MODULO 7 J. H. Sierra c. SEDIMENTACIÓN PRIMARIA La sedimentación es un fenómeno físico en el que las partículas suspendidas presentan un movimiento descendente en un medio líquido de menor masa específica, debido a la acción de la gravedad. La ocurrencia de la sedimentación de partículas suspendidas propicia la clarificación del medio líquido, o sea, la operación de separación de las fases sólida y líquida. En un determinado intervalo de tiempo, no todos las partículas en suspensión sedimentan y a las que lo hacen, dependiendo de sus características y su concentración en la suspensión, se les llama "Sólidos Sedimentables". La sedimentación de partículas discretas, aquellas que no cambian sus características (forma, tamaño, densidad) durante el movimiento descendente en el medio líquido, se presenta en desarenadores. Cuando hay una baja concentración de partículas en el agua estas se depositan sin interferir dando lugar a un proceso de Sedimentación en "caída libre"; a diferencia de suspensiones con altas concentraciones de partículas, normalmente más de 500 mg/l, en las que se producen colisiones que las mantienen en uno posición fija, ocurriendo un depósito masivo en lugar de individual; a este proceso de sedimentación se le conoce como "caída interferida o Sedimentación zonal". Cuando las partículas ya en contacto forman una masa compacta que inhibe una mayor consolidación generan un fenómeno de "compresión" que da lugar a la denominada "zona de compresión". Las principales aplicaciones de la sedimentación en el tratamiento de aguas residuales son: Remoción de arenas y materiales similares. Remoción de sólidos suspendidos en clarificadores primarios. Remoción de floc biológico en clarificadores finales de lodos activados. Remoción de humus en clarificadores finales de filtros percoladores CONSIDERACIONES TEÓRICAS SOBRE LA SEDIMENTACIÓN Los principios de la sedimentación para el tratamiento de aguas residuales son los mismos que para el tratamiento de agua, los equipos y métodos operacionales son también similares. La teoría de la sedimentación establece que toda partícula con velocidad de sedimentación (Vs) mayor o igual que la establecida se asentará y será removida si no hay resuspensión, la cual ocurre cuando la velocidad del flujo horizontal es mayor o igual que la velocidad de arrastre (Va), también preestablecida. Figura 7.1 Esquema de un tanque de sedimentación rectangular ideal Un tanque de sedimentación rectangular ideal se ilustra en la figura 7.1, en la que están representados su longitud (L), ancho (W) y profundidad (H). V es velocidad horizontal y Vs es la velocidad de sedimentación, que corresponde a partícula de más pequeño tamaño entre todas las que se remueven. Cuando una partícula de este tamaño entra al tanque por la superficie del agua, punto 1, sigue la trayectoria indicada e intercepta a la zona de lodos en el punto 2, el cual es el final aguas abajo. De acuerdo con estas convenciones se tienen las siguientes expresiones para tiempo de retención y velocidad de sedimentación: t = H / Vs (7.1) t = L/V (7.2) V=Q/H*W (7.3) t = L*W*H / Q (7.4) t = ∀/ Q (7.5) L*W*H = H / Vs (7.6) Vs = Q / L*W (7.7) Vs = Q / A (7.8) Ecuaciones en las cuales: t = Tiempo de retención, horas W = Ancho del sedimentador, m L = Longitud del sedimentador, m H = Profundidad del sedimentador, m V = Volumen útil del sedimentador, m3 Q = Caudal, m3/ día V = Velocidad horizontal del flujo, m/d Vs = Velocidad de sedimentación, m/d Las expresiones 7.1 a 7.8 también son validas para sedimentadores circulares, aunque para su deducción se emplea otro procedimiento matemático que se puede consultar en textos diversos, en especial Eckenfelder (1980). Reynolds (1982) y Ramalho (1983). Las velocidades de sedimentación (Vs) y arrastre (Va) se