Diseño preliminar de una planta de tratamiento de aguas residuale

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Marcel Orson

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Tratamiento de Aguas Residuales

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Universidad de La Salle Universidad de La Salle
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Ingeniería Civil Facultad de Ingeniería
2021
Diseño preliminar de una planta de tratamiento de aguas Diseño preliminar de una planta de tratamiento de aguas
residuales PTAR en el municipio de Nuevo Colón Boyacá residuales PTAR en el municipio de Nuevo Colón Boyacá
Maria Camila Barrera Peña
Universidad de la Salle, Bogotá, mbarrera77@unisalle.edu.co
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Barrera Peña, M. C. (2021). Diseño preliminar de una planta de tratamiento de aguas residuales PTAR en
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1

DISEÑO PRELIMINAR DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES (PTAR)EN EL MUNICIPIO DE NUEVO COLÓN BOYACÁ

MARIA CAMILA BARRERA PEÑA

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

BOGOTÁ D.C.

2021
2

DISEÑO PRELIMINAR DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES (PTAR)EN EL MUNICIPIO DE NUEVO COLÓN BOYACÁ

MARIA CAMILA BARRERA PEÑA 40151577

Trabajo de grado para optar al título de
Ingeniero Civil

Director Ing. Álvaro Enrique Rodríguez Páez

UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

BOGOTÁ D.C.

2021
3

Nota de aceptación

_________________________________________

_________________________________________
Firma del director

_________________________________________
Firma del jurado

DEDICATORIA

Quiero dedicar este trabajo de grado primeramente a Dios por ejercer sobre mí, su voluntad mas
no la mía cuando muchas veces quise abandonar la carrera, por ser mi guía cuando yo no encontraba
el camino
A mi familia en especial a mi mamá y a mi abuela, a mi mamá Edyt Peña por darme la vida,
apoyarme incondicionalmente como nadie más en cada una de las veces que me he sentido sola y
cometido errores, a mi abuela Dora Cely por ser quien me crio, mi amiga incondicional, confidente y
un ejemplo de lucha y de amor por la vida cuando el cáncer de seno atravesó por la vida de ella y cada
uno de nosotros como familia.
Quiero dedicar esto también a todos aquellos amigos que me dejo la universidad, los cuales me
permitieron crecer como persona y ser humano, para ser quien soy hoy en día, en especial a mis amigos
de tenis de mesa que logramos pasar este deporte de algo como un hobbie a un deporte representativo
que le dio alegrías a la institución
Por último, quiero dedicar esto a cada uno de los compañeros que me cruce en el camino,
realizando trabajos, hablando en clases, compartiendo ideas y/o tertulias, pues gracias a ellos fortalecí
mi carácter y me ayudo a crecer como la persona que soy.
MARIA CAMILA

AGRADECIMIENTOS

Expresamos nuestro agradecimiento a:

El ingeniero Álvaro Enrique Rodríguez Páez por su apoyo incondicional, su paciencia y sus aportes
intelectuales para el desarrollo exitoso de este trabajo de grado.

A mis padres y familiares por su apoyo en el transcurso de nuestra formación como ingeniera civil y
del presente trabajo de grado.

A la jurado Maria Alejandra Caicedo por ayudar a enriquecer este trabajo de grado con sus aportes
y correcciones.

A toda la comunidad de la Universidad de La Salle por habernos acogido durante este período de
formación académica y profesional.

Tabla de contenido
Resumen ...............................................................................................................................................10
Abstract ................................................................................................................................................12
Introducción .........................................................................................................................................14
1. Planteamiento y formulación .........................................................................................................15
2. Justificación ....................................................................................................................................16
3. Objetivos ........................................................................................................................................18
4. Generalidades del municipio .........................................................................................................19
4.1.Ubicación geográfica......................................................................................................................19
4.2.Límites ...........................................................................................................................................19
4.3.Clima .............................................................................................................................................20
4.4.Fuentes hidrográficas ....................................................................................................................20
5. Marco referencial ...........................................................................................................................21
5.1.Marco teórico .................................................................................................................................21
5.2.Marco conceptual ...........................................................................................................................22
5.2.1. Aguas residuales .......................................................................................................................22
5.2.2. Saneamiento básico ..................................................................................................................22
5.2.3. Acueducto ................................................................................................................................22
5.2.4. Alcantarillado ...........................................................................................................................23
5.2.5. Caudal.......................................................................................................................................23
5.2.6. Clarificador...............................................................................................................................24
5.2.7. Coliformes ................................................................................................................................24
5.2.8. Contaminante ...........................................................................................................................24
5.2.9.Desarenador .............................................................................................................................24
5.2.10. Filtración ..................................................................................................................................25
5.2.11. Patógenos .................................................................................................................................25
5.3. Marco legislativo ...........................................................................................................................25
5.3.1. Constitución política ................................................................................................................25
5.3.2. Decreto 2811 de 1974 ..............................................................................................................25
5.3.3. Ley 9 de 1993 ...........................................................................................................................26
5.3.4. Ley 142 de 1994 .......................................................................................................................26
5.3.5. Ley 373 de 1997 .......................................................................................................................26
5.3.6. Ley 9 de 1979 ...........................................................................................................................27
5.3.7. Conpes 3177 de 202 .................................................................................................................27
5.3.8. Decreto 3100 de 2003 ..............................................................................................................27
5.3.9. Resolución 1443 de 2004 .........................................................................................................27
5.3.10. Resolución 0330 de 2017 .........................................................................................................28
5.3.11. RAS 200 ...................................................................................................................................28
5.3.12. Resolución 0631 de 2015 .........................................................................................................28
7

6. Antecedentes ..................................................................................................................................30
7. Etapas del tratamiento de la PTAR ................................................................................................31
7.1.Tratamiento preliminar ..................................................................................................................31
7.1.1. Cribado .....................................................................................................................................31
7.1.2. Desarenador ..............................................................................................................................32
7.2.Tratamiento secundario ..................................................................................................................32
7.2.1. Desbaste ...................................................................................................................................33
7.2.2. Fangos activados ......................................................................................................................33
7.2.3. Camas filtrantes ........................................................................................................................34
7.2.4. Placa rotativas y espirales ........................................................................................................35
7.2.5. Reactor biológico de cama móvil .............................................................................................35
7.2.6. Filtros aireados biológicos .......................................................................................................36
7.2.7. Reactores biológicos de membranas ........................................................................................36
7.2.8. Sedimentación secundaria ........................................................................................................37
8. Metodología ...................................................................................................................................39
8.1.Recolección de información ...........................................................................................................39
8.2.Análisis de datos.............................................................................................................................39
8.3.Diseño hidráulico de la planta ........................................................................................................39
9. Diseño metodológico......................................................................................................................41
9.1.Proyección de la población ............................................................................................................41
9.1.1. Método geométrico ..................................................................................................................42
9.1.2. Periodo de diseño .....................................................................................................................43
9.2.Cálculo de caudales del sistema .....................................................................................................43
9.3.Canal de entrada .............................................................................................................................47
9.4.Pretratamiento ................................................................................................................................48
9.4.1. Diseño de estructuras de cribado ..............................................................................................49
9.4.1.1.Pérdidas de rejillas ...................................................................................................................50
9.4.2. Desarenador ..............................................................................................................................51
9.4.2.1.Consideraciones de diseño .......................................................................................................52
9.5.Tratamiento secundario ..................................................................................................................56
9.5.1. Reactor UASB ..........................................................................................................................56
9.5.2. Sedimentador secundario .........................................................................................................60
10. Conclusiones ..................................................................................................................................63
Bibliografía...........................................................................................................................................65
Anexo A. Manual de operación, mantenimiento y control de la PTAR ..............................................66

Índice de ilustraciones
Ilustración 1. Ubicación geográfica de Nuevo Colón ........................................................................ 19
Ilustración 2. Hidrografía de Nuevo Colón ....................................................................................... 20
Ilustración 3. Rejilla........................................................................................................................... 31
Ilustración 4. Desarenador................................................................................................................... 32
Ilustración5.Desbaste ........................................................................................................................ 33
Ilustración 6. Lodos activados ........................................................................................................... 34
Ilustración 7. Camas filtrantes ........................................................................................................... 35
Ilustración 8. Reactor biológico de cama móvil ................................................................................ 36
Ilustración 9. Reactores biológicos de membranas............................................................................ 37
Ilustración 10. Sedimentador secundario ........................................................................................... 38
Ilustración 11. Esquema de funcionamiento de la PTAR .................................................................. 47
Ilustración 12.Diferentes formas de barrotes de rejillas .................................................................... 50

https://d.docs.live.net/7618eb4bbc1c6ce3/Documentos/TESIS/TESIS%20MARIA%20CAMILA%20BARRERA%20PEÑA.docx#_Toc88066513
9

