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Planta de tratamiento de aguas residuales: criterios de gestión y diseño con software BIM

Gestión y tratamiento de aguas residuales con software BIM para instalaciones MEP

El tratamiento y reutilización de aguas residuales es un desafío indispensable en términos de sostenibilidad ambiental y optimización del uso de los recursos naturales. Gestionar todo el ciclo del agua ciertamente permite devolver al uso un recurso muy valioso que de otra manera se desperdiciaría.

El ciclo del agua comienza con la recolección de aguas residuales; comencemos desde aquí y veamos cómo se tratan y qué herramientas utilizar para diseñar adecuadamente un sistema de drenaje.

¿Qué son las aguas residuales?

En el campo de la ingeniería ambiental y química, las aguas residuales son todas las aguas que, después de su uso, requieren tratamiento para poder ser devueltas al entorno natural o reutilizadas.

Según su origen, se distinguen:

  • aguas residuales domésticas, provenientes de asentamientos residenciales y servicios, derivadas principalmente del metabolismo humano y actividades domésticas (como hoteles, escuelas, oficinas públicas y privadas, instalaciones deportivas y recreativas, tiendas minoristas y mayoristas, y bares). Contienen principalmente celulosa, lípidos, sustancias proteicas, urea, ácido úrico y glúcidos;
  • aguas residuales industriales, cualquier tipo de aguas provenientes de edificios donde se realizan actividades comerciales o de producción de bienes. Las características de estos efluentes varían según el tipo de actividad industrial y se dividen en peligrosos o no peligrosos para el medio ambiente;
  • aguas residuales urbanas, son la mezcla de aguas residuales domésticas, industriales y/o de escorrentía (aguas pluviales, aguas de lavado de calles, etc.) canalizadas en redes de alcantarillado, provenientes de un aglomerado y destinadas al tratamiento en una planta de depuración urbana.
Propiedades de los objetos MEP

Propiedades de los objetos MEP

Características de las aguas residuales

Estas aguas se caracterizan aún más según una serie de parámetros físicos, químicos y biológicos presentes en las aguas residuales.

Los parámetros utilizados para caracterizar un agua residual son:

Físicos

    • temperatura
    • conductividad eléctrica
    • sólidos
    • color
    • olor

Químicos

    • pH
    • alcalinidad
    • demanda de O2: demanda química de oxígeno (DQO), demanda bioquímica de oxígeno (DBO), demanda total de oxígeno (DTO)
    • carbono orgánico total (COT)
    • nitrógeno: amoniacal, orgánico, nitritos, nitratos
    • fósforo: ortofosfatos, polifosfatos, orgánico
    • aceites y grasas
    • aceites minerales
    •  tensoactivos
    • sustancias tóxicas
    • oxígeno disuelto

Biológicos

    • coliformes totales
    • coliformes fecales
    • estreptococos fecales
    • Escherichia coli
    • salmonela.

Tratamiento de aguas residuales

Las actividades sociales, productivas y recreativas, especialmente en entornos urbanos, requieren una cantidad considerable de agua. El uso del agua inevitablemente genera vertidos que deben someterse a tratamiento depurativo antes de devolverlos al medio ambiente. Las aguas residuales urbanas, una vez compuestas principalmente por sustancias biodegradables, presentan hoy desafíos crecientes en su eliminación debido a la amplia presencia de compuestos químicos de origen sintético, especialmente utilizados en la industria.

Los mares, ríos y lagos no pueden soportar un aumento de sustancias contaminantes más allá de su capacidad autodepurativa sin comprometer la calidad del agua y los equilibrios del ecosistema. Por lo tanto, es evidente la necesidad de tratar las aguas residuales a través de sistemas que simulen los procesos biológicos naturales que ocurren en los cuerpos de agua. El tratamiento de los efluentes se intensifica especialmente cuando los cuerpos de agua receptores (mares, ríos, lagos, etc.) están en riesgo de contaminación permanente.

Procesos de depuración mediante tratamientos biológicos

Los procesos de depuración mediante tratamientos biológicos se basan en fenómenos naturales recreados artificialmente, permitiendo el control óptimo de los parámetros que regulan estos procesos. La depuración biológica implica comunidades de organismos vivos, como bacterias, algas y microfauna, que degradan las sustancias contaminantes mediante procesos de mineralización y acumulación en lodo separable del agua mediante sedimentación.

Independientemente del impacto ambiental, la gestión adecuada del ciclo del agua implica el reuso de aguas residuales tratadas como una alternativa para un uso más racional del recurso hídrico. Este enfoque ofrece beneficios sociales y económicos, como la protección de los cuerpos de agua y una gestión adecuada del recurso hídrico. El reuso de aguas residuales puede considerarse una innovación en el uso sostenible de las reservas de agua, proporcionando un suministro de agua a costos más bajos que la eliminación.

