3abc-rejillas-y-desarenadores compress

3. Rejillas y desarenadores
CONTENIDO:
3A.1 Rejas
3A.2 Rejillas
3A.3 Ejemplos de cálculo de rejas y rejillas
Introducción
El cribado de aguas residuales, es uno de los procesos más antiguos, removiendo
sólidos grandes y gruesos que protegen a los equipos que se ubican aguas abajo.
El cribado remueve sólidos gruesos a diferencia de los desmenuzadores y los
desarenadores, el primero reduce el tamaño de los sólidos y el segundo detiene
partículas pesadas como las arenas. Es la primera operación unitaria en la planta
de tratamiento de aguas residuales.
El cribado puede consistir en barras paralelas, varillas o mallas, tubos, rejas, malla
metálica o placas perforadas, cuya separación y forma puede variar. Una criba
esta compuesta de barras paralelas llamada “rack”. El termino cribar es utilizado
para las unidades de rejillas. Los materiales atrapados por estas estructuras se les
denominan cribados o tamizados. De acuerdo al método utilizado para su limpieza
estos se dividen en manual y mecánico. Las rejillas finas tienen la misma función
que las rejas o rejillas gruesas con la diferencia es que estás últimas tienen una
abertura mayor. Las rejillas típicas tienen una abertura entre barra y barra menor
a 15mm (5/8”). Las unidades de rejas o rejillas gruesas tienen aberturas entre
barra y barra mayor a 38 mm.
Tabla 3A.1 Tipos de equipos para rejas y rejillas
Tipo
Rango
Observaciones
Unidad de rejas o rejillas de
gruesos
Abertura
Rejillas de limpieza manual
Abertura
Velocidad de acercamiento
Rejillas de limpieza mecánica
Abertura
Velocidad de aproximación (max)
Velocidad mínima
Rejillas en continuo
Abertura
Velocidad de acercamiento
Velocidad mínima
Pérdida de carga permitida
Demenuzador
Abertura
Caída de presión típica
38-150 mm
25-50 mm
0.3-0.6 m/s
6-38 mm
0.6-1.2 m/s
0.3-0.6 m/s
Generalmente utilizadas en sistemas
combinados, la abertura estará en función
del equipo que se desee proteger
Utilizadas en plantas pequeñas o canales
de bypass (<44 L/s)
18 mm de abertura recomendados para
protección de equipos aguas abajo
Necesaria para prevenir la sedimentación
6-38 mm
Este tipo de rejillas es efectiva entre 6 a
0.6-1.2 m/s
18 mm de abertura
0.3-0.6 m/s
0.15-0.6 m/s
La abertura estará en función de la
6-13 mm
capacidad de la unidad hidráulica
300-450 mm
FUENTE: DESIGN OF MUNICIPAL WASTEWATER TREATMENT PLANTS, VOLUME I; 1992
3-1
3A.1 Rejas o rejillas de gruesos
Estas unidades son de aperturas grandes entre barra y barra que van de 38 mm a
150 mm, están diseñadas para proteger el equipo de bombeo, válvulas tuberías de
objetos gruesos que provoquen su atascamiento o taponamiento, por lo general va
acompañada de una unidad de rejillas con aberturas menores, se utilizan en
sistemas que tienen drenaje combinado (municipales), para detener sólidos menos
gruesos, especialmente durante temporada de lluvia. Para aguas de tipo industrial
por lo general estas unidades no se utilizan, pero dependerá de las características
del agua que descarguen. Ésta unidades pueden limpiarse manual o
mecánicamente. Cuando el espacio es limitado se utilizan las rejas de limpieza
manual. La unidad típica de reja mecánica se presenta en la figura 3A.1. Por lo
general atrapan hojas, botellas, troncos, bolsas, raíces, materia orgánica
voluminosa, piedras. El material visible es removido entre un 60 a 70% en estas
unidades y que equivale a objetos que miden entre 25 a 100 mm. Los sólidos
gruesos atrapados pueden llegar a contener alto contenido de materia orgánica
(expresado como SSV) y este puede ser hasta un 90%.
Una unidad de rejas consiste de barras de acero verticales o inclinadas
espaciadas a intervalos iguales, situadas perpendicularmente al canal a través del
cual fluye el agua residual. Las rejillas son usadas antes de las bombas para el
manejo de agua residual, medidores, desarenadores y tanques de sedimentación
primario, y en obras de desvío. La abertura de las barras se define en función del
tipo de basura presente en el flujo. Se consideran aberturas relativamente grandes
entre 50 y 150 mm.
3A.2 Rejillas
En el pasado las unidades de rejillas eran discos o cilindros inclinados, donde el
medio de tamizado consistía en platos de bronce o cobre con perforaciones o
huecos que eran instalados en lugar de los sedimentadotes primarios. A principio
de los setentas ha resurgido el interés en el campo del tratamiento de aguas
residuales en el uso de rejillas de todo tipo. Para rejillas que tienen aberturas
entre 2 a 6 mm puede remover hasta un 15% de SST en el influente. Las rejillas
se clasifican en dos tipos; limpieza manual y limpieza automática.
Rejillas manuales
Las rejillas manuales típicas tienen un claro entre barras de 25 - 50 mm de
abertura, estas barras tienen una inclinación entre 30 a 45° de la vertical para
facilitar la limpieza. El material retenido en las rejillas es manualmente removido a
una placa perforada donde se elimina el exceso de agua (escurrimiento) para su
posterior disposición. Si esta basura no es removida frecuentemente de la unidad
esto provoca un taponamiento de las rejillas subiendo así el nivel del agua
produciendo turbulencia del flujo. Estas turbulencias del flujo puede reducir la
eficiencia de captura de los sólidos, provocando problemas en las unidades aguas
abajo.
3-2
A pesar de que las rejillas de limpieza manual requieren de poco o de ningún tipo
de mantenimiento del equipo, es necesaria la limpieza frecuente para evitar
taponamientos. Esta unidades o fueron utilizadas en plantas de tratamiento
antiguas o son utilizadas en plantas de tratamiento pequeñas (< a 3.785 ML/d o 50
L/s) o en desvíos hacia desmenuzadores y rejillas mecánicas.
Rejillas mecánicas
Este tipo de unidades tienen una abertura típica entre 6 a 38 mm, con ángulos
entre 0 a 30° de la vertical. Las unidades de rejillas mecánicas se especifican para
las plantas nuevas de tratamiento de todos los tamaños. El uso de rejillas con
limpiadores mecánicos tiende a reducir los costos de operación, ofreciendo un
flujo de mejor calidad, además de facilitar su operación. El equipo mecánico se
utiliza tanto para plantas medianas como pequeñas. Para sistemas de drenaje
combinado, se prefiere el uso de rejillas con limpieza mecánica para la remoción
de basura, debido a su capacidad para manejar grandes cantidades de desechos
bajo condiciones de tormenta, y debido a la rigidez de su estructura.
Los limpiadores mecánicos consisten de rastras que barren el tamiz completo
removiendo los sólidos para su disposición. Algunas rejillas mecánicas utilizan
cadenas o cables continuos para mover los dientes de la rastra por las aberturas
de la rejilla. La limpieza puede ser frontal o trasera. La limpieza frontal puede, en
ocasiones, atorarse por depósitos de basura no considerados; si la velocidad del
canal se mantiene por arriba de 0.25 m/s, la obstrucción es mínima. La limpieza
por atrás o rejillas de limpieza completa, no se atoran ya que están provistas de un
protector; sin embargo, debido a que los dientes de la rastra son largos, éstos son
más susceptibles a doblarse o romperse. El mecanismo de limpieza provisto de un
depósito unido a la rastra se utiliza cuando la unidad de desarenado y rejillas
están juntas. Las siguientes figuras presentan diferentes tipos de rejillas
mecánicas comerciales.
3-3
Figura 3A.1 Rejilla mecánica
Figura 3A.2 Unidad de microcribado
Figura 3A.3 Unidad de cribado automático
Dentro de las rejillas mecánicas existen subdivisiones basadas en el tipo de
mecanismo para recolección de basura y estas son:

