Diseño de instalaciones de vertido en el litoral - UGRiagua/LICOM_archivos/Tema_AD3.pdf ·...

1

Diseño de instalaciones de

vertido en el litoral

X 10-5

Características del agua

residual urbana

- S.S. ….. 500 mg/l

- DBO5 … 350 mg O2/l

- E.coli … 108 ud/100ml

Objetivos de calidad de aguas de

baño (RD734/1988)

- E.coli … 100 ud/100ml (valor guía)

- E.coli … 2000 ud/100ml (imperativo)

C*

Planteamiento general

Cw

Cw1

x 1/2

Trat. primario

Cw2= C0 ≈107

x 1/5

Trat. secundario

(R.D. Ley 11/95 y R.D. 509/96)

=

U

xF

SCC

10*

Dilución inicial Procesos de

depuración

2

• Alejarnos de la costa, mar

adentro � aumentamos x

• La velocidad del agua no la

podemos modificar, y sólo

depende de las condiciones de la

circulación (viento) en el mar

=

U

xF

SCC

10*

• Inyectar a gran velocidad el agua

tratada, a modo de chorro, para

facilitar la mezcla rápida del ARU

con el agua del mar

• El agua residual (ρ ≈ 1000 kg/m3)

en el fondo del mar (ρ ≈ 1030

kg/m3), tiene flotabilidad positiva.

Un chorro con flotabilidad es un

chorro convectivo y su

comportamiento lo podemos

describir como si fuera una

columna de humo (pluma)

¿Cómo haríamos para que C0� C?

N

NE

E

SESW

W

NW

10 m/s

5 m/s

Punto de vertido

E.coli > 2000 ud./100 ml

3

Emisarios submarinos

Dilución inicial

Transporte, dilución

secundaria y depuración

> 500 m

> 100

Tramo

difusor

Con

ducc

ión

4

Objetivos del tema

• Analizar la estructura de una pluma

• Determinar los factores que afectan a la estructura de la pluma y que, por tanto, ejercen un control sobre la magnitud de la dilución que ésta induce

• Utilizaremos análisis dimensional para cuantificar la magnitud de la dilución inicial

• Estudiar los procedimientos que establece la legislación española* para cuantificar los efectos de la dilución inicial y secundaria, y de los procesos de depuración en la concentración de contaminantes del agua residual

• Aplicar los conceptos y los procedimientos aprendidos para diseñar un emisario submarino.

*(Orden de 13 de julio de 1993 por la que se aprueba la Instrucción para el proyecto de conducciones de vertidos desde tierra al mar)

Referencias

• [1] Fischer et al. 1979. Mixing in Inland and CoastalWaters. Academic Press.

• [2] Wood, I.R., R.G. Bell & D. L. Wilkinson. Ocean Disposal of Wastewater (Advanced Series on Ocean Engineering, Volume 8).

• [3] Orden de 13 de julio de 1993 por la que se aprueba la Instrucción para el proyecto de conducciones de vertidos desde tierra al mar

• [4] Metcalf & Eddy. Ingeniería de las aguas residuales. Tratamiento, vertido y reutilización. Ed. McGraw-Hill.

5

Objetivos del tema







Pluma puntual

6

Columna de humo

Pluma lineal

r

zz = z1 C (r, z1), w (r, z1)

z = z2 C (r, z2), w (r, z2)

z = z3 C (r, z3), w (r, z3)

Concentración

Velocidad

7

w (r, z1) w (r, z2)

w (r, z3)wm (z2)

2bw(z2)w(bw,z2) = 0.37wm(z2) w(bw,z2) = 0.37wm(z2)

r

)(

exp)(),(2

−=

zb

rzwzrw

w

m

C (r, z1) C (r, z2)

C (r, z3)Cm (z2)

2bT(z2)C(bT,z2) = 0.37Cm(z2) C(bT,z2) = 0.37Cm(z2)

r

C (

ppm

)

)(

exp)(),(2

−=

zb

rzCzrC

T

m

8

Dilución = f(z)

x

z

z C (r, z ), w (r, z )

)(

)0(

)()(

Q

z

z

zzS

µ

µ

µ=

==

),(1

)( ∫=A

av dAzrCA

zC

)(

)0()(

zC

zCzS

av

av ==

),()( ∫=A

dAzrwzµ

Para describir completamente el flujo inducido por un

chorro o pluma, y la dilución del efluente en el medio

receptor, nos basta determinar la relación de los valores

máximos velocidad wm (o de concentración Cm) y de

anchura de la pluma (b), con la distancia desde el origen

del chorro z

Análisis dimensional(casos no-complejos)

Modelos de simulación(resuelven formas más o menos complejas de las

ecuaciones de Navier-Stokes)

9

Para describir completamente el flujo inducido por un

chorro o pluma, y la dilución del efluente en el medio

receptor, nos basta determinar la relación de los valores

máximos velocidad wm (o de concentración Cm) y de

anchura de la pluma (b), con la distancia desde el origen

del chorro z

Análisis dimensional(casos no-complejos)

Modelos de simulación(resuelven formas más o menos complejas de las

ecuaciones de Navier-Stokes)

¿De qué variables

depende las características de

una pluma?

