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Manual Ingeniería Sanitaria Emilio Ignacio Amaya Gómez Universidad de El Salvador Facultad Multidisciplinaria Oriental MANUAL DE INGENIERÍA SANITARIA Universidad de El Salvador Facultad Multidisciplinaria Oriental Proyecto de Horas Sociales Autor: Emilio Ignacio Amaya Gómez Asesor: Ing. Luis Clayton...

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Ingeniería Sanitaria RICARDO MIRON

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T it ulo a. present aciondocument o t ecnico Julio Rincon REPÚBLICA DE COLOMBIA MINIST ERIO DE DESARROLLO ECONOMICO Dirección General de Agua Pot a… Ivan Live Ras t it ulo a Crist ina Alexandra Torres Puert o

Manual Ingeniería Sanitaria

Emilio Ignacio Amaya Gómez Universidad de El Salvador Facultad Multidisciplinaria Oriental

MANUAL DE INGENIERÍA SANITARIA Universidad de El Salvador Facultad Multidisciplinaria Oriental Proyecto de Horas Sociales Autor: Emilio Ignacio Amaya Gómez Asesor: Ing. Luis Clayton Martínez

Siempre el inicio de toda tarea se torna dificultosa, pero luego de comenzado ella, el camino no parece tan tortuoso. E.I. A.G.

Dedico este manual a todos mis amigos/as que siempre han creído, en mi capacidad y talento. Pero sobre todo, quiero hacer esta dedicatoria en especial a mi familia gracias por estar día con día contribuyendo con todo su amor y cariño y nunca dejarme doblegar a ellos con mucho cariño, gracias por ser ese pilar fundamental en mi vida y estar siempre con migo.

Agradecimientos Especiales: Esta publicación es el resultado del esfuerzo, empeño y dedicación para su elaboración. Gracias a la colaboración del Ing. Luis Clayton Martínez, sus acertados comentarios y críticas fundamentos en su amplia experiencia han contribuido a que esta publicación sea una herramienta fundamental para las generaciones de estudiantes de Ingeniería y Arquitectura en el área de Ingeniería Sanitaria y saneamiento ambiental. Así mismo quiero manifestar mi agradecimiento a las empresas: A.G. & P. Constructora SA. de CV. Hidro Estudios Consultores de CV. Computer Express en especial a Arturo Márquez Por haber brindado su apoyo económico y técnico.

PROLOGO En la actualidad, la enseñanza de la Ingeniería Sanitaria ha comenzado a ser imprescindible, ya que la formación de nuevas generaciones conscientes del grave deterioro que sufre nuestro país, será de vital importancia para que en un futuro exista una sociedad más participativa en la prevención de la contaminación ambiental. Es por ello que la mayoría de las universidades e instituciones de educación superior a nivel internacional han incluido en su oferta educativa Ingenierías, técnicos y posgrados relacionados con esta área. En el caso de las ramas de la ingeniería, se ha comenzado desde hace algunos años a impartir la disciplinas que se conoce como ingeniería sanitaria y ambiental, la cual se encarga del diseño de tecnologías encaminadas a evitar y controlar la contaminación, así como revertir sus efectos. La ingeniería sanitaria y ambiental puede ser también un complemento para la formación de profesionistas de diferentes áreas tecnológicas, pues la mayoría de los estudiantes al ejercer su profesión serán responsables del diseño de máquinas, equipos o procesos industriales que pueden tener repercusión en el medio ambiente. Por tal razón es necesario incluir en sus programas académicos diversos temas sobre estas disciplinas para que contribuyan con su labor cotidiana a prevenir la contaminación ambiental, y en forma gradual a revertir sus efectos. El presente texto se desarrolló con la finalidad de brindar al estudiante que recién comienza el estudio de estas áreas, un panorama general y sencillo de lo que es la ingeniería sanitaria, por lo que comenzamos con el estudio de los conceptos básicos y tópicos relacionados con la salud y el medio ambiente que serán de gran utilidad para entender aspectos más profundos de esta rama de la ingeniería. Después, se analizan los aspectos concernientes a la contaminación del agua, los métodos de control y los tratamientos primario, secundario y terciario de las aguas residuales; de estos últimos mencionamos los más avanzados como son los tratamientos biológicos y la osmosis inversa. Posteriormente veremos los aspectos del suelo, en lo referente a su composición fisicoquímica; los métodos para su análisis, y una amplia clasificación de los diferentes contaminantes sólidos para poder definir y estudiar lo que es un relleno sanitario, los métodos de tratamiento de los residuos sólidos, así como las alternativas de reciclaje de basura y el composteo de desechos orgánicos, el manejo adecuado de los residuos especiales (bioinfecciosos), los componentes del saneamiento rural y ambiental y para finalizar la supervisión de obras sanitarias. Para nosotros es importante que todo ingeniero civil y arquitecto conozca los aspectos relacionados con los contaminantes más nocivos para la salud humana, como lo son, los residuos sólido y los líquidos (aguas grises y negras). Además de las fuentes que lo generan, los efectos que tiene sobre la salud humana y sus métodos de control. Por lo que se incluyen

