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Obra de captacion: Lecho filtrante

  1. 1. Diseño de obra de captación: Lecho Filtrante 2011                       LECHO FILTRANTE   DISEÑO DE OBRA DE CAPTACIÓN   AGUA Y SANEAMIENTO             CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y ESTUDIOS EN EL MEDIO AMBIENTE     ELABORADO POR:     Rosa Verónica Reyes Rodríguez   Managua, 11 de Junio de 2011 Carlos Miguel Vanegas Benavides          
  2. 2. Diseño de obra de captación: Lecho Filtrante 2011   TABLA DE CONTENIDO  1.  Prefiltro Horizontal: ........................................................................................................................................................ 1  1.1.  Principio de Funcionamiento .................................................................................................................................. 1  1.1.1.  La estructura de entrada: ................................................................................................................................ 1  1.1.2.  La zona de pre filtración:  ................................................................................................................................ 2  . 1.1.3.  Captación directa: ........................................................................................................................................... 2  1.1.4.  Zona de Salida: ................................................................................................................................................ 3  1.2.  Conveniencia de su aplicación ................................................................................................................................ 3  1.2.1.  Ventajas  .......................................................................................................................................................... 3  . 1.2.2.  Restricciones ................................................................................................................................................... 3  1.3.  Criterios de Diseño .................................................................................................................................................. 4  1.3.1.  Calidad del agua: ............................................................................................................................................. 4  1.3.2.  Capacidad máxima: ......................................................................................................................................... 4  1.3.3.  Velocidad óptima de filtración: ....................................................................................................................... 4  1.3.4.  Medio Filtrante: .............................................................................................................................................. 4  1.4.  Procedimiento para el diseño ................................................................................................................................. 4  1.4.1.  Metodo Simpliflicado: ..................................................................................................................................... 4  1.4.2.  Método completo: .......................................................................................................................................... 5  2.  Prefiltro Vertical .............................................................................................................................................................. 7  2.1.  Principio de Funcionamiento .................................................................................................................................. 7  2.1.1.  Zona de pre filtración: ..................................................................................................................................... 7  2.1.2.  Captación directa: ........................................................................................................................................... 7  2.1.3.  Sistema de control .......................................................................................................................................... 7  2.2.  Conveniencia de su aplicación ................................................................................................................................ 8  2.2.1.  Ventajas  .......................................................................................................................................................... 8  . 2.2.2.  Restricciones ................................................................................................................................................... 8  2.3.  Criterios de Diseño .................................................................................................................................................. 8 
