S - Universidad de Cuenca

UNIVERSIDAD DE CUENCA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
“TANQUES DE SEDIMENTACIÓN PRIMARIA PARA EL
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES”
MONOGRAFÍA PREVIA LA OBTENCIÓN
DEL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL
DIRECTOR:
ING. GALO ORDÓÑEZ
AUTORES:
ADRIANA LUCÍA SOLANO PAVÓN
EDGAR FELIPE SEGARRA NARVÁEZ
CUENCA – ECUADOR
2006
TABLA DE CONTENIDOS
Introducción …………………………………………………………………III
Objetivos ………………………………………………………………………IV
Generalidades………………………………………………………………….V
CAPÍTULO I TEORÍA DE LA SEDIMENTACIÓN
1.1. Conceptos Generales ………………………………………………..…1
1.2. Tipos de Sedimentación……………………………………………..…1
1.3. Análisis de la Sedimentación de Partículas discretas…………….4
1.4. Tanque de Sedimentación Ideal - Sedimentación Tipo I ……….8
1.5. Factores que influyen en el proceso de Sedimentación ……...16
CAPÍTULO II PARÁMETROS DE DISEÑO DE LA
SEDIMENTACIÓN
2.1
Superficie de Sedimentación ……………………………………….19
2.2
Volumen de Sedimentación Primaria ……………………………..21
2.3
Relaciones Dimensionales ………………………………………..…22
2.4
Permanencia o Tiempo de Retención …………………………..…24
2.5
Dimensiones de la Zona de Entrada ……………………..…..…..25
2.6
Vertedero de Salida ……………………………………………..……28
2.7
Barrederas de Fangos …………………………………………..……29
2.8
Caudales de Fangos producidos ……………………………..…….30
2.9
Pocetas de Fangos ……………………………………………………32
2.10 Características del fango producido………………………..………34
2.11 Remoción y disposición de espumas, aceites y grasas ……….38
CAPÍTULO III DEPURACIÓN FÍSICA
3.1
Fundamento y Alcance ………………………………………..….… 39
3.2
Tipos de Sedimentadores ……………………………………………39
3.3
Características del Sedimentador Circular ………………....……40
I
3.4
Características
del
Sedimentador
Rectangular
de
flujo
Horizontal
…………………………………………..…….………………….………47
3.5
Tanque IMHOFF ……………………..…….…………………..……..55
CAPÍTULO IV DISEÑO DE UN SEDIMENTADOR
4.1
Diseño de un Sedimentador Rectangular……………………..….59
4.2
Diseño de un Sedimentador Circular ….……………….…..…….65
Conclusiones ….…………………..………………..…….…………………69
Recomendaciones ………………..………………..…….………………..70
Anexos ……..………………..…….………………………………………….71
Referencias Bibliográficas ……..………………..…….……………….80
II
INTRODUCCIÓN
El hombre ha utilizado las aguas no sólo para su consumo, sino, con
el paso del tiempo, para su actividad y para su confort, convirtiendo
las aguas usadas en vehículo de desechos. De aquí surge la
denominación de aguas residuales.
La Organización Mundial de la Salud (OMS) ha establecido como uno
de los derechos fundamentales de todo ser humano “el disfrute del
grado máximo de salud posible”
Considera la salud como un “estado completo de bienestar físico,
mental y social”, y fija el nivel de salud por el grado de armonía, que
exista entre el hombre y el medio que sirve de escenario a su vida.
La contaminación de las aguas es uno de los factores mas
importantes que rompe la armonía entre el hombre y su medio tanto
a corto como a medio y largo plazo; por lo que la prevención y lucha
contra ella constituye en la actualidad una necesidad de importancia
prioritaria.
La purificación del agua es uno de los problemas de las ingenierías
civil y ambiental de más urgente solución. El objetivo inmediato es
proveer a toda la sociedad de un sistema de tratamiento de Aguas
Residuales, porque de esta manera cada comunidad satisface un
requerimiento fundamental para su bienestar y comodidad.
III
OBJETIVOS
Con la realización de esta Monografía se pretende afianzar los
conocimientos adquiridos a los largo de toda la carrera y
complementarlos con los recibidos en el Curso de Graduación
de “Desagües Urbanos”
Enfocar el estudio y el diseño de Sedimentadores Primarios
para el Tratamiento de Aguas Residuales, basándonos en la
Teoría de la Sedimentación de Partículas discretas.
Estudiar los diferentes tipos de Sedimentadores, de acuerdo a
su función, y forma.
Diseñar a manera de ejemplo un Sedimentador Primario de
forma rectangular y circular.
IV
GENERALIDADES
PARÁMETROS DE CONTAMINACIÓN:
Sólidos:
El contenido total de materia sólida contenida en el agua constituye
los Sólidos Totales (ST), comprendiendo los sólidos tanto orgánicos
como inorgánicos; su valor queda definido por toda la materia que
permanece como residuo de evaporación a 105°C. Estos Sólidos
Totales pueden encontrarse como:
Sólidos Disueltos (SD) que no sedimentan encontrándose en el
agua en estado iónico o molecular.
Sólidos en Suspensión (SS), que pueden ser:
Sedimentables (SSs), que por su peso pueden sedimentar
fácilmente en un determinado período de tiempo (2 horas en
cono imhoff)
No Sedimentables (SSn), que no sedimentan tan fácilmente
por su peso específico próximo al del líquido o por
encontrarse en estado coloidal.
Los sólidos en suspensión sedimentables constituyen una medida de
la cantidad de fango que se depositará durante el proceso de
decantación en las Depuradoras.
A su vez, cada una de estas clases de sólidos pueden clasificarse de
nuevo en base a su volatilidad a 500°C. La fracción orgánica se
oxidará y será expulsada como gas, permaneciendo la fracción
inorgánica como ceniza. Por tanto los términos de Volátiles y Fijos
aplicados tanto a los sólidos totales como a los disueltos, en
suspensión, sedimentables y no sedimentables, se refieren a su parte
orgánica e inorgánica, respectivamente.
Los sólidos orgánicos proceden de la actividad humana, siendo de
origen animal y/o vegetal. Contienen principalmente carbono,
hidrógeno, Oxígeno, así como N, S, P y K. Es el caso de las proteínas,
de los hidratos de carbono, de las grasas, etc. Su característica es la
posibilidad de degradación y descomposición por reacciones químicas
o acciones enzimáticas de los microorganismos. Los sólidos
inorgánicos son sustancias inertes y no degradables, tales como
minerales, arenas, tierras, etc.
V
Cada uno de los sólidos son de constitución diferente por el contenido
orgánico e inorgánico. A los sólidos inorgánicos se los denomina
sólidos fijos (F) y a los orgánicos volátiles (V). Para la determinación
de los sólidos se desecará la muestra a 105°C. A 500°C la materia
orgánica se volatiliza, quedando los sólidos fijos y por diferencia con
los que permanecen a 105°C se obtienen los volátiles.
Para determinar los sólidos sedimentables se realiza un ensayo
introduciendo un litro de muestra en un cono IMHOFF. Los sólidos
separados al cabo de un tiempo de 2 horas se denominan sólidos
sedimentables, los mismos que se expresan en ml/lt.
VI
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CAPÍTULO I
TEORIA DE LA SEDIMENTACIÓN
1.1
CONCEPTOS GENERALES
La Sedimentación consiste en la separación, por la acción de la
gravedad, de las partículas suspendidas, cuyo peso específico es
mayor que el del agua.
Dos son las formas de sedimentación usadas, la Sedimentación
Simple y la Sedimentación después de coagulación y floculación o
ablandamiento.
La Sedimentación Simple es generalmente un Tratamiento Primario
para reducir la carga de sólidos sedimentables antes de la
coagulación, en esos casos se le conoce como Pre-sedimentación. La
Sedimentación después de la adición de coagulantes y de la
Floculación, se usa para remover los Sólidos Sedimentables que han
sido producidos por el Tratamiento Químico. En el Tratamiento de
Aguas Residuales, la Sedimentación se usa principalmente para
remover sólidos suspendidos sedimentables, Tratamiento Primario, y
para la remoción de material orgánico y biomasa preformada en los
sistemas de Tratamiento Secundario y para espesamiento de lodos.
1.2
TIPOS DE SEDIMENTACIÓN
La Sedimentación ocurre de maneras diferentes, según la naturaleza
de los sólidos, su concentración y su grado de floculación.
En el agua se pueden encontrar partículas llamadas discretas, las
cuales no cambian su tamaño, forma o peso cuando se sedimentan, y
partículas floculentas y precipitantes en las cuales la densidad y el
volumen cambian a medida que ellas se adhieren unas con otras
mediante mecanismos de floculación, precipitación, arrastre o
barrido. La existencia de diferentes tipos de partículas en
concentraciones distintas hace que sea necesario considerar tipos
desiguales de sedimentación, de acuerdo con
la clase de
concentración de partículas, como lo describe Fitch en la figura 1.2
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
1
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Baja
Concentración de Sólidos
Sedimentación
Tipo I
Sedimentación
Tipo II
Sedimentación Zonal
Compresión
Alta
Discretas
Floculentas
Figura 1.2
Dichos tipos de sedimentación son:
Sedimentación Tipo I
Se refiere a la remoción de partículas discretas no floculentas en
una suspensión diluida. En estas condiciones se dice que la
sedimentación es no interferida y es función solamente de las
propiedades del fluido y de las características de la partícula. Es el
tipo de sedimentación que ocurre con partículas de características
floculentas mínimas en suspensiones diluidas, como sería el caso
de sedimentación de materiales pesados inertes.
Aplicación: Eliminación de las arenas del agua residual.
Sedimentación Tipo II
Se refiere a la sedimentación de suspensiones diluidas de
partículas floculentas en las cuales es necesario considerar las
propiedades floculentas de la suspensión junto con las
características de asentamiento de las partículas. Ocurre
generalmente en el tratamiento de aguas residuales, dada la
naturaleza de los sólidos en ellas presentes, y en la purificación de
aguas potables cuando los sedimentadores están precedidos de
floculadores y coagulación.
Aplicación: Eliminación de una fracción de los sólidos en
suspensión del agua residual bruta en los tanques de
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
2
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sedimentación primaria y en la zona superior de los decantadores
secundarios. También elimina los flóculos químicos de los Tanques
de Sedimentación.
Sedimentación Zonal
Describe la sedimentación másica y se refiere al proceso de
sedimentación de suspensiones de concentración intermedia de
material floculento, en las cuales se presentan un asentamiento
interferido debido a la cercanía entre partículas. Dicha cercanía
permite a las partículas, gracias a las fuerzas entre ellas tener una
posición relativa fija de unas con otras, se forma una matriz
porosa soportada por el fluido que desplaza, y como resultado la
masa de las partículas se desplaza hacia el fondo como un solo
bloque, creando una interfase clara de separación entre el
sobrenadante clarificado y el lodo.
Situación en la que se presenta: En los tanques de
sedimentación secundaria empleados en las instalaciones de
tratamiento biológico.
Compresión
Ocurre cuando la concentración aumenta a un valor en que las
partículas están en contacto físico unas con otras y el peso de ellas
es sostenido parcialmente por la masa compactada. Se presenta
en operaciones de espesamiento de lodos cuando las partículas se
acumulan en el fondo del tanque de sedimentación, su peso es
soportado por la estructura de la masa en compactación y el
asentamiento es función de la deformación de las partículas o
flóculos.
En la práctica, durante la operación de sedimentación, es común
que se presente mas de un tipo de sedimentación al mismo tiempo
y es posible que coincida todos los cuatro tipos.
Situación en la que se presenta: Se produce en las capas
inferiores de una masa de fango de gran espesor tal como ocurre
en el fondo de los decantadores secundarios profundos y en las
instalaciones de espesamiento de fangos.
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
3
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1.3
ANÁLISIS DE
DISCRETAS
LA
SEDIMENTACIÓN
DE
PARTÍCULAS
Se denomina partículas discretas a aquellas que no cambian su
forma, tamaño o peso a medida que se sedimentan, por lo que este
tipo de sedimentación es libre, no interferida, que depende solamente
de las propiedades del fluido y de la partícula.
Al colocar una partícula discreta en un fluido en reposo, la partícula
se moverá verticalmente debido a la gravedad, si su densidad difiere
de la del fluido. En nuestro caso el fluido es el agua, cuya densidad
ha de ser menor que el de la partícula.
Las fuerzas verticales que actuarán sobre una partícula discreta en el
agua serán:
Una fuerza vertical hacia abajo igual al peso de la partícula
en el agua (W)
Una fuerza vertical hacia arriba igual a la fuerza de arrastre
debida a la fricción (F).
W
Partícula
esférica
Velocidad vertical = U
F
a= Aceleración vertical
Figura 1.3 Sedimentación de la partícula discreta en reposo.
La sedimentación de partículas discretas no fluculantes puede
analizarse mediante las leyes clásicas formuladas por Newton y
Stokes.
La Ley de Newton proporciona la velocidad final de una partícula
como resultado de igualar el peso efectivo de la partícula a la
resistencia por rozamiento o fuerza de arrastre.