apartados sobre estos temas para que el estudiante obtenga un panorama general sobre el mismo. Un aspecto que no debe pasar inadvertido y que se debe considerar como parte de la ingeniería sanitaria, es el desarrollo de procesos y métodos adecuados para el manejo de los residuos sólidos y líquidos contaminantes, ya que no sólo se debe evitar que estos contaminen y deterioren la salud de la población.

Sin lugar a dudas una situación muy importante en el campo sanitario, es la relación que hay entre la contaminación y el deterioro del ambiente con los aspectos sociales, económicos, demográficos y políticos. Un ejemplo representativo es el crecimiento desproporcionado de la población que acarrea una serie de problemas que finalmente repercuten en la contaminación de mantos de agua y cuerpos de agua superficiales para adaptarlos como destino final de aguas servidas, y Finalmente es primordial que el estudiante conozca el marco legal que regula la protección al medio ambiente en nuestro país para que pueda abordar de manera integral (tanto técnica como legalmente) los problemas que puedan presentarse durante el ejercicio de su profesión como ingeniero civil y arquitecto.

CONTENIDO

Índice de Figuras Índice de Tablas Introducción

I VII XII

Capitulo 1. Introducción a la ingeniería sanitaria 1. Definición y objetivos de la ingeniería sanitaria 2. Historia y evolución de la ingeniería sanitaria 3. Ecología 4. Antecedentes nacionales y legislación sanitaria 5. Epidemiologia 6. Higiene pública

3 4 6 10 17 31 37

Capitulo 2. Característica de las aguas naturales 1. Aprovechamiento de las aguas naturales 2. Características físicas, químicas, microbiológicas de las aguas 3. Principales enfermedades hídricas 4. Parámetros utilizados en los diseños de sistemas de provisión 5.Obras de aprovechamiento de agua

43 44 49 64 85 97

Capitulo 3. Abastecimiento de agua 1. Fuentes de abastecimiento de agua 2. Recursos hídricos 3. Agua poco profundas, pozos, galerías filtrantes 4. Aguas profundas, sistemas de extracción percusión y rotación

123 124 133 172 201

Capitulo 4. Tratamientos de las aguas y Desinfección de los sistemas abastecedores de aguas 1. Potabilización de las aguas 2. Procesos naturales y artificiales 3. Plantas potabilizadoras 4. Procesos de coagulación, floculación, sedimentación y filtración 5. Desinfección, distintos elementos y sistemas que se utilizan 6. Practicas más comunes que se emplean 7. Desinfección de emergencias de pozos redes de distribución y de tanques

3

233 234 239 263 290 342 353 358

Capitulo 5. Composición y característica de las aguas residuales 1. Generalidades 2. Procedencia de las aguas residuales 3. Sustancias orgánicas e inorgánicas 4. Parámetros del estado de los líquidos residuales 5. Autodepuración de las aguas residuales 6. Disposición de los líquidos residuales 7. Normas de calidad de descarga según su destino final

