Diseño y modelación de un sistema de alimentación para lombrifiltros

Índicegeneral

Índicedefiguras

Índicedecuadros

1. Introducci ón
1.1. Introducci ón general
1.2. Problemas operacionales
1.3. Resumen de literatura
1.3.1. Layout del lombrifiltro
1.3.2. Sistemas de riego por aspersi ón
1.3.3. Parámetros hidráulicos
1.3.4. Velocidad de flujo en tuberias
1.4. Objetivos
1.4.1. Objetivo general
1.4.2. Objetivos específicos

2. Metodología
2.1. Dise ño hidráulico
2.1.1. Procedimientos utilizados en el dise ño
2.2. Escenarios de fluctuaciones de aguas residuales
2.3. EPAnet
2.3.1. Componentes Físicos
2.3.2. Bomba
2.3.3. Emisores
2.3.4. Patrones de Tiempo
2.3.5. Ecuaci ón de Pérdidas
2.4. Costos de infraestructura, operaciones y equipos

3. Resultados y Análisis
3.1. Capacidad hidráulica de lombrifiltro
3.2. Construcci ón de un modelo para simulaci ón de la varia- ci ón temporal en producci ón de aguas residuales
3.3. Construcci ón de modelo hidráulico para alimentaci ón de lombrifiltros con EPAnet
3.4. Simulaciones de sistemas de alimentaci ón
3.4.1. Escenario 1 - Caudal constante
3.4.2. Escenario 2. Industrial
3.4.3. Escenario 3. Municipal
3.5. Costo de operaciones y materiales
3.5.1. Costos escenario
3.5.2. Costos escenario
3.5.3. Costos escenario
3.6. Análisis General

4. Conclusiones y Recomendaciones
4.1. Conclusiones
4.2. Recomendaciones

Bibliografía

Índicede figuras

1.1. Características internas de la lombriz californiana (Eise- nia Foetida) Fuente: (Lombricultura Guadalajara, 2017)

1.2. Representaci ón esquemática del sistema de un lombrifil- tro con las distintas capas de materiales y el sistema de riego por aspersi ón

1.3. Lombrifiltro ubicado en la ciudad de Itauguá, departa- mento Central

1.4. Representaci ón esquemática del tratamiento de afluen- tes con el sistema de lombrifiltros

2.1. Patrones de tiempos utilizados para modelar la produc- ci ón de agua residual en tres escenarios distintos

2.2. Componentes físicos de un esquema de distribuci ón de agua en EPANET. Fuente: (Rossman, 2000)

2.3. Curvas H-Q de bombas disponibles en el mercado local. Fuente: (Record Electric, 2017)

2.4. Esquema de funcionamiento de las bombas automatiza- das de EPAnet

2.5. Patr ón definido en EPAnet

3.1. Caudales te óricos para los tres escenarios

3.2. Variaciones de alturas en el reservorio del escenario

3.3. Modelo conceptual utilizado para simulaci ón de varia- ci ón de caudal

3.4. Comparaci ón entre caudal obtenido te óricamente y cau- dal obtenido a través de EPAnet

3.5. Representaci ón general del dise ño realizado en EPAnet para los tres escenarios

3.6. Curva de la bomba utilizada en el escenario

3.7. Escenario 1. Caudal constante. Diámetros (mm) a través de toda la red de distribuci ón

3.8. Escenario 1. Caudal constante. Variaciones de caudales (l/s) a través de todo el lombrifiltro

3.9. Caudal de alimentaci ón durante un día para el escenario

3.10. Curva de la bomba utilizada en el escenario

3.11. Escenario 2. Industrial. Diámetros (mm.) de las tuberías en todo el sistema

3.12. Escenario 2 Industrial. Variaciones de caudales (l/s) através de todo el lombrifiltro durante el tiempo de bom- beo

