INSTITUTO POLITECNICO

NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUIMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

INGENIERIA AMBIENTAL II

PROFRA MARTHA ELENA

GRUPO: 6IV2

SEDIMENTADORES

INTEGRANTES:

MARISOL LOPEZ GARCIADANIEL CUEVAS OSORNIO

Definiciones previas.

Coloides: Partículas muy pequeñas de 10 a 1000 Angstrom, que no se sedimentan si no son coaguladas previamente.

Desarenador: Componente destinado a la remoción de las arenas y sólidos que

están en suspensión en el agua, mediante un proceso de sedimentación. Partículas: Sólidos de tamaño lo suficientemente grande para poder ser

eliminados por una filtración. Partícula discreta: Partícula que no cambia de características durante la

caída. Sedimentador o Decantador: Dispositivo usado para separar, por

gravedad, las partículas en suspensión en una masa de agua. Sedimentación: Proceso de depósito y asentamiento por gravedad de la

materia ensuspensión en el agua. Sedimentación simple: Proceso de depósito de partículas discretas. Sedimentos: Materiales procedentes de la sedimentación. Sólidos decantables o sedimentables: Fracción del total de sólidos en el

agua que se separan de la misma por acción de la gravedad, durante un periodo determinado.

Turbiedad: Claridad relativa del agua que depende, en parte, de los materiales en

suspensión en el agua. Vertedero Sutro: Dispositivo de control de velocidad

Sedimentación:

La sedimentación es una operación unitaria dentro de los procesos de tratamiento de aguas que tiene como finalidad el remover los sólidos suspendidos que el agua pueda contener.

Los sólidos en suspensión sedimentables son aquellos que por acción de la gravedad se separan del seno del líquido y son arrastrados hacia el fondo del tanque sedimentador, donde pueden ser separados del agua a la cual se desea darle tratamiento para remoción de dichas partículas por efecto gravitacional de las partículas en suspensión presentes en el agua. Estas partículas deberán tener un peso específico mayor que el fluido.

Los sólidos sedimentables son aquellos que tienen una densidad mayor a la del líquido donde se encuentran (generalmente agua) y su remoción del agua o líquido a tratar es deseable por razones estéticas y de calidad bacteriológica del agua que se pretende consumir.

Aún y cuando teóricamente deben separarse todas las partículas más densas que el líquido que contiene dichos sólidos, la eficiencia del proceso de remoción es generalmente baja ya que en el proceso de separación están involucrados otros factores como corrientes de turbulencia y de desestabilización de la cama de lodos, etc.

La remoción de partículas en suspensión en el agua puede conseguirse por sedimentación o filtración.

De allí que ambos procesos se consideren como complementarios. La sedimentación remueve las partículas más densas, mientras que la filtración remueve aquellas partículas que tienen una densidad muy cercana a la del agua o que han sido resuspendidas y, por lo tanto, no pudieron ser removidas en el proceso anterior.

La sedimentación es, en esencia, un fenómeno netamente físico y constituye uno de los procesos utilizados en el tratamiento del agua para conseguir su clarificación. Está relacionada exclusivamente con las propiedades de caída de las partículas en el agua. Cuando se produce sedimentación de una suspensión de partículas, el resultado final será siempre un fluido clarificado y una suspensión más concentrada.

A menudo se utilizan para designar la sedimentación los términos de clarificación y espesamiento. Se habla de clarificación cuando hay un especial interés en el fluido clarificado, y de espesamiento cuando el interés está puesto en la suspensión concentrada. Las partículas en suspensión sedimentan en diferente forma, dependiendo de las características de las partículas, así como de su concentración. Es así que podemos referirnos a la sedimentación de partículas discretas, sedimentación de partículas floculentas y sedimentación de partículas por caída libre e interferida. 1.1 Sedimentación de partículas discretas Se llama partículas discretas a aquellas partículas que no cambian de características (forma, tamaño, densidad) durante la caída. Se denomina sedimentación o sedimentación simple al proceso de depósito de partículas discretas. Este tipo de partículas y esta forma de sedimentación se presentan en los desarenadores, en los sedimentadores y en los presedimen4 Manual I: Teoría tadores como paso previo a la coagulación en las plantas de filtración rápida y también en sedimentadores como paso previo a la filtración lenta. 1.2 Sedimentación de partículas floculentas Partículas floculentas son aquellas producidas por la aglomeración de partículas coloides desestabilizadas a consecuencia de la aplicación de agentes químicos. A diferencia

