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El primer paso en la depuración del agua residual lo constituye
el pretratamiento, que tiene como misión la eliminación de las
materias gruesas y arenas, cuya presencia en el efluente
perturbaría el tratamiento total y el eficiente funcionamiento de
las máquinas, equipos e instalaciones de la estación depuradora
El pretratamiento consiste generalmente en los siguientes
procesos, cuyo diseño explicaremos en este capítulo: Canal de
entrada con su aliviadero, desbaste, tamizado, trituración,
desarenado y desengrasado. De este último proceso, desengrasado,
hablaremos en el capítulo dedicado a la flotación
El canal de entrada constará generalmente de un aliviadero que
evite sobrecargas hidráulicas en el proceso
El desbaste o cribado consiste en la instalación de un sistema
de rejas para la eliminación de las sustancias de tamaño
excesivamente grueso
El tamizado es un sistema utilizado en la eliminación de las
partículas en suspensión.
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La trituración o dilaceración de los elementos retenidos en el
desbaste, es un sistema útil cuando se quiere evitar problemas en
rejillas y extracción de subproductos.
El desarenado consiste en la eliminación de arenas y sustancias
densas en suspensión que puedan provocar abrasiones en distintos
componentes de las unidades de la depuradora.
El canal de entrada a la planta será generalmente un canal
abierto de sección rectangular que se diseñara en función del
caudal medio de entrada a la planta y la velocidad de flujo. Se
debe considerar una altura de resguardo en el canal sobre el nivel
del agua de 0,5 m y una pendiente, generalmente 0,5 %, para evitar
sedimentaciones
La velocidad de flujo se mide mediante la formula de Manning.
Una velocidad excesiva producirá que los sólidos arrastrados por el
agua residual puedan superar los sistemas de desbaste y una
velocidad insuficiente provocará sedimentaciones en el canal de
entrada
La velocidad dependerá del tipo de material que está construido
el canal que viene expresado en el modelo anterior como coeficiente
de rugosidad. Los canales son construidos normalmente de hormigón
con un coeficiente n = 0,014
El aliviadero se sitúa en la pared lateral del canal y tiene
como misión evitar las sobrecargas hidráulicas en el proceso, así
descarga en el curso de agua más próximo el excedente del caudal
que se ha calculado como tope en la depuradora. El aliviadero se
utiliza cuando los sistemas de alcantarillado son unitarios, para
la descarga del exceso de aguas de lluvia
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Inicialmente se pensaba que el agua que llegaba a la depuradora
en tiempos de lluvia estaba tan diluida, que no era necesario
realizar su depuración. Sin embargo, se ha comprobado que durante
los primeros 20 - 30 minutos el agua de lluvia recogida tiene una
contaminación similar a la del agua residual urbana de tipo
medio.
El caudal de entrada a la depuradora será proporcional al valor
del coeficiente máximo, que nos representará el valor de dilución
del agua en periodos de lluvias, es decir, este coeficiente nos
representa las veces que debe aumentar el valor de caudal medio de
aguas residuales urbanas que llega a la depuradora, a fin de evitar
el vertido contaminante de los primeros minutos de lluvia al cauce
receptor
Así en los sistemas de alcantarillado unitario, en tiempos de
lluvia, el caudal de vertido del aliviadero se diseña en función
del nivel de dilución que tiene el agua que se desea tratar
El valor de dilución o coeficiente máximo adoptado suele variar
entre 2 y 5. En caso de no disponer de este coeficiente se suelen
adoptar valores obtenidos experimentalmente, como los de la EPA
(Agencia de Protección Medioambiental Americana)
Algunas plantas depuradoras complementan un aliviadero, diseñado
para recoger sólo las aguas residuales urbanas, con depósitos de
retención o balsas de tormentas que recogen las primeras
escorrentías de aguas de lluvia con contaminación alta, evitando su
vertido directamente al cauce receptor, a la vez que actúan como
decantadores. Su misión es verter lentamente el agua retenida con
la dilución adecuada o reintroducirlas en el canal para su
posterior depuración
En España se utiliza para el dimensionamiento de los depósitos
la cifra 40 m3 por cada hectárea impermeabilizada de recogida de
aguas de lluvia por la red de saneamiento. Otros modelos utilizados
son los de las normas Alemanas (ATV) y en concreto la A-128 que
propone la utilización del gráfico de la figura para determinar el
volumen del tanque
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El canal de entrada es aconsejable que disponga de un medidor de
caudal. Los sistemas más utilizados son los medidores Parshall,
aunque también se pueden utilizar vertederos, regletas graduadas,
sistemas con flotadores, ultrasonidos, etc.
El primer paso en todo sistema de depuración es la eliminación
de sustancias excesivamente gruesas para evitar obstrucciones,
sedimentaciones y mejorar el funcionamiento y la eficacia de los
procesos posteriores. Este proceso conocido como desbaste o cribado
se lleva cabo mediante rejas
Las rejas se pueden clasificar en función de sus inclinación
(horizontales, verticales o inclinadas) o según su separación
(barras finas, medias o gruesas), si bien pueden ser fijas o
móviles y de limpieza manual o automática (también conocidas como
rejas mecánicas).
Las rejas manuales son utilizadas en instalaciones pequeñas y
con baja cantidad de materias retenidas. Las rejas están
constituidas por barrotes de acero, a veces verticales y a veces
inclinados con ángulos de 60 a 80º sobre la horizontal
Las rejas de limpieza automática o mecánicas se utilizan en
instalaciones importantes y con alta carga de materias retenidas.
Las rejas mecánicas se pueden clasificar atendiendo al intervalo de
limpieza en rejas de limpieza continua y rejas de limpieza según el
grado de obstrucción de la rejilla
Las rejas de limpieza automática o mecánicas se utilizan en
instalaciones importantes y con alta carga de materias retenidas.
Las rejas mecánicas se pueden clasificar atendiendo al intervalo de
limpieza en rejas de limpieza continua y rejas de limpieza según el
grado de obstrucción de la rejilla
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Las rejas de limpieza según el grado de obstrucción, llevan un
motor que acciona el aparato de limpieza en función de las
diferencias de nivel entre la superficie del líquido aguas arriba y
aguas abajo de la rejilla. La diferencia de nivel aumenta a medida
que aumenta las retenciones de sólidos de tal manera que cuando se
llega a un valor señalado se pone en marcha el motor que mueve los
peines o escobillas de limpieza
En el dimensionado de estas rejas se deben tener en cuenta dos
variables fundamentales: la velocidad y la perdida de carga. La
velocidad, como citamos anteriormente, no debe ser tan baja que
produzca sedimentaciones y atascamientos en la parte inferior de
los barrotes, ni tan poco tan elevada que provoque que el material
retenido sea lavado y arrastrado por el agua forzando las
rejas.
La velocidad de paso a través de las rejas se calcula mediante
el modelo de la figura. Como se puede observar se produce una
disminución en el nivel del agua superada la reja debido a la
resistencia del paso del líquido a través de la reja (perdida de
carga). Algunos autores multiplican el valor de la velocidad de
paso entre las rejas por una constante que depende del grado de
atascamiento de la reja
Existen numerosas recomendaciones de la velocidad a aceptar,
generalmente se recomienda una velocidad de paso entre los barrotes
comprendida entre 0,6 m/s a caudal mínimo y 1,0 m/s a caudal
máximo. La velocidad de aproximación del agua en el canal se
recomienda no ser superior a 0,6 m/s
La instalación de las rejas en el canal de entrada produce una
disminución de su sección de paso, provocando el aumento de la
velocidad de flujo a su paso a través de las rejillas y por tanto
una mayor perdida de carga. Para corregir este problema se amplía
el canal de entrada en la zona de desbaste
Para el calculo del nivel aguas arriba de la rejilla se debe
conocer las características hidráulicas del canal. Para el caudal
máximo de paso y una relación entre la anchura del canal y la
altura de la lamina de agua entre 1 y 1,5 se utiliza el modelo de
la figura.
