LA DECANTACIÓN LASTRADA Y SU … variar la dosificación de productos químicos y la recirculación...
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XXII CONGRESO DE CENTROAMERICA Y PANAMA DE INGENIERIA SANITARIA YAMBIENTAL “ SUPERACION SANITARIA Y AMBIENTAL: EL RETO”
AIDIS: Asociación Interamericana de Ingenieria Sanitaria y Ambiental -Capitulo Honduras 1
LA DECANTACIÓN LASTRADA Y SU APLICACIÓN PARA LAPOTABILIZACIÓN DE AGUAS SUPERFICIALES
Autor Principal: Ing. Ricardo KjaerRicardo Kjaer es Ingeniero Industrial Superior por la Universidad de Copenhague(Dinamarca). Comenzó a trabajar en el campo del tratamiento del agua hace 20 años enKrüger, hoy perteneciente al grupo Vivendi Water. Durante estos años, lleva trabajando enel saneamiento y potabilización de aguas para los mercados Europeo y Latinoamericano.
Dirección: Calle Electrodo, 52 – Polígono Industrial Santa Ana – Rivas Vaciamadrid -Madrid - 28529 - España - Tel.: +34 (91) 660 4000 - Fax: +34 (91) 666 77 16E-mail: [email protected]
INTRODUCCIÓN
El tratamiento de aguas superficiales para su potabilización, tradicionalmente se realiza pormedio de coagulación, floculación y decantación anterior a la filtración.
La decantación lastrada introduce microarena en la coagulación, produciendo unos flóculosde más peso que sedimentan con mayor facilidad y a más velocidad de sedimentación,permitiendo reducir el espacio de implantación y obra civil con relación a técnicasconvencionales de sedimentación.
Otras de las ventajas que presenta esta tecnología es la estabilidad de proceso que seobtiene, permitiendo variaciones importantes en la calidad del agua de entrada, sin afectar lacalidad del agua de salida.
DESARROLLO
La decantación lastrada es un sistema de tratamiento físico-químico de alto rendimiento queintroduce microarena en los flóculos formados para acelerar y mejorar el proceso desedimentación.
La decantación lastrada se puede aplicar en toda instalación que requiera un tratamientofísico-químico, presentado una serie de ventajas frente a otros sistemas cuando lasvariaciones de calidad y cantidad de agua a tratar son pronunciadas, o en los casos dondehay poco espacio disponible para su instalación.
Su aplicación inicial data de 1950, donde empezó a conocerse el proceso en Europa,existiendo hoy en día referencias de este sistema en instalaciones de gran caudal, tanto enEuropa como en América y Asia.
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Principio de funcionamiento:
El agua pasa por las siguientes etapas:
- Etapa de coagulación, donde se añade elcoagulante (cloruro de hierro, sulfato dealuminio, etc.)
- Etapa de floculación, en la cual se inyecta laarena y el polímero.
- Etapa de maduración de los flóculos.
- Etapa de decantación de la materia floculada.
En la primera etapa el coagulante actúa sobre los sólidos en suspensión de tal manera que seforman partículas con cargas positivas y negativas que luego puedan aglomerarse enflóculos (cuagulación tradicional).
Figura 2. Diagrama de funcionamiento
En la etapa de floculación, además del polímero, se agrega microarena para que se incorporea los flóculos que se están formando. Esta microarena da una calidad y un peso específico alflóculo que facilita y aumenta la velocidad de decantación considerablemente. Para estasdos etapas se necesita un mezclador dinámico que optimice la velocidad del proceso.
Arena
Arena
Arena
FlFlóculos
Figura 1. Floculación típicaen la Decantación Lastrada
Tratamiento de Fangos
Coagulante
Agua de entrada
Polímero
Microarena
Fango + Microarena
Agua desalida
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La decantación posterior a la floculación se realiza en un decantador de lamelas donde serecoge el agua clarificada en una canaleta ubicada en la parte superior. En la parte inferiorde la instalación los fangos con la arena se acumulan en una tolva.