  3. 3. Diseño de obra de captación: Lecho Filtrante 2011   2.3.1.  Velocidad máxima  del curso de agua: ............................................................................................................ 8  2.3.2.  Calidad del agua: ............................................................................................................................................. 8  2.3.3.  Capacidad máxima del prefiltro ...................................................................................................................... 8  2.3.4.  Velocidad de filtración .................................................................................................................................... 8  2.4.  Procedimiento para el diseño ................................................................................................................................. 9  3.  BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................................................................ 10 
  4. 4. Diseño de obra de captación: Lecho Filtrante 2011   I. DEFINICIÓN:  El sistema de lecho filtrante o unidades de prefiltración, como también se denominan es una obra de captación de agua  y al mismo tiempo funciona como pretratamiento, se pueden clasificar de acuerdo a la dirección del flujo, pueden ser de  dos tipos, horizontal y vertical. Los de flujo vertical pueden ser, a su vez, de dos tipos: descendentes y ascendentes.  • Prefiltro Horizontal  • Prefiltro Vertical Múltiple de Flujo Descendente  • Prefiltro Vertical de Flujo Ascendente    1. Prefiltro Horizontal:  1.1. Principio de Funcionamiento  Este tipo de  captación indirecta está ubicado en la ribera de cursos superficiales de agua, estando constituido por los  siguientes elementos:  1.1.1. La estructura de entrada:   Para proteger de la erosión y distribuir uniformemente el caudal en toda la sección se sugiere el uso de un muro seco de  ladrillo hueco o de cantos rodados sujetos por una malla de hierro redondo (gaviones). Este muro debe ser construido  con juntas abiertas para que sea absolutamente permeable.    Figura 1: Vista de planta del Prefiltro horizontal.    Elaborado por: Rosa Verónica Reyes /Carlos Miguel Vanegas  Página 1
  5. 5. Diseño de obra de captación: Lecho Filtrante 2011   1.1.2. La zona de pre filtración:   Esta es de tipo horizontal, con velocidad de flujo de 0.50 m/h.  Conformada por tres o más tramos llenos de grava de  diferentes diámetros dispuestos en sentido decreciente. La longitud de los tramos es variable y depende de la calidad  del agua, del tamaño de la grava y de la velocidad de filtración. Estos tramos tienen las siguientes características:  Capa  Profundidad Diámetro mm 1  1.00  25‐80  2  4.50  30‐70  3  4.50  5‐12    El sistema de recolección está formado por una tubería perforada de PVC que desemboca en una cámara de recolección.  Las  paredes  laterales  están  formadas  por  muros  secos  de  cantos  rodados,  sin  armadura,  o  por  bolsas  de  cemento  Portland tipo 1.     Figura 2: vista longitudinal del prefiltro horizontal, en donde se representan los distintos tramos de grava de diferentes  diámetros.  Para evitar la entrada de agua de escorrentía superficial se sugiere el uso de una capa de arcilla o de tela de polietileno  en la parte superior del prefiltro.  1.1.3. Captación directa:  Cuando  se  presenten  aguas  con  buenas  características  que  permitan el uso directo de filtración lenta se utilizará la cámara de  captación lateral ubicada en la ribera de la fuente.   La  entrada  está  protegida  por  una  rejilla  de  hierro  de  Φ  ¼”  con  separación de 2 cm para evitar la entrada de material flotante.  Figura  3:  Detalle  de  cámara  de  captación  lateral  ubicada  a  orillas  del río para captación directa.    Elaborado por: Rosa Verónica Reyes /Carlos Miguel Vanegas  Página 2
  6. 6. Diseño de obra de captación: Lecho Filtrante 2011   1.1.4. Zona de Salida:  La  zona  de  salida  la  constituye  la  cámara  de  recolección.  Dicho  dispositivo  cuenta  con  un  sistema  de  control  manual  formado por compuertas de hierro y/o madera.    Figura 4: Perfil transversal del prefiltro, en donde se observa el dren PVC y la cámara de recolección con sus respectivos  sistemas de control de flujo.  1.2. Conveniencia de su aplicación  1.2.1. Ventajas  a. En general, son más eficientes que los sedimentadores, por la gran superficie específica disponible en la grava.    b. Cuando opera con carreras largas, no sólo remueve partículas inertes, sino también microorganismos.  1.2.2. Restricciones  a. Profundidades mayores de 1.5 m y anchos mayores de 5.0 m dificultan la limpieza de la unidad. En general, se  recomiendan  profundidades  no  mayores  de  1.0  m  y  anchos  máximos  de  4.0  m.  Estas  recomendaciones  restringen el uso de estas unidades a caudales pequeños; la otra alternativa es considerar muchas unidades en  paralelo.    b. Turbiedades mayores de 300 UNT demandan unidades de 8 a 16 m de largo.    c. Este tipo de prefiltro no es adecuado para la remoción de material coloidal (diámetro < 1 micrón). Debido a que  las concentraciones de oxígeno disuelto en esta clase de prefiltro son generalmente bastante bajas, no teien la  capacidad para remover materia orgánica oxidable, color, hierro y/o manganeso.    Elaborado por: Rosa Verónica Reyes /Carlos Miguel Vanegas  Página 3
