trabajo sedimentador

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DISEÑO PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS SISTEMA DE SEDIMENTACION Santiago, 20 de enero del 2012 Universidad de Santiago de Chile Dpto. Ing. Civil en Obras Civiles Dpto. Ing. Civil en Obras Civiles Patricia Mery

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Page 1: Trabajo Sedimentador

DISEÑO PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUASSISTEMA DE SEDIMENTACION

Santiago, 20 de enero del 2012Universidad de Santiago de ChileDpto. Ing. Civil en Obras Civiles

Patricia Mery

Autores Raúl Aliaga AliagaFernando Cortés Farrán

INDICE

Introducción pag. 3Marco Teórico

pag. 4

Page 2: Trabajo Sedimentador

Diseño de decantador circular pag.12 Anexos pag.18Bibliografía pag.20

.

INTRODUCCION

Calidad Ambiental- Diseño Sistema de Sedimentación Circular Página 2

Page 3: Trabajo Sedimentador

En el presente informe se señalan los criterios teóricos y técnicos para el diseño de un sistema de sedimentación perteneciente a una planta de tratamiento de agua potable y se desarrolla el diseño de un sedimentador del tipo circular, diseño basado en la optimización del proceso y factibilidad técnica dada por las condiciones y antecedentes del proyecto, y en la experiencia práctica de plantas ya existentes. Es importante señalar que la mayoría de los criterios utilizados y bibliografía han sido extraídos prácticamente en su totalidad de la teoría y apuntes entregados en el curso de Calidad Ambiental dictado por la Profesora Patricia Mery.

MARCO TEORICO

SEDIMENTADORES

Calidad Ambiental- Diseño Sistema de Sedimentación Circular Página 3

Page 4: Trabajo Sedimentador

Los sistemas de sedimentación tienen por finalidad principal remover las partículas en suspensión que se encuentren en el agua y lograr la clarificación de esta. Según la interacción y concentración de partículas en suspensión, el proceso de sedimentación puede se clasifica en:

Tipo I o Discreta Tipo II o Floculenta Tipo III o Retardada Tipo IV o Compresión

Según los alcances de este proyecto y consideraciones realizadas en los procesos previos, nos concentramos en Sedimentación Tipo I o de Partículas Discretas.

Sedimentación Tipo I o Discreta:

Se refiere a la sedimentación de partículas en una suspensión con una concentración de sólidos baja. Las partículas sedimentan como entidades individuales y no hay interacción sustancial con las partículas vecinas. Según la teoría de Newton las fuerzas que actúan sobre estas partículas se mantienen en equilibrio y por tanto no existe aceleración vertical.

Las fuerzas actuantes sobre las partículas son: Fuerza de Arrastre (Fuerza de Drag) y Peso propio de la partícula. Y están definidas por:

Peso propio:

W w=∀∗( ρs− ρw )∗g

Fuerza de arrastre:

FD=C D∗A∗ρw∗u2

2

en que:" : Volumen de la partículaA : Área de la sección transversal a la dirección de movimiento. ρs : Densidad de la partícula.ρw : Densidad del agua.CD : Coeficiente de Arrastre o Drag.u : Velocidad de sedimentación.

Suponiendo una partícula esférica y haciendo un equilibrio de fuerzas:

Calidad Ambiental- Diseño Sistema de Sedimentación Circular Página 4

Ecuación-1, Peso de la partícula en el agua

Ecuación-2, Fuerza de arrastre o Drag

Page 5: Trabajo Sedimentador

V=( 4∗g∗(ρ s−ρw )∗d p

3∗CD∗ρw)12

En que:d p: Diámetro de la partícula.

Según el caso de análisis y el régimen que rodea la partícula dependerá la valoración de CD.