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
4
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El peso de la partícula viene dado por:
W = V (ρs − ρw )g
Donde:
W=
V =
ρs =
Ρ w=
g=
(1.1)
Peso de la partícula en el agua (N)
Volumen de la partícula (m3)
Densidad de la partícula (kg/ m3)
Densidad del agua (kg/ m3)
Aceleración de la gravedad (9.81 m/s2)
La fuerza vertical de arrastre o fricción es función de la rugosidad, de
la forma, tamaño y velocidad vertical de la partícula así como de la
densidad y viscosidad del agua. Empíricamente se ha encontrado que
para partículas discretas esta fuerza es igual a:
C D ∗ An ∗ ρ w ∗ U 2
F=
2
(1.2)
Donde:
F =
Fuerza de arrastre vertical (N)
CD =
Coeficiente de arrastre de Newton (adimensional)
An =
Area de la sección transversal de la partícula normal a la
dirección de asentamiento ( m2)
U=
Velocidad de asentamiento (m/s)
Ρ w=
Densidad del agua (kg/ m3)
El valor del coeficiente de arrastre, CD es función del número de
Reynolds (RE):
RE =
D ∗U
ν
(1.3)
Donde:
D=
Diámetro de la partícula (m)
U=
Velocidad de asentamiento (m/s)
ν=
Viscosidad cinemática (m2/s)
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
5
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Para partículas esféricas y RE ‹ 10.000 , Fair y Geyer han
encontrado que:
CD =
24
3
+
+ 0.34
RE ( RE ) 1 2
(1.4)
Inicialmente la partícula se acelerará hasta que la fuerza de fricción o
de arrastre del fluido se haga igual a la fuerza impulsora de
asentamiento.
Cuando las fuerzas verticales están en equilibrio, de acuerdo con la
segunda ley de Newton, la aceleración se hace igual a cero y la
velocidad se vuelve constante. Por lo tanto, para partículas esféricas:
CD AN ρ w U 2
V (ρ s − ρ w ) ∗ g =
2
⎛ π D3 6 ⎞
2V ( ρ s − ρ w ) ∗ g 2 g
⎟⎟
U =
=
∗ (S s − 1)⎜⎜
2
C D AN ρ w
CD
⎝π D 4⎠
2
U=
4 g (S s − 1) ∗ D
3 CD
(1.5)
Donde:
Ss= Densidad relativa de la partícula
En la zona de asentamiento viscoso, intervalo de Stokes, RE ‹ 0.5, la
relación entre el Número de Reynolds y el coeficiente de arrastre se
puede tomar igual a:
CD =
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
24
24ν
=
RE D ∗ U
(1.6)
6
UNIVERSIDAD DE CUENCA
Sustituyendo en la ecuación de la velocidad de asentamiento (U) se
tiene:
U=
gD 2 (S s − 1)U
4 g DU
(S s − 1) D =
∗
18ν
3 24ν
g D 2 (S s − 1)
U=
18ν
(1.7)
La ecuación anterior se conoce como Ley de Stokes y ha sido
comprobada experimentalmente.
En el intervalo de Newton, 1000 ‹ RE ‹ 100.000, el valor de CD es
aproximadamente constante e igual a 0,4 , por lo tanto,
C D = 0 .4
(1.8)
Sustituyendo en la ecuación de la velocidad de asentamiento ( U ) se
tiene :
U=
10 g (S s − 1) D
3
(1.9)
Para la obtención de la velocidad de asentamiento, se supone que
W=F, lo cual implica la satisfacción de las siguientes condiciones:
Relación V
AN
constante; corresponde a partículas discretas
esféricas.
Ausencia de viento y corrientes de densidad o térmicas
Ausencia de cortocircuitos
CD constante y por consiguiente viscosidad y temperatura
constantes.
Obviamente, en la práctica no es posible satisfacer todas estas
condiciones simultáneamente.
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
7
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1.4
TANQUE DE SEDIMENTACIÓN IDEAL – SEDIMENTACIÓN
TIPO 1
De manera teórica, se acostumbra dividir el tanque de sedimentación
en 4 zonas:
Zona
Zona
Zona
Zona
de
de
de
de
entrada
salida
lodos
asentamiento
A continuación indicamos estas zonas en la figura 1.4.1
Figura 1.4.1
Zonas hipotéticas en un tanque de sedimentación rectangular
(Planta y corte longitudinal)
La zona de entrada tiene como función suministrar una transición
entre el flujo de entrada y el flujo uniforme permanente en la zona de
sedimentación. En un tanque ideal de flujo horizontal, convencional,
distribuye uniformemente el caudal afluente sobre toda la sección
transversal del tanque para que el flujo siga trayectorias horizontales
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
8
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a través de la zona de asentamiento. Además trata evitar las altas
velocidades que pueda perturbar los sedimentos del fondo.
La zona de salida constituida por un vertedero, canaletas o tubos
con perforaciones que tiene la finalidad de recolectar el efluente sin
perturbar la sedimentación de las partículas sedimentadas.
La zona de recolección de lodos tiene como función recibir el
material sedimentado e impedir que infiera con el asentamiento de
partículas en la zona de sedimentación; se supone que toda partícula
que alcanza esta zona es removida efectiva y realmente de la
suspensión.
Esta constituida por una tolva con capacidad para
depositar los lodos sedimentados y una tubería y válvula para su
evacuación periódica.
La zona de sedimentación suministra el volumen de tanque
necesario para el asentamiento, libre de interferencia proveniente de
las otras tres zonas. Idealmente, cada zona debe efectuar sus
funciones sin interferencia de las otras, para lograr la mejor eficiencia
del tanque de sedimentación.
Para el caso de un sedimentados rectangular, esta consta de un canal
rectangular con volumen, longitud y condiciones de flujo adecuados
para que sedimenten las partículas. La dirección del flujo es
horizontal y la velocidad es la misma en todos los puntos, flujo
pistón.
Hazen y Camp, suponiendo sedimentación de partículas discretas en
un tanque ideal de sedimentación, desarrollaron algunos conceptos
fundamentales de la sedimentación. En dicho tanque, las trayectorias
de todas las partículas discretas son rectas y todas las partículas de
igual velocidad de asentamiento se moverán en trayectorias paralelas
como se indica en la figura 1.4.2
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
9
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O
Figura 1.4.2
Sedimentación de partículas discretas.
Una partícula con velocidad de asentamiento U y transportada
horizontalmente con velocidad v, seguiría una trayectoria rectilínea
inclinada como resultado de la suma del vector velocidad de flujo y
del vector de velocidad de asentamiento, indicada por la recta OB.
Por triángulos semejantes como se deduce de la figura 1.4.2
U d
=
v L
Por lo tanto en función del caudal Q y del área superficial, As,
As = a * L = Área superficial
U=
U =
La relación
(1.10)
vd
Qd
Q
=
=
L ad L a L
Q
= Carga superficial
As
(1.11)
Q
, carga superficial, tiene las dimensiones de
As
velocidad, generalmente m d e indica que, teóricamente, la
sedimentación es función del área superficial del tanque e
independiente de la profundidad.
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
10
UNIVERSIDAD DE CUENCA
Todas las partículas discretas con velocidad de asentamiento igual o
mayor que U serán completamente removidas, es decir que el 100%
de remoción ocurriría cuando todas las partículas en la suspensión
tuviesen velocidades de asentamiento por lo menos iguales a U.
Por el contrario, si consideramos una partícula con velocidad de
asentamiento Up menor que U, solamente una fracción de ellas será
removida. En efecto, como se ve en la figura 1.4.2, solamente las
partículas con velocidad Up ‹ U que alcancen el tanque dentro de la
altura DC serán removidas.
Ahora, si el área del triángulo con catetos OC y L representan el
100% de remoción de partículas, entonces la relación de remoción R,
fracción removida de partículas con velocidad de asentamiento Up,
será:
Velocidad de
Asentamiento
Área
Porcentaje
removido
U
( OC ) * L
100 %
Up
( DC ) * L
R
1
R=
DC U p AU p a L U p
=
=
=
OC U
Q
Q
La ecuación anterior fue descubierta por Hazen en 1904 y demuestra
que para cualquier caudal Q, la remoción de material suspendido es
función del área superficial del tanque de sedimentación e
independiente de la profundidad. Lo que quiere decir que la remoción
y, por consiguiente, el diseño de sedimentadores dependen sólo de la
carga superficial.
Según Rich, a la conclusión anterior se llega también si se formula la
tasa máxima a la cual puede clarificarse un líquido, mediante la
figura 1.4.3.
En la figura 1.4.3 una suspensión diluida de partículas discretas
ocupa un volumen rectangular. Bajo condiciones tranquilas, las
partículas se sedimentan con velocidad U y el líquido, a cualquier
profundidad z, se clarificará tan pronto como aquellas partículas
localizadas en el nivel superior pasen a través del nivel z. La tasa de
clarificación se puede calcular así:
Q=
1
z
A =U A
t
(1.12)
Ecuación de Hazen para la relación de remoción
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
11
UNIVERSIDAD DE CUENCA
Donde:
Q= Tasa volumétrica de clarificación, ( m3/s )
z= Distancia a través de la cual las partículas se sedimentan en el
tiempo t, ( m )
t = Tiempo de sedimentación, ( seg )
A = Área superficial perpendicular a la dirección de asentamiento,
(m2)
Figura 1.4.3 Volúmenes rectangulares de una suspensión de partículas no
floculentas en sedimentación bajo condiciones tranquilas.
(a)
Partículas con velocidades uniformes
(b) Partículas con dos velocidades de asentamiento.
De nuevo la ecuación
Q=
z
A = U A hace evidente que la capacidad
t
de tratamiento en un tanque en el cual se presente sedimentación
tipo 1 es, teóricamente, independiente de la profundidad del tanque y
solamente función del área superficial del tanque y la velocidad de
asentamiento de las partículas.
Observando la figura 1.4.3 (b) y aplicando la ecuación (1.12) se
tiene que:
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
Q 1 = U1 * A
(1.13)
Q 2 = U2 * A
(1.14)
12
UNIVERSIDAD DE CUENCA
La fracción en peso de partículas removidas con velocidad de
asentamiento menor, U1, será :
X1 =
Z1
Z2
=
U1
U2
(1.15)
Según Camp, para cualquier tasa de clarificación Q, la remoción total
de partículas discretas de una suspensión diluida de partículas
discretas, con velocidades de asentamiento diferentes, se puede
predecir con un análisis de sedimentación realizado en columnas de
sedimentación semejantes a la de la figura 1.4.4
Figura 1.4.4 Columna para análisis de sedimentación
Con los resultados experimentales se puede elaborar la curva de
velocidades de asentamiento de la suspensión y determinar la
remoción total de partículas. La curva característica es como la de la
figura 1.4.5.
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
13
UNIVERSIDAD DE CUENCA
Figura 1.4.5 Curva para análisis de la velocidad de asentamiento de
partículas discretas.
Para una taza de clarificación determinada, Q0 se tiene :
Q0 = U 0 * A
(1.16)
Todas las partículas con velocidad de asentamiento Up ≥ U0 serán
completamente removidas. Tales partículas constituyen 1 – X0 del
total de partículas originalmente existentes en la suspensión
clarificada.
La fracción en peso de partículas removidas con velocidad Up ‹ Uo
será, según la ecuación de Hazen para la relación de remoción, igual
a:
X
Xo
Up
1 0
∫0 U 0 dx = U 0 ∫0 U p dx
(1.17)
Para el caso de Up ≥ U0, la fracción en peso de partículas removidas
sería:
1
Up
X0
=
∫U
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
1
dx = ∫ 1 dx = (1 − X 0 )
(1.18)
X0
14
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Por lo tanto, la remoción total en el líquido será:
X T = (1 − X 0 ) +
X
1 0
U p dx
U 0 ∫0
(1.19)
Donde:
XT = Fracción total removida
1-X0 = Fracción de partículas con velocidad Up mayor que U0
1
U0
X0
∫U
p
dx = Fracción de partículas removidas con velocidad Up, menor
0
que Uo.
El último término de la ecuación anterior, se cuantifica mediante
integración gráfica de la curva para análisis de sedimentación de
partículas discretas entre los límites 0 y X0, es decir en el área
sombreada de la figura 1.4.5.
En términos de las áreas B y C de la figura 1.4.5, lo anterior es
equivalente a:
X T = (1 − X 0 ) +
B X0
B X0
= (1 − X 0 ) +
B+C
U0 X 0
Por tanto:
X T = (1 − X 0 ) +
B
U0
La remoción es la función de la U0, o sea de la carga superficial, única
variable de control por parte del diseñador. Para un caudal específico,
a mayor área superficial menor carga superficial, mayor eficiencia de
remoción.
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
15
UNIVERSIDAD DE CUENCA
1.5
FACTORES QUE
SEDIMENTACIÓN
INFLUYEN
EN
EL
PROCESO
DE
Hay que tener presente que en la práctica no existen “tanques
ideales”, ya que el proceso de sedimentación se ve afectado por una
serie de variables que no están consideradas en la teoría. Podríamos
enumeran entre otras las siguientes:
a) Corrientes de densidad:
Se llama así a las corrientes que se producen dentro del tanque
por efecto de las diferencias de densidad en la masa de agua.
Existen dos tipos:
Corrientes térmicas:
Las Corrientes térmicas se producen cuando existe un cambio
de temperatura mayor que 1°C por hora.
Generalmente durante la noche, en época fría, cuando el
afluente llega al sedimentador con una temperatura más baja
que la que existe en el tanque, el agua que entra, por su mayor
densidad, desplaza a la que ésta mas abajo, creando “ corriente
de fondo” que avanzan a alta velocidad y llegan hasta la salida
en una fracción del tiempo nominal de detención arrastrando a
su paso partículas de fango. Figura 1.5.1
Figura 1.5.1 Corrientes térmicas debida a agua fría.
