Hoja de Cálculo de un Filtro Percolador para una PTAR PDF

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Hoja de Cálculo de un Filtro Percolador para una Planta de Tratamiento de aguas residuales con explicación....

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UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Ambiental

EJERCICIO FILTRO PERCOLADOR 1. Diseño de un filtro biológico empleando de Rocas National Research Council (NRC), con la siguiente información de un efluente residual: Tabla 1. Datos del Efluente

Q

INFORMACIÓN DEL EFLUENTE 250 200 40 100 8640

También se deben tener en cuenta la siguiente información para el diseño de filtros percoladores:

Solución:  Eficiencia de Remoción de DBO5: 𝐸=

(𝑆𝑂 − 𝑆𝑒 ) ∗ 100 𝑆𝑂

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𝐸=

250(

 Carga Orgánica del Influente: 𝑊 = [250 (

250(

) − 40(

𝑬 = 𝟖𝟒%

)

)

∗ 100

𝑊 = 𝑆𝑂 ∗ 𝑄 1𝑘 1000 )∗ ∗ ] ∗ 8640( 106 1

𝑾 = 𝟐𝟏𝟔 𝒌𝒈 𝒅

)

Si se trabajará con 3 filtros en paralelo, la carga orgánica para cada uno sería: 𝑊1 = 𝑊𝑂 3 𝑊1 = 2160 3

𝑾𝟏 = 𝟕𝟐 𝒌𝒈 𝒅

 Profundidad

Teniendo en cuenta que según la Resolución 0330/17 la profundidad recomendada para filtros roca se encuentra entre 1,8-2,4 m, se asumirá un valor de D=2,4 m.  Recirculación Según la resolución 0330/17 la recirculación (R) para alta tasa en roca se encuentra entre 1(100%)2(200%). Se asume un valor de R=200%. En base a esto se calcula el valor del factor de recirculación: 1+𝑅 (1 + 0.1𝑅)2 1+2 𝐹= (1 + (0.1 ∗ 2)2 𝐹=

𝑭 = 𝟐. 𝟖

 Volumen del filtro

A partir de la ecuación de eficiencia podemos calcular el volumen del filtro: 𝐸1 =

100

𝑊 0. (1 + 0.4432 ∗ ( 1 ) ) 𝑉∗𝐹

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Despejando: 𝐸1 =

100

√𝑊1 ) √𝑉 ∗ √𝐹 √𝑊1 ) = 100 𝐸1 ∗ (1 + 0.4432 ∗ √𝑉 ∗ √𝐹 √𝑊1 ) = 100 (𝐸1 + (𝐸1 ∗ 0.4432) ∗ √𝑉 ∗ √𝐹 (1 + 0.4432 ∗

2

2 100 − 𝐸1 √𝑊1 ) =( ) ( (𝐸1 ∗ 0.4432) √𝑉 ∗ √𝐹

2 𝑊 100 − 𝐸1 ) =( (𝐸1 ∗ 0.4432) 𝑉∗𝐹 2 100 − 𝐸1 𝑊=( ) ∗ (𝑉 ∗ 𝐹) (𝐸1 ∗ 0.4432) 𝑊 =𝑉 2 100 − 𝐸1 ( ∗𝐹 (𝐸1 ∗ 0.4432)) Si reemplazamos los valores tenemos: 720 𝑘 =𝑉 100 − 84 2 (84 ∗ 0.4432)) ∗ 2.08

 Área transversal del filtro:

𝑽 = 𝟏𝟖𝟕𝟒, 𝟏 𝒎𝟑 𝐴=

𝑉

1874,1 2,4 𝑨 = 𝟕𝟖 , 𝟖𝟕 𝒎𝟐 𝐴=

Si es un filtro circular, a partir del área se puede conocer su diámetro:

 Carga Volumétrica:

𝐴 ∗ 4 0. ) ∅=( 𝜋 0. 780,87 ² ∗ 4 ) ∅=( 𝜋 ∅ = 𝟑𝟏, 𝟓𝟑 𝒎

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𝑣=

(2880

(𝑄1 ∗ 𝑆0 ) 𝑣 = (𝐴1 ∗ ) 1 𝑘 1000 ) 1 ∗ (250 ∗ 6 ∗ 10 2 (780,9 ∗ 2,4 )

𝑳𝒗 = , 𝟑𝟖 𝒌𝒈𝑫𝑩 𝟓 𝒅 ∗ 𝒎𝟑

Si aproximamos, Lv=0,4 kgDBO5/d*m3 lo que indica que es de alta tasa roca.  Carga Hidráulica

𝑞=  Tiro del aire:

(𝑄 + 𝑄𝑟) 𝑞= 𝐴 (𝑄 + (2 ∗ 𝑄)) 𝑞= 𝐴 (2880 + 5760 780,9 ² 𝒎𝟑 𝒒 = 𝟏𝟏, 𝟏 𝒎²𝒅

)

