Clase Tratamiento Fisico

8041 - Tratamiento agua

Floculacion y Sedimentacion 1

CAPITULO 2

PROCESOS FISICOS DE TRATAMIENTO

Contenido

2.1 Mezcla Rápida

2.2 Floculación

2.2 Sedimentación

SECCION 2.1

MEZCLA Y FLOCULACION



Contenido

2.1.1 Reacciones y Reactores

2.1.2 Modelos de flujos hidráulicos

2.1.3 Mezcla rápida

2.1.4 Floculación

2.1.5 Estándares recomendados

2.1.1. REACCIONES

• La Velocidad en que un reactante desaparece o un producto es formado en una reacción estequiométrica se llama velocidad de reacción.

• Clases de Reacciones– Homogeneas

• La reacción ocurre en una fase sencilla

– Hetereogenea• La Reacción ocurre entre fases

Velocidad de reacción



• Las reacciones son clasificadas en ordencero, primero orden, segundo orden o mezclado ( Orden superior).

– La veolocidad de reaccion (k) es dependientedel “orden” de la reacción.

• Orden de reacción cero– (Orden = 0) su velocidad de reacción es

constante. Esta depende de la concentración de los reactivos .

– dC/dT= kCn Cf = k(t-to) +C0

Leyes de Reacción

• Reacción de primer orden– (order = 1) Tiene una proporcionalidad

con uno de los reactivos. Un ejemplocomun es el decaimiento en los elementosradiactivos. La velocidad de reacción: k[A]1 (o B en vez de A), con unidades de k de segundos-1.

– dC/dT= kCn

Leyes de Reacción



• Reacción de Segundo orden– (order = 2) tiene una proporcionalidad con la

concentración al cuadrado de una reacciónsimple de 2 reactantes

– dc/dt=k[A]2

Leyes de Reaccion



• El orden solo puede se determinadoexperimentalmente.– No es fácil determinar el orden de reacción.– Se determina gráficamente analizando los datos

de una reacción específica.

Determinando el orden de reacción

o .Donde [A] vs. t es una línea recta con pendiente de - k

Orden CeroConstante de

reacciónk

Constante de reacción

Pendiente= - k

Linea Recta [A] = -kt + [A]0

Grafica [A] versus tVida media (½

Life)t ½=[A]0/2k

• El primer orden es usado para determiner la concentración [A] en cualquier momento.– Esto puede ser determinado gráficamente

• Donde– y = ln[A]– x = tiempo

Primer Orden

• m = -k• b = ln[A] 0



Primero OrdenOrden de Reacción

k[A]Constante

de ReacciónPendiente = - k

Integrada ln[A] = -kt + ln[A]0

Grafica ln[A] versus t ½ Life t ½=0.693/k

• La Ley de Segundo orden será utilizado para determinar la concentración [A] en cualquiermomento.– Puede ser determinado gráficamente

• Donde– y = 1/[A]– x = time

Segundo Orden

• m = k• b = 1/[A] 0

Segundo OrdenOrden de Reacción k[A]2

Constantede

reacciónSlope = k

Integrada

Grafica 1/[A] versus t Vida ½ t ½=1/k[A]0



La siguiente tabla presenta los datos obtenidos en un laboratorio con unreactor intermitente.Determine orden y velocidad e reacción

2.Clasificación de Reactores

1.Intermitente

2.Tubular

3.Continuo

4.Flujo Arbitrario

5.Columna Compacta

6.Columna Expandida

Qo

Co

Qi

Cf

Acumulación = - Efluente + Influente + Producción

Qi Cf

BALANCE DE MATERIAL



2.1.2 Modelos de flujos hidráulicos

• Flujo Intermitente

• Flujo tipo pistón.

• Flujo de mezcla completa.

• Flujo arbitrario.

Reactores Intermitentes o por lotes

Flujo tipo pistón

• Definición: flujo en el cual las partículas individuales del afluente pasan a través del sistema en la misma secuencia en que entraron. Además, no existe interacción entre las partículas (“flujo ordenado”).

• Característica: cada partícula es retenida en el sistema por un período igual al tiempo de retención teórico (; s):

= V/Q

V = Volumen del sistema, m3.

Q = Gasto circulante, m3/s.



Flujo tipo pistón

• Ejemplos: estanques largos y angostos

• Modelación:

Q, C0 Q, C

A

x

Qi

Si

Xi

Acumulación = Entra- Sale + Producción

Qi Si Xi

Reactor de Pistón

Qo

So



Reactor de Pistón

Flujo de mezcla completa

• Definición: flujo en el cual las partículas del afluente se intermezclan completamente en el sistema y pierden su identidad (“flujo desordenado”). Cada punto en el interior del sistema tiene características (temperatura, concentración, etc.) uniformes e iguales a las características del efluente.

• Característica: cada partícula individual es retenida en el sistema por un tiempo que va de 0 a infinito. En promedio, las partículas son retenidas un período igual al tiempo de retención teórico ().



Flujo de mezcla completa

• Ejemplos: estanques agitados.

• Modelación:

V, C

Q, C0

Q, C

REACTOR DE MEZCLA COMPLEATA

• DEFINICION: Un reactorCSTR es un tanque en elcual la masa reaccionantees continuamente agitadade tal manera que seconsidera como unamezcla completa y , por lotanto, se asume que suspropiedades son uniformesen todo el interior delreactor.

Reactores Continuos



2

1

0

Tipo PistónContinuoIntermitenteOrden de Reacción

Periodo Hidráulico de Retención para Diferentes Reactores



Flujo arbitrario

Ecuaciones generales:

D = 0 : Flujo tipo pistón.

