Planta de tratamiento de aguas residuales

1. MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN SUPERIOR
INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO SANTIAGO MARIÑO
CÁTEDRA: DISEÑO DE PLANTAS
DISEÑO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
URBANAS
REALIZADO POR: WILLIAMS PRIETO
SEPTIEMBRE, 2017

2. INTRODUCCIÓN
El agua es esencial para cualquier forma de vida, los ecosistemas naturales
y la regulación del clima. Aunque el agua total presente en el planeta permanece
relativamente constante a lo largo de los años, su disponibilidad varía en función al
cambio climático. La contaminación del agua y su escasez plantean amenazas
para la salud y la calidad de vida, pero su incidencia ecológica es más general. La
escasez de agua de buena calidad perjudica al medio acuático, húmedo y
terrestre, a la flora y la fauna.
Sin un adecuado tratamiento de las aguas contaminadas, la
descomposición de la materia orgánica y compuestos amoniacales del agua
residual, produciría el consumo de oxígeno disuelto. Se producirían malos olores,
habría un elevado número de patógenos y se produciría la eutrofización de las
aguas causado por los altos contenidos de fosforo y nitrógeno. Desde la
antigüedad se ha admitido la importancia de la calidad del agua para
abastecimiento urbano, pero no fue hasta el siglo XIX cuando se puso de
manifiesto la necesidad de una adecuada gestión del agua residual como medio
de protección de la salud pública.
En las últimas dos décadas se han realizado grandes esfuerzos en todo el
mundo para incrementar el porcentaje de población con acceso a servicios de
saneamiento básicos. Sin embargo, en la actualidad todavía más de un tercio de
la población mundial no dispone de acceso al saneamiento. Como alternativa para
lograr depurar las aguas residuales del Sector Paraíso en el Municipio Maracaibo,
en el presente trabajo se realizara el diseño de una planta de tratamiento de aguas
residuales, abordando la capacidad de planta, localización y distribución.

3. PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
Una planta de tratamiento de aguas residuales es una manera de prevenir y
evitar que se siga contaminando de manera intensiva las aguas naturales de
nuestro país y en general de nuestro planeta. Una planta de tratamiento está
formada por diferentes etapas, las cuales, a su vez, pueden estar formadas por
uno o más elementos. Entre más elementos contenga una planta de tratamiento,
más eficiente será.
La planta de tratamiento de aguas residuales constará de una línea de agua
y una línea de fango. Los procesos para ambas líneas se esquematizan en las
Figura 1 y Figura 2. Con respecto a la línea de agua, en el tratamiento secundario
se transforma la materia orgánica en sólidos suspendidos que se eliminan
fácilmente. Finalmente el tratamiento terciario comprende procesos de
desinfección.
Figura 1. Línea de agua
Con respecto a la línea de fango, los fangos producidos en el tratamiento
secundario de la línea de agua poseen una gran cantidad de agua (ocupan un
gran volumen y son difícil de manipular), por lo que se requiere un espesamiento
que reduzca esta cantidad de agua. Los fangos poseen también mucha materia
orgánica (entran fácilmente en descomposición produciendo malos olores), por lo
que al espesamiento le sigue un proceso de digestión de esta materia orgánica,
que puede ser aerobio o anaerobio. Tras la digestión se deshidratan los fangos,
para reducir al máximo posible su volumen y hacerlos manejables. Una vez se
almacenan los fangos, pueden tener usos agrícolas, ser depositados en
vertederos o incinerados.
Figura 2. Línea de fango
LOCALIZACIÓN DE PLANTA
El Sector Paraíso se encuentra en el suroeste del Municipio Maracaibo y
está ubicado a 1,550 metros sobre el nivel del mar, con las siguientes
coordenadas: 14º 34’ 13” latitud norte y 90 29’ 45” longitud oeste. El mapa
mostrado represente la ubicación del Sector Paraíso, dicho mapa se encuentra a

