MEMORIA DE CÁLCULOPLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

MEMORIA DE CÁLCULO

INDICE

1. BASES DE DISEÑO...................................................................................................11.1 Población.............................................................................................................11.2 Cantidad de Aguas Residuales Crudas.................................................................11.3 Calidad del Agua Residual Cruda.........................................................................21.4 Resumen de las Bases de Diseño.........................................................................21.5 Normas de diseño................................................................................................32. CÁLCULOS DE PROCESOS DE TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES..............32.1 Cálculo de procesos de tratamiento.....................................................................32.1.1 Borde Libre.......................................................................................................32.1.2 Reja..................................................................................................................42.1.3 Desarenador.....................................................................................................62.1.4 Medidor de caudal............................................................................................72.1.5 Lagunas facultativas.........................................................................................82.1.6 Lagunas de maduración.................................................................................102.1.7 Cálculo hidráulico de conductos – sistema de distribución y recolección de la PTAR .......................................................................................................................10

ME

MORIA DE CALCULOS 2

MEMORIA DE CÁLCULOPLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

1. BASES DE DISEÑO

Las bases de diseño correspondiente al presente proyecto son los especificados en el estudio definitivo de alcantarillado.

1.1 Población

La población total estimada de la ciudad de Rioja al año 2010 es de 19,663 habitantes y se calcula que al año 2030, correspondiente al horizonte del proyecto, ascenderá a 26,925, habitantes de los cuales se considera que serán atendidos 26,655 personas, es decir el 99.0% del total de la población. La población total, nivel de cobertura y población servida para diferentes períodos del proyecto de la ciudad de Rioja se presenta en el cuadro 1.

Cuadro 1.- Población Total, Cobertura y Población Servida

AñoPoblación

Total (Hab)Cobertura

(%)

Población Servida (Hab)

0 2010 19,663 44.7% 8,7931 2011 19,974 97.0% 19,3755 2015 21,270 97.0% 20,63210 2020 23,009 98.0% 22,54915 2025 24,890 99.0% 24,64120 2030 26,925 99.0% 26,655

Fuente: Elaboración propia

1.2 Cantidad de Aguas Residuales Crudas

La cantidad de aguas residuales municipales a ser drenado por el sistema de alcantarillado y tratada por la planta de tratamiento de aguas residuales y especificados en el estudio de factibilidad se indica en el cuadro 2.

Cuadro 2.- Caudales a ser Drenados a la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales

AñoPoblaciónServida

Caudal Promedio Caudal Máximo

Hab m3/d L/s m3/d L/s0 2010 8,793 5,324 61.6 9,583 110.91 2011 19,375 4,674 54.1 8,413 97.45 2015 20,632 4,464 51.7 8,036 93.010 2020 22,549 4,538 52.5 8,168 94.515 2025 24,641 4,628 53.6 8,331 96.420 2030 26,655 5,019 58.1 9,034 104.6

Fuente: Elaboración propia

1.3 Calidad del Agua Residual Cruda

MEMORIA DE CALCULO

El proyecto se ha desarrollado a partir de la contribución per cápita establecido en la Norma Técnica OS.090 –Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales- del Reglamento Nacional de Construcciones, en razón que la literatura especializada, reporta valores similares y que corresponden a condiciones normales de contribución, lo cual garantizará el adecuado funcionamiento de las obras proyectadas. Estos valores son:

DBO 5 días, 20°C, g/hab-día 50Sólidos en suspensión g/hab-día 90Nitrógeno kjedhal total g/hab-día 12Coliformes fecales N° de bacterias/hab-día 2.0E+11

Teniendo en cuenta que la planta de tratamiento de aguas residuales tratará al año 2030 un caudal promedio de 58.1 L/s y que corresponde a una población servida equivalente de 26,655 personas, se obtiene a partir del balance de masa los siguientes valores unitarios para las aguas residuales crudas:

DBO 5 días, 20°C, (mg/L) 266Sólidos en suspensión (mg/L) 478Nitrógeno kjedhal total (mg/L) 64Coliformes fecales (NMP/100 mL) 1.1E+07

De esta manera, la calidad de las aguas residuales municipales a ser drenado por el sistema de alcantarillado y a ser tratado por la planta de tratamiento de aguas residuales se indica en el cuadro 3.