El fenómeno inverso se presenta cuando el flujo que entra es
más caliente que el que existe en el tanque, lo que sucede a
veces durante el día, por el calentamiento de las masas de agua
superiores. En este caso se forma “ Corrientes superficiales “
que avanzan de la entrada a la salida, sin permitir el
asentamiento de las partículas. Figura 1.5.2
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
16
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Figura 1.5.2 Corrientes térmicas debidas al agua caliente
Corrientes de Concentración:
Las corrientes de densidad, también pueden producirse por las
diferencias en la concentración de partículas suspendidas en las
distintas masas de agua. Afortunadamente, la mayor
concentración de partículas suele estar en el fondo. Pero
cualquier perturbación en el flujo, puede alterar el equilibrio
produciendo un flujo envolvente sobre si mismo o sinuoso, muy
diferente al teórico calculado.
b) Corrientes debidas al viento:
El viento, al soplar sobre la superficie de los sedimentadores,
puede producir corrientes de suficiente intensidad, como para
inducir cambios en la dirección del flujo y alterar el precario
equilibrio de las masas de agua. En sedimentadores grandes
puede crear oleajes de cierta magnitud, interfiriendo el proceso
de sedimentación o desequilibrando la distribución del flujo en
las canaletas de salida. Se recomienda por eso el uso de
cortinas de árboles o vallas vegetales que impidan el impacto
directo del viento sobre el agua.
c) Corrientes Cinéticas:
Las corrientes cinéticas pueden producirse por:
Alteraciones en la zona de entrada:
Las alteraciones del flujo en la zona de entrada deben evitarse
y su presencia puede deberse a una velocidad excesiva del flujo
en la entrada del sedimentador, o a que los orificios sean muy
grandes, creando turbulencias que pueden extenderse bastante
dentro del tanque. Similarmente puede mencionarse como
causa de corrientes cinéticas, la distribución desigual del flujo
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
17
UNIVERSIDAD DE CUENCA
en la entrada del sedimentador (orificios de distintos diámetros
o algunos parcialmente obstruidos).
Obstrucciones en la zona de sedimentación:
En esta zona las líneas de flujo no deben encontrarse con
ningún tipo de obstrucciones que alteren su trayectoria, ya que
disminuiría la eficiencia del sedimentador.
Alteraciones en la zona de salida
La distribución desigual del agua en la zona de salida es una de
las más frecuentes causas de corrientes cinéticas en un
sedimentador. Las canaletas de pequeña longitud, mal
ubicadas, mal niveladas o impropiamente diseñadas producen
cortocircuitos hidráulicos y zonas muertas que pueden inutilizar
grandes áreas de los sedimentadores. Figura 1.5.3
Figura 1.5.3 Cortocircuito y espacios muertos.
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
18
UNIVERSIDAD DE CUENCA
CAPÍTULO II
PARÁMETROS DE DISEÑO DE LA SEDIMENTACIÓN
Los tanques de sedimentación primaria bien dimensionados y
explotados con eficiencia eliminan entre el 50 y el 70 % de los sólidos
suspendidos y entre el 25 y el 40 % de la DBO5
Por lo regular se considera que teniendo en cuenta criterios
económicos y técnicos, los sedimentadores se diseñan para un
periodo de 8 a 16 años.
Los tanques de sedimentación primaria que precedan a los procesos
de tratamiento biológico, pueden ser diseñados de forma que sus
tiempos de detención sean menores y tengan una carga de superficie
más alta que los que se utilizan como único medio de tratamiento.
2.1
SUPERFICIE DE SEDIMENTACIÓN
Los tanques de sedimentación se suelen dimensionar en función de la
carga de superficie, expresada en m3/m2 día. La adopción de una
carga de superficie adecuada depende del tipo de suspensión que hay
que sedimentar.
El efecto de la carga superficial sobre la eliminación de sólidos
suspendidos varia ampliamente en función de las características del
agua residual, de la proporción de sólidos sedimentables,
concentración de sólidos, así como de otros factores.
Carga superficial de diseño:
En sedimentadores de flujo horizontal o de flujo vertical, la tasa o
carga superficial representa la relación entre el caudal, Q, y la
superficie superior As de la zona de sedimentación.
Cs =
Q
As
(2.1)
La tasa superficial equivale a la velocidad vertical media de
sedimentación de aquellas partículas que son removidas en un 100%.
La elección de la tasa superficial depende del criterio y experiencia
del proyectista. Las denominadas Normas de los Diez Estados
Unidos indican para sedimentadores primarios, cuando se prevé
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
19
UNIVERSIDAD DE CUENCA
únicamente tratamiento primario, que la tasa superficial para
sedimentadores de flujo horizontal o vertical no deberá exceder de
23 m3/día/m2 en plantas de hasta 4.000 m3/día de capacidad.
Para plantas mayores se pueden admitir tasas superiores.
Cuando los tanques de sedimentación primaria preceden a los
procesos de tratamiento biológico, podrán ser diseñados de forma
que tengan una tasa superficial más alta que los tanques que se
utilizan como único medio de tratamiento.
En la tabla 2.1.1 se muestran valores de carga superficial tomados
de Metcalf & Eddy:
Tabla 2.1.1 CARGA SUPERFICIAL TIPICA PARA TANQUES DE
SEDIMENTACIÓN PRIMARIA
Características
Sedimentación primaria seguida de
tratamiento secundario
Carga superficial (m3/m2 día)
Caudal medio
Caudal pico
Sedimentador primario con barro
activado de retorno
Carga superficial (m3/m2 día)
Caudal medio
Caudal pico
Valor
Intervalo
Típico
32 - 48
80 - 120
100
24 – 32
48 - 70
60
Según Azevedo Netto, considera que a falta de datos experimentales
pueden adoptarse especificaciones de tipo general que se presentan
en la tabla 2.1.2
Tabla 2.1.2 SEDIMENTADORES CONVENCIONALES: CRITERIOS
DIMENSIONALES
Tipo de Instalación
Instalaciones pequeñas con
instalación precaria
Instalaciones proyectadas con la
nueva tecnología, con operación
normal
Instalaciones proyectadas con
nueva tecnología, con operación
buena
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
Carga superficial
m /m2 día m3/m2 h
3
20 - 30
0.8 – 1.2
30 - 40
1.2 – 1.7
35 - 45
1.5 – 1.9
20
UNIVERSIDAD DE CUENCA
Una vez determinada la carga superficial (CS) se procede a calcular el
área superficial con la siguiente relación:
As =
Q
Cs
(2.2)
Donde:
AS = Área superficial (m2)
Q = Caudal medio por unidad (m3/día)
CS = Carga superficial (m3/m2 día)
En toda planta debe haber por lo menos dos unidades de
sedimentación, de tal forma que cuando se suspenda una, se pueda
seguir trabajando con la otra. Teniendo en cuenta esta eventualidad,
el área total de los sedimentadores debe incrementarse en un
porcentaje adicional como se muestra en la tabla 2.1.3
Tabla 2.1.3 PORCENTAJE DE ÁREA ADICIONAL DE SEDIMENTACIÓN QUE
DEBE PROVEERSE
Número de
Unidades
2
3
4
5 ó más
2.2
20
0
0
0
0
Carga Superficial m3/m2*día
30
40
50
60
0
33
67
100
0
11
22
33
0
8.5
17
25
0
7
13
20
VOLUMEN DE SEDIMENTACIÓN
Profundidades y Volumen del Tanque:
Se demuestra que en sedimentadores de flujo horizontal, la
profundidad en sí misma no tiene influencia en la sedimentación. Lo
mismo puede afirmarse para sedimentadores de flujo vertical. La
profundidad debe ser por lo tanto fijada según la experiencia del
proyectista, considerando la necesidad de almacenamiento y
concentración de los barros y la prevención de resuspensión de los
mismos debido a excesos de velocidades horizontales que pudiesen
resultar de bajas profundidades (en el caso de sedimentadores de
flujo horizontal) o debido a succión en los puntos de salida.
No es deseable, por otra parte, tener grandes profundidades a fin de
no producir largos períodos de detención de los barros que provocan
condiciones sépticas, y a fin de evitar corrientes debidas a diferencias
de densidad.
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
21
UNIVERSIDAD DE CUENCA
Los sólidos que contiene un líquido cloacal tienen ciertas
características floculentas. Se puede pensar que en el caso de
sedimentadores de flujo horizontal o vertical cuanto mayor es la
profundidad, mayor es la probabilidad de contacto entre las partículas
de una suspensión floculenta mientras sedimentan; pero a igualdad
de volumen, a mayor profundidad corresponde menor área superficial
y no pueden sobrepasarse ciertos límites sin aumentar la tasa
superficial y afectar en consecuencia la eficiencia de la
sedimentación.
La Water Pollution Control Federation indica para sedimentadores
de flujo horizontal y diámetro del orden de 12 metros o menores
profundidades del orden de 3 metros y profundidades del orden de 5
metros para tanques de diámetros de 50 metros o mayores.
La tabla 2.2.1 tomada de Metcalf & Eddy presenta las dimensiones
para tanques de sedimentación rectangulares y circulares.
Tabla 2.2.1 INFORMACIÓN TÍPICA PARA EL PROYECTO DE LOS TANQUES
DE SEDIMENTACIÓN RECTANGULARES Y CIRCULARES
Tipo de Tanque
Rectangular
Profundidad, m
Longitud, m
Anchura, m
Circular
Profundidad, m
Diámetro, m
Pendiente de la solera, mm/m
Valor
Intervalo
Típico
3 - 4.5
15 - 90
3 – 25
3.6
25 – 40
5 - 10
3 – 4.5
3 – 60
6.25 – 16
3.6
12 – 45
8
Definida la forma y profundidades del tanque queda entonces definido
el volumen V del mismo, debiendo verificarse las relaciones
dimensionales como se indica a continuación.
2.3
RELACIONES DIMENSIONALES
Según el manual de Depuración Uralita se tienen las siguientes
relaciones dimensionales.
En sedimentadores de flujo horizontal:
Siendo:
L= Longitud del sedimentador
h = Altura útil del sedimentador
b = Ancho del sedimentador
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
22
UNIVERSIDAD DE CUENCA
Puede usarse las siguientes relaciones:
Tabla 2.3.1 RELACIONES DIMENSIONALES PARA SEDIMENTADORES
RECTANGULARES
Sedimentación
Primaria
L/h
L/b
Valor Mínimo
Valor Típico
Valor Máximo
5
1.5
15
4.5
40
7.5
Para tanteos, según Huisman:
H =
1 0 .8
L
;
12
B=
1 1 .2
L
8 .5
(2.3)
De publicaciones del CEPIS se obtienen las siguientes relaciones
dimensionales:
Tabla 2.3.2 RELACIONES DIMENSIONALES PARA SEDIMENTADORES
RECTANGULARES
Sedimentación
Primaria
Valor Típico
L/h
L/b
5 - 20
3-6
También se debe guardar la relación de las velocidades de flujo y las
dimensiones de largo y altura.
L VH
=
H VS
(2.4)
Se puede determinar la velocidad horizontal VH (m/seg) de la unidad
mediante la ecuación.
VH =
Q
B*H
(2.5)
El cual debe cumplir con las relaciones mencionadas anteriormente.
Velocidad de Arrastre:
En los tanques de sedimentación, las velocidades horizontales se
deben mantener a niveles bajos de modo que las partículas no sean
arrastradas desde el fondo del tanque. La velocidad requerida para
iniciar el arrastre de las partículas puede calcularse por la expresión
desarrollada por Camp, a partir de estudios hechos por Shields:
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
23
UNIVERSIDAD DE CUENCA
va =
8* β
g (S s − 1) D
f
(2.6)
Donde:
Va = Velocidad de arrastre, (m/s)
β = 0.04 – 0.1 (Constante que depende del tipo de material
sedimentado)
f = factor de fricción de Darcy-Weisbach. Valores típicos 0.02 – 0.03
g = Aceleración de la gravedad, (m/s2)
D = Diámetro promedio de las partículas, (m)
Ss = Densidad relativa de las partículas.
La ecuación anterior indica que la velocidad requerida para iniciar el
arrastre es independiente del tamaño y profundidad del tanque y solo
es función del factor de fricción, el tamaño promedio de las partículas
y su densidad relativa.
Según el Insfopal, la velocidad de flujo en un sedimentador debe ser
menor de 1.25 cm/s.
2.4
PERMANENCIA O TIEMPO DE RETENCIÓN
El período nominal de detención o permanencia, Tr, es igual al
cociente entre el volumen V del tanque y el caudal Q:
V
Q
(2.7)
Pr ofundidad
C arg a Superficial
(2.8)
Tr =
o bien
T r=
Es el tiempo teórico que toda partícula discreta y aislada del líquido
permanecería en el sedimentador con un flujo denominado de tipo
pistón. Esta situación no se cumple en general en la práctica, pues
algunas partículas salen antes de cumplir dicho período y otras
permanecen más tiempo. Ello es debido a los efectos de cortocircuitos
y la existencia de zonas muertas que pueden producirse en las
operaciones de flujo continuo y a la existencia de partículas
aglomerables o floculentas.
Actualmente se considera que lo que define un proyecto es la elección
de una determinada tasa superficial y las permanencias o períodos de
detención, en definitiva definen la profundidad y dependen
principalmente del rol que debe desempeñar la sedimentación en el
tratamiento y de las características del líquido a tratar.
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
24
UNIVERSIDAD DE CUENCA
Corresponden así menores períodos de detención para tanques que
preceden tratamientos biológicos que para tanques que sirven como
único medio de tratamiento, excepto en el caso del proceso de barros
activados con recirculación de barros.
Se recomiendan períodos de detención de 1 a 2 h., para
sedimentadores primarios previos a tratamientos biológicos y de 1.5
a 2.5 h., para sedimentadores finales o sedimentadores utilizados
como medio de tratamiento.
Los valores del tiempo de retención pueden obtenerse de la tabla 2.4
tomada del Manual de Depuración Uralita.
Tabla 2.4.1 TIEMPOS DE RETENCIÓN
Sedimentación
Primaria
Valor
Mínimo
Valor Típico
Valor Máximo
Tiempo de retención
para caudal medio
1.50 h
2.00 h
3.00 h
Tiempo de retención
para caudal máximo
1.00 h
1.50 h
2.00 h
Cuando la decantación primaria se usa como tratamiento único deben
aumentarse las cifras anteriores en un 30%
En la tabla 2.4.2 se muestran valores de tiempo de retención
tomados de Metcalf & Eddy:
Tabla 2.4.2 TIEMPOS DE RETENCIÓN
Características
Sedimentador primario seguida de
tratamiento secundario
Tiempo de Retención
2.5
Valor
Intervalo
Típico
1.5 – 2.5
2
DIMENSIONES DE LA ZONA DE ENTRADA
Las entradas de los sedimentadores de flujo horizontal o vertical
deben cumplir con estrictas condiciones hidráulicas de diseño de
manera de que la unidad se asemeje a un sedimentador ideal.