4. escala 1:50,000. La planta se ubicará en un terreno disponible ubicado en la
Urbanización Las Morochas, la cual consta de 4 módulos, la planta se ubicara a
210 metros aproximadamente del tercer módulo. Se escogió esta localización
puesto que el terreno está ubicado en la parte más baja del sector por lo cual el
agua residual fluiría naturalmente hacia la planta de tratamiento.
Figura 3. Localización del Sector Paraíso
Figura 4. Localización de la Planta. Urbanización Las Morochas.
SectorParaíso
Planta de
tratamiento

5. EQUIPOS INDUSTRIALES UTILIZADOS
1. Línea de agua.
Tal y como muestra la Figura 1, las etapas por las que pasa el agua son
pretratamiento, tratamiento secundario y tratamiento terciario
Pretratamiento
Tiene como finalidad separar las materias de mayor tamaño, las arenas y las
grasas, evitando:
- Obstrucciones en bombas o tuberías.
- Desgaste de equipos por el efecto abrasivo de las arenas.
- Reducción de la eficiencia del proceso biológico por exceso de materias grasas.
Estará compuesto por un pozo de gruesos, bombeo de agua bruta, desbaste fino,
deseranador y desengrasado.
Pozo de gruesos
Para la eliminación de sólidos muy gruesos y para la protección del bombeo
posterior se ha previsto la construcción de un pozo de gruesos, con una sección
troncopiramidal con las paredes inclinadas, para evitar acumulación de sólidos y
arenas en los laterales y esquinas, y poder extraer de manera efectiva la mayor
cantidad de residuos. El pozo de gruesos estará equipado con una cuchara
bivalva para la extracción de los residuos, y un contenedor de residuos.
Figura 5. Pozo de gruesos
Bombeo de agua bruta
Cuando el colector de llegada del agua residual circula a una cota inferior a
la necesaria es necesario instalar un sistema de elevación para que, una vez
canalizada el agua por toda la línea de tratamiento, pueda verterse por gravedad.

6. Desbaste fino
Esta operación consiste en hacer pasar el agua residual a través de una
reja de entre 3-12 mm. Sus objetivos son los mismos que se pretenden con el
desbaste del pozo de gruesos, eliminar materia que por su tamaño pueda interferir
en los tratamientos posteriores.
Desarenado-desengrase
Tras el desbaste, el agua residual se somete a un proceso para la
eliminación de las arenas y grasas que transporta. El desarenado tiene como
objetivo eliminar partículas más pesadas que el agua, que no se hayan retenido en
el desbaste. De este modo, se consiguen proteger los equipos de procesos
posteriores ante la abrasión, atascos y sobrecargas. Con el desengrasado se
eliminan grasas, aceites, espumas y materias flotantes más ligeras que el agua;
evitando así posibles interferencias en procesos posteriores:
- En los decantadores forman una capa superficial que dificulta la sedimentación al
atraer hacia la superficie pequeñas partículas de materia orgánica.
- En el reactor biológico empeoran la correcta aireación, disminuyendo el
coeficiente de transferencia, y favorecen la aparición de organismos filamentosos
en los sistemas biológicos, participando en la producción de bulking.
- Perturban el proceso de digestión de lodos.
- La DQO se incrementa en un 20 a un 30% por las grasas contenidas en los
vertidos.
Figura 6. Desarenador-Desengrase
Tratamiento secundario
El tratamiento secundario tiene como función es para reducir aceites,
grasas, arenas y sólidos gruesos. Este se llevará a cabo a través de una
decantación primaria. El objetivo fundamental de este proceso es continuar
eliminando sustancias insolubles (sólidos en suspensión) por métodos puramente
físicos, es decir por acción de la fuerza de la gravedad. Se ha optado por
decantadores de forma circular, con fondo ligeramente inclinado hacia el centro y