Cuadro 3.- Contribución Orgánica de las Aguas Residuales

AñoPoblación Servida

Caudal Carga Orgánica (DBO)

Hab m3/d L/s g/hab-d kg/d mg/l0 2010 8,793 5,324 61.6 45.0 396 741 2011 19,375 4,674 54.1 45.0 872 1875 2015 20,632 4,464 51.7 46.2 953 21410 2020 22,549 4,538 52.5 47.4 1,070 23615 2025 24,641 4,628 53.6 48.7 1,200 25920 2030 26,655 5,019 58.1 50.0 1,333 266

Fuente: Elaboración propia

1.4 Resumen de las Bases de Diseño

En el cuadro 4 se presenta el resumen general de las bases de diseño para el diseño de las estructuras hidráulicas y de los procesos para el tratamiento de aguas residuales municipales de la ciudad de Rioja.

Cuadro 4.- Resumen Bases de Diseño

Parámetro 2011 2020 2030Población total (hab) 19,974 23,009 26,925Población servida (hab) 19,375 22,549 26,655

MEMORIA DE CALCULO

Caudal promedio m3/díaL/s

Caudal máximom3/díaL/s

4,67454.1

8,41397.4

4,53852,5

8,16894.5

5,01958,1

9,034104.6

Caudales de diseño (L/s) Estructuras hidráulicas * Procesos de tratamiento

11560

11560

11560

Cargas orgánicas (kg/día) 872 1,070 1,333Concentración del desecho (mg/l) Demanda bioquímica de oxígeno Coliformes fecales (NMP/100 ml)

1879.8E+07

2361.0E+08

2661.1E+08

* El valor mayor corresponde al caudal de bombeo a la PTAR Fuente: Elaboración propia

1.5 Normas de diseño

En el diseño y cálculo de cada uno de los procesos de tratamiento de aguas residuales para la ciudad de Rioja, se ha respetado las Normas Técnicas del Reglamento Nacional de Edificaciones – RNE, en especial la Norma OS.090 – Plantas de tratamiento de aguas residuales, publicado en junio del año 2006.

Complementariamente, se ha tenido en cuenta el documento titulado Design of Municipal Wastewater Treatment Plants – WEF (Water Environmental Federation) Manual of Practice Nº 8 – Fourth Edition; ASCE (American Society of Civil Engineering) Manual and Reports on Engineering Practice Nº 76. Este último tiene categoría de guía oficial de diseño en los Estados Unidos de Norteamérica y de muchos países latinoamericanos.

2. CÁLCULOS DE PROCESOS DE TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES

2.1 Cálculo de procesos de tratamiento

2.1.1 Borde Libre

El borde libre, es la medida de seguridad de las lagunas en general contra cualquier efecto de rebalse de las aguas depositadas en ella, por efecto del oleaje producido por acción del viento y/o sismo. En el caso de la acción del viento se ha aplicado la ecuación modificada de Stevenson que considera que la altura de las olas es una función de la velocidad del viento y de la longitud máxima de la flecha de agua. En el caso de sismo, se ha tenido en cuenta lo establecido por el Reglamento Nacional de Edificaciones NTE E.030 que considera al Departamento de San Martín como Zona 2, con un coeficiente sísmico de 0.3 g. De este modo, el borde libre por la acción combinada de la acción del viento y el sismo ha sido definido como una vez y medio el valor calculado, como una medida de seguridad.

CÁLCULO DEL NIVELES DE OLAS Y RIZOS DE AGUA

 Características  Unid MínimoPromedio Máximo

VIENTOVelocidad de viento m/s 5 10 20Máx distancia entre orillas m 160 160 160Altura de ola m 0.05 0.11 0.23SISMO

Coeficiente sísmico (K) g 0.3 0.3 0.3Período predominante (t) s 0.9 0.9 0.9

MEMORIA DE CALCULO

Profundidad m 1.7 1.7 1.7Altura de ola m 0.18 0.18 0.18Altura total m 0.23 0.28 0.40Coeficiente de seguridad m      

Borde libre calculado m 1.5 1.5 1.5Borde libre adoptado m 0.34 0.42 0.60

0.60 0.60 0.60

2.1.2 Reja

El agua residual cruda fluirá por un canal de 0.45 m de ancho hacia la cámara de rejas que tendrá un ancho de 0.55 m en el que se ubicará una reja de limpieza manual de 25 mm de abertura e inclinada 45º con respecto a la horizontal, compuestas de perfiles de acero inoxidable de 32 mm x 6 mm. El “by pass” se inicia antes de la reja, finalizando aguas abajo del mismo y tiene un ancho de 0.45 m. La altura de desborde es de 0.40 m por encima del fondo del canal. La altura total de la reja es de 0.85 m y la cantidad de material retenido fluctuará entre 130 a 215 L/día y equivalente a 105 – 170 kilogramos por día.