de las partículas discretas, las características de este tipo de partículas —forma, tamaño, densidad— sí cambian durante la caída. Se denomina sedimentación floculenta o decantación al proceso de depósito de partículas floculentas. Este tipo de sedimentación se presenta en la clarificación de aguas, como proceso intermedio entre la coagulación-floculación y la filtración rápida. 1.3 Sedimentación por caída libre e interferida Cuando existe una baja concentración de partículas en el agua, éstas se depositan sin interferir. Se denomina a este fenómeno caída libre. En cambio, cuando hay altas concentraciones de partículas, se producen colisiones que las mantienen en una posición fija y ocurre un depósito masivo en lugar de individual. A este proceso de sedimentación se le denomina depósito o caída interferida o sedimentación zonal. Cuando las partículas ya en contacto forman una masa compacta que inhibe una mayor consolidación, se produce una compresión o zona de compresión. Este tipo de sedimentación se presenta en los concentradores de lodos de las unidades de decantación con manto de lodos. 1.4 Expresiones de velocidad de sedimentación 1.4.1 Partículas discretas con caída libre El fenómeno de sedimentación de partículas discretas por caída libre, también denominado en soluciones diluidas, puede describirse por medio de la mecánicaclásica.

SEDIMENTADORES PRIMARIOS.

Consiste en utilizar las fuerzas de gravedad para separar una partícula de densidad superior con densidad superior a la del líquido hasta una superficie o zona de almacenamiento. Para que pueda haber una separación efectiva se precisa, además, que la fuerza de gravedad tenga un valor suficientemente elevada con relación a sus efectos antagonistas: efectos de turbulencia, rozamiento, repulsión electrostática, corrientes de convección, etc.. Para facilitar la comprensión de los fenómenos que intervienen deben distinguirse los efectos relacionados con el movimiento de la partícula y los relacionados con el movimiento del líquido.

1.3.1. SEDIMENTADORES HORIZONTALES

La superficie libre de estos decantadores puede ser cuadrada, rectangular o circular.

Los fangos se reúnen en una fosa en donde son extraídos mediante un eyector hidrostática.

1.3.1.1. SEDIMENTADOR DE VARIOS PISOS

Un decantador será tanto más eficaz cuanto su superficie horizontal sea más grande. Dada una superficie de terreno ocupado y un determinado volumen de obra, fácilmente concluiremos que debemos utilizar decantadores de varios pisos o de superficie de sedimentación laminar (FIGURA 5)

El factor de forma L/H, que debe elegirse lo menor posible con tal de mantener una velocidad de derrame mínima necesaria para obtener la repartición y la estabilidad del derrame, muestra que los diferentes pisos deben ser utilizados preferentemente en paralelo y no en serie.

La estabilidad de derrame se logra para:

L/H> 10

Los decantadores de varios pisos permiten, en consecuencia, utilizar velocidades más lentas (L menor)."(2)

.

SEDIMENTACION VERTICAL CON MANTO DE FANGOS

Originariamente se crearon los decantadores con manto de fangos para acelerar los procesos químicos de ablandamiento por precipitación calcio – sódica y para la obtención del equilibrio del carbónico, al menos parcial, del efluente decantado. Las primeras investigaciones datan del año 1930, pero es hacia 1940 que estas unidades aparecen en el mercado de USA Durante el mismo período, investigaciones paralelas se realizaron en la URSS, siempre en el terreno del ablandamiento.

Sin embargo, la concepción en sí de este tipo de aparatos, que se realiza en construcciones compactas, en las que están integradas en un mismo volumen diferentes fases de la mezcla de reactivos, de la precipitación y de la separación, ha incitado a los constructores a utilizarlos, a partir del año 1945, para realizar la clarificación sin ablandamiento. El contacto con los fangos preformados, que son gérmenes de cristalización, constituye una ventaja cierta en el caso del ablandamiento y es motivo de controversia en el caso de la clarificación. Este contacto es, sin embargo, útil en la etapa de coalescencia de los microflóculos formados, tras la floculación de los coloides. Estos aparatos, para funcionar en condiciones satisfactorias, deben asegurar un equilibrio dinámico entre sus diferentes componentes y cualquier cosa que perjudique este equilibrio repercute sobre la calidad de los resultados obtenidos.

Siguiendo la opinión expresada por la AWWA estos decantadores exigen condiciones de explotación bastante rígidas (sacrificando la flexibilidad operativa) que deben respetarse fielmente.

La ventaja mayor la constituye la economía de espacio que produce su construcción.