3.13. Escenario 2. Industrial. Variaci ón de nivel (m.) del pozo de succi ón

3.14. Escenario 2. Industrial. Velocidad (m/s) del agua resi- dual en las tuberías

3.15. Caudal de alimentaci ón durante un día para el escenario

3.16. Escenario 3. Municipal. Variaciones de caudales (l/s) a través de todo el lombrifiltro durante el tiempo de bombeo

3.17. Escenario 3. Municipal. En esta figura se pueden obser-var los diámetros (mm) de las tuberias en todo el lom- brifiltro

3.18. Escenario 3. Municipal. Variaci ón de nivel (m.) del pozo de succi ón

3.19. Escenario 3. Municipal. Variaciones de las velocidades(m/s) a través de todo el lombrifiltro durante el tiempo de bombeo

3.20. Caudal de alimentaci ón durante un día para el escenario

4.1. Características de bombas utilizada en las simulaciones

4.2. Características 2 de bombas utilizada en las simulaciones

4.3. Foto 1 lombrifiltro Itauguá. Proceso de renovaci ón de aserrín

4.4. Foto 2 lombrifiltro Itauguá. Estanque de desinfecci ón

4.5. Foto 3 lombrifiltro Itauguá. Pozo de succi ón

4.6. Costos de equipos de automatizaci ón

4.7. Costo de aspersores

4.8. Costo de aspersores

Índicede cuadros

3.1. Costos aproximados para las instalaciones del escenario

3.2. Costos aproximados para las instalaciones del escenario

3.3. Costos aproximados para las instalaciones del escenario

Resumen

El lombrifiltro es un método alternativo para el tratamiento de aguasresiduales con respecto a los tratamientos convencionales. Este sistemade tratamiento utiliza microorganismos y lombrices californianas enel proceso por lo que precisa conservar ciertas condiciones operacio-nales para evitar cualquier da ño en el mismo. La clave en el correctofuncionamiento de este sistema se encuentra en su correcto sistema dealimentaci ón de agua residual. En este proyecto se dise ñ ó y model ó unsistema de alimentaci ón para lombrifiltros en diferentes escenarios deproducci ón de aguas residuales provenientes de una fuente constante,una industria y un municipio. Se tom ó como referencia el HLR del estu-dio de Lourenço (2017) para dimensionar la capacidad de tratamiento.Para el dise ño hidráulico del sistema de alimentaci ón fue utilizado elsoftware de modelaci ón hidraulica EPAnet. Se tom ó como referenciaun lombrifiltro ubicado en la ciudad de Itauguá (Paraguay). Para el di-mensionamiento de tuberías tuvo en cuenta la distribuci ón uniformede agua residual en el lombrifiltro. Se obtuvieron como resultado tresdistintos modelos de alimentaci ón para lombrifiltros los cuales fueronestudiados y analizados técnicamente. La selecci ón de bombas de aguay el dimensionamiento de los pozos de succi ón se realiz ó en funci ónde los escenarios de producci ón de agua residual. El dimensionamien-to de los pozos de succi ón para almacenamiento de agua residual serealiz ó en base a la producci ón de aguas residuales por parte de cadaescenario. Finalmente además del dise ño hidráulico se ha calculado loscostos de construcci ón y operaci ón para cada uno de los escenarios.

