Diseño Planta Piloto de Aguas Residuales

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Subdirección de Gestión Ambiental
DISEÑO PLANTA PILOTO DE AGUAS RESIDUALES
MUNICIPIO DE SOTAQUIRÁ – DEPARTAMENTO DE BOYACÁ
1. PARÁMETROS DE DISEÑO
EN LOS SERVICIOS DE: CONCESIONES DE AG
SUPERFICIALES Y SUBTERRÁNEAS, PERMISOS
EXPLORACIÓN DE AGUAS SUBTERRÁNEAS, PERMISO PERMISOSS
AUTORIZACIONES DE APROVECHAMIENTOS FORESTAL
Los lineamientos considerados para el diseño del Sistema Piloto del Municipio de
Sotaquirá son:
Población de Diseño: 1.500 Habitantes
Dotación: 150 l/hab*día
Coeficiente de Retorno: 0.7
QI = 0
Qc = 0
QINS. = 0.2 l/s
Q D
1500*
150*
0.
7
=
= 1.
82 l / s
86400
El caudal medio diario de aguas residuales domésticas es:
Caudal de infiltración
Caudal Máximo Horario.
QMD = QD + QI + QC + QINS. = 1.82 l/s + 0 + 0 + 0.2 = 2.02 l/s
QINF = 0.4 l/s
QMDF = 2.4 l/s
QMH = F*QMDF
Utilizando el Coeficiente de mayoración de Flores tenemos
3.
5
1.
68
0 . 1 = = F 4
P
QMH = 1.68 * 2.4 = 4.02 L/s

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EN LOS SERVICIOS DE: CONCESIONES DE AG
SUPERFICIALES Y SUBTERRÁNEAS, PERMISOS
EXPLORACIÓN DE AGUAS SUBTERRÁNEAS, PERMISO PERMISOSS
AUTORIZACIONES DE APROVECHAMIENTOS FORESTAL
Como el proyecto contempla la implementación de 3 trenes de tratamiento distintos, los
caudales a considerar para las estructuras que se diseñan con caudal medio diario o con
caudal máximo diarios son:
QMD = 2.4 / 3 = 0.8 l/s
2. DISEÑO ALIVIADERO.
QMH = 4.02 / 3 = 1.34 l/s
Se diseno un aliviadero lateral para controlar los caudales de excesos ocasionados por
aguas lluvias.
3. DISEÑO CONTROL DE PASO DE CAUDAL DE DISEÑO
3
Qd = 4.
02 l / s = 0.
0042 m / s
Se utiliza un orificio sumergido de pared delgada y la metodología de cálculo es:
V = Cv*
2gH
Donde
Cv: Coeficiente para este tipo de orificios Cv= 0.82
g : Gravedad g = 9.81 m/s 2
H : Lámina de agua sobre el Orificio H = 0.25 m
Utilizando la ecuación de continuidad dada por:
Reemplazando tenemos que:
Ahora
Q
V =
A
Q
A = = 22.
13cm
Cv 2gH
2

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* d
A =
4
π
El orificio para el control del caudal de entrada a la planta tiene un diámetro:
4. PRETRATAMIENTO
2
=
A*
4
d = entonces d = 2.1” = 3”
π
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SUPERFICIALES Y SUBTERRÁNEAS, PERMISOS
EXPLORACIÓN DE AGUAS SUBTERRÁNEAS, PERMISO PERMISOSS
AUTORIZACIONES DE APROVECHAMIENTOS FORESTAL
Los pretratamientos buscan una calidad del agua apropiada a las necesidades de los
tratamientos precedentes, comprenden un cierto número de operaciones mecánicas, físicas
y/o químicas que tienen por objeto separar del agua la mayor cantidad posible de materias
que por su naturaleza o tamaño puedan ocasionar problemas en el tratamiento posterior.
4.1 CANAL DE APROXIMACIÓN Y CRIBADO
Corresponde a un canal no erosionable construido en concreto cuyo dimensionamiento se
hace a partir de la ecuación de flujo uniforme, donde se decide acerca de las dimensiones
finales con base en la eficiencia hidráulica, aspectos prácticos constructivos y economía.
Los factores que se consideran en el diseño son:
- La clase de material que conforma el cuerpo del canal, que define el coeficiente de
rugosidad como n = 0.013 para revestimiento en concreto.
- La velocidad mínima permisible que evita la sedimentación del material particulado
presenta en el agua residual es de 0.3 - 0.6 m/s.
- La pendiente del fondo del canal, se establece en 1% y las pendientes laterales igual a cero
debido a que se trata de un canal rectangular
- El caudal de diseño corresponde a 4.02 L/s
- La longitud total del canal se define como 3.0 m