SEDIMENTADOR CON CARGA SOLIDA ARTIFICIAL (FLOCULOS LASTADOS)

Una idea interesante ha sido propuesta en Hungría por un grupo de investigadores (1) y que ha llevado a realizaciones industriales muy satisfactorias. Para acelerar la decantación han intentado lastrar cada flóculo con un grano de materia compacta (FIGURA 13).

A partir de los ensayos realizados, se ha elegido el cuarzo, con una granulometría de 25 a 125, utilizándose para fijarlo en los flóculos un elemento intermedio, un polielectrólito. Los resultados mejores se han obtenido con poliacrilamidas de elevado peso molecular (superior a 1 000 000), y en los casos en los que las poliacrilamidas no pueden ser empleadas, pueden realizar la misma función ligante otros polielectrólitos de origen natural.

En este procedimiento, la microarena (en dosis muy elevadas) se adiciona al agua bruta que ha recibido anteriormente el polielectrólito y los coagulantes.

Al ser muy elevada la dosis de microarena, el procedimiento estaría obstaculizado por el empleo de cantidades extremadamente importantes de arena que debería suministrarse como reactivo y evacuarse con los fangos. Esta microarena es por ello reciclada tras la separación de los fangos (con rasquetas) por medio de un dispositivo apropiado (hidrociclón).

La mejora del rendimiento es muy sensible. En los aparatos de corriente vertical se realiza una separación inmediata del agua tratada de los fangos lastrados, muy cerca del fondo del decantador. Las condiciones de explotación son independientes de las variaciones de calidad del agua bruta, al estar la carga de microarena aportada artificialmente en una proporción mucho mayor a la de las materias en suspensión naturalmente acarreadas. Las velocidades verticales de separación alcanzan en estas condiciones los 6 m3/h.

Mecanismo de formación de coágulos y flóculos a partir de materia coloidal

Fuerzas que intervienen en el mecanismo de sedimentación de una partícula.

 

Casi siempre, la operación de separación de sólidos por sedimentación es el primer paso o uno de los primeros pasos en el tratamiento y acondicionamiento de las aguas potables. Aunque aparentemente es una operación sencilla, la eficiencia de la separación de los lodos por sedimentación depende de detalles muy finos que se tienen que evaluar a nivel laboratorio, a través de lo que se llama prueba de jarras. Esta eficiencia en la operación, se refleja en un agua de mayor calidad para etapas posteriores y en la obtención de lodos más compactos.

Un diagrama simple de una operación de sedimentación consiste de lo siguiente: El agua a tratar o influente llega al sedimentador y después de un cierto tiempo de estancia o residencia en el sedimentador, los sólidos suspendidos y que son susceptibles de sedimentar se separan del seno del líquido por acción de la gravedad. En este tipo de tratamiento se tienen dos productos: el agua tratada con un menor contenido de sólidos, y el lodo mismo o sólidos sedimentados. Es deseable que el contenido de sólidos en el lodo producido sea lo mas compacto posible; ya que este lodo se debe filtrar y/o secar, por lo tanto minimizar el volumen de producto es lo mas favorable.

Se pueden distinguir dos tipos de sedimentación, atendiendo al movimiento de las partículas que sedimentan:

- Sedimentación libre: se produce en suspensiones de baja concentración de sólidos. La interacción entre partículas puede considerarse despreciable, por lo que sedimentan a su velocidad de caída libre en el fluido.

- Sedimentación por zonas: se observa en la sedimentación de suspensiones concentradas. Las interacciones entre las partículas son importantes, alcanzándose velocidades de sedimentación menores que en la sedimentación libre. La sedimentación se encuentra retardada o impedida. Dentro del sedimentador se

desarrollan varias zonas, caracterizadas por diferente concentración de sólidos y, por lo tanto, diferente velocidad de sedimentación.

Dependiendo de cómo se realice la operación, la sedimentación puede clasificarse en los siguientes tipos:

- Sedimentación intermitente: el flujo volumétrico total de materia fuera del sistema es nulo, transcurre en régimen no estacionario. Este tipo de sedimentación es la que tiene lugar en una probeta de laboratorio, donde la suspensión se deja reposar.

- Sedimentación continua: la suspensión diluida se alimenta continuamente y se separa en un líquido claro y una segunda suspensión de mayor concentración. Transcurre en régimen estacionario.

