
 0.231× 0.158 
2
36
TRATAMIENTO DE AGUAS
Ejemplo diseño de rejas
y / D = 3 / 4 para Q max
11) Diseño del emisor
Q=
A× R
2/3
×S
1/ 2
S = 0.5% o
n
V (0.60-0.75 m/s)
R = 0.3016D
π
2/ 3
1/ 2
2
 × D  × (0.3016 D ) × (0.0005 )
4


0.1948 =
0.013
D = 0.80 m
12°30’
B=1.00 m
D
L=
B−D
1 . 00 − 0 . 80
=
= 0 . 45 m
2 × tg 12 o 30 '
2 × 0 . 2217
L = 0.45 m
L=0.45 m
A = π × 0.802 = 0.5027m 2
4
V 1 = Q / A = 0.1948 / 0.5027 = 0.388m / s
12) Cálculo de ∆Z
(V1 − V2 )
(0.3882 − 0.75 2 )
= 0. 1
= 0.002m
2g
2 x9.8
2
h ft = 0.1
37
2
V (0.60-0.75 m/s)
V 2
 V 2

∆Z =  1 + y1  −  2 + y2  − h ft
 2g
  2g

D = 0.80 m
12°30’
B=1.00 m
D
 0 . 60 2
  0 . 75 2
∆ Z = 
+ 0 . 41  − 
+ 0 . 325
 2 × 9.8
  2 × 9 .8

