tratamiento de agua para consumo humano - dspace...
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Contenido i
Lima, 2004
OPS/CEPIS/PUB/04.111 Original: español
Tratamiento de agua paraconsumo humano
Plantas de filtración rápida
Manual II: Diseño de plantasde tecnología apropiada
ii Diseño de plantas de tecnología apropiada
© Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente, 2004
El Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS/OPS) sereserva todos los derechos. El contenido de este documento puede ser reseñado, reprodu-cido o traducido, total o parcialmente, sin autorización previa, a condición de que se espe-cifique la fuente y de que no se use para fines comerciales.
El CEPIS/OPS es una agencia especializada de la Organización Panamericana de laSalud (OPS/OMS).
Los Pinos 259, Urb. Camacho, Lima, PerúCasilla de correo 4337, Lima 100, PerúTeléfono: (511) 437 1077Fax: (511) 437 [email protected]://www.cepis.ops-oms.org
Contenido iii
INTRODUCCIÓN
En Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtraciónrápida. Manual II: Diseño de plantas de tecnología apropiada se hanplasmado los avances y la experiencia acumulada en este terreno por el CEPIS/OPS durante los últimos 12 años, posteriores a la publicación de Manual V: Diseño,la versión anterior de este documento.
La delicada situación económica de los países y de las empresas de aguaen América Latina y el Caribe ha favorecido una mayor acogida de esta tecnología,por su bajo costo inicial, su menor costo de producción y su comprobada eficienciaen relación con los demás tipos de sistemas.
Sin embargo, en la práctica, se están observando dificultades en la aplicaciónde esta tecnología. A través de múltiples evaluaciones, hemos detectado problemasde diseño que se repiten, por lo que hemos creído conveniente que este manual secircunscriba a proyectos de este tipo.
Se hacía necesario, entonces, detallar al máximo cómo se deben determinarlos parámetros de proyecto, dimensionar, compactar y empalmar las diversasunidades, para que el resultado sea óptimo, y señalar qué se debe evitar para queel profesional que recién se inicia en proyectos de plantas de tratamiento no cometalos errores identificados.
Los criterios y procedimientos de diseño de las unidades de mezcla rápida,floculación, decantación, filtración y desinfección —procesos básicos de una plantade filtración rápida— se revisan en los capítulos 1 al 6.
Uno de los mayores problemas que se observan es que los proyectistas noadjuntan al proyecto un instructivo para la puesta en marcha y operación de laplanta. Esto trae como consecuencia que el personal de operación, generalmente
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sin capacitación previa ni específica, actúe simplemente por intuición, lo que afectamucho la eficiencia del sistema. El mejor diseño puede fracasar si la operación nose realiza correctamente.
Para contribuir a superar este problema, esta edición incluye un capítuloespecial (el 7) sobre este tema. En él se detalla el contenido del instructivo quedebe acompañar a cada proyecto de esta naturaleza.
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RECONOCIMIENTO
Este manual ha sido elaborado por el Centro Panamericano de IngenieríaSanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS/OPS), de la Organización Panamericanade la Salud (OPS/OMS), y actualiza el texto publicado en 1992 con el títuloManual V: Diseño.
La preparación y actualización de este manual ha estado a cargo de laIng. Lidia Canepa de Vargas, asesora en Tratamiento de Agua para ConsumoHumano, bajo la dirección del Dr. Mauricio Pardón, director del Centro.
Se agradece la contribución del Ing. Víctor Maldonado Yactayo en larevisión de las unidades. Asimismo, la colaboración del editor del CEPIS/OPS,Lic. Luis Andrade, y de las Sras. Inés Barbieri e Irma Sánchez, del cuerpo desecretarias del Centro, quienes colaboraron en el procesamiento del texto, asícomo la contribución del Sr. Washington Macutela, responsable de la impresión.
vi Diseño de plantas de tecnología apropiada
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CONTENIDO
Página
INTRODUCCIÓN ................................................................................................... iAGRADECIMIENTOS ........................................................................................... iii
CAPÍTULO 1. CASA DE QUÍMICA ..................................................................... 1
1. Almacenamiento de las sustancias químicas ................................................. 31.1 Productos secos .................................................................................. 3
1.1.1 Criterios de diseño ................................................................... 31.2 Productos en solución ........................................................................ 9
1.2.1 Proceso de cálculo ................................................................... 102. Dosificación .................................................................................................... 11
2.1 Tipos de dosificadores ........................................................................ 112.1.1 Equipos de dosificación en seco ............................................. 122.1.2 Equipos de dosificación en solución ....................................... 15
2.2 Dimensionamiento de los sistemas de dosificación ............................ 192.2.1 Sistemas de dosificación en seco ............................................ 192.2.2 Dosificación en solución ......................................................... 232.2.3 Saturadores de cal .................................................................... 27
2.3 Recomendaciones para el proyecto .................................................... 283. Defectos de diseño más comunes .................................................................. 324. Laboratorio de control de procesos ............................................................... 34Referencias ............................................................................................................. 36Bibliografía general .................................................................................................. 36
Anexo A: Datos sobre las sustancias químicas más empleadas en eltratamiento de agua ........................................................................................ 37
CAPÍTULO 2. MEZCLADORES ........................................................................... 45
1. Introducción ................................................................................................... 472. Parámetros generales de diseño ..................................................................... 47
2.1 Unidades hidráulicas ........................................................................... 482.1.1 Mezcladores de resalto hidráulico ........................................... 492.1.2 Canaleta Parshall ...................................................................... 582.1.3 Vertedero rectangular ............................................................... 672.1.4 Vertedero triangular .................................................................. 68
viii Diseño de plantas de tecnología apropiada
2.1.5 Difusores ................................................................................. 712.1.6 Inyectores ................................................................................ 77
2.3 Unidades mecánicas ............................................................................ 822.3.1 Parámetros de diseño ............................................................... 822.3.2 Criterios para el dimensionamiento .......................................... 82
Referencias ............................................................................................................. 87
CAPÍTULO 3. FLOCULADORES ......................................................................... 89
1. Introducción ................................................................................................... 912. Parámetros y recomendaciones generales de diseño ..................................... 913. Unidades de pantallas .................................................................................... 92
3.1 Unidades de flujo horizontal ............................................................... 933.1.1 Parámetros y recomendaciones de diseño ............................... 933.1.2 Criterios para el dimensionamiento .......................................... 963.1.3 Aplicación ................................................................................ 973.1.4 Recomendaciones para el proyecto y problemas de diseño
más comunes ........................................................................... 1013.2 Unidades de flujo vertical ................................................................... 103
3.2.1 Parámetros y recomendaciones de diseño ............................... 1033.2.2 Criterios para el dimensionamiento .......................................... 1053.2.3 Aplicación ................................................................................ 1063.2.4 Recomendaciones de diseño y defectos más comunes ........... 1103.2.5 Ventajas y desventajas de las unidades de pantallas .............. 112
4. Floculadores del tipo Alabama o Cox ............................................................. 1135. Floculadores de medios porosos.................................................................... 115
5.1 Parámetros y recomendaciones de diseño .......................................... 1155.2 Criterios de dimensionamiento ............................................................ 116
6. Floculadores de mallas o telas ........................................................................ 1206.1 Parámetros de diseño .......................................................................... 1206.2 Criterios de dimensionamiento ............................................................ 1206.3 Aplicación y recomendaciones ........................................................... 122
Referencias ............................................................................................................. 126Anexo A. Viscosidad del agua ........................................................................ 129
CAPÍTULO 4. DECANTADORES LAMINARES .................................................. 133
1. Introducción ................................................................................................... 1352. Decantadores de placas .................................................................................. 135
2.1 Parámetros y recomendaciones generales de diseño .......................... 1363. Decantadores de flujo ascendente ................................................................. 138
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Contenido ix
4. Zona de entrada .............................................................................................. 1394.1 Criterios de diseño .............................................................................. 139
5. Zona de sedimentación................................................................................... 1505.1 Criterios específicos ............................................................................ 1505.2 Criterios para el dimensionamiento ..................................................... 1535.3 Aplicación ........................................................................................... 154
6. Zona de salida ................................................................................................ 1586.1 Criterios generales ............................................................................... 1586.2 Criterios para el dimensionamiento ..................................................... 159
7. Zona de lodos ................................................................................................. 1627.1 Tolvas separadas y colector múltiple .................................................. 164
7.1.1 Criterios de diseño ................................................................... 1647.1.2 Criterios de dimensionamiento ................................................ 1667.1.3 Aplicación ................................................................................ 167
7.2 Canal central con sifones y tolvas continuas ..................................... 1697.2.1 Criterios de diseño ................................................................... 1697.2.2 Criterios de dimensionamiento ................................................ 1697.2.3 Aplicación ................................................................................ 171
7.3 Otros sistemas de descarga de lodos .................................................. 1717.3.1 Descarga mecánica automática ................................................ 171
8. Defectos de diseño más comunes .................................................................. 173Referencias .............................................................................................................. 178
CAPÍTULO 5. BATERÍA DE FILTROS DE TASA DECLINANTE YLAVADO MUTUO .................................................................................................. 181
1. Introducción ................................................................................................... 1832. Ventajas de las baterías de filtros de tasa declinante y lavado mutuo ........... 1833. Descripción de una batería de tasa declinante y lavado mutuo ..................... 1864. Criterios generales de diseño ......................................................................... 188
4.1 Geometría de la batería ........................................................................ 1884.1.1 Área de cada filtro y número de filtros .................................... 1884.1.2 Tasas de filtración .................................................................... 1894.1.3 Drenaje, capa soporte de grava y falso fondo ......................... 1904.1.4 Lecho filtrante .......................................................................... 1924.1.5 Canal de distribución de agua decantada, coagulada o
prefloculada ............................................................................. 1944.1.6 Canal de aislamiento ................................................................ 1954.1.7 Canal de interconexión ............................................................. 1954.1.8 Válvula de entrada de agua decantada .................................... 1954.1.9 Válvula de salida de agua de retrolavado ................................ 196
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x Diseño de plantas de tecnología apropiada
4.1.10 Válvula de desagüe de fondos ................................................ 1964.1.11 Compuerta de aislamiento o de salida de agua filtrada ............ 196
4.2 Hidráulica del lavado ........................................................................... 1974.2.1 Canaletas de recolección de agua de lavado ........................... 1974.2.2 Ubicación del vertedero de salida ............................................ 1994.2.3 Expansión del medio filtrante durante la operación de lavado 1994.2.4 Pérdida de carga en el lecho filtrante expandido ..................... 2014.2.5 Pérdida de carga en las canaletas ............................................ 2024.2.6 Pérdida de carga en el drenaje de viguetas prefabricadas ....... 2024.2.7 Pérdida de carga en canales y orificios de compuertas ........... 2024.2.8 Cálculo del nivel del vertedero ................................................ 203
4.3 Hidráulica del proceso de filtración ..................................................... 2034.3.1 Compuerta de entrada .............................................................. 2044.3.2 Drenaje ..................................................................................... 2074.3.3 Medio filtrante: arena y/o antracita .......................................... 2074.3.4 Vertedero de salida ................................................................... 207
5. Aplicación ................................................................................................. 2086. Criterios para el diseño de plantas de filtración directa ................................. 220
6.1 Parámetros de diseño .......................................................................... 2206.2 Dosificación ........................................................................................ 2216.3 Características del medio filtrante ....................................................... 2236.4 Tasa de filtración ................................................................................. 2236.5 Control de calidad ............................................................................... 225
7. Funcionamiento de la batería de filtros de tasa declinante ............................ 2258. Defectos de diseño más comunes .................................................................. 228Referencias .............................................................................................................. 232
CAPÍTULO 6. SALA DE CLORACIÓN ............................................................... 235
1. Introducción ................................................................................................... 2372. Criterios generales de diseño ......................................................................... 2373. Almacenamiento ............................................................................................. 242
3.1 Criterios para el dimensionamiento ..................................................... 2423.2 Recomendaciones para el proyecto .................................................... 245
4. Equipos de medición y control ....................................................................... 2474.1 Equipos para aplicar hipoclorito en solución...................................... 2484.2 Hipoclorador de orificio de carga constante ....................................... 2484.3 Equipos para aplicar cloro gaseoso .................................................... 249
4.3.1 Cloradores de aplicación directa .............................................. 2494.3.2 Cloradores de aplicación al vacío ............................................ 252
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4.4 Evaporadores ...................................................................................... 2604.5 Sistemas de control ............................................................................. 261
4.5.1 Sistemas automáticos ............................................................... 2615. Punto de aplicación ........................................................................................ 2636. Cámara de contacto ........................................................................................ 265
6.1 Tiempo de contacto para la reducción de bacterias ............................ 2656.2 Tiempo de contacto para la reducción de parásitos ........................... 265
7. Ventilación y equipos de protección .............................................................. 2687.1 Sistemas de alarma .............................................................................. 2697.2 Equipo de protección para los operadores ......................................... 270
8. Recomendaciones para el proyecto ................................................................ 2719. Problemas más comunes ................................................................................. 272Referencias .............................................................................................................. 276
Anexo A: Valores TC para la inactivación de Giardia y virus mediante Cl2libre y otros desinfectantes ............................................................................ 277
CAPÍTULO 7. INSTRUCTIVO DE PUESTA EN MARCHA Y OPERACIÓNNORMAL ................................................................................................................ 285
1. Introducción ................................................................................................... 2872. Recomendaciones para la operación de puesta en marcha ............................ 287
2.1 Inspección preliminar .......................................................................... 2882.2 Operaciones iniciales .......................................................................... 289
2.2.1 Preparación de soluciones y dosificación de productosquímicos ................................................................................... 289
2.3 Llenado de la planta ............................................................................ 2962.3.1 Procedimiento .......................................................................... 296
2.4 Lavado de filtros ................................................................................. 2982.4.1 Procedimiento para el lavado ................................................... 298
2.5 Instalación de la tasa declinante ......................................................... 2992.5.1 Procedimiento .......................................................................... 299
2.6 Medición de caudal ............................................................................. 3002.7 Mezcla rápida ...................................................................................... 301
3 Operación normal............................................................................................ 3023.1 Operación normal del sistema de filtración ......................................... 3023.2 Filtración directa .................................................................................. 303
4. Operación especial ......................................................................................... 3045. Control de calidad ........................................................................................... 3056. Operación estacional ...................................................................................... 3067. Aspectos varios ............................................................................................. 3068. Limitaciones del sistema ................................................................................. 307
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xii Diseño de plantas de tecnología apropiada
Referencias .............................................................................................................. 309Anexo A: Toma de muestras en planta .................................................................... 310Anexo B: Consumo anual de reactivos .................................................................... 310Anexo C: Anotaciones diarias de la planta de tratamiento ..................................... 311Anexo D: Formulario resumen mensual de control de procesos en la planta X ...... 313
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CAPÍTULO 1
CASA DE QUÍMICA
Casa de química 3
La casa de química o edificio de operaciones es el ambiente de la planta enel cual se concentran todas las instalaciones para el manejo de las sustanciasquímicas. Comprende básicamente las instalaciones de almacenamiento, dosifica-ción y laboratorios de control de los procesos de la planta. Este capítulo tratasobre los criterios y procedimientos para el diseño de estas instalaciones.
1. ALMACENAMIENTO DE LAS SUSTANCIAS QUÍMICAS
Las sustancias que se emplean en el tratamiento del agua pueden estar enpolvo, trituradas o en solución. Al proyectar los almacenes, se debe tener en cuen-ta la forma en que se van a utilizar estas sustancias, de modo que las instalacionesofrezcan todas las facilidades para la conservación y manejo del producto.
1.1 Productos secos
1.1.1 Criterios de diseño
Para determinar las dimensiones de estas instalaciones, será necesario te-ner en cuenta los siguientes criterios, relacionados con la capacidad, la ubicacióny las características del almacén, que varían de acuerdo con las dimensiones de laplanta de tratamiento.
a) Ubicación
••••• Ubicar el almacén lo más cerca posible de la sala de dosificación, paraahorrar tiempo y esfuerzo en el traslado de las sustancias químicas. Ideal-mente, los almacenes y la sala de dosificación deben ocupar un mismoambiente, sobre todo en sistemas pequeños y medianos.
••••• En sistemas grandes, los almacenes siempre deberán ubicarse en el primerpiso de la casa de química para no encarecer la estructura del edificio.
4 Diseño de plantas de tecnología apropiada
••••• La capacidad del almacéndebe ser suficiente para abas-tecer la planta por lo menosdurante un mes. En el caso deque los productos se expendanen la misma ciudad en la quese encuentra la planta, podráconsiderarse una capacidadmínima para 15 días.
b) Consideraciones para el dimensionamiento
••••• Cuando el producto es importado, al determinar el tiempo de almacena-miento, deberá tenerse en cuenta el tiempo total que toma el trámite decompra. En la mayoría de los casos, esto puede demandar varios meses.
••••• Cuando la empresa tiene unalmacén central del cual seaprovisionará a la planta, el al-macenamiento en planta po-drá calcularse para 15 días.
••••• Cuando se almacenan sus-tancias secas embolsadas—como es el caso del sulfatode aluminio y la cal—, deberádisponérselas apiladas enrumas y sobre tarimas demadera para aislarlas de la humedad del piso y de las paredes. Esta medidaes especialmente importante para el sulfato de aluminio, que es higroscópico(es decir, que absorbe la humedad del aire).
••••• Cuando la transferencia del almacén a la sala de dosificación se realizamanualmente, la altura total de las rumas no deberá ser mayor de 2 metros,para que el operador pueda tener acceso a las bolsas del extremo superior.Cuando la transferencia se va a realizar en forma mecánica, el material
Figura. 1-1. Almacén de sustanciasquímicas (1)
Figura 1-2. Entrada al almacén (2)
6 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Conexiones
flexiblesSilo de
almace-
namiento
Impulsor de aire
Filtro
Carga
VentiladorLínea de retorno
Línea de
alimentación
Compuerta
N.o 1 N.o 2
Alimentación
de aire
Válvula
• Para determinar la dosis promedio (D), es necesario disponer de una curvade dosificación (dosis óptima de coagulante versus turbiedad de agua cru-da, figura 1-4). Esta curva se obtiene de un estudio de laboratorio que abar-que por lo menos un ciclo de seca y uno de creciente para determinar lasdosis máximas y mínimas que se requerirán en el tratamiento del agua. Ladosis promedio se calculará a partir de la dosis requerida cuando se produ-ce la turbiedad máxima y la dosis necesaria en época de aguas claras.
• El área neta que ocupará el material se obtiene de la siguiente expresión:
A (m2) = V (m3)/ H (m) (2)
Donde la altura de almacenamiento (H) depende del sistema de transferen-cia seleccionado. El área de cada ruma se decidirá en función de las dimensionesde las bolsas del producto por almacenar y del número de bolsas por considerar alo largo y a lo ancho. Dividiendo el área neta calculada en la ecuación (2) entre elárea de una ruma, se definirá el número de rumas que se deberán considerar en elalmacén.
• En las plantas grandes de varios metros cúbicos de capacidad de produc-ción, el material se recibe en silos, que son abastecidos mediante camiones,vagones o carros cisterna, de acuerdo con la forma en que se solicite elproducto: sólido o líquido.
Figura 1-5. Sistema de llenado neumático (2)
Casa de química 7
••••• Los silos pueden ser metálicos, de hormigón o de poliéster reforzado confibra de vidrio y de forma cilíndrico-cónica.
• Cuando el material se deposita enseco, el llenado se realiza median-te un sistema mecánico o —loque es más frecuente— neumá-tico, a partir del vehículo deabastecimiento, cuyo contenidose fluidifica y se somete a unapresión de aire, de forma que flu-ya como un líquido hasta el silo.Véase la figura 1-5.
Igualmente, pueden utilizarse dis-positivos de llenado mecánico de los silos, como fajas transportadoras osistemas de canjilones (figuras 1-6 y 1-7).
• Algunos reactivos en polvo tienden a aglomerarse, lo que dificulta su ex-tracción. Para evitar este inconveniente, se pueden emplear dos procedi-mientos. El primero consiste en cubrir la superficie interior del silo convejigas inflables, repartidas convenientemente. Estas vejigas, sometidas apresión en forma periódica, despegan el producto de las paredes y rompenlos aglomerados que empiezan a formarse. El segundo procedimiento con-siste en fluidificar el contenido del silo inyectando en la base aire compri-mido. De esta manera, el producto fluye sin dificultad.
• Cuando se trata de unapequeña tolva metálica,puede evitarse que elmaterial se aglomere sise coloca en la parteexterior de la tolva unvibrador intermitente,cuya potencia debeadaptarse al volumende esta.
Figura 1-6. Sistema de llenado mediantefajas transportadoras (2)
Figura 1-7. Sistema de llenado mediantecanjilones (2)
8 Diseño de plantas de tecnología apropiada
• El aire que se emplea para el transporte neumático de sustancias químicaso para mantenerlas fluidas debe someterse a un tratamiento antes de queescape a la atmósfera. Para ello, se lo hace pasar a través de filtros de telacolocados en la parte superior de los silos, localizados en un compartimientoen el que se produce una depresión con un ventilador.
• El control del nivel del producto en los silos se puede efectuar de diversasformas. Se puede utilizar un motor flotante que acciona una paleta, la cualgira dentro del producto. La presencia de material en la tolva crea un parresistente que provoca una rotación en la carcasa del motor, detectada porcontacto eléctrico. La ausencia de producto hace que la carcasa recobresu posición normal.
• También hay dispositivos que detectan cuándo el material está en su nivelmínimo, mediante sistemas capacitivos que determinan la diferencia de lapermisividad de un dieléctrico, constituido por el producto o por el aire.Otra forma de detectar este nivel consiste en una membrana que se defor-ma bajo el peso del producto almacenado y actúa sobre un interruptor eléc-trico.
• También se emplean sistemas más complejos, que indican de forma conti-nua el nivel del producto dentro del silo, mediante medidores de fuerzas ofenómenos piezoeléctricos. Existen también otros sistemas ultrasónicos ode rayos gamma. El sistema más sencillo consiste en un tanque de plásticoreforzado con fibra devidrio, en el cual setransparenta el conteni-do.
• La extracción de losproductos almacenadosen los silos se efectúamediante una válvulaalveolar, tornillo sin fin,extractor de paletas ovibrante, aerocorrederao válvula automática.Cuando se trata de unatolva de almacenamien-
Figura 1-8. Tanque de almacenamientode sulfato de aluminio líquido (1)
Casa de química 9
to de pequeña capacidad, la extracción puede hacerse manualmente, a tra-vés de un simple obturador de registro.
• El almacenamiento de productos secos también puede hacerse en recipien-tes estancos, que llena el proveedor del producto. Estos recipientes se cons-truyen de acero o de goma sintética. Su empleo es especialmente indicadoen instalaciones pequeñas y medianas.
1.2 Productos en solución
En instalaciones peque-ñas, los reactivos líquidos ge-neralmente se adquieren y al-macenan en cilindros, bidoneso bombonas. En sistemas másimportantes, el suministro serealiza en camiones o vago-nes-cisterna, de donde losreactivos son transferidos porgravedad, a presión de aire obombeo, a las cubas o tanquesde almacenamiento. Estos de-ben estar interiormente prote-gidos contra la acción corro-siva del reactivo.
• Los sistemas de dosificación en solución son económicamente ventajososcuando el reactivo se produce localmente.
• En las instalaciones grandes, las cubas o tanques de almacenamiento de losreactivos se construyen según la naturaleza de los productos. Pueden serde acero u hormigón con o sin revestimiento interno o de material plástico.
• Los tanques de almacenamiento van equipados con dispositivos de controlde nivel más o menos perfeccionados, que pueden variar desde un sistemade flotador y vástago con índice que se desplaza sobre una regla graduada,hasta los dispositivos descritos en el acápite anterior, con los que puedeefectuarse la medición a distancia de este nivel.
Figura 1-9. Tanques de plástico reforzadoscon fibra de vidrio (1)
10 Diseño de plantas de tecnología apropiada
1.2.1 Proceso de cálculo
La información básica que se requiere para efectuar este cálculo es lasiguiente:
• Caudal de diseño de la planta: Q en L/s o m3/d.• Rango de dosificación (D
m – D
M, mg/L). En los histogramas de turbiedad
elaborados durante el estudio de variaciones de la fuente, se obtiene laturbiedad máxima y mínima que se presenta durante el año. Con estosdatos se obtienen, en la curva de dosificación, las dosis máxima y mínima.
• Periodo de almacenamiento: T (días o meses).• Peso específico del material por dosificar (δ, kg/m3).• Si el sulfato de aluminio empleado para las pruebas de laboratorio es de alta
pureza, deberá introducirse en los cálculos un factor de corrección, pero silas pruebas se realizan con el mismo sulfato que se emplea en la planta,este factor no será necesario.
Ejemplo: Se desea calcular el área de almacenamiento para sulfato dealuminio que se requiere en una planta de Q = 300 L/s, para un periodo de 3meses. La dosificación requerida es la siguiente:
• Dm
= 20 mg/L• D
M= 80 mg/L
• δ = 964 kg/m3
El cuadro 1-1 presenta un resumen del cálculo efectuado.
Para determinar las dimensiones de las rumas de sulfato, hay que tener encuenta que las bolsas de sulfato de aluminio tienen normalmente 50 kilogramos depeso y dimensiones aproximadas de 0,50 x 0,60 metros, de manera que las filas sepueden acomodar considerando tres bolsas a lo ancho con la dimensión de 0,60metros, por lo que la ruma tendría 1,80 metros de ancho. Los pasillos o corredorespueden tener de 0,80 a un metro de ancho. En este caso, como se trata de unaplanta de 300 L/s, será necesario transportar las bolsas en una carretilla, por loque se está dejando un metro de distancia entre las tarimas de 1,80 de ancho.
Casa de química 11
Cuadro 1-1. Cálculo del almacén de sulfato de aluminio (2)
De acuerdo con el calculo efectuado, el almacén tendrá 9,40 metros deancho por 14 metros de largo y se han considerado tres tarimas de 1,80 metros deancho, 12 metros de largo, con rumas de bolsas apiladas de 1,80 metros de alto,dejando pasillos de un metro de ancho entre las rumas, así como entre estas y lapared.
2. DOSIFICACIÓN
La dosificación de las sustancias químicas debe efectuarse mediante equi-pos que aseguren la aplicación de una dosis exacta por unidad de tiempo. Estosequipos disponen de controles que permiten fijar la cantidad de producto por uni-dad de tiempo que debe liberarse, dentro de límites establecidos por su capacidad.
2.1 Tipos de dosificadores
En el cuadro 1-2 se presenta una clasificación de estos equipos de acuerdocon el estado en que se encuentra el producto.
Paso DatosUni- Uni-dades
Criterios Cálculos Resultadosdades
1 Dm = 20 mg/L D = (D
m + D
M)/2 D = (20+80)/2 Dosis promedio mg/L
DM
= 80 D = 50
2 δ = 964 kg/m3
V = D x Q x T 50 x 25.920 x 90 Volumen de m3
T= 90 días δ x 1.000 964 x 1.000 almacenamientoQ = 300 L/s requeridoQ = 25.920 m3/d V = 121
3 H = 1,8 m A = V/H A = 121/1,8 Área neta de m2
A = 67,2 almacenamiento
4 N = 3 - L = A/(N x B) L = 67,2/(1,8 x 3) Largo de la ruma mB = 1,80 m L = 12 o pila
5 P = 1,0 m Ancho = Nx B+ 4 = 3 x 1,80 + 4 x 1 Ancho total del mP Ancho = 9,40 almacén
Largo total = L+ 2 = 12+ 2 x 1,5 Largo del mP Largo = 14,0 m almacén
12 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Cuadro 1-2. Dosificadores de sustancias químicas (2)
2.1.1 Equipos de dosificación en seco
Se emplean para la aplicación de sustancias químicas en polvo. Pueden serde tipo volumétrico o gravimétrico. Para seleccionar el tipo de dosificador, serequiere tener en cuenta la precisión requerida, el tipo de producto que se va adosificar y el rango de trabajo que debe tener el equipo, lo cual depende de lasdosis máxima y mínima necesarias y de los caudales por tratar.
a) Volumétricos
La dosis se de-termina midiendo el vo-lumen de material libe-rado por una superficieque se desplaza a ve-locidad constante (fi-guras 1-10 y 1-11). Losdosificadores de estetipo más comúnmenteutilizados en la prácti-ca son la válvulaalveolar, el disco gira-torio, el cilindro girato-rio, el plato oscilante yel de tornillo.
Seco Volumétricos Plato, garganta, cilindro,tornillo, estrella, correa
Gravimétricos Correa transportadora ypérdida de peso
Solución Gravedad Orificio de carga constante,regulable o torre de saturación
Bombeo Desplazamiento rotatorio o positivo
Boquillas
Gas Solución al vacío
Aplicación directa
Figura 1-10. Dosificador volumétrico (2)
Motor
Tornillo
giratorio
Tolva
Sistema de
alimentación
Nivel de
solución
MezcladorCámara de solución
Casa de química 13
• La válvula alveolar es un dosificador de poca precisión que se emplea en unrango de caudales de 0,5 a 1,0 m3/h.
• El dosificador de disco giratorio está compuesto de una base que gira avelocidad constante sobre la cual una cuchilla de ángulo regulable separa
una parte del producto.Este se vierte a un depó-sito de preparación de lasolución que debe estarequipado con un agitador.La precisión del equipo esbuena. Se lo utiliza paradosificar sulfato de alumi-nio, cal, carbonato de sodioo de calcio. La dosis semodifica por un botón deregulación que varía el án-gulo de la cuchilla. El mo-tor puede ser de velocidadconstante o variable.
• El dosificador de tornillo está cons-tituido por una tolva de alimentacióny un tornillo de dosificación provistode un brazo rascador que arrastrael producto a través de un tubo cali-brado. Previamente, se homogeneizael producto por medio de un agita-dor de paletas de eje horizontal, des-tinado igualmente a evitar la forma-ción de zonas muertas a la entradadel tornillo de dosificación (figura1-12).
La variación de la graduación seconsigue cambiando la velocidad degiro del tornillo.
Figura 1-11. Dosificador volumétrico (1)
Figura 1-12. Dosificador de tipovolumétrico (1)
14 Diseño de plantas de tecnología apropiada
La tolva de alimentación debe estar provista de un vibrador o de un sistemaoscilante de frecuencia o amplitud regulables. El rango de trabajo de undosificador de tornillo puede variar desde unos cuantos gramos hasta varioskilos por hora.
b) Gravimétricos
La cantidad de producto químico dosificado se mide pesando el material osobre la base de una pérdida de peso constante del material depositado en la tolva.Los equipos más comunes son el dosificador de correa transportadora y el depérdida de peso.
• En el dosificadorgravimétrico de pérdi-da de peso se mide lacantidad de materialpor dosificar mediantela diferencia de peso deun silo o tolva que con-tiene el material y quese apoya en una balan-za equilibrada por uncontrapeso móvil (figu-ra 1-13). El contrape-so se desplaza en for-ma proporcional a ladosificación deseada.
• En el dosificador gravimétrico de correa transportadora, el material deposi-tado en la tolva cae en una correa transportadora que se desplaza sobre laplataforma de una balanza. Esta se regula para recibir el peso que corres-ponde a la dosis deseada (figura 1-14).
••••• Cuando el peso sobre la correa no es igual al peso prefijado, una válvulasituada en la salida de la tolva modifica su abertura para regular la dosis. Elrango de dosificación también puede ser modificado si se altera la veloci-dad de la correa.
Figura 1-13. Dosificador de tipo gravimétrico (1)
Casa de química 15
• Los tanques de solu-ción que traen estosequipos, tanto losvolumétricos comolos gravimétricos, sonpequeños, y la solu-ción del coagulanteresulta muy concen-trada, especialmenteen época de lluvias,cuando se utilizan do-sis altas de coagu-lante. En estos casos,es necesario inyectara la solución concentrada que sale del tanque la cantidad de agua necesariapara bajar la concentración a 2%, o a la concentración óptima, obtenida enlas pruebas de laboratorio. Ver el procedimiento en Tratamiento de agua
para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual I: Teo-
ría, tomo II, capítulo 11.
2.1.2 Equipos de dosificación en solución
En este tipo de equipos la graduación de la cantidad por aplicar se efectúacon el coagulante en solución. Estos equipos pueden ser de dos tipos: por bombeoy por gravedad.
a) Sistemas de dosificación por bombeo
Los más usuales son las bombas de doble pistón y de diafragma.
La bomba dosificadora de pistón es muy precisa, pero debe emplearse concuidado en el caso de productos abrasivos o muy corrosivos (silicato de sodio,cloruro férrico).
Según el tipo de bomba (diámetro del pistón, curva característica y caden-cia de funcionamiento), el caudal de operación puede oscilar entre varias decenasde mililitros y algunos miles de litros por hora (figura 1-15).
Figura 1-14. Dosificador de correa transportadora (1)
16 Diseño de plantas de tecnología apropiada
La bomba dosificadora de diafragma es de gran precisión —aunque esligeramente menos precisa que la bomba de pistón— y se utiliza para líquidoscorrosivos, tóxicos, abrasivos, cargados o viscosos. Puede estar provista de una
membrana simple o doble.El caudal de este tipo debombas dosificadoras afuertes presiones puede lle-gar hasta 2.500 litros porhora. La figura 1-16 mues-tra una instalación comple-ta con bomba dosificadora,compuesta de un tanquede preparación de la solu-ción, un tanque de dosifi-cación y un sistema de do-sificación propiamente di-cho, al cual está integradala bomba.
Las bombas dosificadoras pueden montarse sobre los depósitos de almace-namiento o de preparación de la solución, provistos eventualmente de mezcladoresde hélice y de indicadores de nivel, de forma que se obtengan grupos compactosde dosificación que incluyan igualmente el armario eléctrico de accionamiento delos motores.
Figura 1-16. Sistema de dosificaciónpor bombeo (1)
Figura 1-15. Sistema de dosificación por bombeo (1)
Motor
Tanque
1
Solución
Agitador mecánico
Válvula
compuerta
Tanque 2
BombaDesagüeDosis
Regla graduada
Flotador
Manguera flexible
Válvula check
Casa de química 17
La figura 1-17muestra una instalación deeste tipo.
Las bombas centrí-fugas también se utilizanpara dosificar con excelen-tes resultados. En la figura1-17 se muestra una insta-lación compuesta de dostanques de preparación dela solución de concreto, conagitador eléctrico. Las bom-bas están en la cámaraseca ubicada debajo de lasrejas del piso y la dosis se calibra mediante rotámetros. Sistemas de este tipo sonideales para localidades donde se pueda garantizar disponibilidad de energía eléc-trica en forma continua.
b) Sistemas de dosificación por gravedad
Los sistemas de dosificación por gravedad se emplean especialmente enplantas medianas y pequeñas, en especial cuando el abastecimiento de energía
eléctrica no es confiable.También se usan en plan-tas grandes cuando la cali-dad del agua es constante.Los más comunes son losde carga constante y cargaregulable (figura 1-18).
El principio en el quese fundamenta es una car-ga de agua constante (h)
sobre un orificio para ase-gurar un caudal constante.El caudal se calibra a la sa-lida mediante una válvula.Figura 1-18. Dosificador de orificio de
carga constante (1)
Figura 1-17. Sistema de dosificaciónpor bombeo (1)
18 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Tanto los sistemas dedosificación por bombeo comolos sistemas por gravedad in-cluyen un tanque de prepara-ción de la solución similar alque se muestra en la figura 1-19. Estos tanques deben te-ner capacidad para un volu-men de solución aplicable en8 horas, de tal modo que encada turno de operación seprepare un tanque. Siempredeben considerarse dos tan-ques para cada sustancia quí-mica que se va a aplicar. Sien la planta se van a aplicar sulfato de aluminio, cal, polímero y HTH, se debenconsiderar ocho tanques para preparar las sustancias respectivas. La concentra-ción a la que se debe aplicar el sulfato de aluminio debe variar entre 1% y 2%.
Cuando se trata de una planta pequeña, se proyecta el tanque de prepara-ción de la solución con la capacidad necesaria para lograr una concentración de2%, pero cuando es una planta mediana o grande, la solución se elabora a unaconcentración mayor y se diluye a la concentración óptima antes de aplicarla a lamezcla rápida.
Los dosificadores de estetipo (figura 1-20) tienen la ven-taja de que se pueden fabricarlocalmente, pero es necesarioejercer un buen control de cali-dad, principalmente del sistemade calibración de la dosis.
En la figura 1-21 se pue-de apreciar el esquema de unainstalación completa de dosifica-ción en solución por gravedad,con dosificador de fabricaciónartesanal.
Figura 1-19. Tanque de preparaciónde la solución (1)
Figura 1-20. Dosificador por gravedad deorificio de carga constante (1)
Casa de química 19
Válvula de
interconexión
Entrada
Tanque 1
Solución
Válvula de flotador
Escala
Tanque 2
Dosis
Desagüe
Desagüe
Manguera flexible
Orificio dosificador
FlotadorTornillo para fijar tubo
Tubo 3/4’’ φ PVC
Tubo 1/2’’ φ PVC
Figura 1-21. Sistema de dosificación en solución por gravedad (2)
2.2 Dimensionamiento de los sistemas de dosificación
2.2.1 Sistemas de dosificación en seco
La selección de los equipos de dosificación en seco se efectúa determinan-do el rango de trabajo que deberá tener el equipo. Este rango está constituido porlos límites máximo y mínimo de dosificación que se deberán atender, los cuales sedeterminan a partir de la información obtenida en el estudio de laboratorio (curvade dosis óptima versus turbiedad de agua cruda). Véase la figura 1-4.
Conociendo la turbiedad máxima y mínima que deberá tratar el sistema, seobtendrán de la curva de dosificación las dosis máximas (D
M) y mínimas (D
m) y se
calcularán los pesos máximos y mínimos que debe aplicar el equipo.
El cálculo se facilita utilizando la ecuación de balance de masas:
Q x D = q x C = P (3)
Donde:
Q = caudal de diseño de la planta en L/sD = dosis promedio de coagulante en mg/Lq = caudal promedio de solución por aplicar en L/sC = concentración de la solución en mg/LP = peso del reactivo por dosificar en m3/s o kg/d
20 Diseño de plantas de tecnología apropiada
D = (DM + D
m)/2 (4)
R = PM – P
m (5)
Donde:
R = rango del dosificadorP
M= peso máximo del reactivo (mg/s o kg/d)
Pm
= peso mínimo del reactivo (mg/s o kg/d)
Volumen del tanque de solución
El tanque incorporado aldosificador deberá tener ideal-mente un volumen tal que per-mita la disolución del productoy obtener una solución con unaconcentración igual a la óptimaobtenida en el laboratorio.
Sin embargo, como sepuede apreciar en la figura 1-22,estos tanques son muy pequeñosy las concentraciones que se ob-tienen están siempre fuera delrango recomendado (C = 1 a2%), por lo es necesario en es-tos casos aplicar un caudal adi-cional de agua para obtener la concentración óptima antes del punto de aplica-ción.
El tiempo de retención en este tanque debe ser mayor de 5 minutos o pre-ferentemente de 10 minutos, para que se produzca la polimerización adecuada delos coagulantes y se obtenga la mayor eficiencia.
En el cuadro 1-3, se indican las capacidades y rangos de trabajo de diferen-tes tipos de dosificadores en seco y se presentan algunas recomendaciones sobreel tamaño y tipo de material para el cual deben ser usados.
Figura 1-22. Tanque de solución delos dosificadores en seco (1)
Casa de química 21
Cuadro 1-3. Dosificadores en seco (2)
Volumétricos Plato oscilante Cualquier material 0,01 – 35 1 – 40granular o en polvo
Garganta Cualquier material, en 0,02 – 100 1 – 40oscilante cualquier tamañoDisco rotatorio Mayoría de materiales en 0,01 – 1 1 – 20
forma granular o en polvoCilindro Cualquier material 7 – 300 1 – 100rotatorio granular o en polvo 8 – 2.000 1 – 10Tornillo Material muy seco, en 0,05 – 18 1 – 20
forma granular o en polvoCinta Material seco, en forma 0,1 – 3.000 1 – 10
granular o en polvo, con 1 - 100un tamaño máximo de 1 ½”
Gravimétricos Cinta y balanza Material seco o húmedo en 0,02 – 2 1 - 100forma granular o en polvo(deben usarse agitadorespara mantener una densidadconstante)
Pérdida de peso Mayoría de materiales en 0,02 - 80 1 - 100forma granular o en polvo
• Este tipo de dosificadores solo deben ser seleccionados para ciudades gran-des en las que se pueda disponer de energía eléctrica en forma continua,ciudades con buen nivel de desarrollo, donde se disponga de los recursosmateriales, económicos y de personal necesarios, a fin de que dichos equi-pos puedan recibir buena operación y mantenimiento. Son dosificadores dealto costo, requieren ser calibrados con frecuencia para mantener su exac-titud y son muy susceptibles a los cambios granulométricos provocados porla humedad.
• No se recomienda utilizarlos para caudales menores de 20 L/s.
• Para la dosificación de cal, el uso de vibradores es esencial.
En el cuadro 1-4 se presenta un ejemplo del cálculo previo que debe efec-tuarse para seleccionar un dosificador en seco.
Tipo Clasificación Uso VariaciónCapacidadpies3/hora
22 Diseño de plantas de tecnología apropiada
oces ne rodacifisod nu ed nóicceleS .4-1 ordauC
)2(
s/L003 =
Q1
P M
Q =
xD
MP
000.1/M
080.1=
x000.1/08
ed omixá
m osePh/gk
m080.1 =
Q3
h/P M
4,6 8 =
etnalugaocD
ML/g
m08 =
080.1=
mPx
000.1/02 o
miním oseP
h/gked
Dm
L/gm
02 = P m
6,12 =
etnalugaoc
2P
= RM
P – m
6, 12 – 4 ,68 = R
h /gkled ogna
Rrodacifisod
3
= dpC
P M
P +
mx
42 )6,12
+ 4,68( = dp
Cx
21 o
musnoC
h/gk2
692.1 = dp
Coiraid oide
morp
4δ
m/gk469 =
3/dp
C =V
δ469/692.1
= Vm
al ed nemuloV
3
43,1 = V
led avlotrodacifisod
5=
DD
MD
+ m
05 =
Daide
m sisoD
L/gm
2
%3 = C
6
Q =’V
x
D x
C/oT =’V
003 x
05 x
5 x
06 sortiL
led nemuloV
000.03 = CL/g
m000.0 3
ed euqnatni
m5 = oT
051 =’V
nóiculosid
osaPo ta
Ds oiretir
Csoluclá
Cda din
Usodatluse
Rdadin
U
Casa de química 23
Con los resultados obtenidos en el cálculo, se consultan los catálogos de losfabricantes, para definir las especificaciones técnicas de los equipos.
2.2.2 Dosificación en solución
Esta instalación se compone de un tanque de preparación de la solución ydel sistema de dosificación, que puede ser por bombeo o por gravedad.
El tanque de solución se diseña con el volumen necesario para que brindeservicio durante un turno de operación (T). La duración de cada turno es normal-mente de 8 horas.
Deben considerarse siempre dos unidades, una en operación y la otra enpreparación, de manera que el cambio pueda ser rápido y la dosificación continua.
En instalaciones grandes, para que los tanques no resulten demasiado volu-minosos, se diseñan para concentraciones altas (10 ó 20%) y la concentraciónóptima se regula con una aplicación de agua adicional a la salida del dosificador.El caudal de agua adicional debe calibrarse con un rotámetro, para que la concen-tración de la solución sea exacta y corresponda a la óptima.
Las tuberías de solución se diseñan para un caudal máximo calculado me-diante la ecuación (3), considerando la dosis máxima (D
M). El material de estas
tuberías debe ser resistente a las sustancias químicas que van a transportar. Nor-malmente se utilizan tuberías de plástico o de acero inoxidable.
El cuadro 1-5 muestra un ejemplo de cálculo aplicando la ecuación debalance de masas indicada anteriormente.
24 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Cua
dro
1-5.
Pro
ceso
de
cálc
ulo
de u
n si
stem
a de
dos
ific
ació
n en
sol
ució
n (2
)
1Q
= 3
00L
/sq
= Q
x (
DM
+ D
m)
q =
30
0x
44
Cau
dal d
e so
luci
ónL
/sD
M =
80m
g/L
2
x C
1
00
.00
0pr
omed
io a
l 10%
m3 /
dD
m =
8m
g/L
q =
0,1
32
C =
10
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= 1
1,4
C =
100
.000
mg/
L
2C
= 2
%q
= 3
00
x 4
4C
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l de
solu
ción
L/s
2
0.0
00
prom
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al 2
%m
3 /d
q =
0,6
6
q =
57
,0
3T
= 8
,42
hora
sV
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x T
V=
11
,4 x
8,4
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4V
olum
en d
el ta
nque
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m3
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solu
ción
par
a C
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%
4V
= 5
7 x
8
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/24
Vol
umen
del
tanq
ue d
em
3
V =
20
solu
ción
par
a C
= 2
%
5P
= Q
xD
P =
30
0 x
44
Con
sum
o pr
omed
iom
g/s
P =
13
.20
0di
ario
kg/d
P =
1.1
40
6P
o =
P
x T
/24
Po
= 1
.14
0 x
8,4
2/2
4C
onsu
mo
por
tanq
uekg
Po
= 4
00
Pas
oD
ato
Cri
teri
osC
álcu
los
Uni
dad
Res
ult
ados
Uni
dad
Casa de química 25
Cua
dro
1-5.
