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Tratamientos PRIMARIOS

DIMENSIONAMIENTODEUNIDADES

Mercedes Villa Achupallas M.Sc.

TRATAMIENTOPRIMARIO

El objetivo del tratamiento primario es favorecer la

eliminación de sustancias en suspensión, sustancias

disueltas y la supresión de la flora microbiana, además

de la posible corrección de algunas características

físicoquímicas.

Mercedes Alexandra Villa Achupallas M.Sc.

Químico Ajuste de pH (neutralización) Coagulación y floculación Oxidación

Físico Sedimentación Sedimentadores Tanque imhoff Tanque séptico

Flotación Gravedad Inducido

Coalescencia

TRATAMIENTOSPRIMARIOS

Se caracterizan por ser tratamientos Físico‐

Químicos, incluye unidadescomo: coagulación,

floculación, decantación y filtración.


El tratamiento primario esta dado por las siguientesunidades de tratamiento, que dependiendo del grado decontaminación del efluente, se pueden emplear todas lasunidades o alguna de ellas.

TRATAMIENTOPRIMARIO


Las aguas potables o residuales, en distintas cantidades,

contienen material suspendido, sólidos que pueden sedimentar

en reposo, ó sólidos dispersados que no sedimentan con

facilidad llamados coloides.

Un COLOIDE es una sustancia que:

Es suficientemente grande para no estar disuelta y

Tamaño pequeño que no favorece la sedimentación.

COAGULACIÓN‐FLOCULACIÓN


OBJETIVO: Eliminar material coloidal y emulsionado que no se puedeneliminar mediante operaciones físicas.



COAGULACIÓN, es la reacción química que tiene lugar por laadicción de determinados compuestos a una dispersióncoloidal, produciendo una desestabilización de las partículascoloidales, mediante la neutralización de las cargas eléctricasasí como la formación de un flóculo de barrido



FLOCULACIÓN

La formación de partículas fácilmente sedimentables a partir de

las partículas desestabil izadas de tamaño submicroscópico por

agrupamiento entre ellas y formación de otras de mayor tamaño.

SEPARACIÓN DE FLÓCULOS

En el proceso de coagulación-floculación, no tiene lugar

separación alguna de contaminantes, sino una adecuación de

determinadas partículas para que puedan ser separadas

fácilmente a través de decantación o de flotación posterior.



ACCIÓNDELCOAGULANTE

Coagulación se refiere a la

desestabilización de la suspensión

coloidal.

Floculación se limita a los fenómenos

de transporte de las partículas

coaguladas para provocar colisiones

entre ellas promoviendo su

aglomeración.

ACCIÓNDELCOAGULANTE


COAGULACIÓN‐ FLOCULACIÓN:

Para favorecer la formación de aglomerados de mayor

tamaño se adicionan un grupo de productos

denominados floculantes.

Los coagulantes, neutralizan las cargas, produciendo

un colapso de la nube de iones que rodean los

coloides, de modo que puedan aglomerarse.


COAGULACIÓN‐FLOCULACIÓN:

Las especies coloidales halladas en aguas superficiales

y residuales incluyen:

arcillas,

sílice,

hierro,

metales pesados,

color ó sólidos orgánicos (residuos de animales muertos)

Si se añade demasiado coagulante las partículas secargan ahora con el signo contrario y pueden volvera dispersarse.


MEZCLADODELCOAGULANTE:

Para complementar la adición del coagulante se requiere del

mezclado para destruir la estabil idad del sistema coloidal.

Para que las partículas se aglomeren deben chocar, y el mezclado

promueve la colisión.

Un mezclado de gran intensidad que distribuya al coagulante y

promueva colisiones rápidas es lo más efectivo.

Una vez que se ha añadido el coagulante y se ha realizado la

operación de coagulación se pasa a la formación de flóculos

mayores.


