PROYECTO CONSTRUCCION DE UN BIODIGESTOR..... PARTE 1

EL PROBLEMA

1. planteamiento del Problema.

En esta población no se cuenta con los sistemas de recolección, tratamiento y disposición final de las aguas servidas, por lo que nos abocaremos a plantear que una de las soluciones más accesibles y factible seria la instalación de un sistema de biodigestor para la depuración de las aguas servidas, y su consecuente tratamiento y descontaminación; utilizando así los productos biocombustibles para su diferentes usos.

Por consiguiente un sistema de biodigestion favorecerá el mejoramiento de las condiciones ambientales, disminuyendo así la carga contaminante, y como consecuencia directa la total erradicación de los malos olores, mejorando la capacidad fertilizante del material, el tratamiento de las aguas servidas y su posterior reutilización en las labores de riego de las zonas verdes, representando otro beneficio directo para la población

Un sistema de Biodigestor sería una alternativa viable para la depuración de las aguas servidas, son determinantes a la hora de emprender el tratamiento de las aguas contaminadas.

Teniendo en cuenta lo planteado anteriormente surgen las siguientes interrogantes. ¿Qué cantidad de Biodigestores se deben proponer para el Sector El Carrizal, Municipio Colina - Estado Falcón?, ¿Será ventajoso la instalación de los biodigestores?, ¿Será la solución, ayudará a la misma?

1.2 Justificación
Las áreas rurales generalmente presentan un sin numero de necesidades y carencias las cuales con el pasar del tiempo se van profundizando de tal manera que la solución en muchos casos escapa de sus manos. Un caso puntual es la problemática que presenta la población de El Carrizal, Municipio Colina, la cual carece de un sistema de recolección, tratamiento y disposición final de las aguas servidas siendo estas descargadas en su mayoría en la parte trasera de cada vivienda o en pozos sépticos sin la debida atención sanitaria requerida para evitar posibles brotes de contaminación y enfermedades.

Para solventar esta problemática se han planteado un conjunto de sugerencias las cuales enmarcan la importancia que tienen la propuesta de tratamiento de las excretas por la vía de la biodigestión y su impacto positivo para el desarrollo y bienestar de la comunidad.

Por medio de esta investigación se contribuirá en la búsqueda de una tecnología apropiada, definiendo los procedimientos adecuados para instalación del sistema de biodigestor de una manera óptima y segura para la comunidad.

La instalación de un sistema de biodigestor es de alta factibilidad, ya que para su funcionamiento solo se necesita las materias primas autóctonas o locales como lo son heces humanas, estiércoles y otros; los cuales se descomponen y producen gas metano (lo que a su vez genera energía eléctrica) y biofertilizantes.

1. objetivos
   2.1 Objetivo General

Formular un diseño de biodigestor para contribuir al saneamiento ambiental del Sector.

2.2 Objetivos Específicos

 Caracterizar el área en estudio.
 Diseñar el Biodigestor de acuerdo a los requerimientos planialtimétricos de la zona.
 Estimar los costos de la propuesta seleccionada.
 Mejorar la calidad de vida de los habitantes de la Comunidad
 Minimizar la contaminación

1. Limitaciones

La topografía irregular del terreno constituye una dificultad para la consecución de la investigación presentada.

Sumado a esto, la organización improvisada de las viviendas sin ninguna planificación hace que estas presenten una asimetría en su distribución física.

1. Clima
   Este sector esta incluido dentro del área de clima árido y semiárido pero realmente se presentan variaciones en cuanto a los promedios y a la distribución de las precipitaciones.

El régimen pluviométrico puede ser de carácter modal o bimodal. En el primer tipo de régimen, el máximo de precipitación se presenta en los meses de octubre, noviembre y diciembre. Este régimen se manifiesta en la estación de La Vela. (Alcaldía del Municipio Colina, 2008)

4.1 Medios Bioclimàticos.
Al Municipio Colina lo caracterizan los medios bioclimáticos bien definidos: el primero lo ocupa un sector con clima árido o semiárido correspondiente a l zona de vida Monte Espinoso Tropical, que se extiende desde el nivel del mar hasta unos 200m. de altitud, ocupa principalmente terrenos llanos hasta con suaves pendientes, correspondiendo esta descripción fundamentalmente a las parroquias La Vela, Las Calderas y parte de la parroquia Guaibacoa del Municipio Colina. (Alcaldía del Municipio Colina, 2008)

4.2 Temperatura
La temperatura media anual varía de 26 ºC a 28 ºC. Manteniéndose casi constantes durante todo el año en 27 ºC (Alcaldía del Municipio Colina, 2008)
4.3 Evaporación
La evaporación media anual alcanzó 1.755mm. Siendo la mas alta en un periodo de 15 años (Alcaldía del Municipio Colina, 2007)

4.4 Precipitación Media Anual
El régimen pluviométrico del Sector el Carrizal es de carácter modal, ya que el máximo de precipitación se presenta en los meses de octubre a diciembre y otro aunque de menos magnitud en junio y julio (Alcaldía del Municipio Colina, 2008)