Fases del tratamiento de aguas residuales

El tratamiento de aguas residuales es, por lo tanto, un proceso fundamental para eliminar contaminantes e impurezas antes de devolver el agua al medio ambiente o reutilizarla de manera segura y generalmente se divide en tres fases principales de tratamiento:

Primario

  • separación: las aguas residuales pasan por una fase de decantación en grandes tanques para separar las partículas más grandes. Durante este proceso, se forman sedimentos que se depositan en el fondo de los tanques, formando el llamado lodo primario;
  • eliminación de sólidos suspendidos: mediante procesos físicos como la sedimentación, se eliminan los sólidos suspendidos más grandes;

Secundario

  • proceso biológico: las aguas residuales entran en contacto con bacterias y otros microorganismos que descomponen la materia orgánica en sustancias más estables, como dióxido de carbono y agua;
  • aereación: se suministra oxígeno a menudo a las aguas residuales para respaldar la actividad de bacterias aeróbicas que aceleran la descomposición de la materia orgánica;

Terciario

  • eliminación de nutrientes: en algunas situaciones, es necesario eliminar nutrientes adicionales como nitrógeno y fósforo, que pueden causar problemas ambientales como la eutrofización;
  • filtración avanzada: el agua puede pasar por filtros adicionales para eliminar partículas más pequeñas e impurezas residuales;
  • desinfección: para garantizar la seguridad microbiológica, el agua puede someterse a procesos de desinfección, como la adición de cloro o la irradiación con rayos ultravioleta.

Otras consideraciones

Las aguas residuales tratadas se pueden reutilizar en diversas aplicaciones, como irrigación, refrigeración industrial o recarga de acuíferos. Es importante tener en cuenta que el proceso de tratamiento de aguas residuales puede variar según las características de las aguas residuales de entrada, las regulaciones locales y los recursos disponibles.

Además, las instalaciones de tratamiento de aguas residuales pueden tener diferentes tamaños y complejidades según las necesidades de la comunidad o la industria atendida.

De todos modos, el tratamiento de aguas residuales es esencial para preservar la calidad del agua, prevenir la contaminación ambiental y proteger la salud pública.

Proyecto de sistema de drenaje

Por sistema de drenaje se entiende el conjunto de tuberías, accesorios y equipos necesarios para recibir, canalizar y eliminar las aguas usadas provenientes de los aparatos sanitarios de uso doméstico (lavabos, inodoros, duchas, lavadoras, etc.).

Las aguas residuales domésticas se pueden clasificar en:

  • aguas grises: aguas residuales provenientes de lavados (jabonosas);
  • aguas negras: aguas residuales provenientes del metabolismo humano;
  • aguas blancas o pluviales: aguas derivadas de precipitaciones naturales y recogidas por canalones y desagües pluviales.

Las aguas blancas, por lo general, se separan de las aguas residuales domésticas y se canalizan directamente al suelo. Las redes de drenaje deben facilitar una rápida evacuación de las aguas de desecho hacia el sistema de eliminación externo, evitando acumulaciones. Para garantizar esto, es esencial crear las pendientes adecuadas y seleccionar diámetros apropiados para las tuberías. Las tuberías también deben resistir tensiones mecánicas, térmicas y la acción corrosiva de los efluentes. También se recomienda el uso de tuberías y dispositivos con aislamiento acústico para evitar ruidos no deseados.

Existen diferentes tipos de sistemas de drenaje de aguas residuales actualmente en uso. En Europa, la práctica común es dimensionar los ramales de desagüe (conectados a las instalaciones sanitarias) considerando un nivel de llenado del 50%, con conexión a una única columna de desagüe. Esta solución técnica tiene por objeto reducir los niveles de ruido y evitar eficazmente la pérdida de protección del sifón hidráulico.

Componentes de un sistema de drenaje

Dentro de un edificio, un sistema de drenaje está compuesto por los siguientes componentes principales:

  • sifones: es un dispositivo instalado directamente en los aparatos sanitarios con el objetivo de impedir el paso de malos olores mediante la creación de una junta hidráulica;
  • ramificaciones: un conducto, generalmente orientado predominantemente de forma horizontal, que conecta los aparatos sanitarios a una columna o a un colector de drenaje;
  • columna de drenaje: un conducto predominantemente vertical que dirige las aguas residuales procedentes de los aparatos sanitarios hacia el sistema de drenaje;
  • colector de drenaje: un conducto sub-horizontal, instalado a la vista dentro del edificio o enterrado, al cual se conectan las columnas de drenaje o los aparatos sanitarios del piso inferior;
  • columna de ventilación: un conducto predominantemente vertical conectado a una columna de drenaje, cuyo propósito es limitar las variaciones de presión dentro de la misma.

