Tratamiento y Depuración de Las Aguas Residuales - Metcalf - Eddy - Editorial Labor [PDF]

Zitiervorschau

metcalf•

eddy

editorial labor, sa

tratamiento y depuración

de las aguas residuales

TRATAMIENTO Y DEPURACION DE LAS AGUASRESIDUALES

TECNICAS BASICAS DE INGENIERIA

TRATAMIENTO Y DEPURACION DE LAS AGUAS RESIDUALES METCALF - EDDY

Este libro está especialmente destinado a los estudiantes de ingeniería sanitaria de América Latina y se publica dentro de los programas de educación de la Organización Panamericapara la na de la Salud, organismo internacional constituido por los países de las Américas, promoción de ia salud de sus habitantes. Se deja constancia que este programa está siendo ejecutado con la cooperación financiera del Banco Interamericano de Desarrollo.

• LABOR

•

EDITORIAL LABOR, S. A.

Traducción:

Juan de Dios Trillo Monsoriu

Ingenierode Caminos,Canales y Puertos Profesor encargado de la Cátedra de Ingeniería Sanitaria de la Escuela Técnica Superior dc Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos (Universidad Politécnica de Barcelona)

Luis Vitto Albert

Doctor Ingeniero Industrial Catedráticode Mecánicade Fluidos de la ETSIIT (UniversidadPolitécnicade Barcelona)

Adaptación del texto y los problemas al SI: Inmaculada Rullo Aviñó

Ingeniero Técnico en Química Industrial

Prólogo a la edición española:

Fernando Troyano Lobatón

Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Ministerio de Obras Públ:cas

Primera edición: mayo 1977 Segunda edición: julio 1981

BIBLIOTECA

Título de la edición original: Wastewater Engineering: Collection, Treatment, Disposal O McGraw-Hill, Inc. All rights reserved (c) de la edición en lengua castellana y de la traducción: E!5b5 Editorial Labor, S.A. - Calabria, 235-239.- Barcelona-29 (1977) Depósito legal: B. 24.456-1981 ISBN: 84—335-6416-1 Impreso en España - Printed in Spain "Dúplex, S.A.", Ciudad de la Asunción, 26-1), Barcelona-3()(1981)

Prólogo a la edición española

La literatura técnica es cada día una más frondosa selva cuyas dimeno

siones superan la capacidad y la paciencia de quienes por necesidad por afición tratan de investigarla.Todos somos un poco culpables de ello: quien esté libre del pecado de haber escrito algo de lo que el mundo hubiera podido perfectamente prescindir que lance la primera piedra. Este tremendo esnobismoconsumidorde papel y de energíasdebiera ser reprimido. Para cada disciplina debería existir un libro único, un manual básico en el que se introdujeran sólo cambios imprescindibles cuando un avance real y demostradolo hiciera necesario.La investigación debería entonces dedicarse a un desarrollo en profundidad y en alcançe de los conceptosclave contenidosen la expresiónprácticamente estable de la disciplina. Aunque parezca utópico, esto puede hacerse: el libro al que dedicamoseste prólogo es una muestra de ello. En la ingeniería de las aguas residuales, el Metcalf es ese manual clásico

puesto al día sólo en lo imprescindiblepara mantener la actualidad sin perder la claridad ni sobrecargar el contenido.Muchos hemos aprendido en él lo poco que sabemos,y hemos descubiertomás tarde que no había mucho más que aprender en otras fuentes. Como en cualquier problema de dimensiones ingenieriles, los refinamientos suelen mejorar poco las variables fundamentales.Unos criterios claros y una valoración correcta

de las magnitudesprincipalesson suficientescasi siempre para alcanzar la solución adecuada. Por eso el Metcalf no es sólo un libro didáctico, sino una verdadera ayuda en la práctica profesional del proyecto de obras

de saneamiento.

Su traducción al castellano es, por tanto, utilísima, y el esfuerzo reali-

10

zado por el traductor, encomiable,pues la transmisióndel conocimiento de otros resulta siempre poco brillante frente a supuestas creacionespropias que en la mayoría de los casos son plagios disimulados.Debemos además reconocer y admirar el enorme trabajo que ha supuestopasar al Sistema Internacional todas las magnitudesde cuadros, figuras y texto, así como las adicionesrealizadasen los Apéndicesque mejoran notablemente la edición original. No queda sino esperar que la existenciade un buen texto en caste-

vtu

PRÓLO(X)A LA EDICIÓN ESPAÑOL\

nano provoque una mayor afición entre los alumnos de ingeniería hacia

esta rama de aplicaciónprácticatan influyenteen la calidadde la vida.

Y que pronto algún profesional español nos dé un manual (uno solo, por favor) que añada al Metcalf IOúnico que en él inevitablemente echamos de menos: la adecuación a nuestras condiciones locales y a nuestra situación socioeconómica. FERNANDO TROYANO LOBATON

Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos MINISTERIO DE OBRAS PUBLICAS

Madrid, marzo de 1977

I

Prólogo

Tras la publicaciónen 1914-1915de los tres volúmenesde American SeweragePractice de Leonard Metcalf y Harrison P. Eddy, se pidió a sus autores que preparasen un resumen de un solo volumen para su uso como texto en las escuelas de ingeniería. Su libro Sewerageand Sewage Disposal fue publicado en 1922,y le siguió una segunda edición en 1930. Dicho libro de texto clásico fue utilizado por muchos estudiantes que son hoy día dirigentesen la especialidadde la ingenieríaambiental. En las últimas cuatro décadas, el desarrollo experimentado en la ingeniería sanitaria ha sido muy notorio y los principiosbásicos en los que se basan los procesos y operacionesson conocidos ahora con mayor claridad. Por ello, ha habido una gran demandapara la revisiónde este libro por parte de profesoresy de ingenierosen el ejerciciode su profesión. Finalmente se ha podido publicar este nueyo volumen. El objetivo de este libro es reunir los amplios conocimientos propios del campo de la ingeniería sanitaria, en continuo auge y con sucesivos cambios, y presentarlo en forma tal que el libro pueda ser útil como texto para los estudiantesy como obra de consulta para los profesionales. Su contenido se ha preparado, y coordinado por profesores universitarios e ingenieros responsables del proyecto, construcción y funcionamiento

de instalacionespara el tratamiento de aguas residuales.

El material se presenta en la secuencia lógica de recogida, tratamiento y evacuación. Los capítulos sobre sistemas de recogida presentan los fundamentos de mecánica de fluidos e ingeniería hidráulica que el ingeniero necesita para concebir y diseñar instalaciones de bombeo y recogida de aguas residuales, Se presta atención a la estimación de los caudales de aguas residuales de municipios e industrias. No se ha intentado, sin embargo, estudiar la hidrología o métodos y materiales de construcción

PRÓLOGO

ya que puede encontrarse información sobre estos temas en excelentes.

otros textos

La amplia sección sobre el tratamiento de aguas residuales tiene una doble intención. En primer lugar, se hace una amplia presentación de los principios fisicos, químicos y biológicos que el estudiante y el ingeniero deben comprender antes de acometer complejos problemas niería. A continuación, se aplican dichos principios al proyectode ingetalaciones para el tratamiento de aguas residuales. El importante de insla evacuaciónse trata en dos capítulos de los cuales el primero tema de se ocupa de los procesos de tratamiento y evacuación de aquellas materias nadas por el tratamiento y el segundo trata de la evacuaciónde elimilas aguas residuales. En razón de los problemas encontrados en el tratamiento de residuos industriales, el último capítulo se dedica a los métodos y empleados en los estudios sobre aguas residualesor a la forma detécnicas llevar-

los a cabo. Los principios y prácticas se presentan de modo tal que el

pueda aplicar los fundamentos a la solución del problema. estudiante Este está concebidopara ser utilizado por profesores y estudiantesen texto de la carrera así como también en cursos de postgraduados. El el curso estudiante deberá prestar atención a los aspectos técnicos de los seis primeros tulos, con lo que conseguirá una visión general de los principios capídel tratamiento y evacuación de aguas residuales. El graduado en ingeniería

ambientaly sanitaria encontrará de mayor interés los capítulos7 que presentan los conceptos teóricos y soluciones prácticas al al 16, proyecto y funcionamientode las instalacionesde tratamiento y evacuación de aguas residuales. Los apéndices F y G presentan el bosquejo de algunos cursos para distintos niveles académicos sugeridos como orientación los instructores. Permite este libro un planteamiento flexible de para cursos para estudiantesy postgraduados de acuerdo con los interesesindividuales

de los instructores y su relación con el plan de estudios de cualquier escuela técnica. Incluye nuevos ejemplos para proporcionar a los estudiantes un mejor conocimientoen su trabajo de los temas presentados. Para probar más adelante la comprensión del estudiante, se incluyen problemas al

final de cada capítulo. Un ingeniero en activo advertirá que este libro le recuerda una serie

de temas que había estudiado en la obra Sewerageand SewageDisposalde Metcalf y Eddy o en otras. Hallará también explicaciones de algunos de Jos principios más recientes y de su aplicación al concepto y diseño de los sistemas de tratamiento de aguas residuales. El texto está dotado de la correspondiente bibliografía, así como de un detallado índice, de modo que los temas de interés puedan encontrarse fácilmente. Por otro

lado, se ofrecen bibliografíasde cada tema para consultas posteriores.

Incluye numetosas tablas y resimenes de datos que serån ütiles al estudiante y al ingenieto que busquen la aplicaci6nde ciertos procesos y operaciones unitarias. Debemos agradecer Ios servicios de muchos miembros del personal y consultores de Metcalf & Eddy Inc., ya que este texto es verdaderamente un esfuerzo conjunto. Harrison P. Eddy, Jr., como director y, mås recientemente, presidente del consejo, impuls6 la preparaci6n de este nuevo texto. Su deseo de que el libro de Metcalf y Eddy tuviera un digno sucesor fue posible gracias al hecho de proporcionar el personal id6neo de sus empresas de Palo Alto y Boston, que contribuyeroncon su tiempo y su esfuerzo. Yo actué como socio encargado del proyecto y mi responsabilidad fue la elecci6ndel alcancey formato del libro asi como la supervisi6n del personal que Ilev6 a cabo el trabajo. El principal escritor y coordinador de este libro fue George Tchobanoglous, asistido por Allen J. Burdoin y John W. Raymond, Jr., de la oficina de Boston, y Olivia L. Chen, Roger T. Haug, Robert G. Smith, Vernon L. Snoeyink y James F. Stahl de la oficina de Palo Alto. Ronald W. Crites se responsabiliz6 de los problemas de la impresi6n y asistencia editorial y de producci6n. Marcella S. Tennant actu6 como editor general técnico. Finalmente, debemos agradecer las contribuciones de Perry L. McCarty,

de la Stanford University,y de Clair N. Sawyer, vicepresidentey di-

rector de investigaci6n de Metcalf & Eddy, Inc. y ex profesor de Ingenierfa sanitaria en el Massachusetts Institute of Technology, cuyos articulos publicados y material utilizado en sus clases se han empleado en la prepara-

ci6n de diversos capitulos. ROLF. ELIASSEN

Senior Vicepresidente Metcalf & Eddy, Inc.

I NDICE DE MATERIAS

1. DESARROLLOY TENDENCIASDE LA INGENIERIA SANITARIA

1.1. Recogida 1.1.1. Antecedentes . 1.1.2. Tendencias y desarrollos recientes

1.2. Tratamiento 1.2.1. Antecedentes 1.2.2. Ultimas tendencias y desarrollo 1.3. Evacuación 1.3.1. Antecedentes 1.3.2. Modernos desarrollos y tendencias 1.3.3. Evacuación de fangos y contaminantes concentrados

1

2 3 4 4 7

9 9 10 11 11

Bibliografía

2. DETERMINACIONDE CAUDALESDE AGUAS RESIDUALES 2.1. Planes generales de saneamiento 2.1.1. Crecimientode la comunidad 2.1.2. Instalaciones de saneamiento existentes 2.1.3. Criterios de proyecto 2.1.4. Instalaciones de saneamiento recomendadas 2.1.5. Programa de ejecución

2.2. Estudio de población 2.2.1. Fuentes de información 2.2.2. Densidad y distribución de población 2.2.3. Previsiones de población 2.3. Consumo de agua 2.3.1.

2.3.2. 2.3.3, 2.3.4. 2.3.5.

Consumode agua en Estados Unidos Consumode agua en las ciudades Consumo de agua en distintos tipos de establecimientos Fluctuacionesen el consumo de agua Proporción del agua de abastecimiento municipal que llega a las alcantarillas

13

13 14 14 15 15 16 16 16 16 17 25

25 27

28 32 33

INDICEDE MATERIAS

XIV

2.4. Caudales de aguas residuales 2.4.t. Procedenciade las aguas residuales 2.4.2. Variacionesen el caudal de aguas residuales 2.5. Aguas pluviales 2.6. Infiltración de agua subterránea . 2.6.1. Infiltración en las alcantarillas . 2.6.2. Tolerancias de infiltración a efectos del proyecto 2.6,3. Medidas de la infiltración y pérdidas

34 36 41 41

42 45

Problemas

45

Bibli€grafia

47

3. HIDRAUUCADE LAS ALCANTARILLAS

3.1. Fundamentos de mecánica de los fluidos 3.1.1. Definición de términos . 3.1.2. Ecuación de continuidad

3.1.3. La ecuaciónde la energía 3.1.4._ Ecuación de la cantidad de movimiento

3.2. Ecuaciones del flujo 3.2.1. Fórmulas de Chezy y Darcy-Weisbach

La ecuaciónde Manning Fórmula de Kutter 3.2.4. Fórmula de Hazen-Williams 3.2.5. Ecuacionesde flujo laminar 3.3. Flujo en tuberías y canales 3.3.1. Flujo en tuberías con sección llena 3.3.2. Flujo en secciones parcialmente llenas 3.2.2. 3.2.3.

3.3.3. Diferentes secciones de alcantarillas 3.3.4. Flujo en canales 3.4. Flujo no uniforme 3.4.1. Ecuación general para el flujo no uniforme 3.4.2. Transiciones y confluencias 3.4.3. Elevación lateral de la superficie del agua en

las curvas

3.5. Otras pérdidas de energía no originadas por rozamiento. 3.5.1. Energía cinética: altura dinámica 3.5.'2. Embocaduras 3.5.3. Contracción brusca 3.5.4. Ensanchamiento brusco 3.5.5. Válvulas 3.5.6. Curvas 3,6. Métodos para medir el caudal de agua 3.6.1. Orificios 3.6.2. Vertederos 3.6.3. Tubo de Venturi Toberas 3,6.5, Canal de aforo Parshall 3.6.6. Canales de aforo Palmer-Bowlus

49

49 49 51 53 55 57

58 59

63 64 64

65 65 70 72 74 75 75

83

85 86 86 87 87

88 88 88 89 90 91

94 97

98 98

fNDtCE DE MATERIAS

Aberturas de contracción Tubo California Cálculo basado en las medidas de calado pendiente 3.6.10. Trazadores químicos y radiactivos 3.6.11. Medidores magnéticos de caudal 3.6.7. 3.6.8. 3.6.9.

3.6.12. 3.6.13.

Molinetes

Tubos de Pitot

Medidas por flotación 3.6. 15. Trazadores con colorantes 3. 6. 16. Métodos eléctricos

3.6.14.

99 100 101 101 102 104

104 105 105 106

Problemas

106

Bibliografía

107

109 4. PROYECTODE ALCANTARILLAS 109 4.1. Alcantarillas para aguas residuales 4.1.1. Informaciones básicas y preliminares 110 4.1.2. Consideracionesen torno al proyecto.Justifica-

ción de soluciones 4.1.3. Proyecto de una red de alcantarillado para aguas residuales Preparación del pliego de condiciones,prescripciones técnicas y planos de contrata 4.2. Alcantarillas pluviales o unitarias 4.2.1. Planos de situación y perfiles longitudinales 4.2.2. Caudal de aguas pluviales 4.2.3. Proyecto de alcantarillas unitarias o pluviales. 4.2.4. Condiciones de bajo caudal en las alcantarillas unitarias

112 118 122 123 124 124 126

129

Problemas

132

Bibliografía

-133

5. INSTALACIONES COMPLEMENTARIAS Y ESTRUCrURAS ESPE-

CIALES DE LAS ALCANTARILLAS 5.1. Pozos de registro

5.1.1. Pozos de registro con caída incorporada 5.1.2. Pates o peldaños de los pozos de registro

5.1.3, Marcos y tapas de pozos de registro

5.2. Imbornales 5.2.1. Piezas fundidas para imbornales 5.2.2. Tipos de imbornales 5.2.3. Hidráulica de los imbornales 5.3.

Sumideros

.

5,4. Dispositivo de limpieza por descarga de agua

135

136 139 139 139 147 149 156 158

INDICE DE MATERIAS

Conexiones a los edificios Estructuras especiales . Confluencias Sifones invertidos Dispositivos reguladores Aliviaderos . 5.10.I. Vertederos laterales con deflectores . 5.10.2. Vertederos laterales 5.10.3. Vertederos transversales . 5.10.4. Vertederos de salto 5.10.5. Sifones aliviadero . 5.10.6. Estructura de derivación de orificio fijo 5.11. Salidas • 5.12. Compuertas de mareas . aire del renovación y 5.13. Ventilación 5.5. 5.6. 5.7. 5.8. 5.9. 5.10.

158 159 161

161

167 168 169 177 178 179

179 181

183

183 183 186

Bibliografía

186

6. BOMBASY ESTACIONESDE BOMBEO 6.1. Bombas 6.1.1. Bombas centrífugas 6.1.2. Bombas de desplazamiento positivo 6.1.3. Características operativas de las bombas . 6.1.4. Construcción de bombas 6.1.5. Bombas especiales 6.2. Accionamientos de bombas 6.2.1. Motores eléctricos 6.2.2. Motores de combustión interna 6.3. Elección de bombas para aguas residuales

6.3.1. Determinación del caudal de proyecto

6.3.2. Consideraciones generales en la elección de bombas 6.3.3. Análisis del sistema 6.4. Estaciones de bombeo Tipos de estaciones de bombeo 6.4.2. Detalles del proyecto de una estación de bombeo 6.4.3. Detalles del proyecto de la tubería de impulsión

189

189 190 193 194 197 198 200

201 203 203 203 204 205 209 211

216 227

Problemas

234

Bibliografía

235

7, CARACTERISTICASDE LAS AGUAS RESIDUALES

7.1. Análisis de aguas residuales 7.1.1. Expresión de los resultados analíticos 7.1.2, Composición

237

237 239 239

fNDICE DE MATERIAS

xvrr

Variaciones de caudal e intensidad de agua residual 242 7.2. Características físicas: Definición y aplicación 243 7.2.1. Sólidos totales 7.1

7.2.2. Temperatura 7.2.3. Color 7.2.4. Olores 7.3. Características químicas: Definición y aplicación 7.3.1. Materia rogánica

246 247 247 248

7.3.4. Gases 7.4. Características biológicas: Definición y aplicación

272 274

7.3.2. Medidas del contenido rogánico 7.3.3. Materia inorgánica

248 252 266

Microorganismos

274

7.4.2. Organismos coliformes 7.4.3. Ensayos biológicos

276 279

7.4.1.

Problemas

281

Bibliografía

283

8. OPERACIONESFISICAS UNITARIAS 8.1. Desbaste 8.1.1. Rejas 8.1.2. Tamices 8.2. Mezclado 8.2.1. Tipos de mezcladores 8.2.2. Teoría

8.2.3. Análisis

8.3. 8.4.

294 295 296 302

Flotación

310

8.5.1. Tipos de sistemas 8.5.2. Aditivos químicos 8.5.3. Análisis

8.6.

Elutriación

8.6.1. Tanque único 8.6.2. Tanques múltiples 8.7. Filtración por vacío 8.7.1. Teoría 8.7.2. Análisis

8.8. Transmisión térmica 8.9.

293

Floculación Sedimentación 8.4.1. Sedimentación tipo 1 8.4.2. Sedimentación tipo 2

8.4.3. Sedimentación zonal y por compresión 8.4.4. Velocidad de arrastre

8.5.

285 286 287 289 290 290 291

8.8.1. 8.8.2. Secado 8.9.1.