Los fangos recogidos en la tolva son bombeados a unciclón (ver figura 3) para separar la arena del fango.De esta manera, la arena separada se puede volver autilizar en el proceso y sólo se debe agregar unapequeña parte, equivalente a la pérdida de arena queexiste en el fango. A continuación los fangos sonllevados a un eventual espesamiento y disposiciónfinal.
Aplicaciones
Una de las aplicaciones más interesantes de ladecantación lastrada es para los casos en donde lacalidad del agua a tratar varía de forma significativa según los cambios de estaciones, losperíodos de lluvia, los períodos de sequía etc. Gracias a la cantidad de arena ya incorporadaen el sistema, cuando se produce cualquier cambio en las condiciones de operación, sólo esnecesario variar la dosificación de productos químicos y la recirculación de los fangos paraadaptar el sistema a las nuevas condiciones.
Estas funciones están normalmente automatizadas por un PLC y mandadas por el medidorde caudal y el turbidímetro de entrada, de tal manera que la instalación ajusta lascondiciones de operación automáticamente según sea la calidad del agua bruta a tratar,dejando una calidad de agua tratada para la etapa de filtración, prácticamente constante,como indica la figura a continuación.
Figura 3. Hidrociclón
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Figura 4. Test de Operación
La velocidad de reacción del sistema es del orden de 10-30 minutos. En dicho período sealcanza la estabilidad del proceso, después de un cambio de condiciones de operación o deiniciar la operación de la planta.
En el siguiente gráfico, se registra la calidad del agua de salida en función de la operaciónde la instalación y vemos que la recuperación de niveles de turbidez del efluente tarda unos30 minutos aproximadamente.
Figura 5. Capacidad de reacción del sistema
Funcionamiento del ACTIFLOTest de Turbidez
Estudio Piloto California - 3/7/1997
Tiempo (horas)
Tu
rbid
ez d
el A
gua
de
En
trad
a (
NT
U)
Tu
rbid
ez de
posita
da (N
TU
)1400
PACl (mg/l) =
12009 - 17
1000
800
600
400
200
09:00 9:45 10:30 11:15 12:00 12:45
2222 16 26
22
18
14
10
6
2AGUA DE SALIDA
AGUA DE ENTRADA
Turbidez del Agua de Entrada (NTU) Operación
Normal100Sin CoagulanteCon Polímero
Con CoagulanteSin Polímero
Operación
Normal
Agua de Agua de Agua de Agua de EntradaEntradaEntradaEntrada
Agua de SalidaAgua de SalidaAgua de SalidaAgua de Salida
50
10
5
1
0.5
0.109:20 09:45 10:10 10:40 11:02 11:15
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Rendimientos y consumos del sistema:
Los rendimientos de este proceso son, en resumen, los siguientes:
Parámetros Agua de salidaTurbidez 0,2 – 0,5 NTUColor 0 – 10 PCUTOC 25 – 80%Algas 90 –99%Cantidad de Partículas 1,5 – 3,0 logMetales 80 – 99%
Hay que destacar el buen rendimiento de este proceso en la eliminación de metales, como elhierro y el manganeso, que puede encontrarse en cantidades importantes tantos en las aguassuperficiales como en las aguas subterráneas, donde también la decantación lastrada puedeser una opción de proceso.
En el siguiente gráfico se comparan los rendimientos de los procesos físico-químicotradicionales con la decantación lastrada en distintos sitios de USA.
Figura 6. Comparación de rendimiento y consumos con método tradicionalfísico-químico.
Sistemas Tradicionales Planta Piloto deDecantación Lastrada
CiudadTurbidez del
agua de entrada(NTU)
CoagulanteDosificación
(mg/l)Turbidez del
agua desalida (NTU)
Dosificación(mg/l)
Turbidez delagua de salida
(NTU)Sharon, PA 10-15 Aluminio 40-50 1,5-2 20-40 0,3-0,6
GA 3-10 Aluminio 6-7 1-2 5-6 0,4-0,5
Spotsylvania, VA 10-15 Aluminio 55-60 0,5-1,2 20-30 0,3-0,4
N. Table Mountain, CO 2-3 Aluminio 20 3-4 15-20 0,3-0,6
Newport, KY 50-90 Sulfato Férrico 14-15 3-5 10-15 0,6-0,7
Ashburton, MD 0,8-1,2 Aluminio 10-12 0,5-0,7 6-8 0,2-0,3
Conclusión
La decantación lastrada ofrece las siguientes importantes ventajas frente a un proceso físico-químico tradicional:- Menor consumo de productos químicos- Mayor rendimiento en la eliminación de contaminantes- Menor tiempo de reacción a variaciones de calidad de agua bruta.- Requiere menor de espacio y obras civiles para las instalaciones.
