utilización del parámetro “eficiencia” en remoción de

UTILIZACIÓN DEL PARÁMETRO
“EFICIENCIA” EN REMOCIÓN DE
TURBIEDAD EN SEDIMENTADORES
Danilo Andrés Ríos Pignatta
Av. 19 de Abril 1278 Montevideo, Uruguay
Tel/fax (5982) 336 3668
Palabras claves
Curva de eficiencias
Tasa de sedimentación
Turbiedad de referencia
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RESUMEN
El proceso de sedimentación en una planta de tratamiento de agua potable convencional, es en
general el principal responsable en remoción de partículas causantes de turbiedad y color. El
grado de remoción exigido a esta etapa, depende fuertemente de la eficiencia del proceso
posterior de filtración.
Cuando se pretende evaluar el funcionamiento de un sedimentador, en cuanto a su capacidad de
eliminación de turbiedad, surge el dilema de comparar los resultados frente a distintas
turbiedades del agua bruta. Si nos limitamos a la definición de eficiencia”, adoptando un criterio
porcentual de remoción de turbiedad, es posible que se tengan conclusiones erróneas con
relación al desempeño del mismo.
El trabajo consiste en la determinación de un criterio racional, que permita a los ingenieros
responsables de la operación de plantas de tratamiento, evaluar el funcionamiento de un
sedimentador, en forma independiente de las características físico-químicas del agua bruta.
INTRODUCCIÓN
Una de las actividades que mayor interés despierta en los ingenieros operadores de plantas de
tratamiento, es obtener la máxima eficiencia de todas las unidades. La eficiencia global del
sistema de tratamiento, se basa en lograr una determinada calidad de agua deseada, a menor
costo de operación posible. Si hablamos en términos de turbiedad, hay que determinar
específicamente que grado de remoción se debe exigir a cada unidad de tratamiento, para
obtener un valor de turbiedad aceptable en la salida de la planta. La eliminación de turbiedad y
color en plantas de tratamiento convencionales, se limita a los procesos de sedimentación y
filtración, considerando a los procesos de coagulación y floculación, como acondicionamiento
previo del agua para la separación efectiva de partículas. La interrogante que se plantea es por lo
tanto la porción de turbiedad que deben eliminar los
sedimentadores, y en consecuencia la
porción restante a eliminar por filtración, de modo de lograr en conjunto la eficiencia esperada del
sistema. En esta determinación, intervienen aspectos técnicos y económicos, atendiendo a las
características propias de las unidades de tratamiento de la planta, y lógicamente dependiendo
de la calidad del agua bruta de la fuente.
Al evaluar la capacidad de remoción de turbiedad de un sedimentador, suponiendo optimizados
los procesos anteriores de coagulación-floculación, se presentan situaciones diferentes en función
de las características del agua bruta.
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En términos absolutos, la eficiencia se define como:
Eficiencia =
Tb - Ts
Tb
(1)
Tb Turbiedad del agua bruta
Ts Turbiedad del agua sedimentada
Generalmente, se exige a un sedimentador que trabaje en torno a un determinado valor de
turbiedad de salida, casi en forma independiente de las características del agua bruta, por lo que
la aplicación del criterio anterior, le otorga mayores eficiencias en directa relación con el aumento
de turbiedad del agua bruta, pero sin que esto signifique que el sedimentador está realmente
funcionando mejor.
En otros términos, si bien el sedimentador tiene “mayor eficiencia” en remoción de turbiedad
cuando la turbiedad del agua bruta es elevada, no es totalmente correcto afirmar en base a este
criterio, que el mismo está siendo operado en forma más eficiente. En general puede ser más
difícil para un sedimentador, abatir una turbiedad desde 10 NTU hasta 3 NTU, que hacerlo desde
40 NTU hasta 3 NTU, si bien en términos de remoción de turbiedad, el sedimentador tiene mayor
eficiencia en el segundo de los casos.
No es aplicable un porcentaje absoluto de remoción de turbiedad a exigirle a un sedimentador,
sino que el porcentaje debe ser variable en función de la turbiedad del agua bruta, a los efectos de
poder comparar resultados y obtener conclusiones que permitan optimizar los procesos de
clarificación.
Por lo tanto, se hace necesario la adopción de un criterio que permita evaluar realmente el
desempeño de un sedimentador, ya que la definición de eficiencia no nos aporta elementos
suficientes respecto a su funcionamiento.
DESARROLLO
Determinación de la curva de eficiencias de un sedimentador
Si graficamos la eficiencia en función de la turbiedad del agua bruta, para un grupo de valores
históricos de un sedimentador lo suficientemente grande que cubra un amplio espectro de
turbiedad del agua bruta, se observa una franja de eficiencias diferentes para cada turbiedad.