4.5 Humedad Relativa
De acuerdo al balance hídrico, se puede concluir que no existe mes húmedo constante en el tiempo, el mes de noviembre resulta húmedo, tres veces cada diez años y el mes de Diciembre dos veces cada diez años. (Alcaldía del Municipio Colina, 2008)

4.6 Relieve
De acuerdo con el estudio de COPLANARH, el Municipio corresponde a la Entidad Natural Anticlinario y Surco Central de Falcón, de manera general puede hablarse de la existencia de tres tipos de relieves:

1. Relieves escabrosos y accidentados
2. Relieves ondulados.
3. Relieves planos
   En esta zona seleccionada predomina un relieve específicamente escabroso y accidentado con suave pendiente. (Alcaldía del Municipio Colina, 2008)
   4.7 Vegetación
   En las áreas correspondientes al Monte Espinoso Tropical, la vegetación presenta una fisonomía distintiva, con escasas especies arbóreas de hoja ancha, la mayoría de los aspectos son espinosos y de hojas pequeñas y coriáceas. Las más comunes son las Cerdium, Prosopis, Pethecolobium, y Capparis; frecuentemente se encuentran cactáceas del género Opuntia. (Alcaldía del Municipio Colina, 2008)

4.8 Suelo
Se caracteriza por presentar suelos predominantemente de textura arcillosa, con estructura primaria prismática de mediana a grande, rompiendo en los horizontes superficiales, en estructura de débil a moderado desarrollo.
Consistencia dura o extremadamente dura en seco. Drenaje externo moderado, interno lento y permeabilidad muy lenta. Abundantes grietas grandes, que profundizan hasta 100 cm., caras de fricción también abundantes a profundidades variables entre 60 y 80 Cm. Se observan concreciones de Carbonato de Calcio desde la superficie e igualmente yeso. (Alcaldía del Municipio Colina, 2008)

4.9 Vientos
La velocidad promedio anual del viento es de 20,9 Km. /h. Dicha variable alcanza una velocidad promedio mensual máxima de 22,7 Km. /h en el mes de junio y mínima en el mes de noviembre de 16,8km/h. La dirección del viento es NE-SO, estos soplan constantemente. (Páez, 1999)

1. Aspectos Demográficos
   El Sector el Carrizal se encuentra habitado por 180 personas. De los cuales fueron clasificados de la siguiente manera:

Censo Sector El Carrizal

Edades 0 - 12 13-/ 30 31 - 40 41 - 50 51 - 60 61 - 70 71 - 80 81 - 95
Femenino 35 39 8 7 6 3 2 -
Masculino 22 31 14 5 3 2 1 2
Total 57 70 22 12 9 5 3 2

En el Sector el Carrizal existen 50 viviendas, las cuales se encuentran ocupadas es su totalidad, ninguna posee servicio de acueductos ni de cloacas, 6 tienen excusados conectadas a tanque sépticos, 36 no poseen ni excusados de hoyo, todas tienen servicio de electricidad; aparte hay un salón de usos múltiples en construcción más la iglesia.

1. MARCO METODOLÓGICO
   En el digestor se genera un proceso metabólico de descomposición de la materia orgánica (heces humanas, estiércoles y plantas) sin la presencia del oxigeno del aire. Cuando la materia orgánica se descompone en ausencia de oxígeno, actúa este tipo de bacterias (bacterias metanogénicas), generando biogás. Es importante señalar que los residuos orgánicos de una familia no darían gas suficiente como para dar combustible para preparar una comida diaria. Es necesario añadir el estiércol de animales para conseguir suficiente para todos los usos. El tamaño de la estructura dependerá de las necesidades de saneamiento o de los requerimientos energéticos.

   Para el diseño del biodigestor se utilizaron las siguientes expresiones matemáticas:

Componentes:
TR: Tiempo de retención
VT: Volumen total o capacidad
D: Diámetro interno de la cámara de fermentación
F1. Factor de la cúpula
F2: Factor del piso
r: Radio del cilindro
R1: Radios de curvatura de la cúpula
R2: Radios de curvatura del piso
S1, S2 Y S3: Superficies de obra (concreto y bloque), cúpula, piso y cilindro.
V.V.I: Volumen vacío inicial
Ef: Eficiencia que depende del tipo de substrato
V´2: Producción almacenada diaria de gas
V2: Volumen total acumulado de gas en el interior
V1, V2 Y V3: Volúmenes internos en la estructura del cuerpo del digestor. Cúpula, concavidad del piso y cilindro.
H0: Altura del cilindro
H2: Bajada del material fermentante en el cuerpo del digestor
H1: Altura Inicial del Líquido
Vol. Fer.: Volumen de Fermentación
DT: Diámetro del tanque de hidropresion

