Prueba de Sedimentación de Lodos (Pre)

Laboratorio de Ingenierı́a Ambiental
Quı́m. Ma. Teresa Morán y Morán
Ing. Leticia Espinosa Marván
Práctica 4: Pruebas de Sedimentación de Lodos
Trabajo Prelaboratorio
Francisco José Guerra Millán
Adelwart Struck Garza
Santiago Andrés Villalobos Steta
México D.F., 25 de agosto de 2008.
Práctica 4: Pruebas de Sedimentación de Lodos
Trabajo Prelaboratorio
1. ¿De qué factores depende la sedimentación de las partı́culas?
La sedimentación de las partı́culas depende de los siguientes factores:
Calidad del agua.
Las variaciones de concentración de materias en suspensión modifican, en
primer lugar, la forma de sedimentación de las partı́culas (con caı́da libre o
interferida), ası́ como las propiedades de las partı́culas modifican la forma
de depósito (sedimentación para partı́culas discretas y decantación para
partı́culas floculentas).
Adicionalmente, variaciones de concentración de partı́culas o de temperatura producen variaciones de densidad del agua y originan corrientes
cinéticas o térmicas que, a su vez, generan cortocircuitos hidráulicos en
las unidades.
Al entrar agua más frı́a al sedimentador, la masa de agua se desplaza por
el fondo de este y produce el tipo de corriente indicada en la Figura 1a.
En cambio, con agua más caliente, se produce el fenómeno inverso, que
aparece indicado en la Figura 1b.
En el caso de variar la concentración, se producen corrientes de densidad
por diferencias en las distintas masas de agua, que suelen crear fuerzas más
importantes que las térmicas. Afortunadamente, la mayor concentración
de partı́culas suele estar en el fondo, pero cualquier perturbación en el
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(a) Debidas a agua frı́a.
(b) Debidas a agua caliente.
Figura 1: Corrientes Térmicas.
flujo, ya sea por temperatura, obstrucciones, alta velocidad de las paletas
del floculador, etcétera, puede alterar el equilibrio y producir un flujo
sinuoso o envolvente sobre sı́ mismo, muy diferente del teórico calculado,
que es el que con frecuencia aparece en los sedimentadores horizontales,
incluso en los bien diseñados.
Condiciones hidráulicas.
Los criterios y parámetros hidráulicos de diseño tienen gran influencia
en la eficiencia de los sedimentadores o decantadores. A continuación se
detallan los principales:
• En la Zona de Sedimentación:
En esta zona se debe tener un número de Reynolds lo más bajo posible y el número de Froude más elevado para tender a un flujo laminar
y estabilizar el flujo. En esta zona las lı́neas de flujo no deben encontrarse con ningún tipo de obstrucciones que alteren su trayectoria.
Adicionalmente, la presencia de flujo de pistón mejora el proceso y
el flujo mezclado no lo favorece.
• En la Zona de Entrada:
La zona de entrada en un sedimentador es un conjunto de estructuras
que debe permitir una distribución uniforme del flujo de agua hacia
la zona de sedimentación. En una unidad de sedimentación convencional de flujo horizontal, esta distribución uniforme debe darse a
todo lo ancho de la unidad y en profundidad.
Las alteraciones del flujo en la zona de entrada deben evitarse y su
presencia puede deberse a una velocidad excesiva del flujo en la entrada del sedimentador, o a que los orificios de ingreso sean muy
grandes y el movimiento de las paletas del floculador sea tal que comunica demasiada energı́a al flujo. Al no haber disipación de esta
energı́a en el tabique divisorio (caso de unidades convencionales de
flujo horizontal), las masas de agua entran con diferente gradiente de
velocidad, creando turbulencias que pueden extenderse dentro de la
zona de sedimentación.
Similarmente, puede mencionarse como causa de corrientes cinéticas
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la distribución desigual del flujo en la entrada del sedimentador (orificios de distintos diámetros o algunos parcialmente obstruidos), la
existencia de tabiques que dejan pasar el agua solamente por el fondo,
vertederos, etcétera, lo que produce que adicionalmente modifican el
tiempo de retención.
