decantación secundaria - Centro de Investigación y Desarrollo

DECANTACION SECUNDARIA
OBJETIVO E IMPORTANCIA DE LA DECANTACIÓN SECUNDARIA
En el proceso de fangos activados, es necesario separar la biomasa del agua tratada,
siendo éste el objetivo de la decantación secundaria.
La función de esta etapa de tratamiento sirve tanto de clarificación, para producir un
efluente bien tratado, como de espesamiento, para obtener una concentración suficiente
en la extracción de fangos.
La importancia fundamental de la decantación es fácil de entender: es el último eslabón
de la cadena de tratamiento. Por ejemplo, unas cubas de aeración sobrecargadas
producirán un efluente con una contaminación disuelta más o menos alta, lo cual no es
muy grave; pero una decantación secundaria sobrecargada puede producir un fuerte
escape de materias en suspensión y, como resultado, una alta contaminación del agua
tratada, que incluso puede superar a la del agua bruta.
Generalmente, en funcionamiento normal, la DBO de las materias en suspensión es
superior a la disuelta, representando del 60 al 80% del total. Cuando un agua tratada es
de mala calidad, casi siempre la causa son las materias en suspensión.
En el proceso de fangos activados, después de separar el agua tratada y la biomasa, es
necesario reintroducir ésta en las cubas de aeración para mantener una concentración
constante, con la deducción de la fracción en exceso; éste es el objetivo de la
recirculación.
Sin una recirculación bien diseñada y controlada, no puede optimizarse la decantación
secundaria.
En algunos casos muy especiales, como por ejemplo en el tratamiento de aguas
residuales, con alta concentración de contaminación, con oxigeno puro, la separación de
la biomasa y del agua tratada puede realizarse por flotación. Generalmente, en estos
casos constituye un pretratamiento, previo a un tratamiento completo convencional.
ÍNDICES DE FANGOS Y TEORÍA DE KYNCH
Índice volumétrico de fangos IVF
Este índice, desarrollado en 1934 y llamado también índice de Mohlman, se define
como el volumen, en centímetros cúbicos, ocupado por 1 g de fango activado después
de sedimentar durante 30 minutos (1 hora según algunos autores).
La utilización del índice IVF es muy sencilla, pero adolece de varios inconvenientes
(Ref. 44 y 56):
-
Ensayos con el mismo fango, pero con concentraciones diferentes, dan índices
volumétricos de fangos también distintos.
Con bajas concentraciones de materias en suspensión, un licor decanta más
rápidamente en cilindros de pequeño diámetro. que de gran diámetro, debido a
una cierta influencia variable de la pared. Con altas concentraciones sucede lo
-
contrario, ya que la formación de puentes entre las paredes disminuye la
velocidad de caída del flóculo.
Esta medida estática pretende representar el desarrollo de la decantación en un
tanque en continuo, es decir con efectos dinámicos.
Desde hace algunos años, se recomienda espesar o diluir el licor a ensayar, hasta
obtener un volumen sedimentado de 300 cm3 o de 200 cm3 (RFA, Ref. 49).
Índice volumétrico de fangos con agitación IVFA
Para suprimir, o al menos alternar, los inconvenientes del índice volumétrico de fangos,
el Water Research Center de Gran Bretaña, de 1970 a 1975 desarrolló (Ref. 44) un
nuevo método de medida que denominaron SSVI (Stirred Sludge Volumic Index), es
decir Índice volumétrico de fangos con agitación. Este método consiste en:
-
-
Emplear una concentración inicial fija de 3,5 g. Para ello, se puede diluir con
sobrenadante o espesar el licor hasta obtener la concentración normalizada.
También se pueden hacer dos medidas con concentraciones superiores e
inferiores al valor normalizado e interpolar el resultado entre las dos.
Emplear una probeta de 10 cm de diámetro exterior y de 50 cm de altura de
licor. El sistema de agitación, con una velocidad de 1 vuelta/minuto, está
constituido por dos hilos verticales de acero inoxidable de 5 mm de diámetro.
Este índice empieza a utilizarse en Gran Bretaña por dos razones:
-
El prestigio técnico del Water Research Centre.
La fuerte centralización de los problemas del agua (en su momento) en las Water
Authorities.
Pero, desgraciadamente, la utilización de este nuevo índice es prácticamente inexistente
en el resto del mundo.
Volumen de fangos de referencia VFR
Algunos métodos de cálculo de la decantación secundaria, especialmente el ATV de la
República Alemana (Ref. 45), se basan en un índice denominado volumen de fangos de
refrencia VFR:
VFR = MSA · IVF
-
VFR: Volumen de fangos de referencia, en ml · l-1 .
MSA: Concentración del licor en g · l-1 .
IVE: Índice volumétrico de fangos en ml · g-1 .
Teoría de Kynch
En 1952, Kynch desarrolla su teoría sobre la sedimentación de partículas floculadas
compresibles, más conocida como decantación frenada. Este investigador enuncia que
la velocidad de sedimentación de las partículas sólidas es función, únicamente, de su
concentración local.
El fondo de la probeta o del tanque es un punto singular en el que se impide la
sedimentación libre. Kynch demuestra que esta discontinuidad del fondo se transmite
hacia la zona de decantación libre.
En la Figura 13.1 se representa una curva de decantación experimental con
coordenadas: altura de la separación fango/agua y tiempo. Se distinguen dos zonas
separadas por otra de transición:
-
Zona de «decantación libre», en la que no existe influencia de unas partículas
sobre otras. Corresponde a la parte recta inicial de la figura.
Zona de «decantación frenada», en la cual las partículas ya sedimentadas
impiden más o menos la sedimentación de las que van llegando a esta zona. A lo
largo de dicha zona va creciendo la concentración uniformemente, en función
del tiempo.
En un decantador convencional, alimentado con caudal constante, existen las mismas
zonas, y el velo de fangos puede considerarse como la parte superior de la zona de
decantación (Fig. 13.2). A veces, cuando el agua sobrenadante es muy clara, se puede
observar perfectamente el velo, si está cerca de la superficie.
Figura 13.1. Curvo de decantación. Las tres zonas de Kyneh.
Figura 13.2. Zonas de un decantador secundario.
FACTORES QUE AFECTAN A LA DECANTACIÓN SECUNDARIA
Tiempo de permanencia del fango
A. SIN NITRIFICACIÓN
En los años 1960 se desarrolló, principalmente en Estados Unidos, un concepto nuevo:
la necesidad de rebajar al mínimo el tiempo de retención de los fangos en decantación
secundaria, porque un tiempo, aunque corto, en fase anóxica, podría producir ia
anulación irreversible de la actividad bacteriana. A pesar de los muchos intentos por
demostrarlo, nunca se comprobó este concepto.
Esta teoría dio origen al desarrollo de dos aparatos de tratamiento:
-
En Estados Unidos: de un decantador de succión, cuyo objetivo era obtener una
fuerte recirculación; se llamó RSR (Rapid Sludge Recirculation).
En Francia: diversos tipos de aparatos combinados, previstos para funcionar en
continuo con una recirculación del 200 al 300% del caudal medio.
Pero algunos estudios de la misma época, e incluso más recientes, contradicen el
concepto de la necesidad de reducir el tiempo de retención de los fangos:
- Okun (Ref. 54) expresa, en las conclusiones de su estudio de 1963:
«Largos períodos de anaerobiosis en el tratamiento por fangos activados, tanto
convencional como a baja carga, no producen efectos perjudiciales sobre la
actividad biológica de los fangos, y tampoco sobre el rendimiento global del
proceso». Con carga convencional (1,5 kg DBO5 · d-1 · m-3 ), el fango producido
con un alto tiempo de anaerobiosis es más compacto (menor índice volumétrico
de fangos). Debe observarse que, para caracterizar un período sin oxígeno, se
emplea el término anaerobiosis; actualmente se cambiaría por la expresión
anoxia, es decir, que no tiene oxígeno disuelto, pero que tampoco ha comenzado
ninguna fermentación anaerobia.
- En Alemania, con plantas equipadas con decantadores secundarios profundos,
se utiliza al máximo la capacidad de almacenamiento. Así, por ejemplo, al
terminar la punta diaria o después de unas lluvias, la cantidad de materia en
suspensión de los decantadores llega a alcanzar un valor del mismo orden que el
correspondiente a las cubas de aeración. Esta forma de funcionamiento exige un
gran tiempo de almacenamiento de los fangos (de 6 horas o incluso más).
- En Francia, en los años 70, comenzó a cambiar el concepto de la recirculación
en los aparatos combinados (prevista en el 200%-300%): la capacidad de
recirculación se mantuvo igual, del 200 al 300%, para asegurar una buena
equirrepartición de la succión de los fangos; pero el funcionamiento se pasó a
discontinuo, del 15 al 30% del tiempo, y de esta forma la recirculación media
actual es del orden del 30 al 50%. En plantas remodeladas con el nuevo sistema,
que supone un almacenamiento de fangos, no se ha notado variación de la
actividad bacteriana; el índice volumétrico de fangos es menor y los resultados
de tratamiento mejores.
Hoy en día se tiende a realizar decantadores secundarios profundos, concretamente en
Estados Unidos, y a emplear la capacidad de almacenamiento que ofrecen, sin
preocuparse del tiempo de permanencia de los fangos. En Alemania, el método de
cálculo de los decantadores secundarios incluye una zona de almacenamiento; se admite
que la concentración en las cubas de aeración pueda disminuir un tercio, en tiempo de
lluvia, es decir, que los fangos almacenados en la decantación secundaria puedan
representar la tercera parte del peso total (aeración + decantación).