Ancho del Canal
Q max = 4.02 l/s
P max = 0.04 (modelación con programa)
ab = Diámetro de la barra 12.7 mm.
eb = Separación de barras 40 mm
La velocidad en el canal es:
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Qmax
⎡ ab
+ e
Ac =
⎢
0.
6 * Pmax
⎣ eb
Ac = 0.26 m Por construcción se asume 30 cm.
0.
6
V =
a + e
b
e
b
b
b
= 0.
45m
/ s
⎤
⎥
⎦
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Modelando el canal en el Software Hidrocall Hidraulics obtenemos los siguientes
resultados:
Cuadro 43. Características diseño canal de aproximación
DATOS DE SALIDA FLUJO NORMAL FLUJO CRITICO
Profundidad normal (m) 0.04 0.08

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Velocidad de flujo (m/s) 0.8 0.69
Número de fraude 1.25 1.0
Cabeza de energía 0.07 0.07
Área de flujo (m 2 )
Fuente. El estudio
0.01 0.01
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Finalmente al establecer un borde libre de 27 cm. la profundidad total del canal de
aproximación se redondea a 35 cm. y las dimensiones definitivas del canal son:
4.2 CRIBADO. 1 Los sistemas de rejillas es el método más elemental para remover el
material contaminante grueso como basuras, material sólido grueso y todos los desperdicios
presente en las aguas residuales que representan peligro para el correcto funcionamiento de
los sistemas que le siguen.
Una reja de desbaste es básicamente un sistema de barras paralelas, cuya inclinación
recomendada cuando se encuentra dentro de un canal es de 45º, pues se adapta para que la
limpieza de la rejilla pueda ser manual o mecánica. El espaciamiento entre las barras de la
rejilla dependerá del tipo de residuo a ser retenido y del material en que sea construida. El
ancho de la reja dependerá del ancho total de la captación o canal y la velocidad de flujo a
través de ella baja, con el fin de evitar el arrastre del material retenido
Se proyecta colocar dos barreras (rejillas gruesas y finas) de limpieza manual compuestas
por barras paralelas, inclinadas, igualmente separadas, y colocadas en la sección transversal
del canal de aproximación. Los lineamientos básicos para el diseño de rejillas de limpieza
manual son los siguientes:
Cuadro 44. Parámetro de diseño rejillas
1 TCHOBANOGLOUS, George y CRITES, Ron. Sistema de manejo de aguas residuales para núcleos pequeños y descentralizados. Bogotá : McGraw Hill, 2000
p. 246

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Parámetro de diseño Unidad Rango
Rejilla
Gruesa
Rejilla
fina
Espaciamiento entre barras mm 15-50 40 20
Diámetro de las barras pulgadas 3/8 – 1 ½ 1/2 1/2
Velocidad de aproximación m/s 0.3 – 0.6 0.45 0.5
Velocidad a través de las barras m/s 0.3 – 0.6 0.6 0.6
ángulo de inclinación
Fuente. RAS-2000
° 60-45 45 45
4.2.1 REJILLA GRUESA
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Se trata de un sistema de rejillas de limpieza manual constituido por dos tamizados:
tamizado grueso y tamizado fino.
eb
An=
e + a
b
b
* 0.
3*
0.
35=
0.
08m
An 0.
08
N = = = 5.
6 = 5orificios
a * Hcanal 0.
04 * 0.
35
La perdida de carga causada por el paso de las rejillas es:
4.2.1 REJILLA FINA
2 2
2 2
1 ⎡Vr −Va
⎤ 1 ⎡0. 6 − 0.
45 ⎤
Hf = ⎢ ⎥ = ⎢
⎥ = 1.
15cm
0.
7⎣
2g
⎦ 0.
7⎣
2*
9.
81 ⎦
Para el caso de la rejilla fina las condiciones de diseño son similares, varía la separación de
la rejilla que es de 20 mm. Los resultados son:
An = 0.064 m 2
N = 9 orificios
Hf = 0.8 cm
4.3 CANAL DESARENADOR
2

