Tratamiento de agua para consumo humano - DSpace...

Contenido i

Lima, 2004

OPS/CEPIS/PUB/04.111 Original: español

Tratamiento de agua paraconsumo humano

Plantas de filtración rápida

Manual II: Diseño de plantasde tecnología apropiada

ii Diseño de plantas de tecnología apropiada

© Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente, 2004

El Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS/OPS) sereserva todos los derechos. El contenido de este documento puede ser reseñado, reprodu-cido o traducido, total o parcialmente, sin autorización previa, a condición de que se espe-cifique la fuente y de que no se use para fines comerciales.

El CEPIS/OPS es una agencia especializada de la Organización Panamericana de laSalud (OPS/OMS).

Los Pinos 259, Urb. Camacho, Lima, PerúCasilla de correo 4337, Lima 100, PerúTeléfono: (511) 437 1077Fax: (511) 437 [email protected]://www.cepis.ops-oms.org

Contenido iii

INTRODUCCIÓN

En Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtraciónrápida. Manual II: Diseño de plantas de tecnología apropiada se hanplasmado los avances y la experiencia acumulada en este terreno por el CEPIS/OPS durante los últimos 12 años, posteriores a la publicación de Manual V: Diseño,la versión anterior de este documento.

La delicada situación económica de los países y de las empresas de aguaen América Latina y el Caribe ha favorecido una mayor acogida de esta tecnología,por su bajo costo inicial, su menor costo de producción y su comprobada eficienciaen relación con los demás tipos de sistemas.

Sin embargo, en la práctica, se están observando dificultades en la aplicaciónde esta tecnología. A través de múltiples evaluaciones, hemos detectado problemasde diseño que se repiten, por lo que hemos creído conveniente que este manual secircunscriba a proyectos de este tipo.

Se hacía necesario, entonces, detallar al máximo cómo se deben determinarlos parámetros de proyecto, dimensionar, compactar y empalmar las diversasunidades, para que el resultado sea óptimo, y señalar qué se debe evitar para queel profesional que recién se inicia en proyectos de plantas de tratamiento no cometalos errores identificados.

Los criterios y procedimientos de diseño de las unidades de mezcla rápida,floculación, decantación, filtración y desinfección —procesos básicos de una plantade filtración rápida— se revisan en los capítulos 1 al 6.

Uno de los mayores problemas que se observan es que los proyectistas noadjuntan al proyecto un instructivo para la puesta en marcha y operación de laplanta. Esto trae como consecuencia que el personal de operación, generalmente

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sin capacitación previa ni específica, actúe simplemente por intuición, lo que afectamucho la eficiencia del sistema. El mejor diseño puede fracasar si la operación nose realiza correctamente.

Para contribuir a superar este problema, esta edición incluye un capítuloespecial (el 7) sobre este tema. En él se detalla el contenido del instructivo quedebe acompañar a cada proyecto de esta naturaleza.

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RECONOCIMIENTO

Este manual ha sido elaborado por el Centro Panamericano de IngenieríaSanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS/OPS), de la Organización Panamericanade la Salud (OPS/OMS), y actualiza el texto publicado en 1992 con el títuloManual V: Diseño.

La preparación y actualización de este manual ha estado a cargo de laIng. Lidia Canepa de Vargas, asesora en Tratamiento de Agua para ConsumoHumano, bajo la dirección del Dr. Mauricio Pardón, director del Centro.

Se agradece la contribución del Ing. Víctor Maldonado Yactayo en larevisión de las unidades. Asimismo, la colaboración del editor del CEPIS/OPS,Lic. Luis Andrade, y de las Sras. Inés Barbieri e Irma Sánchez, del cuerpo desecretarias del Centro, quienes colaboraron en el procesamiento del texto, asícomo la contribución del Sr. Washington Macutela, responsable de la impresión.

vi Diseño de plantas de tecnología apropiada

Contenido vii

CONTENIDO

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INTRODUCCIÓN ................................................................................................... iAGRADECIMIENTOS ........................................................................................... iii

CAPÍTULO 1. CASA DE QUÍMICA ..................................................................... 1

1. Almacenamiento de las sustancias químicas ................................................. 31.1 Productos secos .................................................................................. 3

1.1.1 Criterios de diseño ................................................................... 31.2 Productos en solución ........................................................................ 9

1.2.1 Proceso de cálculo ................................................................... 102. Dosificación .................................................................................................... 11

2.1 Tipos de dosificadores ........................................................................ 112.1.1 Equipos de dosificación en seco ............................................. 122.1.2 Equipos de dosificación en solución ....................................... 15

2.2 Dimensionamiento de los sistemas de dosificación ............................ 192.2.1 Sistemas de dosificación en seco ............................................ 192.2.2 Dosificación en solución ......................................................... 232.2.3 Saturadores de cal .................................................................... 27

2.3 Recomendaciones para el proyecto .................................................... 283. Defectos de diseño más comunes .................................................................. 324. Laboratorio de control de procesos ............................................................... 34Referencias ............................................................................................................. 36Bibliografía general .................................................................................................. 36

Anexo A: Datos sobre las sustancias químicas más empleadas en eltratamiento de agua ........................................................................................ 37

CAPÍTULO 2. MEZCLADORES ........................................................................... 45

1. Introducción ................................................................................................... 472. Parámetros generales de diseño ..................................................................... 47

2.1 Unidades hidráulicas ........................................................................... 482.1.1 Mezcladores de resalto hidráulico ........................................... 492.1.2 Canaleta Parshall ...................................................................... 582.1.3 Vertedero rectangular ............................................................... 672.1.4 Vertedero triangular .................................................................. 68

viii Diseño de plantas de tecnología apropiada

2.1.5 Difusores ................................................................................. 712.1.6 Inyectores ................................................................................ 77

2.3 Unidades mecánicas ............................................................................ 822.3.1 Parámetros de diseño ............................................................... 822.3.2 Criterios para el dimensionamiento .......................................... 82

Referencias ............................................................................................................. 87

CAPÍTULO 3. FLOCULADORES ......................................................................... 89

1. Introducción ................................................................................................... 912. Parámetros y recomendaciones generales de diseño ..................................... 913. Unidades de pantallas .................................................................................... 92

3.1 Unidades de flujo horizontal ............................................................... 933.1.1 Parámetros y recomendaciones de diseño ............................... 933.1.2 Criterios para el dimensionamiento .......................................... 963.1.3 Aplicación ................................................................................ 973.1.4 Recomendaciones para el proyecto y problemas de diseño

más comunes ........................................................................... 1013.2 Unidades de flujo vertical ................................................................... 103

3.2.1 Parámetros y recomendaciones de diseño ............................... 1033.2.2 Criterios para el dimensionamiento .......................................... 1053.2.3 Aplicación ................................................................................ 1063.2.4 Recomendaciones de diseño y defectos más comunes ........... 1103.2.5 Ventajas y desventajas de las unidades de pantallas .............. 112

4. Floculadores del tipo Alabama o Cox ............................................................. 1135. Floculadores de medios porosos.................................................................... 115

5.1 Parámetros y recomendaciones de diseño .......................................... 1155.2 Criterios de dimensionamiento ............................................................ 116

6. Floculadores de mallas o telas ........................................................................ 1206.1 Parámetros de diseño .......................................................................... 1206.2 Criterios de dimensionamiento ............................................................ 1206.3 Aplicación y recomendaciones ........................................................... 122

Referencias ............................................................................................................. 126Anexo A. Viscosidad del agua ........................................................................ 129

CAPÍTULO 4. DECANTADORES LAMINARES .................................................. 133

1. Introducción ................................................................................................... 1352. Decantadores de placas .................................................................................. 135

2.1 Parámetros y recomendaciones generales de diseño .......................... 1363. Decantadores de flujo ascendente ................................................................. 138

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Contenido ix

4. Zona de entrada .............................................................................................. 1394.1 Criterios de diseño .............................................................................. 139

5. Zona de sedimentación................................................................................... 1505.1 Criterios específicos ............................................................................ 1505.2 Criterios para el dimensionamiento ..................................................... 1535.3 Aplicación ........................................................................................... 154

6. Zona de salida ................................................................................................ 1586.1 Criterios generales ............................................................................... 1586.2 Criterios para el dimensionamiento ..................................................... 159

7. Zona de lodos ................................................................................................. 1627.1 Tolvas separadas y colector múltiple .................................................. 164

7.1.1 Criterios de diseño ................................................................... 1647.1.2 Criterios de dimensionamiento ................................................ 1667.1.3 Aplicación ................................................................................ 167

7.2 Canal central con sifones y tolvas continuas ..................................... 1697.2.1 Criterios de diseño ................................................................... 1697.2.2 Criterios de dimensionamiento ................................................ 1697.2.3 Aplicación ................................................................................ 171

7.3 Otros sistemas de descarga de lodos .................................................. 1717.3.1 Descarga mecánica automática ................................................ 171

8. Defectos de diseño más comunes .................................................................. 173Referencias .............................................................................................................. 178

CAPÍTULO 5. BATERÍA DE FILTROS DE TASA DECLINANTE YLAVADO MUTUO .................................................................................................. 181

1. Introducción ................................................................................................... 1832. Ventajas de las baterías de filtros de tasa declinante y lavado mutuo ........... 1833. Descripción de una batería de tasa declinante y lavado mutuo ..................... 1864. Criterios generales de diseño ......................................................................... 188

4.1 Geometría de la batería ........................................................................ 1884.1.1 Área de cada filtro y número de filtros .................................... 1884.1.2 Tasas de filtración .................................................................... 1894.1.3 Drenaje, capa soporte de grava y falso fondo ......................... 1904.1.4 Lecho filtrante .......................................................................... 1924.1.5 Canal de distribución de agua decantada, coagulada o

prefloculada ............................................................................. 1944.1.6 Canal de aislamiento ................................................................ 1954.1.7 Canal de interconexión ............................................................. 1954.1.8 Válvula de entrada de agua decantada .................................... 1954.1.9 Válvula de salida de agua de retrolavado ................................ 196

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x Diseño de plantas de tecnología apropiada

4.1.10 Válvula de desagüe de fondos ................................................ 1964.1.11 Compuerta de aislamiento o de salida de agua filtrada ............ 196

4.2 Hidráulica del lavado ........................................................................... 1974.2.1 Canaletas de recolección de agua de lavado ........................... 1974.2.2 Ubicación del vertedero de salida ............................................ 1994.2.3 Expansión del medio filtrante durante la operación de lavado 1994.2.4 Pérdida de carga en el lecho filtrante expandido ..................... 2014.2.5 Pérdida de carga en las canaletas ............................................ 2024.2.6 Pérdida de carga en el drenaje de viguetas prefabricadas ....... 2024.2.7 Pérdida de carga en canales y orificios de compuertas ........... 2024.2.8 Cálculo del nivel del vertedero ................................................ 203

4.3 Hidráulica del proceso de filtración ..................................................... 2034.3.1 Compuerta de entrada .............................................................. 2044.3.2 Drenaje ..................................................................................... 2074.3.3 Medio filtrante: arena y/o antracita .......................................... 2074.3.4 Vertedero de salida ................................................................... 207

5. Aplicación ................................................................................................. 2086. Criterios para el diseño de plantas de filtración directa ................................. 220

6.1 Parámetros de diseño .......................................................................... 2206.2 Dosificación ........................................................................................ 2216.3 Características del medio filtrante ....................................................... 2236.4 Tasa de filtración ................................................................................. 2236.5 Control de calidad ............................................................................... 225

7. Funcionamiento de la batería de filtros de tasa declinante ............................ 2258. Defectos de diseño más comunes .................................................................. 228Referencias .............................................................................................................. 232

CAPÍTULO 6. SALA DE CLORACIÓN ............................................................... 235

1. Introducción ................................................................................................... 2372. Criterios generales de diseño ......................................................................... 2373. Almacenamiento ............................................................................................. 242

3.1 Criterios para el dimensionamiento ..................................................... 2423.2 Recomendaciones para el proyecto .................................................... 245

4. Equipos de medición y control ....................................................................... 2474.1 Equipos para aplicar hipoclorito en solución...................................... 2484.2 Hipoclorador de orificio de carga constante ....................................... 2484.3 Equipos para aplicar cloro gaseoso .................................................... 249

4.3.1 Cloradores de aplicación directa .............................................. 2494.3.2 Cloradores de aplicación al vacío ............................................ 252

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4.4 Evaporadores ...................................................................................... 2604.5 Sistemas de control ............................................................................. 261

4.5.1 Sistemas automáticos ............................................................... 2615. Punto de aplicación ........................................................................................ 2636. Cámara de contacto ........................................................................................ 265

6.1 Tiempo de contacto para la reducción de bacterias ............................ 2656.2 Tiempo de contacto para la reducción de parásitos ........................... 265

7. Ventilación y equipos de protección .............................................................. 2687.1 Sistemas de alarma .............................................................................. 2697.2 Equipo de protección para los operadores ......................................... 270

8. Recomendaciones para el proyecto ................................................................ 2719. Problemas más comunes ................................................................................. 272Referencias .............................................................................................................. 276

Anexo A: Valores TC para la inactivación de Giardia y virus mediante Cl2libre y otros desinfectantes ............................................................................ 277

CAPÍTULO 7. INSTRUCTIVO DE PUESTA EN MARCHA Y OPERACIÓNNORMAL ................................................................................................................ 285

1. Introducción ................................................................................................... 2872. Recomendaciones para la operación de puesta en marcha ............................ 287

2.1 Inspección preliminar .......................................................................... 2882.2 Operaciones iniciales .......................................................................... 289

2.2.1 Preparación de soluciones y dosificación de productosquímicos ................................................................................... 289

2.3 Llenado de la planta ............................................................................ 2962.3.1 Procedimiento .......................................................................... 296

2.4 Lavado de filtros ................................................................................. 2982.4.1 Procedimiento para el lavado ................................................... 298

2.5 Instalación de la tasa declinante ......................................................... 2992.5.1 Procedimiento .......................................................................... 299

2.6 Medición de caudal ............................................................................. 3002.7 Mezcla rápida ...................................................................................... 301

3 Operación normal............................................................................................ 3023.1 Operación normal del sistema de filtración ......................................... 3023.2 Filtración directa .................................................................................. 303

4. Operación especial ......................................................................................... 3045. Control de calidad ........................................................................................... 3056. Operación estacional ...................................................................................... 3067. Aspectos varios ............................................................................................. 3068. Limitaciones del sistema ................................................................................. 307

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xii Diseño de plantas de tecnología apropiada

Referencias .............................................................................................................. 309Anexo A: Toma de muestras en planta .................................................................... 310Anexo B: Consumo anual de reactivos .................................................................... 310Anexo C: Anotaciones diarias de la planta de tratamiento ..................................... 311Anexo D: Formulario resumen mensual de control de procesos en la planta X ...... 313

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CAPÍTULO 1

CASA DE QUÍMICA

Casa de química 3

La casa de química o edificio de operaciones es el ambiente de la planta enel cual se concentran todas las instalaciones para el manejo de las sustanciasquímicas. Comprende básicamente las instalaciones de almacenamiento, dosifica-ción y laboratorios de control de los procesos de la planta. Este capítulo tratasobre los criterios y procedimientos para el diseño de estas instalaciones.

1. ALMACENAMIENTO DE LAS SUSTANCIAS QUÍMICAS

Las sustancias que se emplean en el tratamiento del agua pueden estar enpolvo, trituradas o en solución. Al proyectar los almacenes, se debe tener en cuen-ta la forma en que se van a utilizar estas sustancias, de modo que las instalacionesofrezcan todas las facilidades para la conservación y manejo del producto.

1.1 Productos secos

1.1.1 Criterios de diseño

Para determinar las dimensiones de estas instalaciones, será necesario te-ner en cuenta los siguientes criterios, relacionados con la capacidad, la ubicacióny las características del almacén, que varían de acuerdo con las dimensiones de laplanta de tratamiento.

a) Ubicación

••••• Ubicar el almacén lo más cerca posible de la sala de dosificación, paraahorrar tiempo y esfuerzo en el traslado de las sustancias químicas. Ideal-mente, los almacenes y la sala de dosificación deben ocupar un mismoambiente, sobre todo en sistemas pequeños y medianos.

••••• En sistemas grandes, los almacenes siempre deberán ubicarse en el primerpiso de la casa de química para no encarecer la estructura del edificio.

4 Diseño de plantas de tecnología apropiada

••••• La capacidad del almacéndebe ser suficiente para abas-tecer la planta por lo menosdurante un mes. En el caso deque los productos se expendanen la misma ciudad en la quese encuentra la planta, podráconsiderarse una capacidadmínima para 15 días.

b) Consideraciones para el dimensionamiento

••••• Cuando el producto es importado, al determinar el tiempo de almacena-miento, deberá tenerse en cuenta el tiempo total que toma el trámite decompra. En la mayoría de los casos, esto puede demandar varios meses.

••••• Cuando la empresa tiene unalmacén central del cual seaprovisionará a la planta, el al-macenamiento en planta po-drá calcularse para 15 días.

••••• Cuando se almacenan sus-tancias secas embolsadas—como es el caso del sulfatode aluminio y la cal—, deberádisponérselas apiladas enrumas y sobre tarimas demadera para aislarlas de la humedad del piso y de las paredes. Esta medidaes especialmente importante para el sulfato de aluminio, que es higroscópico(es decir, que absorbe la humedad del aire).

••••• Cuando la transferencia del almacén a la sala de dosificación se realizamanualmente, la altura total de las rumas no deberá ser mayor de 2 metros,para que el operador pueda tener acceso a las bolsas del extremo superior.Cuando la transferencia se va a realizar en forma mecánica, el material

Figura. 1-1. Almacén de sustanciasquímicas (1)

Figura 1-2. Entrada al almacén (2)


Conexiones

flexiblesSilo de

almace-

namiento

Impulsor de aire

Filtro

Carga

VentiladorLínea de retorno

Línea de

alimentación

Compuerta

N.o 1 N.o 2

Alimentación

de aire

Válvula

• Para determinar la dosis promedio (D), es necesario disponer de una curvade dosificación (dosis óptima de coagulante versus turbiedad de agua cru-da, figura 1-4). Esta curva se obtiene de un estudio de laboratorio que abar-que por lo menos un ciclo de seca y uno de creciente para determinar lasdosis máximas y mínimas que se requerirán en el tratamiento del agua. Ladosis promedio se calculará a partir de la dosis requerida cuando se produ-ce la turbiedad máxima y la dosis necesaria en época de aguas claras.

• El área neta que ocupará el material se obtiene de la siguiente expresión:

A (m2) = V (m3)/ H (m) (2)

Donde la altura de almacenamiento (H) depende del sistema de transferen-cia seleccionado. El área de cada ruma se decidirá en función de las dimensionesde las bolsas del producto por almacenar y del número de bolsas por considerar alo largo y a lo ancho. Dividiendo el área neta calculada en la ecuación (2) entre elárea de una ruma, se definirá el número de rumas que se deberán considerar en elalmacén.

• En las plantas grandes de varios metros cúbicos de capacidad de produc-ción, el material se recibe en silos, que son abastecidos mediante camiones,vagones o carros cisterna, de acuerdo con la forma en que se solicite elproducto: sólido o líquido.

Figura 1-5. Sistema de llenado neumático (2)

Casa de química 7

••••• Los silos pueden ser metálicos, de hormigón o de poliéster reforzado confibra de vidrio y de forma cilíndrico-cónica.

• Cuando el material se deposita enseco, el llenado se realiza median-te un sistema mecánico o —loque es más frecuente— neumá-tico, a partir del vehículo deabastecimiento, cuyo contenidose fluidifica y se somete a unapresión de aire, de forma que flu-ya como un líquido hasta el silo.Véase la figura 1-5.

Igualmente, pueden utilizarse dis-positivos de llenado mecánico de los silos, como fajas transportadoras osistemas de canjilones (figuras 1-6 y 1-7).

• Algunos reactivos en polvo tienden a aglomerarse, lo que dificulta su ex-tracción. Para evitar este inconveniente, se pueden emplear dos procedi-mientos. El primero consiste en cubrir la superficie interior del silo convejigas inflables, repartidas convenientemente. Estas vejigas, sometidas apresión en forma periódica, despegan el producto de las paredes y rompenlos aglomerados que empiezan a formarse. El segundo procedimiento con-siste en fluidificar el contenido del silo inyectando en la base aire compri-mido. De esta manera, el producto fluye sin dificultad.

• Cuando se trata de unapequeña tolva metálica,puede evitarse que elmaterial se aglomere sise coloca en la parteexterior de la tolva unvibrador intermitente,cuya potencia debeadaptarse al volumende esta.

Figura 1-6. Sistema de llenado mediantefajas transportadoras (2)

Figura 1-7. Sistema de llenado mediantecanjilones (2)


• El aire que se emplea para el transporte neumático de sustancias químicaso para mantenerlas fluidas debe someterse a un tratamiento antes de queescape a la atmósfera. Para ello, se lo hace pasar a través de filtros de telacolocados en la parte superior de los silos, localizados en un compartimientoen el que se produce una depresión con un ventilador.

• El control del nivel del producto en los silos se puede efectuar de diversasformas. Se puede utilizar un motor flotante que acciona una paleta, la cualgira dentro del producto. La presencia de material en la tolva crea un parresistente que provoca una rotación en la carcasa del motor, detectada porcontacto eléctrico. La ausencia de producto hace que la carcasa recobresu posición normal.

• También hay dispositivos que detectan cuándo el material está en su nivelmínimo, mediante sistemas capacitivos que determinan la diferencia de lapermisividad de un dieléctrico, constituido por el producto o por el aire.Otra forma de detectar este nivel consiste en una membrana que se defor-ma bajo el peso del producto almacenado y actúa sobre un interruptor eléc-trico.

• También se emplean sistemas más complejos, que indican de forma conti-nua el nivel del producto dentro del silo, mediante medidores de fuerzas ofenómenos piezoeléctricos. Existen también otros sistemas ultrasónicos ode rayos gamma. El sistema más sencillo consiste en un tanque de plásticoreforzado con fibra devidrio, en el cual setransparenta el conteni-do.

• La extracción de losproductos almacenadosen los silos se efectúamediante una válvulaalveolar, tornillo sin fin,extractor de paletas ovibrante, aerocorrederao válvula automática.Cuando se trata de unatolva de almacenamien-

Figura 1-8. Tanque de almacenamientode sulfato de aluminio líquido (1)

Casa de química 9

to de pequeña capacidad, la extracción puede hacerse manualmente, a tra-vés de un simple obturador de registro.

• El almacenamiento de productos secos también puede hacerse en recipien-tes estancos, que llena el proveedor del producto. Estos recipientes se cons-truyen de acero o de goma sintética. Su empleo es especialmente indicadoen instalaciones pequeñas y medianas.

1.2 Productos en solución

En instalaciones peque-ñas, los reactivos líquidos ge-neralmente se adquieren y al-macenan en cilindros, bidoneso bombonas. En sistemas másimportantes, el suministro serealiza en camiones o vago-nes-cisterna, de donde losreactivos son transferidos porgravedad, a presión de aire obombeo, a las cubas o tanquesde almacenamiento. Estos de-ben estar interiormente prote-gidos contra la acción corro-siva del reactivo.

• Los sistemas de dosificación en solución son económicamente ventajososcuando el reactivo se produce localmente.

• En las instalaciones grandes, las cubas o tanques de almacenamiento de losreactivos se construyen según la naturaleza de los productos. Pueden serde acero u hormigón con o sin revestimiento interno o de material plástico.

• Los tanques de almacenamiento van equipados con dispositivos de controlde nivel más o menos perfeccionados, que pueden variar desde un sistemade flotador y vástago con índice que se desplaza sobre una regla graduada,hasta los dispositivos descritos en el acápite anterior, con los que puedeefectuarse la medición a distancia de este nivel.

Figura 1-9. Tanques de plástico reforzadoscon fibra de vidrio (1)


1.2.1 Proceso de cálculo

La información básica que se requiere para efectuar este cálculo es lasiguiente:

• Caudal de diseño de la planta: Q en L/s o m3/d.• Rango de dosificación (D

m – D

M, mg/L). En los histogramas de turbiedad

elaborados durante el estudio de variaciones de la fuente, se obtiene laturbiedad máxima y mínima que se presenta durante el año. Con estosdatos se obtienen, en la curva de dosificación, las dosis máxima y mínima.

• Periodo de almacenamiento: T (días o meses).• Peso específico del material por dosificar (δ, kg/m3).• Si el sulfato de aluminio empleado para las pruebas de laboratorio es de alta

pureza, deberá introducirse en los cálculos un factor de corrección, pero silas pruebas se realizan con el mismo sulfato que se emplea en la planta,este factor no será necesario.

Ejemplo: Se desea calcular el área de almacenamiento para sulfato dealuminio que se requiere en una planta de Q = 300 L/s, para un periodo de 3meses. La dosificación requerida es la siguiente:

• Dm

= 20 mg/L• D

M= 80 mg/L

• δ = 964 kg/m3

El cuadro 1-1 presenta un resumen del cálculo efectuado.

Para determinar las dimensiones de las rumas de sulfato, hay que tener encuenta que las bolsas de sulfato de aluminio tienen normalmente 50 kilogramos depeso y dimensiones aproximadas de 0,50 x 0,60 metros, de manera que las filas sepueden acomodar considerando tres bolsas a lo ancho con la dimensión de 0,60metros, por lo que la ruma tendría 1,80 metros de ancho. Los pasillos o corredorespueden tener de 0,80 a un metro de ancho. En este caso, como se trata de unaplanta de 300 L/s, será necesario transportar las bolsas en una carretilla, por loque se está dejando un metro de distancia entre las tarimas de 1,80 de ancho.

Casa de química 11

Cuadro 1-1. Cálculo del almacén de sulfato de aluminio (2)

De acuerdo con el calculo efectuado, el almacén tendrá 9,40 metros deancho por 14 metros de largo y se han considerado tres tarimas de 1,80 metros deancho, 12 metros de largo, con rumas de bolsas apiladas de 1,80 metros de alto,dejando pasillos de un metro de ancho entre las rumas, así como entre estas y lapared.

2. DOSIFICACIÓN

La dosificación de las sustancias químicas debe efectuarse mediante equi-pos que aseguren la aplicación de una dosis exacta por unidad de tiempo. Estosequipos disponen de controles que permiten fijar la cantidad de producto por uni-dad de tiempo que debe liberarse, dentro de límites establecidos por su capacidad.

2.1 Tipos de dosificadores

En el cuadro 1-2 se presenta una clasificación de estos equipos de acuerdocon el estado en que se encuentra el producto.

Paso DatosUni- Uni-dades

Criterios Cálculos Resultadosdades

1 Dm = 20 mg/L D = (D

m + D

M)/2 D = (20+80)/2 Dosis promedio mg/L

DM

= 80 D = 50

2 δ = 964 kg/m3

V = D x Q x T 50 x 25.920 x 90 Volumen de m3

T= 90 días δ x 1.000 964 x 1.000 almacenamientoQ = 300 L/s requeridoQ = 25.920 m3/d V = 121

3 H = 1,8 m A = V/H A = 121/1,8 Área neta de m2

A = 67,2 almacenamiento

4 N = 3 - L = A/(N x B) L = 67,2/(1,8 x 3) Largo de la ruma mB = 1,80 m L = 12 o pila

5 P = 1,0 m Ancho = Nx B+ 4 = 3 x 1,80 + 4 x 1 Ancho total del mP Ancho = 9,40 almacén

Largo total = L+ 2 = 12+ 2 x 1,5 Largo del mP Largo = 14,0 m almacén


Cuadro 1-2. Dosificadores de sustancias químicas (2)

2.1.1 Equipos de dosificación en seco

Se emplean para la aplicación de sustancias químicas en polvo. Pueden serde tipo volumétrico o gravimétrico. Para seleccionar el tipo de dosificador, serequiere tener en cuenta la precisión requerida, el tipo de producto que se va adosificar y el rango de trabajo que debe tener el equipo, lo cual depende de lasdosis máxima y mínima necesarias y de los caudales por tratar.

a) Volumétricos

La dosis se de-termina midiendo el vo-lumen de material libe-rado por una superficieque se desplaza a ve-locidad constante (fi-guras 1-10 y 1-11). Losdosificadores de estetipo más comúnmenteutilizados en la prácti-ca son la válvulaalveolar, el disco gira-torio, el cilindro girato-rio, el plato oscilante yel de tornillo.

Seco Volumétricos Plato, garganta, cilindro,tornillo, estrella, correa

Gravimétricos Correa transportadora ypérdida de peso

Solución Gravedad Orificio de carga constante,regulable o torre de saturación

Bombeo Desplazamiento rotatorio o positivo

Boquillas

Gas Solución al vacío

Aplicación directa

Figura 1-10. Dosificador volumétrico (2)

Motor

Tornillo

giratorio

Tolva

Sistema de

alimentación

Nivel de

solución

MezcladorCámara de solución

Casa de química 13

• La válvula alveolar es un dosificador de poca precisión que se emplea en unrango de caudales de 0,5 a 1,0 m3/h.

• El dosificador de disco giratorio está compuesto de una base que gira avelocidad constante sobre la cual una cuchilla de ángulo regulable separa

una parte del producto.Este se vierte a un depó-sito de preparación de lasolución que debe estarequipado con un agitador.La precisión del equipo esbuena. Se lo utiliza paradosificar sulfato de alumi-nio, cal, carbonato de sodioo de calcio. La dosis semodifica por un botón deregulación que varía el án-gulo de la cuchilla. El mo-tor puede ser de velocidadconstante o variable.

• El dosificador de tornillo está cons-tituido por una tolva de alimentacióny un tornillo de dosificación provistode un brazo rascador que arrastrael producto a través de un tubo cali-brado. Previamente, se homogeneizael producto por medio de un agita-dor de paletas de eje horizontal, des-tinado igualmente a evitar la forma-ción de zonas muertas a la entradadel tornillo de dosificación (figura1-12).

La variación de la graduación seconsigue cambiando la velocidad degiro del tornillo.

Figura 1-11. Dosificador volumétrico (1)

Figura 1-12. Dosificador de tipovolumétrico (1)


La tolva de alimentación debe estar provista de un vibrador o de un sistemaoscilante de frecuencia o amplitud regulables. El rango de trabajo de undosificador de tornillo puede variar desde unos cuantos gramos hasta varioskilos por hora.

b) Gravimétricos

La cantidad de producto químico dosificado se mide pesando el material osobre la base de una pérdida de peso constante del material depositado en la tolva.Los equipos más comunes son el dosificador de correa transportadora y el depérdida de peso.

• En el dosificadorgravimétrico de pérdi-da de peso se mide lacantidad de materialpor dosificar mediantela diferencia de peso deun silo o tolva que con-tiene el material y quese apoya en una balan-za equilibrada por uncontrapeso móvil (figu-ra 1-13). El contrape-so se desplaza en for-ma proporcional a ladosificación deseada.

• En el dosificador gravimétrico de correa transportadora, el material deposi-tado en la tolva cae en una correa transportadora que se desplaza sobre laplataforma de una balanza. Esta se regula para recibir el peso que corres-ponde a la dosis deseada (figura 1-14).

••••• Cuando el peso sobre la correa no es igual al peso prefijado, una válvulasituada en la salida de la tolva modifica su abertura para regular la dosis. Elrango de dosificación también puede ser modificado si se altera la veloci-dad de la correa.

Figura 1-13. Dosificador de tipo gravimétrico (1)

Casa de química 15

• Los tanques de solu-ción que traen estosequipos, tanto losvolumétricos comolos gravimétricos, sonpequeños, y la solu-ción del coagulanteresulta muy concen-trada, especialmenteen época de lluvias,cuando se utilizan do-sis altas de coagu-lante. En estos casos,es necesario inyectara la solución concentrada que sale del tanque la cantidad de agua necesariapara bajar la concentración a 2%, o a la concentración óptima, obtenida enlas pruebas de laboratorio. Ver el procedimiento en Tratamiento de agua

para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual I: Teo-

ría, tomo II, capítulo 11.

2.1.2 Equipos de dosificación en solución

En este tipo de equipos la graduación de la cantidad por aplicar se efectúacon el coagulante en solución. Estos equipos pueden ser de dos tipos: por bombeoy por gravedad.

a) Sistemas de dosificación por bombeo

Los más usuales son las bombas de doble pistón y de diafragma.

La bomba dosificadora de pistón es muy precisa, pero debe emplearse concuidado en el caso de productos abrasivos o muy corrosivos (silicato de sodio,cloruro férrico).

Según el tipo de bomba (diámetro del pistón, curva característica y caden-cia de funcionamiento), el caudal de operación puede oscilar entre varias decenasde mililitros y algunos miles de litros por hora (figura 1-15).

Figura 1-14. Dosificador de correa transportadora (1)


La bomba dosificadora de diafragma es de gran precisión —aunque esligeramente menos precisa que la bomba de pistón— y se utiliza para líquidoscorrosivos, tóxicos, abrasivos, cargados o viscosos. Puede estar provista de una

membrana simple o doble.El caudal de este tipo debombas dosificadoras afuertes presiones puede lle-gar hasta 2.500 litros porhora. La figura 1-16 mues-tra una instalación comple-ta con bomba dosificadora,compuesta de un tanquede preparación de la solu-ción, un tanque de dosifi-cación y un sistema de do-sificación propiamente di-cho, al cual está integradala bomba.

Las bombas dosificadoras pueden montarse sobre los depósitos de almace-namiento o de preparación de la solución, provistos eventualmente de mezcladoresde hélice y de indicadores de nivel, de forma que se obtengan grupos compactosde dosificación que incluyan igualmente el armario eléctrico de accionamiento delos motores.

Figura 1-16. Sistema de dosificaciónpor bombeo (1)

Figura 1-15. Sistema de dosificación por bombeo (1)

Motor

Tanque

1

Solución

Agitador mecánico

Válvula

compuerta

Tanque 2

BombaDesagüeDosis

Regla graduada

Flotador

Manguera flexible

Válvula check

Casa de química 17

La figura 1-17muestra una instalación deeste tipo.

Las bombas centrí-fugas también se utilizanpara dosificar con excelen-tes resultados. En la figura1-17 se muestra una insta-lación compuesta de dostanques de preparación dela solución de concreto, conagitador eléctrico. Las bom-bas están en la cámaraseca ubicada debajo de lasrejas del piso y la dosis se calibra mediante rotámetros. Sistemas de este tipo sonideales para localidades donde se pueda garantizar disponibilidad de energía eléc-trica en forma continua.

b) Sistemas de dosificación por gravedad

Los sistemas de dosificación por gravedad se emplean especialmente enplantas medianas y pequeñas, en especial cuando el abastecimiento de energía

eléctrica no es confiable.También se usan en plan-tas grandes cuando la cali-dad del agua es constante.Los más comunes son losde carga constante y cargaregulable (figura 1-18).

El principio en el quese fundamenta es una car-ga de agua constante (h)

sobre un orificio para ase-gurar un caudal constante.El caudal se calibra a la sa-lida mediante una válvula.Figura 1-18. Dosificador de orificio de

carga constante (1)

Figura 1-17. Sistema de dosificaciónpor bombeo (1)


Tanto los sistemas dedosificación por bombeo comolos sistemas por gravedad in-cluyen un tanque de prepara-ción de la solución similar alque se muestra en la figura 1-19. Estos tanques deben te-ner capacidad para un volu-men de solución aplicable en8 horas, de tal modo que encada turno de operación seprepare un tanque. Siempredeben considerarse dos tan-ques para cada sustancia quí-mica que se va a aplicar. Sien la planta se van a aplicar sulfato de aluminio, cal, polímero y HTH, se debenconsiderar ocho tanques para preparar las sustancias respectivas. La concentra-ción a la que se debe aplicar el sulfato de aluminio debe variar entre 1% y 2%.

Cuando se trata de una planta pequeña, se proyecta el tanque de prepara-ción de la solución con la capacidad necesaria para lograr una concentración de2%, pero cuando es una planta mediana o grande, la solución se elabora a unaconcentración mayor y se diluye a la concentración óptima antes de aplicarla a lamezcla rápida.

Los dosificadores de estetipo (figura 1-20) tienen la ven-taja de que se pueden fabricarlocalmente, pero es necesarioejercer un buen control de cali-dad, principalmente del sistemade calibración de la dosis.

En la figura 1-21 se pue-de apreciar el esquema de unainstalación completa de dosifica-ción en solución por gravedad,con dosificador de fabricaciónartesanal.

Figura 1-19. Tanque de preparaciónde la solución (1)

Figura 1-20. Dosificador por gravedad deorificio de carga constante (1)

Casa de química 19

Válvula de

interconexión

Entrada

Tanque 1

Solución

Válvula de flotador

Escala

Tanque 2

Dosis

Desagüe

Desagüe

Manguera flexible

Orificio dosificador

FlotadorTornillo para fijar tubo

Tubo 3/4’’ φ PVC

Tubo 1/2’’ φ PVC

Figura 1-21. Sistema de dosificación en solución por gravedad (2)

2.2 Dimensionamiento de los sistemas de dosificación

2.2.1 Sistemas de dosificación en seco

La selección de los equipos de dosificación en seco se efectúa determinan-do el rango de trabajo que deberá tener el equipo. Este rango está constituido porlos límites máximo y mínimo de dosificación que se deberán atender, los cuales sedeterminan a partir de la información obtenida en el estudio de laboratorio (curvade dosis óptima versus turbiedad de agua cruda). Véase la figura 1-4.

Conociendo la turbiedad máxima y mínima que deberá tratar el sistema, seobtendrán de la curva de dosificación las dosis máximas (D

M) y mínimas (D

m) y se

calcularán los pesos máximos y mínimos que debe aplicar el equipo.

El cálculo se facilita utilizando la ecuación de balance de masas:

Q x D = q x C = P (3)

Donde:

Q = caudal de diseño de la planta en L/sD = dosis promedio de coagulante en mg/Lq = caudal promedio de solución por aplicar en L/sC = concentración de la solución en mg/LP = peso del reactivo por dosificar en m3/s o kg/d


D = (DM + D

m)/2 (4)

R = PM – P

m (5)

Donde:

R = rango del dosificadorP

M= peso máximo del reactivo (mg/s o kg/d)

Pm

= peso mínimo del reactivo (mg/s o kg/d)

Volumen del tanque de solución

El tanque incorporado aldosificador deberá tener ideal-mente un volumen tal que per-mita la disolución del productoy obtener una solución con unaconcentración igual a la óptimaobtenida en el laboratorio.

Sin embargo, como sepuede apreciar en la figura 1-22,estos tanques son muy pequeñosy las concentraciones que se ob-tienen están siempre fuera delrango recomendado (C = 1 a2%), por lo es necesario en es-tos casos aplicar un caudal adi-cional de agua para obtener la concentración óptima antes del punto de aplica-ción.

El tiempo de retención en este tanque debe ser mayor de 5 minutos o pre-ferentemente de 10 minutos, para que se produzca la polimerización adecuada delos coagulantes y se obtenga la mayor eficiencia.

En el cuadro 1-3, se indican las capacidades y rangos de trabajo de diferen-tes tipos de dosificadores en seco y se presentan algunas recomendaciones sobreel tamaño y tipo de material para el cual deben ser usados.

Figura 1-22. Tanque de solución delos dosificadores en seco (1)

Casa de química 21

Cuadro 1-3. Dosificadores en seco (2)

Volumétricos Plato oscilante Cualquier material 0,01 – 35 1 – 40granular o en polvo

Garganta Cualquier material, en 0,02 – 100 1 – 40oscilante cualquier tamañoDisco rotatorio Mayoría de materiales en 0,01 – 1 1 – 20

forma granular o en polvoCilindro Cualquier material 7 – 300 1 – 100rotatorio granular o en polvo 8 – 2.000 1 – 10Tornillo Material muy seco, en 0,05 – 18 1 – 20

forma granular o en polvoCinta Material seco, en forma 0,1 – 3.000 1 – 10

granular o en polvo, con 1 - 100un tamaño máximo de 1 ½”

Gravimétricos Cinta y balanza Material seco o húmedo en 0,02 – 2 1 - 100forma granular o en polvo(deben usarse agitadorespara mantener una densidadconstante)

Pérdida de peso Mayoría de materiales en 0,02 - 80 1 - 100forma granular o en polvo

• Este tipo de dosificadores solo deben ser seleccionados para ciudades gran-des en las que se pueda disponer de energía eléctrica en forma continua,ciudades con buen nivel de desarrollo, donde se disponga de los recursosmateriales, económicos y de personal necesarios, a fin de que dichos equi-pos puedan recibir buena operación y mantenimiento. Son dosificadores dealto costo, requieren ser calibrados con frecuencia para mantener su exac-titud y son muy susceptibles a los cambios granulométricos provocados porla humedad.

• No se recomienda utilizarlos para caudales menores de 20 L/s.

• Para la dosificación de cal, el uso de vibradores es esencial.

En el cuadro 1-4 se presenta un ejemplo del cálculo previo que debe efec-tuarse para seleccionar un dosificador en seco.

Tipo Clasificación Uso VariaciónCapacidadpies3/hora


oces ne rodacifisod nu ed nóicceleS .4-1 ordauC

)2(

s/L003 =

Q1

P M

Q =

xD

MP

000.1/M

080.1=

x000.1/08

ed omixá

m osePh/gk

m080.1 =

Q3

h/P M

4,6 8 =

etnalugaocD

ML/g

m08 =

080.1=

mPx

000.1/02 o

miním oseP

h/gked

Dm

L/gm

02 = P m

6,12 =

etnalugaoc

2P

= RM

P – m

6, 12 – 4 ,68 = R

h /gkled ogna

Rrodacifisod

3

= dpC

P M

P +

mx

42 )6,12

+ 4,68( = dp

Cx

21 o

musnoC

h/gk2

692.1 = dp

Coiraid oide

morp

4δ

m/gk469 =

3/dp

C =V

δ469/692.1

= Vm

al ed nemuloV

3

43,1 = V

led avlotrodacifisod

5=

DD

MD

+ m

05 =

Daide

m sisoD

L/gm

2

%3 = C

6

Q =’V

x

D x

C/oT =’V

003 x

05 x

5 x

06 sortiL

led nemuloV

000.03 = CL/g

m000.0 3

ed euqnatni

m5 = oT

051 =’V

nóiculosid

osaPo ta

Ds oiretir

Csoluclá

Cda din

Usodatluse

Rdadin

U

Casa de química 23

Con los resultados obtenidos en el cálculo, se consultan los catálogos de losfabricantes, para definir las especificaciones técnicas de los equipos.

2.2.2 Dosificación en solución

Esta instalación se compone de un tanque de preparación de la solución ydel sistema de dosificación, que puede ser por bombeo o por gravedad.

El tanque de solución se diseña con el volumen necesario para que brindeservicio durante un turno de operación (T). La duración de cada turno es normal-mente de 8 horas.

Deben considerarse siempre dos unidades, una en operación y la otra enpreparación, de manera que el cambio pueda ser rápido y la dosificación continua.

En instalaciones grandes, para que los tanques no resulten demasiado volu-minosos, se diseñan para concentraciones altas (10 ó 20%) y la concentraciónóptima se regula con una aplicación de agua adicional a la salida del dosificador.El caudal de agua adicional debe calibrarse con un rotámetro, para que la concen-tración de la solución sea exacta y corresponda a la óptima.

Las tuberías de solución se diseñan para un caudal máximo calculado me-diante la ecuación (3), considerando la dosis máxima (D

M). El material de estas

tuberías debe ser resistente a las sustancias químicas que van a transportar. Nor-malmente se utilizan tuberías de plástico o de acero inoxidable.

El cuadro 1-5 muestra un ejemplo de cálculo aplicando la ecuación debalance de masas indicada anteriormente.


Cua

dro

1-5.

Pro

ceso

de

cálc

ulo

de u

n si

stem

a de

dos

ific

ació

n en

sol

ució

n (2

)

1Q

= 3

00L

/sq

= Q

x (

DM

+ D

m)

q =

30

0x

44

Cau

dal d

e so

luci

ónL

/sD

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80m

g/L

2

x C

1

00

.00

0pr

omed

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l 10%

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dD

m =

8m

g/L

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0,1

32

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10

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= 1

1,4

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100

.000

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L

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4C

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l de

solu

ción

L/s

2

0.0

00

prom

edio

al 2

%m

3 /d

q =

0,6

6

q =

57

,0

3T

= 8

,42

hora

sV

= Q

x T

V=

11

,4 x

8,4

2/2

4V

olum

en d

el ta

nque

de

m3

V =

4,0

solu

ción

par

a C

=10

%

4V

= 5

7 x

8

,42

/24

Vol

umen

del

tanq

ue d

em

3

V =

20

solu

ción

par

a C

= 2

%

5P

= Q

xD

P =

30

0 x

44

Con

sum

o pr

omed

iom

g/s

P =

13

.20

0di

ario

kg/d

P =

1.1

40

6P

o =

P

x T

/24

Po

= 1

.14

0 x

8,4

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4C

onsu

mo

por

tanq

uekg

Po

= 4

00

Pas

oD

ato

Cri

teri

osC

álcu

los

Uni

dad

Res

ult

ados

Uni

dad

Casa de química 25

Cua

dro

1-5.

Pro

ceso

de

cálc

ulo

de u

n si

stem

a de

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ific

ació

n en

sol

ució

n(c

onti

nuac

ión)

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N.o

= P

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Pb

N.o

= 4

00

/50

Núm

ero

de b

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sN

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8

8Q

ag

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= (

20

– 4

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00

Cau

dal d

e ag

ua a

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onal

L/s

8

,42

x 3

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0qu

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laQ

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ua

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lida

del

dos

ific

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Q x

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= 3

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x 8

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auda

l máx

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L/s

1

00

.00

0po

r dos

ific

arL

/hq

M =

0,2

4

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= 8

64

10q

m =

Q x

Dm/C

qm

=

30

0 x

8C

auda

l mín

imo

L/s

1

00

.00

0po

r dos

ific

arL

/hq

m =

0,0

24

qm

= 8

6,4

11R

= q

M –

qm

R =

86

4 –

86

,4R

ango

del

dos

ific

ador

L/h

Pas

oD

ato

Cri

teri

osC

álcu

los

Uni

dad

Res

ult

ados

Uni

dad


Como se puede observar en los resultados del cuadro 1-5, el volumen deltanque para que la solución esté al 2% es de 20 m3 y para 10%, de 4 m3, por lo quesi se adopta la alternativa con el tanque de 4 m3, para que la solución se apliquecon la concentración óptima de 2%, se deberá inyectar a la tubería que sale deldosificador un caudal de agua filtrada de 0,53 L/s.

El rango del dosificador que se requiere debe ser de 864 a 86,4 L/h. Coneste dato entramos a la tabla de la figura 1-23 y elegimos el dosificador de 0 a1.000 L/h que cubre el rango de trabajo requerido. Se puede observar en la tablaque la tubería de entrada al dosificador debe ser de 1”, y la de salida, de 1 ½” dediámetro.