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A medida que los sólidos se van acumulando en las rejillas,
estas se van taponando y la resistencia al paso del agua es mayor,
pudiendo provocar incluso la ruptura del equipo. Es por ello que la
otra variable importante a tener en cuenta es la perdida de carga o
perdida de energía en las rejas debido a la resistencia que ofrecen
éstas al movimiento del líquido. Las perdidas de carga en rejillas
para agua residual se sitúan generalmente entre 0,10 y 0,40 m
dependiendo fundamentalmente de la separación útil entre barras
El proyectista una vez determinado el tipo de equipo a instalar
(tipo de rejas, separación útil entre barras, ancho de las barras,
etc.), las dimensiones del canal de entrada, el método de control
etc., debe comprobar la perdida de carga del equipo para un
porcentaje máximo de atascamiento del 30-40 % para poder ver si el
dimensionamiento es correcto o no. El diagrama de la figura nos
sirve para calcular las perdidas de carga
La perdida de carga depende de la velocidad del agua y de una
serie de factores, como son la inclinación de las barras, el grado
de atascamiento, la forma de las barras, la separación entre
barras, etc., que están englobados en el modelo de la figura en una
constante k. Algunos autores recomienda adoptar un valor
experimental de (1/0,7) para esta constante
El valor de la constante k1 (constante de atascamiento) depende
del porcentaje de sección de paso que subsiste en el atascamiento
máximo tolerado. Este último depende del tipo de reja (manual o
mecánica) y de las dimensiones y naturaleza de las materias
retenidas. Para evitar el arrastre de estas materias no debe sobre
pasarse la velocidad real de paso por la reja atascada de 1,20
m/s
El valor de la constante k2 (constante según la forma de la
sección horizontal de los barrotes) depende de la relación entre la
anchura y la altura de los barrotes
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El valor de la constante k3 (constante de sección de paso entre
barrotes) dependerá no solo de la separación útil entre los
barrotes sino también de la altura sumergida de los barrotes
(vertical u oblicua) incluyendo indirectamente el grado de
inclinación de los barrotes
Otro modelo ampliamente utilizado para calcular la perdida de
carga de las rejillas es el modelo de Kirschner. Este modelo no
contempla el grado de colmatado pero incluye directamente el grado
de inclinación de las rejas
El número de barras o barrotes que tendrá el sistema de desbaste
dependerá del ancho del canal en la zona de desbaste y del tipo y
características de las mismas (ancho y separación útil entre
barras).
Las cantidades de material retenido varían mucho dependiendo del
tipo de rejilla, separación entre barras, sistema de alcantarillado
y población aportante. La WPCF (Water Pollution Control Federation)
sugiere valores entre 3,5 y 37,5 mL/m3 de agua residual tratada,
con una valor promedio de 15 mL/m3. Valores típicos en función de
la población se observan en la figura
Los tamices se utilizan para la eliminación de sólidos muy
finos, generalmente sólidos en suspensión, ya que la separación
útil entre barras se encuentra entre 0,2 y 1,5 mm. Este sistema es
estrictamente físico y autolimpiable porque los sólidos retenidos
se recuperan por medio de rasquetas, tornillos, cintas o agua a
presión y se conducen a los contenedores o sistema de evacuación
automáticos
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Los tamices los podemos clasificar en función de su movimiento
en tamices estáticos, tamices rotativos o giratorios y tamices con
superficies móviles
Los tamices tipo Hydrasieve tienen dimensiones normalizadas,
según el fabricante, en función del caudal a tratar y la separación
libre de las barras del tamiz
Los tamices rotatorios, tipo rotasieve, están constituidos por
un tambor giratorio formado por un enrejado metálico con abertura
entre 0,2 y 5 mm. El agua pasa a través del tamiz (tambor) y los
sólidos son retenidos en su superficie. Éstos por efecto del giro
son recogidos en una tolva
La capacidad de tratamiento normalizada de los tamices
rotatorios (tipo rotasieve) en función de la separación útil entre
barras se muestra en la figura
Las dimensiones normalizadas de estos tamices rotatorios se
exponen en la figura
Los tamices con superficies móviles son muy similares al de unas
rejas de desbaste de limpieza automática con la particularidad de
que las aperturas entre barras son más pequeñas (2 - 10 mm).
Los tamices de superficie móviles de banda continua, tipo Esmil,
tiene una separación entre barras de 2 a 10 mm y anchos de hasta 4
metros. La profundidad del canal llega hasta los 15 metros y puede
tamizar de 2500 a 60000 m3/h
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Es importante calcular la perdida de carga, al igual que en los
sistemas de desbaste. La perdida de carga en los tamices se puede
calcular con el modelo conocido como del orificio a partir de los
datos suministrados por el fabricante. Normalmente las perdidas de
carga oscilan entre los 0,8 y 1,4 m, permitiéndose un máximo
generalmente de 2 m
Los tamices están remplazando progresivamente a los sistemas de
desbaste. Los tamices estáticos son utilizados como pretratamiento
en depuración primario y lagunajes, mientras que los rotatorios y
de superficies móviles en depuración biológica. Es importante
controlar la retención de materia orgánica, puesto que si el grado
de eliminación es muy elevado la DBO del agua residual puede quedar
en niveles tan bajos que haga difícil el tratamiento biológico
Los residuos retenidos en los tamices con aberturas entre 2 y 6
mm llegan hasta el 5 al 10 % de los sólidos suspendidos del
afluente, mientras que los de abertura de 0,75 a 1,5 mm pueden
retener de un 10 a 15 % de los sólidos retenidos, aunque se han
obtenido porcentajes de retención mayores. Estos residuos tienen
mayor humedad y densidades ligeramente inferiores a los retenidos
en las rejas
El objetivo del desarenado es separar elementos pesados en
suspensión (arenas, arcillas, limos) que lleva el agua residual y
perjudica los tratamientos posteriores, generando abrasiones en
bombas y equipos, disminuyendo la capacidad hidráulica y creando
sobrecargas de fangos y depósitos en conducciones hidráulicas,
tuberías y canales
El proceso de desarenado consiste en provocar una reducción de
la velocidad del agua aumentando la sección del canal, esto hace
que las partículas más pesadas se depositen en el fondo del
depósito que constituye el desarenador. Las principales variables
de diseño del desarenador son la velocidad ascensional del agua y
la velocidad horizontal o de arrastre
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Podemos atendiendo a sus variables de diseño clasificar los
desarenadores en: desarenadores de flujo vertical si se diseñan en
función de la velocidad ascensional, desarenadores de flujo
horizontal si se diseñan en función de la velocidad horizontal o de
arrastre, o desarenadores inducidos cuando a la separación natural
se le añade la separación dinámica con procesos de inyección de
aire
El diseño de los desarenadores verticales se basan en las
experiencias de kalbskopf e Imhoff. Estos investigadores dedujeron
experimentalmente que la mayor velocidad de caída de la materia
orgánica es de 0,3 a 0,4 cm/s, por eso utilizando velocidades
ascendentes de 0,6 cm/s no solo no habrá depósitos de materia
orgánica sino que los granos de arena entre 0,25 y 0,5 mm quedan
retenidos en más de un 90 %.
Estos desarenadores su eficacia, una vez elegido la velocidad
ascensional para el tamaño mínimo de partículas que se desea
depositar, depende de la superficie horizontal y de la profundidad.
Esto suele ser un gran inconveniente, ya que son profundos y no
pueden utilizarse en terrenos donde no convenga bajar mucho la
cota. (terreno inadecuado para cimentación, nivel freático alto,
etc.)
Los desarenadores de flujo horizontal son los más corrientes.
