Plataforma de ensayos para conducciones con agua residual urbana en la EDAR de A Coruña

Transcripción

1 IV Jornadas de Ingeniería del Agua La precipitación y los procesos erosivos Córdoba, 21 y 22 de Octubre 2015 Plataforma de ensayos para conducciones con agua residual urbana en la EDAR de A Coruña 1. Introducción J. Suárez, J. Anta, J. Puertas, J. Naves, M. A. Regueiro-Picallo Grupo de Ingeniería del Agua y del Medio Ambiente. Universidade da Coruña. Para estudiar el fenómeno del transporte de sedimentos en tuberías de saneamiento se pueden emplear datos de secciones de control reales de redes de saneamiento para caracterizar la granulometría, la composición y el caudal sólido (ver entre otros Schellart, 2007 o Seco, 2014) o analizar el flujo a escala de laboratorio (ver p.ej. las revisiones realizadas en CIRIA, 1996 y Banasiak y Tait, 2008). La principal ventaja de los ensayos en laboratorio es el control sobre las variables que intervienen en el proceso. Sin embargo, es habitual que estos ensayos no se realicen con agua residual real, empleando habitualmente sedimentos granulares o cohesivos, pero sin materia orgánica, biopéliculas o sólidos gruesos. Por este motivo, en los ensayos en modelo físico no se recrean totalmente las condiciones de funcionamiento a las que serán sometidas las conducciones una vez instaladas en las redes de saneamiento. Para suplir esta deficiencia es necesario recurrir a campañas de campo y a la medición en redes de saneamiento reales en donde las condiciones no son predecibles. En definitiva, desde el conocimiento de los autores, en los principales estudios sobre el transporte de sedimentos en conducciones de saneamiento no se cuenta con instalaciones que permitan ensayar agua residual urbana bajo condiciones controladas, en donde se puedan combinar las ventajas del laboratorio y del trabajo en campo. Con el objetivo de estudiar el transporte de sedimentos en tuberías sometidas a unas condiciones lo más reales posibles, se ha construido un banco de ensayos de 10 m de longitud en la EDAR de Bens de la ciudad de A Coruña ( habitantes equivalentes) que tiene la capacidad de utilizar tanto agua residual bruta previa al pretratamiento como agua residual posterior al mismo (previo al desarenador de la planta). Este tipo de instalación es de gran interés debido a su exclusividad y su gran potencial para el análisis del comportamiento de las conducciones de aguas residuales ante fenómenos como sedimentación, transporte de sólidos, capacidad de autolimpieza, agresiones químicas o formación de biopelícula en unas condiciones controladas.

2 La construcción del banco de ensayos se ha incluido en el proyecto Desarrollo de tuberías ovoides para la mejora de la eficiencia de las redes de alcantarillado OvalPipe, en el que ha colaborado el Grupo de Ingeniería del Agua y del Medio Ambiente de la Universidade da Coruña y en el que se ha pretendido desarrollar una nueva serie de conducciones con forma ovoide en material plástico competitiva frente a los conductos circulares de diámetros comprendidos entre los 300 y 400 mm. En los estudios iniciales en esta plataforma se ha comparado el transporte y acumulación de sedimentos en tuberías de sección circular y ovoide utilizando agua residual urbana (ver figura 1). Figura 1. Vistas generales del banco de ensayos construido en la EDAR de Bens. 2. Descripción de la instalación La instalación está situada en el edificio de pretratamiento de la EDAR y cuenta con una toma de agua bruta por gravedad (Q max = 70 L/s) desde el canal de entrada a las rejas de desbaste y tamizado (ver figura 2). Existe también la posibilidad de tomar agua tamizada a través de una bomba (Q max = 15 L/s). La conducción del agua residual hacia el depósito de cabecera cuenta con un caudalímetro electromagnético y de una válvula de tajadera que permite regular el caudal de entrada. El agua residual llega a una cámara de carga que actúa como disipador de energía. Dentro de la cámara de carga también existe la posibilidad de regular el caudal mediante una válvula de tajadera (vaciado del depósito) y un rebosadero móvil. El caudal excedente es desaguado hacía un canal de vaciados.

