DISEÑO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE TIPO FIME

PARA LA FINCA LA ROSITA UBICADA EN LA VEREDA FIRAYA DEL

MUNICIPIO DE SIACHOQUE, BOYACÁ

ATARA CASTILBLANCO ALYSSON NYLOVNHA

CUERVO CASTILLO GISELLE ZULAY

HOLMAN EDUARDO MACIAS CEPEDA

PÉREZ LAVERDE ÁNGELA JULIETH

UNIVERSIDAD SANTO TOMAS

INGENIERÍA CIVIL

TRATAMIENTO DE AGUAS

TUNJA

2015

DISEÑO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE TIPO FIME

PARA LA FINCA LA ROSITA LA VEREDA FIRAYA DEL MUNICIPIO DE

SIACHOQUE, BOYACÁ

ATARA CASTILBLANCO ALYSSON NYLOVNHA

CUERVO CASTILLO GISELLE ZULAY

HOLMAN EDUARDO MACIAS CEPEDA

PÉREZ LAVERDE ÁNGELA JULIETH

Proyecto presentado al Ingeniero Camilo Lesmes Fabián en el Área en el

Área de Tratamiento de Aguas.

UNIVERSIDAD SANTO TOMAS

INGENIERÍA CIVIL

TRATAMIENTO DE AGUAS

TUNJA

2015

TABLA DE CONTENIDO

1 INTRODUCCIÓN.....................................................................................................................5

2 OBJETIVOS.............................................................................................................................6

2.1 GENERAL.........................................................................................................................6

2.2 ESPECIFICOS.................................................................................................................6

3 CARACTERIZACIÓN DEL SISTEMA...................................................................................7

3.1 LOCALIZACIÓN........................................................................................................................7

3.2 FUENTE DE ABASTECIMIENTO.......................................................................................8

3.3 CAPTACIÓN..........................................................................................................................8

3.4 CONTAMINANTES.......................................................................................................10

4 CARACTERIZACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA........................................................11

4.1 IRCA................................................................................................................................14

4.1.1 Cálculo del IRCA..........................................................................................................16

5 PROPUESTA DE TRATAMIENTO.....................................................................................17

6 DISEÑO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO..................................................................18

6.1 CALCULOS..........................................................................................................................18

6.1.1 Pre-Sedimentador........................................................................................................18

6.1.2 Tanque Sedimentador.................................................................................................19

6.1.3 Sistema de retro lavado..............................................................................................20

6.1.4 Sumergencia................................................................................................................21

6.1.5 Altura dinámica de elevación.....................................................................................22

6.1.6 Cavitación.....................................................................................................................24

8 CONCLUSIONES......................................................................................................................28

9 BIBLIOGRAFÍA...........................................................................................................................28

10 INFOGRAFÍA............................................................................................................................28

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Esquema de suministro de agua potable...................................................8Figura 2. Procesos básicos para un tratamiento convencional..............................15

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Caracterización del agua río Cataca........................................................11Tabla 2. Puntaje de riesgo para cálculo del IRCA..................................................13

1 INTRODUCCIÓN

El agua, juega un papel fundamental en el consumo y la elaboración de una gran

variedad de productos, no sólo forma parte en un alto porcentaje de nuestro

organismo, sino también se manifiesta en muchas de las tantas actividades que

realizamos a diario. De ahí la importancia de contar con una buena calidad del

recurso y una adecuada continuidad del servicio de suministro.

Hoy en día, se hace cada vez más difícil el contar con el recurso en un estado

adecuado para el consumo humano, lo que se deriva en altos costos de inversión

para las alcaldías de los distintos municipios, quienes asumen proyectos

pretendiendo mejorar la calidad del recurso hídrico. Sin embargo, la calidad del

agua y la cobertura del servicio en el área rural, no son los únicos problemas de

una red de agua potable, pues también se generan factores adversos como las

enfermedades ocasionadas por el no tratamiento de las aguas desde su fuente de

abastecimiento antes de ser distribuida a la población.

2 OBJETIVOS

2.1 GENERAL

Diseñar un sistema de tratamiento que garantice el cumplimiento de los

parámetros de calidad del agua de la fuente de abastecimiento de la vereda Firaya

ubicada en el municipio de Siachoque, Boyacá

2.2 ESPECIFICOS

Realizar un análisis de las características físicas, químicas y

microbiológicas del agua extraída del Rio Cataca, vereda Firaya Municipio

Siachoque, Boyacá.