  7. 7. Diseño de obra de captación: Lecho Filtrante 2011   1.3. Criterios de Diseño  1.3.1. Calidad del agua:   a. Turbiedad máxima: 150 UN (Con filtración lenta)  b. Turbiedad máxima: 750 UN (Con sedimentación simple y filtración lenta)  1.3.2. Capacidad máxima:   10.8 m3/h (Recomendada)  1.3.3. Velocidad óptima de filtración:   0.50 m/h  1.3.4. Medio Filtrante:   Grava de 1/4" a 2", colocada en sentido decreciente. En contacto con los muros se colocará material de  diámetro mayor que el de los orificios.  1.4. Procedimiento para el diseño  Existen varios métodos para el diseño de un prefiltro horizontal entre ellos se encuentra:    1.4.1. Metodo Simpliflicado:  1  2  3    Q  B (m)  Diámetro del Dren • Calcular la capacidad necesaria del  M3/h H=0.7 m H=1.00 m Φ (in)  prefiltro y asimilarla a su inmediata  3.6  10.30  7.20  3  superior de la columna 1  5.4  15.40  10.80  3  • Seleccionar la altura del prefiltro (entre  7.2  20.50  14.40  4  0.7 y 1 m) de acuerdo a las condiciones  9  25.70  18.00  4  locales y adóptese el ancho  10.8  30.85  21.60  4  correspondiente de la columna 2.  14.4  41.15  28.80  5  • Obtener el diámetro correspondiente al  18  51.43  36.00  6  dren de la columna 3.  21.6  61.70  43.20  6    25.2  72  50.40  8  H=Profundidad de prefiltro  28.8  82.30  57.60  8  B=Ancho del prefiltro  32.4  92.60  64.80  8    36  102.85  72.00  8                Elaborado por: Rosa Verónica Reyes /Carlos Miguel Vanegas  Página 4
  8. 8. Diseño de obra de captación: Lecho Filtrante 2011   1.4.2. Método completo:    • Cálculo del área transversal de la unidad (tramo):   ‐ Se toman como datos el caudal de diseño (Demanda) Q=1.8 m3/h=  ‐ Proponer velocidad de filtración Vf=0.30 m/h    3600 Q 3600 * 0.0005 A= = = 6m 2   VF 0.30 • Cálculo del ancho de la unidad  Se propone hmáx=1.5m  A 6m 2 B= = = 4m   H 1.5m • Cálculo de la longitud del primer tramo del prefiltro con grava de 4 cm  Ln C1 / C0 l1 =   λ1 λ1 depende de la velocidad de filtración y el tamaño de la grava. Dicho valor se interpola en la siguiente tabla:    Dg(cm)  0.625  1.25  2.5  5  Vf(m/h)  0.1  1.03  0.88  0.69  0.54  0.2  0.93  0.81  0.63  0.49  0.3  0.86  0.68  0.56  0.44  0.4  0.75  0.60  0.43  0.30  0.5  0.62  0.48  0.40  0.24  0.6  0.42  0.3  0.21  0.18  Tabla 1: Valores experimentales de λ  λ1=0.488  La turbiedad máxima del agua cruda es de Co=250 UT  La turbiedad del afluente según la caracterización física de la fuente es C1=100 UT  Ln (100 / 250) l1 = ≈ 2m   0.488   Elaborado por: Rosa Verónica Reyes /Carlos Miguel Vanegas  Página 5
  9. 9. Diseño de obra de captación: Lecho Filtrante 2011   N°  Datos  Unidad  Criterios  Resultados  Unidad Caudal de Diseño (Q)  m3/s  Número de unidades (N)  adim  3600 Q 1  A=   Área transversal de cada unidad  m2  Velocidad óptima de  N . VF m/h  Filtración (VF)  A 2  Profundidad de la grava (H)  m  B=   Ancho de cada unidad  m  H Se obtiene por  adim  interpolación λ1  Turbiedad  máxima del agua  Ln C1 / C0 Longitud del primer tramo del  3  UT  l1 =   m  cruda (C0)  λ1 prefiltro con grava de 3.0 a 4.0 cm  Turbiedad efluente del  UT  primer tramo (C1)  Para el segundo tramo λ2  adim  Ln C 2 / C1 l2 =   Longitud del segundo tramo del  4  Turbiedad afluente (C1)  UT  m  λ2 prefiltro con grava de 2.0 a 3.0 cm  Turbiedad efluente (C2)  UT  Para el tercer tramo λ3  adim  Ln C3 / C 2 l3 =   Longitud del tercer tramo del    Turbiedad afluente (C2)  UT  m  λ3 prefiltro con grava de 1.0 a 2.0 cm  Turbiedad efluente (C3)  UT  6      L = l1 + l 2 + l3   Longitud total de la unidad  m  Volumen de agua contenido  qL B l1 − ∀ m3  Altura de agua adicional requerida  7  en la unidad ( ∀ )  h1 =   m  B.L para aplicar la tasa de lavado  Tasa de levado (qL)  m3/m2  VL . B . L 8  Velocidad de descarga (VL)  m/min  QL =   Caudal de lavado  m3/s  60 9      h f 1 = 1 / 3 H VL   Pérdida de carga en la grava  m  Número de losas sobre el  adim  B − an Ancho de las ranuras del canal de  10  canal de limpieza (n)  e=   m  Ancho de cada losa (a)  m  n +1 limpieza  Ancho del canal de limpieza  m  QL2 (b)  Pérdida de carga en el canal de  11  hf 2 = m  Coeficiente de descarga de  adim  [(n + 1) Cd e b]2 2 g limpieza  las ranuras (Cd)  hf = hf 1 + hf 2   Pérdida de carga durante una  12      m  descarga  Altura del canal de limpieza  h = H + h1 + 1 / 2 h2   13  m  Presión de agua sobre la compuerta  m  (h2)  14      VC = 2 g (h − h f )   Velocidad en la compuerta de  m/s  descarga  QL 15      AC =   Sección de la compuerta  m2  VC             Elaborado por: Rosa Verónica Reyes /Carlos Miguel Vanegas  Página 6