 − 0 . 002

∆Z = 0.10 m
L=0.45 m
38
TRATAMIENTO DE AGUAS
UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS
FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL
CAPITULO IV:
TRATAMIENTO PRELIMINAR
SESIÓN 4.3:
DESARENADOR
Ing. Omar E. Olivos Lara
39
4.3 Desarenador
Los desarenadores son unidades destinadas a retener la arena y otros residuos
minerales inertes y pesados que se encuentran en las aguas.
Son tanques de sedimentación diseñados para remover materia no putrescible
que puede causar abrasión en canales o bombas, y ocasionar su obstrucción.
La materia removida, como no es biodegradable, debe recolectarse y
disponerse en un área adecuada para relleno.
40
TRATAMIENTO DE AGUAS
41
4.2.1 Principios de funcionamiento
Corrientes líquidas en régimen crítico de turbulencia arrastran partículas
sólidas suspendidas y más densas q el agua.
Una partícula suspendida se considera removida si su velocidad de
sedimentación es suficiente para alcanzar el fondo del desarenador y si la
velocidad horizontal del líquido es insuficiente para remover la partícula
sedimentada por arrastre
Granos de Arena de peso específico igual a 2,65 g/ml a 20 °C en aguas
mansas.
Tamaño de las
partículas (mm)
Fórmula de Allen
(cm/s)
Valores prácticos
(cm/s)
1.0
8.5
10.0
0.5
4.3
5.0
0.3
2.6
4.3
0.2
1.7
2.4
0.1
0.9
0.9
42
TRATAMIENTO DE AGUAS
4.2.3 Descripción
Esta unidad se puede dividir en cuatro zonas.
Zona de entrada. Consistente en una transición que une el canal o
tubería de llegada de la captación con la zona de sedimentación o
desarenación. Tiene como función el conseguir una distribución más
uniforme de las líneas de flujo dentro de la unidad, uniformizando a su vez
la velocidad. Se consideran dos compuertas en la entrada para orientar el
flujo hacia la unidad o hacia el canal by pass durante la operación de
limpieza.
Zona de desarenación. Consistente en un canal en el cual se realiza el
proceso de depósito de partículas con pendiente en el fondo para facilitar la
limpieza.
Zona de salida. Conformada por un vertedero de rebose diseñado para
mantener una velocidad que no altere el reposo de la arena sedimentada.
Zona de depósito y eliminación de la arena sedimentada. Conformada
por una tolva con pendiente de 10% para impulsar el deslizamiento de la
43
arena hacia el canal.
4.2.4 Velocidad en los Desarenadores
En los canales de remoción de arena la velocidad recomendable es del
orden de 0.30 m/s.
Velocidades inferiores a 0.15 m/s causan la deposición simultánea de
cantidades relativamente grandes de materia orgánica, y velocidades
mayores a 0.40 m/s causan el arrastre del material sedimentado.
La Norma S.090 señala que se debe controlar la velocidad horizontal
alrededor de 0,3 m/s con una tolerancia de ± 20%
44
TRATAMIENTO DE AGUAS
45
4.2.5 Número de Unidades y By-pass
De acuerdo con la reglamentación nacional se dimensionan por lo menos
dos desarenadores en paralelo, para retirar una de las unidades en el
momento de limpieza de las arenas removidas. Los desarenadores son
obligatorios en las plantas que tienen sedimentadores y digestores
(Tanques Imhoff, RAFA, filtros biológicos, etc.).
En poblaciones pequeñas, generalmente son previstos dos
desarenadores en paralelo, cada uno de ellos calculado para el caudal
máximo horario. Una se mantiene en operación y la otra en “stand by”
de modo que el retiro de una unidad de operación, para limpieza o
reparación, se pone en operación la otra unidad.
46
TRATAMIENTO DE AGUAS
Ltot
L
Ladic
Ladic
B
b(tolva)
B
B
47
SECCIÓN A-A
COMPUERTA
Hprom
VERTEDERO
Hmin
Htot
h
Hmax
h'
SALIDA
DEPÓSITO
DE ARENA
Ltot
Hmax: Altura de agua con el caudal máximo
Hprom: Altura de agua con el caudal promedio
Hmin: Altura de agua con el caudal mínimo
Htot: Altura total del desarenador
h: Borde libre del desarenador
h': Altura de la zona de depòsito de arena
Ltot: Longitud total del desarenador
48
TRATAMIENTO DE AGUAS
VERTEDERO SUTRO DEL CANAL DESARENADOR
Y
(X/2,Y)
TM
X
H
Y
T
a
X/2
b