B. CON NITRIFICACIÓN
Hemos visto que, sin nitrificación, un cierto tiempo en anoxia no es perjudicial para la
decantación secundaria, y no afecta a la biología en los fangos. Pero en el caso de que
exista un cierto contenido en nitratos, en el agua intersticial de los fangos, un periodo de
anoxia puede producir una desnitrificación, que llamamos incontrolada, que, debido al
desprendimiento del nitrógeno producido, perjudicaría la decantación y empeoraría la
calidad del agua tratada.
El remedio a una desnitrificación incontrolada en la decantación secundaria consiste en
modificar las cubas de aeración, creando una zona anóxica. Un estudio de Crabtree, de
la Seven-Trent Water Authority, de Gran Bretaña (Ref. 55), muestra que las dos causas
principales de la desnitrificación incontrolada son: la temperatura y la concentración de
nitratos. Este autor muestra una excelente correlación entre las materias en suspensión
del agua tratada y la concentración en nitratos del licor a decantar (Fig. 13.3). Puede
verse que la influencia es importante para concentraciones de 15 a 20 mg · l-1 de nitratos.
Con una producción de nitratos normal, entre 30 y 40 mg · l-1 , una desnitrificación
parcial del 50% es suficiente para disminuir las materias en suspensión del agua tratada
a valores razonables.
Figura 13.3. Influencia de la concentración en nitratos sobre
la M. S. del agua tratada. (Según Crabtree, Ref 55.)
En este estudio de Crabtree se dan algunos consejos para la construcción de los
decantadores, pero sin demostración experimental:
-
Con fondos de baja pendiente o sin ella:
· Las placas de las rasquetas deben tener una altura de 0,40 m y apoyarse bien en el
fondo.
· La velocidad periférica de las rasquetas debe ser del orden de 3 cm · seg-1 . Pero los
ensayos de Coleshill, con trazadores, no han demostrado la influencia de la velocidad de
rotación sobre el tiempo de retención de los fangos.
· Un sistema de succión o de extracción anular es preferible a una salida central.
- El fondo con pendiente de 15º es el ideal desde el punto de vista de extracción de
fangos.
Finalmente puede verse que la construcción no presenta precauciones especiales. La
reducción del tiempo de permanencia es más un problema de explotación que de
construcción. En caso de desnitrificación incontrolada debe reducirse el nivel de fangos,
actuando más sobre la disminución de la concentración de los fangos activados que por
el aumento de la recirculación, que es generalmente ilusoria.
Se ha comprobado (Ref. 55) que la desgasificación del nitrógeno comienza a una
profundidad de 2,60 m. Por lo tanto, para evitar la flotación de los flóculos de fangos
basta mantener el velo de fangos a una cota más baja. Es un argumento más a favor de
los tanques profundos.
A veces se afirma que, para reducir el tiempo de permanencia de los fangos, se debe
limitar la altura de agua. Es un razonamiento erróneo, y no debe confundirse el tiempo
de retención del agua y el del fango; este último depende únicamente de la posición del
velo de fangos, y es un problema de la explotación, no de la construcción. Un
decantador de 3 m de altura de agua puede tener 2 m de fangos; y uno de 5 m,
solamente 1 m.
Profundidad de los decantadores
Una elevada profundidad del decantador constituye a la vez un factor de calidad media
del agua decantada y de estabilidad de dicha calidad.
Parker (Ref. 46) estudió el funcionamiento de 6 decantadores, con el máximo de
características comunes, pero con profundidades distintas; las cargas hidráulicas eran
parecidas.
En la Figura 13.4 se resume el estudio, y puede verse que, a partir de una profundidad
de 3,60 m hasta 5,40 m:
-
La concentración media de MS pasa de 16 a 7 mg/l.
La concentración máxima del 90% de las muestras pasa de 35 a 10 mg/l.
También se observa que la adición de un floculador central en un decantador de 5,40 m
de profundidad, produce una calidad de agua muy bue-na, respecto a las materias en
suspensión: 90% de las muestras inferiores a 8 mg/l.
El concepto de decantadores profundos procede de Estados Unidos y es relativamente
nuevo en este país. Las recomendaciones del mismo organismo (ASCE/WPCF) han
variado con los años:
-
En 1959: de 2,2 a 3,8 m.
En 1977: de 3,3 a 4,5 m.
Figura 13.4. Influencia de la profundidad de los decantadores secundarios
sobre las materias en suspensión del agua tratada. (Según Parker, Ref 46.).
Hay una relación directa entre la calidad del agua y la distancia entre el velo de fangos y
la superficie del agua: cuanto mayor es la profundidad, mayor será esta distancia.
La Figura 13.4 es válida para cargas hidráulicas parecidas. Veremos posteriormente que
la profundidad también interfiere sobre otros factores: carga hidráulica y carga
superficial de materias en suspensión.
Carga hidráulica superficial
La Figura 13.5 indica claramente la influencia de la carga hidráulica en la calidad del
agua. Dentro de la zona de velocidades aceptables, la concentración aumenta con la
carga cada vez más rápidamente, hasta hacerse exponencial. En este momento no puede
hablarse de calidad, porque en realidad estamos ante la imposibilidad del decantador
para retener las materias en suspensión.
Figura 13.5. Influencia de la carga hidráulica sobre la calidad del
agua: resultados experimentales. (A: Ref 46; B: Ref 52.).
Además, en la Figura 13.5 puede verse que, para obtener una misma calidad de agua, 20
mg · l-1 por ejemplo:
-
-
El índice volumétrico de fangos tiene una gran importancia: la carga hidráulica
admisible es, aproximadamente, inversamente proporcional al IVF: cuando éste
baja a la mitad, la velocidad admisible es el doble. También se observa que la
influencia del IVF es superior para bajas cargas hidráulicas.
La profundidad del decantador es también muy importante. Para obtener una
misma calidad de agua, la carga hidráulica es prácticamente proporcional a la
profundidad.
Carga superficial de materias en suspensión e índice IVF
No pueden considerarse estos factores por separado. En la República Alemana, las
reglas del ATV (Ref. 45) para el dimensionamiento de los decantadores secundarios
utilizan un único parámetro que agrupa la concentración de fangos, MSA e IVF.
VR = MSA · IVF (VR en ml/í)
En Alemania, las normas expresan la carga hidráulica en relación con la MSA y el IVF;
en Estados Unidos dan la carga superficial (carga hidráulica con recirculación · MSA)
en relación con el IVF. La única diferencia es que en Estados Unidos se tiene en cuenta
la recirculación.
El estudio de Pflanz (Ref. 52) muestra claramente estas relaciones, pero para
decantadores muy poco profundos. Se observa que para obtener
Figura 13.6. Influencia de la carga superficial de materias en
suspensión sobre la calidad del agua tratada para varias:
- concentraciones en MS de los fangos activados: MSA.
- Índice volumétrico de fangos: IVF.
la misma calidad de agua tratada, y para la misma concentración de fangos en aeración
MSA: «la carga superficial de materias en suspensión es, aproximadamente,
inversamente proporcional al índice de fangos IVF».
También se observa que, para obtener la misma calidad de agua, y para el mismo índice
de fangos IVF: «la carga superficial de materias en suspensión depende de la
concentración de los fangos; cuanto mayor es ésta, mayor es la carga superficial
admisible», pero no ha podido determinarse una relación matemática.
Desgraciadamente, no existen estudios similares al de Pflanz en tanques profundos;
pero, de todas formas, no existe ninguna razón para que la influencia de los parámetros
sea distinta. El problema a resolver seria: en dos decantadores idénticos pero de
profundidades diferentes, ¿cuáles son las cargas admisibles para obtener la misma
calidad de agua? Hemos visto, en la Figura 13.5, que la carga hidráulica es
prácticamente proporcional a la profundidad. Existen probabilidades para que ocurra lo
mismo con la carga superficial.
Temperatura del licor
Cuando baja la temperatura, aumenta la viscosidad del licor (entre 14 y 2º C, pasa del
100 al 137%), lo que significa una decantación más difícil.
La Figura 13.7 muestra claramente la gran influencia de la temperatura en la calidad del
agua. Pero, afortunadamente, en nuestro país las temperaturas de 2 a 3º C son muy poco
frecuentes.
Cuando disminuye la temperatura, para conservar la misma concentración de materias
en suspensión, podemos disminuir la concentración de fangos del licor. Pero la
disminución de temperatura también significa una actividad bacteriana menor, y, para
conseguir la misma DBO disuelta, deberíamos compensarla con una mayor
concentración de fangos.
Por lo tanto, cuando baja la temperatura, hay una contradicción entre los métodos para
conservar la misma concentración de materias en suspensión, del agua tratada por un
lado y la misma DBO disuelta por otro. Generalmente, los problemas de materias en
suspensión son más graves que los de la contaminación disuelta, y con bajas
temperaturas la mejor solución consiste en disminuir la concentración.
El MOP-8 (Ref. L-3) indica los valores de MSA recomendados en relación con la
temperatura y el indice de fangos. La Figura 13.8 reproduce estas variaciones, pero
adaptadas a los valores de MSA correspondientes a la temperatura de referencia de 15º
C. Por ejemplo, cuando la temperatura baja de 15 a 6º C, en media carga se recomienda
bajar la concentración un 10%. Estos valores y relaciones deben considerarse como guía
para la correcta interpretación de los resultados.