  10. 10. Diseño de obra de captación: Lecho Filtrante 2011   2. Prefiltro Vertical  2.1. Principio de Funcionamiento  Esta captación indirecta se ubica en el fondo del cauce y está formada por los siguientes elementos:  2.1.1. Zona de pre filtración:   Este prefiltro utiliza grava como medio filtrante, con las siguientes características:        Capa  Profundidad (m) Diámetro mm   1  0.1  15‐25      2  0.2  10‐15      3  0.5  5‐10        Siendo  el  flujo  vertical  descendente  con  baja  velocidad  (Vf=0.25  m/h).  El  sistema  de  recolección  está formado por una tubería perforada de PVC que  desmboca en una cámara de recolección. Las paredes  laterales  están  formadas  por  muros  secos  de  cantos  rodados,  sin  armadura,  o  por  bolsas  de  cemento  Portland tipo 1.    Para  evitar  la  entrada  de  agua  de  escorrentía  superficial se sugiere el uso de una capa de arcilla o  de  tela  de  polietileno  en  la  parte  superior  del  prefiltro.        2.1.2. Captación directa:  Cuando  se  presenten  aguas  con  buenas  características  que  permitan  el  uso  directo  de  filtración  lenta  se  utilizará  la  cámara de captación lateral ubicada en la ribera de la fuente.    La entrada está protegida por una rejilla de hierro de Φ ¼” con  separación de 2 cm para evitar la entrada de material flotante.    2.1.3. Sistema de control  El  sistema  de  control  es  manual  y  está  formado  por  compuertas de hierro y/o madera.      Elaborado por: Rosa Verónica Reyes /Carlos Miguel Vanegas  Página 7
  11. 11. Diseño de obra de captación: Lecho Filtrante 2011       2.2. Conveniencia de su aplicación  2.2.1. Ventajas  ‐ La limpieza completa es más ágil que en los otros casos, porque la altura de la grava en cada compartimiento es  de sólo 50 cms. Incluso puede ejecutarse dentro del mismo compartimiento.  ‐ También posee las ventajas ya presentadas en los prefiltros horizontales.  2.2.2. Restricciones  ‐ Este  tipo  de  captación  se  recomienda  usarlo  con  plantas  de  filtración  lenta  con  y  sin  sedimentación  simple  laminar, para lo cual las turbiedades de las aguas deberían ser inferiores a 150 y 750 UN respectivamente.  ‐ Este tipo de prefiltro no es adecuado para la remoción de material coloidal (diámetro < 1 micrón). Debido a que  las concentraciones de oxígeno disuelto en esta clase de prefiltro son generalmente bastante bajas, no tiene la  capacidad para remover materia orgánica oxidable, color, hierro y/o manganeso.  2.3. Criterios de Diseño  2.3.1. Velocidad máxima  del curso de agua:   3 m/s  2.3.2. Calidad del agua:   Turbiedad máxima= 150 UN (Con filtración lenta)  Turbiendad máxima= 750 UN (Con sedimentación simple y filtración lenta)  2.3.3. Capacidad máxima del prefiltro  9 m3/h (recomendada)  2.3.4. Velocidad de filtración  0.25 m/h      Elaborado por: Rosa Verónica Reyes /Carlos Miguel Vanegas  Página 8
  12. 12. Diseño de obra de captación: Lecho Filtrante 2011   2.4. Procedimiento para el diseño  Para el diseño de un prefiltro múltiple se utiliza el siguiente procedimiento:    ‐ Calcular la capacidad necesaria del prefiltro y asimilarla a su inmediata superior de la columna 1  ‐ Seleccionar el area necesaria de la columna 2  ‐ Decidir dimensiones del prefiltro en base a condiciones locales   ‐ Seleccionar  el  diámetro  del  dren  secundario  (4)  considerando  el  area  máxima  drenada,  columna  (3)  y  una  separación máxima entre drenes de 250 m.  ‐ Seleccionar el diámetro del dren principal de la columna 4 de acuerdo al area total del prefiltro en la columna 3.    Q=Caudal  Φ=Diámetro  L=Profundidad del prefiltro    1  2  3  4  Q (m3/h)  A*B Area m2 Criterio para la elección del dren      Area máxima drenada  Φ (in)  3.6  14.4  7.4  2  5.4  21.6  16.8  3  7.2  28.8  30  4  9  36.6  48.2  5  10.8  43.2  53  5  14.4  57.6  53  6  18  72  94  6  21.6  86.4  94  8  25.2  100.8  230  8  28.8  115.2  230  8  32.4  130  230  8  36  144  230  8      Elaborado por: Rosa Verónica Reyes /Carlos Miguel Vanegas  Página 9
  13. 13. Diseño de obra de captación: Lecho Filtrante 2011   3. BIBLIOGRAFIA  • Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (1982). Plantas modulares para  tratamiento del agua. Tomo 1  • Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (1982). Plantas modulares para  tratamiento del agua. Tomo 1  • Ing. Lidia Vargas de Cánepa (1992) Manual de diseño Tratamiento, Filtración lenta. Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente División de Salud y Ambiente Organización Panamericana de la Salud Oficina Sanitaria Panamericana-Oficina Regional de la Organización Mundial de la Salud   • http://www.bvsde.ops‐oms.org/eswww/fulltext/tratagua/lenta/lenta1.html                                  Elaborado por: Rosa Verónica Reyes /Carlos Miguel Vanegas  Página 10

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