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Esta unidad es el segundo componente del tratamiento preliminar de las aguas residuales,
está compuesta por dos canales, uno en operación y uno en reserva, para lo cual se
proyecta la colocación de una compuerta en madera que controle el paso del flujo por cada
uno de los canales.
El desarenado tiene por objeto extraer del agua servida la arena y partículas más o menos
finas de origen inorgánico, de forma que la arena retenida no arrastre materias
contaminadas, con el fin de evitar que se produzcan sedimentaciones en los canales y
conductos, para proteger las partes móviles de los equipos de la planta contra la abrasión y
para evitar sobrecargas de sólidos en las unidades de tratamiento biológico. 2
Teoría de sedimentación Fue desarrollada por Hazen y Stokes. Su modelo de
sedimentación considera que la velocidad de sedimentación de una partícula es
directamente proporcional al cuadrado del diámetro y esta dada por la ecuación:
Donde
Vs=
g
*
18
) ( ρ − ρ
μ
s 2
d
Vs = velocidad de sedimentación (cm/s)
g = Gravedad
ρs = Peso específico de la partícula de arena = 2.65
ρ = Peso específico del agua : (1.0)
μ = Viscosidad cinemática del fluido (μ = 0.01172 cm 2 /s, temperatura promedio 14 ºC)
d = diámetro de la partícula (0.2 mm = 0.02 cm)
Vs = 3.1 cm/s = 0.031 m/s
En un desarenador de tipo canal, de profundidad H, una partícula en suspensión que se
encuentre en la superficie del agua en el momento de su entrada en el canal, sedimentará
con una velocidad Vs de caída constante, alcanzando el fondo del decantador al cabo de un
tiempo Ts = H/Vs, bajo el supuesto que:
2
Disponible en internet: http://www.virtual.unal.edu.co /cursos / sedes / manizales/4080004 /contenido/Capitulo_8/Pages/
Tratamiento_aguas(a).htm. Procesos de tratamiento del agua : Pretratamientos.

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- La velocidad en el canal es horizontal y uniforme.
- La partícula se supone eliminada cuando alcanza el fondo del canal.
- Las partículas sedimentan independientemente, es decir sin interacción mutua.
Si S es la superficie horizontal del desarenador y Q el caudal en él, el volumen del canal es:
Vol = H*
S =
Q * Ts
H Q
Se tiene que:
= = Vs
(Ec. 1)
Ts S
La anterior expresión indica que la sedimentación de partículas en las condiciones
expuestas, no depende de la altura del canal sino de su área superficial. No obstante la
profundidad no puede reducirse del todo, pues se aumentaría la velocidad de paso del agua
y las partículas no sedimentarán.
Q
S= (Ec. 2)
Vs
S = 0.00402 m 3 /s / 0.031 m/s = 0.13 m 2
Las área calculada de 0.13 m 2 , provee unas dimensiones demasiado pequeñas,
Considerando una relación largo: ancho de 1:5, y asumiendo un ancho del canal que
permita la remoción manual del material retenido de 0.6 m, finalmente las dimensiones del
canal desarenador son de L = 3.0 m y B = 0.6 m. La profundidad total del canal asume de
1.0 m dejando un borde libre de 0.2 m y una altura de lodos de 0.3 m, además se coloca una
pantalla deflectora en la zona de entrada del canal desarenador. (Ver plano)
Pantalla deflectora de entrada. Separa la zona de entrada y la zona de sedimentación, en
ella se realizan orificios, a través de los cuales el agua pasa con un régimen de velocidades
adecuado para que ocurra la sedimentación, no debe sobrepasar de 0.3 m/s. Los orificios de
la pantalla deflectora son circulares ya que son los más adecuados para este tipo de
aditamento hidráulico. La función principal de la pantalla es regular el flujo para que sea
uniforme.
Para el diseño de los orificios se asume una velocidad de 0.2 m/s (se debe cumplir que la
velocidad del orificio sea menor o igual a 20 veces la velocidad de sedimentación crítica