Zusammenfassung

Das Lombrifiltro wird als alternatives Verfahren zur Abwasserbehand-lung gegen über herk ömmlichen Behandlungen eingesetzt. Bei diesemBehandlungssystem werden Mikroorganismen und kalifornische W ürmerverwendet, weshalb es notwendig ist, bestimmte Betriebsbedingungenin Stand zu halten , um Schaden zu vermeiden. Der Schl üssel f ür daseinwandfreie Funktionieren dieses Systems liegt in seinem korrektenAbwasserzufuhrsystem. In diesem Projekt wurde ein F ütterungssys-tem f ür Regenw ürmer entwickelt und in verschiedenen Produktionss-zenarien von Abwasser aus einer Gemeinde, einer konstanten Quelleund einer Industrie modelliert. F ür die Auslegung des F ütterungssys-tems wurde die Software EPAnet 2.0 verwendet, mit der eine Behand-lungsanlage mit realen Daten simuliert wurde. Es wurden drei vers-chiedene F ütterungsmodelle f ür Regenw ürmer erhalten, die technischmit Simulationen untersucht und analysiert wurden. Bei der Bemes-sung der Rohre in den Modellen wurde die gleichmäßige Verteilungdes Restwassers im Vermicom ber ücksichtigt. Die Auswahl der Was-serpumpen f ür die Szenarien basierte auf der Notwendigkeit, jede Pum-pe zu pumpen, um bestimmten Parametern zu entsprechen. Die Di-mensionierung der Saugbrunnen zur Speicherung von Restwasser wur-de basierend auf der Erzeugung von Abwasser nach jedem Szenariodurchgef ührt. In diesem Projekt wurde das HLR der Lourenco-Studie(2017) als Referenz zur Beurteilung der Behandlungskapazität heran-gezogen. Die Gesamtkosten f ür jedes Modell wurden ebenfalls berech-net.

Capítulo 1 Introducci ón

1.1. Introducci ón general

En comparaci ón a otros países de la regi ón en Paraguay existe unamuy baja cobertura de alcantarillado sanitario, seg ún la DGEEC (2015)solo el 12.3 % de la poblaci ón tiene cobertura sanitaria. Por esa raz ónse dificulta el tratamiento de las aguas residuales producidas para dis-tintas actividades ya sean industriales o domésticas. Estas aguas con-tienen sustancias orgánicas y pat ógenos entre otros compuestos pro-venientes tanto de las industrias como de los domicilios. En Paraguaygran parte de las aguas residuales son vertidas directamente a lagunas,arroyos y ríos impactando de manera negativa al medio ambiente.

En Asunci ón la mayor parte de las aguas cloacales de la ciudad lle-gan al rio Paraguay sin tratamiento alguno (Merlos, 2013).Debido a esto, la problemática de saneamiento de las aguas residualesse complica a ún más. La creciente poblaci ón y su falta de concienciaambiental complica a ún más la problemática de saneamiento. Además,en varias partes del país se realizan vertimientos in situ. Los vertimien-tos como son las cámaras sépticas y pozos ciegos son de los más comu-nes, este último da ña directamente al suelo y las aguas subterráneas,con la cual se abastece el consumo poblacional. Seg ún estudios de laDGEEC (2015), el 42.8 % de las viviendas en Paraguay vierten sus desechosen una combinaci ón de cámaras sépticas y pozos ciegos, mientras que el 26.7 % las vierten directamente a pozos ciegos. En Paraguay existen dos obstáculos que dificultan la implementaci ón de plantas de tratamiento de aguas residuales, uno de ellos es la aceptaci ón de dichas plantas por parte de la poblaci ón en general y el otro obstáculo es el alto costo del terreno a utilizar para las plantas de tratamiento. (Cuppens, et al. 2008)

Existen distintos sistemas de plantas de tratamiento de aguas resi-duales con distintas tecnologías de tratamiento, siendo las conocidascomo convencionales los sistemas de tratamiento con lagunas de es-tabilizaci ón, lodos activados, reactores biol ógicos y otros. Una tecno-logía más reciente con respecto a las convencionales es la planta detratamiento con lombrifiltros. El lombrifiltro también es consideradouna alternativa al ser ecol ógico y amigable con el medio ambiente.Como también considerada altamente efectiva en el tratamiento delagua con una reducci ón de parámetros como la demanda bioquímicade oxígeno, grasas y aceites, nitr ógeno, s ólidos disueltos, f ósforo, amo-niaco y otros que se encuentran en las aguas. (Maldonado, 2012)