Figura 13.7. Influencia de la temperatura en la calidad del agua
tratada. (Datos experimentales: Ref .52.)
Calidad de la floculación del fango
Es interesante comparar la diferencia de conceptos, referidos a la floculación, en dos
sistemas de tratamiento:
-
-
En el fisicoquímico: además de utilizar los tipos de floculantes y dosis
adecuadas, se toman muchas precauciones para producir la mejor floculación
posible: tiempo de contacto, forma de la cuba, tipo y potencia de los agitadores,
etc.
En el biológico: algunas veces, a la salida de la cuba de aeración se instala un
tanque de floculación con posible adición de floculantes; pero solamente en
casos muy raros de tratamiento de algunas aguas residuales industriales, como
las de tintorerías por ejemplo, debido a que algunos compuestos producen una
desfloculación.
Sin embargo, en los años 80, en Estados Unidos se empezó a tomar en serio el problema
de la floculación, sobre todo en los lechos bacterianos, comenzándose a desarrollar un
sistema de floculación biológica entre los lechos y los decantadores (ver Capitulo 16).
Figura 13.8. Influencia de las temperaturas sobre MSA recomendadas.
A. FLÓCULOS Y PARTÍCULAS PRIMARIAS DE LOS FANGOS ACTIVADOS
En un estudio sobre el tamaño de las materias en suspensión de un fango activado,
pueden definirse dos tipos de partículas:
- De 0,5 a 5 micras: son partículas aisladas de bacterias.
- De 25 a 1.600 micras, con un máximo entre 100 y 400 micras: son flóculos.
Las partículas aisladas sedimentan muy mal, mientras que los flóculos todo lo contrario.
Por ejemplo (Ref. 46), con una carga hidráulica de 0,85 m · h -1 , el rendimiento de
eliminación puede ser:
-
100% (aprox.) para el tamaño de 75 micras y superior.
14% para 25 micras.
0,5 % para 5 micras.
Pero las partículas pueden pasar de un tipo a otro y, en consecuencia, modificar el
rendimiento de eliminación:
-
-
En las cubas de aeración, puede obtenerse una buena floculación cuando la
energía disipada es suficientemente baja, o en cubas independientes especiales,
antes o dentro de los decantadores secundarios. De esta forma disminuye el
número de partículas aisladas o poco agrupadas, y aumenta el de los flóculos de
buen tamaño.
Una alta potencia en las cubas de aeración, por efecto de cizallamiento, puede
disminuir el tamaño de los flóculos y bajar el rendimiento de eliminación de las
MS.
B. EFECTO DE CIZALLAMIENTO DEL FLÓCULO EN LAS CUBAS DE
AERACIÓN
Con un gradiente de velocidad de 20 a 50 s-1 , se consiguen, generalmente, los mejores
valores de concentración de materias en suspensión en el agua tratada. Es
suficientemente alto para producir una buena aglomeración de las partículas y obtener
así flóculos de buen tamaño; y suficientemente bajo para no producir efectos de
cizallamiento perjudiciales.
Pero comprobaremos que este rango de valores del gradiente de velocidad impide una
oxigenación suficiente.
Para una temperatura de l0º C, las relaciones entre potencia específica bruta y gradiente
de velocidad son (Ref. L-3, págs. 202 y 208):
G = (W · 760)1/2
W = G2 / 760
G = gradiente de velocidad en s-1
W = potencia específica en Watt por metro cúbico de volumen.
Una capacidad media de oxigenación de 40 g de oxígeno por hora y por metro cúbico de
capacidad es típica de un tratamiento a media y baja carga. Esto representa las potencias
especificas (Tabla 13.1), en valor medio:
Tabla 13.1
Por tanto, los gradientes de velocidad necesarios para obtener una oxigenación
suficiente son bastante más elevados que los valores óptimos para producir una correcta
floculación.
C. COMPARACIÓN ENTRE TURBINAS Y DIFUSORES FINOS
Los gradientes de velocidad de los difusores finos son aproximadamente el 70% de los
correspondientes a las turbinas. Pero además de este resultado favorable a los difusores
finos, que es fácilmente medible, existen otros dos factores favorables que deben
considerarse, aunque no son cuantificables.
-
Las turbinas funcionan a todo o nada con la máxima potencia instalada, es decir,
con un fuerte gradiente de velocidad.
En el interior de la cuba, el gradiente varía mucho, con un máximo elevado en la
salida de la turbina; por el contrario, con un sistema de difusión de aire, el
reparto del gradiente es mucho mejor, y la producción de energía es lineal en
lugar de puntual como en las turbinas.
D. CÓMO MEJORAR EL GRADIENTE FINAL DE VELOCIDAD
Desde el punto de vista de la calidad de los flóculos, no es importante la existente en
toda la cuba, sino la correspondiente al último cuarto del recorrido del licor
(aproximadamente 1/2 hora).
Durante este tiempo, si se mejoran las condiciones, pueden corregirse los efectos
perjudiciales de una potencia específica demasiado alta.
Hemos visto, en el Capítulo 5, que la última zona de las cubas de aeración puede
calcularse con una aportación de oxígeno, correspondiente al 76% del valor medio. Por
lo tanto, una aportación escalonada de oxígeno facilita una disminución del gradiente de
velocidad, durante un cierto tiempo, antes de pasar a la decantación secundaria.
Figura 13.9. Relación: gradiente de velocidad G y potencia especifica W · m3 .
Desde el punto de vista de la explotación, puede emplearse un mínimo de energía en la
última zona, con un automatismo que controle la marcha de la turbina o la aportación de
aire. Como la energía puede ser insuficiente para impedir depósitos de fondo en esta
última zona, 3 ó 4 veces por día y durante un corto tiempo, de 10 a 15 minutos, se debe
suministrar un alto caudal de aire o mantener en marcha continua las turbinas.
E. FLOCULADOR
En lugar del decantador secundario clásico, puede utilizarse un aparato del tipo clarifloculador con una zona de floculación central, tal como se empieza a proceder en
Estados Unidos (Ref. 46) y en Alemania (Ref. 49 y 6).
En la Figura 13.4 se contempla la influencia de un floculador central: los dos
decantadores, E y F, tienen la misma profundidad y dan muy buenos resultados; pero el
F, provisto de un floculador central, con una carga hidráulica un 12% superior, da un
30% menos de materias en suspensión.
F. ENLACE DE LAS CUBAS DE AERACIÓN CON LOS DECANTADORES
SECUNDARIOS
Las mejoras introducidas en las cubas de aeración para aumentar la calidad de los
flóculos no deben quedar anuladas por un diseño incorrecto de las uniones de las cubas
con los decantadores, si no que deben aprovecharse dichas uniones para seguir
manteniendo o incluso aumentar la calidad de los flóculos; por ejemplo:
- Con decantadores rectangulares, un canal general de alimentación, a baja velocidad,
para obtener una buena equirrepartición entre los aparatos. Debe aprovecharse la
necesidad de su aeración para mejorar la floculación, pero con precauciones. El caudal
normal de aire debe ser suficientemente bajo para obtener el gradiente ideal de 20 a 50 s1
, correspondiente a potencias específicas del orden de 0,5 a 3 W · m-3 . En la zona final
de las cubas de aeración, es necesario forzar la potencia 3 ó 4 veces al día, durante 10 ó
15 minutos, para poner en suspensión algunas materias sedimentadas.
- Con decantadores circulares también podemos emplear un canal. Otra solución puede
consistir en una obra central de distribución, muy útil con más de 3 ó 4 decantadores.
Esta obra de reparto debe tener el volumen adecuado para producir un tiempo de
contacto mínimo de 10 minutos y, además, estar provista de un floculador central. Este
aparato debe ser de dos velocidades, o mejor con variador en continuo; la velocidad
normal consigue el gradiente de velocidad óptimo para la floculación, y la máxima se
utilizará de vez en cuando para poner en suspensión los fangos sedimentados.
Carga hidráulica lineal y posición de los vertederos
La carga hidráulica lineal y la posición de los vertederos pueden influir en la calidad del
agua, cuando facilitan la fuga de las materias en suspensión. No pueden considerarse
realmente como parámetros, porque generalmente se diseñan para que no produzcan
perturbaciones.
Figura 13.10. Ejemplos de obras de reparto para mejorar la floculación.
Existen muchas contradicciones sobre el valor límite del caudal lineal del vertedero.
Como indican las recomendaciones de la EPA (Ref. L-4 y L-13): «Los Ten States
Standards especifican una carga lineal media de 7,8 m3 h-1 m-1 , con posibilidad de pasar a
10,3 m3 h-1 m-1 , cuando el vertedero esté fuera de la zona de influencia de las corrientes
producidas por densidades diferenciales. Pero se han utilizado cargas hasta de 50 m3 h-1 m1
, sin problemas aparentes, como en la ciudad de Nueva York, en donde los vertederos
están separados de las influencias de las corrientes de densidad».
Figura 13.11. Decantación secundario. Posición de los vertederos.
La explicación sobre la dificultad de fijar un valor límite es que éste depende mucho de
la posición del vertedero, es decir, de su distancia al fondo P y a la pared, I.