2.3. SEDIMENTADOR CONTINUO

El diseño de un sedimentador continuo puede realizarse a partir de los datos obtenidos en experimentos discontinuos. La sedimentación continua se realiza industrialmente en tanques cilíndricos a los que se alimenta constantemente la suspensión inicial con un caudal inicial Q0 y una concentración inicial C0 (figura 3). Por la parte inferior se extrae un lodo con un caudal Qu y una concentración Cu, normalmente con ayuda de rastrillos giratorios, y por la parte superior del sedimentador continuo se obtiene un líquido claro que sobrenada las zonas de clarificación (A), sedimentación (B-C) y compresión (D) que pueden distinguirse en la figura 3. En un sedimentador continuo, estas tres zonas permanecen estacionarias.

El sistema de pretratamiento es una estructura auxiliar que debe preceder acualquier sistema de tratamiento. Esta estructura persigue principalmente los objetivos de reducir los sólidos en suspensión de distintos tamaños que traen consigo las aguas.La mayoría de las fuentes superficiales de agua tienen un elevado contenido demateria en estado de suspensión, siendo necesaria su remoción previa, especialmente en temporada de lluvias.

Los procedimientos de separación de material muy grueso (rejillas: gruesas y finas) se realizan o están relacionados a las captaciones. Se considera como pretratamientos y acondicionamientos previos en la planta, a unidades como desarenadores y sedimentadores.En estas unidades se considera que las partículas, aun siendo de diferentes tamaños, se comportan como partículas discretas y aisladas.

La sedimentación es un proceso muy importante. Las partículas que se encuentran en el agua pueden ser perjudiciales en los sistemas o procesos de tratamiento ya que elevadas turbiedades inhiben los procesos biológicos y se depositan en el medio filtrante causando elevadas pérdidas de carga y deterioro de la calidad del agua efluente de los filtros.

4.2. Unidades de acondicionamiento previo y pretratamiento

a) DesarenadorTiene por objeto separar del agua cruda la arena y partículas en suspensión gruesa, con el fin de evitar se produzcan depósitos en las obras de conducción, proteger las bombas de la abrasión y evitar sobrecargas en los procesos posteriores de tratamiento. El desarenado se refiere normalmente a la remoción de las partículas superiores a 0,2 mm.

b) SedimentadorSimilar objeto al desarenador pero correspondiente a la remoción de partículasinferiores a 0,2 mm y superiores a 0,05 mm.

4.3. Variables que afectan la sedimentacióna) Corrientes de densidadSon las corrientes que se producen dentro del tanque por efecto de las diferencias de densidad en la masa de agua y son ocasionadas por un cambio de temperatura(térmica) y/o por diferencias en la concentración de las partículas suspendidas en las distintas masas de agua (de concentración).

b) Corrientes debidas al vientoEl viento puede producir corrientes de suficiente intensidad como para inducircambios en la dirección del flujo.

c) Corrientes cinéticasPueden ser debido al diseño impropio de la zona de entrada o de salida (velocidadde flujo excesiva, zonas muertas, turbulencias) o por obstrucciones en la zona desedimentación.

4.4. Información básica para el diseño

La información básica para el diseño es la siguiente:a) Caudal de DiseñoLas unidades en una planta de tratamiento serán diseñadas para el caudal máximodiario.b) Calidad fisicoquímico del aguaDependiendo del la calidad del agua cruda, se seleccionarán los procesos de

pretratamiento y acondicionamiento previo.c) Características del climaVariaciones de temperatura y régimen de lluvias.

4.6. Alternativas de pretratamiento y acondicionamiento previo

La selección de los procesos dependerá de la calidad del agua, los riesgos sanitariosinvolucrados, y la capacidad de la comunidad. Normalmente las plantas de tratamiento deagua en el medio rural utilizan los desarenadores y sedimentadores

Sedimentador convencional.

En los casos donde la calidad del agua lo requiera y las características de lacomunidad lo permitan se utilizarán sedimentadores laminares, que por su mayorcomplejidad constructiva, además del cuidado de la operación y mantenimiento es más recomendable para zonas rurales donde se pueda contar con mano de obra calificada.Existe la posibilidad en caso de ser necesario, el acondicionamiento de placas oláminas en sedimentadores convencionales a fin de mejorar su eficiencia, transformándolos en sedimentadores laminares con la ventaja de contar con una mayor área de sedimentación por metro cuadrado de superficie.

5. Diseño del desarenador

5.1. Componentes

Esta unidad se puede dividir en cuatro partes o zonas.

a) Zona de entradaTiene como función el conseguir una distribución uniforme de las líneas de flujodentro de la unidad, uniformizando a su vez la velocidad.

b) Zona de desarenaciónParte de la estructura en la cual se realiza el proceso de depósito de partículas poracción de la gravedad.

c) Zona de salidaConformada por un vertedero de rebose diseñado para mantener una velocidad que no altere el reposo de la arena sedimentada.

d) Zona de depósito y eliminación de la arena sedimentadaConstituida por una tolva con pendiente mínima de 10% que permita eldeslizamiento de la arena hacia el canal de limpieza de los sedimentos.