De recolección mecánica de cadena o cable
Limpieza frontal y retorno frontal
Limpieza frontal y retorno trasero
Limpieza posterior, retorno posterior
 Recolección mecánica de intercambio (más utilizado)
Limpieza posterior y retorno posterior
Limpieza frontal y retorno frontal
 Rejillas catenarias
 Rejillas de limpieza continua
Análisis
3-4
El análisis asociado con el uso de unidades de cribado o rejillas involucran el
cálculo de pérdida de energía a través de la unidad. El cálculo de pérdidas se
realiza por separado para la unidad de rejas y el de rejillas.
Rejas
Las pérdidas hidráulicas a través de las barras están en función de la velocidad de
aproximación y de la velocidad a través de las barras. La pérdida de carga a
través de las barras puede calcularse mediante la siguiente ecuación:
hL 
1  V 2  v2 


0.7  2 g 
…………………(Ec. 3A.1)
Donde:
hL = pérdida de carga (m)
0.7 = Coeficiente de descarga empírico que considera las pérdidas por
turbulencias y remolinos
V = Velocidad de flujo a través de la abertura de las rejas (m/s)
v=
Velocidad de acercamiento en el canal aguas arriba (m/s)
g=
aceleración debida a la gravedad (m/s2)
Las pérdidas se calculan con las barras limpias. El ensuciamiento de éstas
provoca un aumento de la pérdida de carga.
Rejillas finas
La pérdida de carga a través de las rejillas puede ser obtenida por tablas emitidas
por el fabricante, o puede calcularse por medio de la fórmula común para orificios:
1 Q
hL 
 
C(2g)  A 
2
…………………(Ec. 3A.2)
Donde:
hL =
C=
G=
Q=
A=
Pérdida de carga (m)
Coeficiente de descarga de la malla
Aceleración debida a la gravedad (m/s2)
Descarga a través de la malla (m3/s)
Área abierta efectiva de la malla sumergida (m2)
Los valores C y A dependen de los valores de diseño de la malla, así como el
tamaño y abertura de las ranuras, tanto el diámetro de la armadura como el
3-5
porcentaje del área abierta deberán determinarse experimentalmente. Un valor
típico de C para una malla limpia es de 0.6. La pérdida de carga en una malla
limpia es prácticamente insignificante.
Tabla 3A.2 Información típica para el diseño Metcalf & Eddy
Característica
Limpieza manual
Limpieza
mecánica
Tamaño de barra
Ancho (mm)
5.08-15.24
5.08-15.24
Profundidad (mm)
25.4-38.1
25.4-38.1
Espacio entre barras (mm)
25.4-50.8
15.24-76.2
Inclinación sobre la vertical (grados)
30-45
0-30
Velocidad de acercamiento (m/s)
0.3048-0.6096
0.6096-0.9906
Pérdida de carga permisible (mm)
152.4
152.4
El criterio más utilizado para calcular la pérdida de carga en estas unidades es
mediante la fórmula de Kirschmer, cuando se conoce la forma de las barras y la
altura o la energía de velocidad del flujo entre las barras.
w
hl   
b
4 3
h v sen
…………………(Ec. 3A.3)
Donde:
hLpérdida de carga (m)
 = 2.42 para barras rectangulares de cara recta
 = 1.67 para barras rectangulares con cara semicircular aguas arriba y abajo
 = 1.83 para barras rectangulares con cara semicircular aguas arriba
 = 1.79 para barras circulares
w = ancho máximo de la sección transversal de las barras (m)
b = espaciamiento o separación mínima entre las barras (m)
hv = altura o energía de velocidad de flujo de aproximación (m)
 = ángulo de la rejilla horizontal
3A.3 Ejemplos de cálculo de rejas y rejillas
3-6
3A.3.1Unidad rejas (Sólidos gruesos)
Una reja de barras rectangulares de 2 cm de espesor, instalada con una
inclinación de 45º con la horizontal y espaciamiento libre entre barras de 3.8 cm,
recibe un caudal máximo de 200 L/s. La limpieza de la reja es de forma manual. El
canal desarenador tiene un tirante (h) de 0.67 m, 1 m de ancho (a c) y un bordo
libre (hb) de 0.3 m. Determinar los siguientes conceptos:
1. Área del canal:
A  ac  h  1 0.67  0.67 m2
2. Velocidad antes de la reja:
V
Q
0.2