7. provistos de rasquetas que barren el fondo con el fin de conseguir una
concentración en los fangos. El agua, una vez tratada, se recoge por medio de
vertederos periféricos desde donde pasa a al tratamiento biológico. Además, el
decantador cuenta con recogida de flotantes en superficie.
Tratamiento Terciario o Desinfección
Como ya se ha comentado anteriormente, al tratarse de aguas residuales,
el tratamiento terciario solo abarcará la desinfección. A la salida del decantador
secundario, el agua pasará por un canal de cloración para su desinfección, es
decir, para destruir cualquier organismo patógeno que pudiera haber sobrevivido
al proceso de tratamiento, protegiendo así la salud pública. La desinfección del
agua residual toma gran importancia cuando el efluente secundario es usado para
nadar o para el consumo humano.
2. Línea de fango.
Tal y como muestra la figura 2, las etapas por las que pasa el fango son
espesamiento, digestión, deshidratación y almacenaje.
Espesamiento de fangos.
El espesamiento de fangos se lleva a cabo por el fenómeno físico de la
gravedad, debido al peso, las partículas sólidas se depositan en el fondo del
espesador, consiguiendo así aumentar la fracción sólida del fango. Estos lodos
depositados en el fondo bombean a los digestores. A la hora de diseñar el
espesador se han tomado como criterios:
- El tiempo de retención del fango a caudal medio será superior a 2 días.
- El espesador trabajará a una carga de sólidos inferior a 45 Kg MS/m2/día.
Deshidratación de fangos
Los fangos pueden ser deshidratados gracias a la acción de medios
filtrantes (filtros banda y los filtros prensa) o mediante centrífugas. La
deshidratación estudiada en este proyecto se llevara a cabo por centrifugación,
que presenta un rendimiento medio entre estos dos tipos de filtros. Se instalarán
dos centrífugas, donde los fangos se separarán en dos fases (sólida y líquida)
gracias a la fuerza centrífuga y la adición de un polímero que garantice una
correcta separación de las fases. Para acondicionamiento químico a la
deshidratación se empleará polielectrolito. La sequedad prevista tras la
deshidratación es superior al 22% en volumen.
Almacenamiento de fangos deshidratados.
Como criterio de diseño se ha optado por una capacidad de
almacenamiento a caudal medio de al menos dos días, por lo que se instalarán
tolvas de 350 m3 de capacidad.
CAPACIDAD DE PLANTA
Para determinar la capacidad proyectada se tendrá en cuenta que en el
Sector Paraíso la población inicial beneficiada con este proyecto es de 830

8. habitantes. La dotación de agua potable por habitante es de 5,26 litros por
habitante por día, así mismo se asumirá que la tasa de crecimiento del sector es
de 3.0% anual y la capacidad será proyectada para 20 años. La capacidad
efectiva fue del 90% de la capacidad proyectada. Para determinar la tasa de
utilización y eficiencia se tuvo en cuenta que la salida real es de 6473,1 𝒎 𝟑
/𝒅𝒊𝒂
de agua y 6,9 𝒎 𝟑
/𝒅𝒊𝒂 de fango, por lo cual la entrada es igual a la salida.
Capacidad Proyectada, 𝒎 𝟑
/𝒅𝒊𝒂 7000
Capacidad Efectiva, 𝒎 𝟑
/𝒅𝒊𝒂 6480
Tasa de Utilización 92,5714 %
Eficiencia 100%
A continuación se presenta la capacidad por equipo utilizado en cada
proceso descrito anteriormente así como la cantidad a utilizar.
Equipo Cantidad Capacidad unitaria,
𝒎 𝟑
/𝒅𝒊𝒂
Pozo de grueso 2 3240
Bomba de agua bruta 4 1620
Rejilla 5 1296
Desarenador –
desengrasante
3 2160
Decantador 2 3240
Vertedero 2 3240
Reactor Biológico 2 3240
Canal de cloración 2 3240
Espesador de fango 1 267,4
Centrifuga 2 3240
Digestor 3 2160

9. Tolva 19 350
DISTRIBUCIÓN DE PLANTA
El siguiente esquema muestra la distribución de planta por proceso. Los
cuadros de color verde representan la línea de agua y los de color blanco
representan la línea de fango.

