Estaciones De Bombeo.docx

ESTACIONES DE BOMBEO DE AGUAS RESIDUALES DOMESTICAS

WILLIAM ANDRES PARRA MORENO MARCO ANTONIO BURBANO ORDOÑEZ ELIZABETH YISSELA SAMBONI RUANO

ALFONSO NAPOLEON ZAMBRANO

UNIVERSIDAD DEL CAUCA FACULTAD INGENIERIA CIVIL PROGRAMA INGENIERIA CIVIL POPAYAN – CAUCA 2018

Tabla de contenido Generalidades. ......................................................................................................................... 4 Aguas residuales. ................................................................................................................ 4 Aguas residuales domésticas............................................................................................... 4 Importancia ecológica y sanitaria. ...................................................................................... 4 Recogida de aguas residuales.............................................................................................. 5 Estaciones de bombeo. ............................................................................................................ 6 Elementos o componentes de una estación de bombeo ...................................................... 7 Estudios Previos .................................................................................................................. 7 Concepto del proyecto. ................................................................................................... 8 Aspectos generales de la zona......................................................................................... 8 Cantidad de agua a ser bombeada. .................................................................................. 8 Calidad del agua a ser bombeada. ................................................................................... 8 Estudios topográficos. ..................................................................................................... 8 Estudio de suelos............................................................................................................. 9 Estudios geológicos. ....................................................................................................... 9 Disponibilidad de energía eléctrica ................................................................................. 9 Parámetros Generales.............................................................................................................. 9 Condiciones de entrada ....................................................................................................... 9 Tipo de bombas. ................................................................................................................ 11 Las bombas centrífugas ................................................................................................. 11 Las bombas helicoidales ............................................................................................... 11 Las bombas eyectoras ................................................................................................... 12 Pozo de succión................................................................................................................. 12

Diseño de la estación de bombeo .......................................................................................... 12 Bibliografía ........................................................................................................................... 15

Generalidades. Aguas residuales. Las aguas residuales contienen diversos tipos de contaminantes, tales como demanda bioquímica de oxígeno, materia orgánica disuelta, grasas y aceites, compuestos de nitrógeno, sólidos suspendidos, metales pesados, entre otros. Aguas residuales domésticas. Aguas residuales domésticas o aguas negras: proceden de las heces y orina humanas, del aseo personal, de la cocina y de la limpieza de la casa. Suelen contener gran cantidad de materia orgánica y microorganismos, así como restos de jabones, detergentes, lejía y grasas. Importancia ecológica y sanitaria. Las aguas residuales, debido a la gran cantidad de sustancias (algunas de ellas tóxicas) y microorganismos que portan, pueden ser causa y vehículo de contaminación, en aquellos lugares donde son evacuadas sin un tratamiento previo. Se puede definir la polución del agua como una modificación, generalmente provocada por el hombre, de la calidad del agua, haciéndola impropia y peligrosa para el consumo humano, la industria, la agricultura, la pesca, las actividades recreativas, así como para los animales domésticos y la vida natural. Según esta definición, la polución sería una consecuencia ineludible del desarrollo y la civilización. Esto es explicable, ya que conforme aumenta el desarrollo de las poblaciones, se incrementa a su vez la diversidad de los agentes contaminantes procedentes de actividades agrícolas, industriales y urbanas, que el hombre no se preocupa de destruir o reciclar, o no lo hace en la magnitud suficiente. De esta forma, se acaba saturando el poder auto depurador del medio natural (Espigares M., Perez J., s.f).