 0.3 m / s
A 1 0.67
3. Longitud de la reja:
L
h  hb
0.67  0.3

 1.37 m
sen45
sen45
4. Número de barras:
C
ac  n db
n 1
 n
ac  C
C  db
Donde:
C = claro de barras (abertura)
ac = ancho del canal
n = número de espacios
n-1 = número de barras
db = espesor de la barra
n
ac  C
1  0.038

 16.59  17 espacios
C  db 0.038  0.02
n  1  16 barras
5. Velocidad de acercamiento, aguas arriba:
3-7
Va 
Q
0.2

 0.31 m / s
ac  db h 1  0.02 0.67
6. Velocidad a través de la reja:
A r  16  0.02  0.67  0.21 m2
Vr 
0.2
 0.43 m / s
1 0.67  0.21
7. Pérdida hidráulica:
1  Vr  Va
0.7  2  g
2
hL 
2
2
2



  1  0.43  0.31   0.0065 m


 0.7
 2  9.81 

hL  0.65 cm
8. Arreglo de barras
Ancho del canal = 1 m
16 barras de 0.02 m de espesor = 0.32 m
17 espacios de 0.038 m
= 0.65 m
Σ = 0.97 m < 1.00 m
Alternativas para el arreglo:
- Asignar 1.5 cm a cada lado
- Reducir el espacio entre barras
Reduciendo el espacio entre barras a 0.037 m y considerando que el número de
barras (n - 1) = 17, el número de espacios entre barras = 18.
17 barras de 0.02 m de espesor = 0.34 m
18 espacios de 0.037 m
= 0.66 m
Σ = 1.00 m = ancho del canal
Recalculando la pérdida hidráulica:
Va  0.31 m / s
A r  17  0.02  0.67  0.23 m2
3-8
Vr 
0.2
 0.45 m / s
1 0.67  0.23
hL 
1  Vr  Va
0.7  2  g
2
2
2
2



  1  0.45  0.31   0.008 m


 0.7
 2  9.81 

hL  0.8 cm = 8 mm
Resumen:
Tabla 3A.3 Resumen de los valores del ejemplo 3A.3.1
Concepto
Ancho del canal (ac)
Tirante hidráulico (h)
Bordo libre (hb)
Número de espacios (n)
Número de barras (n-1)
Espesor de la barra (db)
Claro de barras, abertura (C)
Inclinación de la reja
Pérdida hidráulica, hL
Velocidad de acercamiento, Va
Velocidad a través de la reja, Vr
db
Valor
1.0
0.67
0.30
18
17
0.02
0.037
45
8
0.31
0.48
Unidad
m
m
m
m
m
º
mm
m/s
m/s
C db C db
Figura 3A.4 Arreglo de la reja
hb
vcanal
h
hL
va
vr
h
45º
3-9
Figura 3A.5 Corte de la reja
C
ac
Figura 3A.6 Planta de la reja
3A.3.2 Unidad rejillas
Una rejilla de barras circulares de 2 cm de diámetro, instalada con una inclinación
de 30º con la horizontal y espaciamiento libre entre barras de 1.8 cm, recibe un
caudal máximo de 200 L/s. La limpieza de la rejilla es mecánica, la velocidad de
acercamiento es de 0.35 m/s. El canal desarenador tiene un tirante (h) de 0.66 m,
1 m de ancho (ac) y un bordo libre (hb) de 0.3 m. Determinar los siguientes
conceptos:
1. Área del canal:
A  a c  h  1 0.66  0.66 m 2
2. Velocidad antes de la rejilla:
V
Q
0.2

 0.3 m / s
A 1 0.66
3. Longitud de la rejilla:
L
h  hb
0.66  0.3

 1.92 m
sen45
sen45
4. Número de barras:
C
ac  n db
n 1
 n
ac  C
C  db
3-10
Donde:
C = claro de barras (abertura)
ac = ancho del canal
n = número de espacios
n-1 = número de barras
db = diámetro de la barra
n
ac  C
1  0.018

 25.8  26 espacios
C  db 0.018  0.02
n  1  25 barras
6. Arreglo de barras
Ancho del canal = 1 m
25 barras de 0.02 m de espesor = 0.50 m
26 espacios de 0.018 m
= 0.47 m
Σ = 0.97 m < 1.00 m
Alternativas para el arreglo:
- Asignar 1.5 cm a cada lado
- Aumentar el espacio entre barras
Aumentando el espacio entre barras a 0.019 m, considerando el número de barras
(n - 1) = 25 y el número de espacios entre barras = 26, tenemos:
25 barras de 0.02 m de espesor = 0.50 m
26 espacios de 0.019 m
= 0.49 m
Σ = 0.99 m (se asignan 5 mm de cada lado)
5. Pérdida hidráulica (Kischmer):
d 
hL    b 
C
4 3
h v  sen
Donde:
hL = pérdida de carga (m)
 = 1.79 para barras circulares
db = ancho máximo de la sección transversal de las barras (m)
C = espaciamiento o separación mínima entre las barras (m)
3-11
hv = altura o energía de velocidad de flujo de aproximación (m)
 = ángulo de la rejilla horizontal
2
Va
0.35 2
hV 