10. TANQUES DE ALMACENAMIENTO
Un tanque de almacenamiento es un depósito diseñado para almacenar
fluidos. Los tanques de almacenamiento son probados antes de que sean puestos
en servicio.
CLASIFICACIÓN DE LOS TANQUES DE ALMACENAMIENTO
Generalidades de los tanques verticales de techo fijo o flotante
Los tanques verticales ya sean de techo fijo o flojante cuentan con las
siguientes generalidades:
Boca de sondeo: Se emplea para la medición manual de nivel y
temperatura, y para la extracción de muestras.
Pasos de hombre: Son bocas de aprox. 600 mm de diámetro para el
ingreso al interior del tanque.
Bocas de limpieza: Son aberturas de 1.2 x 1.5 m aprox. dependiendo del
diámetro del tanque y de la altura de la primera virola
Base de hormigón: Se construye un aro perimetral de hormigón sobre el
que debe apoyar el tanque para evitar hundimiento en el terreno y corrosión de la
chapa
Instalación contra incendios: Deben contar con fumáis que suministren
espuma dentro del recipiente, y con un anillo de incendios que sea capaz de
suministrar el caudal de agua mínimo que exige la ley.
Construcción
•Vertical:de techofijo, flotante internoo externo
•Horizontal
•Esferas
•Criogénicos
Uso
•Producción
•Yacimiento
•Terminal de despacho
•Reserva
Producto
•Crudo
•Nafta
•LPG,GNL, etc

11. Serpentín de calefacción: Son tubos de acero por los que circula vapor a
baja presión.
Agitadores: Son hélices accionadas por un motor externo que giran dentro
de la masa de producto.
Tanques verticales de techo flotante
Los tanques de techo flotante constan de una membrana al espejo de
producto que evita la formación del espacio vapor, minimizando pérdidas por
evaporación.
Generalidades de los tanques verticales de techo flotante
Pontones: Son cilindros estancos que sustentan al techo.
Membranas: Estas evitan el espacio vapor que queda entre el líquido y el
techo flotante con pontones.
Sellos: Se encargan de minimizar las fugas de vapores
Tanques verticales de techo flotante interno
Se construyen en aluminio, y se coloca un domo geodésico como techo fijo
del tanque. Sus ventajas son las siguientes:
No necesita columnas que lo sostenga.
Es liviano
Evitan trabajos riesgosos en altura.
Tanques verticales de techo flotante externo
El techo flotante externo es un techo que se encuentra a cielo abierto. Se
diseña con un punto bajo y una válvula anti retorno para evacuar el agua de lluvia
que caiga sobre él. Algunos diseños, permiten la inyección de espuma por el
drenaje del techo para casos de emergencia.
Tanques verticales techo fijo
Se emplean para contener productos no volátiles o de bajo contenido de
ligeros como son: agua, diesel, petróleo crudo, etc.

12. Tanques horizontales
Los recipientes horizontales se emplean hasta un determinado volumen de
capacidad. Para capacidades mayores, se utilizan las esferas. Los casquetes de
los tanques horizontales son toriesféricos, semielípticos o semiesféricos.
Esferas
Las esferas se sostienen mediante columnas que deben ser calculadas
para soportar el peso de la esfera durante la prueba hidráulica. Todas las
soldaduras deben ser radiografiadas para descartar fisuras internas que se
pudieran haber producido durante el montaje. Cuentan con una escalera para
acceder a la parte superior para el mantenimiento de las válvulas de seguridad,
aparatos de telemedición.
Tanque criogénico
Se utilizan para el almacenamiento de gases a alta presión como GLN u
otros gases criogénicos. Sus características son las siguientes:
Consta de un recipiente interior de acero inoxidable para soportar bajas
temperaturas, y uno exterior de acero al carbono
Los tanques criogénicos tienen un sistema que vaporiza líquido para
aumentar la presión cuando ésta baja
Los tanques criogénicos están equipados con válvulas de alivio y discos
estallantes, para dejar escapar el gas si hay un aumento excesivo de presión.
Los tanques criogénicos varían en su capacidad dependiendo de las
necesidades de los usuarios.
INTERCAMBIADORES DE CALOR
Un Intercambiador de Calor es un equipo utilizado para enfriar un fluido que
está más caliente de lo deseado, transfiriendo esta calor a otro fluido que está frío
y necesita ser calentado. La transferencia de calor se realiza a través de una
pared metálica o de un tubo que separa ambos fluidos.
Las aplicaciones de los intercambiadores de calor son muy variadas y reciben
diferentes nombres:
• Intercambiador de Calor: Realiza la función doble de calentar y enfriar dos
fluidos.
• Condensador: Condensa un vapor o mezcla de vapores.
• Enfriador: Enfría un fluido por medio de agua.
• Calentador: Aplica calor sensible a un fluido.