Índice de tablas
Tabla 1. Estudio estadístico DANE ................................................................................................................... 41
Tabla 2. Dotación neta máxima por altura sobre el nivel del mar ..................................................................... 43
Tabla 3. Proyección de la población del municipio .......................................................................................... 46
Tabla 4. Caudal de diseño ................................................................................................................................. 46
Tabla 5.Canal rectangular.................................................................................................................................. 48
Tabla 6. Parámetro de rejillas ............................................................................................................................ 48
Tabla 7.Coeficiente de pérdida para rejillas ...................................................................................................... 50
Tabla 8. Resultados obtenidos para el diseño de rejilla de 1" ........................................................................... 51
Tabla 9. Especificaciones del material .............................................................................................................. 53
Tabla 10. Número de Hazen .............................................................................................................................. 54
Tabla 11 Cálculo del desarenador ..................................................................................................................... 55
Tabla 12.Velocidades de flujo ascendente para el diseño de reactores UASB ................................................. 57
Tabla 13. Tiempo de retención hidráulica para reactores UASB ...................................................................... 57
Tabla 14. Resultados obtenidos para el diseño de reactor UASB ..................................................................... 58
Tabla 15. Resultados obtenidos para el diseño del GLS ................................................................................... 59
Tabla 16..Parámetros de diseño de sedimentadores secundarios ...................................................................... 60
Tabla 17.Características del sedimentador secundario ...................................................................................... 62

https://d.docs.live.net/7618eb4bbc1c6ce3/Documentos/TESIS/TESIS%20MARIA%20CAMILA%20BARRERA%20PEÑA.docx#_Toc88066803
https://d.docs.live.net/7618eb4bbc1c6ce3/Documentos/TESIS/TESIS%20MARIA%20CAMILA%20BARRERA%20PEÑA.docx#_Toc88066803
10

Resumen
El tratamiento de aguas residuales, es un sistema utilizado para remover contaminantes del agua.
Eventualmente el agua usada se descontamina a través de medios naturales, lo cual requiere mucho
tiempo; en una planta de tratamiento se acelera este proceso. Logrando así reutilizar esta agua en
diversas actividades como la agricultura, la industria y la recreación. Al remover los contaminantes
del agua, de cierta forma, se está defendiéndola del ataque de algunas bacterias y productos químicos.
Existen varios niveles de defensa: pretratamiento, tratamiento primario, secundario y terciario; en el
pretratamiento se encuentran los sistemas de enfriamiento, remoción de solidos flotantes mediante
rejillas, remoción de arenas y grases. En el tratamiento primario el objetivo es reducir principalmente
los sólidos sedimentables, el tratamiento secundario está diseñado para degradar sustancialmente el
contenido biológico del agua residual, el cual deriva los desechos orgánicos provenientes de residuos
humanos, residuos de alimentos, jabones, detergentes y en general residuos de orgánicos de procesos
industriales, el objetivo del tratamiento terciario es aumentar la calidad del afluente al estándar
requerido antes de que este sea descargado al ambiente receptor, se trata de remover nitrógeno o
fósforo del afluente tratado u otros contaminantes difíciles de remover.
En Colombia alrededor del 50% de los municipios cuenta con una planta que ayude a mejorar
las condiciones de los afluentes principales de estos lugares, por lo cual esto es un problema de
calamidad pública que el gobierno debe buscar solucionar, por lo tanto, para el municipio de Nuevo
Colón, Boyacá es necesario realizar la implementación de esta, debido a que en su área urbana y rural
cuentan con pozos de inspección que en su mayoría no están conectados a una red de alcantarillado
adecuado provocando malos olores, zancudos, entre otros tipos de situaciones.
11

De acuerdo con lo anterior, se realizó el planteamiento del tratamiento preliminar donde se
encuentran las rejillas para la remoción de sólidos y el desarenador para la remoción de arena; el
tratamiento primario que se llevara a cabo a través de los reactores UASB que estabilizaran la materia
orgánica inicial y el tratamiento secundario a través de un filtro anaerobio de flujo ascendente junto
con un sedimentador que buscaran sacar la mayor cantidad de impurezas posibles, el tratamiento
terciario no se realizara debido a los costos que estos generan para un municipio de estas
características.
En consecuencia, se plantean las dimensiones de la planta de tratamiento de aguas residuales
(PTAR) a través de una proyección de población a 25 años que será el periodo de diseño de esta, el
cálculo de caudales que correspondan y se transporten en esta, para con ello determinar las
dimensiones adecuadas que cumplan las características fisicoquímicas del agua del municipio.

Abstract
Wastewater treatment is a system used to remove pollutants from the water. Eventually the used water
is decontaminated through natural means, which is time consuming; in a treatment plant this process
is accelerated. This achieving the reuse of this water in various activities such as agriculture, industry
and recreation. By removing pollutants from the water, in a way, you are defending it from attack by
some bacteria and chemicals. There are several levels of defense: pretreatment, primary, secondary
and tertiary treatment; The pretreatment includes cooling systems, removal of floating solids through
grids, removal of sand and grease. In primary treatment, the objective is to mainly reduce sedimentable
solids, secondary treatment is designed to substantially degrade the biological content of wastewater,
which derives organic waste from human waste, food waste, soaps, detergents and ingeneral waste.
of organics from industrial processes, the objective of tertiary treatment is to increase the quality of
the effluent to the required standard before it is discharged to the receiving environment, it involves
removing nitrogen or phosphorus from the treated effluent or other difficult-to-remove pollutants.
In Colombia, around 50% of the municipalities have a plant that helps to improve the conditions of
the main tributaries of these places, which is why this is a problem of public calamity that the
government must seek to solve, therefore, for the municipality of Nuevo Colón, Boyacá, it is necessary
to carry out the implementation of this, because in its urban and rural areas they have inspection wells
that are mostly not connected to an adequate sewage network causing bad odors, mosquitoes, among
other types of situations.
In accordance with the above, the preliminary treatment approach was carried out where the grates for
the removal of solids and the desander for the removal of sand are located; the primary treatment that
will be carried out through the UASB reactors that stabilize the initial organic matter and the secondary
treatment through a secondary flow anaerobic filter together with a settler that will seek to remove as
13

much impurities as possible, the tertiary treatment It will not be carried out due to the costs that these
generate for a municipality of these characteristics.
Consequently, the dimensions of the wastewater treatment plant (WWTP) are proposed through a
population projection at 25 years that will be the design period of this, the calculation of flows that
correspond and are transported in it, to with this, determine the appropriate dimensions that meet the
physicochemical characteristics of the municipality's water

Introducción
Las aguas residuales son un fenómeno que no pueden ser menos preciado y olvidado por parte de
los entes gubernamentales que deben velar por el bienestar de su comunidad ni mucho menos de la
población en general. Por tal motivo, uno de los objetivos del milenio es garantizar la sostenibilidad
del medio ambiente donde los afluentes de agua juegan un papel muy importante para tal fin.
En Colombia, existen entidades y normas que buscan garantizar que este objetivo se cumpla tal
como el ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible que busca definir la política nacional
Ambiental y promover la recuperación, conservación, protección, ordenamiento, manejo, uso y
aprovechamiento de los recursos naturales renovables, a fin de asegurar el desarrollo sostenible y
garantizar el derecho de todos los ciudadanos a gozar y heredar un ambiente sano. A través de esta
entidad, se han legislado resoluciones como la RAS 2000 que fue reemplazada por la resolución 0330
de 2017 donde se reglamentan los requisitos técnicos que se deben cumplir en las etapas de planeación,
diseño, construcción, puesta en marcha, operación, mantenimiento y rehabilitación de la
infraestructura relacionada con los servicios públicos domiciliaros de acueducto, alcantarillado y aseo.
(Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible, 2017)
En la presente investigación se busca diseñar y generar la operación y mantenimiento de lo que
seria la planta de tratamiento de aguas residuales del municipio de Nuevo Colón en el departamento
de Boyacá, ya que este municipio no cuenta con dicho mecanismo que mejore las condiciones de
saneamiento básico para el casco urbano del municipio. El proceso se realizando mediante la obtención
de datos estadísticos, análisis fisicoquímicos del agua del cauce principal y modelamientos
matemáticos que cumplan los lineamientos que exigen las normas en el país.

1. Planteamiento y formulación del problema
En el área urbana del municipio habitan aproximadamente 5000 personas, la cobertura del sistema
de alcantarillado corresponde a un poco más del 18% en la prestación del servicio, sin embargo, los
planes de desarrollo con los que cuenta el municipio no son actuales a los lineamientos planteados por
el gobierno, sumado a esto, la construcción de nuevas edificaciones para poblaciones vulnerables ha
aumentado los caudales de agua al sistema, el municipio no cuenta con la infraestructura para tratar
estas aguas y disponerlas correctamente en los cursos del agua, por lo tanto se está generando una
contaminación a cursos de agua que van aguas abajo a otras poblaciones.
El municipio de Nuevo Colón no cuenta con una planta de tratamiento de agua residual en el casco
urbano, por lo tanto, los vertimientos o entregas de agua residual se hacen directamente a las quebradas
(ya que no hay sistema de alcantarillado), sin ningún tipo de tratamiento, ni control al cuerpo de agua
natural, ocasionando impactos negativos sobre el medio ambiente, problemas de salud y malos olores
en la población, las viviendas y en los terrenos en el área de vertimiento.
La alcaldía del municipio junto con la empresa de servicios públicos de servicios domiciliaros de
Nuevo Colón, han manifestado la disposición para la implementación de este diseño, ya que se poseen
los terrenos para su construcción y la necesidad de realizar los tratamientos correspondientes.