3 Figura 2. Esquema general de la plataforma de ensayos instalada en la EDAR de Bens (A Coruña). El agua entra en el banco de ensayos desde una embocadura en la cámara de carga. Esta plataforma admite la instalación de tubos de hasta 800 mm de diámetro y su adecuación para utilizarlo como canal, además de permitir regular la pendiente entre el 0 y el 2%. Aguas abajo existe una compuerta móvil que actúa de condición de contorno para regular el calado en las conducciones (ver figura 3). Finalmente el agua residual se descarga a un depósito de cola desde el cual, mediante una tubería lateral de diámetro 500 mm, es conducido a un canal de desagüe que dirige el flujo para su bombeo al depósito de toma de agua. Figura 3. Embocadura en la cámara de carga (izquierda) y compuerta móvil previa al depósito de cola (derecha).

4 3. Ensayos previos Sobre la plataforma se han realizado una serie de ensayos preliminares con dos tuberías al mismo tiempo. Las geometrías de las conducciones han sido las mismas que se han ensayado en un modelo físico de laboratorio descrito por Naves et al. (2015): una de sección circular DN 315 mm y otra de sección ovoide con área equivalente. En la figura 4 se muestran las tuberías situadas sobre la plataforma de ensayos y su embocadura aguas arriba. Al ensayar dos tuberías a la vez ha sido necesario realizar embocaduras aguas arriba y aguas abajo en ambas conducciones, así como apoyos cada metro para mantener constante el nivel respecto al canal. Además se han instalado dos vertederos triangulares en la embocadura del depósito de cabecera para medir y asegurar que el caudal se reparte de la misma manera. El nivel de agua sobre el labio de vertido se relaciona con el caudal entrante a partir de la siguiente fórmula: 8 Q Cw 2g tan h 15 2 donde Q es el caudal (m 3 /s), h es el nivel sobre el labio de vertido (m), es el ángulo del vértice del triángulo, g es la gravedad (9.81 m/s 2 ) y Cw es un coeficiente cuyo valor cambia en función del ángulo. En este caso para un ángulo 90º se ha considerado un coeficiente Cw 0.6, como resultado se ha obtenido una relación caudal-nivel 52 [1] 52 Q 1.4h. Figura 4. Conducciones con sección ovoide y circular sobre el banco de ensayos (izquierda) y vertederos triangulares situados en la embocadura de las tuberías (derecha).

5 Los ensayos iniciales que se han llevado a cabo en la plataforma han consistido en la medición y comparación de la acumulación de sedimentos en cada una de las conducciones para pendientes menores al 1% y grados de llenado por debajo del 50%. Para ello se ha establecido un caudal constante y una condición de contorno a través de la compuerta de la salida para garantizar condiciones normales del flujo. Los calados se han medido con sondas de nivel por ultrasonidos en cinco puntos equiespaciados sobre la lámina de agua en cada una de las tuberías. Para la medida del nivel sobre el labio de vertido también se ha instalado una sonda en el depósito de cabecera. Por otro lado la evolución del lecho de sedimentos se ha registrado a través de una técnica de medición con cámara y láser (ver figura 5). El nivel del lecho de sedimentos se ha obtenido al comparar la posición del plano láser transversal mediante el tratamiento de imágenes digitales, registradas antes y después del ensayo. Las imágenes obtenidas se vieron afectadas por la distorsión angular debido a la posición de la cámara, por lo que ha sido necesario procesarlas para convertir la escala de la cámara (en pixeles) a una escala real (en mm). Una vez corregidas las imágenes se han obtenido los puntos de máxima luminosidad sobre el lecho de sedimentos. El resultado ha sido las coordenadas del haz del láser sobre la sección transversal estudiada. Figura 5. Cámaras para el registro de la acumulación de sedimentos en cada una de las conducciones (izquierda) y plano trasversal del haz del láser sobre la tubería ovoide (derecha). Para poder capturar estas imágenes se ha retirado la parte superior en dos tramos centrales de cada una de las tuberías. A través de un móvil sobre raíles anclados a la plataforma se han podido realizar varios perfiles dentro de cada una de las aperturas para que la lectura del lecho fuese representativa de toda la tubería (ver figura 6).