13. • Rehervidor: Conectado a la base de una torre fraccionadora proporciona el calor
de reebullición que se necesita para la destilación. (Los hay de termosifón, de
circulación forzada, de caldera,...)
• Vaporizador: Un calentador que vaporiza parte del líquido
TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR.
Los tipos fundamentales de intercambiadores son.
• Intercambiadores de tubería doble
• Intercambiadores enfriados por aire
• Intercambiadores de tipo placa
• Intercambiadores de casco y tubo
Intercambiadores de tubería doble.
Consiste en un tubo pequeño que está dentro de otro tubo mayor,
circulando los fluidos en el interior del pequeño y entre ambos. Estos
intercambiadores se utilizan cuando los requisitos de área de transferencia son
pequeños.
Intercambiadores enfriados por aire.
Consisten en una serie de tubos situados en una corriente de aire, que
puede ser forzada con ayuda de un ventilador. Los tubos suelen tener aletas para
aumentar el área de transferencia de calor. Pueden ser de hasta 40 ft (12 m) de
largo y anchos de 8 a 16 ft (2,5 a 5 m). La selección de un intercambiador enfriado
por aire frente a uno enfriado por agua es una cuestión económica, hay que
consideran gastos de enfriamiento del agua, potencia de los ventiladores y la
temperatura de salida del fluido (un intercambiador de aire, tiene una diferencia de
temperatura de unos 15 ºF (8 ºC)). Con agua se obtienen diferencias menores.
Intercambiadores de tipo placa.
Llamados también intercambiadores compactos. Pueden ser de diferentes
tipos:
• Intercambiadores de tipo placa y armazón (plate-and-frame) similares a un filtro
prensa.
• Intercambiadores de aleta de placa con soldadura (plate fin).
Admiten una gran variedad de materiales de construcción, tiene una
elevada área de intercambio en una disposición muy compacta. Por la
construcción están limitados a presiones pequeñas.
Intercambiadores de casco y tubo.
Son los intercambiadores más ampliamente utilizados en la industria
química y con las consideraciones de diseño mejor definidas. Consisten en una
estructura de tubos pequeños colocados en el interior de un casco de mayor
diámetro. Las consideraciones de diseño están estandarizadas por The Tubular
Exchanger Manufacturers Association (TEMA). Un intercambiador de calor de
casco y tubo conforme a TEMA se identifica con tres letras, el diámetro en
pulgadas del casco y la longitud nominal de los tubos en pulgadas. La primera
letra es la indicativa del tipo del cabezal estacionario.