La entrada del líquido cloacal a los sedimentadores puede hacerse
así: por vertederos frontales, por compuertas, por aberturas que
descargan entre pantallas, por pantallas perforadas o ranuras y por
alimentación central (esto último para sedimentadores circulares).
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
25
UNIVERSIDAD DE CUENCA
De todos estos sistemas, los más utilizados son los de descarga
contra pantalla y los de alimentación central.
En el sistema por vertedero tiene el inconveniente de producir
depósitos en el canal de llegada.
En el sistema de sedimentadores circulares con alimentación central,
el líquido entra por un conducto o una columna hueca central y
desborda bajo el nivel del pelo de agua en el sedimentador; la
descarga está reducida generalmente por una pantalla circular
concéntrica, que ayuda a la distribución uniforme del efluente.
2.5.1
Sedimentadores Circulares
En sedimentadores circulares de flujo vertical, siendo para el cilindro
central de entrada:
Φ1
h1
Φ
h
=
=
=
=
Diámetro del cilindro
Altura del cilindro desde el borde superior del sedimentador
Diámetro del sedimentador
Altura del sedimentador
Las dimensiones de la zona de entrada se muestran en la tabla 2.4.1
tomada del Manual de Depuración Uralita.
Tabla 2.4.1 DIMENSIONES EN SEDIMENTADORES CIRCULARES
Relaciones
Φ1 / Φ
h1 / h
2.5.2
Valor mínimo
0.05
0.25
Valor típico
0.1
0.40
Valor máximo
0.2
0.65
Sedimentadores Rectangulares
Pantalla Difusora:
La pantalla difusora se utiliza generalmente en sedimentadores
rectangulares como parte de la zona de entrada, conteniendo un
número n de orificios, debiendo además cumplir con ciertas normas y
requerimientos.
Este elemento busca proveer una transición suave entre la velocidad
relativamente alta de la tubería afluente y la velocidad baja uniforme
deseable en la zona de asentamiento, para minimizar su interferencia
con este proceso.
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
26
UNIVERSIDAD DE CUENCA
La ubicación de la pantalla difusora debe ser entre 0.7 m y 1.0 m de
distancia de la pared de entrada.
Los orificios más altos de la pared difusora deben estar a 1/5 o 1/6
de la altura (H) a partir de la superficie del agua y los más bajos
entre 1/4 ó 1/5 de la altura (H) a partir de la superficie del fondo.
La velocidad en los orificios no debe ser mayor a 0,15 m/s para no
crear perturbaciones dentro de la zona de sedimentación.
Se debe aboquillar los orificios en un ángulo de 15° en el sentido del
flujo.
En tanques sujetos a vientos severos, corrientes de densidad o
variaciones de caudal, son recomendables dos paredes difusoras
intermedias.
En tanques sujetos a vientos benignos, corrientes de densidad o
variaciones de caudal, una pared difusora intermedia es
recomendable.
Para el diseño de la pantalla difusora se tiene:
Se asume una velocidad de paso entre los orificios.
Se determina el área total de los orificios ( A0 ) :
A0 =
Q
V0
(2.9)
Donde:
Q = Caudal de diseño
V0 = Velocidad de paso entre los orificios
Se adopta un diámetro de orificio.
Se determina el área de cada orificio ( a0 )
Se determina el numero de orificios (n) :
n=
A0
a0
(2.10)
Se determina la porción de altura de la pantalla difusora con
orificios ( h ) :
⎛2 ⎞
h = H −⎜ H⎟
⎝5 ⎠
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
(2.11)
27
UNIVERSIDAD DE CUENCA
Donde:
H = Profundidad del sedimentador
Se asume un numero de filas de orificios (nf), obteniéndose
por tanto el numero de columnas de orificios ( nc ).
Se determina el espaciamiento entre filas ( a1 ) :
a1 =
h
nf − 1
(2.12)
Se determina el espaciamiento entre columnas ( a2 ):
a2 =
B
nc + 1
(2.13)
Donde:
B = Ancho del sedimentador
2.6
VERTEDERO DE SALIDA
La salida por otra parte se hace generalmente por vertederos
superficiales de caída libre. Se debe tener cuidado en que la longitud
de estos vertederos sea tal que no provoque arrastre de material fino
en suspensión desde el fondo.
En los sedimentadores circulares el vertedero de salida ocupa por lo
menos toda la periferia y convienen que la salida tenga la forma de
serrucho, de manera de formar un gran número de pequeños
vertederos triangulares. La ventaja es la de permitir corregir
pequeñas diferencias en el nivel del vertedero, para que todo el
sedimentador trabaje de manera uniforme y pueda obtenerse un
rendimiento máximo.
La Water Pollution Control Federation recomienda no exceder de 200
a 260 m3/m lineal y por día según la ubicación de los vertederos.
La norma de los Diez Estados fija que los caudales unitarios de los
vertederos no excederán de 130 m3/ml*día para plantas de menos
de 4000 m3/día de caudal. Para caudales mayores se recomienda
no exceder de 200m3/ml*día.
Relación entre parámetros:
L=
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
Q
CV
(2.14)
28
UNIVERSIDAD DE CUENCA
Siendo:
L = Longitud necesario de vertedero ( m )
Q = Caudal a tratar ( m3 / h )
CV = Carga de salida por el vertedero ( m3 / h * m )
Se tienen los valores de la tabla 2.6, obtenidos del Manual de
Depuración Uralita.
Tabla 2.6 CARGA DE SALIDA EN VERTEDERO
Forma de
Sedimentador
Sedimentadores
Circulares
Sedimentadores
Rectangulares
2.7
Valor mínimo
Valor medio
Valor máximo
5
9.5
18
5
10
26
BARREDERAS DE FANGOS
Los sólidos depositados en el fondo de los sedimentadores deben ser
extraídos lo más rápidamente posible para evitar que entren en
putrefacción y que se produzca en consecuencia la septización del
líquido en tratamiento
La limpieza puede hacerse hidráulicamente, mediante fondos
inclinados y tolvas de acumulación, desde donde los barros se
eliminan en forma continua o discontinua ya sea por diferencia de
presión o por bombeo.
Para el arrastre de los lodos se pueden también usar mecanismos
arrastre de lodos, de movimiento lento para no alterar el proceso
sedimentación o la resuspensión de los lodos; por esta razón,
velocidad del mecanismo de arrastre de los lodos debe ser menor
0.5 cm/s
de
de
la
de
Los barredores en los sedimentadores primarios circulares por lo
general deben se de fondo y de superficie para eliminar los sólidos
livianos.
Siendo Vr = Velocidad lineal de las barrederas de fondo en
sedimentadores. Pueden tomarse valores de la tabla 2.7
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
29
UNIVERSIDAD DE CUENCA
Tabla 2.7 VELOCIDADES DE BARREDERAS DE FONDO
Tipo de tanque
Rectangular
Circular
Valor mínimo
0.6 m/min
0.02 r/min
Valor típico
0.9 m/min
0.03 r/min
Valor máximo
1.2 m/min
0.05 r/min
Las inclinaciones de los fondos para dichas rasquetas suelen ser :
En sedimentadores circulares de 2 al 8 %
En sedimentadores rectangulares del 0.5 al 2 %
Dependiendo del sistema de rasquetas.
2.8
CAUDALES DE FANGOS PRODUCIDOS
Se debe conocer o estimar el volumen de fango producido en los
tanques de sedimentación primaria, de modo que el proyecto y
dimensionamiento de los tanques, junto con las instalaciones de
tratamiento y eliminación del fango, se puedan llevar a cabo
correctamente. El volumen de fango producido depende de:
Las características del agua residual cruda, incluidas la edad
y concentración de la misma
El tiempo de detención y el grado de tratamiento a llevar a
cabo en los tanques
El estado de los sólidos sedimentados, incluyendo el peso
específico, el contenido de agua, y los cambios de volumen
experimentados bajo la influencia de los dispositivos
mecánicos de eliminación de fangos o de la profundidad del
tanque
El lapso de tiempo transcurrido entre las operaciones de
extracción de fangos
El caudal medio de fangos producido puede calcularse con la
siguiente fórmula:
Qf =
K *C *Q
10000 * C1
(2.15)
Siendo:
Qf = Caudal medio de fangos producidos ( m3 / h )
Q = Caudal medio de agua a tratar ( m3 / h )
K = Coeficiente de reducción de sólidos en suspensión en la
sedimentación
C = Concentración de sólidos en suspensión en el agua bruta (p.p.m)
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
30
UNIVERSIDAD DE CUENCA
C1 = Concentración de fangos en la salida de purga del sedimentador
(%)
Como valores usuales de la concentración de fangos en la salida de
purga del sedimentador, pueden tomarse los de la tabla 2.8.1
Tabla 2.8.1 CONCENTRACIÓN DE FANGOS (%)
Valor mínimo
Valor típico
Valor máximo
1
1.5
2
3
5
6
Sedimentadores
de succión
Sedimentadores
con pocetas
En la tabla 2.8.2 tomada de Metcalf & Eddy, se proporcionan datos
sobre el peso específico y el contenido de humedad del fango extraído
de los tanques de sedimentación primaria.
El caudal de fangos también se puede calcular mediante la
expresión:
Qf =
Ws
ρ w S st Ps
(2.16)
Donde:
Ws= Peso de los sólidos secos, Kg/día
ρw = Densidad del agua, kg/m3
Sst = Peso específico relativo del fango
Ps = Fracción de sólidos
Tabla 2.8.2 INFORMACIÓN TIPICA SOBRE EL PESO ESPECÍFICO Y LA
CONCENTRACIÓN DEL FANGO PROCEDENTE DE LOS SEDIMENTADORES
PRIMARIOS
Tipo de fango
Únicamente fangos
primarios
Agua residual procedente de
alcantarillado sanitario
Agua residual procedente de
redes de alcantarillado
combinado
Primarios y fangos activados
en exceso
Primarios y Lechos
percoladores
Peso
específico
Concentración de
Sólidos %
Intervalo
Típico
1.03
4 -12
6
1.05
4 -12
6.5
1.03
2–6
3
1.03
4 – 10
5
Con una concentración de barro mayor al 12% este no podría escurrir.
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
31
UNIVERSIDAD DE CUENCA
2.9
POCETAS DE FANGOS
Al diseñar el sedimentador hay que tener en cuenta el volumen
destinado al almacenamiento de lodos. Los lodos se mueven
hidráulicamente hacia una tolva de lodos de donde son extraídos
mediante una tubería de desagüe.
El tanque tendrá, por consiguiente, en su fondo una pendiente suave
hacia la tolva de lodos. Según Sánchez Montenegro, la pendiente
longitudinal varía entre 2 y 3%, la pendiente transversal del 10 al
12% y el diámetro mínimo del desagüe 30cm. Algunos autores
recomiendan pendientes mayores de 0.4% y diámetro mínimo del
desagüe del 15cm. En general la pendiente más usada para el fondo
de tanques rectangulares es del 1% y de 1.2/1 a 2/1 para las tolvas
de lodos.
Relación entre parámetros:
VP = Qf * Tr
(2.17)
Siendo:
VP = Volumen de poceta o pocetas ( m3 )
Qf = Caudal medio de fangos producidos ( m3 / h )
Tr = Tiempo de retención del fango en pocetas ( h )
Los valores usuales del tiempo de retención en pocetas pueden
tomarse de la tabla 2.8
Tabla 2.8 TIEMPO DE RETENCIÓN EN POCETAS DE SEDIMENTADORES
Valor mínimo
(h)
Valor típico
(h)
Valor máximo
(h)
0.5
2
5
4
6
8
4
10
24
Sedimentador
Circular sin
rasquetas de
espesador
Sedimentador
Circular con
rasquetas de
espesador
Sedimentador
rectangular
Notas:
En los sedimentadores circulares con rasquetas de espesado se
pueden alcanzar concentraciones del fango de hasta el 8%
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
32
UNIVERSIDAD DE CUENCA
No obstante los tiempos de retención indicados para el
dimensionamiento de pocetas, lo normal suele ser el que las
purgas de fangos se realicen continuamente o mediante
temporizaciones cortas.
Recolección de Fangos:
Los lodos pueden recogerse en una, dos o tres tolvas de lodos; en
cada caso, cada tolva debe equiparse con tubería separada de
drenaje. Se debe poder desocupar el tanque en un tiempo de 30 – 60
minutos. Para calcular la tubería de desagüe se puede usar la fórmula
siguiente.
S=
A
d
4850 t
(2.18)
Donde:
S
A
t
d
= Sección del desagüe, (m2)
= Área superficial del sedimentador, (m2)
= Tiempo de vaciado en horas
= Altura del agua sobre la boca del desagüe, (m)
La descarga de desagüe para la altura máxima d está dada por:
Q = 0.61 S
2gd
(2.19)
Donde:
Q = Descarga en m3/s
g = Aceleración de la gravedad, m/s2
Para prevenir asentamientos de lodo en la tubería de desagüe, la
velocidad de flujo debe ser mayor de 1.4 m/s.
Las conducciones de extracción de fangos de funcionamiento por
gravedad no deben ser de diámetro inferior a 200mm. En la práctica
habitual es frecuente disponer cierto número de puntos de acceso
para limpieza en forma de piezas en T dotadas de bridas ciegas en
lugar de codos lo cual permite la introducción de varillas de limpieza
si es necesario. Las conexiones a las bombas no deben ser de
diámetro inferior a 100mm.