pueden adoptar para un determinado tamaño (diámetro) y peso específico, o se pueden estimar a partir de ábacos, figuras y tablas, o bien se pueden obtener haciendo ensayos de sedimentabilidad a escala piloto o a escala de laboratorio. Abunda literatura sobre el particular, pero para las pretensiones del presente modulo es suficiente retomar lo expuesto en las consideraciones teóricas del modulo 6 (desarenadores). Páginas 2 a 5, en las cuales se tiene: 4 𝑔 Vs = [3 (𝐶 ) (𝑆𝑠 − 1)𝑑] 𝑑 (7.9) La ecuación (7.9) es una expresión de la ley de Newton con las siguientes dimensiones o unidades: Ss = gravedad especifica de la panícula (adimensional) CD = coeficiente de arrastre (adimensional) = f (Re) g = 98 m/s2 = 980 cm/s3 d = diámetro de la partícula (m) o (cm) Vs = velocidad de sedimentación (m/s) o (cm/s) Va = [8βgd(Ss-1) / f]1/2 (7.10) Ecuación en la cual. Va = velocidad de arrastre (para partículas con diámetro < d) cm/s β = constante = 0.04 para arena granular y 0.06 para material no uniforme que puede apelmazarse (adimensional) f = coeficiente de fricción de Darcy - weisbac f = 0.03 para cemento d = diámetro da la partícula en cm. CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DE UNIDADES DE SEDIMENTACIÓN Las reglamentaciones en materia de sólidos están escritas en términos de limitaciones a los sólidos sedimentables (S.Sed.). la mayoría de los datos de diseño se presentan para sólidos suspendidos (S.S.), los cuales son objetos de gravamen por concepto de tasas retributivas (Decreto 901, de abril de 1977, Ministerio del Medio Ambiente) S.S. = S. Sed + S. No. Sed (100%) = (60%) + (40%) La figura 7.2 ilustra sobre la remoción de S.S. en función de la carga superficial (C.S.) o tasa de aplicación. Como requerimiento mínimo, la sedimentación primaria tendrá que lograr el 60% de remoción de S.S., tratamiento con el cual se logra un efluente con 1ml S.Sed/l. TIPOS DE SEDIMENTADORES Sedimentadores rectangulares (Figura 7.3) Carga superficial: Ancho (W): Q < 4000 m3/d C.S. < 24 m3/d/m2 Q> 4000m3/d C.S. < 32 m3/d/m2 1.5 m < W < 6.0 m Anchos > 6.0 m presentan problemas para los mecanismos de remoción de lodos. Longitud (L): L = 3W a 5W; L puede alcanzar hasta 90 m. Tiempo de retención (tr): 90 min < tr < 150 min, basado en Qdiseño. Profundidad (H): Hmin = 2.1 m (H > 2.1 m) Unidades sin remoción mecánica pueden ser menos profundas, pero deben proveerse de tolvas para almacenamiento de lodos. Las tolvas tienen paredes con inclinación de 30° a 45°. Dispositivos de entrada y salida (Figura 7.4) Los dispositivos de entrada y salida se diseñan para minimizar turbulencias y distribuir el flujo adecuadamente en lodo el ancho del tanque. La entrada puede estar constituida por una serie de tubos espaciados a lo ancho del tanque, un solo tubo descargando verticalmente bajo la superficie del agua o simplemente por un canal a todo lo ancho del tanque con orificios uniformemente espaciados. Generalmente después de los dispositivos de entrada se construye un tabique para prevenir cortocircuitos y para distribuir el flujo lateral y verticalmente. El tabique se instala aproximadamente a unos 0.60 a 0.90 m al frente de la entrada y sumergido 0.45 a 0.60 m dependiendo de la profundidad del tanque, con el borde a 0.05 m bajo la superficie del agua para permitir que las natas pasen sobre él. La salida para prácticamente todas las unidades son vertederos triangular tipo 'V (diente de sierra), los cuales vierten a un canal que conduce el A.R. hacia el punto de descarga. Los vertederos deben ser ajustables Para nivelarlos y suficientemente grandes para evitar que altas cargas puedan provocar corrrientes de derrame. La carga sobre el vertedor se restringe a 185 m 3/d/metro lineal para prevenir flujos excesivos; el canal de salida se dimensiona para una