Ecuaciones:
VT = Q med.Ap * TR
D = (VT * 1.65)1/3
F1= (1/5 * D)
F2= (1/8 * D)
r = (D/2)
R1= (r2 + F12)/ (2* F1)
R2= (r2 + F22)/ (2* F2)
S1= (2* π * R1 * F1)
S2= (2* π * R2 * F2)
S3= (π * D * Ho)
V.V.I. = 0,025 * VT
V2= 0, 5 * Ef * VT V2 = V.V.I. + V2
V1= π * F12 * (R1- (F1 / 3))
V2= π * F22 * (R2- (F2 / 3))
V3= (π * D2) / 4 * H0
VT = V1 + V2 + V3
h2 = 2R1 {Cos * [1/3 * Arccos * (1 – (3 V2))/ (2 * π * R1)) + 240 º - {Cos* [1/3 * Arccos * (1 – (3 V1))/ (2 * π * R1)) + 240 º
h1 = R1* {1 + 2 * Cos * [1/3 * Arccos * (1 – (3 V1))/ (2 * π * R13)) + 240 º
Vol. Fer. = VT - V.V.I.
50 % de Gas= Vol. Fer. /10
Totgas = V.V.I. + 50 % de Gas

6.1 Estimación de Costos

Se procedió a realizar los cómputos métricos los cuales dependen de todos las mediciones de las cantidades a ejecutar, seleccionando las partidas correspondientes al diseño del biodigestor del Sector el Carrizal, luego de establecidos los cómputos métricos se procede a estimar el presupuesto de la obra y luego se hace el análisis de precios de cada una de las partidas, estos dos últimos procedimientos fueron ejecutados aplicando el software Lulowin.

LA PROPUESTA

Levantamiento Topográfico del Sector el Carrizal, Municipio Colina, Estado Falcón.
PUNTO NORTE ESTE COTA
RAMAL 1
BOCAS DE VISITAS BV-0 1.267.556 440.833 53.55
BV-1 1.267.540 440.758 50.96
BV-2 1.267.520 440.714 49.83
BV-3 1.267.505 440.696 49.52
BV-4 1.267.492 440.677 48.98
BV-5 1.267.478 440.641 48.51
BV-6 1.267.491 440.612 48.47
BV-7 1.267.498 440.540 48.40
BV-7A 1.267.534 440.547 47.83
BV-7B 1.267.584 440.552 47.04
BV-7C 1.267.633 440.556 45.89
BV-7BIO 1.267.692 440.560 43.90
BV-7E 1.267.712 440.561 43.38
BV-8 1.267.442 440.527 49.82
BV-9 1.267.442 440.625 50.00
RAMAL 2
BOCAS DE VISITAS BV-11 1.267.496 440.434 51.38
BV-12 1.267.556 440.432 48.47
BV-13 1.267.604 440.431 47.57
BV-14 1.267.675 440.430 44.99
BV-14A 1.267.673 440.495 44.20
BV-16 1.267.588 440.402 48.01
BV-17 1.267.592 440.337 48.30
BV-18 1.267.599 440.267 48.60
BV-19 1.267.604 440.210 48.86
BV-20 1.267.676 440.216 48.90
BV-21 1.267.607 440.665 55.63
BV-22 1.267.607 440.112 58.76
PUNTOS
EXTRAS
POLIGONAL BV-7D 1.267.671 440.560 43.80
BV-10 1.267.495 440.512 49.55
BV-11A 1.267.440 440.428 53.80
BV-11B 1.267.416 440.432 55.85
BV-11C 1.267.393 440.443 57.96
BV-11D 1.267.368 440.464 60.20
BV-11E 1.267.345 440.517 62.00
BV-15 1.267.779 440.427 48.90

Estudio de suelo.

Con la finalidad de saber cuales son las características del suelo del Sector el Carrizal y poder definir el posible impacto ambiental que ocasionaría la instalación del biodigestor en la zona, se procedió a realizar los respectivos estudios de suelo; para los cuales se hicieron dos tomas de muestra a diferentes profundidades, la primera toma de muestra fue a 1 metro por debajo del nivel de la cota de suelo y la segunda toma de muestra se realizo a una profundidad de 2 metros, extrayéndose de ambas suficiente material para dichos ensayos de laboratorio, cabe destacar que las muestras fueron protegidas de agentes externos, para evitar que sus características variaran y se evitaran posibles errores en las pruebas a realizar. A continuación se mencionan los resultados de todos estos ensayos de suelo:

Para este ensayo de Humedad Natural se utilizó el Método de secado al horno descrito en las Normas ASTMD 2216-92, dando como resultados que para muestra M1 el % de humedad fue de 13.01% y para la muestra M2 el % de humedad 23.91%.(Ver Apéndice N°1)

El segundo Ensayo realizado fue la determinación de la gradación del suelo, o lo que es lo mismo, la determinación cuantitativa de los diferentes tamaños de sus partículas. Dentro de los ensayos ejecutados para la clasificación del suelo, se emplearon; el Análisis Granulométrico (Norma ASTMD 422) el cual se ejecutó siguiendo el Método del Tamizado, en el cual se observo para la muestra M1 el porcentaje de pasantes al tamiz 200 fue de 68.95% y para la muestra M2 fue 94.71%, esto significa que dicho suelo esta compuesto por un alto porcentaje de finos, específicamente de arcillas.

Seguidamente se determinaron los Límites de Consistencia los cuales se basan generalmente en la plasticidad de los suelos, Para la realización de este ensayo se siguió con la normativa ASTM D 4318 – 84, los resultados de Límites Líquidos obtenidos fueron para la muestra M1 de 36.30% y para la muestra M2 de 39.83%. Los resultados de los Límites Plásticos fueron M1 con 21.66% y M2 con 24.07%.

