2. Factibilidad Tcnica Memoria Descriptiva Y De Calculo Funcional Ptar

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PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES PROYECTO P.T.A.R. SAN CRISTOBAL DE LAS CASAS CHIAPAS. MEMORIA DESCRIPTIVA DE CÁLCULO FUNCIONAL Y FACTIBILIDAD TÉCNICA

Elaboro: Ing. Anibal E. Fentanes Moreno.

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CONTENIDO 1. ANTECEDENTES. 2. DATOS DE DISEÑO. 2.1 2.2 2.3

Caudales de diseño. Características del influente. Calidad del efluente.

3. MEMORIA DESCRIPTIVA TRATAMIENTO. 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9

DEL

PROCESOS

DE

Caja de control. Cárcamo de Bombeo. Pretratamiento. Reactor biológico aerobio. Sedimentador secundario. Tanque de Contacto de cloro. Espesador de Lodos. Digestor de Lodos aerobio. Deshidratación de los biosólidos.

4. MEMORIA DE CÁLCULO FUNCIONAL. 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9

Caja de control. Cárcamo de Bombeo. Pretratamiento. Reactor biológico aerobio. Sedimentador secundario. Tanque de Contacto de cloro. Espesador de Lodos. Digestor de Lodos aerobio. Deshidratación de los biosólidos.

5. FACTIBILIDAD TÉCNICA

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1. ANTECEDENTES La ciudad de San Cristóbal de las Casas está ubicada en una cuenca cerrada y su dren natural consiste en sumideros ubicados en la parte sur de la localidad. Debido a esto se han provocado inundaciones con consecuencias desastrosas, es hasta 1974 que por gestiones del Dr. Manuel Velasco Suarez Gobernador del estado en esos tiempos se construye un túnel de 4200 metros de longitud, para dar salida a las aguas de los ríos Amarillo y Fogótico que atraviesan la Ciudad. El crecimiento acelerado que ha tenido la ciudad en estas tres últimas décadas ha rebasado en mucho a la infraestructura hidráulica y principalmente a lo que corresponde a las aguas servidas, es por eso que en 2008 el gobierno del estado de Chiapas realiza el primer proyecto para el tratamiento de aguas residuales, este proyecto considera su ubicación aguas abajo del portal de salida del túnel. Para el año de 2009 se termina el proyecto pero el mismo no considero como se atravesaría la zona del túnel, ante esta situación el gobierno del estado en el 2010 contrata otro proyecto para la construcción del emisor, el cual propone la construcción un micro túnel por debajo del actual no considerando que el tiempo que se pueden desviar las aguas a los sumideros es de dos meses al año lo cual su construcción además del costo adicional se prolongaría por varios años. La administración municipal preocupada por la fuerte contaminación de los ríos del pueblo mágico de San Cristóbal gestiona recursos para la construcción de la planta tratadora de aguas residuales pero al haber un proyecto pagado por la federación, se le da la alternativa que el Ayuntamiento presente su proyecto para ser evaluado con respecto al proyecto anterior, es por ello que el presente proyecto debe competir en calidad, precio y gastos de operación que lo hagan sustentable.

2. DATOS DE DISEÑO 2.1 Caudales de diseño: La planta de tratamiento de aguas residuales (P.T.A.R.) de San Cristóbal de Las Casas, Chiapas, contara con dos trenes de tratamiento denominados TREN DE AGUA y TREN DE LODOS.

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El tren de agua se conformara por tres módulos de tratamiento secundario mediante sistemas de lodos activados de los cuales uno de ellos operara en la modalidad de mezcla completa y los dos restantes operaran en la modalidad de aireación modificada. El tren de lodos se conformará por un sistema de espesado por gravedad, un sistema de estabilización aerobia y un sistema de deshidratado mecánico. Los caudales de diseño actual y futuro se calcularon en base a los censos de población del INEGI de 1980 al 2010 con la utilización de diversos métodos para el cálculo de tasa de crecimiento, tal y como se describe en el documento anexo I. En resumen los caudales base de diseño del agua residual a ser tratada son los siguientes: TABLA 1.

CALCULO DE CAUDALES ACTUALES Y FUTUROS (2015)

POBLACIÓN ACTUAL POBLACIÓN FUTURA (2015) APORTACIÓN

187.098,00 HAB 297.677,00 HAB 150,00 LT/HAB-DÍA

Q MEDIO ACTUAL Q MINIMO ACTUAL Q MÁXIMO INSTANTANEO ACTUAL Q MÁXIMO EXTRAORDINARIO ACTUAL

324,82 162,41 582,06 873,09

LPS LPS LPS LPS

Q MEDIO FUTURO Q MINIMO FUTURO Q MÁXIMO INSTANTANEO FUTURO Q MÁXIMO EXTRAORDINARIO FUTURO

516,80 258,40 857,23 1.285,84

LPS LPS LPS LPS

Es importante mencionar que en esta primera etapa del proyecto se construirán tres módulos iguales con la opción a futuro de construir dos módulos más conforme se vaya incrementado el caudal de entrada a la planta de tratamiento.