Figura 1-23. Cuadro para seleccionar la capacidad del dosificador por gravedadde orificio de carga constante (2)

Dimensiones:

1 0 - 400 L/h 760 200 400 140 340 3/4’’ 1 1/2’’

2 0 - 1.000 L/h 760 200 400 140 340 1’’ 1 1/2’’

3 0 - 2.500 L/h 880 310 530 250 470 1 1/2’’ 2’’

4 0 - 4.000 L/h 880 310 530 250 470 2’’ 2 1/2’’

Medidas en milímetros

Tamaño Capacidad A B C D E φF φ G

Detalle de la base

Dejar 4 orificios de

4 x 4 x 6 cmSoportes con

abrazaderas

Embudo de descarga

Pedestal de

sustentación

Tornillos de

anclaje


Tanque de solución

Dosificación

Entrada de la

solución

φ F

Escala

Al punto de dosificación

Base

5 c

m

A

B D

EC

φ G

Casa de química 27

2.2.3 Saturadores de cal

Se emplean paraproducir una soluciónsaturada de hidróxido decalcio, a fin de dosificaragua de cal. La granventaja de estas unida-des, comparadas con lade dosificación de lecha-da de cal, es que se pro-duce una solución conuna cantidad muy redu-cida de sólidos insolublesen suspensión, por lo queno se incrementa la tur-biedad del agua filtraday no se producen depó-sitos de material sedi-mentable en el tanque deaguas claras.

Figura 1-24. Saturador de cal estático (2)

Figura 1-25. Saturador de cal dinámico (2)

Preparación lechada de

cal a distancia

cal


cal por gravedad

cal

agua

agua

agua

agua

1. Llegada de agua a presión

2. Salida de agua saturada

3. Vaciado del saturador

4. Nivel correspondiente al volumen

de lechada de cal para carga

5. Llegada de lechada de cal

6. Rebose

desagüe

Dosificación de cal

en continuo

DesagüeAgua


cal a distancia


cal por gravedad

1. Llegada de agua a presión

2. Salida de agua saturada

3. Llegada lechada de cal

4. Vaciado del saturador

5. Evacuación de fangos

6. Rebose

Dosificación de cal

en continuo

AguaAgua

AguaDesagüe

1

2

3

4

5

6


En general, el saturador consta de un tanque con fondo cónico o piramidal,donde se deposita la cal que va a ser disuelta. El agua se introduce por el fondo deltanque, mediante un tubo recto instalado en su interior, y es colectada en la super-ficie libre mediante canaletas o tubos perforados.

Se gradúa la dosificación mediante el ajuste del caudal de agua que seintroduce en el saturador y la concentración de cal presente se determina a inter-valos convenientes.

Se recomienda el uso de un hidrómetro en la entrada de agua a la unidad,tanto para determinar el caudal como para evaluar la cantidad de cal disponible enel saturador. Cuando la cantidad de cal disponible es pequeña, la concentración dela solución es baja y es necesario aumentar la cantidad de agua e introducir máscal. Estas unidades pueden ser de tipo estático o dinámico (figuras 1-24 y 1-25).

Criterios de diseño

• El tanque debe dimensionarse de tal modo que se garantice una velocidadascensional de 0,5 a 1,0 L/s/m2 o una dosis de cal de 0,6 a 1,2 g/s/m2.

• El tanque debe ser suficientemente alto como para facilitar la distribuciónuniforme del agua introducida por el fondo.

• Para el cálculo de la unidad, se requiere conocer la temperatura del agua yla solubilidad de la cal a esa temperatura. Para el dimensionamiento, seemplea la ecuación de balance de masas. Véase el ejemplo de cálculo en elcuadro 1-6.

2.3 Recomendaciones para el proyecto

Habiendo dimensionado ya todas las instalaciones, se recomienda tener encuenta las siguientes consideraciones para diseñar los planos que corresponden aestos ambientes:

• La sala de dosificación debe ubicarse lo más cerca posible de la unidad demezcla rápida, para que la tubería de conducción de la solución no sea muylarga y para no incrementar demasiado las pérdidas de carga. La tubería deconducción de la solución debe proyectarse sin muchas vueltas y acceso-rios para evitar atoros y pérdidas de carga excesivas. La salida del dosifi-

Casa de química 29

1Q

= 1

00L

/sq

= Q

x D

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00

x 1

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auda

l de

oper

ació

nL

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orm

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* =

P/(

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* =

86

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Con

sum

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n im

pure

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08

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ato

Cri

teri

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álcu

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Uni

dad

Res

ult

ados

Uni

dad

Cua

dro

1-6.

Cál

culo

del

sat

urad

or d

e ca

l (2)


cador y el inicio de la tubería de conducción deben ser abiertos para que sefacilite la calibración del equipo.

Figura 1-26. Vista en planta de la sala de dosificación, almacén de sustanciasquímicas, laboratorio de control de procesos y servicios higiénicos (1)

• El desnivel entre la salidadel dosificador y la tube-ría con perforaciones o eldifusor para aplicar elcoagulante en la unidad demezcla rápida debe com-pensar las pérdidas decarga en todo el recorri-do, además de una alturaadicional para que la so-lución tenga presión en lasalida. Normalmente,cuando ambos extremosestán bien próximos, sedeja una diferencia de al-tura de un metro.

Figura 1-27. Vista de un corte de la sala dedosificación (1)

1,25

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Casa de química 31

• Debe considerarse un tanque de preparación de solución por cada sustan-cia química que se va a aplicar. Los tanques deben proyectarse en una solahilera. La altura a la que se coloquen los tanques depende del tipo de dosi-ficador. Si se va a aplicar la solución por bombeo, los tanques pueden estarubicados directamente sobre el piso de la sala (figura 1-17), pero si la apli-cación es por gravedad, el fondo del tanque debe coincidir con el nivel de latubería de entrada al dosificador (véase la figura 1-27).

• La tubería de salida del tanque de solución debe colocarse 0,10 centíme-tros por encima del fondo del tanque para que no salga el sedimento quequeda después de que el sulfato se ha disuelto, porque esto puede atorar laválvula de aguja del dosificador.

• Cada tanque debe tener un agitador para disolver el sulfato de aluminio. Enplantas muy pequeñas la agitación puede hacerse en forma manual. Cuan-do se deba aplicar cal, es indispensable el agitador eléctrico, porque la calno se solubiliza en el agua. Solo se puede mantener en suspensión cuando laagitación es constante. Si no se agita, la cal se sedimenta y se estaría apli-cando solo agua.

• Cada tanque debe tener instalaciones para el llenado con agua filtrada,salida, desagüe y rebose. El fondo del tanque debe tener pendiente hacia elpunto de salida del desagüe para facilitar su rápida limpieza antes de lapreparación de la nueva solución. El agua filtrada puede provenir de untanque ubicado sobre el edificio de la casa de química, el cual se abastecepor bombeo desde la caja de salida de los filtros o desde el tanque de aguasclaras.

• En plantas pequeñas y medianas el almacén debe estar contiguo a la salade dosificación para compactar las instalaciones y facilitar la labor del ope-rador (figura 1-26).

• Las ventanas del almacén deben colocarse solo en la parte superior paradar iluminación y evitar que la caída de una ruma de material pueda romperlos vidrios. Ubicar el nivel de la puerta de entrada colindante con una pistade ingreso de camiones y de manera que coincida con la altura de la plata-forma del camión, para facilitar la descarga de las bolsas de sustanciasquímicas (figura 1-28).


• Cuando se utilicen dosifi-cadores en seco, el alma-cén siempre se colocaráen el primer piso y tam-bién la sala de dosifica-ción. Por la altura que tie-nen estos equipos, el ac-ceso a las tolvas se harádesde el segundo piso,donde se mantendrá unaexistencia de sustanciasquímicas como para un díade operación, la que setransportará mediante unmontacargas desde el almacén.

3. DEFECTOS DE DISEÑO MÁS COMUNES

En contraste con la figura 1-28, en la que mostramos la forma adecuada deentrada a un almacén, en la figura 1-29 se puede observar una entrada por debajodel nivel normal del terreno, donde, además de dificultarse el traslado de las sus-tancias químicas al almacén, estas sustancias están sometidas a un alto riesgo dedeterioro por causa de una posible inundación. Cabe agregar que este almacén

corresponde a una plantaubicada en una zona muylluviosa.

Cuando el almacénno ha sido correctamentedimensionado, suelen pre-sentarse situaciones comola que se ilustra en la figu-ra 1-30, por falta de capa-cidad del almacén. Las bol-sas de sustancias químicasse han apilado entre losdosificadores, lo que difi-

Figura 1-28. Entrada al almacén de sus-tancias químicas (1)

Figura 1-29. Almacén mal ubicado (1)

Casa de química 33

culta y entorpece las acti-vidades de operación.

En contraste con lasituación anterior, en la fi-gura 1-31 podemos obser-var un almacén escanda-losamente sobredimensio-nado, donde la existencianormal de sustancias quí-micas puede observarseen una pequeña ruma muyal fondo. Además del evi-dente derroche que ello su-pone, también se generandificultades en la opera-ción, debido a que los trabajadores deberán desplazarse innecesariamente sobredistancias muy grandes para realizar sus actividades.

En un almacén las ven-tanas deben considerarsesolo en la parte alta para ilu-minar bien el ambiente. Sinembargo, a menudo se en-cuentran situaciones como laque se ilustra en la figura1-32. En este almacén, si unaruma de bolsas se ladea ydesploma, puede romper losvidrios de las ventanas. Estecaso es muy especial, por-que, además, las ventanastienen marcos de aluminio yel piso es de madera, aca-

bados extraordinariamente buenos para un almacén. Actualmente, las instalacio-nes se usan como sala de capacitación.

Figura 1-30. Consecuencia de la falta de capacidaddel almacén (1)

Figura 1-31. Almacén sobredimensionado (1)


4. LABORATORIO DE CONTROL DE PROCESOS

Toda planta de tratamiento de agua, por más pequeña que sea, debe contarcon un laboratorio de control de procesos, donde por lo menos se puedan controlarlos parámetros básicos: turbiedad, color, pH, alcalinidad, cloro residual y coliformesfecales o termotolerantes. Si no hay control, no se podrá conocer en qué medidala instalación está cumpliendo con sus objetivos de calidad y el personal de opera-ción puede volverse muy complaciente con la eficiencia del sistema.

• En este ambiente debe considerarse cuando menos un lavadero, un mostra-dor para operar los equipos y un escritorio o mesa de trabajo para el quími-co, auxiliar de laboratorio u operador encargado de realizar las pruebas decontrol de procesos.

• Toda planta debe contar por lo menos con los equipos necesarios para con-trolar la eficiencia de los procesos. Para que la planta pueda iniciar suoperación correctamente, estos equipos deben ser considerados en el pro-yecto. Son muchas las plantas en las que se encuentra una habitación conmostradores que debió ser el laboratorio de la planta, pero por no haberseconsiderado los equipos en el proyecto, llevan años operando sin ellos. Losequipos mínimos que debe tener un laboratorio para ejecutar el control delos procesos son los siguientes:

— turbidímetro nefelométrico;— medidor de pH;

Figura 1-32. Ventanas mal ubicadas

Casa de química 35

— bureta;— equipo de prueba de jarras, con seis jarras de un litro con deflectores;

comparador de cloro;— vidriería: pipetas, vasitos, baguetas, etcétera;.— materiales: papel Whatman 40, seis embudos de plástico y vasitos de

plástico;— equipo portátil para la determinación de coliformes totales y

termotolerantes por el método de membranas;— termómetro.

• En el caso de una planta pequeña, el programa de control de calidad podráefectuarse desde un laboratorio central o regional.

• En una planta grande deben considerarse en ambientes separados el labo-ratorio de control fisicoquímico y el laboratorio de control bacteriológico.Podrán efectuarse en la planta los dos programas de control de procesos yde calidad, en el supuesto de que estos laboratorios son atendidos por per-sonal profesional especializado. El control de los procesos puede ser efec-tuado por operadores capacitados supervisados por el personal profesio-nal, mientras que el de calidad, por el personal profesional. En estos casos,dependiendo de la capacidad de la planta, se recomienda considerar insta-laciones independientes.

• La sala de cloración debe ser siempre independiente y alejada de las demásedificaciones de la planta, para evitar que una fuga de cloro comprometalos equipos de dosificación o de laboratorio, así como al personal que laboraen estas dependencias. Es posible adosarla a la casa de química, pero conpuertas y ventanas suficientes, de tal manera que las emanaciones de clorode ningún modo puedan ingresar a esta.


REFERENCIAS

(1) Vargas, L. Fotos y proyectos de archivo. Lima, CEPIS/OPS.

(2) Pérez Carrión, J. M. y L. Vargas. Criterios de diseño para la dosifica-

ción y mezcla rápida. Tomo I, Manual III: Diseño. Lima, ProgramaRegional HPE/CEPIS/OPS, 1992.

BIBLIOGRAFÍA GENERAL

Pérez Carrión, J. M. Manejo de sustancias químicas. Lima, CEPIS, 1982.

Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental-CETESB. Técnicas de abas-

tecimiento y tratamiento de agua. 2.a edición. São Paulo, 1977.

Pérez Carrión, J. M. Estado del arte, coagulación. Manual. CIFCA/CEPIS/OPS/OMS. 1977.

Casa de química 37

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Remoción del selenio

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n)

CAPÍTULO 2

MEZCLADORES

Mezcladores 47

1. INTRODUCCIÓN

Los mezcladores tienen como objetivo la dispersión instantánea delcoagulante en toda la masa de agua que se va a tratar. Esta dispersión debe ser lomás homogénea posible, con el objeto de desestabilizar todas las partículas pre-sentes en el agua y optimizar el proceso de coagulación. La coagulación es elproceso más importante en una planta de filtración rápida; de ella depende laeficiencia de todo el sistema. No importa que los demás procesos siguientes seanmuy eficientes; si la coagulación es defectuosa, la eficiencia final del sistema esbaja.

La eficiencia de la coagulación depende de la dosificación y de la mezclarápida. En la unidad de mezcla la aplicación del coagulante debe ser constante ydistribuirse de manera uniforme en toda la sección. Debe existir una fuerte turbu-lencia para que la mezcla del coagulante y la masa de agua se dé en forma instan-tánea.

La mezcla rápida puede realizarse aprovechando la turbulencia provocadapor dispositivos hidráulicos o mecánicos.

2. PARÁMETROS GENERALES DE DISEÑO

• La intensidad de agitación, medida a través del gradiente de velocidad, pue-de variar de 700 a 1.300 s-1 o de 3.000 a 5.000 según el tipo de unidadseleccionada.

• El tiempo de retención puede variar de décimas de segundos a siete segun-dos, dependiendo de la concentración de coloides en el agua por tratar y deltipo de unidad seleccionada. De la concentración de coloides presente en elagua dependerá el tipo de mecanismo de coagulación resultante; esto es:

alta concentración de coloides mecanismo de absorción o de neutrali-zación de cargas

→


baja concentración de coloides mecanismo de barrido.

2.1 Unidades hidráulicas

Entre los mezcladores de este tipo se pueden citar, entre los más utilizadospor su simplicidad y eficiencia, los siguientes:

• canales con cambio de pendiente o rampas;• canaletas Parshall;• vertederos rectangulares y triangulares;• difusores;• inyectores.

En los tres primeros mezcladores la turbulencia que ocasiona la mezcla esproducida por la generación de un resalto hidráulico que causa un gradiente develocidad de alrededor de 1.000 s-1. Estas unidades tienen la ventaja de que, ade-más, involucran la medición del caudal de ingreso a la planta.

Las unidades de resalto hidráulico son adecuadas para todo tipo de aguas;es decir, tanto para las que coagulan por el mecanismo de absorción o neutraliza-ción de carga como para las de barrido. Para las aguas que coagulan por el meca-nismo de barrido, son adecuados todos los tipos de mezcladores, inclusive losretromezcladores, porque en este caso, para que el mecanismo de barrido se pro-duzca, son más importantes las condiciones químicas (dosis de coagulante) quelos parámetros de mezcla.

En los difusores e inyectores se obtiene una eficiencia similar a la consegui-da en las unidades de resalto hidráulico, pero con menores gradientes de veloci-dad; esto es, con menor disipación de energía durante el proceso. Esto se debe aque la homogeneización coagulante-masa de agua en estas unidades se consiguecomo consecuencia de la gran cantidad de puntos de aplicación del coagulanteantes que de la agitación de la masa de agua. Otros tipos de mezcladores depatente como las denominadas unidades de mezcla en línea requieren gradientesde velocidad mayores, normalmente entre 3.000 y 5.000 s-1.

La canaleta Parshall es adecuada exclusivamente para plantas de media-nas a grandes (Q ≥ 500 L/s). El canal con cambio de pendiente se adecúa acualquier rango de caudal, y los vertederos rectangular y triangular solo a cauda-les pequeños; el último, preferiblemente a caudales menores de 30 L/s.

→

Mezcladores 49

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C

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E

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2.1.1 Mezcladores de resalto hidráulico

Estas unidades son especialmente adecuadas para aguas que la mayor par-te del tiempo están coagulando mediante el mecanismo de adsorción; es decir,aguas que presentan alta con-centración de coloides. Los ti-pos más frecuentes tienen laventaja de servir de unidadesde medición de caudal y deunidades de mezcla rápida, porlo cual son muy populares (fi-gura 2-1).

a) Parámetros de diseño

• Gradientes de veloci-dad entre 700 y 1.300s-1 y tiempos de reten-ción menores de un se-gundo.

• Números de Froude (F)variables entre 4,5 y 9,0para conseguir un saltoestable, con excepción dela canaleta Parshall, quefunciona mejor connúmeros de Froude entre2 y 3.

• El coagulante debe aplicar-se en el punto de mayorturbulencia (inicio del re-salto), en forma constantey distribuido de manerauniforme en toda la masade agua.

Figura 2-1. Resalto hidráulico (2)

Figura 2-2. Descripción esquemática delcriterio asumido (2)


∀

b) Criterios para el dimensionamiento

• Se supone que h1 es igual a d1 (figura 2-2).

• Las alturas de agua antes (h1) y después del resalto (h2) deben satisfacer lasiguiente ecuación:

h2/ h1 = ½ [ 1 + 8 F2 - 1] (1)

Donde:

F = V1 / g h1 (2)

y V1 es la velocidad en la sección (1).

• Los tipos más frecuentes tienen la ventaja de servir como unidades demedición de caudal y como unidades de mezcla rápida.

• La energía hidráulica disipada o pérdida de carga se puede calcular en lalongitud (L) del resalto, mediante la fórmula de Belanger:

hp = (h2 - h1)3 / 4 h1 h2 (3)

• La longitud de resalto mediante la fórmula de Smetana:

L = 6 (h2 - h1) (4)

• Gradiente de velocidad (G) producido:

G = [γ Q hp /µ ]0,5 ó [ γ /µ] 0,5 . [ hp/ T] 0,5 (5)

• Tiempo de mezcla (T)

T = 2 L / (V1 + V2) (6)

γ = peso específico del agua (kg/m3)µ = coeficiente de viscosidad absolutaQ = caudal (m3/s)hp = pérdida de carga (m)

Mezcladores 51

= volumen comprendido entre las secciones (1) y (2)V1 = velocidad del agua en la sección (1)V2 = velocidad del agua en la sección (2)

El cuadro 2-1 presenta los valores de para diferentes temperaturas:

Cuadro 2-1. Valores de (1)

d1

d2

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1 2

V2

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Figura 2-3. Canal rectangular con cambiode pendiente (2)

c) Modelos de comprobación

Canal rectangular con cambio de pendiente o rampa. Un cambio de pen-diente en un canal es uno de los medios más simples de producir un salto hidráu-

lico con fines de mez-cla. Para comprobar sise están produciendolos valores recomenda-dos de gradiente de ve-locidad y tiempo de re-tención una vez asumi-da la geometría del ca-nal, es necesario calcu-lar las alturas y veloci-dades conjugadas enlas secciones (1) y (2)de la figura 2-3.

y/µ

y/µ


Ecuación de momentos (7):

Qw/g ( B2 V2 - B1 V1 cos θ) = P1 cos θ - P2 - FF (7)

P1 = 1/2 w d12 cosθ (8)

P2 = w d22 / 2 (9)

Q = V1 d1 = V2 d2 ; V2 = V1 d1 / d2

Si B1 = B2 ≈ 1 ; FF = o ; F1 = V1 / gd1

d2 / d1 = a

Sustituyendo:

V12 ( d1w /g) (V1 d1/ d2–V1cos θ) = (w d1

2 cos2 θ – w d22)/2 (10)

2 (V12 / d1 g) (d1 / d2 – cos θ) = cos2 θ – ( d2 / d1)

2

2 ( F12 /a) – 2 F1

2 cos θ = cos2 θ – a2

(a2 / 2 F1) + F1 / a = K

K = Factor de resolución de la ecuación

K = cos θ ( F1 + (cos θ/2 F1)) (11)

Una vez calculados h1 y V1, se aplican los criterios generales indicados enla sección anterior. El cuadro 2-1 presenta un ejemplo de aplicación de los crite-rios expuestos.

Al finalizar el cálculo, debemos comprobar lo siguiente:

altura de la rampa + tirante de agua en el vertedero de coronación de larampa = pérdida de carga + altura del tirante aguas abajo del resalto

Mezcladores 53

Figura 2-5. Empalme mezclador-floculador (4)

Si el cálculo no esconforme, hay que seguirmodificando los datos has-ta que los resultados satis-fagan esta condición.

La figura 2-4 mues-tra una rampa diseñadapara un caudal de 120 L/s.El resalto produce una tur-bulencia adecuada y se ubi-ca exactamente al pie dela rampa, porque la unidadse dimensionó y ubicó co-rrectamente.

d) Recomendaciones de diseño

Para conseguir un comportamiento hidráulico óptimo en la unidad, ademásde un buen dimensionamiento, es necesario que esta se ubique correctamente conrespecto a la siguiente unidad, que normalmente es el floculador y que los nivelesde ambos —el de salida de la rampa con el nivel de entrada al floculador— esténbien empalmados (figura 2-5).

La grada que se colocaal final de la longitud de mezclatiene la finalidad de contribuir acontener el resalto, para queeste se dé al pie de la rampa(figura 2-6).

En resumen, para que elmezclador opere correctamen-te, además de comprobar quela intensidad de turbulencia parala mezcla esté dentro del rangoapropiado y que cumplan conla igualdad:

Figura 2-4. Mezclador del tipo rampa en unaplanta mediana (4)

4.013

3.8033.713

3.620

3.323 3.353

3.703

2.313

3.5033.423

0.503

Floc.


Figura 2-6. Detalle de la elevación del mezcladorde tipo rampa (4)

Figura 2-7. Mezclador de tipo rampa enuna planta grande (4)

Eo + h3 = hp + h2 (12)

Criterios que se deben tener en cuenta al elaborar el perfil hidráulico de laplanta.

Cuando se tra-ta de unidades degran capacidad, esnecesario que la sec-ción de la caja de en-trada se diseñe parauna velocidad ascen-sional menor de unm/s. La tubería de en-trada debe ingresarpor el fondo de la caja,para que la masa deagua vaya perdiendoenergía al ascender. En estas condiciones, la lámina de agua alcanzará el vertede-ro de coronación de la rampa sin turbulencia, lo que permitirá medir el caudalcorrectamente.

e) Problemas de diseño máscomunes

La figura 2-7 muestra unmezclador de tipo rampa queopera con un caudal de 2,5 m3/s.La caja de entrada a esta uni-dad no tiene suficiente profun-didad para amortiguar la turbu-lencia de entrada. Fue necesa-rio colocar una tapa para con-tener las salpicaduras y evitarque estas inundaran el contornode la rampa.

4,013

3,8033,713

3,620

3,323 3,353

3,703

2,.313

3,503Aplicación del Sulfato de Aluminio

Entrada al Floculador

0,15 0,50 0,15 0,251,00 0,96 1,19

Mezcladores 55

Figura 2-8. Mezclador de tipo rampa mal ubicado (4)

Uno de los defectos de diseño máscomunes en este tipo de mezclador surgede no empalmar correctamente el niveldel agua a la salida de la rampa con elnivel de operación del floculador.

El mezclador de tipo rampa de lafigura 2-8 adolece de este defecto. El pro-yectista empalmó el fondo de la rampacon el fondo del floculador y la rampa que-dó ahogada.

Cuando el canal de aproximacióna la rampa da una vuelta de 90° antes delmezclador, el tirante de agua que embocael vertedero de coronación de la rampapresenta un nivel inclinado por efecto delvolteo, lo que anula la posibilidad de utili-zar el vertedero como medidor de cau-dal. En la figura 2-9 se puede observarque el efecto de la vuelta llega hasta elresalto, que también se presenta inclina-do.

Figura 2-9. Defectos en el canalde aproximación a la rampa (4)


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2-2.

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Cri

teri

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Uni

dad

Res

ulta

dos

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dad

∀

∀

∀

Mezcladores 57

Cua

dro

2-2.

Com

prob

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n de

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cion

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13

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.736

G =

.

Q h

p/

G =

2.7

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30)

(0,5

9) /

0,8

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ente

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velo

cida

ds-1

T

= 10

°C

G =

1.2

63

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T =

0,8

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,30

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po d

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2,7

6

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= 1

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0,53

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0,0

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1,84

B)2/

3h 3 =

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30/1

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x 1)

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,30

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= 0,

05m

N =

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N =

1,0

0/0,

10 ;

N

= 1

0N

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el d

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r

18do

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Ao =

0,0

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= Q

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= 0

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prom

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C =

2% =

20.

000

mg/

L

20Vo

= q

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,576

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cida

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los

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icio

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21R

= 0,

46Vt

= V

o / R

Vt =

0,5

76 /

0,4

6Ve

loci

dad

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m/s

Vt =

1,2

5

22At

= q

/ Vt

At =

0,7

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1,25

x 1

000)

Secc

ión

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0,0

0058

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π )

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0254

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24E o +

h3 =

hp

+ h

20,

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Pas

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atos

Cri

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álcu

los

Uni

dad

∀

∀y/

µ

Res

ulta

dos

Uni

dad

/ At

4 y/µ


Figura 2-10. Canaleta Parshall

N

Planta

H

CD

A

G

W2/3 A

H3Pérdida de

cargaCorte

B F

h1h2

K

E

2.1.2 Canaleta Parshall (1)

Se usa la canaleta Parshall normalmente con la doble finalidad de medir elcaudal afluente y realizar la mezcla rápida. Generalmente, trabaja con descargalibre. La corriente líquida pasa de una condición supercrítica a una subcrítica, loque origina el resalto. Fue ideada en 1927 por R. L. Parshall y patentada en variostamaños con las dimensiones indicadas en el cuadro 2-3.

La secuencia de cálculo es semejante a la del caso anterior, si se introducenlas alteraciones debidas a las variaciones en la sección 0 de medición (figura2-11).

Mezcladores 59

Ho

41 3Secciones 0 2

N X

W

G

K

D Dl

W W C

B2/3 B

GF

hf

h1

h2

h3

Pulgadas

Figura 2-11. Canaleta Parshall

E0 = V02 / 2g + Ho + N (13)

La altura de agua enla sección de medición pue-de ser calculada por la si-guiente ecuación:

H0 = K Qm (14)

Los valores de K y mse pueden obtener del cua-dro 2-4.

La velocidad en lasección de medición se cal-cula mediante la siguienterelación:

Cuadro 2-3. Dimensiones estandarizadas de los medidores Parshall

W A B C D E F G K N

(cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm)

1" 2,5 36,3 35,6 9,3 16,8 22,9 7,6 20,3 1,9 2,93" 7,6 46,6 45,7 17,8 25,9 45,7 15,2 30,5 2,5 5,76" 15,2 61,0 61,0 39,4 40,3 61,0 30,5 61,0 7,6 11,49" 22,9 88,0 86,4 38,0 57,5 76,3 30,5 45,7 7,6 11,41' 30,5 137,2 134,4 61,0 84,5 91,5 61,0 91,5 7,6 22,9

1 1/2' 45,7 144,9 142,0 76,2 102,6 91,5 61,0 91,5 7,6 22,92' 61,0 152,5 149,6 91,5 120,7 91,5 61,0 91,5 7,6 22,93' 91,5 167,7 164,5 122,0 157,2 91,5 61,0 91,5 7,6 22,94' 122,0 183,0 179,5 152,5 193,8 91,5 61,0 91,5 7,6 22,95' 152,5 198,3 194,1 183,0 230,3 91,5 61,0 91,5 7,6 22,96' 183,0 213,5 209,0 213,5 266,7 91,5 61,0 91,5 7,6 22,97' 213,5 228,8 224,0 244,0 303,0 91,5 61,0 91,5 7,6 22,98' 244,0 244,0 239,2 274,5 340,0 91,5 61,0 91,5 7,6 22,910' 305,0 274,5 427,0 366,0 475,9 122,0 91,5 183,0 15,3 34,3


Ancho de la garganta delParshall (w)

pulgadas metrosK m

3" 0,075 3,704 0,6466" 0,150 1,842 0,6369" 0,229 1,486 0,6331' 0,305 1,276 0,657

1 1/2' 0,460 0,966 0,6502' 0,610 0,795 0,6453' 0,915 0,608 0,6394' 1,220 0,505 0,6345' 1,525 0,436 0,6306' 1,830 0,389 0,6278' 2,440 0,324 0,623

Cuadro 2-4. Valores de K y m para la ecuación 13

V0 = Q / H0 D’ (15)

por relaciones geométricas:

D’ = 2 / 3 (D - W) + W (16)

Donde D, N y W son las dimensiones de la canaleta dadas en el cuadro 2-3.

Se puede considerar que toda la energía disipada en la canaleta Parshall seda entre la salida de la garganta (sección 2) y la sección de salida de la canaleta(sección 3) y que en este volumen la mezcla es prácticamente completa.

Bajo condiciones de flujo con descarga libre, la pérdida de carga puedecalcularse mediante la siguiente fórmula (figura 2-11):

hf = Ho + K – h3 (17)

El cuadro 2-5 presenta un ejemplo de aplicación de los criterios expuestos.

La figura 2-12 muestra una canaleta Parshall, diseñada para una capacidadde un m/s, que opera como mezclador y medidor de caudal.

Mezcladores 61

Figura 2-12. Canaleta Parshall para 1,0 m3/s (4)

Figura 2-13. Canaleta Parshall defectuosa (4)

En el caso de mezcla-dores de tipo canaleta Parshall,también debe empalmarse elnivel de salida de la canaletacon el nivel de entrada delfloculador para que el resaltose produzca en la garganta dela unidad. Al proyectar unacanaleta Parshall, se deben te-ner en cuenta las recomenda-ciones relacionadas con la lon-gitud de los canales de aproxi-mación y salida para que secomporte adecuadamente.

a) Problemas de diseño más comunes

La figura 2-13 ilustra lo que sucede cuando no se ha efectuado correcta-mente el empalme de niveles de la canaleta con la siguiente unidad: el resalto sedesplaza y se ubica en el nivel más bajo. Como en el proyecto se indica que laaplicación del coagulante se debe hacer en la garganta de la canaleta —lugardonde suponía el proyectista que se iba a obtener el resalto—, dicha aplicación sehace en un punto en el que no hay turbulencia. Este defecto es muy frecuente eneste tipo de unidades.

La figura 2-14 ilustraotro problema muy común.El resalto hidráulico no se lle-ga a formar porque durantela etapa de elaboración delproyecto solo se comproba-ron las condiciones de ope-ración de la unidad con elcaudal del final del periodode diseño de la planta y nose determinó cómo iba acomportarse con el caudal dela primera etapa.


Figura 2-14. No llega a formarse el resalto (4)

Figura 2-15. Forma de ingreso a la canaleta ( 4)

El resultado es que nose está formando el resaltohidráulico, debido a que elcaudal de operación en la pri-mera etapa es muy bajo y,por consiguiente, la mezclaresulta muy pobre e inefi-ciente. En estos casos, debeseleccionarse un ancho degarganta que pueda operarcon los dos caudales, dentrodel rango de los parámetrosde mezcla recomendados.

El caudal que alimenta a la canaleta de la figura 2-15 viene del desarenador,que se proyectó elevado sobre el terreno. La tubería que se aprecia en la fotosaliendo del desarenador (donde están las dos personas) lo hace muy superficial-mente, por lo que ingresa aire a la tubería.

El aire y la carga de entrada al canal producen salpicaduras de agua alrede-dor de la unidad, por lo que se colocaron tablones fijados con los cilindros que sepueden apreciar en la foto, para evitar que la zona se inundase.

La canaleta se ubicóigualando el fondo de estacon el del floculador y operaahogada (figura 2-16). Lasondulaciones que se aprecianen la figura son originadaspor los chorros de aire quepasan a través de la tuberíade entrada. La canaleta noopera como medidor ni comomezclador debido a la sumade los defectos indicados.

Mezcladores 63

Figura 2-16. Canaleta Parshall mal ubicada (4)

Figura 2-17. Canaleta Parshallcontrahecha (4)

En la figura 2-17 sepuede apreciar una canaletaParshall de la cual sale latubería hacia la planta. Launidad carece de canales deaproximación y de salida,comienza en la transición deingreso y termina con la desalida; en estas condicio-nes, esta canaleta no es útilcomo medidor porque nosigue las recomendacionesde Parshall para este fin.

La figura 2-18 mues-tra el interior de la canaleta de la figura 2-17, que está siendo usada como mezcla-dor y medidor de caudal. Se puede apreciar que no se está formando resaltohidráulico debido a que no se empalmaron las líneas de flujo. La siguiente unidadestá a más de 100 metros de distancia y a un nivel más bajo con respecto a lacanaleta. Tampoco se proyectó un difusor para aplicar el coagulante en todo elancho que ocupa la masa de agua. De esta manera, la mezcla obtenida es muydeficiente.

En la canaleta de lafigura 2-19 se puede apreciarque no se consideró el canalde aproximación. El aguaemboca a la canaleta des-pués de una vuelta de 90 gra-dos y luego de pasar por dosorificios.


Figura 2-18. Interior de la canaleta de lafigura 2-17 (4)

Figura 2-19. Canaleta Parshall defectuosa (4)

Mezcladores 65P

aso

Dat

osC

rite

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Cál

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sU

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s

1C

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0,6

08 (

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)0,63

9A

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lam

Q =

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cció

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n

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= 3

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0,6

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639

2D

imen

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lam

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2/3

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WD

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2/3

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572-

0,91

5) +

0,9

15A

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1,5

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nD

’ =

1,35

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= Q

/D’H

oVo

=

0,76

0 /

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loci

dad

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= 1

,10

secc

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4 q

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/Wq

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,760

/ 0

,915

Cau

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la

m3 /s

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= 0

,83

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de

la c

anal

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5D

imen

sión

de

lam

Eo =

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2 / 2

g) +

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2 /(

2 x

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0,5

1 +

0,2

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= 0

,80

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9,8

x 0,

83)/(

2/3

cos

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– 0,

68x

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,5è

= 13

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4'

7V 1

= 2

(2gE

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0,5

c

osθ/

3V 1

= 2

((2

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0,8

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5V

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s (4

4°18

'/3)

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resa

ltoV 1

= 3,

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8 h

1 = q

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h 1 =

0,8

3/3,

29A

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resa

lto

Uni

dad

Cua

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cion

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l


Cua

dro 2

-5. E

jem

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prob

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n de

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cion

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e mez

cla d

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cana

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Par

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l (co

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Pas

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Cri

teri

osC

álcu

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Uni

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Res

ulta

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Uni

dad

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g h

1F 1

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5N

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]h 2

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0,25

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1)2 )

0,5

- 1]

Altu

ra d

el r

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tom

h 2 =

0,63

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Q /

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V 2 =

0,7

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0,9

15 x

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loci

dad

en e

l re

salto

m/s

V 2 =

1,32

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imen

sión

mh 3 =

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h 3 =

0,6

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(0,2

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ltura

en

la s

ecci

ónm

K1

= 0,

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sal

ida

de l

a ca

nale

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48

13D

imen

sión

mV 3 =

Q /

Ch 3

V 3 =

0,

760

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22 x

0,4

8Ve

loci

dad

en l

a se

cció

nm

/sC

= 1

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V 3 =

1,3

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sal

ida

14hp

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K -

h3

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0,5

1 +

0,0

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0,48

Pérd

ida

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elm

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0,1

1re

salt

o

15D

imen

sión

mT

= 2

G’/

V 2 + V

3T

= 2

x 0

,915

/ (1

,32

+ 1

,30)

Tiem

po d

e m

ezcl

a en

el

sG

’ =

0,91

5re

salt

oT

= 0,

7

16

ã/ì

= 2.

736

G =

ã

/ ì

hp/T

G =

2.7

36

0,11

/0,7

Gra

dien

te d

e ve

loci

dad

s-1

T =

10

°CG

= 1

,084

Mezcladores 67

Figura 2-20. Vertedero rectangular (2)

2.1.3 Vertedero rectangular

Esta unidadconsiste en un canalrectangular con un ver-tedero rectangular sincontracciones a todo loancho del canal (figu-ra 2-20).

La lámina ver-tiente, después de pa-sar sobre el vertedero,toca el fondo del canalen la sección 1, a unadistancia Lm del verte-dero. Cuando la lámi-na de agua alcanza el fondo, se divide en una corriente principal que se muevehacia el frente y en una corriente secundaria que retorna. Para evitar el efectoperjudicial de la zona muerta que forma un vertedero de paredes verticales, serecomienda el diseño de vertedero de la figura 2-20. La distancia Lm puede sercalculada por la ecuación de Scimeni:

Lm = 4,3 P ( hc / P) 0,9 (18)

La longitud de la mezcla (LJ) se calcula mediante la ecuación 4. Para elcálculo del gradiente de velocidad, es necesario conocer la energía consumida enel resalto (figura 2-20). La altura de agua en esta sección (h1) está relacionadacon la altura crítica (hc) por la siguiente ecuación:

h1 = (19)

hc = 3 q2 / g (20)

donde q es el caudal específico

chP2,56

2hc

+

CoagulanteH

P

B

h1

Q

h2

1

Q1

Lm

1

Lj

2

16

h2


Figura 2-21. Vertedero rectangular comomezclador (4)

(q = Q/B) y Q = 1,84 x B x H3/2 (21)

El cuadro 2-6 presenta unejemplo de aplicación de los cri-terios expuestos.

La figura 2-21 muestra unmezclador de tipo vertedero ope-rando correctamente.

2.1.4 Vertedero triangular

Este tipo de mezcladorconsiste en un canal rectangulary un vertedero de 90° colocado

a una altura (P) medida del vértice del vertedero al fondo del canal. Esta alterna-tiva solo es apropiada para caudales pequeños.

En este caso, la altura de agua (h) en el vertedero se calcula mediante lasiguiente expresión:

(22)

Con caudales de alrede-dor de 30 L/s como el del ejem-plo del cuadro 2-7, el ancho delcanal (B) puede ser igual al dela lámina de agua (L). CuandoL sea demasiado pequeña, pormotivos de construcción, sehará B = 2 L.

Cuando no se deja la al-tura de agua apropiada entre elvértice del vertedero y el niveldel agua en el canal, el resaltoque se forma es muy pobre (fi-gura 2-22).

Figura 2-22. Vertedero triangularcomo mezclador

0,4

1,4Qh ⎥⎦

⎤⎢⎣⎡=

Mezcladores 69

Cua

dro

2-6.

Com

prob

ació

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ondi

cion

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ero

rect

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Pas

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atos

Cri

teri

osC

álcu

los

Uni

dad

Res

ulta

dos

1C

auda

lm

3 /sq

= Q

/ Bq

= 0

,017

/ 0,

5C

auda

l es

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/mQ

= 0

,017

q =

0,03

4A

ncho

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ver

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B =

0,50

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= 0

,67

q2/3

H =

0,6

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034)

2/3

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H =

0,0

673

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054

Altu

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2

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2,56

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(1,4

14 x

0,0

5) /

Altu

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0,67

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0,67

/0,0

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la

secc

ión

(1)

h 1 =

0,01

765

V 1 = q

/ h 1

V 1 =

0,0

34/0

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6Ve

loci

dad

en l

a se

cció

nm

/s(1

) V 1

= 1,

936

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1 /

g h

1F 1

= 1

,93/

9

,8 x

0,0

176

Núm

ero

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eU

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F 1 =

4,65

7h 2 =

h 1/2

(

1+8

F 12 –

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0,01

76)(

( 1

+8(

4,63

)2 ) –

1)

Altu

ra d

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m

2

secc

ión

(2)

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0,11

8V 2 =

q/h

2V 2

= 0

,034

/ 0,

11Ve

loci

dad

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nm

/s (

2) V

2 = 0

,31

9L J =

6(h

2 - h

1)L J

= 6

(0,1

1 –

0,01

76)

Long

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ltom

L J =

0,55

10L m

= 4

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( h

c / p

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,9L m

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0,6

7) 0

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L m =

0,2

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176)

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0176

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0,1

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32

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dad


Cua

dro 2

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Cri

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dad

Res

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dos

Uni

dad

12Vm

= (V

1 + V

2 )/

2Vm

= (

1,93

+ 0

,31)

/ 2

Velo

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d m

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m/s

Vm =

1,1

2

13T

= L

j / V

mT

= 0

,54

/ 1,

12Ti

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= 0,

48

14

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= 2

.736

G =

ã/

ì

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G =

2.7

36

0,1

0 /

0,48

Gra

dien

te d

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loci

dad

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10 °

CG

= 1

,249

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3 =

Q /

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0,0

17/(

1,84

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,67

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0,0

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05m

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B/ e

N =

0,5

/0,0

5;N

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10

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Ao =

0,0

001

Secc

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2

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= Q

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= 0

,021

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0,0

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dad

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= 0,

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= V

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Vt =

0,0

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,043

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loci

dad

en l

a tu

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m/s

21At

= q

o / V

tAt

= (

0,02

1/10

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0,04

35Se

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2

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0,0

0048

22D

t = 1

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iám

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difu

sor

pulg

ada

⎟ ⎠⎞⎜ ⎝⎛

⎟ ⎠⎞⎜ ⎝⎛

=02

54,0

14

5,0

πAtD

t

Mezcladores 71

Figura 2-23. Defectos en el diseño de unvertedero triangular como mezclador

En el mezclador de la fi-gura 2-23 no se está producien-do el resalto en el punto en queel chorro de agua pega sobre lasuperficie en el canal, porque ade-más de que no se dejó la alturaadecuada entre el vértice y el ni-vel del agua, tampoco se empal-mó el nivel del canal con el niveldel floculador. De este modo, elresalto se está produciendo en laentrada del floculador.

2.1.5 Difusores

Este tipo de mezclador es especialmente apropiado para canales de mezclaprofundos y cuando no se tiene mucha carga disponible para el mezclador. Cuan-do la altura de agua en el punto de mezcla es grande, la mezcla es más eficiente sila aplicación del coagulante se efectúa en toda la sección y no en un solo punto.Cuando el coagulante se aplica en un solo punto, los resultados no son buenosdebido a que la mezcla se completará en una distancia tal como L, lo que deman-dará un exagerado tiempo de mezcla (T) (figura 2-24-a). Como el sulfato dealuminio al contacto con el agua se hidroliza y polimeriza en fracciones de segun-do, la eficiencia del proceso disminuye.

Cuando el nú-mero de puntos deaplicación es mayor,menor es la distancia(L/4) y el tiempo demezcla (T/4) (figura2-24-b), y la disper-sión del coagulantemás rápida, con lo quese logra una eficien-cia mayor. Figura 2-24. Principio de los difusores (1)

1 punto de aplicaciónTiempo de mezcla = T

(a)

4 puntos de aplicaciónTiempo de mezcla = T/4

(b)

L L

72 Diseño de plantas de tecnología apropiadanu ne adi pár a lcze

m ed sen oic idn oc s al ed nó icab orpmo

C . 7- 2 ordauC

09 ed ralugnairt oredetrev°°°° °

osaP

sotaD

seda dinU

solucláC

daditnaC

dadinU

sodatluseR

o ñesi d ed l aduaC

10 30, 0

= Q

m3

s/] 4, 1/

Q[ = h

4, 0m

ed animál al ed arutl

A ]4,1/0 30 ,0[

= h 4,0

1 2,0 = h

oredetrev le erbos auga

2h 2

= Lm

animál al ed ohcn

A)12,0( 2

= Lled ohcna y etneitrev

24, 0 = L

la nac

l ana c l ed ohc nA

354 ,0

= Bm

B /Q

= qm

oi rati nu l ad uaC

3s /xm

54,0/030,0 = q

L = B

oidemorp

660,0 = q

ed nó icarelecA

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m2

h c=

3 q

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ma cit ír c arut l

Adadevarg al

h c

= 3

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18,9/h c

97 0, 0 =

ec itrév le edsed a rutlA

50,1

= Pm

h 1h 14,1

= c

h /P + 65,2 /

cm

led oicini la arutlA

le atsah oredetrev ledh 1

970,0/0,1 + 65,2 / )970,0( 14,1

= otlaser

sauga lan ac l ed o dn ofh 1

820,0 =

ojaba

6V 1

h/q =

1s/

mled oicini la dadicoleV

V 1V 8 20, 0/660,0

= 1

6 3,2 =

ot las er

7F 1

V =

1h g /

1)820,0( 18,9 /63.2

= eduorF ed ore

múN

F 15,4

=

8h 2

h =

1F 8

+ 1 [ 2/1

]1 - m

séupsed auga ed arutlA

h 21 - )5,4( 8

+ 1 [ )2/8 20,0( =

otlaser led]

h 2170,0

=

Mezcladores 73

osaP

sotaD

s eda di nU

solu clá

Cdad itna

Csodatluse

R

9V 2

h /q =

2s/

mled lanif la dadicoleV

V 2V ; 170,0/660,0

= 2

39,0 =

otlaser

0 1h p

h( =

2h -

1)3h 4 /

1h

2m

ne ada pisid aígrenEh p

)820,0 – 17 0, 0( =

3)820, 0( )1 70,0( 4 /

o tlaser leh p

) 01( 99,9 =

3-

11L m

h(6 =

2h -

1)m

otlaser led dutignoLL m

)820,0 – 70 ,0( 6 =

L m852, 0

=

21h (P 3,4

= ’Lc

)P / 9,0

mled aicnatsi

D)0, 1/9 70 ,0( )1( 3,4

= ’L9,0

a l a or ed et rev44, 0

= ’L1 n óicc es

31V m

V( =

1V

+ 2

2/)39,0 + 63,2(

= 2/)s/

moide

morp dadicoleVV m

5 6,1 =

otlaser le ne

41L

= Tm

V/m

56 ,1 /85 2, 0 = T ;

sa lcz e

m e d o pmeiT

61 ,0 = T

51 µ/r

02 9.2 =h . µ/ r

= G

pT/

sdadicolev ed etneidar

G1-

T 51 = °C

)01( 9 9,9( 0 29. 2 =

G3-

)06 1,0/5,0

037 =

G

dadinU

nu ne adipár alczem ed senoicidnoc sal ed nóicaborp

moC .7-2 ordau

C09 ed ralug na irt ore detrev

( °( °( °( ° ( °)nóicaunitnoc


En las unidades de mezcla de resalto hidráulico, en las que la lámina deagua en el punto en que se origina el resalto (punto de aplicación del coagulante)es muy delgada, se emplea un difusor constituido por un tubo perforado o por unacanaleta de distribución como la indicada en la figura 2-25.