velocidad aproximada de 60 cm/s. Normalmente al frente de los vertederos de salida se colocan tabiques retención de natas, los cuales se extienden 15 a 30 cm bajo la superficie del agua y 5 a 10 cm sobre la misma. Longitud del vertedor (Lv) = Qdiseño/qv (=) m3 / d . (m3/d/m) = (=) m Los sedimentadores con colector mecánico normalmente se implementan con un tubo ranurado de acero de 15 a 20 cm, de diámetro, instalado superficialmente a lo ancho del tanque justo antes del vertedor. Su función es retener y dirigir los sobrenadantes hacia un depósito de natas. Sedimentadores circulares (Figura 7.5) El uso de sedimentadores circulares se limita a diámetros iguales o mayores que 7. 50 m. Los hay con diámetros hasta de 60 m, pero el promedio es del orden de ø 30 m. Como en el caso de los sedimentadores rectangulares el tiempo de retención no es muy importante, pero la C.S. si lo es. La profundidad mínima es de 2.10 m. Dispositivos de entrada y salida Los sedimentadores circulares pueden ser de alimentación central y de alimentación periférica. En el primer caso un tabique radialmente concéntrico distribuye uniformemente el afluente en todas direcciones; la salida está constituida prácticamente por la periferia del tanque como se ve en la figura 7.5a. Los sedimentadores de alimentación periférica introducen el afluente alrededor del borde exterior del sedimentador; los tabiques se extienden uno o dos metro: bajo la superficie e impiden la ocurrencia de cortocircuitos. La salida esté localizada en el centro como se indica en la figura 7.5 b. En los tanques circulares de alimentación central, ésta se puede hacer a través de un tubo horizontal sumergido desde la pared hasta el centro o por un sifón invertido localizado bajo el piso del tanque. En la salida usualmente se instalan vertedores tipo V a lo largo de la periferia. Los tabiques de salida se extienden 20 a 30 cm bajo la superficie del agua y se localizan frente a los vertedores para retener la nata. Los tabiques de entrada deberán tener diámetro del 10 al 20% del diámetro del tanque y se deberán extender 0.90 a 1.80 m bajo la superficie del agua. El canal periférico que conduce el efluente deberá ser de fondo liso y proporcionado para dar velocidad del orden de 60 cm/s. Como en los rectangulares, la carga sobre el vertedero se limita a 185 m3/d-m lineal. Generación y recolección de lodos en unidades do sedimentación La cantidad de sólidos (lodos) que sedimentan está en función de la carga de sólidos esperados y del porcentaje de remoción de sólidos sedimentados. El volumen de los sólidos puede calcularse de acuerdo con las concentraciones esperadas. Las aguas negras municipales normalmente contienen alrededor de 300 mg/htro de sólidos suspendidos y 180 mg/litro de sólidos sedimentables. La sedimentación primaria remueve el 60% de los sólidos suspendidos y hasta un 95% de sólidos sedimentables. Esto equivale más o menos a 180 mg/litro de sólidos; de manera que un caudal de 1000 m3/día produciría 180 kg de sólidos base seca. Los sedimentadores se diseñan con fondos de pendientes ligeras, normalmente alrededor del 1% para sedimentadores rectangulares y 8% para sedimentadores circulares. Esta pendiente facilita el drenaje de la unidad y ayuda a la remoción de los lodos que están en el fondo del sedimentador. Para hacer más expedito su manejo, los lodos tienen que espesarse a un grado correcto, normalmente 5 a 8% de sólidos en peso, porque si se permite que el lodo primario sea demasiado espeso (mayor de 10-12% de sólidos), se podría dificultar su bombeo. La extracción de lodos se deberá llevar a cabo periódicamente en función de la cantidad de sólidos sedimentables, por ejemplo para la remoción de 180 kg/día de sólidos, con una concentración en los lodos del 5% de sólidos, el peso