Recogida de aguas residuales. Aunque se conocen ya primitivas alcantarillas en el Imperio romano, el proyecto y construcción de redes de saneamiento no experimentó desarrollo alguno hasta la década 1840-1850. La preocupación por el problema de evacuación y eliminación de los residuos procedentes de la actividad humana, llevó a las autoridades competentes a la construcción de redes de alcantarillado que alejaban las aguas residuales del núcleo de la población. Se dejaron de utilizar los pozos negros, que solían contaminar los pozos de obtención de agua potable, y se canalizaron los residuos de forma que fueran a parar a uno o unos pocos puntos. Pero el problema continuaba, ya que las alcantarillas debían seguir las líneas de pendiente, y el punto de vertido final solía estar a un nivel más bajo que la ciudad, coincidiendo en la mayoría de los casos con un cauce de agua. En las ciudades desarrolladas, las redes de alcantarillado conducen las aguas residuales hasta las estaciones de tratamiento. Estos sistemas de recogida pueden ser de dos tipos: 

Separativo: comprende dos canalizaciones distintas, una la sanitaria, para la evacuación de aguas residuales domésticas e industriales, y otra que recoge las aguas superficiales y atmosféricas y que suele descargar directamente en los cursos de aguas naturales.



Unitario: se recogen en una misma canalización los dos tipos de aguas residuales señalados. En este sistema se producen cambios significativos de flujo durante las tormentas.

Cada uno de los sistemas tiene ventajas e inconvenientes. El sistema unitario es más económico, ya que sólo habría que construir una conducción por cada calle. Pero tiene inconvenientes, ya que el volumen de agua es mayor. Además, han de construirse redes capaces de soportar las variaciones de flujo debidas a las precipitaciones atmosféricas. La planificación y proyecto de una red de saneamiento supone la determinación del caudal de aguas residuales, el cálculo hidráulico de alcantarillas, grandes conducciones y estructuras de

enlace y derivación, selección adecuada de instalaciones complementarias y proyecto de estaciones de bombeo. Estaciones de bombeo. Las estaciones de bombeo de aguas residuales son necesarias para elevar y/o transportar, cuando la disposición final del flujo por gravedad ya no es posible. En terrenos planos, los colectores que transportan el agua residual hacia la estación de tratamiento tienden a profundizarse de tal modo que se tornaría imposible la disposición final sólo por gravedad. Las tuberías de alcantarillado, al funcionar como conductos libres, necesitan tener cierta pendiente que permita el escurrimiento por gravedad, situación que en terrenos planos ocasionan que las mismas, cada vez sean más profundas. En consecuencia, las estaciones de bombeo surgen y son necesarias específicamente cuando se requiera elevar el nivel de la línea piezométrica para vencer una diferencia de altura topográfica, siempre que el flujo por gravedad no sea posible. Por lo anterior las estaciones de bombeo se pueden ubicar en los siguientes puntos: 

Incorporación de aguas residuales de un punto bajo al colector.



Entre tramos de alcantarillas, colectores y emisor.



En la entrada a la planta de tratamiento

Se justifica la construcción de una estación de bombeo cuando: 

Se tienen terrenos planos y extensos, donde los colectores pueden llegar a profundidades mayores a los 4 metros.



Para elevar las aguas residuales de área que tienen cotas más bajas a áreas con elevaciones mayores.



Para permitir que se realice la descarga por gravedad de las aguas residuales de colectores y emisarios a las plantas de tratamiento o a cuerpos receptores.

Elementos o componentes de una estación de bombeo Pueden clasificarse atendiendo al caudal y altura a la que impulsa las aguas, características constructivas o fuente de energía utilizada para su funcionamiento, aunque en todas ellas existen una serie de elementos comunes tales como: 

Cámara de aspiración, cuya función es la de almacenar el agua para su posterior bombeo.



Cámara seca, donde se alojan los distintos equipos para la impulsión de las aguas residuales, esto es, bombas, accionamientos, controles y otros.

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Sistema de bombeo, constituido por las bombas y sus respectivos accionamientos, bien mediante motores eléctricos o motores de combustión interna diesel u otros. Dentro del sistema de bombeo incluimos las tuberías de aspiración, descarga y válvulas necesarias.

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Instrumentación para el correcto control de los equipos y detección de posibles averías. Son habituales detectores de temperatura, vibración, sentido de rotación inverso y otros. Es conveniente que la señal enviada por todos los sensores se monitoree en una sala de control donde puedan tomarse las acciones oportunas para el adecuado funcionamiento de la planta.



Demás instalaciones de alimentación eléctrica, calefacción o ventilación requeridas para las operaciones de la estación de bombeo.