Ante la duda, pensamos que, por seguridad, es preferible respetar la regla de los Ten
States Standard, es decir:
-
-
Simple vertedero contra la pared: 7,8 m3 h-1 m-1
Doble vertedero sobre canal interior:10,3 m3 h-1 m-1
En teoría, para que las velocidades de alimentación de los vertederos sean iguales, las
zonas correspondientes deben tener la misma superficie, es decir, la corona de ancho E
y el círculo central de radio R-E. Por ello:
2 (R - E)2 = R2
E = 0,29 R
Pero esta regla teórica significa distancias E prácticamente irrealizables. El doble
vertedero, según la regla anterior de los Ten States Standards, comienza a ser necesario
para diámetros del orden de 40 metros; es decir que, en este caso, E debería ser del
orden de 6 metros.
En algunas plantas, con distancias de 1,50 a 2,50 m y con decantadores de 50 a 60 m de
diámetro, al observar fugas de sólidos muy importantes en la corona exterior, se
suprimió el vertedero exterior. Este procedimiento es un error por dos razones:
-
La corona exterior es una zona muerta que reduce la superficie útil de
decantación.
Se duplica la carga hidráulica lineal del vertedero que queda.
Es más razonable proceder de la siguiente manera:
-
Adoptar para E el valor máximo realizable con costo aceptable, es decir, del
orden de 1,50 a 2,50 m, según el diámetro.
Limitar el caudal del vertedero exterior para obtener la proporcionalidad a las
superficies correspondientes:
· Caudal del vertedero interior: (R - E)2 /R2 .
· Caudal del vertedero exterior: 1 - (R - E)2 /R2 .
Por ejemplo, para un diámetro de 40 m y un espacio anular E de 1,50 m:
· Caudal interior: 86%.
· Caudal exterior: 14%.
Sin embargo, después de algunos meses de marcha, es interesante comprobar
experimentalmente si se puede aumentar el caudal del vertedero exterior.
El MOP-8 (Ref. L-3) razona en el mismo sentido: «Debido a las limitaciones
constructivas no debe esperarse mucho de un doble vertedero, ya que para diámetros
inferiores a 45 m su interés es dudoso».
Un estudio de la Thames Water Authority (Ref. 53), muestra claramente el peligro del
doble vertedero cuando el espacio E es insuficiente, y es necesario, eventualmente,
cerrar el exterior. Desgraciadamente, no se estudió la reducción del caudal exterior, en
lugar de anularlo completamente.
Figura 13.12. Vertederos simples en decantación secundaria. Recomendaciones (Ref
51).
Con decantadores secundarios, provistos de vertedero sencillo:
-
La construcción en el interior del canal de agua tratada da mejores resultados:
puede suprimir los efectos de subida del fango contra la pared y mejorar las
corrientes de alimentación.
En Estados Unidos, varios autores (Ref. 51) recomiendan emplear vertederos
simples provistos de deflector horizontal.
Variaciones del caudal
Las variaciones del caudal de funcionamiento de una planta tienen tres orígenes:
- La variación diaria normal, con una punta del orden de 1,5 a 2,0, suele pasar del
caudal medio al caudal punta en un tiempo de 2 a 4 horas.
- La variación debida a una aportación de aguas de lluvia puede ser muy fuerte, y es
posible pasar del caudal mínimo al caudal máximo de tiempo de lluvia en un periodo
muy corto, algunas veces en menos de 30 minutos. Generalmente no se tiene en cuenta
esta variación, la cual puede considerarse excepcional.
- La variación instantánea, debida a una alimentación discontinua a causa de un
bombeo.
A. VARIACIÓN DIARIA
La variación diaria afecta a la calidad del agua tratada, pero no excesivamente. Un
estudio en Gran Bretaña (Ref. 13) muestra que, comparando dos líneas en paralelo, una
a caudal constante y la otra a caudal variable, del 40 al 200% del valor medio, los
resultados medios de 4 meses en marcha, variando las condiciones de carga 4 veces al
día, son:
-
Línea caudal variable, mg · 1-1 MS: 14-9-12-46.
Línea caudal constante, mg · 1-1 MS: 10-7-11-46.
Algunos autores opinan (Ref. L-3) que la influencia de estas variacio-nes es baja,
siempre que la carga hidráulica sea inferior a 1,7 m · h -1 . También en este caso la
profundidad es un factor de estabilidad que contribuye a disminuir los efectos de estas
variaciones.
Como muestra la Figura 13.13, la concentración en MS del agua tratada sigue las
variaciones del caudal, pero con un cierto retraso, del orden de una hora, con respecto a
la punta principal diaria.
Estas variaciones normales de tiempo seco están incluidas en las cargas medias
superficiales previstas en los cálculos.
Figura 13.13. Variación de las MS del agua tratada en relación con el caudal.
(Curvas trazadas con datos experimentales de Ref 13, mismo caudal los dos días.)
D. VARIACIÓN DEBIDA AL BOMBEO
Varios estudios (Ref. 50) comprobaron la influencia perjudicial de una alimentación
discontinua en la calidad del agua tratada. Se recomienda adoptar todas las precauciones
para alimentar la decantación secundaria con la máxima uniformidad. Algunas
recomendaciones son:
-
Durante el período diurno, utilizar un caudal constante de recirculación, y no
uno proporcional al del agua a tratar.
Emplear bombas de velocidad variable. En estas recomendaciones (Ref. 50) no
se habla de los tornillos, los cuales permiten obtener un caudal más constante
-
que una bomba. La razón es que estos aparatos estaban poco desarrollados en
Estados Unidos, al contrario que en Europa.
Si no es posible emplear velocidad variable, es necesario prever un número
suficiente de bombas, a caudales distintos, para limitar la amplitud de la
variación con arranques escalonados.
El pretratamiento, la decantación primaria y las cubas de aeración proporcionan
una cierta regulación del caudal instantáneo. Para mejorarla puede contemplarse:
· En los decantadores primarios, emplear vertederos con almenas cuadradas y no
en «V», para así limitar mejor el caudal cuando sube el nivel.
· Aprovechar al máximo la capacidad de almacenamiento de las cubas de
aeración con vertederos de salida adecuados, sobre todo en el caso de
oxigenación con aire.
MÉTODOS DE CÁLCULO
Método de los flujos
En 1967, Dick y Ewi ng comprueban la veracidad de la Ley de Kynch, según la cual la
velocidad de descenso de las partículas depende únicamente de su concentración. Pero
descubren que también es función de la altura inicial del licor.
Vd = A/R + A/Vi
Vd: Velocidad de descenso.
A: Altura del licor.
Vi: Velocidad ideal función de la concentración.
R: Coeficiente de retardo.
En 1972, Dick publica su estudio sobre el dimensionamiento de los decantadores
secundarios por el «método de los flujos».
El método analiza el flujo total en un decantador, como suma de dos componentes:
- Fd: es el flujo debido a la velocidad de descenso de las partículas Vd a la
concentración MS:
Fd = Vd · MS1
Fe: es el flujo debido a la velocidad de arrastre producida por la extracción de los fangos
sedimentados:
Fe = MS1 · Qe/S
· MS1: Concentración inicial del licor.
· Qe: Caudal de purga o extracción.
· S: Superficie del decantador.
El flujo total Ft es: Ft = MS1 (Vd + Qe/S).
La Figura 13.14 representa los dos flujos y el flujo total. En éste: MSa es la
concentración normal de alimentación de 3 g/l. Suponiendo que la extracción de fangos
es estrictamente la necesaria, la curva Ft presenta un máximo seguido por un mínimo.
En muchas situaciones prácticas, cuando el licor debe concentrarse, desde la
concentración de entrada MSa hasta un valor MSe, superior a la concentración límite
MSl (valor del mínimo de la curva Ft), el valor del flujo total en este punto define el
flujo máximo que puede aplicarse al decantador.
Figura 13.14. Curvas de flujos.
Este método está siendo empleado en Gran Bretaña, por el Water Research Center, por
las Water Authorities (Ref. 44), y con una difusión menor en Estados Unidos (Ref. L
13). Su mayor interés, en las plantas existentes, con un fango conocido, es anticipar las
condiciones de marcha del decantador cuando varían los dos parámetros principales,
concentración del licor y caudal de extracción. Es más un método de simulación de una
obra existente que de cálculo de una planta futura. El criterio de partida es la velocidad
de descenso, que es tan difícil de estimar como la carga superficial de MS.
Método de la carga volumétrica superficial
Este método, desarrollado por el ATV de la República Alemana (Ref. 10, 45 y 49),
agrupa en un mismo factor la concentración del licor MSA y el índice de fangos IVF.
Este factor se denomina carga volumétrica superficial
Dicha carga, CVS, representa la carga que recibe el decantador en volumen de licor por
unidad de superficie.
El volumen específico, VE, de un licor, es el volumen en cm3 ocupado por 1 litro de
fango después de media hora de decantación. Por definición, el índice volumétrico de
fangos IVF es el volumen ocupado por 1 gramo de MS; por tanto:
-
VE = MSA · IVF.
VE = Volumen específico ml · 1-1
MSA = Concentración del licor g · 1-1
IVF = Indice volumétrico de fangos ml · g· 1-1 .
La carga volumétrica superficial CVS, sería:
CVS = VE · CH en m3 · m-2 · h-1
-
CH = Carga hidráulica en m/h.
En el cálculo de la carga volumétrica superficial del ATV, no se tiene en cuenta
directamente la recirculación, pero sí indirectamente: CVS varía con el volumen
específico, es decir, en gran parte con el índice volumétrico de fangos IVF y en menor
proporción con la concentración del licor MSA.