DATOS DE DISENO   MÁXIMO PROMEDIOCaudal l/s 115       60      Ancho canal al inicio de reja m 0.45       0.45      Ancho canal despues de reja m 0.45       0.45      Número de canales N° 1       1      Pendiente canal m/1000 2.50       2.50      Espesor de barras mm 6       6      Separación entre barras mm 25       25      Factor de forma   2.42       2.42      Inclinación de reja (horiz)   45       45      RESULTADOS                  Ancho efectivo de cámara de reja m 0.55       0.55      Espesor de marco de reja m 0.000       0.00      Ancho de cámara de reja m 0.55       0.55      Número de barras N° 18       16      Altura critica en conducto de llegada a reja m 0.165       0.107      Tirante CANAL en cámara de rejas sin m 0.233       0.176      

MEMORIA DE CALCULO

hfVelocidad CANAL en cámara de rejas sin hf m/s 0.898       0.758      Tirante en CANAL después de cámara de reja m 0.285       0.147      Velocidad CANAL después de cámara de reja m/s 0.896       0.742      Caida a la salida de la reja cm 5.2       0.03      Condiciones en CAMARA DE REJAS LIMPIA                  Pérdida de carga real mm 15       10      Tirante aguas a nivel de reja m 0.248       0.157      Velocidad en canal de rejas aguas arriba m/s 0.84       0.69      Velocidad entre barras m/s 1.05       0.87      Residuos retenidos (promedio) l/d 129       129      Residuos retenidos (máximo) l/d 214       214      Condiciones en CAMARA DE REJAS SUCIA                   Bloqueo de espaciamiento % 10 20 30 40 10 20 30 40

Pérdida de carga mm 30 53 87136 20 36 58 90

Tirante aguas arriba m 0.263 0.286 0.3200.369 0.167

0.183

0.205

0.237

Velocidad en canal de rejas aguas arriba m/s 0.794 0.731 0.654

0.567 0.651

0.597

0.533

0.460

Velocidad entre barras m/s 1.105 1.143 1.1691.182 0.906

0.935

0.953

0.961

Caída ADOPTADA al inicio de ensanche a rejas cm 10 10 10 10 10 10 10 10

CÁLCULO DE CAMARA DE REJAS

MEMORIA DE CALCULO

2.1.3 Desarenador

La alimentación al desarenador se ejecutará por medio de un canal de 0.45 m de ancho y cuatro por mil de pendiente hasta cada uno de los dos desarenadores del tipo parabólico. Las dimensiones útiles de cada desarenador son 0.92 m de ancho, 0.97 m de profundidad útil, 15.0 m de longitud, borde libre de 0.35 m. El retiro de la arena se ejecutará con ayuda de un cucharón, complementándose con el drenaje de fondo con el cual están equipados cada uno de los dos desarenadores.

La cantidad de arena a ser retirada diariamente estará comprendida entre 0.30 a 3.0 m3 y equivalente a 0.30 y 3.0 toneladas métricas respectivamente. Aguas arriba de cada desarenador se ha proyectado ataguías a fin aislar la unidad y proceder a su mantenimiento.