 6.24  10 3 m
2 g 2  9.81
Va = 0.35 m/s, velocidad de acercamiento
 0.02 
hL  1.79 

 0.019 
4 3
6.24  10   sen30  6  10
3
3
m
hL  6 mm
Resumen:
Tabla 3A.4 Resumen de los valores del ejemplo 3A.3.2
Concepto
Ancho del canal (ac)
Tirante hidráulico (h)
Bordo libre (hb)
Número de espacios (n)
Número de barras (n-1)
Diámetro de la barra (db)
Claro de barras, abertura (C)
Inclinación de la reja
Pérdida hidráulica, hL
Velocidad de acercamiento, Va
Velocidad a través de la reja, Vr
3-12
Valor
1.0
0.66
0.30
26
25
0.02
0.019
30
6
0.35
0.48
Unidad
m
m
m
m
m
º
mm
m/s
m/s
3B. Desarenadores
CONTENIDO:
3B.1 Tipos de desarenadores y parámetros de
diseño
3B.2 Operación y mantenimiento
3B.3 El canal Parshall como controlador de
velocidad en desarenadores horizontales
3B.4 Control de velocidad con vertedores
proporcionales
Introducción
La eliminación de arenas se puede llevar a cabo en desarenadores o mediante la
centrifugación, los desarenadores se proyectan para separar arenas, término que
engloba las arenas propiamente dichas, a la grava, cenizas y cualquier otro
material pesado cuya velocidad de sedimentación o peso específico sea
considerablemente superior al de los sólidos putrescibles presentes en el agua
residual.
Los desarenadores tratan el agua residual proveniente de los sistemas de drenaje
combinado y separado que contiene arena, ésta se caracteriza por ser no
putrescible y tener una velocidad de sedimentación mayor a la correspondiente a
la materia orgánica biodegradable. Los materiales que caen en esta categoría son
partículas de arena, grava y trazas de minerales y orgánicos no putrescibles como
granos de café y semillas.
Eliminar la arena del agua residual protege a los equipos mecánicos de abrasión y
desgaste; reduce la obstrucción de los conductos por la acumulación de partículas
de arena en las tuberías y canales, generalmente, en cambios de dirección; y
reduce la acumulación de material inerte en los tanques de aeración y lodo
digerido, dando lugar a pérdidas en el volumen de las unidades de proceso.
3B.1 Tipos de desarenadores y parámetros de diseño
La cantidad y la composición de la arena y su efecto en las unidades del
tratamiento son las principales consideraciones en la selección de los métodos y
equipo de remoción. Los métodos se eligen con base en la pérdida de carga,
requerimientos de espacio, topografía, tipo de equipo utilizado en la planta y
consideraciones económicas.
Algunos desarenadores se emplean para controlar la velocidad del agua residual
que entra en la planta. Estos se pueden dividir básicamente en tres tipos: de
velocidad controlada, aerados y de nivel constante.
3-13
3B.1.1 Desarenadores horizontales con control de velocidad
La arena en el agua residual tiene una gravedad específica entre 1.5 a 2.7,
mientras que la materia orgánica de 1.02. Por ello, la sedimentación diferencial es
un mecanismo seguro para la separación de la materia orgánica.
Los desarenadores con control de velocidad son canales de sedimentación largos
y estrechos, generalmente se cuenta con un mínimo de dos canales para fines de
limpieza. En ocasiones, se emplean varios canales para el control de la velocidad
pero se puede lograr un arreglo más económico y eficiente usando un panel de
control a la entrada y salida del mismo. Las secciones de control incluyen
vertedores proporcionales tipo Sutro, canales Parshall, canal parabólico, etc. Estas
secciones mantienen la velocidad constante del canal a grandes intervalos de
flujo.
Los vertedores proporcionales tipo Sutro, mantienen una velocidad constante al
variar la profundidad, pero como requieren una descarga libre están sujetos a
grandes pérdidas de carga. No cuentan con cámara para el depósito de arena o
espacio para equipo colector de ésta. Se localizan a 150 o 300 mm al final del
desarenador. Sus principales ventajas son el mantener una velocidad promedio y
la posibilidad de utilizar desarenadores sencillos.
Si el desarenador se localiza antes de un canal Parshall, este deberá instalarse a
150 o 300 mm al final del desarenador, previendo el depósito, arrastre y
suspensión de las partículas de arena. Un canal Parshall ofrece una velocidad
transversal uniforme, medición de flujo y fácil instalación al usar equipo
prefabricado. Sus desventajas consisten en perdidas de carga alta con descarga
libre. Normalmente, los desarenadores con control de velocidad son de limpieza
manual, pero se recomienda la limpieza mecánica para flujos mayores de 3,800
m3/d (50 L/s).
Los equipos mecánicos para la extracción de la arena sedimentada son:
 Transportador de cangilones o rascadores (plantas pequeñas)
 Elevadores de cadena continúa con cangilones o transportador de tornillo
helicoidal (plantas grandes).
Tabla 3B.1 Criterios de diseño para desarenadores horizontales
COMPONENTE
RANGO
COMENTARIO
Dimensiones
Profundidad del agua, 0.6 – 1.5 Depende del área del canal y del gasto
(m)
Longitud, (m)
3 – 25
En función de la profundidad del canal y
de la velocidad de sedimentación de la
arena
% adicional por entrada y 25 – 50 Basado en la longitud teórica
turbulencia
3-14
Tiempo de retención a
gasto pico, (seg)
Velocidad horizontal, (m/s)
15 – 90
0.15 –
0.4
En función de la velocidad y la longitud
del canal
Velocidad óptima, 0.3 m/s
FUENTE: DESIGN OF MUNICIPAL WASTEWATER TREATMENT PLANTS, VOLUME I; 1992
3B.1.2 Desarenadores aerados
Este tipo de desarenadores se emplean para una remoción selectiva de arena.
Son similares a los tanques de aeración con flujo en espiral. La corriente en espiral
se genera por la acción de difusores de aire instalados en uno de los lados del
tanque, a una altura de 0.6 a 0.9m a partir del fondo.
Las partículas de arena presentes en el agua residual, al entrar al desarenador
sedimentan con diferente velocidad ya que esta depende del tamaño, gravedad
específica y la velocidad de rotación o agitación en el tanque. La rapidez de
difusión en el aire y la forma del tanque son parámetros importantes que deben
ser considerados ya que gobiernan la agitación y la sedimentación de partículas.
La rapidez del aire se ajusta para crear una velocidad, cercana al fondo, lo
suficientemente baja para que sedimente le arena: mientras tanto, las partículas
orgánicas, que son menos pesadas, son arrastradas fuera del tanque.
Figura 3B.1 Sección transversal de un desarenador aerado
Generalmente, los desarenadores aerados se diseñan para eliminar partículas de
arena con gravedad especifica de 2.5, retenidas en un tamiz de malla 0.65
(diámetro de 0.21 mm). Así mismo pueden eliminar, eficientemente, partículas
más pequeñas al reducir la velocidad del aire. El sistema debe estar controlado
hidráulicamente ya que de no hacerlo la operación será deficiente. Este problema
se soluciona colocando una mampara longitudinal cerca de la cámara de colección
de arena.
3-15
Algunas de las ventajas de este tipo de unidades son:

Puede utilizarse para adicionar reactivos, mezclando y floculando la materia
contaminante antes del tratamiento primario.
Figura 3B.2 Modelo de flujo en un desarenador aerado





Al ser aerada el agua, se reduce el olor y se remueve parte de la DBO 5 y
SS.
Presenta una pérdida de carga mínima.
Controlando la rapidez de aireación, se pueden alcanzar remociones de
arena por arriba del 90%.
Permite la instalación de un desnatador o de un despumador.
Mediante el control de la difusión del aire, puede eliminarse arena de un
tamaño en especial.
Tabla 3B.2 Información típica para desarenadores aerados
ELEMENTO
INTERVALO
TÍPICO
Tiempo de detención a caudal punta, (min)
2-5
3
Dimensiones
Profundidad, (m)
2.0 - 5.0
Longitud, (m)
7.5 – 20.0
Anchura, (m)
2.5 – 7.0
Relación anchura-profundidad
1:1 a 5:1
1.5:1
Relación longitud-anchura
3:1 a 5:1
4:1
3
Suministro de aire, (m /min.m de longitud)
0.18 – 0.45
0.3
3
6
3
Cantidad de arena, (m /10 m )
4.0 - 195
15.0
FUENTE: Metcalf and Eddy, Ingeniería de aguas residuales, Tratamiento, vertido y
reutilización, 2003
La velocidad de la rotación transversal o la agitación determinan el tamaño de las
partículas de un peso específico dado que serán eliminadas. Si la velocidad es
3-16
excesivamente elevada, se arrastrará arena fuera del tanque, mientras que si la
velocidad es demasiado pequeña se producirá la sedimentación de una parte de la
materia orgánica junto con la arena. Con un ajuste adecuado, se puede alcanzar
un porcentaje de eliminación cercano al 100%, y la arena estará bien limpia (las
arenas que no están bien limpias y contienen una fracción de materia orgánica
provocan problemas de olores y atraen insectos). El agua residual circula por el
tanque siguiendo una trayectoria helicodal (fig 3B.2) y pasará dos o tres veces por
el fondo del tanque en condiciones de caudal punta, incrementándose el número
de pasadas por la parte inferior del tanque cuanto menor sea el caudal.
3B.1.3 Desarenadores rectangulares de nivel constante
Estos desarenadores son propiamente tanques de sedimentación, donde la arena
y la materia orgánica sedimentan conjuntamente. Este tipo de sedimentadores se
controla mediante deflectores ajustables que aseguran una velocidad uniforme
transversal al tanque. La pérdida de carga es menor que la correspondiente a los
desarenadores aerados. La materia orgánica ligera puede eliminarse antes,
durante o después de la remoción de la materia sedimentable.
Las ventajas de los desarenadores de nivel constante son:




Debido a la formación del tanque se puede eliminar el 95% de la arena
siempre que se maneje la concentración y el flujo de diseño.
La arena eliminada del tanque puede ser lavada y drenada con no más del
3% del peso de la materia putrescible.
No es necesaria una velocidad uniforme del flujo que ingresa.
El equipo no sufre deterioro por abrasión ya que las partes mecánicas se
encuentran por arriba del nivel del agua.
La principal desventaja radica en la dificultad para obtener una distribución
uniforme del flujo cuando se usan deflectores de paleta.
Tabla 3B.3 Velocidad teórica máxima de derrame para tanques desarenadores
Tamaño de la partícula
a
Vs , cm/min
(ft/seg)
Velocidad teórica de derrame
b
requerida
2
3
Diámetro
Malla No.
m /1000 m /d
gdp/sq ft
0.83
20
494 (0.27)
7,120
174,500
0.59
28
363 (0.20)
5,200
128,000
0.46
35
247 (0.14)
3,550
87,000
0.33
48
186 (0.10)
2,670
65,500
0.25
60
165 (0.09)
2,370
58,000
0.21
65
131 (0.072)
1,890
46,300
0.18
80
116 (0.063)
1,670
40,900
0.15
100
91 (0.050)
1,320
32,300
a
Basada en temperatura líquida de 15.5°C (60°F) y gravedad específica de 2.65.
b
factor de seguridad de 2 para velocidades derrame contadas para entrada y salida de turbulencia
e ineficiencia hidráulica.
FUENTE: DESIGN OF MUNICIPAL WASTEWATER TREATMENT PLANTS, VOLUME I; 1992
3-17
3B.1.4 Desarenadores de vórtice
Este tipo de desarenadores trabaja con un flujo tipo vórtice y aprovecha las
fuerzas centrífuga y gravitacional. El agua a ser tratada se introduce en forma
tangencial cerca del fondo y sale en forma tangencial a través de la abertura en la
parte superior del tanque. Dentro de la unidad se crea un vórtice libre en el cual el
producto de la velocidad tangencial por el radio es constante. La fuerza centrífuga
a la que es sometida una partícula en este campo de flujo es igual al cuadrado de
la velocidad dividida entre el radio, mientras que, la fuerza centrífuga es
inversamente proporcional al radio, se traduce en un incremento de125 veces de
la fuerza centrífuga.
Figura 3B.3 Desarenadores de vórtice: (a) Sistema PISTA (de Smith & Loveless),
y (b) Sistema Teacup (de Eutek)
3-18
Dada la magnitud de la fuerza centrífuga cerca del punto de descarga, algunas de
las partículas, de acuerdo con su tamaño, densidad y fuerza de arrastre son
retenidas dentro del vórtice; mientras que otras son arrastradas fuera de la unidad.
En resumen, la arena se queda en la unidad y las partículas orgánicas salen con
el efluente. La arena se extrae por la abertura del fondo de las unidades o bien se
succiona mediante una bomba de aire.
Tabla 3B.4 Información típica para desarenadores de vórtice
ELEMENTO
INTERVALO
TÍPICO
Tiempo de detención a caudal medio, (s)
30
Dimensiones
Diámetro, (m)
Cámara superior, (m)
1.25 – 7.0
Cámara inferior, (m)
0.90 – 1.80
Altura, (m)
2.70 – 5.0
Rendimientos de eliminación, (%)
Malla 50 (0.30 mm)
95+
Malla 70 (0.24 mm)
85+
Malla 100 (0.15 mm)
65+
FUENTE: Metcalf and Eddy, Ingeniería de aguas residuales, Tratamiento, vertido y
reutilización, 2003
3B.2 Operación y mantenimiento de desarenadores
Se recomienda que los desarenadores con un caudal inferior a 50 L/s sean
limpiados manualmente. En desarenadores de limpieza manual que se usen con
aguas residuales combinadas debe llevarse a cabo lo siguiente:
1. Medición periódica del lecho de arena acumulado.
2. Aislamiento del desarenador en el momento en que la arena ocupe 2/3 del
volumen.
3. Drenaje del agua residual en la cámara. Éste se puede realizar, en algunas
instalaciones, por medio de canalizaciones que devuelven el líquido
drenado al influente o a una unidad del sistema de tratamiento adoptado.
4. Remoción de arena.
5. Estimación de la cantidad de arena removida para los registros en las fichas
de operación.
6. Transporte del material removido hacia el sitio de disposición.
7. Lavado del desarenador para ser utilizado nuevamente.
8. Analizar una muestra de la arena removida en términos de sólidos volátiles.
Adopción de medidas de corrección para las muestras que presenten alto
contenido de éstos.
9. Verificación de la cantidad de arena en las unidades subsecuentes.
10. Remoción de la arena, si fuera el caso, retenida en las demás unidades de
tratamiento. Para los desarenadores de limpieza mecánica, la operación
3-19
debe ser similar a los de limpieza manual, cumpliendo además con lo
siguiente:
a. Mantenimiento de los equipos de acuerdo con el manual de
instrucciones del fabricante.
b. Mantenimiento del movimiento del equipo libre de obstrucciones.
c. Lavado diario, con chorros de agua, de las paredes y los raspadores.
d. Vaciado de revisión, por lo menos una vez por año, de las unidades.
Debe ensayarse el equipo que se encuentre inmerso así como la
condición de la estructura.
Con el fin de evitar excesos de materia orgánica en el material removido se
recomienda lo siguiente:
1. Aumentar la velocidad.
2. Disminuir el tiempo de retención. Para lograr esto puede reducirse el área
de la sección transversal. Para evitar el arrastre de arena en el efluente se
recomienda:
a. Remover con mayor frecuencia la arena acumulada
b. Colocar en funcionamiento otro vertedero.
c. Aumentar el área de la sección transversal de la cámara. Se recomienda
además que el desarenador cuente con un sistema de desvío del flujo o
paso directo.
Producción y almacenamiento de arenas
La producción de arenas varía de acuerdo a la localidad, el tipo de sistema de
alcantarillado, las características del área de drenaje la condición del alcantarillado
y la cantidad de material arenoso en el área. Cuando no sea posible removerla por
la carga hidráulica, debe observarse que la canaleta tenga por lo menos espacio
suficiente para la elevación de arena por medio de palas u otro tipo de
herramientas usadas para este fin. Se recomienda una entrada media de arena de
0.5 m3/min y una máxima 0.63 m3/min por metro del desarenador. Las áreas
donde se manejan las arenas, deben tener superficies impermeables y
antideslizantes, y drenajes adecuados. Los medios para el acarreo de las arenas
deben tener protección para evitar pérdidas del material.
3B.3 El canal Parshall como controlador de velocidad en desarenadores
horizontales
Cuando las plantas de tratamiento de aguas residuales tienen desarenadores
horizontales tipo gravedad, consistentes en al menos dos canales desarenadores,
se requiere controlar la velocidad del flujo que pasa a través de ellos.
Normalmente, los flujos de entrada a las plantas de tratamiento de aguas son muy
variables. A pesar de estas variaciones en gasto, la velocidad del flujo debe
permanecer constante o casi constante en el desarenador, con un valor
recomendado (generalmente 0.3 m/s), para lograr mantener esta velocidad
3-20
constante, a flujos variables, se debe colocar un dispositivo de control hidráulico
en cada canal, que puede ser un vertedor proporcional (que se estudiará
posteriormente) o por medio de canales Parshall colocados al final de cada canal
desarenador.
El canal Parshall se selecciona con el criterio ya mencionado, para manejar los
gastos mínimo, medio y máximo. El procedimiento que se da a continuación sirve
para dimensionar el ancho de los canales desarenadores y calcular los tirantes
que manejará el canal Parshall, según sea el gasto que pase por él.
Una ventaja del uso de canales Parshall como dispositivo de control de velocidad,
es que la pérdida de carga, suponiendo que trabaja con la sumergencia
recomendada, es mucho menor que la pérdida de carga con vertedores
proporcionales (figura 3B.4), ya que estos vertedores requieren de caída libre y un
espacio mínimo por debajo de la cresta para que funciones adecuadamente.
Figura 3B.4 Caída libre en vertedor proporcional
Las variables de las ecuaciones que se requieren para seleccionar el canal
Parshall y dimensionar los canales desarenadores se observan en la figura 3B.6.
Figura 3B.6 Variables en canal parshall
Q  2.26wH a
3-21
1.5
….……..……….………..(Ec. 3B.1)
Donde:
Q
w
Ha
= Gasto, (m3/s)
= Ancho de garganta, (m)
= Carga sobre el vertedor, (m)
d  z  1.1H a
…………..……….………..(Ec. 3B.2)
Donde:
d
z
= Tirante aguas arriba del canal Parshall, (en el canal
desarenador), (m)
= Escalón de caída al canal Parshall, (m)
Sustituyendo ecuaciones:
Qmín
Qmáx
 Q