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Para el caso del cárcamo de bombeo y pretratamiento en esta primera etapa se diseñará y se construirá para el caudal máximo instantáneo calculado para el año 2025 (857.23 lps). 2.2 Características del Influente La calidad del agua cruda a tratar es la que se muestra a continuación: TABLA 2 Características Demanda bioquímica de oxigeno. Demanda biológica de oxigeno. Sólidos suspendidos totales Nitrógeno total Kendall Fosforo total Grasas y aceites

Unidades mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L

Concentraciones promedio 330 220 161 25 4 27.1

2.3 Calidad del Efluente y lodos en exceso. La calidad del agua tratada en uno de los tres módulos cumplirá con la NOM-001SEMARNAT-1996 para cuerpo receptor tipo “C” y los dos restantes cumplirán para cuerpo receptor tipo “A” Los lodos producidos en exceso en la PTAR de San Cristóbal de Las Casas, serán estabilizados y deshidratados cumpliendo con un porcentaje de sequedad igual o mayor al 22% y con las características de un lodo tipo “C”. 3. MEMORIA DESCRIPTIVA DEL PROCESOS DE TRATAMIENTO. El proceso propuesto para el tratamiento de las aguas residuales domésticas de la Ciudad de San Cristóbal de Las Casas en el estado de Chiapas, estará conformado por las siguientes operaciones unitarias: • • • • •

Una Caja de control. Un Cárcamo de Bombeo. Un Pretratamiento. Un reactor biológico aerobio en su modalidad de mezcla completa. Dos reactores biológicos aerobios en su modalidad de aireación modificada.

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• Tres sedimentadores secundarios. • Un tanque de Contacto de cloro para el efluente del sistema de lodos activados de mezcla completa. • Un tanque de Contacto de cloro para el efluente del sistema de lodos activados de mezcla completa. • Dos espesadores de Lodos gravimétricos. • Tres digestores de Lodos aerobio. • Un sistema de deshidratación de los biosólidos en exceso.

3.1 TREN DE AGUA: 3.1.1 CAJA DE CONTROL Y DESBASTE GRUESO. Como punto de partida las aguas residuales ingresaran primeramente a una caja de control equipada con rejillas de desbaste de 75 mm de separación de limpieza manual, las cuales estarán instaladas en la pared intermedia entre esta y el cárcamo de bombeo, la función principal de esta rejillas será impedir el paso de sólidos gruesos con el objeto de proteger los equipos de bombeo contra basura y sólidos gruesos mayores a 75 mm de diámetro. Para levantar la rejilla y llevar a cabo la limpieza manual de las mismas se contará con un polipasto para izarlas. El sistema de cribado grueso consta de dos unidades para que cada una de las rejillas pueda permitir el paso del flujo máximo instantáneo (857.23 lps). 3.1.2 CARCAMO DE BOMBEO. El sistema de bombeo para el ingreso del agua residual a la planta estará diseñado para recibir y bombear los caudales de diseño a futuro indicados en la tabla 1. Los equipos de bombeo a utilizar serán del tipo sumergibles especiales para el manejo de sólidos y arenas, lo cual nos permitirá bombear el agua residual sin un proceso previo de desarenado. 3.1.3 PRETRATAMIENTO Caja de distribución y cribado grueso y fino. La caja de distribución alimentara a cuatro canales (3 en operación + 1 reserva), a lo largo de cada canal se instalara una rejilla gruesa y una fina de limpieza automática. El cribado grueso consta de dos rejillas con una apertura entre barras de 50 mm, fabricadas en acero inoxidable y son del tipo inclinadas de barras paralelas. El R.F.C. SIA-990602-UN0

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accionamiento de limpieza de estas rejillas será de forma automática por diferencial de nivel. El sistema de limpieza enviará las basuras a un contenedor por medio de una banda transportadora. Cada una de las rejillas contará con una capacidad máxima de 285.74 lps. El cribado fino consta de dos rejillas con una apertura entre barras de 6 mm, fabricadas en acero inoxidable y son del tipo inclinadas de barras paralelas. El accionamiento de limpieza de estas rejillas será de forma automática por diferencial de nivel. El sistema de limpieza enviará las basuras a un contenedor por medio de una banda transportadora. Cada una de las rejillas contará con una capacidad máxima de 285.74 lps. Sistema de desarenado. El agua residual proveniente del sistema de cribado es conducido hacia un canal común de donde se distribuirá hacia los tres desarenadores de 3 m de diámetro cada uno. El diseño de los desarenadores es del tipo vortex y contemplan su operación en forma constante para manejar una capacidad de diseño máximo de 285.74 lps por equipo. Los tanques para los desarenadores son circulares de concreto armado con fondo cónico, por donde el influente fluye a través del compartimiento exterior. El fluido entra por los extremos hacia el compartimiento exterior y la sedimentación se efectúa debido a que el fluido y las partículas suspendidas fluyen por la periferia y caen por efecto de la gravedad hacia la cámara de concentración de arenas. Las arenas y sedimentos son colectados dentro de una cámara de fondo y se extraen por medio de inyección de aire para ser succionadas y enviadas hacia el clasificador de arenas por medio de un “air lift” que descargará al clasificador donde se lavaran y posteriormente descargarlas hacia un contenedor para su disposición final. El aire para air lift y para el sistema de difusión es suministrado por medio de sopladores de desplazamiento positivo. El porcentaje de remoción de arenas será del 95% a una malla 50. La cantidad de arenas a remover a flujo promedio se estima en 2.8 m3/día. El efluente desarenado se descargará por medio de un canal hacia la etapa de tratamiento secundario, previo a esto el fluido pasara hacia una caja de distribución en donde esta permitirá al fluido dividirse en partes iguales hacia los tanques de aireación que se tienen contemplados para esta etapa.