CALCULO DE DESARENADOR PARABÓLICO

MEMORIA DE CALCULO

Caudal máximo l/s 115.0Caudal promedio l/s 60.0Número de unidades N° 2Profundidad máxima m 0.96Relación ancho:prof   0.95Ancho máximo m 0.91Caudal máximo) l/s 115.0Peso específico   2.65Diámetro (cm) max 0.04 cm 0.015Profundidad canal arena m 0.30Tiempo entre limpiezas ) días 2Temperatura °C 25CALCULOUnidades operativas Nº 1Área (m2) m2 0,58Viscosidad (cm2/s) cm2/s 0,01Vel sedim bruta (cm/s) cm/s 2,25Vel sedim neta (cm/s) cm/s 1,41Tasa (m3/m2-d) m3/m2-d 1214,60Veloc arrastre (cm/s) cm/s 19,71Largo Q promedio (m) m 8.97Largo seleccionado m 10.00Largo de diseño (m) m 15.00Área unitaria real m2 9.12Volumen arenas-max (m3) m3 2.98Volumen arenas-min (m3) m3 0.30Volumen de almacenamiento m3 4.71Profundidad máxima (cm) cm 96.00Tiempo de sedimentación mínima seg 68.29Longitud vertedero x desarenado m 0.82Tasa (m3/m2-d) m3/m2-d 1089.475Área requerida (Metcalf & Eddy)    Tasa m2/1000m3-d 0,94Área requerida m2 9.37  m3/m2-d 1060,54

DIMENSIONES SECCIONES TRANSVERSAL

DISEÑO

Profundidad*m

Anchom

0.00 0.000.19 0.410.31 0.520.40 0.590.49 0.650.57 0.700.64 0.750.71 0.780.78 0.820.94 0.900.95 0.910.96 0.910.97 0.92

* Contado a partir de la base

DETALLES COMPLEMENTARIOS DE DESARENADOR

Ancho de canal de fondo 0.30Profundidad de canal de fondo inicio 0.20Profundidad de canal de fondo Salida 0.30Altura de vertedero 0.78 mAncho del vertedero 0.82 mLongitud total 15 mBorde libre 0.40 mCierre mediante ataguiasDren de fondo 160 mmCanal de alimentación 0.45 mCanal de salida 0.45 m

2.1.4 Medidor de caudal

Inmediatamente después de la cámara de rejas se ha considerado la instalación de un medidor de caudal del tipo régimen crítico modelo palmer bowlus de 0.45 m de ancho y 0.225 m de garganta. El la figura 1 se muestra la curva correspondiente al referido medidor palmer bowlus.

CURVA DE MEDIDOR DE CAUDALRIOJA

y = 0.40x1.50

R2 = 1.00

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

140.0

160.0

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0

CARGA DE AGUA (cm)

CA

UD

AL

(l/s

)

Ancho de canal = 045 mGarganta = 0.225 m

MEMORIA DE CALCULO

Figura 1.- Curva de caudal del medidor tipo vertedero rectangular

2.1.5 Lagunas facultativas

Se han proyectado tres lagunas de sección trapecial con dimensiones promedios de 160.0 m de largo, 80.0 m de ancho, 1.75 m de profundidad y 12,800 metros cuadrados de área superficial. La tasa de aplicación promedio es de 348 Kg DBO/ha-d y el período de retención inicial de 12.2 días. Se estima que la remoción de carga orgánica será del orden del 71% y de sólidos sedimentables del 70% siendo la probable DBO total remanente de 78 mg/L y la soluble de 46 mg/L. Para optimizar el área de las lagunas, se ha considerado un talud de 1:2 tanto exterior como interior y en primera etapa se construirán las tres lagunas proyectadas en razón que la proporción de caudales entre la primera y segunda etapa es del 90.4%.

Cada laguna facultativa contará con tres estructuras de salida de 1.8 m de ancho y dispondrá de pantalla para la retención de flotantes. El tubo de salida de cada estructura es de 250 mm DN, el mismo que descargará al sistema de recolección de las aguas residuales pre tratadas y que alimentará a las lagunas facultativas.

MEMORIA DE CALCULO

CÁLCULO DE LAGUNAS FACULTATIVAS Y DE MADURACIÓN

DATOS DE DISENO      Caudal m3/d 5022Caudal l/s 58.13Demanda bioquímica de oxígeno mg/l 266Demanda bioquímica de oxígeno kg/día 1336Carga per-capita g DBO/hab-d 50Temperatura ambiental mínima °C 22.0Temperatura invierno teórico (agua) °C 25.6Temperatura invierno de diseño (agua) °C 25.0Evaporación mm/día 5.0Infiltración mm/día 3.0Precipitación mm/día 5.0