Dichos resultados son coherentes con los porcentajes de Humedad de la muestra en sus diferentes estratos, es decir a mayor profundidad mayor humedad y su vez mayor plasticidad.

Para determinar la Gravedad Específica del suelo se utilizó el Método del picnómetro. Los resultados obtenidos para este renglón fueron para M1 una G.S: 2.72 y para M2 una G.S: 2.73. Obteniéndose relativamente el mismo valor, ya que esta es una propiedad índice, es decir, que no varia en una masa de suelo con las mismas características.

Una vez conocida la gradación del suelo en cuestión es necesario conocer la gradación de las partículas menores a 2 micrones. El procedimiento empleado fue el Método del Hidrómetra (Normativa ASTM D 422) obteniéndose que predominen en su conjunto mayor cantidad de partículas de arcillas.

Otro estudio realizado a los suelos del Sector el Carrizal fue Ensayo de Methyleno el cual se realizo siguiendo la Normativa COVENIN 3584 – 1999, observándose que en ambas muestras los minerales predominantes son las VERMICULITAS E ILITAS.

También se realizó el Ensayo de Consolidación Unidimensional de los suelos, obteniéndose del mismo que la muestra de suelo bajo la aplicación de cargas en un determinado período de tiempo no sufrirá deformaciones importantes, ya que por ser una arcilla del tipo de las Vermiculitas e Ilitas su grado de permeabilidad tendía a ser casi nula, además que la muestra poseía en su estado natural, un importante porcentaje de humedad natural, haciéndola invulnerable a las filtraciones que pudieran tener el cuerpo del biodigestor

Posteriormente se hizo la clasificación del suelo, siguiendo otros métodos, uno de esto es el Método AASTHO el cual cuenta con una tabla de clasificación, compuesta por los diferentes tipos de suelo bajo condiciones especiales, es decir, que para que una muestra de suelo pertenezca a un grupo determinado debe cumplir con algunas características especificas. La muestra de suelo del Sector el Carrizal quedo dentro del grupo A-6 al cual pertenecen los materiales Arcillosos.

El siguiente método de Clasificación fue el S.U.C.S. el cual se apoya en la plasticidad de suelo, y utiliza el Carta de plasticidad de Casagrande. Para el Sector el Carrizal se estableció que sus suelos se encuentran redigos por arcillas inorgánicas de baja a media plasticidad (CL)

Población Futura

Para el cálculo de la población futura, se inició con la obtención de censos poblacionales del sector, Para todos estos métodos, se utilizaron los datos suministrados por el concejo comunal tomando en cuenta los datos de los años 2005, 2006 y 2007, dichos métodos arrojaron como resultado que la población futura para el sector sería de 296 habitantes (Ver apéndice Nº 2).

El primer método empleado fue el aritmético o de crecimiento lineal el cual se basa en la determinación de de la taza de crecimiento K, ya que con este parámetro se puede conocer la población futura a cualquier intervalo de tiempo. Las ecuaciones utilizadas fueron las siguientes

Ecuaciones:

Donde:

P2023 = Población estimada de diseño (Habitantes)
PUC = Población del ultimo censo realizado (Habitantes)
PCI = Población del primer censo realizado (Habitantes)
TUC = Año del ultimo censo (Año)
TCI = Año del primer censo (Año)
K = Taza de crecimiento de la población (Adimensional)

P2023 = 276 hab.

El segundo método utilizado para la estimación de la población futura fue el método geométrico, el cual esta regido por la razón incremental de la población, el cálculo fue el siguiente:

P2023 = PUC * (1 + R)^(Tf-TUC)

R(%) = (( PUC/ PCI)n – 1) * 100

n = 1 / (TUC – TCI)
Donde:

P2023 = Población para el año de diseño (Habitantes)
PUC = Población del ultimo censo realizado (Habitantes)
R = Rata de crecimiento de la población en Venezuela (Adimensional)
TUC = tiempo ultimo censo
TF = tiempo final o tiempo de diseño

Solución:

n = 1 /(2007 - 2005)
n = 0.5
R (%) = ((180 / 168)0.5 - 1) * 100
R (%) = 3,51% ~ 0.0351
P2023 = 180 * (1 + 0.0351)^(2023-2007)
P2023 = 313 hab

El último método de estimación de población futura utilizado fue el logarítmico

Ecuaciones:

KGI = (LN PUC – LN PCI) / (TUC – TCI)

KGPROM= KGI * -1
P2023 = e(LNPUC+KGPROM)(Tf -TACT)
KGI = (LN180 – LN168) / (2007 – 2005) KGI= -0.0344964
KGPRO = (-0.0344964) (-1) = 0.0344964
P2023 = e(LN180+0.0344964)*(2023 -2008)
P2023 = 302 hab

La población futura será la ponderación de todas las poblaciones estimadas:

P2023 = (276 + 313 + 302) / 3 = 297 hab

5.1.4 Caudal de Agua Potable

Una vez conocida la población futura se procede a estimar los caudales medio de agua potable para la población actual y para la población futura, y de esta manera cuantificar que cantidad de agua unida con el sustrato transitara por la red cloacal.