El mayor rendimiento en la eliminación de contaminantes, significa menor carga al filtroposterior y por consecuencia menor perdida de agua por lavado y mayor capacidad útil dela planta.
Existe gran número de referencias de plantas, con años en operación.
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Diapositiva 2CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
Arena de lastre
Partículas
de microarena
flóculos
Partículas
de microarena
Partículas
de microarena
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Diapositiva 3CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
Arena de Lastre - Fotografía
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Diapositiva 4CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
Decantación LastradaDiagrama de Instalación
FANGO
HIDROCICLON
POLIMERO
AGUA
BRUTA
COAGULANTE
COAGULACION
MEZCLA DE ARENAFLOCULACIÓN
DECANTACION
LAMINAR
AGUA
CLARIFICADA
FLOCULOS LASTRADOS
AL HIDROCICLON
MICROARENA
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Diapositiva 5CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
Decantación lastradaHidrociclón
ALIMENTACION TANGENCIAL
FANGO
NUCLEO DE AIRE
VORTEX INTERNO
VORTEX EXTERNO
ARENA
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Diapositiva 6CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
Decantación lastrada
Microarena: 80 - 120 micras ”LASTRE”
Polímero: ayuda a la floculación
Gradiente de velocidad: G = 200 - 600/s
Tiempo de floculación: 5 - 8 minutos
Carga hidr. de diseño: 50 - 75 m/h
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Diapositiva 7CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
➜ Arena de Sílice, 2.6 g/cm3, 80-120 µµµµm
➜ 4000 - 6000 mg/l en suspensión
➜ <1 mg/l pérdida ~ <1kg/1000 m³ tratado
➜ Recarga: 2 veces por semana
➜ Coste:US $100-200/ton.
Microarena
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Diapositiva 8CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
Tiempos de reacción
Coagulación :
Inyección :(Flash Mix)
Maduración :(Floculación)
Decantación :
Total tiempo de reacción :
1 -2 minutos
1 -2 minutos
4 -6 minutos
2 minutos
8 - 12 minutos
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Diapositiva 9CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
Decantación lastrada vs. tratamientoconvencional
➜ Reduce tiempo de mezcla con un factor 5
➜ Aumenta la velocidad de sedimentación del
flóculo con un factor de 200 - 300
➜ Reduce el area de implantación con factor de
4 - 20
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Diapositiva 10CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
ACTIFLO. Referencias para tratamiento de agua (I)
Planta PaisFecha
Instalación
Selangor
N. Table Mtn., CO
Quebec City, Que
Montezuma, CO
Sharon, PA
Casper, WY
Spotsylvania, VA
Southeast Regional, UT
Cass County, MO
Newport, KY
Malaysia
USA
Canada
USA
USA
USA
USA
USA
USA
USA
1998
1998
1998
1999
1999
1999
1999
1999
1999
24.000
1.700
9.900
630
2.500
4.300
1.900
3.200
160
5.700
5
2
2
2
3
2
4
2
1
2
4.800
850
3.300
315
830
2.150
630
1.600
160
2.850
Capacidadunit. m3/h
TotalCapacidad
m3/h
1999
NºUnidades
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Diapositiva 11CONGRESO AIDIS
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Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
ACTIFLO. Referencias para tratamiento de agua (II)
Neuilly s. Marne
Annet s. Marne
Kahnawake, Que
Roberval, Que
Broomy Hill
Gatineau, Que
ECCUP
St. Lambert, Que
St. Jerome, Que
France
France
Canada
Canada
G. Britain
Canada
G. Britain
Canada
Canada
1991
1992
1993
1994
1995
1997
1997
1997
1997
9000
1900