1.1 mín 
2.26w 
 
b
 Q

1.1 máx 
 2.26w 
2
3
z
……..……….………..(Ec. 3B.3)
2
3
z
Qmín
Q
 máx
d mínVr d máxVr
………..……….………..(Ec. 3B.4)
Donde:
b
Q
Vr
d
= Ancho del canal desarenador, (m)
= Gasto a través del Escalón de caída al canal
Parshall, (m)
= Velocidad recomendada de paso a través del canal
desarenador, (m/s)
= Tirante aguas arriba del canal, (m)
EJEMPLO 3B.1
Una planta de tratamiento de aguas residuales, cuyos gastos mínimo y máximo de
diseño son 195 y 1050 L/s respectivamente, tendrá cuatro canales desarenadores.
Por las condiciones topográficas y de suelos, se requiere optimizar la pérdida de
carga de salida del desarenador, por lo que se seleccionan canales Parshall, que
servirán para controlar la velocidad de paso por el desarenador, y a la vez, para
medir el gasto de entrada a la planta (figura 3B.6).
3-22
Figura 3B.6 Desarenador del ejemplo
a) Definición de gastos para selección del Parshall.
Qmáx 
Qmáxd
……………………………
N 1
Donde:
Qmáx
Qmáx d
N
= Gasto máximo de paso por un canal desarenador, (m 3/s)
= Gasto máximo de diseño de la planta de tratamiento,
(m3/s)
= No. de canales desarenadores
Qmáx 
1.050 1.050

 0.350m 3 / s
4 1
3
Qmín 
0.195
 0.065m 3 / s
3
Se pueden seleccionar diferentes anchos de garganta del canal Parshall.
Seleccionando w=0.305 m (1’), ver tabla 2A.8, Capítulo 2, Sección 2B.
b) Cálculo del escalón z, con la ecuación 3B.3:
0.667
Qmín
Qmáx
 0.065 

1.1
z
2.260.305 
0.065



0.667
0.350


0.350

1.1
z
 2.260  305 
0.1857 
0.2279  z
0.7001  z
3-23
Despejando z:
z  0.120m
c) Cálculo de tirantes
Sustituyendo la ecuaciones y despejando d:
 Q 
d  1.1

 2.26w 
2
3
z
d máx
 0.350 

 1.1
 2.260.305 
d mín
 0.065 

 1.1
 2.260.305 
0.667
 0.120  0.580m
0.667
 0.120  0.108m
d) Cálculo del ancho del canal
b
Qmín
Q
 máx
d mínVr d máxVr
b
0.065
0.350

 2.00m
0.1080.3 0.5800.3
e) Revisión de velocidades con diferentes valores de gasto, se calculan los
tirantes correspondientes y se revisan las velocidades a diferentes gastos,
la tabla 3B.9 es un resumen de esta revisión.
A = bd
b = 2.0 m
Para Q = 0.065
d
A
A
V
V
=
=
=
=
=
0.108
2(0.108)
0.216
Q/A
0.301
m
m2
=
0.065/0.216
m/s
3-24
Tabla 3B.5 Resumen de velocidades, ejemplo 3B.1
GASTO
(m 3/s)
0.065
0.100
0.140
0.180
0.220
0.260
0.300
0.350
TIRANTE
d (m)
0.141
0.146
0.223
0.292
0.356
0.417
0.474
0.543
ÁREA
(m 2)
0.282
0.292
0.445
0.584
0.712
0.834
0.948
1.085
VELOCIDAD
m/s
0.345
0.342
0.314
0.308
0.309
0.312
0.316
0.323
Si el ancho b es demasiado grande y lo queremos disminuir, es necesario
seleccionar un canal Parshall de menor garganta. Por ejemplo, con w=0.152 m,
b=1.26, y d=0.92, en este caso nos salimos de la recomendación, pero ganamos
en espacio, al disminuir el ancho del canal desarenador.
3B.4 Control de velocidad con vertedores proporcionales
Su aplicación en plantas de tratamiento de aguas residuales, es común, cuando se
tienen desarenadores horizontales tipo gravedad, este tipo de unidades de
pretratamiento funcionan con canales desarenadores cuya velocidad no debe ser
mayor a un valor recomendado (generalmente 0.30 m/s). En el extremo final de
cada canal desarenador se coloca un vertedor proporcional, con dos objetivos; el
primero es el control de la velocidad en el canal y el segundo es la medición del
gasto de entrada a la planta (después del pretratamiento y antes el tratamiento
primario).
EJEMPLO 3B.2
Una planta de tratamiento de agua residual tiene como pretratamiento, rejillas y
desarenador horizontal tipo gravedad. El gasto máximo que pasa a través del
desarenador es de 400 L/s. El desarenador tiene tres canales de 1.00 de ancho.
Se requiere controlar la velocidad en los canales mediante un vertedor
proporcional en cada uno de ellos (figura 3B. 7). Diseñar el vertedor proporcional,
proporcionar su tabla constructiva y elaborar la tabla de cargas contra gastos.
3-25
Figura 3B. 7 Vertedor proporcional del ejemplo 3B.2
a) Se calcula el tirante en cada canal desarenador con velocidad de 0.3 m/s a
gasto máximo.
Qmáx, en cada canal = Qmáx/2 canales (se supone el tercer canal cerrado por
limpieza)
Qd 
A
Qmáx 400

