METODOS DE TRATAMIENTO Y DISPOSICION DE LODOS.

Operaciones preliminares:

Bombeo de lodos, trituración de lodos, homogeneización y almacenamiento de lodos.

Espesamiento: Por gravedad

Centrifugación

Espesamiento con filtro de banda

Espesamiento con filtro de tambor rotatorio.

Estabilización, tratamiento térmico, digestión anaerobia, digestión aerobia, compostaje,

deshidratación, centrifugación, filtro de banda, filtro de prensa, lecho de secado de lodos,

aplicación en el suelo o relleno sanitario.

TRATAMIENTO PRELIMINAR DE AGUAS RESIDUALES (PRETRATAMIENTO)

Objetivos:

1. Acondicionar el agua residual para ser tratada

2. Remover materiales que pueden inferir con los equipos

3. Reducir la acumulación de materiales en los procesos ubicados aguas abajo.

El problema operacional más serio que se presentan en sistemas individuales locales se

relaciona con el arrastre de sólidos, grasas y aceites, debido a deficiencias en el diseño o

falta de un apropiado mantenimiento, el uso de cámaras de filtración para efluentes de

tanque séptico a reducido en forma significativa el vertimiento de sólidos suspendidos

totales, grasas y aceites, la presencia de grasas y aceites ocasionan fallas en las unidades

de tratamiento como filtros de arena intermitentes o con recirculación.

El tratamiento preliminar consta de tamizado grueso, dilaceración, remoción de arenas,

remoción de grasas y aceites, homogeneización de caudales y remoción de sólidos totales.

TAMIZADO GRUESO (CRIBADO)

Los residuos sólidos generados en el tamizado grueso, los cuales son recolectados sobre

rejillas con separación de media pulgada o más, están compuestos básicamente de

residuos sólidos como rocas, ramas, pedazos de madera, hojas de arboles, papel, plásticos,

trapos y también puede retener algo de materia orgánica como residuos de comida, heces,

etc.

La acumulación de grasas y aceites en estos sistemas puede convertirse en un serio

problema, sobre todo en las zonas de clima frio.

En la siguiente tabla se presentan datos típicos sobre cantidades esperadas de residuos

gruesos en plantas centralizadas de tratamiento, servidas por alcantarillado convencional.

ESPACIAMIENTO

ENTRE BARRAS

(IN)

CONTENIDO DE

HUMEDAD

PESO ESPECIFICO

(lb/ft3)

VOLUMEN DE

RESIDUOS DE

TAMIZADO (ft3)

0.5 60-90 40-68 7

1.0 50-80 40-68 3

1.5 50-80 40-68 1.5

2 50-80 40-68 0.75

Las plantas de tratamiento de aguas residuales industriales pueden o no requerir de

rejillas según las características de los residuos. Las partículas suspendidas mayores a

0.64cm pueden removerse más económicamente mediante el cribado.

Las rejillas finas son generalmente del tipo de diseño o tambor.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

La información básica para el diseño de rejillas de limpieza manual o mecánica se

presenta en la siguiente tabla.

PARAMETRO UNIDAD LIMPIEZA MANUAL LIMPIEZA

MECANICA

Tamaño de la barra

Ancho

Profundidad

IN 0.2-0.6 (0.5-1.5cm) 0.2-0.6 (0.5-1.5 cm)

IN 1.0-1.5 (2.5-7.5cm) 1.0-1.5 (2.5-7.5 cm)

Espaciamiento de

barras

IN 1.0-2.0 (2.5-5.0cm ) 0.6-3.0 (2.5-5 cm)

Inclinación con la

vertical

Grados 30-45 (30-45) 0-30

Velocidad de

aproximación

ft/seg 1.0-2.0 (0.3-0.6m/s) 2.0-3.25 (0.6-1m/s)

Perdidas admisibles IN 6.0 ( 15cm) 6.0 (15cm)

Las perdidas hidráulicas a través de rejillas son una función de la velocidad de

aproximación del fluido y la velocidad de flujo a través de los barrotes. Las pérdidas de

carga a través de una rejilla se pueden estimar por medio de la siguiente ecuación:

hL=

hL=perdida de carga (ft,m)

0.7= Coeficiente empirico que incluye perdidas por turbulencia

V= velocidad de flujo a través del espacio entre barras de la reja (ft/s;m/s)

v= Velocidad de aproximación en (ft/s,m/s)

g= gravedad (ft/s2,m/s2)

Existe otra ecuación que me ayuda a encontrar la pérdida de energía en una rejilla limpia y

es la siguiente:

H=β (W/b)4/3hv Sen

hv=

H = Perdida de energía en metros

β = Factor de forma de las barras

β = 2.42 en Barras rectangulares de caras rectas

1.67 en Barras rectangulares con caras semicirculares

1.83 en Barras rectangulares con cara semicircular aguas arriba

1.79 en Barras circulares

W = ancho máximo de la sección transversal de las barras en metros

b= espaciamiento, separación mínima de las barras (m) (2.5 a 5)

hv = altura o energía de velocidad de flujo de aproximación (m)

= Ángulo de la rejilla con la horizontal

También se puede utilizar la expresión clásica para orificios

H =

Q= Caudal m3/s

C = Coeficiente de descarga 0.6 en rejillas limpias

A= Área efectiva del flujo de la rejilla en m2

EJERCICIO

Determinar las pérdidas de carga para una rejilla en la cual 50% del área

disponible para el flujo se encuentra obstruida por la acumulación de sólidos

gruesos. Considerar las siguientes condiciones:

Velocidad de aproximación 2ft/s

Velocidad a través de la rejilla limpia 3ft/s

Área de flujo para la rejilla limpia 2ft2

hL=

H=? 50% coef=0.6 hL= =

hL= 1/0.6 (0.253ft)

hL = 0.420 ft

Una rejilla de barras circulares de 2cm de diámetro instaladas con una inclinación

de 50° con la horizontal, espaciamiento libre entre barras 2.5cm, recibe un caudal

de 100lt/s con velocidad de 0.6m/s. determinar la perdida de energía a través de

la rejilla limpia, la perdida supuesta para diseño, el ancho del canal de

aproximación, la altura de la lamina de agua, la longitud de la rejilla y el numero de

barras requeridas.

Datos:

H=β (W/b)4/3hv Sen

50°, β=1.79 Barras circulares H=1.79 (2cm/2.5cm)4/30.02m Sen 50°

e= 2.5cm, Q= 100lt/s H=0.020m

v=0.6 m/s

hv=

hv= = 0.02m

Nota: En la práctica para diseño de estos equipos se adopta por lo menos una pérdida de

0.15m

Q=V*A

A=Q/V

A= (0.1m3/s)/(0.6m/s)

A= 0.17m2

Q=V*x*y A=x*y y=2x A=x*2x A=2x2

x=0.3m y=0.6m long rejilla

sen 50°=z/0.6m

z= sen 50°*0.6m Numero de barras

z=0.5m n*2+(n-1)2.5=30cm 2= diámetro de los barrotes

n=7.22 7 30cm = ancho

2.5 = separación entre rejas

HOMEGENEIZACION DE CAUDALES

La variación tanto del caudal como de carga que presentan casi todos los afluentes de las

plantas de tratamiento requieren de la homogeneización de caudales, para superar los

problemas de tipo operativo y para reducir el tamaño y los costos de las unidades de

tratamiento, ubicadas aguas abajo, la aplicación practica se da en plantas pequeñas que

experimentan variaciones considerables entre los valores máximo y promedio de caudal y

carga orgánica contaminante. Se la relación entre el caudal máximo y el promedio es de 2

o menos, la utilización de una unidad de homogenización puede que no resulte

económica.

Existen 2 tipos de unidades denominados: unidad en línea y unidad en derivación.

1. Unidad en línea

2. Unidad en derivación

La homogeneización se puede usar también para amortiguar las variaciones en el pH y en

la concentración de constituyentes tóxicos.

Para dimensionar el tanque es necesario realizar un análisis basado en un balance de

masas, es decir el volumen de aguas residuales que ingresa a la planta en un intervalo de

tiempo determinado, se compara con el volumen de agua promedio horario, calculado

para un periodo de 24 horas.

MEZCLA

Mecánicas

Hidráulicas

POTENCIA DISIPADA EN LA MEZCLA

Cuando mayor sea la energía suministrada en un fluido mayor será la turbulencia

generada y por tanto la mezcal resultante será mucho mejor. La potencia disipada por

unidad de volumen de líquido en la mezcla puede ser como parámetro para medir la

eficiencia en la operación.

G=

G= Gradiente medio de velocidad (seg-1)

P= Potencia necesaria (ft lb/s) (watt)

= Viscosidad dinámica (Ns/m2), (kg/m seg), (lb seg/ft2)

V= Volumen del floculador (ft3,m3)

Viscosidad dinámica (kg/m seg)

= viscosidad cinemática (m2/s)

densidad kg/m3

Al multiplicar ambos lados de la ecuación por el valor del tiempo teórico de retención (td)

se obtiene lo siguiente.