Para régimen laminar Re < 1, por tanto:

ℜ=V∗d p

v=

V∗d p∗ρ

μ

en que:μ: Viscosidad dinámicav: Viscosidad cinemática

Por lo tanto asociando las ecuaciones previas obtenemos, la “Ley de Stokes”:

V=g∗(ρs−ρw )¿d p

2

18 μ

Para régimen de transición: 1 < Re < 104

CD=24ℜ + 3

√Re+0.34

Para régimen turbulento Re > 104

CD=0.4

Para el diseño de estanques de sedimentación se asume la Teoría del Estaque de Sedimentación Ideal de Camp.

TEORIA DEL ESTANQUE DE SEDIMENTACION IDEAL DE CAMP

Calidad Ambiental- Diseño Sistema de Sedimentación Circular Página 5

Ecuación-3, Velocidad final de la partícula

Ecuación-4, Ley de Stokes

Page 6: Trabajo Sedimentador

1- La sedimentación es del tipo I.

2- Se distinguen 4 zonas en el estanque de sedimentación: Zona de entrada Zona de Salida Zona de Sedimentación Zona de acumulación de lodos

3- Existe una distribución uniforme de las velocidades a la entrada y salida del sedimentador.

4- Existe una distribución uniforme de partículas en la zona de entrada.5- Las partículas que caen en la zona de lodos permanecen ahí, y las que penetran la

zona de salida no son removidas en el decantador.

Según lo descrito y usando Figura-1:

El tiempo de retención será:

t= HV 0

= LV

Por continuidad:

V=QA

= QH∗V

De las ecuaciones (5) y (6) se obtiene:

Calidad Ambiental- Diseño Sistema de Sedimentación Circular Página 6

Figura-1, Comportamiento de una partícula en el estanque de sedimentación según Camp. Cuando una partícula de tamaño d entra en el estanque en el punto 1 (superficie) sigue la trayectoria indicada e intercepta la zona de lodos en el punto 2 que se encuentra en el extremo aguas abajo.

Ecuacion-5

Ecuacion-6

Page 7: Trabajo Sedimentador

Figura-2, Velocidades de partículas en estanque de sedimentación. En las figuras anteriores se muestra que todas las partículas con velocidad de sedimentación V1 mayor que V0 son removidas en un 100% ya que su trayectoria intercepta la zona de lodos. Para partículas con velocidad de sedimentación V2 menor que V0.

V 0=Q

L∗W=Q

Ω

La remoción de las partículas en un estanque de sedimentación variara según las velocidades de sedimentación de estas, este comportamiento se puede apreciar en la Figura-2 (a) y (b).

En una suspensión típica se produce una gran variación del tamaño de las partículas y por tanto se produce una gran variación en las velocidades de sedimentación. Debido a esto se debe evaluar todo el rango de velocidades de sedimentación para determinar la eficiencia del diseño. Para lograr esto existe don maneras: Mediante análisis granulométrico y ensayo con hidrómetro combinado con la Ecuacion-3 o mediante el uso de una columna de sedimentación.

Cualquiera sea el método escogido, la curva de sedimentación final será la misma (Figura-3).

Finalmente la fracción total de partículas removidas, considerando la velocidad de diseño, Vo, para nuestro sistema de sedimentación estará definido por:

fracciónremovida=(1−Fo )+ 1V 0

∫0

F0

V dF

Calidad Ambiental- Diseño Sistema de Sedimentación Circular Página 7

Ecuación-7, Tasa de carga superficial (m3/m2/d), donde Ω es el área superficial del

(a) (b)

Figura-3, Curva de sedimentación partículas en decantador

Ecuación-8, fracción de partículas removidas según velocidad de sedimentación.

Page 8: Trabajo Sedimentador

1V 0

∫0

F0

V dF: fracción con velocidad menor que Vo

(1−Fo ): fracción removida con velocidad mayor que Vo

CRITERIOS DEL DISEÑO

Para la realización de este informe y diseño del sistema de sedimentación se utilizaron los siguientes criterios:

1- Según los requerimientos y antecedentes del proyecto se deben escoger los valores de carga superficial “Vo” y el tiempo de retención “t” a utilizar en el diseño.

