INFORME Nº 1 MEMORIA CALCULO

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1 ESTUDIO DEFINITIVO Y EXPEDIENTE TÉCNICO AMPLIACIÓN, RENOVACIÓN Y MEJORAMIENTO DEL SISTEMA DE AGUA POTABLE Y ALCANTARILLADO EN LA LOCALIDAD DE CARAVELÍ CARAVELÍ - AREQUIPA INFORME Nº 1 MEMORIA CALCULO PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES AGO-16 Emisión JQU EPE SME Rev Fecha Descripción Elaborado Revisado Aprobado Entidad: Contratista: Fecha Código Diseño Código Obra Formato AGO MC-SAL-PTD-IF-001_0 A4

2 CONTENIDO 1. MEMORIA CÁLCULO

3 MEMORIA CÁLCULO 1. MEMORIA CÁLCULO La Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) de la localidad de Caravelí, se ubicará en el mismo emplazamiento de la PTAR existente. Teniendo en cuenta la topografía de la localidad de Caravelí y considerando la necesidad de conducir las aguas residuales por gravedad hacia la planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR) evitando el bombeo, se ha considerado modificar el emisor existente elevando la cota de llegada a la PTAR. Por otro lado, con el objeto de optimizar las inversiones y no generar impacto en los costos de operación y mantenimiento de la PTAR, se aprovechan las instalaciones existentes (laguna primaria y secundaria), agregándose procesos para reducir la carga orgánica de diseño incluyendo una unidad de tratamiento anaerobio. Con el mismo objetivo, y dada la disponibilidad de terreno se ha previsto incluir el proceso de desinfección para cumplir con los LMP y ECA del parámetro Coliformes Termotolerantes, no obstante para que este proceso sea eficiente es necesario clarificar el agua residual tratada, para tal efecto se ha dimensionado humedales con tamiz de soporte previo al proceso de desinfección. Los lodos del tratamiento anaerobio serán digeridos en la misma unidad por lo que el único tratamiento adicional será el de deshidratación a través de un lecho de secado de lodos. De acuerdo con los cálculos de proyección de la demanda del sistema de alcantarillado, en el cuadro siguiente se muestra la evolución de los caudales de diseño: 2

4 La PTAR ha sido diseñada para el horizonte de diseño del año Los procesos de tratamiento se han calculado con base en el caudal promedio y las unidades de pretratamiento, así como todas las instalaciones hidráulicas con base al caudal máximo horario. De este modo los caudales de diseño de la PTAR Caravelí son: Caudal promedio: L/s Caudal máximo: L/s 3

5 Para el diseño se han observado los criterios de dimensionamiento señalados en la Norma OS090 Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales, del Reglamento Nacional de Edificaciones. De acuerdo con el estudio de caracterización realizada en los estudios básicos se ha encontrado que DBO promedio es de 356 mg/l y la DQO promedio de 548 mg/l. La relación DQO/DBO es de 1.54 verificándose que se trata de desagües domésticos y que no existe influencia significativa de desechos industriales que afecten la biodegrabilidad de las aguas residuales municipales. Con el valor de DBO indicado y considerando que la población actual servida es de 3707 habitantes y el caudal promedio de 6.59 L/s, la carga orgánica actual es de kg DBO/día, que equivale a una contribución percápita de 54.7 gr DBO/persona.día. Considerando el desarrollo económico de la localidad en los próximos 20 años, para el diseño se ha considerado una contribución percápita de 60 gr DBO/persona.día. Con lo que la carga orgánica de diseño para el año 2036 será de kg DBO/día. Con una relación máxima de DQO/DBO = 2, la carga de DQO será de kg DQO/dia, valor que es el utilizado en el dimensionamiento de la unidad de tratamiento anaerobio. Tratamiento preliminar Se ha considerado rejas de limpieza manual, de 2.5 cm de espaciamiento entre barras, y dos canales desarenadores de operación alternada igualmente de limpieza manual. Para las cámaras de rejas se ha considerado una velocidad de aproximación a las rejas cercana a 0.60 m/s y una velocidad de paso a través de las rejas 4

6 superior a 1.5 m/s con un 50% de ensuciamiento. Se ha previsto las condiciones de transición entre el tramo final del sistema de alcantarillado con el canal de rejas, el desnivel para un el balance adecuado de energía y el bypass correspondiente para eventuales emergencias. Del mismo modo, en el caso de los desarenadores el dimensionamiento de las unidades ha estado restringido por las dimensiones mínimas construibles. La velocidad horizontal se ha establecido en 0.3 m/s. Esta velocidad será controlada por un vertedero proporcional o Sutro a instalarse a la salida de cada canal de desarenación. Para el dimensionamiento del Sutro se ha aplicado la siguiente fórmula: Siendo: Q, caudal en m3/s a y b, lugares geométricos del Sutro, en m H, altura de la lámina del agua sobre la cresta del vertedero b, en m Se ha seleccionado un valor de a = 0.03 m para un caudal menor al caudal mínimo en cada PTAR, encontrándose un valor de b=0.15 m. Con estos valores, se calcula el nivel de agua sobre la cresta del vertedero para el caudal máximo resultando en H = m, la longitud de los desarenadores para asegurar una dimensión de 25 veces H para el caudal máximo es de L=2.825 m y el ancho de cada canal desarenador de B= 0.56 m. Adicionalmente se ha considerado una tolva de lodos para la acumulación de arenas de una semana. 5