Q = V/t td=V/Q

G td = td

G td = V/Q

G td = 1/Q ( )

EJERCICIO

Determinar la potencia teórica necesaria a 60° F usando la ecuación si a

60°F = 2.359X10-5 lb.s/pie2, b) Temperatura 4.4°C

a) G=100s-1

2832 m3 G=

T= 15.6 °C =( T=15.6°C 1.1111x10-

3kg/m seg

G2= P/

G2 =P

P=(100seg-1)2 (1. 1111x10-3kg/m seg) * 2832 m3

P = 31.47 KW

b) T= 4.4°C 1.5674x10-3kg/m seg

P = 44.39

Cuando la temperatura del agua baja, la viscosidad aumenta y se requiere de mayor

potencia.

Según Rushton la potencia requerida para establecer condiciones de turbulencia

completa en un tanque de mezcla rápida, el número de Reinolds debe ser mayor a

10000

N Re=

Donde:

Diametro del impulsor (m)

Velocidad de rotación rps

Densidad del fluido (kg/m3)

Viscosidad dinámica (kg/m s)

N Re Flujo Laminar

N Re Flujo Turbulento

MEZCLADORES MECÁNICOS (HELICE Y TURBINA)

En flujo laminar

P= K n2 D3

En flujo turbulento

P= K n3 D5

Donde:

P = Potencia necesaria (W)

K= Constante depende del impulsor

= Viscosidad

= Densidad

n = r.p.s.

D = Diámetro del impulsor

NOTA: Un impulsor de hélice en movimiento giratorio describe una hélice en un

fluido, dependiendo de la inclinación de las aletas de la hélice, el fluido será

desplazado longitudinalmente una distancia fija en cada revolución del impulsor.

La relación entre dicha distancia y el diámetro del impulsor recibe el nombre de

“pitch”, el impulsor tiene un pitch cuadrado cuando esta relación es igual a 1.

La gradiente de velocidad tiene una relación con las revoluciones y según

Letterman para optimizar la mezcla se puede usar la expresión siguiente:

GTo C1.46=5.9X106

Donde:

G= Gradiente de velocidad

To= Tiempo optimo de mezcla rápida en segundos

C= Dosis de alumbre o floculante (mg/lt)

TIEMPO DE CONTACTO Y GRADIENTE DE VELOCIDAD PARA MEZCLA RAPIDA

Según el manual de diseño de plantas de tratamiento de la AWWA

TIEMPO DE CONTACTO (s) G (s-1)

20 1000

30 900

40 790

700

INSFOPAL recomienda para el diseño de mezcladores rápidos, mecánicos, tiempo

de retención de 10 a 90s, numero de Reinolds 100000; velocidad tangencial de las

paletas 0.06m/s.

ARBOLEDA: para mezcladores hidráulicos son más aconsejables gradientes de

velocidades entre 100 y 200 seg-1 y cuando se usa canales Parshall como sistema

de mezcla rápida la descarga debe ser libre y la profundidad del agua en las zonas

convergentes de la canaleta debe hacerse mayor a 35cm.

Para canaleta o canales de ancho de garganta mayor o igual a 30cm con lo cual se

obtienen perdidas de energía mayor de 10.5cm

RELACION Y CONDICIONES

2

2.7 3.9

0.9

Donde

d= diámetro impulsor

H= altura de liquido

L= diámetro del tanque

h= altura del tanque

EJERCICIO

Hallar las dimensiones de un mezclador rápido, equipado con una turbina

de 6 aletas planas para una planta de purificación que trata 500lt/s, la dosis

óptima es 50mg/lt, la temperatura media del agua es 15°C.

Datos

Turbina 6 aletas

Q = 500lt/s GTo C1.46=5.9X106

Dosis = 50mg/lt G=

T= 15°C G=

G= 975.7 s-1

Q =

Q = V/t

V= Q*t

V = 0.5 m3/s * 20seg

V= 10 m3 10m3 100

X 10% X=1m3

10m3+1=11m3 Volumen de diseño

Diámetro impulsor = 1/3 diámetro del tanque

d=1/3 D

D=3d

D/d=3

Altura del tanque H= D diámetro del tanque V= Ho*A

HD=2D V =

H=3.82m V=

V = (2

D=

D= 1.91

Diámetro del impulsor

d=1/3 D

d= 1/3 (2m) Anchura palas impulsor

d=0.7m q=1/5 d

Altura del impulsor q=1/5 (0.7m)

H1=d q=0.14m

H1= 0.7 m

Longitud palas del impulsor Numero de deflectores = 4

r=1/4d

r=1/4(0.7m)

r=0.2m

Diámetro disco central Anchura de los deflectores

S=1/4(2m) Ws=1/10D

S=0.5m Ws=1/10(2m)

Ws=0.2m

Potencia

T= 15°C =1.11x10-3Kg/m s

P=G2*V* P= (975.7seg-1)2*(10m3)*(1.11x10-3kg/m s) P= 10567

W 10.57KW

10567 100% (Regla directa)

X 80% x=13208.75W

1hp=0.74570KW 13208.75 17.71hp

P=K n3 D5

n= n= n=1.45 r.p.s. 87 r.p.m.