D = : Flujo de mezcla completa.

Flujo tipo pistón (P) versus mezcla completa (MC)

t

1

MC P

Inyección continua

Ecuación General

• Wehner y Wilhem (1958) desarrollaron una solución para un reactor de flujo de pistón con patrones de flujo arbitrario para condición de mezcla completa e intermedia.

•C= ____4 a . Exp(1/2d)_________________

• Co ( 1 + a) 2 .exp ( a /2d)-(1 - a) 2 .exp (- a/2d )

a= √1+4ktod d= D/uL (factor de dispersiónD= coeficiente de dispersión ( m/h)L= Longitud característica t= tiempo de retenciónk= coeficiente cinético de reacción de primer orden, 1/h



Thirumurthi kt vs c/co

Toma de Agua



Rejillas• Como Rejillas se denominan a aquellos

enrejados que se emplean en las Plantasde Tratamiento para la separación de lossólidos presentes en las aguas crudas.

• Se ubican en la entrada de las Plantas deTratamiento de modo transversal al flujoen el Canal de entrada.

• La remoción continua de los sólidos a laentrada es primordial para mantener elfuncionamiento de la Planta de maneracontinua. La remoción de los sólidospuede llevarse a cabo por métodosmanuales o mecánicos.

• El tamizado es utilizado pararemover sólidos suspendidos dediversos tamaños.

• La abertura de la rejilla se seleccionadependiendo de sí la limpieza de lasrejillas se llevará cabo manualmenteo mecánicamente y su clasificaciónse divide en fina o gruesa.

• La materia recolectada en las rejillasse procesa finalmente medianteprocesos de digestión anaeróbica,enterrados o cremados.

• Las rejillas finas tienen un espaciamiento de 3/16" o menos.

• Son usualmente confeccionadas de malla de acero o láminasperforadas y en algunos casos se usan en vez del proceso desedimentación. Su capacidad de remoción es del 5 al 25% desólidos suspendidos, una de sus limitaciones es la facilidad conque se obstruyen y debido a que su capacidad de remociónmenor que la de la sedimentación su uso no es muy frecuente.

• Las rejillas gruesas tienen un espaciado de 1.5 a 7 cm.

• Se usan para la protección de los equipos en las plantas detratamiento de modo que los sólidos grueso no dañen losequipos mecánicos y las bombas.

• En algunos casos los desmenuzadores son utilizados en vez delas rejillas gruesas



Parámetros de DiseñoLa Sección Transversal ubicada entre las Barras debe permitir una Velocidad delFlujo superior a 1 m/s.La Velocidad del Flujo antes de la Rejilla debe ser mayor de 0.60 m/s para evitarla sedimentación de material arenoso.La Pérdida de Carga al pasar el agua a través de las Rejillas puede estimarsecomo:.

hv = Pérdida de Carga en ms = Ancho de las barras en m (8, 10, ó 15 mm)b = espaciamiento libre de las barras en mv = Velocidad aguas arriba de las rejas en m/s= Angulo de inclinación de la Rejillas respecto a

la horizontal = Factor de Forma

Factor de Forma

2.42 Barras Rectangulares

0.84 Barras con forma de diseño especial

1.79 Barras Redondas

2.42

1.83

1.67

1.035

0.92

El Angulo suele variar entre 90° @ 60°

0.761.79

Las Pérdidas de Carga porFricción debido al paso de lasaguas a través de las Rejillassuelen estar por debajo de los 5 cmLas Pérdidas por obstrucciónpueden llevar a que las Pérdidas setripliquen.

Características de las Rejillas

Tamaño de la RejillaLimpieza Manual

Limpieza Mecánica

Ancho, plg 1/4 @ 5/8 1/4 @ 5/8

Profundidad, plg 1 @ 3 1 @ 3

Espaciado, plg 1 @ 2 5/8 @ 3

30° @ 45° 0° @ 30°

Velocidad de Aguas Arriba, pies/s

1 @ 2 2 @ 3

Pérdida de Carga Permitida, plg 6 6



• Los mezcladores tienen como objetivo la dispersión instantánea del coagulante en toda la masa de agua que se va a tratar. Esta dispersión debe ser lo más homogénea posible, con el objeto de desestabilizar todas las partículas presentes en el agua y optimizar el proceso de coagulación.

• La coagulación es el proceso más importante en una planta de filtración rápida; de ella depende la eficiencia de todo el sistema.

2.1.3 Mezcla Rápida

• No importa que los demás procesos siguientessean muy eficientes; si la coagulación esdefectuosa, la eficiencia final del sistema es baja.

• La eficiencia de la coagulación depende de ladosificación y de la mezcla rápida.

• En la unidad de mezcla la aplicación delcoagulante debe ser constante y distribuirse demanera uniforme en toda la sección. Debe existiruna fuerte turbulencia para que la mezcla delcoagulante y la masa de agua se dé en formainstantánea.

• La mezcla rápida puede realizarse aprovechandola turbulencia provocada por dispositivoshidráulicos o mecánicos.

Mezcladores

• Equipos comunes empleados:– Bombas.

– Chorros de aire.

– Agitadores mecánicos giratorios (paletas, turbinas, hélice).



Equipo más usado

• Agitador mecánico tipo turbina, de eje vertical.• D = 1 a 3 m.• Tiempo de retención < 1 minuto.• Uso de baffles, para reducir vórtices y aumentar el grado

de mezcla.