H = Tirante de agua en el canal desarenador
a = Altura mínima del vertedero Sutro
b = Ancho del vertedero Sutro
X = Ancho variable del vertedero
Y = Altura de agua a partir de la altura mínima
T = Tirante mínimo de agua
TM = Tirante máximo de agua
49
4.2.6 Área de los Desarenadores
Los desarenadores pueden ser dimensionados por la teoría de
sedimentación de Hazen. Como la experiencia indica que las partículas de
arena nocivas son las de tamaño igual o superior a 0.2 mm, cuyo peso
específico es de 2.65 g/cm3 y velocidad de sedimentación del orden de 2.0
cm/s, se constata que los desarenadores deben ser diseñados con tasas de
aplicación de 600 a 1,200 m3/(m2.día).
La norma nacional señala valores entre 45 a 70 m3/(m2.hora), que
corresponden a tasas de aplicación de 1080 a 1680 m3/(m2.día).
Estos valores
desarenadores
permiten
determinar
el
área
necesaria
para
los
50
TRATAMIENTO DE AGUAS
4.2.7 Profundidad de la Lámina líquida
En los desarenadores de tipo "canal" la profundidad del agua para el caudal
mínimo, medio y máximo es determinada partiéndose de las condiciones de
funcionamiento del controlador de velocidad (vertedero de salida). Cada
vertedero tiene su ecuación que relaciona la altura del agua con el caudal.
51
4.2.8 Largo de los Desarenadores
Partiéndose de los valores anteriores (tasas de aplicación superficial) se
puede calcular el largo necesario para los canales de retención de arena:
Q SV BHVH BHVH HVH
=
=
=
=
A
A
A
BL
L
L=
HVH
Q A
Donde:
Q =
A
=
S
=
H
=
B
=
A
=
L
=
Q/A =
V
=
Caudal máximo horario, en m3/h
Area superficial, en m2
Sección transversal máxima del flujo, en m2
Altura máxima de la lámina de agua, en metros
Ancho medio de la sección del flujo, en metros
Area superficial, en m2
Largo que se pretende calcular, en metros
Tasa de aplicación superficial, en m3/(m2.hora)
Velocidad horizontal óptima (0.30 m/s)
Aplicándose la última expresión para una tasa de aplicación superficial
de 50 m3/(m2.hora) se obtiene la relación:
L=
H × 0.30m/s × 3600
= 21, 6 H
50 m 3 / m 2 / h
L = 25 H
(Norma S.090)
52
TRATAMIENTO DE AGUAS
4.2.9 Ancho de los Desarenadores
Una vez conocida la profundidad, se determina el ancho de los canales
de manera que sea mantenga la velocidad óptima de 0.30 m/s.
Sí la sección de flujo fuera rectangular,
Q = S .VH = B.H .VH
B=
Q
H.VH
53
4.3.11 Recomendaciones de Diseño
1.
El periodo de diseño, teniendo en cuenta criterios económicos y técnicos es de
8 a 16 años.
2.
El número de unidades mínimas en paralelo es 2 para efectos de
mantenimiento. En caso de caudales pequeños y turbiedades bajas se podrá
contar con una sola unidad que debe contar con un canal de by-pass para
efectos de mantenimiento.
54
TRATAMIENTO DE AGUAS
4.3.11 Criterios de Diseño
4.
El periodo de operación es de 24 horas por día.
5.
Debe existir una transición en la unión del canal o tubería de llegada al
desarenador para asegurar la uniformidad de la velocidad en la zona de
entrada.
6.
La transición debe tener un ángulo de divergencia suave no mayor de 12°30´.
7.
La velocidad de paso por el vertedero de salida debe ser pequeña para causar
menor turbulencia y arrastre de material (Krochin,V=1m/s).
8.
La llegada del flujo de agua a la zona de transición no debe proyectarse en
curva pues produce velocidades altas en los lados de la cámara.
55
4.3.11 Creitrios de Diseño
9.
Cuando las partículas de arena a sedimentar se
encuentran en tamaños comprendidos entre 0.01 y
0.1 cm, se utilizará la fórmula de Allen para el
cálculo de la velocidad de sedimentación.
10.
Cuando el tamaño de las partículas de arena es
superior a 1.0 cm se utilizará para el cálculo de la
velocidad de sedimentación (Vs) la fórmula de
Newton.
11.
Solo cuando se tengan partículas de arena muy
fina de tamaño menor a 0.01 cm se utilizará para
el cálculo de Vs la fórmula de Stokes
Donde:
d
=
µ
=
ρs =
ρ
=
B
=
diámetro de la arena (cm)
viscosidad del agua
densidad de la arena
densidad del agua
aceleración de la gravedad
ρ −ρ 
Vs = 0.22 s
⋅ g 
 ρ