6 Figura 6. Ventanas abiertas en las tuberías para la medida del lecho de sedimentos (izquierda) y móvil sobre raíles para la lectura de perfiles (derecha). En la figura 7 se muestran los primeros resultados obtenidos en la plataforma. Para ello se ha dejado trabajar en continuo la instalación un total de 3 días, tiempo suficiente para acumular una pequeña capa de sedimentos. Bajo las mismas condiciones de caudal y contorno aguas abajo, la tubería ovoide ha transportado una mayor cantidad de sedimento con respecto a la circular, donde el área de sedimento acumulado ha sido superior. Figura 7. Ensayo previo. Lecho de sedimentos sobre la tubería circular (izquierda) y ovoide (derecha).

7 4. Conclusiones y futuras líneas de investigación En este estudio se ha probado y comparado el funcionamiento de un prototipo de conducción de sección ovoide respecto a una tubería circular equivalente con agua residual urbana. Esto ha permitido analizar su comportamiento en condiciones similares a las que tendría una tubería en una red de saneamiento real. Por otro lado se ha calibrado y puesto en marcha una instalación singular que permita el desarrollo de distintas líneas de investigación que analicen en profundidad el fenómeno de transporte de sedimentos en redes de saneamiento con agua residual urbana. Estos estudios permitirán simular condiciones muy próximas a la realidad (variedad de tamaños de partículas, formación de biopelícula, desarrollo de cohesión entre las partículas, presencia de residuos de gran tamaño, etc.). Dentro del diseño de la instalación, la variedad de configuraciones y accesibilidad de las estructuras y depósitos permitirá un control muy preciso de las pendientes, de los caudales, de los calados, de la acumulación y arrastre de sedimentos, así como la colocación de la instrumentación necesaria para medir estas variables. Asimismo la capacidad de análisis de fenómenos y la posibilidad de medición de variables de interés que proporciona la plataforma permitirá la realización de diseños de conducciones mucho más eficientes y la formulación de ecuaciones descriptivas de los mismos será mucho más precisa, que podrán integrarse en los modelos numéricos de dimensionamiento y gestión de los sistemas de saneamiento. Agradecimientos Financiado por el CDTI a través del proyecto FEDER-INNTERCONECTA OvalPipe: Desarrollo de tuberías ovoides para la mejora de la eficiencia las redes de alcantarillado (Ref. ITC ). Desarrollado por las empresas ABN pipe, EMALCSA, M.Blanco SL y EDAR Bens SA. Referencias Ackers, J., Butler, D., May, R.W.P Design of sewers to control sediment problems. CIRIA. Report R141. Banasiak, R., Tait, S The reliability of sediment transport predictions in sewers: influence of hydraulic and morphological uncertainties. Water Science and Technology. 57(9), DOI: /wst Naves, J., Regueiro-Picallo, M. A., Anta, J., Puertas, J., Suárez, J Análisis experimental de tuberías ovoides para la mejora de la eficiencia de las redes de alcantarillado. IV Jornadas de Ingeniería del Agua. Córdoba.

8 Schellart, A.N.A Analysis of uncertainty in the sewer sediment transport predictions used for sewer management purposes. PhD Thesis. University of Sheffield. Seco, R.I Study of the release of sediments during wet-weather from combined sewer systems in the Mediterranean region in Spain. PhD Thesis. UPC. Barcelona.