2. Justificación
Las aguas residuales y su tratamiento son un tema de gran importancia, ya que el agua no es abundante
en todas las partes del planeta y hoy el cambio de la temperatura ha provocado sequías y racionamiento
de agua han afectado a todas las poblaciones en los últimos años. Por lo cual se requiere cuidar el agua
e insistir en aplicar un correcto tratamiento de aguas para así contribuir con el cuidado de la misma
Los sistemas de acueducto y alcantarillado deben estar compuestos por elementos que garanticen la
captación de las aguas residuales y aguas lluvias, para ser estas transportadas hacia sistemas de
tratamiento que reduzcan las cargas contaminantes y estas aguas puedan continuar su ciclo hidrológico
hacia otros cursos de agua.
Nuevo Colón a pesar de no ser considerado un municipio con escases de agua, en comparación con
otros municipios del sector es necesario desarrollar una gestión integral de los riesgos a la oferta y
disponibilidad del agua. Por lo cual, se debe predominar la protección del medio ambiente, mediante
el manejo y tratamiento adecuado de las aguas residuales del municipio.
Mediante los diferentes procesos a las que son expuestas las aguas servidas se retienen partículas de
diferentes dimensiones como gravas y arenas, en otros procesos son extraídos los metales y Para el
desarrollo de los objetivos planteados, se establece la realización de una propuesta a través del diseño
hidráulico de la planta de tratamiento de aguas residuales para el casco urbano del municipio de Nuevo
Colón, Boyacá en un tiempo estimado de cuatro meses, la propuesta incluirá la recopilación de
información, del análisis de la DBO (Demanda bioquímica de oxígeno que tiene el agua) generada en
la cabecera municipal de Nuevo Colón y el diseño hidráulico de la planta de tratamiento de aguas
residuales por el método que corresponda.
Las aguas residuales y su tratamiento son un tema de gran importancia, ya que el agua no es abundante
en todas las partes del planeta y hoy el cambio de la temperatura ha provocado sequías y racionamiento
17

de agua han afectado a todas las poblaciones en los últimos años. Por lo cual se requiere cuidar el agua
e insistir en aplicar un correcto tratamiento de aguas para así contribuir con el cuidado de la misma
Los sistemas de acueducto y alcantarillado deben estar compuestos por elementos que garanticen la
captación de las aguas residuales y aguas lluvias, para ser estas transportadas hacia sistemas de
tratamiento que reduzcan las cargas contaminantes y estas aguas puedan continuar su ciclo hidrológico
hacia otros cursos de agua.
Nuevo Colóna pesar de no ser considerado un municipio con escases de agua, en comparación con
otros municipios del sector es necesario desarrollar una gestión integral de los riesgos a la oferta y
disponibilidad del agua. Por lo cual, se debe predominar la protección del medio ambiente, mediante
el manejo y tratamiento adecuado de las aguas residuales del municipio.
Mediante los diferentes procesos a las que son expuestas las aguas servidas se retienen partículas de
diferentes dimensiones como gravas y arenas, en otros procesos son extraídos los metales y diferentes
compuestos químicos y finalmente los diferentes procesos se encargan de descomponer la materia
orgánica y pueden reducirse los sólidos biológicos.
De esta manera y siguiendo los parámetros de diseño en la Resolución 0330 de 2017, se realizarán los
cálculos correspondientes para los diferentes elementos que realizan los procesos de descontaminación
de la planta de tratamiento propuesta para el municipio de Nuevo Colón en Boyacá

3. Objetivos
2.1 Objetivo general

• Diseñar preliminarmente la planta de tratamiento de aguas de residuales (PTAR) para mejorar
la calidad de las fuentes hídricas del municipio de Nuevo Colón en el departamento de Boyacá
2.2 Objetivos específicos

• Recopilar información sobre las características fisicoquímicas de las aguas residuales del
municipio de Nuevo Colón, Boyacá
• Determinar el método pertinente para el tratamiento de las aguas residuales del municipio que
cumpla con las condiciones, características y normatividad correspondientes
• Dimensionar la planta de tratamiento de aguas residuales que cumpla con los parámetros
adecuados

4. Generalidades del Municipio
4.1 Ubicación geográfica
El municipio de Nuevo Colón está situado en el centro occidente del departamento de
Boyacá, pertenece a la provincia de Marquez. Dista a 27,5 Km de Tunja, la capital del
departamento y a 120 Km de Bogotá D.C (Alcaldía de Nuevo Colón, 2021)
Ilustración 1. Ubicación geográfica de Nuevo Colón

Fuente. (Alcaldía de Nuevo Colón, 2021)
4.2 Límites
• Sur: Umbita y Turmequé
• Norte: Ventaquemada, Boyacá y Jenesano
• Oriente: Tibana
• Occidente: Turmequé y Ventaquemada
20

Su extensión total es de 50.59 Km2; extensión urbana de 2.68 Km2, una extensión rural de
47.91 Km2. La altitud de la cabecera municipal de es de 2500 msnm con respecto al casco
urbano
4.3 Clima
Su temperatura media es de 16 °C. El municipio se encuentra en un piso térmico frio y piso
bioclimático de paramo. El territorio de Nuevo Colón, se encuentra en la cordillera oriental en
las estribaciones del altiplano Cundiboyacense, sobre colinas denudacionales conformadas por
materiales y geoformas que originan terrenos quebrados y modelados por las condiciones
locales clima frio (Alcaldía de Nuevo Colón, 2021)
4.4 Fuentes hidrográficas
Ilustración 2. Hidrografía de Nuevo Colón

Fuente. (Corpochivor, 1999)

5. Marco referencial
5.1 Marco teórico
El primer sistema de tratamiento en la humanidad que se utilizó fue anaerobio: pozo séptico.
En 1887 Talbot de Urbana le coloco bafles a dicho pozo. En 1905 Karl Imhoff, ingeniero
alemán separa las dos fases del proceso: sedimentación y digestión
El gran avance fue el proceso de mineralización de lodos en periodos largos de retención,
haciendo más segura e inofensiva la disposición. La primera planta de tratamiento de aguas
residuales en Colombia (Vitelma), fue construida en 1933 en Bogotá
En Colombia a partir del desarrollo industrial y el rápido crecimiento de la población se
vio afectado los cauces naturales y el deterioro de los ecosistemas presentes en ellos,
lamentablemente las industrias no encaminaban su interés en estos problemas
ambientales. Por esta razón el Ministerio de Medio Ambiente y Desarrollo implemento
nuevas normas de vertimientos como la reglamentada en el artículo 28 del decreto 3930
de 2010, actualizada el decreto 1594 de 1984, especialmente para las personas que
realizan actividades industriales, comerciales o de servicios.
Debido a esta situación los municipios comenzaron a desarrollar proyectos de
saneamiento ambiental que se centraron en la construcción de plantas de tratamiento de
agua residuales para mejorar las condiciones de los causes receptores.
Los procesos aplicados para la descontaminación de las aguas dependen de su estado, contexto,
herramientas y el uso esperado de las aguas tratadas. Se pueden asegurar 4 pasos para el
tratamiento secundario y terciario.
22

El pretratamiento tiene dos fases encargadas de la remoción de sólidos de gran tamaño por
medio de rejillas y filtros, extraer estos solidos permite asegurar que las tuberías no se taponen
y que elementos más grandes pueden dañar algunos de los equipos de descontaminación.
5.2 Marco conceptual
5.2.1 Aguas residuales: Son cualquier tipo de agua cuya calidad está afectada negativamente
por la influencia antropogénica. Se trata de agua que no tiene valor inmediato para el fin
para el que se utilizó ni para el propósito para el que se produjo debido a su calidad, cantidad
o al momento en que se dispone de ello. Existen diferentes tipos de aguas residuales según
su origen. Los principales tipos son:
Aguas residuales urbanas: Las aguas residuales domesticas o la mezcla de estas con aguas
residuales industriales o con aguas de escorrentía pluvial (Laura F.Zarza, s.f.)
Aguas residuales domésticas: Las aguas residuales procedentes de zonas de vivienda y de
servicios, generadas principalmente por el metabolismo humano y las actividades
domesticas (Laura F.Zarza, s.f.)
Aguas residuales industriales: Todas las aguas residuales vertidas desde locales
utilizados para cualquier actividad comercial o industrial, que no sean residuales
domesticas ni aguas de escorrentía pluvial (Laura F.Zarza, s.f.)
5.2.2 Saneamiento básico: Es el conjunto de técnicas que permite eliminar higiénicamente
residuos sólidos, excretos y aguas residuales, para tener un ambiente limpio y sano
(Subdirección de salud ambiental, 2015)
5.2.3 Acueducto: Conjunto de obras, equipos y materiales utilizados para la captación, aducción,
tratamiento y distribución del agua potable para consumo humano (emserchía. Empresa de
servicios públicos de Chía)
23