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
33
UNIVERSIDAD DE CUENCA
2.10 CARACTERISTICAS DEL FANGO PRODUCIDO
Los constituyentes del agua residual eliminados en las plantas de
tratamiento incluyen basuras, arenas, espumas y fango. El fango
producido en las operaciones y procesos de tratamiento de las aguas
residuales suele ser un liquido o liquido semisólido, con un contenido
en sólidos, dependiendo de las operaciones y procesos de
tratamiento, variable entre 0.25 y el 12 % en peso. De los
constituyentes eliminados en el tratamiento, el fango es, con
diferencia, el de mayor volumen y su tratamiento y evacuación es
quizás el problema mas complejo al que se enfrenta el Ingeniero
Sanitario.
Para proyectar convenientemente las instalaciones para el
tratamiento y evacuación del fango, es necesario conocer, su
procedencia, cantidad y características de los sólidos y del fango a
tratar.
En la tabla 2.10.1 tomada de Metcalf y Eddy, se muestra la
procedencia de sólidos y fango en una instalación convencional de
tratamiento de aguas residuales.
Tabla 2.10.1 PROCEDENCIA DE SÓLIDOS Y FANGO EN UNA INSTALACIÓN
CONVENCIONAL DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL
Operación o
proceso
unitario
Tipo de solido
o fango
Desbaste
Sólidos gruesos
Desarenado
Arenas y
espumas
Preaireación
Arenas y
espumas
Sedimentación
primaria
Fango primario
y espumas
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
Observaciones
Los sólidos gruesos se eliminan mediante
rejas de limpieza mecánica y manual. En
plantas de pequeñas dimensiones, las
basuras se suelen triturar para su
eliminación en los subsiguientes procesos
de tratamiento
A menudo no se incluyen instalaciones de
eliminación de espuma en la eliminación
de arenas.
En algunas plantas, no se incluyen
instalaciones de eliminación de espumas
en los tanques de preaireación. Caso de
que estos tanques no vayan precedidos
de instalaciones para la eliminación de
arenas se pueden producir depósitos de
arenas.
Las cantidades tanto de fango como de
espuma dependen del tipo de red de
alcantarillado y de la existencia de
vertidos industriales.
34
UNIVERSIDAD DE CUENCA
Características:
Para tratar y evacuar el fango generado, de la manera más eficiente
posible, es importante conocer las características de los sólidos y el
fango que se va a procesar. Las características varían en función del
origen de los sólidos y del fango y de la edad del fango.
En la tabla 2.10.2 tomada de Metcalf & Eddy, se muestra las
características del fango producido durante el tratamiento del agua
residual.
Tabla 2.10.2 CARACTERÍSTICAS DEL FANGO PRODUCIDO DURANTE EL
TRATAMIENTO DEL AGUA RESIDUAL
Sólidos o fango
Descripción
Residuos del
desbaste
Las basuras incluyen todo tipo de materiales
orgánicos e inorgánicos de tamaño suficientemente
grande para ser eliminados por rejas de barras. El
contenido de materia orgánica, varia dependiendo de
la naturaleza del sistema y de la estación del año.
Arena
Las arenas están constituidas, normalmente por los
sólidos inorgánicos mas pesados, que sedimentan con
velocidades relativamente altas. Dependiendo de las
condiciones de funcionamiento, la arena puede
también contener cantidades significativas de materia
orgánica, especialmente aceites y grasas.
Espumas / Grasas
La espuma esta formada por los materiales flotantes
recogidos en la superficie de los tanques de
sedimentación primario y secundario. Puede incluir
grasas, aceites minerales y vegetales, grasas
animales, ceras, jabones, residuos alimenticios, pieles
de hortalizas, cabellos, papel y algodón, colillas de
cigarrillos, materiales de plástico, preservativos de
goma, partículas de arena y materiales similares. El
peso especifico de la espuma es menor que uno,
generalmente alrededor de 0.95
Fango primario
El fango de los tanques de sedimentación primaria es
generalmente gris y grasiento y, en la mayoría de los
casos produce un olor extremadamente molesto.
Puede digerirse fácilmente si se adoptan condiciones
adecuadas de funcionamiento.
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
35
UNIVERSIDAD DE CUENCA
En la tabla 2.10.3 tomada de Metcalf & Eddy, se incluyen algunos
datos típicos de la composición química de fangos crudos.
Tabla 2.10.3 COMPOSICIÓN QUÍMICA TÍPICA DEL FANGO CRUDO
Características
Sólidos secos totales (ST),%
Sólidos volátiles (% de ST)
Grasas y aceites (% de ST)
Solubles en éter
Extractable en éter
Proteínas (% de ST)
Nitrógeno (N, % de ST)
Fósforo (P2O5, % de ST)
Potasio (K2O% de ST)
Celulosa (% de ST)
Hierro (no como sulfuro)
Sílice (SiO2 % de ST)
pH
Alcalinidad (Mg/l como CaCo3)
Ácidos orgánicos (Mg/l como HAc)
Poder calorífico (MJ/kg)
Fango Primario crudo
Valor
Intervalo
Típico
2–8
5
60 – 80
65
6 – 30
7 – 35
20 – 30
1.5 – 4
0.8 2.8
0-1
8 – 15
2–4
15 – 20
5–8
500 - 1500
200 – 2000
23000 - 29000
25
2.5
1.6
0.4
10
2.5
6
600
500
25500
En los casos en los que se considera la utilización del fango en
métodos de aplicación al terreno o incineración, es necesario
determinar el contenido de metales pesados, pesticidas, e
hidrocarburos. El contenido energético (térmico) del fango es
importante en aquellos casos en los que se considere el uso de
procesos de reducción térmica tales como la incineración.
Constituyentes Específicos:
Las características del fango que afectan a su aptitud para la
aplicación al terreno y usos beneficiosos incluyen el contenido en
materia orgánica (normalmente medido como sólidos volátiles),
nutrientes, patógenos, metales y compuestos orgánicos tóxicos. El
valor del fango como fertilizante se basa principalmente en su
contenido de nitrógeno, fósforo y potasio, y se debería determinar en
aquellos casos en los que el fango se vaya a emplear como
acondicionador de suelos.
En la tabla 2.10.4 tomada de Metcalf & Eddy, se muestran los
contenidos típicos en nutrientes comparados con los contenidos de los
fertilizantes comerciales.
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
36
UNIVERSIDAD DE CUENCA
Tabla 2.10.4 COMPARACIÓN ENTRE LOS NIVELES DE NUTRIENTES DE LOS
FERTILIZANTES COMERCIALES Y EL FANGO DE AGUA RESIDUAL
Fertilizantes para usos agrícolas
típicos
Valores típicos para fangos de agua
residual estabilizados
Nitrógeno
NUTRIENTES
Fósforo
Potasio
5
10
10
3.3
2.3
0.3
Aquellos compuestos químicos inorgánicos que, en pequeñas
cantidades, pueden ser perjudiciales, tanto para plantas como para
animales, son los metales pesados, La concentración de metales
pesados puede limitar la tasa de aplicación del fango al terreno y la
vida útil del terreno de aplicación.
En la tabla 2.10.5 tomada de Metcalf & Eddy, se muestra la
concentración de metales pesados en el fango de agua residual
Tabla 2.10.5 CONTENIDO TÍPICO DE METALES EN EL FANGO DE AGUA
RESIDUAL
Fango seco, mg/kg
Intervalo
Mediana
1.1 - 230
10
1 – 3410
10
10 – 99000
500
1.3 – 2490
30
84 – 17000
800
1000 – 154000
17000
13 – 26000
500
32 – 9870
260
0.6 – 56
6
0.1 – 214
4
2 – 5300
80
1.7 – 17.2
5
2.6 – 329
14
101 - 49000
1700
Metal
Arsénico
Cadmio
Cromo
Cobalto
Cobre
Hierro
Plomo
Manganeso
Mercurio
Molibdeno
Níquel
Selenio
Estaño
Cinc
En un proceso de Sedimentación primaria las características físicas y
las cantidades de fango producidos son las siguientes:
Proceso de
tratamiento
Decantación
Primaria
Peso específico
de los sólidos
del fango
Peso
específico
del fango
1.4
1.02
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
Sólidos secos, kg/103
m3
Intervalo
Típico
110 - 170
150
37
UNIVERSIDAD DE CUENCA
2.11 REMOCIÓN Y DISPOSICIÓN DE ESPUMAS, ACIETES Y
GRASAS
La remoción de espumas, aceites y grasas puede hacerse en las
distintas unidades del tratamiento que permitan su recolección en
superficie ya que siendo de peso específico menor que el agua (su
densidad relativa al agua es del orden de 0,95) tienden a flotar. En
particular son recogidas en tanques de preaireación y en los sistemas
de sedimentación y flotación.
En pequeñas instalaciones pueden diseñarse pequeñas unidades cuya
única función sea la recolección de aceites y grasas denominados
desengrasadores y que pueden considerarse un tratamiento primario
en sí mismo.
Los sedimentadores primarios pueden equiparase de sistemas
especiales que permitan retener y concentrar las espumas, aceites y
grasas flotantes. La retención puede hacerse simplemente con la
colocación de pantallas superficiales que impidan el paso de estos
elementos flotantes.
En tanques circulares como se indicó la concentración y remoción de
las espumas y grasas suele realizarse mediante pantallas móviles
ligadas al mecanismo de concentración y recolección de barros. El
mecanismo desplaza lentamente los materiales flotantes hacia la
periferia y los obliga a caer en un sumidero.
Para el control de exceso de espumas es conveniente disponer de
dispersores de agua en forma de duchas finas.
En todos los casos puede realizarse la disposición final de los
elementos flotantes en forma conjunta con la disposición de los barro,
en forma separada en enterramientos y en forma conjunta por
incineración con el material retenido de las rejas.
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
38
UNIVERSIDAD DE CUENCA
CAPÍTULO III
DEPURACIÓN FÍSICA
3.1
FUNDAMENTO Y ALCANCE
El objetivo fundamental de la sedimentación primaria es la
eliminación de los sólidos sedimentables. La mayor parte de las
sustancias en suspensión en las aguas residuales no pueden
retenerse, ya sea por su finura o densidad,
en las rejillas,
desarenadores y cámaras de grasa, ni tampoco pueden separarse
mediante flotación por ser más pesadas que el agua.
Los tanques de sedimentación primaria pueden proporcionar el grado
principal de tratamiento de aguas residuales o bien pueden utilizarse
como un paso preliminar para el tratamiento posterior.
Cuando se utilizan como único medio de tratamiento, sirven para la
reducción de sólidos sedimentables capaces de formar depósitos en
las masas de aguas receptoras y la reducción de gran parte de las
materias flotantes.
Si se emplean como paso previo a un tratamiento biológico, su
función es reducir la carga en las unidades específicas del tratamiento
biológico.
Como se mencionó en el capítulo anterior, Con los barros de los
sedimentadores primarios, que estén proyectados y operados
eficazmente, deben eliminarse un 50 al 70% de los sólidos
suspendidos y un 25 al 40% de la DBO5.
3.2
TIPOS DE SEDIMENTADORES
La elección del tipo de sedimentador depende del tamaño de la
instalación, de las condiciones del terreno, reglamentos de los
organismos de control, de la experiencia y juicio del proyectista, y de
los costos de obra.
Se debe disponer de dos o más tanques con objeto de que el proceso
no se interrumpa mientras uno de ellos esté fuera de servicio por
razones de reparación o de mantenimiento.
La sedimentación puede ser:
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
39
UNIVERSIDAD DE CUENCA
De flujo horizontal
De flujo vertical
Los Sedimentadores pueden clasificarse
parámetros como se indica a continuación:
de
acuerdo
a
varios
Según su función:
Cámara séptica
Pozo Inhoff
Sedimentadores Separados
Según su forma:
Rectangulares
Cuadrados
Circulares
Según su fondo (relacionado con la limpieza):
Plana
Fuerte Pendiente
Tolvas
Según su limpieza:
Simple
Mecánica
3.3
CARACTERISTICAS DEL SEDIMENTADOR CIRCULAR
En los tanques circulares, el sistema de flujo es radial Figura 3.3.1
(a diferencia del flujo horizontal que se da en los tanques
rectangulares). El sistema de flujo radial, se da porque el agua
residual a sedimentar se introduce por el centro o bien por la periferia
del tanque, tal como se muestra en la Figura 3.3.2 y Figura 3.3.3.
Ambas configuraciones de flujo han proporcionado, por lo general,
resultados satisfactorios, a pesar de que el sistema más comúnmente
empleado es el de introducir el agua por el centro. En las unidades de
alimentación periférica, se han producido algunos problemas con la
distribución del flujo y la eliminación de espumas.
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
40
UNIVERSIDAD DE CUENCA
Figuras 3.3.1
Alimentación Central
Alimentación periférica
En el diseño de alimentación central, Figura 3.3.2, el agua residual
se transporta hacia el centro del tanque mediante una tubería
suspendida del puente o embebida en hormigón por debajo de la
solera. En la zona central, el agua residual pasa por una campana
circular diseñada para distribuir el flujo uniformemente en todas
direcciones. La campana central tiene un diámetro que suele variar
entre el 15 y el 20% del diámetro total del tanque, con una
profundidad que varía entre 1 y 2,5 m. El puente rascador gira
lentamente y puede tener dos o cuatro brazos equipados con
rascadores de fondo. Los puentes también incluyen unos rascadores
superficiales para la eliminación de espumas.
Las fotografías que se muestran a continuación corresponden a
Sedimentadores Circulares que funcionan en la Planta Depuradora
Norte de la ciudad de Buenos Aires - Argentina. Esta Planta tiene la
capacidad para tratar los efluentes de 270.000 habitantes. Ver
Anexo 2
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
41
UNIVERSIDAD DE CUENCA
Sedimentador Circular de Altura cilíndrica: 3m, Diámetro 43m.
Estructura de Salida con vertederos a lo largo de toda la periferia
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
42
UNIVERSIDAD DE CUENCA
En la siguiente fotografía se muestra un sedimentador circular en
funcionamiento con el que se logra una remoción de DBO5: 25%, una
remoción de materia en suspensión del 50%, con una velocidad
ascensional a caudal pico: 1.75 m/h
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
43
UNIVERSIDAD DE CUENCA
Tanque de Sedimentación de alimentación central equipado con
puente rascador para la eliminación de fango.