Determinar los parámetros que se encuentran en incumplimiento de los

valores máximos admisibles establecidos en la Resolución 2115 de 2007 de

ministerio de la protección social, ministerio de ambiente, vivienda y

desarrollo territorial.

Establecer el tipo de tratamiento requerido para el control de los parámetros

que se encuentran fuera de los rangos admisibles.

Generar un diseño que contenga los tratamientos establecidos y se ajusten

a los recursos de una población rural. En este caso los habitantes de la

vereda Firaya Municipio Siachoque, Boyacá.

3 CARACTERIZACIÓN DEL SISTEMA

3.1 LOCALIZACIÓN

Figura 1 Localización

Fuente: Google Earth

1La vereda Firaya, se encuentra localizada en el municipio de Siachoque en el

departamento de Boyacá, dista a 5 Km del centro del municipio y está cerca a la

vía que conduce a Iguaza.

3.2 FUENTE DE ABASTECIMIENTO

2La vereda Firaya se abastece del agua extraída del Rio Cataca, que posee un

caudal de 20,0 l/s en época de verano y de 80,0 l/s en época de invierno.

3.3 CAPTACIÓN

La captación en el Rio Cataca se realiza a través de una Galería de Infiltración, en

donde por medio de una tubería perforada y filtros en piedra, se conduce el agua a

una caja colectora.

En el colector se capta un caudal de 0,076 l/s .Adicional a ello, se encuentran

ubicados varios filtros en piedra, los cuales ayudan a aumentar el caudal, debido a

que están distribuidos por todo el lote. A continuación se presenta un esquema y

descripción del funcionamiento de dicha captación:

1 ALCALDÍA MUNICIPAL, Siachoque. Esquema de Ordenamiento Territorial. Siachoque 2001-2010.

2 ALCALDÍA MUNICIPAL, Siachoque. Esquema de Ordenamiento Territorial. Componente Urbano. Siachoque 2001-2010.

Figura 2 Esquema de suministro de agua potable

Fuente: Informe Servicios públicos

1. Los puntos A, B y C se encuentran conectados a una caja con dos

compartimentos en el punto D.

2. 3En el punto (A) encontramos un pozo tipo alcantarillado construido con ladrillo

y sin revestimientos, que cuenta con dos entradas en tubería de Gres de 8”

(1,2), las cuales reciben el agua del nacimiento pasando por un lecho de grava.

3. La salida del pozo es una tubería de 4” en Gres conectada a una caja de

inspección de 30 x 30 cm en el punto (B), que comunica con la caja principal

(D) mediante una tubería de 3” en PVC.

4. A la caja del punto (C), llega un lecho de grava mediante una tubería de 4” en

Gres y sale una tubería de PVC con el mismo diámetro a la caja principal.

5. La caja principal posee dos compartimentos, uno de ellos encargado de recibir

los aportes del pozo (A) y las cajas de los puntos (B) y (C), con una tubería de

salida perforada de 4”, que regula el caudal hacia el tanque de

almacenamiento; y un segundo compartimiento, encargado de recibir los

excesos del primero, mediante una tubería de 2”.

3.4 CONTAMINANTES

El agua captada de la fuente de abastecimiento se ve afectada por la degradación

de las cuencas, el arrastre de sedimentos por erosión natural y las altas

concentraciones de fosfatos, debido a cultivos en la zona, y a los extremos

microbiológicos y de turbiedad ocurridos en invierno. Alterando parámetros como:

color aparente, Turbiedad y hierro total.

3 ALCALDÍA MUNICIPAL, Siachoque. Informe de la Captación del Sistema de Acueducto. Siachoque 2012.

4 CARACTERIZACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA

Con el fin de revisar los parámetros de calidad de agua del Río Cataca y verificar

su respectiva correspondencia con el decreto 1575 de 2007 y la resolución 2115

del mismo año. Se realizó en el afluente la toma de una muestra del recurso

hídrico y se llevó a cabo el análisis fisicoquímico y microbiológico de la misma. A

continuación se presenta una tabla con los resultados que arrojó dicho análisis. En

ellos se evidencia una alta concentración de turbidez debido al arrastre de tierra y

capa vegetal aguas arriba de la captación, además de un valor de hierro total y

color aparente fuera del límite admisible. Los demás resultados son en general

bastante buenos y se encuentran dentro del rango de los valores permitidos.