Teoría Análisis Teoría

304 309 318 312 313 316

317 317 318 320 323

323 324 328 332 332

xvna

ÍNDICEDE MATERÍAS

8.9.2. Secado instantáneo 8.9.3, Secaderos rotativos 8.9.4. Incinerador

333 333 335

Problemas

337

Bibliografía

339

9. PROCESOS QUIMICOS UNITARIOS

9.1. Cinética de reacción 9.1.1. Orden de reacción 9.1.2„ Efecto de la temperatura 9.2. Precipitación química . 9.2.I. Productos químicos . 9.2.2. Reacciones químicas (simplificadas) 9.2.3. Reacciones (simplificadas) para la eliminación del fosfato 9.2.4. Acción de -los precipitantes químicos 9.3. Transferencia de gases . 9.3.1. Teoría . 9.3.2. Análisis 9.4. Adsorción 9.4.1. Teoría 9.4.2. Análisis 9.5 Desinfección 9.5.1. Agentes y medios 9.5.2. Factores que influyen en la acción de los desinfectantes 9.5.3. Desinfección con cloro 9.6. Combustión . 9.6.1. Combustión seca . 9.6.2. Proceso de oxidación por vía húmeda Problemas Bibliografía 10. PROCESOS BIOLOGICOS UNITARIOS

10.1 Algunos fundamentos de microbiología IO.1.1. Conceptos básicos 10.1.2. Microorganismos importantes 10.1.3. Fisiología de la célula . 10.1.4. Ciclos aerobio y anaerobio 10.2. Crecimiento bacteriano 10.2.1. Características generales del crecimiento 10.2.2. Cinética del crecimiento biológico 10.2.3, Aplicación de la cinética a los sistemas de tratamiento 10,3, Procesos de tratamiento biológico . 10,3,I. Tratamiento aerobio de aguas residuales

341

341 342 343

345 345 346 350 352 357 357 361 363 364 367 371 371

373 378 382 382 386 387

389 391

392 392 394 400 404 407 407 410 414 429

4'29

fNDtCE bE MATERIAS

10.3.2. Tratamiento anaerobio de aguas residuales 10.3.3, Tratamiento residual acrobio-anaerobio

XIX 437 440 441

Problemas 442

Bibliografía

PROYECTODE INSTALACIONESPARA TRATAMIENTO FISICO RESIDUALES Y QUIMICO DE AGUAS 11.1.

Rejas, tamices y

trituradores

11.1.1. Rejas 11.1.2. Taniices

11.1.3. Cantidad de basuras 11.1.4. Eliminación de las basuras

11.1.5. Trituradores 11.2. Desarenadores 11.2.1. Tipos de desarenadorcs 11.3.

11.5.

11.6.

11.2.2. Cantidades de arena 11.2.3. Eliminación de la arena Pretratamiento

11.3.1. Tanques separadores de grasas 11.3.2. Colectores de grasas 11.3.3. Preaireación 11.3.4. Floculación Tanques de sedimentación primaria

445

446 446 452 453 453

456 457 466 466

467 468 468 468 469 470

471 11.4.1. Bases de proyecto 473 tanques 11.4.2. Tipo, tamaño y forma de los 476 11.4.3. Cantidades de fango de separación la Otras unidades y operaciones para

479 479480 483 Tratamiento químico 484 11.6.1. Primeros procesos de tratamiento químico 11.6.2. Aplicaciones recientes del tratamiento químico. 485 488 11.6.3. Cantidad de fango

sólidos 11.5.1. Flotación 11.5.2. Tanques Imhoff y fosas sépticas

11.6.4. Eliminación del fango 11.7. Bombeo de fangos y espumas 11.7.1. Bombas

489 490 490 492

11.7.2. Determinaciónde la pérdida de carga 11.7.3. Aplicación de bombas a los diversos tipos de 495 fango

11.8.

Cloración 11.8.1. Aplicación 11.8.2. Compuestos del cloro

496 496

498 11.8.30 Equipo de cloración y control de la dosificación. 500 503 11.8.4. Tanques de cloración 504 11.9. Control del olor , Problemas

505

Bibliografía

506

ÍNDICE DE MATERIAS

12. PROYECTO DE INSTALACIONESPARA EL TRATAMIENTOBIOLOGICO DEL AGUA RESIDUAL

12.1. El proceso de fangos activados 12.1.1. Consideracionessobre el diseño del proceso 12.1.2. Tipos de procesos y modificaciones . 12.1.3. Diseño de instalaciones de aireación por difusión 12.1.4. Diseño de aireadores mecánicos 12.1.5. Diseño de aparatos y de depósitos de aireación. 12.1.6. Diseño de instalaciones para la separación de

*12.2.

sólidos 12.1.7. Dificultades operacionales .

Filtros percoladores 12.2.1. Clasificación de filtros

12.2.2. Consideraciones sobre el diseño del proceso 12.2.3. Diseño de las instalaciones 12.3. Lagunas aireadas

12.3.1. Tipos de lagunas aireadas 12.3.2. Consideraciones sobre el diseño del proceso

12.4. Estanques de estabilización

12.4.1. Clasificación de los estanques

12.4.2. Aplicación 12.4.3. Consideraciones sobre el diseño del proceso

Diseñode las instalaciones

507

507 509 523 533 544 548

553 561

564

564 565 569 574 574 575 582 583 586 587 598

Problemas

601

Bibliografía

603

13. DISEÑO DE INSTALACIONESPARA EL TRATAMIENTOY EVACUACION DEL FANGO 607 13.1. Diagramas de proceso de tratamiento del fango 608 13.2. Procedencia, cantidad y características del fango 608 13.2.I. Procedencia 608 13.2.2. Cantidad 612 13.2.3. Características 617

13.3. Concentración del fango 13.3.1. Concentración por separado 13.3.2. Reducción de volumen 13.3.3. Proyecto de espesadores . , 13.4. Digestión anaerobia del fango 13,4.1, Descripción del proceso 13.42. Proyecto del proceso 13.4.3. Producción, recogida y utilización del gas 13.4.4. Variaciones del proceso 13.5. Digestión aerobia 13,5.I. Descripción del proceso 13.5.2. Proyecto del proceso 13.6, Acondicionamiento del fango 13.6.I. Elutriación 13.6,2. Acondicionamiento químico

619

619 620 621 624

625 629 638 640

642 643 646 646 647

fNbtcv be MATERIAS

13,6.3. Tratamiento

13.6.4. Otros procesos

649

13.7.2. Secado térmico

650

13.7. Deshidratación y secado del fango 13.7.1. Deshidratación 13.8.2. Oxidación por via húmeda Evacuación final de fangos y cenizas 13.9.1. Evacuación sobre el terreno 13.9.2. Vertido al mar

657 660 660 661

Problemas

663

Bibliografía

665

14. TRATAMIENTO AVANZADO DE AGUAS RESIDUALES

667

14.1. Efectos de los elementos químicos presentes cn el agua residual 667 14.2. Procesos y operaciones unitarias 669 14.2.1. Clasificación 14.2.2. Selección del proceso

669 669 14.3. Operaciones físicas unitarias 672 14.3.1. Separación del amoníacc por arrastre de aire. 672 14.3.2. Filtración 678 14.3.3. Otras operaciones 686 14.4. Procesos químicos unitarios 688 14.4.1. Adsorción por carbón 688 14.4.2, Precipitación química 689 14.4.3. Precipitación química en el tratamiento biológico 689 14.4.4. Intercambio iónico 690 14.4.5. Otros procesos 694 14.5. Procesos biológicos unitarios 696 14.5.1. Asimilación bacteriana 696 14.52. Cultivo de algas 698 14.5.3. Nitrificación-desnitrificación 698 Evacuación final de contaminantes 705 Problemas

706

Bibliografía

707

15, CONTROL DE LA POLUCION DEL AGUA Y EVAPORACION DE EFLUENTES

711

15.1. Control de la polución del agua 15.1.1. Normas sobre aguas receptoras 15.1,2, Normas sobre efluentes 15.I.39 Establecimiento de normas 15.2. Eliminación del efluente por dilución 15.2.1. Vertido a los lagos 15.2,3. Vertido en ríos

712 712 712 713 714 715 718

fNDtCE DE MATERIAS

xxu

15.2.39 Vertido en estuarios 15.2.4. Vertido al mar 15.3. Métodos de evacuación (ICIefluente al terreno 15.3.1. Aspersión 15.3.2. Estanques de evaporación 15.4. Reutilizacióndirecta e indirecta del agua residual 15.4.1. Reutilización municipal 15.4.2. Reutilización industrial 15.4.3. Reutilización agrícola 15.4.4. Reutilización en zonas de recreo 15.4.5. Recarga de acuíferos Problanas

726 730 740 740 740 741 742 743 743 743 744 744

Bibliografía

745

10 SOBRE TRATABILIDAD DEL AGUA RESIDUAL

16.

16.1. Fases previas 16.1.1. Identificacióndel problema 16.1.2. Análisis de requisitos Examen del agua residual 16.2. 16.2.1. Caracterizacióndel agua residual del vertido 16.2.2. Observaciones «in situ» 16.2.3. Análisis y modificacióndel proceso 16.3. Análisis de los posibles tratamientos 16.3.1. Exploración preliminar 16.3.2. Exploración profunda 16.4. Valoración en laboratorio 16.4.1. Fangos activados 16.4.2. Tratamiento anaerobio 16.4.3. Adsorción con carbón 16.4.4. Flotación con aire disuelto 16.5. Selección y diseño de instalaciones de tratamiento

747

748 748 748 749 749 754 754 755 755 757 758 758 763 766 769 771

Problemas

772

Bibliografía

773

APENDICES

777

A. Tablas de factores de conversión B. Propiedades físicas del agua C. Solubilidad del oxígeno disuelto D. Número más probable de coliformes por mililitro de muestra E. Criteriosde calidad del agua de la Ohio River Valley Water Sanitation Commission F. Programa sugerido para en curso a ingenieros postgraduados G, Programa sugerido para un curso a estudiantes de ingeniería H. Algunos términos usuales INDICE ALFABETICO

777 785 786 787 790 793 794 795 797

INDICE DE EJEMPLOS

2.1. 2.2.

3.1.

Proyecciónde una población Determinación del caudal punta de una escuela según el método de unidades de instalación profundidaddel agua y velocidaden seccionesparcialmente llenas

3.2.

Diámetro de una alcantarilla que fluye parcialmente llena

3.4. 3.5. 4.1. 4.2. 4.3.

Longitudde la curva de remansoen una seccióncircular

38 72 72

33. Longitud de la curva de descensode nivel en una sección rectangular 79 Resalto hidráulico

Proyecto de una red de alcantarilladopara aguas residuales 118 Proyectode una red de alcantarilladopara aguas pluviales. 126 Análisis de las condiciones de bajo caudal en alcantarillas

unitarias 5.1. Capacidad de un imbornal rectangular 5.2. 5.3. 5.4. 5.5. 6.1. 6.2. 7.1. 7.2.

7.3.

Cálculode la DTeO Cálculo del NMP

NMP de un caudal de agua residual procedentede un aliviadero

7.7. 8.1. 8,2. 8,3. 8.4,

129

153

164 Proyecto de un sifón invertido 165 Proyectode una cámara de entrada y salida vertedero lateral a una. tubería de un ya exisIncorporación 175 tente 176 Vertederolateral con estructura de enlace 208 velocidad constante de bombas varias de Selección Elecciónde una combinaciónde bombas de velocidadvaria208 ble y constante 255 Cálculode la DBO los Cálculo de constantes de la DBO utilizando el método de 259 mínimos cuadrados Cálculode las constantes de la DBO utilizando el método de

Thomas 7,4. 7.5. 7.6.

79 81

Análisis de ensayos biológicos Energía necesariay área de las palas para un floculador Eliminaciónde partículas discretas (sedimentacióntipo 1) Eliminación de sólidos floculentos (sedimentación tipo 2) Cálculo de los espesadores de fango

260 265 278 278 280 295 301 303 307

fNDtCt DE FJF,MPT.OS

8,5. Espesado pot notación del liquido mezcla de fango activado. 314 8.6. Elutriaeión de tango digerido 318 8.7. Rendimientode un filtro de vacfo 322 8.8. Necesidades térmicas de un digestor . 330

9.1. Determinacióndel orden de reacción y de la constante de velocidad 343 9.2. Concentraciónde saturación del nitrógeno en agua 360 9.3. Análisis de datos de adsorción sobre carbón activo 366 9.4. Balance térmico y material en la incineración 384

11.1. Efecto de la geometría de la sección de control sobre la geometrfa del desarenador 11.2. Proyecto de un desarenador de flujo horizontal 11.3. Cálculo del volumen de fango . 11.4. Estimación del volumen de fango resultante de la precipitación química del agua residual sin tratar 11.5. Pérdida de carga en el bombeo de fango 11.6. Elección del clorador 12.1. Diseño de un proceso de fango activado 12.2. Potencia necesaria para una soplante 12.3, Pérdida de carga en conducciones de aire 12.4. Determinación de la profundidad de un filtro percolador 12.5. Diseño de un filtro percolador utilizando las ecuaciones NRC. 126. Efecto del área de superficie del estanque sobre la temperatura del líquido

12.7. Diseño de una laguna aireada 12.8. Diseño de un estanque de estabilización aerobio 12.9. Diseño de un estanque de estabilización aerobio-anaerobio. 12.10.Análisis de sistemas de estanques .

13.8.

Volumen del fango sin tratar y digerido Conversión de DBO a gas metano Cálculo del volumen y rendimiento de un digestor Cálculo del volumen de un digestor empleando el factor de carga de sólidos volátiles Determinación de la reducción de sólidos volátiles Estimación del volumen requerido del digestor utilizando el método de reducción de volumen Cálculo del volumen del digestor, utilizando una capacidad volumétrica per cápita Diseño de un digestor aerobio

14.2. 14.3. 15.1. 15.2.

Volumen de resina necesario en un intercambio iónico Asimilación de nitrógeno amoniacal Concentraciónde residuos radiactivos en un lago Disminución de la concentración de oxígeno disuelto en un río

13.1. 13.2. 13.3. 13.4. 13.5. 13.6. 13.7.

Necesidadesde aire para el arrastre del amoníaco

15.3. Intrusión salina en un estuario Diseño de un emisario submarino 16.1. Estudio sobre la tratabilidad con fangos activados 16.2. Estudio sobre tratabilidad por vía anaerobia 16.3. Desarrollo de una isoterma de adsorción líquida 16.4. Estudio de adsorciónen una columna de carbón activo 16.5. Estudio de flotación con aire disuelto

458 460 478 488 493 498 520 539 543 567 568 578 579 593 596 598 616 629 631

633 635 636 637 645 674 692 697 717 724 730 737 759 764 767 768 770

Desarrollo y tendencias en la ingeniería sanitaria

En la actualidad, el campo de la ingeniería sanitaria se encuentra en un período dinámico de desarrollo, en el que antiguas ideas vuelven a valorarse y se formulan nuevos conceptos.Para jugar un papel activo en el desarrollo de este campo, el ingeniero debe comprender claramente los fundamentosen que se basa. Por tanto, la finalidad de estelibro es delinear los principios fundamentalesde ingeniería implicadosen la recogida, tratamiento y evacuaciónde aguas residualese ilustrar su aplicación al proyecto. A modo de introducción general de estos temas, se pasa revista brevemente en este capítulo a algunos antecedentes históricos y a algunos de los desarrollosy tendenciasmás nuevos de la ingeniería sanitaria. 1.1. RECOGIDA El desarrono del abastecimiento de aguas potables y la recogida de aguas residuales domésticas son dos de los factores más importantes en el nivel general de buena salud que disfruta el pueblo de los Estados Unidos. Típicamente,la planificacióny proyecto de una red de saneamiento supone la determinación del caudal de aguas residuales, el cálculo hidráulico de alcantarillas, grandes conduccionesy estructuras de enlace y derivación, selección adecuada de instalaciones complementariasy proyecto de estaciones de bombeo. Estos temas se examinarán en los capí-

tulos 2 al 6.

DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALEs

primitivas descritas en la literatura, se De las muchas alcantarillas desagües subterráneos de la antigua conocen con detalle los grandiosos la época se ha podido saber que las Roma.a• A través de los escritos de no conductos y eran utilizados directas de las casas a canales exigenciasde la salud pública no se enconen cuantía apreciable, ya que las de tales medidas traban aún reconocidas y la obligación de los derechos sanitarias se

del habrían considerado como una invasión alcantarillas, tanto individuo. en Estados Siguiendola práctica romana, las primeras en principio Unidos como en el extranjero, se construyeron humanas para la elimino se arrojaron nación de las aguas pluviales. Las excreciones

hasta 1833 en Boston y hasta 18803 alas alcantarillas hasta 1815en Londres, en París.

Es sorprendente señalar que, aunque se habían construido diversas alcantarillas desde los días del Imperio romano, el proyecto y construcción de redes de saneamiento no experimentó desarrollo alguno hasta la década 1840-1850. El renacimiento comenzó en Hamburgo (Alemania) en 1842 como resultado de un grave incendio que destruyó parte de la ciudad. Por vez

primera, se diseñó un nuevo y completo sistema de acuerdo con las teorías más modernas de esa época relativas a la conducción de aguas residuales, teniendo en cuenta las condiciones topográficas y necesidades reconocidas

de la comunidad.3Ello supuso un avance espectacular considerando que los principiosfundamentalesen que se basó el diseño son todavía hoy utilizadosy que no se habían empleado antes de aquella fecha. Alcantarillas de Londres: Hasta 1845, en Londres no se disponía de in-

formación suficiente sobre la ciudad para la planificaciónde sistemasde alcantarillado. Las alcantarillas de las parroquias próximas se encontraban a diferentescotas, de forma que no resultaba posible empalmarlas. Algunas de las alcantarillas estaban a cota superior que las fosas sépticas en que se suponía debían desaguar, en tanto que otras habían sido construidas de tal modo que, para poder utilizarlas, el agua residual tendría que discurrir hacia arriba. También, alcantarillas de gran tamaño tenían que verter en otras menores. Tras las gran epidemia de cólera asiático en 1832, el cólera apareció de nuevo en Londres en 1848, atribuyéndosele un total de 25 000 víctimas durante los seis años de su duración. Aunque quedó claramente demostrada la relación entre un abastecimientode agua contaminada y la rápida Estas llamadas remiten a

bibliografía situada al final de cada capítulo.

DESARROLLO Y TENDENCIAS EN LA INGENIERfA SANITARIA

3

propagación de la enfermedad, las precarias condicionessanitarias en la mayoría de las casas, debido a la ausencia de alcantarillas domésticas, fueron un gran obstáculo para vencer la epidemia. En 1855el Parlamento creó el Metropolitan Board of Works, que al cabo de poco tiempo se

encargó de desarrollar un adecuado sistema de recogida de aguas residuales. Alcantarillas en Estados Unidos. Poco se sabe sobre los primeros trabajos de recogida de aguas residuales en Estados Unidos. Con frecuencia fueron

realizados individualmente o por los habitantes de pequeños distritos, costeándoselos ellos mismos y con poca o ninguna supervisión pública. Al igual que en otros países, existió una tendencia por construir alcantarillas de dimensiones innecesariamentegrandes. Una de las alcantarillas más antiguas de Brooklyn, que desaguaba menos de 8 ha y tenía una pendiente del 3 %, tenía 1,2 m de altura por 1,5 de ancho. En algunos casos las alcantarillas no sólo eran grandes en sus bocas de salida sino a lo largo de todo su recorrido. No era posible lograr la velocidad adecuada en tales alcantarillas a menos que se hubieran construido sobre pendientes pronunciadas y, consecuentemente,algunas de ellas resultaban perjudiciales cuando los sólidos acumulados se descomponían. Incluso en algunos casos, las pendientes eran de dirección opuesta a la que debieron tener. Aunque, como se observó anteriormente,el conocimiento de los principios fundamentales que rigen el flujo de las aguas residuales se remonta a 1840,8 su aplicación al proyecto de las alcantarillas ha evolucionado poco a poco y no se ha caracterizadopor avances espectaculares.Muchas de las mismas fórmulas son utilizadas todavía en la actualidad, pero su base fundamental y límites de aplicabilidad son mejor conocidos, 1.1.2. Tendencias y desarrollos recientes

A la aplicación de desarrollos procedentes de otros campos se deben los numerosísimos y recientes cambios experimentados en la recogida de aguas residuales. Tres de los avances más importantes han sido la aplicación de técnicas fotogramétricas y de ordenadores al proyecto de alcantarillas por el sistema unitario y separativo, la mejora de los materiales de construcción y la aplicación de computadores al control de alcantarillas para aguas pluviales. El problema de si deben utilizarse las alcantarillas unitarias o separativas deberá resolverseen el futuro. Diseño. En el pasado, uno de los aspectos que llevaban más tiempo al proyectar una alcantarilla era la preparación de las planimetrías y perfiles longitudinales. En la actualidad, el uso de modernas técnicas

6

TRATAMIENTOY DEPURACIÓNDE LAS AGUAS RESIDUALES

Tabla 1.1. Desarro//oShistóricos en e/ tratamientode aguas residuales Desarrollo

Fecha Antes de Cristo 1550 1700 1762 1860 1865

Irrigación con aguas residuales en Atenas Utilización de aguas residuales en agricultura en Alemania Utilización de aguas residualesen agriculturaen Inglaterra Precipitación química de aguas residuales en Inglaterra Dispositivo de Mouras para tratar anaeróbicamentelos sólidos de las aguas residuales Primeros experimentossobre microbiología de digestión de fangos en Inglaterra

i

1868

Primerossexperimentossobre filtración intermitentede aguas residuales en Inglaterra

1870 1876 1882 1884 1887

Primeros experimentos sobre filtración intermitente en arena en Inglaterra

1887

Primera planta de tratamiento por precipitación química en Estados Unidos

1-889

Primeras fosas sépticas en Estados Unidos Primeros experimentos sobre aireación de alcantarillas en Inglaterra Primeras rejas de desbaste en Estados Unidos Estación Experimental Lawrence establecida por el Massachusetts State Board of Health (Comité de Salud Pública de Massachusetts)para el estudio del agua y aguas residuales

Filtraciónen lechos de contacto en la Estación ExperimentalLawrence, Massachusetts

1891 1895

1898 1904 1904 1904 1906

1908 1908 1911 1911

1912-13 1914

Digestión de fangos en lagunas en Alemania Recogida de metanoen fosas sépticas y su utilización para alumbrado de una fábrica en Inglaterra Distribuidores giratorios para filtros percoladores Primeros tanques desarenadoresen Estados Unidos Fosa (hidrolítica) séptica Travis de dos pisos en Inglaterra Tanque lmhoff patentado en Alemania Cloración de agua residual para desinfección demostradopor Phelps en Estados Unidos Primera instalación municipal de un filtro percoladoren Estados Unidos Formulación de leyes sobre desinfección por Chick en Estados Unidos Primeros tanques lmhoff en Estados Unidos Digestión separada de fangos en Estados Unidos Aireación de aguas residuales en tanques conteniendo pizarra en la

Estación Experimental Lawrence Experimentos por Ardern y Lockett que llevaron al desarrollo del proceso

de fangos activados

1916 1925

Primera planta municipal para el tratamiento por fangos activados que se construye en Estados Unidos Aireador de contacto desarrollado por Buswell en Estados Unidos

DESARROLU) Y TENDENCIAS EN LA INGEMERfA SANITARÍA

muchos de los cuales se prepataton en Lawrence y en la actualidad aún son utilizados (v. caps. 10 a 14). 1.2.2. Ultimas tendendas y La naturaleza cambiante del agua residual a tratar, el mayor conocimiento de los principios fundamentales implicados y un mejor análisis de los efectos ambientales causados por la descarga de muchos de los contaminantes contenidos en el agua residual, son los principales factores que han motivado los innumerables cambios que en la actualidad se registran en el campo del tratamiento de aguas residuales.A continua-

ción se describenlos factoresque más afectana la hora de realizarun tratamiento de aguas residuales.