Estudios Previos El diseñador debe efectuar estudios apropiados antes de llevar a cabo el diseño de la estación, con el fin de determinar las condiciones básicas de operación, fijar la capacidad y establecer el régimen de operación que asegure un funcionamiento óptimo económico.

Concepto del proyecto. Las estaciones elevadoras y/o de bombeo son costosas, y por lo tanto su implementación debe ser decidida luego de estudios completos de alternativas y sólo cuando pueda demostrarse que no es posible o recomendable el flujo por gravedad. La alternativa de bombeo no sólo representa un costo inicial importante, sino que exige gastos de operación y mantenimiento permanentes. Aspectos generales de la zona. El diseñador debe conocer todos los aspectos generales de la zona del municipio en la que se desarrollará la estación elevadora y/o de bombeo. Cantidad de agua a ser bombeada. Para el diseño de la estación elevadora y/o de bombeo se debe conocer el estudio de la demanda de agua para la zona del municipio objeto del diseño de la estación elevadora y/o de bombeo y la información de tipo hidrológica. Calidad del agua a ser bombeada. El diseño debe incluir un estudio de la calidad del agua que va a ser bombeada, teniendo en cuenta sus propiedades físicas y químicas, con el fin de evaluar la vulnerabilidad de las bombas y de los accesorios que entren en contacto con dicha agua. En este caso se debe hacer uso de la información existente en la persona prestadora del servicio público de alcantarillado. Estudios topográficos. Para propósitos de diseño, se deben realizar el levantamiento topográfico planimétrico y altimétrico de la zona del municipio, planos de catastro de todas las obras de infraestructura existente, los planos de catastro o inventario de las redes que tengan relación con la estación elevadora y/o de bombeo objeto del diseño, fotografías aéreas, planos aerofotogramétricos de la

zona del municipio donde va a diseñarse la estación elevadora y/o de bombeo para sistemas con nivel de complejidad alto. Estudio de suelos. Deben conocerse las propiedades del suelo en el sitio de la estación, por medio de un estudio de suelos característico del desarrollo de obras civiles. Además, se debe seguir lo establecido en el capítulo G.2 del Título G del RAS: “Aspectos Complementarios”. Estudios geológicos. El diseñador debe conocer todas las condiciones geológicas y las características del subsuelo en las zonas donde se proyectará la estación elevadora y/o de bombeo. Mediante el uso de planos geológicos, deben identificarse las zonas de falla, de deslizamiento, de inundación y en general todas las zonas que presenten algún problema causado por aspectos geológicos. Disponibilidad de energía eléctrica En el diseño se deben estudiar las condiciones para el suministro de energía eléctrica, incluyendo la capacidad de la red de energía eléctrica en la zona en donde se construirá la estación. Parámetros Generales Las estaciones elevadoras y/o de bombeo de los sistemas de recolección y evacuación de aguas residuales y/o lluvias deben proyectarse para 30 años en el caso de sistemas con nivel de complejidad alto y de 25 años para los demás sistemas. Además, el diseñador debe tener en cuenta el caudal medio diario, el caudal máximo horario y los caudales máximos y mínimos en las condiciones iniciales y finales de operación de la estación, a lo largo del período de diseño. Condiciones de entrada Se deben conocer las características del tramo (colector, interceptor o emisario afluente) aguas arriba de la estación elevadora y/o de bombeo. Específicamente, el diseñador debe conocer la

forma, material, dimensiones, cota de batea del conducto en la entrada a la estación, cota máxima de agua en la entrada de la estación y diferencia de altura entre la succión y la descarga. El material de las bombas y de los diferentes componentes deben resistir los efectos de corrosión que el agua pueda causar en ellos. Se pueden utilizar materiales como: hierro fundido, acero inoxidable, acero al carbón, acero fundido y hierro dúctil. Para los accesorios de la bomba se puede usar latón y bronce. El número de bombas por colocar en la estación debe definirse de acuerdo con la capacidad requerida y la energía disponible, según las siguientes disposiciones: 

En sistemas con nivel de complejidad bajo deben colocarse dos bombas, cada una con una capacidad igual a la capacidad requerida.