Baffles

• Generalmente, se usan 4 planchas verticales alrededorde la periferia del estanque.

Baffles



Agitadores de turbina

Agitadores de paletas

Agitadores de hélice



Resalto Hidraulico




Calculos

Resalto Hidraulico




Planta de Chilibre



2.1.3 Floculación

• Definición:– La floculación es una

operación diseñada para forzar la agitación en el fluido e inducir el crecimiento de los flóculos.

– Las pequeñas partículas suspendidas chocan y se aglomeran en partículas mayores (flóculos).



Equipos usados

• Floculación neumática (chorros de aire):– Costosos y difíciles de operar.

• Floculación hidráulica (estanques compartamentalizados):– Fueron muy usados.

– Su uso está disminuyendo, debido a que no son flexibles.

• Floculación mecánica (agitadores):– Turbina: rompimiento de flóculos frágiles.

– De paletas: más usado.

Floculador de paletas

Eje horizontal

Paleta

• Ejes verticales u horizontales.• Ejes paralelos o perpendiculares al flujo.• Velocidad de rotación: 1 - 1,7 rpm.

Grado de agitación

• Pequeño:– Pocas posibilidades de contacto entre las partículas.

• Grande:– Demasiado esfuerzo de corte, lo que produce el

rompimiento de los flóculos.

• Intermedio:– Optimo.

– Adecuados contactos entre partículas, sin rompimiento de flóculos.



Gradiente de velocidad

• Definición:

G = Gradiente de velocidad, s-1.

P = Potencia disipada, W = kg-m2/s3.

Vol = Volumen del estanque, m3.

= Viscosidad dinámica del fluido, kg/m-s.

• Es una medida del grado de agitación.

Potencia

Valores K

Impulsor Regimen Laminar Regimen Turbulento

Helice cuadrada de 3 palas 41 0.32

Helice de 2, de 3 palas 43.5 1.00

Turbina de 6 palas Planas 71 6.30

Turbina de 6 palas curvas 70 4.80

Turbina ventilador 6 palas 70 1.65

Paleta Plana, 6 palas 36.5 1.70

Turbina Cerrda 2 palas curvas 97.5 1.08

Turbina cerrada sin deflector 172.5 1.12



Gradiente de velocidad y esfuerzo de corte

• Relación: = G


= Esfuerzo de corte, kg/m-s2.

= Viscosidad dinámica del fluido, kg/m-s.

• G y son directamente proporcionales:– Altos G: flóculos pequeños.

– Bajos G: flóculos grandes.

Parámetros de diseño

• Existen 2 parámetros independientes: G, o G.

• G = 10 - 75 s-1 crecimiento de flóculos, sin destrucción de ellos.

• > 10 minutos.

• Bajos G > 30 minutos.

• G = 30 - 60 s-1 condiciones óptimas.

• G = 10-4 - 10-5 eficiencia satisfactoria.



Floculadores de paletas

Vp = Velocidad absoluta de la paleta.

Vw = Velocidad absoluta del agua.

V = Velocidad de la paleta relativa al agua.

Vp

Vw


• Fuerza de resistencia de las paletas

FD = Fuerza de resistencia, N.

CD = Coeficiente de resistencia, adimensional.

A = Area de las paletas proyectada en la dirección del movimiento, m2.

= Densidad del fluido, kg/m3.


• Potencia disipada

P = Potencia disipada, W.




• Gradiente de velocidad


• G varía cuando varía V (que varía al variar la velocidad de giro) FLEXIBLE.


• Datos generales

– Velocidad relativa de la paleta: V = (0,5 - 0,7) Vp.

– Velocidad absoluta de la paleta: Vp = 0,1 - 0,9 m/s.

Paletas en serie

1 2 3



• Diseño Mezcla Rápida ( Letterman)– GToC1.46 = 5.9 x 10 6

– C= Concentración de Coagulante en mg/L»

• d/D=1/3

• Hl= D

• q/d= 1/5

• s/d= ¼

• Numero de deflectores = 4

• w/D=1/10

Estanques compartamentalizados

• Potencia disipada

P = Potencia disipada, W.

= Peso específico del fluido, N/m3.

Q = Gasto, m3/s.

h = Pérdida de energía por unidad de peso, m.



Estanques compartamentalizados

• Gradiente de velocidad


• La única forma de variar G es variando Q INFLEXIBLE.

Floculación decreciente

• El flujo está sujeto a valores decrecientes de G, a medida que pasa por el floculador.

• Produce un crecimiento rápido de flóculos pequeños densos, los cuales posteriormente crecen a valores menores de G, proporcionando flóculos mayores, densos y de sedimentación rápida.

• Conjunto típico: G1 = 80 s-1, G2 = 40 s-1, G3 = 20 s-1.

• Normalmente produce resultados óptimos.

Vista de Floculadores




• Fuente– “Recommended Standards for Water Works”, Great

Lakes-Upper Mississippi River Board of State Sanitary Engineers (GLUMRB; Illinois, Indiana, Iowa, Michigan, Minnesota, Missouri, Nueva York, Ohio, Pennsylvania, Wisconsin, Ontario).

• Mezcla rápida– Uso de equipo mecánico.

– > 30 s.


• Floculación– Diseño de entradas y salidas debe prevenir

cortocircuitos y destrucción del flóculo.

– Velocidad horizontal del agua (VH) = 0,15 - 0,46 m/s.

– > 30 minutos.

– Velocidad absoluta de las paletas (Vp) = 0,15 - 0,61 m/s.