Cambio de las característicasde las aguas residuales. El número de compuestos orgánicos que se han sintetizado desde el comienzo de este siglo supera el medio millón, y cerca de diez mil se van añadiendo cada año a los ya descubiertos. Como resultado de su masiva utilización, muchos de estos compuestosse encuentran hoy en las aguas residualesde

casi todas las ciudades. Mientras que gran parte de ellos pueden tratarse fácilmente, va aumentando el número de los compuestos que no pueden eliminarse. En muchos casos, no se dispone de información sobre los efectos ambientales a largo plazo causados por su evacuación.

Conceptosy métodosde tratamiento. Los métodos de tratamiento en

los que predominala aplicaciónde principiosfísicos se conocencon el nombre de operaciones unitarias (véase capítulo 8). Los métodos de tratamiento en los que la eliminación de contaminantes se efectúa por actividad química o biológica se conocen como procesos unitarios (véanse capítulos 9 y 10). En la actualidad, la mayoría de estos métodos están

siendo investigadosintensamentedesde el punto de vista de ejecución y aplicación. Como resultado de ello, se han desarrollado y puesto en práctica muchas modificaciones,aunque es necesario lograr más. En el pasado, los procesos y operacionesunitarias se agrupaban para proporcionar lo que se conocía como tratamientos primario y secundario. En el tratamiento primario se empleaban operaciones de tipo físico, tales como desbaste y sedimentación,para eliminar los sólidos en flotación y sedimentablesque se encuentran en el agua residual. En el tratamiento secundario se utilizaban procesos biológicos para eliminar la materia orgánica. Recientemente, el término «tratamiento terciario» o «tratamiento avanzado» se ha aplicado a las operaciones y procesos utili-

8

TRATAMIENfi)Y DEPURACIÓNDE LAS AGUAS RESIDUALES

zados para eliminar contaminantesque no se han visto afectadospor el

tratamiento primario y secundario. Debe, sin embargo, hacerse notar que los vocablos «primario» y «secundario» son arbitrarios y que no debe dárseles demasiado valor. Una medida más racional es establecer primero el grado de eliminación del contaminante (tratamiento) reque-

rido antes de que el agua residual pueda volversea usar o evacuarsey, a continuación, agrupar en base a unas consideracionesfundamentaleslas

operacionesy procesos necesariospara lograr el citado grado requerido de tratamiento.Por esta razón, se han dedicado capítulos por separado que tratan de los fundamentos de las operaciones unitarias físicas, procesos unitarios químicos y procesos unitarios biológicos utilizados en el tratamiento de las aguas residuales. Como consecuencia del continuo crecimiento del aumento de la varie-

dad de residuosindustrialesarrojadosa las alcantarillasy de la disminución del espacio disponible para ubicar grandes instalaciones de tratamiento, el concepto de tratamiento satélite adquiere vida de nuevo puesto que este concepto fue propuesto por Metcalf & Eddy para el tratamiento

de agua residual en la zona de Los Angeles hace 30 años.5Su aplicación consiste en instalar pequeñas plantas de tratamiento a lo largo de todo un sistema que principalmente se ocuparía de tratar aguas residuales domésticas. Los sólidos biológicos producidos durante el tratamiento serían retornados a la alcantarilla para ser sometidosa un proceso centralizado. El afluente se aplicaría a alguna reutilización o bien se haría retornar a la alcantarilla. Resulta interesante observar que la planta McQueensen Golden Gate Park, San Francisco, ha venido funcionando del modo indicado desde 1932. El afluente de esta planta se utiliza para regar el parque y llenar algunos pequeños estanques dentro del mismo. Tratamiento avanzado de aguas residuales. Dada la naturaleza cam-

biante de las aguas residualesa tratar, muchos de los contaminantesque ahora se encuentran en ellas, como se indicó anteriormente,no se ven afectados por los procesos y operacionesde un tratamiento convencional. Pero dada la necesidad de eliminar dichos contaminantes, tales como nitrógeno y fósforo que pueden promoverel crecimientode algas y plantas acuáticas, se hace del todo necesaria la aplicaciónde un tratamiento adicional. A estos contaminantes resistentes se les aplica, para su eliminación, medios y métodos avanzados. En la mayoría de los casos, los medios de tratamiento se han adoptado de otros campos, como por ejemPIO, de la ingeniería química y tratamiento del agua de abastecimiento. A medida que se vayan conociendo mejor los efectos de los distintos contaminantes descargados en el medio ambiente, se prestará mayor atención

a la eliminación específicade contaminantes.

DESARROLU)Y TFNDEÑCIAS

LA

SANITARIA

9

El problema de los residuosindustriales. El número de industrias que vierten residuos a las alcantarillas domésticas ha aumentado significativamente durante los últimos 20 a 30 años. Sin embargo, en base a los efectos tóxicos causados frecuentemente pot la presencia de estos desechos. se está replanteando la validez de la práctica general de combinar residuos industriales y domésticos. Por ejemplo, en la nueva planta para tratamiento de aguas residuales de la ciudad de Palo Alto, California, se incluye una planta separada del tipo de reactor discontinuo (fatch) para el tratamiento de desechos industriales como parte de la instalación general. Los residuos industriales tóxicos o potencialmente tóxicos son recogidos y llevados a la planta en un camión del municipio para su tratamiento por separado. Tras esta operación, el efluente se mezcla con las aguas residuales domésticas que allí llegan.2 De cara al futuro, puede anticiparse que más que combinar los residuos domésticose industriales (un lujo que no puede afrontarse por más tiempo), los municipios proporcionarán instalaciones de tratamiento por separado o exigirán que estas aguas sean tratadas en el mismo punto en que son descargadas para volverlas inocuas antes que permitir su evacuación a las alcantarillas domésticas. Estudios sobre el tratamiento de aguas. Como consecuencia de los pro-

blemasimplícitos en el vertido de residuos industriales a las alcantarillas domésticas,aumentan de día en día los estudios sobre el tratamiento de las aguas residuales. Se predice que tales estudios se harán en el futuro de forma rutinaria. Por tanto, el ingeniero debe comprenderlas generaEdadesy metodología implícitas en la estimaciónde la tratabilidad de un agua residual (doméstica o industrial), la realización de estudios en plantas piloto y laboratorios y la transformación de datos experimentales en parámetros de proyecto. 1.3. EVACUACION

La evacuación final de las aguas residuales tratadas del fango y de los contaminantes concentrados separados por el tratamiento ha sido, y

continúa siendo, uno de los problemas más difíciles en el campo de la ingenieríade las aguas residuales. 1.3,1. Antecedentes

realizaba en En el pasado, la evacuación de las aguas residuales se sin tener la mayoría de las ciudades por el método más sencillo posible,

10

AGUASRESIDUALEs Y DEPURACIÓNDE tAS TRATAMIENTO

condicionesque se producfan en el lugar desagradables las en cuenta en la antigua Atenas, fue probablepracticada irrigación, La del vertido. evacuación de aguas residuales, si bien

la mente el primer método de adoptado por casi todos los ayuntamientos. dilución fue el primer método cuando se evacuaron los residuos domésproblemas algunos Surgieron ya que con ello se excedía frecuenteticos a las alcantarillas pluviales, de la corriente de agua en la que mente la capacidadde autodepuración construyeron alcantarillas separadas y se vertían. En consecuencia, se residuales. La evacuación del fango inició asf el tratamiento de aguasmétodos más intensos de tratamiento. surgió como problema al aplicar 1.3.2. Modernos desarrollos y tendencias

de La tendenciamoderna más importante en el campo la evacuación rigurosas para el vertido es el establecimientode normas cada vez másConsecuentemente, la evade aguas a fin de proteger el medio ambiente. cuación del efluente, fango y de los contaminantes concentrados eliminados de las aguas residuales está siendo estudiada profundamente. Evacuaciónde efluentes. La dilución, la' aplicación a la tierra y la reutllización son los.métodos más corrientemente empleados para la evacuación de efluentes.De ellos, la dilución continúa siguiendo el método más común. Sin embargo, para proteger el medio acuático, los distintos estados, de acuerdo con el gobierno federal, han elaborado (finalizadasen 1970) unas normas para el vertido de aguas en corrientes y ríos y aguas de estuarios y costeras de los Estados Unidos (véase capítulo 15). Se puede anticipar que en el futuro se adoptarán medidas cada*vez más rigurosas. Cuando la capacidad disponible de asimilación del medio ambiente se ve cada vez más limitada, cuando las normas para el vertido se hacen más estrictas y es preciso eliminar un número mayor de contaminantes, el potencial de reutilizaciónde las aguas residuales se ve aumentado. En muchas localidadesse han proyectado y edificado plantas de tratamiento de forma que parte del efluente tratado pueda evacuarse mediante su aplicación a la tierra o en conjunción con una variedad de aplicaciones

de reutilización,tales como irrigaciónde un campo de golf, agua para enfriamiento industrial y recarga de acuíferos. Esta tendencia se manten-

drá así probablementeen el futuro. En muchas localidades donde el abastecimiento de agua disponible se ha vuelto insuficientepara satisfacer las necesidades existentes, es evidente que el agua una vez utilizada por pueblos y ciudades, más que buscar la manera de evacuarla debe ser considerada como un recurso. Se vislum-

DbSARkOU.O Y tbNDENCTAS EN LA iNGENtERfA SÅNtTÅRtA

bra que este concepto irå generalizåndosey adoptåndose conforme la escnsez de agua sea experimentada en diversas partes del pafs. 1.3.3. Evacuaci6n de tangos y contaminantes concentrados En las plantas pequeöas de tratamiento, los contaminantes concentrados y fangos se evacuan frecuentementea lagunas, eras de secado de fangos o vertederos controlados. Sin embargo, en las grandes plantas de tratamiento en servicio para åreas metropolitanas,el volumen de residuos que requieren la evacuaci6nfinal se ha hecho tan grande que la filtraci6n

al vacio seguida de secado e incineraci6ndebe usarse en la mayoria de los casos. Por otro Jado, la cantidad de fangos aumenta igualmente al eliminarse nuevos contaminantes en cumplimiento de normas mås rigurosas para el vertido. Por tanto, la continua investigaci6nhacia mejores métodos y medios de evacuar los contaminantes concentrados de aguas residualescontinuarå en el futuro en la lista de prioridades.

BIBLIOGRAFIA I. Herschel, C. (trans.): Sextus Julius Frontinus, The TwoBooks on the Water Supply of the City of Rome, Dana Estes & Co., Boston, 1899. 2. Jenks and Adamson, Consulting Engineers: Regional Waste Water Treatment Works, City of Palo Alto, Palo Alto, Calif., 1969. 3. Metcalf, L., and H. P. Eddy: AmericanSeweragePractice—VolumeI Design of Sewers. 2d ed., McGraw-Hill, New York, 1928. 4. Metcalf, L., and H. P. Eddy: AmericanSeweragePractice—Volume111Disposal of Sewage, 3d ed., McGraw-Hill, New York, 1935. 5. Metcalft & Eddy, Inc.: Sewage Disposal Problem of Los Angeles, California and Adjacent Communities,Boston, 1944. 6. Metcalft & Eddy, Inc., Water Resources Engineers, Inc., and University of Florida: Storn Water Management Model, vols. 1-4, Environmental Protection Agency, Water Pollution Control Research Series, Rept. Nos 11024DOC 07/71, 08/71, 09/71, 10/71, Washington, D.C., 1971. 7. Stanier, R. Y., M. Doudoroff, and E. A. Adelberg: The Microbial World, 3d ed., Prentice-Hali, Englewood Cliffs, N.J., 1970. 8. Rouse, H., and S. Ince: History of Hydraulics, Dover, New York, 1957. 9. Sedgwick, W. T. : Principles of Sanitary Science and the Public Health, Macmillan, New York, 1903. 10. Wagenhals, H. H., E. J. Theriault, and H. G. Hommon: Sewage Treatment in the United States, Public Health Bulletin 132, Government Printing Office, Washington, D.C., 1925.

Proyecto de alcantarillas

Los medios empleadospara la conducciónde aguas pluviales y resi-

duales pueden clasificarsedel siguiente modo: 1) alcantarillas destinadas

a recibir aguas residuales industriales y domésticas pero no las aguas pluviales; 2) alcantarillas unitarias o mixtas para recibir aguas residuales

industriales y domésticas así como aguas pluviales, y 3) alcantarillas pluviales para transportar agua pluvial y subterránea, con exclusiónde aguas residuales domésticas e industriales. 4.1. ALCANTARILLAS PARA AGUAS RESIDUALES

Durante los últimos cincuenta años ha existido una clara tendencia hacia la construcciónde dos sistemas distintos: el de alcantarillas para recogida de aguas residuales industriales y domésticasy el de alcantarillas para aguas pluviales. La justificaciónde tal tendencia debe buscarse en la necesidad creciente de construir instalacionespara el tratamiento de aguas residuales como medio de controlar la polución en ríos y canales. Al proyectar una red de saneamiento,el ingeniero deberá por lo general llevar a cabo las siguientesfases: 1. Informaciones básicas preliminares

2. 3. 4. 5.

Consideracionesen torno al proyecto Selección de datos y criterios básicos del proyecto Proyecto de las alcantarillas Preparación del pliego de condicionesy prescripcionesy planos del proyecto.

Cada una de estas fases exige un considerable cúmulo de experiencia y conocimientosdel ingeniero. El objeto de este capítulo es proporcionar

110

Y DEPURACIÓNDE LAS AGUAS RESIDUALEs TRATAMIENTO

del conocimiento necesario c ilustrar su aplicación parte estudiante al al saneamiento. proyecto de una red de básicas y prelimlnares 4.1.1. Informaciones estudio previo general del distrito de que Es aconsejableefectuar un requeridos datos por los obtener el para sólo ingenieroprose trate, no para también sino constructora disponer de autényectista y la empresa condiciones locales las antes de de iniciar la tica información respecto que, posteriormente, podrá ser muy construcciónde la red, información Los deterioros. contratistas y pueden licitar útil en caso de reclamaciones una de información completa cantidades menores cuando disponen de por su cuenta cuando tengan obra, la de que condiciones las estimar tanto si son reales, datos ventajosos los Todos como si no, muchas de ellas.

deben ser públiéos,ya que el juicio del ingeniero ha de ser totalmente imparcialy, por otro lado, el contratista deberá con toda justicia disponer de toda la informaciónexistenteque pueda ayudarle en la formulaciónde su oferta. Del mismo modo, los tribunalés declararán a su favor las reclamacionespor costes suplementarios que los contratistas formulen cuando los proyectos carezcan de la información pertinente. Al comienzode los trabajos técnicos deberá procurarse reunir todos

los mapas y planos que contengan información sobre la zona. Los ingenieros y técnicos municipales y provinciales, empresas de servicios, compañías de seguros, etc., suelen disponer de tales mapas, de los cualesse pueden sacar copias. Trabajo en el campo. Si no se dispusiese de planos adecuados, será preciso

_procedera su levantamiento.El grado de precisión requerido dependerá de las condiciones del problema. En proyectos grandes e importantes puede convenir establecer un sistema previo de triangulación, aunque normalmenteno es necesario. Los levantamientos de planos indicarán

la situación de calles, callejones, líneas de tranvías, edificios y parques públicos, estanques, ríos, desagües y otros detalles y estructuras que pue-

dan influir o ser influenciadospor la red de alcantarillado. En algunos casos es necesariomostrar las lindes de cada propiedad. Un sistema preciso, completo y permanente de niveles de referencia deberá establecersea lo largo de toda el área que desee cubrirse con la red de saneamiento propuesta. Deberá establecerse, igualmente, un hito

de referencia en cada manzana de todas las calles por las que vaya a pasar

una alcantarilla y eñ donde se hayan de obtener posteriormentedetalles

topográficos. A continuación se levantarán .los perfiles longitudinales de

PROYECTODE ALCANTARILLAS

111

todas las calles existentes, y si las pendientes existentes y las «establecidas» fueran diferentes, convendrá obtener mayor información sobre estas últimas. Este trabajo deberá llevarse a cabo dc modo que cubra el distrito en el cual se vayan a necesitar alcantarillas en los próximos 30-50 años, En algunos casos deberán realizarse mediciones topográficaspara el trazado de un mapa con curvas de nivel a intervalos de 0,5, 1, 5 0 10 m, según la 'configuración del terreno. Por lo general, las cotas de la superficie de las calles y callejones son suficientes en las interseccionesde las calles, en todos los puntos altos o bajos, y en los cambios de rasante; así pues, no siempre son necesarias las curvas de nivel. Las cotas de los lechos de arroyos, acequias, canales y alcantarillas deben ser comprobadas y se determinarán los niveles de agua normal y máximo esperados. También convendrá tomar notas sobre el estado de las estructuras existentes. Las alturas de los durmientes de edificiosy las profundidades de sus cimientos también se determinarán; se registrarán el tipo, edad y estado de los pavimentos de las calles en las que se vayan a colocar alcantarillas. Deberá disponerse de información sobre la situación de las conducciones de agua, gas, eléctricas y otros servicios subterráneos y cuando tal información no exista será aconsejablehacer las catas necesarias para lograr dichos datos. Se reunirán los datos sobre lluvias y escorrentía locales y cuando dichos datos no sean adecuados, se tomarán medidas in situ si fuere factible.

La información que obre en poder de constructoresy contratistas sobre aguas freáticas deberá recogerse y, en caso de depresiones, convendrá exca-

var fosos o hacer sondeos que den a conocer las condiciones del agua freática.

El tipo de terreno en el que se vayan a construir las alcantarillas debe conocerse con seguridad al objeto de que el precio de coste pueda calcularse con precisión. Con frecuencia se utiliza una simple barrena para extraer muestras de tierras a poca profundidad. Para profundidades mayores se practica normalmente un sondeo con equipo de perforación. A veces se emplean torres de perforación con taladro de corona en lugares que, por la magnitud de la obra a realizar, interesa disponer de muestras reales de todos los estratos subyacentes. Deberá obtenerse información completa sobre los salarios de mano de obra local, tanto especializada como no especializada,coste de suministros y materiales de construcción así como del coste de construcción de una obra semejante ya realizada. Se pedirán tarifas por alquiler de camiones y equipo y también sus precios de transporte. Esta información facilitará la preparación de presupuestos. Preparación de planos y perfiles. El trabajo de preparación de planos y perfiles preliminares deberá comenzar tan pronto como sea posible

112

Y DEPURACIÓNDE LAS AGUAS RESIDUALEs TRATAMIENTO

trabajo en el campo, de modo que los del ejecución la durante estudios iniciarse antes de que aquél finalice.Por puedan proyecto previos al escala de I :2000 son suficientementegrandesregla a planos los general, para con el necesario detalle; no aparezcan datos los obstante permitir que cuando se presenten muchas :500 1 de escala una se hará necesaria estrucmayor claridad. convenga y subterráneas turas general más de una hoja Los planos requierenpor lo de un mismo plano se y, en tales casos sucesivas realizará mediante el enlacede dos hojas representarán en ambas hojas. En los líneasde coincidenciaque se cuando éstas se necesiten,o lasplanos nivel de curvas las figurar deberán cotas de ferrocarril, líneas calles, las edificios, todas de las calles; tuberías, de servicios y colectores galerías a entradas así conducciones, como los edificios públicos y cursos de agua. Deberá nombres de las calles, parques, indicarse la dirección del norte, ya sea magnético o geográfico o de ambos.