10

Parámetros de la pluma/chorro- Caudal del chorro, Q ó q

- Velocidad, W0 � M =QW0 ó qW0

- Densidad (vertido y mar), ρw y ρ0

Densidad del fluido ambiente

Densidad del vertido,ML-3

Velocidad de Salida, LT-1

Caudal lineal, L2T-1

Flotabilidad, en vez de diferencias de densidad

ρ0 = Densidad de referencia del agua (1028 kg/m3) T0= Temp. de referencia (10 oC) S0= Salinidad de referencia (35 o/oo ó psu)α = Coeficiente de expansión térmica (1.7 x 10-4 K-1)β = Coeficiente de ‘contracción’ salina (7.6 x 10-4)

{ } )S-(S)T-(T-1),( 000 βαρρ +=TS

La flotabilidad es la fuerza neta (hacia arriba o abajo) que, debida a diferencias de densidad experimenta un elemento de fluido (X) de volumen unitario en otro fluido (Y) de diferente densidad, **ρ∆= g

2/ −→∆=′ LTgg ρρ

La flotabilidad por unidad de masa, la conocemos como gravedad reducida

11

Parámetros de la pluma/chorro- Caudal del chorro, Q ó q

- Velocidad, W0 � M = Q W0 ó qW0

- Flujo de flotabilidad, B = g0'Q ó g0' q

Parámetros del medio receptor

- Velocidad del medio receptor

- Estratificación (gradientes verticales

de densidad)

Parámetros geométricos

Ej. Orientación del chorro, proximidad

al fondo, a paredes laterales o a

la superficie libre

Objetivos del tema






*(Orden de 13 de julio de 1993 por la que se aprueba la Instrucción para el

proyecto de conducciones de vertidos desde tierra al mar)

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Características de una pluma simple

Lz = ][

34 ][ −= TLB

Variables

independientes

Lin

eal Lz = ][

33 ][ −= TLB

zB3/1∝

cte)( 3/1 =∝ B

z∝

z-1/33/1B∝

z5/33/1B∝

z∝Pu

ntu

al

Variables

explicadas o dependientes

1][ −= LTwm

-12][ TL=µ

][ Lbw =

1][ −= LTwm

-13][ TL=µ

][ Lbw =

Ver páginas B4 y B6 de la Instrucción

13

Objetivos del tema




• Estudiar los procedimientos que establece la legislación española* para cuantificar los efectos de la dilución inicial y secundaria, y la auto-depuración en la concentración de contaminantes del agua residual



> 500 m

> 100

C<C*

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¿Cómo puedo controlar y

aumentar la dilución de forma

que C<C*?

Posición y dimensiones del

tramo difusor

(número, diámetro y separación de

boquillas)

1. Hipótesis de proyecto (medidas o estimadas*)

- Corrientes (Ua)

- Estratificación (Γ = g dρ/dz)

- Coef. de dispersión (Kx, Ky, Kz)

- Coef. auto-depuración (T90)

2. Propuesta de posición y dimensiones del tramo difusor

Prof. (H), altura sobre el fondo (h0), núm. (n), separación (s), y diámetro (d) de boquillas

3. Comprobación de la dilución inicial

Ancho (B) y espesor (e) de la zona de mezcla, y dilución (S)

4. Comprobación de objetivos de calidad (C<C*)

5. Dimensionado hidráulico

Pasos para determinar la posición y

dimensiones del tramo difusor

* Sólo para proyectos de emisarios con carga < 10000 habitantes equivalentes

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Paso 1. Caracterización del medio (apéndice A)

1. Corrientes

- Resultados de modelos ó Ua = 0.2 m/s (aprox.)

2. Coeficientes de dispersión (secundaria)

- Horizontal en la dirección del avance (Kx = 0)

- Horizontal y perpendicular al avance

- Vertical

3. Coeficientes de autodepuración

(aprox.) /sm 1.0 ó 103 23/45 =⋅= −yy KBK

(aprox.) /sm 01.0 ó 104 23 =⋅= −

zaz KeUK

(aprox.)2h ó 1002.0)800

1)(65.01(60 90

135/)20(2

90 >

⋅+−−=

−

−T

SSCT

Tα

α - ángulo del sol sobre el horizonte (grados sexagesimales)C – fracción del cielo cubierto por las nubesSS – concentración de sólidos en suspensión (mgl)Ta – temperatura del agua (º C)

Me

dio

re

ce

pto

r

No estratificado

Otros difusores

Bocas muy próximas (s<0.03H)

Bocas muy separadas (s>0.20H)

Boca única

Paso 3. Cálculo de diluciones (apéndice B)

Estratificado

Otros difusores

Bocas muy próximas (s<0.03H)

Bocas muy separadas (s>0.20H)

Boca única

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difusor y tramo corrientes entre Ángulo