Pro
ceso
de
cálc
ulo
de u
n si
stem
a de
dos
ific
ació
n en
sol
ució
n(c
onti
nuac
ión)
7Pb
= 5
0kg
N.o
= P
o /
Pb
N.o
= 4
00
/50
Núm
ero
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olsa
sN
.o=
8
8Q
ag
ua
= (
20
– 4
) x
1.0
00
Cau
dal d
e ag
ua a
dici
onal
L/s
8
,42
x 3
.60
0qu
e se
deb
e ap
lica
r a
laQ
ag
ua
= 0
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lida
del
dos
ific
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9q
M =
Q x
DM/C
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x 8
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L/s
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00
.00
0po
r dos
ific
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/hq
M =
0,2
4
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10q
m =
Q x
Dm/C
qm
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30
0 x
8C
auda
l mín
imo
L/s
1
00
.00
0po
r dos
ific
arL
/hq
m =
0,0
24
qm
= 8
6,4
11R
= q
M –
qm
R =
86
4 –
86
,4R
ango
del
dos
ific
ador
L/h
Pas
oD
ato
Cri
teri
osC
álcu
los
Uni
dad
Res
ult
ados
Uni
dad
26 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Como se puede observar en los resultados del cuadro 1-5, el volumen deltanque para que la solución esté al 2% es de 20 m3 y para 10%, de 4 m3, por lo quesi se adopta la alternativa con el tanque de 4 m3, para que la solución se apliquecon la concentración óptima de 2%, se deberá inyectar a la tubería que sale deldosificador un caudal de agua filtrada de 0,53 L/s.
El rango del dosificador que se requiere debe ser de 864 a 86,4 L/h. Coneste dato entramos a la tabla de la figura 1-23 y elegimos el dosificador de 0 a1.000 L/h que cubre el rango de trabajo requerido. Se puede observar en la tablaque la tubería de entrada al dosificador debe ser de 1”, y la de salida, de 1 ½” dediámetro.
Figura 1-23. Cuadro para seleccionar la capacidad del dosificador por gravedadde orificio de carga constante (2)
Dimensiones:
1 0 - 400 L/h 760 200 400 140 340 3/4’’ 1 1/2’’
2 0 - 1.000 L/h 760 200 400 140 340 1’’ 1 1/2’’
3 0 - 2.500 L/h 880 310 530 250 470 1 1/2’’ 2’’
4 0 - 4.000 L/h 880 310 530 250 470 2’’ 2 1/2’’
Medidas en milímetros
Tamaño Capacidad A B C D E φF φ G
Detalle de la base
Dejar 4 orificios de
4 x 4 x 6 cmSoportes con
abrazaderas
Embudo de descarga
Pedestal de
sustentación
Tornillos de
anclaje
Válvula de flotador
Tanque de solución
Dosificación
Entrada de la
solución
φ F
Escala
Al punto de dosificación
Base
5 c
m
A
B D
EC
φ G
Casa de química 27
2.2.3 Saturadores de cal
Se emplean paraproducir una soluciónsaturada de hidróxido decalcio, a fin de dosificaragua de cal. La granventaja de estas unida-des, comparadas con lade dosificación de lecha-da de cal, es que se pro-duce una solución conuna cantidad muy redu-cida de sólidos insolublesen suspensión, por lo queno se incrementa la tur-biedad del agua filtraday no se producen depó-sitos de material sedi-mentable en el tanque deaguas claras.
Figura 1-24. Saturador de cal estático (2)
Figura 1-25. Saturador de cal dinámico (2)
Preparación lechada de
cal a distancia
cal
Preparación lechada de
cal por gravedad
cal
agua
agua
agua
agua
1. Llegada de agua a presión
2. Salida de agua saturada
3. Vaciado del saturador
4. Nivel correspondiente al volumen
de lechada de cal para carga
5. Llegada de lechada de cal
6. Rebose
desagüe
Dosificación de cal
en continuo
DesagüeAgua
Preparación lechada de
cal a distancia
Preparación lechada de
cal por gravedad
1. Llegada de agua a presión
2. Salida de agua saturada
3. Llegada lechada de cal
4. Vaciado del saturador
5. Evacuación de fangos
6. Rebose
Dosificación de cal
en continuo
AguaAgua
AguaDesagüe
1
2
3
4
5
6
28 Diseño de plantas de tecnología apropiada
En general, el saturador consta de un tanque con fondo cónico o piramidal,donde se deposita la cal que va a ser disuelta. El agua se introduce por el fondo deltanque, mediante un tubo recto instalado en su interior, y es colectada en la super-ficie libre mediante canaletas o tubos perforados.
Se gradúa la dosificación mediante el ajuste del caudal de agua que seintroduce en el saturador y la concentración de cal presente se determina a inter-valos convenientes.
Se recomienda el uso de un hidrómetro en la entrada de agua a la unidad,tanto para determinar el caudal como para evaluar la cantidad de cal disponible enel saturador. Cuando la cantidad de cal disponible es pequeña, la concentración dela solución es baja y es necesario aumentar la cantidad de agua e introducir máscal. Estas unidades pueden ser de tipo estático o dinámico (figuras 1-24 y 1-25).
Criterios de diseño
• El tanque debe dimensionarse de tal modo que se garantice una velocidadascensional de 0,5 a 1,0 L/s/m2 o una dosis de cal de 0,6 a 1,2 g/s/m2.
• El tanque debe ser suficientemente alto como para facilitar la distribuciónuniforme del agua introducida por el fondo.
• Para el cálculo de la unidad, se requiere conocer la temperatura del agua yla solubilidad de la cal a esa temperatura. Para el dimensionamiento, seemplea la ecuación de balance de masas. Véase el ejemplo de cálculo en elcuadro 1-6.
2.3 Recomendaciones para el proyecto
Habiendo dimensionado ya todas las instalaciones, se recomienda tener encuenta las siguientes consideraciones para diseñar los planos que corresponden aestos ambientes:
• La sala de dosificación debe ubicarse lo más cerca posible de la unidad demezcla rápida, para que la tubería de conducción de la solución no sea muylarga y para no incrementar demasiado las pérdidas de carga. La tubería deconducción de la solución debe proyectarse sin muchas vueltas y acceso-rios para evitar atoros y pérdidas de carga excesivas. La salida del dosifi-
Casa de química 29
1Q
= 1
00L
/sq
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/Cq
= 1
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2%
q =
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Vol
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orm
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Vo
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1,4
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10
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P =
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* =
P/(
1-I
)P
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86
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Cua
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Cál
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30 Diseño de plantas de tecnología apropiada
cador y el inicio de la tubería de conducción deben ser abiertos para que sefacilite la calibración del equipo.
Figura 1-26. Vista en planta de la sala de dosificación, almacén de sustanciasquímicas, laboratorio de control de procesos y servicios higiénicos (1)
• El desnivel entre la salidadel dosificador y la tube-ría con perforaciones o eldifusor para aplicar elcoagulante en la unidad demezcla rápida debe com-pensar las pérdidas decarga en todo el recorri-do, además de una alturaadicional para que la so-lución tenga presión en lasalida. Normalmente,cuando ambos extremosestán bien próximos, sedeja una diferencia de al-tura de un metro.
Figura 1-27. Vista de un corte de la sala dedosificación (1)
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Casa de química 31
• Debe considerarse un tanque de preparación de solución por cada sustan-cia química que se va a aplicar. Los tanques deben proyectarse en una solahilera. La altura a la que se coloquen los tanques depende del tipo de dosi-ficador. Si se va a aplicar la solución por bombeo, los tanques pueden estarubicados directamente sobre el piso de la sala (figura 1-17), pero si la apli-cación es por gravedad, el fondo del tanque debe coincidir con el nivel de latubería de entrada al dosificador (véase la figura 1-27).
• La tubería de salida del tanque de solución debe colocarse 0,10 centíme-tros por encima del fondo del tanque para que no salga el sedimento quequeda después de que el sulfato se ha disuelto, porque esto puede atorar laválvula de aguja del dosificador.
• Cada tanque debe tener un agitador para disolver el sulfato de aluminio. Enplantas muy pequeñas la agitación puede hacerse en forma manual. Cuan-do se deba aplicar cal, es indispensable el agitador eléctrico, porque la calno se solubiliza en el agua. Solo se puede mantener en suspensión cuando laagitación es constante. Si no se agita, la cal se sedimenta y se estaría apli-cando solo agua.
• Cada tanque debe tener instalaciones para el llenado con agua filtrada,salida, desagüe y rebose. El fondo del tanque debe tener pendiente hacia elpunto de salida del desagüe para facilitar su rápida limpieza antes de lapreparación de la nueva solución. El agua filtrada puede provenir de untanque ubicado sobre el edificio de la casa de química, el cual se abastecepor bombeo desde la caja de salida de los filtros o desde el tanque de aguasclaras.
• En plantas pequeñas y medianas el almacén debe estar contiguo a la salade dosificación para compactar las instalaciones y facilitar la labor del ope-rador (figura 1-26).
• Las ventanas del almacén deben colocarse solo en la parte superior paradar iluminación y evitar que la caída de una ruma de material pueda romperlos vidrios. Ubicar el nivel de la puerta de entrada colindante con una pistade ingreso de camiones y de manera que coincida con la altura de la plata-forma del camión, para facilitar la descarga de las bolsas de sustanciasquímicas (figura 1-28).
32 Diseño de plantas de tecnología apropiada
• Cuando se utilicen dosifi-cadores en seco, el alma-cén siempre se colocaráen el primer piso y tam-bién la sala de dosifica-ción. Por la altura que tie-nen estos equipos, el ac-ceso a las tolvas se harádesde el segundo piso,donde se mantendrá unaexistencia de sustanciasquímicas como para un díade operación, la que setransportará mediante unmontacargas desde el almacén.
3. DEFECTOS DE DISEÑO MÁS COMUNES
En contraste con la figura 1-28, en la que mostramos la forma adecuada deentrada a un almacén, en la figura 1-29 se puede observar una entrada por debajodel nivel normal del terreno, donde, además de dificultarse el traslado de las sus-tancias químicas al almacén, estas sustancias están sometidas a un alto riesgo dedeterioro por causa de una posible inundación. Cabe agregar que este almacén
corresponde a una plantaubicada en una zona muylluviosa.
Cuando el almacénno ha sido correctamentedimensionado, suelen pre-sentarse situaciones comola que se ilustra en la figu-ra 1-30, por falta de capa-cidad del almacén. Las bol-sas de sustancias químicasse han apilado entre losdosificadores, lo que difi-
Figura 1-28. Entrada al almacén de sus-tancias químicas (1)
Figura 1-29. Almacén mal ubicado (1)
Casa de química 33
culta y entorpece las acti-vidades de operación.
En contraste con lasituación anterior, en la fi-gura 1-31 podemos obser-var un almacén escanda-losamente sobredimensio-nado, donde la existencianormal de sustancias quí-micas puede observarseen una pequeña ruma muyal fondo. Además del evi-dente derroche que ello su-pone, también se generandificultades en la opera-ción, debido a que los trabajadores deberán desplazarse innecesariamente sobredistancias muy grandes para realizar sus actividades.
En un almacén las ven-tanas deben considerarsesolo en la parte alta para ilu-minar bien el ambiente. Sinembargo, a menudo se en-cuentran situaciones como laque se ilustra en la figura1-32. En este almacén, si unaruma de bolsas se ladea ydesploma, puede romper losvidrios de las ventanas. Estecaso es muy especial, por-que, además, las ventanastienen marcos de aluminio yel piso es de madera, aca-
bados extraordinariamente buenos para un almacén. Actualmente, las instalacio-nes se usan como sala de capacitación.
Figura 1-30. Consecuencia de la falta de capacidaddel almacén (1)
Figura 1-31. Almacén sobredimensionado (1)
34 Diseño de plantas de tecnología apropiada
4. LABORATORIO DE CONTROL DE PROCESOS
Toda planta de tratamiento de agua, por más pequeña que sea, debe contarcon un laboratorio de control de procesos, donde por lo menos se puedan controlarlos parámetros básicos: turbiedad, color, pH, alcalinidad, cloro residual y coliformesfecales o termotolerantes. Si no hay control, no se podrá conocer en qué medidala instalación está cumpliendo con sus objetivos de calidad y el personal de opera-ción puede volverse muy complaciente con la eficiencia del sistema.
• En este ambiente debe considerarse cuando menos un lavadero, un mostra-dor para operar los equipos y un escritorio o mesa de trabajo para el quími-co, auxiliar de laboratorio u operador encargado de realizar las pruebas decontrol de procesos.
• Toda planta debe contar por lo menos con los equipos necesarios para con-trolar la eficiencia de los procesos. Para que la planta pueda iniciar suoperación correctamente, estos equipos deben ser considerados en el pro-yecto. Son muchas las plantas en las que se encuentra una habitación conmostradores que debió ser el laboratorio de la planta, pero por no haberseconsiderado los equipos en el proyecto, llevan años operando sin ellos. Losequipos mínimos que debe tener un laboratorio para ejecutar el control delos procesos son los siguientes:
— turbidímetro nefelométrico;— medidor de pH;
Figura 1-32. Ventanas mal ubicadas
Casa de química 35
— bureta;— equipo de prueba de jarras, con seis jarras de un litro con deflectores;
comparador de cloro;— vidriería: pipetas, vasitos, baguetas, etcétera;.— materiales: papel Whatman 40, seis embudos de plástico y vasitos de
plástico;— equipo portátil para la determinación de coliformes totales y
termotolerantes por el método de membranas;— termómetro.
• En el caso de una planta pequeña, el programa de control de calidad podráefectuarse desde un laboratorio central o regional.
• En una planta grande deben considerarse en ambientes separados el labo-ratorio de control fisicoquímico y el laboratorio de control bacteriológico.Podrán efectuarse en la planta los dos programas de control de procesos yde calidad, en el supuesto de que estos laboratorios son atendidos por per-sonal profesional especializado. El control de los procesos puede ser efec-tuado por operadores capacitados supervisados por el personal profesio-nal, mientras que el de calidad, por el personal profesional. En estos casos,dependiendo de la capacidad de la planta, se recomienda considerar insta-laciones independientes.
• La sala de cloración debe ser siempre independiente y alejada de las demásedificaciones de la planta, para evitar que una fuga de cloro comprometalos equipos de dosificación o de laboratorio, así como al personal que laboraen estas dependencias. Es posible adosarla a la casa de química, pero conpuertas y ventanas suficientes, de tal manera que las emanaciones de clorode ningún modo puedan ingresar a esta.
36 Diseño de plantas de tecnología apropiada
REFERENCIAS
(1) Vargas, L. Fotos y proyectos de archivo. Lima, CEPIS/OPS.
(2) Pérez Carrión, J. M. y L. Vargas. Criterios de diseño para la dosifica-
ción y mezcla rápida. Tomo I, Manual III: Diseño. Lima, ProgramaRegional HPE/CEPIS/OPS, 1992.
BIBLIOGRAFÍA GENERAL
Pérez Carrión, J. M. Manejo de sustancias químicas. Lima, CEPIS, 1982.
Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental-CETESB. Técnicas de abas-
tecimiento y tratamiento de agua. 2.a edición. São Paulo, 1977.
Pérez Carrión, J. M. Estado del arte, coagulación. Manual. CIFCA/CEPIS/OPS/OMS. 1977.
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CAPÍTULO 2
MEZCLADORES
Mezcladores 47
1. INTRODUCCIÓN
Los mezcladores tienen como objetivo la dispersión instantánea delcoagulante en toda la masa de agua que se va a tratar. Esta dispersión debe ser lomás homogénea posible, con el objeto de desestabilizar todas las partículas pre-sentes en el agua y optimizar el proceso de coagulación. La coagulación es elproceso más importante en una planta de filtración rápida; de ella depende laeficiencia de todo el sistema. No importa que los demás procesos siguientes seanmuy eficientes; si la coagulación es defectuosa, la eficiencia final del sistema esbaja.
La eficiencia de la coagulación depende de la dosificación y de la mezclarápida. En la unidad de mezcla la aplicación del coagulante debe ser constante ydistribuirse de manera uniforme en toda la sección. Debe existir una fuerte turbu-lencia para que la mezcla del coagulante y la masa de agua se dé en forma instan-tánea.
La mezcla rápida puede realizarse aprovechando la turbulencia provocadapor dispositivos hidráulicos o mecánicos.
2. PARÁMETROS GENERALES DE DISEÑO
• La intensidad de agitación, medida a través del gradiente de velocidad, pue-de variar de 700 a 1.300 s-1 o de 3.000 a 5.000 según el tipo de unidadseleccionada.
• El tiempo de retención puede variar de décimas de segundos a siete segun-dos, dependiendo de la concentración de coloides en el agua por tratar y deltipo de unidad seleccionada. De la concentración de coloides presente en elagua dependerá el tipo de mecanismo de coagulación resultante; esto es:
alta concentración de coloides mecanismo de absorción o de neutrali-zación de cargas
→
48 Diseño de plantas de tecnología apropiada
baja concentración de coloides mecanismo de barrido.
2.1 Unidades hidráulicas
Entre los mezcladores de este tipo se pueden citar, entre los más utilizadospor su simplicidad y eficiencia, los siguientes:
• canales con cambio de pendiente o rampas;• canaletas Parshall;• vertederos rectangulares y triangulares;• difusores;• inyectores.
En los tres primeros mezcladores la turbulencia que ocasiona la mezcla esproducida por la generación de un resalto hidráulico que causa un gradiente develocidad de alrededor de 1.000 s-1. Estas unidades tienen la ventaja de que, ade-más, involucran la medición del caudal de ingreso a la planta.
Las unidades de resalto hidráulico son adecuadas para todo tipo de aguas;es decir, tanto para las que coagulan por el mecanismo de absorción o neutraliza-ción de carga como para las de barrido. Para las aguas que coagulan por el meca-nismo de barrido, son adecuados todos los tipos de mezcladores, inclusive losretromezcladores, porque en este caso, para que el mecanismo de barrido se pro-duzca, son más importantes las condiciones químicas (dosis de coagulante) quelos parámetros de mezcla.
En los difusores e inyectores se obtiene una eficiencia similar a la consegui-da en las unidades de resalto hidráulico, pero con menores gradientes de veloci-dad; esto es, con menor disipación de energía durante el proceso. Esto se debe aque la homogeneización coagulante-masa de agua en estas unidades se consiguecomo consecuencia de la gran cantidad de puntos de aplicación del coagulanteantes que de la agitación de la masa de agua. Otros tipos de mezcladores depatente como las denominadas unidades de mezcla en línea requieren gradientesde velocidad mayores, normalmente entre 3.000 y 5.000 s-1.
La canaleta Parshall es adecuada exclusivamente para plantas de media-nas a grandes (Q ≥ 500 L/s). El canal con cambio de pendiente se adecúa acualquier rango de caudal, y los vertederos rectangular y triangular solo a cauda-les pequeños; el último, preferiblemente a caudales menores de 30 L/s.
→
Mezcladores 49
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2.1.1 Mezcladores de resalto hidráulico
Estas unidades son especialmente adecuadas para aguas que la mayor par-te del tiempo están coagulando mediante el mecanismo de adsorción; es decir,aguas que presentan alta con-centración de coloides. Los ti-pos más frecuentes tienen laventaja de servir de unidadesde medición de caudal y deunidades de mezcla rápida, porlo cual son muy populares (fi-gura 2-1).
a) Parámetros de diseño
• Gradientes de veloci-dad entre 700 y 1.300s-1 y tiempos de reten-ción menores de un se-gundo.
• Números de Froude (F)variables entre 4,5 y 9,0para conseguir un saltoestable, con excepción dela canaleta Parshall, quefunciona mejor connúmeros de Froude entre2 y 3.
• El coagulante debe aplicar-se en el punto de mayorturbulencia (inicio del re-salto), en forma constantey distribuido de manerauniforme en toda la masade agua.
Figura 2-1. Resalto hidráulico (2)
Figura 2-2. Descripción esquemática delcriterio asumido (2)
50 Diseño de plantas de tecnología apropiada
∀
b) Criterios para el dimensionamiento
• Se supone que h1 es igual a d1 (figura 2-2).
• Las alturas de agua antes (h1) y después del resalto (h2) deben satisfacer lasiguiente ecuación:
h2/ h1 = ½ [ 1 + 8 F2 - 1] (1)
Donde:
F = V1 / g h1 (2)
y V1 es la velocidad en la sección (1).
• Los tipos más frecuentes tienen la ventaja de servir como unidades demedición de caudal y como unidades de mezcla rápida.
• La energía hidráulica disipada o pérdida de carga se puede calcular en lalongitud (L) del resalto, mediante la fórmula de Belanger:
hp = (h2 - h1)3 / 4 h1 h2 (3)
• La longitud de resalto mediante la fórmula de Smetana:
L = 6 (h2 - h1) (4)
• Gradiente de velocidad (G) producido:
G = [γ Q hp /µ ]0,5 ó [ γ /µ] 0,5 . [ hp/ T] 0,5 (5)
• Tiempo de mezcla (T)
T = 2 L / (V1 + V2) (6)
γ = peso específico del agua (kg/m3)µ = coeficiente de viscosidad absolutaQ = caudal (m3/s)hp = pérdida de carga (m)
Mezcladores 51
= volumen comprendido entre las secciones (1) y (2)V1 = velocidad del agua en la sección (1)V2 = velocidad del agua en la sección (2)
El cuadro 2-1 presenta los valores de para diferentes temperaturas:
Cuadro 2-1. Valores de (1)
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Temperatura (°°°°°C)
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Figura 2-3. Canal rectangular con cambiode pendiente (2)
c) Modelos de comprobación
Canal rectangular con cambio de pendiente o rampa. Un cambio de pen-diente en un canal es uno de los medios más simples de producir un salto hidráu-
lico con fines de mez-cla. Para comprobar sise están produciendolos valores recomenda-dos de gradiente de ve-locidad y tiempo de re-tención una vez asumi-da la geometría del ca-nal, es necesario calcu-lar las alturas y veloci-dades conjugadas enlas secciones (1) y (2)de la figura 2-3.
y/µ
y/µ
52 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Ecuación de momentos (7):
Qw/g ( B2 V2 - B1 V1 cos θ) = P1 cos θ - P2 - FF (7)
P1 = 1/2 w d12 cosθ (8)
P2 = w d22 / 2 (9)
Q = V1 d1 = V2 d2 ; V2 = V1 d1 / d2
Si B1 = B2 ≈ 1 ; FF = o ; F1 = V1 / gd1
d2 / d1 = a
Sustituyendo:
V12 ( d1w /g) (V1 d1/ d2–V1cos θ) = (w d1
2 cos2 θ – w d22)/2 (10)
2 (V12 / d1 g) (d1 / d2 – cos θ) = cos2 θ – ( d2 / d1)
2
2 ( F12 /a) – 2 F1
2 cos θ = cos2 θ – a2
(a2 / 2 F1) + F1 / a = K
K = Factor de resolución de la ecuación
K = cos θ ( F1 + (cos θ/2 F1)) (11)
Una vez calculados h1 y V1, se aplican los criterios generales indicados enla sección anterior. El cuadro 2-1 presenta un ejemplo de aplicación de los crite-rios expuestos.
Al finalizar el cálculo, debemos comprobar lo siguiente:
altura de la rampa + tirante de agua en el vertedero de coronación de larampa = pérdida de carga + altura del tirante aguas abajo del resalto
Mezcladores 53
Figura 2-5. Empalme mezclador-floculador (4)
Si el cálculo no esconforme, hay que seguirmodificando los datos has-ta que los resultados satis-fagan esta condición.
La figura 2-4 mues-tra una rampa diseñadapara un caudal de 120 L/s.El resalto produce una tur-bulencia adecuada y se ubi-ca exactamente al pie dela rampa, porque la unidadse dimensionó y ubicó co-rrectamente.
d) Recomendaciones de diseño
Para conseguir un comportamiento hidráulico óptimo en la unidad, ademásde un buen dimensionamiento, es necesario que esta se ubique correctamente conrespecto a la siguiente unidad, que normalmente es el floculador y que los nivelesde ambos —el de salida de la rampa con el nivel de entrada al floculador— esténbien empalmados (figura 2-5).
La grada que se colocaal final de la longitud de mezclatiene la finalidad de contribuir acontener el resalto, para queeste se dé al pie de la rampa(figura 2-6).
En resumen, para que elmezclador opere correctamen-te, además de comprobar quela intensidad de turbulencia parala mezcla esté dentro del rangoapropiado y que cumplan conla igualdad:
Figura 2-4. Mezclador del tipo rampa en unaplanta mediana (4)
4.013
3.8033.713
3.620
3.323 3.353
3.703
2.313
3.5033.423
0.503
Floc.
54 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Figura 2-6. Detalle de la elevación del mezcladorde tipo rampa (4)
Figura 2-7. Mezclador de tipo rampa enuna planta grande (4)
Eo + h3 = hp + h2 (12)
Criterios que se deben tener en cuenta al elaborar el perfil hidráulico de laplanta.
Cuando se tra-ta de unidades degran capacidad, esnecesario que la sec-ción de la caja de en-trada se diseñe parauna velocidad ascen-sional menor de unm/s. La tubería de en-trada debe ingresarpor el fondo de la caja,para que la masa deagua vaya perdiendoenergía al ascender. En estas condiciones, la lámina de agua alcanzará el vertede-ro de coronación de la rampa sin turbulencia, lo que permitirá medir el caudalcorrectamente.
e) Problemas de diseño máscomunes
La figura 2-7 muestra unmezclador de tipo rampa queopera con un caudal de 2,5 m3/s.La caja de entrada a esta uni-dad no tiene suficiente profun-didad para amortiguar la turbu-lencia de entrada. Fue necesa-rio colocar una tapa para con-tener las salpicaduras y evitarque estas inundaran el contornode la rampa.
4,013
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3,323 3,353
3,703
2,.313
3,503Aplicación del Sulfato de Aluminio
Entrada al Floculador
0,15 0,50 0,15 0,251,00 0,96 1,19
Mezcladores 55
Figura 2-8. Mezclador de tipo rampa mal ubicado (4)
Uno de los defectos de diseño máscomunes en este tipo de mezclador surgede no empalmar correctamente el niveldel agua a la salida de la rampa con elnivel de operación del floculador.
El mezclador de tipo rampa de lafigura 2-8 adolece de este defecto. El pro-yectista empalmó el fondo de la rampacon el fondo del floculador y la rampa que-dó ahogada.
Cuando el canal de aproximacióna la rampa da una vuelta de 90° antes delmezclador, el tirante de agua que embocael vertedero de coronación de la rampapresenta un nivel inclinado por efecto delvolteo, lo que anula la posibilidad de utili-zar el vertedero como medidor de cau-dal. En la figura 2-9 se puede observarque el efecto de la vuelta llega hasta elresalto, que también se presenta inclina-do.
Figura 2-9. Defectos en el canalde aproximación a la rampa (4)
56 Diseño de plantas de tecnología apropiada
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4 y/µ
58 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Figura 2-10. Canaleta Parshall
N
Planta
H
CD
A
G
W2/3 A
H3Pérdida de
cargaCorte
B F
h1h2
K
E
2.1.2 Canaleta Parshall (1)
Se usa la canaleta Parshall normalmente con la doble finalidad de medir elcaudal afluente y realizar la mezcla rápida. Generalmente, trabaja con descargalibre. La corriente líquida pasa de una condición supercrítica a una subcrítica, loque origina el resalto. Fue ideada en 1927 por R. L. Parshall y patentada en variostamaños con las dimensiones indicadas en el cuadro 2-3.
La secuencia de cálculo es semejante a la del caso anterior, si se introducenlas alteraciones debidas a las variaciones en la sección 0 de medición (figura2-11).
Mezcladores 59
Ho
41 3Secciones 0 2
N X
W
G
K
D Dl
W W C
B2/3 B
GF
hf
h1
h2
h3
Pulgadas
Figura 2-11. Canaleta Parshall
E0 = V02 / 2g + Ho + N (13)
La altura de agua enla sección de medición pue-de ser calculada por la si-guiente ecuación:
H0 = K Qm (14)
Los valores de K y mse pueden obtener del cua-dro 2-4.
La velocidad en lasección de medición se cal-cula mediante la siguienterelación:
Cuadro 2-3. Dimensiones estandarizadas de los medidores Parshall
W A B C D E F G K N
(cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm)
1" 2,5 36,3 35,6 9,3 16,8 22,9 7,6 20,3 1,9 2,93" 7,6 46,6 45,7 17,8 25,9 45,7 15,2 30,5 2,5 5,76" 15,2 61,0 61,0 39,4 40,3 61,0 30,5 61,0 7,6 11,49" 22,9 88,0 86,4 38,0 57,5 76,3 30,5 45,7 7,6 11,41' 30,5 137,2 134,4 61,0 84,5 91,5 61,0 91,5 7,6 22,9
1 1/2' 45,7 144,9 142,0 76,2 102,6 91,5 61,0 91,5 7,6 22,92' 61,0 152,5 149,6 91,5 120,7 91,5 61,0 91,5 7,6 22,93' 91,5 167,7 164,5 122,0 157,2 91,5 61,0 91,5 7,6 22,94' 122,0 183,0 179,5 152,5 193,8 91,5 61,0 91,5 7,6 22,95' 152,5 198,3 194,1 183,0 230,3 91,5 61,0 91,5 7,6 22,96' 183,0 213,5 209,0 213,5 266,7 91,5 61,0 91,5 7,6 22,97' 213,5 228,8 224,0 244,0 303,0 91,5 61,0 91,5 7,6 22,98' 244,0 244,0 239,2 274,5 340,0 91,5 61,0 91,5 7,6 22,910' 305,0 274,5 427,0 366,0 475,9 122,0 91,5 183,0 15,3 34,3
60 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Ancho de la garganta delParshall (w)
pulgadas metrosK m
3" 0,075 3,704 0,6466" 0,150 1,842 0,6369" 0,229 1,486 0,6331' 0,305 1,276 0,657
1 1/2' 0,460 0,966 0,6502' 0,610 0,795 0,6453' 0,915 0,608 0,6394' 1,220 0,505 0,6345' 1,525 0,436 0,6306' 1,830 0,389 0,6278' 2,440 0,324 0,623
Cuadro 2-4. Valores de K y m para la ecuación 13
V0 = Q / H0 D’ (15)
por relaciones geométricas:
D’ = 2 / 3 (D - W) + W (16)
Donde D, N y W son las dimensiones de la canaleta dadas en el cuadro 2-3.
Se puede considerar que toda la energía disipada en la canaleta Parshall seda entre la salida de la garganta (sección 2) y la sección de salida de la canaleta(sección 3) y que en este volumen la mezcla es prácticamente completa.
Bajo condiciones de flujo con descarga libre, la pérdida de carga puedecalcularse mediante la siguiente fórmula (figura 2-11):
hf = Ho + K – h3 (17)
El cuadro 2-5 presenta un ejemplo de aplicación de los criterios expuestos.
La figura 2-12 muestra una canaleta Parshall, diseñada para una capacidadde un m/s, que opera como mezclador y medidor de caudal.
Mezcladores 61
Figura 2-12. Canaleta Parshall para 1,0 m3/s (4)
Figura 2-13. Canaleta Parshall defectuosa (4)
En el caso de mezcla-dores de tipo canaleta Parshall,también debe empalmarse elnivel de salida de la canaletacon el nivel de entrada delfloculador para que el resaltose produzca en la garganta dela unidad. Al proyectar unacanaleta Parshall, se deben te-ner en cuenta las recomenda-ciones relacionadas con la lon-gitud de los canales de aproxi-mación y salida para que secomporte adecuadamente.
a) Problemas de diseño más comunes
La figura 2-13 ilustra lo que sucede cuando no se ha efectuado correcta-mente el empalme de niveles de la canaleta con la siguiente unidad: el resalto sedesplaza y se ubica en el nivel más bajo. Como en el proyecto se indica que laaplicación del coagulante se debe hacer en la garganta de la canaleta —lugardonde suponía el proyectista que se iba a obtener el resalto—, dicha aplicación sehace en un punto en el que no hay turbulencia. Este defecto es muy frecuente eneste tipo de unidades.
La figura 2-14 ilustraotro problema muy común.El resalto hidráulico no se lle-ga a formar porque durantela etapa de elaboración delproyecto solo se comproba-ron las condiciones de ope-ración de la unidad con elcaudal del final del periodode diseño de la planta y nose determinó cómo iba acomportarse con el caudal dela primera etapa.
62 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Figura 2-14. No llega a formarse el resalto (4)
Figura 2-15. Forma de ingreso a la canaleta ( 4)
El resultado es que nose está formando el resaltohidráulico, debido a que elcaudal de operación en la pri-mera etapa es muy bajo y,por consiguiente, la mezclaresulta muy pobre e inefi-ciente. En estos casos, debeseleccionarse un ancho degarganta que pueda operarcon los dos caudales, dentrodel rango de los parámetrosde mezcla recomendados.
El caudal que alimenta a la canaleta de la figura 2-15 viene del desarenador,que se proyectó elevado sobre el terreno. La tubería que se aprecia en la fotosaliendo del desarenador (donde están las dos personas) lo hace muy superficial-mente, por lo que ingresa aire a la tubería.
El aire y la carga de entrada al canal producen salpicaduras de agua alrede-dor de la unidad, por lo que se colocaron tablones fijados con los cilindros que sepueden apreciar en la foto, para evitar que la zona se inundase.
La canaleta se ubicóigualando el fondo de estacon el del floculador y operaahogada (figura 2-16). Lasondulaciones que se aprecianen la figura son originadaspor los chorros de aire quepasan a través de la tuberíade entrada. La canaleta noopera como medidor ni comomezclador debido a la sumade los defectos indicados.
Mezcladores 63
Figura 2-16. Canaleta Parshall mal ubicada (4)
Figura 2-17. Canaleta Parshallcontrahecha (4)
En la figura 2-17 sepuede apreciar una canaletaParshall de la cual sale latubería hacia la planta. Launidad carece de canales deaproximación y de salida,comienza en la transición deingreso y termina con la desalida; en estas condicio-nes, esta canaleta no es útilcomo medidor porque nosigue las recomendacionesde Parshall para este fin.
La figura 2-18 mues-tra el interior de la canaleta de la figura 2-17, que está siendo usada como mezcla-dor y medidor de caudal. Se puede apreciar que no se está formando resaltohidráulico debido a que no se empalmaron las líneas de flujo. La siguiente unidadestá a más de 100 metros de distancia y a un nivel más bajo con respecto a lacanaleta. Tampoco se proyectó un difusor para aplicar el coagulante en todo elancho que ocupa la masa de agua. De esta manera, la mezcla obtenida es muydeficiente.
En la canaleta de lafigura 2-19 se puede apreciarque no se consideró el canalde aproximación. El aguaemboca a la canaleta des-pués de una vuelta de 90 gra-dos y luego de pasar por dosorificios.
64 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Figura 2-18. Interior de la canaleta de lafigura 2-17 (4)
Figura 2-19. Canaleta Parshall defectuosa (4)
Mezcladores 65P
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66 Diseño de plantas de tecnología apropiada
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T =
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°CG
= 1
,084
Mezcladores 67
Figura 2-20. Vertedero rectangular (2)
2.1.3 Vertedero rectangular
Esta unidadconsiste en un canalrectangular con un ver-tedero rectangular sincontracciones a todo loancho del canal (figu-ra 2-20).
La lámina ver-tiente, después de pa-sar sobre el vertedero,toca el fondo del canalen la sección 1, a unadistancia Lm del verte-dero. Cuando la lámi-na de agua alcanza el fondo, se divide en una corriente principal que se muevehacia el frente y en una corriente secundaria que retorna. Para evitar el efectoperjudicial de la zona muerta que forma un vertedero de paredes verticales, serecomienda el diseño de vertedero de la figura 2-20. La distancia Lm puede sercalculada por la ecuación de Scimeni:
Lm = 4,3 P ( hc / P) 0,9 (18)
La longitud de la mezcla (LJ) se calcula mediante la ecuación 4. Para elcálculo del gradiente de velocidad, es necesario conocer la energía consumida enel resalto (figura 2-20). La altura de agua en esta sección (h1) está relacionadacon la altura crítica (hc) por la siguiente ecuación:
h1 = (19)
hc = 3 q2 / g (20)
donde q es el caudal específico
chP2,56
2hc
+
CoagulanteH
P
B
h1
Q
h2
1
Q1
Lm
1
Lj
2
16
h2
68 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Figura 2-21. Vertedero rectangular comomezclador (4)
(q = Q/B) y Q = 1,84 x B x H3/2 (21)
El cuadro 2-6 presenta unejemplo de aplicación de los cri-terios expuestos.
La figura 2-21 muestra unmezclador de tipo vertedero ope-rando correctamente.
2.1.4 Vertedero triangular
Este tipo de mezcladorconsiste en un canal rectangulary un vertedero de 90° colocado
a una altura (P) medida del vértice del vertedero al fondo del canal. Esta alterna-tiva solo es apropiada para caudales pequeños.
En este caso, la altura de agua (h) en el vertedero se calcula mediante lasiguiente expresión:
(22)
Con caudales de alrede-dor de 30 L/s como el del ejem-plo del cuadro 2-7, el ancho delcanal (B) puede ser igual al dela lámina de agua (L). CuandoL sea demasiado pequeña, pormotivos de construcción, sehará B = 2 L.
Cuando no se deja la al-tura de agua apropiada entre elvértice del vertedero y el niveldel agua en el canal, el resaltoque se forma es muy pobre (fi-gura 2-22).
Figura 2-22. Vertedero triangularcomo mezclador
0,4
1,4Qh ⎥⎦
⎤⎢⎣⎡=
Mezcladores 69
Cua
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2-6.
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034)
2/3
Car
ga d
ispo
nibl
em
H =
0,0
673
g =
9,8
m/s
2A
ltura
crí
tica
mh c
= 0,
054
Altu
ra d
e la
cre
sta
mh 1 =
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h 1 =
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5) /
Altu
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e ag
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0,67
/0,0
5) +
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6)en
la
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ión
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h 1 =
0,01
765
V 1 = q
/ h 1
V 1 =
0,0
34/0
,017
6Ve
loci
dad
en l
a se
cció
nm
/s(1
) V 1
= 1,
936
F 1 = V
1 /
g h
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,93/
9
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176
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ero
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4,65
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(
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F 12 –
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76)(
( 1
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4,63
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1)
Altu
ra d
e ag
ua e
n la
m
2
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ión
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0,11
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loci
dad
en l
a se
cció
nm
/s (
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9L J =
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2 - h
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76)
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dad
70 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Cua
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-6. C
ompr
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Uni
dad
Res
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Uni
dad
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j / V
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,54
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empo
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= 2
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ero
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dad
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loci
dad
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a tu
bería
m/s
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o / V
tAt
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⎟ ⎠⎞⎜ ⎝⎛
⎟ ⎠⎞⎜ ⎝⎛
=02
54,0
14
5,0
πAtD
t
Mezcladores 71
Figura 2-23. Defectos en el diseño de unvertedero triangular como mezclador
En el mezclador de la fi-gura 2-23 no se está producien-do el resalto en el punto en queel chorro de agua pega sobre lasuperficie en el canal, porque ade-más de que no se dejó la alturaadecuada entre el vértice y el ni-vel del agua, tampoco se empal-mó el nivel del canal con el niveldel floculador. De este modo, elresalto se está produciendo en laentrada del floculador.
2.1.5 Difusores
Este tipo de mezclador es especialmente apropiado para canales de mezclaprofundos y cuando no se tiene mucha carga disponible para el mezclador. Cuan-do la altura de agua en el punto de mezcla es grande, la mezcla es más eficiente sila aplicación del coagulante se efectúa en toda la sección y no en un solo punto.Cuando el coagulante se aplica en un solo punto, los resultados no son buenosdebido a que la mezcla se completará en una distancia tal como L, lo que deman-dará un exagerado tiempo de mezcla (T) (figura 2-24-a). Como el sulfato dealuminio al contacto con el agua se hidroliza y polimeriza en fracciones de segun-do, la eficiencia del proceso disminuye.
Cuando el nú-mero de puntos deaplicación es mayor,menor es la distancia(L/4) y el tiempo demezcla (T/4) (figura2-24-b), y la disper-sión del coagulantemás rápida, con lo quese logra una eficien-cia mayor. Figura 2-24. Principio de los difusores (1)
1 punto de aplicaciónTiempo de mezcla = T
(a)
4 puntos de aplicaciónTiempo de mezcla = T/4
(b)
L L
72 Diseño de plantas de tecnología apropiadanu ne adi pár a lcze
m ed sen oic idn oc s al ed nó icab orpmo
C . 7- 2 ordauC
09 ed ralugnairt oredetrev°°°° °
osaP
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seda dinU
solucláC
daditnaC
dadinU
sodatluseR
o ñesi d ed l aduaC
10 30, 0
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s/] 4, 1/
Q[ = h
4, 0m
ed animál al ed arutl
A ]4,1/0 30 ,0[
= h 4,0
1 2,0 = h
oredetrev le erbos auga
2h 2
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animál al ed ohcn
A)12,0( 2
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24, 0 = L
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l ana c l ed ohc nA
354 ,0
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B /Q
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oi rati nu l ad uaC
3s /xm
54,0/030,0 = q
L = B
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660,0 = q
ed nó icarelecA
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= gs/
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ma cit ír c arut l
Adadevarg al
h c
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ec itrév le edsed a rutlA
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cm
led oicini la arutlA
le atsah oredetrev ledh 1
970,0/0,1 + 65,2 / )970,0( 14,1
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sauga lan ac l ed o dn ofh 1
820,0 =
ojaba
6V 1
h/q =
1s/
mled oicini la dadicoleV
V 1V 8 20, 0/660,0
= 1
6 3,2 =
ot las er
7F 1
V =
1h g /
1)820,0( 18,9 /63.2
= eduorF ed ore
múN
F 15,4
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h =
1F 8
+ 1 [ 2/1
]1 - m
séupsed auga ed arutlA
h 21 - )5,4( 8
+ 1 [ )2/8 20,0( =
otlaser led]
h 2170,0
=
Mezcladores 73
osaP
sotaD
s eda di nU
solu clá
Cdad itna
Csodatluse
R
9V 2
h /q =
2s/
mled lanif la dadicoleV
V 2V ; 170,0/660,0
= 2
39,0 =
otlaser
0 1h p
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2h -
1)3h 4 /
1h
2m
ne ada pisid aígrenEh p
)820,0 – 17 0, 0( =
3)820, 0( )1 70,0( 4 /
o tlaser leh p
) 01( 99,9 =
3-
11L m
h(6 =
2h -
1)m
otlaser led dutignoLL m
)820,0 – 70 ,0( 6 =
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)P / 9,0
mled aicnatsi
D)0, 1/9 70 ,0( )1( 3,4
= ’L9,0
a l a or ed et rev44, 0
= ’L1 n óicc es
31V m
V( =
1V
+ 2
2/)39,0 + 63,2(
= 2/)s/
moide
morp dadicoleVV m
5 6,1 =
otlaser le ne
41L
= Tm
V/m
56 ,1 /85 2, 0 = T ;
sa lcz e
m e d o pmeiT
61 ,0 = T
51 µ/r
02 9.2 =h . µ/ r
= G
pT/
sdadicolev ed etneidar
G1-
T 51 = °C
)01( 9 9,9( 0 29. 2 =
G3-
)06 1,0/5,0
037 =
G
dadinU
nu ne adipár alczem ed senoicidnoc sal ed nóicaborp
moC .7-2 ordau
C09 ed ralug na irt ore detrev
( °( °( °( ° ( °)nóicaunitnoc
74 Diseño de plantas de tecnología apropiada
En las unidades de mezcla de resalto hidráulico, en las que la lámina deagua en el punto en que se origina el resalto (punto de aplicación del coagulante)es muy delgada, se emplea un difusor constituido por un tubo perforado o por unacanaleta de distribución como la indicada en la figura 2-25.
Figura 2-25. Canaleta de distribución de sulfato de aluminio (1)
En canales donde la lámina de agua es relativamente profunda o en tube-rías bajo presión se pueden utilizar los dispositivos indicados en las figuras 2-26 y2-27.
Estas unidades son adecuadas para aguas que coagulan por mecanismosde adsorción o de barrido.
a) Parámetros de diseño
• El gradiente de velocidad puede variar entre 500 y 1.000 s-1.
• El tiempo de retención puede variar entre 1 y 7 segundos.
• El espacio máximo entre dos orificios nunca debe ser superior a 10 centí-metros, para que el coagulante se distribuya de manera uniforme en toda lasección del canal.