Un ejemplo emblemático de dicho tipo de tratamiento es el sistemaTohá creada y desarrollada por el Dr. Jose Tohá en Chile, específica-mente en la Universidad de Chile. El sistema consiste en el tratamientode las aguas utilizando lombrifiltros que están compuestos por distin-tas capas. La capa superior consiste en un material orgánico (aserrín)con un gran n úmero de microorganismos y lombrices californianas, lacapa del medio consiste en gravas y triturados (piedras peque ñas) y lacapa base consiste de piedras redondas las cuales permiten la oxigena-ci ón de las aguas para finalmente pasar a un proceso de desinfecci ón (Le ón & Castillo, 2015) La lombriz roja californiana es una de las especies de lombrices conmejores tasas de reproducci ón y resistencia a climas muy cálidos y fríospor lo que es una especie ideal para habitar los lombrifiltros, algunasde sus ventajas son: su prolongada vida activa (aproximadamente 16a ños de vida) y alta reproductividad (una lombriz californiana adul-ta puede producir hasta 1500 crías en un a ño), sus heces (humus) son consideradas unos de los mejores abonos fertilizantes naturales para suelos por su alto contenido de flora bacteriana viva aproximadamente (Toccalino, et al 2004). En la figura 1.1 se puede apreciar a la lombriz californiana y sus características internas.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Figura 1.1: Características internas de la lombriz californiana (Eisenia Foetida) Fuente: (Lombricultura Guadalajara, 2017)

Las lombrices operan en las primeras capas del lombrifiltro don-de se encuentran el aserrín y los microorganismos. La materia orgáni-ca que queda retenida en el medio filtrante es removida por la pobla-ci ón de lombrices, estas son las que se encargan de degradar la materiaorgánica que utilizan como fuente de alimento, energía para sus pro-cesos metab ólicos y una fracci ón que pasa a formar parte de su masacorporal (Reyes, 2016). El crecimiento y reproducci ón de la lombriz ca-liforniana están directamente relacionados con el tipo de sustrato en elcual vive y se desarrolla.

La alimentaci ón del lombrifiltro con aguas residuales es clave para un buen funcionamiento del mismo. Para la distribuci ón del agua residual dentro del lombrifiltro se utiliza un sistema de riego con aspersores, esto se puede apreciar en la figura 4.8.

El origen del lombrifiltro se basa en la constante necesidad de ha- llar nuevas tecnologías de tratamiento fuera de lo convencional y quetengan una mejor aplicabilidad tanto en la sencillez del dise ño como enel costo que conlleva la implementaci ón sin dejar de lado la efectividaden el tratamiento.

Paraguay es un país en vías de desarrollo, por lo que a modo de acompa ñamiento del crecimiento industrial y poblacional es necesario implementar más plantas de tratamientos a modo de evitar que este crecimiento siga impactando de mala manera al medio ambiente. El lombrifiltro se presenta como una opci ón para este caso.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Figura 1.2: Representaci ón esquemática del sistema de un lombrifiltrocon las distintas capas de materiales y el sistema de riego por aspersi ón.

La implementaci ón de este sistema es más econ ómica en compara-ci ón a sistemas convencionales como los lodos activados, el lombrifil-tro puede ser implementado en plantas de tratamientos para residen-cias privadas, escuelas, comunidades, mataderos, Empresas frutícolas,vinícolas y en general empresas del área agro-alimentaria (Sep úlveda,2004). La operaci ón del lombrifiltro es simple y parecida a las prácticasagrícolas, de fácil comprensi ón y manejo (Miranda, P., 2005).

En Paraguay, se ha implementado al menos una planta de trata-miento con lombrifiltro, tratando aguas residuales de una peque ña po-blaci ón en la ciudad de Itauguá, departamento Central. En la figura 1.3se puede apreciar el lombrifiltro ubicado en esta ciudad.El proyecto fue ejecutado en el a ño 2007 en el cual se desarroll ó un proyecto municipal para el tratamiento de las aguas residuales de laciudad, con una capacidad para 10.000 habitantes, el proyecto fue pla-nificado por un grupo de especialistas en el área, la planificaci ón in-cluy ó el dise ño de alcantarillado sanitario y la planta de tratamientocomo la capacitaci ón de los funcionarios encargados del control de laplanta (Alter Vida, 2007)

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Figura 1.3: Lombrifiltro ubicado en la ciudad de Itauguá, departamentoCentral.