7 Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente y Manto de Lodos De acuerdo con la información meteorológica la variación de las temperaturas ambientales mes a mes es como sigue: MES T MAX T MIN T PROM Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre PROMEDIO Como se puede observar la temperatura promedio del mes más frío es de 19 C por lo que de acuerdo con la Norma OS090 es posible utilizar el tratamiento anaerobio. El Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente y Manto de Lodos (RAFML) o UASB por sus siglas en inglés, consiste en un reactor en el cual el afluente es introducido a un digestor a través de un sistema de distribución localizado en el fondo y que fluye hacia arriba atravesando un manto de lodos que se forma en el digestor. En la parte superior del digestor existe una zona de separación de fase líquida, sólida y gaseosa y el efluente clarificado sale por la parte superior a través de un sedimentador y el gas es acumulado en cámaras contiguas para su aprovechamiento o quema controlada. 6

8 Sedimentador Se ha dimensionado para una carga superficial de 1,2 m3/(m2.h), calculada en base al caudal medio, el período de retención hidráulico es de 2.5 horas. El área superficial es rectangular con dimensiones resultantes y ajustadas a 3 x 11 m. La profundidad media es de 1.35 m en el tramo recto y el fondo con paredes inclinadas con una profundidad de 1.70 m, el ángulo de inclinación de las paredes es de 50. Separador de fases En la arista central del sedimentador se dejará dos aberturas para el paso de sólidos de 0,35 m para ello se instalará un separador de fase que deberá prolongarse de modo que impida el paso de gases hacia el sedimentador; esta prolongación deberá tener una proyección horizontal de 0,20 m. La velocidad de paso por las aberturas es 5 m3/(m2.h) para aguas residuales municipales, Digestor Se ha dimensionado para una carga orgánica volumétrica de diseño (Cv) de 2.6 kg DQO / (m3.día). La velocidad ascensional media: 0,62 m3/(m2.h), calculado en base al caudal medio. La altura del reactor se ha establecido en 4.5 m. Sistema de alimentación Se deberá lograr una distribución uniforme del agua residual en el fondo del reactor. Para tal efecto deberá proveerse de una cantidad mínima de puntos de alimentación conforme al siguiente cuadro para aguas residuales municipales: 7

9 Cv (kg DQO/m3.d) Área de influencia de cada punto de alimentación (m2) <1,0 0,5 a 1,0 1,0 a 2,0 1,0 a 2,0 >2,0 2,0 a 3,0 Siendo la Cv de 2.6 kg DQO/m3.d, se ha seleccionado como área de influencia de 2,5 m2 por tubería de alimentación. De este modo el número de orificios de alimentación será de 27, los mismos que serán abastecidos a través de cajas de distribución de caudales a tres ramales de distribución, cada ramal a su vez contará con 9 orificios de alimentación. En el diseño debe considerarse que las tuberías de alimentación no tengan problemas de taponamiento durante la operación y que sea factible las labores de eventual desatoro de cada punto de alimentación Las tuberías de alimentación deben estar a una altura de 0,20 m sobre la base del reactor. Colectores de gas En la parte superior del sistema debe existir un área para liberar el gas producido. Esta área podrá estar localizada alrededor del sedimentador en la dirección transversal o longitudinal. La velocidad del gas en esta área debe ser lo suficientemente alta para evitar la acumulación de espumas y la turbulencia excesiva que provoque el arrastre de sólidos. La velocidad de salida del gas se encontrará en el rango de 1 a 3 m3 de gas/(m2.h), el volumen de gas generado es el 35% de la carga de DQO = m3 de biogás/hora; para el valor de 1 m3 de biogas/(m2.h),y dada la longitud del digestor de 11 m, el ancho de cada cámara de acumulación de gas debe ser de 1 m. 8

10 La altura total del reactor anaerobio (RAFAML) de flujo ascendente será la suma de la altura del sedimentador, la altura del reactor anaerobio y un borde libre (0.3 m), resultando una altura total de 7.85 m. Se ha considerado en forma conservadora que dado las temperaturas de la localidad de Caravelí y el período de retención hidráulico total de 12 horas se removerá un 80% de la DBO, por lo que la carga remanente del RAFAML es de 70.7 Kg DBO/día, valor que será utilizado para la estimación de carga superficial de la laguna de estabilización a continuación. Lodos Se estima una producción de lodos de 0.31 m3/día. Para la extracción de lodos se ha considerado un sifón con una carga hidráulica de 1.80 m, respecto del nivel de agua en la cresta de los vertederos de salida del sedimentador. Los lodos serán evacuados cada 75 días hacia un lecho de secado. Las dimensiones se del lecho de secado se ha estimado en un ratio de 0.02 m2/habitante. Con las dimensiones ajustadas del lecho de 12 x 10 m, y considerando el retiro de lodos secos y la aplicación de nuevos lodos, la carga de sólidos será de kgsst/m2.año valor dentro del rango sugerido por la Norma OS090 ( kgsst/m2.año). Lagunas de estabilización Se utilizarán las dos lagunas en serie existentes primaria y secundaria. Con la incorporación del RAFAML la laguna primaria será ahora secundaria y la secundaria será terciaria. Las dimensiones de las lagunas son: 9