Están constituidos por un ensanchamiento en el canal de forma que
se reduzca la velocidad horizontal en valores inferiores a los 20 o
30 cm/s. La velocidad de flujo debe ser siempre inferior a aquella
por la cual se reinicie el arrastre de la arena retenida. Esta
velocidad conocida como velocidad crítica o de arrastre fue
determinada experimentalmente por Bloodgood, siendo β una constante
(igual a 0,04 para arena granular y 0,06 para material no uniforme
que puede apelmazarse) y f es el factor de fricción de
Weisbach-D'arcy (0,03 para el cemento)
El dimensionado de estos desarenadores se realiza en función del
área transversal y la longitud del depósito. El área transversal
estará definida por el caudal y la velocidad de arrastre, que será
la velocidad horizontal de diseño. El número de unidades o canales
en los que se dividirá el ancho del canal se realizará teniendo en
cuenta que la relación alto/ancho de cada canal tiene que estar
entre 1 y 5 para evitar las líneas de corriente del efecto
pared
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La longitud del canal está condicionada por la profundidad
necesaria para la velocidad de asentamiento o caída seleccionada y
por la velocidad de arrastre. Definido la velocidad de
sedimentación (Vs) para un determinado tamaño de partículas, todas
las partículas de velocidad de sedimentación superior al
seleccionado quedarán completamente eliminadas y las de inferior
sedimentarán parcialmente (Vs')
El cálculo del área superficial del desarenador se obtiene a
partir de la velocidad de sedimentación seleccionada, lo cual
demuestra que la velocidad de sedimentación es equivalente a la
carga superficial
La velocidad de caída de la partícula se puede calcular
aplicando la teoría de la sedimentación discreta, que será tratada
en el capítulo dedicado a la decantación. La velocidad de
sedimentación de las partículas esféricas dependerá del régimen de
corriente del líquido en el que se desplaza la partícula
El régimen de corriente que trabajan estos equipos es de flujo
laminar , bajo número de Reynolds, por lo que se utiliza la ley de
Stokes generalmente para el calculo de la velocidad de
sedimentación o de caída de la partícula (Ver teoría de la
sedimentación discreta)
Esta velocidad teórica de caída se ve limitada porque un volumen
de partículas importante se desplaza en sentido contrario debido a
la velocidad ascensional, por la falta de esfericidad de éstas,
porque el coeficiente de rozamiento varia con la orientación de la
partícula en su caída y porque su composición no es homogénea. En
la práctica se toman como base de diseño los datos de la tabla
validos para sedimentación libre de partículas de arena de densidad
2,65
Otra manera es calcular las velocidades de sedimentación a
partir de la gráfica de la figura que nos marca la relación entre
el diámetro de las partículas a eliminar y la velocidad de
sedimentación. Para un determinado diámetro de partícula a
eliminar, el peso específico de la partícula y la temperatura media
de operación obtenemos en la gráfica el valor de la velocidad de
caída o sedimentación de proyecto
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La profundidad del desarenador debe ser tal que para la
velocidad de caída seleccionada, una partícula en suspensión que se
encuentre en la superficie en el momento de su entrada en el
depósito caerá a esa velocidad constante hasta alcanzar el fondo
del desarenador en un tiempo (t). Ese tiempo será igual al tiempo
de retención hidráulico por lo que seleccionada una altura del
decantador se calcula el tiempo de retención o viceversa
El rendimiento del desarenador se puede calcular por la
consideración de triángulos semejantes. El rendimiento de la
sedimentación es más función del área superficial que de la altura
del depósito, por ello generalmente se diseñan tanques de gran
superficie y poca profundidad. Si Vs = Vs' entonces el rendimiento
es igual a 1 es decir el 100 % de las partículas eliminadas
El enfoque anterior se limita al estudio de la sedimentación
ideal, en la que se omiten factores como los efectos de turbulencia
a la entrada y salida del tanque, de la formación de
cortocircuitos, de la acumulación de fangos o de los gradientes de
velocidad causadas por los equipos de evacuación de fangos, etc. El
efecto de estos factores da como resultado final una disminución de
la carga superficial y un incremento del tiempo de retención
teórico. Como veremos en las siguientes diapositivas implica
multiplicar la longitud el desarenador por un valor comprendido
entre 1,25 y 1,75
La longitud teórica del desarenador (L) se ve modificada en la
práctica por fenómenos de turbulencia que impiden la constancia de
la velocidad, lo cual implica que la longitud efectiva debe ser
mayor. Kalbskopf propone un coeficiente (k) en función del
rendimiento y la granulometría de la partícula para compensar estos
fenómenos, así la longitud efectiva (Le) será igual a: Le = L*k
Otra manera de definir la longitud efectiva del desarenador es a
partir del cálculo del tiempo de retención hidráulico. La teoría de
Hazen deduce, para distintos tiempos y distintos rendimientos, los
porcentajes de las partículas sedimentadas. Establecido el
rendimiento a obtener, se determina en el ábaco de Hazen el valor
de t/to
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Los desarenadores aireados consisten en aplicar aireación de
fondo para evitar la sedimentación de la materia orgánica por
descenso de la velocidad, manteniendo así en suspensión dicha
materia orgánica. Imhoff sugiere que el volumen de aire inyectado
sea 1/4 del volumen de agua a depurar
La tabla de la figura nos orienta en los m3/h de aire por metro
de longitud de desarenador necesarios para evitar la sedimentación
de la materia orgánica en función del área transversal del
desarenador
La cantidad de arena depositada en un desarenador depende de los
factores geométricos de su dimensionado, del sistema de
alcantarillado, el estado del terreno y pavimentos, de los sistemas
de limpieza de estos, de la intensidad de las precipitaciones, etc.
Las referencias de la figura nos muestran valores experimentales de
la cantidad de arena depositada en tiempo seco.
Otro proceso utilizado en el pretratamiento de las aguas
residuales es la dilaceración. Esta operación tiene por objeto
triturar o fragmentar las materias sólidas transportadas por el
agua, a fin de obtener unos sólidos de tamaño de partícula
aceptable para los equipos que se encuentran en las siguientes
fases de depuración
Estos equipos son cada vez menos utilizados, ya que se obstruyen
con facilidad debido a la acumulación de lodos y fibras textiles
unidos por los aceites y las grasas. Por ello el proyectista debe
montar en paralelo otro sistema de desbaste o tamizado para que en
caso de avería pueda seguir funcionando la planta
Existen diferentes tipos de dilaceradores que pueden ser desde
un juego de cuchillas montadas en forma de rejas hasta discos
cortantes giratorios u oscilantes. Generalmente los dilaceradores
se clasifican en sin elevación de agua y con elevación de agua
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Los dilaceradores sin elevación de agua tienen la ventaja de
producir poca perdida de carga. El modelo más clásico consiste en
un tambor giratorio, de eje vertical, con ranuras horizontales con
dientes cortantes. El agua circula del exterior al interior del
tambor triturándose las materias que arrastra. Los dilaceradores
con elevación de agua no sólo trituran sino que además un bombeo
impulsa las materias trituradas
Dado que estas unidades son completas en si mismas no se hace
necesario ningún detalle de proyecto. Para obtener los valores
recomendados de capacidad, grado de submergencia aguas arriba y
abajo y las necesidades del equipo, es preciso consultar las tablas
de datos de los fabricantes
Un problema importante en las estaciones depuradoras es la
eliminación de los residuos del pretratamiento, por lo que se deben
prever una serie de dispositivos para evacuar y tratar los desechos
y las arenas eliminadas de las aguas residuales en esta primera
etapa de tratamiento
Los desechos recogidos por rejas o tamices se evacuan
generalmente mediante cintas trasportadoras, o transportadores de
rasquetas o hidráulicamente mediante un canal de alimentación de
agua por bombeo. Estas materias van a vertederos o se entierran,
otra alternativa es la incineración pero resulta muy costoso
Debido al volumen y peso de estas materias que encarecen su
transporte a vertederos, un proceso interesante es la eliminación
del agua mediante el prensado. Otra ventaja del prensado es que al
reducir la humedad se retrasa el proceso de fermentación y en
consecuencia los olores permitiendo su retirada con mayor
periodicidad
La arena se extrae manualmente o por bombeo a un canal de
retirado de arenas. Estas se separan del agua mediante
sedimentación en depósitos poco profundos, separación mecánica
mediante tornillo de Arquímedes o mediante hidro-ciclón, se
almacenan en tolvas o volquetes y se entierran o se envían a
vertedero
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En instalaciones importantes se procede, a veces, al lavado de
la arena antes de su almacenamiento en tolva. La mezcla de agua y
arena procedente del desarenador se introduce en un depósito
separado, provisto de un sistema eficaz de agitación por aire,
donde se produce el lavado de la arena. También se puede lavar
sobre el mismo Tornillo de Arquímedes mediante agua de
aportación
Otras unidades de proceso del pretratamiento, como los
desengrasadores o cámaras de grasas serán tratados en el próximo