– Velocidad en conducto que une floculador con sedimentador: 0,15 - 0,46 m/s.




• Floculación– Se permitirán estanques compartamentalizados

solamente en plantas pequeñas

Prueba de Jarra

VASOS O JARRAS PARA PRUEBA

SISTEMA EN AGITACIÓN

PALETAS DE AGITACIÓN DE VELOCIDAD VARIABLE Y VASOS PARA LAS PRUEBAS DE DOSIS ÓPTIMA DE COAGULANTE Y FLOCULANTE



• Ensayo de laboratorio cuyo propósito es determinar la naturaleza y dosis de coagulante y ayuda-coagulante (si se requiere) requeridas para la coagulación de un agua particular.

Definición

1. Agitación rápida para simular mezcla rápida.2. Agitación suave para simular floculación.3. Sin agitación para simular sedimentación.

EnsayoCoagulante más

Ayuda-coagulante

(diferentes tipos y dosis)agua

1. Tiempo de formación del flóculo.

2. Tamaño del flóculo.

3. Características de sedimentación del flóculo.

4. Porcentaje de remoción de color y turbiedad.

5. pH final del agua coagulada y sedimentada.

Aspectos importantes del ensayo



Resultados experimentales

Ejemplo

Diseño de Floculador Hidraulico

• T=Vol/Q

• Ht= Hf+Hl

• Hf= manning o Hazen-Williams 8 n=0.013

• Hl= K v2/2g K= 3.2(N-1)

• N= Numero de vueltas o pasos entre canales.

• G=20-100s-1

• Gt= 20000- 150000

• t= 10 a 60 min

• V= 0.15 a 0.45 m/s

• D=Altura mínima en floculadores: 0.90

• e=Separación mínima =0.45 m (rec)

• Distancia de los bafles o tabiques a la pared = 1.5 separación ( mayor 0.6 e).



• Diseño de un Floculador Hidráulico– f= 0.3 Profundidad de flujo = 1 m

– Longitud del Floculador= 30 m

– 3 Secciones• 60 s-1 10 minutos

• 50 s-1 15 minutos

• 45 s-1 20 minutos

SECCION 2.2

SEDIMENTACION



Contenido

2.2.1 Sedimentación tipo I.

2.2.2 Sedimentación tipo II.

2.2.3 Sedimentación de zona y compresión.

2.2.4 Cortocircuitos.

2.2.5 Estanques de sedimentación.

2.2.6 Sedimentación en el tratamiento del agua potable.

2.2.7 Sedimentación en el tratamiento de aguas servidas.

Definición

Proceso mediante el cual una suspensión de partículas es separada en dos corrientes por asentamiento gravitacional: un líquido clarificado (función de clarificación) y un lodo espeso (función de espesamiento).

Suspensión

Líquido clarificado

Lodo espeso

Tipos de sedimentación

• Sedimentación tipo I o libre– Suspensiones diluidas.

– Partículas discretas.

• Sedimentación tipo II– Suspensiones diluidas.

– Partículas floculantes.

• Sedimentación tipo III o de zona– Concentraciones intermedias.

– Material floculante.

• Sedimentación tipo IV o de compresión– Concentraciones elevadas (partículas en contacto físico entre sí).



ACAPITE 2.2.1

SEDIMENTACION TIPO I

Generalidades

• Sistema: partículas discretas, no floculantes, en suspensiones diluidas.

• Ejemplos:– Presedimentación de aguas superficiales.

– Sedimentación de partículas de arena en desarenadores.

Velocidad de sedimentación o terminal

Empuje

Resistencia

Peso

Vol, s

,

z




Vol = Volumen de la partícula.

s = Peso específico de la partícula.

= Peso específico del fluido.

= Densidad del fluido.

CD = Coeficiente de resistencia.

A = Area de la partícula proyectada en la dirección del movimiento.

V = Velocidad de caída de la partícula.


La partícula se acelera hasta que la Fuerza de Resistencia iguala a la fuerzamotriz (Peso menos Empuje). Luego, la partícula sedimenta con velocidadconstante. Esta velocidad de caída constante, designada por Vs, se llamavelocidad de sedimentación o terminal.

Coeficiente de resistencia

1

LaminarTransición Turbulento

0 4 log Re

104 Re

log CD



Partículas esféricas

D = Diámetro de la partícula.Vs = Velocidad de sedimentación de la partícula. = Viscosidad cinemática del fluido.

2ª Ley de Newton para partículas esféricas

Cuando se ha alcanzado la velocidad de caída constante:

donde s = s/ = s/ = Gravedad específica de la partícula.

Velocidad de sedimentación - régimen laminar

• Coeficiente de resistencia:

• Velocidad de sedimentación:

• Consideraciones generales:– Ley de Stokes.

– Aplicabilidad: Re < 1.



Velocidad de sedimentación - régimen turbulento

• Coeficiente de resistencia:

• Velocidad de sedimentación:

• Consideraciones generales:– Ley de Newton.

– Aplicabilidad: Re > 104.

Velocidad de sedimentación - régimen transición

• Vs no tiene solución explícita. Debe calcularse resolviendo el siguiente sistema de ecuaciones:

• Aplicabilidad: 1 Re 104.