5.2.4 Alcantarillado: Conjunto de obras para la recolección, conducción y disposición final de
las aguas residuales o de las aguas lluvias. Existen cuatro tipos de alcantarillados, los cuales
son:
Alcantarillado de aguas combinadas: Sistema compuesto por todas las instalaciones
destinadas a la recolección y transporte, tanto de las aguas residuales como de las aguas
lluvias (emserchía. Empresa de servicios públicos de Chía)
Alcantarillado de aguas lluvias: Sistema compuesto por todas las instalaciones destinadas
a la recolección y transporte de las aguas lluvias (emserchía. Empresa de servicios públicos
de Chía)
Alcantarillado de aguas residuales: Sistema compuesto por todas las instalaciones
destinadas a la recolección y transporte de las aguas residuales domésticas y/o industriales
(emserchía. Empresa de servicios públicos de Chía)
Alcantarillado separado: Sistema construido por un alcantarillado de aguas residuales y
otro de aguas lluvias que recolectan en forma independiente en un mismo sector
(emserchía. Empresa de servicios públicos de Chía)
5.2.5 Caudal: Es el volumen de agua que pasa por una unidad de tiempo. Referido a un medidor,
es el cociente obtenido entre el volumen de agua que circula a través de un medidor de agua
y el tiempo que le toma hacerlo. Existe varios tipos y/o variables de caudal
Caudal de diseño: Caudal estimado con el cual se diseñan los equipos, dispositivos y
estructuras de un sistema determinado (emserchía. Empresa de servicios públicos de Chía)
Caudal de incendio: Parte del caudal en una red de distribucióndestinado a combatir los
incendios (emserchía. Empresa de servicios públicos de Chía)
24

Caudal máximo diario: Consumo máximo durante una hora, observado en un periodo de
un año, sin tener en cuenta las demandas contra incendio que se hayan presentado
(emserchía. Empresa de servicios públicos de Chía)
Caudal máximo horario: Consumo máximo durante una hora, observado en un periodo
de un año, sin tener en cuenta las demandas contra incendio que se hayan presentado
(emserchía. Empresa de servicios públicos de Chía)
Caudal medio diario: Consumo medio durante veinticuatro horas, obtenido como el
promedio de los consumos diarios en un periodo de un año (emserchía. Empresa de
servicios públicos de Chía)
5.2.6 Clarificador: Tanque de sedimentación rectangular o circular usado para remover solidos
sedimentables del agua residual (emserchía. Empresa de servicios públicos de Chía)
5.2.7 Coliformes: Bacterias gram negativas de formas alargadas capaces de fermentar lactosa
con producción de gas a la temperatura de 35 o 37° C. Se utilizan como indicadores de
contaminación biológica (emserchía. Empresa de servicios públicos de Chía)
5.2.8 Contaminante: Toda materia o energía en cualquiera de sus estados o formas, que al
incorporarse o actuar en la atmosfera agua, suelo, flora o fauna, o cualquier elemento
ambiental, altere o modifique su composición natural y degrade su calidad (emserchía.
Empresa de servicios públicos de Chía)
5.2.9 Desarenador: Componente destinado a la remoción de las arenas y solidos que están en
suspensión en el agua, mediante un proceso de sedimentación mecánica (emserchía.
Empresa de servicios públicos de Chía)
25

5.2.10 Filtración: Proceso mediante el cual se remueve las partículas suspendidas y coloidales
del agua al hacerlas pasar a través de un medio poroso (emserchía. Empresa de servicios
públicos de Chía)
5.2.11 Patógenos: Microorganismos que pueden causar enfermedades en otros organismos, ya
sea en humanos, animales y plantas (emserchía. Empresa de servicios públicos de Chía)

5.3 Marco legislativo
5.3.1 Constitución política
Artículo 79 Todas las personas tienen derecho a gozar de un ambiente sano. La ley
garantizara la participación de la comunidad en las decisiones que puedan afectarlo. Es
deber del Estado proteger la diversidad e integridad del ambiente, conservarlas áreas de
especial importancia ecológica y fomentar la educación para el logro de estos fines
(Congreso de la república de Colombia, 1991)
Artículo 366 El bienestar general y el mejoramiento de la calidad de vida de la población
son finalidades sociales del Estado. Será objetivo fundamental de su actividad la solución
de las necesidades insatisfechas de salud, de educación, de saneamiento ambiental y de
agua potable. (Congreso de la república de Colombia, 1991)
5.3.2 Decreto 2811 de 1974
En este decreto es dictado por el Código Nacional de Recursos Naturales Renovables y de
Protección al Medio Ambiente. El ambiente es patrimonio común. El Estado y los
particulares deben participar en su preservación y manejo, que son de utilidad pública e
interés social. La preservación y manejo de los recursos naturales renovables también son
de utilidad pública e interés social. (Decreto 2811 del 18 de Diciembre de 1974, 1974)
26

5.3.3 Ley 9 de 1993
Por la cual se crea el ministerio del medio ambiente, se reordena el sector público encargado
de la gestión y conservación del medio ambiente y los recursos naturales renovables, se
organiza el sistema nacional ambiental- SINA y se dictan otras disposiciones. (Congreso
de la república de Colombia, 1993)
5.3.4 Ley 142 de 1994
Artículo 5 Competencia de los municipios en cuanto a la prestación de los servicios
públicos. Es competencia de los municipios en relación con los servicios públicos que
ejercen en los términos de la ley, y de los reglamentos que con sujeción a ella expidan los
consejos. (Ministeria de Energía Nacional, 1994)
5.3.5 Ley 373 de 1997
Artículo 1 Programa para el uso eficiente y ahorro del agua. Todo plan ambiental regional
y municipal debe incorporar obligatoriamente un programa para el uso eficiente y ahorro
del agua. Se entiende por programa para uso eficiente y ahorro del agua el conjunto de
proyectos y acciones que deben elaborar y adoptar las entidades encargadas de la prestación
de los servicios de acueducto, alcantarillado, riego y drenaje, producción hidroeléctrica y
demás usuarios del recurso hídrico. Las corporaciones autónomas regionales y demás
autoridades ambientales encargadas del manejo, protección y control del recurso hídrico en
su respectiva jurisdicción, aprobaran la implantación y ejecución de dichos programas en
coordinación con otras corporaciones autónomas que compartan las fuentes que abastecen
los diferentes usos. (Ministerio de ambiente y desarrollo económico, 1997)

5.3.6 Ley 9 de 1979
Conocida como Código Sanitario Nacional. Establece los procedimientos y las medidas
para llevar a cabo la regulación y control de los vertimientos. (Ministerio de salud y
protección social, 1979)
5.3.7 Conpes 3177 de 2002
Establece los lineamientos para formular el plan nacional de manejo de aguas residuales.
Con el objetivo de mejorar la calidad del recurso hídrico de la Nación. Busca promover la
descontaminación y mejorar las inversiones y las fuentes de financiación y revisar y ajustar
la implementación de la tasa retributiva por contaminación hídrica.
5.3.8 Decreto 3100 de 2003
Reglamenta los artículos 42 y 43 de la Ley 99 de 1993, respecto a la implementación de
tasas retributivas por vertimientos líquidos puntuales a un cuerpo de agua. La tasa
retributiva consiste en un cobro por la utilización directa o indirecta de las fuentes de agua
como receptoras de vertimientos puntuales y por sus consecuencias nocivas para el medio
ambiente. El Decreto establece el Plan de Saneamiento y Manejo de Vertimientos. La
resolución 372 de 1998 establece el monto de las tasas mínimas para Demanda Biológica
de Oxígeno (DBO) y Sólidos Suspendidos Totales (SST). (Ministerio del medio ambiente
y desarrollo económico, 2002)
5.3.9 Resolución 1433 de 2004
Por la cual de reglamenta el artículo 12 del decreto 3100 de 2003, sobre los planes de
saneamiento y manejo de vertimientos. Se establece la definición de los PSMV, los actores
involucrados, información que se debe presentar y se dictan las medidas preventivas y
sancionatorias.
28