CRECIMIENTODELOSFLÓCULOS

Puede ocurrir que el flóculo formado por la aglomeración de

varios coloides no sea lo suficientemente grande como para

asentarse con la rapidez deseada. Por ello es conveniente

utilizar productos denominados Floculantes.

La floculación es estimulada por un mezclado lento que junta

poco a poco los flóculos.


REACTIVOSYCOAGULANTESCOMUNES

COAGULANTES FLOCULANTES

Sulfato de Alúmina Sílice activa

Sulfato Férrico Oxidantes (MO)

Cloruro Férrico Adsorbentes (MP)

Aluminato sádico

Históricamente, los coagulantes metálicos, sales de Hierro y Aluminio, han sido

los más utilizados en la clarificación de aguas y eliminación de DBO y fosfatos de

aguas residuales.

Para determinar la dosis de coagulante y floculante se debe realizar una

experimentación en el equipo de “Jar test” (Prueba de Jarras) que permite

conocer el tiempo de agitación y sedimentación para cada proceso.Mercedes Alexandra Villa Achupallas M.Sc.

EQUIPODEJAR TEST:


RENDIMIENTODELTRATAMIENTO

COAGULACIÓN ‐ FLOCULACIÓN SEDIMENTACIÓN

80 – 90% SS 50 – 70% SS

40 ‐ 70% DBO5 30 – 40% DB05

30 – 60% DQO 5 – 20% DQO


Unidad de coagulación

Tiempo de mezcla corto

Gradientes de velocidad altos

Se forman los microfóculos

Unidad de floculación

Los microflóculos deben aglomerarse

Tiempo necesario de 20 a 60 minutos

Se precisa una agitación suave para favorecer la mezcla e impedir la

rotura de los flóculos

Unidad de separación

INFRAESTRUCTURANECESARIA



Acondicionamiento de pH

Adición de Floculante


La mayoría de unidades de coagulación y floculación en los

sistemas de tratamiento de aguas operan bajo condiciones demezcla turbulenta.

Los gradientes de velocidad no suelen estar bien definidos

bajo condiciones de mezcla turbulentas, por lo que se ha

desarrollado una expresión sencilla para relacionar la

intensidad de mezclado con la potencia aplicada por unidad

de volumen.

Un balance de fuerzas aplicado a un elemento de fluido puede

dar lugar a la siguiente relación entre gradiente develocidad y potencia aplicada.



DONDE,

G = GRADIENTE DE VELOCIDAD, s-1

P = POTENCIA APLICADA, W

V = VOLUMENDEL REACTOR DE MEZCLADO, m3

μ = VISCOSIDAD DINÁMICA, Pa•s (Kg/m s)



DONDE: P = POTENCIA, W KT = CONSTANTE DEL AGITADOR n = VELOCIDAD ROTACIONAL, REVOLUCIONES/s Di = DIÁMETRO DEL AGITADOR, m

ƿ = DENSIDAD DEL LÍQUIDO, Kg/m3



CONSTANTE DEL AGITADOR (KT)

Hélice, montada en 1,3 palas 0.32

Hélice, montada en 2,3 palas 1Turbina, 6 palas planas 6.3Turbina, 6 palas curvas 4.8Turbina "ventilador", 6 palas curvas a 45° 1.65Turbina cubierta, 6 palas curvas 1.08



Mezcladores mecánicos en el tanque.

COAGULACIÓN:MEZCLADORÁPIDO


G está en el intervalo de 600 a 1000 s-1

Tiempos de residencia ( ó t) en torno a 1-10 s

Máximo volumen del tanque = 8 m3

Profundidad del líquido = 0.5 a 1.1 veces el diámetro o ancho del tanque

Diámetro del agitador: entre 0.3 y 0.50 veces el diámetro o ancho del tanque

Los deflectores verticales suelen tener un ancho en torno al 10 % del diámetro o ancho del tanque

COAGULACIÓN:MEZCLADORÁPIDOCONSIDERACIONES DE DISEÑO


Los agitadores no suelen tener un diámetro superior a

1metro

La profundidad del líquido ha de ser aumentada entre 1.1

y 1.6 veces el diámetro del tanque si se emplean dos

agitadores por eje. Cuando éstos se utilizan han de estar

espaciados alrededor de dos veces el diámetro del

agitador.

