|Introducción a Sistemas de Alcantarillado 1. Aguas Residuales Las aguas residuales son cualquier tipo de agua cuya calidad se vio afectada negativamente por influencia antropogénica. Las aguas residuales incluyen las aguas usadas domésticas y urbanas, y los residuos líquidos industriales o mineros eliminados, o las aguas que se mezclaron con las anteriores (aguas pluviales o naturales). Su importancia es tal que requiere sistemas de canalización, tratamiento y desaloo. Su tratamiento nulo o indebido genera graves problemas de contaminación.
1.1 Importancia del Control de las Aguas Residuales !vita la "ransmisión de enfermedades !vita el deterioro físico, químico y biológico de abastecimiento de agua
y balnearios Las aguas residuales afectan la vista y el olfato. #orque destruyen la vida acu$tica %ontrolar para darle utilidad al agua después de tratada
2. Sistemas de Alcantarillado Alcantarillado Se deno denomi mina na alca alcant ntar aril illa lado do o tamb tambié ién n red red de alca alcant ntar aril illa lado do,, red red de saneamiento o red de drenae al sistema de tuberías y construcciones usado para la recogida y transporte de las aguas residuales, industriales y pluviales de una población desde el lugar en que se generan &asta el sitio en que se vierten al medio natural o se tratan. 'n Sist Sistem emaa de lcan lcanta tari rill llad ado o es un con conun unto to de obra obrass &idr &idr$u $uli lica cass cuya cuya finalidad finalidad es recolectar recolectar,, conducir conducir y disponer disponer de aguas servidas servidas y de lluvias, lluvias, para evitar que se originen problemas de tipo sanitario sanitario e inundaciones. Las redes de alcantarillado son estructuras &idr$ulicas que funcionan a presión atmosférica, por gravedad. Sólo muy raramente, y por tramos breves, est$n constituidos por tuberías que trabaan bao presión o por vacío. ormalmente
1
est$n constituidas por conductos de sección circular, oval o compuesta, la mayoría de las veces enterrados bao las vías p*blicas.
2.1 Clasificación de los Sistemas de Alcantarillado Los sistemas de alcantarillado se clasifican de acuerdo al tipo de agua que conducen+
A) Alcantarillado Sanitario: !s la red generalmente de tuberías, a través de la cual se deben evacuar en forma r$pida y segura, las aguas residuales municipales (domesticas o de establecimientos comerciales) &acia una planta de tratamiento y finalmente a un sitio de vertido donde no causen daos ni molestias. B) Alcantarillado Pluvial: !s el sistema que capta y conduce las aguas de lluvia para su disposición final, que puede ser infiltración, almacenamiento ó depósitos y cauces naturales. C) Alcantarillado Cominado+ !s el sistema que capta y conduce simult$neamente al -/ las aguas de los sistemas mencionados anteriormente, pero que dada su disposición dificulta su tratamiento posterior y causa serios problemas de contaminación al verterse a cauces naturales y por las restricciones ambientales se imposibilita su infiltración. !) Alcantarillado Semi"Cominado o #i$to + Se denomina al sistema que conduce el -/ de las aguas negras que produce un $rea ó conunto de $reas, y un porcentae menor al -/ de aguas pluviales captadas en esa zona (s), que se consideran e0cedencias, que serian conducidas por este sistema de manera ocasional y como un alivio al sistema pluvial y1o de infiltración, para no ocasionar inundaciones en las vialidades y1o zonas &abitacionales. %) Sistema de Alcantarillado &nico+ !s donde se recolectan las aguas servidas y las lluvias en un mismo canal. ') Sistema de alcantarillado Separado + !s la recolección de aguas servidas y de lluvia es independiente.