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3.1.4 TRATAMIENTO SECUNDARIO. REACTORES BIOLOGICOS: El proceso biológico secundario seleccionado para esta planta se conforma por un sistema de lodos activados convencionales bajo la modalidad de mezcla completa y uno bajo la modalidad de aireación modificada, los criterios de diseño empleados para su dimensionamiento son los siguientes: Lodos activados mezcla completa: Edad de lodos: 5 - 15 d. F/M: 0.2 – 0.6 1/d. Carga volumétrica: 0.8 – 1.92 kg de DBO5/m3.día. SSTLM: 2,500 – 4,000 mg/L Tiempo de residencia hidráulica: 3 - 5 hrs.

Lodos activados aireación modificada: Edad de lodos: 0.2 – 0.5 d. F/M: 1.5 – 5.0 1/d. Carga volumétrica: 1.2 – 2.4 kg de DBO5/m3-día. SSTLM: 200 – 1,000 mg/L Tiempo de residencia hidráulica: 1.5 – 3.0 hrs. En esta etapa del proceso se remueve DBO, DQO y sólidos suspendidos por un proceso de oxidación y conversión de los compuestos a CO2 y H2O; este proceso es llevado a cabo por microorganismos que al degradar la materia orgánica en presencia de oxígeno, se reproducen generando lodo en exceso que debe ser removido periódicamente. El sistema biológico será diseñado en uno de sus módulos para cumplir con una concentración a la salida de DBO5 y SST de 30 y 40 mg/l máximo y el segundo módulo para cumplir con una concentración a la salida de DBO5 y SST de 150 y 150 mg/l máximo. Sistema de aireación y difusión: sopladores El sistema de aireación será diseñado para el requerimiento de oxígeno debido a la demanda en oxidación carbonácea. Una de las consideraciones principales para el cálculo del requerimiento de aire es la concentración de oxígeno en el licor R.F.C. SIA-990602-UN0

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mezclado. En el caso de carga promedio, la concentración de oxígeno disuelto será de 2 mg/l. El aire será suministrado mediante sopladores centrífugos multietapas y será distribuido dentro de los tanques de aireación mediante un sistema de difusión de burbuja fina. El equipo de aireación estará conformado por tres sopladores (2 + 1) del tipo centrífugos multietapas para darle servicio a los sistemas de lodos activados y a los digestores de lodos a través de un sistema de difusión del aire mediante difusores de burbuja fina. SEDIMENTADORES SECUNDARIOS Los sedimentadores secundarios serán de geometría circular de 25 m de diámetro equipados con un sistema de recolección y concentración de los lodos sedimentados comúnmente llamadas rastras, el accionamiento de este sistema será de tracción central. Cada clarificador secundario estará diseñado para soportar el flujo medio y máximo de alimentación a la planta; así como la carga de sólidos promedio y máxima, y el flujo de lodos recirculados (RAS) establecidos en el diseño. Los criterios de diseño empleados para su dimensionamiento son los siguientes: Clarificadores del sistema de lodos activados en la modalidad de mezcla completa: •

Carga hidráulica superficial: 19 m3/m2.día @ flujo promedio y 34 m3/m2.día @ flujo pico.

•

Carga de sólidos: 113 kg/m2.día @ flujo promedio y 166 kg/m2.día @ flujo pico.

•

Carga sobre el vertedor: 124 m3/m.día @ flujo promedio y 222 m3/m.día @ flujo pico.

Clarificadores del sistema de lodos activados en la modalidad de aireación modificada: • Carga hidráulica superficial: 19 m3/m2.día @ flujo promedio y 34 m3/m2.día @ flujo pico. •

Carga de sólidos: 18 kg/m2.día @ flujo promedio y 31 kg/m2.día @ flujo pico.

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•

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Carga sobre el vertedor: 124 m3/m.día @ flujo promedio y 222 m3/m.día @ flujo pico.

La descarga de cada reactor aerobio entra por la parte inferior de cada clarificador secundario y sube por una columna central y es descargado por orificios de la columna hacia la periferia del clarificador. Los lodos sedimentados son colectados y concentrados para su envío a un cárcamo de bombeo y de aquí recirculados a cada uno de los reactores biológicos y el exceso será purgado a los espesadores de lodos. El efluente clarificado es recolectado mediante una canaleta perimetral equipada con una placa desnatadora y una serie vertedores triangular y será enviado hacia el tanque de contacto de cloro para su desinfección final. TANQUE DE CONTACTO DE CLORO. El sistema de desinfección que se empleará en esta planta será mediante el uso de gas cloro en un tanque de contacto de cloro con un tiempo de residencia hidráulica de 30 min. dividido en 5 canales para lograr un mayor tiempo de contacto entre el cloro y el agua tratada. Es importante mencionar que el tanque de contacto de cloro estará dividido en dos secciones, uno para la desinfección del agua tratada producida en el módulo del proceso convencional de mezcla completa y el otro para el agua tratada de los módulos del proceso de aireación modificada.