Figura 2-25. Canaleta de distribución de sulfato de aluminio (1)

En canales donde la lámina de agua es relativamente profunda o en tube-rías bajo presión se pueden utilizar los dispositivos indicados en las figuras 2-26 y2-27.

Estas unidades son adecuadas para aguas que coagulan por mecanismosde adsorción o de barrido.


• El gradiente de velocidad puede variar entre 500 y 1.000 s-1.

• El tiempo de retención puede variar entre 1 y 7 segundos.

• El espacio máximo entre dos orificios nunca debe ser superior a 10 centí-metros, para que el coagulante se distribuya de manera uniforme en toda lasección del canal.

• Los chorros de coagulante deben tener una velocidad de 3 m/s y debendirigirse en sentido perpendicular al flujo.

• Los orificios deben tener un diámetro mínimo de 3 mm.

Sección longitudinal Sección transversal

Coagulante

Tubo difusor

Mezcladores 75

• La velocidad de la masa del agua donde se distribuyen los chorros deberáser igual o superior a 2 m/s.

• Deben preverse facilidades para la limpieza o para la rápida sustitución deldifusor. Los difusores en tuberías no permiten ver cómo está operando launidad, por lo que resulta una unidad muy vulnerable en sistemas donde nose disponga de un buen nivel de operación.

Figura 2-26. Difusor en tubería (1)

Figura 2-27. Difusor en canal (1)

Coagulante

Barrasmetálicas

JuntaDresser

Válvulas paralimpieza

Orificios

Caja distribui-dora (móvil)

Plástico

Tubo de acero

Tubo interno(removible)

Orificios

Tubo externo(fijo)


Diámetro de las barrasValor de acm pulgadas

0,16 (1/16) 0,40

0,31 (1/8) 0,540,63 (1/4) 0,80

1,25 (1/2) 1,13

2,52 (1) 1,47

b) Criterios para el dimensionamiento

En el cálculo de estas unidades se utiliza el modelo de Stenquist:

C1 F / C01 = α [l/ d ]-a (23)

Donde:

α = coeficiente que depende del número de orificios y de la relación Q/q(relación del caudal de la masa de agua con el caudal del coagulante).Los experimentos realizados por Stenquist proporcionan un valor deα = 5

F = densidad de orificios en el difusor o número de orificios por pulgadacuadrada

d = diámetro de las barras que constituyen la reja del difusora = tasa de reducción de las fluctuaciones de la concentración. Depende

del diámetro de las barras (d). Valores experimentales determinadospor Stenquist (cuadro 2-8)

l = longitud de la mezcla (m)C1/C0

1 = grado de segregación de la solución del coagulante aplicado ( IS )

Cuadro 2-8. Valores de constantesααααα = 5,00

C01 = concentración inicial del coagulante en el flujo de agua = CA . q/Q,

Donde:

CA y q son la concentración y el caudal de la solución del coagulante, respectiva-mente.Q = caudal de agua (m3/s).

Mezcladores 77

La separación entre barras (M) se calcula en función del grado de solidez(S):

M = d [1/(1 - 1-S)] (24)

Donde:

S = K / (1 + K) (25)

siendo K el coeficiente de pérdida de carga, la pérdida de carga (h) se obtendráde:

h = K V2 / 2g (26)

El gradiente de velocidad se obtendrá mediante la ecuación general paraunidades hidráulicas:

G = γ/µ . hf/ T (27)

2.1.6 Inyectores

En este tipo de unidades se consigue la homogeneización instantánea delcoagulante con el flujo de agua, a partir de la regulación de la velocidad de loschorros y del número de chorros dentro de la sección de la masa de agua.


• La velocidad de los chorros (u) debe ser por lo menos cinco veces la velo-cidad del flujo del agua.

• La eficiencia máxima se consigue cuando el área cubierta por los chorroses por lo menos 80% de la sección del tubo.

b) Criterios para el dimensionamiento de los inyectores

• Ecuación básica del perfil del chorro en flujo turbulento (figura 2-28) segúnPratte y Baines (2):

[x / d . R ] = C [ z / d R] 0,28 (28)


Donde:

x = diámetro del chorro al final de la zona de máxima deflexiónz = longitud de mezclaR = relación de velocidades del chorro (u) y del agua (V)d = diámetro de los orificios de inyecciónC = coeficientes de los perfiles del chorro (2)CS = coeficiente del perfil superior = 2,63Cc = coeficiente del perfil central = 2,05Ci = coeficiente del perfil inferior = 1,35

• Al final de la zona de máxima deflexión, se supone lo siguiente:

z / d1 R = 3 (29)

d1 = diámetro de los orificios de la primera hilera.

x = diámetro de los chorros

x = 1.741 . d . R , donde R = u/V (30)

• Ecuaciones de los perfiles superior e inferior, a partir de las ecuaciones 28y 29:

xs / d1 R = 2,63 (3)0,28 = 3,58 (31)

xi / d1 R = 1,35 (3)0,28 = 1,84 (32)

• Diámetro de los orificios de la segunda hilera (d2):

d2 = 0,5 d1 (33)

• Caudal de la solución de coagulante (q):

q = u (π /4) [ N1 d12 + N2 d2

2 ] (34)

N1 = Número de orificios de la primera hileraN2 = Número de orificios de la segunda hilera

Mezcladores 79

• Pérdida de carga en los chorros (hf)

hf = K u2 / 2g (35)

Figura 2-28. Perfil del chorro en flujo turbulento

• Gradiente de velocidad generado por los chorros:

G = γ q . hf / µ (36)

= volumen de mezcla

= π D2/4 (Z1 + Z1) (37)

El cuadro 2-9 indica la secuencia de cálculo de un inyector y su aplicación(figura 2-29)(3).

Figura 2-29. Diseño de un inyector de 24 chorros

∀

∀

deflexión

D

Zona nucleada

Z = 10 dR

Zona de máx.

V

Zona devórtice

dµ

X

q (coagulante)

Aguacruda

(A) (B)

(C) (D)

D/2X = 0,15

0,15

D

d2

d1

z1z2

q

0,42 m3/s

∀


o saP

sotaD

d ad inU

oiret irC

ol obmíS

od at luseR

dadinU

02 4,0 = laduaC

1Q

m3

s/)6, 0( (/024, 0

= A /Q

= V2

)4 /π s/

m aír ebut a l n e dad icole V

5, 1 = V

0 6,0 = aíre but ed o rtemái

DD

mseda dicolev ed nóicale

R2

2,5 = )5, 1( 5,3

= µ ; V R = µ

Rs/

msorrohc sol ed dadicoleV

5 ,3 =x odn eic a

H3

s2 /

D a l au gi x s

mx s

d / 1

85, 3 = R

ms oi cifiro so l ed o rte

máiD

d 1] )5, 3( )85,3 ( ) 2([ /06,0

= are lih are

mi rp a l edd 1

420,0 =

4x

∆1

d 147, 1 =

1Rm

al ed sorrohc ed ortemái

Dx

∆1

51,0 = )5,3( )420,0( 147 ,1

= arelih are

mirps oi cifiro s ol e d or e

múN

5N 1

.N

°A 1

N =

1x

∆ π 2

)5 1,0 ( π ) 21([ = 4/

24/]

mso rrohc sol ro p atrei bu c ae r

Á2

21 =A 1

12,0 =

ar elih aremi rp a l e d

6D π

= A2

)6,0( π = 4/

24 /

mo but l ed aer

Á2

382,0 = A

747

= 382, 0/)001( 1 2,0 =

%%

obut led aerá led ejatnecroPsorrohc sol rop atreibuc

8z 1

d 01 =

1R

mor rohc led duti gn oL

z 148, 0

= z ; )5,3 ( )4 20, 0( 0 1 =

aer á le d o rtemái

D9

x s1m

x s1d /

28 5, 3

= R m

s oicifiro sol ed ortemái

Don o bu t led l ar tnec

d 2])5,3( )85,3 ( )2([/ 03,0

= arelih adnuges al ed

03,0 = sorrohc noc atreibucd 2

d( 210,0 =

2≈

d 5,0 1)

d 2210,0

= 01

x∆

2d 1 47,1

= 2

R m

sorrohc sol e d ortemái

Dx

∆2

)5 ,3( )2 10, 0( 147 ,1 =

arel ih adnuges al edx

∆2

370,0 =

rotceyni nu ed olucláC .9-2 ordau

C

Mezcladores 81P

aso

Dat

osU

nida

dC

rite

rio

Sím

bolo

Res

ulta

do

11N

úmer

o de

orif

icio

s =

12N 2

N.°

A 2 = [

N2 π

( x

2)2 ] /4

Áre

a de

los

cho

rros

de

lam

2

A 2 =

[12

π (0

,073

)2 ]/

4 =

0,0

50se

gund

a hi

lera

12A T

= 0

,21

+ 0

,050

= 0

,26

Áre

a to

tal

cubi

erta

por

los

m2

chor

ros

13%

= [

0,26

(10

0)]/

0,2

8 =

92,

8Po

rcen

taje

del

áre

a de

l tu

bo%

cubi

erta

por

los

cho

rros

14q

= [

µ π

(N1 d

1 + N

2 d2)]

/4C

auda

l de

l co

agul

ante

m3 /s

q =

(5,

2) π

/4[1

2 (0

,024

)2 +

12

(0,0

12)2 ]

q =

0,0

35

15C

oefic

ient

e de

pér

dida

Kco

nsta

nte

h f = K

µ2 /

2g

;

h f =

(5,2

)2 /19,

6Pé

rdid

a de

car

gam

de c

arga

= 1

h f = 1

,38

16d 2 =

z 2 = 3

d2

R

= 3

(0,

012)

x 3

,5Lo

ngitu

d de

cho

rros

mz 2

= 0

,126

de la

seg

unda

hile

ra

17

=π

D2 /

4 (z

1 + z

2)Vo

lum

en d

e la

zon

a de

mez

cla

m3

=

π (0

,6)2

(0,

126

+ 0

,84)

/4

= 0

,27

18T

=

/(Q

+ q

) =

0,2

7/(0

,42

+ 0

,035

)Ti

empo

de

mez

cla

seg

T =

0,5

9

19

γ/µ

=

2.73

6G

=

γ/µ

q

.hf /∀

Gra

dien

te d

e ve

loci

dad

s-1

T =

10 °

CG

= 2

.736

0,03

5 x

1,38

/0,2

7G

= 1

.157

Uni

dad

Cua

dro 2

-9. C

álcu

lo d

e un

inye

ctor

(con

tinua

ción

)

∀

∀

∀∀


2.3 Unidades mecánicas (1)

La mezcla rápida meca-nizada es más eficiente cuandose emplean agitadores de tipoturbina.

El agitador de turbinaconsta de un disco o eje conimpulsores, los cuales impartenmovimiento al líquido a travésde la rotación del disco. Se cla-sifican por el tipo de movimien-to producido en turbinas de flujo axial y turbinas de flujo radial (figura 2-30) (1).

La potencia aplicada al agua por las turbinas depende del volumen y de laforma de la cámara de mezcla, así como de la velocidad de rotación y geometríadel impulsor. Estas variables están interrelacionadas, de tal modo que el diseño dela cámara de mezcla depende del tipo de turbina y viceversa.

Son adecuadas para cualquier tipo de agua, pero se recomiendanespecíficamente para aguas claras que coagulen por el mecanismo de captura obarrido.

2.3.1 Parámetros de diseño

• Gradiente de velocidad de 500 a 1.000 s-1.

• Tiempo de retención de 1 a 7 seg.

2.3.2 Criterios para el dimensionamiento

Rushton (7) encontró que la potencia debida a las fuerzas de inercia y a lasfuerzas de viscosidad, representadas por el número de Reynolds (NR), están rela-cionadas por las siguientes expresiones, de acuerdo con el régimen hidráulico:

• Laminar P = K / gc (µ n2 D3) (38)

• Turbulento P = K / gc ( σ n3 D5) (39)

Figura 2-30. Tipos de turbinas

(a) Axial (b) Radial

Mezcladores 83

Disco Plana Plana Inclinada

Curva 1 Curva 2 Curva 3 Curva 4

Núm

ero

de p

oten

cia

K

1000

500

200

100

50

20

10

5

2

11 101 102 103 104 105

1

2

34

D D D DWD = 1/5WD = 1/5WD = 1/5WD = 1/5

W W W W

Donde:

P = potencia necesaria (kgf/m/s)n = número de rotaciones por segundo (rps)D = diámetro del rotor (m)σ = densidad del agua (kg/m3)µ = viscosidad absoluta (kgf · s/m2)gc = factor de conversión de la ley de Newton (9,81 kg · m/kgf · s2)

La ecuación (38) es válida para valores del número de Reynolds inferioresa 10 y la ecuación (39) se aplica para los números de Reynolds superiores a10.000. Para valores intermedios del número de Reynolds, la potencia sería cal-culada por la fórmula (40):

P = [K / gc ] σ n3 D5 . (NR)P . (NF)q (40)

Donde:

NR es el número de Reynolds NR = n σ D2 / µ (41)

NF es el número de Froude NF = n2 D/g (42)

El coeficiente K depende de la geometría de la cámara y del equipo demezcla, y p y q, del régimen de flujo.

Figura 2-31. Relación entre el número de potencia y el númerode Reynolds para algunos tipos de turbinas (1)


Los valores de K para cuatro tipos básicos de turbina son dados en funcióndel número de Reynolds en el gráfico de la figura 2-31.

Para el régimen turbulento, que es la condición para la mezcla rápida, talesvalores sólo serán válidos si se han previsto dispositivos para la eliminación delvórtice. Esto puede hacerse por medio de cuatro cortinas, tal como se indica en lafigura 2-32, cada una tomando 10% del diámetro del tanque (DT).

La turbina de tipo 1 es la que proporciona, bajo idénticas condiciones derotación y diámetro, la mayor potencia útil (K = 5). La geometría del sistema decámara del equipo de mezcla se define por las siguientes relaciones (figura 2-32):

Figura 2-32. Relaciones geométricas de la cámara de mezcla (1)

Ejemplo: dimensionar un retromezclador y la cámara de mezcla para unaplanta que tratará 450 L/s.

gradiente de velocidad G = 1.000 s-1

tiempo de mezcla T = 1 s

2,7 < DT / D < 3,3

2,7 < H / D < 3,9

0,75 < h / D < 1,3

B / D = 1 / 4

W / D = 1 / 4

1 / DT = 1 / 10

B

W

DT

D

H

h

Mezcladores 85

Solución: los cálculos son bastante simples, como lo demuestra el cuadro2-10. Se inician fijando las relaciones geométricas entre la cámara y la turbina,como se ha indicado en la figura 2-32. Con el gradiente de velocidad prefijado, lasecuencia de cálculo es orientada hacia la determinación de la potencia aplicadaal agua y, finalmente, la velocidad de rotación.

Para un motor eléctrico de cuatro polos (aproximadamente, 1.750 rpm a 60Hz), será necesario un reductor de velocidad con un factor de reducción de1.750/420 ó de aproximadamente 4:1.

En la determinación de la potencia del motor eléctrico se debe tener encuenta el rendimiento del reductor de velocidad. A un rendimiento de 80%, lapotencia mínima del motor eléctrico deberá ser la siguiente:

Pm = 210 / 75 x 0,8 = 3,5 HP (43)

La selección deberá recaer en un motor de potencia nominal de 4 HP (po-tencia de placa).

La selección del reductor de velocidad es uno de los puntos críticos en eldimensionamiento mecánico del mezclador. Es el componente más importante ytambién el más caro. Los reductores deben ser especificados para un factor deservicio basado en la potencia nominal del motor eléctrico no inferior a 1,5. En elejemplo, el reductor sería, entonces, dimensionado para una potencia de 6 HP.

La adopción de periodos pequeños de retención inferiores a 2 segundos enlas cámaras de mezcla rápida mecanizadas exige que la corriente líquida incidadirectamente sobre las paletas del agitador. El coagulante deberá ser aplicado enel interior de la cámara, apuntando hacia la turbina del agitador.


osaP

sotaD

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= 4/62,0 = B 4 /

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sprnóicator ed dadicoleV

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= aug a l ed o cif íc epse ose PP

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miD .01-2 ordau

C)1(

Mezcladores 87

REFERENCIAS

(1) Programa Regional HPE/OPS/CEPIS de Mejoramiento de la Calidad delAgua para Consumo Humano. Manual V: Diseño. Tomo I. Criterios dediseño para la dosificación y mezcla rápida. Lima, CEPIS/OPS, 1992.

(2) Richter, Carlos. Submódulo C.19.3.1. Mezcla rápida. Módulo C.19.3. Dise-ño. Programa Regional de Mejoramiento de la Calidad del Agua para Con-sumo Humano.

(3) Amirtharajah, A. “Initial Mixing”. En Coagulation and Filtration: Backto the Basics. AWWA Seminar Proceedings, American Water WorksAssociation, Dallas, 10-14 de junio, 1984.

(4) Vargas, Lidia. Fotos de archivo personal. Lima, CEPIS.

(5) Stenquist, R. y R. M. Kaufman. Initial Mixing in Coagulation Processes.Berkeley, Universidad de California, 1972.

(6) Pratte, B. y D. Baines. “Profiles of the Round Turbulent Jet in a CrossFlow”. Journal of the Hydraulics Division. Proceedings of the AmericanSociety of Civil Engineers. 1967.

(7) Rushton, J. H. Mixing of Liquids in Chemical Processing. Ind. Eng. Chem.1952.

(8) Di Bernardo, Luiz. Información expuesta en el Curso de Diseño de Mérida,Yucatán, 1985 (basada en una investigación efectuada en la Escuela deSan Carlos).

CAPÍTULO 3

FLOCULADORES

Floculadores 91

1. INTRODUCCIÓN

El objetivo del floculador es proporcionar a la masa de agua coagulada una

agitación lenta aplicando velocidades decrecientes, para promover el crecimiento

de los flóculos y su conservación, hasta que la suspensión de agua y flóculos salga

de la unidad. La energía que produce la agitación del agua puede ser de origen

hidráulico o mecánico. En este capítulo trataremos sobre el diseño de unidades de

agitación hidráulica.

Entre los floculadores más conocidos se pueden citar, en primer lugar, las

unidades de pantallas de flujo horizontal y vertical, las de medios porosos, la de

tipo Alabama y Cox, y los floculadores de mallas.

2. PARÁMETROS Y RECOMENDACIONES GENERALES DEDISEÑO

Los gradientes de velocidad que optimizan el proceso normalmente varían

entre 70 y 20 s-1. En todo caso, en el primer tramo de la unidad el gradiente no

debe ser mayor que el que se está produciendo en la interconexión entre el mez-

clador y el floculador (1).

• El gradiente de velocidad debe variar en forma uniformemente decrecien-

te, desde que la masa de agua ingresa a la unidad hasta que sale (2).

• El tiempo de retención puede variar de 10 a 30 minutos, dependiendo del

tipo de unidad y de la temperatura del agua. En las zonas tropicales, donde

las aguas presentan temperaturas por encima de los 20 °C, el tiempo de

floculación necesario suele ser más breve, alrededor de 15 minutos. En

cambio, en los lugares fríos, donde el agua tiene temperaturas de 10 a 15

°C, generalmente el proceso se optimiza con tiempos de retención iguales

o superiores a 20 minutos (3).


• Para que el periodo de retención real de la unidad coincida con el de diseño,

ella debe tener el mayor número posible de compartimientos o divisiones (4).

• El paso del mezclador al floculador debe ser instantáneo y deben evitarse

los canales y las interconexiones largas.

• El tiempo de retención y el gradiente de velocidad varían con la calidad del

agua (1,4). Por lo tanto, estos parámetros deben seleccionarse simulando

el proceso en el laboratorio con una muestra del agua que se va a tratar

(ver el procedimiento en Tratamiento de agua para consumo humano.

Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo II, capítulo 11).

• Pueden operar indefinidamente sin riesgos de interrupción, debido a que

solo dependen de la energía hidráulica. Por esta razón, son muy confiables

en su operación.

• Por su bajo costo de construcción, operación y mantenimiento, se considera

a los floculadores como una tecnología apropiada para países en desarrollo.

3. UNIDADES DE PANTALLAS

Las unidades de pantallas son las más eficientes y económicas de todos los

floculadores actualmente en uso. Debido a la gran cantidad de compartimientos

que tienen, confinan casi perfectamente el tiempo de retención; el tiempo real es

prácticamente igual al tiempo teórico (4) cuando la unidad ha sido bien proyecta-

da. Debido a que no se requiere energía eléctrica para su funcionamiento, el costo

de producción es muy bajo.

Debido a su mayor eficiencia y menor costo, en el Japón se han reemplaza-

do los floculadores mecánicos por hidráulicos y actualmente solo se diseñan uni-

dades de este tipo (5).

3.1 Unidades de flujo horizontal

3.1.1 Parámetros y recomendaciones de diseño

• Recomendables para caudales menores de 50 litros por segundo.

Floculadores 93

• Se proyectará un mínimo de dos unidades, salvo que la planta tenga alterna-

tiva para filtración directa, porque en ese caso, podrá darse mantenimiento

al floculador durante los meses en que la planta opera con filtración directa.

• En este tipo de unidades predomina el flujo de pistón, por lo que se consigue

un buen ajuste del tiempo de retención.

• Se pueden utilizar pantallas removibles de concreto prefabricadas, fibra de

vidrio, madera, plástico, asbesto-cemento u otro material de bajo costo, dis-

ponible en el me-

dio y que no cons-

tituya un riesgo de

contaminación.

De esta manera,

se le da mayor fle-

xibilidad a la uni-

dad y se reduce el

área construida,

disminuyendo por

consiguiente el

costo de construc-

ción (figura 3-1).

• Entre los materia-

les indicados para

las pantallas, los

que ofrecen ma-

yor confiabilidad

son la fibra de vidrio, el plástico, los tabiques de concreto prefabricados y la

madera. En cada caso, la elección del material dependerá del tamaño de la

planta, del costo del material y de los recursos disponibles. Si se empleara

madera, se pueden disponer tabiques de madera machihembrada, tratada

con barniz marino aplicado en varias capas, cada una en sentido opuesto a

la anterior, de tal manera de formar una gruesa capa impermeabilizante.

También puede emplearse madera revestida con una capa de fibra de vi-

drio. La unidad puede tener una profundidad de 1,00 a 2,00 metros, depen-

diendo del material utilizado en las pantallas.

Figura 3-1. Floculador de pantallas de flujo

horizontal (6)


• Se pueden utilizar tambiénpantallas de asbesto-ce-mento, siempre y cuando nose tengan aguas ácidas oagresivas. Las aguas reco-mendables para utilizar estetipo de solución deben te-ner las siguientes caracte-rísticas:

Ia ≤ 10CO2 ≤ 3,5 mg/LSulfatos ≤ 1.500 mg/LpH ≥ 6

Donde:

Ia es el índice de agresividad, que es igual a:

Ia = pH + log 10 (A x D)A = alcalinidad total como CaCO3 en mg/L yD = dureza como CaCO3 en mg/L

En zonas sísmicas no serecomienda el empleo deplanchas de asbesto-cemento.Durante el terremoto queocurrió en el sur del Perú en el2001 se quebraron todas laspantallas de la unidad de flujohorizontal de la figura 3-2. En elprimer plano de la figura 3-3 sepueden ver los tanques defloculación sin pantallas.

En la figura 3-4 sepuede observar cómo quedaronlas pantallas del floculador y deldecantador laminar, que también

Figura 3-3. Floculador de pantallasdespués del sismo (7)

Figura 3-2. Floculador de pantallasde flujo horizontal (7)

Floculadores 95

eran de asbesto-cemento.

Principalmente a partir de esta

experiencia, de gran impacto

económico, no recomendamos

utilizar el asbesto-cemento para

este fin en zonas de alto riesgo

sísmico y de bajo nivel de ope-

ración, porque es un material muy

quebradizo si no se manipula

adecuadamente durante las

labores de mantenimiento. Los

operadores acostumbran caminar

sobre las pantallas. En la figura

3-5 se pueden ver las maderas que colocan para caminar encima de ellas.

• Con pantallas de asbesto-cemento, se recomienda diseñar unidades de

máximo un metro de profundidad útil, colocando las pantallas con la dimensión

de 1,20 metros en el sentido vertical.

• Si se usan pantallas de

a s b e s t o - c e m e n t o

onduladas, se consigue

disminuir un poco la

diferencia de gra-

dientes de velocidad

entre los canales y las

vueltas (figura 3-6). En

este caso, se considera

un coeficiente de

fricción (n) de 0,03 para

calcular la pérdida de

carga en los canales.

Cuando se utilicen

placas de asbesto-cemento planas o de madera, los coeficientes deben ser

0,013 y 0,012, respectivamente.

• El coeficiente (K) de pérdida de carga en las vueltas varía entre 1,5 y 3,0

Se recomienda usar un coeficiente de 2 para este fin (8).

Figura 3-4. Pantallas de asbesto-

cemento rotas (7)

Figura 3-5. Floculador con pantallas

de asbesto-cemento planas (7)


• El espaciamiento entre el

extremo de la pantalla y la

pared del tanque —es decir, el

paso de un canal a otro— se

deberá hacer igual a 1,5 veces

el espaciamiento entre pan-

tallas (9).

• Dependiendo del tamaño de la

unidad, deberá considerarse

un punto de desagüe por unidad

o uno por cada tramo.


• En las unidades hidráulicas el gradiente de velocidad es una función de la

pérdida de carga:

(1)

Donde:

γ/µ = relación que depende de la temperatura del agua

hf = pérdida de carga total en m

T = tiempo de retención en s

• La pérdida de carga se produce a lo largo de los canales (h1) y

principalmente en las vueltas (h2), por lo que la pérdida de carga total en el

tramo hf = h

1 + h

2.

h1 = [n v / r2/3 ] 2 . I (2)

n = coeficiente de pérdida de carga de Manning. Con planchas corrugadas

(n = 0,03),

v = velocidad en los canales

g = aceleración de la gravedad (m/s2)

r = radio hidráulico del canal

l = longitud total en el tramo (m)

Figura 3-6. Floculador con pantallas

de asbesto-cemento onduladas (7)

hf/T.=G y/ µ

Floculadores 97

h2 = K ( v2 / 2g ). N (3)

K = 2, coeficiente de

pérdida de carga

en las curvas.

N = número de vueltas

o pasos entre ca-

nales.

3.1.3 Aplicación

Se requiere proyectar un

floculador de pantallas para un

caudal de 30 L/g y se ha

seleccionado la unidad de flujo

horizontal por tratarse de un

caudal pequeño. Se simuló el proceso en el laboratorio para determinar los gradientes

de velocidad y tiempos de retención óptimos y se obtuvieron los resultados que se

indican en el gráfico de la figura 3-8.

Los resultados del estudio indican que se obtendría la mayor eficiencia con

los gradientes de velocidad y los tiempos indicados en el cuadro 3-1.

Figura 3-7. Comportamiento de la pérdida

de carga

Figura 3-8. Correlación de G y T

PerfilPlanta

h2

hf

h1

H

I2I1

I1 I1

I2

Correlación de G y T

y = -20,193Ln(x) + 108,14

R2 = 0,9047

10

100

1 10 100

Tiempo (min)

G(s

-1)


Tramos Gradientes de velocidad(s-1)

Tiempos de retención(min.)

Cuadro 3-1. Parámetros óptimos de floculación (10)

1 80 5

2 60 10

3 50 15

4 45 20

En el cuadro 3-2 se muestra un ejemplo de cálculo para un tramo del

floculador de pantallas de flujo horizontal con pantallas de asbesto-cemento

onduladas. El proceso se repite para los tramos siguientes.

En el ejemplo se eligió un gradiente bajo para el último tramo (25 s-1) para

optimizar la formación del flóculo.

Se eligió el último tramo de la unidad para desarrollar el ejemplo de cálculo,

a fin de indicar también cómo se chequea que las pantallas se crucen en toda la

unidad por lo menos 1/3 del ancho. De acuerdo con el cálculo efectuado, el ancho

de las vueltas en este tramo es de 0,54 metros y el ancho total del tanque, de 3

metros. Teniendo en cuenta dos anchos de vuelta correspondientes a cada extremo

del canal, las pantallas traslaparían en una longitud de 3 – (0,54 x 2) = 1,92 m. Por

lo tanto, el dimensionamiento es correcto.

También se puede apreciar que se han modificado los tiempos de retención

en cada tramo, de tal modo que las longitudes de todos los tramos sean iguales a

4,30 metros. Esto permitirá construir cuatro tanques iguales de 4,30 metros de

largo, 3 metros de ancho y un metro de profundidad total.

Floculadores 99

Cua

dro

3-2.

Dim

ensio

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so

Floculadores 101

3.1.4 Recomendaciones para el proyecto y problemas de diseño más comunes

A continuación presentaremos algunas condiciones de diseño muy

importantes para el correcto funcionamiento de una unidad de flujo horizontal y

algunos de los errores de diseño más comúnmente identificados:

• Considerar, en el fondo de la unidad, una pendiente igual a la pérdida de

carga obtenida en el cálculo, de tal modo que la altura de agua permanezca

constante y, por lo tanto, el gradiente de velocidad en todo el tramo también

se mantenga así.

La unidad de la figura 3-9

fue diseñada con el fondo

plano. La sección inicial es

mucho mayor que la final y,

como el caudal es constante,

la velocidad es menor al

inicio y mayor al final. Al

evaluar esta unidad, se

encontró que los gradientes

de velocidad estaban al

revés, empezaban bajos y

terminaban altos.

Para mejorar el comportamiento de la unidad, se requeriría darle pendiente

en el fondo, para lo cual sería

necesario retirar todas las vigas que

sujetan las pantallas y los tabiques

de concreto prefabricados.

La unidad de la figura 3-10

tiene una profundidad inicial de 1,70

metros y una final de 2,40 metros.

Fue diseñada con gradientes de

velocidad variables entre 27 y 2,5 s-1

y un tiempo de retención total de

39 minutos. Si calculamos la pérdida

de carga correspondiente a la

velocidad en las secciones entre las

Figura 3-9. Floculador de pantallas

de flujo horizontal (7)




pantallas, esta sería apenas de 3,9 centímetros. Como el desnivel del fondo

de la unidad es de 0,70 metros, el caudal se escurre totalmente hacia el

final. La estructura de esta unidad es toda de concreto con pantallas rígidas;

para mejorar su comportamiento, será necesario demolerla.

• Al elegir el ancho de la unidad, debe

tenerse en cuenta el ancho de la

vuelta en el último tramo, de tal

modo que las pantallas se crucen

por lo menos en un tercio de su

longitud. En la unidad de la figura

3-11 no se tuvo en cuenta este

criterio y el flujo pasa totalmente por

la parte media y forma un rápido

cortocircuito, mientras que entre las

pantallas se producen vórtices y

zonas muertas.

• El sistema que se adopte para la

sujeción de las pantallas, sobre todo

cuando se trata de pantallas de

asbesto-cemento onduladas, es muy importante para el buen funcionamiento

de la unidad. El sistema de la figura 3-12 no es recomendable. Como se

puede apreciar, no se logra mantener el paralelismo de las pantallas y el

agua termina pasando de un canal a otro.

El sistema de sujeción

para pantallas onduladas de la

figura 3-13 es la solución más

conveniente desde el punto de

vista técnico y económico.

Consiste en colocar un listón de

madera en el borde superior de

cada pantalla, tomando también

la longitud de la vuelta para

sujetarlo en las paredes late-

rales del tanque. Esta acción

mantiene las pantallas estables

y alineadas. Estos primeros





Floculadores 103

listones se sujetan con otros

perpendiculares a ellos mediante

pernos, y así se mantiene el ancho

constante de los canales.

En la parte inferior las

pantallas se sujetan mediante un

listón de madera con ranuras, que

debe instalarse semiempotrado en

el fondo de la unidad.

3.2 Unidades de flujo vertical

En este tipo de unidades el flujo sube y baja a través de canales verticales

formados por las pantallas. Es una solución ideal para plantas de medianas a

grandes, porque debido a la mayor profundidad que requieren estas unidades,

ocupan áreas más reducidas que los canales de flujo horizontal. Otra ventaja

importante es que el área de la unidad guarda proporción con respecto a los

decantadores y filtros, con lo que resultan sistemas más compactos y mejor

proporcionados. Cuando se emplean floculadores de flujo horizontal en plantas

grandes, el área de los floculadores es mucho mayor que el área de todas las

demás unidades juntas.

3.2.1 Parámetros y recomendaciones de diseño

• Las unidades de flujo vertical son una solución recomendable para plantas

de capacidad mayor de 50 litros por segundo.

• Se proyectan para profundidades de 3 a 4 metros, por lo que ocupan un

área menor que las unidades de flujo horizontal.

• Los tabiques pueden ser de fibra de vidrio, prefabricados de concreto, de

madera o de asbesto-cemento. En la figura 3-14 se puede ver una unidad

con pantallas de dry wall; en la figura 3-15, con madera; y en la 3-16, de

asbesto-cemento gruesas.

• Las restricciones para el uso de pantallas de asbesto-cemento son las mismas

que se indicaron anteriormente.




Con este tipo de tabiques, se recomienda usar una altura máxima de agua

de 2 a 3 metros. Pueden proyectarse alturas mayores, traslapando pantallas y

empernándolas. Se debe tener especial cuidado durante el llenado de este tipo de

unidades, para evitar roturas.

• La sección de cada paso se calculará para una velocidad igual a los 2/3 de

la velocidad en los canales.

• El gradiente de velocidad en los canales no deberá ser menor de 20 s-1. En

plantas grandes se pueden colocar mallas diseñadas con el gradiente de

velocidad apropiado en los orificios de paso.

• Para evitar la acumulación de

lodos en el fondo y facilitar el

vaciado del tanque, se dejará

una abertura equivalente al

5% del área horizontal de

cada compartimiento en la

base de cada tabique que llega

hasta el fondo.

• Estructuralmente, son más

confiables los tabiques de

concreto prefabricados y fibra

de madera machihembrada de

1,5" a 2" de espesor; pueden

Figura 3-14. Floculador de flujo

vertical con tabiques de dry wall (7)

Figura 3-15. Floculador de flujo

vertical con tabiques de madera (7)

Figura 3-16. Floculador de flujo vertical

con pantallas de asbesto-cemento (7)

Floculadores 105

adoptarse, en este caso, alturas de agua de 4 a 5 metros. Con este tipo de

solución se reduce apreciablemente el área de la unidad, lo cual es

especialmente ventajoso en plantas grandes.

• Al igual que en las unidades de flujo horizontal, debe tenerse especial cuidado

en la adopción del ancho de la unidad para que en el diseño de los tramos

con bajos gradientes de velocidad, las pantallas se entrecrucen por lo menos

en 1/3 de la altura útil. Así se evitará la formación de espacios muertos y

cortocircuitos.


• La selección del número aproximado (m) de compartimentos por tramo o

canales de gradiente constante se puede determinar utilizando el criterio de

Richter (5).

(4)

b = ancho del tramo o canal

L = longitud del tramo

t = tiempo de retención del tramo

• La pérdida de carga en las vueltas (h2) se calcula mediante la siguiente

expresión:

h2 = [(m + 1)V

12 + mV

22] / 2g (5)

V1

= velocidad en los canales

V2

= velocidad en los pasajes u orificios de paso de un

compartimiento a otro

• La velocidad en los pasajes (V2):

V2 = 2/3 V

1(6)

• El gradiente de velocidad en los canales (G1) se comprueba mediante la

siguiente expresión:

tQ)(bLG/0,045=m .2

3


Planta

Corte A-A

A

b

+ a +

Hh2 e2

e1

A

e2e2

h2

G1 = γ /µ . 1/2g . f / 4RH . V11,5 (7)

f = coeficiente de Darcy Weissbach, que varía entre 0,01 y 0,03. Serecomienda utilizar 0,02.

RH = A/P, radio hidráulico del canal.

En el cuadro 3-3 se desarrolla un ejemplo de dimensionamiento de unfloculador de 6 compartimientos.

Figura 3-17. Floculador de pantallas de flujo vertical (12)

3.2.3. Aplicación

Se requiere proyectar un floculador de pantallas para un caudal de 250litros por segundo y se ha seleccionado una unidad de flujo vertical de 4,50 metrosde profundidad por tratarse deuna planta grande. Se simuló elproceso en el laboratorio paradeterminar los gradientes develocidad y los tiempos deretención óptimos. Se obtuvie-ron los resultados indicados enel gráfico de la figura 3-18. Losresultados del estudio indicanque se obtendría la mayoreficiencia con los gradientes develocidad y los tiemposindicados en el cuadro 3-3.

Figura 3-18. Correlación de G y T

Correlación de G y T

y = -20,193Ln(x) + 108,14 R 2 = 0,9047

10

100

1 10 100 Tiempo (min)

G(s

-1)

Floculadores 107

Tramos Gradientes de velocidad(s-1)

Tiempos de retención(min.)

1 90 2,34

2 80 4,90

3 70 7,80

4 65 11,10

5 55 15,03

6 50 20,10

Cuadro 3-3. Parámetros óptimos de floculación (10)

Como los gradientes de velocidad en los útlimos tramos (5 y 6) son muy

similares y la formación del flóculo optimiza con un gradiente de velocidad bajo al

final, se tomó para el sexto tramo un valor de 28 s-1.

Aplicando el procedimiento del cuadro 3-4, se calculó una unidad de seis

tramos o canales con gradientes de velocidad decrecientes entre 87 y 28 s-1, y se

obtuvieron los resultados del cuadro 3-5. El cálculo del cuadro 3-4 corresponde al

dimensionamiento y comprobación de un solo tramo, el último de la unidad. Este

proceso debe aplicarse reiteradamente para cada tramo, empleando los parámetros

correspondientes (cuadro 3-3).

Una vez calculado el último tramo, debemos comprobar si los pasos se

cruzan. Cada paso tiene una altura de 0,92 metros y la profundidad de la unidad es

de 4,50 metros. La longitud de traslape es de 4,50 – (0,92 *2 ) = 2,66 m.

Si tuviéramos, en cambio, un cálculo del último tramo en que los pasos

tienen 1,50 metros de alto y la profundidad total de la unidad es de 2,50 metros, las

pantallas no llegarían a cruzarse. La superior estaría a 1,50 del fondo y la inferior

a 1,50 metros de la superficie del agua, con lo que quedaría un espacio libre de

0,50 metros por el que debería pasar todo el caudal formando un cortocircuito.

Los espacios entre las pantallas se constituirían en espacios muertos en los que la

masa de agua quedaría retenida.


Cua

dro 3

-4. D

imen

siona

mie

nto d

e un

flocu

lado

r de p

anta

llas d

e flu

jo ve

rtic

al (1

0)

1C

auda

lQ

= 0

,25

m3 /s

=

60

Q. T

.

= 6

0 (0

,25)

20

Volu

men

tot

al d

em

3

=

300

la u

nida

dTi

empo

tot

al d

e fl

o-T

= 20

min

cula

ción

2Lo

ngitu

d de

la u

nida

dL

= 6,

5m

B =

/

H .

LB

= 3

00/6

,5(4

,5)

Anc

ho t

otal

de

lam

B =

10,

30un

idad

Prof

undi

dad

del

flocu

-H

= 4

,5m

t = H

b L

/ Q

. 60

t =

[4,

5(2,

60)(

6,5)

] /

[0,2

50(6

0)]

Tiem

po d

e re

tenc

ión

min

lado

rt

= 5

,07

del

prim

er c

anal

3A

ncho

del

can

alb 1

= 2,

60m

4G

radi

ente

de

velo

cida

dG

= 2

5s-1

m =

0,0

45 [

(b.L

.G /

m =

(0,

045)

{ [

(2,6

0)(6

,5)(

25)

/N

úmer

o de

com

part

i-N

.°en

el

últim

o tr

amo

Q) 2 .

t] 1/

30,

25]

2 .

5,07

} 1/3

mie

ntos

ent

rem

≈ 1

0pa

ntal

las

5Es

peso

r de

las

pan

talla

se

= 0,

038

ma

= [

L-

e (m

-1)]

/ m

a =

[6,

5-(9

) (0

,038

) ]

/ 10

Esp

acia

mie

nto

entr

em

e =

1,5

pulg

ada

a =

0,6

2pa

ntal

las

6V 1 =

Q /

(a x

b)

V 1 =

0,2

5 /

(0,6

2 x

2,60

)Ve

loci

dad

en l

osm

/sV 1

= 0

,16

cana

les

vert

ical

es

7V 2 =

2/3

V1

V 2 =

2/3

(0,

16)

Velo

cida

d en

los

pas

osm

/sV 2

= 0

,104

8P 2 =

(Q/ V

2) / b 2

P 2 =

(0,

25 /

0,1

04)

/ 2,

60 =

0,9

2A

ltura

del

pas

om

9l =

60

V 1 tl

= 6

0 (0

,16)

(5,

07)

Exte

nsió

n to

tal

dem

l =

48,

67ca

nale

s de

l úl

timo

tram

o

Pas

oD

atos

Cri

teri

osC

álcu

los

Uni

dad

Res

ulta

dos

Uni

dad

Sím

bolo

∀∀ ∀

∀

Cua

dro

3-4.

Dim

ensio

nam

ient

o de

un

flocu

lado

r de p

anta

llas d

e flu

jo v

ertic

al (1

0) (c

ontin

uaci

ón)

10R H

= a

. b

/ 2 (

a +

b)

R H =

(0,6

2) (

2,60

) /

2 (0

,62

+ 2

,60)

Rad

io h

idrá

ulic

o de

lm

R H

=

0,25

com

part

imie

nto

entr

epa

ntal

las

11C

oefi

cien

te d

e la

n =

0,0

13co

nsta

nte

h 1 = [

nV 1 /

h 1 =

[[0

,013

(0,

16)]

/ [

0,25

]2/3 ]

2Pé

rdid

a de

car

gam

fórm

ula

de M

anni

ngR H

2/3 ]

2 x

lx

47,5

cont

inua

en

los

h 1 =

0,0

0128

cana

les

12h 2 =

[ (m

+1)

V 12h 2

=

[ 11

(0,

16)2

+ 1

0 (0

,104

)2 ]

/Pé

rdid

a de

car

ga e

nm

+ m

V 22 ]

/ 2g

19,6

las

vuel

tas

h 2 =

0,0

198

13hf

= h

1 + h

2hf

= 0

,001

28 +

0,0

198

Pérd

ida

de c

arga

mhf

= 0

,021

tota

l en

el

últim

otr

amo

14V

= H

bL -

e (

m-1

)V

= (

4,50

) (2

,60)

(6,5

0) -

0,0

38Vo

lum

en d

el t

ram

om

3

b (H

- P

2)(1

0 -

1) x

2,6

0 (4

,5 -

0,9

2)V

= 7

2,87

15

γ/µ

=

3.2

67G

1 =

γ/µ

. h

f Q/

G1

= 3

267.

[0,2

5 x

0,02

1/72

,87]

0,5

Com

prob

ació

n de

ls-1

T =

25

°CG

1 = 2

8gr

adie

nte

deve

loci

dad

tota

l en

el

prim

er c

anal

o t

ram

o

16G

2 =

γ/µ

.

1/2g

.G

2 =

5,5

Com

prob

ació

n de

ls-1

grad

ient

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velo

cida

d en

el

cana

l ve

rtic

al

Pas

oD

atos

Cri

teri

osC

álcu

los

Uni

dad

Sím

bol

oR

esul

tado

sU

nida

d

∀

1,5

hV.

f/4R


1 1,20 0,62 10 0,92 87 2,34 0,10

2 1,30 0,62 10 0,92 77 2,54 0,08

3 1,50 0,62 10 0,92 62 2,93 0,06

4 1,70 0,62 10 0,92 51 3,32 0,05

5 2,00 0,62 10 0,92 41 3,90 0,04

6 2,60 0,62 10 0,92 28 5,07 0,02

Total 20,10 0,35

Tramo Ancho detramo (m)

Separaciónde pantallas

(m)

N.°°°°° de com-partimien-

tos

Altura depasos (m)

G( s-1 )

T(min)

Pérdidasde carga

(m)

Cuadro 3-5. Dimensionamiento de un floculador de flujo verticalde 250 L/s de capacidad (10)

Analizando los resultados del cuadro 3-5, se puede observar que todos los

tramos tienen el mismo número de compartimientos. Esto se ha conseguido variando

el ancho de los tramos. La gran ventaja de este diseño es que facilita la construcción,

debido a que todos los espaciamientos entre pantallas y alturas de los pasos, en

todos los tramos, serán iguales, lo que también permitirá evitar errores.

3.2.4 Recomendaciones de diseño y defectos más comunes

• Si se están proyectando dos unidades, será necesario colocar un partidor

para asegurar que cada unidad reciba la mitad del caudal. Si son más de

dos, se proyectará un canal

de distribución uniforme.

• Las pantallas deben tener un

grosor adecuado de acuerdo

con la profundidad de la

unidad. Para unidades de 4

a 5 metros de profundidad,

serán necesarias pantallas de

1,5 a 2 pulgadas de espesor.

• Las pantallas deben estar

sujetas a las paredes late-

rales mediante ranuras,

Figura 3-19. Floculador de flujo vertical

con pantallas de un centímetro de

espesor (7)

Floculadores 111

perfiles, etcétera, de tal

manera que el flujo de

agua no pase a través

de las uniones entre las

pantallas y las paredes,

porque estarían contri-

buyendo a la formación

de cortocircuitos (figura

3-20).

• Las ranuras para pasar

las pantallas solo deben

comprender el trecho en el que estas se colocarán. El espacio que

corresponde al paso del agua por debajo de las pantallas no debe tener

ranura, para evitar que con el tiempo las pantallas se desplacen y la altura

de los pasos varíe, lo que incrementaría la pérdida de carga en el tramo y,

por consiguiente, el gradiente de velocidad.

• Los efectos de este problema se pueden llegar a apreciar a simple vista,

porque con el tiempo el agua empieza a pasar por encima de las placas

debido al incremento de la pérdida de carga.

• Este fenómeno se puede

visualizar en los floculadores

de la figura 3-21. Ello ocurre

en los tramos que fueron

modificados, porque las placas

no se cruzaban. Al efectuarse

las nuevas ranuras, se hicieron

en toda la altura de la unidad,

lo que dio lugar a que con el

tiempo, las placas, con su

propio peso, vencieran los

soportes que habían sido

colocados y se desplazaran.