5.1.4.1 Caudal Medio de Agua Potable

Se calculó el caudal medio dependiendo de las contribuciones aportadas por el entorno. Por ejemplo las 50 casas aportan la mayor contribución al sistema, ya que es donde se encuentra el grueso de la población. Para calcular este caudal se multiplicó el número de casas (50) por  la dotación establecida  por la Gaceta Sanitaria N°4044, que reza que para casa rural la dotación es de 1500L/D/casa, obteniéndose así el caudal medio por día aportado, solo queda llevar este caudal a su mínima expresión que no es mas que transformarlo de (L/D) a (L/S), y esto se hace con un simple conversión, es decir, dividiendo cada caudal entre 86400 S/D.
Una vez obtenido estos caudales (L/S) por cada contribución parcial solo resta hacer la suma algebraica y obtener un total que seria el caudal medio de la población con el cual se trabajará para el diseño de la red cloacal.

Para la población actual se estimó la siguiente información:

Calculo de caudal medio para la población Actual (2008)

Nº Qmed Contribución parcial Cantidad Dotación Caudal
medio (L/D) Caudal
medio
(L/S)
Qmed1 casas 50 1500 L/D/casa 75000 0.8681
Qmed2 Salón de Usos Múltiples 360 M2 6 L/D/M2 2160 0,0250
Qmed3 Iglesia 315 M2 0.5 L/D/M2 157.5 0,0018
Total 0,8949

Para la población futura se realizó el procedimiento antes mencionado, con la variante que el número de casas es mayor ya que es el estimado para ese año. Dando como resultado lo siguiente: 

Calculo de caudal medio para la población futura (2023)

Nº Qmed Contribución parcial Cantidad Dotación Caudal
medio (L/D) Caudal
medio
(L/S)
Qmed1 Viviendas 58 1500 L/D/vivienda 87000 1.0069
Qmed2 Salón de Usos Múltiples 360 M2 6 L/D/M2 2160 0,0250
Qmed3 Iglesia 315 M2 0.5 L/D/M2 157.5 0,0018
Total 1.0337

Dicho cálculo no se tomó encuentra para el diseño ya que solo se realizó de manera referencial y comparativo.

5.1.4.2 Caudal medio de Agua potable por tramo

Para esta estimación es importante haber definido previamente la cantidad de casa contenidas en el tramo, las cuales servirán para el estudio detallado del caudal medio en el mismo, es importante destacar que este cálculo es un desglose de el cálculo anterior, ya que para el diseño de la red cloacal es de vital importancia el estudio de todos los tramos del sistema, ya que los mismos deben cumplir con las especificaciones establecidas para el diseño, a continuación se muestra un ejemplo de este cálculo para mejor comprensión de lo anteriormente mencionado: 





Por ejemplo para el primer tramo BV1 – BV2 el cálculo es el siguiente:   

Tramo 1:

Qmed1= 1500 Lts/casa/Día * 2 casas = 3000 Lts/Día

QT1= 3000 Lts/Día * 1 Día => QT1= 0.035 Lts/seg.
86400 seg.

Este procedimiento se realizó en todos los tramos en los cuales existe aporte de agua potable al sistema.

Los resultados fueron organizados en la siguiente tabla:
Cálculo del caudal de Agua Potable por tramo

RAMAL N°1
Nº
Tramo Tramos Contribución Dotación Parcial
por tramo Dotación Total
por tramo (L/D) Caudal Total(L/S)
1 BV1-BV2 2 casas (15002) 3000 0,035
2 BV2-BV3 2 casas (15002) 3000 0,035
3 BV3-BV4 2 casas (15002) 3000 0,035
4 BV4-BV5 6 casas (15006) 9000 0,104
5 BV5-BV6 4 casas (15004) 6000 0,069
6 BV6-BV7 6 casas (15006) 9000 0,104
7 BV9-BV8 4 casas (15004) 6000 0,069
8 BV8-BV7 Salón de usos múltiples 360 M2 * 6 l/dia/ M2 2160 0.025
9 BV7A - BV7B 2 casa + iglesia (15002)+(3150.5) 3157,5 0.037
RAMAL N°2
Nº
Tramo Tramos Contribución Dotación Parcial
por tramo Dotación Total
por tramo (L/D) Caudal Total(L/S)
10 BV22 – BV21 1 casas (15001) 1500 0,017
11 BV21 – BV19 2 casas (15002) 3000 0,035
12 BV20 – BV19 3 casas (15003) 4500 0,052
13 BV19 – BV18 5 casas (15005) 7500 0.087
14 BV18 – BV17 2 casas (15002) 3000 0,035
15 BV17 – BV16 7 casas (15007) 10500 0,122
16 BV11 – BV12 1 casas (15001) 1500 0,017
17 BV13 – BV14 1 casas (1500*1) 1500 0,017
Total 0,912