5.3.10 Resolución 0330 de 2017
Por la cual se adopta el reglamento técnico para el sector de agua potable y saneamiento
básico- RAS y se derogan las resoluciones 1096 de 200, 0424 de 2001, 0668 de 2003, 1459
de 2005, 1447 de 2005 y 2320 de 2009. (Ministerio de vivienda, ciudad y territorio, 2017)
5.3.11 RAS 2000
Título E Fija los criterios básicos y requisitos mínimos que deben reunir los diferentes
procesos involucrados en la conceptualización, el diseño, la construcción, la supervisión
técnica, la puesta en marcha, la operación y el mantenimiento de los sistemas de tratamiento
de aguas residuales que se desarrollen en la República de Colombia, con el fin de garantizar
su seguridad, durabilidad, funcionalidad, calidad, eficiencia, sostenibilidad y redundancia
dentro de un nivel de complejidad determinado. (Ministerio de desarrollo económico,
2000)
5.3.12 Resolución 0631 de 2015
Por lo cual se establecen los parámetros y los valores límites máximos permisibles en los
vertimientos puntuales a cuerpos de agua superficiales y a los sistemas de alcantarillado
público y se dictan otras disposiciones

6. Antecedentes
Desde tiempos atrás algunas culturas tanto orientales como occidentales, empleaban el
agua de fuentes aledañas al lugar de su asentamiento, quienes después de su utilización
la reingresaban de diversas formas a la misma fuente, dejando a la naturaleza a cargode
la depuración del líquido. Mientras la población no fuera excesiva, el agua se diluía sin
mayor problema y los pobladores de aguas abajo podían usarla con mínimo riesgo. La
gravedad se fue presentando a través del tiempo debido a que fue aumentando la
población que devolvían aguas altamente contaminadas y la naturaleza no tiene
capacidad para depurarlas.
El tratamiento de las aguas residuales nace en la necesidad de eliminar toda aquella
sustancia o componente que pueda producir daños al medio ambiente y riesgos para la
salud humana. “Su utilización comienza a finales del año 1800 y principios del actual
siglo y coincide con la época de la higiene”. (CISNEROS JIMÉNEZ, 2008)
A fin de evitar estos problemas se idearon y llevaron a la práctica nuevos métodos de
tratamiento intensivo. De este modo, “se estudió la precipitación química, digestión de fangos,
filtración intermitente en arena, filtración en lechos de contacto y finalmente en 1916 se creó la
primera planta tratamiento municipal de agua residual en Estados Unidos”. (CISNEROS
JIMÉNEZ, 2008)
La construcción de sistemas de tratamientos de aguas en Colombia es una práctica
relativamente reciente. Colombia trata el 10% de las aguas residuales a pesar de contar
con una capacidad instalada que alcanzaría el 20% (EL ESPECTADOR, 2016). Según
30

un estudio de UNICEF, menos de la cuarta parte de los municipios de 21 departamentos
analizados cuentan con una planta de tratamiento de aguas residuales. (ENDESA,
2015).
En la actualidad la zona de estudio específico del tratamiento de agua residual
corresponde al casco urbano perteneciente al Municipio de Nuevo Colón, el cual cuenta
con una cobertura en el sistema de alcantarillado de aguas residuales del 20%
aproximadamente, donde el manejo de aguas residuales en las zonas urbanas se realizaba
mediante pozos sépticos artesanales, y hoy en día el servicio público de alcantarillado
cuenta con un nivel bajo, debido a que mantiene una cobertura parcial de los domicilios
de la población objetivo, esperando que este número siga creciendo (Alcaldía de Nuevo
Colón, 2021)
Diariamente las actividades socioeconómicas descargan a los cuerpos de agua,
sustancias de características diversas como residuos sólidos, material orgánico,
compuestos químicos, metales y material vegetal, entre otros. Cuyas principales fuentes
de degradación son las actividades domésticas, industriales y agropecuarias, las cuales
han originado a través de los años afectaciones en los sistemas hidrobiológicos y
alteración en la calidad del agua.

http://www.unicef.org.co/pdf/Agua3.pdf
31

7. Etapas del tratamiento de la PTAR
7.1 Tratamiento preliminar
Los tratamientos preliminares habitualmente son físicos e implican la reducción de sólidos
en suspensión y el acondicionamiento de las aguas residuales para los posteriores procesos
de tratabilidad Los tratamientos preliminares fundamentales en un sistema de tratamiento de
aguas residuales, son
7.1.1 Cribado
El cribado es la operación utilizada para separar el material grueso del agua, mediante el paso
de ella por una criba o rejilla. El sistema de rejilla es el sistema más utilizado para remover
el material contaminante grueso como basuras, de acuerdo con el método de limpieza, las
rejillas son de limpieza manual o mecánica. (ROMERO, 2002)
Ilustración 3. Rejilla

Fuente. (UNAD,2016)

7.1.2 Desarenador
Esta estructura tiene como objetivo eliminar mediante la sedimentación las arenas, gravas,
barro, las partículas más o menos finas de origen inorgánico de manera que la arena retenida
no arrastre materias contaminadas, presentes en el agua captada, con el fin de evitar que se
produzcan sedimentaciones en los canales y conductos, para proteger las partes móviles de
los equipos contra la abrasión y evitar sobrecarga de sólidos en las unidades de tratamiento
bilógico.
Ilustración 4. Desarenador

Fuente. (Acueducto, Agua y Alcantarillado de Bogotá, 2016)
7.2 Tratamiento secundario
Método de tratamiento mediante los cuales consiguen la remoción de contaminantes por
actividad biológica, El tratamiento secundario se aplica cuando se desea eliminar las
sustancias orgánicas biodegradables disueltas o en suspensión. El tratamiento
secundario también es efectivo en la remoción de nitrógeno.

7.2.1 Desbaste
Consiste en la retención de los sólidos gruesos del agua residual a través de una reja, manual
o autolimpiable, o un tamiz, habitualmente de menor paso o luz de malla. Esta operación
produce una reducción de la carga contaminante a la entrada, lo cual permite la preservación
de equipos tales como conducciones, bombas y válvulas, en contraparte de los depósitos y
obstrucciones provocadas, por los sólidos que por lo general pueden ser muy fibrosos.
Ilustración 5.Desbaste

Fuente. (Fibras y Normas de Colombia S.A.S, s.f)
7.2.2 Fangos activados
Las plantas de fangos activos o lodos activos como también se le denomina a este proceso aerobio
de biomasa suspendida, utilizan diversos mecanismos para hacer uso de oxígeno disuelto y
promover el crecimiento de organismos biológicos que remueven substancialmente materia
orgánica como también pueden atrapar partículas de material. Esta fase pone en contacto el agua
residual con flóculos biológicos previamente formados, en los que se absorbe la materia orgánica
34

y donde es degradada por las bacterias presentes, manteniendo una determinada concentración de
organismos aerobios, todo esto es llevado a cabo en una balsa aireada o tanque de aireación.
Ilustración 6. Lodos activados

Fuente. (Fibras y Normas de Colombia S.A.S, s.f)
7.2.3 Camas filtrantes
Las camas filtrantes de goteo son aquellas en las que las aguas residuales son rociadas en la
superficie de una profunda cama compuesta de carbón, piedra caliza o fabricada especialmente
de medios plásticos, los cuales deben contener altas superficies para soportar las biopelículas que
se forman.
Su uso en el tratamiento de aguas residuales se desarrolla en plantas más antiguas o plantas
receptoras de cargas variables, suscitándose, una distribución del agua mediante unos brazos
perforados rotativos que irradian de un pivote central, tal contenido hídrico gotea en la cama y es
35

recogido por los drenes en la base, los cuales también proporcionan un recurso de aire que se
infiltra hacia arriba de la cama, manteniendo un medio aerobio. Las películas biológicas de
bacterias, protozoarios y hongos se forman en la superficie del medio, reduciendo o comiéndose
los contenidos orgánicos
Ilustración 7. Camas filtrantes

Fuente. (Fibras y Normas de Colombia S.A.S, s.f)
7.2.4 Placas rotativas y espirales
Son usadas las placas o espirales de revolución lenta para el sumergimiento parcial en las
aguas, creando un floculo biótico que proporciona el substrato requerido.
7.2.5 Reactor biológico de cama móvil
El MBBR según sus siglas en Ingles, asume la adición de medios inertes en vasijas de fangos
activos existentes para proveer sitios activos, con la intención de reunir la biomasa, manteniendo
una alta densidad de la población de biomasa e incrementando la eficiencia del sistema sin la
necesidad de incrementar la concentración de licor mezclado de sólidos.
36

Este proceso tecnológico emplea a millones de portadores del biofilm de polietileno, el cual
funciona con un movimiento de aire mezclado dentro de un lavado aireado del tratamiento de aguas
residuales.
Ilustración 8. Reactor biológico de cama móvil