Tabla 1. Caracterización del agua río Cataca

Parámetro Unidades Método analítico Resultado Dcto 1575/2007 Res

2115/2007

pH Unidades ELECTROMÉTRICO 6,64 6,5-9,0

ALCALINIDAD TOTAL mg/L VOLUMÉTRICO 10 200

ALUMINIO mg/L FOTOMÉTRICO 0,01 0,2

CALCIO mg/L Ca VOLUMÉTRICO EDTA 1,6 60

CLORUROS mg/L FOTOMÉTRICO 0,6 250

COLOR APARENTE UPC FOTOMÉTRICO 24 15

CONDUCTIVIDAD μS/cm ELECTROMÉTRICO 11 1000

DUREZA TOTAL mg/L VOLUMÉTRICO EDTA 6 300

FOSFATOS mg/L FOTOMÉTRICO 0,01 0,5

HIERRO TOTAL mg/L Fe FOTOMÉTRICO 0,3 0,3

MAGNESIO mg/L Mg CÁLCULO 0,49 36

NITRATOS mg/L FOTOMÉTRICO 0 10

NITRITOS mg/L FOTOMÉTRICO 0,029 0,1

SULFATOS mg/L FOTOMÉTRICO 2 250

TURBIEDAD UNT FOTOMÉTRICO 44 ≤5

COLIFORMES TOTALES UFC/100 mL FILTRACIÓN POR MEMBRANA 20 0 UFC/100 mL

ESCHERICHIA COLI UFC/100 mL FILTRACIÓN POR MEMBRANA 0 0 UFC/100 mL

CARACTERIZACIÓN DE AGUA RÍO CATACA

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ܥ ସଷା�

ܥ ଷ

ܥ ଶ

ܥ ସଶା�

Fuente: Reporte de resultados caracterización del agua Serviquímicos E.U

4.1 IRCA

Con base a los resultados obtenidos, se determina el grado de riesgo de

ocurrencia de enfermedades relacionadas con el no cumplimiento de las

características físicas, químicas y microbiológicas del agua para consumo

humano, o IRCA, asignando así a cada uno de los parámetros analizados un

puntaje de riesgo en correspondencia con los lineamientos contenidos en el

Artículo 13 de la Resolución 2115 de 2007 del ministerio de la protección social,

ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial, así:

Tabla 2. Puntaje de riesgo para cálculo del IRCA

Parámetro Unidades Método analítico Resultado Dcto 1575/2007 Res

2115/2007Puntaje de

riesgoRiesgo por parámetro

pH Unidades ELECTROMÉTRICO 6,64 6,5-9,0 0 1,5

ALCALINIDAD TOTAL mg/L VOLUMÉTRICO 10 200 0 1

ALUMINIO mg/L FOTOMÉTRICO 0,01 0,2 0 3

CALCIO mg/L Ca VOLUMÉTRICO EDTA 1,6 60 0 1

CLORUROS mg/L FOTOMÉTRICO 0,6 250 0 1

COLOR APARENTE UPC FOTOMÉTRICO 24 15 6 6

CONDUCTIVIDAD μS/cm ELECTROMÉTRICO 11 1000 0 0

DUREZA TOTAL mg/L VOLUMÉTRICO EDTA 6 300 0 1

FOSFATOS mg/L FOTOMÉTRICO 0,01 0,5 0 1

HIERRO TOTAL mg/L Fe FOTOMÉTRICO 0,3 0,3 0 1,5

MAGNESIO mg/L Mg CÁLCULO 0,49 36 0 1

NITRATOS mg/L FOTOMÉTRICO 0 10 0 1

NITRITOS mg/L FOTOMÉTRICO 0,029 0,1 0 3

SULFATOS mg/L FOTOMÉTRICO 2 250 0 1

TURBIEDAD UNT FOTOMÉTRICO 44 ≤5 15 15

COLIFORMES TOTALES UFC/100 mL FILTRACIÓN POR MEMBRANA 20 0 UFC/100 mL 15 15

ESCHERICHIA COLI UFC/100 mL FILTRACIÓN POR MEMBRANA 0 0 UFC/100 mL 0 25

SUMATORIA 36 78

CARACTERIZACIÓN DE AGUA RÍO CATACA

��ଷାܣ

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��ାܣ

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ܥ ସଷା�

ܥ ଷ

ܥ ଶ

ܥ ସଶା�

��ଷାܣ

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ܥ ଷ

ܥ ଶ

ܥ ସଶା�

Fuente: Autores

La columna “Riesgo por parámetro”, corresponde a valores especificados en el

artículo 13 de la resolución mencionada para cada uno de los parámetros

analizados.