364 365 369 380 392 416 428 438

Capitulo 6. Tratamientos de las aguas Residuales 452 453 1. Distintos tipos de tratamiento. 458 2. Su necesidad de acuerdo al destino final. 466 3. Grados de tratamiento, Cámaras o tanques sépticos. 479 4. Cámara de sedimentación, tanques Imhoff. 488 5. Pretratamiento, Tamices, Rejas, Tipos desarenadores. 506 6. Separadores de grasas y aceite. 511 7. Tratamiento primario. 537 8. Espesadores de lodos. 551 9. Tratamiento secundario. 576 10. Lechos percoladores. 587 11. Sistemas de barros activados. 600 12. Tratamientos de barros. 607 13. Digestores anaerobios. 661 14. Digestores aerobios. 669 15. Playas de secado. 16. Otros procedimientos: filtros de arena, lechos de contacto. 674 Tratamiento terciario. Capitulo 7. Desechos sólidos 1. Clasificación y características de los desechos sólidos 2. Impacto en la salud pública y el medio ambienté 3. Etapas del servicio de aseo 4. Métodos de tratamiento y disposición final 5. Reciclaje

694 695 700 708 722 741

Capitulo 8. Manejo de desechos bioinfecciosos o especiales 1. Desechos hospitalarios e infecciosos 2. Todos los desechos generados por hospitales 3. Gestión operativa interna de desechos hospitalarios 4. Tratamiento de desechos hospitalarios

752 753 763 772 789

4

Capitulo 9. Saneamiento Rural 1. Saneamiento rural, introducción. 2. Tecnología y nivel de servicio de saneamiento rural. 3. Pozos Y Zanjas de absorción, pruebas de infiltración. 4. Diseño, Construcción y Materiales para Letrinas 5. Manejo de desechos sólidos

796 797 804 818 826 850

Capitulo 10. Saneamiento Ambiental Objetivos del Saneamiento Ambiental Control de Vectores Influencia de las obras de Salubridad Protección Sanitaria Desarrollo de Sistemas Locales de Saneamiento

862 863 873 886 890 892

Capitulo 11. Supervisión de Obras sanitarias Tipo de obras Sanitarias Supervisión de elementos y estructuras sanitarias Control de Calidad de obras Sanitarias

902 903 907 934

Referencias Bibliográficas Anexos Revisar Cd de Anexos.

951

5

Índice de figuras

Figura 1.1

Los principales componentes y subcomponentes del medio natural.

11

Figura 1.2

16

Figura 2.4

La naturaleza dinámica del ecosistema debido a las interacciones entre y la interdependencia de los diversos componentes. Clasificación de los sólidos que se encuentran en el agua y en el agua residual. Clasificación del tamaño de partículas de los sólidos en agua y agua residual. Cono Imhoff para determinar la fracción de sedimentación del agua, el cual consiste en un diámetro de 105 mm y 450 mm de altura. Principales vías de contagio de entero patógeno de transmisión hídrica.

Figura 2.5

Esquema del ciclo de replicaciones de bacteriófagos

81

Figura 2.6

Protozoarios frecuentes en las heces

81

Figura 2.7

Ciclo del Ascaris Lumbricoides

82

Figura 2.8.

Ciclo de Schistosoma mansoni.

83

Figura 2.9

Ciclo de Taenia saginata

83

Figura 2.10

Ciclo de contaminación del agua producido por el hombre

84

Figura 2.11

Aprovechamiento del agua

98

Figura 2.12 Figura 2.13 Figura 2.14 Figura 2.15 Figura 2.16 Figura 3.2 Figura 3.3

Sección esquemática de una presa de tipo gravedad Sección esquemática de una presa en arco Dique de Piedra Partes de un Dique de Piedra Partes que conforman un estanque en tierra Consumo continuo de agua procedente de lagos y grandes corrientes. Presa y torre de la toma para un abastecimiento por almacenamiento de aguas superficiales. El ciclo hidrológico clásico Perfil de Infiltración del Agua (CPRM 1997, modificado de Bear y Verruijit 1987) Tipos de acuíferos Combinaciones posibles entre homogeneidad y anisotropía (Freeze y Cherry, 1979) Situaciones típicas de las líneas de flujo y equipotenciales (Bear, 1979). Importancia del agua subterránea para el abastecimiento de agua potable en la Región Latinoamericana y Caribeña (Foster, Ventura y Hirata, 1987) Sistema GOD para la evaluación del índice de vulnerabilidad del acuífero