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Esto indica, que el sedimentador ha tenido eficiencias diferentes frente a iguales turbiedades del
agua bruta, producto de situaciones tales como: carga superficial aplicada, volumen de lodo
acumulado, dosificación, intensidad del viento, temperatura, y demás características del agua que
pudieran afectar la densidad y consistencia de la masa de flóculos.
Para un determinado sedimentador, o grupo de sedimentadores pertenecientes a una planta de
tratamiento, operando en condiciones óptimas de coagulación-floculación, y no existiendo
agentes externos que perturben el proceso, a cada turbiedad de agua bruta le corresponde un
valor de eficiencia.
Estudiando el comportamiento de sedimentadores convencionales, frente a diferentes calidades
de agua, se ajustó la curva que mejor representa la variación de eficiencia en función de la
turbiedad del agua bruta:
Eficiencia = 1 -
m=
1
(2)
(Tb - To)m
a
bT
T0 , a , b son parámetros determinados experimentalmente.
T = Tasa de sedimentación, en metros por hora
De acuerdo con las hipótesis anteriores, se observa que la eficiencia depende de la turbiedad del
agua bruta y de la tasa de sedimentación. Como es lógico pensar, el aumento de la tasa de
sedimentación, trae como consecuencia un mayor arrastre de flóculos con el efluente, elevando la
turbiedad del agua sedimentada, y en consecuencia disminuyendo la eficiencia del sedimentador.
Combinando las ecuaciones 1 y 2, puede determinarse la turbiedad esperada del agua
sedimentada, que llamaremos turbiedad de referencia, en función de la turbiedad del agua bruta,
mediante la siguiente expresión:
Tr =
Tb
(Tb - To)m
(3)
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La ecuación anterior, nos indica que existe para cada turbiedad del agua bruta, un valor esperado
de turbiedad del agua sedimentada, situación lógica ya que el cambio de la concentración de
sólidos de una suspensión, influye sobre la velocidad de sedimentación de las partículas.
Teniendo en cuenta que la curva de eficiencias, fue planteada a partir de datos experimentales,
bajo condiciones óptimas de operación como se indicó anteriormente,
para el sedimentador
analizado, comparando la turbiedad del agua sedimentada con el valor de turbiedad obtenido por
la ecuación (3), es posible “evaluar” el funcionamiento del sedimentador.
Siendo Ts la turbiedad del agua sedimentada, se pueden definir las siguientes franjas de
eficiencia:
Ts < Tr
Tr<Ts<Tr+1
Ts>Tr+1
ALTA EFICIENCIA.
EFICIENCIA ACEPTABLE
BAJA EFICIENCIA
En ciertos casos, la obtención de altas eficiencias es no deseable, ya que puede representar
cierta sobre-dosificación de coagulantes, situación que trae inconvenientes en el proceso de
filtración al invertirse la carga de las partículas, provocándose el rechazo de éstas con los granos
de arena. La dosificación excesiva de coagulantes implica elevar los costos del tratamiento, sin
generar mejoras en la calidad del agua producida, por lo que debe evitarse si se pretende una
operación adecuada de la planta.
Cuando la eficiencia es baja, puede ser consecuencia de problemas de dosificación, demasiada
acumulación de lodos en el sedimentador, viento, etc. Cuando se dosifica en defecto o en exceso
con relación a la dosis óptima requerida para determinada calidad de agua bruta (generalmente
determinada mediante ensayos de jarras), se produce un aumento de la turbiedad del agua
sedimentada, y consecuentemente una disminución de la eficiencia.
Si el dato analizado cae dentro de la franja de eficiencias aceptables, el sedimentador está
funcionando adecuadamente, dentro de los márgenes deseados por el ingeniero operador, quien
ha delimitado previamente los rangos de participación de los procesos de sedimentación y
filtración en la remoción de turbiedad.
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CONSIDERACIONES ADICIONALES
La ecuación (3), presenta un mínimo para:
Tb =
To
1-m
Si analizamos la tendencia de la curva determinada por la ecuación (3), observamos que recién a
partir de ese mínimo, los valores de turbiedad de referencia comienzan a ser más “estables”,
presentando una variación pequeña en función del aumento de la turbiedad del agua bruta. Si bien
es discutible qué valores de turbiedad son aceptables para el agua sedimentada, en general, para
una planta de tratamiento convencional, si el funcionamiento de los filtros es eficiente, pueden
aceptarse turbiedades de hasta 4 NTU, o mayores dependiendo de las características propias de
la planta y del agua bruta.
EJEMPLO Nº 1:
La ciudad de Montevideo y el área Metropolitana, son abastecidas de agua potable por la planta
de Aguas Corrientes, que produce diariamente más de 500.000 m3. La planta cuenta con cuatro
sedimentadores de “manto de lodos”, y dos sedimentadores convencionales de flujo horizontal.