2- Con el área superficial y la profundidad media fija, el ingeniero debe determinar la geometría del estanque (rectangular o circular) y el número de unidades.

3- El número de estanques de sedimentación esta dado por el gasto a tratar, con un cierto grado de flexibilidad y economía en el diseño.

4- Se recomienda un mínimo de dos sedimentadores cuando es necesario sacar uno de servicio para limpieza o mantenimiento, o bien cuando el agua tratada requiere de coagulación previa.

Tasa de Carga Superficial

Consiste en el parámetro más importante para el diseño del tamaño del sedimentador, valores recomendados para la decantación de sólidos son fijados según las necesidades y características del proceso. Para aguas tibias > 20°C con gran contenido de sólidos utilizan valores altos de tasa de carga superficial. Para aguas frías con poca turbiedad o altas en color orgánico o algas recomiendan valores bajos.

Tiempo de Retención

No es un valor fijo, y dependerá de las condiciones y requerimientos que se tengan en la planta de tratamiento y por tanto los valores que se ocupen dependerán del criterio del ingeniero que este diseñando.

Calidad Ambiental- Diseño Sistema de Sedimentación Circular Página 8

Tabla-1, valores típicos de tasa superficial según el tipo de remoción que se necesite.

Page 9: Trabajo Sedimentador

A menudo se han diseñado clarificadores con tiempos de retención del orden de 4 horas. En general se trata de clarificadores con limpieza manual que necesitan de un volumen adicional para almacenar lodos y poseen profundidades en 4.5 a 5 m. En este caso los tiempos de retención pueden variar entre 4 horas cuando están recién limpios a 2 horas justo antes de la limpieza. La tecnología con que se cuenta en la actualidad permite diseñar decantadores modernos con limpieza mecanizada con tiempos de 1.5 a 2.0 horas con excelentes resultados.

Geometría

La geometría dependerá principalmente de las condiciones espaciales de donde se deba emplazar el proyecto, para los alcances de este informe nos centraremos en estanques circulares.

Los sedimentadores circulares se diseñan para cualquier diámetro o profundidad, cuidando solamente no exceder las velocidades horizontales recomendadas las cuales están comprendidas entre 0.25 a 1.25 cm/s. Sin embargo, si se utilizan unidades de limpieza mecanizadas, el diámetro estará dado por el mecanismo existente en el comercio.

Almacenamiento de Lodos

Generalmente, los sedimentadores son de flujo horizontal y forma circular, aún cuando en algunas instalaciones se utilizan sedimentadores rectangulares. La unidad está equipada de barredores de fondo y superficiales para retirar los lodos que se acumulan al sedimentar y los flotantes respectivamente.

Calidad Ambiental- Diseño Sistema de Sedimentación Circular Página 9

Figura-3, Decantador Circular

Page 10: Trabajo Sedimentador

Para la recolección y almacenamiento de lodos se recomienda construir tolvas de un 10 a 20 % del volumen total del decantador de agua potable. U parámetro importante a considerar son las pendientes de fondo para el sedimentador, valores recomendados para estanques circulares se detallan en la siguiente tabla:

Estructuras de Entrada

Para sedimentadores del tipo circular se recomienda y generalmente se usa una zona de ingreso central (estanque) el cual no posee un fondo. Las dimensiones de este estanque están comprendidas entre los valores dados en la siguiente tabla:

Las velocidades de agua en los canales y en las compuertas de alimentación de los sedimentadores, deben ser mantenidas entre los limites de 0,1y 0,4 m/s, pudiéndose igualar el gradiente de velocidad con el valor de G de la parte final de los floculadores.