Sedimentador rectangular ideal - esquema

QAncho = W

V

Vs

H

L

Q

h

EN

TR

AD

A

ZO

NA

DE

SA

LID

A

ZONA DE LODOS

ZONA DE SEDIMENTACION



Sedimentador rectangular ideal - suposiciones

1. Existe una distribución uniforme de partículas, a través de toda la profundidad, en la zona de entrada.

2. Sedimentación tipo I en la zona de sedimentación.

3. En la zona de salida, se recoge el efluente clarificado.

4. Las partículas que alcanzan la zona de lodos son removidas de la suspensión.

Velocidad horizontal y velocidad de flujo

1. Velocidad horizontal del agua y de la partícula:

2. Velocidad de flujo:

3. Como Vs y V son constantes, la partícula sigue una trayectoria lineal.

Semejanza de triángulos

Suspensión uniforme de partículas con velocidad de sedimentación Vs

1. Caso Vs V0:– Remoción total de partículas.

– Remoción: R = 1.



Suspensión uniforme de partículas con velocidad de sedimentación Vs

2. Caso Vs < V0:– Remoción parcial de partículas.

– Partículas removidas: inicialmente a alturas menores o iguales que h.

– Partículas no removidas: inicialmente a alturas mayores que h.

– Remoción:

– La remoción depende de las características de las partículas (Vs) y del sedimentador (V0).

(Semejanza de triángulos)

Modificaciones al sedimentador rectangular ideal - “doble piso”

Q QANCHO = W

H/2

H/2

L

Modificaciones al sedimentador rectangular ideal - “mitad de altura”

Q QANCHO = W

H/2

L



Sedimentador rectangular ideal - conclusión

• La remoción en un estanque ideal de sedimentación es enteramente independiente de la profundidad, pero está directamente relacionada con el área del “suelo” del sedimentador.

• Lo anterior es válido si la velocidad horizontal es menor que la velocidad de arrastre de las partículas, de modo que no haya resuspensión de las partículas que han alcanzado la zona de lodos.

Velocidad de flujo - redefinición

• La velocidad de flujo de un estanque de sedimentación se define como la velocidad terminal V0 de partículas que son justo removidas en un estanque ideal si entran por la superficie libre, o como el gasto por unidad de área de “suelo” del estanque.

• Unidades: (m3/s)/m2 = m/s.

Suspensión de partículas con distintas velocidades de sedimentación

1. Partículas con Vs V0:– Remoción total de partículas.

– Remoción: R = 1.

2. Partículas con Vs < V0:– Remoción parcial.

– Remoción de partículas con Vs: R = Vs/V0.




3. Conjunto de partículas:– Definición: x0 = fracción de partículas con velocidad

de sedimentación menor o igual que V0.

– Remoción:


3. Conjunto de partículas:

Fracción de partículascon velocidad de se-dimentación menorque la mencionada

(x)

Velocidad desedimentación

(Vs)

I

V0

x0 1

Sedimentador circular ideal - esquema

H

r



Sedimentador circular ideal - funcionamiento

1. La velocidad horizontal de la partícula disminuye al aumentar el radio:

2. En consecuencia, las partículas siguen una trayectoria parabólica (dado que Vs se mantiene constante).

Sedimentador circular ideal - funcionamiento

3. La teoría vista para los sedimentadores rectangulares ideales también es aplicable a los sedimentadores circulares ideales:

Sedimentador de flujo ascendente - esquema



Sedimentador de flujo ascendente -funcionamiento

1. Partículas con Vs > V0:– Partícula es removida.

2. Partículas con Vs < V0:– Partícula no es removida.

3. Partículas con Vs = V0:– Partícula queda estacionaria.

4. Remoción:R = 1 - x0

ACAPITE 2.2.2

SEDIMENTACION TIPO II

Generalidades

• Partículas floculantes en suspensiones diluidas.

• Las partículas más pesadas, que tienen mayores velocidades de sedimentación, arrastran a las partículas más livianas a medida que caen, para formar partículas aún mayores, con mayores velocidades de caída.

• La remoción de materia suspendida no sólo depende de la velocidad de flujo V0 del estanque, sino que también de su profundidad.



Generalidades

• Ejemplos: sedimentación primaria de aguas servidas, sedimentación de aguas potables y aguas servidas coaguladas químicamente.

Remociones

• No pueden predecirse teóricamente.

• Es necesario realizar ensayos de sedimentación:

MUESTRAS

D = 15 cm

Remociones

• Las muestras se toman a diferentes profundidades, en diferentes tiempos.

• Análisis de muestras: sólidos suspendidos = SS

• Cálculo: % de remoción de SS en cada muestra = Ri:



Gráfico (curvas de igual porcentaje de remoción)

Pro

fund

idad

0

H0

H1

H2

H0 ta tb

tc

RARB

td

RC

RD

RE

Tiempo


1) Cálculo de la velocidad de flujo del estanque. Por ej., para la curva Rc:


2) Porcentaje de sólidos removidos para tc o V0,c:

H2 = altura que las partículas de tamaño (RD-RC) sedimentarían durante el tiempo tc.

H

H2



ACAPITE 2.2.3

SEDIMENTACION DE ZONA Y COMPRESION

Sedimentación de zona

• Sedimentación de una concentración intermedia de partículas, donde éstas están tan juntas que las fuerzas entre ellas retrasan el asentamiento de las partículas vecinas.

• Las partículas permanecen en una posición fija relativa a las otras y todas sedimentan a una velocidad constante. Esto implica que la masa de partículas sedimenta como una zona.


• Sobre la zona que sedimenta, existe una clara interfase sólido-líquido entre la masa de partículas sedimentando y el liquido clarificado.

• Ejemplo: sedimentación en profundidades intermedias en un sedimentador secundario para el proceso de lodos activados.