3.2 TREN DE LODOS: ESPESADORES GRAVIMETRICOS Los lodos en exceso (WAS) provenientes de los sistemas de lodos activados serán enviados a una caja de distribución y de aquí serán enviados a dos espesadores de lodos por gravedad equipados con un sistema de recolección y concentración de lodos comúnmente llamadas rastras, el objetivo principal de esta unidades será concentrar los lodos del 0.8% al 2.75% con la finalidad de reducir el volumen de los digestores aerobios. Los criterios de diseño empleados para su dimensionamiento son los siguientes: Carga de sólidos: 30 kg/m2.día. Carga superficial: 3.71 m3/m2.día.

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Cada espesador de lodos tendrá un diámetro de 7.5 m y una profundidad media de 3.6 m. el porcentaje de captura de sólidos será del 95%. El sobrenadante generado en este proceso se conducirá por gravedad hasta el cárcamo de bombeo para ser tratado. DIGESTORES DE LODOS AEROBIOS Los lodos en exceso espesados serán estabilización en tres digestores aerobios equipados con un sistema de difusión de burbuja fina, cada digestor tendrá 891 m3 de capacidad y se logrará un 38% de reducción de sólidos suspendidos volátiles Como ya se menciono anteriormente el suministro de aire para los reactores biológicos y digestores de lodos se hará a través de 3 sopladores con capacidad cada uno de 2,350 pie3/min, los cuales 2 estarán en operación y el tercero estará en reserva en caso de una falla o mantenimiento en uno de ellos.

DESHIDRATADO DE LODOS. Los lodos del proceso anterior una vez estabilizados, serán enviados a un filtro prensa de bandas de un metro de ancho, previo a la entrada del lodo al filtro prensa se le aplicará una solución de polímero al 0.2% para llevar a cabo la floculación del mismo y permitir un mejor deshidratado y así cumplir con una sequedad igual o mayor al 78%. Este equipo se instalara en la parte superior de los digestores y el lodo deshidratado se descargara a un contenedor para ser retirados de la planta para su disposición final a un relleno sanitario autorizado por el municipio. La filosofía de operación de este equipo será operarlo 5 días a la semana durante 16 horas diarias.

4. MEMORIA DE CÁLCULO FUNCIONAL. • GASTO DE DISEÑO FUTURO Gasto medio de diseño

= 516.80 lt/seg = 44,651.52 m3/día.

Gasto máximo

= 857.23 lt/seg = 74,064.67 m3/día

Gasto mínimo

= 258.40 lt/seg = 22,325.76 m3/día

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• GASTOS DE DISEÑO PRIMERA ETAPA

Q Máximo =

582.06 lt/seg.

Q Medio =

324.82 lt/seg

Q Mínimo =

162.41 lt/seg

CALCULO DE LAS UNIDADES DE TRATAMIENTO PRIMERA ETAPA TREN DE AGUA I.

Pretratamiento.

a) Gasto de diseño. Q máximo = 857.23 lps b) Número de canales para rejillas gruesa y finas Tres en operación y uno en reserva manual. c) Rejillas Tipo de rejillas: 3 canales equipadas con rejillas de limpieza automática y un canal con rejillas de limpieza manual, el cual se utilizara en caso de una falla o mantenimiento de las rejillas mecánicas. Gasto máximo por rejilla: 285.74 lps Área de cada canal considerando una velocidad de 0.6 m/seg y h = 0.475 m A=

W=

0.28574

= 0.48m2 .

0.6

0.48 = 1.0m . 0.475

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Consideraciones para las rejillas gruesas: Factor beta = 2.42 Abertura de las rejillas = 50 mm Ancho máximo de las barras = 8 mm Número de aberturas de la rejilla: 5n + 0.8 (n+1) = 100 n = 17 Área total de las aberturas proyección vertical 17 x 0.05 x 0.475 = 0.40 m2. Velocidades a través de la rejilla y pérdida de carga (Ecuación de Kirschmer). hf = K

t   a 

4/3

Sen(b)

V2 2g

% DE ENSUCIAMIENTO DE LA REJILLA

AREA (m )

VELOCIDAD (m/seg)

Hf (cm)

0,40 0,36 0,32 0,28 0,24

0,71 0,79 0,88 1,01 1,18

0,50 0,62 0,79 1,03 1,40

0% 10% 20% 30% 40%

2

Consideraciones para las rejillas finas: Factor beta = 0.84 Abertura de las rejillas = 6 mm Ancho máximo de las barras = 6 mm Número de aberturas de la rejilla: 0.6n + 0.6 (83+1) = 100 n = 83 R.F.C. SIA-990602-UN0

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Área total de las aberturas proyección vertical 83 x 0.006 x 0.475 = 0.24 m2. Velocidades a través de la rejilla y pérdida de carga (Ecuación de Kirschmer). h =K f

 t 4/3  a 

Sen(b)

V2 2g

% DE ENSUCIAMIENTO DE LA REJILLA

AREA 2 (m )

VELOCIDAD (m/seg)

Hf (cm)

0% 10% 20% 30% 40%

0,24 0,21 0,19 0,17 0,14

1,21 1,34 1,51 1,73 2,01

5,88 7,26 9,18 12,00 16,33

d) Desarenadores Tipo de desarenadores: Vortex Número de unidades: 3 (tres) Gasto máximo por desarenador: 285.74 lps Carga superficial = 145.83 m3 / m2.hr. As =

(285.74 * 3.6) = 7.05m2 . 145.83

Diámetro = 3.0 m. Las dimensiones del desarenador serán dadas por el proveedor del equipo, las cuales están plasmada en los planos funcionales.