Para esta situación tenemos la temperatura del agua residual TAR=20°C y la temperatura del aire Ta=21°C. De acuerdo a la fórmula es necesario manejarlas el kelvin por lo que realizando la conversión tenemos: 𝑇𝑎 = (21°𝐶 + 273,15) = 𝟐𝟗𝟒, 𝟏𝟓°𝑲

𝑇𝐴𝑅 = (20°𝐶 + 273,15 ) = 𝟐𝟗𝟑, 𝟏𝟓°𝑲

Posteriormente es necesario hallar la media logarítmica que es el aire presente dentro del filtro: 𝑇𝐴𝑅 − 𝑇𝑎 𝑇𝐴𝑅 ln ( 𝑇𝑎 ) 293,15°𝐾 − 294 ,15°𝐾 𝑡𝑓 = 293,15°𝐾 ln (294,15°𝐾 ) 𝑡𝑓 =

𝒕𝒇 = 𝟐𝟗𝟑, 𝟔𝟓°𝑲

Con estos datos ya es posible hallar el Tiro del aire:

1 1 − )∗ 𝑇𝑎 𝑡𝑓 1 1 𝑇𝑖𝑟𝑜𝑎𝑖𝑟𝑒 = 3,53 ∗ ( − ) ∗ 2,4 294,15°𝐾 293,65°𝐾 𝑇𝑖𝑟𝑜𝑎𝑖𝑟𝑒 = 3,53 ∗ (

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𝑻𝒊𝒓𝒐𝒂𝒊𝒓 = 𝟒, 𝟗𝟐𝑬−𝟓𝒎𝒎 𝑯𝟐

Si lo convertimos a Pascales tenemos: Tiroaire= 4,82E-4 Pa  Pérdidas de cabeza del aire a través del filtro

Si tomamos la velocidad del aire como el valor mínimo admisible teniendo en cuenta el Q a, este sería de vaire=0,3 m/min, si convertimos esto a m/s tenemos: 1 𝑖𝑛 𝑖𝑛 60 ∗

𝑣𝑎𝑖𝑟𝑒 = 0,3

𝒗𝒂𝒊𝒓 = 𝟓𝑬−𝟑 𝒎 𝒔

Así mismo la densidad del aire a 20°C es pa=1,204 kg/m3. El factor de corrección se encontraba entre 2-3; por lo tanto, se toma el valor de FC=2,5. En base a esto calculamos: 𝑁𝑝 = 𝐹𝐶 ∗ 10,33 ∗ ∗ 𝑒 0,01 6𝑞𝑎

0,01 6∗11,1 𝑚

𝑁𝑝 = 2,5 ∗ 10,33 ∗ 2,4 ∗ 𝑒 𝑵𝒑 = 𝟕𝟐, 𝟖

2

⁄ 𝑚2 𝑑

Ahora procedemos a hallar el valor de las pérdidas de cabeza del aire a través del filtro: ∆𝑃 = 𝑁𝑝 ∗ (

∆𝑃 = 72,08 ∗ (

𝑡𝑓 𝑣𝑎𝑖𝑟𝑒 2 ) ) ∗ 𝑝𝑟𝑒𝑓𝑎 ∗ ( 𝑇𝑟𝑒𝑓 2

(5𝐸− )2

2 ∗ 9.81

2

) ∗ 1,204

𝑘

∆𝑷 = 𝟏, 𝟏𝟏 𝑬−𝟒 𝑷𝒂

∗(

293,65 ) 293,15

Hay que tener en cuenta que si Taire > ΔP no se requieren sopladores, sino solo ventanas de aire. En este casi se cumple esta situación pues 4,82E-4 Pa > 1,11 𝐸−4 𝑃𝑎.  SK, milímetros de agua por paso y número de brazos distribuidores 𝑆𝐾 =

(𝑄 + 𝑄𝑟) ∗ 100 𝑎 ∗ 𝑛 ∗ 60

Teniendo en cuenta el valor de la carga orgánica podemos determinar el valor de SKoperativo y SKlavado; así, SKL= ≥ 200 mm y SKO= 15-45 mm. Asumimos a=4, entonces despejamos nL, y nO así: 

nL

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

nO

𝑛 =

𝑛 =

𝑛 =

[(2880

1 ] ∗ 100 ) ∗ 24ℎ + 5760 4 ∗ 200 ∗ 60

𝒏𝑳 = 𝟕, 𝟓 𝒓𝒑𝒎

𝑛 =

[(2880

(𝑄 + 𝑄𝑟) ∗ 1000 𝑎 ∗ 𝑆𝐾 ∗ 60

(𝑄 + 𝑄𝑟) ∗ 1000 𝑎 ∗ 𝑆𝐾 ∗ 60 1 ) ∗ 24ℎ ] ∗ 100 + 5760 4 ∗ 30 ∗ 60

𝒏𝑳 = 𝟓 𝒓𝒑𝒎

Bajo estas condiciones operaran los 4 brazos distribuidores.  Sedimentador Secundario