Ecuación de relación de transmisión

i=

d2=diámetro de la polea de conducido

d1=diámetro de la polea del conductor

n1=r.p.m. del conductor

n2=r.p.m. conducido

z2= numero de dientes del engranaje o catalina conducida

z1=numero de engranaje o catalina conductor

w1= velocidad angular conductor

w2= velocidad angular conducido

MEZCLA RAPIDA EN VERTEDEROS RECTANGULARES

La metodología de cálculo fue formulada por Richter con las siguientes

limitaciones:

1. Vertedero rectangular sin contracciones laterales en caída libre

2. Relación P/hc la menor posible para reducir la perdida de energía en la

caída libre de la lamina vertedora.

3. Para que el vertedero rectangular pueda ser usado como aforador la

relación P/hc debe ser mayor de 3

4. En plantas pequeñas caudal constante y flujo por gravedad

Para asegurar una dispersión homogénea y continua del coagulante, el coagulante

debe aplicarse sobre la sección 1, a una distancia Lm del vertedero y no es

recomendable la aplicación del coagulante a una distancia menor de Lm porque

haría que parte del agua cruda recibiese una dosis mayor de coagulante y la

restante una dosis menor, cuando la lamina de agua llega al fondo se divide en

secciones de flujo laminar y turbulento.

El chorro secundario arrastra parte del agua hacia el punto A haciendo que parte

del agua cruda reciba mas floculante por lo que no es recomendable.

La distancia Lm puede calcularse aproximadamente por la ecuación de Scimeri en

función de la altura del vertedero P y la altura de la lámina de agua H

Lm es igual: Lm=1.45 P0.54 H0.46 Pared delgada

El valor de Lm se incrementa para tener en cuenta la distancia adicional

correspondiente el ancho de la lamina vertiente en el punto de reposo.

Para vertederos rectangulares de pared gruesa se usa la ecuación, deducida

experimentalmente:

Lm=4.3 P0.1 hc0.9 Pared gruesa

La profundidad crítica hc resulta de la siguiente expresión:

hc= q= Q/B

Donde:

hc=profundidad critica

g= gravedad

q = caudal por unidad de ancho del vertedero.

Q= caudal

B= ancho del vertedero

Cuando hay resalto, la profundidad del agua en la sección 1 debe estar relacionada con la

profundidad crítica (hc) por la ecuación de White

Las profundidades antes y después del resalto h1 y h2 están relacionadas entre si por la

siguiente expresión.

F1=

Donde

V1= Velocidad en el punto 1

g= gravedad

F1= Numero de Froud

Para que haya resalto estable y mezcla eficiente el número de Froud debe estar

comprendido entre 4.5 y 9; el valor de V1 y V2 se calcula por las siguientes expresiones:

h= metros

La longitud del resalto Lj se calcula con la fórmula de Smetana

Lj=6 (h2-h1)

El tiempo de mezcla T se calcula

T= Vm= Vm=Velocidad media

Y la gradiente de velocidad

G=

Donde

viscosidad dinámica

T= tiempo de mezcla

G= gradiente de velocidad

Densidad del agua

h= Perdida de energía

EJERCICIO

Calcular el gradiente de velocidad y el tiempo de mezcla rápida del vertedero

rectangular sin contracciones esquematizado en la figura para un caudal de

120lt/s, una 1.307x10-3 N/s m2

Datos:

G=?

T=?

Q= 120Lt/s 0.12m3/s

= 1.307x10-3Nseg/m2

q= Q/B q= q= 0.24m3/s

hc= hc= hc=0.18m 18cm

h1=0.065m

h1=0.065m 65cm

V1=q/h1 V1= V1= 3.69m/s

F1= F1= F1= 4.62

h2=0.39m

V2= q/h2 V2= V2=0.62m/s

T=Lj/Vm T= 1.95m/2.16m/s T=0.90s

h=0.34m

Lj= 6 (0.39-0.065)m Lj=1.95m

Vm = Vm = Vm= 2.16m/s

= 9800kg/m2s2

G= G= G=1683 s-1

Calcular la G y el tiempo de mezcla rápida del vertedero rectangular sin

contracciones de la figura, que sirve como mezclador para un caudal de 350lt/s, el

ancho del canal es igual a 0.70m y la altura P del vertedero sobre el fondo del canal

es 2m, suponga una viscosidad dinámica de 1.307x10-3 Ns/m2

Datos:

G=?