Ello disminuyó la altura de los

pasos.

Figura 3-20. Floculador de flujo vertical (7)

Figura 3-21. Floculadores de

pantallas de flujo vertical (7)


3.2.5 Ventajas y desventajas de las unidades de pantallas

Se pueden señalar las siguientes ventajas:

• De acuerdo con evaluaciones realizadas en varias plantas de América Latina,

los cortocircuitos y espacios muertos que se producen son mínimos, de tal

modo que el tiempo de retención teórico es similar al tiempo real obtenido

en la unidad.

• Carecen de elementos móviles o mecánicos, de tal modo que la operación

y el mantenimiento son muy simples y poco costosos; se reducen básicamente

a limpieza y pintura.

• Son muy confiables, garantizan un funcionamiento continuo.

• Se economiza energía eléctrica.

• Se autorregulan cuando se producen variaciones de caudal, y el número de

Camp (Nc) se mantiene más o menos constante. Al bajar el caudal, disminuye

el gradiente de velocidad y se incrementa el tiempo de retención; cuando

sube el caudal, el efecto es el inverso. Dependiendo de cuánto se incremente

el caudal de operación, podemos estar generando gradientes de velocidad

tan altos que rompan el flóculo.

• Si se selecciona apropiadamente el rango de gradiente de velocidad, se

puede explotar esta propiedad en el diseño de plantas en las que se pueden

esperar pequeñas variaciones diarias de caudal, teniendo en cuenta que

variaciones de 50% producen variaciones de gradientes de velocidad de

aproximadamente 20%.

Entre las desventajas se pueden indicar las siguientes:

• La pérdida de carga es mayor en las vueltas que en los canales y el gradiente

de velocidad varía en forma similar. Esta desventaja se atenúa con las

pantallas onduladas.

• Producen pérdidas de carga más o menos altas.

Floculadores 113

• Es común escuchar a los operadores argumentar que la limpieza de estas

unidades es difícil, pero esto sucede cuando no se han previsto en el diseño

las facilidades para esta operación, colocando aberturas en la base de las

pantallas (unidades de flujo vertical) y compuertas o válvulas de fondo

convenientemente ubicadas para desaguar la unidad.

4. FLOCULADORES DEL TIPO ALABAMA O COX

En estas unidades el agua hace un movimiento ascendente-descendente

dentro de cada compartimiento, por lo que es muy importante mantener la velocidad

del agua constante, para que este comportamiento se dé. La velocidad ascensional

será constante mientras el caudal sea constante; por esta razón, estas unidades

son muy vulnerables a las variaciones de caudal. Si el caudal de operación baja, el

agua ya no hace su recorrido ascensional y solamente pasará por el fondo de la

unidad de una boquilla a la otra, lo que generará un cortocircuito en esta zona y un

gran espacio muerto en toda la parte superior.

El gradiente de velocidad se produce casi exclusivamente en los puntos de

paso (niples, codos, boquillas, etcétera), los cuales están localizados en el fondo de

la unidad y distribuidos alternadamente en uno y otro extremo (figura 3-22).

a) Parámetros y recomendaciones de diseño

• La profundidad total de la unidad debe ser de 3 a 3,50 metros, para

que la altura del agua sobre los orificios sea por lo menos del orden de

2,40 metros.

• La relación ancho/largo de cada compartimiento debe ser de 1 a 1,33.

• La sección de cada compartimiento se diseñará con una tasa de 0,45

m2 por cada 1.000 m3/d.

• Los criterios para diseñar los puntos de paso entre los compartimientos

son los siguientes:

a) La relación de la longitud del niple con respecto a su diámetro

debe ser de 1 a 5.

b) Velocidad en las boquillas variable entre 0,25 y 0,75 m/s.

c) Tasa de diseño para determinar la sección de las boquillas de

0,025 m2 por cada 1.000 m3/d.


• El diseño de estas unidades debe efectuarse muy cuidadosamente para

evitar la formación de cortocircuitos y espacios muertos.

• El nivel de recursos humanos disponible para la operación es un criterio

importante en la selección de estas unidades, porque, como se indicó

anteriormente, es necesario que la unidad se opere a caudal constante. Las

disminuciones de caudal anulan el funcionamiento de estas unidades al

decrecer la velocidad. En esta situación, el flujo tiende a pasar directamente

entre los puntos de paso y prácticamente todo el volumen del floculador se

convierte en un enorme espacio muerto.

• Los criterios expuestos no tienen una base experimental conocida, por lo

que se recomendaría investigar en forma preliminar la velocidad óptima de

diseño antes de proyectar este tipo de unidad.

Figura 3-22. Floculadores del tipo Cox y Alabama (11, 12)

Floculador tipo Cox

Planta

Floculador Alabama

A

Corte A-A

C

H

A1

Floculadores 115

2,20 2,20

2,20

0,50 0,50

2,25

1,30

0,65

N.A

1,70

0.60

A

Corte A-A

0,30

5. FLOCULADORES DE MEDIOS POROSOS

En esta unidad el agua flocula al pasar a través de los espacios o poros de

un material granulado, los cuales desempeñan la función de pequeños

compartimientos.

5.1 Parámetros y recomendaciones de diseño

• Es una unidad

hidráulica con un

número casi infi-

nito de cámaras o

compartimientos, lo

cual explica su

gran eficiencia, de

acuerdo con la

teoría de Harris y

Kaufman (12).

• Como material

granular, pueden

utilizarse piedras,

bolitas de plástico,

residuos de las

fábricas de plástico,

segmentos de tu-

bos o cualquier otro

tipo de material

similar no putresci-

ble ni contami-

nante.

• Las investigaciones

realizadas hasta el

momento solo per-

miten diseñar estos

floculadores con

piedra de 1/2" a

3/4" (diámetro Figura 3-23. Floculador de medio poroso (16)


medio = 15,9 mm). Investigaciones asesoradas por el CEPIS/OPS con

piedras de tamaño mayor indican que no se puede lograr todo el rango de

gradientes de velocidad para floculación variando el diámetro equivalente

de las piedras u otro material similar.

• A partir del estado actual del conocimiento, se recomienda diseñar esta

unidad con flujo ascendente y forma tronco-cónica (5), a fin de escalonar

los gradientes de velocidad, manteniendo el tamaño del material constante

para facilitar la limpieza.

• En este tipo de unidades, el tiempo de retención total es de apenas 5 a 10

min (efecto del infinito número de compartimientos de la unidad).

• La información disponible sobre floculadores de piedras (5, 8, 9, 10) solo

permite diseñar unidades para caudales de hasta 10 a 15 L/s (figura 3-23).

5.2 Criterios de dimensionamiento

• Habiendo determinado el tiempo de floculación adecuado (TJ) mediante un

estudio de prueba de jarras (Tratamiento de agua para consumo humano.

Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo II, capítulo 11), el

tiempo de retención para proyectar la unidad se selecciona mediante la

expresión siguiente:

T = TJ [Ln (T

o /T

f) ] / [T

o /T

f - 1] (8)

Donde:

T = tiempo de retención en una unidad de floculación de medio poroso

To

= turbiedad del agua cruda

Tf

= turbiedad después de flocular y sedimentar

• El gradiente de velocidad en un floculador de medio granular se calcula por

la siguiente expresión:

G = [ γ . V. J / µ . ε] 1/2 (9)

Donde:

V = velocidad de aproximación = Q/A

J = pérdida de carga unitaria en el medio poroso

ε = porosidad del material

Floculadores 117

Esférico 1,00 0,38Redondeado 0,98 0,38Desgastado 0,94 0,39Agudo 0,81 0,40Angular 0,78 0,43Triturado 0,70 0,48

Descripción Factor de formaϕ

Porosidadε

• La pérdida de carga para valores de Número de Reynolds elevados secalcula mediante la ecuación de Forchheimer:

J = aV + bV2 (10)

• Los coeficientes a y b se pueden estimar en función de las característicasgranulométricas del medio.

α = [0,162 (1 - ε)2 ] / (ϕ2 D2 ε3 ) (11)

Donde:

ϕ = factor de forma de materialD = diámetro representativo del material

b = [0,018 (1 - ε)] / ϕ D ε3) (12)

• Los valores del factor de forma en función de la porosidad del material sepueden obtener del cuadro 3-6.

El cuadro 3-7 da un ejemplo de aplicación:

Cuadro 3-6. Factores de forma y porosidad de materiales granulares típicos (16)


Cua

dro

3-7.

Pro

ceso

de c

álcu

lo d

e un

flocu

lado

r de m

edio

por

oso (

16)

1C

auda

lQ

= 0

,012

m3 /s

=

60

Q T

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= 6

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Floculadores 119C

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Can

tida

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Uni

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6. FLOCULADORES DE MALLAS O TELAS

Las telas intercaladas en un canal oponen una resistencia localizada al flujo

y tienden a uniformarlo, reducen la incidencia de cortocircuitos y actúan como

elementos de compartimentalización. Sus posibilidades de empleo están

principalmente orientadas a la ampliación y optimización de unidades de mezcla

rápida y floculación en plantas existentes.

6.1 Parámetros de diseño

• El proceso se consigue colocando en una unidad mallas de hilo de nylon,

las que son atravesadas por el flujo y se produce el gradiente de velocidad

deseado como función de la pérdida de carga. En este caso, la floculación

depende de las características de las mallas y de la velocidad del flujo.

• La velocidad óptima en cm/s es igual al doble del espaciamiento (e) entre

los hilos de nylon (V = 2e).

• El espaciamiento entre hilos (e) recomendado es de 5 a 15 cm.

• El grosor de hilos (d) más adecuado es de 1,5 a 4 mm.

• Hilos más delgados (d ≤ 1 mm) tienden a romper el flóculo rápidamente.

• Se recomiendan velocidades del flujo del orden de 2 a 5 cm/s para evitar la

sedimentación excesiva de los flóculos.

• Cuando las mallas se emplean en canales de mezcla rápida, los parámetros

de diseño recomendados son los siguientes:

1. Velocidades de flujo (V) de 1,0 a 1,5 m/s

2. Diámetro de los hilos (d) de 1 a 3 mm

3. Espaciamiento entre hilos (e) de 1 a 3 cm.

6.2 Criterios de dimensionamiento

• El criterio para determinar el gradiente de velocidad en mallas está dado

por la siguiente expresión:

Floculadores 121

G = γ Q h / µ (13)

donde la pérdida de carga (h) está dada por la expresión:

h = K V2 / 2g (14)

donde V es la velocidad media de aproximación (Q/A) y K el coeficiente de pérdida

de carga, una función de la porosidad (ε) de la malla:

K = 0,55 [1 - ε2 ] / ε2 (15)

Esta expresión es válida para altos valores de (ε) y Re ≤ 500.

• La porosidad (ε) de la malla en función de sus características está dada

por:

ε = (1 - n . d)2 (16)

Donde:

d = diámetro de los hilos

n = número de hilos por cada metro de ancho de canal.

• El volumen ( ) en el que se da el proceso se considera como:

= 4 A e (17)

Donde:

A = área de la malla atravesada por el flujo

Por lo que la expresión específica para calcular el gradiente de velocidad

en función de las características de las mallas es la siguiente:

o (18)

Para temperaturas de 20 °C la ecuación 18 se transforma en:

G = 350 (K/ e)0,5. V1,5 (19)

en unidades del sistema métrico

1,5e/K6/1=G νν 1,5Ve/k.g8/1=G µ


6.3 Aplicación y recomendaciones

• Las telas pueden ser utilizadas en cualquier elemento de la planta de

tratamiento para producir un determinado gradiente de velocidad. Si son

intercaladas en el canal o en la tubería de llegada del agua cruda, pro-

ducirán la turbulencia necesaria para la mezcla de los productos químicos.

Pueden sustituir las paletas de un floculador mecánico, donde, además de

optimizar la floculación, pasan a operar con menor velocidad, lo que prolonga

la vida útil de la unidad.

• Si las telas son instaladas en tramos rectos de canales de floculación

hidráulica —donde el gradiente de velocidad normalmente es muy bajo—,

generarán gradientes más adecuados, lo que mejorará la floculación y

permitirá un menor tiempo de residencia, bien sea por una tasa más elevada

de colisiones entre las partículas —debido al aumento de la superficie de

cizallamiento (efecto de la viscosidad)— o por el efecto de la división en

compartimientos.

• Las experiencias realizadas sugieren que el diámetro del hilo de la malla

tiende a limitar el tamaño del flóculo, como si lo cortase, aun a gradientes

bajos. Este efecto negativo deja de ser sensible en hilos con un diámetro

que sea 3 a 4 veces el máximo diámetro del flóculo; es decir, 3 ó 4 mm.

• El uso de mallas e hilos de diámetro pequeño debe, por lo tanto, quedar

restringido a la mezcla rápida o al inicio de la floculación, cuando el flóculo

aún no ha alcanzado tamaños significativos. Después de eso, se debe dar

preferencia a mallas e hilos de mayor diámetro, que produzcan los gradientes

deseados sin provocar la ruptura de los flóculos.

• Está demostrado que las telas son dispositivos económicos y eficientes de

floculación, con innumerables y promisorias posibilidades de empleo en

nuevos diseños y, principalmente, en la ampliación y optimización de plantas

existentes.

• Se ha demostrado también que el gradiente de velocidad en una tela es

función de la velocidad del flujo y de sus características geométricas

(espaciamiento y diámetro de los hilos de la malla). Jugando con los elementos

geométricos de la tela, se podrán obtener valores adecuados de gradiente

Floculadores 123

de velocidad para una velocidad dada en el canal. Se podrán adoptar

velocidades más elevadas, como de 10 a 30 cm/s, por ejemplo, a fin de

prevenir una sedimentación excesiva en el floculador.

• Los estudios ya realizados permiten indicar que es posible reducir

considerablemente el tiempo de floculación. Se podrá obtener una sustancial

economía en la realización de obras de ampliación o de nuevas instalaciones.

Por otro lado, en unidades deficientes se podrá mejorar de manera sensible

la calidad del agua tratada.

• Desde el punto de vista práctico, es fácil instalar telas en cualquier elemento

de un canal o tanque de floculación, bien sea como dispositivo de floculación

hidráulico o mecánico.

• Los trabajos hasta ahora realizados no permiten llegar a conclusiones

definitivas sobre el empleo de las telas en las plantas de tratamiento; no

obstante, son lo suficientemente consistentes como para permitir la aplicación

práctica de estos dispositivos con relativa seguridad en cuanto a los resultados

esperados. La continuación de los estudios en marcha y la recolección de

información en las instalaciones donde fueron instalados tales dispositivos

permitirán en breve tiempo consolidar y generalizar su uso, con excelentes

ventajas económicas y operacionales.

• En la aplicación del cuadro 3-8 se ha dimensionado una malla para levantar

el gradiente de velocidad en los pasos de un floculador vertical y en el

cuadro 3-9, una malla para ajustar el gradiente de velocidad en un mezclador

hidráulico.


REFERENCIAS

(1) Villegas, R. A. y R. D. Letterman. “Optimizing Flocculator Power Input”,

Journal of the Environmental Division, abril, 1976.

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Journal of the American Water Works Association, julio, 1971.

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de la producción de plantas de tratamiento de agua mediante el

Programa de Corrección Compuesto. Washington, Agencia de Protección

Ambiental de los Estados Unidos. EPA/625/6-91/027, 1998.

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Sanitary Engineering Division, ASCE, 1970.

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Treatment Plants in Japan”, Journal of the American Water Works

Association, junio, 1991.

(6) Canepa de Vargas, Lidia. Estudio de la PFR de Barranca. Lima, CEPIS,

1977. Documento inédito.

(7) Canepa de Vargas, Lidia. Fotos de archivo. Lima, CEPIS.

(8) Bhargava, D. S. y C. S. P. Ojha. “Models for Design of Flocculating Baffled

Channels”, Water Research, vol. 27, 3, 1993.

(9) Canepa de Vargas, Lidia. ‘‘Estudio sobre investigación en floculadores de

pantallas de flujo horizontal’’. Documento inédito. Lima, 1977.

(10) Canepa de Vargas, Lidia. Estudio de caso.

(11) Richter, Carlos. Projetos de estações de tratamento de água. Módulo

4.4. Projetos de unidades de floculação. Lima, CEPIS, 1981.

(12) Programa CEPIS/OPS de Mejoramiento de la Calidad del Agua para

Consumo Humano. Manual V. Criterios de Diseño. Serie Filtración Rapida.

Lima, CEPIS, 1992.

Floculadores 127

(13) Harris, H. S.; W. J. Kaufman y R. B. Krone. “Orthokinetic Flocculation in

Water Purification”. Journal of Sanitary Engineering Division, ASCE,

diciembre.

(14) CEPIS/OPS (1973). Teoría, diseño y control de los procesos de

clarificación del agua. Serie Técnica 13. Lima, CEPIS/OPS, 1966.

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Lima, CEPIS/OPS, s. f.

(16) Richter, Carlos y R. B. Moreira. Floculadores de piedras. Experiencias

en filtros pilotos. Curitiba, Sanepar, 1980.

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Curitiba, Sanepar, 1980.

(18) Richter, Carlos. Sistemas de floculación acelerada. Curitiba, Sanepar, s. f.

(19) Snel, H. y Jorge Arboleda. Influencia de la escala de turbulencia en el

proceso de floculación del agua. Cali, ACODAL, 1982.

(20) Richter, Carlos. Sistemas simplificados de floculación. Seminario

Internacional sobre Tecnología Apropiada para Potabilización del Agua. Cali,

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(21) Canepa de Vargas, Lidia. Programa de evaluación de plantas en

República Dominicana. Informe Técnico 356. Lima, CEPIS, 1986.

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Parameters of Rapid Mix Design for Flocculation of Turbid Waters”. Water

Research, vol. 25, 1, 1991, pp. 43-52.

(23) Dharmappa, H. B., J. Verink, O. Fujiwara y S. Vigneswaran. “Optimal

Design of a Flocculator”. Water Research, vol. 27, 3, 1993, pp. 513-519.

Floculadores 129

0 1,787⋅10-2 1,787⋅10-2 1,787⋅10-3 1,787⋅10-6 3,73⋅10-5 1,92⋅10-5

1 1,728⋅10-2 1,728⋅10-2 1,728⋅10-3 1,728⋅10-6 3,61⋅10-5 1,86⋅10-5

2 1,671⋅10-2 1,671⋅10-2 1,671⋅10-3 1,671⋅10-6 3,49⋅10-5 1,80⋅10-5

3 1,618⋅10-2 1,618⋅10-2 1,618⋅10-3 1,618⋅10-6 3,38⋅10-5 1,74⋅10-5

4 1,567⋅10-2 1,567⋅10-2 1,567⋅10-3 1,567⋅10-6 3,27⋅10-5 1,69⋅10-5

5 1,519⋅10-2 1,519⋅10-2 1,519⋅10-3 1,519⋅10-6 3,17⋅10-5 1,63⋅10-5

6 1,472⋅10-2 1,472⋅10-2 1,472⋅10-3 1,472⋅10-6 3,08⋅10-5 1,58⋅10-5

7 1,428⋅10-2 1,428⋅10-2 1,428⋅10-3 1,428⋅10-6 2,98⋅10-5 1,54⋅10-5

8 1,386⋅10-2 1,386⋅10-2 1,386⋅10-3 1,386⋅10-6 2,90⋅10-5 1,49⋅10-5

9 1,346⋅10-2 1,346⋅10-2 1,346⋅10-3 1,346⋅10-6 2,81⋅10-5 1,45⋅10-5

10 1,307⋅10-2 1,307⋅10-2 1,307⋅10-3 1,307⋅10-6 2,73⋅10-5 1,41⋅10-5

11 1,271⋅10-2 1,271⋅10-2 1,271⋅10-3 1,271⋅10-6 2,66⋅10-5 1,37⋅10-5

12 1,235⋅10-2 1,235⋅10-2 1,235⋅10-3 1,235⋅10-6 2,58⋅10-5 1,33⋅10-5

13 1,202⋅10-2 1,203⋅10-2 1,202⋅10-3 1,203⋅10-6 2,51⋅10-5 1,29⋅10-5

14 1,169⋅10-2 1,170⋅10-2 1,169⋅10-3 1,170⋅10-6 2,44⋅10-5 1,26⋅10-5

15 1,139⋅10-2 1,140⋅10-2 1,139⋅10-3 1,140⋅10-6 2,38⋅10-5 1,23⋅10-5

16 1,109⋅10-2 1,110⋅10-2 1,109⋅10-3 1,110⋅10-6 2,32⋅10-5 1,19⋅10-5

17 1,081⋅10-2 1,082⋅10-2 1,081⋅10-3 1,082⋅10-6 2,26⋅10-5 1,16⋅10-5

18 1,053⋅10-2 1,054⋅10-2 1,053⋅10-3 1,054⋅10-6 2,20⋅10-5 1,13⋅10-5

19 1,027⋅10-2 1,029⋅10-2 1,027⋅10-3 1,029⋅10-6 2,14⋅10-5 1,11⋅10-5

20 1,002⋅10-2 1,004⋅10-2 1,002⋅10-3 1,004⋅10-6 2,09⋅10-5 1,08⋅10-5

21 0,9779⋅10-2 0,9799⋅10-2 0,978⋅10-3 0,980⋅10-6 2,04⋅10-5 1,05⋅10-5

22 0,9548⋅10-2 0,9569⋅10-2 0,954⋅10-3 0,957⋅10-6 1,99⋅10-5 1,03⋅10-5

23 0,9325⋅10-2 0,9348⋅10-2 0,932⋅10-3 0,935⋅10-6 1,95⋅10-5 1,01⋅10-5

24 0,9111⋅10-2 0,9136⋅10-2 0,911⋅10-3 0,914⋅10-6 1,90⋅10-5 0,98⋅10-5

25 0,8904⋅10-2 0,8930⋅10-2 0,890⋅10-3 0,893⋅10-6 1,86⋅10-5 0,96⋅10-5

26 0,8705⋅10-2 0,8733⋅10-2 0,870⋅10-3 0,873⋅10-6 1,82⋅10-5 0,94⋅10-5

27 0,8513⋅10-2 0,8543⋅10-2 0,851⋅10-3 0,854⋅10-6 1,78⋅10-5 0,92⋅10-5

28 0,8327⋅10-2 0,8359⋅10-2 0,833⋅10-3 0,836⋅10-6 1,74⋅10-5 0,90⋅10-5

29 0,8148⋅10-2 0,8181⋅10-2 0,815⋅10-3 0,818⋅10-6 1,70⋅10-5 0,88⋅10-5

Tempera-

tura (°°°°°C)Sistema métrico Inglés

Viscosidad

dinámica

(poises)

Viscosidad

cinemática

(Stokes)

Viscosidad

dinámica

(N-s/m2)

Viscosidad

cinemática

(m2/s)

Viscosidad

dinámica

(lb = s/pie2)

Viscosidad

cinemática

(pie2/s)

Anexo AViscosidad del agua


30 0,7975⋅10-2 0,8010⋅10-2 0,798⋅10-3 0,801⋅10-6 1,66⋅10-5 0,86⋅10-5

31 0,7808⋅10-2 0,7844⋅10-2 0,781⋅10-3 0,784⋅10-6 1,63⋅10-5 0,84⋅10-5

32 0,7647⋅10-2 0,7685⋅10-2 0,765⋅10-3 0,768⋅10-6 1,60⋅10-5 0,83⋅10-5

33 0,7491⋅10-2 0,7531⋅10-2 0,749⋅10-3 0,753⋅10-6 1,56⋅10-5 0,81⋅10-5

34 0,7340⋅10-2 0,7381⋅10-2 0,734⋅10-3 0,738⋅10-6 1,53⋅10-5 0,79⋅10-5

35 0,7194⋅10-2 0,7237⋅10-2 0,719⋅10-3 0,724⋅10-6 1,50⋅10-5 0,78⋅10-5

36 0,7052⋅10-2 0,7097⋅10-2 0,705⋅10-3 0,710⋅10-6 1,47⋅10-5 0,76⋅10-5

37 0,6915⋅10-2 0,6961⋅10-2 0,692⋅10-3 0,696⋅10-6 1,44⋅10-5 0,75⋅10-5

38 0,6783⋅10-2 0,6831⋅10-2 0,678⋅10-3 0,683⋅10-6 1,42⋅10-5 0,74⋅10-5

39 0,6654⋅10-2 0,6703⋅10-2 0,665⋅10-3 0,670⋅10-6 1,39⋅10-5 0,72⋅10-5

40 0,6529⋅10-2 0,6580⋅10-2 0,653⋅10-3 0,658⋅10-6 1,36⋅10-5 0,71⋅10-5

41 0,6408⋅10-2 0,6461⋅10-2 0,641⋅10-3 0,646⋅10-6 1,34⋅10-5 0,70⋅10-5

42 0,6291⋅10-2 0,6345⋅10-2 0,629⋅10-3 0,636⋅10-6 1,31⋅10-5 0,68⋅10-5

43 0,6178⋅10-2 0,6234⋅10-2 0,618⋅10-3 0,623⋅10-6 1,29⋅10-5 0,67⋅10-5

44 0,6067⋅10-2 0,6124⋅10-2 0,607⋅10-3 0,612⋅10-6 1,27⋅10-5 0,66⋅10-5

45 0,5960⋅10-2 0,6019⋅10-2 0,596⋅10-3 0,602⋅10-6 1,24⋅10-5 0,65⋅10-5

46 0,5856⋅10-2 0,5916⋅10-2 0,586⋅10-3 0,592⋅10-6 1,22⋅10-5 0,64⋅10-5

47 0,5755⋅10-2 0,5817⋅10-2 0,576⋅10-3 0,582⋅10-6 1,20⋅10-5 0,62⋅10-5

48 0,5656⋅10-2 0,5819⋅10-2 0,566⋅10-3 0,572⋅10-6 1,18⋅10-5 0,61⋅10-5

49 0,5561⋅10-2 0,5626⋅10-2 0,556⋅10-3 0,563⋅10-6 1,16⋅10-5 0,60⋅10-5

50 0,5468⋅10-2 0,5534⋅10-2 0,547⋅10-3 0,553⋅10-6 1,14⋅10-5 0,59⋅10-5

Tempera-

tura (°°°°°C)Sistema métrico Inglés

Viscosidad

dinámica

(poises)

Viscosidad

cinemática

(Stokes)

Viscosidad

dinámica

(N-s/m2)

Viscosidad

cinemática

(m2/s)

Viscosidad

dinámica

(lb = s/pie2)

Viscosidad

cinemática

(pie2/s)

Viscosidad del agua (continuación)

CAPÍTULO 4

DECANTADORES LAMINARES

Decantadores laminares 135

1. INTRODUCCIÓN

En este capítulo trataremos exclusivamente del diseño de las unidades dedecantación de flujo laminar o de alta tasa. Los decantadores laminares puedentratar caudales mayores en un área y estructura menor de la que requieren losdecantadores convencionales y su eficiencia es superior. Comparándolos con lasunidades de contacto de sólidos o decantadores de manto de lodos, que tambiénson de alta tasa, no requieren energía eléctrica para su operación. Por todas estasventajas, esta unidad es considerada como tecnología apropiada para países endesarrollo y para todo programa de mejoramiento de la calidad del agua que tengacomo meta conseguir la mejor calidad al menor costo de producción; esto es, parala sostenibilidad de los proyectos.

2. DECANTADORES DE PLACAS

• Mediante la colo-cación de placasparalelas o módu-los de diferentes ti-pos en la zona desedimentación, seobtiene en estasunidades una gransuperficie de depo-sición para loslodos, con lo cualse logra disminuirapreciablemente elárea superficial delos tanques.

Canal de a

gua decantada

Canal de

distribución de

agua floculada

Canal de descarga

de lodos

Canaletas de coleta

de agua decantada

Placas de

asbesto-cemento

100 L/s

2,40 m

150

2,40 m

10 m

Figura 4-1. Decantador de placas paralelas (1)


La diferencia básica entre los decantadores laminares o de alta tasa y losdecantadores convencionales reside en que los primeros trabajan —como su nom-bre lo indica— con flujo laminar (número de Reynolds, Nr < 500) y los últimos conflujo turbulento (Nr entre 10.000 y 250.000). Esta diferencia teórica fundamentaldebe reflejarse en la forma como se diseñan unos y otros (2).

2.1 Parámetros y recomendaciones generales de diseño

• El parámetro de diseño más importante en las unidades de decantación esla velocidad de sedimentación de los flóculos, que depende fundamental-mente de las características del agua cruda y de la eficiencia delpretratamiento. Por esta razón, la velocidad de diseño debe determinarseexperimentalmente para cada caso. Véase la metodología para su determi-nación en Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de fil-

tración rápida. Manual I: Teoría, tomo II, capítulo 11.

• Las cargas superficiales utilizadas en América Latina normalmente varíanentre 120 y 185 m3/m2/d, con eficiencias de remoción por encima del 90%(8). En cada caso, es necesario efectuar un estudio de tratabilidad del agua,para determinar la tasa de decantación con la cual se podrán obtener 2 UNde turbiedad residual en el efluente. Este criterio obedece a recomendacio-nes de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA)para que los filtros puedan brindar un efluente exento de microorganismospatógenos y de huevos de Giardia lamblia y Cryptosporidium, habidacuenta de que solo el filtro puede eliminar a estos últimos cuando recibe unafluente de la calidad indicada (3).

• De acuerdo con investigaciones realizadas en prototipos, las unidades sepueden diseñar con Nr de hasta 500, sin que se obtengan disminucionesapreciables en la eficiencia alcanzada (1).

• En los decantadores laminares, el Nr es una consecuencia de la geometríade los elementos tubulares y de la velocidad del flujo en el interior de estos,y no una condición del proyecto (1). De acuerdo con este criterio —que seva corroborando con la experiencia práctica indicada en el ítem anterior—no es necesaria la obtención de un flujo laminar puro para mejorar la efi-ciencia del proceso.


• Al utilizarse el Nr en el límite máximo del rango laminar, se consigue am-pliar la separación de las placas o la sección de los módulos, lo cual serefleja en una gran economía, al disminuir el número de placas o módulosempleados en la construcción de la unidad.

• La velocidad longitudinal media (Vo) en los elementos tubulares común-mente se adopta entre 10 y 25 cm/min. En cada caso, es posible determinarla velocidad máxima del flujo mediante la expresión (1):

Vo máx. = [Nr / 8]0,5 . Vsc

Donde Vsc = velocidad de sedimentación de las partículas

• Dada la gran cantidad demódulos que se precisan, esdeseable que el material seade bajo costo y muy resis-tente a la permanencia bajoel agua. Los materiales quese usan para este fin son laslonas de vinilo reforzadascon poliéster, el asbesto-ce-mento, el plástico y la fibrade vidrio.

• Las lonas de vinilo reforzadas con hilos de poliéster de alta tenacidad son elmaterial más usado actualmente por sus grandes ventajas: no producenpérdidas por rotura, el sistema de instalación es más sencillo y su duraciónes muchísimo mayor. Es un material muy confiable en zonas de alto riesgosísmico.

• Tradicionalmente, en este tipo de unidades se han venido utilizando las plan-chas de asbesto-cemento por su alta disponibilidad, bajo costo y resistenciaa la corrosión, con las siguientes dimensiones: 1,20 metros de alto por 2,40metros de largo, con espesores de un centímetro o de 6 y 8 milímetros,siempre y cuando hayan sido fabricadas con fibras largas de asbesto. Lasrestricciones de calidad de agua para su empleo son las mismas que sedieron en el capítulo anterior.

Figura 4-2. Módulos de decantación defibra de vidrio (4)


• También se utilizan módulosde plástico y de fibra de vidrioprefabricados por su facilidadde instalación. Al elegir el plás-tico, debe consultarse con elfabricante su resistencia a laexposición directa a los rayossolares. Los módulos prefabri-cados, tanto los de plásticocomo los de fibra de vidrio,normalmente son muy delga-dos y se destruyen fácilmenteal ser sometidos a una opera-ción normal de lavado conagua a presión. En la foto de la figura 4-2 se puede percibir que con solodos meses de operación los módulos de fibra de vidrio ya empiezan a defor-marse y en la figura 4-3 se puede ver cómo terminan los de plástico al cabode unos años.

3. DECANTADORES DE FLUJO ASCENDENTE

Para optimizar el funcionamiento de estas unidades, debemos consideraren el proyecto estructuras de entrada, salida, almacenamiento y extracción de

Figura 4-3. Módulos de decanta-ción de plástico deteriorados (4)

lodos correctamente conce-bidas, a través de las cualesse debe vehiculizar el aguapara lograr el mejor compor-tamiento y la máxima efi-ciencia de la unidad. Múlti-ples evaluaciones han per-mitido determinar que la efi-ciencia de este tipo dedecantador está estrecha-mente ligada al comporta-miento hidráulico de la uni-dad.

Figura 4-4. Decantador de placasde flujo ascendente (2)

Drenaje de lodos

Canal colector de agua

decantadaTubería recolectora de agua

decantada

Canal distribuidor de

agua floculada

Orificio de

entrada

Placas de

asbesto-cemento


Zona de entrada. Canal o tubería que distribuye de manera uniforme elagua floculada al módulo de placas. Véase el segundo piso del canal central en lafigura 4-4.

Zona de decantación. Mediante pantallas paralelas de lona, planchas deasbesto-cemento, fibra de vidrio, etcétera.

Zona de salida. Sistema de recolección del agua decantada mediantecanaletas, tuberías perforadas (véase la figura 4-4) o vertederos perimetrales,dependiendo del tamaño o capacidad de la unidad.

Zona de depósito y extracción de lodos. Tolvas de almacenamientocontinuas y múltiples. Sistema hidráulico de extracción uniforme de lodos, me-diante colector múltiple y sifones.

4. ZONA DE ENTRADA

Esta zona tiene como objetivo distribuir el caudal de manera uniforme atodas las unidades que operan en paralelo y a lo largo del módulo de placas. Estafunción la desempeñan dos canales con diferente ubicación.

4.1 Criterios de diseño

• Si se proyectan canales de sección variable, se consigue distribuir el caudalde manera uniforme a varias unidades, para que la velocidad se mantengaconstante.

• La sección del canal puede tener ancho constante y profundidad variable oancho variable y profundidad constante. Los canales del primer tipo son losmás convenientes porque permiten compactar más el área de la planta. Lafigura 4-5 muestra un canal de ancho variable. En plantas grandes el anchode este canal puede ser de varios metros, por lo que resulta muy convenien-te que tenga un ancho constante y que la mayor dimensión esté en la pro-fundidad, aprovechando la excavación que inevitablemente se hará para laconstrucción del decantador.

• Se puede admitir una desviación de caudales de 5% entre la primera y laúltima compuerta u orificio lateral de distribución, lo cual se compruebamediante la aplicación de los criterios de Hudson (5).


• El coeficiente de pérdida de carga total en las compuertas (β) está dado porla siguiente expresión:

β = 1 + θ + (Vc / VL )2. ϕ (1)

Donde:

1 = pérdida de carga debida a la disipación de energía en el lateralθ = coeficiente de pérdida de carga en la entrada. En canales cortos como

los que se diseñan en las plantas de tratamiento de agua, el valor deeste coeficiente es de θ = 0,7

ϕ = coeficiente de pérdida de carga en el cambio de dirección de la co-rriente, ϕ = 1,67

Vc = velocidad en el canal o tubo principal de distribución en m/sVL = velocidad en los laterales: compuertas o tuberías laterales que reciben

el caudal distribuido en m/s

• La velocidad real en los laterales (VL1) se comprueba mediante la siguienteexpresión:

VL = Qt

(2)

Donde:

Qt = caudal total por distribuir (m3/s)AL = área de cada uno de los orificios de las compuertas o de los tubos

laterales de distribución (m2)

• Para comprobar el gradiente de velocidad medio (G) en los orificios o sec-ciones de paso, se empleará la siguiente expresión (6):

G = (γ/2µg)0,5 . (f /4 RH)0,5 . VL1,5 (3)

Donde:

γ = densidad del agua en kg/cm3

RH = radio hidráulico de la sección en m

( )∑ =

n

1i i1

1 β/ β . AL


µ = viscosidad absoluta (kg/cm2

x seg)f = coeficiente de Darcy-

Weisbach: varía entre 0,015y 0,030

hf = β VLn

2 /2g (4)

hf = pérdida de carga en mVL

n= velocidad real en el lateral

número n en m/s.

Aplicación 1. Canal de distribución uniforme del agua floculada a los decantadores.

• Todos los decantadores que operan en paralelo deben tener un comporta-miento similar. Esto solo ocurrirá si todos reciben caudales iguales para quela tasa de operación sea uniforme.

• El cuadro 4-1 muestra un ejemplo de aplicación al diseño de un canal quedistribuye 0,5 m3/s a cinco decantadores; se admite una desviación de has-ta 5% (figura 4-6). Este diseño se comprobó y la desviación de la velocidaden las compuertas de paso dio 4,2%, menor de 5% y, por lo tanto, aceptable(cuadro 4-2).

Figura 4-5. Canal de distribución avarios decantadores (4)


Cua

dro 4

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i / B

B i = 3

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l

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1 =

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∑β

1/

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1β

1β

∑β

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Decantadores laminares 143C

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cida

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puer

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Cri

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Uni

dad

Res

ulta

dos

Uni

dad

Can

tida

d


do y a ambos lados del canal, conuna distancia de centro a centro de0,50 metros. Podemos ver la for-ma de este canal en la figura 4-8.Véase el procedimiento de cálculoen el cuadro 4-3.

Aplicación 3. Distribución median-te tuberías

Cuando se proyectan decantadores

Figura 4-8. Forma del canal central dedistribución de agua floculada a lo largo

del módulo de placas (4)

Figura 4-9. Solución para decantadoreslaminares de pequeña capacidad (4)

Figura 4-10. Decantador laminar con distribuciónde agua floculada mediante tuberías (4)

Losas removibles

con orificios

Orificios

Decantador laminar

Asbesto-cemento

o vinilonas

Vertederos

regulables

Vertederos

regulables

Asbesto-cemento

o vinilonas

Orificios

Losas removibles

con orificios

pequeños, en lugar de canales, se emplean tuberías de PVC con perforaciones yse calcula la relación entre eldiámetro de la tubería y los ori-ficios con criterios de distribu-ción uniforme. Véanse las fi-guras 4-9 y 4-10. Considera-remos para el estudio de casoun decantador con capacidadpara producir 10 L/s. Véase elcuadro de cálculo 4-5.

En la figura 4-10 se pre-senta un corte longitudinal deldecantador pequeño. Las tube-

rías que se utilizan paradistribuir el agua floculadason de PVC y losdecantadores debenproyectarse con la longi-tud máxima que da eltubo.

Válvula

mariposa

Sistema de recolección de agua decantada

Losas removibles con

orificios para la

extracción de lodos

Canal repartición

de agua floculada

Ag

ua

de

ca

nta

da

Orificios

Decantador laminar

De

sa

gü

e

Válvula

mariposa

ø 4’’

Tubería de distribución de agua floculada


5. ZONA DE SEDIMENTACIÓN

5.1 Criterios específicos

• Esta zona se proyecta sobre labase de la tasa de decantaciónseleccionada durante el estu-dio de laboratorio efectuadocon el agua cruda. La muestradebe tomarse durante el perio-do lluvioso, para que los resul-tados de estas pruebas, queconstituyen los parámetros dediseño del proyecto, correspon-dan a las necesidades de laépoca más crítica.

• Las lonas que se utilizan como placas son de vinilo y reforzadas con hilos depoliéster de alta tenacidad (KP 500 ó 1.000), recubiertas por ambos ladoscon PVC de formulación especial; con bastas en todo el contorno y caboso refuerzos metálicos internos, por lo menos en los laterales y en la parteinferior. Estarán provistas de ojalillos de aluminio en las cuatro esquinas, losque servirán para templarlas y fijarlas convenientemente, mediante pasadoresde plástico, a perfiles de aluminio, ubicados en las paredes de los canaleslaterales. Véase el detalle de la instalación en la figura 4-12.

Figura 4-11. Zona de decantación mediantemódulos de asbesto-cemento (4)

Figura 4-12. Instalación de las lonas de vinilo (4)

Perno de anclaje

Perfil de aluminio e = 1/4”

Lonas depoliéster

Ver Det. A-A

Pasador

Perno deanclaje

Perfil dealuminio e = 1/4”

Corte 1-1 Detalle A-A

1

Perfil de aluminio e = 1/4”

Lonas depoliéster

1

60º

con orificios de φ 1/2”


• Los perfiles de aluminio que se empotran en las paredes laterales son de90°, 1/4" de espesor y 5 centímetros de ancho con orificios de un centíme-tro de diámetro, separados a partir del extremo de acuerdo con elespaciamiento calculado en el proyecto (10, 12 ó 14 centímetros). El perfilsuperior se ubicará a 1,30 metros del borde superior del decantador, de talmanera que el nivel máximo del módulo de decantación tenga un metro desumergencia. Las lonas se instalarán formando un ángulo de 60° con elplano horizontal, por lo que el perfil inferior se colocará paralelo al anterior,a una distancia de 1,04 metros ycon los orificios dispuestos en for-ma similar.

• Las láminas de asbesto-cementode 6 milímetros de espesor y 2,40metros de largo se pandean y pro-ducen una flecha de hasta 5 cen-tímetros cuando están inclinadasa 60° y soportadas solo en sus ex-tremos.

• Esto se resuelve colocando uno odos separadores al centro de las placas, de forma que se apoyen unas sobrelas otras, con lo que se evita una deflexión excesiva. Estos separadorespueden ser de madera o de asbesto-cemento (figura 4-13).

• Los separadores de asbes-to-cemento constan de tirasde 5 a 6 centímetros de an-cho y 10 milímetros de es-pesor, adheridas con pega-mento a las láminas para sumayor estabilidad. Tambiénse usan perfiles en ‘‘U’’,asegurados con tornillos,aunque es suficiente la solapresión de una placa sobrela otra para conservar losseparadores en su posición(figura 4-14).

Figura 4-13. Separadores paraplacas de asbesto-cemento (7)

Figura 4-14. Otros tipos de separadoresde placas (7)

5 cm

8 cm

de

Lámina de

asbesto-cemento

Perfil en ‘‘U’’

de aluminio

Separadores de

asbesto-cemento


Perfil de

2’’x 2’’ x 1/4’’

Viga con borde

dentado

Perfil visto en planta

Perfil con ranuras

Lámina de

asbesto-

cemento

• El apoyo de las pla-cas en sus extremosse ha efectuado devarias formas. Unade las más difícilesde llevar a la prácti-ca, dependiendo de lacalidad de mano deobra disponible, con-siste en efectuar ra-nuras longitudinalesde 4 a 5 centímetrosde profundidad e in-clinadas en 60°, enlos muros que limitanel ancho de la zonade decantación.

• Otro sistema de colocación de placas consiste en empotrar un perfil de 2" x2" x 1/4", debidamente protegido contra la corrosión, con ranuras conve-nientemente dispuestas para sujetar las láminas en la parte superior. Sedejará una saliente de unos 10 centímetros en los muros para sujetar lasláminas en el extremo inferior (figura 4-15).

En algunos casos, solamente se colocarán apoyadas en la parte baja y conseparadores en el medio de las láminas.

• En plástico se han adoptado las formas tubulares de sección cuadrada,hexagonal o circular, que constituyen los denominados módulos patentados

(figuras 4-16).

• Los módulos patentados se fabrican normalmente de plástico o de fibra devidrio. El plástico es el material ideal para este fin por su poco peso. Comosu costo es muy alto, los módulos de este material tienen de 0,50 a 0,60metros de altura y están hechos de láminas muy delgadas para disminuir supeso y, por consiguiente, también el costo de transporte.

Figura 4-15. Detalle de instalación de placasde asbesto-cemento con perfiles (4)


• Los módulos dan mayor resistenciaestructural al conjunto, pero hidráuli-camente tienen desventajas con res-pecto a las placas. A igualdad de con-diciones (inclinación y longitud rela-tiva), las secciones tubulares cuadra-das o circulares producen cargas su-perficiales equivalentes más altas quelas de placas. Debido a la poca alturade los módulos, decrece el valor de laprofundidad relativa del decantador,que es de 10 a 12 en este caso, mien-tras que con las placas es de 20 a 24,lo cual incrementa la tasa superficial de la unidad en 50 a 60% por este soloconcepto.

5.2 Criterios para el dimensionamiento

• El área total que debe cubrirse con placas espesor (e) y separación (e’), enel plano horizontal, se calcula mediante la siguiente expresión:

As = Q/ fV

s(5)

f = sen θ (sen θ + L Cos θ) / s

Donde:

Q = caudal en m3/dsV

s= velocidad de sedimentación de la partícula en m/s

L = longitud relativaS = módulo de eficiencia de placas

• La longitud relativa L se determina mediante la siguiente expresión:

L = lu / d (6)

Donde:

lu = longitud útil dentro de las placasd = espaciamiento entre las placas

Figura 4-16. Módulos de decantaciónde sección hexagonal (4)


• El número total de placas por instalar (N) se calcula mediante la siguienteexpresión:

N = As sen θ / B d (7)

Donde:

B = Ancho total neto de la zona de decantación

• El número de Reynolds se comprueba mediante la siguiente expresión:

Nr = 4 RH . Vo / v (8)

Donde:

v = viscosidad cinemática en m2/sVo = velocidad media del flujo en m/sRH = radio medio hidráulico en m

5.3 Aplicación

Siguiendo con el ejemploinicial, pasaremos a calcular unaunidad para 100 L/s de capaci-dad. Se efectuaron los estudiosde laboratorio con una muestrade 550 UNT, representativa delas condiciones más críticas, y seobtuvo la curva de decantaciónindicada en la figura 4-17.

A partir de la curva dedecantación, se desarrolló el cua-dro 4-6. Entrando en la curva conlos valores de velocidad de sedimentación correspondientes al rango de tasas dela primera columna del cuadro, se van obteniendo los valores de Co = Tf/To, conlos que se calculan las columnas siguientes (véase Tratamiento de agua paraconsumo humano. Planta de filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo II,capítulo 11).

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12Vs (cm/s)

Co

Figura 4-17. Curva de decantación (4)

Curva de decantación


Cuadro 4-6. Selección de la velocidad óptima de decantación (4)

Q Vs Co Rt Tr Tf

m3/m2/d cm/s % UNT UNT UNT

25 0,029 0,15 0,999 179,75 0,25

28,5 0,033 0,16 0,996 179,35 0,65

30 0,035 0,175 0,994 178,84 1,16

35 0,040 0,18 0,991 178,31 1,69

36 0,042 0,185 0,989 178,00 2,00

37 0,043 0,19 0,987 177,74 2,26

40 0,046 0,22 0,979 176,30 3,70

Del análisis del cuadro anterior se determinó que la tasa de decantacióncon la que se podía obtener un efluente con 2 UNT era de 36 m3/m2.d.