capítulo dedicado a los procesos de flotación
La flotación es un sistema de separación sólido-líquido o
líquido-líquido basado en la diferencia de densidades, es decir, se
pretenden separar aquellos elementos sólidos o líquidos que pueden
flotar (por su menor densidad respecto al líquido) o son
susceptibles de flotar, bajo ciertas condiciones, sobre el
líquido
Las aplicaciones de la flotación, en el campo del tratamiento
del agua son múltiples entre ellas citaremos la separación de
grasas y aceites, separación de materias floculadas en la
clarificación, espesamiento de fangos activos procedentes del
tratamiento de aguas residuales urbanas, separación de hidróxidos
metálicos o de pigmentos en las aguas residuales industriales,
etc
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Los sistemas de flotación se pueden clasificar en procesos de
flotación natural y procesos de flotación provocada o acelerada
La flotación natural se produce cuando la densidad de los
elementos sólidos o líquidos son menores que las del agua. Su
utilidad principal es el desengrasado y desaceitado de las aguas
residuales de pequeñas depuradoras y el predesaceitado de aguas
residuales industriales
Los desengrasadores estáticos, flotación natural, se diseñan en
función de la velocidad de flujo y el tiempo de retención
hidráulico, ya que todo dispositivo que ofrezca una superficie
tranquila actuara como separador de aceites y grasas
La flotación provocada aprovecha la actitud que tienen ciertas
partículas sólidas o líquidas de unirse a burbujas de gas,
normalmente aire, formando conjuntos "partícula-gas" menos densos
que el líquido que constituye la fase dispersa. De esta forma es
posible ascender a la superficie partículas de densidad mayor que
la del líquido, además de acelerar la ascensión de partículas de
menor densidad, como el aceite
La eficacia de la separación no depende tanto del tamaño y la
densidad relativa de las partículas como de aquellas propiedades
superficiales que permiten la adherencia de las burbujas a la
estructura de las partículas, además del diferente efecto que
ejerce los diferentes tamaños de la burbuja sobre la flotación
Para que sea factible la flotación es preciso que la adherencia
de las partículas a las burbujas de gas sea mayor que la tendencia
a establecer contacto entre las partículas y el líquido. Este
contacto entre el líquido y el sólido se determina mediante el
ángulo formado por la superficie del sólido y la burbuja de gas
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En algunos casos se adicionan compuestos químicos (sales de
hierro o aluminio, sílice activada, etc.) de manera que rompan el
equilibrio coloidal que las mantienen dispersas y se agreguen
creando una estructura que facilite la absorción de las burbujas de
aire. También son utilizados polímeros orgánicos que modifican la
naturaleza entre la interfase sólido-líquido y aire -líquido
favoreciendo los cambios deseados
Haberman y Norton estudiaron la relación entre el tamaño de las
burbujas y su velocidad ascensional en el agua. Las burbujas de
gran tamaño tienen mayor velocidad ascensional lo cual puede
provocar turbulencias, además el recorrido de éstas es menor en el
tanque, por tanto menor tiempo de contacto con las partículas. Esto
unido a mayores caudales de aire para el burbujeo implica una
elección hacia los sistemas de microburbujas
Entre estos procesos de flotación con microburbujas
destacaremos: la aireación a presión atmosférica, la flotación por
aire disuelto (FAD) y la flotación a vacío. Existen otros procesos
de electrofloculación basados en el desprendimiento de
microburbujas por electrolisis
La flotación a presión atmosférica es en realidad una flotación
natural mejorada por inyección en el líquido de pequeñas burbujas
de aire de unos pocos milímetros de diámetro. Estos sistemas
constan de dos partes: una zona con flotación forzada donde la
suspensión se agita y se mezcla con aire y otra zona de flotación
natural donde se separan y se recogen las materias flotantes
En la flotación con aire disuelto (FAD) el aire se disuelve en
el agua residual sometida a una presión de varias atmósferas para
conseguir la saturación en aire del agua. A continuación se libera
la presión hasta alcanzar la atmosférica, liberándose el aire
disuelto en forma de microburbujas. Las principales aplicaciones
del FAD son el tratamiento de vertidos industriales y el
espesamiento de fangos
La flotación a vacío consiste en saturar el agua de aire
presurizándola y aplicar posteriormente el vacío parcial en la
superficie de la masa líquida. De esta forma el aire disuelto
abandona la solución en forma de microburbujas , arrastrando con
ello las partículas adheridas
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La separación efectiva de los líquidos y sólidos del agua
residual, así como la concentración de los sólidos separados,
depende de la generación de suficientes burbujas de aire por unidad
de sólidos. El tanque de flotación se diseña con base en la carga
hidráulica superficial o en la carga superficial de sólidos
En las siguientes secciones de este capítulo veremos con más
detenimiento el proceso de desengrasado, así como los modelos más
empleados en el diseño y dimensionamiento de las unidades de
flotación natural y flotación provocada
Los desengrasadores son unidades de proceso utilizadas en el
pretratamiento y/o en el tratamiento primario cuya misión es la
separación de los aceites (líquido) y grasas (sólidas) para evitar
que sean arrastrados a las siguientes etapas de tratamiento
Las grasas crean grandes problemas en las estaciones
depuradoras, así destacaremos que causan obstrucciones en las rejas
y tamices, dificultan la sedimentación de las partículas al
atraerlas hacia la superficie, impiden la difusión del oxígeno, por
la capa superficial que forman, fomentando los procesos anóxicos,
en procesos biológicos como fangos activos, dificultan la correcta
aireación y participan en el fenómeno de "Bulking".
Como se ha indicado anteriormente existen desengrasadores
estáticos (flotación natural) y desengrasadores aireados (flotación
provocada o acelerada). Los sistemas a utilizar dependerá del tipo
de aceite o grasa incorporado, así como de la concentración
existente de aguas
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El desengrasado de las aguas residuales de pequeñas depuradoras
se utilizan cámaras de grasas normalizadas para caudales de hasta
30 l/s con velocidad ascensional aproximadamente 15 m/h para que la
superficie este tranquila. Los parámetros de diseño fundamentales
de las cámaras de grasas son el caudal máximo de entrada, la
relación longitud/altura y el tiempo de retención hidráulico
Los desengrasadores estáticos, también se utilizan para la
eliminación de los aceites y las grasas en aguas industriales, como
las de las refinerias. El modelo utilizado para su diseño es el del
Instituto Americano del Petroleo (API) que se trata en la sección
dedicada a la flotación natural
El desengrasado para estaciones depuradoras importantes es
conveniente utilizar los sistemas aireados, en combinación con el
desarenado. El tiempo de permanencia del agua es del orden de 10 a
15 minutos a caudal medio y la velocidad ascensional no puede
superar los 25 m/h para garantizar la zona tranquila
El desarenado - desengrasado conjunto conduce a resultados
positivos en el rendimiento de ambos procesos, ya que la velocidad
de sedimentación de las arenas y de flotación de los aceites no se
modifican debido a la diferencia de densidades entre la arena y la
grasa
Por otro lado, el aire comprimido añadido impide la
sedimentación de partículas de fango poco densas, generalmente
materia orgánica, y favorece que la arena depositada en el fondo
este más limpia. La arena al sedimentar decelera la velocidad
ascensional de las grasas, disponiendo de más tiempo de contacto y
aumentando el rendimiento de la separación
Por último, citar que hay diferentes tipos de desengrasadores
estáticos (cámaras de grasas Kramer y Imhoff, Tanques API, etc.) y
desengrasadores Aireados (Longitudinales, circulares con rasquetas,
de placas paralelas, etc.)
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El modelo de flotación natural más empleado es el de la American
Petroleum Institute (API). En este modelo se exponen los criterios
básicos para el diseño de un separador de aceite, por gravedad,
longitudinal convencional para aguas residuales de refinerías,
aunque el modelo también se utiliza para aguas residuales
urbanas
La eficiencia del separador de aceites se incrementa con el
tiempo de retención hidráulico, es decir, una superficie tranquila
favorecerá la separación de los aceites y las grasas. El API
recomienda la expresión de la figura para el cálculo de la
superficie horizontal mínima del desengrasador
La velocidad ascensional considerando las gotas de aceite como
esferas, despreciando la absorción y adsorción entre partículas y
régimen laminar (número de Reynolds menor de 0,5), se puede
calcular mediante la ley de Stokes. Esta ley concluye que la fuerza
ascendente de las gotas de aceite es la resultante de 3 fuerzas: la
gravedad, el empuje de Arquímedes y la fuerza de la resistencia
El modelo (API) está basado en la eliminación de todos los
glóbulos de aceite de mayores de 0,015 cm. La densidad y la
viscosidad, tanto del aceite como del agua, se obtiene en tablas
dependiendo de la temperatura. Así por ejemplo el agua residual de
las refinerías oscila entre 40 y 50º C por lo que se opta por un
valor de viscosidad de 6,0 x 10-4 Ns/m2 correspondiente a una
temperatura de 45º C.