T=?

Q= 350lt/s

Ancho canal=0.70m

P=2m

q= Q/B q= q= 0.5m3/s

hc= hc= hc=0.29m

V1=q/h1 V1= V1= 5m/s

h1=0.1m

F1= F1= F1= 5

h2=0.66m

V2= q/h2 V2= V2=0.76m/s

T=Lj/Vm T= 3.36m/2.88m/s T=1.17s

h=0.67m

Lj= 6 (0.66-0.1)m Lj=3.36m

Vm = Vm = Vm= 2.88m/s

= 9800kg/m2s2

G= G= G= 2072 s-1

AIREACIÓN

En tratamiento de aguas se entiende por aireación al proceso mediante el cual el agua es

puesta, en contacto íntimo con el aire, con el propósito de modificar las concentraciones

de sustancias contenidas en ellas.

Las funciones más importantes de la aireación son:

1. Transferir el oxigeno al agua para aumentar el OD

2. Disminuir la concentración de CO2

3. Disminuir la concentración de H2S

4. Remover gases como: metano, cloro y amoniaco

5. Oxidar hierro y manganeso

6. Remover sustancias volátiles productoras de olores y sabores

7. Degradar materia orgánica cuando el tratamiento secundario por bacterias

aerobias.

FUNDAMENTACION TEÓRICA

De acuerdo con la primera ley de dilución de Fick la tasa de cambio en la concentración de

una sustancia volátil se expresa por la siguiente ecuación:

=tasa de cambio en la concentración (mg/l s)

K= coeficiente de transferencia de la sust. Volátil (m/s)

A= área de contacto entre la fase gaseosa y fase liquida (m2)

V=volumen de la fase liquida (m3)

Cs=concentración de saturación del gas en el liquido (mg/l)

C= concentración de gas o sustancia volátil en el liquido (mg/l)

La ecuación anterior indica que la tasa de cambio en la concentración del gas durante la

aireación es directamente proporcional al área de contacto A, al déficit de saturación y al

coeficiente de transferencia e inversamente proporcional al volumen del líquido expuesto.

En la desorcion o liberación de un gas o sea cuando la concentración del gas disminuye

con el tiempo o se desgasifica una solución sobresaturada, la taza de difusión (dc/dt)

aumenta a medida que la concentración disminuye.

En la absorción o sea cuando la concentración del gas aumenta con el tiempo o periodo de

aireación la ecuación es diferente.

C =Cs+(Co-Cs) Desorción

C= Cs – (Cs-Co) Absorción

Donde:

C=concentración del gas para un tiempo L

Co= concentración inicial en el liquido para un tiempo

t= tiempo de aireación

= área

V= Volumen

AIREADORES DE FUENTE O SURTIDORES

Consisten usualmente en una serie de toberas fijas, sobre una malla de tuberías, las cuales

dirigen el agua hacia arriba verticalmente o en ángulo inclinado, de tal manera que el agua

se rompe en gotas pequeñas, tiene un gran valor estético pero requiere un área grande.

La velocidad inicial de una gota emergente de una tobera u orificio esta dado por la

siguiente ecuación:

Vo=

La descarga por la expresión:

Q=Cd A

Vo= velocidad inicial

g= gravedad

h = energía total sobre la tobera (m) generalmente de 1.2-9; 7.1-14.2

Cd= Coeficiente de descarga. Determinado experimentalmente para la boquilla según su

tipo y forma generalmente (0.75-0.95)

Cc= Calculado en base a regresiones lineales

A= Área de la tobera en m2

La trayectoria de un chorro de agua en el aire puede analizarse aplicando el teorema de

Bernoulli

x= Vo x t

x = (Vo Cos )

y= Vo y t – g(t2/2)

Vo2= Vox2+Voy2

El tiempo teórico de exposición de una gota de agua estará dada por la siguiente ecuación:

t= 2Vo Sen / gt= 2 Cd Sen Cd= Coeficiente de descarga

Por lo tanto para un valor de (h) dado t será máximo para el chorro vertical o sea para el

sen =1

Sin embargo en los chorros inclinados existe la ventaja de una trayectoria más larga y

menor interferencia entre las gotas al caer.

El tamaño, el numero y la distancia entre toberas depende de la energía o consumir

generalmente se usan toberas de 2.5 a 3.8cm de diámetro con descargas de 4.7 a 11lt/s.

Nota: en una bomba trifásica se le puede colocar un regulador de frecuencia para cambiar

V y variar Q.

Ya a presiones de 69 kPa, esparcidas de 0.6 a 3.6m, el área requerida varia de 0.11 y

0.32m2 por litro/s de agua esparcida.