La eficacia de transferencia de la potencia del motor del

agitador al agua es del orden del 80% para agitadores

COAGULACIÓN:MEZCLADORÁPIDOCONSIDERACIONES DE DISEÑO


Floculador mecánico de palas de eje horizontal

FLOCULACIÓN:MEZCLADOLENTO


FLOCULACIÓN:MEZCLADOLENTO

Floculador mecánico de turbinas de eje vertical.


TIPO G (s‐1) G ‐ tBaja turbidez, eliminación de color 20 – 70 60000 – 200000Elevada turbidez, eliminación de sólidos 30 ‐ 80 36000 ‐ 96000

Tiempo hidráulico de residencia = 900 - 1800 s

Los floculadores suelen ser diseñados con un mínimo de tres

compartimentos para ejercer un mezclado gradual.

El diámetro del agitador suele ser de 0.2 a 0.5 veces el ancho del

tanque, estando el máximo diámetro de los agitadores en torno a 3 m.

CONSIDERACIONES DE DISEÑOFLOCULACIÓN:MEZCLADOLENTO


Coagulación: desestabil ización del coloide.

Floculación: Coloides inestables forman flóculos.

Separación de flóculos: Mediante unidades de decantación, flotación o fi ltración.

El proceso de coagulación‐floculación, es un proceso simple, perocostoso.

Se emplea cuando hay poca Materia Orgánica.

Apropiado para vertidos intermitentes, climas fríos y vertidostóxicos (industriales, lixiviados, etc.)

Durante el proceso, el agua a tratar se comporta en régimenturbulento.

CONCLUSIÓN


DIMENSIONAMIENTO

EJERCICIODEAPLICACIÓN

De acuerdo a las características del vertido que se indicana continuación, diseñe la unidad de Coagulación‐Floculación, óptima para su tratamiento.


Caudal de agua residual a tratar: 2 m3/s

Dosis de Coagulante: 40 mg/L FeCl3

Concentración del producto comercial : 40%

Frecuencia de suministro de coagulante: 15 días

G ∙t = 600 – 10000

G = 600 – 1000 s‐1

t = 1 – 10 s

= 1.053 ∙ 10‐3 Pa ∙ s

Tª agua residual: 18 ºC

Eficacia estándar de los agitadores: 80%

(Profundidad tanque/diámetro tanque) = 0.5 – 1.1

(Diámetro agitador /diámetro tanque) = 0.3 – 0.5

EJERCICIO:COAGULACIÓNPARÁMETROS DE DISEÑO


Mezcladores comerciales

EJERCICIO:COAGULACIÓNPARÁMETROS DE DISEÑO

MODELO rpm POTENCIA (kW) MODELO rpm POTENCIA (kW)

TJQ25 30.45 0.18 TJQ300 110.175 2.24

TJQ50 30.75 0.37 TJQ500 110.175 3.73

TJQ75 45.7 0.56 TJQ750 110.175 5.59

TJQ100 45.11 0.75 TJQ1000 110.175 7.46

TJQ150 45.11 1.12 TJQ1500 110.175 11.19

TJQ200 70.11 1.5


1. Calculemos el volumen del tanque de coagulación

2. Calculemos la potencia de agitación aplicada necesaria

3. Calculemos la potencia de agitación necesaria

EJERCICIO:COAGULACIÓNCÁLCULOS

Tiempos de residencia ( ó t) en

torno a 1-10 s ELIGO (=5s)

G está en el intervalo de 600 a

1000 s-1 ELIGO (G=800s-1)

0.8 es de la eficacia

estándar del agitador

(DATO)Mercedes Alexandra Villa Achupallas M.Sc.