5.2. Criterios de diseño- El periodo de diseño, teniendo en cuenta criterios económicos y técnicos es de 8 a 16 años.- El número de unidades mínimas en paralelo es 2 para efectos de mantenimiento.Encaso de caudales pequeños y turbiedades bajas se podrá contar con una sola unidadque debe contar con un canal de by-pass para efectos de mantenimiento.- El periodo de operación es de 24 horas por día.- Debe existir una transición en la unión del canal o tubería de llegada al desarenador para asegurar la uniformidad de la velocidad en la zona de entrada.- La transición debe tener un ángulo de divergencia suave no mayor de 12° 30´.

- La velocidad de paso por el vertedero de salida debe ser pequeña para causar menor turbulencia y arrastre de material (Krochin,V=1m/s).- La llegada del flujo de agua a la zona de transición no debe proyectarse en curvapues produce velocidades altas en los lados de la cámara.- La relación largo/ancho debe ser entre 10 y 20.- La sedimentación de arena fina (d<0.01 cm) se efectúa en forma más eficiente enrégimen laminar con valores de número de Reynolds menores de uno (Re<1.0).- La sedimentación de arena gruesa se efectúa en régimen de transición con valores de Reynolds entre 1.0 y 1 000.- La sedimentación de grava se efectúa en régimen turbulento con valores de número de Reynolds mayores de 1 000.

- La descarga del flujo puede ser controlada a través de dispositivos como vertederos (sutro) o canales Parshall (garganta).

6. Diseño del sedimentador

6.1. Componentes

Figura 9. Sedimentador (Planta y Corte Longitudinal).

a) Zona de entradaEstructura hidráulica de transición, que permite una distribución uniforme del flujodentro del sedimentador.

b) Zona de sedimentaciónConsta de un canal rectangular con volumen, longitud y condiciones de flujoadecuados para que sedimenten las partículas. La dirección del flujo es horizontal yla velocidad es la misma en todos los puntos, flujo pistón.

c) Zona de salidaConstituida por un vertedero, canaletas o tubos con perforaciones que tienen lafinalidad de recolectar el efluente sin perturbar la sedimentación de las partículasdepositadas.

d) Zona de recolección de lodosConstituida por una tolva con capacidad para depositar los lodos sedimentados, yuna tubería y válvula para su evacuación periódica.

6.2. Criterios de diseño- El periodo de diseño, teniendo en cuenta criterios económicos y técnicos es de 8 a 16 años.- El número de unidades mínimas en paralelo es de dos (2) para efectos de mantenimiento.- El periodo de operación es de 24 horas por día.- El tiempo de retención será entre 2 - 6 horas.- La carga superficial será entre los valores de 2 - 10 m3/m2/día.- La profundidad del sedimentador será entre 1,5 – 2,5 m.

- La relación de las dimensiones de largo y ancho (L/B) será entre los valores de 3 6.- La relación de las dimensiones de largo y profundidad (L/H) será entre los valores de 5 - 20.- El fondo de la unidad debe tener una pendiente entre 5 a 10% para facilitar eldeslizamiento del sedimento.- La velocidad en los orificios no debe ser mayor a 0,15 m/s para no crearperturbaciones dentro de la zona de sedimentación.- Se debe aboquillar los orificios en un ángulo de 15° en el sentido del flujo.- La descarga de lodos se debe ubicar en el primer tercio de la unidad, pues el 80%del volumen de los lodos se deposita en esa zona.- Se debe efectuar experimentalmente la determinación del volumen máximo que se va a producir.- El caudal por metro lineal de recolección en la zona de salida debe ser igual oinferior a 3 l/s.- Se debe guardar la relación de las velocidades de flujo y las dimensiones de largo y altura.

Método de Tratamiento : " Lodos Activados "

    

Los métodos de tratamiento en los que predominan la aplicación de principios físicos se conoce como Tratamiento Primario.

Los métodos de tratamiento en los que la eliminación de contaminantes se efectúa por actividad química o biológica es conocido como Tratamiento Secundario.

Recientemente el Tratamiento Terciario o Avanzado se ha aplicado a las operaciones o procesos utilizados para eliminar contaminantes que no se han visto afectados por los tratamientos antes mencionados.    

Diagrama de Flujo para una planta de Lodos Activos