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Vor < 20 Vs. Se requiere un área efectiva de la pantalla deflectora de 0.0201 m 2 ;
asumiendo un diámetro de orificio de 2 cm. Se necesitan 30 orificios.
Se espera una remoción de DBO 5% y de SST del 10%
Por lo tanto el efluente tendría las siguientes características:
5. SEDIMENTADOR PRIMARIO
DBO = 302.4 * 0.95 = 287.28 mg/l
SST =
En general, los tanques de sedimentación primaria se diseñan con tiempos teóricos de
retención quevan de 1.5 a 2.5 horas, con base en el caudal promedio de agua residual,
esperando una remoción de Sólidos Suspendidos entre 50 y 70% y DBO5 de 25 – 40%.
La carga hidráulica Superficial recomendada va de 32 – 48 m 3 /m 2 *día para flujo medio
As = 69.12 m 3 /día / 32 m 3 /m 2 *día = 2.16 m 2
Nos da un área superficial demasiado baja lo que implica una profundidad considerable,
razón por la cual se opta por tomas una tasa de desbordamiento superficial mas baja de 20
m 3 / m 2 *día para que las dimensiones nos resulten proporcionadas.
Como es un tanque circular el diámetro es:
As = 69.12 / 20 = 3.46 m 2
As*
4
D = = 2.1 m.
π
Asumiendo una profundidad de 2 m obtenemos un volumen de
El tiempo de retención hidráulica es:
V = 6.92 m 3
TRH = V / Q = 6.92m 3 / 2.88m 3 /h = 2.4 Horas
Con este tiempo de retención hidráulica obtenemos las tasas de remoción:

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Remoción de DBO =
Donde
t: Tiempo de retención hidráulica
a y b: Constantes empíricas a= 0.018 ; b = 0.02
t
a + bt
Remoción de DBO =36.4%
Remoción de Sólidos =
a y b: Constantes empíricas a= 0.0075 ; b = 0.014
t
a + bt
Remoción de SST =58.4%
Las concentraciones finales después del sedimentador son:
6. LAGUNA FACULTATIVA 3
Parámetros de diseño
DBO = 287.28* 0.634 = 182.71 mg/l
Los lineamientos de diseño básicos expuestos en el RAS-2000 son:
Tiempote Retención Hidráulica = 5-30 días
Profundidad = 1.0 – 2.5 m
H adicional para lodo 0.2 m
( 14−20)
k = 0.
3(
1.
05 ) = 0.
224 d -1
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El tiempo de retención hidráulico de la laguna facultativa para entregar un efluente con una
concentración al rededor de 60 mg/l de DBO es:
⎡Li
⎤ 1 ⎡182.
71 ⎤ 1
t =
⎢
− 1 = 1 * = 9.
1días
Le K ⎢
−
⎣
⎥
⎦ ⎣ 60 ⎥
⎦ 0.
224
3 Mara, D. (1976). Sewage Treatment in hot climates. John Wiley and Sons.

El volumen requerido es de:
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V = Q*t = 69.12 * 9.1 = 629 m 3
Asumiendo una altura de 2 m el área superficial es igual a:
As = V / H = 629 / 2 = 314.5 m 2
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PERMISOS
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Considerando una relación largo ancho de 1 a 2 obtenemos unas dimensiones de 12.6 * 25
m para un área superficial de 315 m 2
7. LAGUNA DE MADURACIÓN
Para dimensionar la laguna de maduración se considera un tiempo de retención hidráulica
de 10 días con lo cual se obtienen las siguientes dimensiones:
:
V = Q*t = 69.12 * 10 = 691.2 m 3
Tomando una profundidad de 1.5 m (RAS – 2000) se obtiene un área superficial de:
Asumiendo una relación largo ancho de 1 a 2
Las dimensiones finales son de 15.15* 30.3
8. TANQUE IMHOFF 4
TANQUE IMHOFF
As = 691.2 / 1.5 = 460.8 m 2
Población servida = 1500 habitantes
Caudal = 115.8 m 3 /día
Tiempo de retención = 3 Horas
Carga hidráulica superficial 25 m 3 /m 2 *día
Velocidad en la cámara de sedimentación