• Los chorros de coagulante deben tener una velocidad de 3 m/s y debendirigirse en sentido perpendicular al flujo.
• Los orificios deben tener un diámetro mínimo de 3 mm.
Sección longitudinal Sección transversal
Coagulante
Tubo difusor
Mezcladores 75
• La velocidad de la masa del agua donde se distribuyen los chorros deberáser igual o superior a 2 m/s.
• Deben preverse facilidades para la limpieza o para la rápida sustitución deldifusor. Los difusores en tuberías no permiten ver cómo está operando launidad, por lo que resulta una unidad muy vulnerable en sistemas donde nose disponga de un buen nivel de operación.
Figura 2-26. Difusor en tubería (1)
Figura 2-27. Difusor en canal (1)
Coagulante
Barrasmetálicas
JuntaDresser
Válvulas paralimpieza
Orificios
Caja distribui-dora (móvil)
Plástico
Tubo de acero
Tubo interno(removible)
Orificios
Tubo externo(fijo)
76 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Diámetro de las barrasValor de acm pulgadas
0,16 (1/16) 0,40
0,31 (1/8) 0,540,63 (1/4) 0,80
1,25 (1/2) 1,13
2,52 (1) 1,47
b) Criterios para el dimensionamiento
En el cálculo de estas unidades se utiliza el modelo de Stenquist:
C1 F / C01 = α [l/ d ]-a (23)
Donde:
α = coeficiente que depende del número de orificios y de la relación Q/q(relación del caudal de la masa de agua con el caudal del coagulante).Los experimentos realizados por Stenquist proporcionan un valor deα = 5
F = densidad de orificios en el difusor o número de orificios por pulgadacuadrada
d = diámetro de las barras que constituyen la reja del difusora = tasa de reducción de las fluctuaciones de la concentración. Depende
del diámetro de las barras (d). Valores experimentales determinadospor Stenquist (cuadro 2-8)
l = longitud de la mezcla (m)C1/C0
1 = grado de segregación de la solución del coagulante aplicado ( IS )
Cuadro 2-8. Valores de constantesααααα = 5,00
C01 = concentración inicial del coagulante en el flujo de agua = CA . q/Q,
Donde:
CA y q son la concentración y el caudal de la solución del coagulante, respectiva-mente.Q = caudal de agua (m3/s).
Mezcladores 77
La separación entre barras (M) se calcula en función del grado de solidez(S):
M = d [1/(1 - 1-S)] (24)
Donde:
S = K / (1 + K) (25)
siendo K el coeficiente de pérdida de carga, la pérdida de carga (h) se obtendráde:
h = K V2 / 2g (26)
El gradiente de velocidad se obtendrá mediante la ecuación general paraunidades hidráulicas:
G = γ/µ . hf/ T (27)
2.1.6 Inyectores
En este tipo de unidades se consigue la homogeneización instantánea delcoagulante con el flujo de agua, a partir de la regulación de la velocidad de loschorros y del número de chorros dentro de la sección de la masa de agua.
a) Parámetros de diseño
• La velocidad de los chorros (u) debe ser por lo menos cinco veces la velo-cidad del flujo del agua.
• La eficiencia máxima se consigue cuando el área cubierta por los chorroses por lo menos 80% de la sección del tubo.
b) Criterios para el dimensionamiento de los inyectores
• Ecuación básica del perfil del chorro en flujo turbulento (figura 2-28) segúnPratte y Baines (2):
[x / d . R ] = C [ z / d R] 0,28 (28)
78 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Donde:
x = diámetro del chorro al final de la zona de máxima deflexiónz = longitud de mezclaR = relación de velocidades del chorro (u) y del agua (V)d = diámetro de los orificios de inyecciónC = coeficientes de los perfiles del chorro (2)CS = coeficiente del perfil superior = 2,63Cc = coeficiente del perfil central = 2,05Ci = coeficiente del perfil inferior = 1,35
• Al final de la zona de máxima deflexión, se supone lo siguiente:
z / d1 R = 3 (29)
d1 = diámetro de los orificios de la primera hilera.
x = diámetro de los chorros
x = 1.741 . d . R , donde R = u/V (30)
• Ecuaciones de los perfiles superior e inferior, a partir de las ecuaciones 28y 29:
xs / d1 R = 2,63 (3)0,28 = 3,58 (31)
xi / d1 R = 1,35 (3)0,28 = 1,84 (32)
• Diámetro de los orificios de la segunda hilera (d2):
d2 = 0,5 d1 (33)
• Caudal de la solución de coagulante (q):
q = u (π /4) [ N1 d12 + N2 d2
2 ] (34)
N1 = Número de orificios de la primera hileraN2 = Número de orificios de la segunda hilera
Mezcladores 79
• Pérdida de carga en los chorros (hf)
hf = K u2 / 2g (35)
Figura 2-28. Perfil del chorro en flujo turbulento
• Gradiente de velocidad generado por los chorros:
G = γ q . hf / µ (36)
= volumen de mezcla
= π D2/4 (Z1 + Z1) (37)
El cuadro 2-9 indica la secuencia de cálculo de un inyector y su aplicación(figura 2-29)(3).
Figura 2-29. Diseño de un inyector de 24 chorros
∀
∀
deflexión
D
Zona nucleada
Z = 10 dR
Zona de máx.
V
Zona devórtice
dµ
X
q (coagulante)
Aguacruda
(A) (B)
(C) (D)
D/2X = 0,15
0,15
D
d2
d1
z1z2
q
0,42 m3/s
∀
80 Diseño de plantas de tecnología apropiada
o saP
sotaD
d ad inU
oiret irC
ol obmíS
od at luseR
dadinU
02 4,0 = laduaC
1Q
m3
s/)6, 0( (/024, 0
= A /Q
= V2
)4 /π s/
m aír ebut a l n e dad icole V
5, 1 = V
0 6,0 = aíre but ed o rtemái
DD
mseda dicolev ed nóicale
R2
2,5 = )5, 1( 5,3
= µ ; V R = µ
Rs/
msorrohc sol ed dadicoleV
5 ,3 =x odn eic a
H3
s2 /
D a l au gi x s
mx s
d / 1
85, 3 = R
ms oi cifiro so l ed o rte
máiD
d 1] )5, 3( )85,3 ( ) 2([ /06,0
= are lih are
mi rp a l edd 1
420,0 =
4x
∆1
d 147, 1 =
1Rm
al ed sorrohc ed ortemái
Dx
∆1
51,0 = )5,3( )420,0( 147 ,1
= arelih are
mirps oi cifiro s ol e d or e
múN
5N 1
.N
°A 1
N =
1x
∆ π 2
)5 1,0 ( π ) 21([ = 4/
24/]
mso rrohc sol ro p atrei bu c ae r
Á2
21 =A 1
12,0 =
ar elih aremi rp a l e d
6D π
= A2
)6,0( π = 4/
24 /
mo but l ed aer
Á2
382,0 = A
747
= 382, 0/)001( 1 2,0 =
%%
obut led aerá led ejatnecroPsorrohc sol rop atreibuc
8z 1
d 01 =
1R
mor rohc led duti gn oL
z 148, 0
= z ; )5,3 ( )4 20, 0( 0 1 =
aer á le d o rtemái
D9
x s1m
x s1d /
28 5, 3
= R m
s oicifiro sol ed ortemái
Don o bu t led l ar tnec
d 2])5,3( )85,3 ( )2([/ 03,0
= arelih adnuges al ed
03,0 = sorrohc noc atreibucd 2
d( 210,0 =
2≈
d 5,0 1)
d 2210,0
= 01
x∆
2d 1 47,1
= 2
R m
sorrohc sol e d ortemái
Dx
∆2
)5 ,3( )2 10, 0( 147 ,1 =
arel ih adnuges al edx
∆2
370,0 =
rotceyni nu ed olucláC .9-2 ordau
C
Mezcladores 81P
aso
Dat
osU
nida
dC
rite
rio
Sím
bolo
Res
ulta
do
11N
úmer
o de
orif
icio
s =
12N 2
N.°
A 2 = [
N2 π
( x
2)2 ] /4
Áre
a de
los
cho
rros
de
lam
2
A 2 =
[12
π (0
,073
)2 ]/
4 =
0,0
50se
gund
a hi
lera
12A T
= 0
,21
+ 0
,050
= 0
,26
Áre
a to
tal
cubi
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por
los
m2
chor
ros
13%
= [
0,26
(10
0)]/
0,2
8 =
92,
8Po
rcen
taje
del
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a de
l tu
bo%
cubi
erta
por
los
cho
rros
14q
= [
µ π
(N1 d
1 + N
2 d2)]
/4C
auda
l de
l co
agul
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m3 /s
q =
(5,
2) π
/4[1
2 (0
,024
)2 +
12
(0,0
12)2 ]
q =
0,0
35
15C
oefic
ient
e de
pér
dida
Kco
nsta
nte
h f = K
µ2 /
2g
;
h f =
(5,2
)2 /19,
6Pé
rdid
a de
car
gam
de c
arga
= 1
h f = 1
,38
16d 2 =
z 2 = 3
d2
R
= 3
(0,
012)
x 3
,5Lo
ngitu
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cho
rros
mz 2
= 0
,126
de la
seg
unda
hile
ra
17
=π
D2 /
4 (z
1 + z
2)Vo
lum
en d
e la
zon
a de
mez
cla
m3
=
π (0
,6)2
(0,
126
+ 0
,84)
/4
= 0
,27
18T
=
/(Q
+ q
) =
0,2
7/(0
,42
+ 0
,035
)Ti
empo
de
mez
cla
seg
T =
0,5
9
19
γ/µ
=
2.73
6G
=
γ/µ
q
.hf /∀
Gra
dien
te d
e ve
loci
dad
s-1
T =
10 °
CG
= 2
.736
0,03
5 x
1,38
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7G
= 1
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Uni
dad
Cua
dro 2
-9. C
álcu
lo d
e un
inye
ctor
(con
tinua
ción
)
∀
∀
∀∀
82 Diseño de plantas de tecnología apropiada
2.3 Unidades mecánicas (1)
La mezcla rápida meca-nizada es más eficiente cuandose emplean agitadores de tipoturbina.
El agitador de turbinaconsta de un disco o eje conimpulsores, los cuales impartenmovimiento al líquido a travésde la rotación del disco. Se cla-sifican por el tipo de movimien-to producido en turbinas de flujo axial y turbinas de flujo radial (figura 2-30) (1).
La potencia aplicada al agua por las turbinas depende del volumen y de laforma de la cámara de mezcla, así como de la velocidad de rotación y geometríadel impulsor. Estas variables están interrelacionadas, de tal modo que el diseño dela cámara de mezcla depende del tipo de turbina y viceversa.
Son adecuadas para cualquier tipo de agua, pero se recomiendanespecíficamente para aguas claras que coagulen por el mecanismo de captura obarrido.
2.3.1 Parámetros de diseño
• Gradiente de velocidad de 500 a 1.000 s-1.
• Tiempo de retención de 1 a 7 seg.
2.3.2 Criterios para el dimensionamiento
Rushton (7) encontró que la potencia debida a las fuerzas de inercia y a lasfuerzas de viscosidad, representadas por el número de Reynolds (NR), están rela-cionadas por las siguientes expresiones, de acuerdo con el régimen hidráulico:
• Laminar P = K / gc (µ n2 D3) (38)
• Turbulento P = K / gc ( σ n3 D5) (39)
Figura 2-30. Tipos de turbinas
(a) Axial (b) Radial
Mezcladores 83
Disco Plana Plana Inclinada
Curva 1 Curva 2 Curva 3 Curva 4
Núm
ero
de p
oten
cia
K
1000
500
200
100
50
20
10
5
2
11 101 102 103 104 105
1
2
34
D D D DWD = 1/5WD = 1/5WD = 1/5WD = 1/5
W W W W
Donde:
P = potencia necesaria (kgf/m/s)n = número de rotaciones por segundo (rps)D = diámetro del rotor (m)σ = densidad del agua (kg/m3)µ = viscosidad absoluta (kgf · s/m2)gc = factor de conversión de la ley de Newton (9,81 kg · m/kgf · s2)
La ecuación (38) es válida para valores del número de Reynolds inferioresa 10 y la ecuación (39) se aplica para los números de Reynolds superiores a10.000. Para valores intermedios del número de Reynolds, la potencia sería cal-culada por la fórmula (40):
P = [K / gc ] σ n3 D5 . (NR)P . (NF)q (40)
Donde:
NR es el número de Reynolds NR = n σ D2 / µ (41)
NF es el número de Froude NF = n2 D/g (42)
El coeficiente K depende de la geometría de la cámara y del equipo demezcla, y p y q, del régimen de flujo.
Figura 2-31. Relación entre el número de potencia y el númerode Reynolds para algunos tipos de turbinas (1)
84 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Los valores de K para cuatro tipos básicos de turbina son dados en funcióndel número de Reynolds en el gráfico de la figura 2-31.
Para el régimen turbulento, que es la condición para la mezcla rápida, talesvalores sólo serán válidos si se han previsto dispositivos para la eliminación delvórtice. Esto puede hacerse por medio de cuatro cortinas, tal como se indica en lafigura 2-32, cada una tomando 10% del diámetro del tanque (DT).
La turbina de tipo 1 es la que proporciona, bajo idénticas condiciones derotación y diámetro, la mayor potencia útil (K = 5). La geometría del sistema decámara del equipo de mezcla se define por las siguientes relaciones (figura 2-32):
Figura 2-32. Relaciones geométricas de la cámara de mezcla (1)
Ejemplo: dimensionar un retromezclador y la cámara de mezcla para unaplanta que tratará 450 L/s.
gradiente de velocidad G = 1.000 s-1
tiempo de mezcla T = 1 s
2,7 < DT / D < 3,3
2,7 < H / D < 3,9
0,75 < h / D < 1,3
B / D = 1 / 4
W / D = 1 / 4
1 / DT = 1 / 10
B
W
DT
D
H
h
Mezcladores 85
Solución: los cálculos son bastante simples, como lo demuestra el cuadro2-10. Se inician fijando las relaciones geométricas entre la cámara y la turbina,como se ha indicado en la figura 2-32. Con el gradiente de velocidad prefijado, lasecuencia de cálculo es orientada hacia la determinación de la potencia aplicadaal agua y, finalmente, la velocidad de rotación.
Para un motor eléctrico de cuatro polos (aproximadamente, 1.750 rpm a 60Hz), será necesario un reductor de velocidad con un factor de reducción de1.750/420 ó de aproximadamente 4:1.
En la determinación de la potencia del motor eléctrico se debe tener encuenta el rendimiento del reductor de velocidad. A un rendimiento de 80%, lapotencia mínima del motor eléctrico deberá ser la siguiente:
Pm = 210 / 75 x 0,8 = 3,5 HP (43)
La selección deberá recaer en un motor de potencia nominal de 4 HP (po-tencia de placa).
La selección del reductor de velocidad es uno de los puntos críticos en eldimensionamiento mecánico del mezclador. Es el componente más importante ytambién el más caro. Los reductores deben ser especificados para un factor deservicio basado en la potencia nominal del motor eléctrico no inferior a 1,5. En elejemplo, el reductor sería, entonces, dimensionado para una potencia de 6 HP.
La adopción de periodos pequeños de retención inferiores a 2 segundos enlas cámaras de mezcla rápida mecanizadas exige que la corriente líquida incidadirectamente sobre las paletas del agitador. El coagulante deberá ser aplicado enel interior de la cámara, apuntando hacia la turbina del agitador.
86 Diseño de plantas de tecnología apropiada
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m nu ed otneimanoisne
miD .01-2 ordau
C)1(
Mezcladores 87
REFERENCIAS
(1) Programa Regional HPE/OPS/CEPIS de Mejoramiento de la Calidad delAgua para Consumo Humano. Manual V: Diseño. Tomo I. Criterios dediseño para la dosificación y mezcla rápida. Lima, CEPIS/OPS, 1992.
(2) Richter, Carlos. Submódulo C.19.3.1. Mezcla rápida. Módulo C.19.3. Dise-ño. Programa Regional de Mejoramiento de la Calidad del Agua para Con-sumo Humano.
(3) Amirtharajah, A. “Initial Mixing”. En Coagulation and Filtration: Backto the Basics. AWWA Seminar Proceedings, American Water WorksAssociation, Dallas, 10-14 de junio, 1984.
(4) Vargas, Lidia. Fotos de archivo personal. Lima, CEPIS.
(5) Stenquist, R. y R. M. Kaufman. Initial Mixing in Coagulation Processes.Berkeley, Universidad de California, 1972.
(6) Pratte, B. y D. Baines. “Profiles of the Round Turbulent Jet in a CrossFlow”. Journal of the Hydraulics Division. Proceedings of the AmericanSociety of Civil Engineers. 1967.
(7) Rushton, J. H. Mixing of Liquids in Chemical Processing. Ind. Eng. Chem.1952.
(8) Di Bernardo, Luiz. Información expuesta en el Curso de Diseño de Mérida,Yucatán, 1985 (basada en una investigación efectuada en la Escuela deSan Carlos).
88 Diseño de plantas de tecnología apropiada
CAPÍTULO 3
FLOCULADORES
Floculadores 91
1. INTRODUCCIÓN
El objetivo del floculador es proporcionar a la masa de agua coagulada una
agitación lenta aplicando velocidades decrecientes, para promover el crecimiento
de los flóculos y su conservación, hasta que la suspensión de agua y flóculos salga
de la unidad. La energía que produce la agitación del agua puede ser de origen
hidráulico o mecánico. En este capítulo trataremos sobre el diseño de unidades de
agitación hidráulica.
Entre los floculadores más conocidos se pueden citar, en primer lugar, las
unidades de pantallas de flujo horizontal y vertical, las de medios porosos, la de
tipo Alabama y Cox, y los floculadores de mallas.
2. PARÁMETROS Y RECOMENDACIONES GENERALES DEDISEÑO
Los gradientes de velocidad que optimizan el proceso normalmente varían
entre 70 y 20 s-1. En todo caso, en el primer tramo de la unidad el gradiente no
debe ser mayor que el que se está produciendo en la interconexión entre el mez-
clador y el floculador (1).
• El gradiente de velocidad debe variar en forma uniformemente decrecien-
te, desde que la masa de agua ingresa a la unidad hasta que sale (2).
• El tiempo de retención puede variar de 10 a 30 minutos, dependiendo del
tipo de unidad y de la temperatura del agua. En las zonas tropicales, donde
las aguas presentan temperaturas por encima de los 20 °C, el tiempo de
floculación necesario suele ser más breve, alrededor de 15 minutos. En
cambio, en los lugares fríos, donde el agua tiene temperaturas de 10 a 15
°C, generalmente el proceso se optimiza con tiempos de retención iguales
o superiores a 20 minutos (3).
92 Diseño de plantas de tecnología apropiada
• Para que el periodo de retención real de la unidad coincida con el de diseño,
ella debe tener el mayor número posible de compartimientos o divisiones (4).
• El paso del mezclador al floculador debe ser instantáneo y deben evitarse
los canales y las interconexiones largas.
• El tiempo de retención y el gradiente de velocidad varían con la calidad del
agua (1,4). Por lo tanto, estos parámetros deben seleccionarse simulando
el proceso en el laboratorio con una muestra del agua que se va a tratar
(ver el procedimiento en Tratamiento de agua para consumo humano.
Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo II, capítulo 11).
• Pueden operar indefinidamente sin riesgos de interrupción, debido a que
solo dependen de la energía hidráulica. Por esta razón, son muy confiables
en su operación.
• Por su bajo costo de construcción, operación y mantenimiento, se considera
a los floculadores como una tecnología apropiada para países en desarrollo.
3. UNIDADES DE PANTALLAS
Las unidades de pantallas son las más eficientes y económicas de todos los
floculadores actualmente en uso. Debido a la gran cantidad de compartimientos
que tienen, confinan casi perfectamente el tiempo de retención; el tiempo real es
prácticamente igual al tiempo teórico (4) cuando la unidad ha sido bien proyecta-
da. Debido a que no se requiere energía eléctrica para su funcionamiento, el costo
de producción es muy bajo.
Debido a su mayor eficiencia y menor costo, en el Japón se han reemplaza-
do los floculadores mecánicos por hidráulicos y actualmente solo se diseñan uni-
dades de este tipo (5).
3.1 Unidades de flujo horizontal
3.1.1 Parámetros y recomendaciones de diseño
• Recomendables para caudales menores de 50 litros por segundo.
Floculadores 93
• Se proyectará un mínimo de dos unidades, salvo que la planta tenga alterna-
tiva para filtración directa, porque en ese caso, podrá darse mantenimiento
al floculador durante los meses en que la planta opera con filtración directa.
• En este tipo de unidades predomina el flujo de pistón, por lo que se consigue
un buen ajuste del tiempo de retención.
• Se pueden utilizar pantallas removibles de concreto prefabricadas, fibra de
vidrio, madera, plástico, asbesto-cemento u otro material de bajo costo, dis-
ponible en el me-
dio y que no cons-
tituya un riesgo de
contaminación.
De esta manera,
se le da mayor fle-
xibilidad a la uni-
dad y se reduce el
área construida,
disminuyendo por
consiguiente el
costo de construc-
ción (figura 3-1).
• Entre los materia-
les indicados para
las pantallas, los
que ofrecen ma-
yor confiabilidad
son la fibra de vidrio, el plástico, los tabiques de concreto prefabricados y la
madera. En cada caso, la elección del material dependerá del tamaño de la
planta, del costo del material y de los recursos disponibles. Si se empleara
madera, se pueden disponer tabiques de madera machihembrada, tratada
con barniz marino aplicado en varias capas, cada una en sentido opuesto a
la anterior, de tal manera de formar una gruesa capa impermeabilizante.
También puede emplearse madera revestida con una capa de fibra de vi-
drio. La unidad puede tener una profundidad de 1,00 a 2,00 metros, depen-
diendo del material utilizado en las pantallas.
Figura 3-1. Floculador de pantallas de flujo
horizontal (6)
94 Diseño de plantas de tecnología apropiada
• Se pueden utilizar tambiénpantallas de asbesto-ce-mento, siempre y cuando nose tengan aguas ácidas oagresivas. Las aguas reco-mendables para utilizar estetipo de solución deben te-ner las siguientes caracte-rísticas:
Ia ≤ 10CO2 ≤ 3,5 mg/LSulfatos ≤ 1.500 mg/LpH ≥ 6
Donde:
Ia es el índice de agresividad, que es igual a:
Ia = pH + log 10 (A x D)A = alcalinidad total como CaCO3 en mg/L yD = dureza como CaCO3 en mg/L
En zonas sísmicas no serecomienda el empleo deplanchas de asbesto-cemento.Durante el terremoto queocurrió en el sur del Perú en el2001 se quebraron todas laspantallas de la unidad de flujohorizontal de la figura 3-2. En elprimer plano de la figura 3-3 sepueden ver los tanques defloculación sin pantallas.
En la figura 3-4 sepuede observar cómo quedaronlas pantallas del floculador y deldecantador laminar, que también
Figura 3-3. Floculador de pantallasdespués del sismo (7)
Figura 3-2. Floculador de pantallasde flujo horizontal (7)
Floculadores 95
eran de asbesto-cemento.
Principalmente a partir de esta
experiencia, de gran impacto
económico, no recomendamos
utilizar el asbesto-cemento para
este fin en zonas de alto riesgo
sísmico y de bajo nivel de ope-
ración, porque es un material muy
quebradizo si no se manipula
adecuadamente durante las
labores de mantenimiento. Los
operadores acostumbran caminar
sobre las pantallas. En la figura
3-5 se pueden ver las maderas que colocan para caminar encima de ellas.
• Con pantallas de asbesto-cemento, se recomienda diseñar unidades de
máximo un metro de profundidad útil, colocando las pantallas con la dimensión
de 1,20 metros en el sentido vertical.
• Si se usan pantallas de
a s b e s t o - c e m e n t o
onduladas, se consigue
disminuir un poco la
diferencia de gra-
dientes de velocidad
entre los canales y las
vueltas (figura 3-6). En
este caso, se considera
un coeficiente de
fricción (n) de 0,03 para
calcular la pérdida de
carga en los canales.
Cuando se utilicen
placas de asbesto-cemento planas o de madera, los coeficientes deben ser
0,013 y 0,012, respectivamente.
• El coeficiente (K) de pérdida de carga en las vueltas varía entre 1,5 y 3,0
Se recomienda usar un coeficiente de 2 para este fin (8).
Figura 3-4. Pantallas de asbesto-
cemento rotas (7)
Figura 3-5. Floculador con pantallas
de asbesto-cemento planas (7)
96 Diseño de plantas de tecnología apropiada
• El espaciamiento entre el
extremo de la pantalla y la
pared del tanque —es decir, el
paso de un canal a otro— se
deberá hacer igual a 1,5 veces
el espaciamiento entre pan-
tallas (9).
• Dependiendo del tamaño de la
unidad, deberá considerarse
un punto de desagüe por unidad
o uno por cada tramo.
3.1.2 Criterios para el dimensionamiento
• En las unidades hidráulicas el gradiente de velocidad es una función de la
pérdida de carga:
(1)
Donde:
γ/µ = relación que depende de la temperatura del agua
hf = pérdida de carga total en m
T = tiempo de retención en s
• La pérdida de carga se produce a lo largo de los canales (h1) y
principalmente en las vueltas (h2), por lo que la pérdida de carga total en el
tramo hf = h
1 + h
2.
h1 = [n v / r2/3 ] 2 . I (2)
n = coeficiente de pérdida de carga de Manning. Con planchas corrugadas
(n = 0,03),
v = velocidad en los canales
g = aceleración de la gravedad (m/s2)
r = radio hidráulico del canal
l = longitud total en el tramo (m)
Figura 3-6. Floculador con pantallas
de asbesto-cemento onduladas (7)
hf/T.=G y/ µ
Floculadores 97
h2 = K ( v2 / 2g ). N (3)
K = 2, coeficiente de
pérdida de carga
en las curvas.
N = número de vueltas
o pasos entre ca-
nales.
3.1.3 Aplicación
Se requiere proyectar un
floculador de pantallas para un
caudal de 30 L/g y se ha
seleccionado la unidad de flujo
horizontal por tratarse de un
caudal pequeño. Se simuló el proceso en el laboratorio para determinar los gradientes
de velocidad y tiempos de retención óptimos y se obtuvieron los resultados que se
indican en el gráfico de la figura 3-8.
Los resultados del estudio indican que se obtendría la mayor eficiencia con
los gradientes de velocidad y los tiempos indicados en el cuadro 3-1.
Figura 3-7. Comportamiento de la pérdida
de carga
Figura 3-8. Correlación de G y T
PerfilPlanta
h2
hf
h1
H
I2I1
I1 I1
I2
Correlación de G y T
y = -20,193Ln(x) + 108,14
R2 = 0,9047
10
100
1 10 100
Tiempo (min)
G(s
-1)
98 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Tramos Gradientes de velocidad(s-1)
Tiempos de retención(min.)
Cuadro 3-1. Parámetros óptimos de floculación (10)
1 80 5
2 60 10
3 50 15
4 45 20
En el cuadro 3-2 se muestra un ejemplo de cálculo para un tramo del
floculador de pantallas de flujo horizontal con pantallas de asbesto-cemento
onduladas. El proceso se repite para los tramos siguientes.
En el ejemplo se eligió un gradiente bajo para el último tramo (25 s-1) para
optimizar la formación del flóculo.
Se eligió el último tramo de la unidad para desarrollar el ejemplo de cálculo,
a fin de indicar también cómo se chequea que las pantallas se crucen en toda la
unidad por lo menos 1/3 del ancho. De acuerdo con el cálculo efectuado, el ancho
de las vueltas en este tramo es de 0,54 metros y el ancho total del tanque, de 3
metros. Teniendo en cuenta dos anchos de vuelta correspondientes a cada extremo
del canal, las pantallas traslaparían en una longitud de 3 – (0,54 x 2) = 1,92 m. Por
lo tanto, el dimensionamiento es correcto.
También se puede apreciar que se han modificado los tiempos de retención
en cada tramo, de tal modo que las longitudes de todos los tramos sean iguales a
4,30 metros. Esto permitirá construir cuatro tanques iguales de 4,30 metros de
largo, 3 metros de ancho y un metro de profundidad total.
Floculadores 99
Cua
dro
3-2.
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so
Floculadores 101
3.1.4 Recomendaciones para el proyecto y problemas de diseño más comunes
A continuación presentaremos algunas condiciones de diseño muy
importantes para el correcto funcionamiento de una unidad de flujo horizontal y
algunos de los errores de diseño más comúnmente identificados:
• Considerar, en el fondo de la unidad, una pendiente igual a la pérdida de
carga obtenida en el cálculo, de tal modo que la altura de agua permanezca
constante y, por lo tanto, el gradiente de velocidad en todo el tramo también
se mantenga así.
La unidad de la figura 3-9
fue diseñada con el fondo
plano. La sección inicial es
mucho mayor que la final y,
como el caudal es constante,
la velocidad es menor al
inicio y mayor al final. Al
evaluar esta unidad, se
encontró que los gradientes
de velocidad estaban al
revés, empezaban bajos y
terminaban altos.
Para mejorar el comportamiento de la unidad, se requeriría darle pendiente
en el fondo, para lo cual sería
necesario retirar todas las vigas que
sujetan las pantallas y los tabiques
de concreto prefabricados.
La unidad de la figura 3-10
tiene una profundidad inicial de 1,70
metros y una final de 2,40 metros.
Fue diseñada con gradientes de
velocidad variables entre 27 y 2,5 s-1
y un tiempo de retención total de
39 minutos. Si calculamos la pérdida
de carga correspondiente a la
velocidad en las secciones entre las
Figura 3-9. Floculador de pantallas
de flujo horizontal (7)
Figura 3-10. Floculador de pantallas
de flujo horizontal (7)
102 Diseño de plantas de tecnología apropiada
pantallas, esta sería apenas de 3,9 centímetros. Como el desnivel del fondo
de la unidad es de 0,70 metros, el caudal se escurre totalmente hacia el
final. La estructura de esta unidad es toda de concreto con pantallas rígidas;
para mejorar su comportamiento, será necesario demolerla.
• Al elegir el ancho de la unidad, debe
tenerse en cuenta el ancho de la
vuelta en el último tramo, de tal
modo que las pantallas se crucen
por lo menos en un tercio de su
longitud. En la unidad de la figura
3-11 no se tuvo en cuenta este
criterio y el flujo pasa totalmente por
la parte media y forma un rápido
cortocircuito, mientras que entre las
pantallas se producen vórtices y
zonas muertas.
• El sistema que se adopte para la
sujeción de las pantallas, sobre todo
cuando se trata de pantallas de
asbesto-cemento onduladas, es muy importante para el buen funcionamiento
de la unidad. El sistema de la figura 3-12 no es recomendable. Como se
puede apreciar, no se logra mantener el paralelismo de las pantallas y el
agua termina pasando de un canal a otro.
El sistema de sujeción
para pantallas onduladas de la
figura 3-13 es la solución más
conveniente desde el punto de
vista técnico y económico.
Consiste en colocar un listón de
madera en el borde superior de
cada pantalla, tomando también
la longitud de la vuelta para
sujetarlo en las paredes late-
rales del tanque. Esta acción
mantiene las pantallas estables
y alineadas. Estos primeros
Figura 3-11. Floculador de pantallas
de flujo horizontal (7)
Figura 3-12. Floculador de pantallas
de flujo horizontal (7)
Floculadores 103
listones se sujetan con otros
perpendiculares a ellos mediante
pernos, y así se mantiene el ancho
constante de los canales.
En la parte inferior las
pantallas se sujetan mediante un
listón de madera con ranuras, que
debe instalarse semiempotrado en
el fondo de la unidad.
3.2 Unidades de flujo vertical
En este tipo de unidades el flujo sube y baja a través de canales verticales
formados por las pantallas. Es una solución ideal para plantas de medianas a
grandes, porque debido a la mayor profundidad que requieren estas unidades,
ocupan áreas más reducidas que los canales de flujo horizontal. Otra ventaja
importante es que el área de la unidad guarda proporción con respecto a los
decantadores y filtros, con lo que resultan sistemas más compactos y mejor
proporcionados. Cuando se emplean floculadores de flujo horizontal en plantas
grandes, el área de los floculadores es mucho mayor que el área de todas las
demás unidades juntas.
3.2.1 Parámetros y recomendaciones de diseño
• Las unidades de flujo vertical son una solución recomendable para plantas
de capacidad mayor de 50 litros por segundo.
• Se proyectan para profundidades de 3 a 4 metros, por lo que ocupan un
área menor que las unidades de flujo horizontal.
• Los tabiques pueden ser de fibra de vidrio, prefabricados de concreto, de
madera o de asbesto-cemento. En la figura 3-14 se puede ver una unidad
con pantallas de dry wall; en la figura 3-15, con madera; y en la 3-16, de
asbesto-cemento gruesas.
• Las restricciones para el uso de pantallas de asbesto-cemento son las mismas
que se indicaron anteriormente.
Figura 3-13. Floculador de pantallas
de flujo horizontal (7)
104 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Con este tipo de tabiques, se recomienda usar una altura máxima de agua
de 2 a 3 metros. Pueden proyectarse alturas mayores, traslapando pantallas y
empernándolas. Se debe tener especial cuidado durante el llenado de este tipo de
unidades, para evitar roturas.
• La sección de cada paso se calculará para una velocidad igual a los 2/3 de
la velocidad en los canales.
• El gradiente de velocidad en los canales no deberá ser menor de 20 s-1. En
plantas grandes se pueden colocar mallas diseñadas con el gradiente de
velocidad apropiado en los orificios de paso.
• Para evitar la acumulación de
lodos en el fondo y facilitar el
vaciado del tanque, se dejará
una abertura equivalente al
5% del área horizontal de
cada compartimiento en la
base de cada tabique que llega
hasta el fondo.
• Estructuralmente, son más
confiables los tabiques de
concreto prefabricados y fibra
de madera machihembrada de
1,5" a 2" de espesor; pueden
Figura 3-14. Floculador de flujo
vertical con tabiques de dry wall (7)
Figura 3-15. Floculador de flujo
vertical con tabiques de madera (7)
Figura 3-16. Floculador de flujo vertical
con pantallas de asbesto-cemento (7)
Floculadores 105
adoptarse, en este caso, alturas de agua de 4 a 5 metros. Con este tipo de
solución se reduce apreciablemente el área de la unidad, lo cual es
especialmente ventajoso en plantas grandes.
• Al igual que en las unidades de flujo horizontal, debe tenerse especial cuidado
en la adopción del ancho de la unidad para que en el diseño de los tramos
con bajos gradientes de velocidad, las pantallas se entrecrucen por lo menos
en 1/3 de la altura útil. Así se evitará la formación de espacios muertos y
cortocircuitos.
3.2.2 Criterios para el dimensionamiento
• La selección del número aproximado (m) de compartimentos por tramo o
canales de gradiente constante se puede determinar utilizando el criterio de
Richter (5).
(4)
b = ancho del tramo o canal
L = longitud del tramo
t = tiempo de retención del tramo
• La pérdida de carga en las vueltas (h2) se calcula mediante la siguiente
expresión:
h2 = [(m + 1)V
12 + mV
22] / 2g (5)
V1
= velocidad en los canales
V2
= velocidad en los pasajes u orificios de paso de un
compartimiento a otro
• La velocidad en los pasajes (V2):
V2 = 2/3 V
1(6)
• El gradiente de velocidad en los canales (G1) se comprueba mediante la
siguiente expresión:
tQ)(bLG/0,045=m .2
3
106 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Planta
Corte A-A
A
b
+ a +
Hh2 e2
e1
A
e2e2
h2
G1 = γ /µ . 1/2g . f / 4RH . V11,5 (7)
f = coeficiente de Darcy Weissbach, que varía entre 0,01 y 0,03. Serecomienda utilizar 0,02.
RH = A/P, radio hidráulico del canal.
En el cuadro 3-3 se desarrolla un ejemplo de dimensionamiento de unfloculador de 6 compartimientos.
Figura 3-17. Floculador de pantallas de flujo vertical (12)
3.2.3. Aplicación
Se requiere proyectar un floculador de pantallas para un caudal de 250litros por segundo y se ha seleccionado una unidad de flujo vertical de 4,50 metrosde profundidad por tratarse deuna planta grande. Se simuló elproceso en el laboratorio paradeterminar los gradientes develocidad y los tiempos deretención óptimos. Se obtuvie-ron los resultados indicados enel gráfico de la figura 3-18. Losresultados del estudio indicanque se obtendría la mayoreficiencia con los gradientes develocidad y los tiemposindicados en el cuadro 3-3.
Figura 3-18. Correlación de G y T
Correlación de G y T
y = -20,193Ln(x) + 108,14 R 2 = 0,9047
10
100
1 10 100 Tiempo (min)
G(s
-1)
Floculadores 107
Tramos Gradientes de velocidad(s-1)
Tiempos de retención(min.)
1 90 2,34
2 80 4,90
3 70 7,80
4 65 11,10
5 55 15,03
6 50 20,10
Cuadro 3-3. Parámetros óptimos de floculación (10)
Como los gradientes de velocidad en los útlimos tramos (5 y 6) son muy
similares y la formación del flóculo optimiza con un gradiente de velocidad bajo al
final, se tomó para el sexto tramo un valor de 28 s-1.
Aplicando el procedimiento del cuadro 3-4, se calculó una unidad de seis
tramos o canales con gradientes de velocidad decrecientes entre 87 y 28 s-1, y se
obtuvieron los resultados del cuadro 3-5. El cálculo del cuadro 3-4 corresponde al
dimensionamiento y comprobación de un solo tramo, el último de la unidad. Este
proceso debe aplicarse reiteradamente para cada tramo, empleando los parámetros
correspondientes (cuadro 3-3).
Una vez calculado el último tramo, debemos comprobar si los pasos se
cruzan. Cada paso tiene una altura de 0,92 metros y la profundidad de la unidad es
de 4,50 metros. La longitud de traslape es de 4,50 – (0,92 *2 ) = 2,66 m.
Si tuviéramos, en cambio, un cálculo del último tramo en que los pasos
tienen 1,50 metros de alto y la profundidad total de la unidad es de 2,50 metros, las
pantallas no llegarían a cruzarse. La superior estaría a 1,50 del fondo y la inferior
a 1,50 metros de la superficie del agua, con lo que quedaría un espacio libre de
0,50 metros por el que debería pasar todo el caudal formando un cortocircuito.
Los espacios entre las pantallas se constituirían en espacios muertos en los que la
masa de agua quedaría retenida.
108 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Cua
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f/4R
110 Diseño de plantas de tecnología apropiada
1 1,20 0,62 10 0,92 87 2,34 0,10
2 1,30 0,62 10 0,92 77 2,54 0,08
3 1,50 0,62 10 0,92 62 2,93 0,06
4 1,70 0,62 10 0,92 51 3,32 0,05
5 2,00 0,62 10 0,92 41 3,90 0,04
6 2,60 0,62 10 0,92 28 5,07 0,02
Total 20,10 0,35
Tramo Ancho detramo (m)
Separaciónde pantallas
(m)
N.°°°°° de com-partimien-
tos
Altura depasos (m)
G( s-1 )
T(min)
Pérdidasde carga
(m)
Cuadro 3-5. Dimensionamiento de un floculador de flujo verticalde 250 L/s de capacidad (10)
Analizando los resultados del cuadro 3-5, se puede observar que todos los
tramos tienen el mismo número de compartimientos. Esto se ha conseguido variando
el ancho de los tramos. La gran ventaja de este diseño es que facilita la construcción,
debido a que todos los espaciamientos entre pantallas y alturas de los pasos, en
todos los tramos, serán iguales, lo que también permitirá evitar errores.
3.2.4 Recomendaciones de diseño y defectos más comunes
• Si se están proyectando dos unidades, será necesario colocar un partidor
para asegurar que cada unidad reciba la mitad del caudal. Si son más de
dos, se proyectará un canal
de distribución uniforme.
• Las pantallas deben tener un
grosor adecuado de acuerdo
con la profundidad de la
unidad. Para unidades de 4
a 5 metros de profundidad,
serán necesarias pantallas de
1,5 a 2 pulgadas de espesor.
• Las pantallas deben estar
sujetas a las paredes late-
rales mediante ranuras,
Figura 3-19. Floculador de flujo vertical
con pantallas de un centímetro de
espesor (7)
Floculadores 111
perfiles, etcétera, de tal
manera que el flujo de
agua no pase a través
de las uniones entre las
pantallas y las paredes,
porque estarían contri-
buyendo a la formación
de cortocircuitos (figura
3-20).
• Las ranuras para pasar
las pantallas solo deben
comprender el trecho en el que estas se colocarán. El espacio que
corresponde al paso del agua por debajo de las pantallas no debe tener
ranura, para evitar que con el tiempo las pantallas se desplacen y la altura
de los pasos varíe, lo que incrementaría la pérdida de carga en el tramo y,
por consiguiente, el gradiente de velocidad.
• Los efectos de este problema se pueden llegar a apreciar a simple vista,
porque con el tiempo el agua empieza a pasar por encima de las placas
debido al incremento de la pérdida de carga.
• Este fenómeno se puede
visualizar en los floculadores
de la figura 3-21. Ello ocurre
en los tramos que fueron
modificados, porque las placas
no se cruzaban. Al efectuarse
las nuevas ranuras, se hicieron
en toda la altura de la unidad,
lo que dio lugar a que con el
tiempo, las placas, con su
propio peso, vencieran los
soportes que habían sido
colocados y se desplazaran.
Ello disminuyó la altura de los
pasos.
Figura 3-20. Floculador de flujo vertical (7)
Figura 3-21. Floculadores de
pantallas de flujo vertical (7)
112 Diseño de plantas de tecnología apropiada
3.2.5 Ventajas y desventajas de las unidades de pantallas
Se pueden señalar las siguientes ventajas:
• De acuerdo con evaluaciones realizadas en varias plantas de América Latina,
los cortocircuitos y espacios muertos que se producen son mínimos, de tal
modo que el tiempo de retención teórico es similar al tiempo real obtenido
en la unidad.
• Carecen de elementos móviles o mecánicos, de tal modo que la operación
y el mantenimiento son muy simples y poco costosos; se reducen básicamente
a limpieza y pintura.
• Son muy confiables, garantizan un funcionamiento continuo.
• Se economiza energía eléctrica.
• Se autorregulan cuando se producen variaciones de caudal, y el número de
Camp (Nc) se mantiene más o menos constante. Al bajar el caudal, disminuye
el gradiente de velocidad y se incrementa el tiempo de retención; cuando
sube el caudal, el efecto es el inverso. Dependiendo de cuánto se incremente
el caudal de operación, podemos estar generando gradientes de velocidad
tan altos que rompan el flóculo.
• Si se selecciona apropiadamente el rango de gradiente de velocidad, se
puede explotar esta propiedad en el diseño de plantas en las que se pueden
esperar pequeñas variaciones diarias de caudal, teniendo en cuenta que
variaciones de 50% producen variaciones de gradientes de velocidad de
aproximadamente 20%.
Entre las desventajas se pueden indicar las siguientes:
• La pérdida de carga es mayor en las vueltas que en los canales y el gradiente
de velocidad varía en forma similar. Esta desventaja se atenúa con las
pantallas onduladas.
• Producen pérdidas de carga más o menos altas.
Floculadores 113
• Es común escuchar a los operadores argumentar que la limpieza de estas
unidades es difícil, pero esto sucede cuando no se han previsto en el diseño
las facilidades para esta operación, colocando aberturas en la base de las
pantallas (unidades de flujo vertical) y compuertas o válvulas de fondo
convenientemente ubicadas para desaguar la unidad.
4. FLOCULADORES DEL TIPO ALABAMA O COX
En estas unidades el agua hace un movimiento ascendente-descendente
dentro de cada compartimiento, por lo que es muy importante mantener la velocidad
del agua constante, para que este comportamiento se dé. La velocidad ascensional
será constante mientras el caudal sea constante; por esta razón, estas unidades
son muy vulnerables a las variaciones de caudal. Si el caudal de operación baja, el
agua ya no hace su recorrido ascensional y solamente pasará por el fondo de la
unidad de una boquilla a la otra, lo que generará un cortocircuito en esta zona y un
gran espacio muerto en toda la parte superior.
El gradiente de velocidad se produce casi exclusivamente en los puntos de
paso (niples, codos, boquillas, etcétera), los cuales están localizados en el fondo de
la unidad y distribuidos alternadamente en uno y otro extremo (figura 3-22).
a) Parámetros y recomendaciones de diseño
• La profundidad total de la unidad debe ser de 3 a 3,50 metros, para
que la altura del agua sobre los orificios sea por lo menos del orden de
2,40 metros.
• La relación ancho/largo de cada compartimiento debe ser de 1 a 1,33.
• La sección de cada compartimiento se diseñará con una tasa de 0,45
m2 por cada 1.000 m3/d.
• Los criterios para diseñar los puntos de paso entre los compartimientos
son los siguientes:
a) La relación de la longitud del niple con respecto a su diámetro
debe ser de 1 a 5.
b) Velocidad en las boquillas variable entre 0,25 y 0,75 m/s.
c) Tasa de diseño para determinar la sección de las boquillas de
0,025 m2 por cada 1.000 m3/d.