Caudal de Aguas Negras

La red de aguas servidas se encuentra conformada por un colector principal el cual a su vez esta subdividido en dos ramales, se estimó la colocación de tuberías de PVC de 8”, se dispuso de este tipo de tubería ya que las velocidades mínimas permitida según la norma INOS en condiciones ideales en los colectores a sección llena es de 0.60 m/seg. Se utilizaron bocas de visitas tipo 1- A en todo el sistema, ubicadas en el eje central de la vía principal del sector y las respectivas intersecciones. Se dispusieron de bocas de visitas tipo 1 – A, debido a que las alturas entre las tuberías y las cotas de terreno son menores a cinco metros, El sistema cloacal en su totalidad se compone de 1372,78 metros de tuberías, 27 bocas de visitas tipo 1 – A, 50 empotramientos. (Ver plano Nº 5)

El caudal de diseño de las aguas servidas es una mezcla de aguas grises, aguas negras, y aguas de infiltración, debiéndose determinar en nuestro caso, las aguas negras y de infiltración que llegará al biodigestor, estableciendo los aportes de cada uno de ellos para obtener el gasto de diseño.

El caudal máximo promedio diario anual, de las aguas negras domiciliarias se obtuvo multiplicando el gasto medio proveniente del acueducto por el coeficiente de reingreso (R) igual a 0.80 y por el coeficiente de Harmon (K), que depende de la población. (Ver apéndice Nº 4).

Las expresiones matemáticas fueron las siguientes:

Para el tramo BV1 – BV2 se obtuvo el siguiente:

Para el caudal de infiltración, se multiplico utilizo la siguiente expresión

En donde las variables fueron, longitud del tramo y número de empotramientos contenidos en el, por ejemplo para el tramo BV1 – BV2 se obtuvo:

Luego se procedió a estimar el valor del factor C, cuyo rango oscila entre 1 y 2 y depende del número de habitantes contenidos en el tramo, la expresión matemática utilizada es:

C= (32+ √ (Nhab. /1000)) / (18 + √ (Nhab /1000))

Para el primer tramo BV1 – BV2 por ejemplo se obtuvo:

C= (32+ √ (11hab. /1000)) / (18 + √ (11hab /1000)) = 1.773

Y finalmente para obtener el caudal de diseño de aguas negras, 

QAN= (0.123 + 0.013) Lts/seg.* 1.773 = 0.241 Lts/seg.

Se estimo al igual que el caudal medio de agua potable, el caudal de diseño de aguas negras para cada tramo, dichos resultados fueron tabulados a continuación:

Cálculo de caudal de diseño de aguas negras

RAMAL N°1
Tramo Long Tramo Long Empot Nº
Emp
tramo Nº
Hab
tramo K R QAP Qmax Qinf C QAN
--- (m) (m) --- --- (l / s) (l / s) (l / s) (l / s)

BV1-BV2 48.33 3.50 2 11 4.41 0.80 0,035 0.123 0.013 1.773 0.241
BV2-BV3 23.43 3.50 2 2 4.46 0.80 0,035 0.125 0.007 1.776 0.234
BV3-BV4 23.02 3.50 2 7 4.43 0.80 0,035 0.184 0.007 1.774 0.339
BV4-BV5 38.63 3.50 6 28 4.36 0.80 0,104 0.363 0.014 1.771 0.668
BV5-BV6 31.78 3.50 4 16 4.39 0.80 0,069 0.242 0.011 1.772 0.448
BV6-BV7 71.81 3.50 6 27 4.36 0.80 0,104 0.363 0.021 1.771 0.680
BV9-BV8 98.00 3.50 4 12 4.41 0.80 0,069 0.243 0.023 1.773 0.472
BV8-BV7 57.97 3.50 1 300 4.08 0.80 0.025 0.082 0.014 1.755 0.168
BV7A - BV7B 36.21 3.50 3 273 4.10 0.80 0.037 0.121 0.011 1.756 0.232
RAMAL N°2
Tramo Long
Tramo Long
Empot Nº
Emp
tramo Nº
Hab
tramo K R QAP Qmax Qinf C QAN
--- (m) (m) --- --- (l / s) (l / s) (l / s) (l / s)
BV22 – BV21 53.00 3.50 1 6 4.43 0.80 0,017 0.060 0.013 1.774 0.130
BV21 – BV19 45.10 3.50 2 11 4.41 0.80 0,035 0.123 0.027 1.773 0.266
BV20 – BV19 72.25 3.50 3 4 4.45 0.80 0,052 0.185 0.019 1.775 0.362
BV19 – BV18 57.22 3.50 5 18 4.39 0.80 0.087 0.306 0.017 1.772 0.572
BV18 – BV17 70.35 3.50 2 7 4.43 0.80 0,035 0.124 0.018 1.774 0.252
BV17 – BV16 65.12 3.50 7 10 4.41 0.80 0,122 0.404 0.021 1.773 0.754
BV11 – BV12 70.03 3.50 1 3 4.45 0.80 0,017 0.061 0.017 1.775 0.138
BV13 – BV14 71.01 3.50 1 8 4.42 0.80 0,017 0.060 0.017 1.774 0.137