Zona de sedimentación
Qdiseño = 115.8 m 3 /día
Volumen de la zona de sedimentación
Área superficial
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V = Q * THR = 115.8 m 3 /día * 0.125 d = 14.5 m 3
A = Q / Carga superficial = 4.63 m 2
Tomando una relación largo ancho de 2:1 las dimensiones finales son:
As = b*L ; L = 2b reemplazando
As = b*2b despejando b
b =
A
2
b = 1.52 m = 1.5
De esta forma las dimensiones finales son: L = 3.1 m, b = 1.5 m, y As = 4.65 m 2
El área transversal requerida es:
At = V / L = 14.5 / 3.1 = 4.68 m 2
Tomando el valor de c = 1.25 m, el área transversal es:
At = 2*(bc + 0.375b 2 ) = 5.43 m 2
zona de
sedimentación
zona de neutra
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Zona de digestión
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El volumen de la cámara de digestión esta dado por:
S2 = 1500 hab. * 0.055 m 3 /hab = 82.5 m 3
S2 = (fhL) + h 2 L/12
f = 8.62 m
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PERMISOS
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Esta dimensión se f nos resulta demasiado grande por lo tanto se opta por considerar una
dimensión convencional de 3.5 m bajo la recomendación que se debe controlar la
periocidad de extracción del lodo sedimentado acorde con el nivel de lodo acumulado
S2 = f * L * (2*a+b) + (h + 0.6*g / 2) = 36.45 m 3
Las dimensiones finales acordes con el diagrama son:
a = 0.75 m (asumida)
b = 1.5 m (calculada)
y = 0.45 (asumida)
c = 1.25 m Calculada
d = 0.82 m para inclinación de la tolva de 1H: 1.25 V
e = 0.5 (asumida)
f = 3.5 m Estimada
g = 0.69 m Para inclinación de 30º

h = 2*a + b = 3.0 m
D = y + c + d + e + f + g = 7.21 m
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PERMISOS
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Se espera una remoción de DBO5 del 50% y de SST del 60% por lo tanto la calidad del
efluente del tanque Imhoff será:
DBO5 = 143.64 mg/l
HUMEDAL DE FLUJO SUBSUPERFICIAL (SFS) 5
Los parámetros de diseño son:
Profundidad: 0.6 m
Material Vegetal: Espadañas y juncos
Medio de soporte: Grava media
Porosidad (n) : 0.45
Conductividad hidráulica (Ks): 750 m 3 /m 2 *día 6
Relación largo ancho aproximada: 2:1
Pendiente de fondo 1%
Carga DBO entrada 143.64 mg/l
Eficiencia esperada 70%
Ks S = 750 * 0.01 = 7.5
T - 20
KT = K20* (1.1)
KT = 0.762
Determinando la sección transversal tenemos:
En ancho del humedal será:
Ac = Q / Ks * S = 69.12 / 750*0.01 = 9.21 m 2
W = Ac / d = 9.21 / 0.6 = 15.35 m
El área superficial considerando una eficiencia del 70% es:
5
EPA (1988). Design Manual- Constructed wetlands and aquatic plant systems for Municipal wastewater
treatment. EPA/625/1-88/022.
6
Kadlec, R., et al (1996). Treatment wetlands. CRC Press.