4.1.1 Cálculo del IRCA

Para el cálculo del Índice de Riesgo de la Calidad del Agua para consumo

humano, se aplica la fórmula contenida en el Artículo 14 de la Resolución 2115 de

2007, donde:

IRCA (% )= ∑ Puntaje deriesgoasignado a las característicasnoaceptables

∑ Puntajesderiesgoasignados atodas las característicasanalizadas∗100

Reemplazando, se obtendría un IRCA del 28,85%:

IRCA (% )=22,578

∗100

IRCA=28,85%

Con base en el cual se revisa el Cuadro N° 7 del Artículo 15 de la resolución, ello

con el fin de clasificar el nivel de riesgo con que cuenta el recurso hídrico con el

que actualmente se abastece la población de la vereda Firaya del municipio de

Siachoque, Boyacá.

Dicho cuadro, permitió designar un nivel de riesgo “Medio” , debido a que el IRCA

calculado se encuentra en el rango de 14,1 a 35%, lo que corresponde a un agua

“No apta para el consumo humano” , pero no inviable sanitariamente, razón por la

cual se procede a analizar las posibilidades de tratamiento para este recurso

hídrico.

5 PROPUESTA DE TRATAMIENTO

De acuerdo a la caracterización obtenida, se puede establecer que los procesos

que deben llevarse a cabo para el tratamiento del recurso hídrico son de tipo

FIME. A continuación se presenta un esquema de los tratamientos que se

desarrollaran para la potabilización del agua obtenida del Rio cataca del Municipio

de Siachoque, Boyacá.

Figura 3. Esquema tratamiento seleccionado.

Fuente: Autores

Los componentes que se tendrán en cuenta para conseguir la potabilización del

agua para la finca la Rosita se representan en el siguiente esquema.

Figura 4. Componentes del sistema de tratamiento

Fuente: Autores

6 DISEÑO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO

6.1 CALCULOS

6.1.1 Pre-Sedimentador

Los parámetros para el diseño del Pre-Sedimentador fueron:

Caudal de 23 ml/s.

Temperatura del agua 13 °C para la cual la viscosidad dinámica 0,01202

g/cm*s.

Tamaño de las partículas a remover 0.01 mm correspondiente a un fango

medio.

Gravedad específica del material.

6.1.2 Tanque Sedimentador

El sedimentador fue adaptado en un tanque plástico para continuar utilizando este

tipo de material en el sistema garantizando facilidad para el transporte y la

instalación

Velocidad de sedimentación

vs= g18

(ρs−ρH 2O)μ

d2

Área superficial

As= QVs

Diámetro del tanque

D=√ 4 Aπ Área superficial tanque

As= π D 2

4

Velocidad del agua

Vs= QAs

Tamaño de partículas a remover

d=√ 18 μVsg(ρs−ρH 2O)

Tiempo de retención

Trh= HVs

6.1.3 Sistema de retro lavado

El sistema de lavado para los filtros está integrado por el sistema de bombeo por

medio de la cual se conduce el agua hasta el tanque elevado y la red instalada en

cada tanque para conducir el agua a través del lecho filtrante, a continuación se

describe el diseño de estos dos componentes.

Sistema de bombeo

El diseño se realiza utilizando la metodología propuesta en el libro Elementos para

el diseño para acueductos y alcantarillados de López Cualla. Los parámetros para

el diseño del Sistema de Bombeo:

Caudal de 1 l/s.

Temperatura del agua 15°C con una viscosidad cinemática de 0.01146

cm2/s.

Coeficiente de Hazen para tubería PVC 150.

Altura sobre el nivel del mar 1350 m.

Calculo de diámetros

1. Tubería de impulsión

Diámetro

D=1.3∗14

√Q

Velocidad de la tubería

Vi=QA

2. Tubería de Succión

Se utiliza el diámetro comercial siguiente, en este caso 1¼”.

Velocidad de la tubería

Vs=QA

6.1.4 Sumergencia 𝑆=2.5×𝐷s+1.0

6.1.5 Altura dinámica de elevación

Perdidas en la succión

Para la instalación de la succión se utilizan una válvula globo, una entrada de

borda, un codo de 90º radio corto, y 1.5 metros de longitud de tubería recta de

diámetro de una pulgada. La pérdida total de los accesorios es de 9.7 m, luego la

longitud equivalente total es igual a 9.7 m + 1.5 m = 11.3 m.

Perdidas unitarias de la succión

J=[ Q278.5∗C∗D2.63 ]

10.54

Perdidas en la succión

Js=J∗longitud equivalente total

Perdidas en la impulsión

Para la instalación de la impulsión se utilizan una válvula globo, una te de paso

lateral, dos codos de 90º radio corto, y 24 metros de longitud de tubería recta de

diámetro de una pulgada. La pérdida total de los accesorios es de 15.8 m,

entonces la longitud equivalente total es igual a 11.5 m + 24 m = 35.5 m.