• En la Zona de Salida:
Esta zona se caracteriza por permitir una recolección uniforme de
agua sedimentada a una velocidad tal que evite arrastrar flóculos en
el efluente. Canaletas de pequeña longitud, mal ubicadas, mal niveladas o impropiamente diseñadas producen cortocircuitos hidráulicos
y zonas muertas que pueden inutilizar grandes áreas de los sedimentadores.
Factores externos.
Paradójicamente, los factores externos al proceso de sedimentación –acondicionamiento previo (procesos previos a la sedimentación), prácticas
operacionales y factores ambientales– son los que tienen más influencia en
la eficiencia de un sedimentador o decantador.
Buena o inadecuada coagulación y floculación ocasionan, respectivamente, altas o bajas eficiencias en los decantadores. Idéntico comentario cabe
realizar acerca de la operación y el estado de la unidad, ası́ como sobre los
programas de mantenimiento existentes. A la vez, el viento, al soplar sobre
la superficie de los sedimentadores, puede producir corrientes de suficiente
intensidad como para inducir cambios en la dirección del flujo y alterar el
precario equilibrio de las masas de agua.
En unidades grandes el viento puede crear oleajes de cierta magnitud, lo
que interfiere el proceso o desequilibra la distribución del flujo en las canaletas de salida.
Se entiende por sedimentación la remoción por efecto gravitacional de las
partı́culas en suspensión presentes en el agua. Estas partı́culas deberán
tener un peso especı́fico mayor que el fluido. Está relacionada exclusivamente con las propiedades de caı́da de las partı́culas en el agua.
2. ¿Cuántos tipos de sedimentación se pueden presentar en un proceso
de sedimentación? ¿De qué depende la variación de comportamiento?
¿Cuáles son sus caracterı́sticas?
Las partı́culas en suspensión sedimentan en diferente forma, dependiendo de
las caracterı́sticas de las partı́culas, ası́ como de su concentración. Es ası́ que
podemos referirnos a la sedimentación de partı́culas discretas, sedimentación de
partı́culas floculentas y sedimentación de partı́culas por caı́da libre e interferida.
Sedimentación de partı́culas discretas: Se llama partı́culas discretas a aquellas partı́culas que no cambian de caracterı́sticas (forma, tamaño, densidad) durante la caı́da. Se denomina sedimentación o sedimentación simple
al proceso de depósito de partı́culas discretas. Este tipo de partı́culas y
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esta forma de sedimentación se presentan en los desarenadores, en los sedimentadores y en los presedimentadores como paso previo a la coagulación
en las plantas de filtración rápida y también en sedimentadores como paso
previo a la filtración lenta.
Sedimentación de partı́culas floculentas: Partı́culas floculentas son aquellas producidas por la aglomeración de partı́culas coloides desestabilizadas
a consecuencia de la aplicación de agentes quı́micos. A diferencia de las
partı́culas discretas, las caracterı́sticas de este tipo de partı́culas –forma,
tamaño, densidad– sı́ cambian durante la caı́da. Se denomina sedimentación floculenta o decantación al proceso de depósito de partı́culas floculentas. Este tipo de sedimentación se presenta en la clarificación de aguas,
como proceso intermedio entre la coagulación-floculación y la filtración
rápida.
Sedimentación por caı́da libre e interferida: Cuando existe una baja concentración de partı́culas en el agua, éstas se depositan sin interferir. Se
denomina a este fenómeno caı́da libre. En cambio, cuando hay altas concentraciones de partı́culas, se producen colisiones que las mantienen en
una posición fija y ocurre un depósito masivo en lugar de individual. A
este proceso de sedimentación se le denomina depósito o caı́da interferida
o sedimentación zonal. Cuando las partı́culas ya en contacto forman una
masa compacta que inhibe una mayor consolidación, se produce una compresión o zona de compresión. Este tipo de sedimentación se presenta en
los concentradores de lodos de las unidades de decantación con manto de
lodos.