Para estos últimos, se ajustaron los parámetros de la ecuación (2), para una tasa de
sedimentación aplicada de 1,7 m/h.
Ef = 1 - 1 / (Tb - 5,1 ) 0,683
La turbiedad de referencia por lo tanto es:
Tr = Tb / (Tb - 5,1) 0,683
FECHA
TURBIEDAD
TURBIEDAD AGUA
TURBIEDAD DE
AGUA BRUTA
SEDIMENTADA (ntu)
REFERENCIA
(ntu)
EFICIENCIA
(ntu)
1/12/95
16
4,8
3,1
baja
7/12/95
10
6,4
3,4
baja
26/2/96
13
2,9
3,2
alta
8/4/96
75
4,2
4,1
aceptable
16/4/96
37
3,1
3,5
alta
2/5/96
23
3,2
4,1
aceptable
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El mínimo de la curva de turbiedades de referencias se da para:
Tb = T0 / (1-m) = 5,1/ (1-0,683) = 16 NTU
La turbiedad de referencia mínima, es decir la mínima turbiedad esperada del agua sedimentada
para una tasa de 1,7 m/h, se obtiene cuando la turbiedad del agua bruta es 16 NTU, y en este
caso es 3,13 NTU.
EJEMPLO Nº 2
A los efectos de poder aplicar la metodología descrita para la evaluación del funcionamiento de
plantas modulares UPA200, unidades que producen 300 m3/d, de las cuales existen más de 50
en operación en el Uruguay, partiendo de datos de diferentes plantas, se ajustaron los parámetros
de la ecuación (2), obteniéndose los siguientes resultados:
T0 = 5
a = 2,1
b = 1,3
Las curvas de eficiencias y de turbiedades de referencia son por lo tanto:
EF = 1 -
1
(Tb-5)m
Tr =
Tb
(Tb-5)m
m=
2.1
1.3T
7
PLANTAS UPA 200
CURVAS DE EFICIENCIAS
EFICIENCIA
1
0,8
TASA=4m/h
TASA=6m/h
TASA=8m/h
TASA=10m/h
0,6
0,4
0,2
0
0
20
40
60
80
100
TURBIEDADAGUABRUTA(ntu)
LOCALIDAD
FECHA
TURBIEDAD
TURBIEDAD AGUA
TASA
Tr
AGUA BRUTA
SEDIMENTADA.
(m/h)
(ntu)
EFICIENCIA
(ntu)
(ntu)
P. SEVERINO
7/4/97
40.8
3.6
4.4
3.82
ALTA
P. SEVERINO
25/6/97
53.8
7.15
4.8
5.3
BAJA
SARANDÍ GDE.
7/4/97
6.5
5.5
5.6
5.34
ACEPTABLE
SARANDÍ GDE.
25/6/97
31.7
6.81
5.4
5.95
ACEPTABLE
Obsérvese que en el caso de la planta de Sarandí Grande, el día 7/04/97, si bien la planta no
alcanza a remover el 10 % de la turbiedad en la etapa de sedimentación, según el criterio
expuesto en el presente trabajo, el funcionamiento del sedimentador es aceptable, ya que para
esa turbiedad del agua bruta, no es posible esperar remociones mayores de turbiedad.
CONCLUSIONES
Cuando las plantas son supervisadas por equipos técnicos capacitados, el funcionamiento de las
unidades de tratamiento obedece a ciertos criterios, que establecen pautas de operación.
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Sin dejar de desconocer que el proceso de sedimentación se ve influenciado por otros
parámetros, que no han sido considerados, este concepto de evaluación, puede ser aplicable
cuando se cuenta con datos confiables que permitan construir las curvas utilizadas.
En plantas grandes, que cuenten con mediación continua de turbiedad, es posible establecer un
sistema de control, que compare la turbiedad del agua sedimentada con la turbiedad de
referencia, acoplado a un sistema de alarma.
Actualmente, se está desarrollando este concepto para realizar un control operativo primario de
las plantas de tratamiento modulares utilizadas para el abastecimiento a pequeñas localidades.
Referencias:
1. Jorge Arboleda Valencia: “Teoría y práctica de la purificación del agua”, 1992
2. Culp/Wesner/Culp: “ Handbook of Public Water Systems”, 1986
3. Luiz Di Bernardo “ Métodos e Técnicas de Tratamento de água”, ABES, 1993
4. M. Robin, Westersund, O. Cole and Roccaro: “ Evaluation of Roughing Filtration Design
Variables”, AWWA, 1994
5. McGraw-Hill, Inc. “Water Quality and Treatment”, AWWA, Fourth Edition, 1992
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