2/3
Vs = 1.82 d ⋅ g ⋅
Vs =
 d


1/ 3 
 (µ ρ ) 
ρs − ρ
ρ
1
ρ −ρ 2
g⋅ s
⋅d
18
µ
Para ρs = 2.65
y
Vs = 90 g ⋅
g=981cm/s2
d2
µ
⋅
56
TRATAMIENTO DE AGUAS
Relación entre diámetro de partículas y velocidad de sedimentación
57
4.3.11 Criterios de Diseño
12.
La sedimentación de arena fina (d<0.01 cm) se efectúa en forma más eficiente en régimen
laminar con valores de número de Reynolds menores de uno (Re<1.0).
13.
La sedimentación de arena gruesa se efectúa en régimen de transición con valores de
Reynolds entre 1.0 y 1 000.
14.
La sedimentación de grava se efectúa en régimen turbulento con valores de número de
Reynolds mayores de 10 000.
15.
La relación largo/profundidad debe ser entre 10 y 20
16.
Para compensar las turbulencias se recomienda calcular la longitud de la zona de
sedimentación mediante la siguiente expresión:
L = 1.25 ⋅ H ⋅
17.
10 <
L
< 20
H
Vh
Vs
El valor de la velocidad horizontal (Vh) debe ser siempre menor que el de la velocidad de
arrastre (Va) correspondiente al determinado diámetro de arena que deseamos sedimentar
Vh = 0.5 × Va
Para ρs = 2.65 y
Va = 125 (ρs − ρ )⋅ d
g=981cm/s2
Va = 161 d
58
TRATAMIENTO DE AGUAS
4.3.11 Criterios de Diseño
Se aconsejan los siguiente valores de Vh por debajo de los cuales se minimiza la influencia
de la velocidad de arrastre:
18.
arena fina