Sin embargo el proyecto no fue finalizado en su totalidad. Actualmente la planta tiene capacidad para el tratamiento de efluentes de 500 domicilios aunque, debido a la baja cobertura del alcantarillado sanitario de la ciudad actualmente solo funciona con 70 casas. Esto representa el 14 % de la poblaci ón del área de cobertura prevista.

1.2. Problemas operacionales

Para que el lombrifiltro funcione correctamente se deben cumplir ciertos parámetros como por ejemplo la humedad, para este proceso es fundamental tener un sistema adecuado de alimentaci ón del lombrifiltro, es aquí en donde se genera un problema que típicamente se presenta en este sistema de tratamiento; la alimentaci ón regular y constante del lombrifiltro (Le ón & Castillo, 2015).

Sin un flujo continuo y regular de afluente, en este caso aguas resi-duales, el lombrifiltro puede secarse hasta el punto en donde las lom-brices reduzcan su capacidad de alimentarse y bajar sus rendimientosen la eliminaci ón de los desechos o en el peor de los casos puede ocu-rrir una mortandad de estos dejando el lombrifiltro defectuoso.Sin embargo, si ocurre lo contrario, es decir, si entran afluentes en ex-ceso al lombrifiltro las lombrices no soportarán y morirán debido a queno toleran tanta humedad (Del Aguila et al. 2011).

En ambos casos (escasez o exceso) la raz ón principal que normal-mente origina dichos inconvenientes es la fluctuaci ón de producci ónde aguas residuales en las industrias y municipios. Otra raz ón por lacual ocurre este problema es la interrupci ón de la energía eléctrica. Porestas razones las plantas de tratamientos con lombrifiltros están suje-tas a dichas fluctuaciones, ya que dependen de la cantidad de aguaresidual disponible para mantener un flujo continuo de riego para loslombrifiltros.

Otro problema operacional se da en los aspersores con los atora-mientos de s ólidos en ellos. Esto ocurre cuando durante el pre trata-miento (desarenado o pre filtrado) del agua cruda no se eliminan todoslos residuos peque ños. Entonces al llegar a los aspersores estos con eltiempo quedan atorados parcial o totalmente dificultando el funciona-miento normal de los mismos. Este problema se afronta constantemen-te en este tipo de sistemas de riegos.

Durante una visita de campo realizada al lombrifiltro de Itauguá se pudo constatar que los operadores cuentan con dificultades al momen-to de medir la eficiencia del tratamiento. El riego se realiza manual-mente, es decir, no cuentan con parámetros de riego, los operadoreslo realizan de una manera no estandarizada y con cierta incertidum-bre. No se lleva un control constante del caudal de entrada ni de salidacomo tampoco un control adecuado de la humedad en el lombrifiltro.Por lo que la conservaci ón del buen estado del mismo, las lombricesy los microorganismos que habitan en ella dependen de al menos lahumedad mínima necesaria tal que cumpla con las necesidades de su-pervivencia de los mismos.

1.3. Resumen de literatura

1.3.1. Layout del lombrifiltro

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Figura 1.4: Representaci ón esquemática del tratamiento de afluentes con el sistema de lombrifiltros

El proceso de tratamiento se inicia en la recepci ón del afluente cru-do en un desarenador en donde los s ólidos suspendidos son retenidos.Posteriormente el agua residual se deposita por gravedad en un pozode succi ón. Con la ayuda de una bomba las aguas son enviadas al lom-brifitro en el cual son distribuidas por aspersi ón. El agua filtra a travésdel lombrifiltro permitiendo retener la mayor parte de los contaminan-tes en los distintos materiales. Posteriormente el agua se dirige a travésde las tuberías a una cámara de desinfecci ón. La desinfecci ón consisteen hacer circular el agua a través de rayos UV, aunque otra opci ón esun estanque de clorificaci ón. El estanque de clorificaci ón tradicional-mente cuenta con bloques hormigonados que obligan al agua circulara través de todo el estanque permitiendo mezclarse totalmente con elcloro introducido.