114 Diseño de plantas de tecnología apropiada
• El diseño de estas unidades debe efectuarse muy cuidadosamente para
evitar la formación de cortocircuitos y espacios muertos.
• El nivel de recursos humanos disponible para la operación es un criterio
importante en la selección de estas unidades, porque, como se indicó
anteriormente, es necesario que la unidad se opere a caudal constante. Las
disminuciones de caudal anulan el funcionamiento de estas unidades al
decrecer la velocidad. En esta situación, el flujo tiende a pasar directamente
entre los puntos de paso y prácticamente todo el volumen del floculador se
convierte en un enorme espacio muerto.
• Los criterios expuestos no tienen una base experimental conocida, por lo
que se recomendaría investigar en forma preliminar la velocidad óptima de
diseño antes de proyectar este tipo de unidad.
Figura 3-22. Floculadores del tipo Cox y Alabama (11, 12)
Floculador tipo Cox
Planta
Floculador Alabama
A
Corte A-A
C
H
A1
Floculadores 115
2,20 2,20
2,20
0,50 0,50
2,25
1,30
0,65
N.A
1,70
0.60
A
Corte A-A
0,30
5. FLOCULADORES DE MEDIOS POROSOS
En esta unidad el agua flocula al pasar a través de los espacios o poros de
un material granulado, los cuales desempeñan la función de pequeños
compartimientos.
5.1 Parámetros y recomendaciones de diseño
• Es una unidad
hidráulica con un
número casi infi-
nito de cámaras o
compartimientos, lo
cual explica su
gran eficiencia, de
acuerdo con la
teoría de Harris y
Kaufman (12).
• Como material
granular, pueden
utilizarse piedras,
bolitas de plástico,
residuos de las
fábricas de plástico,
segmentos de tu-
bos o cualquier otro
tipo de material
similar no putresci-
ble ni contami-
nante.
• Las investigaciones
realizadas hasta el
momento solo per-
miten diseñar estos
floculadores con
piedra de 1/2" a
3/4" (diámetro Figura 3-23. Floculador de medio poroso (16)
116 Diseño de plantas de tecnología apropiada
medio = 15,9 mm). Investigaciones asesoradas por el CEPIS/OPS con
piedras de tamaño mayor indican que no se puede lograr todo el rango de
gradientes de velocidad para floculación variando el diámetro equivalente
de las piedras u otro material similar.
• A partir del estado actual del conocimiento, se recomienda diseñar esta
unidad con flujo ascendente y forma tronco-cónica (5), a fin de escalonar
los gradientes de velocidad, manteniendo el tamaño del material constante
para facilitar la limpieza.
• En este tipo de unidades, el tiempo de retención total es de apenas 5 a 10
min (efecto del infinito número de compartimientos de la unidad).
• La información disponible sobre floculadores de piedras (5, 8, 9, 10) solo
permite diseñar unidades para caudales de hasta 10 a 15 L/s (figura 3-23).
5.2 Criterios de dimensionamiento
• Habiendo determinado el tiempo de floculación adecuado (TJ) mediante un
estudio de prueba de jarras (Tratamiento de agua para consumo humano.
Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo II, capítulo 11), el
tiempo de retención para proyectar la unidad se selecciona mediante la
expresión siguiente:
T = TJ [Ln (T
o /T
f) ] / [T
o /T
f - 1] (8)
Donde:
T = tiempo de retención en una unidad de floculación de medio poroso
To
= turbiedad del agua cruda
Tf
= turbiedad después de flocular y sedimentar
• El gradiente de velocidad en un floculador de medio granular se calcula por
la siguiente expresión:
G = [ γ . V. J / µ . ε] 1/2 (9)
Donde:
V = velocidad de aproximación = Q/A
J = pérdida de carga unitaria en el medio poroso
ε = porosidad del material
Floculadores 117
Esférico 1,00 0,38Redondeado 0,98 0,38Desgastado 0,94 0,39Agudo 0,81 0,40Angular 0,78 0,43Triturado 0,70 0,48
Descripción Factor de formaϕ
Porosidadε
• La pérdida de carga para valores de Número de Reynolds elevados secalcula mediante la ecuación de Forchheimer:
J = aV + bV2 (10)
• Los coeficientes a y b se pueden estimar en función de las característicasgranulométricas del medio.
α = [0,162 (1 - ε)2 ] / (ϕ2 D2 ε3 ) (11)
Donde:
ϕ = factor de forma de materialD = diámetro representativo del material
b = [0,018 (1 - ε)] / ϕ D ε3) (12)
• Los valores del factor de forma en función de la porosidad del material sepueden obtener del cuadro 3-6.
El cuadro 3-7 da un ejemplo de aplicación:
Cuadro 3-6. Factores de forma y porosidad de materiales granulares típicos (16)
118 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Cua
dro
3-7.
Pro
ceso
de c
álcu
lo d
e un
flocu
lado
r de m
edio
por
oso (
16)
1C
auda
lQ
= 0
,012
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=
60
Q T
/ε
= 6
0 (0
,012
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(0,4
0)Vo
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9,0
flocu
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r de
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H =
1,7
mh
= (
V–1/
3 B2 H
)/B2
h =
[9
– 1/
3 (1
,6)2 1
,7]
/ (1
,6)2
Altu
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ción
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B =
1,6
mh
≈ 2,
95pr
ism
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ala
dopo
r la
s pi
edra
s
4La
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ción
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0,4
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V 1 = 1
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V 1 =
100
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012)
/ (
0,4)
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sec
ción
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V 2 =
100
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012)
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0,80
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loci
dad
en l
acm
/sm
edia
V 2 =
1,8
75se
cció
n m
edia
6La
do d
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B =
1,6
mV 3 =
100
Q /
B2V 3
= 1
00 (
0,01
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(1,
6)2
Velo
cida
d en
la
cm/s
secc
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V 3 =
0,4
69se
cció
n m
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mid
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7Ta
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D =
15,
9m
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Forc
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2
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aö
= 0
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J 1 = a
V1 +
b V
12J 1
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5 (7
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+ 0
,013
(7,
5)2
Pérd
ida
de c
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mJ 1
= 0
,773
unita
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Cri
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álcu
los
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∀
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⎢ ⎣⎡−
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⎥ ⎦⎤⎢ ⎣⎡
⎥ ⎦⎤⎢ ⎣⎡
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(15,
9)0,
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0,4)
(10,
018
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,4)
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5,9)
20,
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20,
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10,
162
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−=
∀ ∀
Floculadores 119C
uadr
o 3-7
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ceso
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055
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+ 0
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469)
2Pé
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ima
13G
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20
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69 (
10)-2
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ión
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Pas
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osC
álcu
los
Uni
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Res
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dos
Can
tida
d
Uni
dad
120 Diseño de plantas de tecnología apropiada
6. FLOCULADORES DE MALLAS O TELAS
Las telas intercaladas en un canal oponen una resistencia localizada al flujo
y tienden a uniformarlo, reducen la incidencia de cortocircuitos y actúan como
elementos de compartimentalización. Sus posibilidades de empleo están
principalmente orientadas a la ampliación y optimización de unidades de mezcla
rápida y floculación en plantas existentes.
6.1 Parámetros de diseño
• El proceso se consigue colocando en una unidad mallas de hilo de nylon,
las que son atravesadas por el flujo y se produce el gradiente de velocidad
deseado como función de la pérdida de carga. En este caso, la floculación
depende de las características de las mallas y de la velocidad del flujo.
• La velocidad óptima en cm/s es igual al doble del espaciamiento (e) entre
los hilos de nylon (V = 2e).
• El espaciamiento entre hilos (e) recomendado es de 5 a 15 cm.
• El grosor de hilos (d) más adecuado es de 1,5 a 4 mm.
• Hilos más delgados (d ≤ 1 mm) tienden a romper el flóculo rápidamente.
• Se recomiendan velocidades del flujo del orden de 2 a 5 cm/s para evitar la
sedimentación excesiva de los flóculos.
• Cuando las mallas se emplean en canales de mezcla rápida, los parámetros
de diseño recomendados son los siguientes:
1. Velocidades de flujo (V) de 1,0 a 1,5 m/s
2. Diámetro de los hilos (d) de 1 a 3 mm
3. Espaciamiento entre hilos (e) de 1 a 3 cm.
6.2 Criterios de dimensionamiento
• El criterio para determinar el gradiente de velocidad en mallas está dado
por la siguiente expresión:
Floculadores 121
G = γ Q h / µ (13)
donde la pérdida de carga (h) está dada por la expresión:
h = K V2 / 2g (14)
donde V es la velocidad media de aproximación (Q/A) y K el coeficiente de pérdida
de carga, una función de la porosidad (ε) de la malla:
K = 0,55 [1 - ε2 ] / ε2 (15)
Esta expresión es válida para altos valores de (ε) y Re ≤ 500.
• La porosidad (ε) de la malla en función de sus características está dada
por:
ε = (1 - n . d)2 (16)
Donde:
d = diámetro de los hilos
n = número de hilos por cada metro de ancho de canal.
• El volumen ( ) en el que se da el proceso se considera como:
= 4 A e (17)
Donde:
A = área de la malla atravesada por el flujo
Por lo que la expresión específica para calcular el gradiente de velocidad
en función de las características de las mallas es la siguiente:
o (18)
Para temperaturas de 20 °C la ecuación 18 se transforma en:
G = 350 (K/ e)0,5. V1,5 (19)
en unidades del sistema métrico
1,5e/K6/1=G νν 1,5Ve/k.g8/1=G µ
122 Diseño de plantas de tecnología apropiada
6.3 Aplicación y recomendaciones
• Las telas pueden ser utilizadas en cualquier elemento de la planta de
tratamiento para producir un determinado gradiente de velocidad. Si son
intercaladas en el canal o en la tubería de llegada del agua cruda, pro-
ducirán la turbulencia necesaria para la mezcla de los productos químicos.
Pueden sustituir las paletas de un floculador mecánico, donde, además de
optimizar la floculación, pasan a operar con menor velocidad, lo que prolonga
la vida útil de la unidad.
• Si las telas son instaladas en tramos rectos de canales de floculación
hidráulica —donde el gradiente de velocidad normalmente es muy bajo—,
generarán gradientes más adecuados, lo que mejorará la floculación y
permitirá un menor tiempo de residencia, bien sea por una tasa más elevada
de colisiones entre las partículas —debido al aumento de la superficie de
cizallamiento (efecto de la viscosidad)— o por el efecto de la división en
compartimientos.
• Las experiencias realizadas sugieren que el diámetro del hilo de la malla
tiende a limitar el tamaño del flóculo, como si lo cortase, aun a gradientes
bajos. Este efecto negativo deja de ser sensible en hilos con un diámetro
que sea 3 a 4 veces el máximo diámetro del flóculo; es decir, 3 ó 4 mm.
• El uso de mallas e hilos de diámetro pequeño debe, por lo tanto, quedar
restringido a la mezcla rápida o al inicio de la floculación, cuando el flóculo
aún no ha alcanzado tamaños significativos. Después de eso, se debe dar
preferencia a mallas e hilos de mayor diámetro, que produzcan los gradientes
deseados sin provocar la ruptura de los flóculos.
• Está demostrado que las telas son dispositivos económicos y eficientes de
floculación, con innumerables y promisorias posibilidades de empleo en
nuevos diseños y, principalmente, en la ampliación y optimización de plantas
existentes.
• Se ha demostrado también que el gradiente de velocidad en una tela es
función de la velocidad del flujo y de sus características geométricas
(espaciamiento y diámetro de los hilos de la malla). Jugando con los elementos
geométricos de la tela, se podrán obtener valores adecuados de gradiente
Floculadores 123
de velocidad para una velocidad dada en el canal. Se podrán adoptar
velocidades más elevadas, como de 10 a 30 cm/s, por ejemplo, a fin de
prevenir una sedimentación excesiva en el floculador.
• Los estudios ya realizados permiten indicar que es posible reducir
considerablemente el tiempo de floculación. Se podrá obtener una sustancial
economía en la realización de obras de ampliación o de nuevas instalaciones.
Por otro lado, en unidades deficientes se podrá mejorar de manera sensible
la calidad del agua tratada.
• Desde el punto de vista práctico, es fácil instalar telas en cualquier elemento
de un canal o tanque de floculación, bien sea como dispositivo de floculación
hidráulico o mecánico.
• Los trabajos hasta ahora realizados no permiten llegar a conclusiones
definitivas sobre el empleo de las telas en las plantas de tratamiento; no
obstante, son lo suficientemente consistentes como para permitir la aplicación
práctica de estos dispositivos con relativa seguridad en cuanto a los resultados
esperados. La continuación de los estudios en marcha y la recolección de
información en las instalaciones donde fueron instalados tales dispositivos
permitirán en breve tiempo consolidar y generalizar su uso, con excelentes
ventajas económicas y operacionales.
• En la aplicación del cuadro 3-8 se ha dimensionado una malla para levantar
el gradiente de velocidad en los pasos de un floculador vertical y en el
cuadro 3-9, una malla para ajustar el gradiente de velocidad en un mezclador
hidráulico.
126 Diseño de plantas de tecnología apropiada
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Programa de Corrección Compuesto. Washington, Agencia de Protección
Ambiental de los Estados Unidos. EPA/625/6-91/027, 1998.
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Sanitary Engineering Division, ASCE, 1970.
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pantallas de flujo horizontal’’. Documento inédito. Lima, 1977.
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Consumo Humano. Manual V. Criterios de Diseño. Serie Filtración Rapida.
Lima, CEPIS, 1992.
Floculadores 127
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Water Purification”. Journal of Sanitary Engineering Division, ASCE,
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clarificación del agua. Serie Técnica 13. Lima, CEPIS/OPS, 1966.
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Lima, CEPIS/OPS, s. f.
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en filtros pilotos. Curitiba, Sanepar, 1980.
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Curitiba, Sanepar, 1980.
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proceso de floculación del agua. Cali, ACODAL, 1982.
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Internacional sobre Tecnología Apropiada para Potabilización del Agua. Cali,
ACODAL, Seccional Valle del Cauca, 1987.
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República Dominicana. Informe Técnico 356. Lima, CEPIS, 1986.
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Design of a Flocculator”. Water Research, vol. 27, 3, 1993, pp. 513-519.
128 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Floculadores 129
0 1,787⋅10-2 1,787⋅10-2 1,787⋅10-3 1,787⋅10-6 3,73⋅10-5 1,92⋅10-5
1 1,728⋅10-2 1,728⋅10-2 1,728⋅10-3 1,728⋅10-6 3,61⋅10-5 1,86⋅10-5
2 1,671⋅10-2 1,671⋅10-2 1,671⋅10-3 1,671⋅10-6 3,49⋅10-5 1,80⋅10-5
3 1,618⋅10-2 1,618⋅10-2 1,618⋅10-3 1,618⋅10-6 3,38⋅10-5 1,74⋅10-5
4 1,567⋅10-2 1,567⋅10-2 1,567⋅10-3 1,567⋅10-6 3,27⋅10-5 1,69⋅10-5
5 1,519⋅10-2 1,519⋅10-2 1,519⋅10-3 1,519⋅10-6 3,17⋅10-5 1,63⋅10-5
6 1,472⋅10-2 1,472⋅10-2 1,472⋅10-3 1,472⋅10-6 3,08⋅10-5 1,58⋅10-5
7 1,428⋅10-2 1,428⋅10-2 1,428⋅10-3 1,428⋅10-6 2,98⋅10-5 1,54⋅10-5
8 1,386⋅10-2 1,386⋅10-2 1,386⋅10-3 1,386⋅10-6 2,90⋅10-5 1,49⋅10-5
9 1,346⋅10-2 1,346⋅10-2 1,346⋅10-3 1,346⋅10-6 2,81⋅10-5 1,45⋅10-5
10 1,307⋅10-2 1,307⋅10-2 1,307⋅10-3 1,307⋅10-6 2,73⋅10-5 1,41⋅10-5
11 1,271⋅10-2 1,271⋅10-2 1,271⋅10-3 1,271⋅10-6 2,66⋅10-5 1,37⋅10-5
12 1,235⋅10-2 1,235⋅10-2 1,235⋅10-3 1,235⋅10-6 2,58⋅10-5 1,33⋅10-5
13 1,202⋅10-2 1,203⋅10-2 1,202⋅10-3 1,203⋅10-6 2,51⋅10-5 1,29⋅10-5
14 1,169⋅10-2 1,170⋅10-2 1,169⋅10-3 1,170⋅10-6 2,44⋅10-5 1,26⋅10-5
15 1,139⋅10-2 1,140⋅10-2 1,139⋅10-3 1,140⋅10-6 2,38⋅10-5 1,23⋅10-5
16 1,109⋅10-2 1,110⋅10-2 1,109⋅10-3 1,110⋅10-6 2,32⋅10-5 1,19⋅10-5
17 1,081⋅10-2 1,082⋅10-2 1,081⋅10-3 1,082⋅10-6 2,26⋅10-5 1,16⋅10-5
18 1,053⋅10-2 1,054⋅10-2 1,053⋅10-3 1,054⋅10-6 2,20⋅10-5 1,13⋅10-5
19 1,027⋅10-2 1,029⋅10-2 1,027⋅10-3 1,029⋅10-6 2,14⋅10-5 1,11⋅10-5
20 1,002⋅10-2 1,004⋅10-2 1,002⋅10-3 1,004⋅10-6 2,09⋅10-5 1,08⋅10-5
21 0,9779⋅10-2 0,9799⋅10-2 0,978⋅10-3 0,980⋅10-6 2,04⋅10-5 1,05⋅10-5
22 0,9548⋅10-2 0,9569⋅10-2 0,954⋅10-3 0,957⋅10-6 1,99⋅10-5 1,03⋅10-5
23 0,9325⋅10-2 0,9348⋅10-2 0,932⋅10-3 0,935⋅10-6 1,95⋅10-5 1,01⋅10-5
24 0,9111⋅10-2 0,9136⋅10-2 0,911⋅10-3 0,914⋅10-6 1,90⋅10-5 0,98⋅10-5
25 0,8904⋅10-2 0,8930⋅10-2 0,890⋅10-3 0,893⋅10-6 1,86⋅10-5 0,96⋅10-5
26 0,8705⋅10-2 0,8733⋅10-2 0,870⋅10-3 0,873⋅10-6 1,82⋅10-5 0,94⋅10-5
27 0,8513⋅10-2 0,8543⋅10-2 0,851⋅10-3 0,854⋅10-6 1,78⋅10-5 0,92⋅10-5
28 0,8327⋅10-2 0,8359⋅10-2 0,833⋅10-3 0,836⋅10-6 1,74⋅10-5 0,90⋅10-5
29 0,8148⋅10-2 0,8181⋅10-2 0,815⋅10-3 0,818⋅10-6 1,70⋅10-5 0,88⋅10-5
Tempera-
tura (°°°°°C)Sistema métrico Inglés
Viscosidad
dinámica
(poises)
Viscosidad
cinemática
(Stokes)
Viscosidad
dinámica
(N-s/m2)
Viscosidad
cinemática
(m2/s)
Viscosidad
dinámica
(lb = s/pie2)
Viscosidad
cinemática
(pie2/s)
Anexo AViscosidad del agua
130 Diseño de plantas de tecnología apropiada
30 0,7975⋅10-2 0,8010⋅10-2 0,798⋅10-3 0,801⋅10-6 1,66⋅10-5 0,86⋅10-5
31 0,7808⋅10-2 0,7844⋅10-2 0,781⋅10-3 0,784⋅10-6 1,63⋅10-5 0,84⋅10-5
32 0,7647⋅10-2 0,7685⋅10-2 0,765⋅10-3 0,768⋅10-6 1,60⋅10-5 0,83⋅10-5
33 0,7491⋅10-2 0,7531⋅10-2 0,749⋅10-3 0,753⋅10-6 1,56⋅10-5 0,81⋅10-5
34 0,7340⋅10-2 0,7381⋅10-2 0,734⋅10-3 0,738⋅10-6 1,53⋅10-5 0,79⋅10-5
35 0,7194⋅10-2 0,7237⋅10-2 0,719⋅10-3 0,724⋅10-6 1,50⋅10-5 0,78⋅10-5
36 0,7052⋅10-2 0,7097⋅10-2 0,705⋅10-3 0,710⋅10-6 1,47⋅10-5 0,76⋅10-5
37 0,6915⋅10-2 0,6961⋅10-2 0,692⋅10-3 0,696⋅10-6 1,44⋅10-5 0,75⋅10-5
38 0,6783⋅10-2 0,6831⋅10-2 0,678⋅10-3 0,683⋅10-6 1,42⋅10-5 0,74⋅10-5
39 0,6654⋅10-2 0,6703⋅10-2 0,665⋅10-3 0,670⋅10-6 1,39⋅10-5 0,72⋅10-5
40 0,6529⋅10-2 0,6580⋅10-2 0,653⋅10-3 0,658⋅10-6 1,36⋅10-5 0,71⋅10-5
41 0,6408⋅10-2 0,6461⋅10-2 0,641⋅10-3 0,646⋅10-6 1,34⋅10-5 0,70⋅10-5
42 0,6291⋅10-2 0,6345⋅10-2 0,629⋅10-3 0,636⋅10-6 1,31⋅10-5 0,68⋅10-5
43 0,6178⋅10-2 0,6234⋅10-2 0,618⋅10-3 0,623⋅10-6 1,29⋅10-5 0,67⋅10-5
44 0,6067⋅10-2 0,6124⋅10-2 0,607⋅10-3 0,612⋅10-6 1,27⋅10-5 0,66⋅10-5
45 0,5960⋅10-2 0,6019⋅10-2 0,596⋅10-3 0,602⋅10-6 1,24⋅10-5 0,65⋅10-5
46 0,5856⋅10-2 0,5916⋅10-2 0,586⋅10-3 0,592⋅10-6 1,22⋅10-5 0,64⋅10-5
47 0,5755⋅10-2 0,5817⋅10-2 0,576⋅10-3 0,582⋅10-6 1,20⋅10-5 0,62⋅10-5
48 0,5656⋅10-2 0,5819⋅10-2 0,566⋅10-3 0,572⋅10-6 1,18⋅10-5 0,61⋅10-5
49 0,5561⋅10-2 0,5626⋅10-2 0,556⋅10-3 0,563⋅10-6 1,16⋅10-5 0,60⋅10-5
50 0,5468⋅10-2 0,5534⋅10-2 0,547⋅10-3 0,553⋅10-6 1,14⋅10-5 0,59⋅10-5
Tempera-
tura (°°°°°C)Sistema métrico Inglés
Viscosidad
dinámica
(poises)
Viscosidad
cinemática
(Stokes)
Viscosidad
dinámica
(N-s/m2)
Viscosidad
cinemática
(m2/s)
Viscosidad
dinámica
(lb = s/pie2)
Viscosidad
cinemática
(pie2/s)
Viscosidad del agua (continuación)
132 Diseño de plantas de tecnología apropiada
CAPÍTULO 4
DECANTADORES LAMINARES
Decantadores laminares 135
1. INTRODUCCIÓN
En este capítulo trataremos exclusivamente del diseño de las unidades dedecantación de flujo laminar o de alta tasa. Los decantadores laminares puedentratar caudales mayores en un área y estructura menor de la que requieren losdecantadores convencionales y su eficiencia es superior. Comparándolos con lasunidades de contacto de sólidos o decantadores de manto de lodos, que tambiénson de alta tasa, no requieren energía eléctrica para su operación. Por todas estasventajas, esta unidad es considerada como tecnología apropiada para países endesarrollo y para todo programa de mejoramiento de la calidad del agua que tengacomo meta conseguir la mejor calidad al menor costo de producción; esto es, parala sostenibilidad de los proyectos.
2. DECANTADORES DE PLACAS
• Mediante la colo-cación de placasparalelas o módu-los de diferentes ti-pos en la zona desedimentación, seobtiene en estasunidades una gransuperficie de depo-sición para loslodos, con lo cualse logra disminuirapreciablemente elárea superficial delos tanques.
Canal de a
gua decantada
Canal de
distribución de
agua floculada
Canal de descarga
de lodos
Canaletas de coleta
de agua decantada
Placas de
asbesto-cemento
100 L/s
2,40 m
150
2,40 m
10 m
Figura 4-1. Decantador de placas paralelas (1)
136 Diseño de plantas de tecnología apropiada
La diferencia básica entre los decantadores laminares o de alta tasa y losdecantadores convencionales reside en que los primeros trabajan —como su nom-bre lo indica— con flujo laminar (número de Reynolds, Nr < 500) y los últimos conflujo turbulento (Nr entre 10.000 y 250.000). Esta diferencia teórica fundamentaldebe reflejarse en la forma como se diseñan unos y otros (2).
2.1 Parámetros y recomendaciones generales de diseño
• El parámetro de diseño más importante en las unidades de decantación esla velocidad de sedimentación de los flóculos, que depende fundamental-mente de las características del agua cruda y de la eficiencia delpretratamiento. Por esta razón, la velocidad de diseño debe determinarseexperimentalmente para cada caso. Véase la metodología para su determi-nación en Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de fil-
tración rápida. Manual I: Teoría, tomo II, capítulo 11.
• Las cargas superficiales utilizadas en América Latina normalmente varíanentre 120 y 185 m3/m2/d, con eficiencias de remoción por encima del 90%(8). En cada caso, es necesario efectuar un estudio de tratabilidad del agua,para determinar la tasa de decantación con la cual se podrán obtener 2 UNde turbiedad residual en el efluente. Este criterio obedece a recomendacio-nes de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA)para que los filtros puedan brindar un efluente exento de microorganismospatógenos y de huevos de Giardia lamblia y Cryptosporidium, habidacuenta de que solo el filtro puede eliminar a estos últimos cuando recibe unafluente de la calidad indicada (3).
• De acuerdo con investigaciones realizadas en prototipos, las unidades sepueden diseñar con Nr de hasta 500, sin que se obtengan disminucionesapreciables en la eficiencia alcanzada (1).
• En los decantadores laminares, el Nr es una consecuencia de la geometríade los elementos tubulares y de la velocidad del flujo en el interior de estos,y no una condición del proyecto (1). De acuerdo con este criterio —que seva corroborando con la experiencia práctica indicada en el ítem anterior—no es necesaria la obtención de un flujo laminar puro para mejorar la efi-ciencia del proceso.
Decantadores laminares 137
• Al utilizarse el Nr en el límite máximo del rango laminar, se consigue am-pliar la separación de las placas o la sección de los módulos, lo cual serefleja en una gran economía, al disminuir el número de placas o módulosempleados en la construcción de la unidad.
• La velocidad longitudinal media (Vo) en los elementos tubulares común-mente se adopta entre 10 y 25 cm/min. En cada caso, es posible determinarla velocidad máxima del flujo mediante la expresión (1):
Vo máx. = [Nr / 8]0,5 . Vsc
Donde Vsc = velocidad de sedimentación de las partículas
• Dada la gran cantidad demódulos que se precisan, esdeseable que el material seade bajo costo y muy resis-tente a la permanencia bajoel agua. Los materiales quese usan para este fin son laslonas de vinilo reforzadascon poliéster, el asbesto-ce-mento, el plástico y la fibrade vidrio.
• Las lonas de vinilo reforzadas con hilos de poliéster de alta tenacidad son elmaterial más usado actualmente por sus grandes ventajas: no producenpérdidas por rotura, el sistema de instalación es más sencillo y su duraciónes muchísimo mayor. Es un material muy confiable en zonas de alto riesgosísmico.
• Tradicionalmente, en este tipo de unidades se han venido utilizando las plan-chas de asbesto-cemento por su alta disponibilidad, bajo costo y resistenciaa la corrosión, con las siguientes dimensiones: 1,20 metros de alto por 2,40metros de largo, con espesores de un centímetro o de 6 y 8 milímetros,siempre y cuando hayan sido fabricadas con fibras largas de asbesto. Lasrestricciones de calidad de agua para su empleo son las mismas que sedieron en el capítulo anterior.
Figura 4-2. Módulos de decantación defibra de vidrio (4)
138 Diseño de plantas de tecnología apropiada
• También se utilizan módulosde plástico y de fibra de vidrioprefabricados por su facilidadde instalación. Al elegir el plás-tico, debe consultarse con elfabricante su resistencia a laexposición directa a los rayossolares. Los módulos prefabri-cados, tanto los de plásticocomo los de fibra de vidrio,normalmente son muy delga-dos y se destruyen fácilmenteal ser sometidos a una opera-ción normal de lavado conagua a presión. En la foto de la figura 4-2 se puede percibir que con solodos meses de operación los módulos de fibra de vidrio ya empiezan a defor-marse y en la figura 4-3 se puede ver cómo terminan los de plástico al cabode unos años.
3. DECANTADORES DE FLUJO ASCENDENTE
Para optimizar el funcionamiento de estas unidades, debemos consideraren el proyecto estructuras de entrada, salida, almacenamiento y extracción de
Figura 4-3. Módulos de decanta-ción de plástico deteriorados (4)
lodos correctamente conce-bidas, a través de las cualesse debe vehiculizar el aguapara lograr el mejor compor-tamiento y la máxima efi-ciencia de la unidad. Múlti-ples evaluaciones han per-mitido determinar que la efi-ciencia de este tipo dedecantador está estrecha-mente ligada al comporta-miento hidráulico de la uni-dad.
Figura 4-4. Decantador de placasde flujo ascendente (2)
Drenaje de lodos
Canal colector de agua
decantadaTubería recolectora de agua
decantada
Canal distribuidor de
agua floculada
Orificio de
entrada
Placas de
asbesto-cemento
Decantadores laminares 139
Zona de entrada. Canal o tubería que distribuye de manera uniforme elagua floculada al módulo de placas. Véase el segundo piso del canal central en lafigura 4-4.
Zona de decantación. Mediante pantallas paralelas de lona, planchas deasbesto-cemento, fibra de vidrio, etcétera.
Zona de salida. Sistema de recolección del agua decantada mediantecanaletas, tuberías perforadas (véase la figura 4-4) o vertederos perimetrales,dependiendo del tamaño o capacidad de la unidad.
Zona de depósito y extracción de lodos. Tolvas de almacenamientocontinuas y múltiples. Sistema hidráulico de extracción uniforme de lodos, me-diante colector múltiple y sifones.
4. ZONA DE ENTRADA
Esta zona tiene como objetivo distribuir el caudal de manera uniforme atodas las unidades que operan en paralelo y a lo largo del módulo de placas. Estafunción la desempeñan dos canales con diferente ubicación.
4.1 Criterios de diseño
• Si se proyectan canales de sección variable, se consigue distribuir el caudalde manera uniforme a varias unidades, para que la velocidad se mantengaconstante.
• La sección del canal puede tener ancho constante y profundidad variable oancho variable y profundidad constante. Los canales del primer tipo son losmás convenientes porque permiten compactar más el área de la planta. Lafigura 4-5 muestra un canal de ancho variable. En plantas grandes el anchode este canal puede ser de varios metros, por lo que resulta muy convenien-te que tenga un ancho constante y que la mayor dimensión esté en la pro-fundidad, aprovechando la excavación que inevitablemente se hará para laconstrucción del decantador.
• Se puede admitir una desviación de caudales de 5% entre la primera y laúltima compuerta u orificio lateral de distribución, lo cual se compruebamediante la aplicación de los criterios de Hudson (5).
140 Diseño de plantas de tecnología apropiada
• El coeficiente de pérdida de carga total en las compuertas (β) está dado porla siguiente expresión:
β = 1 + θ + (Vc / VL )2. ϕ (1)
Donde:
1 = pérdida de carga debida a la disipación de energía en el lateralθ = coeficiente de pérdida de carga en la entrada. En canales cortos como
los que se diseñan en las plantas de tratamiento de agua, el valor deeste coeficiente es de θ = 0,7
ϕ = coeficiente de pérdida de carga en el cambio de dirección de la co-rriente, ϕ = 1,67
Vc = velocidad en el canal o tubo principal de distribución en m/sVL = velocidad en los laterales: compuertas o tuberías laterales que reciben
el caudal distribuido en m/s
• La velocidad real en los laterales (VL1) se comprueba mediante la siguienteexpresión:
VL = Qt
(2)
Donde:
Qt = caudal total por distribuir (m3/s)AL = área de cada uno de los orificios de las compuertas o de los tubos
laterales de distribución (m2)
• Para comprobar el gradiente de velocidad medio (G) en los orificios o sec-ciones de paso, se empleará la siguiente expresión (6):
G = (γ/2µg)0,5 . (f /4 RH)0,5 . VL1,5 (3)
Donde:
γ = densidad del agua en kg/cm3
RH = radio hidráulico de la sección en m
( )∑ =
n
1i i1
1 β/ β . AL
Decantadores laminares 141
µ = viscosidad absoluta (kg/cm2
x seg)f = coeficiente de Darcy-
Weisbach: varía entre 0,015y 0,030
hf = β VLn
2 /2g (4)
hf = pérdida de carga en mVL
n= velocidad real en el lateral
número n en m/s.
Aplicación 1. Canal de distribución uniforme del agua floculada a los decantadores.
• Todos los decantadores que operan en paralelo deben tener un comporta-miento similar. Esto solo ocurrirá si todos reciben caudales iguales para quela tasa de operación sea uniforme.
• El cuadro 4-1 muestra un ejemplo de aplicación al diseño de un canal quedistribuye 0,5 m3/s a cinco decantadores; se admite una desviación de has-ta 5% (figura 4-6). Este diseño se comprobó y la desviación de la velocidaden las compuertas de paso dio 4,2%, menor de 5% y, por lo tanto, aceptable(cuadro 4-2).
Figura 4-5. Canal de distribución avarios decantadores (4)
142 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Cua
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Decantadores laminares 143C
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atos
Cri
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álcu
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Res
ulta
dos
Uni
dad
Can
tida
d
Decantadores laminares 145
do y a ambos lados del canal, conuna distancia de centro a centro de0,50 metros. Podemos ver la for-ma de este canal en la figura 4-8.Véase el procedimiento de cálculoen el cuadro 4-3.
Aplicación 3. Distribución median-te tuberías
Cuando se proyectan decantadores
Figura 4-8. Forma del canal central dedistribución de agua floculada a lo largo
del módulo de placas (4)
Figura 4-9. Solución para decantadoreslaminares de pequeña capacidad (4)
Figura 4-10. Decantador laminar con distribuciónde agua floculada mediante tuberías (4)
Losas removibles
con orificios
Orificios
Decantador laminar
Asbesto-cemento
o vinilonas
Vertederos
regulables
Vertederos
regulables
Asbesto-cemento
o vinilonas
Orificios
Losas removibles
con orificios
pequeños, en lugar de canales, se emplean tuberías de PVC con perforaciones yse calcula la relación entre eldiámetro de la tubería y los ori-ficios con criterios de distribu-ción uniforme. Véanse las fi-guras 4-9 y 4-10. Considera-remos para el estudio de casoun decantador con capacidadpara producir 10 L/s. Véase elcuadro de cálculo 4-5.
En la figura 4-10 se pre-senta un corte longitudinal deldecantador pequeño. Las tube-
rías que se utilizan paradistribuir el agua floculadason de PVC y losdecantadores debenproyectarse con la longi-tud máxima que da eltubo.
Válvula
mariposa
Sistema de recolección de agua decantada
Losas removibles con
orificios para la
extracción de lodos
Canal repartición
de agua floculada
Ag
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de
ca
nta
da
Orificios
Decantador laminar
De
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gü
e
Válvula
mariposa
ø 4’’
Tubería de distribución de agua floculada
150 Diseño de plantas de tecnología apropiada
5. ZONA DE SEDIMENTACIÓN
5.1 Criterios específicos
• Esta zona se proyecta sobre labase de la tasa de decantaciónseleccionada durante el estu-dio de laboratorio efectuadocon el agua cruda. La muestradebe tomarse durante el perio-do lluvioso, para que los resul-tados de estas pruebas, queconstituyen los parámetros dediseño del proyecto, correspon-dan a las necesidades de laépoca más crítica.
• Las lonas que se utilizan como placas son de vinilo y reforzadas con hilos depoliéster de alta tenacidad (KP 500 ó 1.000), recubiertas por ambos ladoscon PVC de formulación especial; con bastas en todo el contorno y caboso refuerzos metálicos internos, por lo menos en los laterales y en la parteinferior. Estarán provistas de ojalillos de aluminio en las cuatro esquinas, losque servirán para templarlas y fijarlas convenientemente, mediante pasadoresde plástico, a perfiles de aluminio, ubicados en las paredes de los canaleslaterales. Véase el detalle de la instalación en la figura 4-12.
Figura 4-11. Zona de decantación mediantemódulos de asbesto-cemento (4)
Figura 4-12. Instalación de las lonas de vinilo (4)
Perno de anclaje
Perfil de aluminio e = 1/4”
Lonas depoliéster
Ver Det. A-A
Pasador
Perno deanclaje
Perfil dealuminio e = 1/4”
Corte 1-1 Detalle A-A
1
Perfil de aluminio e = 1/4”
Lonas depoliéster
1
60º
con orificios de φ 1/2”
Decantadores laminares 151
• Los perfiles de aluminio que se empotran en las paredes laterales son de90°, 1/4" de espesor y 5 centímetros de ancho con orificios de un centíme-tro de diámetro, separados a partir del extremo de acuerdo con elespaciamiento calculado en el proyecto (10, 12 ó 14 centímetros). El perfilsuperior se ubicará a 1,30 metros del borde superior del decantador, de talmanera que el nivel máximo del módulo de decantación tenga un metro desumergencia. Las lonas se instalarán formando un ángulo de 60° con elplano horizontal, por lo que el perfil inferior se colocará paralelo al anterior,a una distancia de 1,04 metros ycon los orificios dispuestos en for-ma similar.
• Las láminas de asbesto-cementode 6 milímetros de espesor y 2,40metros de largo se pandean y pro-ducen una flecha de hasta 5 cen-tímetros cuando están inclinadasa 60° y soportadas solo en sus ex-tremos.
• Esto se resuelve colocando uno odos separadores al centro de las placas, de forma que se apoyen unas sobrelas otras, con lo que se evita una deflexión excesiva. Estos separadorespueden ser de madera o de asbesto-cemento (figura 4-13).
• Los separadores de asbes-to-cemento constan de tirasde 5 a 6 centímetros de an-cho y 10 milímetros de es-pesor, adheridas con pega-mento a las láminas para sumayor estabilidad. Tambiénse usan perfiles en ‘‘U’’,asegurados con tornillos,aunque es suficiente la solapresión de una placa sobrela otra para conservar losseparadores en su posición(figura 4-14).
Figura 4-13. Separadores paraplacas de asbesto-cemento (7)
Figura 4-14. Otros tipos de separadoresde placas (7)
5 cm
8 cm
de
Lámina de
asbesto-cemento
Perfil en ‘‘U’’
de aluminio
Separadores de
asbesto-cemento
152 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Perfil de
2’’x 2’’ x 1/4’’
Viga con borde
dentado
Perfil visto en planta
Perfil con ranuras
Lámina de
asbesto-
cemento
• El apoyo de las pla-cas en sus extremosse ha efectuado devarias formas. Unade las más difícilesde llevar a la prácti-ca, dependiendo de lacalidad de mano deobra disponible, con-siste en efectuar ra-nuras longitudinalesde 4 a 5 centímetrosde profundidad e in-clinadas en 60°, enlos muros que limitanel ancho de la zonade decantación.
• Otro sistema de colocación de placas consiste en empotrar un perfil de 2" x2" x 1/4", debidamente protegido contra la corrosión, con ranuras conve-nientemente dispuestas para sujetar las láminas en la parte superior. Sedejará una saliente de unos 10 centímetros en los muros para sujetar lasláminas en el extremo inferior (figura 4-15).
En algunos casos, solamente se colocarán apoyadas en la parte baja y conseparadores en el medio de las láminas.
• En plástico se han adoptado las formas tubulares de sección cuadrada,hexagonal o circular, que constituyen los denominados módulos patentados
(figuras 4-16).
• Los módulos patentados se fabrican normalmente de plástico o de fibra devidrio. El plástico es el material ideal para este fin por su poco peso. Comosu costo es muy alto, los módulos de este material tienen de 0,50 a 0,60metros de altura y están hechos de láminas muy delgadas para disminuir supeso y, por consiguiente, también el costo de transporte.
Figura 4-15. Detalle de instalación de placasde asbesto-cemento con perfiles (4)
Decantadores laminares 153
• Los módulos dan mayor resistenciaestructural al conjunto, pero hidráuli-camente tienen desventajas con res-pecto a las placas. A igualdad de con-diciones (inclinación y longitud rela-tiva), las secciones tubulares cuadra-das o circulares producen cargas su-perficiales equivalentes más altas quelas de placas. Debido a la poca alturade los módulos, decrece el valor de laprofundidad relativa del decantador,que es de 10 a 12 en este caso, mien-tras que con las placas es de 20 a 24,lo cual incrementa la tasa superficial de la unidad en 50 a 60% por este soloconcepto.
5.2 Criterios para el dimensionamiento
• El área total que debe cubrirse con placas espesor (e) y separación (e’), enel plano horizontal, se calcula mediante la siguiente expresión:
As = Q/ fV
s(5)
f = sen θ (sen θ + L Cos θ) / s
Donde:
Q = caudal en m3/dsV
s= velocidad de sedimentación de la partícula en m/s
L = longitud relativaS = módulo de eficiencia de placas
• La longitud relativa L se determina mediante la siguiente expresión:
L = lu / d (6)
Donde:
lu = longitud útil dentro de las placasd = espaciamiento entre las placas
Figura 4-16. Módulos de decantaciónde sección hexagonal (4)
154 Diseño de plantas de tecnología apropiada
• El número total de placas por instalar (N) se calcula mediante la siguienteexpresión:
N = As sen θ / B d (7)
Donde:
B = Ancho total neto de la zona de decantación
• El número de Reynolds se comprueba mediante la siguiente expresión:
Nr = 4 RH . Vo / v (8)
Donde:
v = viscosidad cinemática en m2/sVo = velocidad media del flujo en m/sRH = radio medio hidráulico en m
5.3 Aplicación
Siguiendo con el ejemploinicial, pasaremos a calcular unaunidad para 100 L/s de capaci-dad. Se efectuaron los estudiosde laboratorio con una muestrade 550 UNT, representativa delas condiciones más críticas, y seobtuvo la curva de decantaciónindicada en la figura 4-17.
A partir de la curva dedecantación, se desarrolló el cua-dro 4-6. Entrando en la curva conlos valores de velocidad de sedimentación correspondientes al rango de tasas dela primera columna del cuadro, se van obteniendo los valores de Co = Tf/To, conlos que se calculan las columnas siguientes (véase Tratamiento de agua paraconsumo humano. Planta de filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo II,capítulo 11).
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12Vs (cm/s)
Co
Figura 4-17. Curva de decantación (4)
Curva de decantación
Decantadores laminares 155
Cuadro 4-6. Selección de la velocidad óptima de decantación (4)
Q Vs Co Rt Tr Tf
m3/m2/d cm/s % UNT UNT UNT
25 0,029 0,15 0,999 179,75 0,25
28,5 0,033 0,16 0,996 179,35 0,65
30 0,035 0,175 0,994 178,84 1,16
35 0,040 0,18 0,991 178,31 1,69
36 0,042 0,185 0,989 178,00 2,00
37 0,043 0,19 0,987 177,74 2,26
40 0,046 0,22 0,979 176,30 3,70
Del análisis del cuadro anterior se determinó que la tasa de decantacióncon la que se podía obtener un efluente con 2 UNT era de 36 m3/m2.d.
Dado que esta tasa se obtuvo en el laboratorio en condiciones ideales, seaplicó un coeficiente de seguridad de 1,3, con el que se obtuvo una tasa de 27,7m3/m2.d. Durante el cálculo, esta tasa se incrementó a 28,74 m3/m2.d para redon-dear la longitud del decantador a 12 metros. Véase un ejemplo de cálculo de launidad en el cuadro 4-7.
Decantadores laminares 157
Cua
dro 4
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+[N
d+(N
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Long
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0,10
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0,10
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40 +
0,1
03)
plac
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,013
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RH
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1)/0
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Vo =
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Uni
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Res
ulta
dos
Uni
dad
158 Diseño de plantas de tecnología apropiada
D h
h/D < 0,75
6. ZONA DE SALIDA
6.1 Criterios generales
• La uniformidad en la ascensión del flujo depende tanto de las característi-cas de la zona de entrada como de la de salida.
Figura 4-18. Canal central y tuberías laterales de recolección de agua decantada (6)
• Para conseguiruna extracciónuniforme, se pue-de diseñar ya seaun canal centralrecolector y ca-nales laterales (fi-gura 4-18), un ca-nal central y tube-rías laterales per-foradas o un ca-nal central yvertederos latera-les (figura 4-19).
• No es recomendable diseñar vertederos fijos de bordes lisos, porque cual-quier desigualdad en los bordes produce apreciables desigualdades en lacantidad de agua extraída.