El factor (F) de compensación de los efectos de cortocircuito
(F1) y de turbulencia (F2) es igual al producto de estos dos
efectos. El factor de compensación de cortocircuitos es igual a 1,2
y el factor de compensación de turbulencias se calcula mediante la
ecuación empírica de Eckenfelder, 1989
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La velocidad horizontal máxima de flujo no puede ser mayor de
0,015 m/s para garantizar la zona tranquila. La velocidad
horizontal se considera 15 veces la velocidad ascensional. Si la
velocidad horizontal, así calculada, es mayor de 0,015 m/s se
optará por este valor como parámetro de diseño. El área mínima
transversal de flujo se puede calcular a partir de la velocidad
horizontal
Conocida el área transversal, fijando la altura podemos obtener
el ancho del desengrasador o viceversa. La relación mínima entre la
altura y el ancho estará entre 0,3 y 0,5; la altura oscilara entre
0,9 y 2,4 metros y el ancho debe ser menor de 6 y mayor de 1,8
metros
La longitud del tanque separador de aceites API vendrá calculada
por la expresión de la figura
Para mejorar el rendimiento de separación y evitar
cortocircuitos se recomienda la instalación de una pantalla de
distribución a la entrada. A la salida es recomendable instalar una
pantalla retenedora del aceite separado y un vertedero de salida
rectangular, cuya perdida de carga se puede calcular mediante la
formula de Francis
La efectividad de la flotación provocada depende de la
generación de suficiente cantidad de burbujas de aire por unidad de
sólidos, lo cual se expresa por la relación entre el aire y los
sólidos (A/S), como kilos de aire liberado por kilo de sólidos en
el afluente. La cantidad de aire incorporada debe ser justa para
evitar consumos inútiles
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La cantidad de aire necesaria para la separación por flotación
esta limitada por la solubilidad del aire en el agua y el escape
del aire incorporado. La saturación de aire en agua es proporcional
a la presión e inversamente proporcional a la temperatura. La
solubilidad de un gas (aire) en agua viene expresada según la ley
de Henry
El escape del gas en el agua, en los sistemas de flotación, se
produce como consecuencia de la disminución de la presión. La
cantidad de aire liberado, al reducir la presión se puede
cuantificar a partir de la diferencia de solubilidades entre las
dos presiones
Los sistemas de flotación por aire disuelto (FAD) el agua es
saturada en aire al someterla a una presión, generalmente entre 2 y
5 atm. Posteriormente, es liberada a presión atmosférica
escapándose el gas en forma de microburbujas. En la práctica al
calcular el volumen de aire liberado se tiene en cuenta que el peso
específico del aire (mg/cm3) a 1 atm y 20º C es 1,3 y que la
despresurización del agua es a presión atmosférica
La densidad del aire bajo otras condiciones depende de la
temperatura y la presión. La fracción de saturación (f) depende de
la turbulencia, del tiempo de contacto, de la superficie de
contacto entre el aire y el agua y de otros factores. Generalmente
se adapta, para el diseño de las unidades de flotación, a 20 ºC y
presiones de 2 a 4 atm, un valor entre 0,5 y 0,8.
Los sistemas de flotación por aire disuelto pueden ser con o sin
recirculación. Se recomienda hacer recirculación del efluente
tratado a presión para obtener para obtener relaciones (A/S) lo
suficientemente alta. La recirculación suele variar entre un 10 a
60% del efluente
El valor de la relación aire/sólidos se tiene que determinar
experimentalmente empleando una célula de flotación en el
laboratorio, ya que esta relación (A/S) es muy variable y es
función de cada tipo de suspensión. Este ensayo se explica con
detenimiento en la siguiente sección
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Las variables a considerar en el diseño son la presión,
porcentaje de recirculación, la concentración de sólidos en la
entrada y el tiempo de retención. La presión de operación requerida
por la unidad de flotación se calcula a partir de la relación
óptima A/S obtenida en planta piloto
El dimensionado de los equipos se hace a partir de la carga
superficial y el tiempo de retención hidráulico. El área de
flotación se calcula en relación a cargas superficiales
seleccionadas, que suelen variar entre 0,08 y 0,16 m3/m2 minuto. Y
la altura se obtiene a partir de la relación entre el tiempo de
retención (entre 30 y 40 minutos) y la carga superficial
La flotación depende en gran medida de la superficie de las
partículas, por ello para obtener los parámetros de proyecto son
necesarios realizar estudios en planta piloto y ensayos de
laboratorio. Así para evaluar la relación óptima (A/S) se utilizan
aparatos como el de la figura
La celda de flotación del laboratorio está constituida por una
cámara de presión de 1 litro, donde el aire que entra a presión es
medido con un manómetro. Después del tiempo de contacto aire-agua,
el agua saturada en oxígeno es liberada en una probeta a presión
atmosférica
El procedimiento de operación consiste en llenar la cámara de
presión con un litro de agua residual o agua problema, donde es
conocida su cantidad de sólidos en suspensión. Se introduce aire en
la cámara hasta la presión deseada presión, 2 a 5 atm. Se agita la
mezcla durante un minuto y se deja reposar manteniendo la presión
para conseguir la saturación de la mezcla.
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Se abre la válvula de salida de la cámara de presión y se
transfiere el líquido a una probeta graduada de un litro, teniendo
en cuenta que la velocidad no sea muy alta para mantener el
contacto aire-líquido adecuado. Se permite la separación, durante
un determinado tiempo de retención y se separa el efluente
clarificado del lodo
Se analiza por separado el lodo y el efluente clarificado. Es
importante conocer la concentración de sólidos suspendidos en el
efluente, grasas y aceites, turbiedad y materia orgánica. Del lodo
se determina su volumen y la concentración de sólidos.
Se calcula la relación (A/S) ya que es conocido la concentración
de sólidos en suspensión del agua residual problema, así como la
presión de operación dentro de la cámara de presión. Se repite el
ensayo modificando las presiones de operación para obtener
diferentes relaciones A/S
Se representa las diferentes relaciones A/S obtenidas frente al
grado de clarificación de los afluentes analizados. Estas curvas
indican que a medida que aumenta la relación A/S se produce mayor
reducción de sólidos en el efluente. Una selección adecuada de A/S
nos lleva a un equilibrio entre los costes de mantenimiento y
equipos y la calidad del efluente deseada
Es importante citar, que si se utilizan productos químicos,
coagulantes o floculantes que ayuden a la separación, se deben
introducir en la cámara de presión antes de su presurización
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La sedimentación o decantación consiste en la separación, por la
acción de la gravedad de las partículas suspendidas cuyo peso
específico es mayor que el del agua y no pueden retenerse en las
unidades de pretratamiento, por su finura o densidad, ni pueden
separarse por flotación
El objetivo de esta operación es la obtención no solamente de un
efluente clarificado sino también de un fango cuya concentración
sólidos permita su fácil tratamiento y manejo
La sedimentación es utilizada para remover sólidos sedimentables
y material flotante, así como separar los sólidos orgánicos e
inorgánicos (decantación primaria), o también en separar la biomasa
y los sólidos suspendidos del efluente tratado en los procesos
biológicos (decantación secundaria)
En base a la concentración de las partículas y de la interacción
entre las partículas dependiendo de su naturaleza, se distinguen
fundamentalmente tres tipos de sedimentación: sedimentación
discreta, difusa y por zonas. Aunque en la realidad, es frecuente
que los tres mecanismos se lleven a cabo simultáneamente serán
estudiados individualmente en las siguientes secciones
En la sedimentación discreta o granular, las partículas
sedimentan como unidades individuales con velocidad de caída
constante y sin interacción unas de otras, su naturaleza no cambia
durante el proceso. Un ejemplo es la deposición de la arena en los
desarenadores
En la sedimentación difusa o floculenta, las partículas se
agregan, cambian su naturaleza (densidad y velocidad de
sedimentación, etc.), y al unirse aumentan de masa y sedimentan a
mayor velocidad. Un ejemplo es la precipitación que ocurre en los
clarificadores o decantadores primarios de la EDAR
La sedimentación por zonas ocurre cuando las fuerzas entre
partículas son suficientes para entorpecer la sedimentación,
permaneciendo en posiciones relativamente fijas. Las partículas
forman una especie de manta que precipita como una unidad. Esta
sedimentación se presenta en los decantadores secundarios de los
procesos biológicos y en la
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sedimentación química
Es comprensible que es muy difícil determinar, teórica o
experimentalmente, un modelo que sea aplicable al proceso real de
la decantación de aguas residuales, debido a la gran variedad de
condiciones y mecanismos que se registran durante el proceso de
sedimentación. Es por ello, que el proyecto de los decantadores
está basado, al menos parcialmente en la experiencia
Las variables que intervienen en el diseño y dimensionamiento de
estos equipos son fundamentalmente: el tamaño y peso específico de
las partículas, las fuerzas biológicas o eléctricas entre ellas, el
tiempo de retención, la velocidad ascensional y la velocidad
horizontal
Las variables climáticas sobre todo el viento y la temperatura
tienen especial importancia. A mayor temperatura, menor es la
densidad del líquido y más rápida, por tanto la sedimentación, sin
embargo, hay que evitar los gradientes de temperatura que producen
corrientes térmicas que disminuyen el rendimiento
El dimensionado dependerá también de las características
geométricas (rectangulares o circulares) y de los dispositivos que
dispongan los decantadores (vertederos, pocetas, laminas, etc.).