(. Sistemas de Saneamiento !rena*e Los alcantarillados se pueden construir de dos modos+ •
Redes +nitarias: las que se proyectan y construyen para recibir en un *nico conducto, mezcl$ndolas, tanto las aguas residuales (urbanas e
2
•
industriales) como las pluviales generadas en el $rea urbana cubierta por la red. Redes Separativas o Redes Separadas: constan de dos canalizaciones totalmente independientes2 una, la red de alcantarillado sanitario, transporta las aguas residuales domésticas, comerciales e industriales &asta una estación depuradora2 y la otra, la red de alcantarillado pluvial, conduce las aguas pluviales &asta el receptor, que puede ser un río, un lago o el mar.
Las redes de saneamiento surgieron en las ciudades europeas durante el siglo 343 en respuesta a los problemas sanitarios y epidemiológicos generados por la deficiente evacuación de las aguas fecales. !n aquel momento la mayoría de estas ciudades disponían ya de un sistema de cloacas destinadas a la evacuación de las aguas de lluvia y residuales, pero sin cone0ión a éstas de las baantes de los edificios. Las aguas residuales se vertían a la calle y la lluvia las arrastraba a las cloacas, desde donde iban a una cauce. 5esde mediados del siglo 33 empezaron a construirse redes separativas, tras la aparición de los primeros sistemas de depuración, y con base en los siguientes argumentos+ •
•
La separación reduce los costes de depuración y simplifica los procesos, puesto que el caudal tratado es menor y, lo que es incluso m$s importante, m$s constante2 La separación reduce la carga contaminante vertida al medio receptor por los episodios de rebosamiento del alcantarillado unitario.
Siendo correctos los argumentos anteriores, e0isten también una serie de inconvenientes del alcantarillado separativo, del cual desde finales de los aos -66 se est$ incrementando su uso, principalmente en redes de nueva implantación (la separación de redes unitarias e0istentes pronto se vio como económica y técnicamente inviable). #ara el buen funcionamiento de las redes separadas debe prestarse muc&a atención a los aspectos que siguen+ •
5ebe e0istir un estricto control de vertidos para evitar que se acometan caudales residuales a la red de pluviales (que irían directamente al medio natural sin depurar) y viceversa. !sto *ltimo redundaría en una e0plotación m$s complea y costosa de la red de alcantarillado sanitario.
3
•
•
•
La separación completa implica redes interiores separativas en los edificios, con duplicación de las baantes. !n este frente los costes de instalación son importantes. Las aguas pluviales urbanas no son aguas limpias, si no que suelen estar sucias, por lo que su vertido directo al cauce puede generar una contaminación apreciable. La red de pluviales de una red separativa puede permanecer, en climas secos, sin agua durante periodos de tiempo e0tensos, sin la autolimpieza de los conductos en tiempo de lluvia, por lo que puede llegar a ser necesaria la descarga de caudales de agua limpia por la red (arquetas de descarga en las cabeceras del saneamiento), reduciendo las ventaas de a&orro y eficiencia.
!n comparación con las redes unitarias, los principales problemas son+ •
•
!l coste de instalación es muy superior, entre -,7 y 8 veces la red unitaria equivalente. Los grandes cambios en el caudal dificultan muc&o la operación de las plantas de tratamiento. 9recuentemente en los periodos de lluvias intensas las plantas de tratamiento son simplemente :by;pasadas:, vertiendo los efluentes directamente sin tratamiento en los cuerpos receptores o construyendo balsas de retención para guardar durante unos días el e0ceso de aguas llegadas, mientras se van depurando.
(.1 ,endencias actuales partir de la *ltima década del siglo 33 se aprecia, en general, una preocupación de los gobiernos para disminuir la brec&a e0istente entre la cobertura de las redes de abastecimiento de agua y las redes de alcantarillado sanitario. Simult$neamente ya no se acepta pensar en alcantarillado si no se integra también el tratamiento adecuado, en función de la categorización del receptor, de las aguas servidas recogidas. (!n !uropa es obligatorio en poblaciones de m$s de 7 &abitantes).