315
630
2200
4700
4100
5700
1900
3
1
1
1
2
2
2
3
2
3000
1190
315
630
1100
2350
2050
1900
950
Planta PaisFecha
InstalaciónCapacidadunit. m3/h
TotalCapacidad
m3/h
NºUnidades
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Diapositiva 12CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
Quebec- Canada: 9.500 m³/hDec. lastrada: 5% de la superf. original
OLD FLOCCULATIONBASINS
ACTIFLO 23 m
21 m128 m
OLD SEDIMENTATIONBASINS
78 m
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Diapositiva 13CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
Gatineau, Canada
Ahorro: $6,000,000 (US)
Antes Ampliación
11m' 11m
11m'11m
15 m 15 m
Superpulsator
800 m³/h
Superpulsator
800 m³/h
ACTIFLO
2400 m³/h
ACTIFLO
2400 m³/h
Ampliación
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Diapositiva 14CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
Vista parcial de una Decantación Lastrada
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Diapositiva 15CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
Mezclador dinámico
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Diapositiva 16CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
Rascador de fangos y arena
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Diapositiva 17CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
Resumen de las características
➜ Alta calidad de agua tratada
➜ Area reducida de implantación
➜ Uso efectivo de productos quimicos
➜ Arranque “instantáneo”
➜ Periodo de retensión corto (rápido de
ajustar a nuevas condiciones)
➜ Proceso estable
➜ Proceso flexible
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Diapositiva 18CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
Planta piloto de Decantación Lastrada
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Diapositiva 19CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
Planta Piloto de Decantación Lastrada
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Diapositiva 20CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
Decantación lastradaTest de planta piloto en USA
CiudadTurbidez aguaentrada (NTU)
CoagulanteDosificación (mg/l)
Turbidez aguasalida (NTU)
Dosificación (mg/l)
Turbidez aguasalida (NTU)
PA 10-15 Aluminio 40-50 1,5-2 20-40 0,3-0,6GA 3-10 Aluminio 6-7 1-2 5-6 0,4-0,5VA 10-15 Aluminio 55-60 0,5-1,2 20-30, 0,3-0,4CO 2-3 Aluminio 20 3-4 15-20 0,3-0,6KY 50-90 Ferrico Sulfato 14-15 3-5 10-15 0,6-0,7MD 0,8-1,2 Aluminio 10-12 0,5-0,7 6-8 0,2-0,3
Sistemas Tradicionales Planta Piloto de DecatanciónLastrada
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Diapositiva 21CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
Uso de productos químicosDecantación Lastrada vs. convensional
Alum (mg/l)
Tu
rbid
. (N
TU
)
Planta PilotoSharon, PA 3/95Velocidad: 40 m/h
Planta existente
Decantación lastrada
0.5
1.0
1.5
2.0
0.010 20 30 40 50 60
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Diapositiva 22CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
Respuesta a interrupción de dosificaciónPlanta Piloto en The Ohio River - Newport, KY
Tiempo(hh:mm)
Turb
idez
(NT
U)
Operaciónnormal100
Sin coagulante
Con polímeroSin coagulanteSin polímero
Operaciónnormal
EntradaEntradaEntradaEntrada
SalidaSalidaSalidaSalidaSalidaSalidaSalidaSalida
50
10
5
1
0.5
0.109:20 09:45 10:10 10:40 11:02 11:15
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Diapositiva 23CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
Estabilidad del procesoNorte de Carolina - 1997
0
100
200
300
400
500
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
12:00 14:00 16:00 18:00 20:00
Tu
rb.