Cuando se dibujen curvas de nivel, deberán situarsea intervalossuficientementepequeñospara permitir al proyectista la preparaciónde perfiles longitudinalesde calles con una precisión razonable; por ejemplo, si la pendientees del 6 % o menor, el plano deberá tener representadas las curvas de nivel a intervalos de 0,5 m, pero si aquélla fuese mucho

mayor bastará con intervalos de 1,5 m. Los puntos más altos de las calles deberán señalarse y sus cotas darse al centímetro e igualmentefigurarán los puntos bajos u «hondonadas». En la figura 4.1 se ofrece un plano de cotas sin tuberíasni pozos de registro para una zona residencial. Antes de los correspondientes cálculos se prepararán las hojas de perfiles mostrando la superficie del terreno a lo largo del cual se ha de tender la alcantarilla. 4.1.2. Consideracionesen torno al proyecto. Justificación de soluciones

Las principalesconsideracionesa tener en cuenta en el proyectode una red de saneamientoson: cálculo del caudal máximo de aguas residuales, valoración de los factores locales que puedan afectar al funcionamiento hidráulico del sistema y evaluación de otros posiblesproyectos. En la mayoría de los casos, la determinaciónfinal de estos factoresde proyecto se basará en los datos e información obtenidos en los estudios previos.

Caudalesde proyecto de aguas residuales. En la mayoría de las ocasiones, el caudal total de aguas residuales consiste en : aguas residuales domésticas, aguas subterráneas que se infiltran en la alcantarilla y aguas que provienen de las industrias y centros comerciales. Así pues, las nuevas

69,64

Arroyo HifJh[and St,

60.60

en,9j

Ashmount St. • 62.8B

ASpen

Cedar St.

Ash St. 65.38

64,19

64,92

64,34 63.40

Sycamore

6233 63.60 62,333

62,20

62,24

St.

63.92 68t03 64,07t

Elm St. 61.84

0

63,560

•

Forest Äve.

63/9

62,20

62.75 62,99

Forest Ave,

61.60

62.18

62,91' 64,05

6f,95

Birch Ave

64,10 0 65 38

64,0tÅ

6.1j.t%å 62.0163,dü

6%45

62w

62.39 63.03

Walmut Ste

61.66•

62.24

Oak St. 63.46

63,43

62.85 63.12

e 62,88

62.03 •

62,18

Maple Ste 62,97

63,100

• 63,25

62,97

63.25• 62,85

• 62.24

• 62.82

RedwoodSC

100

100 Escata, m

0

Fig. 4.1. Plano tipico utilizado para el proyecto de alcantarillas para aguas residuales

200 Escala, pies

DE TAS AGUASRESIDUALEs Y DEPURACIÓN

114

los caudales esperados en el futuro que para proyectan alcantarillasse continuación: se indican a de aguas residuales domésticas para toda la zona máximo Caudal 1. período dc tiempo especificado.

un de scnicio duranteinfiltraciónpara toda la zona de servicio. 2. Margende adicionales procedentes de zonas comerciales 3. Caudales máximos

e industriales.

el modo de realizar los cálculospara la discutió se 2 capítulo En el de aguas residuales. caudales los de evaluación dimensionado.Tal y como se vio en el capíElecciónde la fórmula de y Kutter son las más utilizadasen el Manning de fórmulas las 3, tulo fórmula de Manning se dimensionadode alcantarillas.La a su sencillezy tambiénempleamás al hechode que la de Kutter, en parte debido los mismos resultados. que ambas fórmulas dan básicamente n de Manning o de Kutter, de Se recomiendautilizar el coeficiente vayan a construir y n 0,015 0,013para todas las alcantarillasque se mayores de n para las para las ya existentes.Deberán utilizarse valores

alcantarillas ya construidas si, T través de los datos disponibles, se obserdesviaciones de alineación vara que se encuentran en mal estado, o hubiese y pendiente,variacionesde dimensionesinternas, depósitos o una realización de poca calidad.

El valor de n 0,013para las alcantarillaspropuestasy futurasse basa en el uso de unidades de tubos que tengan longitudesde tendido no inferiores a 1,5 m, con superficiesinteriores verdaderamentesuaves, y en el supuesto de que los procedimientosde construcciónutilizados sean de primera calidad. Velocidadesmínimas. El caudal de aguas residuales deberá discurrir

siempre a velocidad suficientepara evitar la sedimentaciónde materia sólida en la alcantarilla.Para ello, las alcantarillas para aguas residuales se proyectan con pendientes que aseguren una velocidad mínima de 0,6 m/s con sección llena o semillena. La velocidad será inferior a 0,6 m/s

cuando el llenado sea menor que la mitad de la altura. Habida cuenta de que la velocidadcerca del fondo de la alcantarilla es Ja más importante a efectos de la capacidad transportadora del agua que fluye, se ha podido comprobar que una velocidad media de 0,3 m/s es suficientepara evitar un depósito importante de sólidos,Para impedir el depósito de materia mineral, tal como arena y grava, se tendrá en cuenta que la velocidad media adecuada en las alcantarillas sanitarias es de

PROYECTO DE ALCANTARILLAS

115

0,75 m/s. Estos valores son los mínimos. Siempre que sea posible es aconsejable que la velocidad alcance 1 m/s o más. La velocidad mínima deberá ser de 1 m/s en los sifones invertidos, en los que — como se sabe — resulta difícil tener acceso para su limpieza. En casos muy especiales se han usado con éxito velocidades medias tan bajas como 0,45 m/s con las pendientes correspondientes, pero las alcantarillas con tales pendientes han de ser construidas con gran cuidado y su superficieinterior debe acabarse igualmente con mucho esmero con objeto de lograr óptimas condiciones de funcionamiento. La eliminación continua de fango y materiales duros de las alcantarillas es cara y si tales depósitos no se limpian pueden causar problemas. Por tanto, es aconsejable utilizar siempre pendientes que en todos los casos den lugar a velocidadesautolimpiadoras,incluso cuando el aumento del coste de construcción de pendientes más pronunciadas suponga gastos fijos mayores que el coste adicional de mantenimiento de las alcantarillas si se hubiesen situado sobre pendientes más pequeñas. Esto se recomienda así porque semejantetrabajo de mantenimientopuede dar como resultado, si se descuida, la formación de un depósito considerable y entonces la alcantarilla no cumplirá sus funciones adecuadamente pudiendo incluso ser incapaz para transportar las aguas residuales a la velocidad prevista con el consiguiente perjuicio público. Pendientes mínimas. A veces es conveniente que las alcantarillas tengan pendientes suaves para no tener que hacer demasiada excavación, tener un recubrimiento mínimo o ajustarse a las exigenciaslocales, tales como

cuando se trata de terrenos llanos o sea pequeño el desnivel total dis-

ponible. Cuando las pendientes sean relativamente suaves, las pendientes y

secciones de las alcantarillas se proyectarán de modo que la velocidad aumente progresivamente o, por lo menos, se mantenga constante al pasar desde las entradas a la salida de la alcantarilla. Esto se hace así para que los sólidos vertidos en ella y transportados por la corriente sean conducidos y no se depositen en algún punto por una disminuciónde velocidad. Raramente es posible alcanzar totalmente esta condición debido a las características topográficas. En general, las pendientes mínimas que

se indican en la tabla 4.1 son adecuadas para conductos de pequeño tamaño en una red de saneamiento. Por otro lado, puede convenir después de proyectar una alcantarilla

— especialmente•una colectora o un interceptor — para un futuro servicio, considerar las condiciones reales de funcionamiento que puedan surgir en circunstancias de caudal mínimo durante los primeros años tras su construcción. Deberá tenerse la seguridad de que las velocidades

116

DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALEs TRATAMIENTOY

mínimas para las Tabla 4.1 Pendientes alcantarillasde aguas residuales Tamaño, en milímetros

Pendiente, m/m

200 250 300 375 450 525 600

0,004 0,003 0,0022 0,0015 0,0012 0,0010 0,0009 0,0008

675 y mayores

tiempo prolongado, como para no serán demasiado bajas, durante un en la alcantarilla, ya que que puedan derivarse depósitos perjudiciales construcción de una alcansu limpieza supondría un elevado coste. La tarilla que sirve para un período largo puede que no se justifique si el coste de su limpieza sobrepasa el coste de instalación de una alcantarilla pequeña que sirva sólo para un período de tiempo menor. Más adelante, cuando el distrito en cuestión se haya desarrollado más, podrá construirseuna segunda alcantarilla para el caudal adicional de aguas residuales consecuencia del desarrollo experimentado.Aun cuando esto suponga un mayor coste de construcción,la economía a obtener en los primeros años de utilización por cargas fijas y coste de explotación compensará sobradamente este mayor coste. Tamañomínimode las alcantarillas. La adopción del tamaño mínimo de una alcantarilla es necesario, ya que la experienciaha demostrado que algunos objetos relativamente grandes, tales como fregasuelos, se introducen a veces en las cloacas y la obstrucción que originan se evitaría si el tamaño de las alcantarillasno fuese inferior a 0,2 m. Evidentemente, la alcantarilla más pequeña deberá ser mayor que los albañales de los edificiosde modo que los objetos que atraviesen dichas conexionespuedan pasar fácilmentea través de la alcantarilla. Se recomienda un tamaño mínimo de 0,2 m para las alcantarillas sanitarias. Los técnicos no están de acuerdo sobre el tamaño más idóneo para las conexionescon los edificios,si bien el tamaño más corriente es de 0,15 m, aunque también haya muchas otras de 0,125 m y 0,1 metros. Velocidadesmáximas. La acción erosiva de la materia en suspensión depende no solamentede la velocidada que es arrastrada a lo largo de la solera sino también a su naturaleza. Ya que esta acción erosiva es el

PROYECTODE ALCANTARILLAS

117

factor más importante a los efectos de la determinaciónde la máxima

velocidad de las aguas residuales, habida cuenta de la seguridad de funcionamiento, se debe considerar la naturaleza de la materia en suspensión. Una objeción a las velocidadeselevadas en alcantarillas de conductos pequeños es que, con la reducción del caudal de aguas negras y la consecuente disminución de profundidad de la corriente, los objetos de gran tamaño en flotación que a veces se introducen en las redes de saneamiento se quedan atascados en las partes más bajas, donde puedenllegar a adherirse tan firmemente que ya no serán arrastrados por la próxima descarga de aguas residuales.Trapos, cepillosusados, trozos de madera, mazorcas y cosas semejantes no deberían tener acceso a las alcantarillas a pesar

de que se arrojasen por los sanitarios y otros accesoriosdomésticos, ya que pueden quedarse en la solera de las alcantarillaspor las que las aguas residuales fluyen intermitentemente con afluencias rápidas, como probablemente puede ocurrir cerca de los extremos superiores de las redes de saneamiento en que las pendientes son pronunciadas.

Instalaciones complementarias. Las principales instalaciones complementarias de las redes de saneamiento son los pozos de registro, sumideros, pozos con caída incorporada y acometidas para desagüe de los edificios. Además se requiere una vasta gama de estructuras especiales según las condiciones topográficas locales. En el capítulo 5 se discutirá este material y también las estructuras especialesutilizadas, por lo que nos limitaremos seguidamentea hacer unas consideracionessobre el diseño de pozos de registro.4

En las alcantarillasmás pequeñas (1,2 m y menos) los pozos de registro deberán estar situados en lugares en que se produzcan cambios de sección, pendiente o dirección. En las alcantarillas mayores, dichos cambios pueden efectuarse sin el requisito de que haya un pozo de registro. Siempre que sea posible se evitarán las caídas verticales en la corriente de aguas residualespara reducir al mínimo las salpicaduras.Cuando sean necesarias, deberá haber pozos de caída u otros medios para conducir las aguas residualesa una cota inferior. En tales puntos, las estructuras de hormigón deberán estar recubiertas de ladrillos de arcilla vitrificados al objeto de evitar la erosión del hormigón. En las alcantarillas de 0,6 m y menores, puede efectuarse un giro de 900 0 menos en un pozo de registro. En las alcantarillas de 0,7 a 1,2 m, un giro de 900 deberá realizarse en dos pozos de registro, situados a unos seis diámetros del punto de intersección,en línea recta de pozo a pozo o también en un pozo de registro grande especialmenteproyectado. Pueden utilizarse curvas para alcantarillas de tamaño superior a 1,2 m. El

radio a lo largo del eje central de las curvas para alcantarillasde tubos

118

DEPURACIÓN DE TRATAMIENTOY

AGUAS RESIDUALEs

utilizando unidades dg tubería con litacticablc, mínimo un el deberá.scr de alcantarillas para hormigón mínimo en masa extremobiselado.El radioveces el diámetro dc la alcantarilla. deberá ser igual a cuatro en un pozo de registro, convendrá compensar Cuando se haga un giro CUrvas usen sc en Cuando un curva. la trazado de la pérdida de carga de compensación la necesaria para la alcantarilla, deberá proporcionarse compensar la pérdida en Un método para pérdida adicional de carga. piezométrica a lo largo de cada tangente línea una curva es calcular la y anterior posterior) y aplicar de las líneas (hasta el punto de intersección a la alcantarilla a lo largo de la subcuerda una pendientemás pronunciada de carga adicional disponible. En otras de la curva, usando así la altura la lo largo de curva será la canpalabras,la variacióntotal de altura a largo de las tangentes. Los pozos tidad que resultaría si se computase a lo (0,6 m o menos) deberán situarse de registro en las alcantarillas pequeñas alcantarillas de 0,7 m a 1,2 m a intervalos no mayores de 100 m. Parainclusive,el intervalo máximo será de 120m. En las alcantarillas superiores a 1,2m, los pozos de registro pueden colocarse a intervalos algo mayores según cada caso. Otras alternativas del proyecto. A veces resulta práctico, en determinados proyectos,considerar dos o más concepciones alternativas, como por ejemplocuando se trata de alguna alcantarilla que atraviese una propiedad

privada. En general, la convenienciarelativa de tales proyectos alterna-

tivos puede determinarse mediante una inspección, especialmente si no es probable que haya cambio en el tamaño de la alcantarilla. En algunos casos, será necesario preparar detalles del proyecto para cada alternativa y efectuar cálculos de coste comparativos antes de tomar una decisión.

A menos que exista una marcada ventaja en el coste u otra condición resultante de una ubicación en propiedad priyada, no es aconsejable construir alcantarillas fuera de las vías públicas. 4.1.3. Proyecto de una red de alcantarillado para aguas residuales Las fases y datos básicos utilizados en el proyecto de una red de alcantarillado para aguas residuales vienen ilustrados por el siguiente ejemplo: EJEMPLO 4.1. Proyecto de una red de alcantarillado para aguas residilales Proyécteseuna red de saneamiento para el distrito residencial representadoen la figura 4.1. El distrito se encuentra desarrollado en sus dos terceras partes, por tanto la densidad de población probable en el futuro puede estimarse sin tener que hacer un profundo estudio de, población. Se calcula que la densidad media de saturación de

población en el futuro será de 160 personas por ha. El caudal máximo horario de aguas

PROYECTO DE ALCANTAR11.vras

119

subterráresiduales se estima en 960 litros/pcrsona por día. La cantidad máxima de agua nea que se infiltra en las alcantarillas cs de 18 700 1/ha por día. cuando El tamaño mínimo de la alcantarilla cs dc 0,2 m. La velocidad mínima de flujo practicacs la alcantarilla está llena es de 0,6 m/s (cl límitc más dcscable dc 0,75 m/s no ble dado el excesivo gasto que su adopción supondría). La capacidad dc las alcantarillas 0,013, se determinará utilizando la fórmula dc Manning con un valor n recomendado de por En razón de que las casas dc esta zona ticncn sótanos, la profundidad mínima 2,2 m. debAiode la superficie de la calle a la parte superior de las alcantarillas será de m.) (En las zonas en que no existan sótanos, la profundidad anterior será de 1 Solución

callejón. l. Dibújese una línea que represente la alcantarilla propuesta en cada calle o caudal el Cerca de esta línea indíquese con una flecha la dirección en que fluirá de aguas residuales. A excepción de casos muy especiales, la alcantarilla descenderá planear conforme lo hace la superficie de la calle. Por lo general es más económico

la red de modo tal que las aguas negras de cualquier calle fluyan hasta el punto de vertido por el camino más directo (y consecuentemente el más corto). Por Las líneas que representan la red recordarán a un árbol con sus ramas. lo general, las laterales conectarán con las secundarias y éstas, a su vez, lo harán con la alcantarilla principal, o colector, que conduce hasta el punto de descarga. 2. Sitúense los pozos de registro, dándole a cada uno un número de identificación. menos 3. Dibújense los límites de las áreas de servicio para cada alcantarilla lateral, a serser pueda que se requiera una sola lateral para acomodar un área mayor que vida por una alcantarilla de tamaño mínimo con la pendiente mínima, en cuyo caso será necesaria otra subdivisión. Cuando las calles estén ya trazadas, puede suponerse que sus límites se encuentran en medio de las mismaS.Si en el plano no figurase el trazado de calles, los límites de las distintas áreas de servicio no puede determinarse tan aproximadamente y la topografía del lugar puede, entonces, ser-

vir de guía. 4. Mídanse las hectáreas de las diversas áreas de servicio. Para ello, un planímetro dará resultados con suficiente precisión. Al llegar a este punto, el proyecto puede representarsede la forma en que se muestra en el plano de la figura 4.2. 5. Prepárese una tabulación, como la que se ofrece en la tabla 4.2, con columnas para las diferentes fases de cálculo y una línea para cada sección de alcantarilla entre pozos de registro. Esta tabulación es un método conciso, que economiza tiempo y muestra los datos y resultados en el orden secuencialde utilización. Utilícese la columna 1 para numerar las líneas de la tabla, de forma que sirvan de fácil referencia. Búsqueseel pozo de registro que está más lejano al punto de descarga y póngase su número de identificación en la primera línea de la columna 2, y el número correspondienteal pozo siguiente en la línea hacia el colector en la columna 3. Póngase el nombre de la calle en la columna 4, la longitud entre pozos ser de registro en la columna 5, y el área en hectáreas cuya evacuación ha deinferegistro recogida por la alcantarilla en un punto justo encima del pozo de rior, en

la columna

6.

En la línea siguiente, pónganse los datos correspondientes al siguiente tramo

de alcantarillay en la columna7 póngasela suma de las áreas citadas en la columna 6. El área de la columna 7 es la base para calcular la capacidadrequerida de la alcantarilla. Pónganse los datos para cada sección de la alcantarilla en la forma arriba indicada, siguiendo la línea hasta el punto de descarga, incluyendo el colector principal.

100

100 Escala, m

200

A rroyo

19

Escala, pies

21

20

i,700 ha 24

25

26

2,145 ha

es 27

Ashmount Stó

2,873 ha

23

22

St. 1,133ha 29

Cedar St. 28

Ash st.

38642ha

40 51

St-

49

44

352

50

54

37

6,070 ha

45

Elm St,

55

Forest Aves 47 - 2,145 ha

Forest Ave.

59 65

Oak St. 70

46

Walmut St, 10,

69

361

1,700 ha

4,775 ha

58

32 1,254 ha

i

Birch Ave,

43 Sycamore

31

35

4,047 ha

2,306 ha

64

Alpine St,

71

68

66

2,387 ha

5,504 ha

73

Redwood

Fig. 4.2. Plano con indicación de la situación de los pozos de registro, líneas de alcantarillado y subáreas como ejemplo de proyecto de alcantarillado para aguas residuales

Tabla 4.2. Cálculos relativos a una a/cantari//a de aguas residua/es Desde

pozo pozo de re-

(3)

1 2 3

57 58 59

58 59

4

61

62

5

62

11

6

11

7 8 9 10 11 12 13

12 13 14 15 16 17 18

12 13 14 15 16 17 18 19

61

rréneas

Aguas

de re-

gistro gistto

Línea (2) (1)

Aguas subte-

Área, ha

ongitud, Situación (4)

Forest Forest Forest Forest Forest Forest Forest Center Center

(5)

Incremento (6)

residua/es,

Total (7)

1 1 5,82

Ave

1 1 2,78

Ave.