EJERCICIO

Para airear adecuadamente agua se requiere mantener el agua en el aire 1.7s,

lanzándolos con una boquilla de 2.5cm de diámetro, el cd=0.85, la boquilla forma

un ángulo de 85°C con la horizontal. Hallar:

a) Velocidad inicial del flujo

b) Distancia hasta donde llega el chorro

c) Caudal por la boquilla

d) Presión de trabajo requerida.

t= 2Vo Sen / g Vo= t*g/2 Sen Vo= Vo= 8.4m/s

Ymax=(Vo Cos ) t Ymax=(8.4m/s Cos ) 1.7s Ymax=1.24 m

Q= Vo * A Q= 8.4m/s* Q= 0.0041 m3/s

Q= Cd A (Q)2= (Cd A )2 h= h=

h=4.5m 4.5m*1000kg/m3=4500kg/m2 4500kg/ m2 0.45Bars

Dada las condiciones del problema anterior hallar el área y las dimensiones de un aireador

para 300lt/s.

# Boquillas = # Boquillas = = 75

Espacio: 0.6 a 3.6m

Distancia de tubo a tubo 1.5m

Se colocara 7 filas con 11 boquillas cada una

Distancia entre boquillas 0.6m

Tubo de diámetro = 1 IN 0.032m

DISEÑO DE AIREADORES DE BANDEJAS MULTIPLES

Un aireador de bandejas múltiples consiste en una serie de bandejas equipadas con

ranuras, fondos perforados o mallas de alambre, sobre las cuales se distribuye el agua se

deja caer a un tanque receptor en la base. En muchos aireadores de bandeja se coloca

medio grueso de coque, piedra, ladrillo triturado o cerámica, de 5-15 cm de diámetro, para

mejorar la eficiencia del intercambio de gases y la distribución del agua; en plantas de

remoción de hierro y manganeso, para usar el efecto catalítico de los depósitos de hierro y

manganeso. Generalmente se usan de 3 a 9 bandejas, comúnmente 3 a 5; el espaciamiento

entre bandejas es de 30 a 75 cm. el área requerida para las bandejas varía entre 0,05 a

0,15 m2 por L/s de agua tratada, generalmente menos de 0.06 m3. Otros autores

especifican medio de contacto de 3 a 6 cm de diámetro, separación entre bandejas de 30 –

60 cm y 3,5 a 7,0 L/s por cada m2 de lecho de contacto. La altura del aireador de bandejas

suele ser de 2 a 3m.

La ventilación es un factor importante en el diseño de estos aireadores y debe estudiarse

cuidadosamente para la selección del sitio de localización. La corrosión, la formación de

lamas biológicas y crecimientos algales son factores de importancia en el diseño de

aireadores; por ello, se construyen con materiales durables como acero inoxidable,

aluminio, concreto o maderas resistentes. Los crecimientos biológicos y de algas pueden

controlarse mediante tratamiento del agua cruda con cloro y sulfato de cobre. La remoción

de CO2 en estos aireadores puede calcularse, aproximadamente, por la formula de Scott.

Cn = Co x 10-kn

Donde:

Cn = Concentración de CO2 en mg/L después de pasar por n bandejas

Co = Concentración original de CO2, mg/L

n = Numero de bandejas

k = 0,12 – 0,16, constante que depende de la ventilación, temperatura, turbulencia y

característica de la instalación. La aireación raras veces reduce el CO2 a menos de 4,5

mg/L.

Factores de diseño utilizados para aireadores de bandejas se incluyen en el cuadro a

continuación:

PARAMETRO VALOR UNIDAD

Carga hidráulica 550 -1800 m/d

(Caudal/área total de bandejas) <700 m/d

300-600 m/d

500-1600 m/d

120 m/d

60-300 m/d

<300 m/d

600-1200 m/d

Numero de bandejas 3-5

4-6

>3

Altura total del aireador 1,2-3 m

Lecho de contacto

Espesor 15-30 cm

Coque o piedra, diámetro 4-15 cm

Coque o piedra, diámetro 5 cm

Esferas de cerámica,

diámetro

5-15 cm

Orificios de distribución,

diámetro

5-6 cm

5-12 cm

Separación entre orificios 2,5 cm

2,5 – 7,5 cm

Profundidad de agua en la

bandeja

15 cm

Separación entre bandejas 30-75 cm

<30 cm

Eficiencia en remoción de CO2 30-60%

EJERCICIO

Un aireador de bandejas tiene las siguientes características:

Bandejas de laminas perforadas de 0.76x2.1m cada una, medio de contacto de 2.5 a 5cm

de diámetro de altura de la entrada del agua, 2.4m y separación entre bandejas de 0.6m.