4
!n muc&os países, las características de las redes de alcantarillado se &an normalizado.
(.1.1 Alcantarillado sanitario 4nicialmente las redes de alcantarillado sanitario se construían con tubos de cemento, y fibrocemento2 en algunos casos se utilizaron tubo de gres2 actualmente, el material m$s utilizado es el #=%. partir de la década de -66 cada vez se &ace m$s frecuente el dimensionamiento de las tuberías considerando no solamente la velocidad mínima del agua en la tubería sino que también se considera la fuerza de arrastre del fluo. !sta variante permite trabaar con pendientes menores, lo que se constituye en una ventaa en zonas muy llanas.
(.1.2 Alcantarillado pluvial Las redes de alcantarillado pluvial tienen varias concepciones diferentes. 9recuentemente son redes enterradas, pero se combinan con tramos constituidos con canales abiertos. !n la concepción de las redes de alcantarillado pluvial uegan un papel muy importante, adem$s de la topografía, que domina también en el alcantarillado sanitario, el régimen de precipitaciones en la zona.
-. ,ipos de Saneamiento !0isten varias formas de realizar un saneamiento de un n*cleo urbano, dependiendo de algunos aspectos, como son+
%aracterísticas del n*cleo urbano 9orma de recogida de las aguas blancas o residuales 9orma de almacenar y transportar las aguas 9ormas de meorar la calidad de las aguas captadas
'n saneamiento correcto deber$ tender &acia los siguientes obetivos+ 5
4ntegración del saneamiento 9iabilidad de las redes de saneamiento y la correspondiente depuradora !l saneamiento no debe olvidar su incorporación al medio ambiente, debiéndose eliminar cualquier tipo de impacto que pudiera producirse 5e las consideraciones anteriores pueden clasificarse los tipos de saneamiento en+
Saneamientos individuales o autónomos Saneamientos colectivos
. Sistemas individuales de Aguas Residuales Son de aplicación a pequeas concentraciones de población, o a instalaciones con vertidos equivalentes. !n estos casos el saneamiento consiste en una fosa séptica o una pequea depuradora, recibiendo de forma directa los vertidos, seguido de un elemento de nitrificación, como pueden ser+ plicación al suelo, lec&o filtrante, etc. !n este caso el alcantarillado y colectores se reducen a la mínima e0presión, siendo unos sistemas *tiles en zonas de baa densidad de población, donde el costo de una red de saneamiento puede ser muy elevado.
/. Sistemas de %vacuación %on independencia del trazado adoptado y teniendo en cuenta la procedencia de las aguas domésticas, de lluvia, servicios p*blicos y aguas industriales, puede establecerse una clasificación en sistema separado y sistema combinado. •
•
!n el sistema combinado se vierten todas las aguas en una *nica canalización. !n el sistema separado se recogen las aguas residuales en dos canalizaciones independientes.
La red de aguas residuales transportar$ los vertidos domésticos, los vertidos de los establecimientos comerciales y los vertidos industriales. La red de aguas blancas conducir$ las aguas de escorrentía superficial generados por 6
precipitaciones, por riego o de calles, las aguas de drenae y los desag>es de la red de distribución y depósitos.
0. Comparación entre Amos Sistemas •
•
•
•
!l sistema separado e0ige doble red de alcantarilla en casi todas las calles y doble acometida en cada casa. 5esde !l punto de vista de economía de construcción y gastos de inversión iniciales, e0iste indudable ventaa para el sistema combinado, pues el costo de las dos tuberías, equivalentes &idr$ulicamente en su conunto a una *nica, es -.7 a 8 veces mayor, como término medio, &abida cuenta de la imposibilidad pr$ctica de utilizar di$metros de tubos inferiores a 8 cm, que en muc&os pueblos y calles cortas de ciudades, con pendientes m$s bien fuertes, son suficientes para el caudal total. esto &a de aadirse el doble costo de las acometidas, pues, aunque éstas no sean abonadas por las administraciones que eecutan y e0plotan una red de alcantarillas, no por ello dean de gravar al vecindario y, por tanto, a la economía local y nacional. Los gastos de levantamiento y reposición de pavimentos, que tienen importancia en el presupuesto general de la red, son de 8 a -.7 veces mayores en el sistema separado. La conservación y e0plotación de una red separada e0ige gastos bastantes mayores que en el caso de red combinada, siendo superiores en un ?/ ó 7/ Sin embargo, los gastos de limpieza son menores en el alcantarillado separado, por ser menores las variaciones del caudal que circula por las alcantarillas de aguas residuales, y menor, por tanto, la variación de la velocidad, lo que reduce las sedimentaciones.
