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Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico del Agua

Módulo de Modelización y Simulación de Plantas de Tratamiento de Agua Prohibida toda reproducción parcial o total de este documento sin autorización Página 1 de 42

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.



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



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



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



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.



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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.)



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



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



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



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.



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



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



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).



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)



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



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



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



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.



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



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



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



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 %



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



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



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"



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



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



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



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

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