111,25 112,78 73,15

39,62 Ave.

St. St. Center St Center St. Center St. expropiado

25 85,34 83,82 34,44 74,68 114,30 39,62

4,896 14,245 19,141 4,775 23,91 6 45 26,061 7,770 33,831 4,896 38,727 1,133 39,860 5,018 44,878 1,700 46,578

sobre Ia base de 18 700

10 3m 3/d/a m 3/ha •d/a

(8)

(9)

Cauda/ máximo

Cota

total, aguas

residua/esy agua

subterránea 103rn31d/a (10)

rnys (11)

de/

terreno, extremo

maño

do Ia alcan- Pentari//a, diente cm (13) (12)

20 20 20 20 0,742 0,091 6 0,834 0,00965 20 30 2,903 0,358 3,261 0,0377 30 3,634 0,447 4,081 0,0472 38 3,960 0,487 4,447 0,0514 38 5,148 0,632 5,780 0,0669 38 5,886 0,724 6,610 0,0765 38 6,056 0,745 6,801 0,0787 38 6,813 0,839 7,652 0,0885 38 7,082 0,871 7,953 0,0920

Ve/o-

cidad rms (14)

0,67 0,67 0,67 0,67 0,004 0,004 0,67 0,0023 0,67 0,0023 0,67 0,0017 0,70 0,0017 0,70 0,0020 0,73 0,0024 0,79 0,0024 0,79 0,0025 0,82

0,004 0,004 0,004

Capacidad

supgrior,

Cota de /a so/era

tremo tremo supe- infe-

rn3/s

riot

(15)

(17)

21,8 21,8

21,8 21,8 21,8 48,2 48,2 76,45 76,45 82,12 90,61 90,61

92,60

(16)

rior (18)

60.62 63,46 61 60,17 60,62 62,91

62,54 60,17 62,27 59,72 61,57 59,27 61,45 57,70 61,60 57,60 61 61

57,47

59,72 59,27 58,98 57,60 57,55 57,33

57,33 57,18 62,06 57,18 57,11 62,09 57,11 56,93 61,66 56,93 56,66 59,74 56,66 56,56

mínimo con una velocidad personaspor hectárea.Puesto que Ia capacidad del tamaño de alcantarilla base a una tasa máxima de 960 litros per cápita y día y 160 • de 10 ha, y siendo mínimade 0,6 m/s es de 19 1/s,equivalenteal máximocaudal de aportación 10(160 x 960 + 18 700) x 1,55 = 2,6497 | 000 000 has ninguna alcantarillalateral ha de servir a un área superior a IO todos 10slaterales serán de 200 mm de diámetro (el mínimo), pues

122

TRATAMIENTOY DEPURACIÓNDE LAS AGUAS RESIDUALEs

Póngase en la columna 8 cl caudal de la alcantarilla, que es igual al caudal de aguas residuales per cápita multiplicado por la supuesta densidadmáximo futura, multiplicadopor el área indicada en la columna7. Póngase en la columna 9 el margen previsto para infiltraciónde agua subterránea, queses igual a la cantidad a prever por hectárea, multiplicadopor el área de la columna 7. La columna IO contiene las sumas de los valores de las columnas 8 y 9, en

miles de metros cúbicos/día.En la columna 11 esta cantidad se conviertea mails, es el modo más corriente de expresar la capacidad de las alcantarillas,ya queque la mayoría de los diagramas y tablas indican la capacidad de las tuberías circulares en metros cúbicos/segundo. La columna 12 contiene los tamaños requeridos para las alcantarillas;la columna 13, la pendiente; la columna 14, la velocidad cuando la alcantarillaestá llena, y la columna 15, la capacidad. La columna 16 señala las cotas de la superficie de las calles en los pozos de registro correspondientesal número de identificaciónde la columna 2. Las columnas 17 y 18 indican las cotas de la solerade los extremossuperior e inferior, respectivamente,de cada tramo de alcantarilla.

Deberá prepararse un plano y perfil longitudinal para la construcción de cada alcantarilla a partir de los datos obtenidos sobre el terreno y los levantamientos topográficos en los que aparezcan la superficiede éste, la profundidad y situación de los sótanos existentes, la alcantarillaproyectada, su pendiente y tamaño, y la cota de la solera en cada pozo de registro así como el tamaño y cota de la alcantarilla en que descargará la que se esté proyectando. La escala a utilizar al -preparar tales perfiles longitudinales dependerá del número de obstáculos que se encuentren en la construcción, y de aquí, el número de detalles requeridos. Las escalas más usuales en obras urbanas son 1:100, 1:500 y 1:1000 para las plantas y normalmenteuna escala diez veces inferior para los perfiles. El perfil longitudinal deberá dibujarse directamente por encima o por debajo del plano de situación. El plano deberá tener la misma escala que la escala horizontal del perfil longitudinal y deberá mostrar todas las estructuras, tanto por encimacomo por debajo del nivel del terreno, que puedan influir en la eleccióndel lugar de ubicación de la alcantarilla o que puedan afectar a su construcción. Las cotas de la tabla 4.2 se usarán para determinar las profundidades y volúmenes de excavación a partir de los cuales puedan prepararse cálculos de coste, 4.194, Preparación del pliego de condiciones, prescripciones técnicas

y planos para contrata Los planos detallados que sirvan de base para el contrato se terminarán antes de solicitar ofertas, de modo que todos los datos de interés para los licitantes figuren incluidos en el proyecto. Tales planos mostrarán, dentro

PROYECTO DE ALCANTARILLAS

123

de lo posible, toda la informacióndisponiblereferente a características de la superficie, tipos de materiales a ser excavados, situación, tamaño e índole de posibles estructuras que se encuentren en la excavación,junto con detalle de las obras a realizar, Un ejemplo típico de un plano utilizado en un proyecto que sale a concurso se muestra en la figura 4.4. Los datos generalmenterequeridos para preparar dichos planos se ilustran en dicha figura, donde puede también verse el método de representarlos y las escalas. La práctica en la presentación de datos relativa a las perforaciones a realizar es muy varia. En algunos proyectos se presentan en los planos de contrato; en otros, sólo se indican los lugares,y los detallesde los sondeos de exploración aparecen en los documentos formales del contrato. Tales datos consisten en copias de los informes detallados del contratista que ha realizado dichos sondeos. El contrato y las prescripcionestécnicas deberán estar presentados de manera tal que indiquen claramente todo el trabajo a llevar a cabo, requisitos y condicionesinherentes al contrato. Si bien estos detalles aumentan el coste del*trabajo de oficina técnica, el coste total del proyecto será, por lo general, menor que cuando los planos se limiten a mostrar de manera general lo que ha de realizarse, o cuando las especificacionessean incompletas u ofrezcan dudas de interpretación. 4.2. ALCANTARILLAS PLUVIALES O UNITARIAS

La construcción de redes de alcantarillado unitarias es casi inexistente en la actualidad; sin embargo, son muchas las ciudades que poseen tal sistema. El proyecto de alcantarillas unitarias ha sido generalmente el mismo que el de las pluviales, sin tener en cuenta las descargas de aguas residuales ya que su volumen es tan pequeño comparado con el volumen esperado de aguas pluviales que puede despreciarse.Las alcantarillas unitarias se encuentran normalmente situadas a profundidad mayor que las pluviales con objeto de asegurar el servicio a los sótanos. El proyecto de alcantarillas pluviales o unitarias requiere: 1) la preparación de planos de situación y perfiles longitudinales; 2) la determinación de la escorrentía, y 3) la elección de las seccionesadecuadas para la alcantarilla, teniendo en cuenta la pendiente disponible y otros condicionamientos físicos y topográficos. La figura 4.1 muestra una alcantarilla pluvial para una determinada zona, ilustrando estos procedimientos de proyecto. Esta zona se utilizó igualmente

para representar el proyecto de una alcantarilla para aguas residuales.

124

DEPURACIÓNDE LAS AGUAS RESIDUALEs TRATAMIENTOY

longitudinales situación y perfiles de Planos 4.2.1. adecuadamente una alcantarilla pluvial, convendrá proyectar Para y perfil del área a la que se vaya a

dar prepararun plano de situación ha se discutido anteriorpara llevarlo a cabo servicio.El procedimientoocupa del proyecto de alcantarillas para aguas mente en la secciónque se plano de situación, que también se utilizará residuales.Un ejemplode tal proyecto, se presenta en la figura 4.5. como ejemplo ilustrativo

del

4.2,2. Caudal de aguas pluviales

de aguas pluviales que pueden El problema de determinar los caudales difícil y algo indeterminado, llevar las alcantarillasunitarias o pluviales es años en el desarrollo aunque se haya avanzado mucho en los últimos de nuevos métodos. Tal progreso se ha alcanzado gracias al creciente conocimientotécnico de las característicasy hechos hidrológicos en rela-

ción con la lluvia y escorrentía,y especialmentepor la gran cantidad de datos disponibles para el estudio y correlación de lluvia, escorrentía, topografía y desarrollo urbanístico del área de estudio. La extensa aplicación y uso de los datos de hidrogramas, funcionamiento de embalses reguladores para el control de avenidas, bombeo de las escorrentías de aguacerosy los requisitos de las autopistas y aeropuertos de no poder inundarse, han dado como resultado varios métodos para estimar tasas y cantidadesde escorrentía de aguacero. Aun así, el ingeniero necesitará mayor informaciónal calcular tiempos de concentración o al preparar hidrogramas.

La determinación del caudal de aguas pluviales a tener en cuenta en el proyecto de una alcantarilla pluvial puede realizarse mediante cualquiera de las siguientestécnicas: 1) fórmulas empíricas; 2) el método racional; 3) estudios de correlación lluvia-escorrentía;4) métodos dei hidrograma; 5) método de' entrada, y 6) modelos para ordenador digital. La elección

del método dependerá de las condicioneslocales hidrológicas y geográficas, los datos disponiblessobre las precipitacionesy escorrentías anteriores, y el grado de protección que se desee proporcionar. No se han incluido aquí datos detallados sobre todos estos métodos porque ello supondría una desproporcionadacantidad de espacio en un libro que trata específicamente de alcantarilladoy tratamiento de aguas residuales y también porque pueden encontrarse en otros librosl ¯ 3'5

El método que quizá sea más utilizado es el racional.

Para ilustrar los procedimientos implícitos en el proyecto de una alcantarilla unitaria o pluvial, se utilizará el método raciona11'5 en la esti-

Sandwich Street de Fremont Street a Mt. Pleasant Street Plymouth, Mass

Alcantarilla existente de 500 mm

SandW

PLANTA

Sandwich Street

FremQnt

v 1:100 H 1:1000 PR PR

Tubería

de agua

I Conducción telefónica

Tuberia de drenaje de

200 mm II

Alcantarilla O existente de 500 mm

Tuberia de I drenaje de Ll

4 200 mm

Alcantarilla existente de

0 250 mm

Tubería de egua

Alcantarilla existente

de 0 500 mm

ll

de 4 150mm

500

é 400

e 300

PC ± 20000

COTAS DEL TERRENO COTAS DE CUBETA

cu

PROFUNDIDAD

DE EXCAVACION DISTANCIAS PARCIALES

8

DISTANCIAS TOTALES

I = 1,350

PENDIENTES

PUNTOS DEL PERFIL PERFIL LONGITUDINAL

atarjea

Highland St, crn de

-e t,

diárnotño

ha

0,87) ha

0.728 hal 1,416 ha

1 ,012 ha

Ash St, 0,688 ha

Sycamore

0,890 ha

0,445 ha

0,723ha Aspen St. I

1,012 ha

0.890 ha 0,809ha I Cedar St. 1

ha 0,647 | 0,526 ha

0,728 ha

ha

A .012 ha

Elm St.

0,850 ha 1 0,850 ha I

0,647 ha

1,173ha

1254 ha

0,647 ha

1 0,769 ha

0,688 ha

0.566 ha

8 i

11

0,971ha I

ION

[Forest Avel

0,728 ha

WalnutSt. 1,012 ha 1,012 ha

0.809 ha

0,930 ha

Birch Ave. 0,890 ha

1 0,890 ha

Forest Ave,

1

ha

16 Ashmount St,

I

0,890 ha 1.093 ha

1,214 ha Oak .St.

1,012 ha

1

1,133 ha

0,971 ha

Alpine Ste 1,052 ha

1,376 Ka

0.930ha t Maple St.

0,971 ha I

2X3

80,890 ha

Redwood St.

50

O

200

Fig. 4.5. Plano correspondiente al ejemplo de proyecto de alcantarillado pluvial

50

Escala. m

200 Escala pies

126

TRATAMIENTOY DEPURACIÓNDE LAS AGUAS RESIDUALEs

mación de los caudales pluviales. En este caso, se supone que es ya conocedor de este método, y si no 10 fuera deberá estudiante consultarla cálculo de los caudales de las En forma resumida, el utilizando el método racional, requiere la determinación aguaspluviales de los siguientes I. Relación intensidad de precipitación-duración del aguacero, utilizarla como base en el proyecto. para estado futuro de la cuenca vertiente, es 2. El probable decir, taje de superficie impermeable que puede esperarse cuandoel porcenel distrito 3. El coeficiente de escorrentía, es decir, la fracción de lluvia que recogerá la cuenca vertiente. 4. El tiempo probable requerido para que el agua fluya por la del terreno hasta la primera boca, llamado tiempo de superficie 5. La cuenca vertiente a la alcantarilla en el punto en el queentrada. debadeterminarse el tamaño. 6. El tiempo requerido para que el agua fluya en la alcantarilla desde la primera boca al punto antes mencionado que, añadido al tiempo

de entrada, da el tiempo de concentración.

4.2.3. Proyecto de alcantarillas unitarias o pluviales El siguiente ejemplo puede aplicarse indistintamente a alcantarillas unitarias o pluviales. El área que se muestra en la figura 4.5 es una pequeña

porción de la cuenca vertiente total de un distrito grande.

EJEMPLO 4.2. Proyecto de una red de alcantarillado para aguas pluviales Proyéctese una red de alcantarillado para aguas pluviales, para la zona que aparece en la figura 4.5. La situación del colector de aguas pluviales propuesto que deberecibir

el agua de lluvia del distrito, se muestra en dicho plano, conociéndosela cota de la solera en el punto de confluenciacon la alcantarilla para aguas pluvialestributaria, prevista en el proyecto del colector principal. La cota mínima requeridade la solera de la alcantarilla tributaria es, por tanto, conocida en el punto propuestode descarga en el colector. Un cuidadoso estudio de las condiciones locales, incluyendo el desarrolloactual del y futuro probable del distrito, indica que se espera que un 70 % de las superficies distrito sean impermeables. Se ha supuesto que el tiempo de entrada es de 20 minutos. La cantidad de lluvia se tomará de la curva supuesta de intensidad de precipitación representada por la fórmula i 518,2/1061, en la que i es la intensidad de la lluviacaída en mm/hora y t es su duración en minutos. Esta fórmula representa la cantidadmedia

de lluvia en una duración de t minutos que puede esperarsesea igual o rebasadauna

vez vada cinco años como promedio, Las curvas de precipitación y escorrentíase mues-

tran en la figura 4.6.

130 120

intensidad de precipitación, i

110

51

0,76

100

33

Q = CiA

60

E

Q= C = i= A=

70 Ci 90% de superficie impermeable

escorrentía, 1/m coeficientede escorrentía intensidad de precipitación,mm/h área, rn2

t = tiempo, minutos

z

50

2.0 =

70% 60%

10

2,5

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Tiempo de duración mín. Fig. 4.6. Curvas de intensidad de precipitación para diversos grados de impermeabilidad

128

TRATAMIENTOY DEPURACIÓNDE LAS AGUAS RESIDUALEs

Aunque sc ha reconocido que las alcantarillas pluviales proyectadas seis años cn promedio, no Scsobre esta b Ñdian estat sobrecargadasuna vez cada ha razonable preverlas pata lluvias dc mayor intensidad dado el mayor coste vida de las alcantarillas representa. Durante los primeros años de pluvialeséstas aguaccros de mayor intensidad e ello evacuar caudales de escorrentía de Podrán escorrentía dc se basan en condiciones ya que los coeficientes aumento un observará progresivo se de la futurasrní's bien que en las actuaws. superficie la a sustitución debido pluvial gradual de las y de zonas impermeazonas pavimentadas. Y En tejados el por futuro, no cuando el actualmente fondos, podrán construirse distrito más urbanizado y se disponga de más aliviaderos si mayores graves inundaciones previas para ase_ gurar la evacuación de caudales aconsejaran ta figura 4.5 muestra la cuenca vertiente. Las cotas de las calles se en la figura 4.1. Los límites de csta cuenca están influenciados no sólo porrepresentan las nivel sino también por las áreas de servicio de las alcantarillasunitariasycurvasde pluviales existentes.En un distrito en cl que las pendientes del terreno sean moderadas y generalmente uniformes, no se requerirán planos de curvas de nivel. En su lugar, puede ser suficiente el conocimiento de las cotas del terreno, si se obtienen en las intersecciones

Las alcantarillas para aguas pluviales se diseñarán, por lo general, con la clavea una profundidad de, por lo menos, 1,5 m por debajo de la superficiede la calle.El tamaño mínimo del conducto será de 30 cm. La velocidad media mínima supuesta es de 0,9 m/s a sección llena. Las capacidades de las alcantarillas se determinarán utilizando un valor de n 0,013. Las velocidades de flujo en las condiciones establecidas en el proyecto son mucho elevadas en las alcantarillas para aguas pluviales que para las de aguas residuales más debido a que el caudal de aguas pluviales previstos para aquéllas es muchas veces mayor para éstas. Precisamente debido a estas altas velocidades, es ' importante prever que una altura de carga extra para compensar las pérdidas, tales como las originadaspor curvas,

pozos de registro, transiciones y cambios de velocidad. Solución

1. Dibújese una línea que represente la alcantarilla para aguas pluviales en cada calle o callejón a las que haya de servir. Colóquese una flecha cerca de cada alcantarilla para indicar la dirección del flujo. Por regla general, las alcantarillasdeberánconformarse a las pendientes de la superficie de la calle. Resultará más económico disponer el sistema de modo tal que el agua llegue al colector por la ruta más directa. En algunas localidades se deja que el agua de los tejados caiga al sueloy discurra sobre la superficie hasta los imbornales. En tales circunstancias,la alcantarilla deberá llegar sólo hasta el último imbornal más bien que hasta un punto opuesto al último terreno edificado, lográndose así cierta economía. Esta prácticase presta a críticas ya que no brinda el mismo servicio a toda la propiedad y, por tanto,

insno es equitativo.En el ejemplo que se estudia, la intención es proporcionar talaciones de drenaje a toda la propiedad del distrito. 2, Colóquense los pozos de registro al tanteo, dándoles a cada uno un númerode identificación,En nuestro ejemplo,se situará un pozo de registroen cada curva o ángulo, en todos los empalmes de las alcantarillas para aguas pluviales,en todos los puntos en que se produzcan cambios de sección o pendiente, y en puntosinterm medios donde la distancia exceda de 100 m con secciones de 30 a 50 cm y 120 para secciones mayores.

PROYECTODE ALCANTARILLAS

129

Cuando esté asegurada una buena velocidad durante prácticamentetodas las condiciones de flujo, y la alcantarilla sca lo suficientemcntcgrande como para que los trabajadoresno tengan que agacharseal andar, los intervalos entre los pozos de registro podrán ser hasta dc 180 m. Sc construirán suficientes pozos a fin de facilitar cl acceso pata limpieza c inspección. Posteriormente, cuando se hayan dibujado los perfiles y fijado las pcndicntcs, pucdc convenir cambiar de lugar algunos pozos de forma que las alcantarillas cstén a la profundidad más conveniente,

especialmentecuando la pendientedc la superficiede la calle no sea totalmente uniforme. Consideraciones de otro tipo, tales como obstáculos subterráneos, pueden

requerir la instalación de otros pozos, debido al cambio de alineación o formas especiales de construcción a realizar cn enlaces o confluencias con otras alcantarillas,

3. Dibújense los límites de las cuencas vertientes tributarias a cada pozo de registro. El supuesto carácter del desarrollo futuro y la topografía determinarán los límites adecuados.

4. Mídase cada área individual con el planímetro u otros métodos que den resultados igualmente satisfactorios. 5. Prepárese una tabulación para registrar los datos y fases de cálculos de cada sección de alcantarilla entre pozos de registro. Los cálculospara una línea seleccionadade esta secciónse muestran en la tabla 4.3. Se. dibuja entonces de forma semejante cada lateral. Si fuese necesario, el primer diseño del conducto secundario se modifica seguidamente de modo que sirva adecuadamente a las conducciones laterales. En algunos casos, es posible prescindir de algunos pozos de registro en alcantarillas para aguas pluviales laterales, utilizando subestructuras de entrada en cuyos empalmes pueden hacerse cambios de tamaño, dirección o pendiente.