. Configuración de los Sistemas a. #odelo ,ransversal: %on zonas perpendiculares al río, desaguando directamente en el mismo. !s económico, pero no puede emplearse m$s que en caso de ríos de gran caudal que admitan el vertido directo, con gran dilución
7
. #odelo de Interceptores: Suprime aquel inconveniente, pero presenta otro, difícilmente evitable, que consiste en tener que construir este emisario con pequea pendiente (la del río) y por tanto, gran sección2 y generalmente en terrenos sometidos a las filtraciones del río c. #odelo de ona: Se obtiene mediante colectores paralelos al cauce, con pendientes pequeas pero escasas zonas de vertido. !l emisario puede tener ya pendiente normal y construirse en terreno meor d. #odelo de Aanico: Se realiza a base de colectores ramificados &acia diferentes zonas, reunidos en el punto que meor convenga para su desag>e. !s el sistema, quiz$, m$s indicado para poblaciones o sectores de población sumamente llanas e. #odelo Radial: Se obtiene dividiendo el sector urbano a sanear en varias zonas con canalizaciones independientes, cuyas aguas se re*nen después aisladamente en uno o m$s puntos. !ste *ltimo sistema es apto para poblaciones en que &aya ensanc&es de importancia, pues permite construir las alcantarillas con la capacidad necesaria del momento. !n cambio, los otros cuatro, e0igen que dic&as alcantarillas principales tengan, desde el principio, la sección precisa para los caudales actuales y los que en el futuro puedan recibir de los ensanc&es. !n muc&as poblaciones &abr$ que adoptar sistemas mi0tos de acuerdo con las condiciones.
8
3. Componentes de una red de alcantarillado 3.1 Componentes principales de la red Los componentes principales de una red de alcantarillado, descritos en el sentido de circulación del agua, son+ •
•
las acometidas, que son el conunto de elementos que permiten incorporar a la red las aguas vertidas por un edificio o predio. su vez se componen usualmente de+ una arqueta de arranque, situada ya en el interior de la propiedad o particular, y que separa la red de saneamiento privada del alcantarillado p*blico2 un albaal, conducción enterrada entre esa arqueta de arranque y o la red de la calle2 y un entronque, entre el albaal y la red de la vía, constituido por o una arqueta, pozo u otra solución técnica. las alcantarillas (en ocasiones también llamadas @colectores terciariosA), conductos enterrados en las vías p*blicas, de pequea
9
•
•
•
sección, que transportan el caudal de acometidas e imbornales &asta un colector2 los colectores (o @colectores secundariosA), que son las tuberías de mayor sección, frecuentemente visitables, que recogen las aguas de las alcantarillas las conducen a los colectores principales. Se sit*an enterrados, en las vías p*blicas. los colectores principales, que son los mayores colectores de la población y re*nen grandes caudales, &asta aportarlos a su destino final o aliviarlos antes de su incorporación a un emisario. los emisarios interceptores o simplemente interceptores, que son conducciones que transportan las aguas reunidas por los colectores &asta la depuradora o su vertido al medio natural, pero con su caudal ya regulado por la e0istencia de un aliviadero de tormentas.
guas abao, y ya fuera de lo que convencionalmente se considera red de alcantarillado, se situaría la estación depuradora y el vertido final de las aguas tratadas+ • • •
•
mediante un emisario, llevadas a un río o arroyo. vertidas al mar en pro0imidad de la costa2 vertidas al mar mediante un emisario submarino, llev$ndolas a varias centenas de metros de la costa2 reutilizadas para riego y otros menesteres apropiados.