Calcular en l/s el Q que puede tratar dicho aireador si la carga debe ser de 5 lt/m2s o

también 432m/d.

4 bandejas A= 0.76 x 2.1m x bandeja

A= 1.6m2

Área total = 1.6 m2 * 4

Área total= 6.4 m2

Q= Carga m/d * Área m2

Q= 5lt/ m2s * 6.4 m2

Q = 3.2lt/s

Diseñar un aireador de 2 bandejas para un caudal máximo de 5lt/s

Datos: 0.8m3/min m2 0.013m3/s m2

Q= 5lt/s 0.005m3/s

Espaciamiento = 25mm 0.025m

= 5 mm 0.005m

Q= Cc*A A= A= A= 0.38 m2 2 bandejas A=0.38/2 =0.19

m2

a=2b A=a*b A= 2b*b A=2b2 0.19m2=2b2

b= b= 0.31m a=2b a=2(0.31m) a= 0.62m

Numero de agujeros por fila

N(

N(

0.005m N+0.025m N = 0.62m -0.025m

N (0.005m+0.025m)=0.60m

N=20

Numero de agujeros por columna

N columnas= Nc= Nc=10

Total agujeros = 20*10= 200

Espacio entre los extremos

Ee=

Ee=

Ee= 0.02m

Área del agujero

A= A= A=0.00002m2

Velocidad

V= Q/A*#agujeros V= (0.005m3/s)/(0.00002m2*200) V= 1.25m/s

Determinar la altura de la cascada con escalones de aireación requerida para

oxigenar agua con una temperatura de 20°C, sugonga un efluente de aguas

residuales con 0.0mg/l de oxigeno disuelto, se desea elevar el oxigeno a 5mg/lt.

H=?

Cs=9.27mg/lt

H= H= H=1.98m

R= R= R=2.2 a= 0.8 Aguas Residuales

b= 1.1 escalones

Altura escalones= 20cm

Número de escalones = 10

Longitud = 45cm

Construir escalones de 20cmx45cm de longitud

DISEÑO DE AIREADORES EN CASCADAS Y VERTEDEROS (AGUA EN AIRE)

En este tipo de aireadores el agua se deja caer, en láminas o capas delgadas, sobre uno o

más escalones de concreto. El aireador de cascada produce una pérdida de energía grande,

pero es muy sencillo. Con una cascada y 40cm de profundidad de suministro se pueden

airear 9000 m3/d de agua con remociones del 50-60% de CO2-.

El aireador de cascadas se diseña como una escalera; entre más grande sea el área

horizontal más completa es la aireación. La aireación ocurre en las áreas de salpicamiento

en forma similar a la que ocurre en un rio turbulento; por ello se acostumbra colocar

salientes, bloques o vertederos en los extremos de los escalones.

La carga hidráulica de estos aireadores puede ser de 10-30 L/s. m2 u 864-2592 m/d,

donde la carga hidráulica es la relación entre el caudal aplicado y el área horizontal del

aireador; la altura de los escalones, de 20-40cm, y la altura total, de 1-3 m.

La aireación en vertederos y aliviaderos es factible cuando existe suficiente energía

disponible; en ese caso el sistema es económico, no se requiere energía adicional y el

mantenimiento es sencillo. El sistema de aireación con vertederos es más eficiente que el

de aliviaderos. Es posible mejorar la aireación creando turbulencia, mayor relación de

área/volumen, cuando e agua cae libremente de un nivel superior a uno inferior que

cuando cae deslizándose sobre la cara del vertedero. La eficiencia del aliviadero también

puede aumentarse si se aumenta la rugosidad del canal o si se crea un resalto hidráulico.

En un vertedero, la aireación ocurre durante la formación de la capa agua-aire en la cresta

del vertedero en caída libre. La transferencia de gases se mejora por entrapamiento y

salpicamiento en la superficie inferior de agua. La oxigenación sobre un vertedero puede

calcularse por la siguiente ecuación:

lnr20 = K(D + 1.5 Hc)nqpHt

donde: r20= relación de déficit de oxigeno a 20° C

r20=

= Valor de saturación de OD a 20°C, mg/L

C0 = Concentración de OD antes de la caída, mg/L

C= Concentración de OD después de la caída, mg/

POTENCIA DISIPADA PARA AIREADORES NEUMATICOS

Cuando se inyecta aire en unidades de mezcla, aireación y floculadores, la potencia

disipada al ascender las burbujas del aire se puede estimar con la siguiente expresión:

P=Pa Va ln

Donde:

P=potencia disipada

Pa= presión atmosférica (lb/ft2; KN/m2)

Va= Volumen de aire introducido a Patm (ft3/s,m3/s)

Pc=Presión del aire en el punto de descarga (lb/ft2;KN/m2)

La ecuación anterior se desarrollo considerando que el trabajo realizado en la expansión

del aire inyectado bajo condiciones de compresión isotérmica. Si el Q del aire a Patm se

expresa en ft3/min o m3/min y la P se expresa en ft o m de columna de agua. La ecuación

se puede escribir de la siguiente manera:

P=kQa ln (h+34/34) S. ingles

P=kQa ln (h+10.33/10.33) S. Internacional

K= constante igual a 81.5 S. Ingles

K= constante igual a 1.689 S. Internacional

Qa= Caudal de aire a P. atmosférica

h= Presión del aire en el punto de descarga.