En sistemas con nivel de complejidad medio debe colocarse un mínimo de dos bombas. Cuando se utilicen únicamente dos bombas, cada una de ellas debe tener una capacidad igual al caudal de diseño de la estación.



En sistemas con niveles de complejidad medio alto y alto el número de bombas debe ser determinado por el análisis de costo mínimo, colocando un mínimo de dos bombas. Cuando se utilicen únicamente dos bombas, cada una de ellas debe tener una capacidad igual al caudal de diseño de la estación.



En todos los sistemas, cuando el número de bombas sea mayor que dos, la capacidad debe distribuirse equitativamente entre ellas. Además, deben preverse unidades de reserva del mismo tipo.



En todos los sistemas que requieran tres o más bombas, debe colocarse una unidad adicional como reserva por cada tres bombas empleadas.

Tipo de bombas. En el diseño se deben tener en cuenta los siguientes criterios para la selección del tipo de bombas: 

Características fisicoquímicas del agua que va a ser bombeada.

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El espacio requerido para la instalación de las bombas dentro de la estación elevadora y/o de bombeo.

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La forma de operación prevista de las bombas, en serie o en paralelo.

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La variación en los niveles máximo y mínimo en el pozo de succión y en la descarga.

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La variación de los caudales bajo las diferentes condiciones de operación hidráulica de la estación elevadora y/o de bombeo.

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El tiempo de operación de las bombas.

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La compatibilidad con otros equipos de bombeo existentes en el municipio.

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El nivel del ruido generado por la operación de las bombas.

En una estación elevadora y/o de bombeo se pueden utilizar bombas helicoidales, centrífugas y eyectoras. Las bombas centrífugas Son las más comunes y apropiadas cuando las alturas de bombeo son mayores a 10 m. En general, el comportamiento hidráulico de este tipo de bombas es similar al de las utilizadas para bombeo de agua potable. En este grupo se encuentran las bombas sumergibles las cuales se utilizan en aquellos casos en que se desea eliminar la utilización de pozos secos. Las bombas helicoidales Están basadas en el tornillo de Arquímedes y funcionan al aire libre. La altura de bombeo o elevación del agua corresponde a la diferencia de nivel entre los dos extremos del tornillo, en su

posición de operación, generalmente inclinada. Este tipo de bombas se recomienda cuando la altura a la que se requiere elevar el agua es más pequeña que los otros tipos de bomba. Las bombas eyectoras Tienen la capacidad de bombear aguas residuales y/o lluvias sin ningún tipo de filtración o cribado previo. Funcionan con un sensor de nivel que inyecta aire, el cual impulsa el agua. Se recomiendan para caudales bajos de bombeo. Desde la etapa de diseño, las bombas deben seleccionarse de forma tal que se obtengan la capacidad y la altura dinámica requeridas, establecidas por el punto de operación al considerar las curvas características del sistema de bombeo y del sistema de tuberías de impulsión. Pozo de succión El pozo de succión es el compartimiento destinado a recibir y acumular las aguas residuales durante un determinado período, se debe tener precaución del tiempo de permanencia del agua dentro del pozo, ya que no debe ser muy largo puesto que pueden generarse malos olores y gases. Este se debe diseñar con una capacidad igual o superior a la suma de los caudales de diseño de las bombas. Diseño de la estación de bombeo Generación de alternativas En el diseño de la estación elevadora y/o de bombeo se debe buscar la alternativa óptima económica de combinación de los diferentes diámetros y materiales de tubería de impulsión, potencia de las bombas y consumo de energía de éstas a lo largo del período de diseño, que cumpla con todas las restricciones hidráulicas.