3.2 4tros elementos complementarios !n todas las redes de alcantarillado e0isten, adem$s otros elementos menores+ •
•
•
Las cunetas, rigolas y caces, que recogen y concentran las aguas pluviales de las vías y de los terrenos colindantes2 los imbornales, tragantes o sumideros, que son las estructuras destinadas a recolectar el agua pluvial y de baldeo del viario2 los pozos de inspección, que son c$maras verticales que permiten el acceso a las alcantarillas y colectores, para facilitar su mantenimiento.
B en un cierto n*mero de ocasiones son necesarias otras estructuras m$s importantes+ •
!staciones de bombeo+ como la red de alcantarillado trabaa por gravedad, para funcionar correctamente las tuberías deben tener una
10
•
•
cierta pendiente, calculada para garantizar al agua una velocidad mínima que no permita la sedimentación de los materiales sólidos transportados. !n ciudades con topografía plana, los colectores pueden llegar a tener profundidades superiores a C ; D m, lo que &ace difícil y costosa su construcción y complicado su mantenimiento. !n estos casos puede ser conveniente intercalar en la red estaciones de bombeo, que permiten elevar el agua servida a una cota pró0ima a la cota de la vía. Líneas de impulsión+ "ubería en presión que se inicia en una estación de bombeo y se concluye en otro colector o en la estación de tratamiento. 5epósitos de retención o también pozos o tanques de retención+ estructuras de almacenamiento que se utilizan en ciertos casos donde es necesario laminar las avenidas producidas por grandes tormentas, allí donde no son raras (depósitos, tanques o pozos de laminación, o arcas de e0pansión)2 y donde es necesario retener un cierto volumen inicial de las lluvias para reducir la contaminación del medio receptor (depósitos, tanques o pozos de tormentas).
15. #6todos para la estimación de la polación a futuro o de Proecto 7os #6todos m8s usuales para la estimación de la polación a futuro o de Proecto son: • • • • • •
Eétodo ritmético. Eétodo del #orcentae 'niforme. Eétodo #rolongación de la %urva a oo. Eétodo Logístico. Eétodo de %recimiento 5eclinante. Eétodo de la #roporción.
15.1 #6todo Aritm6tico Su
11
comunidad para determinar si se &an producido incrementos apro0imadamente iguales entre los %ensos Fecientes. !n términos Eatem$ticos, la
!n donde dp1dt es la tasa de cambio de la población y G es una constante. G se puede determinar gr$ficamente, o a partir de las poblaciones en censos sucesivos, como+ K =
∆P ∆ t
La #oblación futura es luego estimada a partir de+ Pt = P0 + K t #t H #oblación en alg*n tiempo futuro #oH #oblación ctual t H #eriodo de la #royección
15.1.1 Polación Actual 'utura !emplo+
'na urbanización de ? viviendas. D &abitantes por viviendas. #act.H ?0DH-I personas #oblación futura n Pf = Pact ( 1 + R ) FHtasa de crecimiento anual (8.7/). Hperíodo de diseo ( 8 J C ).