El motor del mezclador comercial de potencia más parecida a laobtenida es el JTQ1000, con 7.46 Kw, por lo que recalcularemos paraeste mezclador los parámetros de diseño.

(Profundidad tanque/diámetro tanque) = 0.5 – 1.1(ELIGO )

Considerando esta relación, y sabiendo que el volumen de un tanque circular esta dado por:

Puede determinar la altura y el radio del tanque de coagulación.



El volumen real del tanque será:

Considerando este leve cambio en el volumen, podemosdeterminar el tiempo de residencia real en el tanque:

Verificar que el gradiente de velocidad G cumpla con el intervalo

Verifique que el producto G. este dentro del intervalo de (600 ‐10000)



Calculemos el diámetro de hélice

Consumo‐Caudal – depósito de coagulante1. Concentración del coagulante en (gr/s)

Ccoag=(Dosis coag )*(Caudal)

2. Determine el caudal del coagulante en (m3/h)Qcoag= (Ccoag) / (Dosis coag )

3. Volumen del coagulante en (m3)Vcoag= (Qcoag)*(Frecuencia de consumo de coag)


(Diámetro agitador /diámetro

tanque) = 0.3 – 0.5 ELIGO (0.4)


TANQUEDECOAGULACIÓN


Caudal de agua residual a tratar: 2 m3/s

G ∙t = 36000 – 96000

G(medio) = 30 – 80 s ‐1

t = 900 ‐ 1800 s

G(max)/G(min) = 2

Nº Compartimentos : 3

Nº Líneas: 3

= 1.053 ∙ 10 ‐3 Pa ∙ s

Tª agua residual: 18 ºC

Eficacia estándar de los agitadores: 80%

Profundidad tanque = 4 m

(Diámetro agitador /diámetro tanque) = 0.2 – 0.5

Tipo de agitador: 2 Hélices de 3 palas.

EJERCICIO:FLOCULACIÓNPARÁMETROS DE DISEÑO


Mezcladores comerciales


MODELO rpm POTENCIA (kW) MODELO rpm POTENCIA (kW)

TJQ25 30.45 0.18 TJQ300 110.175 2.24

TJQ50 30.75 0.37 TJQ500 110.175 3.73

TJQ75 45.7 0.56 TJQ750 110.175 5.59

TJQ100 45.11 0.75 TJQ1000 110.175 7.46

TJQ150 45.11 1.12 TJQ1500 110.175 11.19

TJQ200 70.11 1.5


Estimemos el volumen necesario. Adoptemos un tiempo de residencia de 1200 segundos:

V = Q*t Como el sistema consta de tres l íneas en paralelo, cada una tendrá un volumen total de:

VLÍNEA=V/#líneas

Cada línea la conforman tres tanques de floculación condiferentes intensidades de mezcla cada uno, adoptando un Gmedio de 30 s‐1 y tomando la relación de Gmax/Gmin = 2 ,tenemos que estas intensidades de agitación son:

G1 = 40 s ‐1 Gmedio = 30 s ‐1 G3 = 20 s ‐1



Resulta imposible que se cumplan las dos condiciones a la vez,

esto es, que los volúmenes de los tres tanques sumen 800 m3, y

que las intensidades de mezclado sean exactamente las

indicadas, por lo que se ha de optar por una de estas dos

posibilidades:

1.‐ Tres tanques de 267 m3 cada uno con diferentes mezcladores.

2.‐ Tres tanques de agitación de diferentes volúmenes pero con

el mismo mezclador.



Si partimos de un primer tanque de 175 m3, determinaremos la

potencia que debe tener el motor para el primer tanque:

La potencia efectiva del motor corresponde a:

En base a este dato, buscaremos en nuestra tabla de

mezcladores comerciales, el que más se aproxime a nuestro

resultado, que en este caso es el mezclador JTQ 50.