Así:
VE
.........................
____________________________
1
·
m-3
.................m3
·
200
400
600
800 ................. 0,23
CVS
m-2
·
h-1
..........................0,40
..........................0,30
..........................0,28
Estos datos se derivan de la curva del ATV (Figura 13.15), que da la carga hidráulica
CH en relación con el volumen específico VE. El objetivo de calidad es: 30 mg · l-1 de
MS en el agua tratada.
Figura 13.15. Cálculo de decantadores secundarios con el método A. T. V. (Ref 45).
Por ejemplo, para IVF = 200 ml/g, MSA = 3 kg/m3 , resulta:
VE = 3 · 200 = 600 l/m3
CVS = 0,28 m3 /m2 · 4
CH = 0,28 / 0,6 = 0,47 m3 /h · m2
Cuando se calcula la superficie del decantador en las condiciones punta de tiempo seco,
se debe comprobar que es suficiente en condiciones de tiempo de lluvias. Se admite que,
en tal caso, debido a la transferencia de MS de las cubas de aeración a los decantadores
secundarios, la concentración MSA pueda bajar del orden del 35 %, permitiendo una
carga hidráulica más alta. (Tabla 13.2).
Tabla 13.2
En este ejemplo se comprueba que las condiciones en tiempo de lluvias dan una
superficie
ligeramente
mayor
que
en
las
de
tiempo
seco.
Una vez terminado el cálculo de la superficie, la regla ATV continúa calculando la
profundidad. Para ello, supone el decantador dividido en cuatro zonas horizontales,
calculando la altura de cada una:
- h3: zona de agua clara: invariable de 0,50 m; sin justificación.
- h2: zona de decantación: de 0,8 a 1,0 m; cuando la zona de almacenamiento h4 tiene
más de 1,0 m, h2 puede reducirse a 0,50 m.
- h1: zona de espesamiento: se calcula con la fórmula:
h1 = MSA · IVF/1000.
En condiciones normales de MSA = 3 g · l-1 y IVF de 200 ml · g-1 (o respectivamente de
4 y 150 o 5 y 120): h1 = 0,6 metros.
- h4: zona de almacenamiento, sólo para redes unitarias.
h4 = D MSA · k · IVF/500.
-
D MSA: diferencia de concentración del licor entre tiempo seco y tiempo de
lluvia (ver ejemplo anterior), en g/l.
-
K: Volumen de las cubas de aeración dividido por la superficie de decantación
secundaria, en metros.
-
IVF: Indice volumétrico de fangos: ml · g-1
h4 varía, generalmente, de 0,8 a 1,10 metros, según las condiciones particulares; como
h2 y h3 son prácticamente constantes y h1 varía poco, la profundidad total puede oscilar
entre:
- 2,1 a 2,3 en red separativa.
- 2,6 a 2,8 en red unitaria.
De esta forma, este sistema de cálculo parece científico, pero en la práctica da
profundidades poco variables para cada uno de los sistemas unitario y separativo.
Parece más sencillo fijar la profundidad en cada tipo de red.
Con este método, las profundidades se refieren al tercio exterior en los decantadores
circulares, y al centro en los rectangulares.
El método ATV se emplea, naturalmente, en Alemania, y muy poco en los demás
países. Pero en la propia Alemania algunos técnicos no están de acuerdo con el mismo,
y prefieren diseñar decantadores profundos, del tipo de la Figura 13.11, con sus propios
criterios.
Método de la carga superficial de materias en suspensión CSM
En este método se tiene en cuenta la carga hidráulica y la concentración del licor; en la
carga hidráulica se incluye la recirculación. La carga superficial de materias en
suspensión CSM, resultante de los dos parámetros anteriores, puede expresarse en
función del índice de fangos IVF, como en el MOP-8 (Ref. L3).
En el caso, muy particular, de concentraciones de licor inferiores o iguales a 2 g · l-1 , no
debe emplearse la carga superficial en MS, sino simplemente la carga hidráulica.
Las dos principales reglas de cálculo de la decantación secundaria en Estados Unidos,
las del MOP-8 (Ref. L3) y la del EPA (Ref. L4), dan resultados muy próximos, que se
complementan:
- El MOP-8 da la carga superficial media en relación con el índice volumétrico de
fangos, sin valor máximo (Figura 13.16).
- El EPA da un rango para la media, sin especificar el índice de fangos, y un valor
máximo. Los dos valores del rango para la media, CSM y IVF, corresponden a índices
de fangos de 230 y 180 ml · g-1 que son valores lógicos en media carga (hemos admitido
200 ml · g-1 ).
Los dos métodos también indican la profundidad recomendada:
- EPA: de 3,7 a 4,6 metros sin más precisiones.
- MOP-8: da las profundidades mínimas y las recomendadas en relación con el diámetro
(ver Figura 13.17 que representa los datos de la Tabla del MOP-8).
Figura 13.16. Relación de la carga superficial en M.S. con el índice
volumétrico de fangos. (MOP-8, Ref L3 y EPA, Ref L4.).
Figura 13.17. Profundidad de los decantadores secundarios.
Pendiente del fondo: 10%. (MOP-8, Ref L-3 y ATV, Ref 45.)
La carga máxima indicada es del orden del doble de la carga media. Esto significa que,
con una recirculación R del 100% del caudal medio, la carga máxima es limitante,
únicamente cuando la punta de caudal es superior a 3,0, es decir, en muy pocos casos.
Cuando no pueden respetarse las profundidades indicadas, el MOP-8 recomienda la
regla siguiente:
«Por cada metro de profundidad de menos, la carga hidráulica debe disminuirse en un
40%».
Razonablemente, podemos pensar que esta regla también puede apli-carse a la carga
superficial.
Posteriormente, para simplificar, llamaremos a este método: Método MOP (Manual of
Practice).
Comparación de los dos métodos: ATV y MOP
Los dos métodos utilizan bases de diseño completamente opuestas, y esto se traduce en
profundidades muy diferentes, como se puede ver en la Figura 13.17. Las superficies de
decantación calculadas, según ATV, son el doble o triple de las del MOP.
Las principales diferencias son:
a) En el cálculo MOP se tiene en cuenta la recirculación como criterio; en el
cálculo ATV no es un criterio directo, pero influye en la carga superficial
admisible. Esta diferencia no es importante.
b) En el cálculo ATV, la carga superficial admisible, para concentración MSA
constante, es inversamente proporcional al índice de fangos. En el cálculo MOP
su importancia es mucho mayor, como lo demuestran los datos siguientes, que
dan, en tanto por ciento, la carga superficial admisible en los dos casos con
relación al índice de fangos IVF.
c) Como se ha dicho anteriormente, las profundidades con el cálculo MOP varían
en relación al diámetro, pero independientemente del sistema de saneamiento.
Con el cálculo ATV no influye el diámetro; sólo debe tenerse en cuenta si la red
es separativa o unitaria. Las variaciones son poco importantes. En la Figura
13.17 pueden verse las diferencias extremas:
·
·
Mínima: de 2,8 m
Máxima: de 2,1 m
a
a
3,3
5,3
m,
m,
es
es
decir:
decir:
de
de
100
100
a
a
120
252
%.
%.
d) Los cálculos del MOP con las cargas del EPA dan una variación de índice de
fangos de 180 a 230 ml · g-1 . Para el ATV puede variar de 100 a 200 ; el valor de 200
puede considerarse excepcional: para aguas urbanas, con una fuerte proporción de
contaminación orgánica de origen industrial, es recomendable emplear 150 a 200 ml
· g-1 .
e) Las cargas superficiales e hidráulicas del cálculo MOP son las medias; las cargas
hidráulicas del cálculo ATV son las punta en tiempo seco, generalmente calculadas
en base a Q16, es decir, con una punta de 1,5. En nuestra opinión existe, en los dos
modos de cálculo, una diferencia de concepto en al estimación de los parámetros:
· En el cálculo ATV, el índice de fangos IVF se estima al límite (de 100 a 200 ml · g1
en media o baja carga), pero las cargas hidráulicas correspondientes tienen un buen
coeficiente de seguridad.
· Por el contrario, en el cálculo MOP, las cargas hidráulicas se estiman lo más
ajustadamente posible, pero los índices de fangos IVF empleados son 180 a 230 ml ·
g-1 , válidos en todos los casos. Corresponden al máximo excepcional del ATV de
200 ml · g-1 , y, por lo tanto, introducen una buena seguridad. Se puede pensar que a
un índice de fangos IVF de 200 ml · g-1 del MOP corresponde 150 ml · g-1 del ATV.
A continuación comparamos los dos modos de cálculo, en dos casos distintos: de
pequeños y grandes decantadores, para los mismos caudales, la misma
concentración y la misma recirculación:
CRITERIOS COMUNES
A
B
-
Medio: m3 h-1 .............................................1.000 ............100
-
Punta T.S.:m3 h-1 ........................................1.500 ............150
-
Recirculación: g · l-1 ....................................1.000 ............100
-
Concentración licor g · l-1 ...................................5............... 3
CÁLCULO MOP
- Índice de fangos IVF ml · g-1................................
.........