Figura 4-19. Vertederos de recolección regulables (6)
Vertedero metálico ajustable
ho ho
b
ho
Decantadores laminares 159
En los bordes de los vertederos de concreto deben empernarse láminas deacero o PVC dentadas (con vertederos en ve) o de bordes lisos, que traba-jen con tirantes de agua de 5 a 10 centímetros. Esta solución permitiránivelarlos en obra (figura 4-19).
• Tubos con perforaciones en la parte superior dan excelentes resultadoscuando todos los orificios son de igual diámetro, con una carga de aguasobre estos de 5 a 10 centímetros y descarga libre hacia un canal central ocanales laterales; el tubo no debe trabajar a sección llena. Esta última con-dición es básica para obtener una extracción equitativa del flujo.
6.2 Criterios para el dimensionamiento
• La longitud de vertederos de recolección (lv) se calcula mediante la si-guiente expresión:
lv = Q/qr
(9)
Donde:
Q = caudal de diseño del decantador en L/s
qr
= tasa de diseño de los vertederos, que varía entre 1,1 y 3,3 L/s x m delongitud de vertedero.
Los valores de qr
cercanos a 1,10 L/s x mse recomiendan paraflóculos débiles o paraplantas con operaciónpoco confiable, y valo-res cercanos a 3,30,para casos de flóculosgrandes, pesados y conbuen nivel de operación.
Figura 4-20. Sistema de recolección mediantetuberías perforadas (4)
160 Diseño de plantas de tecnología apropiada
• La distancia máxima entre los vertederos de recolección (d) es una funciónde la profundidad (h) de instalación de los módulos o placas, y esinversamente proporcional a la tasa de escurrimiento superficial.
d/ h = 432/ Vs (10)
Donde:
Vs = velocidad ascensional del agua o tasa de escurrimiento superficial enm3/m2/d
En el gráfico de la figura 4-21 se encuentra representada la variación ded/h con Vs.
• Cuando la recolección se efectúa mediante tuberías con perforaciones, serecomienda determinar la longitud de tubería mediante la ecuación 9, eldistanciamiento máximo centro a centro mediante el criterio de la ecuación10 y, para que la colección sea uniforme, el diámetro de los orificios y deltubo se determinarán a partir de la expresión 11.
Vc/Vo = nAo/Ac < 0,15 (11)
Donde:
n = número de orificios. Se calcula de acuerdo con la longitud del tubo,con un espaciamiento de 0,10 metros
Ao = área de los orificios, normalmente ½”Ac = área del tuboVo = velocidad en los orificios en m/sVc = velocidad en la tubería en m/s
Esta relación de velocidades o de secciones asegura una desviación < 5%(véase el ábaco de la figura 4-23). Se recomienda, además, una altura de agua de5 a 10 centímetros sobre los orificios.
Decantadores laminares 161
Figura 4-21. Relación de la distancia máxima entre las canaletas de agua decantadaversus la profundidad de agua en función de la tasa de escurrimiento superficial (5)
d
h
4,0
3,0
2,0
1,0100 200 300
Velocidad ascensional
V m /m ds
3 2
dh
162 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Aplicación 1. Recolección del agua decantada mediante tuberías perforadas
Veamos ahora el procedimiento de cálculo del sistema de recolección deagua decantada. Se ha elegido un sistema de tuberías de PVC perforadas por subajo costo y una tasa de 2 L/s x m debido a que en las pruebas de laboratorio sepudo ver que se forma un buen flóculo que precipita rápidamente. Véase el cua-dro 4-8.
Aplicación 2. Recolección mediante vertederos
Para el caso de decantadores pequeños, la solución mas económica es lade colocar vertederos perimetrales. En ese caso, el cálculo es más sencillo ytermina en el paso 2 del cuadro 4-8.
Después de calculada la longitud de los vertederos, debemos comprobarque el perímetro de la unidad sea igual o mayor que la longitud requerida. Si nocumple, colocaremos tres hileras de tuberías perforadas a lo largo de la unidad,que descarguen al canal de distribución a los filtros.
Tanto los vertederos como las tuberías se colocarán a una altura tal que lacapa de agua sobre el módulo de placas sea de un metro. En la medida en que sereduce esta altura, se debe disminuir la tasa de recolección, para evitar que laslíneas de flujo se arqueen y arrastren a los flóculos, para alcanzar el nivel desalida. La altura mínima entre el vertedero o tuberías y el módulo de placas es de0,65 m.
7. ZONA DE LODOS
Esta zona está compuesta por las tolvas de almacenamiento y el sistema deevacuación o de descarga hidráulica de los lodos. La alternativa más recomenda-ble, por su excelente funcionamiento, es la de tolvas separadas, con colector múl-tiple de extracción hidráulica y uniforme.
La otra solución que se desarrolla es la de tolvas continuas y extracciónhidráulica de los lodos mediante sifones.
164 Diseño de plantas de tecnología apropiada
7.1 Tolvas separadas y colector múltiple
7.1.1 Criterios de diseño
• En las tolvas separadas, la separación entre orificios está dada por la con-figuración de las tolvas y el número de estas (figura 4-22).
• El volumen total de almacenamiento disponible en las tolvas está relaciona-do con la producción diaria de lodos. Normalmente se adopta un periodo dealmacenamiento de un día y la frecuencia máxima de descargas en épocade lluvia es de cuatro horas.
• Las mejores condiciones hidráulicas se consiguen “atolvando” los fondos,de modo que se tenga una tolva por cada boca de salida, con lo cual seconsigue, además, tener orificios de descarga de mayor diámetro, lo quedisminuye el riesgo de atoros. Como el lodo presiona el punto de salida, latolva se vacía totalmente (figura 4-22). La viga ubicada debajo de las pla-cas y las columnas se debe a que el módulo era de placas de asbesto-cemento.
• La pendiente de las tolvas debe estar entre 45° y 60° y la sección debe seraproximadamente cuadrada.
Figura 4-22. Tolvas separadas y colector múltiple (4)
Canal de inspección de los
colectores de lodos
Canal de distribución a
decantadores
Tapón
Canal de
distribución
a filtros
Tubos de PVC con
orificios
Colector
de lodos
Orificios
Válvula
mariposa
Canal de
desagüe
Decantador laminar
Decantadores laminares 165
• El diámetro del colector múltiple se incrementa en función de su longitudtotal, y el diámetro es modificado por el número de orificios de extracción.
• La extracción de lodos debe ser equitativa y se puede admitir una desvia-ción máxima de 10%.
• La distribución del flujo entre los orificios depende de la relación entre lasuma de las secciones de todos los orificios de descarga (n Ao) y la seccióndel dren (A). Experimentalmente, se encontró que, para que la desviación(δ) de flujo entre los orificios extremos no sea mayor de 10%, R debe variarentre 0,40 y 0,42. Véase el ábaco de la figura 4-23.
R < 0,42 (12)
De acuerdo al ábaco de la figura 4-23, para que la desviación (δ) entre losorificios extremos del colector no sea mayor de 10%, se debe cumplir lasiguiente relación:
Figura 4-23. Canalizaciones con múltiples laterales (5)
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.5 1.0 N AoA
1.5
Múltiple colector
Múlt
iple
de d
istrib
ución
Des
viac
ión
R =
0,50AALnδ ≤==
166 Diseño de plantas de tecnología apropiada
• El diámetro de los orificios sedetermina en función del diá-metro del dren (D), de la re-lación (R) y del número de ori-ficios (n).
7.1.2 Criterios de
dimensionamiento
• El diámetro de los orificios dedescarga (d) se calcula me-diante la siguiente expresión:
d = x / 1,162 ( H0,5 / Va)0,5 (13)
Donde:
x = separación entre orificios de salida en m. Depende del número detolvas y de sus dimensiones
H = carga hidráulica en mV
a= velocidad de arrastre del lodo
Se recomienda establecer como velocidad mínima de arrastre en los puntosmás alejados de 1 a 3 cm/s
• El diámetro del colector de lodos (D) se determina mediante la siguienteexpresión:
(14)
Figura 4-25. Colector múltiple con orificios y tolvas separadas (5)
Figura 4-24. Sistema de tolvasseparadas (8)
R/N/d=D
Decantadores laminares 167
Donde:
R = relación de velocidades entre el colector y los orificios de descargaN = número de orificios o de tolvasD = diámetro de los orificios en m
• El caudal de drenaje del colector (QL) se puede calcular mediante la si-guiente expresión:
QL = Cd . A . 2g h (15)
Donde:
Cd
= coeficiente de descargaA = sección del colector en m2
g = aceleración de la gravedad en m/s2
H = carga hidráulica en m
7.1.3 Aplicación
Consideramos el diseño de un decantador de 100 L/s de capacidad delejemplo anterior. El ancho total de estas unidades, teniendo en cuenta el anchototal del módulo de placas de 4,80 metros, el ancho del canal central de distribu-ción de agua floculada de 0,65 metros (calculado en el cuadro 4-7), más los muroslaterales de 0,15 metros, es de 5,75 metros. La unidad tiene 12 metros de largo,por lo que estamos considerando 3 tolvas de 1,50 metros de profundidad total.
En estas condiciones, los resultados del cálculo del cuadro 4-9 indican quela capacidad máxima de almacenamiento de las tolvas es de un día, el diámetrodel colector y de la válvula mariposa de descarga de lodos es de 28” y los orificiosde paso de las tolvas al colector, de 10”. Las instrucciones de operación queacompañen al proyecto deben indicar claramente que en la época de lluvias lafrecuencia máxima de descarga debe ser de 4 horas.
El esquema del decantador proyectado es similar al de la figura 4-22, soloque con tres tolvas y un solo colector para los dos módulos.
168 Diseño de plantas de tecnología apropiada
1Lo
ngitu
d de
lL
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x =
L /
Nx
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2 / 3
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50 x
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0,00
5L.
L/s
QL =
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QL
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4-9.
Dim
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nam
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un
cole
ctor
múl
tiple
con
tolv
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para
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4)
Decantadores laminares 169
7.2 Canal central con sifones y tolvas continuas
7.2.1 Criterios de diseño
• En las tolvas continuas el cálculo del espaciamiento es un poco más sofisti-cado, pues se debe tener en cuenta la esfera de influencia alrededor delorificio, dentro del cual la velocidad del flujo que confluye al punto de salidaes capaz de producir arrastre de partículas sedimentadas.
• El canal de descarga de lodos de la figura 4-26 debe dimensionarse demodo que el escurrimiento en su interior sea libre. En general, se requiereentrada y salida de aire, lo cual se consigue colocando una tubería de ven-tilación en los extremos. En estas condiciones, los colectores individualesdispuestos a lo largo del canal, descargarán libremente el lodo en el interiorde este, pues todos estarán sometidos a la misma carga hidráulica (h).
7.2.2 Criterios de dimensionamiento
• El caudal en un tubo corto está dado por la siguiente expresión:
q = Cd . A 2g h (16)
Figura 4-26. Canal de extracción de lodosmediante sifones (5)
Canal de descarga de lodos
Canal de distribución de
agua floculada
Canal de colecta de agua
decantada
Agua decantada
Agua floculada
Tubos de descarga de lodos
170 Diseño de plantas de tecnología apropiada
El coeficiente de descarga (Cd) se selecciona del cuadro 4-10, en función
de la relación L/D, donde L es la longitud del sifón y D su diámetro.
Cuadro 4-10. Valores de Cden función de L/D
L/D Cd
300 0,33
200 0,39
100 0,47
90 0,49
80 0,52
70 0,54
60 0,56
50 0,58
40 0,64
30 0,70
20 0,73
• En el caso de la figura 4-26, se tiene una sola tolva continua en el sentidolongitudinal de la unidad, pero, como se puede apreciar en la figura 4-27,dependiendo del área de la unidad, se pueden tener varias tolvas continuas.La extracción de los lodos se puede hacer mediante sifones o por medio deorificios en el fondo.
• Es necesario considerar elnúmero, diámetro y espa-ciamiento de los orificios dedrenaje.
• La distancia (x) entre los ori-ficios de descarga debe sertal que la velocidad mínimade arrastre de los lodos (Va)
no sea menor de un cm/s.
• El canal debe funcionar conla superficie expuesta a la
Figura 4-27. Sistema de tolvascontinuas (8)
Orificios paraaspiración de
lodos
Decantadores laminares 171
presión atmosférica, para que los sifones trabajen con descarga libre alcanal y la recolección se realice equitativamente, al estar todos los peque-ños sifones sometidos a la misma carga hidráulica (h) (figura 4-26).
• Distancia máxima entre tubos laterales de 0,90 m.
• Diámetro mínimo de los sifones laterales de 1 ½’’.
• Caudal mínimo por lateral de 3 L/s.
• Velocidad mínima en el lateral de 3 m/s.
• Para mantener el régimen de descarga libre en el canal, se debe diseñar unducto de entrada de aire con la sección adecuada, para que compense elvolumen de aire arrastrado por el agua.
7.2.3 Aplicación
El cuadro 4-11 presenta un ejemplo de aplicación de estos criterios aldimensionamiento de este sistema de recolección de lodos mediante sifones cor-tos y tolva continua (figura 4-26).
De acuerdo con los cálculos del cuadro 4-11, será necesario instalar 22sifones para tener una buena recolección de lodos. Las tolvas se llenarán en undía y medio en la época de lluvias y la válvula de descarga se abrirá durante 1,2minutos para que las tolvas se vacíen; durante este lapso se deberá cerrar elingreso de agua floculada para evitar cortocircuitos.
Debe instalarse, además, un tubo de ventilación a cada extremo del canal,para que haya circulación de aire en su interior.
7.3 Otros sistemas de descarga de lodos
7.3.1 Descarga mecánica automática
Se trata de válvulas automáticas que pueden ser accionadas mediante airecomprimido o agua, o bien por medio de un programador electrónico o electroválvulaque abre y cierra el circuito para descargar según intervalos programados o me-diante sifones de accionamiento mecánico y de carga automática (CLARIVAC). Lafigura 4-28 muestra un decantador laminar de un m3/s de capacidad operando conun sistema de extracción de lodos continuo de patente CLARIVAC.
172 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Este sistema solo se recomienda para decantadores muy grandes y requie-re buenos recursos de operación y mantenimiento.
La figura 4-30 muestra el sifón fluctuante de diseño artesanal, y la figura4-31, el sistema patentado CLARIVAC.
Figura 4-30. Sifón fluctuante
Figura 4-29. Canal de descargadel sistema CLARIVAC
Figura 4-28. Sistema CLARIVAC deextracción de lodos
Canaleta de
lodos
Fondo del
decantador
Otro sifón
Orificios para
succión de
lodos
0,30
0,20
0,10
3,25
Nivel del agua
Decantadores laminares 173
Colector
Protector
Tubo de sifón
Guía
Guía
Canal de
recolección
FlotadorVálvulas de control
de descarga
Flotador
Cable para
desplazamiento φ 1/8’’
Tirante
Figura 4-31. Sistema CLARIVAC
8. DEFECTOS DE DISEÑO MÁS COMUNES
Es todavía frecuente encontrar unidades nuevas diseñadas como las de laprimera generación, sin una estructura de entrada apropiada y sin un sistema deextracción de lodos hidráulico (figura 4-32).
En estas unidades todo el flujo ingresa por el inicio de la unidad y se distri-buye de acuerdo con la longitud de esta y la velocidad de paso por debajo de lasplacas. En las unidades largas normal-mente la mayor parte del caudal llegaal final y asciende levantando losflóculos.
También es frecuente encontrarque la longitud de recolección es muycorta y las pocas canaletas de reco-lección consideradas se encuentran to-talmente ahogadas.
Cuando la longitud de recolec-ción es muy corta, la velocidad de as-
Figura 4-32. Decantador de placasde la primera generación (4)
174 Diseño de plantas de tecnología apropiada
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Decantadores laminares 175
censión del agua es muy alta y arras-tra a los flóculos que tratan de depo-sitarse sobre las placas.
También son comunes los ca-sos en que un decantador conven-cional se convierte en decantador deplacas y el sistema de recolecciónpermanece igual, sin incrementarsede acuerdo con el mayor caudal quela unidad va a producir en adelante.
El decantador de placas de lafigura 4-34 no tiene un sistema de
recolección adecuado. Únicamente se colocó un vertedero al final de la unidad,como si se tratara de un decantador convencional de flujo horizontal.
En el caso del decantador de la figura 4-35, las tuberías de recolecciónestán mal colocadas y fuera del agua, con lo que se desperdicia gran parte de sucapacidad.
Otro defecto muy frecuente en este tipo de decantadores consiste en colo-car el sistema de recolección muy próximo al módulo de placas, sin respetar ladistancia recomendada de un metro ni la altura de agua mínima estipulada de 0,65metros (figura 4-36). Al colocar la salida tan próxima al módulo de placas, las
Figura 4-33. Decantador de placascon problemas de recolección (4)
Figura 4-34. Decantador de placas sinsistema de recolección apropiado (4)
Figura 4-35. Sistema de recolecciónmal instalado (4)
176 Diseño de plantas de tecnología apropiada
líneas de flujo se arquean mu-cho para alcanzar la salida yarrastran a los flóculos, lo queempobrece la calidad delefluente del decantador.
En la figura 4-37 se pue-de apreciar el arrastre deflóculos a la superficie deldecantador. En este caso, se su-maba el problema de que losdecantadores habían sido pro-yectados con una tasa demasia-do alta, consecuencia de no ha-
ber realizado un buen estudio detratabilidad del agua antes de ejecutarel proyecto. Si estamos adivinandocuál es la tasa ideal para tratar unadeterminada agua, será difícil que de-mos en el clavo.
Otro defecto muy común es con-siderar un decantador convencionalseguido de uno laminar sin estructu-ras de entrada y salida adecuadas. Enla figura 4-38 se puede apreciar un
proyecto de este tipo; se observa queno hay una estructura de salida deldecantador convencional y que el aguaingresa directamente por debajo delmódulo de decantación sin una estruc-tura de distribución uniforme. En estoscasos, el decantador convencional esapenas un tanque de paso y la eficien-cia es prácticamente nula. Figura 4-38. Decantadores
convencional y laminar en serie (4)
Figura 4-36. Sistema de recolecciónsobre los módulos de decantación (4)
Figura 4-37. Arrastre de flóculos enla superficie de los módulos (4)
Decantadores laminares 177
En la figura 4-39 se puedeobservar otro caso similar: undecantador convencional sin es-tructuras de entrada y salida ade-cuadas, seguido de un decantadorlaminar sin estructura de entrada.Nuevamente, el agua pasa deldecantador convencional directa-mente por debajo del módulo deplacas.
Figura 4-39. Decantadores convencionaly laminar en serie (4)
178 Diseño de plantas de tecnología apropiada
REFERENCIAS
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(2) Arboleda Valencia, Jorge. Teoría y práctica de los sedimentadores de
placas inclinadas. Cali, ACODAL 89, 1979.
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la producción de plantas de tratamiento de agua mediante el Progra-
ma de Corrección Compuesto. Lima, CEPIS/OPS, 1998.
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(6) Di Bernardo, L. Metodos e Tecnicas de Tratamento de Agua. Volume 1.
Rio de Janeiro, ABES, 1993.
(7) Programa HPE/CEPIS/OPS de Mejoramiento de la Calidad del Agua paraConsumo Humano. Manual V. Criterios de diseño. Lima, CEPIS, 1992.
(8) Arboleda Valencia, Jorge. Teoría y práctica de los sedimentadores de
alta rata. Memorias del Seminario Internacional sobre Tecnología Sim-
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del agua. Serie técnica 13. Lima, CEPIS/OPS, 1973.
(10) Pérez Carrión, J. M. Submódulo: Sedimentadores convencionales. Mó-
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Decantadores laminares 179
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Water Treatment Plants. Boston, 15-16 de junio, 1974. Denver, AWWA,1974, pp. 67-78.
(15) Pérez Carrión, José. Submódulo 4.5.2. Sedimentadores laminares.Programa Regional OPS/HPE/CEPIS de Mejoramiento de la Calidad delAgua. Lima, CEPIS/OPS, 1981.
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Evaluation. Nueva York, Van Nestrand Reinhold, 1981.
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180 Diseño de plantas de tecnología apropiada
CAPÍTULO 5
BATERÍA DE FILTROS DE TASA DECLINANTEY LAVADO MUTUO
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 183
1. INTRODUCCIÓN
Los filtros son las unidades más complejas de una planta de tratamiento deagua. Su correcta concepción depende de la interrelación que exista entre lascaracterísticas de la suspensión afluente y los rasgos del medio filtrante, para quepredominen los mecanismos de filtración apropiados que darán como resultado lamáxima eficiencia posible. El trabajo experimental mediante un filtro piloto es laforma más segura de seleccionar las características de la unidad y los parámetrosde diseño para una suspensión determinada.
El segundo punto en importancia para optimizar el diseño del filtro es unbuen conocimiento de la hidráulica de la unidad. Las evaluaciones efectuadas deestas unidades en toda América Latina indican que es en este terreno que sesuelen inscribir las deficiencias más notables en la concepción de los proyectos.
La concepción de estas unidades varía dependiendo de las característicasde la suspensión por filtrar, por lo que podemos diferenciar las unidades que filtranagua decantada de las que reciben agua coagulada o brevemente floculada. En elprimer caso, se tratará de las baterías de filtros que integran una planta de filtra-ción rápida completa y, en el segundo, de una planta de filtración directa. Como seha visto en la sección “Plantas de filtración rápida” del capítulo 3, Tratamiento deagua para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría,tomo I, estos últimos sistemas son los más restringidos en cuanto al rango decalidad de agua que pueden tratar.
En este documento se han reunido y sintetizado los criterios más importan-tes para efectuar el correcto dimensionamiento de las baterías de filtros de tasadeclinante y lavado mutuo.
2. VENTAJAS DE LAS BATERÍAS DE FILTROS DE TASADECLINANTE Y LAVADO MUTUO
Las baterías de filtros de tasa declinante y lavado mutuo se consideran comotecnología apropiada debido a que reúnen las siguientes ventajas sobre otros siste-mas de filtración en uso:
184 Diseño de plantas de tecnología apropiada
• No requieren una carga hi-dráulica muy grande paraoperar. Los filtros de tasaconstante operan con unacarga hidráulica de 1,80 a2 metros para completaruna carrera de operaciónde 40 a 50 horas en pro-medio. En estas mismascondiciones, normalmenteuna batería de filtros ope-rando con tasa declinanterequiere una carga similara la que necesitaría si estuviera operando con tasa constante, dividida por elnúmero de filtros que componen la batería.
• No tienen galería de tubos. El transporte del agua decantada, filtrada, elagua para el retrolavado de los filtros y el desagüe del agua de lavado se
efectúan mediante canales. En la fi-gura 5-1 se puede observar un sis-tema pequeño que consta de seis fil-tros de arena sola.
Normalmente el agua filtrada tam-bién se traslada mediante canales,uno de aislamiento y otro que co-necta entre sí la salida de todas lasunidades. Estos canales se encuen-tran inmediatamente después de lascajas de los filtros. Sin embargo,también se proyectan baterías deeste tipo con galería de tubos como
la que podemos observar el figura 5-2. La galería de tubos está descubiertaal lado derecho de las cajas de los filtros.
• No se requiere tanque elevado ni equipo de bombeo para efectuar elretrolavado de un filtro. A través del canal de interconexión y debido a unespecial diseño hidráulico del sistema, el agua producida por lo menos portres filtros retrolava a una unidad. En la figura 5-3 se puede observar este
Figura 5-1. Batería de filtros de tasadeclinante y lavado mutuo (1)
Figura 5-2. Baterías de filtros de tasadeclinante con galería de tubos (1)
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 185
proceso cuando el falso fondoactúa como canal de interco-nexión.
• Debido al especial diseño hidráu-lico de estos sistemas, el opera-dor solo debe cerrar el ingresode agua decantada y abrir lasalida de agua de lavado para que el lavado se produzca en forma automá-tica y con la expansión correcta (25 a 30%).
• No se requiere instrumentalsofisticado ni consolas o pu-pitres para la operación, aun-que en las plantas grandes selos suele incluir.
• En la figura 5-4 se muestrauna batería de este tipo de 1,0m3/s de capacidad, la cualhace parte de una planta de6,3 m3/s, con accionamientoautomático de válvulas y pu-pitres de operación.
• En la figura 5-5 se puedeapreciar una batería doblede filtros de tasa declinan-te y lavado mutuo, de 2,5m3/s de capacidad de pro-ducción, de mayor tamañoque la anterior, con opera-ción manual.
• La batería de filtros operabajo el principio de vasoscomunicantes. Las unida-des están intercomunicadaspor la entrada a través del
Figura 5-3. Movimiento del aguadurante el lavado de un filtro (2)
Figura 5-4. Batería de filtros de 1,0 m3/sde capacidad (1)
Figura 5-5. Sistema de filtración de tasadeclinante y lavado mutuo (1)
186 Diseño de plantas de tecnología apropiada
canal de entrada y también del canal de interconexión en la salida. Por estacaracterística, las unidades presentan todas los mismos niveles y es posiblecontrolar el nivel máximo de toda la batería, con un solo vertedero-aliviade-ro en el canal de entrada.
3. DESCRIPCIÓN DE UNA BATERÍA DE TASA DECLINANTE YLAVADO MUTUO
Al igual que en el caso de los decantadores laminares, tenemos solucionespara plantas pequeñas y grandes. En la figura 5-6 podemos apreciar el corte de unfiltro de una batería de tasa declinante para una planta de mediana a grande.
1) Caja del filtro. Es la parte más importante de la unidad. Podemos apreciardel fondo hacia arriba: el falso fondo, el drenaje generalmente del tipo deviguetas prefabricadas de concreto, la capa soporte de grava, el lechofiltrante, las canaletas secundarias de lavado y el canal principal de lavado,que recibe el agua del retrolavado colectada por las canaletas secundarias.Por encima de este nivel se ubican las cargas de agua necesarias para elfuncionamiento de la batería (carga hidráulica para el lavado y carga hi-dráulica para el proceso de filtrado), las cuales determinan la profundidadtotal de la caja del filtro y se limitan mediante vertederos.
Figura 5-6. Corte de un filtro para plantas de medianas a grandes (1)
Canal de interconexión
N. 4,100N. 4,100
Canal dedistribución
de aguadecantada
N. 4,250N. 4,350
N. 0,000
N. Min-3,880
0,250
N. Max-3,950
N. 3,500N. 3,500
Canal derecolección
de aguade lavado
N. 2,415 N. 2,450
0,250
Canal recolección
de desagües
Arena
Grava
Falso fondode filtros
N. 0,100
0,500
0,800
0,215
0,600
0,400
Canal de aislamiento
Compuertade salida
N. 1,250
Vertederogeneral
Drenaje Válvula de vaciadode filtro
Válvula de desagüe de
decantadores
Válvulatipo
mariposa
Canal principal
de lavado
Válvula tipo
mariposa
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 187
2) Canal de distribución de agua decantada. Alimenta las cajas de losfiltros a través de las válvulas de entrada de cada unidad. En la parte supe-rior de este canal se ubica el vertedero que limita la carga hidráulica máxi-ma disponible para la operación con tasa declinante de la batería de filtros.
3) Canal de desagüe de agua de retrolavado. Ubicado debajo del anterior,recibe el agua del retrolavado de los filtros. En este canal se acostumbranreunir también los desagües de los decantadores (véase la válvula al ladoderecho del canal de la figura 5-6) y floculadores, por lo que constituye elcanal emisor de la planta.
4) Canal de aislamiento. Recibe este nombre porque tiene la función deaislar una unidad del resto de la batería, cerrando la válvula de entrada y lacompuerta de salida que comunica con el canal de interconexión ubicado asu izquierda. Este canal se localiza contiguo a la caja del filtro y se comuni-
Figura 5-7. Vista en planta de una batería grande de filtros de tasa declinante (1)
Canal de agua sedimentada
Difusorde cloro
VertederogeneralPlanta
B
B
A
Cámara de cloración
F4
Canales de aislamiento
F3
AF2
Canal de interconexión
F1
ArenaGrava
Falso fondo
Canaletas
Corte A-A
Drenaje
Válvula deentrada
Válvula dedesagüe
Canaletassecundarias
de lavado
Canal principalde lavado
188 Diseño de plantas de tecnología apropiada
ca con ella a través del canal del falso fondo en toda su sección, lo cualpermite una distribución pareja del agua de lavado a todo lo ancho del dre-naje.
5) Canal de interconexión de la batería. Cumple dos funciones importan-tes:
• Durante la operación normal de filtración, reunir el efluente de todoslos filtros y sacarlo a través del vertedero que controla la carga hi-dráulica de lavado.
• Durante la operación de lavado de una unidad, al bajar el nivel delagua por debajo del vertedero de salida facilita que se deriveautomáticamente el agua filtrada producida por las otras unidades enoperación (por lo menos tres) hacia el filtro que se encuentra en posi-ción de lavado.
La figura 5-7 muestra la vista en planta de una batería de cuatro filtros y lacámara de cloración a continuación.
4. CRITERIOS GENERALES DE DISEÑO
Los criterios expuestos a continuación son comunes a las baterías que fil-tran agua decantada y coagulada o floculada, con excepción de las recomenda-ciones relativas a los medios filtrantes, que corresponden a las baterías que reci-ben agua decantada. Las recomendaciones específicas relativas a los parámetrosde dosificación y a las características de lechos filtrantes para sistemas de filtra-ción directa se pueden encontrar en la subsección 6, “Criterios para el diseño deplantas de filtración directa”.
4.1 Geometría de la batería
4.1.1 Área de cada filtro y número de filtros
• El número mínimo de filtros en una batería de tasa declinante y lavadomutuo es de cuatro unidades, de tal manera que tres toman el caudal detoda la batería al momento de lavar una unidad.
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 189
• El área de la caja de un filtro debe ser tal que al pasar todo el caudal de labatería por un filtro, se produzca la velocidad ascensional (VL) apropiadapara expandir en 30% el lecho filtrante.
Área de un filtro (Af) = Q / VL (1)
• El área total de la batería de filtros se define por la relación del caudal dediseño de la batería sobre la tasa de filtración seleccionada (Vf) de acuerdocon el tipo de lecho filtrante, las características del afluente y el nivel deoperación local.
Área total de filtración (At) = Q / Vf (2)
• El número de filtros de la batería se obtiene por la relación del área totalfiltrante entre el área de un filtro. Debe ajustarse la velocidad (Vf) hastaque dé un número exacto de filtros.
Número de filtros (N) = At /Af (3)
• El ingreso del agua decantada a la caja del filtro debe efectuarse en un nivelmás bajo que el nivel mínimo de operación, para que cada filtro tome elcaudal que puede filtrar de acuerdo con su estado de colmatación.
• Por la facilidad de operación y mayor duración, deben colocarse válvulasmariposa en la entrada del agua decantada al filtro y la salida del retrolavadoal canal de desagüe.
4.1.2 Tasas de filtración
• La tasa de filtración depende de varios factores como el tipo de suspensiónafluente (agua decantada, coagulada, prefloculada, con o sin uso de polímeroauxiliar, color verdadero, turbiedad, número de microorganismos, etcétera),granulometría y espesor del medio filtrante, método de operación de losfiltros, eficiencia del lavado, uso del agua filtrada, etcétera.
• Es usual adoptar un valor conforme muestra el cuadro 5-1. No obstante,cuando fuera posible, es deseable que se realice una investigación experi-mental a fin de optimizar el diseño y la operación de los filtros.
190 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Discriminación
Cuadro 5-1. Tasas usuales de filtración en función del nivel de operación (3)
Tasa de filtración(m3/m2/día)
Filtración rápida descendente con tasa declinante
a) De agua decantada, en medio filtrante único de 120 - 150arena con tamaño efectivo (T. E.) de 0,50 a 0,60 mm yespesor alrededor de 0,80 metros.
b) De agua floculada o prefloculada, en medio filtrante 240 - 360grueso y único, con espesor superior a un metro yuso de polímero como auxiliar (filtración directa)
c) De agua decantada en medio filtrante doble, con 240 - 360espesor total inferior a 0,80 metros y buen nivel deoperación y mantenimiento.
4.1.3 Drenaje, capa soporte de grava y falso fondo
• El drenaje más dura-ble y factible de serconstruido en obra, sinrequerir importaciones,es el constituido porviguetas prefabricadasde concreto de formatriangular (ver figura5-8).
• En filtros grandes lasviguetas se construyende 0,30 metros de an-cho; y en los pequeños,de 0,15 metros de an-cho. Los orificios seubican a ambos ladosde la vigueta espaciados entre 0,10 y 0,15 metros centro a centro. Losorificios se establecen con niples de PVC de ½ a 1”de diámetro.
Figura 5-8. Drenaje de viguetasprefabricadas de concreto
Refuerzo
15 cm
30 cm
Mortero
10 cm de 1’’ 1/2 - 3/4’’
12,5 cm de 2’’ - 1 1/2’’
Elemento prefabricado
Niples de 1’’ a 1/2’’cada 15 cm c/c
7 cm
Falso fondoApoyo
25,5 cm
40 a 50 cm Apoyo
10 cm
15
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 191
• Las viguetas no deben tener una longitud mayor de 4 metros para evitar elpandeo. Con longitudes mayores, deberán proyectarse apoyos intermedios.
• Se debe proyectar un número entero de viguetas, para lo cual se tendrá encuenta que la dimensión del filtro transversal a la posición de las viguetasdebe ser un múltiplo de 0,15 metros si el filtro es pequeño o de 0,30 metrossi el área del filtro es grande.
• Se denomina falso fondo al canal ubicado debajo del drenaje, por dondesale el agua filtrada o asciende el agua para el retrolavado. En las bateríasde filtros pequeñas el falso fondo también tiene la función de canal de inter-conexión (figura 5-9).
La velocidad de la sección de paso por el falso fondo (Vffo) debe guardarrelación con la velocidad de paso por los orificios (Vo), de tal modo que el caudalse distribuya de manera uniforme en todo el lecho filtrante:
Vffo/Vo ≤ 0,46
• Se consigue una buena distribución (desviación de caudal (δ) < 5%) y bajapérdida de carga en los orificios —otro detalle que se debe buscar— conuna altura mínima del falso fondo de 0,40 metros y orificios de ¾” de diá-metro.
• El soporte de grava está conformado por grava graduada de acuerdo conlas especificaciones del cuadro 5-2.
Figura 5-9. Batería de filtros pequeña. El falso fondoes el canal de interconexión (1)
Corte A-A
Canal de interconexión
Vertederogeneral
192 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Cuadro 5-2. Capa soporte de grava para viguetas prefabricadas (2)
• La pérdida de carga en los orificios puede ser determinada por la siguientefórmula:
ho = q2 / (2 Cd2 . Ao2 . g) (4)
Donde:
q = caudal en un orificio (m3/s)Cd = coeficiente de descarga (0,60 – 0,65)Ao = área de un orificiog = aceleración de la gravedad (m/s2)ho = pérdida de carga en el orificio (m)
4.1.4 Lecho filtrante
• El lecho filtrante es la parte más importante de esta unidad, donde se realizael proceso. Todos los demás componentes son accesorios para poder ope-rar y mantener adecuadamente la unidad.
• El lecho filtrante puede ser simple o doble; esto es, de arena sola o deantracita y arena. Con el primero, la inversión es menor, pero al tener unlecho de arena sola se requiere una velocidad de lavado mayor para obte-ner la misma expansión que cuando el lecho es doble, por lo que resulta unnúmero de filtros mayor.
• Las tasas de filtración, en el caso de lechos de arena sola, varían en prome-dio entre 120 y 150 m3/m2/d. Solo con arena gruesa, muy buena calidad de
Capa Espesor (cm) Tamaño
1 7,5 1/8" - 1/4"2 7,5 1/4" - 1/2"3 7,5 1/2" - 3/4"4 10,0 3/4" - 1 1/2"
Fondo 12,5 1 1/2" - 2"Total 45,0
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 193
agua y nivel de operación y empleo de polímeros, es posible aplicar tasasmayores.
• El cuadro 5-3 indica las características del lecho de arena que se recomien-dan cuando los filtros van a operar con las dos alternativas, filtración rápidacompleta y filtración directa.
Cuadro 5-3. Lecho filtrante simple de arena sola (4)
• Cuando se seleccionan lechos dobles de antracita y arena, se puede usaruna tasa promedio de 240 m3/m2/d, lo cual reduce mucho el área filtrantetotal necesaria para el mismo caudal, en comparación con un lecho de are-na sola, y el número de filtros de la batería resulta menor.
Cuadro 5-4. Lecho filtrante doble de arena y antracita (4)
• La antracita debe seleccionarse en función de las características de la are-na, por lo que esta actividad debe iniciarse con la búsqueda y caracteriza-ción de la arena más conveniente, tanto por sus características como por elcosto del material y del flete. Será necesaria una muestra de la arena y elanálisis granulométrico correspondiente.
• Una vez conocidas las características de la arena, se definirán las de laantracita de acuerdo con los criterios indicados en el cuadro 5-5. Estos
Características Símbolo Criterio
Espesor (cm) L1 60 – 80Tamaño efectivo (mm) D10 0,50 – 0,80Coeficiente de uniformidad CU ≤≤≤≤≤ 1,5Tamaño más fino (mm) 0,42Tamaño más grueso (mm) D90 2,0
Características Símbolo Arena Antracita
Espesor (cm) L 15 – 30 45 – 60Tamaño efectivo (mm) D10 0,50 – 0,60 0,80 – 1,10Coeficiente de uniformidad CU ≤≤≤≤≤ 1,5 ≤≤≤≤≤ 1,5Tamaño más fino (mm) 0,42 0,59Tamaño más grueso (mm) D90 1,41 2,0
194 Diseño de plantas de tecnología apropiada
criterios han sido formulados con la finalidad de que la intermezcla entre laantracita y la arena, en el nivel en que se unen la arena más fina y laantracita más gruesa, no sea mayor de 3.
• Conocido el tamaño efectivo de la arena (D10), a través de la curvagranulométrica levantada, el tamaño correspondiente al D’90 de la antracitaserá igual a tres veces el tamaño efectivo de la arena (D10). El tamañoefectivo de la antracita (D’10) será igual a la mitad del tamaño correspon-diente al D’90 de la antracita.
Cuadro 5-5. Criterios para seleccionar la antracita en funciónde las características de la arena (2)
• La altura que corresponde a la arena en un lecho doble es 1/3 de la alturatotal, y la altura correspondiente a la antracita, 2/3 de la altura total dellecho filtrante.
4.1.5 Canal de distribución de agua decantada, coagulada o prefloculada
• Este canal se dimensiona en función del canal de desagüe de agua deretrolavado ubicado en la parte inferior. Se debe tener acceso a este canalpara dar mantenimiento a las válvulas de lodos de los decantadores, a lasválvulas de descarga de agua de retrolavado de filtros, a las válvulas dedesagüe de fondo de los filtros y a las válvulas de desagüe de los floculadores.
• En las plantas pequeñas se le da a este canal un ancho mínimo de 0,80metros a un metro, dependiendo del diámetro de las válvulas indicadas. Enuno de los extremos del canal se coloca un ingreso con escalines paraacceder al canal de desagüe, poder dar mantenimiento a las válvulas yaccionar la válvula de desagüe del fondo de los filtros. En las plantas gran-des el ancho aumenta proporcionalmente al incremento del diámetro de lasválvulas.
Características Símbolo Criterio
Tamaño correspondiente al 90% D’90 D’90 = 3 D10
que pasa la mallaTamaño efectivo (mm) D’10 D’10 = D90 / 2Espesor de la arena (cm) L1 L2 = 2 L1
Tamaño correspondiente al 60% D’60 D’60 = 1,5 D’10
que pasa la malla
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 195
• En uno de los extremos del canal superior se coloca el aliviadero que con-trola el nivel máximo de operación de la batería, de tal manera que al rebalsar,el agua cae al canal de desagüe de la parte baja. Este aliviadero tiene,además, la función de indicar al operador el momento de lavar el filtro quetiene más horas de carrera.
4.1.6 Canal de aislamiento
• Este canal recibe un ancho mínimo de 0,60 metros debido a que no hayninguna válvula o compuerta que deba operarse o recibir mantenimiento enesta sección del filtro.
4.1.7 Canal de interconexión
• Este canal recibe un ancho mínimo de 0,80 metros a un metro. En su inte-rior se encuentra la compuerta de aislamiento de cada filtro. Debenproyectarse un ingreso y unos escalines para ingresar y dar mantenimientoa las compuertas.
4.1.8 Válvula de entrada de agua decantada
• Esta válvula es de operación constante, debe accionarse cada vez que seefectúa el retrolavado de la unidad, por lo que se recomienda el uso deválvulas tipo mariposa, porque la duración, estanqueidad y facilidad deaccionamiento son muy importantes.
• El caudal de diseño de esta válvula (Qc) debe ser igual al caudal de labatería (Qd) dividido por el número de filtros (N) y multiplicado por 1,5, quees el mayor caudal con el que puede operar un filtro recién lavado.
Qc = 1,5 [Qd / N] (5)
• Se debe diseñar con una velocidad (Vc) de alrededor de un m/s, buscandoredondear a un diámetro comercial. La pérdida de carga en esta válvuladebe ser compensada con la carga hidráulica disponible en la unidad. Elimpacto de una pérdida de carga demasiado alta en este punto acortaría lacarrera del filtro o bien incrementaría la altura total de la unidad. Tampocose recomiendan velocidades muy bajas, porque resultarían áreas (A) y diá-metros muy grandes de válvulas.
196 Diseño de plantas de tecnología apropiada
A = Qc / Vc (6)
4.1.9 Válvula de salida de agua de retrolavado
• Esta válvula también debe ser de tipo mariposa, por las mismas razones queen el caso anterior. Se puede diseñar con velocidades (Vc) menores de 2m/s.
• El caudal de diseño de esta válvula (Qc) es el caudal de diseño de la batería(Qd).
A1 = Qd / Vc (7)
4.1.10 Válvula de desagüe de fondos
• Esta válvula permite vaciar íntegramente el filtro en el caso de que seanecesario inspeccionar el lecho filtrante, la capa soporte o el drenaje, o biencambiarlos.
• Esta válvula es de accionamiento muy esporádico, por lo que normalmentese coloca una válvula de tipo compuerta, de 8 a 10 pulgadas. En este caso,la diferencia entre un diámetro y otro solo impactará en el tiempo que de-morará en vaciarse el filtro.
• En las baterías en que se proyecten canal de aislamiento y canal de interco-nexión deberá colocarse una válvula por filtro. En los sistemas pequeños enque el falso fondo opere como canal de interconexión, será suficiente unapara toda la batería.
4.1.11 Compuerta de aislamiento o de salida de agua filtrada
• Esta compuerta se diseña con velocidades (Vc) de 1 a 1,5 m/s. La pérdidade carga producida influye tanto en la altura del vertedero que da la cargapara la operación de lavado como en la carga hidráulica durante el procesonormal de operación, por lo que impacta doblemente en la altura total delfiltro.
• El caudal de diseño (Qc) de esta compuerta es el caudal de diseño de todala batería (Qd), que pasa a través de esta compuerta durante la operaciónde retrolavado, salvo el caso de filtros grandes lavados con aire y agua, en
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 197
que solo se utilice parcialmente el caudal producido. En este último caso, ellecho solo necesita expandir 10% durante el retrolavado, por lo que no serequiere la totalidad del caudal producido.
A2 = Qd / Vc (8)
4.2 Hidráulica del lavado
• De la operación de lavado depende el mantenimiento del lecho filtrante, porlo que el diseño de este sistema es determinante para el buen funciona-miento y eficiencia de la unidad.
• Para que la batería pueda autolavarse, es necesario que cumpla con doscondiciones:
1) Al pasar el caudal de operación de la batería a través de un filtro, debeproducirse la velocidad de lavado necesaria para expandir entre 25 y30% el material filtrante.
2) El vertedero de salida debe proporcionar la carga hidráulica necesariapara compensar las pérdidas de carga que se producen durante estaoperación.
4.2.1 Canaletas de recolección de agua de lavado
• La recolección deagua de lavado sehace a través de uncanal principal (fron-tal, lateral o central),en el cual descarganlas canaletas reco-lec-toras secundarias(ver figura 5-13). Elcaso de la figura 5-11es apropiado para unfiltro pequeño. Las canaletas secundarias se han adosado a las paredes delfiltro para no obstaculizar el acceso al lecho filtrante.
Figura 5-10. Canaletas secundarias derecolección (2)
ho ho
b
198 Diseño de plantas de tecnología apropiada
• Las canaletas secundarias pueden ser de concreto o de materiales especia-les (resinas) y presentan diferentes cortes transversales. En general, en lascanaletas ejecutadas in situ se da una pendiente del orden de 1% en direc-ción longitudinal. La capacidad de las canaletas de recolección se calculamediante la siguiente ecuación:
Qc = 82,5 b. h 1,5 (9)
Donde:
Qc = caudal escurrido por unacanaleta (m3/min)
b = ancho de la canaleta (m)h = altura útil de la canaleta (m)
La ecuación (9) solo es válidacuando la descarga es libre (véase la fi-gura 5-10).