Inicialmente es necesario calcular el caudal, primero teniendo en cuenta que cada uno de los tres filtros tendrá al final su sedimentador secundario, por consiguiente:  Caudal de diseño

𝑄 3 8640

𝑄𝑀 =

𝑄𝑀 =

⁄

3 𝟑 𝑸𝑴𝑫 = 𝟐𝟖𝟖 𝒎 ⁄𝒅

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 Carga de Sólidos de diseño:

𝑄 = 𝑄𝑀 ∗ 𝑋 𝑒

Asumimos Xmed= 200 mgSS/L, entonces:

1𝑘 1000 ⁄ ∗ (200 𝑆𝑆 ⁄ ∗ ( ) ) ∗ 1 106 𝒌𝒈 𝑸𝒎𝒔 = 𝟓𝟕𝟔 𝒅

𝑄 = 2880  Parámetros de diseño: 

TDS promedio

Se asume el valor de acuerdo a la tabla propuesta, obteniendo TDSprom=20 m3/m2/d. 

Qsmedia de dieño:

Igual que en el caso anterior, se usan los valores propuestos por la tabla, obteniendo: Qsmedia= 120 kg/m2/d.  Áreas superficiales para el diseño: 

As 𝐴 =

𝐴 =



As´

𝑄𝑀 𝑇 𝑝𝑟𝑜 𝑒 𝑖𝑜 2880

⁄

20 2 𝑨𝒔 = 𝟏𝟒𝟒 𝒎𝟐

𝐴 =

𝐴 =

𝑄 𝑄 𝑒 𝑖𝑎 𝑘 ⁄ 576

120 𝑘 2 𝑨𝒔 = 𝟒, 𝟖 𝒎𝟐

Se asumen como área de diseño el valor de As=144 m2.  Teniendo en cuenta que el valor del Caudal es mucho mayor a 380 m³/d propuesto en la tabla de parámetros, es necesario proponer 2 sedimentadores.  Área de diseño de cada sedimentador:

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

𝐴 𝑨𝒅 = 2 144 2 2 𝑨𝒅 = 𝑨𝒅 = 𝟕𝟐 𝒎𝟐 Como son sedimentadores circulares, podemos calcular su diámetro: ∅= √

∅= √

𝐴 ∗4

π

72 2 ∗ 4

π

∅ = 𝟗, 𝟔 𝐦  Teniendo en cuenta que tenemos 2 sedimentadores el caudal para cada sedimentador es: 𝑄𝑀 𝑄𝑒 = 2 2880 𝑄𝑒 = 2 𝑸𝒔 𝒅 = 𝟏𝟒𝟒 𝒎𝟑 𝒅  Altura de los sedimentadores, asumimos el valor: H=2,5 m.

 Tiempo de retención hidráulico:

𝐴 ∗𝐻 𝑄𝑒 72 2 ∗ 2,5 𝑇𝑅𝐻 = 1 (1440 ∗ 24 ℎ ) 𝑇𝑅𝐻 =

𝑻𝑹𝑯 = 𝟑 𝒉

 Altura de lodos, asumimos el valor: Hlodos=0,3 m.  Pendiente de fondo, asumimos el valor: Pfondo6% EJERCICIO BIODISCOS O CONTRACTORES ROTATORIOS (CBR) Diseñe un RBC (Contractor Biológico rotatorio) para tratar agua residual con un caudal de 8000 m3/d y una DBO de 220 mg/L. Las concentraciones de DBO y SST deben ser máximo de 30 mg/L.  Concentración del efluente

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Suponiendo una eficiencia de del 87% 𝐸% =

𝑆𝑜 − 𝑆

∗ 100 𝑆 = (1 −𝑆𝑜 𝐸%) ∗ 𝑆𝑜 𝑆 = (1 − 0,87) ∗ 220 𝑆 = 28,6 𝐴 (−0,4∗( ) 𝑆 𝑄 ( )=𝑒 𝑆

 Área superficial

Si despejamos A:

0,5

)

𝑆 𝐴 0, 𝑙𝑛 ( ) = (−0,4 ∗ ( ) ) 𝑄 𝑆 2 𝑆 ln ( 𝑆𝑜 ) ) 𝐴 𝑡 = 𝑄 ∗ (− 0,4

𝐴 𝑡 = 8000

28,6 ln ( 220 ) ∗ (− 0,4

𝑨𝒔𝒕 = 𝟐 𝟖𝟏𝟐𝟓𝒎𝟐

)

2

 Área mínima de medio filtrante requerida para la primera etapa  Carga superficial

Con Ls...