200 ............200
- Carga sup. media CSM: (Fig. l3.l6)kg · m-2 · h-1 ..........5 ...............5
- Carga hidráulica media:
· Con recirculación m · h-1 ............................................1,67 ...........1,67
- Superficie decantador m2 ..........................................1.198 ...........120
- Diámetro m ...................................................................39 .............12,4
- Profundidad media (Fig. 13.17) m ...............................5,0 .............3,5
- Volumen útil m3 .........................................................6.000 ............420
CÁLCULO ATV
- Índice de fangos IVF ml · g-1 .........................................150 ............150
- Volumen específico VE l · m-3 .......................................450 ............450
- Carga hidráulica admisible en punta de tiempo
seco y sin recirculación ....................................................0,64 ..........0,64
- Superficie decantador m2 .............................................2.344 ............234
- Diámetro m ....................................................................54,6 ...........17,3
- Profundidad media para red unitaria (Fig. 13.15) m ......2,70 ...........2,70
- Volumen útil m3 ............................................................6.329 ............633
Como conclusión de estos cálculos comparativos, puede decirse que, para condiciones
normales de media carga, (MSA = 3 g/l; IVF = 200 ml · g-1 ; R = 100% de caudal medio;
punta de tiempo seco: 1,5):
- La superficie de los decantadores varía de simple a doble según los cálculos del
MOP y del ATV.
-
Para un decantador de medio a gran diámetro, los volúmenes son del mismo
orden en los dos cálculos; para los pequeños, el cálculo ATV da un volumen del
orden de un 50% más que el del MOP.
Elección del método de cálculo
Como orden de magnitud, podemos considerar, comparando el método del MOP con el
del ATV, que:
-
La profundidad es doble.
-
La superficie es la mitad.
-
El volumen es el mismo.
Con las dimensiones que proporcionan los cálculos ATV, se obtienen decantadores muy
planos, con precios, tanto de obra civil como de equipos, más caros que los del cálculo
MOP. Además, los decantadores de gran diámetro necesitan más espacio y son más
sensibles a los efectos del viento.
Pero las profundidades que salen del cálculo MOP pueden presentar problemas de
construcción cuando el nivel freático es alto: grandes agotamientos con gastos de
inversión, o necesidad de elevar la línea piezométrica con gastos de energía. Pero a
volumen igual, las grandes profundidades parecen dar una mayor fiabilidad a la calidad
del agua.
En conclusión, pensamos que es posible:
-
Adoptar el modo de cálculo del MOP, cuando las profundidades obtenidas no
presentan grandes problemas de construcción.
-
Por seguridad, para todas las cargas másicas de media a aeración prolongada,
tomar la misma carga de MS. La razón es que cuando
crece la edad del fango SRT, baja el índice volumétrico de fangos IVF, pero
también baja, generalmente, la calidad de la floculación, especialmente en
aeración prolongada.
-
Una carga de 5 kg · m-2 · h-1 parece un valor razonable:
-
Cuando, por razones de construcción, no sea posible respetar la profundidad
recomendada por el MOP, ésta puede disminuirse, pero manteniendo el mismo
volumen.
En condiciones de caudal máximo, podemos adoptar las limitaciones de la EPA:
- Carga hidráulica máxima:
· A media carga ......................2,0 m · h-1 .
· Con aeración prolongada .........1,4 m · h-1 .
Podemos añadir:
· A baja carga .........................l,5 m · h-1 .
- Carga superficial en MS .....10kg · m-2 · h-1 .
De las dos cargas, hidráulica o superficial, hay que adoptar la que dé la menor
superficie.
DECANTADORES SECUNDARIOS CIRCULARES
Extracción de fangos
A. EXTRACCIÓN POR ASPIRACIÓN CENTRAL
La mejor descripción de este tipo de aparatos sería: «Es un decantador construido como
primario y empleado como secundario». Prácticamente, la única diferencia es el
diámetro de la tubería de extracción de los fangos de recirculación, que es mucho mayor
que en uno primario.
Fue uno de los primeros aparatos empleados en decantación secundaria. Actualmente
equipa muchas plantas, tanto pequeñas como grandes, en países en los que se utiliza
poco el decantador de succión: Gran Bretaña, Alemania, Holanda, Europa del Este y
África del Sur.
Este tipo de aparatos tiene dos inconvenientes:
En la parte inferior del decantador, situada debajo del deflector central, se cruzan dos
flujos.
· El correspondiente al licor a decantar, tanto a nivel del caudal como de concentración.
· La totalidad del fango recirculado, también a nivel del caudal y de concentración.
Esta zona puede resultar conflictiva, y contribuye a disminuir el espesamiento del fango.
Para evitar este inconveniente hay varias posibilidades:
· Prever una zona central muy profunda del tipo de la Figura 13.11. De esta forma, con
la gran altura disponible, es más fácil el cruce de los dos flujos.
· Distribuir, sobre los dos tercios superiores del cilindro central, un gran número de
pequeños orificios equipados de deflectores del tipo Stengelin u otro, para producir una
corriente horizontal (Fig.13.18).
Este sistema es muy empleado en Alemania.
· Prever un decantador de aspiración anular.
· Prever un decantador con alimentación periférica.
-
Los fangos decantados en la parte periférica del decantador deben conducirse
hasta el centro, es decir, sobre una distancia igual al radio del depósito. Los
decantadores de succión suprimen completamente este problema; el decantador
de aspiración anular reduce la distancia de recorrido a un máximo de un tercio.
B. EXTRACCIÓN POR SUCCIÓN RADIAL O DIAMETRAL
Este aparato utiliza tubos verticales de succión sostenidos por un puente giratorio radial
o diametral, o por un sistema de arrastre central.
Este tipo se desarrolló, en el año 1940, con la idea de poder conseguir un gran caudal de
fangos en recirculación. En aquella época, el concepto existente era (ver pág. 282) que
los fangos debían permanecer el menor tiempo posible en el decantador, aun a coste de
un elevado caudal de recirculación. Para conseguirlo se desarrolló un aparato de succión
diametral, el RSR (Rapid Sludge Recirculation).
El criterio actual ha cambiado, pero el empleo de los decantadores de succión se
mantiene por su facilidad de recogida del fango. Posteriormente, también se han
desarrollado aparatos de succión con uno o dos tubos giratorios en el fondo.
Pero el concepto actual trata de obtener una concentración máxima de extracción para
limitar el caudal de recirculación, y, en consecuencia, la carga de materias en
suspensión del decantador.
En el fondo del decantador la concentración no es uniforme, y por cada tubo sale un
fango con una concentración distinta. Teóricamente, actuando sobre el nivel superior
del tubo, es decir, cambiando su caudal, podrían asegurarse salidas de igual
concentración. Pero un cambio del caudal de entrada o de la recirculación es suficiente
para modificar el reparto de las concentraciones en el fondo, y se necesitaría una nueva
regulación de los tubos, lo cual es impensable.
Figura 13.18. Decantador secundario de aspiración central. Esquema funcional.
En realidad, se regulan los tubos de manera que nunca salga por ellos una concentración
excesivamente baja. Estas concentraciones, variables de un tubo a otro, dan una
concentración media, lógicamente inferior a la que se obtiene en el mejor de ellos.
Ante la dificultad de obtener fangos con concentraciones óptimas en los decantadores de
succión, en Estados Unidos, cuna de estos aparatos, se empieza a abandonar su uso
(Ref. 51).
C. EXTRACCIÓN POR ASPIRACIÓN ANULAR
En este tipo de decantador secundario (Fig. 13.21 y Fig. 13.22), los fangos
sedimentados en el fondo se aspiran por los orificios de la cubierta de un canal circular
cerrado en un punto. De cada lado de este punto salen dos tuberías equipadas con una
válvula de apertura alternativa temporizada. El canal está situado a una distancia del
centro igual a un tercio del radio. El fondo tiene dos pendientes del 15%, para permitir
que las rasquetas del puente giratorio conduzcan los fangos sedimentados hasta el canal
de aspiración.
- En el tercio central: Los fangos sedimentados y el licor a decantar circulan en el
mismo sentido, sin formación de la zona conflictiva como en un decantador de
aspiración central.
Figura 13.19. Decantador secundario de aspiración central. Ejemplo de construcción.
Figura 13.20. Decantador secundario de succión radial. Ejemplo de construcción.
Figura 13.21. Decantador secundario de succión radial. Esquema funcional.
En los dos tercios exteriores: Los fangos y el licor a decantar circulan en
contracorriente, pero no es un grave inconveniente puesto que:
· La energía del licor prácticamente se ha disipado, y las velocidades son mucho más
lentas que en la zona central debajo de la campana.
· Ya ha sedimentado una parte importante de los fangos.
- Los fangos que sedimentan entre el canal de aspiración y la pared tienen un trayecto
medio mitad del de un decantador de aspiración central: de 0 a 2 R/3 para el primero y
R/3 a R para el segundo.
Este tipo de decantador de aspiración anular ofrece importantes ventajas frente al
decantador de aspiración central, y prácticamente con el mismo costo. Las posibilidades
de espesamiento de los fangos son iguales para los dos tipos de aparatos, y mucho
mejores que para un sistema de succión.
Figura 13.22. Decantador secundario de aspiración anular. Ejemplo de construcción.
El sistema de corrientes alternativas permite que el canal funcione en cada punto, en un
ciclo de apertura, con un caudal medio constante e igual a la mitad del caudal total. Por
ejemplo (ver Figura 13.20):
-
En A: 0 y 100%; en B: 25 y 75%
En C: 50 y 50%; en D: 37,5 y 62,5%
La aspiración a través de orificios de un diámetro de 60 mm no presenta ningún riesgo
de atascamiento; hay experiencias en particular en la planta de Ginebra, con treinta años
en funcionamiento, sin problemas.