EJERCICIO:FLOCULACIÓNA) INTENSIDAD FIJA Y VOLUMEN VARIABLE


0.8 es de la eficacia

estándar del agitador

(DATO)

El tanque nº 1 tendrá un ancho de:

Adoptando una relación Dp/W de 0.3, determinamos el diámetro de

la pala del agitador.

Recuerde que: Diámetro de pala de agitador debe ser menor a 3m.

En cuanto a las revoluciones por minuto a las que tiene que girar el

mezclador, estas son:

P’1 es la potencia efectiva del motor seleccionado en (W).



“h” es la profundidad

del tanque (DATO)

El valor de KT depende del tipo de agitador, en este caso para

un agitador: Hélice, montada en 2,3 palas.

Densidad del l íquido a tratar (Agua):



CONSTANTE DEL AGITADOR (KT)

Hélice, montada en 1,3 palas 0.32Hélice, montada en 2,3 palas 1

Turbina, 6 palas planas 6.3Turbina, 6 palas curvas 4.8Turbina "ventilador", 6 palas curvas a 45° 1.65Turbina cubierta, 6 palas curvas 1.08

El numero de revoluciones por minuto que determinemos, no

debe exceder el número de rpm que estima el fabricante del

mezclador, atendiendo a la tabla de mezcladores comerciales:

Una vez verificado, que nuestro tanque floculador 1, satisfaga las

condiciones y criterios de diseño, continuamos con el diseño del

segundo tanque, de manera análoga.



MODELO rpm POTENCIA (kW)

TJQ50 30.75 0.37

Para el segundo tanque tendremos que:

Determinamos el ancho del tanque (Dato: h=4m)

Adoptando una relación Dp/W de 0.3, determinamos el diámetro de

la pala del agitador 2.

Recuerde que: Diámetro de pala de agitador debe ser menor a 3m.



Recuerde que estamos diseñando un tanque con potencia fija yvolumen variable, por lo que la potencia efectiva P’1 delmezclador se mantiene constante, lo que va a cambiar es eldiámetro de la paleta y en base a este determinará el número derevoluciones por minuto que debe girar el mezclador.

Verifique que este número de rpm no exceda las estipuladas porel fabricante.

Siguiendo el mismo procedimiento, diseñe el tercer tanquefloculador.

En caso de que el diámetro de una de las paletas sea mayor a3m, asume este valor como diámetro de paleta.

EJERCICIO:FLOCULACIÓN


A) INTENSIDAD FIJA Y VOLUMEN VARIABLE

La siguiente tabla resume, las características de cada tanque

floculador.

Cuando ca lcu lamos e l d iámetro de pa la para e l tanque 3 adoptando una re lac iónd iámetro de pala – ancho de tanque de 0.3 , obtenemos un d iámetro de pala de 3.97 m,lo cua l supera e l máx imo admis ib le de 3 m, por lo que adoptamos este d iámetro ydeterminamos cua l es la re lac ión que sa le entre e l ancho ca lcu lado (13.23 m) y e ld iámetro de pala de 3m, obten iéndose una re lac ión de 0.23, la cua l está dentro de losva lores recomendados (0 .2 – 0.5) .



tanque G (s‐1) Motor V (m3) W (m) Dpala (m) CONTROL Dpala

n (rpm) CONTROL n

1 40 JTQ50 175.000 6.614 1.984 CUMPLE 12.745 CUMPLE

2 30 JTQ50 311.111 8.819 2.646 CUMPLE 7.890 CUMPLE

3 20 JTQ50 700.000 13.229 3.969 ERROR 4.014 CUMPLE

La pala en tanque 3, es superior a 3m, se adopta por tanto : 3 CUMPLE 6.399 CUMPLE

Se verifica la relación entre fagit/ftanq, para el nuevo fpala: 0.226778684 CUMPLE


Una vez realizado los cálculos, es preciso comprobar los valores

de tiempo hidráulico de residencia (t) y de G ∙ t .