• Para canaletas con sección transversal no rectangular, se puede admitir lamisma altura h y hacer la equivalencia de la sección de escurrimiento. Lafigura 5-12 presenta las secciones comúnmente usadas en la práctica.
• La mejor sección es la que tiene el fondo inclinado hacia el centro. Estamodificación evita que el lodo se apelmace contra el fondo plano de lacanaleta.
• La distancia entre lascanaletas y la posición deellas en relación con el me-dio filtrante puede determi-narse sobre la base del es-quema de la figura 5-14 ya partir de las siguientesecuaciones propuestas porKawamura (5).
Figura 5-11. Canal principal frontaly canaletas secundarias (1)
Figura 5-12. Secciones de canaletasmás comunes (2)
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 199
0,75 (L + P) < Ho < (L + P) (10)
1,5 Ho < S < 2 Ho (11)
4.2.2 Ubicación del vertedero desalida
Para determinar la posición delvertedero de salida, es necesario co-nocer la velocidad con la cual el lechofiltrante seleccionado produce la expan-sión adecuada. Luego, con esta velo-cidad, se calculan las pérdidas de car-ga que se producirán durante la opera-ción de lavado y, con la suma total deestas pérdidas, que viene a ser la tota-
lidad de la carga disipada a lo largo del proceso, se ubica el vertedero.
• Como las pérdidas de carga se calculan matemáticamente y los modelosmatemáticos no son exactos, este vertedero debe poder ser regulado mien-tras el filtro permanece en operación. Debe calibrarse durante la puesta enmarcha de la planta, incrementando o bajando su nivel hasta que la expan-sión del lecho filtrante sea de 30%. Véase un vertedero calibrable en lafigura 5-15.
4.2.3 Expansión del medio filtrante durante la operación de lavado
• Los ábacos de las figuras 5-16 y 5-17 corresponden a la solución gráficadel modelo de Cleasby y Fan (3) para granos no esféricos y lecho unifor-me. Los ábacos presentan las curvas que relacionan el número de Reynoldsen función del número de Galileo para diferentes coeficientes de esfericidad(Ce) y porosidad del medio filtrante expandido. Generalmente, se fija unavelocidad ascendente entre 0,7 y 1,0 m/min para filtros de flujo descenden-te y de entre 0,9 y 1,3 m/min para filtros de flujo ascendente. Con la veloci-dad ascendente seleccionada, las curvas granulométricas que componen elmedio filtrante, la temperatura del agua y el coeficiente de esfericidad, sedetermina la expansión total del medio filtrante, que deberá resultar entre25 y 30%.
Figura 5-13. Canal principal central ycanaletas secundarias laterales (1)
200 Diseño de plantas de tecnología apropiada
El número de Galileo y el número de Reynolds son dados, respectivamente,por las siguientes ecuaciones (12, 13):
Gai = [D3ei . ρa (ρs - ρa) g] / µ2 (12)
Rei = Va . Dei ρa / µ (13)
Donde:
Gai = número de Galileo parasubcapa i
Rei = número de Reynolds parasubcapa i
Dei = tamaño promedio de losgranos de la subcapa i (m)
ρs = peso específico del mate-rial filtrante (kg/m3)
ρ a = peso específico del agua(kg/m3)
µ = viscosidad absoluta delagua (kg / s x m)
g = aceleración de la grave-dad (m/s2)
Figura 5-15. Vertedero calibrable de salida de la batería (1)
Figura 5-14. Distancia entre las canaletasy su posición respecto al medio filtrante
P
S
Ho
Hf
L
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 201
Densidad del material (ρs) (g/cm3) 2,65 1,45 – 1,73 1,3 – 1,5* 4,0 – 4,2
Porosidad perdida del lecho (εo) 0,42 – 0,47 0,56 – 0,60 0,50 0,45 – 0,65
Esfericidad (Ce) 0,7 – 0,8 0,46 – 0,60 0,75 0,60
CaracterísticasCarbónactivadogranular
Arenasílice
Carbón deantracita
GranateIdaho
Cuadro 5-6. Propiedades típicas de medios filtrantes comunes para filtros de lecho granular (6)
* En el caso del carbón virgen, con poros llenos de agua, la porosidad aumenta cuando absorbe lamateria orgánica.
Una vez determinado el valor de åi para cada subcapa considerada, la poro-sidad expandida de la arena o de la antracita podrá determinarse por la siguienteecuación:
εe = 1 - 1 / ∑ n i = 1 [Xi / (1 - εi )] (14)
Donde:
ε e = porosidad del medio filtrante expandidoε i = porosidad de la subcapa expandida (i)Xi = fracción, en peso, entre dos tamices consecutivos de la serie
granulométrica
El porcentaje de expansión del lecho expandido se calcula por la siguienteecuación:
E = ( εe- εo ) / (1- εe ) (15)
Donde:
ε o = porosidad inicial del lecho estático
4.2.4 Pérdida de carga en el lecho filtrante expandido
• La pérdida de carga en el medio filtrante expandido (hL1) resulta igual alpeso de los granos de cada material que compone el medio filtrante.
202 Diseño de plantas de tecnología apropiada
hL1 = (1 - εo ) . lo . (ρs - ρa) / ρa (16)
Donde:
lo = espesor del material filtrante no expandido (m)ε o = porosidad del material filtrante no expandidoρa = peso específico del aguaρ s = peso específico del material filtrante
• La pérdida de carga total en el medio filtrante expandido será la suma de lapérdida de carga en cada material que lo compone.
4.2.5 Pérdida de carga en las canaletas
• Será igual a la altura que alcance el agua de lavado sobre las canaletassecundarias para salir del filtro. Se calcula mediante la fórmula del vertede-ro rectangular:
hL2 = [Qd /1,84 (2nLc)] 2/3 (17)
n = número de canaletasLc = longitud de cada canaletaQd = caudal de diseño de la batería
4.2.6 Pérdida de carga en el drenaje de viguetas prefabricadas
• Una vez diseñado el drenaje y conociendo el numero de viguetas y de orifi-cios, definir el caudal por orificio.
qo = Qd / # total orificios
hL3 = qo2 / 2 Cd2 Ao2 g (18)
qo = caudal por cada orificio (m3/s)Cd = coeficiente de descarga (0,60 – 0,65)Ao = área de cada orificio (m2)g = aceleración de gravedad (m/s2)
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 203
4.2.7 Pérdida de carga en canales y orificios de compuertas
hL4 = K V2 / 2g (19)
K = coeficiente de pérdida de cargaV = velocidad de paso del caudal de lavado (m/s)
4.2.8 Cálculo del nivel del vertedero
• Se suman todas las pérdidas de carga importantes desde que el agua saledel canal de interconexión hasta que bordea la canaleta secundaria de re-colección: pérdida en la compuerta de salida o de aislamiento, pérdida en elfalso fondo, pérdida en los orificios del drenaje, en el lecho filtrante y alturade agua en el borde de la canaleta de recolección.
Carga necesaria para el lavado = hf compuerta de salida (si lahubiere)+ hf falso fondo + hf drenaje + hf en el lecho filtrante + hfcanaleta de lavado secundaria o principal
• El nivel del vertedero será igual al nivel del borde de las canaletas secunda-rias de lavado, más la carga necesaria para el lavado. En filtros pequeñosen los cuales no se tengan canaletas secundarias, esta carga se sumará alborde del canal principal.
Nivel del vertedero de salida de la batería = Nivel borde de lascanaletas de lavado + hf durante el lavado
4.3 Hidráulica del proceso de filtración
• En este punto es necesario definir la carga hidráulica a fin de que los filtrosestén preparados para operar con tasa declinante. La tasa declinante debeinstalarse durante la operación, para lo cual se requiere que el proyectistaincluya en su proyecto las instrucciones para la puesta en marcha de labatería.
• La carga hidráulica disponible en el sistema debe calcularse de tal maneraque la relación entre la tasa de filtración promedio (VF) y la máxima (VFmáx), que se produce en el momento en que el filtro limpio o recién lavadocomienza la carrera, no sea mayor de 1,5.
∑
∑
204 Diseño de plantas de tecnología apropiada
VF máx ≤ 1,5 VF (20)
• Para el cálculo de la carga hidráulica del sistema, se dispone de los modelosmatemáticos de Cleasby (7), Arboleda (8) , Di Bernardo (9, 10) y del mé-todo gráfico de Richter (11). Es necesario un cálculo cuidadoso de laspérdidas de carga en el filtro para definir esta altura, ya que si es insuficien-te, se obtendrán carreras de filtración muy cortas, y si se exagera su dimen-sión, se producirán velocidades iniciales muy altas en el filtro recién lavado,lo que deteriorará la calidad del efluente.
• Para la aplicación de los modelos matemáticos o gráficos, se requiere de-terminar la ecuación de la pérdida de carga en función de la tasa de filtra-ción, que en este caso es de la siguiente forma:
H = A (VF)2 + E(VF) + G (21)
Donde:
H = pérdida de carga total durante la carrera o carga hidráulica necesaria(m)
VF = tasa de filtración promedio (m3/m2 x d)A = igual a la suma de las constantes correspondientes a las pérdidas de
carga calculadas para la compuerta de entrada y los orificios del dre-naje.
E = constantes correspondientes al cálculo de la pérdida de carga en laarena y/o antracita.
G = constante correspondiente a la altura de agua en el vertedero de salidade la batería.
Para obtener esta ecuación, se calculan todas las pérdidas de carga inicia-les durante el proceso de filtración mediante los siguientes criterios:
4.3.1 Compuerta de entrada
hf1 = K V2 / 2g ; V = VF AF / AC (22)
AC = sección de la compuerta
hf1 = K (VF AF / AC) 2 / 2g (23)
Ecuación de la forma hf1 = A(VF)2
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 205
.61 -5 ar ugiF( od idn apxe o hc el led dadis oroP ε i
)aG( oelila
G ed oremún led nóicnuf ne ) 08,0 = e
C arap )eR( sdlonye
R ed oremún led y
)3(
017 7 5 3
0 16 7 5 3
0 15 7 5 3
0 14 7 5 3
0 13 7 5 3
0 12 7 5 3 1
019
87
65
43
201
23
27
65
49
801
39
87
65
43
2
dadicirefse ed et neic ifeoC
08, 0 = eC
)eR( sdlo nye
R e d o rem ú
N
Número de Galileo (Ga)
εi=
0,46
0,55
0,65 0,75 0,90
206 Diseño de plantas de tecnología apropiada
.71-5 arugiF odidnapxe ohcel led dadisoroP
)iε()a
G( oelilaG ed ore
mún led nóicnuf ne 07,0 = e
C arap )eR( sdlonye
R ed oremún led y
)3(
017 7 5 3
016 7 5 3
015 7 5 3
014 7 5 3
013 7 5 3
012 7 5 3 1
0 19
87
65
43
201
23
27
65
49
801
39
87
65
43
2
dadicirefse ed etn eic ifeoC
07,0 = eC
)eR ( sdlon ye
R ed oremú
N
Número de Galileo (Ga)
εi=
0,45
0,55
0,65 0,75 0,90
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 207
4.3.2 Drenaje
hf2 = qo2 / (2 Cd2 Ao2 g) (24)
Ecuación de la forma hf2 = A (VF)2
4.3.3 Medio filtrante: arena y/o antracita
hf3 = 150 ν /g . [ (1 - εo )2 /εo
3 ]. (1 / Ce2) . ∑ Xi / di2 . L .VF (25)
Donde:
ν = viscosidad cinemática (m2/s)Ce = coeficiente de esfericidadL = espesor del medio filtrante (m)
Ecuación de la forma hf3 = E (VF)
4.3.4 Vertedero de salida
hf4 = (Qd / 1,84 Lr)2/3 (26)
Donde:
Qd = Caudal de operación de la batería de filtrosLr = longitud de cresta del vertedero general
• Obtenida la ecuación de pérdida de carga del filtro, se puede determinar lacarga hidráulica que se debe asignar a la batería de filtros, de modo que,cuando un filtro recién lavado entre en funcionamiento, la velocidad máxi-ma que se dé en estas condiciones, no sea mayor de 1,5 veces la velocidadde filtración promedio. Esta medida de control es para evitar que la calidaddel efluente producido en estas condiciones se deteriore.
• Este cálculo se efectúa por interacciones, asumiendo diferentes valores decarga y comprobando cuál es la relación de tasa máxima/tasa promedioque se obtiene para cada caso, hasta obtener la relación recomendada.
208 Diseño de plantas de tecnología apropiada
• La carga hidráulica calculada se fija en la instalación por encima del verte-dero de salida y se limita colocando un aliviadero en el canal de entrada a labatería. El nivel de la cresta del aliviadero debe coincidir con el nivel máxi-mo de operación calculado.
5. APLICACIÓN
El dimensionamiento de la batería de filtros debe empezar por la búsquedadel banco de arena más cercano, capaz de proporcionar el mayor porcentaje dematerial que se ajuste a las características recomendadas para filtros rápidos.
Para iniciar este estudio de caso, hemos elegido la arena que se especificaen las columnas 1 y 2 del cuadro 5-7. Mediante el procedimiento indicado ante-riormente, seleccionaremos la antracita, que proporciona un grado de intermezclade alrededor de 3.
El tamaño mayor de la antracita deberá ser de 0,56 x 3 = 1,68 mm y eltamaño efectivo correspondiente de 1,68/2 = 0,84 mm. Como el espesor de capade antracita debe ser 2/3 de la altura total del lecho filtrante, será de 0,50 m. En lascolumnas 3 y 4 del cuadro 5-7 se indica la antracita seleccionada para iniciar elestudio.
Como hemos elegido filtros de lecho doble, podemos seleccionar una velo-cidad de filtración de alrededor de 240 m3/m2/d. En el cálculo hemos incrementadola velocidad partiendo de 240 m3/m2/d hasta obtener un número exacto de cuatrofiltros y hemos supuesto una velocidad de lavado de 0,70 m/min. Véase el cuadro 5-8.
Cuadro 5-7. Lecho filtrante seleccionado (1)
Con las dimensiones de las cajas de los filtros determinadas en el cuadro decálculo, esquematizamos la batería de filtros de las figuras del 5-18 al 5-20.
Espesor de la capa (m) 0,30 Espesor de la capa (m) 0,50Tamaño efectivo (mm) 0,56 Tamaño efectivo (mm) 0,84Coeficiente de uniformidad 1,4 Coeficiente de uniformidad 1,50Tamaño máximo (mm) 1,41 Tamaño máximo (mm) 1,68Tamaño mínimo (mm) 0,42 Tamaño mínimo (mm) 0,70
Características de la antracita Características de la arena
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 209
En el papel granulométrico de la figura 5-21, podemos apreciar el materialfiltrante seleccionado y cómo se determina el porcentaje de altura de materialcomprendido ente las mallas. Con los valores de x1 a xn determinados para cadamaterial, entramos al cuadro 5-9, donde calculamos la expansión del medio filtrantecon la velocidad de lavado seleccionada.
Como la expansión se encuentra entre 25% y 30%, tanto en el caso de laarena como en el de la antracita, la velocidad de lavado supuesta es correcta.Entonces, procedemos a calcular y ubicar las canaletas de lavado secundarias y aestimar las pérdidas de carga durante el lavado para ubicar el vertedero de lavado.
Figura 5-18. Vista en planta de la batería de filtros para 200 L/s materiade la aplicación (1)
Figura 5-19. Vista en elevación de las cajas de la batería de filtros materiade la aplicación (1)
Canal de distribución agua decantada
AA
Canal de interconexión
1,00
3,30
0,60
0,80
0,80 0,80 0,80 0,80
2,60 2,60 2,60 2,60 2,60 2,60 2,60 2,60
F-1
F-2
F-3
F-4
6,20
0,520,250,50
0,82
1,11
0,30
3,80
0,40
6,206,206,20
2,40 2,401,20
210 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Caudal
Velocidadascensionalde lavado
Velocidad defiltraciónpromedio
Q = 0,200
Va = 0,70
VF = 252
m3/s
m/min
m3/m2/día
AF = Q/Va
AT = Q/VF
N = AT/AF
AF = 0,200 x 60/ 0,70AF = 17,143(3,30 x 5,19)
AT = 0,200 x 86.400/252AT = 68,572
N = 68,572/ 17,143N = 4
Área decada filtro
Área totalde filtrosNúmerode filtros
m2
m2
1
2
Paso Datos Cantidad Unidad CriteriosUni-dad
Cálculos Resul -tados
Figura 5-20. Corte transversal de un filtro y canales de la bateríade 4 filtros para 200 L/s materia de la aplicación (1)
Cuadro 5-8. Dimensionamiento de la batería de filtros (1)
0,00
2,58
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 211
Figura 5-21. Granulometría del medio filtrante seleccionado (1)
99
90
80
70
60
75
50
40
30
20
10
10,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,70,80,9 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Arena
x = 0,047
x = 0,096
x = 0,215
x = 0,264
x = 0,243
x = 0,102
x = 0,061
Antracita
Tamaño granosNúmero de mallas
0,15 0,18 0,21 0,25 0,30 0,35 0,42 0,50 0,59 0,70 0,83 1,00 1,17 1,41 1,65 2,00 2,38 2,83 3,36 4,00 4,7 5,5 6,6 0,72 8,00
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,70,80,9 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1003,5100 80 70 60 50 3545 32 28 24 20 18 14 12 10 810 7 6 5 4 3 2,5
x = 0,066
x = 0,155
x = 0,294
x = 0,283
x = 0,162
x = 0,071
212 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Cua
dro
5-9.
Cál
culo
de l
a ex
pans
ión
del l
echo
filtr
ante
, sel
ecci
ón d
e la
velo
cida
d de
lava
doy
ubic
ació
n de
las c
anal
etas
de l
avad
o (1)
1D
iám
etro
más
fin
od 1
= 0,
42m
mD
e =
d 1 .
d2
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(0,4
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,50)
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ro e
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tem
mde
la
capa
de
aren
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e =
0,4
58de
la
capa
más
fin
a2
Diá
met
ro m
ásd 2
= 0,
50m
mgr
ueso
de
la c
apa
de a
rena
3Pe
so e
spec
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oña
= 1
.000
kg/m
3G
a =
De3 ñ
a (ñ
s - ñ
a)g
Ga =
[0,4
58(1
0)-3
]3 x1.
650x
103 x
9,8
Núm
ero
de G
alile
ode
l agu
a
ì2
[1,1
1(10
)-3]2
para
la
capa
más
Peso
esp
ecíf
ico
deñs
= 2
.650
kg/m
3G
a =
1,
558
fina
de l
a ar
ena
la a
rena
Vis
c. d
inám
ica
16 °
Cì
= 0,
0011
kg/
s x
mA
cele
raci
ón d
e la
g =
9,81
m2 /s
grav
edad
Núm
ero
de R
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4C
oefi
cien
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eC
e =
0,8
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ña
/ ì
Re =
0,7
(0,0
0045
8) (
1.00
0)m
odif
icad
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60
x 0
,001
1Re
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,85
Del
ába
co p
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Ce
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(1-å
i) =
0,0
6/1-
0,68
Rep
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paso
s de
l 1
al 4
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a=
0,8
se
obtu
vo:
åi =
0,6
8xi
/(1
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,188
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cap
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raci
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5Fr
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el l
echo
xi =
0,0
6Ve
r cu
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10 y
5-
11 y
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15,
5-16
y 5
-20
la c
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1 o
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a6
Del
cua
dro
5-10
se
2,25
1å e =
1 –
[1/
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å e = 1
– [
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0,5
6pr
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11 s
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(1-å
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e = 1
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,338
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rosi
dad
expa
ndid
aob
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e = 0
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Pas
oD
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Cri
teri
osC
álcu
los
Uni
dad
Res
ulta
dos
Uni
dad
Can
tida
d
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 213
Cua
dro
5-9.
Cál
culo
de l
a ex
pans
ión
del l
echo
filtr
ante
, sel
ecci
ón d
e la
velo
cida
d de
lava
doy
ubic
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las c
anal
etas
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= 0
,42
E =
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E =
0,
56 –
0,4
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1 –
0,56
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a lim
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0,
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E
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1%ex
pans
ión
prom
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9Po
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57 –
0,4
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– 0
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e ex
pans
ión
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pia
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0,2
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la a
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cita
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+ 0
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el l
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filt
rant
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+ 0
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o de
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e ca
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Cri
teri
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álcu
los
Uni
dad
Res
ulta
dos
Can
tida
dU
nida
d
214 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Cuadro 5-10. Cálculo de la expansión de la arena para Ce = 0,80 (1)
Cuadro 5-11. Cálculo de la expansión de la antracita para Ce = 0,70 (1)
2,00 2,38 2,182 0,05 50.939 25,5 0,44 0,0891,65 2,00 1,817 0,15 29.404 21,2 0,50 0,3001,41 1,65 1,525 0,29 17.406 17,8 0,55 0,6441,17 1,41 1,284 0,28 10.393 15,0 0,58 0,6591,00 1,17 1,082 0,16 6.208 12,6 0,63 0,4270,83 1,00 0,911 0,07 3.709 10,6 0,68 0,219
1,00 2,338
di mín di máx De(mm) (mm) (mm)
xi Ga Re εεεεεi xi/(1-εεεεεi)
1,17 1,41 1,284 0,04 34.297 15,0 0,40 0,0671,00 1,17 1,082 0,09 20.485 12,6 0,45 0,1640,83 1,00 0,911 0,21 12.240 10,6 0,50 0,4200,70 0,83 0,762 0,26 7.168 8,9 0,55 0,5780,59 0,70 0,643 0,24 4.296 7,5 0,58 0,5650,50 0,59 0,543 0,10 2.593 6,3 0,63 0,2700,42 0,50 0,458 0,06 1.558 5,3 0,68 0,188
1,00 2,251
di mín di máx De(mm) (mm) (mm)
xi Ga Re εεεεεi xi/(1-εεεεεi)
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 215
Cua
dro
5-12
. Cál
culo
de l
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,42
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cm3
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en
lam
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0,1
4an
trac
ita
3Es
peso
r de
la
capa
L’ =
0,5
0m
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,29
+ 0
,14
Pérd
ida
de c
arga
tot
alm
de a
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cita
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= 0
,42
en e
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0,30
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1hf
⎟ ⎠⎞⎜ ⎝⎛
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0,50
11
1,5
0,45
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f⎟ ⎠⎞
⎜ ⎝⎛−
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216 Diseño de plantas de tecnología apropiadaC
uadr
o 5-
12. C
álcu
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0019
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el c
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F =
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o
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f 2hf
lav
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,05
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hf 4+
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,000
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+ 0
,115
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l du
rant
e el
hf l
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avad
o
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= h
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= 3
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rola
la
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lla
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lfo
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Cri
teri
osC
álcu
los
Uni
dad
Res
ulta
dos
Uni
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Can
tida
d
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 217
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m /s/gk2
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2
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218 Diseño de plantas de tecnología apropiada
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Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 219
2,00 2,38 4,76 0,05 10.504,21,65 2,00 3,30 0,15 45.454,61,41 1,65 2,33 0,29 124.650,81,17 1,41 1,65 0,28 169.727,81,00 1,17 1,17 0,16 136.752,10,83 1,00 0,83 0,07 84.337,4
1,00 571.426,8
di (mín) di (máx) di2 xi xi/di2
Cuadro 5-14. Cálculo de ∑ x/di2 para la capa de arena (1)
Cuadro 5-15. Cálculo de ∑xi/di2 para la capa de antracita (1)
1,17 1,41 1,65 0,04 24.246,81,00 1,17 1,17 0,09 76.923,00,83 1,00 0,83 0,21 253.012,00,70 0,83 0,58 0,26 447.504,30,59 0,70 0,413 0,24 581.113,80,50 0,59 0,295 0,10 338.983,00,42 0,50 0,21 0,06 285.714,3
1,00 2.007.497,4
di (mín) di (máx) di2 xi xi/di2
220 Diseño de plantas de tecnología apropiada
6. CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE PLANTAS DE FILTRACIÓNDIRECTA
Este tipo de tratamiento es muy sensible a las variaciones de turbiedad ycolor, por lo que se recomienda tener un conocimiento muy completo de las carac-terísticas de la fuente y de todas las variaciones de la calidad del agua antes deadoptarlo como solución. El tiempo de retención es de apenas unos pocos minu-tos, por lo que durante la operación no hay margen para atinar a actuar en casosde emergencia. Se debe prever desde el nivel de diseño la necesidad de unmonitoreo constante de los parámetros de calidad de agua.
Su aplicación más ventajosa y generalizada es como alternativa para épo-cas de aguas claras, en fuentes con fuertes variaciones estacionales. En estoscasos, las plantas se diseñan de tal modo que en la época lluviosa se opera confiltración rápida completa, y en la época seca, con filtración directa (figura 5-22).
6.1 Parámetros de diseño
Esta alternativa de tratamiento está constituida básicamente por dos proce-sos: mezcla rápida y filtración de flujo descendente. Con aguas de calidad varia-ble, puede ser necesaria una floculación corta de 8 a 10 minutos, para mejorar laremoción de turbiedad y color, y reducir el periodo de duración del traspase inicialdel filtro.
• Se recomiendan para el pretratamiento gradientes de velocidad (G) de 1.000s-1 y tiempos de retención mayores de 5 segundos para la mezcla rápida.Para la floculación, gradientes de velocidad de 50 s-1 a 100 s-1 y tiempos deretención de 5 a 10 minutos.
• Investigaciones realizadas por Hutchison, Dharmarajah y Treweek mues-tran que la prefloculación previa a la filtración mejora la remoción de tur-biedad y el filtrado inicial, aunque también tiene sus desventajas, como lareducción de las carreras de filtración y el mayor costo inicial por la cons-trucción del floculador y por la operación y mantenimiento.
• La prefloculación es necesaria cuando se tienen aguas claras con variacio-nes horarias, generalmente aguas provenientes directamente de ríos. En elcaso de que el agua provenga de un lago o laguna, o se tenga una represa o
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 221
embalse intermedio, este servirá para atenuar las variaciones, lo que gene-rará un agua de características más estables.
• Los parámetros de la prefloculación se pueden determinar en el laboratorio,aplicando la metodología indicada en “Determinación de parámetros de fil-tración directa” (Tratamiento de agua para consumo humano. Plantasde filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo II, capítulo 11, “Criteriospara la selección de los procesos y de los parámetros óptimos de las unida-des”).
• Lo más recomendable, siempre que los recursos disponibles lo permitan, esinstalar un filtro piloto de operación continua para determinar la influenciadel pretratamiento y la granulometría del medio filtrante en la duración de lacarrera de filtración.
6.2 Dosificación
• Se consiguen condiciones de operación adecuadas con dosis óptimas me-nores de 10 mg/L y conteo de algas menor de 200 mg/m3. Con concentra-ciones mayores se obtienen carreras de filtración cada vez más cortas.
• Cuanto mayor sea la dosis de coagulante y/o de auxiliar de coagulación,menor será la duración de la carrera de filtración, debido al incremento dela tasa de crecimiento de la pérdida de carga y a un prematuro traspasefinal, con el consiguiente deterioro del efluente.
• Con sulfato de aluminio, la dosis óptima varía poco para una faja relativa-mente amplia de valores de turbiedad. Dosis mayores que la óptima nocausan deterioro del efluente pero disminuyen la duración de la carrera.Remueve fácilmente el color verdadero en un rango de pH de 5,7 a 6,5 y de7,5 a 8,5 para turbiedad. Valores mayores producen un aumento del alumi-nio soluble en el efluente. Las dosis típicas son menores de 10 mg (4).
• El cloruro férrico requiere dosis menores que el sulfato de aluminio paraproducir un efluente de la misma calidad. Sin embargo, la naturaleza corro-siva del producto puede causar problemas. Con un pH entre 8,0 y 8,3, elresidual de hierro se ubica bajo el orden de 0,05 mg/L (4).
222 Diseño de plantas de tecnología apropiada
• Los polielectrolitos catiónicos producen carreras de filtración más largassin la ocurrencia del traspase final. La dosis óptima es difícil de seleccionar.El periodo inicial hasta obtener un buen efluente es más largo y no es muybuena la eficiencia de remoción de color verdadero y de turbiedad.
• Muchos trabajos de investigación han demostrado que los polielectrolitosaniónicos y no iónicos, con el sulfato de aluminio o con el cloruro férrico,pueden conducir al éxito en el empleo de la filtración directa. Investigacio-nes recientes muestran que el uso de polímeros naturales como el almidónde papa, conjuntamente con el sulfato de aluminio, reducen la ocurrenciaprematura del traspase final y mejoran la calidad del agua filtrada, aunquedisminuyen la duración de la carrera de filtración.
• La dosis óptima de coagulante para filtración directa se puede determinarmediante el procedimiento de laboratorio indicado en “Determinación deparámetros de filtración directa”, Tratamiento de agua para consumohumano. Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo II, cap. 11.
• El método más recomendable para determinar la dosis óptima de coagulantees el uso de un filtro piloto con características idénticas a las de la planta detratamiento.
• La determinación de la dosis óptima de polielectrolito o polímero naturaldebe ser investigada a través del análisis de la curva de desarrollo de lapérdida de carga y de la calidad del agua filtrada en la interfaz antracita-arena cuando el lecho es mixto o doble. El rápido desarrollo de la pérdida decarga con producción de agua de buena calidad indica una dosis excesivade polímero, mientras que la tendencia al traspase (ruptura del flóculo) se-ñala que la dosis utilizada es inferior a la óptima.
• El potencial zeta y el pH del agua coagulada son parámetros importantes enel control del proceso de tratamiento, pues el principal mecanismo de coa-gulación en este caso es el de adsorción, con el cual se utilizan dosis decoagulante inferiores a las empleadas en una planta convencional, donde loque se desea es la producción del mecanismo de barrido para optimizar lasedimentación. Véase el “Diagrama de coagulación para filtración direc-ta”, sección 1.8 del capítulo 4 “Coagulación”, Tratamiento de agua paraconsumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría.
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 223
Características Arena Antracita
6.3 Características del medio filtrante
• El medio filtrante recomendado en estos casos es de granos gruesos, paraasegurar la obtención de carreras más largas. Pueden utilizarse lechos sim-ples de arena o de arena y antracita, o lechos dobles. Véase el cuadro 5-16.
Cuadro 5-16. Características de lechos simples (4)
Espesor de la capa (m) 1,5 – 2,0Tamaño efectivo (mm) 1,17 a 1,65Coeficiente de uniformidad ≤ 1,5Tamaño máximo (mm) 2,38Tamaño mínimo (mm) 1,0
Este tipo de lecho se utiliza cuando se necesita operar con tasas de filtra-ción muy elevadas.
Cuadro 5-17. Características de los lechos dobles (4)
Espesor de la capa (m) 0,20 – 0,50 0,40 a 1,0Tamaño efectivo (mm) 0,50 – 0,83 1,0 – 1,3Coeficiente de uniformidad ≤ 1,5 ≤ 1,5Tamaño máximo (mm) 1,41 2,38Tamaño mínimo (mm) 0,42 0,70
6.4 Tasa de filtración
La tasa de filtración debe fijarse en relación con la granulometría del mediofiltrante, la calidad del agua cruda y las dosis de sustancias químicas utilizadas.Esta decisión debe tomarse preferentemente a partir de un estudio con filtrospiloto, variando las tasas de filtración y el medio filtrante y evaluando la calidad delefluente y duración de la carrera hasta conseguir condiciones de operación apro-piadas.
224 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Figura 5-22(a). Modelo de una planta de filtración directa con prefloculación
Figura 5-22(b). Perfil hidráulico de la planta de filtración directa
Comunicacióncon resto de cisterna
Tapa de Inspección0,80 x 0,80 m
Tubería PVC
,30
,30
,30
,30
,80
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,30
1,00
,60
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Tubería PVC
1,00
1,00
,30
,30
,30
1,00
1,50 1,24,25,253,20
,25
,30
15,0010,29
,25
1,20
,30
,20
1,20
,20
,20
,40
,20
1,40
1,00
,3014,50
13,99
Tapa de Inspección0,80 x 0,80 m
Válvulacompuertaø 250 mm
Vereda
Vere
da
Cámara de contacto (dentro de cisterna)
Canal de interconexión
Canal de aislamiento
Filtro3
Filtro2 Filtro
1
Filtro4
Canal de distribución de agua floculada
Floculador
Mez
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B
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Vereda
VálvulaMariposaø 300 mm
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 225
La literatura presenta resultados de investigaciones efectuadas con un ran-go de tasas de filtración de 120 a 360 m3/m2/d.
Un criterio muy importante que debe tenerse en cuenta al efectuar la selec-ción de la tasa de filtración son los recursos locales existentes para operar ymantener el sistema. Teniendo en cuenta el periodo de retención tan corto de estetipo de planta (solo mezcla y filtración) y lo vulnerables que son los filtros a unaoperación y mantenimiento deficientes, se recomiendan tasas de operación muyconservadoras, del orden de 120 a 160 m3/m2/d para arena sola y de 180 a 240 m3/m2/d para lechos dobles.
6.5 Control de calidad
Como el tiempo de retención es muy corto, se recomienda, por seguridad,un monitoreo constante del agua filtrada y del agua cruda, de modo que apenas elefluente total presente una turbiedad igual o superior a 0,3 UNT, el filtro que haestado funcionando por más tiempo sea retrolavado, sin importar cuál sea la pér-dida de carga en ese momento. Para que la operación pueda efectuarse de estamanera, durante el diseño deben tenerse en cuenta las instalaciones y equiposnecesarios para llevar a cabo un minucioso control de calidad del afluente y delefluente de la planta.
7. FUNCIONAMIENTO DE LA BATERÍA DE FILTROS DE TASADECLINANTE
La figura 5-23 muestra una batería de filtros de tasa declinante y lavadomutuo para caudales superiores a 100 L/s.
Figura 5-23. Diseño en planta de batería de filtros de tasa declinante paraplantas de medianas a grandes
226 Diseño de plantas de tecnología apropiada
En esta batería se puede observar que la canaleta principal de recolecciónde agua de retrolavado se ha colocado en medio del lecho filtrante. Con estadistribución, si el ancho de lecho a ambos lados de la canaleta es menor de 2metros, se evita colocar canaletas secundarias y la altura del filtro es menor.
Como se puede observar, la vehiculación del agua se efectúa mediantecanales. Se omiten las galerías de tubos y todo el instrumental que estas incluyeny que normalmente representa 60% del costo del sistema. El canal de distribuciónde agua decantada es común a todos los filtros y es requisito, para operar con tasadeclinante, que las compuertas de ingreso de agua decantada a cada una de lasunidades se ubiquen por debajo del nivel mínimo de operación.
Figura 5-24. Corte transversal de una batería grande de filtros que incluyecanaletas secundarias para recolectar el agua de retrolavado
El canal inmediato a la salida de los filtros sirve para aislar una unidaddurante el mantenimiento, cerrando la compuerta que lo comunica con el canal deinterconexión y la válvula de ingreso de agua decantada.
El canal de interconexión es el que comunica a todos los filtros a través delas compuertas de salida. Mediante este canal se establece el lavado con el flujode toda la batería. Al cerrar el ingreso de agua decantada y abrir la salida de agua
Canal de recolecciónde agua filtrada
N. 4,100N. 4,100
Canal dedistribución
de aguadecantada
N. 4,250N. 4,350
N. 0,000
N. Min-3,880
0,250
N. Max-3,950
N. 3,500N. 3,500
Canal derecolección
de aguade lavado
N. 2,415 N. 2,450
0,250
Canal recolección
de desagües
Arena
Grava
Falso fondode filtros
N. 0,100
0,500
0,800
0,215
0,600
0,400
Canal de aislamiento
Compuertade salida
N. 1,250
Canal de interconexión
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 227
de retrolavado en el filtro más sucio de la batería, el nivel del agua en este empiezaa bajar, y cuando la altura de agua es menor que la posición del vertedero decontrol de salida de la batería (ver el tercer canal de la figura 5-24), el flujo deja depasar por el vertedero, se invierte e ingresa al filtro que está en posición de lavadoa través de la compuerta de salida.
La velocidad de lavado se establece gradualmente a medida que el agua sedesplaza en los canales, lo cual impide que se produzcan cambios bruscos quepudieran ocasionar pérdida del lecho filtrante. La velocidad de lavado se estable-ce al pasar el caudal de proyecto de la batería a través de la sección del filtro, loque produce una expansión promedio de 25 a 30%. En la caída del vertedero desalida (figura 5-24) se aplica la dosis de cloro y, mediante la cámara de contactoconsiderada después, se le da un tiempo de retención complementario al que estádisponible en el sistema, antes de la primera conexión domiciliaria.
En el canal de desagüe del agua de retrolavado, se ubica una válvula decompuerta para vaciar totalmente la unidad (figura 5-24).
En las plantaspequeñas el diseño dela batería se simplifi-ca reduciendo el nú-mero de canales (figu-ra 5-25). Se omite elcanal de aislamiento yde vaciado total; elcanal de interconexiónse ubica en el falsofondo de las unidades(corte A-A).
Al diseñar losfiltros alargados de talmodo que la distancia perpendicular a la canaleta no sea mayor de 2 metros (figu-ra 5-25), se pueden omitir las canaletas secundarias de recolección de agua delavado y, por consiguiente, disminuir en aproximadamente un metro la altura delfiltro. Con anchos del lecho mayores de 2 metros, se dificulta el transporte delsedimento y es necesario considerar canaletas secundarias, como se aprecia en lafigura 5-13.
Figura 5-25. Batería de filtros de pequeñacapacidad de producción
Vertederogeneral
Grava
Arena
Canal de interconexión
Corte A-A
228 Diseño de plantas de tecnología apropiada
En esta solución no es posible sacar una unidad de operación para darlemantenimiento sino que debe parar toda la batería. Para estas situaciones, sedebe prever una capacidad de almacenamiento que permita abastecer a la pobla-ción mientras dura el mantenimiento preventivo. Para vaciar toda la batería, seabre la compuerta que comunica el canal de interconexión con la cámara decloración.
8. DEFECTOS DE DISEÑO MÁS COMUNES
• Uno de los defectos más comunes es el resultante de proyectar la bateríade filtros sin tener en cuenta la granulometría del material filtrante que seva a colocar. Al elegir una velocidad de lavado al azar, sin relacionarla conlas características de la arena o de la antracita, es muy difícil que luego laarena se expanda ade-cuadamente. Con eltiempo, este problemallega a anular totalmentela eficiencia de la bate-ría de filtros, porque si lavelocidad de lavado esmuy baja y la arena grue-sa, a medida que pasa eltiempo, se va colmatandoy apelmazando con el se-dimento, hasta llegar a lasituación de que el ma-terial pierde porosidad yel agua se abre paso através de grietas. Si la velocidad es muy alta y el material filtrante fino, estese va perdiendo en los lavados sucesivos, hasta que solo queda un poco dematerial que no llega a salir por su profundidad.
• Cuando el lecho filtrante es doble, de antracita y arena, es frecuente encon-trar que no se seleccionó correctamente la antracita en función de la arenasino que esto se hizo al azar. Cuando la antracita es muy fina, se pierde todaen los primeros lavados y cuando es muy gruesa, se encuentra totalmenterevuelta con la arena.
Figura 5-26. Vertedero de salida fijo, no calibrable
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 229
• Hay casos en que elproyectista, en lugarde utilizar los canalespara vehiculizar elagua, coloca tuberíasdentro de los canalespara transportar elagua decantada queingresa, el agua filtra-da y el agua de retro-lavado. Además delgasto inútil en que seestá incurriendo eneste caso, sucede queal sacar el agua deretrolavado mediante una tubería instalada en el mismo nivel del orificio desalida del filtro, el agua de lavado se represa dentro de la caja del filtro, loque resta eficiencia a esta operación.
• En innumerables casos, el vertedero de salida no se encuentra en el nivelapropiado, la carga de lavado es muy poca o demasiado grande y ello no sepuede corregir, porque el vertedero no es calibrable (figura 5-26) o es deltipo en que la plancha metálica del vertedero está empernada al muro ypara poder ajustar lacarga, hay que pararla planta para moverla plancha. En la ma-yoría de casos, los tor-nillos están muy oxi-dados y al moverlos,se parten (figura5-27).
• No se deben proyec-tar pesadas tapas deconcreto para los in-gresos a los canales,porque:
Figura 5-27. Vertedero de salida del tipoplancha empernada (1)
Figura 5-28. Pesadas tapas de concreto (1)
230 Diseño de plantas de tecnología apropiada
a) Por su peso, los operadores no las colocan en su sitio y el agua filtradaqueda expuesta a la contaminación (figura 5-28).
b) Como las tapas son pesadas, lasdejan caer desde lo alto y termi-nan rotas y los canales quedanpermanentemente destapados.
• En la batería de filtros de la figu-ra 5-29 se puede apreciar cómo,al cabo de unos años, las tapas serompieron y el agua filtrada se en-cuentra expuesta a la contamina-ción.
• Es muy frecuente también que laplanta en su totalidad se proyectepara el caudal de final de la se-gunda etapa, para un futuro de 20a 25 años, pero que empiece aoperar con el caudal actual. Almodificarse el caudal del proyecto, automáticamente estamos modificandola velocidad de lavado. La batería de filtros de la figura 5-30 fue proyectadapara un caudal de 250litros por segundo y, porproblemas de captación,el caudal de operaciónvariaba entre 40 y 120litros por segundo.
Cuando se evaluó estaplanta, la expansión dela arena era nula y seencontraba apelmazadacon sedimento de variosaños (figuras 5-30 y5-31).
Figura 5-29. Canales deagua filtrada destapados
Figura 5-30. Batería de filtros de tasadeclinante para un caudal de 250 L/s
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 231
Figura 5-31. La operación de lavado era muy pobre
Figura 5-32. Batería de filtros de tasa declinantey lavado mutuo
• Otro problema que se afronta en la operación de la batería de filtros es elcausado por un proyecto en el que se consideraron compuertas para accio-nar la entrada de agua decantada y la salida de agua de lavado en lugar deválvulas tipo mariposa. Las compuertas de fabricación local aún no hanalcanzado buenos niveles de calidad, tienen poca durabilidad y no son es-tancas. Demandan mucho esfuerzo al operador cada vez que deben seraccionadas y son precisamente las de operación más frecuente.
232 Diseño de plantas de tecnología apropiada
REFERENCIAS
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(2) Programa HPE/CEPIS/OPS de Mejoramiento de la Calidad del Agua paraConsumo Humano. Manual V, Tomo III, Criterios de diseño para fil-tros. Lima, CEPIS, 1992.
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(5) Cleasby, J. L. “Direct Filtration of Surface Waters”. Memorias del SeminarioInternacional sobre Tecnologías Simplificadas para Potabilización de Aguas.Cali, 1987.
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(9) Di Bernardo, L. “Proyecto y operación de sistemas de filtración con tasadeclinante”. Memorias del Seminario Internacional sobre Tecnología Sim-plificada para Potabilización del Agua. Cali, 1987.
(10) Material electrónico entregado por el Ing. L. di Bernardo en el módulo deTratamiento de Agua y Residuos de la Facultad de Ingeniería Ambiental dela Universidad Nacional de Ingeniería, Lima, 1988.
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 233
(11) Richter, C. “Filtros rápidos modificados”. Manual del Curso sobre Tecnolo-gía de Tratamiento de Agua para Países en Desarrollo. Lima, OPS/CEPIS/CIFCA, 1977.
(12) Cleasby, J. L. Avances en retrolavado. Ames, Iowa State University, 1987.
(13) Letterman, R. “An Overview of Filtration”. Journal of the American WaterWorks Association, diciembre, 1987.
(14) CEPIS. Plantas modulares de tratamiento de agua. Documento Técnico8. Lima, CEPIS, 1982.
(15) Amirtharajah, A. “Optimum Expansion of Sand Filters during Backwash”.Tesis de doctorado. Iowa, Iowa State University, 1971.
(16) Camp, T. T. “Theory of Water Filtration”. Journal of the EnvironmentalEngineering Division, Proceedings ASCE, 1964.
234 Diseño de plantas de tecnología apropiada
CAPÍTULO 6
SALA DE CLORACIÓN
Sala de cloración 237
1. INTRODUCCIÓN
Las estaciones de cloración merecen mucha atención desde la etapa dediseño, por la importancia que este proceso tiene en la producción de agua seguray por los riesgos que involucran la operación y mantenimiento de las estaciones.
En el proceso de diseño de las estaciones de cloración, podemos considerarcuatro etapas:
• almacenamiento del cloro;• sistemas de medición y control;• sistemas de inyección;• sistemas de seguridad.
2. CRITERIOS GENERALES DE DISEÑO
• El cloro es proporcionado en cilindros metálicos resistentes, de 50 a 1.000kilogramos, en contenedores. Puede ser utilizado en forma líquida o gaseo-sa. Los cilindros tienen las siguientes características:
a) Son de acero.b) La máxima densidad de llenado es 125%. Se define así a la razón de
porcentaje entre el peso del gas en el cilindro o contenedor y el pesodel agua que puede contener a una temperatura de 15,6 °C (70 °F).
c) Se equipan con sistemas de seguridad (válvulas, protectores).d) Se someten a pruebas de presión a intervalos regulares, de acuerdo
con las normas correspondientes.