Dado que esta tasa se obtuvo en el laboratorio en condiciones ideales, seaplicó un coeficiente de seguridad de 1,3, con el que se obtuvo una tasa de 27,7m3/m2.d. Durante el cálculo, esta tasa se incrementó a 28,74 m3/m2.d para redon-dear la longitud del decantador a 12 metros. Véase un ejemplo de cálculo de launidad en el cuadro 4-7.


Cua

dro 4

-7. D

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Uni

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Cál

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Res

ulta

dos

Uni

dad


D h

h/D < 0,75

6. ZONA DE SALIDA

6.1 Criterios generales

• La uniformidad en la ascensión del flujo depende tanto de las característi-cas de la zona de entrada como de la de salida.

Figura 4-18. Canal central y tuberías laterales de recolección de agua decantada (6)

• Para conseguiruna extracciónuniforme, se pue-de diseñar ya seaun canal centralrecolector y ca-nales laterales (fi-gura 4-18), un ca-nal central y tube-rías laterales per-foradas o un ca-nal central yvertederos latera-les (figura 4-19).

• No es recomendable diseñar vertederos fijos de bordes lisos, porque cual-quier desigualdad en los bordes produce apreciables desigualdades en lacantidad de agua extraída.

Figura 4-19. Vertederos de recolección regulables (6)

Vertedero metálico ajustable

ho ho

b

ho


En los bordes de los vertederos de concreto deben empernarse láminas deacero o PVC dentadas (con vertederos en ve) o de bordes lisos, que traba-jen con tirantes de agua de 5 a 10 centímetros. Esta solución permitiránivelarlos en obra (figura 4-19).

• Tubos con perforaciones en la parte superior dan excelentes resultadoscuando todos los orificios son de igual diámetro, con una carga de aguasobre estos de 5 a 10 centímetros y descarga libre hacia un canal central ocanales laterales; el tubo no debe trabajar a sección llena. Esta última con-dición es básica para obtener una extracción equitativa del flujo.


• La longitud de vertederos de recolección (lv) se calcula mediante la si-guiente expresión:

lv = Q/qr

(9)

Donde:

Q = caudal de diseño del decantador en L/s

qr

= tasa de diseño de los vertederos, que varía entre 1,1 y 3,3 L/s x m delongitud de vertedero.

Los valores de qr

cercanos a 1,10 L/s x mse recomiendan paraflóculos débiles o paraplantas con operaciónpoco confiable, y valo-res cercanos a 3,30,para casos de flóculosgrandes, pesados y conbuen nivel de operación.

Figura 4-20. Sistema de recolección mediantetuberías perforadas (4)


• La distancia máxima entre los vertederos de recolección (d) es una funciónde la profundidad (h) de instalación de los módulos o placas, y esinversamente proporcional a la tasa de escurrimiento superficial.

d/ h = 432/ Vs (10)

Donde:

Vs = velocidad ascensional del agua o tasa de escurrimiento superficial enm3/m2/d

En el gráfico de la figura 4-21 se encuentra representada la variación ded/h con Vs.

• Cuando la recolección se efectúa mediante tuberías con perforaciones, serecomienda determinar la longitud de tubería mediante la ecuación 9, eldistanciamiento máximo centro a centro mediante el criterio de la ecuación10 y, para que la colección sea uniforme, el diámetro de los orificios y deltubo se determinarán a partir de la expresión 11.

Vc/Vo = nAo/Ac < 0,15 (11)

Donde:

n = número de orificios. Se calcula de acuerdo con la longitud del tubo,con un espaciamiento de 0,10 metros

Ao = área de los orificios, normalmente ½”Ac = área del tuboVo = velocidad en los orificios en m/sVc = velocidad en la tubería en m/s

Esta relación de velocidades o de secciones asegura una desviación < 5%(véase el ábaco de la figura 4-23). Se recomienda, además, una altura de agua de5 a 10 centímetros sobre los orificios.


Figura 4-21. Relación de la distancia máxima entre las canaletas de agua decantadaversus la profundidad de agua en función de la tasa de escurrimiento superficial (5)

d

h

4,0

3,0

2,0

1,0100 200 300

Velocidad ascensional

V m /m ds

3 2

dh


Aplicación 1. Recolección del agua decantada mediante tuberías perforadas

Veamos ahora el procedimiento de cálculo del sistema de recolección deagua decantada. Se ha elegido un sistema de tuberías de PVC perforadas por subajo costo y una tasa de 2 L/s x m debido a que en las pruebas de laboratorio sepudo ver que se forma un buen flóculo que precipita rápidamente. Véase el cua-dro 4-8.

Aplicación 2. Recolección mediante vertederos

Para el caso de decantadores pequeños, la solución mas económica es lade colocar vertederos perimetrales. En ese caso, el cálculo es más sencillo ytermina en el paso 2 del cuadro 4-8.

Después de calculada la longitud de los vertederos, debemos comprobarque el perímetro de la unidad sea igual o mayor que la longitud requerida. Si nocumple, colocaremos tres hileras de tuberías perforadas a lo largo de la unidad,que descarguen al canal de distribución a los filtros.

Tanto los vertederos como las tuberías se colocarán a una altura tal que lacapa de agua sobre el módulo de placas sea de un metro. En la medida en que sereduce esta altura, se debe disminuir la tasa de recolección, para evitar que laslíneas de flujo se arqueen y arrastren a los flóculos, para alcanzar el nivel desalida. La altura mínima entre el vertedero o tuberías y el módulo de placas es de0,65 m.

7. ZONA DE LODOS

Esta zona está compuesta por las tolvas de almacenamiento y el sistema deevacuación o de descarga hidráulica de los lodos. La alternativa más recomenda-ble, por su excelente funcionamiento, es la de tolvas separadas, con colector múl-tiple de extracción hidráulica y uniforme.

La otra solución que se desarrolla es la de tolvas continuas y extracciónhidráulica de los lodos mediante sifones.


7.1 Tolvas separadas y colector múltiple


• En las tolvas separadas, la separación entre orificios está dada por la con-figuración de las tolvas y el número de estas (figura 4-22).

• El volumen total de almacenamiento disponible en las tolvas está relaciona-do con la producción diaria de lodos. Normalmente se adopta un periodo dealmacenamiento de un día y la frecuencia máxima de descargas en épocade lluvia es de cuatro horas.

• Las mejores condiciones hidráulicas se consiguen “atolvando” los fondos,de modo que se tenga una tolva por cada boca de salida, con lo cual seconsigue, además, tener orificios de descarga de mayor diámetro, lo quedisminuye el riesgo de atoros. Como el lodo presiona el punto de salida, latolva se vacía totalmente (figura 4-22). La viga ubicada debajo de las pla-cas y las columnas se debe a que el módulo era de placas de asbesto-cemento.

• La pendiente de las tolvas debe estar entre 45° y 60° y la sección debe seraproximadamente cuadrada.

Figura 4-22. Tolvas separadas y colector múltiple (4)

Canal de inspección de los

colectores de lodos

Canal de distribución a

decantadores

Tapón

Canal de

distribución

a filtros

Tubos de PVC con

orificios

Colector

de lodos

Orificios

Válvula

mariposa

Canal de

desagüe

Decantador laminar


• El diámetro del colector múltiple se incrementa en función de su longitudtotal, y el diámetro es modificado por el número de orificios de extracción.

• La extracción de lodos debe ser equitativa y se puede admitir una desvia-ción máxima de 10%.

• La distribución del flujo entre los orificios depende de la relación entre lasuma de las secciones de todos los orificios de descarga (n Ao) y la seccióndel dren (A). Experimentalmente, se encontró que, para que la desviación(δ) de flujo entre los orificios extremos no sea mayor de 10%, R debe variarentre 0,40 y 0,42. Véase el ábaco de la figura 4-23.

R < 0,42 (12)

De acuerdo al ábaco de la figura 4-23, para que la desviación (δ) entre losorificios extremos del colector no sea mayor de 10%, se debe cumplir lasiguiente relación:

Figura 4-23. Canalizaciones con múltiples laterales (5)

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.5 1.0 N AoA

1.5

Múltiple colector

Múlt

iple

de d

istrib

ución

Des

viac

ión

R =

0,50AALnδ ≤==


• El diámetro de los orificios sedetermina en función del diá-metro del dren (D), de la re-lación (R) y del número de ori-ficios (n).

7.1.2 Criterios de

dimensionamiento

• El diámetro de los orificios dedescarga (d) se calcula me-diante la siguiente expresión:

d = x / 1,162 ( H0,5 / Va)0,5 (13)

Donde:

x = separación entre orificios de salida en m. Depende del número detolvas y de sus dimensiones

H = carga hidráulica en mV

a= velocidad de arrastre del lodo

Se recomienda establecer como velocidad mínima de arrastre en los puntosmás alejados de 1 a 3 cm/s

• El diámetro del colector de lodos (D) se determina mediante la siguienteexpresión:

(14)

Figura 4-25. Colector múltiple con orificios y tolvas separadas (5)

Figura 4-24. Sistema de tolvasseparadas (8)

R/N/d=D


Donde:

R = relación de velocidades entre el colector y los orificios de descargaN = número de orificios o de tolvasD = diámetro de los orificios en m

• El caudal de drenaje del colector (QL) se puede calcular mediante la si-guiente expresión:

QL = Cd . A . 2g h (15)

Donde:

Cd

= coeficiente de descargaA = sección del colector en m2

g = aceleración de la gravedad en m/s2

H = carga hidráulica en m

7.1.3 Aplicación

Consideramos el diseño de un decantador de 100 L/s de capacidad delejemplo anterior. El ancho total de estas unidades, teniendo en cuenta el anchototal del módulo de placas de 4,80 metros, el ancho del canal central de distribu-ción de agua floculada de 0,65 metros (calculado en el cuadro 4-7), más los muroslaterales de 0,15 metros, es de 5,75 metros. La unidad tiene 12 metros de largo,por lo que estamos considerando 3 tolvas de 1,50 metros de profundidad total.

En estas condiciones, los resultados del cálculo del cuadro 4-9 indican quela capacidad máxima de almacenamiento de las tolvas es de un día, el diámetrodel colector y de la válvula mariposa de descarga de lodos es de 28” y los orificiosde paso de las tolvas al colector, de 10”. Las instrucciones de operación queacompañen al proyecto deben indicar claramente que en la época de lluvias lafrecuencia máxima de descarga debe ser de 4 horas.

El esquema del decantador proyectado es similar al de la figura 4-22, soloque con tres tolvas y un solo colector para los dos módulos.


1Lo

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0,00

5L.

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. Qd

QL

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,005

(10

0) =

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Cál

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Cua

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4-9.

Dim

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tiple

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tolv

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para

das (

4)


7.2 Canal central con sifones y tolvas continuas


• En las tolvas continuas el cálculo del espaciamiento es un poco más sofisti-cado, pues se debe tener en cuenta la esfera de influencia alrededor delorificio, dentro del cual la velocidad del flujo que confluye al punto de salidaes capaz de producir arrastre de partículas sedimentadas.

• El canal de descarga de lodos de la figura 4-26 debe dimensionarse demodo que el escurrimiento en su interior sea libre. En general, se requiereentrada y salida de aire, lo cual se consigue colocando una tubería de ven-tilación en los extremos. En estas condiciones, los colectores individualesdispuestos a lo largo del canal, descargarán libremente el lodo en el interiorde este, pues todos estarán sometidos a la misma carga hidráulica (h).

7.2.2 Criterios de dimensionamiento

• El caudal en un tubo corto está dado por la siguiente expresión:

q = Cd . A 2g h (16)

Figura 4-26. Canal de extracción de lodosmediante sifones (5)

Canal de descarga de lodos

Canal de distribución de

agua floculada

Canal de colecta de agua

decantada

Agua decantada

Agua floculada

Tubos de descarga de lodos


El coeficiente de descarga (Cd) se selecciona del cuadro 4-10, en función

de la relación L/D, donde L es la longitud del sifón y D su diámetro.

Cuadro 4-10. Valores de Cden función de L/D

L/D Cd

300 0,33

200 0,39

100 0,47

90 0,49

80 0,52

70 0,54

60 0,56

50 0,58

40 0,64

30 0,70

20 0,73

• En el caso de la figura 4-26, se tiene una sola tolva continua en el sentidolongitudinal de la unidad, pero, como se puede apreciar en la figura 4-27,dependiendo del área de la unidad, se pueden tener varias tolvas continuas.La extracción de los lodos se puede hacer mediante sifones o por medio deorificios en el fondo.

• Es necesario considerar elnúmero, diámetro y espa-ciamiento de los orificios dedrenaje.

• La distancia (x) entre los ori-ficios de descarga debe sertal que la velocidad mínimade arrastre de los lodos (Va)

no sea menor de un cm/s.

• El canal debe funcionar conla superficie expuesta a la

Figura 4-27. Sistema de tolvascontinuas (8)

Orificios paraaspiración de

lodos


presión atmosférica, para que los sifones trabajen con descarga libre alcanal y la recolección se realice equitativamente, al estar todos los peque-ños sifones sometidos a la misma carga hidráulica (h) (figura 4-26).

• Distancia máxima entre tubos laterales de 0,90 m.

• Diámetro mínimo de los sifones laterales de 1 ½’’.

• Caudal mínimo por lateral de 3 L/s.

• Velocidad mínima en el lateral de 3 m/s.

• Para mantener el régimen de descarga libre en el canal, se debe diseñar unducto de entrada de aire con la sección adecuada, para que compense elvolumen de aire arrastrado por el agua.

7.2.3 Aplicación

El cuadro 4-11 presenta un ejemplo de aplicación de estos criterios aldimensionamiento de este sistema de recolección de lodos mediante sifones cor-tos y tolva continua (figura 4-26).

De acuerdo con los cálculos del cuadro 4-11, será necesario instalar 22sifones para tener una buena recolección de lodos. Las tolvas se llenarán en undía y medio en la época de lluvias y la válvula de descarga se abrirá durante 1,2minutos para que las tolvas se vacíen; durante este lapso se deberá cerrar elingreso de agua floculada para evitar cortocircuitos.

Debe instalarse, además, un tubo de ventilación a cada extremo del canal,para que haya circulación de aire en su interior.

7.3 Otros sistemas de descarga de lodos

7.3.1 Descarga mecánica automática

Se trata de válvulas automáticas que pueden ser accionadas mediante airecomprimido o agua, o bien por medio de un programador electrónico o electroválvulaque abre y cierra el circuito para descargar según intervalos programados o me-diante sifones de accionamiento mecánico y de carga automática (CLARIVAC). Lafigura 4-28 muestra un decantador laminar de un m3/s de capacidad operando conun sistema de extracción de lodos continuo de patente CLARIVAC.


Este sistema solo se recomienda para decantadores muy grandes y requie-re buenos recursos de operación y mantenimiento.

La figura 4-30 muestra el sifón fluctuante de diseño artesanal, y la figura4-31, el sistema patentado CLARIVAC.

Figura 4-30. Sifón fluctuante

Figura 4-29. Canal de descargadel sistema CLARIVAC

Figura 4-28. Sistema CLARIVAC deextracción de lodos

Canaleta de

lodos

Fondo del

decantador

Otro sifón

Orificios para

succión de

lodos

0,30

0,20

0,10

3,25

Nivel del agua


Colector

Protector

Tubo de sifón

Guía

Guía

Canal de

recolección

FlotadorVálvulas de control

de descarga

Flotador

Cable para

desplazamiento φ 1/8’’

Tirante

Figura 4-31. Sistema CLARIVAC


Es todavía frecuente encontrar unidades nuevas diseñadas como las de laprimera generación, sin una estructura de entrada apropiada y sin un sistema deextracción de lodos hidráulico (figura 4-32).

En estas unidades todo el flujo ingresa por el inicio de la unidad y se distri-buye de acuerdo con la longitud de esta y la velocidad de paso por debajo de lasplacas. En las unidades largas normal-mente la mayor parte del caudal llegaal final y asciende levantando losflóculos.

También es frecuente encontrarque la longitud de recolección es muycorta y las pocas canaletas de reco-lección consideradas se encuentran to-talmente ahogadas.

Cuando la longitud de recolec-ción es muy corta, la velocidad de as-

Figura 4-32. Decantador de placasde la primera generación (4)


Cua

dro

4-11

. Cál

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censión del agua es muy alta y arras-tra a los flóculos que tratan de depo-sitarse sobre las placas.

También son comunes los ca-sos en que un decantador conven-cional se convierte en decantador deplacas y el sistema de recolecciónpermanece igual, sin incrementarsede acuerdo con el mayor caudal quela unidad va a producir en adelante.

El decantador de placas de lafigura 4-34 no tiene un sistema de

recolección adecuado. Únicamente se colocó un vertedero al final de la unidad,como si se tratara de un decantador convencional de flujo horizontal.

En el caso del decantador de la figura 4-35, las tuberías de recolecciónestán mal colocadas y fuera del agua, con lo que se desperdicia gran parte de sucapacidad.

Otro defecto muy frecuente en este tipo de decantadores consiste en colo-car el sistema de recolección muy próximo al módulo de placas, sin respetar ladistancia recomendada de un metro ni la altura de agua mínima estipulada de 0,65metros (figura 4-36). Al colocar la salida tan próxima al módulo de placas, las

Figura 4-33. Decantador de placascon problemas de recolección (4)

Figura 4-34. Decantador de placas sinsistema de recolección apropiado (4)

Figura 4-35. Sistema de recolecciónmal instalado (4)


líneas de flujo se arquean mu-cho para alcanzar la salida yarrastran a los flóculos, lo queempobrece la calidad delefluente del decantador.

En la figura 4-37 se pue-de apreciar el arrastre deflóculos a la superficie deldecantador. En este caso, se su-maba el problema de que losdecantadores habían sido pro-yectados con una tasa demasia-do alta, consecuencia de no ha-

ber realizado un buen estudio detratabilidad del agua antes de ejecutarel proyecto. Si estamos adivinandocuál es la tasa ideal para tratar unadeterminada agua, será difícil que de-mos en el clavo.

Otro defecto muy común es con-siderar un decantador convencionalseguido de uno laminar sin estructu-ras de entrada y salida adecuadas. Enla figura 4-38 se puede apreciar un

proyecto de este tipo; se observa queno hay una estructura de salida deldecantador convencional y que el aguaingresa directamente por debajo delmódulo de decantación sin una estruc-tura de distribución uniforme. En estoscasos, el decantador convencional esapenas un tanque de paso y la eficien-cia es prácticamente nula. Figura 4-38. Decantadores

convencional y laminar en serie (4)

Figura 4-36. Sistema de recolecciónsobre los módulos de decantación (4)

Figura 4-37. Arrastre de flóculos enla superficie de los módulos (4)


En la figura 4-39 se puedeobservar otro caso similar: undecantador convencional sin es-tructuras de entrada y salida ade-cuadas, seguido de un decantadorlaminar sin estructura de entrada.Nuevamente, el agua pasa deldecantador convencional directa-mente por debajo del módulo deplacas.

Figura 4-39. Decantadores convencionaly laminar en serie (4)


REFERENCIAS

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la producción de plantas de tratamiento de agua mediante el Progra-

ma de Corrección Compuesto. Lima, CEPIS/OPS, 1998.

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(17) Hudson, Herbert. Water Clarification Processes, Practical Design and

Evaluation. Nueva York, Van Nestrand Reinhold, 1981.

(18) Di Bernardo, Luiz. Sedimentación convencional y laminar. Ms.

CAPÍTULO 5

BATERÍA DE FILTROS DE TASA DECLINANTEY LAVADO MUTUO

Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 183

1. INTRODUCCIÓN

Los filtros son las unidades más complejas de una planta de tratamiento deagua. Su correcta concepción depende de la interrelación que exista entre lascaracterísticas de la suspensión afluente y los rasgos del medio filtrante, para quepredominen los mecanismos de filtración apropiados que darán como resultado lamáxima eficiencia posible. El trabajo experimental mediante un filtro piloto es laforma más segura de seleccionar las características de la unidad y los parámetrosde diseño para una suspensión determinada.

El segundo punto en importancia para optimizar el diseño del filtro es unbuen conocimiento de la hidráulica de la unidad. Las evaluaciones efectuadas deestas unidades en toda América Latina indican que es en este terreno que sesuelen inscribir las deficiencias más notables en la concepción de los proyectos.

La concepción de estas unidades varía dependiendo de las característicasde la suspensión por filtrar, por lo que podemos diferenciar las unidades que filtranagua decantada de las que reciben agua coagulada o brevemente floculada. En elprimer caso, se tratará de las baterías de filtros que integran una planta de filtra-ción rápida completa y, en el segundo, de una planta de filtración directa. Como seha visto en la sección “Plantas de filtración rápida” del capítulo 3, Tratamiento deagua para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría,tomo I, estos últimos sistemas son los más restringidos en cuanto al rango decalidad de agua que pueden tratar.

En este documento se han reunido y sintetizado los criterios más importan-tes para efectuar el correcto dimensionamiento de las baterías de filtros de tasadeclinante y lavado mutuo.

2. VENTAJAS DE LAS BATERÍAS DE FILTROS DE TASADECLINANTE Y LAVADO MUTUO

Las baterías de filtros de tasa declinante y lavado mutuo se consideran comotecnología apropiada debido a que reúnen las siguientes ventajas sobre otros siste-mas de filtración en uso:


• No requieren una carga hi-dráulica muy grande paraoperar. Los filtros de tasaconstante operan con unacarga hidráulica de 1,80 a2 metros para completaruna carrera de operaciónde 40 a 50 horas en pro-medio. En estas mismascondiciones, normalmenteuna batería de filtros ope-rando con tasa declinanterequiere una carga similara la que necesitaría si estuviera operando con tasa constante, dividida por elnúmero de filtros que componen la batería.

• No tienen galería de tubos. El transporte del agua decantada, filtrada, elagua para el retrolavado de los filtros y el desagüe del agua de lavado se

efectúan mediante canales. En la fi-gura 5-1 se puede observar un sis-tema pequeño que consta de seis fil-tros de arena sola.

Normalmente el agua filtrada tam-bién se traslada mediante canales,uno de aislamiento y otro que co-necta entre sí la salida de todas lasunidades. Estos canales se encuen-tran inmediatamente después de lascajas de los filtros. Sin embargo,también se proyectan baterías deeste tipo con galería de tubos como

la que podemos observar el figura 5-2. La galería de tubos está descubiertaal lado derecho de las cajas de los filtros.

• No se requiere tanque elevado ni equipo de bombeo para efectuar elretrolavado de un filtro. A través del canal de interconexión y debido a unespecial diseño hidráulico del sistema, el agua producida por lo menos portres filtros retrolava a una unidad. En la figura 5-3 se puede observar este

Figura 5-1. Batería de filtros de tasadeclinante y lavado mutuo (1)

Figura 5-2. Baterías de filtros de tasadeclinante con galería de tubos (1)


proceso cuando el falso fondoactúa como canal de interco-nexión.

• Debido al especial diseño hidráu-lico de estos sistemas, el opera-dor solo debe cerrar el ingresode agua decantada y abrir lasalida de agua de lavado para que el lavado se produzca en forma automá-tica y con la expansión correcta (25 a 30%).

• No se requiere instrumentalsofisticado ni consolas o pu-pitres para la operación, aun-que en las plantas grandes selos suele incluir.

• En la figura 5-4 se muestrauna batería de este tipo de 1,0m3/s de capacidad, la cualhace parte de una planta de6,3 m3/s, con accionamientoautomático de válvulas y pu-pitres de operación.

• En la figura 5-5 se puedeapreciar una batería doblede filtros de tasa declinan-te y lavado mutuo, de 2,5m3/s de capacidad de pro-ducción, de mayor tamañoque la anterior, con opera-ción manual.

• La batería de filtros operabajo el principio de vasoscomunicantes. Las unida-des están intercomunicadaspor la entrada a través del

Figura 5-3. Movimiento del aguadurante el lavado de un filtro (2)

Figura 5-4. Batería de filtros de 1,0 m3/sde capacidad (1)

Figura 5-5. Sistema de filtración de tasadeclinante y lavado mutuo (1)


canal de entrada y también del canal de interconexión en la salida. Por estacaracterística, las unidades presentan todas los mismos niveles y es posiblecontrolar el nivel máximo de toda la batería, con un solo vertedero-aliviade-ro en el canal de entrada.

3. DESCRIPCIÓN DE UNA BATERÍA DE TASA DECLINANTE YLAVADO MUTUO

Al igual que en el caso de los decantadores laminares, tenemos solucionespara plantas pequeñas y grandes. En la figura 5-6 podemos apreciar el corte de unfiltro de una batería de tasa declinante para una planta de mediana a grande.

1) Caja del filtro. Es la parte más importante de la unidad. Podemos apreciardel fondo hacia arriba: el falso fondo, el drenaje generalmente del tipo deviguetas prefabricadas de concreto, la capa soporte de grava, el lechofiltrante, las canaletas secundarias de lavado y el canal principal de lavado,que recibe el agua del retrolavado colectada por las canaletas secundarias.Por encima de este nivel se ubican las cargas de agua necesarias para elfuncionamiento de la batería (carga hidráulica para el lavado y carga hi-dráulica para el proceso de filtrado), las cuales determinan la profundidadtotal de la caja del filtro y se limitan mediante vertederos.

Figura 5-6. Corte de un filtro para plantas de medianas a grandes (1)

Canal de interconexión

N. 4,100N. 4,100

Canal dedistribución

de aguadecantada

N. 4,250N. 4,350

N. 0,000

N. Min-3,880

0,250

N. Max-3,950

N. 3,500N. 3,500

Canal derecolección

de aguade lavado

N. 2,415 N. 2,450

0,250

Canal recolección

de desagües

Arena

Grava

Falso fondode filtros

N. 0,100

0,500

0,800

0,215

0,600

0,400

Canal de aislamiento

Compuertade salida

N. 1,250

Vertederogeneral

Drenaje Válvula de vaciadode filtro

Válvula de desagüe de

decantadores

Válvulatipo

mariposa

Canal principal

de lavado

Válvula tipo

mariposa


2) Canal de distribución de agua decantada. Alimenta las cajas de losfiltros a través de las válvulas de entrada de cada unidad. En la parte supe-rior de este canal se ubica el vertedero que limita la carga hidráulica máxi-ma disponible para la operación con tasa declinante de la batería de filtros.

3) Canal de desagüe de agua de retrolavado. Ubicado debajo del anterior,recibe el agua del retrolavado de los filtros. En este canal se acostumbranreunir también los desagües de los decantadores (véase la válvula al ladoderecho del canal de la figura 5-6) y floculadores, por lo que constituye elcanal emisor de la planta.

4) Canal de aislamiento. Recibe este nombre porque tiene la función deaislar una unidad del resto de la batería, cerrando la válvula de entrada y lacompuerta de salida que comunica con el canal de interconexión ubicado asu izquierda. Este canal se localiza contiguo a la caja del filtro y se comuni-

Figura 5-7. Vista en planta de una batería grande de filtros de tasa declinante (1)

Canal de agua sedimentada

Difusorde cloro

VertederogeneralPlanta

B

B

A

Cámara de cloración

F4

Canales de aislamiento

F3

AF2


F1

ArenaGrava

Falso fondo

Canaletas

Corte A-A

Drenaje

Válvula deentrada

Válvula dedesagüe

Canaletassecundarias

de lavado

Canal principalde lavado


ca con ella a través del canal del falso fondo en toda su sección, lo cualpermite una distribución pareja del agua de lavado a todo lo ancho del dre-naje.

5) Canal de interconexión de la batería. Cumple dos funciones importan-tes:

• Durante la operación normal de filtración, reunir el efluente de todoslos filtros y sacarlo a través del vertedero que controla la carga hi-dráulica de lavado.

• Durante la operación de lavado de una unidad, al bajar el nivel delagua por debajo del vertedero de salida facilita que se deriveautomáticamente el agua filtrada producida por las otras unidades enoperación (por lo menos tres) hacia el filtro que se encuentra en posi-ción de lavado.

La figura 5-7 muestra la vista en planta de una batería de cuatro filtros y lacámara de cloración a continuación.

4. CRITERIOS GENERALES DE DISEÑO

Los criterios expuestos a continuación son comunes a las baterías que fil-tran agua decantada y coagulada o floculada, con excepción de las recomenda-ciones relativas a los medios filtrantes, que corresponden a las baterías que reci-ben agua decantada. Las recomendaciones específicas relativas a los parámetrosde dosificación y a las características de lechos filtrantes para sistemas de filtra-ción directa se pueden encontrar en la subsección 6, “Criterios para el diseño deplantas de filtración directa”.

4.1 Geometría de la batería

4.1.1 Área de cada filtro y número de filtros

• El número mínimo de filtros en una batería de tasa declinante y lavadomutuo es de cuatro unidades, de tal manera que tres toman el caudal detoda la batería al momento de lavar una unidad.


• El área de la caja de un filtro debe ser tal que al pasar todo el caudal de labatería por un filtro, se produzca la velocidad ascensional (VL) apropiadapara expandir en 30% el lecho filtrante.

Área de un filtro (Af) = Q / VL (1)

• El área total de la batería de filtros se define por la relación del caudal dediseño de la batería sobre la tasa de filtración seleccionada (Vf) de acuerdocon el tipo de lecho filtrante, las características del afluente y el nivel deoperación local.

Área total de filtración (At) = Q / Vf (2)

• El número de filtros de la batería se obtiene por la relación del área totalfiltrante entre el área de un filtro. Debe ajustarse la velocidad (Vf) hastaque dé un número exacto de filtros.

Número de filtros (N) = At /Af (3)

• El ingreso del agua decantada a la caja del filtro debe efectuarse en un nivelmás bajo que el nivel mínimo de operación, para que cada filtro tome elcaudal que puede filtrar de acuerdo con su estado de colmatación.

• Por la facilidad de operación y mayor duración, deben colocarse válvulasmariposa en la entrada del agua decantada al filtro y la salida del retrolavadoal canal de desagüe.

4.1.2 Tasas de filtración

• La tasa de filtración depende de varios factores como el tipo de suspensiónafluente (agua decantada, coagulada, prefloculada, con o sin uso de polímeroauxiliar, color verdadero, turbiedad, número de microorganismos, etcétera),granulometría y espesor del medio filtrante, método de operación de losfiltros, eficiencia del lavado, uso del agua filtrada, etcétera.

• Es usual adoptar un valor conforme muestra el cuadro 5-1. No obstante,cuando fuera posible, es deseable que se realice una investigación experi-mental a fin de optimizar el diseño y la operación de los filtros.


Discriminación

Cuadro 5-1. Tasas usuales de filtración en función del nivel de operación (3)

Tasa de filtración(m3/m2/día)

Filtración rápida descendente con tasa declinante

a) De agua decantada, en medio filtrante único de 120 - 150arena con tamaño efectivo (T. E.) de 0,50 a 0,60 mm yespesor alrededor de 0,80 metros.

b) De agua floculada o prefloculada, en medio filtrante 240 - 360grueso y único, con espesor superior a un metro yuso de polímero como auxiliar (filtración directa)

c) De agua decantada en medio filtrante doble, con 240 - 360espesor total inferior a 0,80 metros y buen nivel deoperación y mantenimiento.

4.1.3 Drenaje, capa soporte de grava y falso fondo

• El drenaje más dura-ble y factible de serconstruido en obra, sinrequerir importaciones,es el constituido porviguetas prefabricadasde concreto de formatriangular (ver figura5-8).

• En filtros grandes lasviguetas se construyende 0,30 metros de an-cho; y en los pequeños,de 0,15 metros de an-cho. Los orificios seubican a ambos ladosde la vigueta espaciados entre 0,10 y 0,15 metros centro a centro. Losorificios se establecen con niples de PVC de ½ a 1”de diámetro.

Figura 5-8. Drenaje de viguetasprefabricadas de concreto

Refuerzo

15 cm

30 cm

Mortero

10 cm de 1’’ 1/2 - 3/4’’

12,5 cm de 2’’ - 1 1/2’’

Elemento prefabricado

Niples de 1’’ a 1/2’’cada 15 cm c/c

7 cm

Falso fondoApoyo

25,5 cm

40 a 50 cm Apoyo

10 cm

15


• Las viguetas no deben tener una longitud mayor de 4 metros para evitar elpandeo. Con longitudes mayores, deberán proyectarse apoyos intermedios.

• Se debe proyectar un número entero de viguetas, para lo cual se tendrá encuenta que la dimensión del filtro transversal a la posición de las viguetasdebe ser un múltiplo de 0,15 metros si el filtro es pequeño o de 0,30 metrossi el área del filtro es grande.

• Se denomina falso fondo al canal ubicado debajo del drenaje, por dondesale el agua filtrada o asciende el agua para el retrolavado. En las bateríasde filtros pequeñas el falso fondo también tiene la función de canal de inter-conexión (figura 5-9).

La velocidad de la sección de paso por el falso fondo (Vffo) debe guardarrelación con la velocidad de paso por los orificios (Vo), de tal modo que el caudalse distribuya de manera uniforme en todo el lecho filtrante:

Vffo/Vo ≤ 0,46

• Se consigue una buena distribución (desviación de caudal (δ) < 5%) y bajapérdida de carga en los orificios —otro detalle que se debe buscar— conuna altura mínima del falso fondo de 0,40 metros y orificios de ¾” de diá-metro.

• El soporte de grava está conformado por grava graduada de acuerdo conlas especificaciones del cuadro 5-2.

Figura 5-9. Batería de filtros pequeña. El falso fondoes el canal de interconexión (1)

Corte A-A


Vertederogeneral


Cuadro 5-2. Capa soporte de grava para viguetas prefabricadas (2)

• La pérdida de carga en los orificios puede ser determinada por la siguientefórmula:

ho = q2 / (2 Cd2 . Ao2 . g) (4)

Donde:

q = caudal en un orificio (m3/s)Cd = coeficiente de descarga (0,60 – 0,65)Ao = área de un orificiog = aceleración de la gravedad (m/s2)ho = pérdida de carga en el orificio (m)

4.1.4 Lecho filtrante

• El lecho filtrante es la parte más importante de esta unidad, donde se realizael proceso. Todos los demás componentes son accesorios para poder ope-rar y mantener adecuadamente la unidad.

• El lecho filtrante puede ser simple o doble; esto es, de arena sola o deantracita y arena. Con el primero, la inversión es menor, pero al tener unlecho de arena sola se requiere una velocidad de lavado mayor para obte-ner la misma expansión que cuando el lecho es doble, por lo que resulta unnúmero de filtros mayor.

• Las tasas de filtración, en el caso de lechos de arena sola, varían en prome-dio entre 120 y 150 m3/m2/d. Solo con arena gruesa, muy buena calidad de

Capa Espesor (cm) Tamaño

1 7,5 1/8" - 1/4"2 7,5 1/4" - 1/2"3 7,5 1/2" - 3/4"4 10,0 3/4" - 1 1/2"

Fondo 12,5 1 1/2" - 2"Total 45,0


agua y nivel de operación y empleo de polímeros, es posible aplicar tasasmayores.

• El cuadro 5-3 indica las características del lecho de arena que se recomien-dan cuando los filtros van a operar con las dos alternativas, filtración rápidacompleta y filtración directa.

Cuadro 5-3. Lecho filtrante simple de arena sola (4)

• Cuando se seleccionan lechos dobles de antracita y arena, se puede usaruna tasa promedio de 240 m3/m2/d, lo cual reduce mucho el área filtrantetotal necesaria para el mismo caudal, en comparación con un lecho de are-na sola, y el número de filtros de la batería resulta menor.

Cuadro 5-4. Lecho filtrante doble de arena y antracita (4)

• La antracita debe seleccionarse en función de las características de la are-na, por lo que esta actividad debe iniciarse con la búsqueda y caracteriza-ción de la arena más conveniente, tanto por sus características como por elcosto del material y del flete. Será necesaria una muestra de la arena y elanálisis granulométrico correspondiente.

• Una vez conocidas las características de la arena, se definirán las de laantracita de acuerdo con los criterios indicados en el cuadro 5-5. Estos

Características Símbolo Criterio

Espesor (cm) L1 60 – 80Tamaño efectivo (mm) D10 0,50 – 0,80Coeficiente de uniformidad CU ≤≤≤≤≤ 1,5Tamaño más fino (mm) 0,42Tamaño más grueso (mm) D90 2,0

Características Símbolo Arena Antracita

Espesor (cm) L 15 – 30 45 – 60Tamaño efectivo (mm) D10 0,50 – 0,60 0,80 – 1,10Coeficiente de uniformidad CU ≤≤≤≤≤ 1,5 ≤≤≤≤≤ 1,5Tamaño más fino (mm) 0,42 0,59Tamaño más grueso (mm) D90 1,41 2,0


criterios han sido formulados con la finalidad de que la intermezcla entre laantracita y la arena, en el nivel en que se unen la arena más fina y laantracita más gruesa, no sea mayor de 3.

• Conocido el tamaño efectivo de la arena (D10), a través de la curvagranulométrica levantada, el tamaño correspondiente al D’90 de la antracitaserá igual a tres veces el tamaño efectivo de la arena (D10). El tamañoefectivo de la antracita (D’10) será igual a la mitad del tamaño correspon-diente al D’90 de la antracita.

Cuadro 5-5. Criterios para seleccionar la antracita en funciónde las características de la arena (2)

• La altura que corresponde a la arena en un lecho doble es 1/3 de la alturatotal, y la altura correspondiente a la antracita, 2/3 de la altura total dellecho filtrante.

4.1.5 Canal de distribución de agua decantada, coagulada o prefloculada

• Este canal se dimensiona en función del canal de desagüe de agua deretrolavado ubicado en la parte inferior. Se debe tener acceso a este canalpara dar mantenimiento a las válvulas de lodos de los decantadores, a lasválvulas de descarga de agua de retrolavado de filtros, a las válvulas dedesagüe de fondo de los filtros y a las válvulas de desagüe de los floculadores.

• En las plantas pequeñas se le da a este canal un ancho mínimo de 0,80metros a un metro, dependiendo del diámetro de las válvulas indicadas. Enuno de los extremos del canal se coloca un ingreso con escalines paraacceder al canal de desagüe, poder dar mantenimiento a las válvulas yaccionar la válvula de desagüe del fondo de los filtros. En las plantas gran-des el ancho aumenta proporcionalmente al incremento del diámetro de lasválvulas.

Características Símbolo Criterio

Tamaño correspondiente al 90% D’90 D’90 = 3 D10

que pasa la mallaTamaño efectivo (mm) D’10 D’10 = D90 / 2Espesor de la arena (cm) L1 L2 = 2 L1

Tamaño correspondiente al 60% D’60 D’60 = 1,5 D’10

que pasa la malla


• En uno de los extremos del canal superior se coloca el aliviadero que con-trola el nivel máximo de operación de la batería, de tal manera que al rebalsar,el agua cae al canal de desagüe de la parte baja. Este aliviadero tiene,además, la función de indicar al operador el momento de lavar el filtro quetiene más horas de carrera.

4.1.6 Canal de aislamiento

• Este canal recibe un ancho mínimo de 0,60 metros debido a que no hayninguna válvula o compuerta que deba operarse o recibir mantenimiento enesta sección del filtro.

4.1.7 Canal de interconexión

• Este canal recibe un ancho mínimo de 0,80 metros a un metro. En su inte-rior se encuentra la compuerta de aislamiento de cada filtro. Debenproyectarse un ingreso y unos escalines para ingresar y dar mantenimientoa las compuertas.

4.1.8 Válvula de entrada de agua decantada

• Esta válvula es de operación constante, debe accionarse cada vez que seefectúa el retrolavado de la unidad, por lo que se recomienda el uso deválvulas tipo mariposa, porque la duración, estanqueidad y facilidad deaccionamiento son muy importantes.

• El caudal de diseño de esta válvula (Qc) debe ser igual al caudal de labatería (Qd) dividido por el número de filtros (N) y multiplicado por 1,5, quees el mayor caudal con el que puede operar un filtro recién lavado.

Qc = 1,5 [Qd / N] (5)

• Se debe diseñar con una velocidad (Vc) de alrededor de un m/s, buscandoredondear a un diámetro comercial. La pérdida de carga en esta válvuladebe ser compensada con la carga hidráulica disponible en la unidad. Elimpacto de una pérdida de carga demasiado alta en este punto acortaría lacarrera del filtro o bien incrementaría la altura total de la unidad. Tampocose recomiendan velocidades muy bajas, porque resultarían áreas (A) y diá-metros muy grandes de válvulas.


A = Qc / Vc (6)

4.1.9 Válvula de salida de agua de retrolavado

• Esta válvula también debe ser de tipo mariposa, por las mismas razones queen el caso anterior. Se puede diseñar con velocidades (Vc) menores de 2m/s.

• El caudal de diseño de esta válvula (Qc) es el caudal de diseño de la batería(Qd).

A1 = Qd / Vc (7)

4.1.10 Válvula de desagüe de fondos

• Esta válvula permite vaciar íntegramente el filtro en el caso de que seanecesario inspeccionar el lecho filtrante, la capa soporte o el drenaje, o biencambiarlos.

• Esta válvula es de accionamiento muy esporádico, por lo que normalmentese coloca una válvula de tipo compuerta, de 8 a 10 pulgadas. En este caso,la diferencia entre un diámetro y otro solo impactará en el tiempo que de-morará en vaciarse el filtro.

• En las baterías en que se proyecten canal de aislamiento y canal de interco-nexión deberá colocarse una válvula por filtro. En los sistemas pequeños enque el falso fondo opere como canal de interconexión, será suficiente unapara toda la batería.

4.1.11 Compuerta de aislamiento o de salida de agua filtrada

• Esta compuerta se diseña con velocidades (Vc) de 1 a 1,5 m/s. La pérdidade carga producida influye tanto en la altura del vertedero que da la cargapara la operación de lavado como en la carga hidráulica durante el procesonormal de operación, por lo que impacta doblemente en la altura total delfiltro.

• El caudal de diseño (Qc) de esta compuerta es el caudal de diseño de todala batería (Qd), que pasa a través de esta compuerta durante la operaciónde retrolavado, salvo el caso de filtros grandes lavados con aire y agua, en


que solo se utilice parcialmente el caudal producido. En este último caso, ellecho solo necesita expandir 10% durante el retrolavado, por lo que no serequiere la totalidad del caudal producido.

A2 = Qd / Vc (8)

4.2 Hidráulica del lavado

• De la operación de lavado depende el mantenimiento del lecho filtrante, porlo que el diseño de este sistema es determinante para el buen funciona-miento y eficiencia de la unidad.

• Para que la batería pueda autolavarse, es necesario que cumpla con doscondiciones:

1) Al pasar el caudal de operación de la batería a través de un filtro, debeproducirse la velocidad de lavado necesaria para expandir entre 25 y30% el material filtrante.

2) El vertedero de salida debe proporcionar la carga hidráulica necesariapara compensar las pérdidas de carga que se producen durante estaoperación.

4.2.1 Canaletas de recolección de agua de lavado

• La recolección deagua de lavado sehace a través de uncanal principal (fron-tal, lateral o central),en el cual descarganlas canaletas reco-lec-toras secundarias(ver figura 5-13). Elcaso de la figura 5-11es apropiado para unfiltro pequeño. Las canaletas secundarias se han adosado a las paredes delfiltro para no obstaculizar el acceso al lecho filtrante.

Figura 5-10. Canaletas secundarias derecolección (2)

ho ho

b


• Las canaletas secundarias pueden ser de concreto o de materiales especia-les (resinas) y presentan diferentes cortes transversales. En general, en lascanaletas ejecutadas in situ se da una pendiente del orden de 1% en direc-ción longitudinal. La capacidad de las canaletas de recolección se calculamediante la siguiente ecuación:

Qc = 82,5 b. h 1,5 (9)

Donde:

Qc = caudal escurrido por unacanaleta (m3/min)

b = ancho de la canaleta (m)h = altura útil de la canaleta (m)

La ecuación (9) solo es válidacuando la descarga es libre (véase la fi-gura 5-10).

• Para canaletas con sección transversal no rectangular, se puede admitir lamisma altura h y hacer la equivalencia de la sección de escurrimiento. Lafigura 5-12 presenta las secciones comúnmente usadas en la práctica.

• La mejor sección es la que tiene el fondo inclinado hacia el centro. Estamodificación evita que el lodo se apelmace contra el fondo plano de lacanaleta.

• La distancia entre lascanaletas y la posición deellas en relación con el me-dio filtrante puede determi-narse sobre la base del es-quema de la figura 5-14 ya partir de las siguientesecuaciones propuestas porKawamura (5).

Figura 5-11. Canal principal frontaly canaletas secundarias (1)

Figura 5-12. Secciones de canaletasmás comunes (2)


0,75 (L + P) < Ho < (L + P) (10)

1,5 Ho < S < 2 Ho (11)

4.2.2 Ubicación del vertedero desalida

Para determinar la posición delvertedero de salida, es necesario co-nocer la velocidad con la cual el lechofiltrante seleccionado produce la expan-sión adecuada. Luego, con esta velo-cidad, se calculan las pérdidas de car-ga que se producirán durante la opera-ción de lavado y, con la suma total deestas pérdidas, que viene a ser la tota-

lidad de la carga disipada a lo largo del proceso, se ubica el vertedero.

• Como las pérdidas de carga se calculan matemáticamente y los modelosmatemáticos no son exactos, este vertedero debe poder ser regulado mien-tras el filtro permanece en operación. Debe calibrarse durante la puesta enmarcha de la planta, incrementando o bajando su nivel hasta que la expan-sión del lecho filtrante sea de 30%. Véase un vertedero calibrable en lafigura 5-15.

4.2.3 Expansión del medio filtrante durante la operación de lavado

• Los ábacos de las figuras 5-16 y 5-17 corresponden a la solución gráficadel modelo de Cleasby y Fan (3) para granos no esféricos y lecho unifor-me. Los ábacos presentan las curvas que relacionan el número de Reynoldsen función del número de Galileo para diferentes coeficientes de esfericidad(Ce) y porosidad del medio filtrante expandido. Generalmente, se fija unavelocidad ascendente entre 0,7 y 1,0 m/min para filtros de flujo descenden-te y de entre 0,9 y 1,3 m/min para filtros de flujo ascendente. Con la veloci-dad ascendente seleccionada, las curvas granulométricas que componen elmedio filtrante, la temperatura del agua y el coeficiente de esfericidad, sedetermina la expansión total del medio filtrante, que deberá resultar entre25 y 30%.