Estructuras de Salida

Calidad Ambiental- Diseño Sistema de Sedimentación Circular Página 10

Tipo de Servicio Tipo de Estanque Pendiente (V:H) Pendiente más frecuente Circular 1.00:12 Agua coagulada con Alum

- Turbiedad baja 1.00:12 - Turbiedad alta 1.75:12

Ablandamiento con cal - Agua superficial 1.75:12 - Agua subterránea 1.00:12

Desarenadores 2.00:12 - Turb. hasta 3500 UNT 1.75:12

Limpieza manual (peligro de resbalar) >1.25:10

Tabla-2, Pendientes recomendadas para estanques de sedimentación circulares

Tabla-3, Dimensiones estanque de entrada para sedimentadores

Mínimo

Típico

Máximo

Ø1/Ø 0.05 0.10 0.20

H1/H 0.25 0.40 0.65

• Ø 1 : diámetro del estanque de aquietamiento central• Ø : diámetro del decantador• H1 : altura del estanque central• H : altura de agua de decantador

Page 11: Trabajo Sedimentador

Para decantadores circulares se puede utilizar un vertedero periférico. Si la carga sobre el vertedero supera las recomendaciones se pueden utilizar canales anulares con un doble vertedero colocados a 0.3 a 1.00 m de la periferia.

La unidad de salida es crítica para evitar los cortos circuitos y levantar los lodos ya sedimentados. Lo ideal es diseñar un vertedero de salida, teniendo en cuenta la carga sobre el vertedero de modo de evitar corrientes ascendentes que levanten los lodos.

Para el diseño del vertedero de pared delgada se utilizan las siguientes ecuaciones:

Q=m∗L∗H∗√2∗g∗H ;conm≈0.42

Para vertederos del tipo V-90°

Q=m∗L∗H 3∗√2∗g∗H; conm≈0.32−0.35

Como las ecuaciones anteriores corresponden a un solo vertedero para el diseño de una canaleta con vertederos la ecuación a utilizar es la siguiente:

H 0=√H c2+

2Q2

g∗B∗H c

+F∗L∗Q2

12g∗B2∗Rm∗Hm

en que:H0 : altura aguas arriba del canalHc : altura crítica (aguas abajo a la salida)Q : descarga totalB = ancho basalF : factor de fricción de Darcy (0.03 a 0.12 concreto)L : largo del canalRm : radio hidráulico medioHm : profundidad media

DISEÑO SEDIMENTADOR CIRCULAR

Dimensionamiento del estanque

Q=0,0175 m3

seg decantadores en paralelos

Calidad Ambiental- Diseño Sistema de Sedimentación Circular Página 11

Ecuación-9, Vertederos de pared delgada rectangulares

Ecuación-9, Vertederos de pared delgada del tipo V-90°

Ecuación-10, canaleta de vertederos de pared delgada del tipo V-90°

Page 12: Trabajo Sedimentador

T= 40m/día de tabla 1 (remoción de turbiedad)

- Área superficial:

Ω= 0.017540

24∗60∗60

=¿>Ω=37,8m2

- Diámetro:

ϕ=√ 4π∗37,8=¿ϕ=6,937m

ϕc=7m Diámetro constructivo

Por lo tanto recalcularemos la tasa.

T= 0,0175

72∗π4∗24∗60∗60

=¿T=39,29mdia

- Calculo de altura de agua:

Tiempo de retención típicotr=2hrs

Volumen:

V=2∗60∗60∗0,0175=¿V =126m3

H= 126

72∗π4

=¿ H=3,274m

Hc=3,3m Altura constructiva

Se debe recalcular el tiempo de retención:

tr=VQ

=> tr=1260,0175

=¿ tr=2,016hrs

Altura con revancha:

Calidad Ambiental- Diseño Sistema de Sedimentación Circular Página 12

Page 13: Trabajo Sedimentador

Se asumirá una revancha de 40cm lo que corresponde a un 12% aproximado de la altura de agua.Hcr=3,7m

Tabla resumen:Altura Hc (m) 3,3Altura con revancha Hcr(m) 3,7Diámetro ϕc (m) 7Tasa T(m/dia) 39,29Tiempo de retención tr(hrs) 2,016

Zona de ingreso

TípicoØ1/Ø 0,1H1/H 0,4

De la tabla 3 tomaremos lo valores típicos.