1.3.2. Sistemas de riego por aspersi ón

El sistema de riego tiene como fin la alimentaci ón del lombrifiltro con agua residual, es decir el riego del lombrifiltro. Existen dos formas de riegos más comunes, el riego manual y el riego automático (programado), ambos utilizan dentro del lombrifiltro la distribuci ón por aspersi ón (García Lastra, 2009).

El sistema manual consta generalmente de la misma estructura hidráulica que el automático pero la diferencia se encuentra en los comandosdonde en el sistema manual se debe activar el riego manualmente decaracterísticas variables seg ún la funci ón del lombrifiltro. Este sistemaes muy sencillo pero requiere un trabajador destinado exclusivamentea esta labor (García Lastra, 2009).

El sistema automático consiste en el riego programado del lombri-filtro durante el día, la cantidad de tiempo y periodos de riegos depen-den de un análisis previo de variables como el tama ño del lombrifil-tro, caudal de producci ón de agua residual, capacidad de la bomba deagua, tiempo de retenci ón hidráulica del lombrifiltro, humedad y otrosfactores.

Los sistemas de riegos automatizados facilitan el manejo del agua co-mo también disminuye la necesidad de operadores por lo que tambiénreduce el error humano y produce mayor eficiencia. (Mendoza, J. et al.2010) Modos de alimentaci ón de Lombrifiltros Com ´unmente existen tres modos de alimentaci ón de lombrifiltros:el modo continuo, el modo por lotes(batch) y el modo intermitente.Realizarlo de la manera continua es una manera com ún y simple eneste sistema. El modo intermitente consiste en el riego en diferentesperiodos a modo de lograr una mayor aireaci ón en el lombrifiltro. Elmodo por Lote consiste en descargar una gran cantidad de agua paraque sea filtrada de una sola vez. Para obtener la máxima eficiencia enlos lombrifiltros estos deben someterse a periodos secos. Estos perio-dos permitirán la entrada de más oxígeno al lombrifiltro permitiendo oxidar las aguas residuales entrantes. Este periodo seco se refiere a una alimentaci ón intermitente el cual ayuda a recuperar la porosidad en el lombrifiltro y por ende a revivirlo (Singh, et al 2017).

1.3.3. Parámetros hidráulicos

Tiempo de retenci ón hidráulica (TRH)

El Tiempo de Retenci ón Hidráulica (TRH) es unos de los parámetros más importantes en todo el sistema de tratamiento de aguas residuales. (Calvache W., Chavez M. & Duran C. 2002)

Es el tiempo que le toma al agua fluir a través del material filtrante hasta llegar al fondo, el TRH depende de parámetros como la velocidad de flujo de los afluentes a través del material filtrante como también del volumen y la porosidad del mismo.

El tiempo de retenci ón hidráulica se expresa como:

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Q entrada

Donde:

TRH = Tiempo de Retención Hidráulica (dia) V s = Volumen del material filtrante (m ³ ) Q entrada = Caudal de entrada (m ³ /dia) ρ = Porosidad (%)

Para que en el lombrifiltro las lombrices puedan degradar los pat óge-nos y químicos t óxicos con mayor eficiencia deben ser sometidas a unTRH de al menos 2 horas. Esto permitirá una mayor interacci ón entrelas lombrices con los desechos de las aguas residuales. (Sinha, R. et al.2008)

Segun (Lourenço & Nunes, 2017) el TRH con la mejor eficiencia en remoci ón de contaminantes es de 6 horas.

La porosidad ρ en los lombrifiltros dependen específicamente de los materiales que la componen.