 LAGUNAS  FACULTATIV MADURA 1

Número de lagunas N° 3 3Profundidad de laguna m 1.70 1.50Largo de laguna (espejo de agua) m 160.0 100.0Ancho de laguna (espejo de agua) m 80.0 80.0Pendiente de diques interno H/V 2.0 2.0CALCULOSLargo de laguna (fondo) m 153.2 94.0Ancho de laguna (fondo) m 73.2 74.0Relación largo/ancho   2.0 1.3Volumen unitario m3 20397 11208Volumen total m3 61192 33624Periodo de retención días 12.2 6.9Carga aplicada kg DBO/ha-día 348 159Carga máxima kg DBO/ha-día 537  Porcentaje de carga máxima % 65  Área superficial total ha 3.8 2.4Área superficial unitaria ha 1.3 0.8Caudal afluente m3/día 5022 4907Caudal efluente m3/día 4907 4835Población equivalente hab 26717  Dotación per-capita (l/hab/día) l/hab-d 188  REMOCION DE CARGA ORGANICA Y BACTERIANADBO soluble (mg/l) mg/l 46 19DBO total (mg/l) mg/l 78 37Remoción total % 71 86Tasa de decaimiento (1/día) (1.0 a 1.2) 1/día 1.20 1.20Dispersión   0.465 0.762K (mort)   1.683 1.683a   6.256 6.013Coliformes afluente (num/100 ml) NMP/100 ml 1.1E+08 1.8E+05Coliformes efluente (num/100 ml) NMP/100 ml 1.8E+05 3.3E+03

2.1.6 Lagunas de maduración

MEMORIA DE CALCULO

Se han proyectado tres lagunas de sección trapecial con dimensiones promedios de 100.0 m de largo, 80.0 m de ancho, 1.5 m de profundidad y 8,000 metros cuadrados de área superficial. La tasa de aplicación promedio es de 159 kg DBO/ha-d y el período de retención inicial de 6.9 días. Se estima que la remoción de carga orgánica total será del orden del 86% y de sólidos sedimentables del 90% siendo la probable DBO remanente de 12 mg/L, con una DBO total remanente de 37 mg/L y soluble de 29 mg/L, pero se estima que la DBO promedio será de 30 mg/L. En primera etapa se construirán las tres por motivo que la proporción entre primera etapa y segunda etapa es de solamente 90.2%.

Cada laguna de maduración contará con tres estructuras de salida de 1.80 m de largo y se ubicará a unos cinco metros del borde interior de la laguna y estará dotada de vertederos laterales con sus correspondientes pantallas para la retención de sólidos flotantes. El tubo de salida de cada estructura es de 250 mm DN, el mismo que descargará al sistema de recolección de las aguas residuales tratadas.

2.1.7 Cálculo hidráulico de conductos – sistema de distribución y recolección de la PTAR

En los siguientes cuadros se presentan los cálculos hidráulicos de los conductos para diferentes condiciones de funcionamiento.

Fórmula de Manningn = 0.014

Tramo

CONDICIONES DE FUNCIONAMIENTO

Diámetr(mm)

S(o/oo)

Caudaldiseño(L/s)

V(m/s)

Tirante(mm)

Tiran. Relat(Y/D)

RH

(m)P(Pa)

Tirantecrítico(mm)

NúmeroFroude

FUNCIONAMIENTO NORMAL

Caudal total 450 5.00 115.00

1.237 255 0.566 0.121 5.9 232 0.82

Primer tramo 450 5.00 76.67 1.118 200 0.445 0.104 5.1 186 0.83

Segundo tramo 350 5.00 38.33 0.939 154 0.439 0.080 3.9 140 0.80

Tercer tramo 250 5.00 12.78 0.711 98.3 0.393 0.053 2.6 87 0.77

MEMORIA DE CALCULO

UNA LAGUNA FUERA DE SERVICIO

Caudal total 450 5.00 115.00

1.237 255 0.566 0.121 5.9 232 0.82

Primero y segundo tramo

450 5.00 115.00

1.237 255 0.566 0.121 5.9 232 0.82

Tercer tramo 350 5.00 57.50 1.040 195 0.558 0.093 4.6 174 0.80Ingreso a cada laguna

250 5.00 19.17 0.791 124 0.494 0.062 3.0 108 0.77

MEMORIA DE CALCULO