104 105 107 109 122 129 130

Figura 2.1 Figura 2.2 Figura 2.3

Figura 3.4 Figura 3.5 Figura 3.6 Figura 3.7. Figura 3.8. Figura 3.9 Figura 3.10

I

61 62 63 66

138 149 150 159 159 163 165

Figura 3.11 Figura 3.12. Figura 3.13. Figura 3.14. Figura 3.15. Figura 3.16. Figura 3.17. Figura 3.18. Figura 3.19. Figura 3.20. Figura 3.21. Figura 3.22. Figura 3.23. Figura 3.24. Figura 3.25. Figura. 3.26 Figura. 3.27 Figura 3.28 Figura 3.29. Figura 3.30. Figura 3.31. Figura 3.32. Figura 3.33

Figura 3.34

Figura 3.35 Figura 3.36 Figura 3.37 Figura 3.38

Figura 3.39

(compilado por Foster, 1987 Esquema conceptual del riesgo de contaminación de aguas subterráneas (modificada de Foster 1987, en Foster y Hirata 1991). Aljibe Veneciano Aljibe de filtro superior. Aljibe Americano Toma fluvial de fondo Toma fluvial de fondo con rejilla Toma de fondo, en un río no navegable y con peligro de sedimentación Toma directa sencilla de un río normal Toma con galerías Toma flotante en planchón Toma lacustre con tubo Toma con rejilla sumergida Toma adosada al trasdós de una presa. Torre de toma Galería filtrante. Esquema de funcionamiento de las galerías filtrantes (Delgado, 2003) Red de flujo alrededor de una galería filtrante Galería de Cantayoc Acceso Tipos de acuíferos Captación de manantial con salida horizontal Toma de un manantial de salida vertical Pozo de drenes horizontales Bombeo de acuíferos: a) Efecto del bombeo en el cono de depresión; b) Efecto del material del acuífero en el cono de depresión, y c) Efecto de la solapamiento del área de influencia entre pozos en bombeo. Pozo excavado con la instalación de un motor de bombeo de dos tuberías. Nota: La rejilla de la bomba debe situarse debajo del nivel de depresión máximo. Tipos diferentes de puntas para pozos de conducción: a) tipo de hendidura continúa b) tipo de cubierta de latón, y c) tipo de tubo de latón. Pozo excavado a mano y perforación con pica de hinca y bomba de inyección Pozo de sondeo con bomba sumergible Los cuatro elementos que componen una sarta de herramientas para perforar por el método de percusión. Máquina de perforar por percusión de mediana capacidad, trabajando en su sitio. Los fragmentos y cortaduras extraídos por una cuchara con válvula de dardo son expulsados conforme la válvula es asentada en un bloque de madera. Completando un pozo de 10 cm. para una casa en Wisconsin. (Cortesía de II

166 173 176 176 178 178 179 180 181 182 184 184 186 187 188 189 189 190 193 195 196 200 213

217

218 220 221 224

225

Figura 3.40

Figura 3.41

Figura 4.1 Figura 4.2 Figura 4.3 Figura 4.4 Figura 4.5 Figura 4.6 Figura 4.7 Figura 4.8

Figura 4.9 Figura 4.10 Figura 4.12 Figura 4.13

Figura 4.14 Figura 4.15 Figura 4.16 Figura 4.17 Figura 4.18 Figura 4.20 Figura 4.21 Figura 4.22 Figura 4.23 Figura 4.24 Figura 4.25 Figura 4.26 Figura 4.27 Figura 4.28 Figura 4.29 Figura 4.30