4.2.4. Condicionesde bajo caudal en las alcantarillas unitarias

Si las alcantarillas unitarias se proyectan para condiciones futuras previsibles en muchos años el proyecto deberá ser realizado para las condiciones de caudal que se esperan en los primeros años, especialmente allí donde el sistema tenga aliviaderosy el caudal punta en tiempo seco se recoja en un sistema interceptor y se lleve al lugar de tratamiento. Tal estudio deberá incluir estimacionesde calado y velocidad de flujo, y el coste de explotación de la alcantarilla resultante de la limpieza y eliminación de depósitos. En temporadas secas prolongadas, es aconsejable

la limpiezacon chorros de agua, a fin de eliminar los sólidos de las alcantarillas unitarias secundarias; tal tipo de limpieza es probable que no dé resultado en grandes alcantarillasunitarias y es aconsejabledarle a la solera una forma especial, como una cuneta para confinar el flujo y lograr mayores velocidades y calados. En el siguiente ejemplo se ilustra

el análisis de las condicionesde bajo caudal. EJEMPLO 4.3. Análisis de las condicionesde bajo caudal en alcantarillas unitarias Utilizando el proyecto de alcantarillas para aguas pluviales del ejemplo 4.2, determínenselas condicionesde bajo caudal si el sistema hubiese sido diseñado como el de alcantarilla unitaria. Los datos básicos son :

Tabla 4.3. Cś/cu/os relativos a a/cantari//asde On sistema on/tar;oo bien de a/cantari//as p/uvîa/esŕ Cauda/

Distan-

Desde A (2) 1

1

2 3

2 2 3 3 4 4 4 5 5 5 6 6 6 7 7 7 8 8 8 9 9 9 10 10 10 11 11 11 12 12 12 13 13 13 14 14 14 15 15 16

15 16

16 17 17 17 18

Situación (3)

Cia

(4)

Incre•

mento ha (5)

do esco.

Hasta el

Total ha (6)

extremo En el

superior min.

(7)

tramo min. (8)

91.,5 0,930 Maple St. 0,930 20 1,72 Mapie St. 91,5 0,971 1,901 21,72 1,67 91 Maple St. 0,890 2,791 23,39 1,56 Maple St. 50,3 0,607 3,398 24,95 0,72 Redwood St. 99,0 0,890 4,288 25,67 Center St. 122,0 1,254 5,542 27,1 1,71 Center St. 10,7 2,428 7,970 28,8 0,11 Center St. 70,0 4,128 12,098 28,9 0,94 Center St. 73,2 2,307 14,405 29,84 0,82 Forest Ave. 33,5 4,816 19,221 30,66 0,37 Forest Ave. 23,713 31 0,33 Center St. 90 2,266 25,979 31 0,95 Center St. 79,3 6,960 32,940 32,30 0,82 Center St. 44,2 5,544 34,484 33,12 0,47 Center St. 68,6 1,174 39,657 33,59 0,72 Center St. 1 15,8 5,342 44,999 34,31 1,09 terrenoprivado 50,3 1,659 46,658 35,40

rrent/a Cepac/a o

espe- dad

c//ico quorida,

103.m8/s (9)

109,2 105,7 102,9 99 ,4 98,0 96,6 93,8 93,8 92,4 91,7

91 91 89,6 88,9 88,2 87,5 86,8

Pen.

ml/s

d/ento m/m

(10) (11)

(12)

0,102 0,201 0,286

38 0,003 53 0,002 61 0,002 0,337 61 0,0037 0,422 68 0,0023 0,535 76 0,0021 0,748 76 0,004 1,133 105 0,0016 1,331 105 0,0022 1,764 121 0,0018 2,161 137 0,0015 2,359 137 0,0018

Ve/oc/ă

dađ, m/s (13)

0,884 0,914 0,975 1,158 1,158 1,189 2,585

CapĐ-

Desnîvec

(14)

(15)

(16)

0,102 0,204 0,289 0,337 0,425 0,532 0,736 1,161

62,35 62.95 62,97 63,12 63,22 62,82 61,94 61,94 61,54 61,45 61,60 61,82

27,45 13,30 18,30 13,58 22,77 25,62 4,28 11,20 16,10

1,494 1,331 1,494

Cotđ del

cidađ,

terreno

mo

supĐîiOŕ

(17)

60,92 60,50 60,36 60,06 59,84 59,54 59,28 58,93 58,83 6,03 58,51 4,35 58,30 16,20 58,26

(13)

60,35 60,32 60,06 59,92 59,62 59,29 59,24 58,82 58,66

1,755 58,45 1,463 2,152 58,25 1,585 2,378 58,10 2,945 152 0,0015 1,615 2,916 61,94 11,89 57,94 57,82 3,426 168 0,0013 1,554 3,426 62,06 5,74 57,67 57,61 3,512 168 0,0014 1,585 3,568 62,09 9,60 57,61 57,52 3,936 168 0,0017 1,768 3,653 61,72 19,68 57,52 57,31 4,049 122 0,0096 3,475 4,049 59,74 48,29 57,70 57,22

Los valoresde la columna8 se obtienendividiendolos de la columna4 por 60 y por los valoresde la columna 13. Los valores de la columna 10 se obtienen mufti. plicandolos de la columna6 por los de la columna9. Los valoresde la columna 16 se han obtenidomultiplicandolos de la columna4 por los de la columna 12.

seco Tabla 4.4. Análisis de/ proyecto de alcantarilladopor c/ sistema unitario en condiciones de flujo de tiempo Proporción correspondiente a

Tasa promedio de f/uio de aguas residuales Agua subterránea

Capacidad,

% dela

a razón Línea

(1)

Area Aguas tota/ tributaria, residuales, 1os mg[día ha (3) (2)

8

12,10

10

19,22

11 13 14 16

23,70 32,94 38,48 45,00

0,499 0,791 0,976 1,359 1,589 1,855

(4)

(5)

(6)

capacidad sección a llena (7)

0,056 0,090

0,555 0,881 1,087 1,513 1,770 2,065

6,42 10,20 12,58 17,51 20,49 23,90

0,57 0,59 0,59 0,60 0,60 0,59

de 4,68 mg[ha

por día, 103

[día

0,111

54 81

0,210

Total, 103

Total, 1/s

Condición para flujo

medio de tiempo seco

Veloci-

Calado,

% de/ calado a sección llena (8)

6,0 6,0 6,0 6,0

dad, %

de h

velocidad a reacción

Ca/ad0Ê

Velocidad,

//ena (9)

cm

m/s

(10)

(11)

22 26 26 26 26 26

5,33 7,36 8,13 9,14 10,16 7,36

0,274 0,387 0,381 0,42 0,405 0,915

Y DEPURACIÓNDE

AGUASRESIDUALEs

132

de tipo doméstico en la estación seca 412 residuales aguas caudal de 4,70 m3/ha sona•día. estaciónseca de agua por día. Infiltraciónen la población: 100 personas/ha. Densidad actual de Solución

caudal total en la estación seca para cada zona tributaria. el Determinese flujo. La relación del caudal I. calado y velocidad de medio de estiaje el Determínese sección llena, muestra 2. a la alcantarilla la con la capacidad de la proporción correspondiente de calado yproporción de la velocidad puede capacidad utilizada; semejante al de la figura diagrama un mediante 3.16 aunque obtenersefácilmente valores de D y S que se aproximen a

aquellos que apapreparado para distintos al anterior fue similar utilizado diagrama Un en este ejemplo recen en el proyecto. que las proporciones permitió que si bien con una escala mayorcaudales menores. Los resultados de pudieran leerse los cálculosde con suficienteprecisión para tabla 4.4 la en presentan este ejemplo se

Las velocidadesdel ejemplo 4.3 son muy bajas para un caudal ordi-

nario de estiaje, siendo muy probable la formación de depósitos. Si esta alcantarilla formara parte de un sistema unitario que incluyese aliviaderos

y una alcantarilla secundaria para desviar los caudales de estiaje a su lugar de tratamiento, convendría proyectar el colector con una solera en cuneta. Así, los sólidos serían arrastrados con los caudales ordinarios y no se depositaríanaguas arriba de los aliviaderos, adonde probablemente serían desviados desde la alcantarilla al producirse el primer caudal en exceso sobre el normal a desviar. PROBLEMAS 4.1. Descríbanselas fases a seguir vn el proyecto de una alcantarilla para aguas residuales en un sistema separativo y discútase su importancia relativa. 4.2, Del mismo modo que en la figura 4.3, dibújese un perfil longitudinal para una alcantarilla para aguas residuales en Naple, Redwood y Center Sts. que descargue en Forest Ave. en el pozo de registro n.0 11. Supóngase una densidad futura de población de 125 personas por hectárea, con un caudal máximo de aguas residuales domésticas de 1000litros/persona por día y 23 500 litros/ha por día de infiltración.

Usense otros datos básicos dados en este capítulo. Vmin—0,6 m/s. La profun-

dídad mínima de la alcantarillapor debajo de la superficiees de 2 metros.

4,3, Calcúlese el número de metros de excavación y la longitud de tubería de distintos diámetrosrequeridospara la alcantarilla que se representa en la figura 4.3. Supóngase que el ancho de la zanja es 1,4 veces el diámetro interior más 0,3 m, pero con un ancho mínimo de 1 m, y que la profundidad de la excavación es de 6 cm

por debajo de la pendientede la solera,

4,4, Menciónense seis métodos utilizados para determinar las cantidades de aguas pluviales y discútanse brevemente sus características diferenciadoras.

PROYF.CTODE ALCANTARILLAS

133

BIBLIOGRAFIA American Society of Civil Engineers, Hydrology Handbook, Manual 28, 1949. 2. Camp, T. R. : Design of Sewers to Facilitate Flow, Sewage Works Journal, vol. 18, no. 1, 1946. 3. Joint Committee of the American Society of Civil Engineers and the Water Pollution Control Federation: Design and Construction of Sanitary and Storm Sewers, ASCE 1.

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284

TRATAMIENTOY DEPURAC16NDE LAS AGUAS RESIDUALEs

26. U.S. Public Health Service: Public Health Service Drinking Water Standards, Washington, D.C., 1962. 27. ward, H. m, and G. C. Whipple (ed. by we T. Edmondson): Fresh WaterBiology, .2d ed., Wiley, New York, 1959. 28. Water Quality Criteria, National Technical Advisory Committee, Federal Water Pollution Control Administration,Washington,D.C., 1968. 29. Waugh, A. E.: Elementsof Statistical Method, 2d ed., McGraw-Hill, New York, 1943.

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32. Young, J. C, W. Garner, and J. W. Clark: An Improved Apparatus for fiochemical Oxygen Demand, Analytical Chemis/ry,vol. 37, p. 784, 1965.

16 Estudio sobre tratabilidad del agua residual

otra índole que no pueden tratarse con Los residuosindustriales y demunicipalespresentan una serie de prodepuradoras éxitoen las plantas y operaciones industriales originan, por su lado, blemas.Los procesos cada producto manufacturado. La variedad residuosque son típicos de muy perceptible tras su evacuación al medio menudo a es residuos de petróleo emulsionado y en flotación ambiente.Citaremos, como ejemplo, pasta y papel, verprocedentede 'refinerías,aguas blancas de fábricas de tintes y fangos y resitidosde agua con distintos colores procedentes de El problema se duos de carbón de operacionespropias de la minería. desconocomplicacada vez más al producirse continuamente nuevos y cidosresiduos,resultado del progreso tecnológico en la síntesis de compuestosorgánicos,desarrollo de nuevos productos y aplicación de nuevas técnicasde fabricación. En vista del crecientey difícil número de problemas sobre tratamiento con los que ha de enfrentarse un ingeniero sanitario, la finalidad de este capítuloes presentar y discutir una forma general a seguir en la resolución

de aquéllos,así como describir métodos de laboratorio que evalúen la efectividadde los procesos y operaciones adoptados en cada caso. Aunque

los procedimientosaquí citados se dirigen fundamentalmente hacia estudios sobre aguas residuales de tipo industrial, son igualmente de aplicacióna estudios relacionados con aguas residuales propias de los municipios.

748

Y

DE

AGUAS

FASES PREVIAS

Los dos primeros pasos para resolver un proble de aguas residuales son su identificación, Yel establecimiento de a debe tenersemuy en cuenta, ya que a menos queimportancia de el y

problemase y comprendaclaramente, se establezcanlos requisitos la evacuaciónde los residuosen el momentopresente que y controlen realizar se a trabajo carecerá el de futuros, un objetivo proyecten concretoy cuencia no se hallarán soluciones positivas. con los fres

16.1.1. Identificación del problema

Quizá sea ésta la fase clave en la realización de estudios miento de aguas residuales. Evidentemente, el problema sobre que la dirección indique cuál es, ya que el ingeniero ha de no se limita estarpreparado para enfocar y definir aquél a la vista no sólo de una revisión racionesque se realizan en la estación y de las instalacionesde lasope_ de que pone sino también de las discusionescon técnicosy operarios de la bibliografía actual y de su experiencia previa. Si, en base asícomo a sushallaz. gos, discrepa con el criterio de la dirección, expondrá sus puntosdevista respectoa la naturaleza y definicióndel problema. En la mayoría delos casos se ha podido comprobar que el tiempo invertido en considerar esta fase supondrá la reducción del coste de la realización de este estudio de ejecucióndel mismo

al minimizarel númerode pasos y del tiempo en falso que pueden darse en el comienzodel estudio. 16.1.2. Análisis de requisitos

En esta fase deberá adoptarse la decisión sobre el grado de tratamiento

a dar al agua residual. Ello significadar a los parámetrosdefinitorios de la calidad del efluenteunos valores como objetivosque sirvandebase para el diseño futuro. En muchos casos, los requisitossobrela calidad locales del efluentehan sido ya establecidospor los serviciosreguladores en forma de normas de vertido. Al revisar estas exigencias,es sumamente importante considerar su futuro, ya que como consecuenciade la actual campaña nacional sobre el mejoramiento de la calidadde las aguasrecepAsí, toras, aquéllas se revisan continuamente y se vuelven más rígidas,que efluente una instalaciónde tratamiento proyectada para producirun satisfactoria satisfagalas actuales exigenciaspodría no ser una solución

ESTUDIO

SOBRE TRATABILIDAD DEL AGUA RESIDUAL

749

establecimientode normas más exis futuro en razón del próximo calidad. Por ello, convendrá siempre que sea posible la un de calidad en colaboración con lag oficinas requisitos futuros los gen de la regulaciónde la misma. elabo encargadas se les exige pretratar sus aguas residuales de modo industrias muchas loca susceptibles estudio fuese de este tipo, deberán determinarse sean el Si que municipales. pretratamiento. rillas de tal requisitos exista la posibilidad de reutilizar el agua residual que los en En los casos para esta reutilización serán determinados y comrequisitos tratada,los calidad para reutilización del agua serán, en el futuro, sobre exigencias de principal tratamiento sean prohila base se vuelvan tan duras que los costes de vertidos bitivos.

RESIDUAL EXAMENDEL AGUA 16.2. fijados los requisitos para la evacuación, se y problema el Definido residual para: 1) obtener los datos neceagua del examen efectuaráun los distintos vertidos, y 2) determinar si las caraccaracterizan que sarios son alterables y si su volumen puede reducirse residual agua del erísticas convenientes en los procesos u operaciones modificaciones las mediante los métodos utilizados para la recogida de las aguas en o fabricación de que comprende la realización de un exaprocedimientos Los residuales. abordar un problema de tratamiento son expuesal residuales aguas de men tos en esta sección.

del vertido 16.2.1. Caracterizacióndel agua residual importantes Las fábricas que producen caudales de aguas residuales componen evacuandistintos tipos de aguas de diversa procedencia que analizar todas el agua residual final. El primero y más importante paso es de cierta importancia, determinando caudales, tomando las procedencias muestrasde las aguas residuales y caracterizándolas mediante análisis de laboratorio.En las fábricas grandes, donde las limitacionesexistentes impidenun examen exhaustivo, convendrá efectuar una breve exploración a fin de identificarlas procedenciasimportantes en Io que se refiere a volumeny composiciónde las aguas residuales, y seguidamentesometerlas a un examen más detenido.

750

Y DEPURACIÓNDE LAS TRATAMIENTO AGUAS RESIDUALES

Medida del caudal. Las medidas del caudal y de variación del mismo son necesarios para establ determinación ecer un del sentativo de muestreo, fijar los volúmenes

de aguas prograrna tados, y determinar el tipo de instalaciones neces residuales los caudales que sean fluctuantes. Si las conduccio arias para a sertras están equipadas con dispositivos para la medición nes de aguasmanipular de c residual convenientes,el trabajo para realizar tales medidas es cmo. Sin embargo, dichos dispositivos no suelen mente en las fábricas más antiguas. En tales casos, encontrarse sen. que elegir el método, el equipo y el lugar para el investigador el caudal, y considerar el tipo de medidor, su obtener los datostendrá ubicación, lación, calidad de los datos obtenidos y su convenienciacostede insta. Para el vos medidores, la medición de caudales, descripción y diseño de fundamentos caudalímetros de de otros importantes aspectos a tener en cuenta en así corno el momento elecciónse presenta una amplia información en el de capítulo 3 del Manual sobre el Agua de la ASTM7y AP16,en el en Spink.llManual Muestreo. Las técnicas de muestreo utilizadas en un duos aportarán muestras representativas ya que los datos examende que se obtengan del análisis de las mismas servirán de base para el diseño de las instala. ciones de tratamiento. Como quiera que no existe un procedimiento universal para el muestreo, éste se hará en cada caso de modo que se ajuste a la operación de cada fábrica y a las características del residuoproducido.

Para tratar los problemas inherentes de muestreo de aguas cuya composición sea muy variada, será necesario disponerresiduales, de dimientos especiales. Por ello, convendrá tener unos lugares para procela zación de los muestreos así como determinar la frecuenciay tipo realidela muestra que ha de tomarse. El examen de planos que muestren las conduccionesy pozosderegistro facilitará la localización de los puntos idóneos para llevara caboel muestreo de las aguas, que deberán estar situados donde las condiciones de flujo sean tales que provoquen una mezcla homogénea.En las tuberías y canales estrechos y profundos, las muestras deben tomarsea un tercio de la profundidad del agua a partir del fondo. El punto de tomaenlos canales anchos deberá ir cambiándose en forma cíclica a lo largo delcanal.

La velocidadde flujo en el referido punto deberá ser, en todo momento, suficientepara evitar la deposición de sólidos. Al recoger las muestras, se procurará no originar una turbulencia excesiva que dé lugar a la libe-

ración de gases disueltosy produzca una muestrano representativa.