Compresión

• Sedimentación de partículas que están a tan alta concentración que se tocan entre sí y la sedimentación sólo puede ocurrir mediante compresión de la masa compactante.

• Ejemplo: sedimentación en el fondo de un sedimentador secundario de lodos activados.

Sedimentación de una suspensión floculante

t = 0 t = t1 t = t2 t = t3 t = t4

SZ

SC

ST

SZ

SC

ST

SC SC

SZ = Sedimentación de zona.

ST = Sedimentación de transición: muchas partículas están en contacto físico con otras.

SC = Sedimentación de compresión: todas las partículas están en contacto físico con otras.

Sedimentación de una suspensión floculante

0

HB

C

D

ST

SC

SZA-B: lineal, como sedimentación tipo I

B-C: partícula parte del lodo depositado

C-D: compactación del lodo

Tiempo

Altura de la

interfase

A

t1 t2 t3 t4



Sedimentación en un sedimentador secundario (lodos activados)

Compresión

Transición

Zona

Agua clara

Diseño de sedimentadores secundarios

• Objetivos:– Clarificación del líquido.

– Espesamiento del lodo.

• Métodos:– Método de Talmadge y Fitch.

– Método del flujo de sólidos.

Método de Talmadge y Fitch


Pendiente =

Punto 1Compresión

Alturade la

interfase, H

Tiempo, t

H0

Hu

tu




1. Determine la pendiente de la región de la sedimentación de zona, V0. Esta es la velocidad de flujo requerida para clarificación.

2. Determine el área requerida para clarificación, Ac:

3. Extienda las tangentes de la región de sedimentación de zona y de la región de compresión y bisecte el ángulo formado, para localizar el punto 1.

4. Dibuje una tangente a la curva en el punto 1.


5. Conocidas la concentración inicial de sólidos, C0, y la altura inicial del lodo, H0, seleccione una concentración de diseño del efluente de fondo, Cu, y determine la altura de la interfase, Hu:

6. Dibuje una línea horizontal desde Hu hasta intersectar la tangente y determine el tiempo tu. Este es el tiempo requerido para alcanzar la concentración deseada del efluente de fondo, Cu.

Balance de masa


7. Determine el área requerida para espesamiento, At:

8. Diseñe el sedimentador con un área A dada por:



Método del flujo de sólidos

• Requiere de datos provenientes de pruebas de sedimentación.

• Basado en el análisis del flujo másico (movimiento a través de una sección) de sólidos en un sedimentador.


• Operación en estado estacionario

Interfase (su ubicación depende de la cantidad de lodo almacenado en el estanque)

Qu (efluente de fondo)

Flujo de sólidos a través de la sección

Q+Qu

Q (sobrenadante)


• Flujo descendente de sólidos:1. Flujo debido a la sedimentación gravitacional.

2. Flujo debido al transporte producido por el efluente de fondo.




• Flujo debido a la sedimentación gravitacional:

FSg= Flujo de sólidos debido a la gravedad (kg/m2-h).

Ci = Concentración de sólidos en la sección en cuestión (g/m3 = mg/l).

Vi = Velocidad de sedimentación de los sólidos con concentración Ci (m/h).


• Flujo debido al transporte producido por el efluente de fondo:

FSu= Flujo de sólidos debido al efluente de fondo (kg/m2-h).

Ub = Velocidad descendente del líquido (m/h).

Qu = Gasto del efluente de fondo (m3/h).

A = Area de la sección transversal (m2).


• Flujo total

FSt= FSg +FSu




• Procedimiento para desarrollar la curva de flujo de sólidos debido a la gravedad como función de la concentración de sólidos:

1. Realizar pruebas de sedimentación con diferentes concentraciones iniciales de sólidos.


2. Calcular la velocidad inicial de sedimentación:

La pendiente de la porción inicial de la curva es la velocidad de sedimentación V3 para la suspensión con concentración C3

Altura de la interfase

Tiempo

C2C3

C1

C1 < C2 < C3


3. Graficar las velocidades de sedimentación obtenidas en la etapa 2 versus la concentración correspondiente.

V1

V2

C1 C2

Concentración (Ci)

Velocidad de sedimentación

(Vi)




4. Graficar el flujo de sólidos debido a la gravedad versus la concentración correspondiente:

FSg

Concentración (Ci)

FSg = Vi Ci

Vi, Ci leídos de gráfico de etapa 3


• Curva de flujo de sólidos debido al efluente de fondo:

FSu

Concentración (Ci)

Ub

FSu = Ci Ub


• Curva de flujo total de sólidos

– Cambios en Qu (Ub) producen cambios en FSt. Como Qu puede controlarse, se usa como variable de operación del proceso.




• Procedimiento para determinar el área requerida de la sección transversal:


1. Dibujar una línea horizontal tangente a la curva de flujo total de sólidos en su punto mínimo. Su intersección con el eje vertical representa al flujo de sólidos límite (FSL) que puede procesarse.

2. La concentración correspondiente del efluente de fondo (Cu) se obtiene dibujando una línea vertical hasta el eje X desde la intersección de la línea horizontal y la línea de flujo de sólidos debido al efluente de fondo. (El flujo por gravedad es despreciable en el fondo del estanque).


3. Calcular el área requerida, A:

C0 = Concentración afluente de sólidos (g/m3 = mg/l).




• Nota: Si se requiere un efluente de fondo con mayor concentración de sólidos, se debe reducir la pendiente (Ub) de la línea de flujo de sólidos debido al efluente de fondo. Esto, a su vez, disminuye el valor del flujo límite y aumenta el área requerida de sedimentación.