Fuente. (Fibras y Normas de Colombia S.A.S, s.f)
7.2.6 Filtros aireados biológicos
Los filtros anóxicos biológicos combinan la filtración con una reducción biológica de
carbono, nitrificación o desnitrificación, incluyendo usualmente un reactor lleno de medios
de un filtro. La finalidad de este medio es el alto soporte de la biomasa activaque se une a
él y a los sólidos suspendidos en el filtro.
La reducción del carbón como la conversión de amoniaco ocurre en medio aerobio y alguna
vez alcanzado en un solo reactor, mientras la conversión del nitrato ocurre en una manera
anóxica.
7.2.7 Reactores biológicos de membranas
Es aquel sistema con una barrera de membrana semipermeable o en conjunto con un proceso
de fangos; este se compone en 2 partes integradas unilateralmente siendo, por un lado, el
37

reactor biológico responsable de la depuración biológica y por el otro lado, la separación
física de la biomasa y el agua a través de un sistema de filtración por membrana.
Su aplicación en el proceso de tratamiento de aguas residuales es diversa, destacando que
esta tecnología garantiza la remoción de todos los contaminantes suspendidos y sólidos
disueltos.
También permite la eliminación de la demanda química de oxígeno coloidal, ya que al no
atravesar la membrana tiene un tiempo de contacto mayor con la biomasa.
Asimismo, los sistemas MBR de las elevadas concentraciones de biomasa con las que se
trabaja en el reactor biológico como consecuencia de la presencia de una barrera física
(membrana) que no deja escapar las bacterias, lo cual permite un control perfecto sobre la
edad del fango y los parámetros principales de operación del sistema.
Ilustración 9. Reactores biológicos de membranas

Fuente. (Fibras y Normas de Colombia S.A.S, s.f)
7.2.8 Sedimentación secundaria
Se constituye como el paso final de la etapa secundaria del proceso de tratamiento de aguas
38

residuales, donde son retirados los flóculos biológicos del material de filtro, produciendo
agua tratada con bajos niveles de materia orgánica y materia suspendida.
Ilustración 10. Sedimentador secundario

Fuente. (Fibras y Normas de Colombia S.A.S, s.f)

8. Metodología
8.1 Recolección de información.
Se inició la investigación con visitas realizadas al municipio de Vélez a las oficinas de la
Alcaldía, Planeación Municipal, Empresa de Servicios públicos Domiciliarios de Nuevo
Colón y en la corporación autónoma regional de Chivor CORPOCHIVOR para obtener
información preliminar, de la cual se extrajeron, algunos datos del Plan de Desarrollo
Municipal, el Plan Maestro de Acueducto y Alcantarillado y análisis físico – químico de
los vertimientos del municipio de Nuevo Colón.
8.2 Análisis de datos.
Conocida la información preliminar, el análisis de datos se inicia con el análisis de los
antecedentes y justificación. Se continua, con una caracterización general del municipio,
luego una descripción muy general de la zona de estudio, y con el análisis físico químicos
obtenidos de calidad del agua esperados posteriormente, se describen aspectos de la
estructura de tratamiento a diseñar y luego se exponen las consideraciones teóricas de
algunos autores.
8.3 Diseño hidráulico de la planta.
La información existente brindada por el municipio, permitió, conocer la población a
servir, los aportes de agua residual y cargas más representativas, que, para este estudio, se
tomaron como esenciales los parámetros de reducción DBO y SST.
Para el diseño se empleó la metodología del reglamento de la comisión reguladora de
saneamiento y agua potable RAS 2000 a través de la resolución 0330 de 2017, donde se
aplicaran los dos tipos de tratamientos que son tratamiento primario (asentamiento de
sólidos) y tratamiento secundario (tratamiento biológico de sólidos flotantes y
40

sedimentables), donde la selección para cada etapa de tratamiento dependió de las
necesidades, características de la zona y costos óptimos para su realización, operación y
mantenimiento. Una vez desarrollado el tipo de tratamiento a implementar se procedió a la
realización de los cálculos pertinentes, los planos de diseño hidráulico de los componentes
de la planta de tratamiento y finalmente se realizo el manual de operación y
mantenimiento.

9. Diseño metodológico
9.1 Proyección de la población
Una proyección de la población es un cálculo que refiere el crecimiento aproximado previsto en
el número de habitantes de un lugar para un año futuro dado.
Con base en el anuario estadístico DANE, se presenta una tasa de crecimiento considerando que
el casco urbano se encuentra con vías de comunicación, planes de desarrollo rural, aumentos
graduales de la población y el asentamiento de nuevas viviendas en la zona, de modo que atienda
las necesidades de la comunidad durante un determinado período de diseño, en el cual el sistema
sea eficiente el 100%
Para calcular la capacidad de tratamiento de la PTAR del municipio de Nuevo Colón, se
empleará la cifra de población futura de la cabecera municipal para el año 2018, reportada por
el departamento administrativo nacional de estadística – DANE.
Tabla 1. Estudio estadístico DANE
Población Censo DANE
Municipio
Año Habitantes
1993 5557
2005 5967
2018 6025
Fuente (DANE, 2021)
La estimación de la población es el aspecto principal para la determinación del nivel complejidad.
El titulo B del reglamento técnico del sector de saneamiento básico y agua potable RAS 2000,
capitulo B.2. Población dotación y demanda, establece que esa dotación debe corresponder a la
proyectada al final del periodo de diseño.

9.1.1 Método geométrico
Este método es útil en poblaciones que muestran una actividad económica Importante. El
crecimiento geométrico es geométrico si el aumento de la población es proporcional al tamaño
de la misma; la ecuación empleada es: (DIRECCION GENERAL DE AGUA POTABLE Y
SANEAMIENTO BASICO, 2000)

Donde
Pf: población futura para el tiempo estimado en el diseño.
Puc: población del último año censado.
Pci: población correspondiente al año inicial
Tuc: año correspondiente al último censo.
Tci: año correspondiente al censo inicial
Tf: año para el cual se quiere proyectar.
La tasa de crecimiento anual se calcula de la siguiente manera

9.1.2 Periodo de diseño. El periodo de diseño fija las condiciones básicas del proyecto como
la capacidad del diseño a atender la demanda futura, la densidad actual y la durabilidad
de los materiales, equipos empleados y operación de la planta, este periodo depende la
tasa de crecimiento de la población del comercio y la industria.
• Periodo de diseño: 25 años

9.1.3 Dotación. Debido a que el acueducto no cuenta con registros históricos de consumo en
la región, para lo cual nos basamos en el Reglamento Técnico del Sector de Agua
Potable y Saneamiento Básico.
• Dotación neta. La dotación neta corresponde a la cantidad mínima de agua
requerida para satisfacer las necesidades básicas de un habitante, sin
considerar las pérdidas que ocurran en el sistema de acueducto.
Tabla 2. Dotación neta máxima por altura sobre el nivel del mar
Altura promedio sobre
el nivel del mar de la
zona atendida.
Dotación neta máxima
(L/HAB*DIA)
>2000 m.s.n.m 120
1000 – 2000 m.s.n.m 130
< 1000 m.s.n.m 140
Fuente. (Ministerio de vivienda, ciudad y territorio, 2017)
Teniendo en cuenta que el municipio de Nuevo Colón se ubica aproximadamente a los 2500 m.s.n.m,
la dotación neta para el presente diseño corresponde a 120 l/hab*día.
9.2 Cálculo de caudales del sistema
Para determinar los caudales del sistema s seguirán los procedimientos indicados en la Resolución
0330 de 2017 y los textos bibliográficos de consulta que se especifiquen.
• Aguas residuales domesticas (QD)
Debido a que el municipio no cuenta con una proyección de demanda de agua potable, se
determinara el caudal de aguas residuales domesticas mediante la siguiente ecuación
44

𝑄𝐷 =
𝐶𝑅 ∗ 𝑃 ∗ 𝑑𝑛𝑒𝑡𝑎
86400

Donde:
CR: coeficiente de retorno, ya que no hay datos de campo se asume como 0.85.
P: población proyectada para elperiodo de diseño.
Las contribuciones de caudales por aguas comerciales, industriales e institucionales deberán
analizarse particularmente, por lo tanto, se analizarán con respecto a las áreas aferentes que existan
en el sistema
• Caudal medio diario (QMD)
Se determinará por medio de la próxima ecuación
𝑄𝑀𝐷 = 𝑄𝐷 + 𝑄𝐶 + 𝑄𝐼 + 𝑄𝐼𝑁

Donde:
QC: caudal por aguas residuales comerciales, por norma se asume 0.4 L/s*Ha. Se deberá multiplicar
este valor por las áreas aferentes al sistema de alcantarillado, mediante los cálculos realizados se
obtuvo como valor de áreas aferentes 0.4 Ha.
QI: caudal por aguas residuales institucionales, por norma se asume 0.4 L/s*Ha. Se deberá
multiplicar este valor por las áreas aferentes al sistema de alcantarillado, mediante los cálculos
realizados se obtuvo como valor de áreas aferentes 1.5 Ha.
• Caudal máximo horario (QMH)
Se determinan con los valores obtenidos de QMD y mediante la ecuación
𝑄𝑀𝐻 = 𝐹 ∗ 𝑄𝑀𝐷
45

Donde:
F: factor de mayoración que se obtiene mediante la ecuación siguiente.