En el diseño de alimentación perimetral Figura 3.3.2, existe un
deflector circular suspendido a corta distancia del muro del tanque,
formando un espacio en el que se descarga el agua residual en
dirección tangencial. El agua residual circula en espiral alrededor del
tanque y por debajo del deflector, mientras el líquido sedimentado se
recoge por medio de unos vertederos colocados a ambos lados de un
canal situado en la parte central. La grasa y la espuma quedan
retenidas en la superficie.
En los tanques circulares de 3.6m a 9m de diámetro, el equipo de
extracción de fango está soportado por medio de vigas apoyadas en
las paredes laterales.
Los tanques de diámetro superior a 10.5 m utilizan un pilar central
que soporta el puente rascador y que es accesible por medio de una
pasarela, como en la fotografía. La solera del tanque tiene forma de
cono invertido, con una pendiente aproximada de 1/12, y el fango se
arrastra a un cuenco relativamente pequeño situado junto a la zona
central del tanque.
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
44
UNIVERSIDAD DE CUENCA
2
2
Figura 3.3.2 Tanques Circulares de Sedimentación Primaria (de alimentación periférica)
Tomado de Metcalf y Eddy (de Infilco Degremont)
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
45
UNIVERSIDAD DE CUENCA
3
3
Figura 3.3.3 Tanques Circulares de Sedimentación Primaria (de alimentación central)
Tomado de Metcalf y Eddy (de Infilco Degremont)
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
46
UNIVERSIDAD DE CUENCA
3.4
CARACTERISTICAS DEL SEDIMENTADOR RECTANGULAR
DE FLUJO HORIZONTAL
Los sedimentadores rectangulares tienen la forma y características
detalladas en la Figura 3.4.1, con la ventaja de que permiten una
implantación más compacta, aunque su costo es más elevado.
Normalmente, tienen una relación longitud/ancho comprendida entre
3 y 6 y una profundidad de 2,5 a 4m.
Figura 3.4.1 Tanque rectangular de sedimentación primaria
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
47
UNIVERSIDAD DE CUENCA
Los canales de entrada del agua a tratar se deben situar
transversalmente a los tanques en las zonas de entrada, de forma
similar a los canales de recogida del efluente en la zona de salida.
También conviene situar las instalaciones de bombeo de fango cerca
de los cuencos de recogida ubicados en los extremos de los tanques.
En los tanques rectangulares, la distribución del flujo a la entrada del
tanque es un factor crítico. Las posibilidades de diseño de la entrada
de agua al tanque incluyen:
Canales que ocupan toda la anchura del tanque, con vertederos
de entrada
Canales de entrada con orificios de entrada sumergidos
Canales de entrada con compuertas grandes y deflectores.
Los vertederos de entrada, a pesar de que son efectivos en cuanto a
la distribución de flujo en toda la anchura del canal, introducen una
componente vertical de la velocidad en los cuencos de recogida de
fangos que puede resuspender las partículas de fango.
Los orificios de entrada pueden conseguir una buena distribución del
flujo en el ancho del tanque si se mantienen las velocidades dentro
del intervalo entre 3 y 9 m/min. Los deflectores de entrada son
eficaces en la reducción de las altas velocidades iniciales, y
distribuyen el flujo a lo largo de la mayor sección transversal posible.
En los casos en los que se emplean deflectores que cubren toda la
anchura del canal, deberán extenderse desde 150 mm por debajo de
la superficie hasta 300 mm por debajo de la abertura de entrada.
En la Figura 3.4.2 se muestra la ubicación de la Pantalla Difusora
con respecto a la pared de entrada.
Figura 3.4.2 Pantalla Difusora (Vista Lateral)
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
48
UNIVERSIDAD DE CUENCA
φ
φ
Figura 3.4.2 Pantalla Difusora (Vista Frontal)
Existe una gran variedad de estructuras de salida, las cuales
podríamos clasificarlas en:
⎧ Lisos
Vertederos de rebose ⎨
⎩ Dentados
Canaletas de rebose
Lisas
⎧
⎪
⎨ Dentadas
⎪Con Orificios
⎩
Orificios
⎧ Circulares
⎨
⎩Cuadrados
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
49
UNIVERSIDAD DE CUENCA
En las Figuras 3.4.3 se muestran algunas estructuras de salida en
sedimentadores rectangulares:
a)
c)
b)
Vertederos de Rebose
Canaletas de Rebose
d)
e)
f)
Orificios de salida
Tipos de Canaletas
Figuras 3.4.3 Estructuras de salida en sedimentadores rectangulares
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
50
UNIVERSIDAD DE CUENCA
Los vertederos de rebose, cualquiera sea su forma, en lo posible no
deben dejar zonas muertas, como las que se presentan en el caso b)
pues la trayectoria de las partículas se tiene que curvar, aumentando
las posibilidades de arrastre. Los deflectores del viento que se
incluyen en los casos a), d) y e) penetran a poca profundidad dentro
del agua, y tienen por objeto evitar el oleaje que el viento produce.
Las canaletas de rebose c) y d) se diseñan con el propósito de
disminuir la carga sobre ellas. Algunos proyectistas prefieren
prolongar su longitud has 1/3 y aun ½ de la extensión total del
tanque sedimentador.
Pueden colocarse transversales al flujo, caso c), o paralelas al flujo,
caso d). En ambos tipos existe una cierta distorsión de las líneas de
flujo por disminución de la sección inmediata antes de que la
partícula alcance el borde de la canaleta.
El nivel del agua en el sedimentador debe controlarse
cuidadosamente; pues cuando las canaletas trabajan ahogadas, el
lodo puede resuspenderse en gran cantidad por el aumento de la
velocidad de salida, ya que el flujo queda controlado por los huecos
de unión entre las canaletas y el canal de agua sedimentada.
Por otra parte, las estructuras que se proyectan dentro del tanque
pueden en algunas ocasiones crear movimientos rotacionales de la
masa líquida que revuelven los lodos del fondo.
Los tanques de sedimentación rectangulares pueden incorporar
sistemas de rascado de fangos con rascadores accionados por
cadenas o con puentes de traslación.
En el caso de plantas pequeñas, los sólidos que sedimentan en el
tanque se arrastran a unos cuencos de recogida del fango, mientras
que en las plantas grandes, se arrastran a unos canales de fondo
transversales. Estos canales transversales están equipados con
sistemas de recolección (colectores transversales), de cadena y
rascadores, que conducen el fango a uno o más cuencos de fango.
En unidades de gran longitud (por encima de los 50m), se pueden
conducir los fangos a puntos cercanos al centro del tanque mediante
los mecanismos de rascado.
Es preferible instalar colectores transversales, posiblemente con
excepción de las plantas pequeñas, puesto que permiten extraer
fango más concentrado y uniforme, además de eliminarse los
problemas que se producen en los cuencos de recogida.
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
51
UNIVERSIDAD DE CUENCA
En las Figura 3.4.4 se muestran algunos sistemas de remoción de
lodos en Sedimentadores Rectangulares
Puente Barrelodos
Cadena Barrelodos
Sedimentador Rectangular de Rasquetas
Figura 3.4.4 Sistemas de Remoción de Lodos en Sedimentadores
Rectangulares
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
52
UNIVERSIDAD DE CUENCA
En las Figura 3.4.5 se muestran algunas distribuciones típicas de
tolvas de lodos para tanques de sedimentación rectangulares.
Es recomendable que cada tolva esté dotada de su tubería de
desagüe independiente con
el fin de que se pueda desaguar
separadamente.
Planta
Corte A-A
Planta
Corte C-C
Planta
Corte E-E
Figura 3.4.5 Distribución de Tolvas de lodos para tanques de
Sedimentación Primaria
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
53
UNIVERSIDAD DE CUENCA
Las espumas se suelen recoger en el extremo de salida de los
tanques rectangulares por medio de los rascadores que hacen su
camino de retorno por la superficie del líquido. La espuma se arrastra
mediante los rascadores hasta un punto en el que se retiene por
medio de unos deflectores para su extracción.
La espuma también se puede arrastrar mediante el rociado con agua
a presión, y la extracción de la espuma se puede realizar
arrastrándola manualmente hasta una rampa inclinada o por medio
de dispositivos mecánicos o hidráulicos.
Para instalaciones pequeñas, el sistema de recogida de espumas más
común consiste en una tubería horizontal dotada de ranuras que se
puede hace rotar mediante una tubería horizontal dotada de ranuras
que se puede hacer rotar mediante una manivela o un tornillo.
Excepto en el momento de recogida de las espumas, las aberturas se
hallan por encima del nivel normal del agua en el tanque. En el
momento de extraer las espumas, se gira la tubería de modo que se
sumerjan las aberturas justo por debajo del nivel del agua,
permitiendo que las espumas acumuladas fluyan al interior de la
tubería. El uso de esta clase de equipos da como resultado un
volumen relativamente grande de líquido con las espumas. Las
espumas se suelen eliminar junto con los fangos producidos en la
plante; no obstante, en muchas plantas, las espumas se eliminan por
separado.
Los tanques rectangulares múltiples exigen menos espacio que los
circulares, razón por la cual se emplean en zonas en las que la
disponibilidad de terreno constituye una traba. Los tanques
rectangulares se prestan a ser construidos adyacentes a los tanques
de preaireación y de aireación en las plantas de fangos activados,
permitiendo el aprovechamiento de paredes comunes y reduciendo
los costos de construcción.
En la Figura 3.4.6 se muestra un tipo de Sedimentador “Simple”.
Con todas sus estructuras.
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
54
UNIVERSIDAD DE CUENCA
Figura 3.4.6 Sedimentador Simple
3.5
TANQUE IMHOFF
Los tanques Imhoff son unidades de sedimentación y digestión,
generalmente abiertas, de escurrimiento horizontal y continuo y se
compone de compartimientos, uno superior en el que se verifica la
sedimentación que se comunica con otro inferior de digestión.
El desagüe ingresa por la parte superior y los sólidos pasan a la parte
inferior, en donde se opera el proceso de digestión. Los gases,
producto de la digestión, salen por la parte superior y suelen ser
recogidos y quemados.
La forma en planta puede ser circular o rectangular. Se deben
disponer las cámaras de sedimentación, de digestión y de salida de
gases.
Los barros producidos se retiran en lapsos que van de 60 a 80 días,
aproximadamente, que es el tiempo requerido por el proceso de
digestión.
Los gases se recogen mediante campanas y, debido a su
combustibilidad, son quemados. Cuando la planta es grande, puede
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
55
UNIVERSIDAD DE CUENCA
aprovecharse la energía calorífica de los gases para incinerar el
material retirado de rejas o para el calentamiento de agua usada en
otros procesos, tales como calefacción de digestores separados.
El tanque Imhoff produce una reducción del 40 al 60% de sólidos
suspendidos y del 25 al 35% de D.B.O.
Los tanques Imhoff se aplican económicamente en instalaciones
pequeñas desde algunas centenas hasta cerca de 5000 personas
servidas por unidad. Su utilización es para un tratamiento primario y
pueden servir como sedimentación primaria en platas con lechos
percoladores o lagunas de estabilización.
Datos básicos de Diseño:
Período de detención en cámara de sedimentación: mínimo 1,5
a 2 horas.
Período de detención en cámara de digestión: 75 días.
Capacidad de la cámara de digestión: Está en función del
volumen de barro producido por habitante. (depende de las
condiciones climáticas).
Tratamiento primario: 50 a 60 l/hab.
Tratamiento primario mas lechos percoladores: 70 l/hab.
Los valores dados corresponden a climas templados.
Inclinación de las paredes en el compartimiento de
sedimentación (ángulo ): 1 1 : 1 y en casos excepcionales 1:1
4
Abertura para el pasaje de barros: Mínimo 0.15m, preferible
0.20m
Superposición de los bordes de las aberturas: Mínimo 0.15m
preferible 0.20 m
Zonas neutras. No deben ser computadas en los cálculos: 45
cm. arriba y 45cm. debajo de las aberturas para el pasaje de
barros.
Inclinación del fondo de la cámara de digestión: 1:2
Cuando hubiera dos cámaras de sedimentación en un solo tanque
conviene interponer una pantalla separadora en la parte superior
de la cámara de digestión para evitar corrientes perjudiciales de
una cámara a otra.
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
56
UNIVERSIDAD DE CUENCA
Salidas de los gases: La superficie destinada a la espuma y la
salida de gases deberá tener del 10 al 35% del área total de la
cámara de digestión (valor típico 20%), pero nunca será
inferior que 0.45m.
Remoción de los barros digeridos. Las cañerías deberán tener
un diámetro mínimo de 0.15m.
La espuma formada debe romperse o batida periódicamente.
La abertura de los tanques imhoff se practica con el fin de recoger
los gases de digestión, en especial el gas metano.
En la Figura 3.5 se muestra un Corte de un Tanque Imhoff
φ
φ
Figura 3.5 Corte de un Tanque Imhoff
Dimensiones usuales de los Pozos Imhoff:
a) Tanques Rectangulares
Ancho: 3 a 15 m.
Largo: 6 a 30m. (Generalmente mayor a 9m.)
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
57
UNIVERSIDAD DE CUENCA
Canaleta de Sedimentación:
Ancho: 3 a 5 m.
Alto: 3 a 4 m.
Profundidad: 5 a 10m. (Generalmente de 7 a 9m.)
Profundidad de la cámara de sedimentación: 1.50 a 2.50m.
Relación Largo/Ancho: 2:1 a 6:1. Siempre que fuera superior a
2:1 deben preverse dispositivos que permitan una inversión
periódica de la corriente líquida en el tanque.
b) Tanques Circulares
Diámetro: usualmente comprendido entre 2.5 a 7.5m.