• Partı́culas discretas con caı́da libre: El fenómeno de sedimentación de
partı́culas discretas por caı́da libre, también denominado en soluciones diluidas, puede describirse por medio de la mecánica clásica. En
este caso, la sedimentación es solamente una función de las propiedades del fluido y las caracterı́sticas de las partı́culas, que en este caso
serı́an la fuerza de flotación (FF), que es igual al peso del volumen
del lı́quido desplazado por la partı́cula (Principio de Arquı́medes), y
fuerza gravitacional (FG).
• Sedimentación interferida: Cuando una partı́cula discreta sedimenta
a través de un lı́quido en caı́da libre, el lı́quido desplazado por la
partı́cula se mueve hacia arriba a través de un área suficientemente
grande sin afectar el movimiento. En la sedimentación interferida, las
partı́culas se encuentran colocadas a distancias tan reducidas que el
lı́quido desplazado se confina como dentro de un tubo y la velocidad
aumenta conforme se interfiere en los campos situados alrededor de
las partı́culas individuales. El flujo no sigue lı́neas paralelas, sino
trayectorias irregulares, a causa de la interferencia de las partı́culas
en suspensión, lo que produce un fenómeno similar al que se genera
en el retrolavado de un filtro.
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3. ¿Cuáles son los parámetros que se deben considerar para diseñar
un tanque de sedimentación? ¿Normalmente qué parámetro es el que
define la sedimentación? ¿Cuál es el parámetro que define las caracterı́sticas del equipo?
Los principales parámetros de diseño para los tanques de sedimentación son:
Tiempo de retención
Velocidad de Arrastre
Producción de fangos
Carga Superficial
Flujo en el tanque
Área
Profundidad
Tiempo de llenado
El parámetro que define la sedimentación normalmente es la velocidad de
arrastre. Además, el parámetro que define las caracterı́sticas del equipo es el
tiempo de retención.
Algunos de los parámetros más importantes en el diseño de tanques de sedimentación son:
Tiempo de retención: Se define como el volumen del tanque de decantación dividido por el caudal. Algunos valores se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1: Tiempo de Retención [h]
A caudal medio
A caudal máximo
Valor mı́nimo
1.5
1.0
Valor tı́pico
2.0
1.5
Valor máximo
3.0
2.0
Carga Superficial o Velocidad Ascensional: Se define como el caudal
de agua a tratar dividido por la superficie del tanque de sedimentación. Algunos
valores se muestran en la Tabla 2.
Velocidad de arrastre: es importante en las operaciones de sedimentación. Las fuerzas actuantes sobre las partı́culas sedimentadas son causadas por
la fricción del agua que fluye sobre las mismas. En las redes de alcantarillado, es
necesario mantener velocidades suficientemente elevadas para que las partı́culas
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Tabla 2: Carga Superficial
h
m3
m2 ·h
i
.
Valor mı́nimo
Valor tı́pico
Valor máximo
1
2
1.5
2.5
2
3
0.8
1.8
1.3
2.2
1.8
2.6
Decantadores circulares
A caudal medio
A caudal máximo
Decantadores rectangulares
A caudal medio
A caudal máximo
no puedan sedimentar. En los tanques de sedimentación las velocidades horizontales se deben mantener a niveles bajos, de modo que las partı́culas no sean
arrastradas desde el fondo del tanque.
Producción de fangos: Se debe conocer o estimar el volumen de fango
producido en los tanques de decantación primaria, de modo que el proyecto y
dimensionamiento de los tanques, junto con las instalaciones de tratamiento y
eliminación del fango se puedan llevar a cabo correctamente. La cantidad de
fangos a extraer de la decantación primaria se da por la cantidad de sólidos en
suspensión eliminada en el proceso. Algunos valores se muestran en la Tabla 3.