)'( - Froude de Número 13

−

= −

θ

qgUF aEl procedimiento

concreto depende de

Difusor con bocas de descarga muy separadas

Descarga por boca única

3/23/53/1'089,0 −= bm QygS

)93,0;max( 3/1−= FLsenLB TT θ

3/23/53/1 )('089,0 −−= bQeHgS

aBU

SQe =

He 15.0=

3/23/53/1 )('089,0 −−= QeHgS

aeU

SQB =

Medio receptor no estratificado

17

3/23/1'38,0 yqgSm =

3/23/1'27,0 −= HqgS

aeU

SQB=He 29.0=

4/11294,0 −−= FHqUS a


aBU

SQe=

158,0 −= HqUS a

aBU

SQe=


1139,0 −= HqUS a


aBU

SQe=

I

138,0 −= HqUS a


aBU

SQe=

II

III

IV V

u a

0,1

0,1 0,36 1,0 10 20

65º

25ºII

V

IV

IIII

F

θ

Medio receptor no estratificado.

Bocas de descarga muy próximas

Difusor con bocas de descarga muy próximas

Difusor con bocas dedescarga muy separadas

Descarga por boca única

2/13/1max )'(84,2 −Γ= qgy

3/2max

3/1'31,0 −= qygS


max18,0 yBU

SQe

a

≈=

8/34/1max )'(98,3 −Γ= bQgy

3/23/5max

3/1'071,0 −= bQygS


max13,0 yBU

SQe

a

≈=

8/34/1max )'(98,3 −Γ= Qgy

3/23/5max

3/1'071,0 −= QygS

max13,0 ye =

aeU

SQB =

dy

dg aρ

ρ−=ΓMedio receptor estratificado

18

Paso 4. Comprobación de los objetivos de

calidad

Punto de surgencia

C1e

B

Punto de surgencia ó (X, Y, Z) = 0

f (W0, Ua , H)

X

Y

Z

Be

C1

Bocas muy próximas ……………

Bocas muy separadas o única ..

3/1

0

3/10

'3.6

)'(66.1

=

=

H

QgW

qgW

b

19

Zona próxima al punto de surgencia Zona alejada del punto de surgencia

1)(1 =tF

−+

+=

2

2/

2

2/

2

1),(2

yy

YBerf

YBerftYF

σσ

−+

+=

222

1),(3

zz

Zeerf

ZeerftZF

σσ

2/1)2( tK yy=σ

2/1)2( tK zz=σ

12/11 )2()(

−−=yBtF σπ

)2/exp(),( 222 yYtYF σ−=

13 ),(

−=

heHtZF

2/12 )216/( tKB yy+=σ

53 034,028,01,1)( xxxxerf +−=

( ) ( ) ( ) ( )tZFtYFtFtFS

CZYXC ,,),,( 3210

0

=

( ) 90/0 10 Tt

tF−=

Dilución secundaria y

autodepuración

Objetivos del tema




• Estudiar los procedimientos que establece la legislación española* para cuantificar los efectos de la dilución inicial y secundaria, y la auto-depuración en la concentración de contaminantes del agua residual


*(Orden de 13 de julio de 1993 por la que se aprueba la Instrucción para el

proyecto de conducciones de vertidos desde tierra al mar)

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Ejercicio

Vertido depurado de una población de 30000 h-e en el Mediterráneo (7 l/s/h.e.)

Líneas batimétricas rectilíneas y paralelas a la costa.

Perfil transversal del fondo puede aproximarse por un tramo recto con pendiente del 5% en los 40 m más próximos a la costa, seguido de otro tramo recto con pendiente del 2% hasta el límite de la plataforma continental.

Parámetros del medio (los que indica la norma para tanteos)

- Ua = 0.2 m/s (perpendicular a la línea de costa � mín. distancia)

-Temperatura = 15ºC; Salinidad = 37 psu � ρ0 = 102.7 kg/m3

- T90 para coliformes fecales: 2 horas

- Kx = 0; Ky = 0.1; Kz = 0.01 m2/s

Determinar la longitud L del emisario y el diseño del tramo difusor (n,d,s,Θ) de forma que la concentración de coliformes fecales en las aguas de baño cumpla el criterio imperativo de 2000 Ud/100 ml. El límite de la zona de baños es una línea paralela a la costa y a 200 m de ésta.

Control de la dilución inicial

Dilución para un emisario (boquillas múltiples próximas) de

longitud LT y localizado a una profundidad d en zona litoral

con pendiente θ.

3/2

3/1

3/23/13/1

'38.0

'38.038.0

==⇒= −

Q

LLg

dqgSdB

Tθ

µ

Las variables de diseño fundamentales que afectan a la

dilución son la profundidad d (o la longitud L de la

conducción hasta la zona de inyección) y la longitud del

difusor LT.

21

d

L

dLdS

dLdSr

Q

L

L

Lg

dL

dS

Q

Lg

dL

dS

T

T

T

TT

T

θ

θ

θ

2

3

3

2'38.0

'38.0

3/2

3/1

3/2

3/1

=≡

=

=

Si r > 1, se consigue mayor dilución con el mismo

incremento de longitud de tubería si lo que aumentamos es la longitud de la conducción y no la del difusor.

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