Relación Atura / diámetro: 1.20 a 2
Altura total: generalmente entre 5 a 9m.
Para poblaciones superiores que 1500 habitantes en inferiores que
5000 conviene proyectar dos unidades circulares.
Para poblaciones de más de 5000 habitantes se considera
aconsejable proyectar tanques rectangulares.
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
58
UNIVERSIDAD DE CUENCA
CAPÍTULO IV
DISEÑO DE UN SEDIMENTADOR
4.1
DISEÑO DE UN SEDIMENTADOR RECTANGULAR
Ahora se procederá a realizar el diseño de un sedimentador
rectangular con los siguientes datos:
Caudal de diseño:
Para el caudal de diseño consideramos una población de 220.000
habitantes con una dotación de 250 lt/hab*día, con lo que
calculamos un caudal medio de aguas residuales a tratarse.
QA. R. (lt / seg ) =
Población (hab)* Dotación (lt / hab * día )* C.R.
86400
QA.R. (lt / seg ) =
220000 * 250 * 0.75
= 477.43 lt / s
86400
Con un incremento del 25% se obtiene un caudal = 596.79 lt/seg.
Se asume un caudal medio de Diseño de 600 lt/seg.
Q
diseño
= 0.6 m3/s = 51.840 m3/día
No. de Unidades = 2
Caudal por unidad = 0.3 m3/s = 25.920 m3/día
Carga Superficial:
De acuerdo a las tablas 2.1.1 y 2.1.2 presentadas en el capítulo
2, y revisando las Normas del IEOS, (ANEXO 3). Tomamos una
carga superficial de diseño:
Cs = 40 m3/m2*día
Esta carga superficial corresponde
sedimentación Vs= 0.000463 m/seg
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
a
una
velocidad
de
59
UNIVERSIDAD DE CUENCA
A continuación se obtiene el área superficial de cada unidad de
sedimentación de la siguiente manera:
As =
Q
25920
=
=648 m2
40
Cs
Se incrementa el área superficial en un 33%. Según la Tabla
2.1.3. Lo que nos da un área superficial = 861 m2
El tipo de sedimentador a diseñar es Rectangular por lo que
procedemos a calcular sus dimensiones:
Nos imponemos un ancho de 14 m. según la Tabla 2.2.1 y
obtenemos una longitud del sedimentador de 61.5 m.
B= 14 m.
L = 61.5 m.
Asumimos una profundidad de 4 m. de acuerdo a la Tabla
2.2.1.
Ahora se procede a calcular las relaciones dimensionales y
comprobar que cumplan con las recomendadas.
L 61.5
=
= 4.39 (cumple)
B
14
L 61.5
=
= 19.84 (cumple)
H
3.1
A continuación
permanencia:
se
calcula
el
tiempo
de
retención
o
Volumen del Tanque = V= L*B*H
V= 61.5*14*3.1 = 2669.1 m3
V 2669.1 m 3
=
= 8897 seg
Tiempo de Retención (TR) =
Q 0.3 m 3 / s
TR=2.47 horas
Con una pendiente del 10% en el fondo de la unidad se tiene
como altura máxima:
H’ = H + 0.1H = 3.1 + ( 0.1 * 3.1 ) = 3.41 m
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
60
UNIVERSIDAD DE CUENCA
A continuación se diseñara la pantalla difusora como parte de la
zona de entrada:
La pantalla difusora se colocara a 1 m. de distancia de la pared de
entrada.
Ahora se calculara el número de orificios y la distancia entre ellos:
Asumimos una velocidad de paso entre los orificios
V0 = 0.15 m/seg
Se determina el área total de los orificios:
A0 =
Q
0 .3
=
= 2 m2
V0 0.15
Se adopta un diámetro de orificio de 0.08 m
Entonces se determina el área de cada orificio:
a0 = π * 0.082 / 4 = 0.00503 m2
Determinamos el número de orificios:
n=
A0
2
=
= 398 orificios
a0 0.00503
Se determina la porción de altura de la pantalla difusora con
orificios:
h = H – 2/5 H = 3.1 – ( (2/5)*3.1 )
h = 1.86 m
Se asume un número de filas de orificios ( nf ) = 10
Entonces se tiene un numero de columnas ( nc ) = 40
Se determina el espaciamiento entre filas:
a1 =
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
1.86
h
=
= 0.21 m
nf − 1 10 − 1
61
UNIVERSIDAD DE CUENCA
Se determina el espaciamiento entre columnas:
a2 =
14
B
=
= 0.34 m
nc + 1 40 + 1
Se debe aboquillar los orificios en un ángulo de 15º en el sentido
del flujo.
Ahora se calculara la longitud del vertedero de salida:
L (m ) =
Q (m 3 / h )
CV (m 3 / h * m )
Asumimos una carga de salida por el vertedero ( CV ) de:
CV = 20 m3/h*m
(
)
)
1080 m 3 / h
L (m ) =
= 54 m
20 m 3 / h * m
(
En unidades con una longitud mayor a los 50 m, se recomienda
utilizar sistemas de remoción mecánicos de lodos, como podrían
ser las cadenas, rasquetas o puentes barrelodos. Teniendo en
cuenta que la velocidad del mecanismo de arrastre de los lodos
se encuentre en un rango de 0.6 m/min – 1.2 m/min, para no
alterar el proceso de sedimentación o la resuspensión de los
lodos.
A continuación se debe calcular el caudal de fangos producidos
para un caudal de 25.920 m3/día, mediante la expresión:
Qf =
Ws
ρ w S st Ps
Donde:
Ws= Peso de los sólidos secos, Kg/día
ρw = Densidad del agua, kg/m3
Sst = Peso específico relativo del fango
Ps = Fracción de sólidos
Sabiendo que los Sólidos Suspendidos afluente al Sedimentador
es de 220 mg/lt. (Considerando una concentración media. Ver
Anexo 1) y adoptando un rendimiento de eliminación de estos
sólidos del 60%.
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
62
UNIVERSIDAD DE CUENCA
Sólidos Suspendidos secos extraídos:
0.6 * 220 mg/lt=132 mg/lt = 132 gr/m3
Peso específico relativo del fango (Sst) = 1.03 (Ver Tabla 2.8.2),
y contiene un 6% de sólidos. (Humedad = 94% )
Peso de los sólidos secos extraídos (kg/día)
Ws = 132
1 kg
gr
m3
*
25920
*
= 3421.44 kg/día
3
d 1000 gr
m
Barro húmedo extraído
Ws
3421.44 kg d
=
*100 = 57024kg / d
Ps
6
Caudal de fango extraído:
Qf =
57024 kg d
= 55.36 m 3 / d
3
1000 kg m *1.03
Ahora se diseñara el volumen destinado al almacenamiento de
lodos ( pocetas de lodos ):
VP (m3) = Qf (m3/h) * Tr (h)
Qf = 55.36 m3/d = 2.31 m3/h
Tr = 4 h (Valor mínimo tomado de la tabla 2.8 )
VP = 2.31 * 4 = 9.24 m3
Lo normal suele ser que las purgas de fangos se realicen
continuamente o mediante temporizaciones cortas.
Los lodos pueden recogerse en una, dos o tres tolvas, en cada
caso cada tolva tendrá su tubería de drenaje, para calcular la
sección del desagüe se puede utilizar la siguiente formula:
S=
A
d
4850 t
S = Sección del desagüe, (m2)
A = Área superficial del sedimentador = 861 m2
t = Tiempo de vaciado = 1 h
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
63
UNIVERSIDAD DE CUENCA
d = Altura del agua sobre la boca del desagüe = 3.41 m
S=
861
3.41
4850 * 1
Sección del desagüe:
S = 0.33 m2
En el caso de que se colocaran 3 tolvas, cada una necesitaría
satisfacer una sección de desagüe de 0.11 m2 y con una tubería
de 40 cm cumpliría con esa sección.
Para el calculo de la descarga del desagüe para la altura
máxima d, podríamos utilizar la siguiente ecuación:
Q = 0.61 S 2 g d
Q = 0.61 * 0.11 2 * 9.81 * 3.41
Descarga Q = 0.55 m3/seg
Para prevenir asentamientos de lodo en la tubería de desague,
la velocidad de flujo debe ser mayor de 1.4 m/seg, en nuestro
caso:
Velocidad de flujo = 0.55 / 0.11 = 5 m/seg
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
64
UNIVERSIDAD DE CUENCA
4.2
DISEÑO DE UN SEDIMENTADOR CIRCULAR
Con los mismos datos se procede a diseñar un sedimentador
circular.
Caudal medio de Diseño de 600 lt/seg.
Qdiseño = 0.6 m3/s = 51.840 m3/día
No. de Unidades = 2
Caudal por unidad = 0.3 m3/s = 25.920 m3/día
Carga Superficial:
Cs = 40 m3/m2*día
El Área superficial obtenida es: As =
Q
25920
=
=648 m2
40
Cs
Se incrementa el área superficial en un 33%. Según la Tabla
2.1.3. Lo que nos da un área superficial = 861 m2
El diámetro del sedimentador sería igual a:
A = 861 =
π * D2
4
; D= 33 m.
Asumimos una profundidad H = 3 m.
A continuación
permanencia:
se
calcula
el
tiempo
de
retención
o
Volumen del Tanque = V = π* r2 *H
V= π *(33/2)2 *3 = 2565.9 m3
Tiempo de Retención (TR) =
V 2565.9 m3
=
= 8552.9 seg
0.3 m3 / s
Q
TR=2.37 horas
La zona de entrada del sedimentador circular se hará mediante
un cilindro central, se toman las relaciones dimensionales de la
tabla 2.4.1
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
65
UNIVERSIDAD DE CUENCA
φ1
= 0.1 ; φ1 = 33 *0.1 =3.3 m
φ
h1
= 0.40 ; h1= 1.20 m.
h
Para la zona de Salida consideramos que:
En los sedimentadores circulares el vertedero de salida ocupa
por lo menos toda la periferia y convienen que la salida tenga la
forma de serrucho, de manera de formar un gran número de
pequeños vertederos triangulares.
La longitud disponible del sedimentador = π*D =103.7 m
Con la siguiente relación podemos comprobar que la carga
sobre el vertedero esté dentro de los rangos recomendados en
la tabla 2.6 y en las normas del IEOS
L=
Q
CV
L = Longitud necesario de vertedero ( m )
Q = Caudal a tratar ( m3 / h )
CV = Carga de salida por el vertedero ( m3 / h * m )
CV =
0.3
Q
=
= 0.00289m3 / s * m
L 103.7
CV=10.41 m3/h*m = 250 m3/d*m (cumple)
Para los barrederas
consideraciones:
de
fangos
se
toma
las
siguientes
Las barrederas en los sedimentadores primarios circulares por
lo general deben se de fondo y de superficie para eliminar los
sólidos livianos. Se asume una velocidad de 0.03 r/min. Las
inclinaciones de los fondos para dichas rasquetas tomamos de
8%
A continuación se debe calcular el caudal de fangos producidos
para un caudal de 25.920 m3/día; como corresponde al mismo
caudal de diseño del sedimentador rectangular el Caudal de
fango es:
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
66
UNIVERSIDAD DE CUENCA
Qf =
57024 kg d
= 55.36 m 3 / d
3
1000 kg m *1.03
Q f = 2.31 m 3 / h
El volumen de poceta sería:
Vp = Qf * Tr
V = Volumen de poceta o pocetas ( m3 )
Qf = Caudal medio de fangos producidos ( m3 / h )
Tr = Tiempo de retención del fango en pocetas ( h )
El tiempo de retención en la poceta se toma de la tabla 2.8.
Tr =6 para sedimentadores circulares
Vp = 2.31*6 = 13.86 m3
Para la recolección de fangos se calculará el diámetro de la
tubería de extracción:
S=
S
A
t
d
A
d
4850 t
= Sección del desagüe, (m2)
= Área superficial del sedimentador, (m2) = 861m3
= Tiempo de vaciado en horas = 1 h
= Altura del agua sobre la boca del desagüe, (m)
d= 3m + 0.08*16.5 = 4.32 m.+ 0.15 = 4.47 m
S=
861
4.47 = 0.375 m2
4850 1
Si utilizáramos dos tolvas, con dos tuberías de desagüe
separadas, cada tubería tendrá un diámetro de 350 mm.
S para cada tubería = 0.188 m2
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
67
UNIVERSIDAD DE CUENCA
La descarga de desagüe para la altura máxima d está dada por:
Q = 0.61 S
2gd
Q = 0.61 * 0.188 2 * 9.81* 4.47 = 1.072 m 3 / s
Q 1.072
=
= 5.74 m / s › 1.4 m/s para prevenir
S 0.188
asentamientos de lodo en la tubería.
Velocidad de flujo=
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
68
UNIVERSIDAD DE CUENCA
CONCLUSIONES
Con la realización de esta monografía, se ha podido observar
que los sedimetadores, al ser utilizados como único medio de
tratamiento pueden eliminar sólidos sedimentables (fango o
lodo), aceites, grasas, espumas y parte de la carga orgánica.
Pero debido a que se trata de un tratamiento físico, la remoción
de patógenos es muy baja.
Debido a la gran cantidad de materia orgánica que contiene el
Agua Residual, y la baja reducción de patógenos que ofrecen
los Sedimentadores; La Sedimentación Primaria está cayendo
en desuso como único medio de tratamiento. Por lo que
actualmente se lo utiliza como paso previo a un tratamiento
biológico aeróbico como por ejemplo de lodos activados.
Con la realización los diseños de Tanques Sedimentadores
Rectangular y Circular para un mismo Caudal, hemos llegado a
la conclusión de que los primeros requieren mayores
dimensiones y por ende mayor espacio para su construcción
que los circulares.
Al estudiar la Teoría de la Sedimentación, hemos visto que
existen varios factores externos tales como la variación de
caudales, temperatura, viento, y densidad de corrientes que
afectan la eficiencia de los Sedimentadores.