Cálculo y dimensionamiento

Los sistemas de drenaje deben garantizar un correcto flujo de aguas y dirigirlas hacia la red de alcantarillado. Estos sistemas deben asegurar diversas prestaciones, como la rapidez de drenaje, la ausencia de residuos, la estanqueidad hidráulica y de gases, la reposición del aire empujado durante el flujo. Sobre todo, debe garantizar el diámetro adecuado de los conductos que permite la evacuación de los efluentes evitando el llenado de toda la sección.

El diseño de un sistema de drenaje requiere el conocimiento de las cantidades máximas de aguas descargables por los aparatos sanitarios individuales. La normativa generalmente proporciona los criterios para dimensionar las ramificaciones de drenaje, las columnas y los colectores en función de los caudales a descargar en cada tramo del sistema. El dimensionamiento de las ramificaciones de drenaje se basa en un grado de llenado igual a 0,5 con la conexión a una única columna de drenaje.

Además, el método de cálculo, válido para todos los sistemas de drenaje por gravedad para la eliminación de aguas residuales domésticas, prevé el dimensionamiento de los conductos según las unidades y los aparatos sanitarios a servir. El diámetro de los tubos depende del caudal de aguas residuales (Qww) que deben garantizar, expresado en litros por segundo, y se obtiene sumando las «unidades de desagüe» típicas de los aparatos multiplicadas por un coeficiente de frecuencia (K) relacionado con el uso (para viviendas, es igual a 0,5).

Fases del sistema de drenaje

El diseño del sistema de drenaje comprende las siguientes fases:

  • cálculo de la carga total (caudal medio en l/s) en cada ramificación de drenaje, sumando las contribuciones de caudal de cada conexión y considerando la simultaneidad;
  • determinación de la carga total (caudal medio en l/s) en cada columna de drenaje, sumando las contribuciones de caudal de cada conexión y considerando la simultaneidad;
  • cálculo de la carga total (caudal medio l/s) dirigida al colector de drenaje, sumando progresivamente los valores totales de todas las conexiones, de las columnas que confluyen en él y considerando la simultaneidad.

Modelo 3D de <yoastmark class=

Es esencial conocer el caudal medio de descarga (l/s) de los aparatos sanitarios presentes en el edificio, para dimensionar correctamente los conductos del sistema de drenaje.

Capacidad máxima de conductos

La capacidad máxima permitida para los conductos (Qmax) debe corresponder al mínimo permitido, determinado por el valor mayor entre el caudal máximo de aguas residuales calculado (Qwwmax) o el caudal total. Además, se debe considerar el caudal del aparato con la unidad de drenaje (DU) más grande.

El flujo del agua en el sistema se produce por gravedad atmosférica, ya que las aguas residuales descienden por su propio peso. Por lo tanto, todas las ramificaciones no verticales deben inclinarse hacia el efluente. La pendiente de los colectores debe ser lo más uniforme posible y estar comprendida entre los valores del 1% y del 5%, con la pendiente recomendada del 2%, para favorecer la autolimpieza de las tuberías.

Por otro lado, el dimensionamiento de las tuberías debe realizarse cuidadosamente para evitar obstrucciones, emisiones de malos olores hacia los espacios habitables, ruido elevado de drenaje y retorno de espuma. Una sección subdimensionada impide el drenaje, mientras que una sección excesiva favorece la formación de incrustaciones y sedimentos, con una reducción progresiva de sección y posibilidad de obstrucción. Por lo tanto, es fundamental adoptar un diámetro apropiado para asegurar un flujo y drenaje regulares, permitiendo una acción de autolimpieza en las paredes internas de las tuberías.

Herramientas software para el diseño de sistemas de drenaje

Con un software BIM para instalaciones MEP, puedes crear el modelo 3D de la instalación. Este es muy útil en las diferentes fases del activo. En la fase de proyecto, con el modelo 3D, podremos asegurarnos de evitar interferencias con el modelo estructural, arquitectónico y de otras instalaciones (calefacción, gas, eléctrica, etc.). Por otro lado, el modelo 3D también es muy útil en la fase de mantenimiento y gestión del inmueble.

Imagina tener una fuga, tener que reemplazar una tubería existente o tener la necesidad de realizar demoliciones. Para identificar la posición exacta de las tuberías y otros elementos que componen la instalación, tener el modelo 3D del proyecto es de gran ayuda y permite actuar sin problemas y con la máxima seguridad.

Estos son solo algunos de los muchos beneficios del modelado 3D BIM de instalaciones MEP. Para saber más sobre este tema, lee los siguientes artículos:

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