Agua d
e e
ntr
ada (
NT
U)
Tu
rb. A
gu
a tratada (N
TU
)
Alum (mg/l) =
14 16 19 24 25 28
Entrada
Salida
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Diapositiva 24CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
Efecto de aumento de velocidadEstudio piloto - Nov. 1996
Turb. agua de entrada:16 NTU
Dosificacion de Alu : 13 mg/l
Velocidad de decantación m/h
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.00 25 50 70 100
Turb
idez,
agua
trata
ada (
NT
U)
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Diapositiva 25CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
Test de variación en turbidezCalifornia. Estudio piloto - 3/7/1997
Hora
Turb
idez
ag
ua d
e e
ntr
ada
(N
TU
) Turb
idez a
gua d
e sa
lida (N
TU
)
1400PACl (mg/l) =
12009 - 17
1000
800
600
400
200
09:00 9:45 10:30 11:15 12:00 12:45
2222 16 26
22
18
14
10
6
2
Salida
Entrada
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Diapositiva 26CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
Eliminación de Crypto y GiardiaMartin County, KY - November 1998
Entrada Salida
Turbidez media (NTU) 555...333 000...222444
Partículas
por/ml)111222,,,222444666 111111666
Cryptosporidium, media
por/100L)333 000
Giardia media
(por/100L)111666 000
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Diapositiva 27CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
Decantación lastradaEliminación de TOC vs. Sistemas tracicionales
Entrada conv. Plant Dec. lastrada mg/l mg/l elimina. mg/l elimina.
Newport, KY 2.74 1.79 27% 1.51 45%
N. Table M., CO 2.10 1.80 25% 1.30 41%
Bowman, CA 1.20 1.10 8% <1.0 >17%
Princeton, KY 3.20 2.60 20% 2.40 25% (1)
3.10 2.00 35% (2)
2.80 1.70 39% (3)
2.80 1.30 54% (4)
(1) con PACl, pH = 7.6(2) con PACl, pH = 6.0
(3) con alum, pH = 6.2(4) con FeCl3, pH = 6.0
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Diapositiva 28CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
NorthLoading
Dock
North Table Mountain, COCapacidad Total: 175011 m³/h North
LoadingDock
InjectioInjectionnTankTank
MaturatioMaturationnTankTank
PumpGallery
Chemical FeedEquipment, Etc.
AlumTank
CoagulatioCoagulationnTankTank
SettlingSettlingTankTank
AlumTank
SouthLoading
Dock
21m 15m
15m
5m
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Diapositiva 29CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
North Table Mountain, COAmpliación. Puesta en Marcha Mayo 1998
Antes(Junio-Dec. 1997 Avg.)
Después(Junio-Dec. 1998 Avg.)
Agua de entrada
Turbidez (NTU) 3.1
Dosificación
Alum
Polimero
Soda Ash
Cl2Arena
(mg/l)
(mg/l)
(mg/l)
(mg/l)
(mg/l)
29
1.0 (Coag.)
11
2.9
-
22
0.20 (Floc.)
7
2.1
0.3
Agua decantada
Turbidez (NTU) 6 0.41
Agua filtrada
Turbidez
Operación del filtro
Million Gallons Filtrado
Filtro, dos.
TTHM’s
Agua de lavado
0.065
24
59
0.07
66
8.5
0.057
29
70
0.06
45
5.5
3.5
(NTU)
(h)
MG/Month
(mg/l)
(µg/l)
(%)
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Diapositiva 30CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
North Table Mountain, COCostes de operación (Mayo 1998)
Antes de ampl.Junio-Dec.1997
( Media)
Después de ampl.Junio-Dec.1998
(Media)
Power Costs
(Cents per m3))
Overall Operation Costs
Chemical + Power
(Cents per m3)
Chemical Costs
(Cents per m3)
2,42,96
1,2
1,19
1,2
1,69
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Diapositiva 31CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
Rendimientos típicos
Parámetros
Turbidez
Color
TOC
Algas
Particulas
Metales
Aguasedimentada0.2 - 0.5 NTU
0 - 10 PCU
25 - 80 %
90 - 99 %
1.5 - 3.0 log
80 - 99 %
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Diapositiva 32CONGRESO AIDIS
Honduras, 21 - 24 Agosto 2001
Ponente: Ing. Ricardo Kjaer
Ponencia: Canales de Oxidación
Resúmen de las caracteristicas
➜ Alta calidad de agua tratada
➜ Area reducida de implantación
➜ Uso efectivo de productos quimicos
➜ Arranque “instantáneo”
➜ Periodo de retensión corto (rápido deajustar a nuevas condiciones)
➜ Proceso estable
➜ Proceso flexible