• De acuerdo con la capacidad de los cilindros, se puede extraer mayor omenor cantidad de cloro de cada uno de ellos. Véase el cuadro 6-1.
238 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Cuadro 6-1. Características de los cilindros de cloro (1)
kg lb kg lb kg lb kg lb50 100 33 73 83 173 11,7 2675 150 40-59 90-130 115-134 240-280 18,2 40
1.000 2.000 680 1.500 1.680 3.500 182 400
• El consumo de cloro necesario para la desinfección del agua se estima en 5mg/L, con un mínimo de 1,0 mg/L. Para la oxidación y preparación decompuestos, se estima de acuerdo con las necesidades de tratamiento.
• Instalaciones con unconsumo superior a 50kg/d deben prever el usode cilindros de una tone-lada y para el traslado delos cilindros deben con-siderarse dispositivosque permitan hacer estatarea bajo condicionesde seguridad.
• Debe preverse un alma-cenamiento de cloro su-ficiente para atender porlo menos 10 días de consumo máximo. En instalaciones con capacidad infe-rior a 10.000 m3/d o 100 l/s debe preverse un almacenamiento para perio-dos mínimos de 30 días.
• El número de envases de cloro en uso dependerá básicamente del máximoflujo que se pueda obtener de cada cilindro. El cuadro 6-2 indica la cantidadmínima de cilindros que debe haber en servicio, vacíos y de reserva, a fin demantener un suministro continuo de cloro en la planta.
Figura 6-1. Contenedores de cloro expuestosal Sol (2)
Peso delcontenido Peso del cilindro
Peso total delcilindro lleno
Máximo flujo de cloroque se puede extraer
de un cilindro
Sala de cloración 239
Cuadro 6-2. Número de cilindros necesarios según la capacidad requerida (1)
• En instalaciones situadas en localidades distantes de los centros producto-res de cloro, el almacenamiento debe tener en cuenta las dificultades parala compra y transporte del producto.
• En instalaciones con consumo de hasta 50 kg/día, los cilindros y los equiposde cloración pueden instalarse en la misma área.
• En instalaciones de consumo mayor, deben instalarse en áreas separadas.
• El área de almacena-miento de cloro debe serabierta (figura 6-2). Si seproyectara cerrada, conparedes en todo el con-torno (figura 6-3), la ha-bitación debe ser ventila-da mediante:
a) Ventilación naturalpor medio de aber-turas que deben lle-gar hasta el piso. Figura 6-2. Almacén de cloro abierto
para cilindros de una tonelada (2)
Cilindro de 75 kg Cilindros de 1.000 kg
Capacidadrequerida
kg/día
Enservicio
Vacíos Reservamínima
Capacidadrequerida
kg/día
Enservicio Vacíos Reserva
mínima
0 –18 1 2 3 54 – 180 1 1 218 – 36 2 4 6 180 – 360 2 2 436 – 54 3 6 9 360 – 540 3 3 654 – 72 4 8 12 540 – 720 4 4 872 – 90 5 10 15 720 – 900 5 5 1090 – 100 6 12 18 900 – 1.000 6 6 12
> 1.000 Usar evaporador
240 Diseño de plantas de tecnología apropiada
b) Además de ventila-ción natural, debe ha-ber ventilación forza-da, producida por unextractor o insuflador,dispuesto de modo deobligar al aire a atra-vesar a nivel del pisotodo el ambiente y concapacidad para reno-var todo el aire del re-cinto en un tiempomáximo de 4 minutos.
c) Las llaves o interruptores de los equipos deben quedar del lado deafuera del recinto.
d) Las salidas de ven-tilación deben ubi-carse de tal modoque disipen laseventuales fugas decloro a la parte ex-terna de la casa dequímica (si la salade cloración ha sidoincorporada a estaestructura). Estaventilación no debeincidir sobre la ven-tilación de otrasáreas ni sobre áreas externas confinadas, aunque solo sea parcial-mente.
e) Los cilindros deben estar protegidos de la incidencia de la luz solar.
• El área de localización de los equipos cloradores debe contar con los me-dios de seguridad previstos para la sala de almacenamiento de cloro.
Figura 6-3. Almacén de cloro cerradocon ventilación artificial (2)
Figura 6-4. Forma de almacenarcilindros de una tonelada (2)
Sala de cloración 241
• El área de almacenamien-to de cloro y la de instala-ción de los cloradores de-ben tener puertas que seabran hacia afuera, con vi-drio en la parte superior, yestar dotadas de aberturasde ventilación sobre el pór-tico.
• Los cilindros de cloro deuna tonelada deben ser almacenados o utilizados enFigura 6-5. Almacén de cilindros pequeños (2)
Figura 6-6. El almacén de cloro utilizadocomo depósito (2)
posición horizontal, en una sola hilera, fijados por medios adecuados, con unespaciamiento mínimo de 0,20 metros entre los cilindros y un ancho mínimode un metro entre los corredores de circulación.
• Los cilindros con capacidad igual o inferior a 75 kilogramos de cloro debenser almacenados o utiliza-dos en posición vertical, di-rectamente sobre una ba-lanza. Deben contar conuna cadena o barra de se-guridad que evite el volteoen caso de una explosióno sismo (figura 6-5).
• El control de la cantidad decloro disponible debe serhecho por pesaje continuoo por un dispositivo que in-dique la presión de los ci-lindros en uso.
• Las áreas utilizadas para depósito o dosificación de cloro deben contarsolamente con productos químicos y equipos relacionados con la cloración.No deben utilizarse para almacenar otro tipo de materiales (figuras 6-6 y6-7).
242 Diseño de plantas de tecnología apropiada
• El uso de hipoclorito decalcio o sodio, por ser 10veces más caro que el clo-ro líquido envasado a pre-sión en cilindros, debe que-dar restringido a instala-ciones de capacidad infe-rior a 10 L/s, o solo cuan-do se demuestre que es lamejor alternativa.
• El almacenamiento dehipoclorito de sodio debehacerse en un lugar techado, ventilado, seco y libre de materiales combus-tibles. Este producto es muy inestable; el periodo de almacenamiento nodebe ser mayor de un mes.
• El hipoclorito de sodio debe utilizarse directamente del recipiente en que estransportado.
• El hipoclorito de calcio se expende en forma granular en tambores de 45 a50 kilogramos. Debe ser disuelto previamente en agua para ser dosificadopor vía húmeda, tomando en cuenta lo siguiente:
— La concentración máxima de la solución debe ser inferior a 10 %.— Deben existir dos tanques de disolución, con capacidad mínima indi-
vidual para 12 horas de operación.
3. ALMACENAMIENTO
3.1 Criterios para el dimensionamiento
Es necesario conocer el consumo del producto de acuerdo con la capaci-dad de la planta. La información necesaria es la siguiente:
a) caudal del proyecto (Q en L/s);b) dosificación esperada (dosis mínima y máxima en mg/L);
Figura 6-7. El almacén de cloro utilizadocomo depósito (2)
Sala de cloración 243
ProductoTiempo de
almacenamiento(meses)
Dosis en mg/L Concentraciónde la solución
(mg/L)Mínima Máxima
c) tiempo de almacenamiento seleccionado. Ver en el cuadro 3 criterios basa-dos en la experiencia.
Cuadro 6-3. Criterios para el almacenamiento de productos desinfectantes (3)
Cloro en cilindros a presión 3 – 6 1 3 3.500Hipoclorito de calcio 3 – 6 1,4 4,3 10.000 – 50.000Hipoclorito de sodio < 1 mes 1,7 23,1 10.000 – 50.000
Notas:
• Las dosis mínima y máxi-ma se basan en un por-centaje de cloro disponiblede 70% para el hipocloritode calcio y de 13% parael hipoclorito de sodio.
• Las dosis indicadas co-rresponden a la prácticausual; para la determina-ción precisa de la dosifi-cación, se requiere efec-tuar el ensayo de deman-da de cloro o curva al pun-to de quiebre (figura 6-8).
• Para mayores detalles sobre dosificación, se puede consultar la sección“Dosificación” en el capítulo 1 de este mismo manual.
La ecuación de balance de masas permite diseñar, evaluar y operar estossistemas:
Q . D = q . C = P (1)
Figura 6-8. Curva al punto de quiebre (4)
Residual combinado Residual libre
Punto de quiebre
Dosificación de cloro (mg/L)A
B
C0
4
2
6
8
42 6 8
244 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Donde:
Q = caudal máximo de diseño en L/s.D = dosis promedio de desinfectante =
(DM + Dm)/2 (mg/L) (2)
DM = dosis máxima (mg/L)Dm = dosis mínima (mg/L)q = caudal de solución de cloro (L/s)P = peso requerido del desinfectante (mg/s o
kg/d)C = concentración de la solución (mg/L)
Nota: 1 mg/s = 0,0864 kg/d
Dependiendo de la capa-cidad de producción de la planta,el almacén deberá incluir un equi-po de grúa para movilizar el cilin-dro en el caso del cloro líquido em-botellado a presión, en cilindros deuna tonelada. Cuando se trata desistemas pequeños que usan cilin-dros de 75 kilogramos, se consi-derará el empleo de carretillaspara efectuar el transporte en for-ma manual (figura 6-10). En elcuadro 6-4 presentamos un ejem-plo para el cálculo de un almacénde cilindros de cloro.
Figura 6-9. Sistema de grúapara cilindros grandes (2)
Figura 6-10. Carretillas para transportarcilindros pequeños (3)
Sala de cloración 245
1 Dosis máxima mg/L D = (DM + D = (1 + 3)/2 Dosis promedio mg/LDM = 3,0 Dm)/2 D = 2 ó
Dosis mínima mg/L g/m3
Dm = 1
2 Tiempo de d W = Q. T. D W = (8.690 x 2 x 90)/ kg almacenamiento 1.000
T = 90 W = 1.555
Caudal de diseño L/sQ = 100 m3/d
Q = 8.640
3 Peso de un kg N = W/P N = 1.555/ 67,0 Número de unidadcilindro de cloro N = 23 cilindros que se
P = 67,0 almacenarán
4 Área que ocupa m2 At = 1,25 At = 1,25 x 0,071 x 23 Área ocupada m2
un cilindro chico Ac.N At = 2 por los cilindrosAc = 0,071
N.° Datos Unidad Criterios Cálculos Resultados Unidad
Peso de clororequerido en el
periodo dealmacenamiento
seleccionado
Cuadro 6-4. Cálculo del área del almacén de cloro (3)
3.2 Recomendaciones para el proyecto
• La figura 6-11 indica las dimensiones de los cilindros de una tonelada: entre2,16 y 2,21 metros de largo y entre 0,75 y 0,81 metros de diámetro.
Figura 6-11. Cilindros de cloro de una tonelada de peso (4)
Peso bruto 1.650 kgaprox.
Válvula de cloro 3/4”
Conexión flexible
Cilindrode tn
Válvula auxiliar delcilindro
121
cm
27 cmA B
216 - 221 cm
Protección decanales de cloro
75 –
81
cm
20 17,5
min
. 0,
50
246 Diseño de plantas de tecnología apropiada
• La figura 6-12 presenta ideas sobre cómo distribuir el almacén, de acuerdocon las recomendaciones de algunos fabricantes.
• Cualquiera que sea el recipiente de cloro que se use, si se requieren variasunidades, hay que conectarlas a una tubería matriz, como indica la figura6-13.
Figura 6-12. Almacenamiento de cilindros de cloro (3)
Cilindros enreserva
100 – 20
I I I III IV
V VI VII
VIII IX
Grúa
Grúa
Cilindros en reserva
Grúa
Cilindros en reserva
Tomas
Grupo I - Cilindros de 67 kg
Grupo II - Cilindros de una tonelada
El diseño de esta matriz es muy importante para lograr un flujo sin obstruc-ciones. Los cilindros de cloro llenos tienen 85 % de cloro líquido y 15% en estadogaseoso. Al extraer este último, disminuye la temperatura del envase y aparece
Sala de cloración 247
escarcha en la superficie del cilin-dro por condensación de la hume-dad, lo que indica que el gas se estáevaporando rápidamente.
Para que el flujo no se inte-rrumpa, la temperatura en los ci-lindros debe ser más alta o igual ala temperatura en las tuberíasaductoras, pues si estas se enfríanmás rápidamente que el cilindro,aunque sea muy pequeña la dife-rencia térmica, el gas se puederelicuar en las líneas de conduc-ción y producir obstrucciones en los cloradores.
4. EQUIPOS DE MEDICIÓN Y CONTROL
Los equipos de cloración se fabrican en un rango de 1,5 a 4.500 kg/día decloro gaseoso y dosificadores de cloro líquido desde 20 hasta 2.000 L/día. Esnecesario determinar la capacidad del equipo que se necesita. Para calcular lacapacidad (C) del clorador, utilizaremos nuevamente la ecuación de balance demasas, teniendo en cuenta que el equipo se calcula con el caudal y la dosis máxi-ma.
C = QD x 86,4Q = m3/sD = mg/L
El caudal máximo es el del final del periodo de diseño. Cuando el diseño dela planta se hace por módulos, la estación de cloración debe centralizarse y satis-facer la producción de todos ellos. En este caso, el clorador debe satisfacer tam-bién la capacidad mínima requerida por un solo módulo.
Las características de los equipos dependen de la forma de cloro que va-mos a utilizar, hipocloritos en solución o cloro líquido envasado en cilindros a pre-sión.
Figura 6-13. Sistema de conexiónde cilindros de cloro (1)
Báscula
Válvula auxiliar
Válvuladel cilindro
Matriz Válvula reductorade presión
Tuberíaflexible Clorador
Cilindro de cloro
248 Diseño de plantas de tecnología apropiada
4.1 Equipos para aplicar hipoclorito en solución
Puede utilizarse cualquier tipo de dosificador para productos químicos ensolución que sea resistente a la acción corrosiva del hipoclorito. Los más comunesson las bombas dosificadoras y los sistemas de orificio de carga constante. Parala medición, se utilizan rotámetros o las escalas del equipo dosificador.
Las bombas dosificadoras empleadas son de tipo diafragma o pistón-diafragma, ambas de desplazamiento positivo. En todos estos equipos debe poder
calibrarse la dosificación.Los hay con diferente ran-go de ajuste; los más usa-dos tienen un rango de 10:1.
Si la aplicación requiereuna operación automática—dosificación proporcio-nal al caudal, a la deman-da de cloro o a ambos—,existen en el mercado equi-pos que pueden cubrir estetipo de funciones, como ve-remos más adelante. Elrango de trabajo de estos
equipos puede variar entre 20 L/día y 800 L/día. Ellos son capaces de inyectar lasolución desde vacío hasta 28 kg/cm2.
4.2 Hipoclorador de orificio de carga constante
El hipoclorito en solución se utiliza principalmente en instalaciones paralocalidades pequeñas, donde, por lo general, no hay condiciones apropiadas paraoperar y mantener un equipo automático. Sin embargo, en la industria o en el casode una urbanización o un hotel de lujo, podría justificarse la inversión.
Los sistemas de orificio de carga constante, por su bajo costo y porquefuncionan por gravedad, son muy empleados en localidades pequeñas.
Se pueden fabricar artesanalmente, no requieren energía eléctrica y conmuy poco mantenimiento se puede obtener una operación constante. También se
Figura 6-14. Sistema de aplicación por gravedad (3)
Manguera flexible
Entrada
Tanque 1
Solución
Desagüe
Válvula deinterconexión
Escala
Tanque 2
Desagüe
Dosis
Válvula de flotador
Tubo 1-2” φ PVCTubo 3-4” φ PVC
Tornillo para fijar tuboFlotador
Orificio dosificador
Sala de cloración 249
consideran en los sistemas grandes, como alternativa para eventuales situacionesde emergencia (figuras 6-15 y 6-16).
4.3 Equipos para aplicar cloro gaseoso
Estos tipos de cloradores son losmás utilizados en las plantas de tratamien-to, porque son más eficientes que loshipocloradores. Por su forma de operar,podemos distinguir dos tipos de unidades:cloradores de gas directo y cloradores alvacío en solución.
4.3.1 Cloradores deaplicación directa
Este tipo de clorador ope-ra con la presión del cilindro, porlo que adolece de serias limita-ciones. Su uso se recomienda solocuando no hay otra alternativa.Normalmente se emplean en zo-nas donde no hay suministro con-tinuo de energía eléctrica.
Figura 6-15. Hipoclorador (2)
Figura 6-16. Hipoclorador deorificio de carga constante (4)
Figura 6-17. Clorador de aplicación directaa una tubería (2)
A-AA
Tapón
TapónA
Perfil dealuminio
Flotador
Manguera flexible
250 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Figura 6-19. Clorador de aplicación directa (5)
Figura 6-18. Punto de aplicación en la tubería (2)
La principal desventaja de estos equipos es que la dosis varía con la presióndel cilindro.
Se fabrican en capacidades que van desde 9 hasta 150 kg/día. Véanse lasfiguras 6-17 y 6-18.
Unidad decontrol
Válvula manual
Dos cilindrosmultipropósitos
Difusores
Filtro
Cadena
Válvula
Llave de gas
Cilindro decloro
Tubo de descarga de gas
Válvulamanual
Conexión flexible
Sala de cloración 251
Figura 6-20. Diagrama de flujo de un clorador de aplicación directa
Línea de escape
VálvulaLínea de presiónde cloro
Válvula dedosificación
Válvula de escape
Línea de presión de cloro
Válvula de retención ydifusor de piedra porosocompleto
Nota: La válvula de retencióny difusor completo estarásumergido
Ventilación
Clorador
Indicador dedosificación
Cilindro de cloro
Juntura de plomo
Cloro líquido
Gas cloro
Filtro deadmisión
Válvula decilindro decloro
Abrazaderade yugo
252 Diseño de plantas de tecnología apropiada
4.3.2 Cloradores de aplicación al vacío
Este tipo de equipo es el más confiable y seguro de operar.
a) Descripción
Un clorador de aplicación al vacío está integrado por tres componentesfundamentales: un inyector, una válvula de ajuste de la dosificación y un medidorde caudal.
El inyector. El inyectores un Venturi mediante el cualse ejerce una succión determi-nada (130 milímetros de agua),por medio del cual se succionael cloro a través del equipo.Este inyector también sirvecomo cámara de mezcla entreel cloro y el agua que sirvió paraejercer el vacío (figura 6-21).
Las condiciones hidráu-licas de la bomba de agua son muy importantes, pues tanto la presión como elcaudal son determinantes en el funcionamiento del inyector. Por ello es muy im-portante consultar las recomendaciones del fabricante, porque cada uno tiene con-diciones específicas, a partir de las cuales se han diseñado los equipos. Es prefe-rible que dejemos el cálculo de las condiciones de operación de la bomba al fabri-cante.
Válvula de control. Las válvulas de control merecen muy especial aten-ción, pues con facilidad se taponan con las impurezas del cloro. Para garantizarmayor confiabilidad en la operación, se recomienda especificar orificios o vásta-gos ranurados en lugar de las válvulas de aguja convencionales.
Medidor de caudal. El medidor de caudal es un rotámetro, un tubo devidrio que indicará el paso del gas a través del equipo. La medición de un gas seve afectada por las condiciones de temperatura y presión. Cuando la presión estápor debajo de la atmosférica, como en este caso, el efecto es mayor. Por esta
Figura 6-21. Sistema de inyección (3)
Sala de cloración 253
razón, el equipo cuenta con vál-vulas reguladoras de presión yde vacío a la entrada y a la sali-da del dispositivo de medición.
Operar el proceso a pre-siones por debajo de la atmosfé-rica presenta una serie de ven-tajas que permiten que el cloro,un gas extremadamente corro-sivo y venenoso, pueda ser ma-nipulado casi por cualquier per-sona. Al someterlo al vacío den-tro del equipo, se aprovecha estepara, mediante diafragmas
venteados, cerrar automáticamente todo puerto o ducto factible de ruptura al de-jar de ejercer la presión debajo de la atmosférica. La presión del cloro dentro delcilindro no se requiere para la operación, porque estamos succionando el gas conel inyector y estas condiciones siempre van a prevalecer a lo largo del circuitodentro del equipo.
También debemos tener presente que el cloro viene de un cilindro bajopresión donde se encuentra licuado y que no podemos extraerlo en formaindiscriminada cuando el gas está en forma líquida dentro del recipiente, porque lapresión de vapor del gas a las condiciones ambientales de temperatura produciráuna velocidad de evaporación tal que podemos llegar a congelar el cilindro y sucontenido. El cuadro 6-1 indica el máximo flujo de cloro que se puede extraer deun cilindro, dependiendo de su tamaño.
Figura 6- 22. Cloración al vacío, equiposde pared (2)
Figura 6-23. Clorador con inyector para cilindro de una tonelada (3)
Agua alinyector
Gas
Líquido
Válvula de gas
Cilindro de tonelada
FiltroTrampa de cloro ycalentador
Ventilación Válvula de ajuste
Rotámetro
Regulador
Ventilación
Línea de vacío
Inyector yválvula check
Solución
254 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Los sistemas con inyector son losmás usados debido a que presentan lassiguientes ventajas:
• Ofrecen alta precisión en la do-sificación.
• No son influenciados por loscambios de temperatura.
• Son equipos durables y de costoinferior a los de alimentación oaplicación directa.
Figura 6-24. Cloradores de consola (2)
Figura 6-25. Diagrama de flujo de un clorador de aplicación al vacío (3)
Válvula delcilindro de cloro
Junta deplomo
Abrazaderade yugo
Gas cloro
Cloro líquido Cilindro de cloro
Suministrode agua
Soluciónde cloro
Inyector y válvula deretención completa
Línea de vacíoVálvula deventilación
Indicador dedosificación
Diafragmade regulacióncompleta
Anillo selladorde vacío
Válvula de dosificación
Conexión de salida
A ventilación
Válvula deseguridadde admisión
Filtro deadmisión
Sala de cloración 255
Sin embargo, debe tenerse en cuenta que para la operación de los inyectores,se requiere el suministro de agua a presión y, por lo tanto, se debe incluir un equipode bombeo en el sistema.
Componentes de un sistema de cloración con inyector. Un sistema coninyector incluye básicamente los siguientes componentes:
• Balanza.• Clorador (de pared o montaje directo), con manguera de ventilación.• Cadena de protección.• Tubería de abastecimiento con válvula de paso, manómetro, filtro “Y”, adap-
tador para montaje del inyector y el difusor a fin de aplicar la solución decloro al agua.
• Mascarilla de protección tipo canister.• Juego de repuestos con canister para la mascarilla de protección, empa-
ques de plomo para el montaje del clorador y otros repuestos recomenda-dos por el fabricante para efectuar el mantenimiento adecuado del equipo.
• Equipo para la detección de fugas: botella de amoniaco con tapa de apertu-ra rápida.
• Cilindros de reserva (como mínimo, tres para plantas pequeñas). Véase elcuadro 6-2 para plantas de medianas a grandes.
• Comparador para medir cloro residual.
b) Criterios de diseño
• El caudal mínimo de agua para el funcionamiento del inyector se calculamediante la siguiente ecuación:
q = Q . DM /C (3)
Donde:
DM = dosis máxima, normalmen-te se asume igual a 5,0mg/L.
C = concentración de la soluciónclorada, normalmente seasume igual a 3.500 mg/L.
Figura 6-26. Cloradores de consola (2)
256 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Usar caudales de agua mayores que q no ofrece problemas en la dosifica-ción y a menudo es necesario tomar caudales mayores para ajustarse a los tama-ños comerciales de los equipos de bombeo. Los equipos de bombeo pueden evi-tarse, cuando la planta cuenta con un suministro de agua con presión suficientepara el funcionamiento del inyector. Usualmente, la mínima presión necesaria es30 metros de columna de agua (mca), más las perdidas calculadas en la tubería deabastecimiento.
• La potencia mínima del equipo de bombeo se calcula con la siguiente ecua-ción:
P = δ Q H / 75 E (4)
Donde:
δ = peso específico del agua (~ 1.000 kg/m3)H = carga dinámica total (mca)E = eficiencia del equipo de bombeo
.Para el cálculo de H se utilizan los siguientes criterios:
H = h + Ho + Hm (5)
Donde:
h = presión requerida por el inyector (mca)Ho = pérdidas por fricción (mca)Hm = pérdidas menores (mca)
Ho = f . L/ø. V2/2g (fórmula de Darcy Weisbach) (6)
Donde:
f = 0,030 (coeficiente de fricción)L = longitud de la tubería (m)ø = diámetro de la tubería (m)V = 0,60 a 1,20 m/s (velocidad del agua)g = aceleración de la gravedad.
Sala de cloración 257
Nota: También es correcto emplear fórmulas como la de Hazen Williams y la deFlamant (9).
Hm = ∑K v2/2g (7)
Donde ∑K = suma de coeficientes de pérdida de carga en accesorios. Los usua-les se indican en el cuadro 6-5.
Cuadro 6-5. Coeficientes de pérdida de carga menores (3)
Nota: La suma de K debe ajustarse de acuerdo con el diseño de cada sistema.
• Capacidad requerida del equipo
W = Q . DM (8)
Donde:
W = capacidad requerida en g/h.
Con este dato entramos a los catálogos de los fabricantes y seleccionamosun equipo cuya capacidad sea igual o inmediatamente superior a la requerida. Elcuadro 6-6 ofrece información tomada de los catálogos (2).
Codo 0,40Te de paso directo 0,25Válvula de compuerta 0,30Filtro “Y” 3,50Total ∑K = 4,45
Accesorios K
258 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Cuadro 6-6. Tamaños comerciales de cloradores (3)
Nota:a La dosificación mínima es 1/20 de la máxima.b Estimación razonable de la temperatura ambiente mínima para una dosificación continua.
c) Aplicación
Se desea proyectar una estación de cloración para un caudal de 100 L/s, unrango de dosificación de 1 a 3 mg/L y una dosis normal de 1,5 mg/L.
La dosis normal se selecciona sobre la base de una curva de demanda decloro (o curva al punto de quiebre) del agua por tratar. La dosis mínima es la quesupera la dosis al punto de quiebre (1,4 mg/L para el caso de la figura 6-8).
El cuadro 6-7 resume el cálculo del ejemplo de aplicación propuesto.
g/h lb/día °C °F— 100 24,0 75
1.400 75 13,3 56750 40 2,0 36280 15 - 3,0 26120 6 - 5,0 2350 2 - 5,6 22
Capacidad del cloradora Temperatura ambiente mínimab
Sala de cloración 259 nóicarolc ed nóicatse a nu e d o lucl á
C .7-6 o rdauC
)3(
s/ Loñesid ed ladua
C1
D Q
= qM
001 = q
C/ x
)01( 0 05.3 /3 3
me d o
miním ladua
C3
s/Q
0 01 = ) 01( 6 80,0
= q3-
arap od ireuqer augarotceyni led nóicarepo al
L /gm
amix á
m s isoD D
M3 =
L/gm
nó icul os a l ed nói ca rtnecnoC C
005.3 = 2
D Q
= W
M 00 1(
= W
x 3 x
) 01( / ) 006.3 3
h/gled adireuqer dadicapa
C08 0.1
= W
op iu qeh/g
soman oicc ele s 6-6 o rd auc le nE
3= ni
mW
004.1h/g
aminí
m dadicapaC
al rad adeup son euq opiu qe le
02rodarolc led
.adire uqer d ad icap ac54,91
= nim
Wxá
mW
004.1 = s/
med aír ebut al ne dad icoleV
4)01( 680,0(
= AV/ q
= A3-
09,0 /)m
aírebut al ed aerÁ
2
auga ed n óicat nemila
) 01( 6,9 = A
5-
V09,0 =
med aír ebut al ed dutignoL
5Ø
/A 4 =
π=
Ø
4 x
)01( 6,9 5-
6141,3 /m
aírebut al ed ortemái
Dauga e d nóic at ne
mila
=
Ø110,0
”½
auga ed nóicatnemila ed
L4 =
nóiccirf ed etnei cifeoC
6 ø / L.f
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260 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Figura 6-27. Clorador con inyector, colocación múltiple de medidor de cloro (3)
4.4 Evaporadores
Las estaciones de cloración grandes, donde se gastan más de 1.000 kg/día,requieren el uso simultáneo de varios cilindros de cloro (más de seis), conectadosa la misma matriz aductora, para alimentar los cloradores. Como esto puede traerproblemas operacionales, se suele incluir en el equipo un evaporador que permitaextraer cloro líquido de los cilindros en lugar de gas, lo que supone las siguientesventajas:
a) Disminuye el número de cilindros en servicio requeridos para alimentar elclorador, debido a que la extracción de cloro líquido no plantea las mismaslimitaciones que la de cloro gaseoso.
b) Se evita la relicuefacción del cloro en las líneas de conducción. Esto esespecialmente importante cuando la longitud de la tubería entre la sala dealmacenamiento y la de cloración es significativa.
Los evaporadores que van montados lo más cerca posible de los equipos decloración consisten en un tanque dentro de un baño de agua caliente, cuya tempe-ratura es controlada por un termostato a 70-75 °C. Esto hace que el cloro pase delestado líquido al gaseoso y en esta forma es llevado a los cloradores.
Regulador de vacíoen el cilindro de cloro
Solución de cloro
Suministrode agua
Solucióndifusor
Man-guera
Suministrode agua
Instalación típica deinyector en tubería
Línea de vacío decloro a varios puntosde tratamiento
Panel medidorde cloro
Línea de vacío decloro a los medidores
Venti-lación
Instalación típica de inyectormontado en la pared
Sala de cloración 261
Para evitar que el cloro líquido pueda pasar al clorador y dañarlo, se incluyeuna válvula que se cierra automáticamente y hace sonar una alarma cuando latemperatura baja de los 65 °C. También es necesario considerar lo siguiente:
• Una criba para retener las impurezas del cloro y la posible formación denieblas o condensación del gas en gotitas, lo que es perjudicial para losequipos.
• Una válvula reductora de pre-sión en la tubería de salida delevaporador.
La figura 6-28 muestra unaestación de cloración para 6 m3/s conevaporadores (hilera de la derecha)y cloradores (fila del fondo).
4.5 Sistemas de control
Para los sistemas de control,debemos hacer uso de todo nuestroingenio para no llegar a sofisticaciones innecesarias. El caso más común se pre-senta cuando se tiene caudal de agua constante y demanda constante de cloro;aquí todo se reduce a instalar un sistema de cloración con ajuste de dosificaciónmanual y alguna forma de parar el equipo cuando sea necesario.
4.5.1 Sistemas automáticos
El control automático de lacloración se basa en la medición, pormedio de sensores, de la dosis decloro residual en el efluente de laplanta. El equipo envía una señalque puede ser interpretada por unreceptor de la siguiente manera:
Figura 6-29. Sala de sistemas de controlautomático de la cloración (2)
Figura 6-28. Evaporadores para operarcon cloro líquido (2)
262 Diseño de plantas de tecnología apropiada
1 Constante Constante
2 Variable a) Variaciones continuas Constanteb) Variaciones por pasos
3 Constante Variable
4 Variable a) Variaciones continuas Variableb) Variaciones por pasos
N.° Caudal Demanda
a) Accionar una alarma para que el operador corrija manualmente la dosis.
b) Accionar el equipo de ajuste automático del rotámetro de acuerdo con ladosis prefijada en el sistema. Este sería un sistema totalmente automatiza-do.
Los equipos automáticos (figuras 6-30 y 6-31) usualmente incluyen siste-mas analógicos, digitales o carta gráfica para mostrar y almacenar informaciónsobre el proceso de dosificación.
Estos equipos tienen la ventaja de reducir el error humano en la dosifica-ción, pero son de alto costo y requieren mantenimiento especializado.
Los principales casos de control automático se presentan en el cuadro 6-8.
Cuadro 6-8. Sistemas automáticos (5)
Los casos 3 y 4 son bastante raros y se puede decir que en agua potable nose dan. Solo se han visto situaciones como estas en los casos de aguas residuales.
Los casos 1 y 2 sí se presentan en agua potable, cuando el abastecimientose realiza por pozos. Cuando se bombea directamente del pozo a la red, tendre-mos gasto variable de acuerdo con las horas del día y cuando tenemos un tanqueregulador alimentado por una serie de pozos, se presenta el caso de variación porpasos, al operar uno, dos o varios pozos.
Para caudales variables, existen los medidores primarios del tipo Venturi ode orificio para el caso de ductos cerrados; para canales abiertos, se emplean losmedidores Parshall y vertederos, instrumentos sencillos y fáciles de operar, capa-ces de enviar una señal al clorador para que obedezca en forma proporcional algasto, aumentando o disminuyendo el caudal de solución por aplicar.
Sala de cloración 263
Figura 6-30. Sistema de control automático de lazo compuesto (3)
Figura 6-31. Diagrama de flujo, sistema de comando automático (3)
5. PUNTO DE APLICACIÓN
Normalmente, la solución de cloro se aplica en la cámara de salida de laplanta de tratamiento, en una zona con una sumergencia no menor de un metro,con el fin de reducir el escape de cloro. Cuando se utiliza un clorador de alimen-tación directa, el difusor debe colocarse en el fondo de la cámara con sumergenciaconstante. No se recomienda un tanque con altura de agua variable, porque seperdería mucho gas en la atmósfera.
Es importante que la aplicación se haga mediante un difusor para difundirmejor el cloro en el punto apropiado. Se pueden dar tres casos en relación con elpunto de aplicación del cloro:
Gabinete decomando de
caudal de gas
Gabinete de comandodel equipo
Suministrode gas
Suministro deenergía
Gabinete degraforregistrador
Medidorde
caudal
Bombareforzadora
Línea de señal
Analizadorde cloro
Línea demuestreo
Inyector
Dirección de flujo
Línea de vacío
Válvula manual de bypass Señal de residual o caudal al controlador
Indicadorde ratio
MotorRegulador de presión
diferencial
Señal de residualo caudal alcontrolador
Línea de vacío
Válvulaautomática
Válvula deseguridad para
la entrada
Inyector con válvulade retención
Solución
Suministrode aguaRegulador
de vacíoSuministro
de gasAgua de procesoVenteo
Línea devacío
264 Diseño de plantas de tecnología apropiada
1) aplicación enducto cerrado;
2) aplicación encanal abierto;
3) aplicación en untanque.
En el caso deductos cerrados y si eldiámetro es pequeño,solo debemos cuidarde que la solución notenga contacto direc-to con el ducto en elpunto mismo de apli-cación. Esto se logramediante difusores deplástico tipo bayoneta,introducidos a una pro-fundidad de 1/3 del diá-metro del ducto.
Para el caso decanales abiertos, elcuidado estriba en nopermitir que se pierda el cloro hacia la atmósfera, por efecto de una mala difusiónen el caudal principal. Para esto, si se coloca un difusor en el fondo del canal, conorificios que permitan una distribución uniforme en todo el ancho del ducto, pode-mos garantizar un aprovechamiento óptimo (figura 6-32).
Cuando se requiera efectuar la aplicación de la solución clorada en tanquesde almacenamiento o regulación, se presentan algunos casos tan sencillos comotener una entrada y una salida o múltiples entradas y salidas, y todas en diferentespuntos del tanque. En el primer caso, el problema se reduce a aplicar en ductocerrado, ya sea a la entrada o a la salida; en el segundo, es prácticamente imposi-ble lograr un buen diseño que garantice evitar las perdidas de cloro a la atmósferay la formación de zonas de alta y baja concentración de cloro dentro del tanque.
Figura 6-32. Soluciones para aplicación encanal abierto y cámara húmeda (4)
Conducto de solución de cloro
Soportedel
difusor
Soporte deldifusor
Campana desucción
En canal abierto
Difusor de orificios
Nivel mínimo de agua
Difusor deorificios
Conducto desolución de cloro
Con campana de succión
1,0
Aprox. 6’’
Sala de cloración 265
6. CÁMARA DE CONTACTO
La cámara de contacto tiene como función asegurar un tiempo de contactofijo entre el agua y el cloro, de tal modo de asegurar la remoción de bacterias,virus y parásitos presentes en el agua.
6.1 Tiempo de contacto para la reducción de bacterias
Después de la aplicación del desinfectante para asegurar la remoción debacterias, normalmente se ha venido aplicando al agua clorada un tiempo de con-tacto no menor de 20 a 30 minutos.
En el ejemplo desarrollado en el cuadro 6-7, se requiere una cámara decontacto de 150 m3. Para evitar cortocircuitos, es necesario colocar pantallas, demanera que el volumen quede dividido por lo menos en tres sectores. La cámarade contacto del ejemplo podría tener 2,50 metros de alto, 10 metros de largo y 6metros de ancho.
6.2 Tiempo de contacto para la reducción de parásitos
La Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) recomien-da tener en cuenta criterios especiales para la reducción e inactivación de Giardiay virus. En nuestro medio, estos criterios deberían aplicarse por lo menos al dise-ñar los sistemas de cloración para las zonas de parasitosis endémica, normalmen-te las poblaciones ubicadas en la costa y en la selva.
Se recomienda la aplicación del producto del tiempo de contacto (T) enminutos, por la dosis o concentración de cloro (C) en mg/L requerida para cadacaso, en función de la temperatura, del pH del agua y de la dosis de cloro libreseleccionada.
La máxima concentración de cloro (C) que puede aplicarse al agua, toman-do en cuenta su eficacia y consideraciones estéticas (gusto y olor) es normalmen-
Agua clorada Salida
Q
Q
Figura 6-33. Esquema de cámara de contacto
Entrada
266 Diseño de plantas de tecnología apropiada
te de 2,5 mg/L como cloro residual libre. Por consiguiente, los ajustes en el tiempode contacto ofrecen la mejor opción para la optimización de la desinfección.
Procedimiento:
1) Estimar el nivel total de reducción o inactivación logarítmica de Giardiaque puede esperarse de los procesos de tratamiento de agua, a partir de lacalidad del agua cruda y del posible nivel de operación y mantenimiento, deacuerdo con el grado de desarrollo y de los recursos localmente disponi-bles.
Generalmente, los requisitos de inactivación de Giardia son más difícilesde cumplir que los que se plantean para los virus; en consecuencia, loscriterios para la inactivación de Giardia son los principales. El requisitoestándar para una planta con buena eficiencia de remoción de partículas esde tres niveles logarítmicos de inactivación. Se pueden considerar cuatroniveles logarítmicos o más para un sistema sin protección de la fuente,expuesto a efluentes del tratamiento de aguas residuales o a descargasdomésticas sin tratamiento, práctica todavía habitual en los países de Amé-rica Latina.
2) Estimar el nivel de reducción logarítmica en función del tipo de planta quese va a proyectar. El cuadro 6-9 presenta la remoción esperada de Giardiay virus mediante los diversos tipos de plantas de filtración, en condicionesóptimas.
Cuadro 6-9. Remoción esperada de quistes de Giardiay virus mediante filtración (6)
3) Seleccionar un valor de tiempo de contacto por concentración de cloro(TC)1 , a partir de la capacidad de reducción logarítmica estimada para la
1 Véanse en el anexo los valores de TC para la inactivación de Giardia y virus mediante Cl2 libre.
Convencional 2,5 2,0Directa 2,0 1,0Lenta en arena 2,0 2,0Tierra de diatomeas 2,0 1,0
FiltraciónGiardia Virus
Remoción logarítmica
Sala de cloración 267
planta (cuadro 6-9), el pH máximo, la temperatura mínima del agua trataday el residual máximo de desinfectante estimado. El pH máximo y la tempe-ratura mínima del agua tratada se consideran para asegurar la capacidaddel sistema en las condiciones más desfavorables. Cuando se usa clorocomo desinfectante, el residual máximo considerado es de 2,5 mg/L. Estelímite se basa en investigaciones en las que se concluyó que el tiempo deretención es más importante que la concentración del desinfectante concloro residual libre por encima de 2,5 mg/L, además de la tolerancia delconsumidor a residuales mayores.
4) Calcular el tiempo de retención requerido para el TC seleccionado. La ecua-ción de cálculo es la siguiente:
T req (mín) = TC (mg/L – min) / desinfectante residual (mg/L) (9)
Donde:
Treq = tiempo requerido por el proceso de desinfección.T Creq = requisitos de TC a partir de los cuadros del anexo para condiciones
de posdesinfección.Desinfectante residual = residual de operación que deseamos se mantenga en
la planta en el punto de salida del proceso de desinfección.
5) Seleccione un volumen efectivo para la cámara de contacto, descontandoel volumen disponible en reservorios y tuberías de distribución. En el casode los reservorios, si los proyectamos con pantallas interiores, como cámarasde contacto, podremos obtener un tiempo de contacto mayor. En el caso deque el reservorio sea ya existente, se deberá calcular el tiempo de contactodisponible en las condiciones más desfavorables de operación, con laprofundidad mínima disponible. Lo más adecuado sería determinar el tiempode contacto real del reservorio en las condiciones más desfavorables (verel procedimiento en Tratamiento de agua para consumo humano. Plantasde filtración rápida. Manual III: Evaluación). Si no se dispone de esainformación, el volumen efectivo se podrá obtener multiplicando por losfactores indicados en el cuadro 6-10 el volumen total del reservorio. Sedebe tener mucho cuidado para aplicar un factor mayor de 0,10 a un tanquesin compartimientos.
268 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Sin compartimientos 0,1 Ninguna, unidades con agitación, velocidadalta en la entrada y salida, nivel variable de agua.
Deficiente 0,3 Entrada y salida simple o múltiple, directa y sinpantallas. Sin compartimientos internos.
Promedio 0,5 Entrada y salida no directas, interrumpidas poralgunos compartimientos internos.
Superior 0,7 Compartimientos perforados en la entrada,compartimientos perforados en forma de serpentínen el interior de la unidad, vertedero en la salida overtedero perforado.
Excelente 0,9 Compartimientos en forma de serpentín a lo largode toda la unidad.
Perfecta (flujo pistón) 1,0 Flujo de tubería.
Condición de lacompartimentalización Factor Descripción de la compartimentalización
Figura 6-34. Sistemas deprotección (2)
Cuadro 6-10. Factores para determinar el tiempo de contacto efectivo (6)
6) Una vez calculado el tiempo de contacto disponible en el sistema antes delprimer usuario, se descuenta del tiempo requerido (Treq), calculado con laecuación (9), y la diferencia será el volumen con el que se deberá proyectarla cámara de contacto, para cumplir con el objetivo de inactivar huevos deparásitos y virus.
7. VENTILACIÓN Y EQUIPOS DE PROTECCIÓN
Todo el equipo de cloración debemontarse en un ambiente amplio, bienventilado y de uso exclusivo. Las instala-ciones pequeñas pueden ventilarse solamentecon ventanas colocadas en la parte inferiorde los muros, ya que por ser el cloro máspesado que el aire, tiende a quedarsedepositado sobre el suelo. Las estaciones decloración más grandes requieren, además,extractores de aire colocados en la parte bajade la sala, operables desde el exterior.
Sala de cloración 269
En estos sistemas se recomienda un cambio total del volumen de aire cada15 minutos en tiempo normal y cada tres minutos cuando existe posibilidad de quese produzcan fugas de cloro. Los extractores deben calcularse de acuerdo conesta norma.
Al escoger la ubicación de los cloradores y demás equipos, debe ponerseespecial cuidado en que todas las tuberías queden a la vista, sujetas contra lapared y situadas en lugares accesibles que faciliten una rápida inspección yreparación.
Además, deben incluirse en el diseño todos los equipos de protecciónnecesarios, para que se puedan detectar en cualquier momento los escapes decloro y repararlos, sin peligro para los operadores de la planta.
Los implementos de protección más importantes son los siguientes:
a) sistema de alarma;b) máscaras;c) equipos de taponamiento de fugas;d) botella de amoniaco.
7.1 Sistemas de alarma
Existen varios tipos de alarmas que pueden incluirse en los diseños de lasestaciones de cloración. Las más importantes son las siguientes:
• alarmas de pared;• discos rompibles;• alarmas internas de los equipos.
Las alarmas de pared pueden serde dos tipos. El primero consiste en unpapel sensitivo impregnado de ortotolidina,cuya decoloración es analizada por unacélula fotoeléctrica y los resultadostransmitidos a un circuito de alarma; esteúltimo entra en funcionamiento cuandoexiste decoloración del papel. Figura 6-35. Alarmas de pared (2)
270 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Figura 6-36. Máscarade oxígeno (2)
Figura 6-37. Armarios conel equipo para atención de
fugas (2)
El otro tipo consiste en una celda que detectalos cambios de conductividad de un cierto volumen deagua, por la que se hace circular una corriente de aireproveniente del ambiente por analizar. Si existe cloropresente en la muestra de aire, suena la alarma ypermanece sonando hasta que se corrija la fuga decloro.
El Instituto del Cloro en Estados Unidosrecomienda el uso de una cámara de expansión paratuberías largas de conducción de cloro, entre loscilindros y los aparatos de cloración. Estas cámarascontienen un disco que se rompe a una presión de 300a 400 lb/pulgada2 y permite que el cloro se escapehacia la cámara de expansión, donde hace sonar unaalarma. Estas cámaras suelen instalarse a veces en combinación con válvulas decierre automático que, en cuanto se rompe el disco, cierran el paso del flujo delcloro a las líneas de aducción.