- Diámetro del estanque de aquietamiento central.

0,1= ϕ17

=¿ϕ1=0,7m

- Altura del estanque central.

0,4= H 13,3

=¿ H 1=1,32m

- Diámetro tubería de entrada.

Q=v∗A Velocidad en el rango 0,1-0,4m/s expuesto en marco teórico.

A=0,01750,2

=¿ A=0,0875m 2

Diámetro tubería∅ t=0,33m

Tubería comercial TUBERIA CLASE 10 355 mm. x 6 mts.

Calidad Ambiental- Diseño Sistema de Sedimentación Circular Página 13

Page 14: Trabajo Sedimentador

∅ tc=0,355m Verificación velocidad

A=0,35 52∗π4

=¿ A=0,0989m 2

v=0,01750,0989

=¿v=0,1769(ms)

Zona de salida

Largo de canal perimetralL=π∗ϕc=¿L=22m

Q=m∗l∗H 3∗√2∗g∗H (1) ecuación 9n=22/(0,3+ l) (2) numero de vertederosl=2∗H (3)

Q=0,0175(m3

s )n

(4)

Calidad Ambiental- Diseño Sistema de Sedimentación Circular Página 14

Page 15: Trabajo Sedimentador

Del sistema de ecuaciones conformado por la ecuación (1), (2), (3) y (4). Se obtiene.

H=0,11m

N=42,27 => N ≈42 vertederos

Carga sobre el vertedero:

v=Qdisl

=¿v=0,017522

∗24∗60∗60=¿v=68,7 (m3 /m /d)

Geometría del canal

De asumirá un ancho b igual a 30 centímetros.

B=0,3m

Hc=0,4671∗¿ => Hc=0,07025m

H ´ o=√0,070252+ 0,01752∗29,81∗0 ,32∗0,07025

=> H ´ o=0,122m ecuacion 10

Ho=H ´ o+0,16 ( H´ o+Hc )=¿ Ho=0,13m

Calculo de revancha:

Hor=1,1∗Ho=¿ Hor=0,143m

Aproximando a un valor construible.

Hor=0,15m

Calidad Ambiental- Diseño Sistema de Sedimentación Circular Página 15

Page 16: Trabajo Sedimentador

Diseño tolva

Volumen tolva:

Vt=V∗0,15 Vt=126∗0,125=¿Vt=18,9m3

ht=3,5∗112

=¿ht=0,29cm

htc=0,3m Altura construible. No hay cambio significativo en pendiente.

Obtención de h para cumplir con las condiciones de volumen entre 0,1-0,3 del volumen total.

18,9=π∗3 ,52∗0,33

+π∗3 ,52∗h

h=0,4m

Calidad Ambiental- Diseño Sistema de Sedimentación Circular Página 16

Page 17: Trabajo Sedimentador

Diseño canal de salida

Ecuación de manning

Q=A53∗√i

Pm23∗n

Ecuación de Manning

Pm=0,5h+2h

i= 1500

A=0,5h∗h

Q=0,0175(m3s

)

n=0,1 Hormigón

De las ecuaciones anteriores podemos obtener h

h=0,57m b=0,28m

Dimensionamiento construible.hc=0,7m considerando 13cm de revancha.b=0,3m

Extracción de lodos

Se realizara con un sistema mecanizado mediante un puente barredor. Se muestra en el anexo 1

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Page 18: Trabajo Sedimentador

Anexo 1

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Page 19: Trabajo Sedimentador

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Page 20: Trabajo Sedimentador

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Bibliografía:

“potabilización de agua”. Autor Jairo Alberto romero rojas “Tratamiento de agua para consumo humano, plantas de filtración rápida”. Autor ing. Lidia

de Vargas Apuntes de clase “SEDIMENTACION”, Profesora Patricia Mery, Calidad Ambiental,

Universidad de Santiago de Chile.

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