𝐹 =
3.70
𝑄𝑀𝐷0.073

• Caudal de infiltración (QINF)
De acuerdo con las condiciones del terreno se podrá utilizar un valor entre 0.1 y 0.3 L/s*ha; por la
consulta realizada se identificó que el suelo es arcilloso y por tanto de baja permeabilidad, la
topografía consiste en una gran área con pendientes medias por lo tanto el valor a asumir como
caudal de infiltración es de QINF =0.1 L/s*ha. Se deberá multiplicar este valor por las áreas
aferentes al sistema de alcantarillado, mediante los cálculos realizados se obtuvo como valor de
áreas aferentes 3.2 Ha.
• Caudal por conexiones erradas (QCE)
Deberá ser determinado mediante datos históricos del lugar de estudio o en su defecto tomar como
valor de caudal por conexiones erradas QCE = 0.1 L/ s*ha. Se deberá multiplicar este valor por las
áreas aferentes al sistema de alcantarillado, mediante los cálculos realizados se obtuvo como valor
de áreas aferentes 3.2 Ha.
• Caudal de diseño (QDT)
Sera determinado mediante la ecuación presentada, el resultado de este deberá ser un caudal no
menor a 1.5 L/s, en caso de obtener un valor inferior al mencionado se deberá tomar como QDT el
valor 1.5 L/s.
46

𝑄𝐷𝑇 = 𝑄𝑀𝐻 + 𝑄𝐼𝑁 + 𝑄𝐶𝐸

Tabla 3. Proyección de la población del municipio
AÑO Pf (Hab)
2022 6593
2024 6679
2026 6767
2028 6856
2030 6946
2032 7037
2034 7129
2036 7222
2038 7317
2040 7413
2042 7510
2044 7608
2046 7708
2047 7733

Fuente. Autora
Tabla 4. Caudal de diseño
DESCRIPCIÓN VALOR UNIDAD
Coeficiente de retorno (CR) 0,85 -
Población proyectada (P) 7893,00 -
Dotación Neta (Dneta) 120,00 L/hab*día
Caudal comercial (Qc) 0,16 L/s
Caudal institucional (Qi) 0,60 L/s
Caudal de infiltración (Qin) 0,32 L/s
Caudal conexiones erradas (Qce) 0,32 L/s
Caudal aguas residuales domesticas (Qd) 9,32 L/s
Caudal medio diario (QMD) 10,40 L/s
Factor de mayoración (F) 3,12 -
Caudal máximo horario (QMH) 32,41 L/s
Caudal de diseño (Qdt) 33,05 L/s

Fuente. Autora

Ilustración 11. Esquema de funcionamiento de la PTAR

Fuente. Autora
9.3 Canal de entrada
El canal de acceso o, de entrada, es la estructura en la cual descarga la tubería del colector de
conducción en la planta. Se propone un canal a cielo abierto y con sección rectangular. La
longitud del canal de acceso no necesariamente habrá de ser calculada, pero habrá de ser
suficiente para dar cabida a la basura que se aglomere en las rejillas.
Inicialmente se inicia el cálculo de la altura de la lámina de agua en el canal de Entrada
empleando la ecuación de Manning.
𝑄 =
𝑅2/3 ∗ 𝑠
1
2 ∗ 𝐴
𝑛

Donde
Q= Caudal de diseño, en m3/s R=
Radio hidráulico, en m
S= Pendiente del fondo del canal, en m/m
n= Coeficiente de rugosidad
A= Área del canal, en m2
Afluente Canal de
entrada
Rejillas Desarenador Reactor
UASB
Filtro
anaerobio
Sedimentador
Tratamiento preliminar

Tratamiento secundario
48

Tabla 5.Canal rectangular
DESCRIPCIÓN VALOR UNIDAD
Caudal 33,045 l/s
Caudal 0,033 m3/s
Manning 0,0014 -
Pendiente 0,001 %
Área 0,18 m2
Ancho del canal (b) 0,6 m
Altura lámina de agua (m) 0,3 m
Borde libre 0,15 m
Perímetro mojado 1,2 m
Radio hidráulico 0,15 m

Fuente. Autora
9.4 Pretratamiento
9.4.1 Diseño de estructura de cribado
Deben ubicarse aguas arriba del sistema para que este obstruya el paso de solidos de gran tamaño
que puedan afectar el funcionamiento del sistema. Las rejillas diseñadas para la planta son de
limpieza manual
Tabla 6. Parámetro de rejillas
Características De limpieza manual De limpieza mecánica
Ancho de las barras 0,5 – 1,5 cm 0,5 – 1,5 cm
Profundidad de las
barras
2,5 -7,5 cm 2,5 -7,5 cm
Abertura o
espaciamiento
2,5 – 5 cm 1,5 – 7,5 cm
Pendiente con la vertical 30º - 45º 0º -30º
Velocidad de
acercamiento
0,3 – 0,6 m/s 0,6 – 1 m/s
Perdida de energía
permisible
15 cm 15 cm
Fuente. (ROMERO, 2002)
49

9.4.1.1 Perdidas en rejillas La pérdida de energía a través de la rejilla es función de la
forma de las barras y de la altura o energía de velocidad del flujo entre las barras.
Según la ecuación de Kirchner, encontrada en la norma RAS 2000 título B, la perdida de
energía en una rejilla será:

𝐻 = 𝛽 (
𝑤
𝑏
)
4
3
ℎ𝑣 sin 𝜃
Donde
• H: perdida de energía. (m)
• β: factor de forma de las barras.
• W: ancho máximo de la sección transversal de las barras, en la dirección
del flujo (m).
• b: espaciamiento o separación mínima entre barras (m).
• hv: altura o energía de velocidad del flujo de aproximación (m).
• θ: ángulo de la rejilla con la horizontal (º)

Fuente. (DIRECCION GENERAL DE AGUA POTABLE Y SANEAMIENTO BASICO, 2000)
Tabla 7.Coeficiente de pérdida para rejillas

Fuente. (DIRECCION GENERAL DE AGUA POTABLE Y SANEAMIENTO BASICO,
2000)
La forma de las barras a implementar será circulares donde el coeficiente de perdida β es de 1,79,
ver tabla 13
Altura o energía de velocidad del flujo de aproximación hv se calculó con la siguiente formula
ℎ𝑣 =
𝑣2
2 ∗ 𝑔

Para hallar la altura H se le dio un valor de 0.4 m de longitud de la rejilla. El diámetro utilizado para
el diseño es de 1”
La rejilla será la encargada de retener aquellos solidos de gran tamaño como ramas o rocas que sean
arrastradas por las aguas residuales; también será determinante para impedir el paso de elementos
arrojados los flujos de agua como colchones, muebles, ropa, basura, etc. Este elemento deberá estar
ubicado antes del aliviadero y por el canal que lo contiene serán captadas las aguas vertidas por los dos
Ilustración 12.Diferentes formas de barrotes de rejillas
51

puntos de evacuación de aguas residuales combinadas que actualmente tiene el municipio.
Se realizaron los cálculos correspondientes para el diseño de la rejilla del sistema de tratamiento. Se
asumió como rejilla gruesa con separación de 4 cm, velocidad máxima de aproximación de 0.3 m/s,
caudal de diseño 0.033 m3/s, ángulo de inclinación de las barras de 45°
Tabla 8. Resultados obtenidos para el diseño de rejilla de 1"
Descripción Símbolo Valor Unidad
Altura rejilla h 0.5 m
Base rejilla b 0.5 m
Cantidad de vanos 13 vanos
Cantidad de varillas bm 7 und
Perdida de Carga H 0.004 m
Altura flujo de
aproximación
hv 0.005 m
Longitud varillas L 0.6 m
Fuente. Autora
La rejilla obtenida es de dimensiones 0.5 m de base y 0.5 m de alto; debido a la inclinación de 45° a la
cual será ubicada, la longitud de las varillas será de 0.6 m. Sera construida por barras de acero unidas
entre si mediante soldadura. El canal de la rodea deberá estar construido en concreto reforzado y cuyo
espesor de muros y placas no deberá ser menor a 0.15m. La rejilla será anclada a los muros del canal.
52

9.4.2 Desarenador
El desarenadorpara la planta de tratamiento de agua residual de Vélez Santander es de flujo
horizontal.
La expresión de velocidad de sedimentación desarrollada por HANZEN Y STOKES tiene la
siguiente forma.
𝑉𝑺 =
𝑔
18
∗
𝜌𝑠 − 𝜌
𝜇
∗ ∅2
Donde
Vs: velocidad de sedimentación (cm/s).
g: gravedad (981 cm/s).
ρs: peso específico de la partícula.
ρ: peso específico del agua.
µ: viscosidad cinemática.
Ø: diámetro de la partícula (cm).
9.4.2.1 Consideraciones de diseño
Vo = velocidad vertical, partícula critica.
Vs = velocidad de sedimentación, cualquier partícula.
Vh = velocidad horizontal, partícula critica.
• Se remueven todas las partículas con velocidades: Vs > Vo.
• Si Vs< Vo solo se removerán si entran a un h menor.