7.2 Equipo de protección para los operadores
A fin de que las fugas puedan ser reparadas sin peligro para los operadores,deben incluirse máscaras protectoras dentro delequipo de cloración. Esto es algo quelamentablemente se descuida con muchafrecuencia.
Básicamente, hay tres tipos de máscaras:
a) La máscara tipo canister, que debereemplazarse periódicamente y no sirve paraaltas concentraciones de cloro en el ambiente.
b) La máscara con tanque de aire, que permitetrabajar hasta 35 minutos.
c) La máscara de oxígeno, que fabrica esteelemento y puede durar hasta 45 minutos.
Sala de cloración 271
El equipo para atención de emergencias en el caso de una fuga de clorodebe guardarse en armarios ubicados en la parte exterior de la estación. Depreferencia, al pie de la puerta deentrada a la sala, para que el operadorpueda acceder a él fácilmente.
Según las recomendaciones dela EPA, el operador debe hacer usode este equipo cada vez que debacambiar un cilindro de cloro. Laoperación debe estar a cargo de dospersonas simultáneamente.
El vehículo de la figura 6-38está equipado con todo lo necesariopara atender una fuga deimportancia, inclusive un traje especial para proteger a los operadores contra elcloro.
Esta solución permite atender varias plantas que se encuentran dentro delperímetro de la ciudad atendida por esta empresa.
8. RECOMENDACIONES PARA EL PROYECTO
• La caseta de cloración debe estar aislada del resto de la casa de química oedificio de operaciones. En caso deque se produzca una fuga importante,no comprometerá otras instalacionesubicadas a su alrededor.
• Las paredes exteriores de lacaseta deben construirsecon ladrillo hueco para darlesuficiente ventilación. Estovale especialmente para laparte baja de los muros.
Figura 6-38. Vehículo equipado paraemergencias originadas por el cloro (2)
Figura 6-39. Falta un clorador alterno (2)
272 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Figura 6-40. Falta un clorador alterno (2)
Figura 6-41. Sala de cloración malubicada e instalada (2)
• Las partes metálicas (balanza, cadenas o barras de protección, etcétera)deben llevar protección anticorrosiva.
• Los equipos de protección para fugas deben estar ubicados fuera de lasala y muy cerca del ingreso.
• Los equipos de bombeo deben instalarse en una zona aislada de la caseta,para protegerlos de las fugas de gas.
• Las tuberías, válvulas y accesorios deben ser de plástico.
• Tanto los cilindros de reserva como los que están en uso deben tener unacadena o barra de sujeción para prevenir el volcamiento.
9. PROBLEMAS MÁS COMUNES
La cloración es el proceso queinvolucra más riesgos para el operadory es en la cloración que se suelencometer más errores, desde lainstalación de la caseta. A continuaciónse presentan los problemas máscomunes al momento de proyectar unaestación de cloración, a fin de estarpreparados para evitarlos.
• Uno de los defectos más comuneses encontrar que no se haconsiderado un clorador alternoni una bomba alterna para laalimentación de agua del equipo.
En cualquiera de ambos casos, siel equipo en operación se descompone,el proceso cae y la contaminaciónmicrobiológica podría salir a la red dedistribución (véanse las figuras 6-39 y6-40).
Sala de cloración 273
La figura 6-41 muestraun caso en el que no se tuvoen cuenta ninguna de lasrecomendaciones indicadasanteriormente.
La sala de cloraciónestá dentro de la casa dequímica de la planta, frente allaboratorio y a muy pocadistancia de la sala dedosificación, de tal manera quesi se produjera una fuga,afectaría al personal quetrabaja en estas dependencias y comprometería seriamente muchos equipos.
Además, se puede observar que no existe grúa para trasladar los cilindrossino que estos son transportados en un carrito por todo el edificio hasta llegar adestino y la sala carece totalmente de ventilación, lo que incrementa aún más elriesgo en caso de fuga.
La sala de cloración de la figura 6-42 es muy estrecha para cilindros de unatonelada. Los cilindros no están dispuestos y anclados adecuadamente. No haygrúa para izarlos. No se han dejado corredores para que los operadores se desplacen.
No hay balanza. No hay sistema dealarma ni equipo de protección parafugas de cloro.
La figura 6-43 muestra otrainstalación defectuosa, en la que elproyectista no previó el área ni lasfacilidades necesarias: el equipo estácolocado al pie de la puerta, lo queplantea el riesgo de que se caiga sino se tiene cuidado al entrar. No hayventilación ni balanza ni equipo decloración alterno.
Figura 6-42. Sala de cloracióndefectuosa (2)
Figura 6-43. Sala de cloraciónmal instalada (2)
274 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Figura 6-44. Sala de cloraciónmal ventilada (2)
Figura 6-45. Sala decloración incompleta (2)
Figura 6-46. Solución ingeniosapero incompleta (2)
Figura 6-47. Entrada de una cámara decontacto de cloro (2)
La sala de cloración de la figura 6-44 tiene la ventilación en la parte alta.Evidentemente, el proyectista desco-nocía que el cloro es más pesado queel aire y tiende a depositarse a niveldel piso. Además, no había equipo deprotección para fugas de cloro.
La sala de cloración de la figura6-45 carece de equipo alterno, debalanza, de equipo de protección parafugas de cloro, mientras que laventilación considerada no llega hasta
el nivel del piso, que es justamentedonde se acumula el gas cloro.
Es evidente que la sala decloración de la figura 6-46 estámuy ventilada, pero no hay balanzay faltan clorador alterno, equipo deprotección para manipular loscilindros y barras de sujeción paralos cilindros.
Sala de cloración 275
La figura 6-47 muestra laentrada a una cámara de contactode cloro. La tubería que se observaes la conducción de la solución decloro, que se está vertiendo desdearriba y en forma puntual. El gas seperdía en la atmósfera y el olor delcloro se podía sentir a distancia.
La figura 6-48 muestra lo quetiene que hacer el personal deoperación de una planta en cuyoproyecto se olvidó considerar lainstalación de una grúa para izar loscilindros de una tonelada. El personal debe ejecutar una operación muy riesgosa,en la que se dejan caer los cilindros desde la plataforma de un camión sobre unasllantas, para luego llevarlos rodando hasta el almacén.
Figura 6-48. Descarga inadecuada decilindros de cloro de una tonelada (2)
276 Diseño de plantas de tecnología apropiada
REFERENCIAS
(1) Arboleda Valencia, J. (1987) “Estaciones de cloración”, capítulo VIII delManual de desinfección del agua. Memorias del Seminario Internacionalsobre Tecnología Simplificada para Potabilización del Agua. Cali, ACODAL.
(2) Canepa de Vargas, L. Estudios y fotos de archivo. Lima, CEPIS/OPS, 2004.
(3) Rodríguez Araya, V (1992). Manual V, Diseño. Tomo IV, “Criterios dediseño para estaciones de cloración”. Programa Regional HPE/CEPIS/OPSde Mejoramiento de la Calidad del Agua para Consumo Humano. Lima,CEPIS.
(4) Pacheco, V. (1992). Manual III Teoría. Tomo IV, “Desinfección”. ProgramaRegional HPE/CEPIS/OPS de Mejoramiento de la Calidad del Agua paraConsumo Humano. Lima, CEPIS.
(5) Peña Díaz, A. (1984). “Criterios generales para el diseño de sistemas decloración”. Copias del Curso Internacional CEPIS/OPS de ProcesosUnitarios y Anteproyectos de Plantas Potabilizadoras. Guadalajara.
(6) Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) (1998).Optimización de la producción de plantas de tratamiento de aguamediante el Programa de Corrección Compuesto. Lima, CEPIS.
(7) Di Bernardo, L. (1993). Métodos y técnicas de tratamiento de agua.Vol. II. Río de Janeiro, ABES.
(8) Normas Brasileñas. Projeto de Estacão de Tratamento de Água paraAbastecimiento Público. Procedimiento NB–592 JAN/1987.
Sala de cloración 277
Anexo A
Valores TC para la inactivación de Giardia y virusmediante Cl2 libre y otros desinfectantes
Todos los cuadros de este anexo provienen del Guidance Manual forCompliance with the Filtration and Disinfection Requirements forPublic Water Systems Using Surface Water Sources, Appendix E,Science and Technology Branch, Criteria and Standards Division,Office of Drinking Water, Washington, D. C., EPA, 1989.
278 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Sala de cloración 279C
once
ntra
ción
pH <
= 6,
0pH
= 6
,5pH
= 7
,0pH
= 7
,5de
l clo
roLo
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inac
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ión
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activ
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inac
tivac
ión
Log
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activ
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1,0
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2,0
2,5
3,0
0,5
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1,5
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3,0
0,5
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2,0
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3,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
<=0,
423
4669
9111
413
727
5482
109
136
163
3365
9813
016
319
540
7911
915
819
823
70,
624
4771
9411
814
128
5684
112
140
168
3367
100
133
167
200
4080
120
159
199
239
0,8
2448
7397
121
145
2957
8611
514
317
234
6810
313
717
120
541
8212
316
420
524
61
2549
7499
123
148
2959
8811
714
717
635
7010
514
017
521
042
8412
716
921
125
31,
225
5176
101
127
152
3060
9012
015
018
036
7210
814
317
921
543
8613
017
321
625
91,
426
5278
103
129
155
3161
9212
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1620
245
1015
1924
296
1218
2329
357
1421
2835
420,
64
813
1721
255
1015
2025
306
1218
2430
367
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2936
430,
84
913
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265
1016
2126
316
1219
2531
377
1522
2937
441
49
1317
2226
510
1621
2631
612
1925
3137
815
2330
3845
1,2
59
1418
2327
511
1621
2732
613
1925
3238
815
2331
3846
1,4
59
1418
2327
611
1722
2833
713
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3339
816
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3947
1,6
59
1419
2328
611
1722
2833
713
2027
3340
816
2432
4048
1,8
510
1519
2429
611
1723
2834
714
2127
3441
816
2533
4149
25
1015
1924
296
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25
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2025
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2835
429
1726
3443
512,
45
1015
2025
306
1218
2430
367
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439
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3543
522,
65
1016
2126
316
1219
2531
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2937
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85
1016
2126
316
1219
2531
378
1523
3038
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1827
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1621
2732
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1925
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2132
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918
2837
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1122
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2938
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1223
3546
5869
1427
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1019
2939
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2031
4151
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7715
3146
6177
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611
2233
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2639
5265
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CAPÍTULO 7
INSTRUCTIVO DE PUESTA EN MARCHAY OPERACIÓN NORMAL
Instructivo de puesta en marcha y operación normal 287
1. INTRODUCCIÓN
Existen varios tipos de soluciones tecnológicas para los sistemas de trata-miento de agua mediante filtración rápida: sistemas convencionales antiguos, plantasmixtas con unidades hidráulicas y mecánicas, innumerables tipos de sistemas depatente extranjera, unos más complejos que otros y con características muy dife-rentes y que, por lo tanto, funcionan y se operan con criterios distintos.
Esto presupone que cada proyecto debe ser acompañado por un instructivode operación, en el cual se indique la forma especial en que el proyectista de laplanta recomienda que debe operarse su proyecto, cosa que rara vez ocurre.
El presente capítulo contiene una serie de recomendaciones e informacio-nes útiles para elaborar el instructivo de puesta en marcha y operación normal yespecial de una planta de filtración rápida de tecnología apropiada. Este instructi-vo no debe confundirse con el manual de operación y mantenimiento de la planta,que recién podrá elaborarse —tomando como base el instructivo— cuando laplanta se encuentre ya en operación, se disponga de los catálogos de todos losequipos y se hayan levantado las curvas de calibración respectivas, así como losplanos de replanteo y la información emanada de la evaluación inicial del sistema.
2. RECOMENDACIONES PARA LA OPERACIÓN DE PUESTA ENMARCHA
Es necesario realizar una serie de operaciones antes de la puesta en mar-cha de la planta. Para que ello se pueda concretar rápida y exitosamente, es muyimportante reunir todos los recursos necesarios y seguir un estricto orden en lasactividades que se proponen a continuación:
• Inspección preliminar del sistema.
• Operaciones iniciales: calibración de los dosificadores y del medidor decaudal.
288 Diseño de plantas de tecnología apropiada
• Llenado de la planta, simultáneamente con la desinfección de las estructu-ras y el inicio de la dosificación.
• Inicio de la dosificación: preparación de las soluciones de coagulante, cal,polímero e hipoclorito de calcio; medición del caudal; caracterización delagua cruda; selección e implantación de las dosis óptimas de cada sustan-cia química requerida.
• Lavado de los filtros, simultáneamente con la medición de la expansión dela arena, la calibración del vertedero de salida de la batería y la determina-ción del tiempo óptimo de lavado.
• Inicio de la poscloración.
• Instalación de la tasa declinante y control de la calidad del agua producida.
• Inicio del abastecimiento al sistema de distribución. La puesta en marchaha concluido.
A continuación, una breve explicación de cómo orientar cada uno de estospasos dentro del instructivo de operación.
2.1 Inspección preliminar
Tiene como objetivo evaluar el estado de las obras. Debe ponerse especialatención en los siguientes aspectos:
• Presencia visual de daños.
• Funcionamiento de válvulas, compuertas y equipos.
• Existencia de reactivos, materiales y personal requerido para iniciar la ope-ración del sistema.
• Se realizará una reunión con el personal que va a intervenir en la operación,se revisarán las instrucciones —previamente distribuidas— y durante lareunión se asignarán responsabilidades. Se recomienda que durante la puestaen marcha de la planta estén presentes el ingeniero encargado de la super-visión del sistema, el proyectista, el químico o el auxiliar de laboratorio quecontrolará la planta y los operadores.
Instructivo de puesta en marcha y operación normal 289
2.2 Operaciones iniciales
Antes del llenado de la planta, deben efectuarse las siguientes labores:
• Limpieza general de la planta, que debe quedar libre de polvo, residuos deconstrucción y cualquier otra impureza que signifique peligro de contamina-ción.
• Calibración y revisión detallada de todos los equipos dosificadores.
• Preparación de la solución de coagulante, cal, polímero, hipoclorito de cal-cio y cualquier otra sustancia química requerida en cada caso específico,de acuerdo con el procedimiento descrito posteriormente.
• Medición de los parámetros básicos para control de procesos: pH, turbie-dad y caudal.
2.2.1 Preparación de soluciones y dosificación de productos químicos
Se indicará detalladamente el uso de las sustancias químicas que se van aaplicar. En este capítulo trataremos sobre la preparación de los productos máscomúnmente utilizados:
• Sulfato de aluminio (o alumbre, coagulante principal).
• Cal.
• Hipoclorito de calcio.
Sulfato de aluminio. Por lo general, es el principal reactivo usado en lasplantas. Su dosificación produce el fenómeno denominado coagulación, que esla base del funcionamiento de las plantas de filtración rápida.
a) Preparación de la solución
El proyecto debe considerar dos tanques para preparar la solución de sulfatode aluminio, de tal manera que uno esté operando mientras que el otro estáen preparación. Para llenar los tanques de solución, se ha considerado queel llenado se efectúe a partir de un tanque elevado (o mediante bombeodirecto desde el tanque de agua filtrada). La altura de llenado en el tanque
290 Diseño de plantas de tecnología apropiada
de solución deberá marcarse con pintura de acuerdo con lo calculado en elproyecto. Esto no será necesario si el tanque tiene un tubo de rebose quecoincida con la altura útil calculada.
En los casos en que la concentración del coagulante se haya calculado enun monto mayor que el óptimo, previendo diluirla antes del punto de aplica-ción, debe disponerse de un rotámetro para ajustar bien el caudal de aguade dilución que debe inyectarse en la tubería de conducción de la solución.Finalmente, se debe obtener una solución de 1 a 2% de sulfato de aluminio,antes de la llegada al punto de aplicación en la unidad de mezcla rápida.
Cada tanque debe llenarse hasta la altura útil marcada y luego se agregaráun número entero de bolsas de sulfato de aluminio, de tal manera que seobtenga la concentración seleccionada.
La solución se obtiene encendiendo el agitador de turbina por un lapso deuna a dos horas, dependiendo de la dificultad para disolver el producto dis-ponible. Se debe determinar el tiempo en el que se diluye totalmente elsulfato para indicarlo en el manual de operación.
Mientras un tanque está en operación, el tanque alternativo debe estar pre-parándose, de tal manera que el paso del uno al otro sea instantáneo y lacoagulación no se interrumpa.
b) Selección de la dosis óptima de coagulante
La dosis óptima que se va a aplicar al agua se debe seleccionar a partir dela turbiedad de agua cruda en una curva de correlación de turbiedad delagua versus dosis óptima de sulfato de aluminio, realizada por medio de laprueba de jarras modificada. Cuando no se dispone de dicha correlación, sedebe ir levantando esta información en el laboratorio.
El procedimiento para iniciar la dosificación es el siguiente:
1. Leer la turbiedad del agua cruda (el proyecto debe incluir la adquisi-ción de un turbidímetro).
2. Con el dato sobre la turbiedad del agua cruda, buscar la dosis en lacurva de correlación de turbiedad del agua cruda versus dosis óptima
Instructivo de puesta en marcha y operación normal 291
Dosis (mg/L)
de sulfato de aluminioen mg/L. En el caso deque esta curva no sehaya elaborado duran-te el estudio de la fuen-te y la determinación delos parámetros óptimospara el proyecto, sedebe determinar la do-sis óptima en el equipode prueba de jarras.Véase la figura 7-1.
3. Con la dosis selecciona-da, entrar al cuadro 7-1y determinar el caudalq por aplicar en L/h. Enel medidor de caudaldeterminar el caudal deoperación de la planta.Leer la altura del aguaen el medidor y com-probar el caudal en lacurva de calibración (figura 7-2). Si el caudal es diferente del caudalde proyecto, instalar este último.
Cuadro 7-1. Dosificación de sulfato de aluminioConcentración al 2% (20.000 mg/L)
Caudal de operación = 100 L/s
Caudal de soluciónq (L/h)
5 9010 18015 27020 36025 450
30 540
Figura 7-1. Curva de dosificación (2)
log T = 9,955 D - 0,172
Turb
ieda
d ag
ua c
ruda
(UN)
Dosis óptima D mg/L
7060504030201001
2
3
4
567891
2
3
4
567891
2
3
4
567891
2
3
4
567891
292 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Nota: El caudal de solución q puede calcularse para otras condiciones de concen-tración, caudal o dosis con la siguiente ecuación:
q = Q. D/C
Q = caudal de la planta (L/s)D = dosis (mg/L)C = concentración de la solución (mg/L)q = caudal de solución L/h.
Figura 7-2. Curva de calibración del medidor de caudal (2)
300
250
(1. etapa)a.
240
200
Q (l
/s) 160
150
Q = 1,838 B H 3/2
100
50
05 10 15
Lámina de agua H (cm)
20 25 30
(2. etapa)a
B = 0,80 m
Instructivo de puesta en marcha y operación normal 293
4. Con el caudal q, ir a la curva de calibración del dosificador y determi-nar la abertura para ajustarlo, de tal modo que proporcione el caudaldeseado (figura 7-3). El cuadro 7-1 debe elaborarse de acuerdo con elcaudal de operación de la planta (el ejemplo corresponde a un caudalde 100 L/s).
El dosificador debe haber sido calibrado previamente, de manera que sedisponga de una curva de abertura de la válvula contra el caudal producido. Nor-malmente, los dosificadores vienen con una escala de 0% a 100%, por lo que lacurva será porcentaje de abertura versus caudal de solución (q) en L/h.
Hidróxido de calcio o cal apagada. En el proyecto se deben haber con-siderado dos tanques adicionales, para el caso de que sea necesario corregir el pHde coagulación o el pH del efluente de la planta, a fin de reducir la agresividad delagua tratada. Las dosis adecuadas deberán establecerse en cada caso mediantepruebas de laboratorio.
Planta de tratamiento de XCalibración dosificador D1
Posición dosificador
Cau
dal s
oluc
ión
L/h
13001400
120011001000900
700800
600500400
0100200300
8580757065605550454035302520151050
Figura 7-3. Curva de calibración del dosificador (2)
294 Diseño de plantas de tecnología apropiada
a) Preparación de la suspensión
La solubilidad de la cal en el agua es muy baja. Por esto, es poco prácticotratar de preparar una solución debido al gran volumen de tanque requeri-do. Es más usual preparar una suspensión con una concentración de hasta5%. El procedimiento es el siguiente:
1. Llenar el tanque de agua hasta la altura útil calculada.
2. Agregar el número de bolsas calculadas para obtener la suspensión al5%.
3. Mantener la cal en suspensión mientras se dosifica. Se requiere agita-ción mecánica para mantener la suspensión homogénea. Si no se agi-ta, la cal se deposita en el fondo del tanque y se estaría aplicando aguasola.
4. Colocar el dosificador en la posición apropiada, de acuerdo con sucurva de calibración, para obtener el caudal de solución requerido (verel ejemplo del cuadro 7-2, elaborado para un caudal de proyecto de100 L/s).
Cuadro 7-2. Dosificación de cal en suspensiónConcentración al 5% (50.000 mg/L)
(Caudal de operación = 100 L/s)
3,0 21,65,0 36,07,0 50,49,0 64,8
11,0 79,213,0 93,6
b) Operación
La aplicación de cal provoca, en la práctica, gran cantidad de dificultades,por la obstrucción de tuberías y dosificadores. Asimismo, las suspensionesde cal no pueden dejarse mucho tiempo en contacto con el aire, ya que
Dosis (mg/L) Caudal de soluciónq (L/h)
Instructivo de puesta en marcha y operación normal 295
reaccionan con el dióxido de carbono formando carbonato de calcio, queprecipita.
Por lo anterior, se requiere un cuidadoso mantenimiento para conservar elsistema de dosificación en buenas condiciones.
Dosificación de hipoclorito de calcio. El hipoclorito de calcio es bastan-te más costoso y menos eficiente que el cloro gaseoso, ya que se descomponefácilmente y pierde su capacidad desinfectante. Su uso se justifica cuando no esfactible disponer de cloro gaseoso por falta de medios de transporte adecuados.Por lo general, se lo emplea como alternativa en casos de emergencia.
a) Preparación de la solución
1. Llenar el tanque con agua hasta la altura útil indicada en el proyecto yseñalar este nivel con pintura.
2. Agregar los kilogramos de hipoclorito de calcio calculados. Pesar pre-viamente el reactivo con una balanza. Tapar bien el recipiente dehipoclorito de calcio para que el producto remanente no se deteriore yguardarlo en un ambiente fresco y de preferencia oscuro.
3. Agitar la solución con una pieza de madera en forma de remo o me-diante agitador mecánico hasta que el polvo se disuelva por completo.Operar con el tanque alternativo mientras se prepara la solución.
b) Operación
La solución desinfectante se aplica directamente en la cámara de aguatratada de la planta, aprovechando la turbulencia producida por el vertederode salida.
También es posible hacer una precloración, que se utiliza para controlar elcrecimiento de algas en las unidades de tratamiento y para reducir contami-naciones microbiológicas graves. Normalmente, la precloración no se haceen forma continua sino de acuerdo con las condiciones de la fuente.
La dosis usual de cloro en la cámara de salida de la planta es de 1,0 a 1,5mg/L. Debe tomarse en cuenta que el hipoclorito de calcio (HTH) tiene unporcentaje de cloro utilizable de 60 a 70%. Por lo tanto:
296 Diseño de plantas de tecnología apropiada
El cuadro 7-3 contiene los caudales de solución (q) que se deben aplicarpor medio del dosificador de orificio de carga constante. Al igual que en los casosanteriores, el dosificador debe haber sido calibrado.
Cuadro 7-3. Dosificación de hipoclorito de calcio al 1%de concentración (10.000 mg/L)(Caudal de operación = 100 L/s)
2.3 Llenado de la planta
Al iniciar el llenado de la planta y para evitar empujes indeseables contralas pantallas de los floculadores cuando estos se encuentran vacíos, es recomen-dable llenarla con un caudal inferior al caudal de diseño, digamos en 50%. Seríaideal poder llenar la unidad simultáneamente por ambos extremos, para lo cualsería necesario disponer de una electrobomba. La situación más crítica sucedecuando las placas son de asbesto-cemento. En este caso, debe advertirse bien alos operadores sobre la forma correcta de llenado de la unidad y el riesgo existen-te de romper todas las pantallas si no se siguen las instrucciones fielmente.
2.3.1 Procedimiento
Para iniciar esta operación, deben numerarse consecutivamente todos losfiltros de la batería. Guardar un orden estricto es muy importante en laoperación de este tipo de filtros. Deben tomarse en cuenta los siguientespasos:
Dosis (mg/L) Caudal de soluciónq (L/h)
HTH/L mg 5,2 = 0,605,1
= usual HTH deDosis
0,50 18,001,00 36,001,50 54,002,00 72,002,50 90,003,00 108,003,50 126,00
Instructivo de puesta en marcha y operación normal 297
• Las válvulas de desagüe de los floculadores, sedimentadores y des-agües de canales intermedios, si los hubiere, deben estar bien cerra-das.
• En los filtros, las válvulas deben estar de la siguiente manera:
a) Todos los filtros, menos el primero, deben tener:
— la válvula de admisión abierta;— la válvula de desagüe cerrada.
b) El primer filtro o filtro N.° 1 debe tener:
— válvula de admisión cerrada;— válvula de desagüe abierta.
Con la operación anterior, todos los filtros menos uno serán llenados por laparte superior y el primero por la parte inferior. Al llenarse la caja de los filtros,automáticamente el agua que se está filtrando tenderá a salir por el desagüe delprimer filtro. Luego se procederá en forma similar con el segundo filtro y asísucesivamente, se efectuará el lavado consecutivo de todas las unidades. Al fina-lizar este proceso, todas las unidades estarán limpias y se habrá expulsado el aireretenido en los filtros que inicialmente se habían llenado por la parte superior.
Simultáneamente al proceso de llenado, debe aplicarse una dosis inicial altade hipoclorito de calcio para desinfectar la planta (~ 7 mg/L) por espacio de doshoras (véase la sección “Dosificación” del capítulo 1). De la misma manera, debeaplicarse la dosis estimada de coagulante.
Es muy importante tener en cuenta que el agua inicialmente producida nodebe suministrarse a la población hasta que su calidad haya sido revisada. Elvolumen inicial debe ser evacuado por los canales de lavado de filtros.
Normalmente se requiere suministrar el agua a la población en el menortiempo posible. Cuando no se pueda esperar resultados de los análisis fisicoquímicosy bacteriológicos para iniciar el abastecimiento, las siguientes condiciones se con-sideran suficientes para autorizar el uso del agua tratada:
298 Diseño de plantas de tecnología apropiada
• turbiedad no mayor de 5 unidades nefelométricas de turbiedad (UNT);• color aparente no mayor de 15 unidades de color (UC);• pH entre 7,0 y 8,5;• cloro residual a la salida de la planta igual o mayor de un mg/L.
2.4 Lavado de filtros
Al entrar en operación la planta, el medio filtrante no se encuentra en con-diciones adecuadas para el tratamiento y requiere una buena limpieza para elimi-nar el polvo y las impurezas presentes. Además, el lecho filtrante es activado porel coagulante (sulfato de aluminio) y demora algunos días para alcanzar su nivelóptimo.
2.4.1 Procedimiento para el lavado
Para poner en condiciones óptimas los lechos filtrantes, se recomiendan lassiguientes acciones:
• Lavados sucesivos (tres o cuatro lavados por filtro) para eliminar im-purezas. El lavado se efectúa de la siguiente manera:
1. Se cierra la válvula de admisión al filtro.
2. Se abre la válvula de salida de agua de lavado.
3. Se espera un lapso de 7 a 8 minutos aproximadamente.
4. Se cierra la válvula de salida del agua de lavado.
5. Se abre lentamente la válvula de admisión (en un lapso de 2 a 3minutos aproximadamente).
• Durante esta operación se debe calibrar el vertedero general de labatería, dándole la altura necesaria para producir una expansión de 25a 30%. También se debe determinar experimentalmente el tiempo delavado (véase Tratamiento de agua para consumo humano. Plan-tas de filtración rápida. Manual III: Evaluación de plantas con-vencionales y de tecnología apropiada).
• Una vez que todos los filtros están limpios y se ha eliminado el aireretenido por el lecho filtrante, llenándolos por la parte inferior, se ha
Instructivo de puesta en marcha y operación normal 299
calibrado el vertedero de salida, se ha determinado el tiempo de lava-do específico y se ha comprobado que la calidad del agua tratada seencuentra dentro de límites aceptables, todas las unidades se ponen enposición de operación (válvulas de entrada abiertas y válvulas de des-carga de agua de lavado cerradas).
2.5 Instalación de la tasa declinante
La tasa declinante es una condición de operación que se debe establecer enesta etapa, cuando se está iniciando la operación normal de la planta. Cuando nose instala la tasa declinante y los filtros han sido proyectados para operar de estemodo, las carreras de operación que se obtienen son muy cortas, porque la cargahidráulica disponible para operar es muy pequeña.
2.5.1 Procedimiento
Esta operación se realiza en un lapso de 24 horas. Si la batería consta de nfiltros, se procede a lavarlos de manera sucesiva (es decir, primero el filtroN.° 1, después el filtro N.° 2, luego el filtro N.° 3, etcétera), cada 24/nhoras. Esto es, suponiendo que tenemos 4 filtros y empezamos esta opera-ción a las 6.00 de la mañana lavando el filtro 1, a las 12.00 se lavará el filtro2, a las 18.00 el filtro 3 y, finalmente, a las 24.00, el filtro 4. A partir de estemomento, la tasa declinante está instalada y la batería de filtros iniciará laetapa de operación normal.
Después de esto, el filtro 1 solo se volverá a lavar cuando el nivel del aguaen el canal de distribución a la batería llegue al máximo y el agua empiecea rebosar por el vertedero de alivio. Para evitar errores en la operación delos filtros, se recomienda emplear el formulario de control de filtros indica-do en el cuadro 7-4.
El empleo de este formulario facilita al operador la rápida determinación decuál es el filtro que le toca lavar.
300 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Cuadro 7-4. Formulario de control de la operación de los filtros(ejemplo de batería de cuatro filtros)
01/03/04 06.00 1 0 Inicio de la instalación de la tasa declinante.12.00 2 018.00 3 024.00 4 0 Se concluyó la instalación.
03/03/04 12.00 1 54 La batería alcanzó el nivel máximo deoperación y empezó a caer agua por elaliviadero.
16.00 2 5223.00 3 53
05/03/04 04.00 4 521
Nota: Los filtros de tasa declinante correctamente proyectados y operados proporcionan carrerasde filtración bastante largas. En los lugares cálidos o tropicales no deben admitirse carreras de másde 72 horas, para evitar que el sedimento retenido en el lecho filtrante adquiera condiciones sépti-cas, porque entonces los filtros, en lugar de remover la contaminación del agua, van a incrementarla.
2.6 Medición de caudal
En la entrada a la planta se ha proyectado una rampa de alta pendiente conla doble función de servir de unidad de aforo y de mezcla rápida de reactivos.
La medición precisa del caudal de operación de la planta reviste gran im-portancia, ya que sobre la base del caudal se define todo el proceso de dosifica-ción tratado previamente.
El caudal del vertedero rectangular, situado en la coronación de la rampa,se calcula teóricamente con la fórmula de Francis:
Q = 1,838 B x H3/2
Donde:
B = 0,70 m (ancho de la rampa y del vertedero).
Fecha Hora Filtro Carrera(horas)
Observaciones
Instructivo de puesta en marcha y operación normal 301
H = lámina vertiente medida en la cresta de la rampa (a una distancia nomenor de 1,50 metros aguas arriba de la cresta).
Para obtener el caudal en litros por segundo:
Q = 1.470 H3/2
En la práctica, normalmente se miden variaciones apreciables de la anteriorecuación. Por esto, es altamente recomendable la calibración de la unidad demedición. Dos técnicas se encuentran disponibles:
• Calibración por trazadores.• Calibración por pitometría.
Esta operación usualmente se practica durante el proceso de evaluaciónpreliminar de la planta. Para medir la lámina de agua H, se ha dispuesto la insta-lación de un flotador que señala una regla graduada en centímetros.
2.7 Mezcla rápida
Se proyecta la rampa para que al pie de ella se genere un resalto hidráulico.En el caso de la canaleta Parshall, se selecciona el ancho de garganta apropiadopara que se produzca el gradiente de velocidad deseado. El resalto hidráulico seproduce en la garganta de la canaleta. Este resalto se utiliza para generar unamezcla homogénea de los reactivos químicos con el agua, operación muy impor-tante para alcanzar un tratamiento eficiente.
Debido a que el mezclador fue diseñado para operar dentro de un rango decaudales, no operará satisfactoriamente con caudales inferiores al caudal de pro-yecto.
Las soluciones de reactivos se deben aplicar en el punto de mezcla (don-de se ubica el resalto), mediante tuberías perforadas de PVC conectadas a losdosificadores.
Si al operar la planta con el caudal de proyecto, el resalto no se produceen el lugar indicado en los planos, la aplicación del coagulante deberá desplazarseal lugar donde se está generando.
302 Diseño de plantas de tecnología apropiada
3 OPERACIÓN NORMAL
Una vez concluidas las operaciones de puesta en marcha, la planta entra enla etapa denominada operación normal.
La operación normal incluye una serie de actividades que se indican a con-tinuación:
a) Control de los procesos: medición de caudal, medición de parámetros bási-cos como turbiedad y/o color, pH, alcalinidad y cloro residual. Este controlde los procesos debe efectuarse por lo menos cada cuatro horas. En losanexos B y C se presentan ejemplos de formularios de registro diario yresumen mensual de la información sobre el control de los procesos.
b) Preparación de soluciones:
• ajuste de dosificación;• lavado de filtros;• limpieza de la casa de operaciones y mantenimiento de las áreas ver-
des adyacentes;• control de calidad.
En general, la operación normal comprende todas las actividades destina-das a que la planta produzca el caudal para el cual fue diseñada con la calidadestipulada por las normas correspondientes. Esto excluye cualquier actividad quedeba desarrollarse en caso de reducción parcial o total del caudal de diseño.
3.1 Operación normal del sistema de filtración
Los filtros de la planta son del tipo denominado de tasa declinante, lo cualsignifica que la velocidad de filtración declina desde un valor alto cuando el filtroestá limpio hasta un valor bajo cuando se encuentra colmatado, que es cuandorequiere ser puesto fuera de operación para lavarlo. Durante este lapso, el niveldel agua en los filtros varía desde un nivel inicial hasta el máximo de operación,limitado mediante un vertedero de alivio en el canal de distribución.
Los filtros deben lavarse en secuencia numérica para evitar confusiones.Es necesario anotar en la bitácora de la planta la hora y fecha del lavado. Des-
Instructivo de puesta en marcha y operación normal 303
pués de establecida la tasa declinante (véase la sección 2.5 de este mismo capítu-lo), se seguirán lavando en orden numérico cada vez que se alcance el nivel máxi-mo de operación en el canal de distribución de agua sedimentada. Cada lavadotoma un tiempo aproximado de 8 a 10 minutos (véase el cuadro 7-4).
Agitación adicional (lavado superficial). Para mantener el medio filtranteen buenas condiciones, es recomendable aplicarle, junto con el lavado normal, unproceso de agitación adicional que evita la formación de bolas de barro en ellecho. El proceso puede ser ejecutado manualmente por el operador de la siguien-te manera:
1. El filtro se pone a lavar normalmente.
2. Con una escoba larga o rastrillo de jardín, de extremo a extremo del filtro,se rasga la superficie del lecho filtrante con un movimiento de vaivén du-rante tres o cuatro minutos.
3. Se concluye el lavado normalmente.
3.2 Filtración directa
Cuando el agua presenta buenas condiciones (véase el cuadro 7-5), es po-sible tratarla solo mediante coagulación y filtración.
El procedimiento por aplicar es el siguiente:
1. Determinar la dosis óptima de coagulante para filtración directa.
2. Ajustar la dosis de sulfato de aluminio obtenida.
3. Abrir la compuerta de paso directo (by-pass) al canal de distribución a losfiltros cerrando el paso a los floculadores.
4. Aplicar la solución de coagulante en el difusor instalado en la entrada delcanal de distribución a los filtros.
Una vez estabilizado el proceso, determinar la concentración de aluminioresidual en el agua filtrada. Si esta concentración fuera mayor de 0,10 mg/L,disminuir gradualmente la dosis de sulfato de aluminio hasta encontrar la menordosis con la cual se consigue mantener la eficiencia del proceso y bajar la concen-tración de aluminio residual en el efluente.
304 Diseño de plantas de tecnología apropiada
La filtración directa permite mejorar la calidad del efluente, lograr un granahorro de coagulantes debido a la baja dosis utilizada y facilitar las operaciones demantenimiento en el resto de la planta. Debido al estancamiento del agua enfloculadores y sedimentadores, las algas proliferan en estas unidades, lo que damal aspecto a la planta, por lo que se recomienda renovarla frecuentemente oaplicar una dosis de hipoclorito de calcio para controlar las algas. No se debendejar los tabiques de madera en seco porque se deterioran. Las lonas de losdecantadores pueden retirarse durante la operación de la planta con filtracióndirecta.
Cuadro 7-5. Condiciones de calidad del agua para establecer filtración directa
Turbiedad 90% del tiempo < 30 UNT80% del tiempo < 20 UNTPreferentemente < 10 UNT100% preferentemente < 50 UNT
Color 90% preferentemente < 40 UC80% preferentemente < 20 UC
Concentración de algas (mg/m3) 80% < 100100% < 500
NMP coliformes Termotolerantes/100 mL MGMa < 100/10 mL de muestra
Totales/100 mL MGM < 500/100 mL de muestrab
a MGM = Media geométrica mensual.b Si no se supera el límite de concentración de coliformes fecales o termotolerantes/100 mL, este valorpuede incrementarse.
4. OPERACIÓN ESPECIAL
Cuando por alguna causa, la planta de tratamiento debe suspender la pro-ducción, parcial o totalmente, se dice que la operación es especial. Esto significaque durante determinado lapso (corto o largo) la producción de agua potable severá disminuida. Es importante efectuar una adecuada programación de las labo-res de operación especial.
Parámetros Valores límite recomendados
Instructivo de puesta en marcha y operación normal 305
Las principales actividades que se clasifican dentro del concepto de opera-ción especial son las siguientes:
a) Limpieza de estructuras mayores: floculadores y sedimentadores.
b) Operaciones de mantenimiento correctivo en obras civiles y/o equipos:
• sustitución de válvulas;• reparación de fugas;• reparación o sustitución de equipos dosificadores y otros equipos;• daños anormales como terremotos o huracanes (situación de desas-
tre).
c) Falta de reactivos químicos.
d) Cambios extremadamente bruscos en la calidad del agua que obliguen adetener el funcionamiento de la planta.
e) Otros aspectos relevantes: sequías prolongadas, huelgas, terrorismo, etcé-tera.
Puede desprenderse de lo anterior que las operaciones especiales por logeneral son indeseables, por lo que es necesario reducirlas al mínimo. Con este finse recomienda lo siguiente:
• Implantar programas de mantenimiento preventivo.• Ejecutar una adecuada vigilancia del sistema, tanto física como sanitaria.
5. CONTROL DE CALIDAD
El control de la calidad del agua producida se efectúa mediante análisisfisicoquímicos y bacteriológicos que se realizan a partir de muestreos, tanto a lasalida de la planta como en diversos puntos de la red de distribución. Véase elanexo A para muestreos en la planta.
Para efectuar el control de calidad, es necesario:
a) Contar con normas oficiales de calidad de agua (habitualmente, las de laOMS si no se dispone de normas locales).
306 Diseño de plantas de tecnología apropiada
b) Contar con un laboratorio debidamente equipado con el material y personaladecuados para efectuar los análisis requeridos por las normas.
En forma resumida, el control de calidad comprende las siguientes opera-ciones:
• Tomar al menos una muestra por cada 5.000 habitantes con una fre-cuencia semanal, para realizar los análisis fisicoquímicos ybacteriológicos generales.
• Efectuar, al menos una vez al año, muestreos para determinar la pre-sencia de sustancias tóxicas (metales pesados, pesticidas, etcétera).
• Realizar la interpretación de los resultados, de manera que, en el casode que se sobrepasen las normas, las autoridades competentes seaninformadas de manera conveniente y en el menor tiempo posible, conel fin de que tomen las acciones correctivas necesarias.
6. OPERACIÓN ESTACIONAL
El módulo está preparado para operar con filtración rápida completa y fil-tración directa, cuando las variaciones estacionales de la calidad del agua así lorequieran.
El proceso más sensible a la variación de caudales es la floculación. Losfloculadores hidráulicos no admiten sobrecargas y dejan de ser eficientes concaudales inferiores al caudal de diseño.
7. ASPECTOS VARIOS
Las plantas de tratamiento son un aspecto muy importante en el abasteci-miento de agua y deben ser ejemplo de limpieza y mantenimiento. Para lograresto, es necesario:
• Contar con personal adecuado, tanto en número como en capacitación.Usualmente, el personal mínimo por turno de operación y por módulo, cons-ta de:
Instructivo de puesta en marcha y operación normal 307
— un operador capacitado;— un ayudante.
• Brindar adecuado mantenimiento a los diferentes ambientes del sistema(incluir todo el conjunto):— planta de tratamiento;— casa de operaciones;— las demás obras complementarias.
El mantenimiento debe ser especialmente cuidadoso con las partes metáli-cas sujetas a corrosión, que requieren protecciones periódicas. Es el casode válvulas, compuertas y dosificadores.
• Contar con un adecuado suministro de repuestos y materiales.
8. LIMITACIONES DEL SISTEMA
Las plantas de tratamiento tienen límites en cuanto a la calidad del agua quepueden tratar. Algunas veces, cuando ocurre un cambio muy brusco de calidaddel agua, si no se dispone de estanque o presedimentador, conviene suspender eltratamiento mientras se diluye la contaminación.
Algunos de los principales compuestos que no podrían ser tratados por laplanta son los siguientes:
a) Valores de color orgánico y turbiedad elevados que superen los límites si-guientes:
• turbiedad > 1.000 UT;• color > 600 UC.
Estos límites tendrían que ser comprobados en la práctica, para añadir pro-cesos como la presedimentación o la aplicación de sustancias químicas adi-cionales (polímeros).
b) Contenido de cloruros (salinidad) superior a 250 mg/L. Algunas veces seacepta como límite superior 400 mg/L.
308 Diseño de plantas de tecnología apropiada
c) Pesticidas y agroquímicos en general. Su presencia obligaría a hacer unestudio especial de la calidad del agua.
d) Presencia de hidrocarburos.
e) Sustancias productoras de olor y sabor (fenoles).
f) Sustancias tóxicas extremadamente peligrosas. Por ejemplo:• arsénico;• cadmio;• mercurio;• cianuro;• plomo.
g) Variaciones del caudal de operación
Con caudales menores que el caudal de proyecto, el lecho filtrante no seexpandirá adecuadamente, la arena no quedará bien lavada y gradualmente se iráapelmazando y decayendo la eficiencia del filtro. Con caudales mayores, la ex-pansión será demasiado alta y paulatinamente la arena se iría perdiendo.
Nota: en los casos b) a f), se requerirá un estudio de laboratorio específico paradeterminar los cambios necesarios en la dosificación y los parámetros de los pro-cesos que optimizarían la remoción de estos contaminantes.
Instructivo de puesta en marcha y operación normal 309
REFERENCIAS
(1) Programa HPE/OPS/CEPIS de Mejoramiento de la Calidad del Agua paraConsumo Humano (1992). Manual VI. Operación. Lima, CEPIS.
(2) Rodríguez, V. (1987). Planta de tratamiento para Tarija. Recomendacionespara la operación del sistema. Tarija, documento no publicado.
(3) Canepa de Vargas, Lidia (1978-2004). Estudios y proyectos de los archivospersonales. Lima, CEPIS.
310 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Anexo A
Toma de muestras en planta
Se recomienda tomar muestras para análisis fisicoquímicos y bacteriológicosen los siguientes puntos de la planta: agua cruda, agua sedimentada, agua filtraday agua desinfectada.
Para un muestreo correcto, se requiere conocer los tiempos de retenciónen la planta, los que deberán determinarse mediante la aplicación de trazadores.
a Estos tiempos se determinarán durante la evaluación inicial de la planta.
Anexo B
Consumo anual de reactivos
El consumo de reactivos (W) se calcula con la siguiente ecuación:
P = Q x D x 86,4 kg/d
Q = caudal promedio de la planta (m3/s)D = dosis promedio anual de reactivo (mg/L)
Sitio de muestreo Tiempo de muestreo(min)a
Cámara de entrada Tiempo ceroSalida de sedimentadores por determinarCanal de intercomunicación por determinarDespués de cloración y tiempo de contacto por determinar
Instructivo de puesta en marcha y operación normal 311A
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