El grado de variación del caudal indicará el intervalo de tiempodel muestreo, el cual deberá ser suficientementecorto a fin de proporcionar

TRATABILIDAD DEL AGUA RESIDUAL ESTUDIO SOBRE

751

ción real del flujo. Debe tenerse presente que, incluso cuando representa ligeramente, la concentración de los productos resignacaudales varíen mucho en algunos casos. El muestreo frecuente los llega a variar uniformes de 10 a 15 minutos) permite la estimación de la (intervalos media durante el período del muestreo. concentracióndel equipo a utilizar es un aspecto importante si se decide La elección de tipo continuo o automático. En la figura 16.17se

muestreo realizarun sencilloy económico muestreador de tipo continuo. En la muestraun presenta un dispositivo automático de muestreo y en la fise figura16.2a esquemade su instalación.El alcancede este capítulo no 16.bun en una descripción completa de los muchos disposipermiteextenderse utilizados para el muestreo de aguas residuales indusautomáticos tivos encontrar más informaciónen la bibliografía1, 4 y 9; pudiéndose triales, 7 también se incluye una discusión sobre las precauciones por otro lado, cuenta en la toma de muestras y en el uso del equipo quehan de tenerse

en

de muestreo servirá un programa de muestreo realizado con todo cuidado nada

De física, química y biológica de las muestras no se mantiene si la integridad intermedios entre la recogida y análisis de la muestra. durantelos períodos investigación llevada a cabo sobre el problema de la A pesar de la mucha Conductos

Garrafa

de vidrio

Agua

Tornillo

de fijación Muestra de agua residual flujo

de agua residual

C debe ser mayor que A + B

Fig. 16.1. Muestreador de flujo continuo 7

O

O O

do

O

O

Tubería de ãlre

a presión de 120 a 360 kg/crni

según ge disponga

Reloj —debe estar conectdo a un relé temporizadocon el dispositivo

O

de medida para caudales variables

O

O

110 voltios

Entrada de aire comprimido

Tubo de

ventilación o

Válvula Tanque de recogida (su volumen depende de

o

los análisis necesarios)

c

Tubería de

Pistón

muestras de 19 mm

Abertura de escape

del aire

Tubería de muestreo de 19 mm

Muestreador

Cuando la válvula de entradaestá

cerrada, pasa aire comprimido a través del muestreador y obliga al

líquido a subir a travéé de la tu-

bería de muestreo.

a)

Al@añtaril/a

Entradade la muestra

Fig. 16.2. a) Nfuestreador automático. b) Esq uerna de instalación de un nauestreador autoznátic•o

5

ESTUDIO

SOBRE TRATADILIDAD DEL AGUA RESIDUAL

753

las muestras, no se ha logrado perfeccionar un tratauniversal ni tampoco formular unas reglas fijas aplica. to os muestrasdela toma de la muestra es la forma más positivade no a de bics continuación aconsejenun intervalo de tiempo entre la toma y cuando se toma una muestra compuesta tal y como sucede ana tomarán las medidas necesarias para preservar las muesse se presenta una reciente compilaciónde las técnicas de 24 horas, 16.14 tabla En la de m preservación recomendados para el análisis de propiedades preservación de métodosde Tabla 16.1. Preservaciónde muestras4

Período máximo Parámetro Alcalinidad-acidez DBO Calcio

Dao

Cloruros Color Cianuros

Oxígeno disuelto Fluoruros Dureza

Metales totales Metales disueltos Nitrógeno amoniacal Nitrógeno Kjeldahl Nitrógeno, nitrato-nitrito Aceites y grasas Anhídrido carbónico pH

Fenoles Fósforo

Sólidos Conductancia específica Sulfatos Sulfuros

Umbral de olor

Turbidez

de retención

Medio de preservación

24 horas

Refrigeracióna 4 0C

Refrigeración a 4 0C •

6 horas

No se requiere

7 días

2 ml/l H2S04 No se requiere Refrigeración a 4 0C NaOH a pH 10 ••

24 horas

24 horas

No hay retención

A determinar in situ

No se requiere No se requiere

6 meses 6 meses 7 días

5 ml/l HN03 Filtrado: 3 ml1/11 : 1 HN03

40 mg/l HgC12.4 oc

Inestable

40 mg/l HgCh.4 oc

7 días 24 horas 7 días

40 mg/l HgC12.4 oc

2 ml/1 1-12SOe4 oc

2 ml/l H2S04 (pH — 2) Ninguno útil

g cuS04 + H3P04a pH

40 mg/l C12Hg.4 oc Ninguno útil No se requiere

Refrigeración a 4 0C

2 ml/l acetato de Zn Refrigeración a 4 0C Ninguno útil

y 4 0C

24 horas 7 días

7 días 7 días

24 horas

su contenido orgánico, pueden • Para la preservación de las muestras que se analicen a fin de conocer

utilizarsetécnicas de baja congelación (hasta —25 0C). métodos de determinación Una preservacióndurante 4-8 horas puede conseguirse, en algunosMethods (12) para las apliStandard los Véanse con 0,7 ml de H2SOaconcentrado y 20 mg de NaN8. caciones prescritas.

(La nota al pie no figura en la bibliografíaoriginal.)

754

Y DEPURACIÓNDE LAS TRATAMIENTO AGUAs

RESIDUALES

suscept1Fesde deterioro son discutidos en la bibliografía 12,Lo errores debidos al deterioro de la muestra se ano tarán pondientes datos analíticos. entre

los

Análisisae las muestras. El análisis de las paso del estudio. Los análisis específicos a realizar dependen ente de la actividad industrial y de la finalidad del examen datos sobre agua residual doméstica de las tablas 7.1 en cuesti tipo pueden utilizarsea modo de guía para determinar y 7.3 del Lo los tipos de análisis 16.2.2. Observaciones «in situ»

Además de reunir información sobre los caudales cedentes de las distintas unidades integrantes de un que se viertenpro. proceso,es uncionamiento de dichas

convendrá conocer las tasas de alimentación y tla unidades.Por ello terísticas de ésta así como de las condiciones composicióny carac. operatorias,tales temperatura, que pueden afectar a las características como del datos se correlacionarán seguidamentecon los obtenidos efluente.Estos y volumen del agua residual, con objeto de establecerla sobrela calidad entre la operacióndel proceso y factor de carga y las relaciónexistente características del agua residual. 16.2.3. Análisis y modificación del proceso

Recogidos ya los datos necesarios para el examen, se procederá a continuación a ponerlos en práctica. La información del examendeberá facilitar la identificación de las fuentes de agua residual que podríansometerse a otro tratamiento. Sucede con frecuencia que el tratamientodeun agua residual determinada resultaría menos costoso y complicado si pudiera aislarse y tratarse separadamente, en vez de hacerlojuntamente con el resto de aguas en una única instalación.Un ejemplodelo indicado es Ja combinación de un residuo muy diluido, comoaguaresi-

dual de refrigeración, con otro concentrado que contengacantidades de una importantes de materia flotable y sedimentable.La consecuencia situación semejante a Ja expuesta es que tendrá que aumentarsesustancialmente la capacidad de las unidades para eliminarla materiaflotable y sedimentable,sin que de ello se derive beneficioalguno. Un casosemejante se presenta al combinar un pequeño volumende residuostóxicos concentradoscon uno grande de un agua residualque contengamateria

FSTUPIO

SOBRÉ TRATABILIDAD

DEL AGUA RESIDUAL

755

susceptiblede recibir tratamiento biológico. Los datos coloidal la identificación de dichas procedencias así facilitarán orgánicaY ales de aguas residuales variables que puedan necesitar de homogeneización para mantener el caudal consde tanques como de tratamiento sea regular. para que el necesario •etivo en la fase de modificacióndel proceso es la reducob] principal residual, especialmentesi ello es factible a un agua del El volumen del bajo relativamente eras de rebajar los volúmenes de los residuos se logran coste mantenimiento general, incluyendo el doméstico, y fugas, así como la reutilizacióndel agua residual trav escapes reducir procesosy la residuo. Los datos recogidos en este exade los la concentración del al identificar los orígenes de las aguas residuales utilidad serán de reducirse según los medios apuntados. Dicho examen

puede cuyovolumen igualmente útil para p resultará caso de que. se modifique la operación así como si se aumenen delagua, producción

modificaciónen el proceso para reducir el caudal de una de introducir serán compensados por una mayor economía en los aguasresiduales se pospondrá la decisión a tomar hasta que no tratamiento, de costes consideradoa fondo otros posibles métodos y se establezca hayan se de tipo económico. tase la

una comparación

DE LOS POSIBLES TRATAMIENTOS 16.3. ANÁLISIS Una vez que el técnico conozca la naturaleza del problema, las carachaya modificadolas operacionesy proterísticasdel agua residual y que

estará en disposición de seleccionar cesosunitarios,cuando ello sea posible,

losmétodosque se ajusten más a su proyecto concreto. 16.3.1. Exploración preliminar

La finalidadde esta preselecciónno es otra que la de explorar los posiblesprocesos de tratamiento aplicables al problema en estudio y

elegirlos de mayores posibilidades para someterlos a una investigación másprofunda.En la mayoría de los casos, los datos sobre caracterización de residuosdeberán indicar el método general de tratamiento que se ajuste mejoral problema en cuestión. La tabla 16.2 ofrece un resumen de los métodosde tratamiento más importantes que se usan para las aguas residuales industriales.

TRATAMIENTOY DEPURACIÓN DE LAS AGUAS

756

RESIDüAr_Es

Tabla 16.2. Procesos y operaciones de tratamientode agua resid

ua/de

Descripción

Aplicación

tipo

industria 1

Operaciones físicas unitarias Diálisis-ósmosis Destilación Evaporación: Secadores De efecto múltiple De compresión térmica Filtración: Fittro-prensa Gravedad

Recuperación de materias de I proceso, sólidos disueltos eliminación Eliminación de sólidos disuelto s, separación líquidos para su recuperación de residuos o evacuación Deshidratación del fango, látiles, concentración deeliminación de materias residuos líquidos

Eliminación de sólidos suspendidos,

deshidratación

Presión

Vacío Flotación: Centrífuga

Aire disperso Aire disuelto Gravedad

Transferencia de gases: Adsorción Aireación Arrastre Cribado: Giratorio Vibratorio Sedimentación: Centrífuga Gravedad

Separación de grasas Extracción de disolventes

Eliminación del líquido suspendido o en partículas sólidas, concentración de flotacióny de fangos

Adición y eliminación de gases, eliminación de aceites volátiles Eliminación de materias sólidas gruesas suspendidas y flotantes Eliminación de materia particulada, flóculos biológicos,

flóculos químicos, concentración de fangos

Eliminación de grasa, aceite y materiasen flotación Eliminación de constituyentes residuales solubles,recuperación de material soluble en el proceso

Operaciones químicas unitarias Adsorción Coagulación-floculación Combustión Intercambio iónico Neutralización:

Acído Bases

Eliminación de compuestos orgánicos solubles Eliminación de materia coloidal conte• Conversión del fango en ceniza, reduccióndel nido orgánico, reducción del volumen elimi• Recuperación de compuestos e iones específicos, e inornación de compuestos ionizados orgánicos gánicos Control del pH

ESTUDIO SOBRE TRATABILIDAD DEL AGUA RESIDUAL

757

Tabla 16.2 (Continuación) Operaciones químicas unitarias

Oxidación: Aire Ozono Reducción

Sorción

Desinfección, reducción de DQO, precipitaciónde elementos nutrientes solubles Conversión de compuestos solubles a forma volátil o precipitado para su eliminación Eliminación de compuestos orgánicos solubles y de ciertos inorgánicos solubles

Procesos biológicos unitarios Aerobios:

Fangos activados Lagunas Filtros percoladores

Anaerobios:

Eliminación de materia orgánica soluble o coloidal

Estabilizaciónde fangos y residuos orgánicos

Proceso de contacto Digestión

Filtros

Tanques Imhoff Lagunas Irrigación por aspersión

Estanquesde estabilización

Eliminación de materia orgánica soluble o coloidal Eliminaciónde materia orgánica soluble o coloidal

La exploracióna la que nos referimos supone una evaluación previa de la posibilidadeconómicay operacional de los demás procesos. Por dicho motivo, el técnico tendrá que consultar la bibliografía existente sobre este tema a fin de recoger información sobre las distintas formas con que se manipulan los residuos así como de los nuevos procesos que aún se encuentranen período de experimentación.Es muy importante que la investigaciónque se emprenda no se limite a los tipos de procesos considerados,debido a ideas preconcebidas o preferencias personales del ingenieroinvestigador.Las razones para dejar de investigarun proceso se anotarán y, por supuesto, deberán basarse en argumentos de peso. 16.3.2. Exploración profunda

Como consecuenciade esta primera selección quedarán algunos tratamientos,con los cuales deberá realizarse una exploración más profunda para valorar su efectividad para producir un efluente de la calidad deseada. Tal investigaciónpuede entrañar la visita a instalaciones de tratamiento de aguas residuales con procesos unitarios similares para recoger infor-

758

Y DEPURACIÓNDE LA TRATAMIENTO S AGUAS RESIDUAL Es

V

maci6n detallada sobre costes de construcción rendimientos unitarios. Del mismo modo, se Y de fabricantes de equipo y aparatos para conocer establecerá con exactitud entre lo que ganda de los distintos fabricantes y la realidad, dicela se aconseja los datos sobre rendimiento estén debidamente dOCUmentados quetodos Sin duda alguna, el trabajo más importante a efectuar a ac10nes experimentales en estaf valorar la aplicabilidadde los otros procesos utiliz con ando objeto}e el agua de que se trate. Dado el desembolso de capital que suponela residual ción de instalacionesde tratamiento y puesto que la fiabilidad es importante, se considera que los estudios en laboratorio del truc« sión aconsejable, 10 que es particularmente conveniente sonuna de nuevos residuos de los que se conocen pocos datos en el tratamiento o ninguno. pues, su importancia, los estudios en laboratorio se discutenpor Vista separado 16.4. VALORACION EN LABORATORIO

Una parte integrante de casi todas las investigaciones sobretratamientos de agua residual es la realización de estudios experimentales enlaboratorio. Los objetivos de tales estudios suelen ser dos: el primero, minar si el agua residual en cuestión es susceptiblede ser tratada detercon operaciones y procesos propuestos, y el segundo, obtener datosque las puedan posteriormente utilizarse para diseñar y operar instalacionespilotoo a escala real. De los muchos procesos y operaciones citados en la tabla 16.2,sedis. cutirán sólo en esta sección los que hacen referenciaa fangosactivados, digestión anaerobia, adsorción por carbón y flotación por aire disuelto, los cuales se han seleccionado vista su amplia aplicaciónen el tratamiento de aguas residuales procedentes de diversas actividadesindustriales. En la bibliografía 2, 3 y IO. se encontrará información sobre la realización de estudios de laboratorio para muchos de los métodos de tratamiento citados en la tabla 16.2. 16.4.10 Fangos activados

Uno de los métodos más eficaces en el tratamiento de aguasmunicipales y residuos orgánicos industriales es la oxidación biológicade aguas residuales utilizando alguna forma del proceso de fangos activados.Para de conocer la tratabilidad del agua residual y determinar el coeficiente

TRATABILIDAD DEL AGUA RESIDUAL ESTUDIO SOBRE

759

coeficiente de descomposiciónkd, necesariospara el y y el suelen utilizarse las instalaciones de tratamiento de proceso,

del tipo experimental. Si el alcance de dicha investigación de activados fangos determinarán igualmente los coeficientescinéticos k Y Kg, se lo permitiera, utilizar un reactor experimental, como el indicado en la puede Se realización de estudios con caudales continuo y dis16.3, para la recomienda utilizar los primeros

siempre que sea aunque se continuo, que simulan mejor las condiciones reales y dan resultados posible,ya Los procedimientos que implican la puesta en marcha y más precisos.un estudio sobre la tratabilidad utilizando un reactor expedesarrollode flujo continuo se describen en el ejemplo 16.1. de rimental capilar ——-—Tuoo

Purga continuade fango (bombeo o por vacío) Efluente

(extracción

por vacío)

Entrada ajustable Efluente

•

zlime\tación Botellade de manera

(debesituarse quela alimentación gravedad)

5Ôifúsor 'óarÓsQ% Aire

C

(extracción

por gravedad)

0 Cameracdeüsedi

Cáhara de aire

se realice por

empleado para llevar a cabo estudios de trataFig. 16.3. Reactor de laboratorio continuo miento de fangos activados de mezcla completa y caudal 16.1. Estudio sobre la tratabilidad con fangos activados EJEMPLO con fangos Descríbanselas fases de la realización de un estudio sobre tratabilidad activados. Solución

que el tiempo 1, Elíjanse las condiciones operatorias. En los capítulos 10 y 12 se indicó usan

medio de retención celular Oc,o la relación alimento-microorganismosU se del indistintamente como parámetro de control operatorio. Se sugiere el empleo demétodo Ocpor la facilidad y precisión con que se puede aplicar. Las unidades berán hacerse funcionar a diferentes Oc,desde 3 a 20 días, para valorar el efecto de Ocsobre la eficiencia del tratamiento.

760

TRATAMIENTOY DEPURACIÓN DE LAS AGUAS

RESIDUArxs

la temperatura se mantendrá constante durante el ensayo, 10 éste se efectúe en una sala a temperatura constante. se sugiere que obligaa realizar los a dos temperaturas distintas que representen las condiciones estivales e y alimentación los de agua el reactores. Si el agua 2. Prepárense sólidos de concentración suspendidos elevada o una aceite en residual deberá dársele algún pretratamiento a fin de eliminarlo antesflotación o de alimentar los El mecanismode alimentación que se muestra en la figura 16.3 es un sistema de alimentaciónpor gravedad con control capilar. se pueden aprovecharterrnó_ metros rotos de los que se ha extraído el mercurio como excelentes ajustándoseal caudal mediante tubos de diferente longitud. se usantubos mecanismos de alimentación, como son bombas peristálticas y de también diafragma(véase la figura 16.4), todas las cuales proporcionan un caudal más Constante que el me_ canismo capilar. Se recomienda que las tuberías de entrada y salida sean o de material transparente similar, a fin de facilitar la observación de Tygon de CUa1quier 3. Secuencia del procedimiento de puesta en marcha: a) Llénense los reactores con fango de siembra procedente de un funcione bien. La concentración inicial de sólidos volátilesserá sistemaque aproximada. mente 1500 mg/l. b) Conécteseel aire y ajústese el caudal de modo que se consigaun mezclado completo en la zona de aireación, sin alterar la sedimentaciónsatisfactoria fango en la cámara de sedimentación. El caudal de aire requerido para la del mezcla excede mucho del requerido para la síntesis biológica en los reactores pequeños. La experimentación con distintos deflectores ajustables será necesaria para alcanzar la combinación óptima de mezcla y sedimentación. c) Comiéncese a llenar los reactores con el caudal necesario para lograr el tiempo deseado de detención hidráulica. El efluente puede extraerse del reactorpor rebose, por gravedad o mediante el uso de un tubo de succiónen vacíopara mantener el volumen que se requiera en el reactor (fig. 16.3). 1

Circuito eléctrico esquematizado Planta piloto de fangos activados de 2 litros

de capacidad

Generador de la mezcla de gas

Botella de alimentación de I litro (alimentaciónpara 5 días)

(tubo de 50 ml)

electrolítica Fig. 16.4. Reactor de flujo continuo, empleando una bomba

ESTUDIO

DEL AGUA RESIDUAL SOBRE TRATABILIDAD

761

eración hasta que se logren condiciones de estado de equilibrio op la indicado cuando se estabiliza la DBO o DQO del efluente, Continúese viene que lo dichas condiciones es observar la

tasa de Condeterminar d) estab%étodopara del líquido mezclado, utilizando el respir6mctro Warburg Otro de oxígeno tasa de consumo constante indica una condición capítulo 7. Una en el pH del líquido mezcla se medirá diariamente descrito de equilibrio estable. El e de estado procedimientos permite que aumente hasta un nivel operacional predetery los de SSVLM se tración calculado según las ecuaciones del capítulo 10; a continuación, se minado y los sólidos. La purga continua puede lograrse haciéndolo

purga de iniciarála desde la cámara de aireación gracias al empleo de bombas de directamente peristálticas de laboratorio o utilizando extracción en vacío. La diagramao debe purgarse depende del volumen del reactor y del valor Oc. que cantidad volumen del reactor es de 1,5 litros y Oces 10 días, se purpor ejemplo:si el 150 ml del líquido mezcla. Para la purga de sólidos se quita garándiariamente la de sedimentación,se cierra salida del efluente, se aumenta el deflector el para conseguir un mezclado completo y se extrae parte del lícaudalde aire volumen del líquido extraído se sustituye por agua del grifo, guido mezcla.El de sedimentacióndel fango son malas y el arrastre Si las características impo(tante, la masa de sólidos que se pierde en el efluente de sólidosfuese en cualesquiera de los sistemas de purga antes citados, a cuenta se tendrá en que el control que se ejerce es el adecuado. El arrastre de fin de asegurarse resultado indefectiblemente menores tasas de purga una sólidos dará como

el equilibrio. vez alcanzado una vez alcanzado el equilibrio estable: Cuando se alcancen las 4. procedimiento estable se fijará una programación de muestreo y análisis. condicionesde equilibrio programación de este tipo.

se ofrece una En la tabla 16.3

Programación de aná/isispara efectuar un estudio sobrefangosactivados• Tabla 16.3

Análisis

Frecuencia

DBO, mg/l (filtrado y sin filtrar) DQO, mg/l (filtrado y sin filtrar) COT (si se desea), mg/l

3/semana 3/semana 3/semana

Sólidos suspendidos, mg/l

Diaria 3/semana Diaria 3/semana 1 /semana 1 [semana 3/semana 1 /semana

(filtradoy sin filtrar)

Sólidos suspendidos volátiles, mg /I pH Color, turbidez Nitrógeno y fósforo Examen microscópico

Iones o compuestos específicos

Características de la sedimentación

Agua residua/ cruda

Líquido mezcla Efluente

x

x

x x

x

x

x x

x

x x

x

x x x

x x x

x

• Adaptadode Eckenfelder.

La tabla anterior se explica casi por sí sola; no obstante, se aclararán seguidamente algunos de los parámetros:

Y DEPURACIÓNDE

762

ÁGUAS

COT, Convendrá efectuar estas a) ORO, t'QO, determinacionM si el residuo contuviese una y importante

Y fósforo: aparecieseen el

finalidad de estos ensayos es

determinar si

forma alguna de nitrógeno o

de alimentación, fósforo,se nutrientes suplementarios al agua tales como de nutrientes añadida cantidad sódico. cloruro fosfato y no

que un exceso de excederáde nutrientes podría de tipo El microorganismos microscópico: e) Examen presentes en mayornú en el líquido mezclado da una indicación de la «salud» del fango. La indicador será filamentosas de un bacterias fango voluminoso r de 0 n suspendidas. La bacterias presencia del las consumir de un eleva efluententi y reptantes ciliados activos de fijos, milímetro) suele indicar por un fango Y Ciliados nadadores sugiereque el fango no se encuentra en una condiciónóptima. libres' puedan identificar las diferentes especiesLa clave que los no especialistas de d) Característicasde la sedimentación: Es importante disponer de dida de las características de sedimentación del fango, lo que se alguna logra tivamenteobservandocómo se sedimenta en el depósito en condiciones centes o, en su lugar, realizando un ensayo más cuantitativo, comoel en el capítulo 8 y en el apartado «Requisitos del fango de retorno»delcas La programación del análisis y muestreo se continuará, por lo menos, o hasta que se obtenga sidades teóricas calculadas, ya

rante dos semanas

un resultado coherente.