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II.

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Sistema de lodos activados convencional mezcla completa.

1. Reactor biológico. a) Número de reactores biológicos: 1 (Uno) b) Gasto de diseño 108.27 lt/seg c) Carga Orgánica CDBO5 = CSST =

9354.90x220 1000

9354.90x161 1000

= 2058.08kg / día

= 1506.14kg / día

VALORES DE LAS CONSTANTES CINÉTICAS 1. Process Parameters For heterotrophic Organisms (Table 11.2): Ytrue, kg VSS/kg BOD5 b, 1/d Assume Y value remains constant 11,3 b at T1, 1/d b at T2, 1/d 16,45 For Autotrophic Organisms (Table 11.3): Ytrue, kg VSS/kg NH3-N removed b, 1/d Ksn, mg NH3-N/L Ko, mg DO/L µmax, 1/d Assume Ytrue, Ksn and Ko remain constant with T µmax at T1, 1/d 11,3 µmax at T2, 1/d 16,45 b at T1, 1/d 11,3 b at T2, 1/d 16,45

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0,60 0,06 0,05 0,06 0,15 0,05 1,00 0,50 0,47 0,33 0,54 0,04 0,05

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d) Determinación del tiempo de retención celular a T1 (11.3°C). u = u max* [NH 3 − N /(Ksn + NH 3 − N )]* [O.D /(Ksn + O.D)] u = 0.33 * [10 /(1 + 10)] * [2.0 /(0.5 + 2.0)] = 0.24

θ c = 1/u = (1/0.24) x 1.0 = 4.2 d e) Producción total de lodos en el sistema. Lodos biológicos •

Heterótrofos

Aplicando Px = YobsQ(SO − S ) Υ

Yobs =

1 + kdθC Px = •

=

0.60 1 + (0.05 = 0.49 × 4.2)

0.49 × 9,354.90 × (220 − 20) = 921.53kg / dia 1000

Autótrofos. Nitrógeno asimilado por microorganismos heterótrofos = 921.53 x 0.12 = 110.58 kg N/día. Aplicando Yobs =

Υ 1 + kdθC

=

0.15 1 + (0.04 = 0.13 × 4.2)

NH3 – N = 234 – 110.58 – (9354.90 x (10/1000) = 29.74 kg/día

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Px = 29.74 x 0.13 = 3.77 kg/día •

Producción de lodos inertes en el influente considerando una relación de SSV / SST = 0.80 Lodos inertes = 1,506.14 * 0.20 = 301.23 kg/día

•

Producción de lodos no biodegradables considerando un 30%. Lodos no biodegradables = 1,506.14 * 0.8 * 0.3 = 361.47 Kg/día

•

Lodos totales en exceso como SST. Px = 921.53 + 3.77 + 301.23 + 361.47 = 1,588.01 kg/ día

f) Volumen del tanque de aeración. Aplicando: V=

θ C * Px *1000

V =

SSTLM

y SSTLM = 3500 ppm

4.2 x1588.01x1000 = 1907.50m3 3500

V = 1,907.50 m3 Tr =

1907.50 = 4.89hr 108.27 × 3.6

θc =

1907.50 × 3500 = 4.2d 1588.01X1000

θ c = 4.2 días Revisión de los parámetros de diseño F 9354.90 × 220 = = 0.41dia −1 M 1907.50 × 3500x0.75

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F 9354.90 x(220 / 1000) = = 1.08kg / m3 xdia V 1907.50

g) Dimensiones del reactor biológico. Si h = 5.0 m Área Superficial = 1907.50 / 5.0 = 381.50 m2 Si W = 17.35 m L = 287.73 / 17.35 = 21.99 m = 22.00 m h) Requisitos de oxígeno. Masa de oxigeno equivalente a la DBOL 9354.90x(0.220 − 0.020)

+ (29.74x4.57) = 2887.35kg / dia

0.68 Masa de oxigeno que deja el sistema como biomasa heterotrófica y autótrofa: (921.53+3.77) x 1.42 = 1313.93 kg/día Demanda de oxigeno total 2887.35 – 1313.93 = 1573.42 kg/día i) Volumen de aire en condiciones estándar Altura sobre el nivel del mar: 2113 m.s.n.m. Presión barométrica: 590.11 mm Hg Concentración de oxigeno a 20°C: 7.04 mg/lt CL = 2.0 mg/lt

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α = 0.85

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N = No

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(7.04 − 2) × 0.55 = 0.31No 9.08

j) Demanda de oxígeno total en condiciones estándar D.O. =

1573.42 0.31

= 5075.55kg / día = 211.48kg / hr

Para SOTE = 0.3166 para difusores con membrana perforada, trabajando a 1.506 pie3/min y 5.0 m de profundidad. Vaire =

211.48 = 2397.33m3 / hr = 1410.83SCFM 1.201x0.232x0.3166

k) Número de difusores. 1410.83 / 1.506 = 936.81 = 937 2. Sedimentador Secundario a) Número de unidades 1 (uno en operación) b) Gasto de diseño Q medio = Q máximo =