11 Laguna secundaria: x 43 x 1.5 m Laguna terciaria: 43 x 43 x 1.5 m La carga superficial de diseño para lagunas facultativas se determinará con la siguiente expresión: En donde: Cd es la carga superficial de diseño en kg DBO / (ha.d) T es la temperatura del agua promedio del mes más frío en C. La temperatura ambiental del mes más frio es de 19 C, se considera que la temperatura del agua es de 2 C mayor que la ambiental, por lo que la temperatura del asumida para el agua residual en las lagunas de estabilización en el mes más frio será de 21 C (durante los estudios de caracterización se determinó valores de 22.8 C a 24.5 C, por lo que el valor asumido es conservador). La carga de diseño de lagunas facultativas será para la temperatura del agua de 21 C de kg DBO/hectárea.día. Con la carga remanente del RAFML de 70.7 Kg DBO/día y las dimensiones de la laguna secundaria, la carga superficial aplicada será kg DBO/hectárea.día, valor por debajo de la carga de diseño establecida de acuerdo a Norma OS090. La reducción de bacterias en las lagunas de estabilización será determinada en términos de coliformes termotolerantes, como indicador microbiológico de 10

12 acuerdo con la Norma OS090. Para tal efecto, se usa el modelo de flujo disperso con los coeficientes de mortalidad netos para los diferentes tipos de unidades. A continuación se presenta la fórmula de flujo disperso utilizado: Donde: a = (1 + 4 Kb R d) ½ d = número de dispersión R = Período de retención hidráulica en días No = concentración de coliformes en el tiempo afluente Ne = concentración de coliformes en el efluente Kb = coeficiente de mortalidad neto de bacterias coliformes El factor de dispersión en el modelo de flujo disperso se debe determinar según la forma de la laguna (largo, ancho y profundidad) y el valor de la temperatura del agua. Debiéndose usar la siguiente formula: Donde: W : ancho medio de la laguna, en metros L : largo medio de la laguna, en metros Z : profundidad útil de la laguna, en metros T : Temperatura del agua promedio del mes más frío, C 11

13 El coeficiente de mortalidad neto puede ser corregido con la siguiente relación de dependencia de la temperatura. En donde: KT es el coeficiente de mortalidad neto a la temperatura del agua promedio del mes más frío T, en C. K20 es el coeficiente de mortalidad neto a 20 C. Con la aplicación del modelo señalado se ha estimado que la concentración de coliformes termotolerantes en efluente de la laguna terciaria será de 5.74 x 106 NMP/100 ml, valor que se encuentra por encima del LMP para efluentes de PTAR y de la calidad requerida para reúso en riego. Dado que no se dispone de terreno para hacer una ampliación de las lagunas se ha considerado la desinfección para reducir los coliformes hasta el valor señalado en la norma. Sin embargo, dado que la desinfección es efectiva en condiciones de bajo contenido de sólidos en suspensión será necesario clarificar los efluentes de la laguna terciara que tendrá un alto contenido de sólidos suspendidos por efecto de la presencia de algas. La metodología propuesta para la clarificación es el uso de humedales con tamiz de soporte para evitar la colmatación. Humedales Para el cálculo de los humedales, se ha considerado un área de 1.0 m2/habitante equivalente. La carga remanente de DBO de la laguna terciaria es de 53.9 Kg DBO/día y la población equivalente de 900 habitantes equivalente, requiriéndose por tanto de 900 m2 de área superficial de humedal. 12

14 Para el humedal se utiliza typha (totora) la misma que se cultivará en un tamiz de soporte de material sintético para evitar el uso de arena y grava como material de soporte de la totora. De este modo las posibilidades de colmatación del medio de soporte serán nulas. Para facilitar la poda periódica de la totora los humedales serán de un ancho de espejo de agua de 10 m, estableciéndose el uso de tres humedales en paralelo de una longitud de 30 m y una profundidad útil de 0.80 m. Desinfección El efluente tratado de los humedales tendrá una remoción de algas y sólidos en suspensión obteniéndose un efluente apto para la desinfección por cloración. Se estima que la reducción requerida para cumplir con el LMP de Coliformes Termotolerantes = 1000 NMP/100 ml, será suficiente una dosificación de cloro entre 5 a 10 mg/l con un período de contacto promedio de 30 minutos, la dosis deberá ajustarse en la operación de la PTAR. 13