D. OTROS SISTEMAS DE EXTRACCIÓN
Seguidamente se describen, de forma breve por estar poco desarrollados, otros tipos de
decantadores secundarios.
1. Cilindro-cónico o tipo Dortmund
Estos aparatos no tienen equipo mecánico, y el fango cae al fondo debido a la fuerte
pendiente de la pared, de 55 a 60º. El flujo vertical consigue mejores rendimientos que
el horizontal; las reglas del ATV en Alemania (Ref. 45) admiten una carga hidráulica
con flujo vertical del 30% superior al horizontal.
Como la profundidad es del orden del diámetro, este factor impide la construcción de
aparatos de diámetro superior a 6-8 m.
2. De gran pendiente de fondo
Estos decantadores tienen una profundidad cilíndrica de 1,5 a 2 y una pendiente de
fondo del orden de 30º. El sistema rascador es, generalmente, muy sencillo, y puede ser
una simple cadena apoyada en el fondo y arrastrada por el puente. Estos aparatos fueron
construidos en su mayoría en Alemania y en Gran Bretaña, pero en la actualidad han
desaparecido prácticamente
3. Combinados con la cuba de aeración
El decantador se construye en forma de corona alrededor de una cuba de aeración
cilíndrica o cilindro-cónica. Existe una multitud de pequeños aparatos de este tipo; y
casi todos tienen problemas de recirculación de fangos. Los grandes, como el AeroAccelator, prácticamente se han abandonado por dos razones:
- Necesitan un sistema de oxigenación mixto: aire y agitación mecánica, con una
inversión relativamente alta y un mantenimiento costoso para obtener un rendimiento de
oxigenación del 30% inferior al de las turbinas.
- Construcción complicada y costosa.
Entrada del licor mixto al decantador
A. ALIMENTACIÓN CENTRAL
Existen dos dispositivos principales de entrada: una con deflector central y la otra con
difusores.
Deflector central
Este dispositivo se llama también «CLIFFORD», por el apellido de su inventor, y es
prácticamente el único sistema empleado en Estados Unidos, estando también muy
desarrollado en el resto del mundo.
El licor entra por una tubería vertical u horizontal (en el caso de puentes de arrastre
central). En el segundo caso, el licor se distribuye dentro de la cámara de entrada,
formada por el deflector central (Fig. 13.23), con la ayuda eventual de un pequeño
deflector. En el primer caso, el licor pasa a través de unas ventanillas estrechas
verticales, que aseguran, con su pérdida de carga, una buena equirrepartición en el plano
horizontal. El primer sistema no da problemas, pero el segundo adolece de una asimetría
en la entrada que puede disminuir el rendimiento. La velocidad de salida por las
ventanillas debe ser al mismo tiempo suficientemente alta para obtener una buena
equirrepartición, y baja para no producir perturbaciones al disiparse la velocidad.
Generalmente se adopta 0,25 m · s-1 a caudal máximo.
El deflector debe construirse suficientemente bajo para cortar las velocidades
superficiales, pero debe dejar un espacio adecuado para que no se produzca un aumento
de velocidad, al pasar de velocidades verticales descendentes a horizontales. Existen
recomendaciones muy diversas sobre el valor de esta profundidad (Ref. L13); lo más
razonable, y recomendado por un gran constructor, consiste en dejar una superficie de
paso debajo del deflector igual a la interior y, por lo tanto, la altura libre será igual a la
mitad del radio de éste. La altura máxima puede fijarse en los 2/3 de la profundidad de
agua correspondiente a la vertical de dicho deflector.
Multidifusores
Este sistema se emplea frecuentemente en la República Alemana y Austria, mientras
que en otros paises de Europa no tanto (Fig. 13.24). En la tubería vertical de llegada se
amplía su diámetro para bajar la velocidad; los orificios producen una equirrepartición
por pérdida de carga, y los difusores forman un flujo horizontal. Cada constructor tiene
sus propias normas sobre el caudal por unidad y la posición de los difusores.
Figura 13.23. Decantadores secundarios. Entrada del licor con deflector central.
B. ALIMENTACIÓN PERIFÉRICA
Con este tipo de decantador (Fig. 13.25), el licor a tratar se distribuye por un canal
periférico; la recogida del agua tratada es central o periférica.
El objetivo de esta disposición es lograr un mejor rendimiento que con una alimentación
central. Algunos ensayos comparativos (Ref. L13) demuestran una mayor calidad del
agua tratada con alimentación periférica, pero en otros no se han podido apreciar
diferencias en favor de uno u otro sistema.
En algunos aparatos se dispone una distribución muy complicada de tuberías (Ref.
L13), y en otros con tuberías y difusores.
En realidad, en Estados Unidos se escribe mucho sobre este tipo de aparatos pero
apenas existen realizaciones prácticas. En Europa no existen fabricantes de estos
modelos.
Figura 13.24. Decantadores secundarios. Entrada del licor tipo Multi-difusores.
Por el momento, las ventajas de la alimentación periférica no están lo suficientemente
probadas como para compensar las complicaciones de su construcción.
Figura 13.25. Decantadores secundarios. Alimentación periférica.
Recogida del agua tratada
En las páginas 296 y siguientes, estudiamos la influencia de la posición de los
vertederos de recogida del agua tratada. La principal conclusión fue que, en el caso de
doble vertedero, el caudal del exterior debe reducirse en relación con su capacidad real.
La solución con tubos perforados, empleada generalmente en países nórdicos, tiene
cuatro ventajas:
Figura 13.26. Decantadores secundarios. Recogida del agua tratada por tubos
sumergidos.
-
Permite el rascado y recogida de flotantes sin necesidad de placas
tranquilizadoras o sifoideas.
Como el caudal, a través de un orificio, depende únicamente de su superficie y
de la diferencia de nivel de agua entre el decantador y el canal de recogida, los
tubos no necesitan gran precisión de colocación.
Los vertederos circulares realizan una recogida lineal del agua; las canaletas con
doble vertedero o los tubos perforados instalados radialmente, producen una
recogida superficial más uniforme.
Por ejemplo, en un decantador de 40 m de diámetro, con tubos de 4 metros de
longitud, cubren una superficie que representa aproximadamente un tercio de la
totalidad.
-
Menor influencia del viento.
Recogida de flotantes
En los decantadores secundarios, con decantación primaria previa, hay pocas grasas y
aceites en la superficie del agua cuando no existe decantación primaria, se debe efectuar
una buena eliminación de grasas en el pretratamiento.
Sin embargo, en el decantador todavía existe el peligro de que se produzca una
desnitrificación incontrolada, a pesar de todas las precauciones, que se traducirá en la
formación de fangos flotados por las burbujas del nitrógeno liberado. Otra fuente de
flotantes de origen biológico pueden ser las espumas viscosas del tipo Nocardia que se
escapan de la cuba de aeración. Veremos este problema de las Nocardia en el capitulo
siguiente, que trata sobre problemas de explotación.
Frente a flotantes de origen tan diverso, en lugar de una evacuación directa de los
mismos tal como se recogen, es decir, una pequeña cantidad con mucha viscosidad, es
preferible su mezcla con un gran caudal de agua que facilite el transporte y el bombeo
eventual.
Si es posible, los flotantes deben evacuarse por dos sistemas distintos:
Figura 13.27. Decantadores secundarios. Evacuación
sumergida intermitente de flotantes.
-
En marcha normal sin desnitrificación, es decir, con flotantes formados
únicamente por grasas, aceites, espumas de Nocardia o partículas desfloculadas:
evacuación a cabeza de la planta.
En caso de desnitrificación: evacuación con los fangos en recirculación.
Con una válvula de membrana se efectúa una evacuación intermitente, siendo la
posición del puente la que controla su apertura cuando el rascador de superficie
llega a una distancia prefijada (Fig. 13.27).
DISEÑO DE DECANTADORES SECUNDARIOS RECTANGULARES
Relaciones longitud-anchura y longitud-profundidad
A. RELACIÓN LONGITUD-ANCHURA
Esta relación se entiende para un decantador o parte del decantador, efectivamente
separado por paredes. Cuanto más alto es este cociente, menores son los riesgos de
cortocircuitos, pero también es mayor el costo de construcción. Se recomienda una
proporción mínima de 3:1 (Ref. L13); en plantas existentes pueden encontrarse
relaciones de 3 a 9, e incluso superiores.
B. RELACIÓN LONGITUD-PROFUNDIDAD
De estas dos dimensiones depende la velocidad horizontal; las dos influyen en el mismo
sentido para una carga hidráulica constante.
No existen muchas recomendaciones para fijar la relación longitud/ profundidad.
Metcalf y Eddy (Ref. L-12) indican un valor de 10, pero algunas plantas funcionan bien
con relaciones mayores.
C. PROFUNDIDAD
Las normas americanas dicen muy poco sobre la profundidad de los decantadores
rectangulares, y las normas alemanas dan la misma profundidad que para la forma
circular.
Creemos que es posible adoptar, como profundidad media en los decantadores
rectangulares, la profundidad externa de los circulares, puesto que la energía a disipar
en la entrada es mucho menor. También es lógico adoptar decantadores rectangulares o
circulares del mismo volumen y de la misma profundidad recomendada, P, que puede
calcularse por:
-
Circular: P = 2,8 + 0,04 D.
Rectangular: P = 2,8 + 0,023 L.