→ Vh = 0.16 m / s
arena gruesa 
→ Vh = 0.216 m / s
La longitud de transición de entrada se calcula mediante la siguiente expresión:
19.
Lt =
B −b
B −b
=
2 × tg12.5o 0.40
Donde:
Lt:
Longitud de transición ingreso (m)
b:
Ancho del canal de llegada a la transición (m)
B:
Ancho de la zona de sedimentación (m)
20.
La velocidad de paso por el vertedero de salida debe ser pequeña para causar menor
turbulencia y arrastre de material. Krochin indica que se puede admitir como máximo una
velocidad igual V=1m/s.
21.
Para desarenador de una unidad, considerar un canal by-pass para desviar el flujo mientras
se efectúa el mantenimiento del desarenador.
22.
La descarga del flujo puede ser controlada a través de dispositivos como vertederos(sutro) o
59
canales Parshall (garganta).
4.3.12 Regulación de la Velocidad y
Medición de Caudal
Para que se mantenga la velocidad prácticamente constante en los
desarenadores, es indispensable que el diseño de la sección de flujo esté
en concordancia con las características del elemento controlador aguas
abajo.
Es costumbre adoptar un vertedero convencional (Parshall o Sutro, por
ejemplo) para establecer una lámina ya conocida para cada caudal. Estos
datos están consignados en tablas de fácil obtención. Conocido el caudal
y su lámina correspondiente se puede determinar la forma o el perfil de la
sección transversal del canal del desarenador, para que sea obedecida la
velocidad de 0.30 m/s.
60
TRATAMIENTO DE AGUAS
4.3.14 Dimensionamiento
1.
Se determina la velocidad de sedimentación de acuerdo a los criterios indicados
anteriormente en relación a los diámetros de las partículas. Como primera
aproximación utilizamos la ley de Stokes.
Vs =
2.
1
ρ −ρ 2
g⋅ s
⋅d
18
µ
Al disminuir la temperatura aumenta la viscosidad afectando la velocidad de
sedimentación de las partículas. (aguas frías retienen sedimentos por periodos
más largos que cursos de agua más calientes).
V ×d
V ×d
Re = s
Re = s
ó
Se comprueba el número de Reynolds
µ
η
ρ
En caso que el número de Reynolds no cumpla para la aplicación de la ley de
Stokes (Re<0.5), se realizará un reajuste al valor de Vs considerando la
sedimentación de la partícula en régimen de transición, mediante el término del
diámetro y el término de velocidad de sedimentación del gráfico 1
61
4.3.14 Dimensionamiento
3.
Se determina el coeficiente de arrastre (CD), con el valor del número de Reynolds
a partir del nuevo valor de Vs hallado
CD =
4.
Se determina la velocidad de sedimentación de la partícula en la zona de
transición mediante la ecuación
Vs =
5.
24 3
+
+ 0.34
R
R
4 (ρ s − ρ )
g
d
3 CD ⋅ ρ
Se realiza un ajuste tomando en cuenta el tiempo de retención teórico del agua
respecto al práctico (coeficiente de seguridad), mediante el gráfico 3.
Vs =
Q
As
Vs ' =
Q × coef . seguridad
As
62
TRATAMIENTO DE AGUAS
4.3.14 Dimensionamiento
6.
Determinamos la velocidad limite que resuspende el material o velocidad de
desplazamiento:
8k
Vd =
g ( ρ s − 1)d
f
7.
Donde:
K:
factor de forma (m)
f:
factor de rugosidad de la cámara (m)
Vd: Velocidad límite de desplazamiento o velocidad de
arraste (cm/s)
Estimamos el valor de f mediante el gráfico 4
R=
4 Rm ⋅ Vh
η
Donde:
n:
viscosidad cinemática
Vh: Velocidad horizontal (cm/s)
Rm: Radio medio hidráulico (cm)
63
4.3.14 Dimensionamiento
8.
Determinamos la velocidad horizontal (Vh), mediante la ecuación:
Vh =
Q
At
Donde:
K:
factor de forma (m)
f:
factor de rugosidad de la cámara (m)
Vd: Velocidad límite de desplazamiento o velocidad de
arraste (cm/s)
9.
Luego se debe cumplir la relación Vd > Vh, lo que asegura que no se producirá la
resuspensión.
10.
Las dimensiones de ancho, largo y profundidad serán de tal forma que se cumpla
con las relaciones determinadas en los criterios de diseño mencionados.
11.
La longitud de la transición de ingreso la determinamos mediante la ecuación:
Lt =
B−b
2 × tgθ o
Donde:
Lt:
Longitud de transición ingreso (m)
b:
Ancho del canal de llegada a la transición (m)
B:
Ancho de la zona de sedimentación (m)
ϴ:
Ángulo de divergencia (12°30’)
64
TRATAMIENTO DE AGUAS
Ejemplo Diseño Desarenador
8.
Determinamos la velocidad horizontal (Vh), mediante la ecuación:
Q
Vh =
At
Donde:
K:
factor de forma (m)
f:
factor de rugosidad de la cámara (m)
Vd: Velocidad límite de desplazamiento o velocidad de
arraste (cm/s)
9.
Luego se debe cumplir la relación Vd > Vh, lo que asegura que no se producirá la
resuspensión.
10.
Las dimensiones de ancho, largo y profundidad serán de tal forma que se cumpla
con las relaciones determinadas en los criterios de diseño mencionados.
11.
La longitud de la transición de ingreso la determinamos mediante la ecuación:
Lt =
B−b
2 × tgθ o
Donde:
Lt:
Longitud de transición ingreso (m)
b:
Ancho del canal de llegada a la transición (m)
B:
Ancho de la zona de sedimentación (m)
ϴ:
Ángulo de divergencia (12°30’)
65
Ejemplo diseño desarenador
Una comunidad desea implementar la construcción de una nueva planta de tratamiento de
aguas residuales. La población futura al año 20 (población de diseño) se estima en 55,000
habitantes. De acuerdo con los hábitos de consumo de agua potable de la localidad se
establece una dotación de 200 l/hab/día. Tendiendo en consideración que el % de
contribución al alcantarillado es del orden del 85% y que los factores de variación de
consumo máximo y mínimo son: 1.8 y 0.7, respectivamente. Se pide dimensionar la
unidad de pre tratamiento de desarenador teniendo en consideración que la arena tiene
una densidad relativa de 2.65, el diámetro efectivo dec la partícula es de 0.2 mm, la
temperatura del agua 20°C.
Solución
1) Cálculo de caudales
Qp =
Pob × Dot
55000 × 200
× %Contribuci ón =
× 0.85 = 108.22 l / s
86400
86400
Qmax = K max × Q p = 1.8 ×108.22 = 194.80 l / s
Qmin = K min × Q p = 0.7 ×108.22 = 75.80 l / s
66
TRATAMIENTO DE AGUAS
Ejemplo diseño desarenador
2) Cálculo de Velocidad de sedimentación
De la tabla del Anexo 2:
Viscosidad cinemática (η)=1.0105x10-2 cm2/s
Vs =
1  ρs − 1  2 1
2.65 − 1