Mención especial tendrán los decantadores laminares a los cuales se
les dedica una sección
La teoría de la sedimentación discreta se basa en la ley de
Newton. Según esta ley, una partícula granular esférica homogénea,
en suspensión en un líquido en reposo, va acelerándose hasta que
las fuerzas que provocan la sedimentación (las fuerzas
gravitatorias menos el empuje hidrostático) se equilibran con las
fuerzas de fricción ofrecidas por el líquido (fuerzas de viscosidad
y de inercia).
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El coeficiente de arrastre (Cd) depende de la forma de la
partícula (las consideramos como esferas) y del régimen de
movimiento de las partículas (laminar o turbulento) que viene
determinado por el número de Reynolds
Si el número de Reynolds es muy pequeño (Re < 2) predomina
las fuerzas de inercia sobre las fuerzas de viscosidad (primer
termino de la ecuación Cd = 24/Nr). Al sustituir este termino en la
ecuación se obtiene la ley de Stokes
Si el número de Reynolds es muy grande (Re > 500) predomina
las fuerzas de viscosidad sobre las fuerzas de inercia (último
termino de la ecuación Cd = 0,4). Al sustituir este termino en la
ecuación se obtiene la ley de Newton
Entre estas dos zonas, tenemos la zona de transición o zona de
Allen que determino que el coeficiente de arrastre era igual Cd =
18,5 / Nr 0,6
Esta teoría desarrollada por Hazen y Camp es la base del diseño
de sedimentadores rectangulares, como los desarenadores, donde a
partir de una velocidad de caída seleccionada quedan eliminadas
todas las partículas cuya velocidad de sedimentación sea igual o
superior a ésta
La velocidad de caída de las partículas por lo tanto dependerán
fundamentalmente del tamaño y densidad de la partícula, de la
densidad del líquido y del régimen de corriente del líquido en el
que se desplaza la partícula. En el diagrama de la figura se ve la
velocidad de caída de distintas clases de partículas como la arena
que tiene un peso específico de 2,65
Las ecuaciones de diseño de los sedimentadores rectangulares de
partículas discretas o granulares, como la arena, ya se estudiaron
en la sección dedicada al desarenado (desarenadores de flujo
horizontal)
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En el caso de sedimentadores de sección circular la velocidad
horizontal variara con el radio, mientras que la velocidad de
sedimentación permanecerá constante. Las trayectorias de las
partículas serán curvas en lugar de rectas
El rendimiento teórico al igual que en el caso de los
rectangulares se puede calcular por la consideración de triángulos
semejantes. Para una determinada velocidad de sedimentación elegida
(Vs) cuando Vs' sea mayor o igual Vs las partículas se eliminaran
en un 100 % mientras que cuando Vs' sea menor que Vs el rendimiento
de eliminación será Vs'/Vs
La imagen muestra el funcionamiento de un clarificador primario
típico
Otra manera de calcular tanto el diseño y dimensionamiento, como
el control de estos decantadores es a partir de datos de
laboratorio obtenidos a partir de ensayos en columna de
sedimentación. Los ensayos en columna se verán más detalle en una
sección posterior
Todas las partículas que tengan una velocidad de caída mayor que
la seleccionada precipitarán en el fondo del tanque, mientras que
las partículas con velocidad inferior serán eliminadas de acuerdo a
la relación: Velocidad superior a la seleccionada/Velocidad
seleccionada. La fracción total de partículas eliminadas vendrá
dada por la aplicación del modelo de la figura
Es por ello que para considerar la eficacia de la eliminación en
un tiempo dado hay que considerar toda la gama de velocidades de
sedimentación presentes en el sistema. La curva de distribución de
frecuencias de las velocidades de sedimentación se puede obtener a
partir del ensayo de sedimentación en una columna
Haciendo un balance de materia al decantador se obtienen los
modelos para el dimensionamiento y control del proceso
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La sedimentación difusa de las partículas floculadas se van
aglutinando en su descenso, por adsorción o coalescencia,
aumentando su tamaño y por consiguiente su velocidad de
sedimentación. La trayectoria de la partícula en un depósito de
flujo horizontal es curvilínea
La eficacia de esta sedimentación depende de la posibilidad de
contacto entre las partículas, que es función del tamaño y carga de
las partículas, de la carga superficial, del gradiente de velocidad
del sistema y de la altura del decantador. También dependerá de la
naturaleza de las sustancias químicas que se le adicione al agua
bruta para ayudar en la sedimentación
La altura del depósito al contrario que en la sedimentación
discreta tiene gran importancia, ya que las oportunidades de
contacto entre los flóculos aumenta a medida que el recorrido
vertical sea mayor. En estas condiciones el porcentaje de retención
de las partículas en suspensión depende de la superficie, de la
profundidad y del caudal es decir del tiempo de retención
hidráulico.
Bajo estas condiciones no existe ningún modelo teórico que
permita el cálculo de la velocidad de sedimentación. Para
determinar las características de esta sedimentación se utiliza una
columna de sedimentación. Este ensayo de sedimentación se tratará
con detenimiento en una sección posterior
Una vez realizado el ensayo se representa para la muestra
analizada las curvas de eliminación porcentual de los sólidos de
separados en función del tiempo de retención y la altura
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La velocidad de sedimentación efectiva puede calcularse como la
relación entre la altura y el tiempo necesario para obtener un
porcentaje dado sedimentado. Todas las partículas cuya velocidad de
sedimentación sea igual o superior a Vs se eliminarán en un
decantador ideal que tenga una carga superficial igual a Vs
Hay que tener en cuenta que las condiciones en las que se
desarrolla este ensayo en la realidad no son las óptimas, por lo
que se adopta a la hora del diseño, multiplicar los valores de la
velocidad de sedimentación por un factor que oscila entre 0,65 y
0,85, mientras que los tiempos de retención se aumentan
multiplicándolos por un factor variable entre 1,25 y 1,5
Una vez calculada la velocidad de sedimentación o carga
superficial y el tiempo de retención el diseño del sedimentador se
lleva a cabo de acuerdo al proceso de la imagen, teniendo en cuenta
que no deben ser demasiado profundos (máximo 3 metros, valor típico
1,5 metros) para que la retirada de los lodos sea efectiva
En los procesos de sedimentación de una suspensión bastante
concentrada (> 500 m/L) característica de los fangos activos y
de las suspensiones químicas floculadas se produce además de la
sedimentación libre o discreta y la sedimentación floculenta o
difusa otro tipo de sedimentación conocida como sedimentación
retardada
Este tipo de sedimentación por zonas recibe este nombre porque
durante el proceso se producen varias fases o zonas a medida que
avanza la precipitación de las partículas. Así se pueden distinguir
varias fases: fase de clarificación, fase de transición y la fase
de compactación
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La fase clarificada se produce por encima de la región de
sedimentación a medida que van precipitando las partículas. Las
partículas dispersas que permanecen en esta fase precipitaran como
partículas discretas o floculadas , tal y como se ha descrito en
las secciones anteriores
En la fase de transición la velocidad de sedimentación de las
partículas disminuye como consecuencia de que las partículas están
tan próximas las unas a las otras que sus campos de velocidad se
interfieren entre si. El líquido experimenta un desplazamiento
hacia arriba por los intersticios de las partículas frenando la
sedimentación de éstas
Entre la fase de clarificación y de transición se produce una
fase interfacial. La fase interfacial se mueve hacia abajo con una
velocidad constante "Vs" mientras que la zona de transición se
mueve hacia arriba con velocidad constante "Va", eventualmente
estas dos fases se encuentran en un momento "tc" denominado momento
crítico en el que la fase de transición desaparece
En la fase de compactación, las partículas entran en contacto
físico produciéndose su compresión, ya que las fuerzas de
interacción física entre las partículas es especialmente intensa.
En el momento crítico el lodo sedimentado tiene una concentración
denominada crítica, a partir de ese momento empieza a espesarse
hasta alcanzar su concentración final
Al igual que sucedía en la sedimentación floculenta, la
imposibilidad de adoptar un modelo matemático teórico para este
tipo de sedimentación de aguas residuales de alta carga, es preciso
obtener los parámetros de diseño mediante ensayos y análisis de
laboratorio
A efectos del dimensionamiento de un decantador secundario, que
describe sedimentación zonal, se tiene que tener en cuenta 3
factores: la superficie mínima para la clarificación del lodo, la
superficie mínima para el espesamiento para alcanzar las
concentraciones de lodo deseadas y la tasa de extracción del
fango.