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Subdirección de Gestión Ambiental
As = (Q (ln Co – ln C e)) / Kt*d*n
As = (69.12*(ln 143.64 – ln 43.1) / 0.762*0.6*0.45
Ahora determinado la longitud obtenemos:
As = 404.4 m 2
L = As / W = 404.4 / 15.35 = 26.35 m
Con estas dimensiones el tiempo de retención hidráulico es:
DISEÑO REACTOR UASB 7
t = Vv / Q = 26.35*15.35*0.6*0.45 / 69.12 = 1.58 días
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SUPERFICIALES Y SUBTERRÁNEAS, PERMISOS
EXPLORACIÓN DE AGUAS SUBTERRÁNEAS, PERMISO PERMISOSS
AUTORIZACIONES DE APROVECHAMIENTOS FORESTAL
Para el diseño del reactor UASB con un caudal de 69.12 m 3 /d se tomo un tiempo hidráulico
de retención de 8 horas con base a la temperatura y caudal medio.
V = Qmed * THD
V =
23. 04m
3
De esta manera obtenemos un volumen de 23 m 3 con una altura de 4.5 m obtenemos un
área de 5.12 m 2 resultando una longitud de 2.5 m y un ancho de 2.5 m.
Calculo de la velocidad superficial
Para Caudal medio
Qmed
V =
A
m
2.
88
V =
h
6.
25m
3
2
V = 0.
46m
/ h
7 Chernicharo, l, C,A. (2000). Reatores anaerobios. Universidad Federal de Minas Gerais. Brasil

Para Caudal máximo
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Subdirección de Gestión Ambiental
3
m
4.
82
V =
h
2
6.
25m
V = 0.
77m
/ h
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SUPERFICIALES Y SUBTERRÁNEAS, PERMISOS
EXPLORACIÓN DE AGUAS SUBTERRÁNEAS, PERMISO PERMISOSS
AUTORIZACIONES DE APROVECHAMIENTOS FORESTAL
Considerando 5 puntos de alimentación en la unidad de distribución a lo largo del reactor
resultan 25 tubos con un diámetro de 2 pulgadas,
5.4.4 DIGESTOR DE LODOS
Se trata de un digestor anaerobio, para su diseño se tienen los siguientes parámetros:
Q = 69.12 m 3 /d
T = 14 ºC
Edad del lodo en el digestor 40 días
Densidad relativa = 1.02
ST = 212 mg /L
Se calcula el volumen de lodo producido
Se calcula el volumen del digestor
QL = 212 * 69.12 / 1000*1020*0.1 = 0.14 m 3 día
V = QL * THR = 5.75 m 3
Se opta por un reactor circular, por lo tanto asumiendo H = 2 m. el area superficial es de:
As = 2.87 m 2
* 4
= =
π
As
D
D = 1.95 m
2.
87*
4
3.
1416

5.4.5 LECHO DE SECADO
República de Colombia
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Subdirección de Gestión Ambiental
EN LOS SERVICIOS DE: CONCESIONES DE AG
SUPERFICIALES Y SUBTERRÁNEAS, PERMISOS
EXPLORACIÓN DE AGUAS SUBTERRÁNEAS, PERMISOS
PERMISOS
AUTORIZACIONES DE APROVECHAMIENTOS FORESTAL
El lecho típico de arena para secado de lodos es un compartimiento rectangular poco
profundo, con fondos porosos colocados sobre un sistema de drenaje. El lodo se aplica
sobre el lecho en capas de 20 -30 centímetros y se deja secar, el desaguado se efectúa
mediante drenaje de las capas inferiores y evaporación por acción del sol y el viento.
Inicialmente el agua percola a través del lodo y de la arena para ser removida por la tubería
de drenaje en un período corto de pocos días. Una vez formada una capa de lodo
sobrenadante el agua es removida por decantación y por evaporación. La pasta se agrieta a
medida que se seca permitiendo la evaporación adicional. Este tipo de lechos tienen
ventaja por requerir poca atención en su operación.
La cantidad del lodo seco generado es del orden de 0.45 -0.7 toneladas por cada
10’000.000 galones tratados. El volumen anual de Agua residual generada en el municipio
equivale a 25.23 millones de litros o sea 6.71 millones de galones.
Asumiendo una producción de lodo de 0.7 toneladas por cada 10 millones de galones se
obtiene una cantidad anual de lodo seco de 1.62 toneladas.
Lodo generado = 470 Kg/ año
La carga de lodo que se puede aplicar por metro cuadrado de lecho de secado es de 49 a
195 kg/m 2 *año dependiendo la temperatura del sitio del proyecto. .
Asumiendo un valor de Kg/m 2 *año se obtiene:
Área de lecho de secado = 470 / 50 = 9.4 m 2 se toma 10 m 2
Se adoptan 2 unidades cada una con dimensiones de 2 * 2.75 m