Tabla 9. Especificaciones del material
PESO ESPECIFICO DEL
MATERIAL
ARENA 2,65
GRAVA 2,65
Fuente. (DIRECCION GENERAL DE AGUA POTABLE Y
SANEAMIENTO BASICO, 2000)
• Relación larga/ ancho: 3/1 o 5/1.
• Profundidades mínimas 1.5 m y máxima 4.5 m.
• La zona de lodos debe tener una relación larga/profundidad de 10/11 y pendientes de 5% a
8%.
• Tiempo de retención hidráulico entre 30 min y 4h.
• Carga hidráulica entre 15 y 80 m3/m2/d.
✓ Eficiencia del desarenador depende de los deflectores:
✓ n: 1, sin deflectores o deficientes.
✓ n: 2, regulares.
✓ n: 3, buenos.
✓ n: 4 a 8 muy buenos
✓ Recomendaciones de operación:
✓ Vh < 20vs
✓ 9<vh/vo<15
✓ Vh <vr
Tiempo de sedimentación se calculo con la siguiente fórmula
𝑡 =
𝐻
𝑣𝑠

t: tiempo de remoción de la partícula.
H: profundidad útil de sedimentación
Tiempo de retención hidráulico, tiempo en que se demora en entrar y salir la partícula:

θh = Nh * t
30 minutos < θ < 240 minutos

Tabla 10. Número de Hazen
NÚMERO DE
HAZEN
% de Remoción
Condicion
es
87,5
0
80,0
0
75,0
00
70,0
0
65,0
0
60,0
0
55,0
0
50,0
0
n = 1 7,00 4,00 3,00 2,30 1,80 1,50 1,30 1,00
n = 3 2,75 1,66 0,76
n = 4 2,37 1,52 0,73
Fuente. (ROMERO, 2006)
El Volumen del desarenador se calculó con la siguiente formula

V = Q diseño ∗ θh
Área superficial se determina de la siguiente forma
𝐴𝑠 =
𝑉
𝐻

As = L ∗ B
𝐵 =
𝐴𝑆
𝐿

Carga hidráulica superficial del tanque se calculó con la siguiente formula
𝐶𝑠 =
𝑄𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜
𝐴𝑠

∅0
2 =
𝑔
18
∗
𝜌𝑠 − 𝜌
𝜇

Velocidad horizontal se determina de la siguiente forma
𝑉ℎ =
𝑄𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜
𝐵 ∗ 𝐻

𝑉ℎ𝑚á𝑥 > 𝑉ℎ
Velocidad horizontal máxima
𝑉ℎ𝑚á𝑥 = 20 ∗ 𝑣𝑠
Velocidad de resuspensión de las partículas removidas
𝑉𝑟 = √
8 ∗ 𝑘
𝑓
∗ 𝑔 ∗ (𝜌𝑠 − 𝜌) ∗ ∅
𝑉ℎ < 𝑉𝑟
• k: factor de forma. (0.05) (0.04-0.05)
• f: coeficiente de fricción. (0.03)
Tabla 11 Cálculo del desarenador
DESCRIPCIÓN VALOR UNIDAD
Caudal de diseño 0,033 m3/s
Remoción de partículas de arena 0,005 cm
Borde libre 0,3 m
Profundidad útil de
sedimentación
2 m
Profundidad útil de
sedimentación
200 cm
Porcentaje de remoción 80 %
Temperatura del agua 20 °C
µ 0,010 cm2/s
Grado del desarenador 1 -
Relación Longitud: Ancho 4 a 1 -
Densidad relativa de las
partículas
2,65 -
Densidad relativa del agua 1 -
Velocidad de sedimentación 0,224 cm/s
56

Tiempo de remoción de la
partícula
891,410 s
θh 59,427 min Cumple
θh 3565,638 s
Volumen 117,827 m3
Área superficial 58,914 m2
Ancho 3,838 m
Largo 15,351 m
Caudal de diseño 2855,100 m3/día
Carga hidráulica superficial 48,462 m3/m2/día
Vo 0,053 cm/s
Øo 0,05 mm
Velocidad horizontal 0,431 cm/s
Vh más 4,487 cm/s
Factor de forma 0,05 -
Coeficiente de fricción 0,03 -
Velocidad de resuspención 1,039 cm/s Cumple
H 2 m
Fuente. Autora
9.5 Tratamiento secundario
9.5.1 Reactor UASB
Denominado UASB (Upflow Anaerobic Sluge Blanket) por sus siglas en inglés o en español RAFA
(Reactor Anaeróbico De Flujo Ascendente), proveniente del agua residual doméstica, proveniente de
un tratamiento preliminar de rejillas, desarenado y trampa de gasas deberá entrar al reactor por el fondo
y fluir hacia la parte superior, manteniendo en pulsación el manto de lodos granular. Es necesario
garantizar un sistema adecuadamente diseñado al reactor para una velocidad ascendente uniforme
entre 0,8 y 1,0 m/h. La profundidad del tanque debe estar entre 4,5 m y 6 m. En la parte superior
del tanque, cubriendo la superficie, debe disponerse una estructura de recolección de gas y
separación de sólidos (SGSL), con el fin de que sean retornados al interior del reactor.
Este elemento tiene como función el espesamiento de los lodos mediante procesos anaeróbicos, en este
57

elemento las aguas residuales son captadas y transformadas por medio de microorganismos presentes en
el fluido. Durante este proceso las aguas generan biogás, nuevos microorganismos y en particular
materias orgánicas degradadas (Pulido 2017).
Tabla 12.Velocidades de flujo ascendente para el diseño de reactores UASB
Caudal Influyente Velocidad Ascendente
(m/h)
Caudal medio 0,5 – 0,7
Caudal máximo 0,9 – 1,1
Caudal pico temporal (Caudales
pico entre 2 y 4 horas)
<1,5
Fuente. (Ministerio de vivienda, ciudad y territorio, 2017)
Tabla 13. Tiempo de retención hidráulica para reactores UASB
Temperatura del agua
residual (°C)
Tiempo de retención
hidráulica (horas)
16 a 19 10 – 14
20 a 26 6 – 9
>26 >6
Fuente (Ministerio de vivienda, ciudad y territorio, 2017)
Se deben considerar los rangos para la carga orgánica y el área de influencia de distribución de acuerdo
con el lodo formado, se deberá consultar la Tabla 33 de la Resolución 0330 de 2017.
Se determinará el área superficial del elemento de acuerdo con la siguiente ecuación:
𝐴 =
𝑉
ℎ

La longitud del elemento será la raíz cuadrada del área superficial hallada. El volumen se calculará
multiplicando las dimensiones de ancho, largo y alto del elemento. La velocidad ascendente se calculará
mediante la siguiente ecuación:
𝑣𝑎 =
𝑄
𝐴
=
ℎ
𝑇𝑅𝐻

El diseño del GLS (Gas Líquido Solido) ubicado en la parte alta del reactor y cuya función consiste en la
captación de los gases producto de los procesos en el tanque, se calculará mediante el siguiente
procedimiento:
Área basal (Aa):
𝐴𝑎 =
𝑄
𝑣𝑎𝐺𝐿𝑆

Donde:
vaGLS: velocidad ascendente en el GLS en m/h.
El área del GLS (AGLS) será la resta del área de reactor y el área de apertura, mediante la ecuación
que se indica a continuación:
𝐴𝐺𝐿𝑆 = 𝐴𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 − 𝐴𝑎𝑝𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑎
Tabla 14. Resultados obtenidos para el diseño de reactor UASB
DESCRIPCIÓN VALOR UNIDAD
Caudal de diseño 33,045 l/s
Sólidos suspendidos totales 457,15 mg/l
Tiempo de retención
hidráulica
6 h
Altura del reactor 4,5 m
Volumen carga orgánica 713,78 m3
Área superficial horizontal 158,62 m2
Velocidad ascendente 0,5 m/h
Longitud (D) 7 m
Volumen recalculado 173,180 m3
Velocidad ascendente 0,75 m/h
Tiempo de retención
hidráulica
6 h

Fuente. Autora

Tabla 15. Resultados obtenidos para el diseño del GLS
DESCRIPCIÓN VALOR UNIDAD
Velocidad ascendente 2 m/h
Área basal 59,481 m2
Área Gas-Líquido-Sólido 99,135 m2
Número de separadores 5 und
Ancho efectivo separadores 1,22 m
Área de cada separador 13,37 m2
Altura por ocupar por el GLS 0,3 %
Altura GLS 1,34 m
Ángulo paredes separador 60 °

Fuente. Autora
El reactor UASB será de forma cónica, las dimensiones obtenidas son una altura de 4.5 m y un diámetro
de 7.0 m. Este elemento será construido después del desarenador y por medio de un canal en su parte
superior verterá el agua tratada al siguiente proceso que es el sedimentador. Este elemento será construido
en concreto reforzado, el espesor de los muros no podrá ser inferior a 0.20 m. El fondo del elemento tendrá
inclinaciones que permitirá la decantación del exceso de lodos y mediante una tubería de succión será
retirado este compuesto
El elemento GLS