(
2.5 Pf =1800 1 + 100
)= 20
2,950 personas
15.2 #6todo del Porcenta*e +niforme 12
Se sustenta en la &ipótesis de un porcentae de crecimiento Keométrico o 'niforme donde se supone que la tasa de incremento es proporcional a la #oblación+ dp = K ' P dt
5e la integración de esta !cuación resulta+ LnP= ln P0 + K ' ∆ t
15.( #6todo Prolongación Curva de 4*o !sta técnica consiste en la #royección Krafica de las curvas de crecimiento de la #oblación en el pasado, manteniendo cualquier tendencia o inclinación que la información
15.- #6todo 7og9stico La %urva Logística usada en el modelo de crecimiento de #oblación tiene forma de S2 se combina una tasa geométrica de crecimiento para baa población con una tasa decreciente a medida que la ciudad se apro0ima a alg*n límite de población. La
P=
Psat
Psat 1 +e
a+ b ∆ t
2 P0 P1 P2− P1
2
( P + P )
P 0 P2− P1
0
2
2
13
a=
b=
ln P sat − P2
P2
1 ln P 0 ( P sat − P1 )
n P1 ( Psat − P 0)
15.-.1 !ensidad Polacional 5La H #1L% 5Lf H #f1L%
5LaH 5ensidad Lineal ctual 5LfH 5ensidad Lineal 9utura L%H Longitud 5e %alles #H #oblación ctual #fH #oblación 9utura
15.-.2 Polación por ,ramo Actual #oblaciónH Longitud cumulada 0 5ía
15.-.( Polación por ,ramo 'utura #oblaciónH Longitud acumulada 0 5if.
15.-.- Caudales Qt med. A. R. Actual =
(
Pact tramo × Dotación
(
Qt med. A. R. Futura =
86400
PF tramo × Dotación 86400
)
)
× 0.75
× 0.75
15.-. Caudal #9nimo del ,ramo 14
(
Qmin =
Qmed . Actual 2
)
;SiQmin < 1.5 usarQmin =1.5 l / s
15.-./ Caudal #8$imo ,ramo Qma! = " × Qmed. futuro
15.-.0 Coeficiente " =1 +
14 4 + √ P
#H #ML%4 E4L!S 1.8 # " # 3.8
15.-. Caudal de Infiltración por ,ramo 15.-..1 ,uer9a de ormigón ;.S.)
Q $%F =0.614 LPS × Lon&itud Acumulada en Km
15.-..2 Para P
15.-.3 Caudales de !ise=o por ,ramo Qdismin=( Q min o 1.5 lps ) + Q $%F Qdisma! =Q ma! + Q inf
%audal Kenerado por #oblación
15.-.15 'unciones idr8ulicas Capacidad ,uer9a
15
15.-.11 Pendiente ,erreno ;St) St =
(
St =
(
'ota A −'ota( L ( lon& . calle )
)
107.43 mts −106.23 mts 30 mts
)=
0.04
15.-.12 Pendiente ,uer9a ;S) S=
((
S=
(
'ota A −'ota (
L lon&.'alle )
)
106.23 mts − 105.03 mts 30 mts
)=
0.04 > 0.004 )K
'ota( ='ota A −( L× S ) ota( =106.23−( 30 × 0.04 )= 105.03 mts
16
15.-.1( 'unciones idr8ulicas. Capacidad ,uer9a. Caudal >enerado Por ,uer9a 15.-.1(.1 Caudal a ,uo 7leno ;?lleno)
( )
* =
S %
SH #endiente "ubería H %oeficiente de Fugosidad "ubería ("abla -.C) %on N #or =alor del %audal de da "abla -C.- %ol.7 O(Lps) para un 5i$metro (P) !scogido SH #endiente "ubería H %oeficiente 5e Fugosidad "ubería ("abla -.C) Q Lleno = * × Q)L. 5 ( LPS ) + Lleno = * × + )L. 5 ( m / s )
15.-.1(.2 C@eueo de
(
Qmin.dis
(
Q Lleno
)
con , ir ala-abla$$ obtener
+ min + lleno
+ min =, min ×+ lleno
Qma!. dis Q Lleno
)
con , ir ala -abla$$ obtener
+ ma! + lleno
+ ma! =, ma! ×+ lleno
15.-.1(.(
=min "ubo parcialmente llenoH .?m1s
18