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
69
UNIVERSIDAD DE CUENCA
RECOMENDACIONES
Con el desarrollo de esta monografía
recomendaciones lo siguiente:
podemos
dar
como
Al ingreso del Agua Residual a la Planta de Tratamiento, sea
cual sea su proceso de depuración, se debería hacer un
control de los diferentes parámetros como PH, Temperatura,
y otros indicativos de la presencia de Aguas Residuales
Industriales, que podrían afectar considerablemente el
tratamiento.
Es muy importante que parámetros como Oxígeno Disuelto,
PH, concentración de materias en suspensión, temperatura,
etc, sean medidas al término de cada proceso, para un
adecuado control de calidad.
Para considerar la utilización del fango proveniente de
sedimentadores primario en métodos de aplicación al terreno
o incineración, primero se recomienda hacer un estudio de
su composición química, contenido de metales pesados, etc.
Para evitar problemas futuros de contaminación que atenten
a la salud y bienestar de las comunidades.
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
70
UNIVERSIDAD DE CUENCA
ANEXOS
ANEXO 1
COMPOSICIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
Constituyente
Fuerte mg/lt
Medio mg/lt
Débil mg/lt
Sólidos Totales
1200
720
350
Sólidos Disueltos Totales
850
500
250
Sólidos Disueltos Fijos
525
300
145
Sólidos Disueltos Volátiles
325
200
105
Sólidos Suspendidos Totales
350
220
100
Sólidos Suspendidos Fijos
75
55
20
Sólidos Suspendidos Volátiles
275
165
80
Sólidos Sedimentables ml/l
20 ml/l
10 ml/l
5 ml/l
DBO 5días - 20oC
400
220
110
Carbono Orgánico Total
290
160
80
Nitrógeno Total
85
40
20
Nitrógeno Orgánico
35
15
8
Nitrógeno Amoniacal
50
25
12
Nitritos
0
0
0
Nitratos
0
0
0
Fósforo Total
15
8
4
Fósforo Orgánico
5
3
1
Fósforo Inorgánico
10
5
3
Cloruros
100
50
30
Alcalinidad CaCO3
200
100
50
Sulfatos
Grasas
30
150
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
50
10e7-10e8
Coniforme NMP /100ml
DQO
100
1000
550
250
71
UNIVERSIDAD DE CUENCA
ANEXO 2
La planta depuradora Norte, inaugurada en el año 1998, se
encuentra ubicada en la localidad de San Fernando, provincia de
Buenos Aires.
Su función es tratar los líquidos residuales provenientes de las
localidades de Tigre, San Fernando y San Isidro a fin de que sus
efluentes sean volcados al Río Reconquista.
Desde su puesta en marcha tiene una capacidad para tratar los
efluentes de 270.000 habitantes.
PROCESO DE DEPURACIÓN
4
Capacidad de la Planta
El dimensionamiento de la planta se efectuó considerando su
construcción en módulos, teniendo en cuenta una dotación de 290
Datos obtenidos durante la visita técnica a la Planta depuradora Norte, organizada
por el Curso de Graduación de “Desagües Urbanos”
4
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
72
UNIVERSIDAD DE CUENCA
litros/habitante/día, un aporte de DBO5 (Demanda Biológica de
Oxígeno) de 60 gramos /habitante/día y finalmente la Materia en
Suspensión de gramos /habitante/día
El caudal de diseño que surge de las hipótesis anteriores es de 0.9
m3/seg. (1.35 m3/seg. de caudal pico) y la carga a tratar es de
16.400 kg DBO/día y 19.500 kg de Materia en suspensión/día para
cada módulo
Los lodos generados en el tratamiento de líquido comprenden:
1.400 m3/d. de lodos primarios, con una concentración de 10g/l,
1.700 m3/d de lodos biológicos en exceso a 4.5 g/l de de
concentración.
Los lodos deshidratados a disponer suman un volumen de 100
m3/d
Sedimentación:
Una vez que el líquido cloacal pasa por los desarenadores /
desengrasadores, sólo contiene materia orgánica disuelta y
materia en suspensión, esta última se elimina en los
sedimentadores primarios dando como resultado los barros
primarios y el líquido ingresa al tratamiento biológico.
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
73
UNIVERSIDAD DE CUENCA
ANEXO 3
NORMAS IEOS
Tanques de sedimentación.
Los parámetros de diseño de tanque de sedimentación primaria y sus
eficiencias deben idealmente ser determinados experimentalmente.
Cuando se diseñen tanques convencionales de sedimentación primaria
sin datos experimentales se utilizarán los siguientes criterios de diseño:
Los canales de repartición y entrada a los tanques deben ser
diseñados para el caudal máximo horario.
Los requisitos de área deben determinarse usando cargas
superficiales entre 30 m/d y 60 m/d basado en el caudal medio
de diseño, lo cual corresponde a una velocidad de sedimentación
de 1,25 m/h a 2,5 m/h.
El período de retención nominal será entre 1,5 h a 2,5 h
(recomendable <2 h), basado en el caudal medio de diseño.
La profundidad se obtiene del producto de los dos parámetros
antes indicados y debe estar entre 3 m y 3,5 m (recomendable 3
m).
La relación largo/ancho debe estar entre 3 y 10 (recomendable
4) y la relación largo/profundidad debe ser igual o menor que 30.
La carga hidráulica en los vertederos será de 125 m3/d a 500
m3/d por metro lineal (recomendable 250), basado en el caudal
medio de diseño.
Cuando no se disponga de datos experimentales, se usarán los
criterios de la tabla 3a para determinar las eficiencias de
remoción del proceso:
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
74
UNIVERSIDAD DE CUENCA
Tabla 3a PORCENTAJE DE REMOCIÓN RECOMENDADOS:
PERIODO DE RETENCIÓN
NOMINAL, ( h )
0.5
1.0
1.5
2.0
3.0
4.0
6.0
PORCENTAJES DE REMOCIÓN RECOMENDADOS
DBO 100 A 200 mg/l
DBO 200 A 300 mg/l
DBO
SS*
DBO
SS*
16
32
19
23
45
26
30
50
32
33
53
36
37
58
40
40
60
42
41
61
43
35
50
56
60
64
66
68
* SS = sólidos en suspensión totales.
El volumen de lodos primarios deben calcularse para las condiciones de
operación de cada cinco años y para el final del período de diseño (con
el caudal medio de diseño), con las remociones de sólidos del proceso y
los datos de la tabla 4b
Tabla 3b CONCENTRACIÓN DE SÓLIDOS
Concetración de Sólidos %
Tipo de Lodo
Peso
rango
recomendado
Primario
específico
Con alcantarillado
1,03
4 - 12
6
sanitario
Con alcantarillado
1,05
4 - 12
6,5
combinado
Con lodo activado de
4 - 12
1,03
4
exceso
El retiro de los lodos del sedimentador debe efectuarse en forma cíclica
e idealmente a gravedad. En donde no se disponga de carga
hidrostática se debe retirar por bombeo en forma cíclica, ya que el
tamaño del equipo de bombeo y la velocidad requerida en los
conductos, no permiten un flujo constante, por lo cual se debe usar un
tipo de bomba adecuado. Para lodo primario se recomiendan en el
orden indicado las bombas rotativas de desplazamiento positivo, las
bombas diafragma, las bombas pistón y las bombas centrífugas con
impulsor abierto. Para un adecuado funcionamiento a lo largo de la vida
de la planta, es recomendable la instalación de motores de velocidad
variable e interruptores cíclicos con ciclos de funcionamiento entre 0,5
h y 4 h y tiempos entre arranque y parada por encima de 20 min. El
sistema de conducción de lodos debe incluir un dispositivo para
medición del caudal. Mayores detalles sobre equipos de bombeo de
lodos se dan en otra sección de las normas.
El volumen de la tolva de lodos debe ser comprobado para
almacenamiento de los lodos durante el tiempo de fuera de
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
75
UNIVERSIDAD DE CUENCA
funcionamiento del ciclo. La velocidad en la tubería de salida del lodo
primario debe ser por lo menos 0,9 m/s.
El mecanismo de barrido de lodos de tanques rectangulares tendrá una
velocidad entre 0,6 m/min y 1,2 m/min., para evitar la formación de
corrientes mezcladoras.
Las características de tanque circulares de sedimentación serán las
siguientes:
Profundidad: de 3 m a 5 m.
Diámetro: de 3,6 m a 60 m (recomendable de 12 m a 45 m).
Pendiente de fondo: de 6% a 16% (recomendable 8%).
El mecanismo de barrido de lodos de tanques circulares tendrá una
velocidad de rotación de 1 a 3 revoluciones por hora, siendo 2 un valor
recomendable.
El sistema de entrada al tanque será diseñado en tal forma que
garantice la distribución uniforme del líquido a través de la sección
transversal y se eviten cortocircuitos.
El sistema de vertederos de salida se diseñará de manera que se evite
la formación de corrientes que promuevan el arrastre de sólidos
sedimentados.
Se deberá diseñar un sistema de recolección de natas, las que deben
recogerse en un pozo especial, para transporte desde allí hasta el
proceso de digestión.
La pendiente mínima de la tolva de lodos será 1,7 vertical a 1
horizontal. En el caso de sedimentadores rectangulares, cuando la tolva
sea demasiado ancha, se deberá proveer un barredor transversal desde
el extremo hasta el punto de extracción de lodos.
Tanques Imhoff.
Son tanques de sedimentación primaria en los cuales se incorpora la
digestión de lodos en un compartimiento localizado en la parte inferior.
Para el diseño de la zona de sedimentación se considerará un volumen
mínimo de 1 500 litros, utilizando los siguientes criterios:
Se determinará el área requerida para el proceso con una carga
superficial de 1 m3/(m2.h).
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
76
UNIVERSIDAD DE CUENCA
El período de retención nominal será entre 1 h a 1,5 h.
Del
producto de la carga superficial y el período de retención se
obtendrá la profundidad.
Alternativamente se dimensionará la cámara de decantación con
una tasa de 30 litros por habitante.
El fondo del tanque será de sección transversal en forma de V y
la pendiente de los lados, hacia la arista central será del 67% al
80%.
En la arista central se dejará una abertura para el paso de los
sólidos de 0,15 m a 0,2 m.
El borde libre será entre 0,3 m a 0,6 m.
Las estructuras de entrada y salida, así como otros parámetros
de diseño serán los mismos que para los sedimentadores rectangulares convencionales.
Para el diseño del compartimiento de almacenamiento y digestión de
lodos (zona de digestión) se considerará un volumen mínimo de 3 000
litros, utilizando los siguientes criterios:
El compartimiento será dimensionado para almacenar lodos
durante un período de 60 d, al cabo del cual se considera
completa la digestión. Para el efecto se determinará la cantidad
de sólidos en suspensión removida, en forma similar que para un
sedimentador primario. El volumen se determinará considerando
la destrucción del 50% de sólidos volátiles, con una densidad de
1,05 kg/l y un contenido promedio de sólidos del 12,5% (al
peso).
Alternativamente se determinará el volumen del compartimiento
de lodos considerando un espacio de 60 litros por habitante.
El fondo del compartimiento tendrá la forma de un tronco de
pirámide, cuyas paredes tendrán una inclinación de 30° a 45° con
respecto a la horizontal.
Para el diseño de la superficie libre entre las paredes del digestor y las
del sedimentador (zona de espumas) se considerará un volumen
mínimo de 1 500 litros, usando los siguientes criterios:
El espaciamiento libre será de 0,6 m como mínimo.
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
77
UNIVERSIDAD DE CUENCA
La superficie libre total será por lo menos 20% y preferiblemente 30%
del área total del compartimiento de digestión.
Alternativamente se determinará el volumen de la zona de
espumas usando una tasa de 30 litros por habitante.
Las facilidades para remoción de lodos digeridos deben ser diseñadas
en forma similar que para sedimentadores primarios, considerando que
los lodos son retirados para secado en forma intermitente. Para el
efecto se deben tener en cuenta las siguientes recomendaciones:
El diámetro mínimo de las tuberías de remoción de lodos será de
20 cm.
La tubería de remoción de lodos debe estar 15 cm. por encima
del fondo del tanque.
Para remoción hidráulica del lodo se requiere por lo menos una
carga hidrostática de 1,5 m.
Para dimensionamiento de tanques Imhoff circulares, pueden
considerarse las siguientes recomendaciones en lo que tienen
relación con el diámetro:
Tabla 3c RECOMENDACIONES PARA
DIMENSIONAMIENTO DE TANQUES IMHOFF
Población
Contribuyente, hab
250
500
750
1000
1500
2000
2500
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
Diámetro
2,5
3
3,5
4
5
6
7
-
3,5
4
4,5
5
6
7
8
78
UNIVERSIDAD DE CUENCA
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
79
UNIVERSIDAD DE CUENCA
BIBLIOGRAFÍA
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Segunda Edición, España, 2000
Depuración
Uralita,
Metcalf & Eddy, Ingeniería de Aguas Residuales, Tercera
Edición, España,
Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias
del Ambiente (CEPIS), Teoría, Diseño y Control de los
Procesos de Clarificación del Agua.
OPS, CEPIS, Guía para el Diseño de Desarenadores y
Sedimentadores, Lima 2005
Ing. Víctor Maldonado Yactano, Capítulo 7, Sedimentación
M.D. Díaz Dorado, Urbanismo Sanitario, Buenos Aires –
Argentina 1993
Romero Rojas, Jairo Alberto, Potabilización del Agua,
Tercera Edición.
AIDIS, y Consejo Federal de Agua Potable y Saneamiento,
Asociación Argentina de Ingeniería Sanitaria y Ciencias
del Ambiente.
Apuntes del curso sobre Técnicas de
Diseño de Sistemas de Alcantarillado cloacal. 2da. Parte,
Sistemas de tratamiento
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
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UNIVERSIDAD DE CUENCA
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