Una de las primeras condiciones dice que: t = 900 ‐ 1800 s

Considerando elevada turbidez: G∙t = 36000 – 96000

Con el t determinado anteriormente lo multiplica por Gmedio y

verifique que cumpla la condición.




Si partimos de un t = 1200 s, tendríamos un volumen de 800 m3por línea, lo cual repartido entre tres tanques supone unvolumen individual de 267 m3.

Para el primer tanque, la potencia de agitación necesaria sería:

La potencia del motor necesaria será:

En base a esta potencia, seleccionamos de la tabla demezcladores comerciales JTQ 75



B) INTENSIDAD VARIABLE Y VOLUMEN FIJO

El tanque nº 1 tendrá un ancho de:

Adoptando una relación Dp/W de 0.3, determinamos el diámetro de la paleta.

En cuanto a las revoluciones por minuto, las determinamos por:

Recuerde que P’1 es la potencia efectiva, considerando lapotencia del motor y el rendimiento dado.




MODELO rpm POTENCIA (kW)

TJQ75 45.7 0.56

Siguiendo la misma metodología obtenemos los siguientesvalores para los otros dos tanques:

Es preciso comprobar los valores de G y de G ∙ t .

Los valores de G deben estar entre ( 30‐80 s‐1) Los valores de G.t deben estar entre (36000 – 96000)






SOLUCIÓN A



SOLUCIÓN B

SEDIMENTACIÓN


Una vez que el agua ha sidoacondicionada para que los flóculostengan un tamaño adecuado y puedansedimentar, se requiere implementar unaunidad de sedimentación que puede serun decantador.

DECANTACIÓN:

El objetivo fundamental de la decantación es la eliminación de los

sólidos sedimentables por acción de la gravedad.

Este proceso se realiza en unos depósitos en los que la velocidad

del agua es suficientemente lenta, denominados decantadores.

En la decantación, se logran sedimentar entre el 70%‐80% de

sólidos suspendidos.

Lo que conlleva una reducción del 30% de materia orgánica.

Este método se recomienda cuando se tienen altas

concentraciones de sólidos en suspensión, DBO y DQO.


TIPOSDEDECANTADORES:


Para el diseño de un decantador se deben considerar:

1) seleccionar una carga hidráulica y el tiempo de retención adecuados para alcanzar los rendimientos deseados.

Carga Hidráulica=Caudal/superficie horizontalTiempo de retención= Volumen de tanque /Caudal

Velocidad Ascensional: Esta dada por la relación entre el caudal a tratar y la superficie del tanque de sedimentación.


DECANTADORESCRITERIOS DE DISEÑO

En este caso, se adopta una velocidad ascensional en base a la tabla anterior y se determina la superficie:



El tiempo de retención esta dado por la relación entre caudal y volumen del decantador.

De acuerdo al Manual de Depuración URALITA se pueden adoptar tiempos entre:

Adoptando un tiempo de retención, y conociendo el caudal a tratar puede determinar el volumen del tanque decantador.



De las dimensiones adoptadas, debe verificar las siguientesrelaciones:

Para decantadores circulares se atiende a la siguiente tabla:



La carga de salida en vertedero, se adopta de la siguiente tabla:

Carga de salida del vertedero en unidades de (m3/h/m )



una vez adoptada la carga de sal ida, se puede determinar la longitud del vertedero.

Determinación del Caudal medio de fangos producidos (m³/h):

Volumen de fangos a recoger:

Los coeficientes K, C1 y C se adoptan de las siguientes tablas:



El coeficiente “C” hace referencia a la concentración de fangos.



Coeficiente “K” se refiere al rendimiento de la Sedimentación Primaria para la remoción de SS.



Coeficiente “C1” hace referencia a la concentración de sólidos suspendidos en el agua residual.



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