Seg ún (Sinha, et al. 2008) la porosidad en los lombrifiltros es de 60 %.

Mientras que seg ún (Lourenço & Nunes, 2017) la porosidad en el lombrifiltro es de 73.7 %

Tasa de carga hidráulica (HLR)

La tasa de carga hidráulica (HLR en sus siglas en inglés) es el volu-men de agua residual que puede ser tratado en un área filtrante (Lom-brilfiltro) por cierto tiempo dado. La HLR depende de ciertos paráme-tros como la cantidad y tama ño de lombrices en el lombrifiltro comotambién del tipo de material filtrante con el que este se componga. (Sin-ha, et al. 2008)

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A.t

Donde:

HLR =Tasa de carga hidráulica (m ³ m − ² dia − ¹ )

t = Tiempo que tarde el agua en pasar por el material filtrante (dia) A = Á rea del material filtrante (m ² )

V AR = Volumen de agua residual (m ³ )

Una alta tasa de HLR significa un menor TRH en el suelo filtrante yla reducci ón de la eficiencia en el tratamiento. El HLR varía de acuerdoal tipo de material o suelo. La tasa de filtraci ón dependerá del tama ñoy la distribuci ón de los poros en el material. (Sinha, et al. 2008)

1.3.4. Velocidad de flujo en tuberias

La velocidad de circulaci ón del agua a través de las conexiones (tuberías) normalmente se calcula con la f órmula de Hazen- Williams, la cual se expresa de la siguiente manera (Tello, 2016):

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CAP Í TULO 1. INTRODUCCI Ó N 12

Donde:

V = Velocidad de circulación del agua (m/s) D i = Diámetro interior de la tubería (m) Q = Caudal requerido en la tubería (m ³ /s) J = Pérdida de carga unitaria (m/m)

La velocidad de circulaci ón mínima en las conexiones de los aspersores para evitar sedimentos es de 0.5 m/s (valor mínimo) y como valores máximos entre 2.0 y 2.5 m/s (Tello, 2016).

1.4. Objetivos

1.4.1. Objetivo general

Dise ñar y modelar un sistema de alimentaci ón para lombrifiltros en plantas de tratamiento de aguas residuales.

1.4.2. Objetivos específicos

Estudiar los flujos y los parámetros hidráulicos en lombrifiltros.

Elaborar un modelo de simulaci ón de producci ón de aguas residuales para diferentes escenarios.

Dise ñar un sistema de distribuci ón de aguas residuales para la alimentaci ón de lombrifiltros.

Estudiar los costos de sistemas de alimentaci ón para lombrifil-tros.

Capítulo 2 Metodología

2.1. Dise ño hidráulico

Para el dise ño hidráulico se realiz ó un estudio de caso de la plantade tratamiento ubicada en Itauguá. Dicha planta cuenta con un lombri-filtro con una superficie de 500 m ², diez aspersores ubicados equitati-vamente a lo largo del área, tres capas de materiales de distintas alturas(aserrín 0.8 m, gravas 0.4 m, piedras 0.6 m). Se tuvieron en cuenta to-das las características físicas del lombrifiltro y las dimensiones del pozode succi ón.

Para definir una capacidad de tratamiento del lombrifiltro primera-mente se han analizado diferentes estudios sobre tiempo de retenci ónhidráulica (TRH) como también de tasas de carga hidráulica (HLR). Setom ó como referencia el estudio de Lourenço & Nunes, (2017) el cualdice que la mayor eficiencia en remoci ón de contaminantes se encuen-tra con un HLR de 0 , 89 m ³ m − ² dia − ¹ y un TRH de 6 horas.

Una vez obtenida la capacidad de tratamiento se pudo proceder a dise ñar el sistema de alimentaci ón el cual consto de bombas, tuberías, aspersores y conexiones. Las bombas de agua utilizadas en el dimensionamiento fueron bombas convencionales de uso específico en riego. Tanto las bombas como la red de distribuci ón de agua se encuentran disponibles en el mercado local.