5. Análisis de los datos: a) Determínense los porcentajes de eliminación basándose en compuestos o iones específicos,turbidez, color, COT, DQO y DBO del afluentey efluente. b) Represéntense en un gráfico las eliminaciones porcentuales con relación a Ocy la temperaturay el tipo de alimentaciónsi se varía.

c) Correlacionar la eliminación porcentual y Occon las características delfango (población de microorganismos, características de sedimentación). La información anterior es válida para calcular si el agua residualestratable mediante el proceso de fangos activado y permitirá, además,la determinación del Ocóptimo para lograr que la eficienciaen el tratamiento y las característicasde sedimentación del fango sean lo mejoresposible.

Determinación de los coeficientes cinéticos. Se recordará que en el capítulo 10 se dijo, al hablar sobre los sistemas de mezcla completacon

recirculaciónde sólidos, que para los valores de un caudal Q, concentración del substrato influente So, y los coeficientes cinéticosk, Yykd se obtienen unos valores únicos de la eficienciaE, concentracióndelsubstrato efluenteS, y masa total microbiana presente en el sistemaVXpara

ESTUDIO AGUA

de Oc. Como es cada valor

de concentraciones en una gama del substrato distintosoc (cinco, como mínimo) efluente, su de 1 a 10 días. Utilizando los datos se operación -valores recogidos seleccionarán medios los durante de Q, so, minarán un S, X y en perf706dl La se aplicación de la

kXs

Q(so S.s.... S)

Pfiidiendo por X da:

06.11

ks con los valores obtenidos, dibújese

(16.21

01X con (véase figura 10.10). mínensek y Los valoresde Yrelacióna S Y dibujando(MXIMt)1Xcon respecto a y ka (zlF/at)lX. La pendiente recta que pasa por los puntos dibujados de la línea experimentalese igual a Y, y la correspondientes a los latos intercepción con el eje de ordenadas es

Análisis en el quimiostato. Para la cinéticos, se utiliza un quimiostato, comodeterminaciónde los coeficientes el representado en la figura16.5. En él, las tasas de crecimiento se determinan del efluente. Por lo general, se emplean parapor medidasde la turbidez determinaciones con cultivos puros.

16.42. Tratamiento anaerobio Convendrá llevar a cabo ensayos experimentales para conocerla tratabilidad de un agua residual por vía anaerobia cuandoestetipo de tratamiento parezca realizable, a la vista de los resultadosde caracterización

del agua residual, pero la experiencia práctica en la aplicacióndel método a un residuo particular sea limitada. A tal fin, se empleanindistintamente

reactores de flujo continuo o discontinuo.Para valorarla tratabilidad, el sistema discontinuo resulta más convenientesiendo,además,su funcionamiento menos complicado. La figura 16.6 presenta un esquema de un reactor discontinuo. El procedimiento se describeen el ejemplo16.2,

764

nATAMtENTO Y DEPURACtÓNDE

AGUAS REstbUAtFs

Depósito de medio estéril

Válvula de control del caudal

Entrada de aire

la aireación para forzada

Y agitación

Abertura para inoculación y salida de aire

Cámara de

Rebose por sifón

crecimiento

Fig. 16.5. Diagrama simplificado de un quimiostato13 16.2 Estudio sobre tratabilidad por vía anaerobia EJEMPLO Descríbanse las fases que intervienen en el desarrollo de un estudio sobre tratabilidad por vía anaerobia utilizando un sistema discontinuo (batch). Solución

1, Selecciónde las condicionesoperatorias. Las instalacionesdel sistemason básicamente reactores de mezcla completa sin recirculación; por tanto, Oces igualqueel tiempo de detención hidráulica 0. El control de 0 se mantiene, eliminandocada día un volumen constante del reactor. Se harán funcionar, por lo menos,tresreactores a Ocdurante 15-30 días. La tasa de alimentaciónse verá limitada por la cantidad de gas quese pueda medir en el tubo de recogida (se recomienda el uso de tubos de 2 1, si bienlos de 1 J serán suficientes). Si se utilizasen los primeros, la tasa de alimentación se determinará suponiendo que el gas producido tiene una proporcióndel 60 de metano, de forma que se producirán 1,2 1 de metano al día. En condiciones normales, esto corresponde a 3,43 g de DBOL por día. El residuo se diluirá a una concentración que permita que el volumen que entre sea igual al volumen que se extrae diariamente. La temperatura se mantendráa 350

durantc toda la prueba.

TRATABILIDAD DEI, AGUA RESIDUAL

765

ESTUDIO

Tubo de alimentación

rubo de

Tubo para transferir

extracción

el gas

Tubo de recogida de gas

Fa'ñgó en

dige,új Botella equilibrante

Unidad de tratamiento montada sobre mezclador magnético

Líquido de retención (solución saturada de cloruro de sodio conteniendo 5% de S04H2 y anaranjado de metilo o rojo sudán para comunicar color)

16.6. Reactor de laboratorio

utilizado para estudios de tratamientos anaerobios

marcha: 2. Procedimientode puesta en a) (Obténgasefango en curso de digestión de una planta municipalcuyo funcionamiento sea satisfactorio, tomando las debidas precauciones para reducir al máximo su exposición al aire. b) Páseseel fango a través de una criba gruesa para quitar las partículas grandes y diluir a 1 : 1 con agua de grifo caliente. c) Añádase el fango a la unidad de digestión y ciérrese la parte superior. Espérese un día para que las bacterias facultativas consuman el oxígeno atrapado dentro del digestor. d) Elévesela botella aspiradora para aplicar una persión positiva sobre el sistema y retíresela cantidad adecuada de líquido mezcla en función del Ocelegido, e) Expélaseel gas del digestor de manera que la superficielíquida del tubo medidor esté en el cero cuando se halle nivelada con la del depósito. f) Bájesela botella aspiradora a fin de aplicar una presión negativa sobre el aparato y añádase residuo, teniendo cuidado de que no entre aire en el digestor, g) Agítesebien el digestor y colóquesela botella del aspirador de modo que se aplique al sistema una ligera presión positiva,

Y DEPURACIÓNDE LAS AGUAS RESIDUALEs

766

fr0Ñdimiento operatorio diario:

la producciónde gas con la botella aspiradora y el tubo

c)

b) Elévese la botella aspiradora. medidor bien los digestores y púrguese la cantidad e) DAgftense indicada d) Expélase gas hxsta nivel cero, nivelando como anteriormentedel líquido se indicó ' Ybájese e) Añádase el residuo y elévese la botella aspiradora. El ré zara, aproximadamente, tras una semana de funcionami gimen estable ento y puede se alcanconseguido cuando la producción diaria de gas permanezca constante.suponerse 4. Toma y análisis de las muestras: La tabla 16.4 presenta una programación lisis y muestreo,a modo de sugerencia.McCarty8aporta una de r gimen estable seexcelentediscusión mantendrá cuatro

rabia 16.4. Program¿ciónde análisis para e/ estudio de un Análisis

DOO DBO Acidos volátiles pH Alcalinidad Nitrógeno amoniacal Análisis de gases (96 CH4, % C02)

Frecuencia 3/semana 3/semana 3/semana Diario Diario 1 /semana 3/semana

Agua residual cruda

tratamiento anaerobio Líquido mezcla

x x

Efluente centri-

fugado

x x

x x

x

5. Análisis de los datos: a) Determínenselas eficienciasde eliminación para cada Ocen base a las Y DQO.

b) Determínesela producciónmedia diaria de gas para cada

x

DBO.

instalación.

c) Determínese la producción de gas y la producción de metano en metros cúbicos por kilogramo

de DBOL añadido para cada Oc. d) Determíneseel porcentaje de DQO estabilizado en base a la producciónde CH4(395ml de 1 g DQO estabilizado a 35 0C). e) Represéntensegráficamentelas eliminaciones de la DBO y DQO, los ácidos volátiles,el pH, la alcalinidad y la producción de gas con respectoal tiempo por cada instalación.

16,4.3. Adsorción con carbón

Dentro de Jos procesos avanzados del tratamiento, la adsorcióncon carbón activo, granular o en polvo, está hallando una gran aplicaciónen la eliminaciónde la materia orgánica soluble presente en bajas concen-

SOBRE TRATADILIDAD DEL AGUA RESIDUAL

767

aplicación industrial también aumenta; así, paralelamente, su se viene utilizando como un medio para petróleo de refinerías Úgcioncs. concentraciones bajas de fenol y de moléculas orgánicas de las efectos tóxicos sobre las aguas receptoras, puedan tener ensayo para valores de viabilidad técnica y econóde programa con carbón activo granular se compondrá de dos tratamiento del se efectuarán ensayos isotérmicos discontinuos filica en la primera, partes: ara determinar si se puede lograr el grado de tratamiento deseado, realizarán ensayos en columna de flujo continuo a fin se continuaciÓn,capacidades operatorias así como obtener los datos para las establecer de columna. Los procedimientos implícitos en este programa la de el diseño en los ejemplos 16.3 y 16.4. describen se

Desarrollo de una isoterma de adsorción líquida EJEMPLO16.3.

de realización de un estudio para desarrollar la isoterma de Descríbanselas fases para la eliminación de un contaminante dado (DBO, COT, Freundlich adsorciónde polvo. en con carbón activo coloro fenol) Solución

de los datos para dibujar la forma lineal de la isotermade Freundlich 1. ObtenciÓn (véase capítulo 9).

Los datos para dibujar isotermas se consiguen tratando volúmenes fijos de agua

residualcon una serie de dosis de carbón conocidas.En los ensayospreliminares

se usan dosis de 0, 5, 10, 20 y 50 mg/l. Más adelante se pueden efectuar otras

dosispara obtener una gama más completa de puntos experimentales.Se recomiendaque el carbón esté pulverizado, de forma que el 95 % atravieseuna criba

de malla 325, lo que reducirá al mínimo el efecto de la variación del tamaño de las partículasen la tasa de adsorción. A continuaciónse agita la mezcla carbón-agua residualdurante un tiempo establecido (se recomiendauna hora como mínimo)a

temperaturaconstante. El carbón se elimina por filtración y se determina la concentraciónresidual de la impureza en el filtrado. A partir de las anteriores medidas, puedencalcularsetodos los valores necesariospara dibujar una isoterma. 2. Análisisde los datos: La tabla 16.5 presenta la tabulación de datos en un ensayo isotérmicode eliminacióndel color, mostrándose la isoterma resultanteen la figura 16.7.

15 Tabla 16.5. Tratamientode los datos de una isoterma Peso de/ carbón, en g/100 m/ de

Color residual

solución

de /a solución

0,05 0,1

0,3 1,0

7,70 3,67 2,20 0,87 0,25

x Color adsorbido 4,03 5,50 6,83 7,45

Color adsorbido por peso unitario 80,6 55,0 22,8 7,5

Y DEPURACIÓN TRATAMiENTO DE tAS A GUAS F.s

,000

n00

10

0,01

1

Color residual en solución, C Fig. 16.7. Isoterma de decoloración típica 15

{10,0

c

La capacidadde adsorción del carbón en una aplicación en columna puede estimarse trazando una línea vertical desde el punto diente a la concentracióninicial, Co, en la escala horizontalcorrespon_ y extrapo_ lando la isoterma de forma que intersecte esta línea. El valor XIM

punto de intersección se lee en la escala vertical. Este valor en el (X/M)C senta la cantidad de contaminante adsorbido

por peso unitario cuando éste está en equilibrio con la concentracióninicial de carbón del contaminante, condición que deberá prevalecer en la parte superior de carbón durante el tratamiento en columna, representandodel lecho la capacidad final del carbón para un residuo dado. A partirpor tanto del valor (X/M)Co,se obtiene la capacidad final en función del volumen de residuos tratados por gramo de carbón dividiendo (X/M)Copor la cantidad de impureza adsorbida por unidad de volumen. Antes de proyectarse un sistema piloto o a escala real, se necesitará más información. Así, para determinar las dimensionesy el númeronecesarío de columnas para un tratamiento continuo, deberán establecerse el caudal óptimo y la profundidad del lecho así como la capacidadoperatoria del carbón. Estos parámetros sólo pueden determinarsemediante ensayos dinámicos en columna. 16.4, Estudio de adsorción en una columna de carbón activo EJEMPLO Solución

a J. Selecciónde las condicionesoperatorias: Las columnas de carbón granulado de escala real suelen tener profundidades de lecho de 3 a IO metrosy diámetros a valores 0,3 a 3 metros, Los diámetros pueden fijarse a escala en el laboratorio

DEL AGUA RESIDUAL SOBRE TRATABILIDAD

769

el caudal. Sin embatgo, los datos Obte reduciéndoseparalelamente de 0,3 a 0,6 metros no son extrapolablespara lecho de profundidad

toaren de

*dinlientos

metros de tubería

plástica, metálica o de Pyrex, funcionando en serie.

operatorios:

por medio de una bomba de desplazamiento accederáa las colutfinas velocidad predeterminada. Una velocidad inicial aceptable es El residuo una a a) positivo de la sección transversal de la columna. Las velos nf/min•m2 del área 0,02 de aumentarán gradualmente hasta que la calidad del efluente deje de se cidades aceptable. set muestrasdel efluente se extraerán de cada abertura a intervalosde una Las específicosde volumen de caudal y se determinarála conb) hora o a intervalos contaminante. Asimismo, se determinarán las concentraciones Ñntracióndel y, si conviniese, se igualarán. alimentación de los datos: Análisisde 3. una curva de interferencia que muestre la concentraciónde la imprepbra Se c) función del caudal para cada profundidad de lecho y purezadel efluente en vez seleccionado el grado necesario de tratamiento, se caudal utilizado. Una de efluente volúmenes los aceptable recogidos a distintas podrán determinar 2.

profundidades de lecho.

carbón resultante de cada condición de profundidad de lecho y b) La dosis de peso de carbón en cada columna. caudal,se calcula a partir del de utilizar lechos más profundos preparando un esc) Investíguenselas ventajas quemadel caudal aceptable en relación con la profundidad del lecho para cada caudal.Extrapolandola parte recta de la curva a una mayor profundidadse tendrá-lainformación necesaria para calcular la dosis de carbón a una profundidadde lecho dada. d) Efectúenselos cálculos de diseño para distintas configuracionesdel elemento adsorbente.El sistema óptimo deberá dar un tratamiento adecuado al costo total más bajo, considerando los costes de capital, carbón y regeneración.

16.4.4. Flotación con aire disuelto

La flotación con aire disuelto encuentra cada vez mayor aplicación en las depuradoras municipales para espesar el fango activado sobrante procedentede los tanques de aireación así como los fangos químicos floculados;también se utiliza en instalaciones industriales para separar del agua residual grasas, aceites, fibras y otros contaminantes de baja densidad.Este proceso puede utilizarse sólo o en combinación con la floculación.En la práctica, vienen utilizándose tres tipos de funcionamiento:flujo total, flujo fraccionado y flujo de recirculación. Los aspectos teóricos del diseño de los distintos sistemas de flotación se discutenen el capítulo 8. Si se desea obtener una idea razonablemente buenade Io que se logra en el labóratorio mediante la flotación con aire

Y DEPURACIÓN DE

770

AGUAS R

disuelto, debers Usarte el aparato teptesentado

EstbtJAt.Es

se realizan en una gama de condiciones que simulan de operación,incluyendoel ajuste de la proporción icos. El en el ejemplo 16.5. se procedimiento de Válvula

Medidor

de presión

reductora

de presión Entrada de

aire a alta presión

Manguera

Cilindro graduado

de goma

de 1000 rnl

Cámara de presión

Llave

Soporte

111

Agua residual

Fango concentrado

Tubo para pro. porcionar peso

a la man guera

Fig. 16.8. Esquema de un aparato para realizar ensayos de flotación conaire EJEMPLO16.5, Estudio de flotación con aire disuelto

Descríbanse los procedimientos empleados en la realización de un estudiosobre

flotación con aire disuelto. Solución

1, Procedimientooperatorio: a) Llénese la cámara de presión tres cuartas partes con agua residualy aplíquese

aire comprimido a la misma hasta alcanzar la presión deseada(de2 a 3,5kg/cm2),

b) Manteniendo la presión en la cámara, agítese la mezclaaire-líquido durante un minuto y déjese que repose tres minutos hasta que se sature, hac) Límpiese el sistema de conducción del aire y del agua residualsinpresión

ciendo pasar fluido hasta que aparezca lechoso.

10 SOBRE

RESIDUAL TRATABILIDAD DEL AGUA

771

determinado de agua residual o fango en el cilindro volumen umen del líquido a presión al cilindro. Si el proceso un volfraccionado o con recirculación, el volumen liberado de flujo de caudal deseada. La relación de recirculación relación por la 'do liberado dividido por el volumen de la muestra. indicado es la de flujo total, se liberará un mfnimo de liberación deberá ser tal que el mezclado sea el adede velocidad ao en la mezcla de

d)

suspendidos alimentación. rompan los sólidos flotación (10 a 20 minutos) extráiganse se 500 completado la haya cÜBd0, s,cí que se efluente limpio Y Unaradatnenteel

y

g)

trólitos, añádase el polímero liberar agua residual a presión. mézclesebien antes de

datos: de los snólisis aire-sólidos, según 10 explicado en el capítulo 8, a partir relación la 2. u 8.25. ecuaciones 8.24 la relacióñ entre sólidos suspendidos en el efluente gráficamente de las

b) y

estudiarse la clarificación. Si 10 que se aire-sólidossi tuviese que un gráfico de sólidos en

flotación con se es el espesamiento, la relación aff respectoa estos gráficos y se utiliza en los cálculos de diseño preliminares. a partir de

Y DISEÑO DE INSTALACIONES SELECCION 16.5. DE TRATAMIENTO

ya las alternativas que, en base a los resultados de ensayo Desechadas practicables, se realizará una comparaen laboratorio, no eran obtenidos antes de elegir entre las posibilidades restantes. Mediante ciónde costes de funcionamiento — deducidos de los estudios elusode los parámetros — y de factores de extrapolación adecuados, efectuadosen laboratorio cálculos preliminares de diseño para las instalaciosellevarána cabo los los cálculos de costes se realizan basándose nesa escalareal. A su vez, de las principales modificaciones de un en los diseñosprevios. El coste procesoen las plantas industriales, anteriormente citadas, deberá igualmentetenerse presente. En ciertas aplicaciones es interesante construir

instalacionesde planta piloto que proporcionen unas condiciones de más parecidas a las que se encontrarán a escala real. Lo indisimulación

cadoes absolutamente necesario en los casos en que sea escasa la experienciaque se posea sobre la aplicación de un proceso al tratamiento de un tipo particular de agua residual. Así pues, el proyecto final se basará en los parámetroshallados a partir de los estudios efectuados en planta piloto.

772

Y DEPURACIÓN TRATAMIENTO DE tas

AGUAS

PROBLEMAS • 16.1. Dados los siguientes datos correspondientes a de fangos activados de flujo continuo operadas cuatro unidades de una industria alitpentaria, determfnense ka e Y. supóngase que el Unidad 1 SSVLM media en g Crecimiento medio de fango en g/dfa DBO media aplicada/día SSVLM

Unidad 2

18,81 0,88 0,17

unidad 3

7,35 1,19 0,41

7,65 1,42

U nidad4

2,89

0,40 1,09

16.2. Dados los siguientes datos correspondientes a cinco unidades fangos que funcionan en régimen de equilibrio estable, experimentales determínense de los

Unidad S

(dF/dt)/X

núm.

mg/litro

día—l

1

7

4,6

2

13

3 4 5

18 30 41

0,55 1,15 1,56 1,91

4,0 4,0

0 en horas mg/litro

1,94

mg/litro

300 300 300 300 300

2.700 1.500 1.090 850 800

dX/dt g/día 0,91

1,18 1,17

1,10

litros 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5

16.3. Dados los siguientes resultados correspondientes a un discontinuo adsorción con carbón efectuado para la eliminaciónde ensayo de olores,dibújese la isoterma de adsorción de Freundlich y calcúlesela capacidadde adsorción final (olor eliminado por gramo de carbón) del carbón en una aplicación en columna. Peso de carbón, en g

Olor residual 20 13

1,7

4

10

6

7

4

10

3

16.4. Revísese la bibliografía existente y recomiéndense los factoresde extrapolación ádóneos para la aplicación de datos de ensayos efectuadosen laboratoriosobre aireación, filtración en vacío, flotación y sedimentación a un proyectoa escala real,

soBRE TRÅTABILIDADDEL AGtJÅRESIDUAL

I

773

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