108.27 lt/seg 194.02 lt/seg

c) Área superficial Gasto medio 19 m3/m2dia As =

108.27 x86.4 = 492.36m2 19

D = 25 m

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Gasto máximo 34 m3/m2dia 194.02 x86.4 = 492.31m2 34 D = 25 m As =

d) Revisión por carga de sólidos Determinación del gasto de recirculación de lodos (RAS) Concentración de sólidos suspendidos totales en la recirculación de lodos = 8500 ppm Concentración de SSTLM = 3500 QRAS =

3500 = 0.70x108.27 = 75.79lps 8500 − 3500

Carga de sólidos para Q medio, mas Q recirculación. Csólidos =

(108.27 + 75.79) × 86.4 × 3.5 = 113.05kg / m 2 dia 492.36

En caso de recircular el 100% la carga de sólidos resulta. Csólidos =

256.54 × 86.4 × 3.5 = 133kg / m 2 dia 492.36

e) Volumen del sedimentador Con 8% de pendiente en el piso y un tirante medio de 2.8 metros. V = 2.8 x 492.36 = 1378.61 m3. TRH = 3.54 hrs. f) Carga sobre el vertedor Longitud del vertedor = 75.40 m

(108.27 × 86.4) = 124.06m 3 / m / dia 75.4

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Ok menor a 125 m3/m día 3. Tanque de contacto de cloro a) Número de unidades

1 (uno)

b) Gasto de diseño

108.27 lt/seg.

c) Volumen y dimensiones Tr = 30 min. Para gasto medio V =

180.27 × 30 × 60 = 194.89m3 1000

h= 2.5 m

b= 6.30 m

L = 12.40 m

Bordo libre = 0.5 m

d) Número de canales 5 de 121 cm e) Relación de recorrido longitudinal / ancho : 12.4 x5 = 51.24 1.21 f) Relación h / b = III.

2.5 1.21

= 2.0

Sistema de lodos activados aireación modificada.

1. Reactor biológico. a) Número de reactores biológicos: 2 (Dos) b) Gasto de diseño 216.55 lt/seg = 18,709.80 m3/día c) Carga Orgánica CDBO5 = CSST =

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18709.80x220 1000

18709.80x161 1000

= 4116.15kg / día

= 3012.28kg / día

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VALORES DE LAS CONSTANTES CINÉTICAS 1. Process Parameters For heterotrophic Organisms (Table 11.2): Ytrue, kg VSS/kg BOD5 b, 1/d Assume Y value remains constant 11,3 b at T1, 1/d b at T2, 1/d 16,45 For Autotrophic Organisms (Table 11.3): Ytrue, kg VSS/kg NH3-N removed b, 1/d Ksn, mg NH3-N/L Ko, mg DO/L µmax, 1/d Assume Ytrue, Ksn and Ko remain constant with T µmax at T1, 1/d 11,3 µmax at T2, 1/d 16,45 b at T1, 1/d 11,3

0,85 0,06

b at T2, 1/d

0,05

16,45

0,05 0,06 0,15 0,05 1,0 0,5 0,47 0,33 0,54 0,04

d) Determinación del tiempo de retención celular a T1 (11.3°C). u = u max*[NH 3 − N /(Ksn + NH 3 − N )]* [O.D /(Ksn + O.D)] u = 0.33 * [25 /(1 + 25)]* [2.0 /(0.5 + 2.0)] = 0.25

θ c = 1/u = (1/0.25) x 0.12 = 0.48 d e) Producción total de lodos en el sistema. Lodos biológicos •

Heterótrofos Aplicando Px = YobsQ(SO − S ) Yobs =

Υ 1 + kdθC

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=

0.85 1 + (0.05 = 0.83 × 0.48) IMSS. A68-37456-10 7

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0.83 ×18709.80 × (220 − 100) = 1863.50kg / dia 1000

Px = •

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Autótrofos. En esta variante, la nitrificación es prácticamente nula, por lo que no hay lodos de organismos autótrofos.

f) Producción de lodos inertes en el influente considerando una relación de SSV / SST = 0.80 Lodos inertes = 3,012.28 * 0.20 = 602.46 kg/día g) Producción de lodos no biodegradables considerando un 30%. Lodos no biodegradables = 3,012.28 * 0.8 * 0.3 = 722.95 Kg/día h) Lodos totales en exceso como SST. Px = 1863.50 + 602.46 + 722.95 = 3,188.91 kg/ día i) Volumen del tanque de aeración. Aplicando: V=