El objetivo del dise ño se bas ó en lograr un sistema adecuado de ali-mentaci ón para cada uno de los posibles escenarios de producci ón deagua residuales. En cada escenario se utiliz ó una misma tasa de cargahidráulica (HLR) adecuada para la superficie del lombrifiltro modelocomo también para optimizar los costos que conlleve el dise ño.

Tanto el dise ño hidráulico de red de distribuci ón de aguas como el análisis del mismo fueron realizados en el software de simulaciones hidráulicas EPAnet.

2.1.1. Procedimientos utilizados en el dise ño

Dise ño de tuberias y conexiones

Para las conexiones de tuberías y formas de distribuci ón de aspersores se utiliz ó el estilo de Ramirez (2013) siendo esta una conexi ón adecuada para riego por aspersi ón y compatible para los distintos escenarios que se utilizaron durante la investigaci ón.

La conexi ón utiliza diámetros diferentes a fin de aprovechar al máxi-mo la pérdida de carga disponible para así obtener un mayor control yuniformidad en las presiones en los aspersores (Ramirez, 2013).

Se utiliz ó el coeficiente de rugosidad ϵ correspondiente a DarcyWeisbach para materiales PVC y PE 0 , 0025 mm. en todas las ca ñerías (Rossman, 2000)

Selecci ón de bombas

Para la selecci ón de bombas primeramente se tuvo en cuenta la po-tencia necesaria para lograr la distribuci ón del agua residual acumu-lada en el pozo de succi ón. También se busc ó evitar un bombeo conuna duraci ón mayor a una hora para evitar da ños en la bomba o ca-lentamientos indeseados en la misma. Esta duraci ón máxima de bom-beo se defini ó de manera arbitraria para los análisis. Con esta duraci ónde bombeo también se asegur ó una intermitencia en la alimentaci ónla cual es beneficiosa para evitar una inundaci ón en el lombrifiltro. También se tuvo en cuenta la optimizaci ón de costos en consumo de energía. Para el cálculo del costo de energía se tuvo como referencia la vida útil de la planta de tratamiento. Los lombrifiltros tienen una vida útil limitada por el funcionamiento del equipamiento electromecánico, estos son las bombas, válvulas, etc. (Dourojeanni, 2013) Para el estudio se consider ó que el sistema en general tiene una vida útil de 10 a ños.

Dimensionamiento de pozos de succi ón

Para el dimensionamiento de pozos de succi ón se tuvo en cuentacomo criterio principalmente el costo del mismo. También se tuvo encuenta la necesidad de intermitencia en el riego. Una ventaja de unpozo de gran tama ño es que, el lombrifiltro puede tener mayores pe-riodos de descanso. También se tiene en cuenta la aireaci ón dentro dellombrifiltro, esto seg ún la secci ón 1.3.2 se logra con un periodo de re-poso, el cual consiste en no alimentar el lombrifiltro por un periodo detiempo. La desventaja de un pozo de gran tama ño es el elevado costodel mismo.

2.2. Escenarios de fluctuaciones de aguas residua-les

Se tomaron en cuenta tres escenarios de fluctuaciones de aguas re-siduales las cuales se basan en una producci ón constante de agua re-sidual, la producci ón normal de aguas residuales de una poblaci ón yla de una industria. Estos escenario se pueden apreciar a través de lospatrones de la figura 2.1

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Figura 2.1: Patrones de tiempos utilizados para modelar la producci ón de agua residual en tres escenarios distintos.

Para el escenario 1 se consider ó una producci ón de agua residualconstante. En el escenario de producci ón de aguas residuales de partede industrias se consider ó una producci ón de 12 horas diarias con cau-dal constante. En el escenario 3 se tom ó de referencia la producci ón deaguas residuales de parte de un municipio. Los datos de fluctuacionespara este caso fueron obtenidos del estudio en la ciudad de CoronelOviedo de (Cuppens, et al. 2011).

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