Estos cálculos suponen que la longitud es cuatro veces la anchura; en caso contrario
debe mantenerse la misma relación. La proporción longitud-profundidad varía en este
cálculo de 6 a 14 para longitudes de 20 a 60 m; el valor recomendado de 10 no se
respeta para longitudes inferiores a 36 m.
Extracción de fangos
A. EQUIPOS DE EXTRACCIÓN
a) Rascadores de cadenas
En Estados Unidos es prácticamente el único sistema empleado; en Europa apenas
existen plantas con cadenas.
Este sistema tiene la ventaja esencial de producir un transporte continuo del fango, lo
cual no es posible con un puente móvil. Como ventaja secundaria, los equipos se limitan
a un grupo motorreductor, lo que representa poco mantenimiento.
El mayor inconveniente es de orden económico, ya que los rascadores de cadenas tienen
un costo de inversión mayor que el de los sistemas de puente, pero que no puede
amortizarse en más de 15 ó 20 años, vida normal de las cadenas de buena fabricación, es
decir, la mitad de la de un puente.
El sistema puede ser sencillo o doble, con extracción de fangos al centro o en el primer
tercio.
b) Puentes rascadores
Los puentes rascadores son de gran utilización en Alemania.
Sus costos de inversión y mantenimiento son menores que los de cadenas, pero su
mayor inconveniente es el funcionamiento discontinuo.
La Figura 13.28 representa la variación de la concentración de extracción de los fangos,
medida durante dos ciclos de marcha en la planta de Viena (Ref. 4).
Se puede ver que:
- Hay una concentración mínima de extracción, del orden de 4 g/l; este valor
permanente representa el 60% de la masa total extraída con los cuatro decantadores
funcionando con el mismo ciclo, y el 70% con una marcha de cada decantador
desplazada un cuarto de ciclo.
- En el primer caso, la punta de concentración es del 220% con relación a la media, y
solamente del 150% con el funcionamiento desplazado.
Veremos, posteriormente, que una extracción intermedia en la mitad o en el primer
tercio de la longitud equivale a duplicar el número de aparatos. Es decir, con cuatro
decantadores y una extracción intermedia, la concentración varía dentro de límites
aceptables.
La construcción de estos puentes es similar a la de los decantadores primarios, pero las
rasquetas deben tener una altura del orden de 0,60 m.
c) Puentes de succión
Los puentes de succión en los decantadores rectangulares tienen las mismas ventajas e
inconvenientes que en los circulares.
Las formas de succión también son similares; pueden ser: varios tubos verticales o un
tubo único horizontal perforado con orificios de aspiración que desembocan, mediante
un sifón, en un canal lateral común a dos aparatos.
Algunas veces, especialmente en pequeños decantadores, los tubos verticales u
horizontales se conectan a una bomba sumergida que impulsa al canal lateral de
recogida.
d) Tanques combinados
En estos aparatos (Fig. 9.2), los fangos sedimentados resbalan sobre las paredes,
construidas con una pendiente de 55 a 60º, hasta el fondo, desde donde pasan a la cuba
de aeración mediante air-lifts.
B. PUNTOS DE EXTRACCIÓN
Los decantadores de succión extraen los fangos sobre toda la longitud de la cuba; los
decantadores equipados de cadenas o de puentes rascadores tienen 1 ó 2 puntos de
extracción que pueden situarse en varios lugares.
a) Extracción a la entrada
Al contrario que en los decantadores circulares, en los rectangulares la velocidad
horizontal no decrece progresivamente, sino que es constante en toda la longitud. Esto
significa que una parte importante de los fangos sedimentará en los primeros metros del
recorrido. Para acortar el transporte de fangos, es preferible extraerlos lo más cerca
posible de la entrada. Pero el problema es el mismo que para los decantadores circulares
(ya descrito anteriormente), es decir, que los dos flujos, fangos y licor a decantar,
circulan a contracorriente, con influencia de uno sobre el otro.
De todas formas, hasta el momento es el sistema más empleado.
b) Extracción a la salida
Con este sistema desaparece el problema de los flujos a contracorriente, pero la mayor
parte de los fangos debe transportarse sobre casi toda la longitud de la cuba, lo que da
problemas no sólo de transporte propiamente dicho, sino también de tiempo de
permanencia de los fangos
Como los inconvenientes superan a las ventajas, la extracción a la salida fue poco
empleada, y actualmente se ha abandonado.
c) Extracción intermedia entre la entrada y la salida
Como ya hemos dicho en la discusión de los decantadores circulares con extracción
anular, una vez retirada la mayor parte de los fangos no se presentan problemas de
funcionamiento con los flujos a contracorriente. La distancia de transportes es mayor
que con extracción a la entrada, pero la mitad que si es a la salida.
En Estados Unidos, este sistema se llama Gould, y se empleó en varias plantas
importantes; la extracción se sitúa a la mitad de la distancia entre la entrada y la salida,
y el transporte se hace con un doble equipo de cadenas e igual longitud.
En Alemania, a veces se emplean dos puntos de extracción: uno a la entrada y el
segundo en el primer tercio (ver ejemplo en la Figura 13.31).
Figura 13.28. Decantadores secundarios rectangulares. Concentración
de extracción de fangos con cuatro aparatos.
Figura 13.29. Decantadores secundarios rectangulares. Alimentación en licor tipo
Stuttgart. (Planta Viena-Simuering, Ref 4; 16 decantadores de 74 x 24 m.)
Entrada del licor mixto
El problema de introducción del licor es más importante que en los decantadores
circulares, ya que en éstos la velocidad teórica horizontal, cerca del deflector es de 4 a 5
veces superior a la existente cerca de la pared. Con decantadores rectangulares se pasa
inmediatamente de una velocidad de entrada del orden de 0,30 m · s-1 , a la velocidad
constante horizontal, del orden de 0,006 m · s-1 , es decir, 50 veces menor.
Hay varios sistemas de entrada; la Figura 13.29 representa uno de ellos, que equipa
algunas grandes plantas de Alemania y de Austria.
Cuando existe en cabeza una cuba de floculación, como en la Figura 13.31, constituye
ésta un perfecto medio de disipación de energía para pasar de una alta velocidad de
entrada por las compuertas y asegurar una buena equirrepartición del licor a la
velocidad de decantación.
Figura 13.30. Decantadores secundarios rectangulares. Ejemplo de recogida
del agua tratada por tubos sumergidos y de los flotantes por plano inclinado.
Figura 13.31. Decantadores secundarios de la depuradora del Emschermündung
(Alemania).
Recogida del agua tratada
No vamos a discutir el sistema de recogida transversal del agua tratada que necesita
rasquetas con cadenas, sistema muy poco desarrollado en Europa.
La recogida por tuberías o canaletas, con orificios sumergidos, presenta las mismas
ventajas que para los decantadores circulares.
Las recomendaciones americanas, acerca de la carga hidráulica de los vertederos de los
decantadores rectangulares, no son suficientemente claras para su utilización práctica.
En Alemania tampoco hay reglas precisas. En la planta de Emschermündung, que por su
tamaño (ver Fig. 13.31) fue estudiada con mucho cuidado, la carga media es de: 3,5 m3 ·
h-1 m. El espacio entre dos vertederos es 5,6 m y la longitud es de 2/3 de la cuba.
La Figura 13.30 representa un ejemplo de recogida de agua tratada con tubo sumergido.
El sistema de salida con doble canal, separado por un vertedero, es el mismo que para
los decantadores circulares.
Recogida de flotantes
En los decantadores rectangulares, la recogida de los flotantes es mucho más sencilla
que en los circulares. El rascador de superficie empuja los flotantes hacia un plano
inclinado, donde se deslizan a un canal de recogida. De este canal, diluidos con un
fuerte caudal de agua, los flotantes se conducen a cabeza de la planta, con la posibilidad
de ir al pozo de bombeo de recirculación en caso de desnitrificación. Es el mismo
problema, y las soluciones son idénticas que para los circulares.
Decantadores secundarios de Emschermündung (Alemania)
La razón de este capítulo, acerca de los decantadores rectangulares, es la de
proporcionar alguna información sobre una de las mayores (posiblemente la mayor)
instalaciones de decantación secundaria del mundo. Esta instalación se encuentra en la
planta del Emschermündung, de la Confederación Hidráulica Emschergenossenschaft
en Alemania.
DATOS GENERALES
- Cinco millones de habitantes.
- Caudal medio: 17 m3 · s-1 .
- Caudal máximo: 30 m3 · s-1 .
- Puesta en marcha: 1977
- Los decantadores primarios son también rectangulares.
DECANTADORES (Fig. 13.31)
- Número unidades: 72.
- Dimensiones: 60 · 16,75 · 3,0 m.
- Superficie total: 72.000 m2 .
- Volumen total: 216.000 m3 .
- Floculación con floculadores de eje horizontal, con un tiempo de retención de 18 mm.
a caudal medio.
- Carga hidráulica: 0,9 m/h a caudal medio y de 1,5 m/h para caudal máximo. Los
cálculos siguen las reglas del ATV: el doctor K.H. Kalbskopf, director técnico del
Emschergenossenschaft, fue uno de los asesores de la comisión que estableció las
normas.
- Recogida de los fangos por puente rascador y extracción por dos grupos de tres
arquetas, uno a la entrada y otro en el primer tercio de la longitud.
- Recogida de agua tratada mediante canaletas longitudinales; longitud total de
vertederos: 17.280 metros; carga: 3,5 m3 /h/m.