EJERCICIO

Determinar el Q teórico de aire necesario para realizar una aireación

neumática d e contenido de un reactor de 105ft3. Si la gradiente G es igual a

50s-1, supóngase que la temperatura del agua es 15.6°C. las dimensiones del

tanque son: largo 100ft, ancho 50ft, alto 20ft.

V R =100000 ft3 2833.86m3

G= 50s-1

T=15.6°C

Alto = 20ft 6.10m

P= G2 V P=(50s-1)2*1.141X10-3kg/ms*2833.86m3 P=8083.7W

P=8083.7W 8.083KW

Qa= Qa= Qa=10.30m3/min

Qa=10.30m3/min 363.5ft3/min

DISEÑO DE FLOCULADORES

CONSIDERACIONES:

La agitación del agua mediante mezcla hidráulica o mecánica produce gradientes

de velocidad cuya intensidad controla el grado de floculación producido. El

número de colisiones entre partículas está relacionado directamente con la

gradiente de velocidad.

Los floculadores hidráulicos de flujo horizontal se usan para plantas pequeñas,

caudales menores a 50lt/s, que se construyen más profundos de 2 a 3m para

plantas grandes.

En comparación con los floculadores mecánicos se puede señalar como

desventajas de los floculadores hidráulicos la alta perdida de carga y la poca

flexibilidad de control en el grado de mezcla para caudales variables, sin embargo

como ventaja el poco mantenimiento.

El tipo de agitador más usado es el de paletas.

Los criterios principales que controlan el proceso de floculación son: Intensidad de

mezcla (G) y periodo de agitación (t).

Según Camp Stein la relación básica para caracterizar el proceso de floculación es

N=

Donde

N= Gradiente de colisiones

G= Gradiente de velocidad

N1= Partículas en suspensión que causan turbiedad, generalmente de diámetro d1

N2= Partículas o flocs de tamaño d2

EJERCICIO

Determinar las características básicas de un floculador hidráulico de flujo

horizontal para un Q=70lt/s, se supone velocidades de 0.20m/s, tiempo de

30min

Datos

Q=70lt/s m3/s

V= 0.20m/s (Autor)

t=30min 1800s (pruebas de jarras)

a) Caudal, la distancia de recorrido

L= V*t

L= 0.20m/s * 1800s

L=360m

b) Volumen de agua

Q=V/t V=Q/t V= (0.07m3/s)/(1800s) V=126m3

c) Calculo del área transversal requerida de un canal entre bafles

a= V/L a=126m3/360m a=0.35m2

a=Q/V a=0.07/0.2m2 a=0.35m2

Para la distancia recomendada pro bafles de 0.45m INSFOPAL calculo la

profundidad.

d) Profundidad (d)

d= d= d=0.78m

e) Como la profundidad es menor que la altura calculada a 0.90m corrijo la

separación entre bafles

Separación entre bafles 0.45 d= d=1m

f) Asumimos un borde libre d+20cm profundidad =1-30m

El espacio libre entre los tabiques y la pared del tanque será de 1.5x0.35=0.53m,

por recomendaciones se adopta un espacio libre de 0.60cm, para un ancho útil de

la cámara del floculador de 3m la longitud defectiva de cada canal será: l= longitud

efectiva, l=3-0.60 =2.40m; por lo tanto el # requerido de canales será:

N= L/l N=360m/2.40m N= 150 canales

Suponiendo un espesor de cada tabique de 3cm. Las perdidas por fricción en el

tanque según la fórmula de Manning

H=hf+h hf= hf= hf=0.031m

E= N*espacio +(N-1)*espesor tabique

E=150*0.35+149*0.03 E=57m

Perímetro húmedo= 1+1+0.35=2.35m

Pérdidas adicionales

h= h= h=0.91m

Pérdidas totales 0.91m+0.031m=0.92m

Viscosidad cinemática= 1.139x10-6m2/s

Gradiente de velocidad

G= G= G=67s-1

Número de camp = Gt= 67*30*60 Gt=120600