Tuberías El diámetro definitivo de las tuberías de impulsión en una estación de bombeo debe obedecer al análisis económico de las alternativas generadas, utilizando un programa de computador en el cual se analice el costo de la energía de bombeo versus el costo de la tubería y el sistema aguas abajo de la bomba. Adicionalmente, los materiales y recubrimientos que conformen los diferentes accesorios de las tuberías de succión y descarga, y las bombas en sí, deben ser resistentes a la corrosión. Si el acero es el material seleccionado como única opción, se debe buscar que sea inoxidable. Los revestimientos de las tuberías pueden ser: polietileno o polipropileno, resina epóxica, mortero de cemento, etc. En caso de que estos sistemas incluyan tuberías de acero, se recomienda el uso de recubrimientos con mortero. Las tuberías metálicas, con excepción de las de hierro dúctil, deben tener continuidad eléctrica y estaciones de medición. Sistema de bombeo Bombas centrífugas y bombas eyectoras. La potencia requerida por la bomba debe funcionar para la capacidad del sistema bajo la condición de caudal máximo de operación. La altura neta de succión positiva requerida por el fabricante debe ser menor que el valor disponible en la instalación en por lo menos un 20%, para las condiciones más adversas de operación. En ningún caso la diferencia puede ser menor a 0,5 m. Para todos los caudales previstos debe verificarse que no ocurra el fenómeno de cavitación. En caso de utilizar bombas sumergibles se deben tener en cuenta las recomendaciones del fabricante acerca del rango aceptable de los niveles de encendido y apagado del sistema. Teniendo en cuenta que la ecuación de la bomba debe ser suministrada por el fabricante de estos equipos. En caso de que esta ecuación no exista, el fabricante debe suministrar la curva de

operación de la bomba y el diseñador debe hacer un análisis de regresión numérica con el fin de obtener la ecuación. Además de que la ecuación del sistema se debe obtener utilizando la ecuación de DarcyWeisbach en conjunto con la ecuación de Colebrook-White, si se trata de un bombeo donde únicamente incluya una tubería de impulsión y si aguas abajo de la bomba exista una red de alcantarillado, el diseñador debe utilizar un programa de análisis hidráulico de sistemas de alcantarillado con el fin de obtener la ecuación del sistema para las diferentes condiciones de operación del bombeo y operación de la red de alcantarillado. Bombas helicoidales. El diseñador debe tener en cuenta que, al cambiar el nivel del agua en el canal de entrada, la capacidad de la bomba puede variar desde cero, cuando el nivel de agua en la entrada corresponde al punto donde se suspendería la descarga. Propiedades del tornillo. 

Las bombas de tornillo pueden tener una, dos o tres hojas o espirales. La capacidad de descarga puede aumentar en un 20% por cada incremento en el número de hojas.

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Estos tornillos se producen en un rango de diámetros que está entre 0,3 m y 3,0 m, con una capacidad de descarga que varía entre 0,01 y 3,2 m³/s. En todo caso, el diseñador debe consultar las características específicas de cada tornillo, de acuerdo con su fabricante.

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La relación, r, entre el diámetro del eje, d, y el diámetro del tornillo, D, que genere el mínimo consumo de material y optimice la capacidad de descarga de la bomba debe estar entre 0,4 y 0,6. En casos especiales, el diseñador puede utilizar un diámetro de eje mayor con la aprobación de la persona prestadora del servicio público de alcantarillado.

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El ángulo de inclinación del tornillo típicamente varía entre 20º y 40º. A menor ángulo de inclinación, la capacidad de descarga es mayor. Por cada grado de inclinación que se aumente, la capacidad de bombeo se ve reducida en un 3%. El valor de inclinación típico para una estación de bombeo por tornillos de Arquímedes es de 30º.

La deflexión máxima del tornillo causada por el peso de la bomba y del agua, debe ser menor que el espacio libre entre el borde de las espirales y la superficie de la caja en la que se encuentra el tornillo. Igualmente se recomienda que no se utilice velocidades mayores, debido a que se generará una pérdida de eficiencia. Por otro lado, si la bomba opera a velocidades menores que el 70% de la velocidad calculada, también se presenta una pérdida de eficiencia. Finalmente, la potencia de la bomba debe ser la suficiente para obtener la capacidad del sistema bajo la condición de caudal máximo de operación.

Bibliografía 

Bombeo de aguas residuales,