Figura 5-13. Canal principal central ycanaletas secundarias laterales (1)


El número de Galileo y el número de Reynolds son dados, respectivamente,por las siguientes ecuaciones (12, 13):

Gai = [D3ei . ρa (ρs - ρa) g] / µ2 (12)

Rei = Va . Dei ρa / µ (13)

Donde:

Gai = número de Galileo parasubcapa i

Rei = número de Reynolds parasubcapa i

Dei = tamaño promedio de losgranos de la subcapa i (m)

ρs = peso específico del mate-rial filtrante (kg/m3)

ρ a = peso específico del agua(kg/m3)

µ = viscosidad absoluta delagua (kg / s x m)

g = aceleración de la grave-dad (m/s2)

Figura 5-15. Vertedero calibrable de salida de la batería (1)

Figura 5-14. Distancia entre las canaletasy su posición respecto al medio filtrante

P

S

Ho

Hf

L


Densidad del material (ρs) (g/cm3) 2,65 1,45 – 1,73 1,3 – 1,5* 4,0 – 4,2

Porosidad perdida del lecho (εo) 0,42 – 0,47 0,56 – 0,60 0,50 0,45 – 0,65

Esfericidad (Ce) 0,7 – 0,8 0,46 – 0,60 0,75 0,60

CaracterísticasCarbónactivadogranular

Arenasílice

Carbón deantracita

GranateIdaho

Cuadro 5-6. Propiedades típicas de medios filtrantes comunes para filtros de lecho granular (6)

* En el caso del carbón virgen, con poros llenos de agua, la porosidad aumenta cuando absorbe lamateria orgánica.

Una vez determinado el valor de åi para cada subcapa considerada, la poro-sidad expandida de la arena o de la antracita podrá determinarse por la siguienteecuación:

εe = 1 - 1 / ∑ n i = 1 [Xi / (1 - εi )] (14)

Donde:

ε e = porosidad del medio filtrante expandidoε i = porosidad de la subcapa expandida (i)Xi = fracción, en peso, entre dos tamices consecutivos de la serie

granulométrica

El porcentaje de expansión del lecho expandido se calcula por la siguienteecuación:

E = ( εe- εo ) / (1- εe ) (15)

Donde:

ε o = porosidad inicial del lecho estático

4.2.4 Pérdida de carga en el lecho filtrante expandido

• La pérdida de carga en el medio filtrante expandido (hL1) resulta igual alpeso de los granos de cada material que compone el medio filtrante.


hL1 = (1 - εo ) . lo . (ρs - ρa) / ρa (16)

Donde:

lo = espesor del material filtrante no expandido (m)ε o = porosidad del material filtrante no expandidoρa = peso específico del aguaρ s = peso específico del material filtrante

• La pérdida de carga total en el medio filtrante expandido será la suma de lapérdida de carga en cada material que lo compone.

4.2.5 Pérdida de carga en las canaletas

• Será igual a la altura que alcance el agua de lavado sobre las canaletassecundarias para salir del filtro. Se calcula mediante la fórmula del vertede-ro rectangular:

hL2 = [Qd /1,84 (2nLc)] 2/3 (17)

n = número de canaletasLc = longitud de cada canaletaQd = caudal de diseño de la batería

4.2.6 Pérdida de carga en el drenaje de viguetas prefabricadas

• Una vez diseñado el drenaje y conociendo el numero de viguetas y de orifi-cios, definir el caudal por orificio.

qo = Qd / # total orificios

hL3 = qo2 / 2 Cd2 Ao2 g (18)

qo = caudal por cada orificio (m3/s)Cd = coeficiente de descarga (0,60 – 0,65)Ao = área de cada orificio (m2)g = aceleración de gravedad (m/s2)


4.2.7 Pérdida de carga en canales y orificios de compuertas

hL4 = K V2 / 2g (19)

K = coeficiente de pérdida de cargaV = velocidad de paso del caudal de lavado (m/s)

4.2.8 Cálculo del nivel del vertedero

• Se suman todas las pérdidas de carga importantes desde que el agua saledel canal de interconexión hasta que bordea la canaleta secundaria de re-colección: pérdida en la compuerta de salida o de aislamiento, pérdida en elfalso fondo, pérdida en los orificios del drenaje, en el lecho filtrante y alturade agua en el borde de la canaleta de recolección.

Carga necesaria para el lavado = hf compuerta de salida (si lahubiere)+ hf falso fondo + hf drenaje + hf en el lecho filtrante + hfcanaleta de lavado secundaria o principal

• El nivel del vertedero será igual al nivel del borde de las canaletas secunda-rias de lavado, más la carga necesaria para el lavado. En filtros pequeñosen los cuales no se tengan canaletas secundarias, esta carga se sumará alborde del canal principal.

Nivel del vertedero de salida de la batería = Nivel borde de lascanaletas de lavado + hf durante el lavado

4.3 Hidráulica del proceso de filtración

• En este punto es necesario definir la carga hidráulica a fin de que los filtrosestén preparados para operar con tasa declinante. La tasa declinante debeinstalarse durante la operación, para lo cual se requiere que el proyectistaincluya en su proyecto las instrucciones para la puesta en marcha de labatería.

• La carga hidráulica disponible en el sistema debe calcularse de tal maneraque la relación entre la tasa de filtración promedio (VF) y la máxima (VFmáx), que se produce en el momento en que el filtro limpio o recién lavadocomienza la carrera, no sea mayor de 1,5.

∑

∑


VF máx ≤ 1,5 VF (20)

• Para el cálculo de la carga hidráulica del sistema, se dispone de los modelosmatemáticos de Cleasby (7), Arboleda (8) , Di Bernardo (9, 10) y del mé-todo gráfico de Richter (11). Es necesario un cálculo cuidadoso de laspérdidas de carga en el filtro para definir esta altura, ya que si es insuficien-te, se obtendrán carreras de filtración muy cortas, y si se exagera su dimen-sión, se producirán velocidades iniciales muy altas en el filtro recién lavado,lo que deteriorará la calidad del efluente.

• Para la aplicación de los modelos matemáticos o gráficos, se requiere de-terminar la ecuación de la pérdida de carga en función de la tasa de filtra-ción, que en este caso es de la siguiente forma:

H = A (VF)2 + E(VF) + G (21)

Donde:

H = pérdida de carga total durante la carrera o carga hidráulica necesaria(m)

VF = tasa de filtración promedio (m3/m2 x d)A = igual a la suma de las constantes correspondientes a las pérdidas de

carga calculadas para la compuerta de entrada y los orificios del dre-naje.

E = constantes correspondientes al cálculo de la pérdida de carga en laarena y/o antracita.

G = constante correspondiente a la altura de agua en el vertedero de salidade la batería.

Para obtener esta ecuación, se calculan todas las pérdidas de carga inicia-les durante el proceso de filtración mediante los siguientes criterios:

4.3.1 Compuerta de entrada

hf1 = K V2 / 2g ; V = VF AF / AC (22)

AC = sección de la compuerta

hf1 = K (VF AF / AC) 2 / 2g (23)

Ecuación de la forma hf1 = A(VF)2


.61 -5 ar ugiF( od idn apxe o hc el led dadis oroP ε i

)aG( oelila

G ed oremún led nóicnuf ne ) 08,0 = e

C arap )eR( sdlonye

R ed oremún led y

)3(

017 7 5 3

0 16 7 5 3

0 15 7 5 3

0 14 7 5 3

0 13 7 5 3

0 12 7 5 3 1

019

87

65

43

201

23

27

65

49

801

39

87

65

43

2

dadicirefse ed et neic ifeoC

08, 0 = eC

)eR( sdlo nye

R e d o rem ú

N

Número de Galileo (Ga)

εi=

0,46

0,55

0,65 0,75 0,90


.71-5 arugiF odidnapxe ohcel led dadisoroP

)iε()a

G( oelilaG ed ore

mún led nóicnuf ne 07,0 = e

C arap )eR( sdlonye

R ed oremún led y

)3(

017 7 5 3

016 7 5 3

015 7 5 3

014 7 5 3

013 7 5 3

012 7 5 3 1

0 19

87

65

43

201

23

27

65

49

801

39

87

65

43

2

dadicirefse ed etn eic ifeoC

07,0 = eC

)eR ( sdlon ye

R ed oremú

N

Número de Galileo (Ga)

εi=

0,45

0,55

0,65 0,75 0,90


4.3.2 Drenaje

hf2 = qo2 / (2 Cd2 Ao2 g) (24)

Ecuación de la forma hf2 = A (VF)2

4.3.3 Medio filtrante: arena y/o antracita

hf3 = 150 ν /g . [ (1 - εo )2 /εo

3 ]. (1 / Ce2) . ∑ Xi / di2 . L .VF (25)

Donde:

ν = viscosidad cinemática (m2/s)Ce = coeficiente de esfericidadL = espesor del medio filtrante (m)

Ecuación de la forma hf3 = E (VF)

4.3.4 Vertedero de salida

hf4 = (Qd / 1,84 Lr)2/3 (26)

Donde:

Qd = Caudal de operación de la batería de filtrosLr = longitud de cresta del vertedero general

• Obtenida la ecuación de pérdida de carga del filtro, se puede determinar lacarga hidráulica que se debe asignar a la batería de filtros, de modo que,cuando un filtro recién lavado entre en funcionamiento, la velocidad máxi-ma que se dé en estas condiciones, no sea mayor de 1,5 veces la velocidadde filtración promedio. Esta medida de control es para evitar que la calidaddel efluente producido en estas condiciones se deteriore.

• Este cálculo se efectúa por interacciones, asumiendo diferentes valores decarga y comprobando cuál es la relación de tasa máxima/tasa promedioque se obtiene para cada caso, hasta obtener la relación recomendada.


• La carga hidráulica calculada se fija en la instalación por encima del verte-dero de salida y se limita colocando un aliviadero en el canal de entrada a labatería. El nivel de la cresta del aliviadero debe coincidir con el nivel máxi-mo de operación calculado.

5. APLICACIÓN

El dimensionamiento de la batería de filtros debe empezar por la búsquedadel banco de arena más cercano, capaz de proporcionar el mayor porcentaje dematerial que se ajuste a las características recomendadas para filtros rápidos.

Para iniciar este estudio de caso, hemos elegido la arena que se especificaen las columnas 1 y 2 del cuadro 5-7. Mediante el procedimiento indicado ante-riormente, seleccionaremos la antracita, que proporciona un grado de intermezclade alrededor de 3.

El tamaño mayor de la antracita deberá ser de 0,56 x 3 = 1,68 mm y eltamaño efectivo correspondiente de 1,68/2 = 0,84 mm. Como el espesor de capade antracita debe ser 2/3 de la altura total del lecho filtrante, será de 0,50 m. En lascolumnas 3 y 4 del cuadro 5-7 se indica la antracita seleccionada para iniciar elestudio.

Como hemos elegido filtros de lecho doble, podemos seleccionar una velo-cidad de filtración de alrededor de 240 m3/m2/d. En el cálculo hemos incrementadola velocidad partiendo de 240 m3/m2/d hasta obtener un número exacto de cuatrofiltros y hemos supuesto una velocidad de lavado de 0,70 m/min. Véase el cuadro 5-8.

Cuadro 5-7. Lecho filtrante seleccionado (1)

Con las dimensiones de las cajas de los filtros determinadas en el cuadro decálculo, esquematizamos la batería de filtros de las figuras del 5-18 al 5-20.

Espesor de la capa (m) 0,30 Espesor de la capa (m) 0,50Tamaño efectivo (mm) 0,56 Tamaño efectivo (mm) 0,84Coeficiente de uniformidad 1,4 Coeficiente de uniformidad 1,50Tamaño máximo (mm) 1,41 Tamaño máximo (mm) 1,68Tamaño mínimo (mm) 0,42 Tamaño mínimo (mm) 0,70

Características de la antracita Características de la arena


En el papel granulométrico de la figura 5-21, podemos apreciar el materialfiltrante seleccionado y cómo se determina el porcentaje de altura de materialcomprendido ente las mallas. Con los valores de x1 a xn determinados para cadamaterial, entramos al cuadro 5-9, donde calculamos la expansión del medio filtrantecon la velocidad de lavado seleccionada.

Como la expansión se encuentra entre 25% y 30%, tanto en el caso de laarena como en el de la antracita, la velocidad de lavado supuesta es correcta.Entonces, procedemos a calcular y ubicar las canaletas de lavado secundarias y aestimar las pérdidas de carga durante el lavado para ubicar el vertedero de lavado.

Figura 5-18. Vista en planta de la batería de filtros para 200 L/s materiade la aplicación (1)

Figura 5-19. Vista en elevación de las cajas de la batería de filtros materiade la aplicación (1)

Canal de distribución agua decantada

AA


1,00

3,30

0,60

0,80

0,80 0,80 0,80 0,80

2,60 2,60 2,60 2,60 2,60 2,60 2,60 2,60

F-1

F-2

F-3

F-4

6,20

0,520,250,50

0,82

1,11

0,30

3,80

0,40

6,206,206,20

2,40 2,401,20


Caudal

Velocidadascensionalde lavado

Velocidad defiltraciónpromedio

Q = 0,200

Va = 0,70

VF = 252

m3/s

m/min

m3/m2/día

AF = Q/Va

AT = Q/VF

N = AT/AF

AF = 0,200 x 60/ 0,70AF = 17,143(3,30 x 5,19)

AT = 0,200 x 86.400/252AT = 68,572

N = 68,572/ 17,143N = 4

Área decada filtro

Área totalde filtrosNúmerode filtros

m2

m2

1

2

Paso Datos Cantidad Unidad CriteriosUni-dad

Cálculos Resul -tados

Figura 5-20. Corte transversal de un filtro y canales de la bateríade 4 filtros para 200 L/s materia de la aplicación (1)

Cuadro 5-8. Dimensionamiento de la batería de filtros (1)

0,00

2,58


Figura 5-21. Granulometría del medio filtrante seleccionado (1)

99

90

80

70

60

75

50

40

30

20

10

10,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,70,80,9 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Arena

x = 0,047

x = 0,096

x = 0,215

x = 0,264

x = 0,243

x = 0,102

x = 0,061

Antracita

Tamaño granosNúmero de mallas

0,15 0,18 0,21 0,25 0,30 0,35 0,42 0,50 0,59 0,70 0,83 1,00 1,17 1,41 1,65 2,00 2,38 2,83 3,36 4,00 4,7 5,5 6,6 0,72 8,00

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,70,80,9 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1003,5100 80 70 60 50 3545 32 28 24 20 18 14 12 10 810 7 6 5 4 3 2,5

x = 0,066

x = 0,155

x = 0,294

x = 0,283

x = 0,162

x = 0,071


Cua

dro

5-9.

Cál

culo

de l

a ex

pans

ión

del l

echo

filtr

ante

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2)(0

,50)

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0,4

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Diá

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ásd 2

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50m

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= 1

.000

kg/m

3G

a =

De3 ñ

a (ñ

s - ñ

a)g

Ga =

[0,4

58(1

0)-3

]3 x1.

650x

103 x

9,8

Núm

ero

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alile

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l agu

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[1,1

1(10

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Peso

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kg/m

3G

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1,

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9,81

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0,7

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0045

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1.00

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i) =

0,0

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0,68

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0,8

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vo:

åi =

0,6

8xi

/(1

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= 0

,188

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cap

a de

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5Fr

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10 y

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11 y

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filtr

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s 5-

15,

5-16

y 5

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la c

apa

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Del

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5-10

se

2,25

1å e =

1 –

[1/

∑ x

i (1-

åi)]

å e = 1

– [

1/ 2

,251

]Po

rosi

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0,5

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å’e=

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i)]å’

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rosi

dad

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aob

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Cri

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Res

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dos

Uni

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d


Cua

dro

5-9.

Cál

culo

de l

a ex

pans

ión

del l

echo

filtr

ante

, sel

ecci

ón d

e la

velo

cida

d de

lava

doy

ubic

ació

n de

las c

anal

etas

de l

avad

o (1)

(con

tinua

ción

)

8Po

rosi

dad

de l

aå o

= 0

,42

E =

(å e–

å o)/(1

–åe)

E =

0,

56 –

0,4

2/ (

1 –

0,56

)Po

rcen

taje

de

aren

a lim

pia

E =

0,

31;

E

= 3

1%ex

pans

ión

prom

edio

de l

a ar

ena

9Po

rosi

dad

de l

aå’

o =

0,4

5E’

=(

å’e–

å’o)/

(1–å

’ e)E’

=0,

57 –

0,4

5/(1

– 0

,57)

Porc

enta

je d

e ex

pans

ión

antr

acita

lim

pia

E’ =

0,2

8;

E =

28%

prom

edio

de

la a

ntra

cita

Le =

L(1

+ E

) +

Le =

0,3

0 (1

+ 0

,31)

+ 0

,50

Altu

ra d

el l

echo

filt

rant

em

L’(1

+ E

’)(1

+ 0

,29)

expa

ndid

oLe

= 0

,393

+ 0

,645

= 1

,038

10N

úmer

o de

can

alet

asN

3 = 2

Qc

= 1

,3 Q

/ N3

Qc

= 1

,3 [

0,20

0 x

60/2

]C

auda

l qu

e r

ecol

ecta

m3 /m

inde

rec

olec

ción

del

Qc

= 7

,8ca

da c

anal

eta

agua

de

lava

do

11A

ltura

útil

de

las

ho =

0,3

5m

W =

Qc/

82,

5 ho

3/2

W =

7,8

/ 82

,5 (

0,35

)3/2

Anc

ho d

e la

s ca

nale

tas

mca

nale

tas

de l

avad

oW

= 0

,46

de l

avad

o

12H

= 1

,5 h

o +

0,1

0H

= 0

,525

+0,

10A

ltura

tot

al d

e ca

nale

tas

mH

3 =

0,6

25de

lava

do m

ás lo

sa d

efo

ndo

13A

ltura

del

fal

soH

1 =

0,4

0m

Hc

= H

1 + H

2 + L

eH

c =

0,40

+0,

52+

1,03

8+0,

625

Altu

ra d

el b

orde

de

lam

fond

o+

H3

Hc

= 2

,583

cana

leta

de

lava

do14

Altu

ra d

el d

rena

jeH

2 =

0,5

2m

con

resp

ecto

al

fond

om

ás l

a gr

ava

del

filtr

o

15A

ltura

del

lec

hoH

3 =

0,8

0m

filt

rant

e

Pas

oD

atos

Cri

teri

osC

álcu

los

Uni

dad

Res

ulta

dos

Can

tida

dU

nida

d


Cuadro 5-10. Cálculo de la expansión de la arena para Ce = 0,80 (1)

Cuadro 5-11. Cálculo de la expansión de la antracita para Ce = 0,70 (1)

2,00 2,38 2,182 0,05 50.939 25,5 0,44 0,0891,65 2,00 1,817 0,15 29.404 21,2 0,50 0,3001,41 1,65 1,525 0,29 17.406 17,8 0,55 0,6441,17 1,41 1,284 0,28 10.393 15,0 0,58 0,6591,00 1,17 1,082 0,16 6.208 12,6 0,63 0,4270,83 1,00 0,911 0,07 3.709 10,6 0,68 0,219

1,00 2,338

di mín di máx De(mm) (mm) (mm)

xi Ga Re εεεεεi xi/(1-εεεεεi)

1,17 1,41 1,284 0,04 34.297 15,0 0,40 0,0671,00 1,17 1,082 0,09 20.485 12,6 0,45 0,1640,83 1,00 0,911 0,21 12.240 10,6 0,50 0,4200,70 0,83 0,762 0,26 7.168 8,9 0,55 0,5780,59 0,70 0,643 0,24 4.296 7,5 0,58 0,5650,50 0,59 0,543 0,10 2.593 6,3 0,63 0,2700,42 0,50 0,458 0,06 1.558 5,3 0,68 0,188

1,00 2,251

di mín di máx De(mm) (mm) (mm)

xi Ga Re εεεεεi xi/(1-εεεεεi)


Cua

dro

5-12

. Cál

culo

de l

as p

érdi

das d

e car

ga d

uran

te el

lava

do d

e un

filtr

oy u

bica

ción

del

vert

eder

o de s

alid

a (1

)

1D

ensi

dad

de l

a ar

ena

ñs =

2,6

5g/

cm3

Pérd

ida

de c

arga

en

lam

Den

sida

d de

l agu

aña

= 1

,00

g/cm

3 a

rena

dur

ante

el

lava

doEs

peso

r de

la

capa

L =

0,3

0m

hf =

0,2

9de

are

naPo

rosi

dad

de l

a ar

ena

å o = 0

,42

2D

ensi

dad

de la

ñant

= 1

,5g/

cm3

Pérd

ida

de c

arga

en

lam

antr

acit

aan

trac

ita d

uran

te e

l la

vado

Poro

sida

d de

la

å’o =

0,4

5h’

f =

0,1

4an

trac

ita

3Es

peso

r de

la

capa

L’ =

0,5

0m

hf1

= 0

,29

+ 0

,14

Pérd

ida

de c

arga

tot

alm

de a

ntra

cita

hf1

= 0

,42

en e

l le

cho

filtr

ante

dura

nte

el l

avad

o4

Anc

ho d

e ca

da f

iltro

B =

3,3

0m

N1 =

B/b

N1

= 3

,30

/ 0,

30N

úmer

o de

vig

ueta

del

Anc

ho d

e ca

da v

igue

tab

= 0

,30

mN

1 = 1

1dr

enaj

e5

Esp

acia

mie

nto

entr

ee

= 0

,10

mN

2 =

2c/e

N2

=2(

5,20

) /

0,10

Núm

ero

de o

rific

ios

enor

ific

ios

N2

= 1

04ca

da v

igue

taLo

ngitu

d de

cad

ac

= 5

,20

mvi

guet

a6

NT

= N

1 N2

NT

= 1

1(10

4)N

úmer

o to

tal

de o

rifi

cios

NT

= 1

.144

en e

l dr

enaj

e7

qo =

Q/ N

Tqo

= 0

,200

/ 1

.143

Cau

dal

de l

avad

o po

rm

3 /sqo

= 1

,75(

10)-4

orif

icio

8D

iám

etro

de

los

do =

¾”

pulg

adas

Ao =

ð d

o2 / 4

Ao =

3,14

16(0

,019

)2 / 4

Are

a de

los

orif

icio

sm

2

orifi

cios

del

dre

naje

do =

0,0

19m

Ao =

2,8

5(10

)-4de

l dr

enaj

e

Pas

oD

atos

Cri

teri

osC

álcu

los

Uni

dad

Can

tida

dR

esul

tado

sU

nida

d

()

Lρaρa

ρsε

1hf

ο⎟⎟ ⎠⎞

⎜⎜ ⎝⎛−

−=

()

0,30

11

2,65

0,42

1hf

⎟ ⎠⎞⎜ ⎝⎛

−−

=

()

0,50

11

1,5

0,45

1h´

f⎟ ⎠⎞

⎜ ⎝⎛−

−=


uadr

o 5-

12. C

álcu

lo d

e las

pér

dida

s de c

arga

dur

ante

el la

vado

de u

n fil

tro

y ubi

caci

ón d

el ve

rted

ero d

e sal

ida

(1) (

cont

inua

ción

)

9C

oefic

ient

e de

des

car-

Cd

= 0

,65

hf2 =

qo2

hf2 =

(0,0

0017

5)2

Pérd

ida

de c

arga

en

los

mga

de

los

orifi

cios

2g(

Cd.

Ao)2

(9,8

1)(0

,65)

2 (0,0

0019

)2or

ifici

os d

el d

rena

jeA

cele

raci

ón d

e la

g =

9,8

1m

/s2

hf2

= 0

,05

grav

edad

10A

ncho

lib

re d

el c

anal

4,80

mAF

F =

H1 C

AFF

= 0

,40

(4,8

0)Se

cció

n tra

nsve

rsal

del

m2

del

fals

o fo

ndo

AFF

= 1

,92

fals

o fo

ndo

11VF

F =

Q/A

FFVF

F =

0,2

00 /

1,92

Velo

cida

d en

el

fals

o fo

n-m

/sVF

F =

0,1

04do

dur

ante

el

retr

olav

ado

12C

oefi

cien

te d

eK

= 1

hf3 =

K V

FF2 /2

ghf

3 =

(0,

104)

2 (1)

/19,

6Pé

rdid

a de

car

ga e

n el

pérd

ida

de c

arga

en

hf3

= 5

,53

(10)

-4fa

lso

fond

o du

rant

e el

el f

also

fon

dore

trol

avad

o

13Ve

loci

dad

en l

aVc

2 =

1,5

0m

/shf

4 = K

Vc2 /2

ghf

4 =

(1)

(1,5

0)2

/19,

6Pé

rdid

a de

car

ga e

nm

com

puer

ta d

e sa

lida

hf4

= 0

,115

la c

ompu

erta

de

salid

adu

rant

e el

ret

rola

vado

14m

hf5 =

1,3

Q 2/

3 /hf

5= [

1,3(

0,2)

2/3 ]

/(1,

84(2

)A

ltura

de

agua

sob

re la

sm

(1,8

4 (2

N3)

C)

(2)(

5,20

))ca

nale

tas

de r

ecol

ecci

ónhf

5 =

0,0

4

15hf

lav

ado

= h

f 1+ h

f 2hf

lav

ado

= 0

,42

+ 0

,05

Pérd

ida

de c

arga

m+

hf 3+

hf 4+

hf 5

+ 0

,000

553

+ 0

,115

+ 0

,04

tota

l du

rant

e el

hf l

avad

o =

0,6

3re

trol

avad

o

16hv

= h

c +

hf

lava

dohv

= 2

,58

+ 0

,63

Niv

el d

el v

erte

dero

que

mhv

= 3

,21

cont

rola

la

hidr

áulic

a de

lla

vado

, co

n re

spec

to a

lfo

ndo

del

filtr

o

Pas

oD

atos

Cri

teri

osC

álcu

los

Uni

dad

Res

ulta

dos

Uni

dad

Can

tida

d


ed etneicifeoC

1fh

8,0 = E

C1

)oε-1([ .g/v0 51=

2fh

/1

.]189/)100,0(081[=

mclaicini agrac ed adidréP

dadicirefseo ε

3e

C /1 .]2

)24,0-1([.

2)24,0(/

3 ]ne anera ed apac al ne

es 41-5 orda uc leD

2 FV . L

4,794.700.2∑

id / i X 2

)8,0(/1[2

/)03()4,794.700.2([ ]d adicolev al ed nóicnuf

rolav le amot

FV]004.68

nóicartlif ed∑

id /iX 2

d adi soc siV

310 0,0

= vmc

2s/

fh1

)01(65,7 =

4-FV

e d et neic if eoC

4fh

7, 0 = E

C2

.]189/)100,0(081 [=

mlaicini agrac ed adid réP

dadi cirefse)54,0-1([

2)54,0(/

3 ]ne ,aticartna al ne

es 51-5 ordau c leD

58,624 .175

)7,0(/1[2

/)05()8,624.175([ ]dadicolev al ed nóicnuf

rolav le amot

FV]004.68

nóicartlif ed∑

id /iX 2

atulo sba d ad iso csiV

610 0,0

m /s/gk2

fh2

)0 1(34, 3 =

4-FV

7004.68( / )FV 41,71(

= oq0 04 .68 /fA.fV

= oqm

ed oicifiro rop laduaC

3s/

t Nx

)341.1 le etnarud ejanerd

) 01( 4 7,1 = oq

7-FV

ne ,n ói cart lif e d ose cor pdadicolev al ed nóicnuf

nóicartl if ed

8f

H3

o q =

2dc2 /

2oA

2fh

g3

)01( 47,1[ =

4-]FV

2 /m

ne agr ac ed adidr éP)56,0()8,9(2[

258,2[

x)01(

4-]]

-ecorp le etnarud ejanerdf

H3

)01(84,4 =

8-FV

2al ed nóicnuf ne os

nóicartlif ed dadicolev

al ne dadicole V9

c V1

82, 1 =

s/m

cA1

= cA

c V N /

Q 3,1=

82,1 )4(/ )002,0(3,1m

atreupm oc al ed nóicce S

2

ad artne ed atre upmoc

; 50,0 = cA

φ01

= n

adartne ed

o saP

sotaD

soiretirC

solucláC

da dinU

sodatluseR

dadit naC

dadinU

aíretab al ereiuqer euq aciluárdih agrac al raluclac arap nóicauce al ed nóicanimrete

D .31-5 ordauC

etnanilced asat noc rarepo arap )1(


Apl

ican

do e

l pro

gram

a de

cál

culo

de

Di B

erna

rdo

(9, 1

0) a

la e

cuac

ión

Ht =

8,23

(10)

-7 V

F2 + 1

,10

(10)

-3 V

F +

0,2

3, se

obt

iene

que

la c

arga

hidr

áulic

a pa

ra la

cua

l F =

1,5

es d

e 0,

48 m

, sie

ndo

N1=

0,3

9 m

(sob

re e

l ver

tede

ro d

e la

vado

) el n

ivel

de

inic

io d

el c

iclo

de

filtra

ción

ent

re e

lla

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de

un fi

ltro

y el

sigu

ient

e, d

e ta

l mod

o qu

e la

osc

ilaci

ón d

e ni

vele

s ent

re N

1 y

N2

sola

men

te e

s de

0,09

m.

Por l

o ta

nto,

la a

ltura

tota

l del

filtr

o se

rá ig

ual a

:

3,21

m a

ltura

del

ver

tede

ro d

e sa

lida,

0,48

m d

e car

ga h

idrá

ulic

a0,

21 m

, bor

de li

bre

∑ to

tal:

3,90

m a

ltura

tota

l de

la c

aja

del f

iltro

.

Cua

dro

5-13

. Det

erm

inac

ión

de la

ecua

ción

par

a ca

lcul

ar la

carg

a hi

dráu

lica

que r

equi

ere l

a ba

terí

a p

ara

oper

ar co

n ta

sa d

eclin

ante

(1) (

cont

inua

ción

)

9C

oefi

cien

te d

eK

= 1

Hf 4 =

KVc

2 1 /2g

Hf 5=

(1)

(17

,14)

2 Vf2

/Pé

rdid

a de

car

ga e

n la

mpé

rdid

a de

car

ga e

n(0

,05)

2 (86

.400

)2 19,

6co

mpu

erta

de

entr

ada

la c

ompu

erta

Hf 4

= 7

,78(

10)-7

VF2

10Lo

ngitu

d de

cre

sta

L 2 = 1

mH

f 7 =

Q /

(1,8

4L2)

Hf 7

=0,

200/

(1,8

4 x

1)2/

3A

ltura

de

agua

en

elm

del

verte

dero

de

Hf 7

= 0

,23

verte

dero

de

salid

a en

salid

afu

nció

n de

VF

11H

T =

∑ H

fH

t =8,

23 (

10)-7

VF2

+C

arga

hid

rául

ica

disp

onib

lem

1,10

(10

)-3 V

F +

0,2

3pa

ra e

l pr

oces

o

Pas

oD

atos

Cri

teri

osC

álcu

los

Uni

dad

Res

ulta

dos

Can

tida

dU

nida

d


2,00 2,38 4,76 0,05 10.504,21,65 2,00 3,30 0,15 45.454,61,41 1,65 2,33 0,29 124.650,81,17 1,41 1,65 0,28 169.727,81,00 1,17 1,17 0,16 136.752,10,83 1,00 0,83 0,07 84.337,4

1,00 571.426,8

di (mín) di (máx) di2 xi xi/di2

Cuadro 5-14. Cálculo de ∑ x/di2 para la capa de arena (1)

Cuadro 5-15. Cálculo de ∑xi/di2 para la capa de antracita (1)

1,17 1,41 1,65 0,04 24.246,81,00 1,17 1,17 0,09 76.923,00,83 1,00 0,83 0,21 253.012,00,70 0,83 0,58 0,26 447.504,30,59 0,70 0,413 0,24 581.113,80,50 0,59 0,295 0,10 338.983,00,42 0,50 0,21 0,06 285.714,3

1,00 2.007.497,4

di (mín) di (máx) di2 xi xi/di2


6. CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE PLANTAS DE FILTRACIÓNDIRECTA

Este tipo de tratamiento es muy sensible a las variaciones de turbiedad ycolor, por lo que se recomienda tener un conocimiento muy completo de las carac-terísticas de la fuente y de todas las variaciones de la calidad del agua antes deadoptarlo como solución. El tiempo de retención es de apenas unos pocos minu-tos, por lo que durante la operación no hay margen para atinar a actuar en casosde emergencia. Se debe prever desde el nivel de diseño la necesidad de unmonitoreo constante de los parámetros de calidad de agua.

Su aplicación más ventajosa y generalizada es como alternativa para épo-cas de aguas claras, en fuentes con fuertes variaciones estacionales. En estoscasos, las plantas se diseñan de tal modo que en la época lluviosa se opera confiltración rápida completa, y en la época seca, con filtración directa (figura 5-22).

6.1 Parámetros de diseño

Esta alternativa de tratamiento está constituida básicamente por dos proce-sos: mezcla rápida y filtración de flujo descendente. Con aguas de calidad varia-ble, puede ser necesaria una floculación corta de 8 a 10 minutos, para mejorar laremoción de turbiedad y color, y reducir el periodo de duración del traspase inicialdel filtro.

• Se recomiendan para el pretratamiento gradientes de velocidad (G) de 1.000s-1 y tiempos de retención mayores de 5 segundos para la mezcla rápida.Para la floculación, gradientes de velocidad de 50 s-1 a 100 s-1 y tiempos deretención de 5 a 10 minutos.

• Investigaciones realizadas por Hutchison, Dharmarajah y Treweek mues-tran que la prefloculación previa a la filtración mejora la remoción de tur-biedad y el filtrado inicial, aunque también tiene sus desventajas, como lareducción de las carreras de filtración y el mayor costo inicial por la cons-trucción del floculador y por la operación y mantenimiento.

• La prefloculación es necesaria cuando se tienen aguas claras con variacio-nes horarias, generalmente aguas provenientes directamente de ríos. En elcaso de que el agua provenga de un lago o laguna, o se tenga una represa o


embalse intermedio, este servirá para atenuar las variaciones, lo que gene-rará un agua de características más estables.

• Los parámetros de la prefloculación se pueden determinar en el laboratorio,aplicando la metodología indicada en “Determinación de parámetros de fil-tración directa” (Tratamiento de agua para consumo humano. Plantasde filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo II, capítulo 11, “Criteriospara la selección de los procesos y de los parámetros óptimos de las unida-des”).

• Lo más recomendable, siempre que los recursos disponibles lo permitan, esinstalar un filtro piloto de operación continua para determinar la influenciadel pretratamiento y la granulometría del medio filtrante en la duración de lacarrera de filtración.

6.2 Dosificación

• Se consiguen condiciones de operación adecuadas con dosis óptimas me-nores de 10 mg/L y conteo de algas menor de 200 mg/m3. Con concentra-ciones mayores se obtienen carreras de filtración cada vez más cortas.

• Cuanto mayor sea la dosis de coagulante y/o de auxiliar de coagulación,menor será la duración de la carrera de filtración, debido al incremento dela tasa de crecimiento de la pérdida de carga y a un prematuro traspasefinal, con el consiguiente deterioro del efluente.

• Con sulfato de aluminio, la dosis óptima varía poco para una faja relativa-mente amplia de valores de turbiedad. Dosis mayores que la óptima nocausan deterioro del efluente pero disminuyen la duración de la carrera.Remueve fácilmente el color verdadero en un rango de pH de 5,7 a 6,5 y de7,5 a 8,5 para turbiedad. Valores mayores producen un aumento del alumi-nio soluble en el efluente. Las dosis típicas son menores de 10 mg (4).

• El cloruro férrico requiere dosis menores que el sulfato de aluminio paraproducir un efluente de la misma calidad. Sin embargo, la naturaleza corro-siva del producto puede causar problemas. Con un pH entre 8,0 y 8,3, elresidual de hierro se ubica bajo el orden de 0,05 mg/L (4).


• Los polielectrolitos catiónicos producen carreras de filtración más largassin la ocurrencia del traspase final. La dosis óptima es difícil de seleccionar.El periodo inicial hasta obtener un buen efluente es más largo y no es muybuena la eficiencia de remoción de color verdadero y de turbiedad.

• Muchos trabajos de investigación han demostrado que los polielectrolitosaniónicos y no iónicos, con el sulfato de aluminio o con el cloruro férrico,pueden conducir al éxito en el empleo de la filtración directa. Investigacio-nes recientes muestran que el uso de polímeros naturales como el almidónde papa, conjuntamente con el sulfato de aluminio, reducen la ocurrenciaprematura del traspase final y mejoran la calidad del agua filtrada, aunquedisminuyen la duración de la carrera de filtración.

• La dosis óptima de coagulante para filtración directa se puede determinarmediante el procedimiento de laboratorio indicado en “Determinación deparámetros de filtración directa”, Tratamiento de agua para consumohumano. Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo II, cap. 11.

• El método más recomendable para determinar la dosis óptima de coagulantees el uso de un filtro piloto con características idénticas a las de la planta detratamiento.

• La determinación de la dosis óptima de polielectrolito o polímero naturaldebe ser investigada a través del análisis de la curva de desarrollo de lapérdida de carga y de la calidad del agua filtrada en la interfaz antracita-arena cuando el lecho es mixto o doble. El rápido desarrollo de la pérdida decarga con producción de agua de buena calidad indica una dosis excesivade polímero, mientras que la tendencia al traspase (ruptura del flóculo) se-ñala que la dosis utilizada es inferior a la óptima.

• El potencial zeta y el pH del agua coagulada son parámetros importantes enel control del proceso de tratamiento, pues el principal mecanismo de coa-gulación en este caso es el de adsorción, con el cual se utilizan dosis decoagulante inferiores a las empleadas en una planta convencional, donde loque se desea es la producción del mecanismo de barrido para optimizar lasedimentación. Véase el “Diagrama de coagulación para filtración direc-ta”, sección 1.8 del capítulo 4 “Coagulación”, Tratamiento de agua paraconsumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría.


Características Arena Antracita

6.3 Características del medio filtrante

• El medio filtrante recomendado en estos casos es de granos gruesos, paraasegurar la obtención de carreras más largas. Pueden utilizarse lechos sim-ples de arena o de arena y antracita, o lechos dobles. Véase el cuadro 5-16.

Cuadro 5-16. Características de lechos simples (4)

Espesor de la capa (m) 1,5 – 2,0Tamaño efectivo (mm) 1,17 a 1,65Coeficiente de uniformidad ≤ 1,5Tamaño máximo (mm) 2,38Tamaño mínimo (mm) 1,0

Este tipo de lecho se utiliza cuando se necesita operar con tasas de filtra-ción muy elevadas.

Cuadro 5-17. Características de los lechos dobles (4)

Espesor de la capa (m) 0,20 – 0,50 0,40 a 1,0Tamaño efectivo (mm) 0,50 – 0,83 1,0 – 1,3Coeficiente de uniformidad ≤ 1,5 ≤ 1,5Tamaño máximo (mm) 1,41 2,38Tamaño mínimo (mm) 0,42 0,70

6.4 Tasa de filtración

La tasa de filtración debe fijarse en relación con la granulometría del mediofiltrante, la calidad del agua cruda y las dosis de sustancias químicas utilizadas.Esta decisión debe tomarse preferentemente a partir de un estudio con filtrospiloto, variando las tasas de filtración y el medio filtrante y evaluando la calidad delefluente y duración de la carrera hasta conseguir condiciones de operación apro-piadas.


Figura 5-22(a). Modelo de una planta de filtración directa con prefloculación

Figura 5-22(b). Perfil hidráulico de la planta de filtración directa

Comunicacióncon resto de cisterna

Tapa de Inspección0,80 x 0,80 m

Tubería PVC

,30

,30

,30

,30

,80

,30

,30

1,00

,60

,903,00

Tubería PVC

1,00

1,00

,30

,30

,30

1,00

1,50 1,24,25,253,20

,25

,30

15,0010,29

,25

1,20

,30

,20

1,20

,20

,20

,40

,20

1,40

1,00

,3014,50

13,99

Tapa de Inspección0,80 x 0,80 m

Válvulacompuertaø 250 mm

Vereda

Vere

da

Cámara de contacto (dentro de cisterna)



Filtro3

Filtro2 Filtro

1

Filtro4

Canal de distribución de agua floculada

Floculador

Mez

cla

rápi

da

B

A3

Vereda

VálvulaMariposaø 300 mm


La literatura presenta resultados de investigaciones efectuadas con un ran-go de tasas de filtración de 120 a 360 m3/m2/d.

Un criterio muy importante que debe tenerse en cuenta al efectuar la selec-ción de la tasa de filtración son los recursos locales existentes para operar ymantener el sistema. Teniendo en cuenta el periodo de retención tan corto de estetipo de planta (solo mezcla y filtración) y lo vulnerables que son los filtros a unaoperación y mantenimiento deficientes, se recomiendan tasas de operación muyconservadoras, del orden de 120 a 160 m3/m2/d para arena sola y de 180 a 240 m3/m2/d para lechos dobles.

6.5 Control de calidad

Como el tiempo de retención es muy corto, se recomienda, por seguridad,un monitoreo constante del agua filtrada y del agua cruda, de modo que apenas elefluente total presente una turbiedad igual o superior a 0,3 UNT, el filtro que haestado funcionando por más tiempo sea retrolavado, sin importar cuál sea la pér-dida de carga en ese momento. Para que la operación pueda efectuarse de estamanera, durante el diseño deben tenerse en cuenta las instalaciones y equiposnecesarios para llevar a cabo un minucioso control de calidad del afluente y delefluente de la planta.

7. FUNCIONAMIENTO DE LA BATERÍA DE FILTROS DE TASADECLINANTE

La figura 5-23 muestra una batería de filtros de tasa declinante y lavadomutuo para caudales superiores a 100 L/s.

Figura 5-23. Diseño en planta de batería de filtros de tasa declinante paraplantas de medianas a grandes


En esta batería se puede observar que la canaleta principal de recolecciónde agua de retrolavado se ha colocado en medio del lecho filtrante. Con estadistribución, si el ancho de lecho a ambos lados de la canaleta es menor de 2metros, se evita colocar canaletas secundarias y la altura del filtro es menor.

Como se puede observar, la vehiculación del agua se efectúa mediantecanales. Se omiten las galerías de tubos y todo el instrumental que estas incluyeny que normalmente representa 60% del costo del sistema. El canal de distribuciónde agua decantada es común a todos los filtros y es requisito, para operar con tasadeclinante, que las compuertas de ingreso de agua decantada a cada una de lasunidades se ubiquen por debajo del nivel mínimo de operación.

Figura 5-24. Corte transversal de una batería grande de filtros que incluyecanaletas secundarias para recolectar el agua de retrolavado

El canal inmediato a la salida de los filtros sirve para aislar una unidaddurante el mantenimiento, cerrando la compuerta que lo comunica con el canal deinterconexión y la válvula de ingreso de agua decantada.

El canal de interconexión es el que comunica a todos los filtros a través delas compuertas de salida. Mediante este canal se establece el lavado con el flujode toda la batería. Al cerrar el ingreso de agua decantada y abrir la salida de agua

Canal de recolecciónde agua filtrada

N. 4,100N. 4,100

Canal dedistribución

de aguadecantada

N. 4,250N. 4,350

N. 0,000

N. Min-3,880

0,250

N. Max-3,950

N. 3,500N. 3,500

Canal derecolección

de aguade lavado

N. 2,415 N. 2,450

0,250

Canal recolección

de desagües

Arena

Grava

Falso fondode filtros

N. 0,100

0,500

0,800

0,215

0,600

0,400


Compuertade salida

N. 1,250



de retrolavado en el filtro más sucio de la batería, el nivel del agua en este empiezaa bajar, y cuando la altura de agua es menor que la posición del vertedero decontrol de salida de la batería (ver el tercer canal de la figura 5-24), el flujo deja depasar por el vertedero, se invierte e ingresa al filtro que está en posición de lavadoa través de la compuerta de salida.

La velocidad de lavado se establece gradualmente a medida que el agua sedesplaza en los canales, lo cual impide que se produzcan cambios bruscos quepudieran ocasionar pérdida del lecho filtrante. La velocidad de lavado se estable-ce al pasar el caudal de proyecto de la batería a través de la sección del filtro, loque produce una expansión promedio de 25 a 30%. En la caída del vertedero desalida (figura 5-24) se aplica la dosis de cloro y, mediante la cámara de contactoconsiderada después, se le da un tiempo de retención complementario al que estádisponible en el sistema, antes de la primera conexión domiciliaria.

En el canal de desagüe del agua de retrolavado, se ubica una válvula decompuerta para vaciar totalmente la unidad (figura 5-24).

En las plantaspequeñas el diseño dela batería se simplifi-ca reduciendo el nú-mero de canales (figu-ra 5-25). Se omite elcanal de aislamiento yde vaciado total; elcanal de interconexiónse ubica en el falsofondo de las unidades(corte A-A).

Al diseñar losfiltros alargados de talmodo que la distancia perpendicular a la canaleta no sea mayor de 2 metros (figu-ra 5-25), se pueden omitir las canaletas secundarias de recolección de agua delavado y, por consiguiente, disminuir en aproximadamente un metro la altura delfiltro. Con anchos del lecho mayores de 2 metros, se dificulta el transporte delsedimento y es necesario considerar canaletas secundarias, como se aprecia en lafigura 5-13.

Figura 5-25. Batería de filtros de pequeñacapacidad de producción

Vertederogeneral

Grava

Arena


Corte A-A


En esta solución no es posible sacar una unidad de operación para darlemantenimiento sino que debe parar toda la batería. Para estas situaciones, sedebe prever una capacidad de almacenamiento que permita abastecer a la pobla-ción mientras dura el mantenimiento preventivo. Para vaciar toda la batería, seabre la compuerta que comunica el canal de interconexión con la cámara decloración.


• Uno de los defectos más comunes es el resultante de proyectar la bateríade filtros sin tener en cuenta la granulometría del material filtrante que seva a colocar. Al elegir una velocidad de lavado al azar, sin relacionarla conlas características de la arena o de la antracita, es muy difícil que luego laarena se expanda ade-cuadamente. Con eltiempo, este problemallega a anular totalmentela eficiencia de la bate-ría de filtros, porque si lavelocidad de lavado esmuy baja y la arena grue-sa, a medida que pasa eltiempo, se va colmatandoy apelmazando con el se-dimento, hasta llegar a lasituación de que el ma-terial pierde porosidad yel agua se abre paso através de grietas. Si la velocidad es muy alta y el material filtrante fino, estese va perdiendo en los lavados sucesivos, hasta que solo queda un poco dematerial que no llega a salir por su profundidad.

• Cuando el lecho filtrante es doble, de antracita y arena, es frecuente encon-trar que no se seleccionó correctamente la antracita en función de la arenasino que esto se hizo al azar. Cuando la antracita es muy fina, se pierde todaen los primeros lavados y cuando es muy gruesa, se encuentra totalmenterevuelta con la arena.

Figura 5-26. Vertedero de salida fijo, no calibrable


• Hay casos en que elproyectista, en lugarde utilizar los canalespara vehiculizar elagua, coloca tuberíasdentro de los canalespara transportar elagua decantada queingresa, el agua filtra-da y el agua de retro-lavado. Además delgasto inútil en que seestá incurriendo eneste caso, sucede queal sacar el agua deretrolavado mediante una tubería instalada en el mismo nivel del orificio desalida del filtro, el agua de lavado se represa dentro de la caja del filtro, loque resta eficiencia a esta operación.