Posteriormente se estimo el caudal de aguas negras definitivo por tramo, este se determinó tomando en cuenta las contribuciones directas e indirectas para cada tramo el cálculo fue el siguiente:

Para el tramo 1 BV1 – BV2
Por ser el primer tramo, no posee caudal indirecto, que es aquel que fluye de los tramos anteriores, entonces el cálculo queda de esta manera:

Qdiseño BV1 - BV2= 0.241 Lts/seg. + 0.000 Lts/seg. = 0.241 Lts/seg

Para los siguientes tramos se tomo el mismo criterio de cálculo, en el cual los tramos son afectados por la contribución de todos los tramos anteriores, dichos resultados fueron almacenados en la siguiente tabla:

Cálculo del caudal de aguas negras definitivo por tramos

RAMAL N°1
Tramo Q Directo Q Indirecto Q diseño
BV1-BV2 0.241 0.000 0.241
BV2-BV3 0.234 0.241 0.475
BV3-BV4 0.339 0.475 0.814
BV4-BV5 0.668 0.814 1.482
BV5-BV6 0.448 1.482 1.930
BV6-BV7 0.680 1.930 2.610
BV9-BV8 0.472 0.000 0.472
BV8-BV7 0.168 0.472 0.640
BV7 - BV7A 0.000 0.640 + 2.610 3.250
BV7A - BV7B 0.232 3.250 3.482
BV7B - BV7C 0.000 3.482 3.482
BV7C - BV7D 0.000 3.482 3.482
RAMAL N°2
Tramo Q Directo Q Indirecto Q diseño
BV22 – BV21 0.130 0.000 0.130
BV21 – BV19 0.266 0.130 0.396
BV20 – BV19 0.362 0.000 0.362
BV19 – BV18 0.572 0.362 + 0.396 1.331
BV18 – BV17 0.252 1.331 1.583
BV17 – BV16 0.754 1.583 2.337
BV16 – BV13 0.000 2.337 2.337
BV11 – BV12 0.138 0.000 0.138
BV13 – BV14 0.137 0.138 + 2.337 2.612
BV14 – BV14A 0.000 2.612 2.612
BV14A- BV7D 0.000 2.612 2.612
BV7D - BIO 0.000 2.612 + 3.482 6.094

Sistema Cloaca

La profundidad máxima los colectores será de 1,35 m, cumpliendo así con la norma (articulo Nº 3.19 de la norma INOS), la cual exige a una profundidad mínima de 1,15m con respecto al lomo de los mismos, descansaran sobre un apoyo tipo B, el relleno hasta 0,30m., por encima del colector estará constituido por el material en condiciones de humedad óptima, seleccionada sin terrones, ni piedras mayores de 0.05m., el ancho de la zanja será de 0,60m

Los cálculos fueron realizados en función a las variables las cuales se deben ajustar, o deben cumplir a las especificaciones establecidas para dicho diseño, con por ejemplo los porcentajes de pendientes, las velocidades mínimas, y los diámetros necesarios para el buen funcionamiento de la red.  Un ejemplo del cálculo realizado se describe a continuación.

Componentes:
Q r: Caudal para un tirante de agua
n: Coeficiente de Rugosidad
IT (%): Pendiente del terreno
I min.: Pendiente mínima
Ø T: Diámetro total
Vr: Velocidad real
Q r: Caudal total ó de diseño

Ecuaciones
IT (%)= (cota arriba – cota abajo) * 1000
Long. Tramo
I min= ((0.6 * n) / (Q min/4) 2/3)2 * 1000
Ø T= (4 * Qr /1000) / (Vc * π)

QC= (Vc * π) * (Ø d(m))2 * 1000
4
V C= (1/n) * (Ø d(m) / 4)2/3 * (IT /1000)0.5

Vr= (Vc * VR/ VC)
H= (H/ D) * (Ø d(m))* 100

Para obtener el caudal de cada uno de los tramos que conforman la red, es necesario aclarar que solo se tomará de las viviendas el caudal de descarga de cada excusado, establecido en la Gaceta Oficial Nº 4.044 de año, donde designa para cada excusado de tanque de uso privado 2 U.G. y para uso público 5 U.G., los mismos corresponden a 0.20 y 0.38 litros/segundos respectivamente.

Para realizar el cálculo del sistema cloacal para el Sector Carrizal, se consideró según la Gaceta Oficial Nº 4.044, cuyos criterios de diseño fueron los siguientes:

 Diámetro Mínimo de los Colectores: 200 mm (8”).= 0.20m
 Profundidad Mínima de los Colectores: 1,15 mts sobre el lomo del colector, en los casos en que la profundidad del lomo del tubo sea menor a 0,90 mts se utilizará una envoltura de concreto armado para protegerla.
 Tipo de material a utilizar: la tubería será de P.V.C. con junta de goma.
 Coeficiente de rugosidad “n” para P.V.C. = 0.012.
 Velocidad Mínima: 0.60 mts/seg.
 Velocidad Máxima para la tubería P.V.C. = 4,50 mts/seg.