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A partir de las curvas típicas de sedimentación de estos lodos
de tratamiento biológico se obtienen, a través de los ensayos en
columna, los valores de velocidad de sedimentación para la zona de
clarificación y para la zona de espesamiento de lodos
Conocidas estas velocidades se determinará el área para la zona
de clarificación y la zona de espesamiento del decantador y se
elegirá como superficie de diseño del decantador aquella de las dos
áreas que sea mayor. A partir de esa superficie se estimarán el
resto de parámetros de diseño: el tiempo de retención, la carga
hidráulica y la carga de sólidos
Mediante el ensayo de sedimentación también se puede determinar
el volumen necesario para el fango de la región de compresión. Así
se ha comprobado que la velocidad de compactación en esta zona
corresponde a un modelo cinético de primer orden, es decir, la
velocidad de sedimentación es proporcional a las diferencias de
alturas del fango transcurridos intervalos de tiempo
Los ensayos de sedimentación se llevan a cabo en una columna de
sedimentación. Esta columna debe ser de altura similar a la del
decantador que se desea simular, generalmente entre 2 y 3 metros.
El diámetro mínimo debe ser de 15 cm para evitar efectos pared y
debe tener dispositivos de toma de muestra cada 30 o 50 cm
La columna se rellena con el agua residual problema y se la
mantiene homogeneizada mediante agitación con un agitador portátil
con el fin de mantener una concentración de sólidos constante a lo
largo de la misma. También es importante que la temperatura se
mantenga constante durante el ensayo con objeto de evitar
corrientes térmicas de convección
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Se retira el agitador y se deja la solución en reposo. Cada
determinados intervalos de tiempo se toman muestras en cada una de
las alturas de muestreo y se analizan los sólidos en suspensión. A
cada altura de toma de muestra se analizarán aquellas partículas
cuya velocidad de caída sea inferior a h/t siendo "h" la altura de
la toma de muestra y "t" el tiempo de sedimentación.
La suspensión de la toma de muestra que es sometida a ensayo
tiene una concentración en sólidos en suspensión igual a "SS"
frente a la concentración de sólidos disueltos inicial "SSo" del
agua problema introducido en la columna de sedimentación. El
cálculo del % de sólidos en suspensión eliminados se hace de
acuerdo a la figura
Los resultados de los ensayos serán distintos según el tipo de
agua problema. Las aguas que contienen partículas discretas
(arenas) obtendremos, para una determinada altura de muestreo, al
representar el porcentaje de sólidos que permanecen en la muestra
frente a la velocidad de sedimentación, la curva de distribución de
frecuencias de las velocidades de sedimentación.
Seleccionada una velocidad de sedimentación (Vs') de las
partículas se puede calcular a partir de la gráfica anterior, el
porcentaje total de partículas eliminadas. El primer termino de la
ecuación corresponde al porcentaje de partículas que tiene una
velocidad de caída superior a Vs', mientras que el segundo termino
(la integral) corresponde al porcentaje de partículas que tiene una
velocidad de caída inferior a Vs' y se calcula integrando
gráficamente
Si el agua residual problema corresponde a la que tendríamos en
un decantador primario de una EDAR urbana (sedimentación
floculenta), al representar la fracción en % de sólidos eliminados
frente al tiempo obtendríamos una representación como la de la
figura
A partir de la representación anterior se toman tiempos para la
misma fracción (%) de sólidos eliminados a cada una de las alturas
de muestreo y se construye la gráfica de isorendimientos uniendo
los puntos de idéntico porcentaje de eliminación mediante una
curva
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Para un determinado tiempo de retención elegido, se calcula la
velocidad de sedimentación de las partículas o carga superficial
dividiendo la altura de ensayo entre el tiempo de retención
seleccionado
El rendimiento global de sólidos en suspensión eliminados a un
determinado tiempo de retención, para la altura de ensayo, se puede
determinar como el sumatorio del % de partículas eliminadas, a ese
tiempo de retención, para cada uno de los rendimientos
En el caso de concentraciones altas de sólidos en suspensión,
típicas de la decantación secundaria de fangos activos o
sedimentación química, obtendremos al realizar el ensayo de
sedimentación en columna, las curvas típicas de la sedimentación
zonal
Para este tipo de decantadores es necesario calcular el área
requerida para el espesamiento y el área requerida para la
clarificación. La superficie que sea mayor de las dos, será el área
de diseño del decantador. La superficie necesaria para el espesado
se determina mediante el método desarrollado por Talmadge y
Fitch
Establecida la concentración deseada de sólidos en el lodo
espesado (Cu), se calcula la altura que tendrá el lodo espesado
(Hu) teniendo en cuenta su proporcionalidad con la altura de la
columna de ensayo (Ho) y la concentración inicial de sólidos en
suspensión puestos en el sistema (Co).
El tiempo de retención (tu), para conseguir la concentración de
fango deseada en el fondo del tanque, se calcula trazando una línea
horizontal a la profundidad (Hu) y la tangente a la curva de
sedimentación en la zona de transición. La recta vertical que pasa
por el punto de intersección de las dos rectas trazadas proporciona
el valor de "tu". El área necesaria para el espesado (Ae) se
calcula con el modelo de la figura
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El área de clarificación se determina a partir de la velocidad
de sedimentación. Esta velocidad se calcula mediante la porción de
recta de la curva de sedimentación perteneciente a la zona de
clarificación. La velocidad de descenso en esta zona se corresponde
con la pendiente de la recta en cada instante de tiempo
Para finalizar, el caudal de clarificación o de rebose (Qo), es
proporcional al volumen de líquido que hay sobre la zona crítica de
lodos. Se considera que todo el volumen de líquido que hay sobre la
altura (Hu), calculada para la concentración deseada de sólidos en
el lodo espesado, esta clarificada. El área de clarificación (Ac)
es igual al cociente entre este caudal de clarificación y la
velocidad de sedimentación antes calculada
En el diseño de los decantadores no existe ningún modelo ideal,
ya que se producen remolinos en el seno de líquido, el viento puede
formar ondas, se pueden crear corrientes de convención térmicas,
etc. Es por ello que cobra especial importancia la experiencia,
basándose el dimensionado en valores estadísticos obtenidos después
de múltiples ensayos experimentales
El diseño de los decantadores se realizará en función de la
velocidad ascensional y del tiempo de retención hidráulico, que
variara según las características geométricas de los tanques:
rectangulares o circulares y según el tipo de empleo: decantación
primaria, secundaria o después de un proceso químico
La superficie de los decantadores se calcula en función de la
carga hidráulica o de la velocidad ascensional. En la figura se
exponen valores típicos para la decantación primaria, teniendo en
cuenta que si se usa como tratamiento único deben disminuirse estas
cifras en un 30 %
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Los decantadores secundarios posteriores a procesos biológicos
(fangos activos y lechos bacterianos) la velocidad ascensional a
caudal medio no debe ser superior a 0,8 m3/m2*h. El área de
sedimentación requerida se calcula en función de la carga
superficial de sólidos que puede soportar el decantador
La carga superficial de sólidos expresada en kg/m2*h varia en
los fangos activos generalmente entre 2,4 y 6. Para carga media se
suele considerar un valor de 3 mientras que a carga punta un valor
de 6. La tabla nos refleja los valores experimentales de carga
superficial referidos a caudal de entrada en función de la
concentración de sólidos en el licor mezcla
El volumen de decantación se calcula en función del tiempo de
retención hidráulico. En la figura se exponen valores típicos para
la decantación primaria, teniendo en cuenta que si se usa como
tratamiento único deben disminuirse estas cifras en un 30 %
El tiempo de retención en la decantación secundaria suele estar
comprendido a caudal medio entre 2 y 3 horas. En este tipo de
decantadores si son de tipo rectangular, la velocidad horizontal
debe ser inferior a 30 m/h
Los rendimientos de un decantador primario para sólidos
sedimentables, en función del tiempo de retención y la velocidad
ascensional están reflejados en la gráfica
Se considera que para el dimensionamiento de los decantadores
circulares de flujo vertical el diámetro del tanque será como
máximo 40 m y su altura de 3 metro
Se recomienda que la carga de rebose sobre el vertedero
perimetral a caudal máximo para decantadores grandes no exceda 16
m3/m h. y para tanques pequeños 10,5 m3/m h. La velocidad
ascensional en la zona inmediata al vertedero estará entre 3,6 y
7,2 m3/m2h
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Las relaciones dimensiónales entre la altura útil del decantador
y la anchura en los decantadores rectangulares deben guardarse en
márgenes estrechos para evitar efectos pared. Así por ejemplo para
un decantador primario se recomienda que la relación entre la
longitud y la altura este entre 5 y 40, y entre la longitud y la
anchura entre 1,5 y 7,5. Estos parámetros también se pueden
calcular por tanteo. (Formulas Huisman).