Tabla 3: Concentración de Fangos Primarios [ %]
Decantadores de succión
Decantadores de pocetas
Valor mı́nimo
1
3.0
Valor tı́pico
1.5
5.0
Valor máximo
2
7.0
Los parámetros para el diseño de un decantador primario convencional se
muestran en la Tabla 4.
4. Describir el método de Talmadge y Fitch para pruebas de sedimentación en un proceso intermitente o prueba de sedimentación en
columna. (pp. 212-214, Metcalf & Eddy, Inc., Wastewater Engineering: Treatment, Disposal and Reuse, 2nd Ed, 1979, McGraw Hill
Book Co, o pp. 380-382 de Metcalf & Eddy, Wastewater Engineering: Treatment and Reuse, 4a Ed, McGraw Hill) ¿Para qué tipo
de sedimentación se aplica? ¿Qué mediciones se tienen que hacer en
este tipo de análisis? y, ¿Qué información nos proporciona el método?
En el proceso de sedimentación, cuando se tienen partı́culas en soluciones
relativamente diluidas y que no se comportan como partı́culas discretas es por-
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Tabla 4: Parámetros de Diseño para la Sedimentación.
Qmed
Qmáx
Parámetros de diseño
h 3 i
m
Carga superficial m2 ·h
1.3 - 2.0
3.4 - 5.1
Tiempo de retención hidráulica
>2
<1
i
h [h]
m3
Carga máxima sobre vertedero m·h
< 40
2.5 - 3.5
Calado en la vertical del vertedero [m]
Reducción de SS [ %]
>65
m
Velocidad máxima
Circulares:
120
h (perimetral)
m
Rectangulares: 60 m
sistema de arrastre de fangos h
h (circular)
Sistema de recogida superficial y evacuación de espumas y flotantes,
que nunca se incorporarán a lı́nea de agua.
Los fangos no estarán retenidos más de 5 horas.
Su extracción será regulable mediante temporizadores
Se incluirá un by-pass a biológico.
que floculan durante el proceso. Durante la floculación, la masa de las partı́culas
aumenta por lo que éstas se sedimentan con mayor velocidad.
La floculación depende de:
La oportunidad de contacto (que varı́a con el ı́ndice de desbordamiento)
La profundidad del recipiente
Los gradientes de velocidad en el sistema, la concentración de las partı́culas
Rango de tamañños de partı́culas
Los efectos de estas variables se pueden determinar por una sedimentación
en columna. Para la prueba, la columna puede tener cualquier diámetro pero se
debe guardar una relación igual a la del tanque de proceso en altura - profundidad. Además, debe tener puertos de muestro cada cierta distancia. La solución
conteniendo la materia suspendida debe ser introducida a la columna de tal manera que tenga una distribución uniforme de tamaños de partı́culas a lo largo
de la misma. También se debe mantener una temperatura constante durante la
prueba para evitar corrientes de conveccióón. En forma de resumen, el proceso
se debe llevar a condiciones que no generen ningún tipo de actividad.
De cada uno de los puertos se toman muestras de las cuales se analizan los
sólidos suspendidos. A partir de éstos, se calcula el porcentaje de remoción de
cada una y se hace una gráfica de profundidad vs. tiempo. Entre los puntos
graficados se trazan las curvas con porcentajes de remoción iguales. A partir de
esta gráfica se determina la cantidad de material removido. Un ejemplo de este
tipo de curvas se presenta en la Figura 2.
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Figura 2: Columna y Curvas de Sedimentación para partı́culas floculantes
5. Otro método de análisis de sedimentación de lodos es el método
de Flux de sólidos. Establecer: ¿Qué es un flux de sólidos? ¿Qué unidades tiene? ¿Cuáles son los fluxes de sólidos que se presentan en un
espesador continuo? ¿Cuál flux será dependiente del equipo, y cuál
de las caracterı́sticas de la suspensión? ¿Cómo se calcula cada uno
de ellos? (pp. 215-218, Metcalf & Eddy, Inc., Wastewater Engineering: Treatment, Disposal and Reuse, 2nd Ed, 1979, McGraw Hill
Book Co, o pp. 820-824 de Metcalf & Eddy, Wastewater Engineering:
Treatment and Reuse, 4a Ed, McGraw Hill, o pp. 267-277 del Peavy,
Rowe & Tchobanoglous, Environmental Engineering, 1985, Mc Graw
Hill Book Co.)