Para el tramo 1 el cálculo fue el siguiente:

Tramo 1 (BV1-BV2):

IT (%)= (50.96 – 49.83) * 1000= 23.38 %
48.33
I min= ((0.6 * 0.012) / (0.20/ 4) 2/3 )2 * 1000= 2.81 %

V C= (1/0.012) * (0.20 / 4)2/3 * (23.38 /1000)0.5= 1.73 m/seg.

Ø T= (4 * (0.241 /1000)) / (1.73 * π) = 0.01m

Qc= (1.73 π) * ((0.20^2)/4) 1000 = 54.33 l/seg.

Qr/Qc= 0.241/54.33= 0.00

H= (0.06) * (0.20)* 100 = 1.20 cm

Vr= (1.73 * 0.32) = 0.554 m/seg

Una vez obtenido todas estas variables, y comprobando que cumplieron con las especificaciones previamente establecidas, se construyeron cuadros resumen para cada ramal y así tener una mayor comprensión de dicha información.

Dichos cuadros se anexan a continuación:

5.1.7 Diseño del Biodigestor

Una labor primaria para el diseño del biodigestor, fue establecer su tipo, para el cual se estudio las condiciones de su uso, así como también la factibilidad de construcción.

La propuesta se baso en la construcción de un biodigestor de Domo Fijo modelo “Chino”, ya el mismo es muy eficiente en su funcionamiento, los costos de construcción serian relativamente bajos, y su nivel tecnológico aceptable.

El sector el Carrizal posee gran necesidad de saneamiento, una forma más eficaz de atacar esta problemática, seria la instalación de (1) biodigestor, el cual la única materia prima que necesita para su funcionamiento, serian las aguas negras.

Una vez establecido los parámetros de diseño se procedió con el cálculo, el primer paso a realizar seria el cálculo del diámetro del biodigestor, a través de las expresiones matemáticas establecidas para el modelo “Chino”, para el Sector el Carrizal, el diámetro seria D = 4.75 mts

Una vez obtenido el diámetro, se procedió a determinar las dimensiones de las tres partes que conforman la estructura, para la cúpula o casquete superior se obtuvo 0.95 mts, para el cilindro o cuerpo de fermentación 2.85mts de alto, y el piso cóncavo 0.59 mts (ver plano Nº7)

Se calcularon los volúmenes, los cuales arrojaron los siguientes resultados, para la cúpula se obtuvo 8.91 m3, para el cilindro o cuerpo de fermentación 50.83 m3, y para piso cóncavo 5.36 m3 (Ver apéndice Nº6)

Después calculados los volúmenes, se procede a determinar las alturas que el material fermentante alcanza en el interior del biodigestor, producto de la acumulación del gas, la cual servirá a su vez para poder calcular la cámara de hidropresion y la altura de alivio para mantener la presión de diseño. La altura del material fermentante cuando la presión es igual a cero (0) es 0.50m y cuando se alcanza la presión de diseño es 0.39m.

La esencia operativa se basa en el 50% del gas que se genera en el día, debe almacenarse en el biodigestor, para poder compensar los picos de demanda que se presentan durante el día. Este 50% de gas fue estimado en 6.32m3biogas/día y el volumen acumulado en el interior fue de 12.96m3biogas. El cual es desalojado a la cámara de hidropresion, la que garantiza presión hidrostática y compensación volumétrica para hacer fluir gas y que no se quede gas almacenado sin utilizarse, ya que cada volumen de gas existente en el cuerpo de la estructura debe tener un equivalente de líquido en la cámara de hidropresion. (Ver apéndice Nº6)

Los resultados obtenidos fueron insertados en una tabla resumen, la cual no solo contempla los resultados para un Biodigestor tipo “Chino” con capacidad de 64.8 m3, sino también se adicionado los resultados para diferentes volúmenes con el objeto de facilitar el cálculo a posibles biodigestores que se pudieran proyectar a futuro. Dicha tabla resumen se encuentra a continuación:

Una vez establecidas las características del biodigestor, es necesario conocer cuales son los pasos a seguir en su proceso constructivo, con la finalidad de garantizar el buen funcionamiento del mismo. 

5.1.7.1 Sistema Constructivo del Biodigestor Modelo Chino

Los pasos a seguir son los siguientes:

 La deforestación de la zona seleccionada para la instalación del Biodigestor
 Excavación a mano o mecanizada bien sea el caso
 Colocación de la maya de piso y de las cabillas de la viga de la unión del cilindro con el piso.
 Vaciado del piso y empotramiento de la primera hilera de bloques en el concreto fresco
 Llenado de la viga de unión del piso con el cilindro
 Colocación de empotramientos de entrada y salida
 Construcción de la pared del cilindro
 Relleno de las hileras de bloques con concreto.
 Vaciado de la viga que unirá el cilindro y la cúpula
 Construcción de la cúpula del biodigestor
 Colocación del relleno hasta la altura de la viga que va en la unión del cilindro con la cúpula
 Construcción de las cámaras de hidropresion y de carga
 Construcción de la corona del biodigestor.
 Construcción del tanque de almacenamiento del abono liquido.
 Frisado de toda la estructura y cámara de hidropresion y descarga, como también el tanque de abono liquido.
 Colocación y enterramiento de la tubería de gas y trampas de agua