• En innumerables casos, el vertedero de salida no se encuentra en el nivelapropiado, la carga de lavado es muy poca o demasiado grande y ello no sepuede corregir, porque el vertedero no es calibrable (figura 5-26) o es deltipo en que la plancha metálica del vertedero está empernada al muro ypara poder ajustar lacarga, hay que pararla planta para moverla plancha. En la ma-yoría de casos, los tor-nillos están muy oxi-dados y al moverlos,se parten (figura5-27).

• No se deben proyec-tar pesadas tapas deconcreto para los in-gresos a los canales,porque:

Figura 5-27. Vertedero de salida del tipoplancha empernada (1)

Figura 5-28. Pesadas tapas de concreto (1)


a) Por su peso, los operadores no las colocan en su sitio y el agua filtradaqueda expuesta a la contaminación (figura 5-28).

b) Como las tapas son pesadas, lasdejan caer desde lo alto y termi-nan rotas y los canales quedanpermanentemente destapados.

• En la batería de filtros de la figu-ra 5-29 se puede apreciar cómo,al cabo de unos años, las tapas serompieron y el agua filtrada se en-cuentra expuesta a la contamina-ción.

• Es muy frecuente también que laplanta en su totalidad se proyectepara el caudal de final de la se-gunda etapa, para un futuro de 20a 25 años, pero que empiece aoperar con el caudal actual. Almodificarse el caudal del proyecto, automáticamente estamos modificandola velocidad de lavado. La batería de filtros de la figura 5-30 fue proyectadapara un caudal de 250litros por segundo y, porproblemas de captación,el caudal de operaciónvariaba entre 40 y 120litros por segundo.

Cuando se evaluó estaplanta, la expansión dela arena era nula y seencontraba apelmazadacon sedimento de variosaños (figuras 5-30 y5-31).

Figura 5-29. Canales deagua filtrada destapados

Figura 5-30. Batería de filtros de tasadeclinante para un caudal de 250 L/s


Figura 5-31. La operación de lavado era muy pobre

Figura 5-32. Batería de filtros de tasa declinantey lavado mutuo

• Otro problema que se afronta en la operación de la batería de filtros es elcausado por un proyecto en el que se consideraron compuertas para accio-nar la entrada de agua decantada y la salida de agua de lavado en lugar deválvulas tipo mariposa. Las compuertas de fabricación local aún no hanalcanzado buenos niveles de calidad, tienen poca durabilidad y no son es-tancas. Demandan mucho esfuerzo al operador cada vez que deben seraccionadas y son precisamente las de operación más frecuente.


REFERENCIAS

(1) Canepa de Vargas, L. Proyectos y fotos de archivo. Lima, CEPIS/OPS,2004.

(2) Programa HPE/CEPIS/OPS de Mejoramiento de la Calidad del Agua paraConsumo Humano. Manual V, Tomo III, Criterios de diseño para fil-tros. Lima, CEPIS, 1992.

(3) Di Bernardo, L. Proyecto de sistemas de filtración para tratamiento deaguas de abastecimiento. São Paulo, Escuela de San Carlos de la Univer-sidad de São Paulo, 1987.

(4) Di Bernardo, L. Filtración directa descendente. São Paulo, Escuela deSan Carlos de la Universidad de São Paulo, 1985.

(5) Cleasby, J. L. “Direct Filtration of Surface Waters”. Memorias del SeminarioInternacional sobre Tecnologías Simplificadas para Potabilización de Aguas.Cali, 1987.

(6) Di Bernardo, L. Métodos y técnicas de tratamiento de agua. VolumenII. Río de Janeiro, ABES, 1993.

(7) Cleasby, J. L. “Declining Rate Filtration”. Memorias del SeminarioInternacional sobre Tecnología Simplificada para Potabilización del Agua.Cali, 1987.

(8) Arboleda V., J. “Diseños de filtros de control hidráulico”. Memorias delSeminario Internacional sobre Tecnología Simplificada para Potabilizacióndel Agua. Cali, 1987.

(9) Di Bernardo, L. “Proyecto y operación de sistemas de filtración con tasadeclinante”. Memorias del Seminario Internacional sobre Tecnología Sim-plificada para Potabilización del Agua. Cali, 1987.

(10) Material electrónico entregado por el Ing. L. di Bernardo en el módulo deTratamiento de Agua y Residuos de la Facultad de Ingeniería Ambiental dela Universidad Nacional de Ingeniería, Lima, 1988.


(11) Richter, C. “Filtros rápidos modificados”. Manual del Curso sobre Tecnolo-gía de Tratamiento de Agua para Países en Desarrollo. Lima, OPS/CEPIS/CIFCA, 1977.

(12) Cleasby, J. L. Avances en retrolavado. Ames, Iowa State University, 1987.

(13) Letterman, R. “An Overview of Filtration”. Journal of the American WaterWorks Association, diciembre, 1987.

(14) CEPIS. Plantas modulares de tratamiento de agua. Documento Técnico8. Lima, CEPIS, 1982.

(15) Amirtharajah, A. “Optimum Expansion of Sand Filters during Backwash”.Tesis de doctorado. Iowa, Iowa State University, 1971.

(16) Camp, T. T. “Theory of Water Filtration”. Journal of the EnvironmentalEngineering Division, Proceedings ASCE, 1964.

CAPÍTULO 6

SALA DE CLORACIÓN

Sala de cloración 237

1. INTRODUCCIÓN

Las estaciones de cloración merecen mucha atención desde la etapa dediseño, por la importancia que este proceso tiene en la producción de agua seguray por los riesgos que involucran la operación y mantenimiento de las estaciones.

En el proceso de diseño de las estaciones de cloración, podemos considerarcuatro etapas:

• almacenamiento del cloro;• sistemas de medición y control;• sistemas de inyección;• sistemas de seguridad.

2. CRITERIOS GENERALES DE DISEÑO

• El cloro es proporcionado en cilindros metálicos resistentes, de 50 a 1.000kilogramos, en contenedores. Puede ser utilizado en forma líquida o gaseo-sa. Los cilindros tienen las siguientes características:

a) Son de acero.b) La máxima densidad de llenado es 125%. Se define así a la razón de

porcentaje entre el peso del gas en el cilindro o contenedor y el pesodel agua que puede contener a una temperatura de 15,6 °C (70 °F).

c) Se equipan con sistemas de seguridad (válvulas, protectores).d) Se someten a pruebas de presión a intervalos regulares, de acuerdo

con las normas correspondientes.

• De acuerdo con la capacidad de los cilindros, se puede extraer mayor omenor cantidad de cloro de cada uno de ellos. Véase el cuadro 6-1.


Cuadro 6-1. Características de los cilindros de cloro (1)

kg lb kg lb kg lb kg lb50 100 33 73 83 173 11,7 2675 150 40-59 90-130 115-134 240-280 18,2 40

1.000 2.000 680 1.500 1.680 3.500 182 400

• El consumo de cloro necesario para la desinfección del agua se estima en 5mg/L, con un mínimo de 1,0 mg/L. Para la oxidación y preparación decompuestos, se estima de acuerdo con las necesidades de tratamiento.

• Instalaciones con unconsumo superior a 50kg/d deben prever el usode cilindros de una tone-lada y para el traslado delos cilindros deben con-siderarse dispositivosque permitan hacer estatarea bajo condicionesde seguridad.

• Debe preverse un alma-cenamiento de cloro su-ficiente para atender porlo menos 10 días de consumo máximo. En instalaciones con capacidad infe-rior a 10.000 m3/d o 100 l/s debe preverse un almacenamiento para perio-dos mínimos de 30 días.

• El número de envases de cloro en uso dependerá básicamente del máximoflujo que se pueda obtener de cada cilindro. El cuadro 6-2 indica la cantidadmínima de cilindros que debe haber en servicio, vacíos y de reserva, a fin demantener un suministro continuo de cloro en la planta.

Figura 6-1. Contenedores de cloro expuestosal Sol (2)

Peso delcontenido Peso del cilindro

Peso total delcilindro lleno

Máximo flujo de cloroque se puede extraer

de un cilindro


Cuadro 6-2. Número de cilindros necesarios según la capacidad requerida (1)

• En instalaciones situadas en localidades distantes de los centros producto-res de cloro, el almacenamiento debe tener en cuenta las dificultades parala compra y transporte del producto.

• En instalaciones con consumo de hasta 50 kg/día, los cilindros y los equiposde cloración pueden instalarse en la misma área.

• En instalaciones de consumo mayor, deben instalarse en áreas separadas.

• El área de almacena-miento de cloro debe serabierta (figura 6-2). Si seproyectara cerrada, conparedes en todo el con-torno (figura 6-3), la ha-bitación debe ser ventila-da mediante:

a) Ventilación naturalpor medio de aber-turas que deben lle-gar hasta el piso. Figura 6-2. Almacén de cloro abierto

para cilindros de una tonelada (2)

Cilindro de 75 kg Cilindros de 1.000 kg

Capacidadrequerida

kg/día

Enservicio

Vacíos Reservamínima

Capacidadrequerida

kg/día

Enservicio Vacíos Reserva

mínima

0 –18 1 2 3 54 – 180 1 1 218 – 36 2 4 6 180 – 360 2 2 436 – 54 3 6 9 360 – 540 3 3 654 – 72 4 8 12 540 – 720 4 4 872 – 90 5 10 15 720 – 900 5 5 1090 – 100 6 12 18 900 – 1.000 6 6 12

> 1.000 Usar evaporador


b) Además de ventila-ción natural, debe ha-ber ventilación forza-da, producida por unextractor o insuflador,dispuesto de modo deobligar al aire a atra-vesar a nivel del pisotodo el ambiente y concapacidad para reno-var todo el aire del re-cinto en un tiempomáximo de 4 minutos.

c) Las llaves o interruptores de los equipos deben quedar del lado deafuera del recinto.

d) Las salidas de ven-tilación deben ubi-carse de tal modoque disipen laseventuales fugas decloro a la parte ex-terna de la casa dequímica (si la salade cloración ha sidoincorporada a estaestructura). Estaventilación no debeincidir sobre la ven-tilación de otrasáreas ni sobre áreas externas confinadas, aunque solo sea parcial-mente.

e) Los cilindros deben estar protegidos de la incidencia de la luz solar.

• El área de localización de los equipos cloradores debe contar con los me-dios de seguridad previstos para la sala de almacenamiento de cloro.

Figura 6-3. Almacén de cloro cerradocon ventilación artificial (2)

Figura 6-4. Forma de almacenarcilindros de una tonelada (2)


• El área de almacenamien-to de cloro y la de instala-ción de los cloradores de-ben tener puertas que seabran hacia afuera, con vi-drio en la parte superior, yestar dotadas de aberturasde ventilación sobre el pór-tico.

• Los cilindros de cloro deuna tonelada deben ser almacenados o utilizados enFigura 6-5. Almacén de cilindros pequeños (2)

Figura 6-6. El almacén de cloro utilizadocomo depósito (2)

posición horizontal, en una sola hilera, fijados por medios adecuados, con unespaciamiento mínimo de 0,20 metros entre los cilindros y un ancho mínimode un metro entre los corredores de circulación.

• Los cilindros con capacidad igual o inferior a 75 kilogramos de cloro debenser almacenados o utiliza-dos en posición vertical, di-rectamente sobre una ba-lanza. Deben contar conuna cadena o barra de se-guridad que evite el volteoen caso de una explosióno sismo (figura 6-5).

• El control de la cantidad decloro disponible debe serhecho por pesaje continuoo por un dispositivo que in-dique la presión de los ci-lindros en uso.

• Las áreas utilizadas para depósito o dosificación de cloro deben contarsolamente con productos químicos y equipos relacionados con la cloración.No deben utilizarse para almacenar otro tipo de materiales (figuras 6-6 y6-7).


• El uso de hipoclorito decalcio o sodio, por ser 10veces más caro que el clo-ro líquido envasado a pre-sión en cilindros, debe que-dar restringido a instala-ciones de capacidad infe-rior a 10 L/s, o solo cuan-do se demuestre que es lamejor alternativa.

• El almacenamiento dehipoclorito de sodio debehacerse en un lugar techado, ventilado, seco y libre de materiales combus-tibles. Este producto es muy inestable; el periodo de almacenamiento nodebe ser mayor de un mes.

• El hipoclorito de sodio debe utilizarse directamente del recipiente en que estransportado.

• El hipoclorito de calcio se expende en forma granular en tambores de 45 a50 kilogramos. Debe ser disuelto previamente en agua para ser dosificadopor vía húmeda, tomando en cuenta lo siguiente:

— La concentración máxima de la solución debe ser inferior a 10 %.— Deben existir dos tanques de disolución, con capacidad mínima indi-

vidual para 12 horas de operación.

3. ALMACENAMIENTO


Es necesario conocer el consumo del producto de acuerdo con la capaci-dad de la planta. La información necesaria es la siguiente:

a) caudal del proyecto (Q en L/s);b) dosificación esperada (dosis mínima y máxima en mg/L);

Figura 6-7. El almacén de cloro utilizadocomo depósito (2)


ProductoTiempo de

almacenamiento(meses)

Dosis en mg/L Concentraciónde la solución

(mg/L)Mínima Máxima

c) tiempo de almacenamiento seleccionado. Ver en el cuadro 3 criterios basa-dos en la experiencia.

Cuadro 6-3. Criterios para el almacenamiento de productos desinfectantes (3)

Cloro en cilindros a presión 3 – 6 1 3 3.500Hipoclorito de calcio 3 – 6 1,4 4,3 10.000 – 50.000Hipoclorito de sodio < 1 mes 1,7 23,1 10.000 – 50.000

Notas:

• Las dosis mínima y máxi-ma se basan en un por-centaje de cloro disponiblede 70% para el hipocloritode calcio y de 13% parael hipoclorito de sodio.

• Las dosis indicadas co-rresponden a la prácticausual; para la determina-ción precisa de la dosifi-cación, se requiere efec-tuar el ensayo de deman-da de cloro o curva al pun-to de quiebre (figura 6-8).

• Para mayores detalles sobre dosificación, se puede consultar la sección“Dosificación” en el capítulo 1 de este mismo manual.

La ecuación de balance de masas permite diseñar, evaluar y operar estossistemas:

Q . D = q . C = P (1)

Figura 6-8. Curva al punto de quiebre (4)

Residual combinado Residual libre

Punto de quiebre

Dosificación de cloro (mg/L)A

B

C0

4

2

6

8

42 6 8


Donde:

Q = caudal máximo de diseño en L/s.D = dosis promedio de desinfectante =

(DM + Dm)/2 (mg/L) (2)

DM = dosis máxima (mg/L)Dm = dosis mínima (mg/L)q = caudal de solución de cloro (L/s)P = peso requerido del desinfectante (mg/s o

kg/d)C = concentración de la solución (mg/L)

Nota: 1 mg/s = 0,0864 kg/d

Dependiendo de la capa-cidad de producción de la planta,el almacén deberá incluir un equi-po de grúa para movilizar el cilin-dro en el caso del cloro líquido em-botellado a presión, en cilindros deuna tonelada. Cuando se trata desistemas pequeños que usan cilin-dros de 75 kilogramos, se consi-derará el empleo de carretillaspara efectuar el transporte en for-ma manual (figura 6-10). En elcuadro 6-4 presentamos un ejem-plo para el cálculo de un almacénde cilindros de cloro.

Figura 6-9. Sistema de grúapara cilindros grandes (2)

Figura 6-10. Carretillas para transportarcilindros pequeños (3)


1 Dosis máxima mg/L D = (DM + D = (1 + 3)/2 Dosis promedio mg/LDM = 3,0 Dm)/2 D = 2 ó

Dosis mínima mg/L g/m3

Dm = 1

2 Tiempo de d W = Q. T. D W = (8.690 x 2 x 90)/ kg almacenamiento 1.000

T = 90 W = 1.555

Caudal de diseño L/sQ = 100 m3/d

Q = 8.640

3 Peso de un kg N = W/P N = 1.555/ 67,0 Número de unidadcilindro de cloro N = 23 cilindros que se

P = 67,0 almacenarán

4 Área que ocupa m2 At = 1,25 At = 1,25 x 0,071 x 23 Área ocupada m2

un cilindro chico Ac.N At = 2 por los cilindrosAc = 0,071

N.° Datos Unidad Criterios Cálculos Resultados Unidad

Peso de clororequerido en el

periodo dealmacenamiento

seleccionado

Cuadro 6-4. Cálculo del área del almacén de cloro (3)

3.2 Recomendaciones para el proyecto

• La figura 6-11 indica las dimensiones de los cilindros de una tonelada: entre2,16 y 2,21 metros de largo y entre 0,75 y 0,81 metros de diámetro.

Figura 6-11. Cilindros de cloro de una tonelada de peso (4)

Peso bruto 1.650 kgaprox.

Válvula de cloro 3/4”

Conexión flexible

Cilindrode tn

Válvula auxiliar delcilindro

121

cm

27 cmA B

216 - 221 cm

Protección decanales de cloro

75 –

81

cm

20 17,5

min

. 0,

50


• La figura 6-12 presenta ideas sobre cómo distribuir el almacén, de acuerdocon las recomendaciones de algunos fabricantes.

• Cualquiera que sea el recipiente de cloro que se use, si se requieren variasunidades, hay que conectarlas a una tubería matriz, como indica la figura6-13.

Figura 6-12. Almacenamiento de cilindros de cloro (3)

Cilindros enreserva

100 – 20

I I I III IV

V VI VII

VIII IX

Grúa

Grúa

Cilindros en reserva

Grúa

Cilindros en reserva

Tomas

Grupo I - Cilindros de 67 kg

Grupo II - Cilindros de una tonelada

El diseño de esta matriz es muy importante para lograr un flujo sin obstruc-ciones. Los cilindros de cloro llenos tienen 85 % de cloro líquido y 15% en estadogaseoso. Al extraer este último, disminuye la temperatura del envase y aparece


escarcha en la superficie del cilin-dro por condensación de la hume-dad, lo que indica que el gas se estáevaporando rápidamente.

Para que el flujo no se inte-rrumpa, la temperatura en los ci-lindros debe ser más alta o igual ala temperatura en las tuberíasaductoras, pues si estas se enfríanmás rápidamente que el cilindro,aunque sea muy pequeña la dife-rencia térmica, el gas se puederelicuar en las líneas de conduc-ción y producir obstrucciones en los cloradores.

4. EQUIPOS DE MEDICIÓN Y CONTROL

Los equipos de cloración se fabrican en un rango de 1,5 a 4.500 kg/día decloro gaseoso y dosificadores de cloro líquido desde 20 hasta 2.000 L/día. Esnecesario determinar la capacidad del equipo que se necesita. Para calcular lacapacidad (C) del clorador, utilizaremos nuevamente la ecuación de balance demasas, teniendo en cuenta que el equipo se calcula con el caudal y la dosis máxi-ma.

C = QD x 86,4Q = m3/sD = mg/L

El caudal máximo es el del final del periodo de diseño. Cuando el diseño dela planta se hace por módulos, la estación de cloración debe centralizarse y satis-facer la producción de todos ellos. En este caso, el clorador debe satisfacer tam-bién la capacidad mínima requerida por un solo módulo.

Las características de los equipos dependen de la forma de cloro que va-mos a utilizar, hipocloritos en solución o cloro líquido envasado en cilindros a pre-sión.

Figura 6-13. Sistema de conexiónde cilindros de cloro (1)

Báscula

Válvula auxiliar

Válvuladel cilindro

Matriz Válvula reductorade presión

Tuberíaflexible Clorador

Cilindro de cloro


4.1 Equipos para aplicar hipoclorito en solución

Puede utilizarse cualquier tipo de dosificador para productos químicos ensolución que sea resistente a la acción corrosiva del hipoclorito. Los más comunesson las bombas dosificadoras y los sistemas de orificio de carga constante. Parala medición, se utilizan rotámetros o las escalas del equipo dosificador.

Las bombas dosificadoras empleadas son de tipo diafragma o pistón-diafragma, ambas de desplazamiento positivo. En todos estos equipos debe poder

calibrarse la dosificación.Los hay con diferente ran-go de ajuste; los más usa-dos tienen un rango de 10:1.

Si la aplicación requiereuna operación automática—dosificación proporcio-nal al caudal, a la deman-da de cloro o a ambos—,existen en el mercado equi-pos que pueden cubrir estetipo de funciones, como ve-remos más adelante. Elrango de trabajo de estos

equipos puede variar entre 20 L/día y 800 L/día. Ellos son capaces de inyectar lasolución desde vacío hasta 28 kg/cm2.

4.2 Hipoclorador de orificio de carga constante

El hipoclorito en solución se utiliza principalmente en instalaciones paralocalidades pequeñas, donde, por lo general, no hay condiciones apropiadas paraoperar y mantener un equipo automático. Sin embargo, en la industria o en el casode una urbanización o un hotel de lujo, podría justificarse la inversión.

Los sistemas de orificio de carga constante, por su bajo costo y porquefuncionan por gravedad, son muy empleados en localidades pequeñas.

Se pueden fabricar artesanalmente, no requieren energía eléctrica y conmuy poco mantenimiento se puede obtener una operación constante. También se

Figura 6-14. Sistema de aplicación por gravedad (3)

Manguera flexible

Entrada

Tanque 1

Solución

Desagüe

Válvula deinterconexión

Escala

Tanque 2

Desagüe

Dosis


Tubo 1-2” φ PVCTubo 3-4” φ PVC

Tornillo para fijar tuboFlotador

Orificio dosificador


consideran en los sistemas grandes, como alternativa para eventuales situacionesde emergencia (figuras 6-15 y 6-16).

4.3 Equipos para aplicar cloro gaseoso

Estos tipos de cloradores son losmás utilizados en las plantas de tratamien-to, porque son más eficientes que loshipocloradores. Por su forma de operar,podemos distinguir dos tipos de unidades:cloradores de gas directo y cloradores alvacío en solución.

4.3.1 Cloradores deaplicación directa

Este tipo de clorador ope-ra con la presión del cilindro, porlo que adolece de serias limita-ciones. Su uso se recomienda solocuando no hay otra alternativa.Normalmente se emplean en zo-nas donde no hay suministro con-tinuo de energía eléctrica.

Figura 6-15. Hipoclorador (2)

Figura 6-16. Hipoclorador deorificio de carga constante (4)

Figura 6-17. Clorador de aplicación directaa una tubería (2)

A-AA

Tapón

TapónA

Perfil dealuminio

Flotador

Manguera flexible


Figura 6-19. Clorador de aplicación directa (5)

Figura 6-18. Punto de aplicación en la tubería (2)

La principal desventaja de estos equipos es que la dosis varía con la presióndel cilindro.

Se fabrican en capacidades que van desde 9 hasta 150 kg/día. Véanse lasfiguras 6-17 y 6-18.

Unidad decontrol

Válvula manual

Dos cilindrosmultipropósitos

Difusores

Filtro

Cadena

Válvula

Llave de gas

Cilindro decloro

Tubo de descarga de gas

Válvulamanual

Conexión flexible


Figura 6-20. Diagrama de flujo de un clorador de aplicación directa

Línea de escape

VálvulaLínea de presiónde cloro

Válvula dedosificación

Válvula de escape

Línea de presión de cloro

Válvula de retención ydifusor de piedra porosocompleto

Nota: La válvula de retencióny difusor completo estarásumergido

Ventilación

Clorador

Indicador dedosificación

Cilindro de cloro

Juntura de plomo

Cloro líquido

Gas cloro

Filtro deadmisión

Válvula decilindro decloro

Abrazaderade yugo


4.3.2 Cloradores de aplicación al vacío

Este tipo de equipo es el más confiable y seguro de operar.

a) Descripción

Un clorador de aplicación al vacío está integrado por tres componentesfundamentales: un inyector, una válvula de ajuste de la dosificación y un medidorde caudal.

El inyector. El inyectores un Venturi mediante el cualse ejerce una succión determi-nada (130 milímetros de agua),por medio del cual se succionael cloro a través del equipo.Este inyector también sirvecomo cámara de mezcla entreel cloro y el agua que sirvió paraejercer el vacío (figura 6-21).

Las condiciones hidráu-licas de la bomba de agua son muy importantes, pues tanto la presión como elcaudal son determinantes en el funcionamiento del inyector. Por ello es muy im-portante consultar las recomendaciones del fabricante, porque cada uno tiene con-diciones específicas, a partir de las cuales se han diseñado los equipos. Es prefe-rible que dejemos el cálculo de las condiciones de operación de la bomba al fabri-cante.

Válvula de control. Las válvulas de control merecen muy especial aten-ción, pues con facilidad se taponan con las impurezas del cloro. Para garantizarmayor confiabilidad en la operación, se recomienda especificar orificios o vásta-gos ranurados en lugar de las válvulas de aguja convencionales.

Medidor de caudal. El medidor de caudal es un rotámetro, un tubo devidrio que indicará el paso del gas a través del equipo. La medición de un gas seve afectada por las condiciones de temperatura y presión. Cuando la presión estápor debajo de la atmosférica, como en este caso, el efecto es mayor. Por esta

Figura 6-21. Sistema de inyección (3)


razón, el equipo cuenta con vál-vulas reguladoras de presión yde vacío a la entrada y a la sali-da del dispositivo de medición.

Operar el proceso a pre-siones por debajo de la atmosfé-rica presenta una serie de ven-tajas que permiten que el cloro,un gas extremadamente corro-sivo y venenoso, pueda ser ma-nipulado casi por cualquier per-sona. Al someterlo al vacío den-tro del equipo, se aprovecha estepara, mediante diafragmas

venteados, cerrar automáticamente todo puerto o ducto factible de ruptura al de-jar de ejercer la presión debajo de la atmosférica. La presión del cloro dentro delcilindro no se requiere para la operación, porque estamos succionando el gas conel inyector y estas condiciones siempre van a prevalecer a lo largo del circuitodentro del equipo.

También debemos tener presente que el cloro viene de un cilindro bajopresión donde se encuentra licuado y que no podemos extraerlo en formaindiscriminada cuando el gas está en forma líquida dentro del recipiente, porque lapresión de vapor del gas a las condiciones ambientales de temperatura produciráuna velocidad de evaporación tal que podemos llegar a congelar el cilindro y sucontenido. El cuadro 6-1 indica el máximo flujo de cloro que se puede extraer deun cilindro, dependiendo de su tamaño.

Figura 6- 22. Cloración al vacío, equiposde pared (2)

Figura 6-23. Clorador con inyector para cilindro de una tonelada (3)

Agua alinyector

Gas

Líquido

Válvula de gas

Cilindro de tonelada

FiltroTrampa de cloro ycalentador

Ventilación Válvula de ajuste

Rotámetro

Regulador

Ventilación

Línea de vacío

Inyector yválvula check

Solución


Los sistemas con inyector son losmás usados debido a que presentan lassiguientes ventajas:

• Ofrecen alta precisión en la do-sificación.

• No son influenciados por loscambios de temperatura.

• Son equipos durables y de costoinferior a los de alimentación oaplicación directa.

Figura 6-24. Cloradores de consola (2)

Figura 6-25. Diagrama de flujo de un clorador de aplicación al vacío (3)

Válvula delcilindro de cloro

Junta deplomo

Abrazaderade yugo

Gas cloro

Cloro líquido Cilindro de cloro

Suministrode agua

Soluciónde cloro

Inyector y válvula deretención completa

Línea de vacíoVálvula deventilación

Indicador dedosificación

Diafragmade regulacióncompleta

Anillo selladorde vacío

Válvula de dosificación

Conexión de salida

A ventilación

Válvula deseguridadde admisión

Filtro deadmisión


Sin embargo, debe tenerse en cuenta que para la operación de los inyectores,se requiere el suministro de agua a presión y, por lo tanto, se debe incluir un equipode bombeo en el sistema.

Componentes de un sistema de cloración con inyector. Un sistema coninyector incluye básicamente los siguientes componentes:

• Balanza.• Clorador (de pared o montaje directo), con manguera de ventilación.• Cadena de protección.• Tubería de abastecimiento con válvula de paso, manómetro, filtro “Y”, adap-

tador para montaje del inyector y el difusor a fin de aplicar la solución decloro al agua.

• Mascarilla de protección tipo canister.• Juego de repuestos con canister para la mascarilla de protección, empa-

ques de plomo para el montaje del clorador y otros repuestos recomenda-dos por el fabricante para efectuar el mantenimiento adecuado del equipo.

• Equipo para la detección de fugas: botella de amoniaco con tapa de apertu-ra rápida.

• Cilindros de reserva (como mínimo, tres para plantas pequeñas). Véase elcuadro 6-2 para plantas de medianas a grandes.

• Comparador para medir cloro residual.

b) Criterios de diseño

• El caudal mínimo de agua para el funcionamiento del inyector se calculamediante la siguiente ecuación:

q = Q . DM /C (3)

Donde:

DM = dosis máxima, normalmen-te se asume igual a 5,0mg/L.

C = concentración de la soluciónclorada, normalmente seasume igual a 3.500 mg/L.

Figura 6-26. Cloradores de consola (2)


Usar caudales de agua mayores que q no ofrece problemas en la dosifica-ción y a menudo es necesario tomar caudales mayores para ajustarse a los tama-ños comerciales de los equipos de bombeo. Los equipos de bombeo pueden evi-tarse, cuando la planta cuenta con un suministro de agua con presión suficientepara el funcionamiento del inyector. Usualmente, la mínima presión necesaria es30 metros de columna de agua (mca), más las perdidas calculadas en la tubería deabastecimiento.

• La potencia mínima del equipo de bombeo se calcula con la siguiente ecua-ción:

P = δ Q H / 75 E (4)

Donde:

δ = peso específico del agua (~ 1.000 kg/m3)H = carga dinámica total (mca)E = eficiencia del equipo de bombeo

.Para el cálculo de H se utilizan los siguientes criterios:

H = h + Ho + Hm (5)

Donde:

h = presión requerida por el inyector (mca)Ho = pérdidas por fricción (mca)Hm = pérdidas menores (mca)

Ho = f . L/ø. V2/2g (fórmula de Darcy Weisbach) (6)

Donde:

f = 0,030 (coeficiente de fricción)L = longitud de la tubería (m)ø = diámetro de la tubería (m)V = 0,60 a 1,20 m/s (velocidad del agua)g = aceleración de la gravedad.


Nota: También es correcto emplear fórmulas como la de Hazen Williams y la deFlamant (9).

Hm = ∑K v2/2g (7)

Donde ∑K = suma de coeficientes de pérdida de carga en accesorios. Los usua-les se indican en el cuadro 6-5.

Cuadro 6-5. Coeficientes de pérdida de carga menores (3)

Nota: La suma de K debe ajustarse de acuerdo con el diseño de cada sistema.

• Capacidad requerida del equipo

W = Q . DM (8)

Donde:

W = capacidad requerida en g/h.

Con este dato entramos a los catálogos de los fabricantes y seleccionamosun equipo cuya capacidad sea igual o inmediatamente superior a la requerida. Elcuadro 6-6 ofrece información tomada de los catálogos (2).

Codo 0,40Te de paso directo 0,25Válvula de compuerta 0,30Filtro “Y” 3,50Total ∑K = 4,45

Accesorios K


Cuadro 6-6. Tamaños comerciales de cloradores (3)

Nota:a La dosificación mínima es 1/20 de la máxima.b Estimación razonable de la temperatura ambiente mínima para una dosificación continua.

c) Aplicación

Se desea proyectar una estación de cloración para un caudal de 100 L/s, unrango de dosificación de 1 a 3 mg/L y una dosis normal de 1,5 mg/L.

La dosis normal se selecciona sobre la base de una curva de demanda decloro (o curva al punto de quiebre) del agua por tratar. La dosis mínima es la quesupera la dosis al punto de quiebre (1,4 mg/L para el caso de la figura 6-8).

El cuadro 6-7 resume el cálculo del ejemplo de aplicación propuesto.

g/h lb/día °C °F— 100 24,0 75

1.400 75 13,3 56750 40 2,0 36280 15 - 3,0 26120 6 - 5,0 2350 2 - 5,6 22

Capacidad del cloradora Temperatura ambiente mínimab

Sala de cloración 259 nóicarolc ed nóicatse a nu e d o lucl á

C .7-6 o rdauC

)3(

s/ Loñesid ed ladua

C1

D Q

= qM

001 = q

C/ x

)01( 0 05.3 /3 3

me d o

miním ladua

C3

s/Q

0 01 = ) 01( 6 80,0

= q3-

arap od ireuqer augarotceyni led nóicarepo al

L /gm

amix á

m s isoD D

M3 =

L/gm

nó icul os a l ed nói ca rtnecnoC C

005.3 = 2

D Q

= W

M 00 1(

= W

x 3 x

) 01( / ) 006.3 3

h/gled adireuqer dadicapa

C08 0.1

= W

op iu qeh/g

soman oicc ele s 6-6 o rd auc le nE

3= ni

mW

004.1h/g

aminí

m dadicapaC

al rad adeup son euq opiu qe le

02rodarolc led

.adire uqer d ad icap ac54,91

= nim

Wxá

mW

004.1 = s/

med aír ebut al ne dad icoleV

4)01( 680,0(

= AV/ q

= A3-

09,0 /)m

aírebut al ed aerÁ

2

auga ed n óicat nemila

) 01( 6,9 = A

5-

V09,0 =

med aír ebut al ed dutignoL

5Ø

/A 4 =

π=

Ø

4 x

)01( 6,9 5-

6141,3 /m

aírebut al ed ortemái

Dauga e d nóic at ne

mila

=

Ø110,0

”½

auga ed nóicatnemila ed

L4 =

nóiccirf ed etnei cifeoC

6 ø / L.f

= oH

.V 2

])7210,0( / )4([ )30,0( = o

H/

mrop agrac ed sadidréP

f30,0 =

)9,0(g2

283,0

= oH ;26,91 /

nóic cirfr op latot agrac ed ad idréP

7V

K =

mH

2)09,0( 54,4

= m

Hg2 /

26,91/

mserone

m agrac ed sa didréP,soir osecc a

K5 4,4 =

8 1,0 =

mH

mle rop adir euqer n óiserP

8

Hm

H+o

H+h

= H

81,0 + 83, 0

+ 03 =

mlatot aci

má nid ag raC

,rotceynih

03 = 65,03

= H

o cif ícepse os eP9

m/gkauga l ed

3

= Pδ

PE5 7/

H.q.)01([

=3

)01( )680,0(3-

140,0 = P

PH

δ0 00 ,1 =

)58 ,0( 57/])6 5,0 3(E

58 ,0 = ní

mot catnoc ed op

meiT

01V

TQ

= cT .loV)52 () 001([

= c T .lom

ed euq nat le d nemu loV

3

T52 =

000.1/])06(otcatnoc

051= cT .loV

so taD

s oire tirC

solu cláC

dadi nU

° .N

sodat luseR

da dinU


Figura 6-27. Clorador con inyector, colocación múltiple de medidor de cloro (3)

4.4 Evaporadores

Las estaciones de cloración grandes, donde se gastan más de 1.000 kg/día,requieren el uso simultáneo de varios cilindros de cloro (más de seis), conectadosa la misma matriz aductora, para alimentar los cloradores. Como esto puede traerproblemas operacionales, se suele incluir en el equipo un evaporador que permitaextraer cloro líquido de los cilindros en lugar de gas, lo que supone las siguientesventajas:

a) Disminuye el número de cilindros en servicio requeridos para alimentar elclorador, debido a que la extracción de cloro líquido no plantea las mismaslimitaciones que la de cloro gaseoso.

b) Se evita la relicuefacción del cloro en las líneas de conducción. Esto esespecialmente importante cuando la longitud de la tubería entre la sala dealmacenamiento y la de cloración es significativa.

Los evaporadores que van montados lo más cerca posible de los equipos decloración consisten en un tanque dentro de un baño de agua caliente, cuya tempe-ratura es controlada por un termostato a 70-75 °C. Esto hace que el cloro pase delestado líquido al gaseoso y en esta forma es llevado a los cloradores.

Regulador de vacíoen el cilindro de cloro

Solución de cloro

Suministrode agua

Solucióndifusor

Man-guera

Suministrode agua

Instalación típica deinyector en tubería

Línea de vacío decloro a varios puntosde tratamiento

Panel medidorde cloro

Línea de vacío decloro a los medidores

Venti-lación

Instalación típica de inyectormontado en la pared


Para evitar que el cloro líquido pueda pasar al clorador y dañarlo, se incluyeuna válvula que se cierra automáticamente y hace sonar una alarma cuando latemperatura baja de los 65 °C. También es necesario considerar lo siguiente:

• Una criba para retener las impurezas del cloro y la posible formación denieblas o condensación del gas en gotitas, lo que es perjudicial para losequipos.

• Una válvula reductora de pre-sión en la tubería de salida delevaporador.

La figura 6-28 muestra unaestación de cloración para 6 m3/s conevaporadores (hilera de la derecha)y cloradores (fila del fondo).

4.5 Sistemas de control

Para los sistemas de control,debemos hacer uso de todo nuestroingenio para no llegar a sofisticaciones innecesarias. El caso más común se pre-senta cuando se tiene caudal de agua constante y demanda constante de cloro;aquí todo se reduce a instalar un sistema de cloración con ajuste de dosificaciónmanual y alguna forma de parar el equipo cuando sea necesario.

4.5.1 Sistemas automáticos

El control automático de lacloración se basa en la medición, pormedio de sensores, de la dosis decloro residual en el efluente de laplanta. El equipo envía una señalque puede ser interpretada por unreceptor de la siguiente manera:

Figura 6-29. Sala de sistemas de controlautomático de la cloración (2)

Figura 6-28. Evaporadores para operarcon cloro líquido (2)


1 Constante Constante

2 Variable a) Variaciones continuas Constanteb) Variaciones por pasos

3 Constante Variable

4 Variable a) Variaciones continuas Variableb) Variaciones por pasos

N.° Caudal Demanda

a) Accionar una alarma para que el operador corrija manualmente la dosis.

b) Accionar el equipo de ajuste automático del rotámetro de acuerdo con ladosis prefijada en el sistema. Este sería un sistema totalmente automatiza-do.

Los equipos automáticos (figuras 6-30 y 6-31) usualmente incluyen siste-mas analógicos, digitales o carta gráfica para mostrar y almacenar informaciónsobre el proceso de dosificación.

Estos equipos tienen la ventaja de reducir el error humano en la dosifica-ción, pero son de alto costo y requieren mantenimiento especializado.

Los principales casos de control automático se presentan en el cuadro 6-8.

Cuadro 6-8. Sistemas automáticos (5)

Los casos 3 y 4 son bastante raros y se puede decir que en agua potable nose dan. Solo se han visto situaciones como estas en los casos de aguas residuales.

Los casos 1 y 2 sí se presentan en agua potable, cuando el abastecimientose realiza por pozos. Cuando se bombea directamente del pozo a la red, tendre-mos gasto variable de acuerdo con las horas del día y cuando tenemos un tanqueregulador alimentado por una serie de pozos, se presenta el caso de variación porpasos, al operar uno, dos o varios pozos.

Para caudales variables, existen los medidores primarios del tipo Venturi ode orificio para el caso de ductos cerrados; para canales abiertos, se emplean losmedidores Parshall y vertederos, instrumentos sencillos y fáciles de operar, capa-ces de enviar una señal al clorador para que obedezca en forma proporcional algasto, aumentando o disminuyendo el caudal de solución por aplicar.


Figura 6-30. Sistema de control automático de lazo compuesto (3)

Figura 6-31. Diagrama de flujo, sistema de comando automático (3)

5. PUNTO DE APLICACIÓN

Normalmente, la solución de cloro se aplica en la cámara de salida de laplanta de tratamiento, en una zona con una sumergencia no menor de un metro,con el fin de reducir el escape de cloro. Cuando se utiliza un clorador de alimen-tación directa, el difusor debe colocarse en el fondo de la cámara con sumergenciaconstante. No se recomienda un tanque con altura de agua variable, porque seperdería mucho gas en la atmósfera.

Es importante que la aplicación se haga mediante un difusor para difundirmejor el cloro en el punto apropiado. Se pueden dar tres casos en relación con elpunto de aplicación del cloro:

Gabinete decomando de

caudal de gas

Gabinete de comandodel equipo

Suministrode gas

Suministro deenergía

Gabinete degraforregistrador

Medidorde

caudal

Bombareforzadora

Línea de señal

Analizadorde cloro

Línea demuestreo

Inyector

Dirección de flujo

Línea de vacío

Válvula manual de bypass Señal de residual o caudal al controlador

Indicadorde ratio

MotorRegulador de presión

diferencial

Señal de residualo caudal alcontrolador

Línea de vacío

Válvulaautomática

Válvula deseguridad para

la entrada

Inyector con válvulade retención

Solución

Suministrode aguaRegulador

de vacíoSuministro

de gasAgua de procesoVenteo

Línea devacío


1) aplicación enducto cerrado;

2) aplicación encanal abierto;

3) aplicación en untanque.

En el caso deductos cerrados y si eldiámetro es pequeño,solo debemos cuidarde que la solución notenga contacto direc-to con el ducto en elpunto mismo de apli-cación. Esto se logramediante difusores deplástico tipo bayoneta,introducidos a una pro-fundidad de 1/3 del diá-metro del ducto.

Para el caso decanales abiertos, elcuidado estriba en nopermitir que se pierda el cloro hacia la atmósfera, por efecto de una mala difusiónen el caudal principal. Para esto, si se coloca un difusor en el fondo del canal, conorificios que permitan una distribución uniforme en todo el ancho del ducto, pode-mos garantizar un aprovechamiento óptimo (figura 6-32).

Cuando se requiera efectuar la aplicación de la solución clorada en tanquesde almacenamiento o regulación, se presentan algunos casos tan sencillos comotener una entrada y una salida o múltiples entradas y salidas, y todas en diferentespuntos del tanque. En el primer caso, el problema se reduce a aplicar en ductocerrado, ya sea a la entrada o a la salida; en el segundo, es prácticamente imposi-ble lograr un buen diseño que garantice evitar las perdidas de cloro a la atmósferay la formación de zonas de alta y baja concentración de cloro dentro del tanque.

Figura 6-32. Soluciones para aplicación encanal abierto y cámara húmeda (4)

Conducto de solución de cloro

Soportedel

difusor

Soporte deldifusor

Campana desucción

En canal abierto

Difusor de orificios

Nivel mínimo de agua

Difusor deorificios

Conducto desolución de cloro

Con campana de succión

1,0

Aprox. 6’’


6. CÁMARA DE CONTACTO

La cámara de contacto tiene como función asegurar un tiempo de contactofijo entre el agua y el cloro, de tal modo de asegurar la remoción de bacterias,virus y parásitos presentes en el agua.

6.1 Tiempo de contacto para la reducción de bacterias

Después de la aplicación del desinfectante para asegurar la remoción debacterias, normalmente se ha venido aplicando al agua clorada un tiempo de con-tacto no menor de 20 a 30 minutos.

En el ejemplo desarrollado en el cuadro 6-7, se requiere una cámara decontacto de 150 m3. Para evitar cortocircuitos, es necesario colocar pantallas, demanera que el volumen quede dividido por lo menos en tres sectores. La cámarade contacto del ejemplo podría tener 2,50 metros de alto, 10 metros de largo y 6metros de ancho.

6.2 Tiempo de contacto para la reducción de parásitos

La Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) recomien-da tener en cuenta criterios especiales para la reducción e inactivación de Giardiay virus. En nuestro medio, estos criterios deberían aplicarse por lo menos al dise-ñar los sistemas de cloración para las zonas de parasitosis endémica, normalmen-te las poblaciones ubicadas en la costa y en la selva.

Se recomienda la aplicación del producto del tiempo de contacto (T) enminutos, por la dosis o concentración de cloro (C) en mg/L requerida para cadacaso, en función de la temperatura, del pH del agua y de la dosis de cloro libreseleccionada.

La máxima concentración de cloro (C) que puede aplicarse al agua, toman-do en cuenta su eficacia y consideraciones estéticas (gusto y olor) es normalmen-

Agua clorada Salida

Q

Q

Figura 6-33. Esquema de cámara de contacto

Entrada


te de 2,5 mg/L como cloro residual libre. Por consiguiente, los ajustes en el tiempode contacto ofrecen la mejor opción para la optimización de la desinfección.

Procedimiento:

1) Estimar el nivel total de reducción o inactivación logarítmica de Giardiaque puede esperarse de los procesos de tratamiento de agua, a partir de lacalidad del agua cruda y del posible nivel de operación y mantenimiento, deacuerdo con el grado de desarrollo y de los recursos localmente disponi-bles.

Generalmente, los requisitos de inactivación de Giardia son más difícilesde cumplir que los que se plantean para los virus; en consecuencia, loscriterios para la inactivación de Giardia son los principales. El requisitoestándar para una planta con buena eficiencia de remoción de partículas esde tres niveles logarítmicos de inactivación. Se pueden considerar cuatroniveles logarítmicos o más para un sistema sin protección de la fuente,expuesto a efluentes del tratamiento de aguas residuales o a descargasdomésticas sin tratamiento, práctica todavía habitual en los países de Amé-rica Latina.

2) Estimar el nivel de reducción logarítmica en función del tipo de planta quese va a proyectar. El cuadro 6-9 presenta la remoción esperada de Giardiay virus mediante los diversos tipos de plantas de filtración, en condicionesóptimas.

Cuadro 6-9. Remoción esperada de quistes de Giardiay virus mediante filtración (6)

3) Seleccionar un valor de tiempo de contacto por concentración de cloro(TC)1 , a partir de la capacidad de reducción logarítmica estimada para la

1 Véanse en el anexo los valores de TC para la inactivación de Giardia y virus mediante Cl2 libre.

Convencional 2,5 2,0Directa 2,0 1,0Lenta en arena 2,0 2,0Tierra de diatomeas 2,0 1,0

FiltraciónGiardia Virus

Remoción logarítmica


planta (cuadro 6-9), el pH máximo, la temperatura mínima del agua trataday el residual máximo de desinfectante estimado. El pH máximo y la tempe-ratura mínima del agua tratada se consideran para asegurar la capacidaddel sistema en las condiciones más desfavorables. Cuando se usa clorocomo desinfectante, el residual máximo considerado es de 2,5 mg/L. Estelímite se basa en investigaciones en las que se concluyó que el tiempo deretención es más importante que la concentración del desinfectante concloro residual libre por encima de 2,5 mg/L, además de la tolerancia delconsumidor a residuales mayores.

4) Calcular el tiempo de retención requerido para el TC seleccionado. La ecua-ción de cálculo es la siguiente:

T req (mín) = TC (mg/L – min) / desinfectante residual (mg/L) (9)

Donde:

Treq = tiempo requerido por el proceso de desinfección.T Creq = requisitos de TC a partir de los cuadros del anexo para condiciones

de posdesinfección.Desinfectante residual = residual de operación que deseamos se mantenga en

la planta en el punto de salida del proceso de desinfección.