θ C * Px *1000

V =

SSTLM

y SSTLM = 850 ppm

0.48x3188.91x1000 = 1800.80m3 850

V = 1,800.80 m3 Tr =

1800.80 = 2.31hr 216.55 × 3.6

θc =

1800.80 × 850 = 0.48d 3188.91x1000

θ c = 0.48 días

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Revisión de los parámetros de diseño F 18709.80 × 220 = = 3.59dia −1 M 1800.80 × 850x0.75 F 18709.80 x(220 / 1000) = = 2.28kg / m3 xdia V 1800.80 j) Dimensiones de los reactores biológicos. Numero de reactores: Dos (2) Volumen por cada reactor biológico = 1800.80 / 2 = 900.40 m3. Si h = 5.0 m Área Superficial = 900.40 / 5.0 = 180.08 m2 Si W = 8.20 m L = 180.08 / 8.20 = 21.96 m = 22.00 m k) Requisitos de oxígeno. Masa de oxigeno equivalente a la DBOL 18709.80 x(0.220 − 0.100) = 3301.73kg / dia 0.68 Masa de oxigeno que deja el sistema como biomasa heterotrófica: (1863.50) x 1.42 = 2646.17 kg/día Demanda de oxigeno total 3301.73 – 2646.17 = 655.56 kg/día l) Volumen de aire en condiciones estándar Altura sobre el nivel del mar: 2113 m.s.n.m. Presión barométrica: 590.11 mm Hg R.F.C. SIA-990602-UN0

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Concentración de oxigeno a 20°C: 7.04 mg/lt CL = 2.0 mg/lt

N = No

α = 0.55

(7.04 − 2) × 0.55 = 0.31No 9.08

m) Demanda de oxígeno total en condiciones estándar D.O. =

655.56 0.31

= 2114.71kg / día = 88.11kg / hr

Para SOTE = 0.2955 para difusores con membrana perforada, trabajando a 1.52 pie3/min y 5.0 m de profundidad. Vaire =

88.11 = 1070.13m3 / hr = 629.77SCFM 1.201x0.232x0.2955

n) Numero de difusores por tanque. (629.77 / 2)

= 207.16 = 208

1.52 2. Sedimentador Secundario a) Número de unidades 2 (dos en operación) b) Gasto de diseño por sedimentador secundario Q medio = Q máximo =

108.27 lt/seg 194.02 lt/seg

c) Área superficial Gasto medio 19 m3/m2dia

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As =

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108.27 x86.4 = 492.36m2 19

D = 25 m Gasto máximo 34 m3/m2dia 194.02 x86.4 = 492.31m2 34 D = 25 m As =

d) Revisión por carga de sólidos Determinación del gasto de recirculación de lodos (RAS) Concentración de sólidos suspendidos totales en la recirculación de lodos = 8500 ppm Concentración de SSTLM = 850 QRAS =

850 = 0.11x108.27 = 12.03lps 8500 − 850

Carga de sólidos para Q medio, mas Q recirculación. Csólidos =

(108.27 + 12.03) × 86.4 × 0.85 = 17.94kg / m 2 dia 492.36

En caso de recircular el 25% la carga de sólidos resulta. Csólidos =

135.34 × 86.4 × 0.85 = 20.19kg / m 2 dia 492.36

e) Volumen del sedimentador Con 8% de pendiente en el piso y un tirante medio de 2.8 metros. V = 2.8 x 492.36 = 1378.61 m3. TRH = 3.54 hrs.

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f) Carga sobre el vertedor Longitud del vertedor = 75.40 m

(108.27 × 86.4) = 124.06m 3 / m / dia 75.4

Ok menor a 125 m3/m día 3. Tanque de contacto de cloro g) Número de unidades

1 (uno)

h) Gasto de diseño

216.55 lt/seg.

i) Volumen y dimensiones Tr = 30 min. Para gasto medio V =

216.55 × 30 × 60 = 389.79m3 1000

h= 2.5 m

b= 12.60 m

L = 12.40 m

Bordo libre = 0.5 m

j) Número de canales 7 de 175 cm k) Relación de recorrido longitudinal / ancho : 12.4 x7 = 49.6 1.75 l) Relación h / b =

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2.5 = 1.42 1.75

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TREN DE LODOS IV.

Espesador de lodos a) Número de unidades: 2 (dos). b) Tipo de espesador: Gravimétrico c) Determinación de lodos ha espesado.

o) Lodos en exceso que abandona convencional mezcla completa.

del sistema

de lodos activados

WAS = Px − (Q * SSTefluente ) WAS = 1588.01 − (9354.90 * 0.030) = 1307.36kg / día p) Lodos en exceso que abandona del sistema de lodos activados aireación extendida. WAS = Px − (Q * SSTefluente ) WAS = 3188.91 − (18709.80 * 0.100) = 1317.93kg / día q) Masa de lodos totales en exceso a espesamiento. WAS = 1307.36 + 1317.93 = 2625.29kg / día Masa de lodos a manejar por unidad =

2625.29 2

= 1312.65kg / dia

Volumen con una concentración del 0.80% y gravedad especifica de 1.01 Volumen de lodos =

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1312.65 = 162.45m3 / dia 1000 × 0.008 ×1.01

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d) Determinación del área para carga de sólidos = 30 kg / m2.día

Área =

1312.65

= 43.76m2

30

Diámetro = 7.50 m e) Carga hidráulica. C.H . =

162.45 43.76

= 3.71kg / m 2 − día

f) Volumen de cada espesador de lodos. Con 20% de pendiente en el piso y un tirante medio de 3.63 metros. V = 3.63 x 43.76 = 158.85 m3. TRH = 23.47 hrs. g) Masa total de lodos espesados considerando un 95% de captura. Masa de lodos espesados = 2625.29 x 0.95 = 2,494.02 kg/día. h) Volumen total de lodos espesados considerando una concentración del 2.75% y una gravedad especifica de 1.02. V = V.