diario de los lodos acuosos tendrá que ser igual a 3,600 kg. Estimando que la densidad es 1000 kg por m3. el volumen diario de los lodos acuosos se aproxima a 3.6 m El volumen de los lodos generalmente es demasiado grande para removerlo manualmente, por lo tanto se requiere de dispositivos mecánicos. Los tanques rectangulares normalmente utilizan mecanismos de rastras que constan de dos cadenas sin fin que soportan las rastras de madera, las cuales remueven el lodo a una tolva colocada al extremo del tanque; usualmente el afluente y la tolva se encuentran con el mismo extremo. La remoción de los lodos de la tolva se hacen preferentemente por bombeo. Estas mismas rastras, al moverse sobre superficie del líquido, empujan el material flotante hacia una artesa o canal para su recolección y posterior remoción. La figura 7.6 muestra este tipo dispositivos. Otro dispositivo para remoción de lodos que se usa en tanques rectangular el "puente viajero". El puente se mueve a lo largo del tanque en ambas direcciones Cuando se mueve hacia el afluente este dispositivo actúa como removedor de lodo y cuando regresa opera como un recolector de material sobrenadante. La configuración de este dispositivo se muestra en la figura 7.7. Los sedimentadores circulares utilizan uno, dos o cuatro brazos que giran alrededor de un eje central. Los brazos están equipados con paletas que empujan el lodo hacia una tolva de descarga. La figura 7.8 muestra sedimentador circular con alimentación al centro, equipado con rastras recolección de Iodos. Las características de estos dispositivos son proporcionadas por los fabricantes. Cabe hacer mención de los sedimentadores sin equipo mecánico, puesto que es muy probable que en nuestro medio se puedan utilizar satisfactoriamente por tener un costo más bajo que el de los sedimentadores con remoción mecánica de lodos aunque se eficiencia de remoción sea menor. La función principal de estos tanques también es separar los sólidos sedimentables de las aguas residuales; estos se acumulan por gravedad en tolvas localizadas en el fondo del tanque desde donde se bombean o se descargan por la acción de la presión hidrostática. Los sólidos sedimentados se deberán extraer a intervalos frecuentes, para que su descomposición y la consecuente formación de gases. En estos tanques el material sobrenadante se deberá remover manualmente. El dimensionamiento de estos tanques es semejante al efectuado para los sedimentadores con remoción mecánica, sin embargo se permite que sus profundidades sean menores de 2.1 metros, sin contar la que corresponde a las tolvas. Las paredes que conforman la tolva tendrán una inclinación de 45°. Comparación de Costos entro sedimentadores rectangulares y circulares Se tienen que considerar dos elementos importantes para comparar el costo del sedimentador rectangular contra el sedimentador circular: costo de estructura y costo de mecanismo para remoción de lodos. Generalmente la unidad del tanque circular simple es menos cara que la del tanque rectangular con la misma área. Donde se requieren unidades múltiples de tanques rectangulares con construcción de paredes en común, el costo estructura es menor. Generalmente los mecanismos para remoción de lodos en sedimentan circulares cuestan menos que los dispositivos de cadena y paletas o el colector de puente viajero que se usan en tanques rectangulares y normalmente el costo del mantenimiento también es menor. FIGURA 7.2 Remoción de sólidos suspendidos en función de la carga superficial en sedimentadores primarios REFERENCIAS ECKENFELDER, W. 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Colector con puente viajero en tanques de sedimentación rectangulares Figura 7.8. Sedimentador circular, alimentación central con rastras para recolección de lodos