5) Seleccione un volumen efectivo para la cámara de contacto, descontandoel volumen disponible en reservorios y tuberías de distribución. En el casode los reservorios, si los proyectamos con pantallas interiores, como cámarasde contacto, podremos obtener un tiempo de contacto mayor. En el caso deque el reservorio sea ya existente, se deberá calcular el tiempo de contactodisponible en las condiciones más desfavorables de operación, con laprofundidad mínima disponible. Lo más adecuado sería determinar el tiempode contacto real del reservorio en las condiciones más desfavorables (verel procedimiento en Tratamiento de agua para consumo humano. Plantasde filtración rápida. Manual III: Evaluación). Si no se dispone de esainformación, el volumen efectivo se podrá obtener multiplicando por losfactores indicados en el cuadro 6-10 el volumen total del reservorio. Sedebe tener mucho cuidado para aplicar un factor mayor de 0,10 a un tanquesin compartimientos.


Sin compartimientos 0,1 Ninguna, unidades con agitación, velocidadalta en la entrada y salida, nivel variable de agua.

Deficiente 0,3 Entrada y salida simple o múltiple, directa y sinpantallas. Sin compartimientos internos.

Promedio 0,5 Entrada y salida no directas, interrumpidas poralgunos compartimientos internos.

Superior 0,7 Compartimientos perforados en la entrada,compartimientos perforados en forma de serpentínen el interior de la unidad, vertedero en la salida overtedero perforado.

Excelente 0,9 Compartimientos en forma de serpentín a lo largode toda la unidad.

Perfecta (flujo pistón) 1,0 Flujo de tubería.

Condición de lacompartimentalización Factor Descripción de la compartimentalización

Figura 6-34. Sistemas deprotección (2)

Cuadro 6-10. Factores para determinar el tiempo de contacto efectivo (6)

6) Una vez calculado el tiempo de contacto disponible en el sistema antes delprimer usuario, se descuenta del tiempo requerido (Treq), calculado con laecuación (9), y la diferencia será el volumen con el que se deberá proyectarla cámara de contacto, para cumplir con el objetivo de inactivar huevos deparásitos y virus.

7. VENTILACIÓN Y EQUIPOS DE PROTECCIÓN

Todo el equipo de cloración debemontarse en un ambiente amplio, bienventilado y de uso exclusivo. Las instala-ciones pequeñas pueden ventilarse solamentecon ventanas colocadas en la parte inferiorde los muros, ya que por ser el cloro máspesado que el aire, tiende a quedarsedepositado sobre el suelo. Las estaciones decloración más grandes requieren, además,extractores de aire colocados en la parte bajade la sala, operables desde el exterior.


En estos sistemas se recomienda un cambio total del volumen de aire cada15 minutos en tiempo normal y cada tres minutos cuando existe posibilidad de quese produzcan fugas de cloro. Los extractores deben calcularse de acuerdo conesta norma.

Al escoger la ubicación de los cloradores y demás equipos, debe ponerseespecial cuidado en que todas las tuberías queden a la vista, sujetas contra lapared y situadas en lugares accesibles que faciliten una rápida inspección yreparación.

Además, deben incluirse en el diseño todos los equipos de protecciónnecesarios, para que se puedan detectar en cualquier momento los escapes decloro y repararlos, sin peligro para los operadores de la planta.

Los implementos de protección más importantes son los siguientes:

a) sistema de alarma;b) máscaras;c) equipos de taponamiento de fugas;d) botella de amoniaco.

7.1 Sistemas de alarma

Existen varios tipos de alarmas que pueden incluirse en los diseños de lasestaciones de cloración. Las más importantes son las siguientes:

• alarmas de pared;• discos rompibles;• alarmas internas de los equipos.

Las alarmas de pared pueden serde dos tipos. El primero consiste en unpapel sensitivo impregnado de ortotolidina,cuya decoloración es analizada por unacélula fotoeléctrica y los resultadostransmitidos a un circuito de alarma; esteúltimo entra en funcionamiento cuandoexiste decoloración del papel. Figura 6-35. Alarmas de pared (2)


Figura 6-36. Máscarade oxígeno (2)

Figura 6-37. Armarios conel equipo para atención de

fugas (2)

El otro tipo consiste en una celda que detectalos cambios de conductividad de un cierto volumen deagua, por la que se hace circular una corriente de aireproveniente del ambiente por analizar. Si existe cloropresente en la muestra de aire, suena la alarma ypermanece sonando hasta que se corrija la fuga decloro.

El Instituto del Cloro en Estados Unidosrecomienda el uso de una cámara de expansión paratuberías largas de conducción de cloro, entre loscilindros y los aparatos de cloración. Estas cámarascontienen un disco que se rompe a una presión de 300a 400 lb/pulgada2 y permite que el cloro se escapehacia la cámara de expansión, donde hace sonar unaalarma. Estas cámaras suelen instalarse a veces en combinación con válvulas decierre automático que, en cuanto se rompe el disco, cierran el paso del flujo delcloro a las líneas de aducción.

7.2 Equipo de protección para los operadores

A fin de que las fugas puedan ser reparadas sin peligro para los operadores,deben incluirse máscaras protectoras dentro delequipo de cloración. Esto es algo quelamentablemente se descuida con muchafrecuencia.

Básicamente, hay tres tipos de máscaras:

a) La máscara tipo canister, que debereemplazarse periódicamente y no sirve paraaltas concentraciones de cloro en el ambiente.

b) La máscara con tanque de aire, que permitetrabajar hasta 35 minutos.

c) La máscara de oxígeno, que fabrica esteelemento y puede durar hasta 45 minutos.


El equipo para atención de emergencias en el caso de una fuga de clorodebe guardarse en armarios ubicados en la parte exterior de la estación. Depreferencia, al pie de la puerta deentrada a la sala, para que el operadorpueda acceder a él fácilmente.

Según las recomendaciones dela EPA, el operador debe hacer usode este equipo cada vez que debacambiar un cilindro de cloro. Laoperación debe estar a cargo de dospersonas simultáneamente.

El vehículo de la figura 6-38está equipado con todo lo necesariopara atender una fuga deimportancia, inclusive un traje especial para proteger a los operadores contra elcloro.

Esta solución permite atender varias plantas que se encuentran dentro delperímetro de la ciudad atendida por esta empresa.

8. RECOMENDACIONES PARA EL PROYECTO

• La caseta de cloración debe estar aislada del resto de la casa de química oedificio de operaciones. En caso deque se produzca una fuga importante,no comprometerá otras instalacionesubicadas a su alrededor.

• Las paredes exteriores de lacaseta deben construirsecon ladrillo hueco para darlesuficiente ventilación. Estovale especialmente para laparte baja de los muros.

Figura 6-38. Vehículo equipado paraemergencias originadas por el cloro (2)

Figura 6-39. Falta un clorador alterno (2)


Figura 6-40. Falta un clorador alterno (2)

Figura 6-41. Sala de cloración malubicada e instalada (2)

• Las partes metálicas (balanza, cadenas o barras de protección, etcétera)deben llevar protección anticorrosiva.

• Los equipos de protección para fugas deben estar ubicados fuera de lasala y muy cerca del ingreso.

• Los equipos de bombeo deben instalarse en una zona aislada de la caseta,para protegerlos de las fugas de gas.

• Las tuberías, válvulas y accesorios deben ser de plástico.

• Tanto los cilindros de reserva como los que están en uso deben tener unacadena o barra de sujeción para prevenir el volcamiento.

9. PROBLEMAS MÁS COMUNES

La cloración es el proceso queinvolucra más riesgos para el operadory es en la cloración que se suelencometer más errores, desde lainstalación de la caseta. A continuaciónse presentan los problemas máscomunes al momento de proyectar unaestación de cloración, a fin de estarpreparados para evitarlos.

• Uno de los defectos más comuneses encontrar que no se haconsiderado un clorador alternoni una bomba alterna para laalimentación de agua del equipo.

En cualquiera de ambos casos, siel equipo en operación se descompone,el proceso cae y la contaminaciónmicrobiológica podría salir a la red dedistribución (véanse las figuras 6-39 y6-40).


La figura 6-41 muestraun caso en el que no se tuvoen cuenta ninguna de lasrecomendaciones indicadasanteriormente.

La sala de cloraciónestá dentro de la casa dequímica de la planta, frente allaboratorio y a muy pocadistancia de la sala dedosificación, de tal manera quesi se produjera una fuga,afectaría al personal quetrabaja en estas dependencias y comprometería seriamente muchos equipos.

Además, se puede observar que no existe grúa para trasladar los cilindrossino que estos son transportados en un carrito por todo el edificio hasta llegar adestino y la sala carece totalmente de ventilación, lo que incrementa aún más elriesgo en caso de fuga.

La sala de cloración de la figura 6-42 es muy estrecha para cilindros de unatonelada. Los cilindros no están dispuestos y anclados adecuadamente. No haygrúa para izarlos. No se han dejado corredores para que los operadores se desplacen.

No hay balanza. No hay sistema dealarma ni equipo de protección parafugas de cloro.

La figura 6-43 muestra otrainstalación defectuosa, en la que elproyectista no previó el área ni lasfacilidades necesarias: el equipo estácolocado al pie de la puerta, lo queplantea el riesgo de que se caiga sino se tiene cuidado al entrar. No hayventilación ni balanza ni equipo decloración alterno.

Figura 6-42. Sala de cloracióndefectuosa (2)

Figura 6-43. Sala de cloraciónmal instalada (2)


Figura 6-44. Sala de cloraciónmal ventilada (2)

Figura 6-45. Sala decloración incompleta (2)

Figura 6-46. Solución ingeniosapero incompleta (2)

Figura 6-47. Entrada de una cámara decontacto de cloro (2)

La sala de cloración de la figura 6-44 tiene la ventilación en la parte alta.Evidentemente, el proyectista desco-nocía que el cloro es más pesado queel aire y tiende a depositarse a niveldel piso. Además, no había equipo deprotección para fugas de cloro.

La sala de cloración de la figura6-45 carece de equipo alterno, debalanza, de equipo de protección parafugas de cloro, mientras que laventilación considerada no llega hasta

el nivel del piso, que es justamentedonde se acumula el gas cloro.

Es evidente que la sala decloración de la figura 6-46 estámuy ventilada, pero no hay balanzay faltan clorador alterno, equipo deprotección para manipular loscilindros y barras de sujeción paralos cilindros.


La figura 6-47 muestra laentrada a una cámara de contactode cloro. La tubería que se observaes la conducción de la solución decloro, que se está vertiendo desdearriba y en forma puntual. El gas seperdía en la atmósfera y el olor delcloro se podía sentir a distancia.

La figura 6-48 muestra lo quetiene que hacer el personal deoperación de una planta en cuyoproyecto se olvidó considerar lainstalación de una grúa para izar loscilindros de una tonelada. El personal debe ejecutar una operación muy riesgosa,en la que se dejan caer los cilindros desde la plataforma de un camión sobre unasllantas, para luego llevarlos rodando hasta el almacén.

Figura 6-48. Descarga inadecuada decilindros de cloro de una tonelada (2)


REFERENCIAS

(1) Arboleda Valencia, J. (1987) “Estaciones de cloración”, capítulo VIII delManual de desinfección del agua. Memorias del Seminario Internacionalsobre Tecnología Simplificada para Potabilización del Agua. Cali, ACODAL.

(2) Canepa de Vargas, L. Estudios y fotos de archivo. Lima, CEPIS/OPS, 2004.

(3) Rodríguez Araya, V (1992). Manual V, Diseño. Tomo IV, “Criterios dediseño para estaciones de cloración”. Programa Regional HPE/CEPIS/OPSde Mejoramiento de la Calidad del Agua para Consumo Humano. Lima,CEPIS.

(4) Pacheco, V. (1992). Manual III Teoría. Tomo IV, “Desinfección”. ProgramaRegional HPE/CEPIS/OPS de Mejoramiento de la Calidad del Agua paraConsumo Humano. Lima, CEPIS.

(5) Peña Díaz, A. (1984). “Criterios generales para el diseño de sistemas decloración”. Copias del Curso Internacional CEPIS/OPS de ProcesosUnitarios y Anteproyectos de Plantas Potabilizadoras. Guadalajara.

(6) Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) (1998).Optimización de la producción de plantas de tratamiento de aguamediante el Programa de Corrección Compuesto. Lima, CEPIS.

(7) Di Bernardo, L. (1993). Métodos y técnicas de tratamiento de agua.Vol. II. Río de Janeiro, ABES.

(8) Normas Brasileñas. Projeto de Estacão de Tratamento de Água paraAbastecimiento Público. Procedimiento NB–592 JAN/1987.


Anexo A

Valores TC para la inactivación de Giardia y virusmediante Cl2 libre y otros desinfectantes

Todos los cuadros de este anexo provienen del Guidance Manual forCompliance with the Filtration and Disinfection Requirements forPublic Water Systems Using Surface Water Sources, Appendix E,Science and Technology Branch, Criteria and Standards Division,Office of Drinking Water, Washington, D. C., EPA, 1989.

Sala de cloración 279C

once

ntra

ción

pH <

= 6,

0pH

= 6

,5pH

= 7

,0pH

= 7

,5de

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activ

ació

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1,0

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2,0

2,5

3,0

<=0,

423

4669

9111

413

727

5482

109

136

163

3365

9813

016

319

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823

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2448

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426

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827

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CAPÍTULO 7

INSTRUCTIVO DE PUESTA EN MARCHAY OPERACIÓN NORMAL

Instructivo de puesta en marcha y operación normal 287

1. INTRODUCCIÓN

Existen varios tipos de soluciones tecnológicas para los sistemas de trata-miento de agua mediante filtración rápida: sistemas convencionales antiguos, plantasmixtas con unidades hidráulicas y mecánicas, innumerables tipos de sistemas depatente extranjera, unos más complejos que otros y con características muy dife-rentes y que, por lo tanto, funcionan y se operan con criterios distintos.

Esto presupone que cada proyecto debe ser acompañado por un instructivode operación, en el cual se indique la forma especial en que el proyectista de laplanta recomienda que debe operarse su proyecto, cosa que rara vez ocurre.

El presente capítulo contiene una serie de recomendaciones e informacio-nes útiles para elaborar el instructivo de puesta en marcha y operación normal yespecial de una planta de filtración rápida de tecnología apropiada. Este instructi-vo no debe confundirse con el manual de operación y mantenimiento de la planta,que recién podrá elaborarse —tomando como base el instructivo— cuando laplanta se encuentre ya en operación, se disponga de los catálogos de todos losequipos y se hayan levantado las curvas de calibración respectivas, así como losplanos de replanteo y la información emanada de la evaluación inicial del sistema.

2. RECOMENDACIONES PARA LA OPERACIÓN DE PUESTA ENMARCHA

Es necesario realizar una serie de operaciones antes de la puesta en mar-cha de la planta. Para que ello se pueda concretar rápida y exitosamente, es muyimportante reunir todos los recursos necesarios y seguir un estricto orden en lasactividades que se proponen a continuación:

• Inspección preliminar del sistema.

• Operaciones iniciales: calibración de los dosificadores y del medidor decaudal.


• Llenado de la planta, simultáneamente con la desinfección de las estructu-ras y el inicio de la dosificación.

• Inicio de la dosificación: preparación de las soluciones de coagulante, cal,polímero e hipoclorito de calcio; medición del caudal; caracterización delagua cruda; selección e implantación de las dosis óptimas de cada sustan-cia química requerida.

• Lavado de los filtros, simultáneamente con la medición de la expansión dela arena, la calibración del vertedero de salida de la batería y la determina-ción del tiempo óptimo de lavado.

• Inicio de la poscloración.

• Instalación de la tasa declinante y control de la calidad del agua producida.

• Inicio del abastecimiento al sistema de distribución. La puesta en marchaha concluido.

A continuación, una breve explicación de cómo orientar cada uno de estospasos dentro del instructivo de operación.

2.1 Inspección preliminar

Tiene como objetivo evaluar el estado de las obras. Debe ponerse especialatención en los siguientes aspectos:

• Presencia visual de daños.

• Funcionamiento de válvulas, compuertas y equipos.

• Existencia de reactivos, materiales y personal requerido para iniciar la ope-ración del sistema.

• Se realizará una reunión con el personal que va a intervenir en la operación,se revisarán las instrucciones —previamente distribuidas— y durante lareunión se asignarán responsabilidades. Se recomienda que durante la puestaen marcha de la planta estén presentes el ingeniero encargado de la super-visión del sistema, el proyectista, el químico o el auxiliar de laboratorio quecontrolará la planta y los operadores.


2.2 Operaciones iniciales

Antes del llenado de la planta, deben efectuarse las siguientes labores:

• Limpieza general de la planta, que debe quedar libre de polvo, residuos deconstrucción y cualquier otra impureza que signifique peligro de contamina-ción.

• Calibración y revisión detallada de todos los equipos dosificadores.

• Preparación de la solución de coagulante, cal, polímero, hipoclorito de cal-cio y cualquier otra sustancia química requerida en cada caso específico,de acuerdo con el procedimiento descrito posteriormente.

• Medición de los parámetros básicos para control de procesos: pH, turbie-dad y caudal.

2.2.1 Preparación de soluciones y dosificación de productos químicos

Se indicará detalladamente el uso de las sustancias químicas que se van aaplicar. En este capítulo trataremos sobre la preparación de los productos máscomúnmente utilizados:

• Sulfato de aluminio (o alumbre, coagulante principal).

• Cal.

• Hipoclorito de calcio.

Sulfato de aluminio. Por lo general, es el principal reactivo usado en lasplantas. Su dosificación produce el fenómeno denominado coagulación, que esla base del funcionamiento de las plantas de filtración rápida.

a) Preparación de la solución

El proyecto debe considerar dos tanques para preparar la solución de sulfatode aluminio, de tal manera que uno esté operando mientras que el otro estáen preparación. Para llenar los tanques de solución, se ha considerado queel llenado se efectúe a partir de un tanque elevado (o mediante bombeodirecto desde el tanque de agua filtrada). La altura de llenado en el tanque


de solución deberá marcarse con pintura de acuerdo con lo calculado en elproyecto. Esto no será necesario si el tanque tiene un tubo de rebose quecoincida con la altura útil calculada.

En los casos en que la concentración del coagulante se haya calculado enun monto mayor que el óptimo, previendo diluirla antes del punto de aplica-ción, debe disponerse de un rotámetro para ajustar bien el caudal de aguade dilución que debe inyectarse en la tubería de conducción de la solución.Finalmente, se debe obtener una solución de 1 a 2% de sulfato de aluminio,antes de la llegada al punto de aplicación en la unidad de mezcla rápida.

Cada tanque debe llenarse hasta la altura útil marcada y luego se agregaráun número entero de bolsas de sulfato de aluminio, de tal manera que seobtenga la concentración seleccionada.

La solución se obtiene encendiendo el agitador de turbina por un lapso deuna a dos horas, dependiendo de la dificultad para disolver el producto dis-ponible. Se debe determinar el tiempo en el que se diluye totalmente elsulfato para indicarlo en el manual de operación.

Mientras un tanque está en operación, el tanque alternativo debe estar pre-parándose, de tal manera que el paso del uno al otro sea instantáneo y lacoagulación no se interrumpa.

b) Selección de la dosis óptima de coagulante

La dosis óptima que se va a aplicar al agua se debe seleccionar a partir dela turbiedad de agua cruda en una curva de correlación de turbiedad delagua versus dosis óptima de sulfato de aluminio, realizada por medio de laprueba de jarras modificada. Cuando no se dispone de dicha correlación, sedebe ir levantando esta información en el laboratorio.

El procedimiento para iniciar la dosificación es el siguiente:

1. Leer la turbiedad del agua cruda (el proyecto debe incluir la adquisi-ción de un turbidímetro).

2. Con el dato sobre la turbiedad del agua cruda, buscar la dosis en lacurva de correlación de turbiedad del agua cruda versus dosis óptima


Dosis (mg/L)

de sulfato de aluminioen mg/L. En el caso deque esta curva no sehaya elaborado duran-te el estudio de la fuen-te y la determinación delos parámetros óptimospara el proyecto, sedebe determinar la do-sis óptima en el equipode prueba de jarras.Véase la figura 7-1.

3. Con la dosis selecciona-da, entrar al cuadro 7-1y determinar el caudalq por aplicar en L/h. Enel medidor de caudaldeterminar el caudal deoperación de la planta.Leer la altura del aguaen el medidor y com-probar el caudal en lacurva de calibración (figura 7-2). Si el caudal es diferente del caudalde proyecto, instalar este último.

Cuadro 7-1. Dosificación de sulfato de aluminioConcentración al 2% (20.000 mg/L)

Caudal de operación = 100 L/s

Caudal de soluciónq (L/h)

5 9010 18015 27020 36025 450

30 540

Figura 7-1. Curva de dosificación (2)

log T = 9,955 D - 0,172

Turb

ieda

d ag

ua c

ruda

(UN)

Dosis óptima D mg/L

7060504030201001

2

3

4

567891

2

3

4

567891

2

3

4

567891

2

3

4

567891


Nota: El caudal de solución q puede calcularse para otras condiciones de concen-tración, caudal o dosis con la siguiente ecuación:

q = Q. D/C

Q = caudal de la planta (L/s)D = dosis (mg/L)C = concentración de la solución (mg/L)q = caudal de solución L/h.

Figura 7-2. Curva de calibración del medidor de caudal (2)

300

250

(1. etapa)a.

240

200

Q (l

/s) 160

150

Q = 1,838 B H 3/2

100

50

05 10 15

Lámina de agua H (cm)

20 25 30

(2. etapa)a

B = 0,80 m


4. Con el caudal q, ir a la curva de calibración del dosificador y determi-nar la abertura para ajustarlo, de tal modo que proporcione el caudaldeseado (figura 7-3). El cuadro 7-1 debe elaborarse de acuerdo con elcaudal de operación de la planta (el ejemplo corresponde a un caudalde 100 L/s).

El dosificador debe haber sido calibrado previamente, de manera que sedisponga de una curva de abertura de la válvula contra el caudal producido. Nor-malmente, los dosificadores vienen con una escala de 0% a 100%, por lo que lacurva será porcentaje de abertura versus caudal de solución (q) en L/h.

Hidróxido de calcio o cal apagada. En el proyecto se deben haber con-siderado dos tanques adicionales, para el caso de que sea necesario corregir el pHde coagulación o el pH del efluente de la planta, a fin de reducir la agresividad delagua tratada. Las dosis adecuadas deberán establecerse en cada caso mediantepruebas de laboratorio.

Planta de tratamiento de XCalibración dosificador D1

Posición dosificador

Cau

dal s

oluc

ión

L/h

13001400

120011001000900

700800

600500400

0100200300

8580757065605550454035302520151050

Figura 7-3. Curva de calibración del dosificador (2)


a) Preparación de la suspensión

La solubilidad de la cal en el agua es muy baja. Por esto, es poco prácticotratar de preparar una solución debido al gran volumen de tanque requeri-do. Es más usual preparar una suspensión con una concentración de hasta5%. El procedimiento es el siguiente:

1. Llenar el tanque de agua hasta la altura útil calculada.

2. Agregar el número de bolsas calculadas para obtener la suspensión al5%.

3. Mantener la cal en suspensión mientras se dosifica. Se requiere agita-ción mecánica para mantener la suspensión homogénea. Si no se agi-ta, la cal se deposita en el fondo del tanque y se estaría aplicando aguasola.

4. Colocar el dosificador en la posición apropiada, de acuerdo con sucurva de calibración, para obtener el caudal de solución requerido (verel ejemplo del cuadro 7-2, elaborado para un caudal de proyecto de100 L/s).

Cuadro 7-2. Dosificación de cal en suspensiónConcentración al 5% (50.000 mg/L)

(Caudal de operación = 100 L/s)

3,0 21,65,0 36,07,0 50,49,0 64,8

11,0 79,213,0 93,6

b) Operación

La aplicación de cal provoca, en la práctica, gran cantidad de dificultades,por la obstrucción de tuberías y dosificadores. Asimismo, las suspensionesde cal no pueden dejarse mucho tiempo en contacto con el aire, ya que

Dosis (mg/L) Caudal de soluciónq (L/h)


reaccionan con el dióxido de carbono formando carbonato de calcio, queprecipita.

Por lo anterior, se requiere un cuidadoso mantenimiento para conservar elsistema de dosificación en buenas condiciones.

Dosificación de hipoclorito de calcio. El hipoclorito de calcio es bastan-te más costoso y menos eficiente que el cloro gaseoso, ya que se descomponefácilmente y pierde su capacidad desinfectante. Su uso se justifica cuando no esfactible disponer de cloro gaseoso por falta de medios de transporte adecuados.Por lo general, se lo emplea como alternativa en casos de emergencia.

a) Preparación de la solución

1. Llenar el tanque con agua hasta la altura útil indicada en el proyecto yseñalar este nivel con pintura.

2. Agregar los kilogramos de hipoclorito de calcio calculados. Pesar pre-viamente el reactivo con una balanza. Tapar bien el recipiente dehipoclorito de calcio para que el producto remanente no se deteriore yguardarlo en un ambiente fresco y de preferencia oscuro.

3. Agitar la solución con una pieza de madera en forma de remo o me-diante agitador mecánico hasta que el polvo se disuelva por completo.Operar con el tanque alternativo mientras se prepara la solución.

b) Operación

La solución desinfectante se aplica directamente en la cámara de aguatratada de la planta, aprovechando la turbulencia producida por el vertederode salida.

También es posible hacer una precloración, que se utiliza para controlar elcrecimiento de algas en las unidades de tratamiento y para reducir contami-naciones microbiológicas graves. Normalmente, la precloración no se haceen forma continua sino de acuerdo con las condiciones de la fuente.

La dosis usual de cloro en la cámara de salida de la planta es de 1,0 a 1,5mg/L. Debe tomarse en cuenta que el hipoclorito de calcio (HTH) tiene unporcentaje de cloro utilizable de 60 a 70%. Por lo tanto:


El cuadro 7-3 contiene los caudales de solución (q) que se deben aplicarpor medio del dosificador de orificio de carga constante. Al igual que en los casosanteriores, el dosificador debe haber sido calibrado.

Cuadro 7-3. Dosificación de hipoclorito de calcio al 1%de concentración (10.000 mg/L)(Caudal de operación = 100 L/s)

2.3 Llenado de la planta

Al iniciar el llenado de la planta y para evitar empujes indeseables contralas pantallas de los floculadores cuando estos se encuentran vacíos, es recomen-dable llenarla con un caudal inferior al caudal de diseño, digamos en 50%. Seríaideal poder llenar la unidad simultáneamente por ambos extremos, para lo cualsería necesario disponer de una electrobomba. La situación más crítica sucedecuando las placas son de asbesto-cemento. En este caso, debe advertirse bien alos operadores sobre la forma correcta de llenado de la unidad y el riesgo existen-te de romper todas las pantallas si no se siguen las instrucciones fielmente.

2.3.1 Procedimiento

Para iniciar esta operación, deben numerarse consecutivamente todos losfiltros de la batería. Guardar un orden estricto es muy importante en laoperación de este tipo de filtros. Deben tomarse en cuenta los siguientespasos:

Dosis (mg/L) Caudal de soluciónq (L/h)

HTH/L mg 5,2 = 0,605,1

= usual HTH deDosis

0,50 18,001,00 36,001,50 54,002,00 72,002,50 90,003,00 108,003,50 126,00


• Las válvulas de desagüe de los floculadores, sedimentadores y des-agües de canales intermedios, si los hubiere, deben estar bien cerra-das.

• En los filtros, las válvulas deben estar de la siguiente manera:

a) Todos los filtros, menos el primero, deben tener:

— la válvula de admisión abierta;— la válvula de desagüe cerrada.

b) El primer filtro o filtro N.° 1 debe tener:

— válvula de admisión cerrada;— válvula de desagüe abierta.

Con la operación anterior, todos los filtros menos uno serán llenados por laparte superior y el primero por la parte inferior. Al llenarse la caja de los filtros,automáticamente el agua que se está filtrando tenderá a salir por el desagüe delprimer filtro. Luego se procederá en forma similar con el segundo filtro y asísucesivamente, se efectuará el lavado consecutivo de todas las unidades. Al fina-lizar este proceso, todas las unidades estarán limpias y se habrá expulsado el aireretenido en los filtros que inicialmente se habían llenado por la parte superior.

Simultáneamente al proceso de llenado, debe aplicarse una dosis inicial altade hipoclorito de calcio para desinfectar la planta (~ 7 mg/L) por espacio de doshoras (véase la sección “Dosificación” del capítulo 1). De la misma manera, debeaplicarse la dosis estimada de coagulante.

Es muy importante tener en cuenta que el agua inicialmente producida nodebe suministrarse a la población hasta que su calidad haya sido revisada. Elvolumen inicial debe ser evacuado por los canales de lavado de filtros.

Normalmente se requiere suministrar el agua a la población en el menortiempo posible. Cuando no se pueda esperar resultados de los análisis fisicoquímicosy bacteriológicos para iniciar el abastecimiento, las siguientes condiciones se con-sideran suficientes para autorizar el uso del agua tratada:


• turbiedad no mayor de 5 unidades nefelométricas de turbiedad (UNT);• color aparente no mayor de 15 unidades de color (UC);• pH entre 7,0 y 8,5;• cloro residual a la salida de la planta igual o mayor de un mg/L.

2.4 Lavado de filtros

Al entrar en operación la planta, el medio filtrante no se encuentra en con-diciones adecuadas para el tratamiento y requiere una buena limpieza para elimi-nar el polvo y las impurezas presentes. Además, el lecho filtrante es activado porel coagulante (sulfato de aluminio) y demora algunos días para alcanzar su nivelóptimo.

2.4.1 Procedimiento para el lavado

Para poner en condiciones óptimas los lechos filtrantes, se recomiendan lassiguientes acciones:

• Lavados sucesivos (tres o cuatro lavados por filtro) para eliminar im-purezas. El lavado se efectúa de la siguiente manera:

1. Se cierra la válvula de admisión al filtro.

2. Se abre la válvula de salida de agua de lavado.

3. Se espera un lapso de 7 a 8 minutos aproximadamente.

4. Se cierra la válvula de salida del agua de lavado.

5. Se abre lentamente la válvula de admisión (en un lapso de 2 a 3minutos aproximadamente).

• Durante esta operación se debe calibrar el vertedero general de labatería, dándole la altura necesaria para producir una expansión de 25a 30%. También se debe determinar experimentalmente el tiempo delavado (véase Tratamiento de agua para consumo humano. Plan-tas de filtración rápida. Manual III: Evaluación de plantas con-vencionales y de tecnología apropiada).

• Una vez que todos los filtros están limpios y se ha eliminado el aireretenido por el lecho filtrante, llenándolos por la parte inferior, se ha


calibrado el vertedero de salida, se ha determinado el tiempo de lava-do específico y se ha comprobado que la calidad del agua tratada seencuentra dentro de límites aceptables, todas las unidades se ponen enposición de operación (válvulas de entrada abiertas y válvulas de des-carga de agua de lavado cerradas).

2.5 Instalación de la tasa declinante

La tasa declinante es una condición de operación que se debe establecer enesta etapa, cuando se está iniciando la operación normal de la planta. Cuando nose instala la tasa declinante y los filtros han sido proyectados para operar de estemodo, las carreras de operación que se obtienen son muy cortas, porque la cargahidráulica disponible para operar es muy pequeña.

2.5.1 Procedimiento

Esta operación se realiza en un lapso de 24 horas. Si la batería consta de nfiltros, se procede a lavarlos de manera sucesiva (es decir, primero el filtroN.° 1, después el filtro N.° 2, luego el filtro N.° 3, etcétera), cada 24/nhoras. Esto es, suponiendo que tenemos 4 filtros y empezamos esta opera-ción a las 6.00 de la mañana lavando el filtro 1, a las 12.00 se lavará el filtro2, a las 18.00 el filtro 3 y, finalmente, a las 24.00, el filtro 4. A partir de estemomento, la tasa declinante está instalada y la batería de filtros iniciará laetapa de operación normal.

Después de esto, el filtro 1 solo se volverá a lavar cuando el nivel del aguaen el canal de distribución a la batería llegue al máximo y el agua empiecea rebosar por el vertedero de alivio. Para evitar errores en la operación delos filtros, se recomienda emplear el formulario de control de filtros indica-do en el cuadro 7-4.

El empleo de este formulario facilita al operador la rápida determinación decuál es el filtro que le toca lavar.


Cuadro 7-4. Formulario de control de la operación de los filtros(ejemplo de batería de cuatro filtros)

01/03/04 06.00 1 0 Inicio de la instalación de la tasa declinante.12.00 2 018.00 3 024.00 4 0 Se concluyó la instalación.

03/03/04 12.00 1 54 La batería alcanzó el nivel máximo deoperación y empezó a caer agua por elaliviadero.

16.00 2 5223.00 3 53

05/03/04 04.00 4 521

Nota: Los filtros de tasa declinante correctamente proyectados y operados proporcionan carrerasde filtración bastante largas. En los lugares cálidos o tropicales no deben admitirse carreras de másde 72 horas, para evitar que el sedimento retenido en el lecho filtrante adquiera condiciones sépti-cas, porque entonces los filtros, en lugar de remover la contaminación del agua, van a incrementarla.

2.6 Medición de caudal

En la entrada a la planta se ha proyectado una rampa de alta pendiente conla doble función de servir de unidad de aforo y de mezcla rápida de reactivos.

La medición precisa del caudal de operación de la planta reviste gran im-portancia, ya que sobre la base del caudal se define todo el proceso de dosifica-ción tratado previamente.

El caudal del vertedero rectangular, situado en la coronación de la rampa,se calcula teóricamente con la fórmula de Francis:

Q = 1,838 B x H3/2

Donde:

B = 0,70 m (ancho de la rampa y del vertedero).

Fecha Hora Filtro Carrera(horas)

Observaciones


H = lámina vertiente medida en la cresta de la rampa (a una distancia nomenor de 1,50 metros aguas arriba de la cresta).

Para obtener el caudal en litros por segundo:

Q = 1.470 H3/2

En la práctica, normalmente se miden variaciones apreciables de la anteriorecuación. Por esto, es altamente recomendable la calibración de la unidad demedición. Dos técnicas se encuentran disponibles:

• Calibración por trazadores.• Calibración por pitometría.

Esta operación usualmente se practica durante el proceso de evaluaciónpreliminar de la planta. Para medir la lámina de agua H, se ha dispuesto la insta-lación de un flotador que señala una regla graduada en centímetros.

2.7 Mezcla rápida

Se proyecta la rampa para que al pie de ella se genere un resalto hidráulico.En el caso de la canaleta Parshall, se selecciona el ancho de garganta apropiadopara que se produzca el gradiente de velocidad deseado. El resalto hidráulico seproduce en la garganta de la canaleta. Este resalto se utiliza para generar unamezcla homogénea de los reactivos químicos con el agua, operación muy impor-tante para alcanzar un tratamiento eficiente.

Debido a que el mezclador fue diseñado para operar dentro de un rango decaudales, no operará satisfactoriamente con caudales inferiores al caudal de pro-yecto.

Las soluciones de reactivos se deben aplicar en el punto de mezcla (don-de se ubica el resalto), mediante tuberías perforadas de PVC conectadas a losdosificadores.

Si al operar la planta con el caudal de proyecto, el resalto no se produceen el lugar indicado en los planos, la aplicación del coagulante deberá desplazarseal lugar donde se está generando.


3 OPERACIÓN NORMAL

Una vez concluidas las operaciones de puesta en marcha, la planta entra enla etapa denominada operación normal.

La operación normal incluye una serie de actividades que se indican a con-tinuación:

a) Control de los procesos: medición de caudal, medición de parámetros bási-cos como turbiedad y/o color, pH, alcalinidad y cloro residual. Este controlde los procesos debe efectuarse por lo menos cada cuatro horas. En losanexos B y C se presentan ejemplos de formularios de registro diario yresumen mensual de la información sobre el control de los procesos.

b) Preparación de soluciones:

• ajuste de dosificación;• lavado de filtros;• limpieza de la casa de operaciones y mantenimiento de las áreas ver-

des adyacentes;• control de calidad.

En general, la operación normal comprende todas las actividades destina-das a que la planta produzca el caudal para el cual fue diseñada con la calidadestipulada por las normas correspondientes. Esto excluye cualquier actividad quedeba desarrollarse en caso de reducción parcial o total del caudal de diseño.

3.1 Operación normal del sistema de filtración

Los filtros de la planta son del tipo denominado de tasa declinante, lo cualsignifica que la velocidad de filtración declina desde un valor alto cuando el filtroestá limpio hasta un valor bajo cuando se encuentra colmatado, que es cuandorequiere ser puesto fuera de operación para lavarlo. Durante este lapso, el niveldel agua en los filtros varía desde un nivel inicial hasta el máximo de operación,limitado mediante un vertedero de alivio en el canal de distribución.

Los filtros deben lavarse en secuencia numérica para evitar confusiones.Es necesario anotar en la bitácora de la planta la hora y fecha del lavado. Des-


pués de establecida la tasa declinante (véase la sección 2.5 de este mismo capítu-lo), se seguirán lavando en orden numérico cada vez que se alcance el nivel máxi-mo de operación en el canal de distribución de agua sedimentada. Cada lavadotoma un tiempo aproximado de 8 a 10 minutos (véase el cuadro 7-4).

Agitación adicional (lavado superficial). Para mantener el medio filtranteen buenas condiciones, es recomendable aplicarle, junto con el lavado normal, unproceso de agitación adicional que evita la formación de bolas de barro en ellecho. El proceso puede ser ejecutado manualmente por el operador de la siguien-te manera:

1. El filtro se pone a lavar normalmente.

2. Con una escoba larga o rastrillo de jardín, de extremo a extremo del filtro,se rasga la superficie del lecho filtrante con un movimiento de vaivén du-rante tres o cuatro minutos.

3. Se concluye el lavado normalmente.

3.2 Filtración directa

Cuando el agua presenta buenas condiciones (véase el cuadro 7-5), es po-sible tratarla solo mediante coagulación y filtración.

El procedimiento por aplicar es el siguiente:

1. Determinar la dosis óptima de coagulante para filtración directa.

2. Ajustar la dosis de sulfato de aluminio obtenida.

3. Abrir la compuerta de paso directo (by-pass) al canal de distribución a losfiltros cerrando el paso a los floculadores.

4. Aplicar la solución de coagulante en el difusor instalado en la entrada delcanal de distribución a los filtros.

Una vez estabilizado el proceso, determinar la concentración de aluminioresidual en el agua filtrada. Si esta concentración fuera mayor de 0,10 mg/L,disminuir gradualmente la dosis de sulfato de aluminio hasta encontrar la menordosis con la cual se consigue mantener la eficiencia del proceso y bajar la concen-tración de aluminio residual en el efluente.


La filtración directa permite mejorar la calidad del efluente, lograr un granahorro de coagulantes debido a la baja dosis utilizada y facilitar las operaciones demantenimiento en el resto de la planta. Debido al estancamiento del agua enfloculadores y sedimentadores, las algas proliferan en estas unidades, lo que damal aspecto a la planta, por lo que se recomienda renovarla frecuentemente oaplicar una dosis de hipoclorito de calcio para controlar las algas. No se debendejar los tabiques de madera en seco porque se deterioran. Las lonas de losdecantadores pueden retirarse durante la operación de la planta con filtracióndirecta.

Cuadro 7-5. Condiciones de calidad del agua para establecer filtración directa

Turbiedad 90% del tiempo < 30 UNT80% del tiempo < 20 UNTPreferentemente < 10 UNT100% preferentemente < 50 UNT

Color 90% preferentemente < 40 UC80% preferentemente < 20 UC

Concentración de algas (mg/m3) 80% < 100100% < 500

NMP coliformes Termotolerantes/100 mL MGMa < 100/10 mL de muestra

Totales/100 mL MGM < 500/100 mL de muestrab

a MGM = Media geométrica mensual.b Si no se supera el límite de concentración de coliformes fecales o termotolerantes/100 mL, este valorpuede incrementarse.

4. OPERACIÓN ESPECIAL

Cuando por alguna causa, la planta de tratamiento debe suspender la pro-ducción, parcial o totalmente, se dice que la operación es especial. Esto significaque durante determinado lapso (corto o largo) la producción de agua potable severá disminuida. Es importante efectuar una adecuada programación de las labo-res de operación especial.

Parámetros Valores límite recomendados


Las principales actividades que se clasifican dentro del concepto de opera-ción especial son las siguientes:

a) Limpieza de estructuras mayores: floculadores y sedimentadores.

b) Operaciones de mantenimiento correctivo en obras civiles y/o equipos:

• sustitución de válvulas;• reparación de fugas;• reparación o sustitución de equipos dosificadores y otros equipos;• daños anormales como terremotos o huracanes (situación de desas-

tre).

c) Falta de reactivos químicos.

d) Cambios extremadamente bruscos en la calidad del agua que obliguen adetener el funcionamiento de la planta.

e) Otros aspectos relevantes: sequías prolongadas, huelgas, terrorismo, etcé-tera.

Puede desprenderse de lo anterior que las operaciones especiales por logeneral son indeseables, por lo que es necesario reducirlas al mínimo. Con este finse recomienda lo siguiente:

• Implantar programas de mantenimiento preventivo.• Ejecutar una adecuada vigilancia del sistema, tanto física como sanitaria.

5. CONTROL DE CALIDAD

El control de la calidad del agua producida se efectúa mediante análisisfisicoquímicos y bacteriológicos que se realizan a partir de muestreos, tanto a lasalida de la planta como en diversos puntos de la red de distribución. Véase elanexo A para muestreos en la planta.

Para efectuar el control de calidad, es necesario:

a) Contar con normas oficiales de calidad de agua (habitualmente, las de laOMS si no se dispone de normas locales).


b) Contar con un laboratorio debidamente equipado con el material y personaladecuados para efectuar los análisis requeridos por las normas.

En forma resumida, el control de calidad comprende las siguientes opera-ciones:

• Tomar al menos una muestra por cada 5.000 habitantes con una fre-cuencia semanal, para realizar los análisis fisicoquímicos ybacteriológicos generales.

• Efectuar, al menos una vez al año, muestreos para determinar la pre-sencia de sustancias tóxicas (metales pesados, pesticidas, etcétera).

• Realizar la interpretación de los resultados, de manera que, en el casode que se sobrepasen las normas, las autoridades competentes seaninformadas de manera conveniente y en el menor tiempo posible, conel fin de que tomen las acciones correctivas necesarias.

6. OPERACIÓN ESTACIONAL

El módulo está preparado para operar con filtración rápida completa y fil-tración directa, cuando las variaciones estacionales de la calidad del agua así lorequieran.

El proceso más sensible a la variación de caudales es la floculación. Losfloculadores hidráulicos no admiten sobrecargas y dejan de ser eficientes concaudales inferiores al caudal de diseño.

7. ASPECTOS VARIOS

Las plantas de tratamiento son un aspecto muy importante en el abasteci-miento de agua y deben ser ejemplo de limpieza y mantenimiento. Para lograresto, es necesario:

• Contar con personal adecuado, tanto en número como en capacitación.Usualmente, el personal mínimo por turno de operación y por módulo, cons-ta de:


— un operador capacitado;— un ayudante.

• Brindar adecuado mantenimiento a los diferentes ambientes del sistema(incluir todo el conjunto):— planta de tratamiento;— casa de operaciones;— las demás obras complementarias.

El mantenimiento debe ser especialmente cuidadoso con las partes metáli-cas sujetas a corrosión, que requieren protecciones periódicas. Es el casode válvulas, compuertas y dosificadores.

• Contar con un adecuado suministro de repuestos y materiales.

8. LIMITACIONES DEL SISTEMA

Las plantas de tratamiento tienen límites en cuanto a la calidad del agua quepueden tratar. Algunas veces, cuando ocurre un cambio muy brusco de calidaddel agua, si no se dispone de estanque o presedimentador, conviene suspender eltratamiento mientras se diluye la contaminación.

Algunos de los principales compuestos que no podrían ser tratados por laplanta son los siguientes:

a) Valores de color orgánico y turbiedad elevados que superen los límites si-guientes:

• turbiedad > 1.000 UT;• color > 600 UC.

Estos límites tendrían que ser comprobados en la práctica, para añadir pro-cesos como la presedimentación o la aplicación de sustancias químicas adi-cionales (polímeros).

b) Contenido de cloruros (salinidad) superior a 250 mg/L. Algunas veces seacepta como límite superior 400 mg/L.


c) Pesticidas y agroquímicos en general. Su presencia obligaría a hacer unestudio especial de la calidad del agua.

d) Presencia de hidrocarburos.

e) Sustancias productoras de olor y sabor (fenoles).

f) Sustancias tóxicas extremadamente peligrosas. Por ejemplo:• arsénico;• cadmio;• mercurio;• cianuro;• plomo.

g) Variaciones del caudal de operación

Con caudales menores que el caudal de proyecto, el lecho filtrante no seexpandirá adecuadamente, la arena no quedará bien lavada y gradualmente se iráapelmazando y decayendo la eficiencia del filtro. Con caudales mayores, la ex-pansión será demasiado alta y paulatinamente la arena se iría perdiendo.

Nota: en los casos b) a f), se requerirá un estudio de laboratorio específico paradeterminar los cambios necesarios en la dosificación y los parámetros de los pro-cesos que optimizarían la remoción de estos contaminantes.


REFERENCIAS

(1) Programa HPE/OPS/CEPIS de Mejoramiento de la Calidad del Agua paraConsumo Humano (1992). Manual VI. Operación. Lima, CEPIS.

(2) Rodríguez, V. (1987). Planta de tratamiento para Tarija. Recomendacionespara la operación del sistema. Tarija, documento no publicado.

(3) Canepa de Vargas, Lidia (1978-2004). Estudios y proyectos de los archivospersonales. Lima, CEPIS.


Anexo A

Toma de muestras en planta

Se recomienda tomar muestras para análisis fisicoquímicos y bacteriológicosen los siguientes puntos de la planta: agua cruda, agua sedimentada, agua filtraday agua desinfectada.

Para un muestreo correcto, se requiere conocer los tiempos de retenciónen la planta, los que deberán determinarse mediante la aplicación de trazadores.

a Estos tiempos se determinarán durante la evaluación inicial de la planta.

Anexo B

Consumo anual de reactivos

El consumo de reactivos (W) se calcula con la siguiente ecuación:

P = Q x D x 86,4 kg/d

Q = caudal promedio de la planta (m3/s)D = dosis promedio anual de reactivo (mg/L)

Sitio de muestreo Tiempo de muestreo(min)a

Cámara de entrada Tiempo ceroSalida de sedimentadores por determinarCanal de intercomunicación por determinarDespués de cloración y tiempo de contacto por determinar

Instructivo de puesta en marcha y operación normal 311A

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312 Diseño de plantas de tecnología apropiadaA

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Tratamiento de agua para consumo humano - DSpace...

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