14. Los tipo A (Canal y cubierta desmontable) y B (Casquete) son los más
comunes. La segunda letra es la indicativa del tipo de casco. La más común es la
E (casco de un paso) la F de dos pasos es más complicada de mantener. Los
tipos G, H y J se utilizan para reducir las pérdidas de presión en el casco. El tipo K
es el tipo de rehervidor de caldera utilizado en torre de fraccionamiento. La tercera
letra nos indica el tipo de cabezal del extremo posterior, los de tipo S , T y U son
los más utilizados.
El tipo S (cabezal flotante con dispositivo de apoyo) el diámetro del cabezal
es mayor que el del casco y hay que desmontarlo para sacarlo. El tipo T (Cabezal
flotante sin contrabrida) puede sacarse sin desmontar, pero necesita mayor
diámetro de casco para la misma superficie de intercambio. El tipo U (haz de tubo
en U) es el más económico, pero a la hora de mantenimiento necesita una gran
variedad de tubos en stock.
Intercambiador de cabezal flotante interno (tipo AES)
Es el modelo más común, tiene casco de un paso, tubos de doble paso con
canal y cubierta desmontable, cabezal flotante con dispositivo de apoyo. Tiene
desviadores transversales y placas de apoyo. Sus características son:
1.- Permite la expansión térmica de los tubos respecto al casco.
2.- Permite el desmontaje
3.- en lugar de dos pasos puede tener 4,6 u 8 pasos.
4.- Los desviadores transversales, con el porcentaje de paso y su separación
modifican la velocidad en el casco y su pérdida de carga.
5.- el flujo es contracorriente y a favor de corriente en la mitad de los tubos.
Intercambiador de lámina y tubo fijo (tipo BEM)
1.- Este intercambiador no tiene apenas diferencia entre ambos extremos,
es de un solo paso en tubo y casco, lo que limita la velocidad dentro de los tubos,
lo que reduce el coeficiente de transmisión de calor.
2.- Tiene junta de expansión en casco.
3.- Imposibilidad de apertura para limpieza en lado del casco.
Intercambiador de cabezal flotante exterior (tipo AEP)
Este modelo permite cierto movimiento del cabezal flotante y puede
desmontarse para limpieza. Tiene el inconveniente de necesitar más
mantenimiento para mantener el empaquetado y evitar las fugas.
Intercambiador de cabezal y tubos integrados (tipo CFU)
Este modelo tiene el conjunto de tubos en U lo que permite un fácil
desmontaje del conjunto de tubos. Tiene el inconveniente a la hora de sustituir un
tubo dañado. Tiene el desviador central unido a la placa de tubos.

15. Rehervidor de caldera (tipo AKT)
Este intercambiador se caracteriza por la configuración del casco. El
conjunto de tubos puede ser también A-U, dando lugar al AKU. El vertedero a la
derecha de los tubos mantiene el líquido hirviente sobre los tubos. El vapor sale
por la tobera superior y el líquido caliente sale por la tobera inferior.
Condensador de flujo dividido (tipo AJW)
Se utiliza fundamentalmente para condensar vapores, pues disminuye la
pérdida de carga (en un factor de 8). Parte del intercambiador se utiliza como
condensador y parte puede utilizarse con enfriador. El desviador central divide el
flujo en dos y el resto de desviadores lo llevan a través de los tubos para enfriarse.
DISEÑO DE INTERCAMBIADORES.
Las fases a seguir en el diseño de un intercambiador de calor de casco y
tubo son:
1.- Comprobar el balance de energía, hemos de conocer las condiciones del
procesamiento, caudales, temperaturas, presione
s, propiedades físicas de los fluidos.
2.- Asignar las corrientes al tubo y casco.
3.- Dibujar los diagramas térmicos.
4.- Determinar el número de intercambiadores en serie.
5.- Calcular los valores corregidos de la diferencia media de temperaturas (MTD).
6.- Seleccionar el diámetro, espesor, material, longitud y configuración de los
tubos.
7.- Estimar los coeficientes de película y de suciedad. Calcular los coeficientes
globales de transmisión de calor
8.- Calcular la superficie de intercambio estimada.
9.- Seleccionar el tamaño del casco (utilizando dos pasos en tubo).
10.- Calcular las pérdidas de presión en el lado del tubo y recalcular el número de
pasos para cumplir con las pérdidas de presión admisibles.
11.- Asumir la separación entre desviadores y el área de paso para conseguir la
perdida de presión en casco admisible.
12.- Recalcular los coeficientes de película en el lado del tubo y del casco
utilizando las velocidades másicas disponibles.
13.- Recalcular los coeficientes globales de transmisión de calor y comprobar si
tenemos suficiente superficie de intercambio.
14.- Si la superficie de intercambio es muy grande o muy pequeña, revisar los
estimados de tamaño de carcasa y repetir las etapas 9-13.

16. ANEXO
Anexo 1. Intercambiadores de calor de casco y tubo conforme a TEMA

17. Anexo 2. Tanque vertical de techo fijo
Anexo 3. Tanque horizontal
Anexo 4. Esfera