2
g
d = 981cm / s 2 
(0.02cm ) = 3.55cm / s
−2
2
18  η 
18
 1.01015x10 cm / s 
3) Número de Reynolds
Re =
Vs × d
Re =
η
3.55cm / s × 0.02cm
= 7.02 > 0.5
1.01015 ×10 −2 cm 2 / s
Por lo tanto, no se encuentra en la zona de la ley de Stokes:
Se realiza un reajuste mediante el gráfico 1.
 981(2.65 − 1) 
 g (ρs − 1)
 η 2  d =  (1.01015 x10 − 2)2  (0.02) = 5.02




1/ 3
1/ 3
67
Ejemplo diseño desarenador
4) Reajuste de Velocidad de Sedimentación
Se realiza un reajuste mediante el gráfico 1.
1/ 3
 981(2.65 − 1) 
 g (ρs − 1)
 (0.02) = 5.02
 η2  d = 
−2 2


 1.01015 x10

1/ 3
(
)
Del gráfico :
Vs
[g (ρs − 1)η ]1/ 3
[
=1
Vs = 981(2.65 − 1)1.01015 ×10 − 2
]
1/ 3
Vs = 2.54cm / s
68
TRATAMIENTO DE AGUAS
Ejemplo diseño desarenador
5) Comprobación de Número de Reynolds
Re =
2.54cm / s × 0.02cm
= 5.02
1.01015 × 10 −2 cm 2 / s
Entonces se encuentra en la zona de
transición (ley de Allen)
6) Cálculo coeficiente de arrastre:
CD =
24
3
+
+ 0.34
R
R
CD =
24
3
+
+ 0. 34 = 6. 46
5.02
5. 02
7) Velocidad de sedimentación en zona de transición
Vs =
4 (ρ s − ρ )
g
d
3 CD ⋅ ρ
Vs =
(2 .65 − 1 ) × 0 .02
4
× 981 ×
3
6 . 46
Vs = 2.58cm / s
69
Ejemplo diseño desarenador
8) Comprobación de Número de Reynolds
Si se asume una eficiencia del 75%, de acuerdo con la grafica 3 se adopta un
coeficiente de seguridad igual a 1,75.
Gráfica 3 – Curvas de Comportamiento
Vs ' =
Q × coef .seguridad
As
108.22
×1. 75
Vs ' = 1000
= 0. 0258m / s
As
As = 7.34m 2
Norma S.090 como mín 2 und.
70
TRATAMIENTO DE AGUAS
8) Dimensiones del desarenador (zona sedimentación
Se determina las dimensiones de largo, ancho y profundidad respetando los
criterios de diseño.
B=
L = 25H
Q
H.VH
As = 7.34m = L × B
2
H(asumido)
L (m)
B(m)
0.30
7.50
0.98
0.40
10.00
0.74
0.50
12.50
0.58
L=
L=7.50m
7.50m
B=
B=1.00m
1.00m
H=0.30m
H=0.30m
71
UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS
FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL
CAPITULO IV:
TRATAMIENTO PRELIMINAR
SESIÓN 4.4:
MEDIDOR DE CAUDAL
VERTEDERO PARSHALL
Ing. Omar E. Olivos Lara
72
TRATAMIENTO DE AGUAS
4.4 Vertedero Parshall
La canaleta Parshall, es un medidor de régimen critico desarrollado por el
ingeniero Ralph Parshall.
Consta de tres secciones: una entrada
convergente, una sección central o garganta y una sección divergente.
73
4.3.1 Vertedero Parshall
Cuando este medidor trabaja en
condiciones de descarga libre, para
calcular el caudal será suficiente
conocer la lectura de la carga H para
sustituirla en la expresión general:
Q = KH n
Donde:
Q:
Caudal, en m3/s
Ha: Tirante en la sección de medición
de flujo, en m
K y n: Constantes
Valores de K y n
W
n
K
3
1.547
0.176
6
1.580
0.381
9
1.530
0.535
1
1.522
0.690
1.5
1.538
1.054
2
1.550
1.426
3
1.556
2.182
4
1.578
2.935
5
1.587
3.728
6
1.595
4.515
7
1.601
5.306
8
1.606
6.101 74
TRATAMIENTO DE AGUAS
Vertedero Parshall
W
W
Capacidad
(l/s)
Capacidad
(l/s)
(Pulg/Pies)
(cm)
Mínima
Máxima
3
7.6
0.85
53.8
6
15.2
1.52
110.4
9
22.9
2.55
251.9
1
30.5
3.11
455.6
1.5
45.7
4.25
696.2
2
61.0
11.89
936.7
3
91.5
17.26
1426.3
4
122.0
36.79
1921.5
5
152.5
62.8
2422
6
183.0
74.4
2929
7
213.5
115.4
3440
8
244.0
130.7
3950
10
305.0
200.0
5660
75
Dimensiones Standard
W
W
A
B
C
D
E
F
G
K
N
pulg
cm
cm
cm
cm
cm
cm
cm
cm
cm
cm
1
2.5
36.3
35.6
9.3
16.8
38.1
7.6
20.3
1.9
2.9
3
7.6
46.6
45.7
17.8
25.9
45.7
15.2
30.5
2.5
5.7
6
15.2
62.1
61.0
30.5
40.3
53.3
30.5
45.7
3.8
11.4
9
22.9
88.0
86.4
45.7
57.5
61.0
45.7
61.0
6.9
17.1
1
30.5
137.1
134.4
61.0
84.5
91.5
61.0
91.5
7.6
22.9
1.5
45.7
144.8
142.0
76.2
102.6
91.5
61.0
91.5
7.6
22.9
2
61.0
152.3
149.3
91.5
120.7
91.5
61.0
91.5
7.6
22.9
3
91.5
167.7
164.2
122.0
157.2
91.5
61.0
91.5
7.6
22.9
4
122.0
182.8
179.2
152.5
193.8
91.5
61.0
91.5
7.6
22.9
5
152.5
198.0
194.1
183.0
230.3
91.5
61.0
91.5
7.6
22.9
6
183.0
213.3
209.1
213.5
266.7
91.5
61.0
91.5
7.6
22.9
7
213.5
228.6
224.0
244.0
303.0
91.5
61.0
91.5
7.6
22.9
8
244.0
244.0
239.0
274.5
340.0
91.5
61.0
91.5
7.6
22.9
10
305.0
274.5
260.8
366.0
475.9
122.0
91.5
122.0
14.2
34.3
76
TRATAMIENTO DE AGUAS
Vertedero Parshall: Cálculo del Resalto
A través de la siguiente. Ecuación se calcula el resalto:
Qmáx H máx− Z
=
Qmín H mín − Z
Z=
QmaxH min−Qmin Hmax
Qmax − Qmin
H = H max − Z
Según Marais (1971) el valor comúnmente retenido es de 75 l/1000 m3
77
Material Retenido
78