Chester Kempf) Se utiliza un cabrestante para arrastrar tubería hacía la sarta. Bombas de arena y cuchara corriente, mostrando los detalles de las válvulas de fondo plano Maquinas de perforación, dotada de un compresor de alta capacidad, para perforar con aire a baja o alta presión del tipo de trepano o herramientas que se use. La maquina tiene también una bomba de lodo, para utilizar, cuando se necesite, la circulación de fluido. Esquema de las distintas secuencias y alternativas del proceso de potabilización del agua Filtro de tela o un filtro de carbón Hervir, Desinfección solar, Agregar cloro, Agregar jugo de lima o limón Vasijas utilizadas en este método Semillas utilizadas en la purificación de agua Filtro artesanal de área, piedras y carbón Utilizando los métodos de SODIS y el jugo de limón Agregue estas cantidades de la solución madre al agua clara y espere por lo menos 30 minutos antes de beberla. Si el agua está turbia, necesitará el doble de la solución de blanqueador. Filtros para el hogar y la comunidad Filtro de cerámica dentro de una cubeta de plástico Esquema de un Clorador de vacio Construcción de piletones de hormigón armado "in situ" aptos para procesos de floculación, sedimentación, clarificación, etc, según las alternativas de potabilización indicada. Esquema del proceso de potabilización del agua para consumo humano Piletones utilizados en el proceso de floculación Unidades utilizadas para la decantación en el proceso de potabilización Unidades usadas para la prefiltracion y filtración Esquemas de un filtro lento utilizado en el proceso de potabilización Esquema de desinfección del agua Medición de la altura de lodos Determinación de la altura mínima de sedimentación Rumas de material embolsado Carritos basculares y carretillas Sistema neumático de transferencia Sistema de transferencia mecánica mediante rodillos Sistema de transferencia mecánica de tornillo Cintas transportadoras Aparato de Prueba de Jarras Deflectores a. Deflector y b. Jarra con deflector III

226

232

235 246 246 247 248 249 251 252

253 255 262 263

264 265 266 266 268 271 273 273 276 277 278 278 278 279 279 280

Figura 4.31 Figura 4.32 Figura 4.33 Figura 4.34 Figura 4.35 Figura 4.36

Figura 4.37 Figura 4.38 Figura 4.39 Figura 4.40 Figura 4.50 Figura 4.51 Figura 4.52 Figura 4.53 Figura 4.54 Figura 4.55 Figura 5.1 Figura 5.2. Figura 5.3 Figura 5.4 Figura 5.6 Figura 6.1 Figura 6.2. Figura 6.3. Figura 6.4 Figura 6.5 Figura 6.6 Figura 6.7 Figura 6.8 Figura 6.9 Figura 6.10 Figura 6.11 Figura 6.12 Figura 6.13

a) Tomador de muestras y b) Jarra con deflector y tomador de muestras Graduando la abertura en el mínimo del dosificador y tomando una muestra Curva de calibración Dosificador en solución Modelo coloidal Guoy Stern Región de estabilidad de sulfato de aluminio3. (Reimpreso del Journal of American Water Works Association, 62, bajo autorización de la Association. Derecho de autor, 1976. de la American Water Works Association, Inc., 666bW. Quincy Avenue Den ver, CO 80235). Tanques de floculación. (a) Paletas horizontales (b) hélices verticales Clarificador de contacto de sólidos suspendidos (Cortesía de Permitía Co.. Inc.) Clarificador de contacto de sólidos suspendidos (Cortesía de Infiko Pegremont Inc.). Fuerzas actuantes en una partícula Filtro rápido Diferentes tipos de lechos filtrantes Filtro lento de arena Filtro lento de arena en una zona rural Mecanismos de transporte Filtro lento modificado rectangular de hormigón Curvas generales de la DBO Tiempo de Incubación (día) Efecto del pH en los resultados DBO Relación entre DBO y la DQO Efecto de concentración de sales en reacciones biológicas Proceso de tratamiento de las aguas residuales Descomposición microbial de la materia orgánica Simbiosis microbial en una laguna de estabilización Esquema de Tanque Séptico Detalles de la norma aplicados en el tanque séptico Tanque imhoff Trampa de grasa convencional Trampa de grasa simple Trampa de grasa con depósito de acumulación de grasa Sedimentación de partículas discretas Velocidad de Sedimentación, Curva para análisis de velocidades de sedimentación de partículas discretas Columna de Sedimentación Porcentajes de remoción en varios intervalos de tiempo y IV

280 284 286 287 300 302

306 307 307 309 328 330 331 332 334 338 396 397 398 404 410 461 465 465 476 478 485 508 510 511 517 518 520 521

Figura 6.14 Figura 6.15 Figura 6.16 Figura 6.17 Figura 6.18 Figura 6.19 Figura 6.20 Figura 6.21 Figura 6.22 Figura 6.23

Figura 6.24

Figura 6.25 Figura 6.26 Figura 6.27 Figura 6.28 Figura 6.29 Figura 6.30 Figura 6.31 Figura 6.32. Figura 6.33 Figura 6.34 Figura 6.35 Figura 6.36 Figura 6.37 Figura 6.38 Figura 6.39 Figura ...