ACAPITE 2.2.4

CORTO-CIRCUITO

Generalidades

• Definición: desviación del flujo tipo pistón que es exhibido por las partículas de fluido que pasan a través del estanque.

• Flujo tipo pistón: todas las partículas son retenidas por el mismo tiempo teórico, = V/Q.

• Corto-circuito: parte del fluido es retenido por períodos mayores que y parte por períodos menores.

• Efecto: disminución en las eficiencias de clarificación.



Generalidades

• Causas:– Entrada del flujo.

– Corrientes de densidad.

– Corrientes térmicas.

– Viento.

– Estructuras de salida del flujo.

Estudios de corto-circuito

• Inyección de trazador conservativo (tinta, sal o trazador radioactivo) a la entrada del estanque.

• Medición de la concentración del trazador a la salida del estanque, como función del tiempo.

Respuesta de los estudios de corto-circuito

• Inyección instantánea de trazador conservativo.

• Escala vertical (= C/C0): razón entre la concentración en el efluente y la que se obtendría si el trazador se mezclase instantáneamente con el contenido total del estanque.

• Escala horizontal (= t/): razón entre el tiempo real al cual aparece cierta concentración a la salida y el tiempo de retención teórico.



Respuesta de los estudios de corto-circuito

Consideraciones finales

• Generalmente se considera que frentes de trazadores que demoran largos períodos en llegar a la salida indican condiciones próximas a la sedimentación óptima.1. En sedimentación tipo I, la remoción de partículas

no es función del tiempo de retención (solamente depende de la velocidad de flujo). Esto implica que no hay relación directa entre los frentes de trazador y la eficiencia de la sedimentación.


2. En sedimentación tipo II, el tiempo de retención puede ser de mayor importancia que la velocidad de flujo. En consecuencia, las características de retención del estanque son importantes y los ensayos de corto-circuito sirven como indicadores de la eficiencia de remoción.




• Formas de minimizar los corto-circuitos:– Cubrir el estanque. Esto elimina los efectos del sol y

viento.

– Usar baffles deflectores a la entrada, lo que elimina las corrientes debido a la entrada de flujo.

– Utilizar largos vertederos de salida, lo que minimiza los efectos de las estructuras de salida.

ACAPITE 2.2.5

ESTANQUES DE SEDIMENTACION

Materiales y limpieza

• Materiales:– Excavación en el suelo.

– Concreto (más común).

– Acero.

• Limpieza:– Manual.

– Automática (más común).



Formas y tamaños

• Alturas: 2 - 4,5 m

3 - 4 m (más común)• Estanques circulares

Diámetro: 10 - 40 m• Estanques cuadrados

Lado < 30 m• Estanques rectangulares

Largo = 30 mLargo/ancho = 3:1 a 5:1

• Pendiente del fondoEstanques rectangulares = 1%Estanques circulares y cuadrados < 8%

Estructuras de entrada y salida

• Las estructuras de entrada y salida deben diseñarse cuidadosamente para minimizar lo efectos de corto-circuito y el flujo turbulento.

Estructuras de entrada

• Funciones:1. Distribución uniforme del afluente sobre la sección

transversal de la zona de sedimentación.

2. Iniciación del flujo paralelo o radial.

3. Minimización de turbulencias de gran escala.

4. Eliminación de velocidades excesivas cerca de la zona de lodos.



Estructuras de entrada

• Diseño:1. El afluente puede dispersarse a lo largo del ancho o

radialmente desde el centro del estanque, mediante orificios o cañerías de entrada.

2. Uso de baffles o deflectores para disipar la velocidad de los chorros afluentes.

Estructuras de salida

• Estanques rectangulares

Vertederos

Estructuras de salida

• Estanques circulares– Uso de vertederos en la periferia.

• Son mucho menos importantes que las estructuras de entrada en los corto-circuitos.



ACAPITE 2.2.6

SEDIMENTACION EN EL TRATAMIENTO DEL AGUA

POTABLE

Presedimentación

• Antes del tratamiento químico.

• Fondo inclinado y/o equipo mecánico para remoción de lodos.

• Tiempo de retención mínimo recomendado = 3 horas.

Sedimentación

• Velocidad de sedimentación de flóculos provenientes del proceso de coagulación: 15-44 m/día.

• Períodos de retención: 2-8 horas.

• Velocidades de flujo: 20-41 m/día.

• Estándares americanos:– Tiempo mínimo de sedimentación: 4 horas.

– Velocidad horizontal máxima: 0,15 m/min.

– Flujo máximo sobre el vertedero de salida: 248 m3/m-día.



Sedimentadores

• La selección de equipos se basa,– La escala– Modo de operación

(continua o discontinua), y

– Objetivo (clarificación, espesamiento y separación (ambas), lo cual condiciona principalmente el área de diseño y la forma de operación.



CONTRA CORRIENTE

El líquido y los lodos siguendirecciones opuestas, ellíquido asciende y los lodosCaen. Las lamelas han de estar en 45°

Ventajas:• El agua se evacua en la zona de pocos sólidos • Buena distribuci6n de flujo

Inconvenientes:•Alto ángulo de las lamelas para facilitar el deslizamiento de los lodos • Atascamiento por los lodos • Arrastre de lodos • Una parte de la lamela se bloquea por los lodos

CO-Co CORRIENTE

El liquido y los lodos siguen la misma direcci6n, ambos van hacia abajo.

Lamelas de Axel-Johnson

Las lamelas estarán inclinadas entre 30 y 35°.