Perdidas unitarias de la impulsión

J=[ Q0.2785∗C∗D2.63 ]

10.54

Perdidas en la impulsión

Ji=J∗longitud equivalente total

Altura de la velocidad de descarga

Vd=V i2

2g

Cotas del sistema

Tabla 3 Cotas del sistema

Cota de fondo del tanque de succión 100,0 mCota de llegada de impulsión 106,5 m

Cota de la moto bomba 101,0 mCota de entrada de la succión 100,25 m

Altura de la Impulsión (Hi) 6,5 mAltura de la Succión (Hs) 0,95 m

COTAS DEL SISTEMA

Fuente: Autores

Altura dinámica total

Hdt=Hi+Hs+Vd+Js+Ji

Cálculo de la potencia

Potencia inicial

Para estas condiciones el peso específico es 9.798 KN/m3, según la temperatura

15º, y se estima una eficiencia (e) del 65%.

Pb= γ∗Q∗Hdte

Potencia del motor requerido

Pm=Pb∗K

Potencia en caballos de fuerza HP

El factor de conversión (fc) para caballos de fuerzas es de 1.341 HP

Pf=Pm∗fc

6.1.6 Cavitación

Altura barométrica

A nivel del mar, la altura máxima de succión es de 760 mm Hg, equivalente a

10.33 m de agua. Este valor debe corregirse teniendo en cuentea la elevación en

msnm, a razón de 1.2 m x 1000 m de nivel, por lo tanto:

Hlb=10.33−1.2∗alturamsnm1000

Altura estática total (Het)

Para una temperatura de 15º C, la presión de vapor es de 0.18 m, la altura total

del tanque con capacidad de 1500 litros es de 2 m, se va a dejar un borde libre de

0.20 m en el tanque. La altura estática de succión máxima (He max) es la

diferencia de la altura total del tanque con el borde libre estimado. He max = 1.8

m. La altura estática de succión mínima (He min) es la sumatoria de los valores

calculados de Sumergencia, la distancia de las paredes laterales o el fondo del

pozo a la coladera. He min = 0.95 m.

Het=Hemax−Hemin

Altura de velocidad

Hv=Vs2

2g

Cabeza neta de succión

CNPSd=[Altura ¯−(Alturaestática+Perd , fricción+ v2

2 g )Succión ]−Pvapor

6.1.7 Unidades de filtración

Lechos filtrantes

Tabla 4 Características de los lechos filtrantes

D10 D30 D60

Gravilla No. 1 (1-2) 1.22 2.15 3.27 2.69 1.17Gravilla No. 2 (2-5) 2.23 3.02 4.20 1.88 0.97Gravilla No. 3 (5-10) 5.03 6.03 7.52 1.50 0.96Gravilla T1 (1-3) 1.12 1.74 2.96 2.65 0.91Gravilla T2 (3-5) 2.25 2.80 3.64 1.62 0.96Gravilla T3 (5 - 10) 2.67 4.25 6.52 2.44 1.04Arena de río (0.3 - 1.0) 0.17 0.38 0.63 3.75 1.33Arena sílice - 0.12 0.21 0.36 3.05 1.09

Diámetro efectivo Coeficiente de Uniformidad

Coeficiente de

Curvatura

Tamaño (mm)

Material

Fuente: Autores

Filtro Grueso Ascendente FGA

Área superficial

As= QVs

∗36

Diámetro del tanque

D=√ 4 Aπ Velocidad de filtración

Vf=144Qπ D2

Filtro Grueso Dinámico FGDi

Diámetro del tanque

D=√ 144QπVf

Velocidad de filtración

Vf=144Qπ D2

Filtro Lento de Arena

Diámetro del tanque

D=√ 144QπVf

Velocidad de filtración

Vf=144Qπ D2

6.1.8 Control de caudal en los filtros

A la salida del filtro se instalara un vertedero de orificio para verificar el caudal y

controlar el paso del agua a la siguiente unidad.

Área del orificio

Ao= Q

Cd√2gH

Diámetro del orificio

Do=√ 4 Aoπ6.2 RESULTADO MEMORIAS DE CALCULO

7 RESULTADOS ESPERADOS

Según las características del sistema, la calidad del agua y el tipo de tratamientos

a implementar, realice una estimación de los resultados esperados en la calidad

final del agua.

8 CONCLUSIONES

9 BIBLIOGRAFÍA

10 INFOGRAFÍA