 200 L / s  0.200m 3 / s
2
2
Q
V
A  bh
h
A
b
A
Q 0.200

 0.66m 2
V
0.3
hmáx 
0.66
 0.66m
1.0
b) Cálculo de a, despejando de la ecuación 2A.30, Capítulo 2, Sección 2B
3-26
 Qd


a  
 8.62 H máx 
2
2


0.2
  0.0012358
a  
 8.620.66 
c) Cálculo de bo, proponiendo w=0.06 m
 w
c     0.03m
2
Despejando bo de la ecuación 2A.28, Capítulo 2, Sección 2B
 4a 
b0   
 c 
1
2
 40.0012358 


0.03


1
2
 0.406m
d) Construcción del vertedor
Sustituyendo H = y en la ecuación 2A.27, Capítulo 2, Sección 2B
a
x   
 y
1
2
 0.0012358 

x  
y


1
2
Se elabora la tabla 3B.6 dando valores a y, inicialmente a cada centímetro y
posteriormente a mayores intervalos:
Tabla 3B.6 Datos para construcción del vertedor proporcional
3-27
y (m)
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
0.20
0.23
0.26
0.29
0.32
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
2x (m)
0.402
0.348
0.311
0.284
0.263
0.246
0.232
0.220
0.201
0.186
0.174
0.164
0.156
0.145
0.137
0.129
0.123
0.118
0.110
0.104
0.098
0.094
0.090
0.086
0.083
0.080
e) Elaboración de la tabla 3B.7 de carga y gasto, con la ecuación 2A.30,
Capítulo 2, Sección 2B
1
Q  8.62a 2 H
Q  8.620.0012358 2 H
1
Q  0.3030H
3-28
Tabla 3B.7 Relación de cargas y gastos para el vertedor proporcional del ejemplo
Carga H (m)
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
0.20
0.23
0.26
0.29
0.32
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
Gasto (L/s)
9
12
15
18
21
24
27
30
36
42
48
54
60
69
78
87
96
105
120
135
150
165
180
195
210
225
f) Revisión de velocidad con diferentes gastos; aplicando la ecuación 2A.30,
Capítulo 2, Sección 2B
Utilizando la tabla anterior, convirtiendo el gasto a m 3/s, se dan las velocidades
para cada gasto y carga.
La velocidad permanece constante en el canal desarenador, aun con la variación
de gastos.
3-29
Tabla 3B.8 Revisión de las velocidades
Gasto
Carga H (m)
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
0.20
0.23
0.26
0.29
0.32
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
(L/s)
9
12
15
18
21
24
27
30
36
42
48
54
60
69
78
87
96
105
120
135
150
165
180
195
210
225
VELOCIDADES
3
m /s
0.009
0.012
0.015
0.018
0.021
0.024
0.027
0.030
0.036
0.042
0.048
0.054
0.060
0.069
0.078
0.087
0.096
0.105
0.120
0.135
0.150
0.165
0.180
0.195
0.210
0.225
Velocidad (m/s)
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
EJEMPLO 3B.3
Ejemplo del diseño de un desarenador aerado.
Diseñar una cámara desarenadora para aguas residuales municipales. El gasto
medio es de 0.5 m3/s.
SOLUCIÓN:
a)
Se establece el gasto máximo o pico para el diseño.
De acuerdo al gasto de 0.5 m3/s (43,200,000 L/d) y suponiendo una dotación de
250 L/hab/d, se determina el número de habitantes y su respectivo coeficiente de
Harmon.
3-30
Q  Pd ,
H  1
Q
43200000 L / d
P
 172,800hab
d
250 L / hab / d
14
14
 1
 1.82
4  P( miles )
4  172.8
Entonces:
Qmáx  HQmed  1.82  0.5m 3 / s  0.91m3 / s
b)
Se tienen dos cámaras desarenadoras, determinar el volumen de cada
una. Se selecciona un tiempo de retención de 3 min.
V
c)
1
0.91m 3 / s
HQmáx (3 min)( 60seg ) 
 180seg  81.9m 3 c / u
2
2
Determine las dimensiones de cada cámara, utilice una relación
ancho/profundo de 1.2:1 y una profundidad de 3 m.
longitud 
ancho  1.2(3)  3.6m
V
81.9

 7.58m
a  h 3.6  3
d)
Determine el tiempo de retención a Qmed.
tr 
V 81.9

 327.6seg  5.46 min
Q 0.25
e)
Determine los requisitos de aire. De la tabla 3B.4 seleccione 0.3 m 3/min.m
de longitud.
Aire  L  0.3  7.58  0.3  2.274m3 / min
para cada cámara
total de aire para dos cámaras 2  2.274  4.548m3 / min
f)
Estime la cantidad de arena a gasto pico. Seleccione un valor (por ejemplo
0.05 m3/103m3, lo que es igual a 0.00005 m3 de arena/m3 de agua) de la
literatura.
Varena  Qmáx 0.00005  0.91m3 / s(0.00005)  78,624m3 / d (0.00005)  3.93  4m3 / d
Comentario: Cuando se diseñan desarenadores aerados se deben instalar
válvulas de aire para controlar la tasa de remoción de arena y su limpieza.
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