Otras referencias para proyectos de decantadores primarios se
exponen en la imagen
Se expone, de manera orientativa, las características adecuadas
para la decantación posterior a procesos químicos (adición de
sulfato de alúmina y coagulante férrico)
Existen otros decantadores especiales como los decantadores
dinámicos y los decantadores laminares o lamelares. Los
decantadores dinámicos funcionan con lechos de fangos y
recirculación de fangos preformados, entre ellos tenemos los de
tipo Pulsator y los de tipo Accelerator. Estos sistemas se basan en
acelerar el estado de equilibrio
Los decantadores dinámicos están basados en la ventaja que tiene
la mezcla del agua bruta con fangos procedentes de precipitados, lo
que se traduce en una enorme aceleración de la precipitación de las
partículas recién formadas y que se encuentran en el agua en estado
de supersaturación. Los sólidos del agua bruta se unen a la
superficie de los flóculos presentes aumentando su tamaño y
precipitando rápidamente
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Los decantadores laminares tienen el propósito de aumentar la
superficie de la decantación y obtener el flujo laminar. La idea
surge a partir de la teoría de la sedimentación discreta en la que
se veía que la velocidad de caída de las partículas no depende de
su altura, con este concepto es posible ampliar la capacidad del
decantador utilizando paquetes de tubos cilíndricos o placas
paralelas inclinadas que se comportan como si la partícula pasara
por "n" decantadores
El funcionamiento y diseño de estos equipos, que es en lo que se
centra esta sección, fue desarrollado sucesivamente por Hazen, Camp
y Yao. Además de laminar, ya que se pretende reducir el flujo a
Reynolds menores de 500, se denominan lamelares por estar formados
por lámelas o llamelas o láminas, o también se llaman modulares por
la compartimentación en módulos.
El flujo dentro de estos decantadores sigue una trayectoria
ascendente a través de los módulos o tubos y sale por la parte
superior de los módulos. Los sólidos que se depositan en las placas
se mueven en contracorriente por acción de la fuerza de la gravedad
hasta depositarse en el fondo del tanque
Los mayores problemas que presentan estos sistemas son los
olores debidos a los crecimientos biológicos, la acumulación de
aceites y grasas y la obstrucción. Por ello, para que constituyan
elementos autolimpiables, las placas se tienen que inclinar entre
45 y 60º con la horizontal. Si es inferior a 45º tiende a
producirse acumulación de fango en el interior de los módulos y si
es superior a 60º el sistema pierde efectividad
Considerando un sistema de ejes como el de la figura, el modelo
general para flujo laminar unidimensional, con partículas
suspendidas discretas se formula en función del parámetro (Sc) que
caracteriza el trabajo teórico de estos decantadores
La velocidad crítica de caída o carga superficial que se utiliza
como base para el diseño de los decantadores laminares en cm/s se
obtiene a partir de despejar del modelo anterior el valor de
"Vs"
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De la misma manera despejando "L" podemos obtener el valor la
longitud relativa de las placas. Cuando están dispuestas
paralelamente (Sc = 1) se puede expresar la longitud "l" de las
placas de acuerdo al modelo de Yao y Torres
El rendimiento de la sedimentación laminar dependerá de la
longitud relativa del tubo cilíndricos o placas propuesto para el
diseño
La separación entre placas se puede calcular a partir de las
relaciones de proporcionalidad existentes entre la altura vertical
de las placas y la velocidad de caída o la carga hidráulica
seleccionada en el decantador y las placas
De forma similar se puede calcular la superficie total de las
placas, siendo la superficie mínima la que corresponderá con una
inclinación de las placas de 45º
Para el correcto funcionamiento de los decantadores laminares es
preciso mantener el régimen laminar o dicho de otra manera un
número de Reynolds entre 100 y 200. La figura nos muestra las
dimensiones de tubos cilíndricos y conductos cuadrados para la
velocidad máxima admisible
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La entrada a los decantadores circulares se realiza generalmente
mediante un cilindro de entrada que reparte uniformemente, bajo una
corona circular, el agua residual a las zonas inferiores del
decantador
La entrada en los decantadores rectangulares suele usarse un
vertedero en la parte opuesta a la salida, con una mampara frontal
de tranquilización. Esta mampara tiene como misión romper la
energía de entrada del agua y facilitar su distribución hacia la
parte inferior del equipo
Tanto en los decantadores rectangulares como los circulares
también se pueden utilizar dispositivos de rotura de carga. Estos
sistemas se basan en dispositivos de perdidas de carga localizadas
con objeto de realizar un reparto homogéneo en toda la zona de
entrada
Las dimensiones en la zona de entrada dependerán del tipo de
flujo. Cuando el flujo es horizontal, generalmente decantadores
rectangulares, se dimensiona en función de la perdida de carga
ocasionada por la entrada del agua al sistema. Cuando el flujo es
vertical, generalmente circulares, el agua entra por el centro del
decantador a través de un cilindro de entrada que se dimensionara
en función de la altura y diámetro del decantador
La zona de salida en los decantadores circulares suelen ser
vertederos perimetrales de tipo dentado. Con este vertedero las
variaciones de nivel debido a la modificación del caudal quedan
atenuadas y se evita la recogida la carga superficial que puede
llevar espumas y flotantes
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En los decantadores rectangulares se usan vertederos de salida
rectangular. Cuando hay excesiva carga de agua se colocan varios
vertederos en paralelo, no ocupando una superficie superior a un
tercio de la del decantador
La longitud del vertedero de salida del decantador se dimensiona
en función de la carga de salida y el caudal a tratar. Se suelen
como valores típicos de carga los indicados en las tablas
Los sistemas de barrido de fango generalmente se realiza con
barrederas de fondo. En los decantadores circulares las barrederas
parten de centro y giran bien desde el eje central mediante un
moto-reductor o desde la periferia mediante un carro tractor. Estas
barren el fango del fondo hacia una poceta central donde se retiran
posteriormente
Las rasquetas de los decantadores rectangulares se desplazan
normalmente de forma longitudinal, barriendo los fangos hacia una
poceta situada en el extremo de la llegada del agua. Las rasquetas
pueden ser movidas por cadenas sin fin o mediante un puente
tractor
Otra manera de eliminar el fango en estos dos tipos de
decantadores es mediante bombas de succión. El fango es aspirado
del fondo mediante aspiradoras. Este sistema tiene la desventaja de
que al ser de manera continua no se produce concentración del
fango
La velocidad de las barrederas estará ente 0,3 a 1,2 m/min y las
inclinaciones de los fondos para dichas rasquetas estarán entre el
2 - 8 % en los circulares y del 0,5 - 2 % en los rectangulares
Estas barrederas a su vez sirven para la eliminación de los
flotantes como los aceites y las grasas que se vierten en los
decantadores circulares a arquetas con un dispositivo especial que
genera una sobreelevación de la lámina de agua en una zona reducida
descargando sobre una poceta. En los decantadores rectangulares
suele ser un canal en la pared al que llegan los sobrenadantes
empujados por la barredera
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superficial
El barrido de fangos se recoge en pocetas situadas en el centro
en los decantadores circulares y en un extremo en los decantadores
rectangulares. También pueden incorporar pocetas longitudinales que
reducen el trayecto de transporte del fango en el fondo del
decantador
El caudal de fangos producido en el decantador dependerá del
caudal, de la concentración de sólidos en suspensión en el agua
bruta y de la concentración de los fangos en la salida de la purga.
La concentración de los fangos en la salida de la purga de
decantadores con bombas de succión tiene valores entre 1 - 2 %,
mientras que para decantadores con pocetas entre un 3 - 6 %.
El volumen de la poceta es función del caudal de fangos
producidos y del tiempo de retención, que a su vez varia
dependiendo de la geometría del decantador y del tipo de barrido de
fangos. No obstante es normal, a pesar de los tiempos de retención
dados para el dimensionamiento que la purga se realice
continuamente o en temporizaciones cortas
FIN DE LA UNIDAD