2494.02 = 88.91m3 1000x1.02 * 0.0275

Digestión de lodos. a) Número de unidades: 3 (tres). b) Tipo de digestores: aerobio. c) Temperaturas ambientales:

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Verano: 16.45°C. Invierno: 11.30°C. d) Volumen de lodos a procesar por unidad: 29.64 m3. e) Edad de lodos. Para obtener un 38% de reducción de volátiles en invierno se requieren: 475 / 11.30 = 42 días. f) Eficiencia de remoción en verano: Para un tiempo de retención con temperatura de 16.45°C = 30 días 16.45 x 30 = 493.5°C días con una reducción del 40%. g) Determinación del volumen de cada digestor. V = 30 x 29.64 = 889.2 m3. h) Dimensiones de cada digestor. Si h = 5.0 m Área Superficial = 889.2 / 5.0 = 177.84 m2 Si W = 10.80 m L = 177.84 / 10.80 = 16.47 m = 16.50 m. i) Requerimientos de oxígeno. Sólidos volátiles = 2494.02 * 0.75 = 1870.52 kg/día. Reducción de volátiles = 1870.52 x 0.40 = 748.21 kg/día. RO2 = 748.21 x 2.3 = 1720.9 kg/ día

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j) Demanda de oxigeno total en condiciones estándar: D.O. =

1720.90 0.31

= 5551.29kg / día

Requerimientos de aire en condiciones estándar: Para SOTE = 0.3110 para difusores con membrana perforada, trabajando a 1.53 pie3/min y 5.0 m de profundidad. Vaire =

(5551.29 / 24) = 2669.26m3 / hr = 1570.86SCFM 1.201x0.232x0.3110

k) Número de difusores por digestor.

(1570.86 / 3) = 342.2 = 343 1.53 l) Requerimiento de aire en condiciones actuales. DeACFM = SCFMx

Ps − ( RHsxPVs) Ta Pb x x Pb − (RHaxPVa) Ts Pa

Ps = 14.7 psi Pb = 11.41 psi Pa = 11.21 psi RHs = 36% Ts = 527.67°R PVs = 0.3393

RHa = 82% Ta = 517.59°R PVa = 0.2329

ACFM = 1.30 SCFM.

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m) Capacidad total de los sopladores, considerando el volumen de aire requerido en los tanques de aireación y digestores. Unidad de tratamiento Reactor biológico mezcla completa. Reactor biológico aireación modificada. Digestores de lodos. Total de aire

SCFM 1,410.83 629.77 1,570.86 3,611.46

ACFM 1,834 822 2,041 4,697

n) Selección de los sopladores. Con base a los volúmenes de aire descritos en la tabla anterior se proponen tres sopladores (2 en operación + 1 en reserva) del tipo centrífugos multietapa con capacidad cada uno de 2,348.50 pie3/min. VI.

Secado de lodos

r) Método de secado: mecánico mediante un filtro prensa de bandas s) Masa de lodos a procesar = 2494.02 – 748.21 = 1,745.81 kg/ día Carga de sólidos por metro de banda: Lodos activados digeridos aeróbicamente: 100 a 300 kg / hr.m. •

•

Filosofía de operación. Días a la semana en operación

5 días.

Horas al día en operación

16 hr.

Total de horas a la semana

80 hr.

Peso de lodos conforme a la filosofía de operación arriba descrita. 1745.81 x 7 = 12,220.67 kg/semana / 80 hr = 152.75 kg/hr. Se selecciona un filtro prensa de bandas de 1.0 metros de ancho de banda.

•

Peso del lodo seco

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% de captura de sólidos: 95% 152.75 x 0.95 x 16 = 2,321.80 kg/día •

Volumen de lodos seco Concentración del lodo Gravedad especifica

22% 1.06

5.- FACTIBILIDAD TÉCNICA Como se observa en los apartados anteriores, se cuenta totalmente concluido el proyecto ejecutivo, el cual comprende planos topográficos, de planta y detalle de cada una de las estructuras. Se cuenta con los números generadores y el presupuesto a nivel de precios unitarios de la obra. Este proyecto está siendo dictaminado por las Autoridades de la Comisión Nacional del Agua, quienes han participado en las diferentes etapas de diagnóstico y planeación que precedieron al proyecto ejecutivo. Los alcances técnicos planteados en el proyecto ejecutivo, coinciden con lo desarrollado en plantas de tratamiento construidas en el Estado, por lo que se cuenta con experiencia en la construcción de este tipo de infraestructura. Por otra parte, los equipos electromecánicos y estructuras que se contemplan en el proyecto se comercializan ampliamente en el país, ubicándose varios proveedores así como técnicos especializados en la operación, mantenimiento y reparación. Se cuenta además con amplia experiencia, tanto en el estado de Chiapas como en el resto del país, en la construcción y operación de plantas de tratamiento bajo el sistema de lodos activados. Se cuenta con las vías de acceso para el suministro de materiales y equipo necesarios para la construcción de la Planta, así como la infraestructura adecuada para abastecer el principal insumo durante la operación dela PTAR que es la energía eléctrica. En virtud de los aspectos anteriormente señalados, se considera que el Proyecto de Construcción de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales en San Cristóbal de las Casas para un gasto de 300 l/s, es técnicamente factible de realizarse en los términos propuestos en el proyecto ejecutivo.

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