Ventajas:• Bajo ángulo de las lamelas • Los lodos son pre-espesados por el flujo de la suspensión • Se evitan los atascos

Inconvenientes:• Precisa mayor área • Sensible a las variaciones de caudal • Los lodos pre-espesados se pueden resuspender al salir de la lamela • Una parte importante de la lamela se utiliza en la clarificaci6n del agua debida a la resuspensión

Flujo Cruzado

El liquido y los lodos llevan direcciones cruzadas, el liquido pasa transversalmente y los lodos caen.

Las lamelas deben estar inclinadas mas de 45°

Ventajas: • Buena distribución de flujo • Pocas interferencias entre el agua y los lodos • Buen espesamiento de lodos

Inconvenientes:• Tamaño elevado



LINEA DE SALIDADE LODOS

BRAZO Y PALETASCOLECTORAS

PASILLO DE ACCESOCANALETA COLECTORA

DE AGUA CLARIFICADA

INFLUENTE

EFLUENTE

LODOS

Coagulaciónmezclado rápido Floculación

mezclado lentoSedimentación

Agua clarificada

Lodos sedimentadosFiltro prensa

Filtro de tambor



Características de diseño en sedimentadores:

SEDIMENTADOR PRIMARIO:

Tiempo de Retención: 1.5 a 2.5 horasRelación Gasto/Area: 800-1200 gal/ft2×d (30-50 mt3/mt2×d)Flujo en Canaletas: 20,000 gal/ft×d (250 mt3/mt×d)

TANQUE RECTANGULAR:

Rango PromedioProfundidad: 3.0-4.5 mts. 3.5 mts.Longitud: 15-90 mts. 25-40 mts.Ancho: 3-25 mts. 5-10 mts.Velocidad del Rastrillo: 0.6-1.2 mts/m 0.9 mts/mts

TANQUE CIRCULAR:Rango Promedio

Profundidad: 3.0-4.5 mts. 3.5 mts.Diámetro: 3-60 mts. 12-45 mts.Velocidad del Rastrillo: 0.02-0.05 rpm 0.03 rpm

Q1=100 mts3/hraSS1=45 mg /L

Q2

SS2=12 mg /L

SS3 Q3

% sólidos=3.5%d=1.15 Kg/L

Balance de sólidos:(SS1)Q1 = (SS2)Q2 + (SS3)Q3

(45 gr/mt3)(100 mts3/hra)= (12 gr/mt3)(Q2)+40250 gr/mt3)(Q3)Q1=Q2 + Q3

Resolviendo las dos ecuaciones simultaneas: Q2=100-Q3

4500=12(100-Q3)+40250(Q3)Q3=0.082mts3/hra Q2=99.92 mts3/hra

Sólidos en lodo:(3.5 Kg Solido Seco/100 Kg de lodos)(1.15 Kg lodos/Lto de lodos)=0.04025 Kg Sólido Seco/Lto=40.25 grs. Sólido Seco/Lto=40250 grs. Sólido Seco/mt3

Q1=100 mts3/hraSS1=45 mg /L

Q2=99.92 mts3/hraSS2=12 mg /L

Q3=0.082 mts3/hra

Eficiencia en remoción de sólidos: (45-12)100/45=73.3%Q=100 mts3/hra=2400 mts3/diaD=diámetro=30 pies=9.14 mtsA=area=65.67 mts2

h=altura=3 mtsV=Volumen=197 mts3

Q/A=2400/65.67=36.54 mts3/dia-mt2

=tiempo de retención=197/2400=0 082 dias=1 97 horas



ENTRADA DE AGUA

EFLUENTE AGUA TRATADA

MEZCLADO RÁPIDO

TANQUE DE FLOCULACIÓN

CANALETA DE AGUA CLARIFICADA

SALIDA DE LODOS

COLECTOR DE LODOS

CANALETAS COLECTORAS

DISTRIBUIDOR DE AGUA

ORIFICIOS DE DISTRIBUCIÓN

Sedimentador rectangular típico

Sedimentador circular típico



ACAPITE 2.2.7

SEDIMENTACION EN EL TRATAMIENTO DE LAS

AGUAS SERVIDAS

Normas americanas – velocidades de flujo

Estanque Vel. de Flujo Máxima (m/día) Restricción

Primario (no 24 Q < 44 l/s

seguido de trat.

secundario)

Intermedio 41

Secundario 33 Solamente para

filtros

biológicos.

Normas americanas – sedimen. secundarios

Proceso Gasto Vel. de Flujo Tiempo Mínimo

(l/s) Máxima (m/día) de Retención (horas)

Convencional, < 22 24 3,0

alta tasa y airea- 22-66 29 2,5

ción por etapas > 66 33 2,0

Estabilización < 22 20 3,6

por contacto 22-66 24 3,0

> 66 29 2,5

Aireación < 2,2 12 4,0

prolongada 2,2-6,6 12 3,6

> 6,6 24 3,0



Normas americanas - otras

• Profundidad:– Tan pequeña como práctica.

– H > 2,1 m para estanques con limpieza mecánica.

– H > 2,4 m para sedimentadores secundarios en lodos activados.

• Flujo en el vertedero:– < 124 m3/m-día si Q < 44 l/s

– < 186 m3/m-día si Q > 44 l/s

Normas americanas – remoción de DBO en sedimentadores primarios de aguas servidas

La línea sólida es el valor sugerido para el diseño según las normas americanas.

Equipos

• Son bastante similares a los usados en el tratamiento del agua potable.

Clase Tratamiento Fisico

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