El flux de sólidos es el movimiento a través de un lı́mite de los sólidos en
un tanque sedimentador. Tiene las siguientes unidades:
SFt [=]
masa
área · tiempo
(1)
Existen dos tipos de flux de sólidos presentes en un espesador continuo:
Gravitacional (SFg ). Dependiente de las caracterı́sticas de la suspensión,
en especial de las partı́culas a sedimentar.
Subflujo (SFu ). Dependiente del equipo.
El flux de sólidos gravitacional se calcula a partir de la siguiente expresión:
SFg = k · Ci · Vi
(2)
donde:
k = (1/16,030)
Ci = Concentración de sólidos en el punto de muestreo, mg/L
Vi = Velocidad de sedimentación de los sólidos a la concentración Ci , ft/h
El flux de sólidos debido al movimiento de la masa de la suspensión, es decir,
el de subflujo se calcula de la siguiente forma:
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SFu = k · Ci · Ub
(3)
donde:
k = (1/16,030)
Ci = Concentración de sólidos en el punto de muestreo, mg/L
Ub = Velocidad de la masa que fluye hacia abajo (bulk downward velocity), ft/h
El flux total de sólidos será la suma de ambos flux:
SFt = SFg + SFu
(4)
6. ¿Qué tipo de gráfica se construye para determinar las caracterı́sticas de operación de un espesador continuo? ¿Que información proporciona esta gráfica?
Para determinar las caracterı́sticas de operación de un espesador continuo
se construye una Gráfica de Sedimentación. A partir de esta gráfica (Profundidad vs. Tiempo) se puede obtener la velocidad de sedimentación. Con la gráfica,
se pueden identificar las zonas de sedimentación que se presentan en el proceso.
Estas zonas son:
Zona de agua clarificada
Zona de subsidencia o sedimentación libre
Zona de sedimentación retardada
Zona de compresión
Estas zonas se observan en la Figura 3.
Figura 3: Gráfica de Sedimentación con las Zonas de Sedimentación.
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En un espesador continuo se considera que los sólidos presentes en la alimentación deben tener la capacidad de sedimentar a través de todas sus zonas
a una velocidad igual a la que se introducen en el sedimentador. Si la superficie
no es suficiente, entonces los sólidos se acumulan en al zona de sedimentación.
Este cambio altera la gráfica por lo que se debe construir otra que relacione
correctamente el área del equipo y el tiempo.
El área mı́nima de la sección transversal del espesador que permite el paso de
los sólidos será aquella suficientemente grande para que los sólidos pasen a través
de ella en una proporción igual o mayor que la proporción alimentada. Si esta
área no es suficiente grande ocurre la acumulación en la zona de sedimentación
antes descrita, lo cual desplaza la zona lı́mite hacia arriba del espesador.
7. ¿Qué es el ı́ndice volumétrico de lodos? ¿Cómo se puede obtener,
y normalmente, que utilidad tiene?
Es el volumen en mL ocupado por 1 g del licor mezclado del tanque de aireación después de 30 minutos de decantación.
Para obtenerlo, se pueden llevar a cabo los siguientes pasos:
1. Homogenizar la muestra, pesar un 1 mL de muestra, llevar a 105 ◦ C por
1 hora, enfriar a temperatura ambiente en un desecador, y volver a pesar.
Por diferencia calcular peso seco. Expresarlo en mg/ L de licor mezclado.
2. Homogenizar la muestra, tomar 1litro, colocar en un cilindro graduado,
decantar por 30 min. Pasado el tiempo, medir el volumen (en mL) ocupado
por el material decantado. Expresar como mL/L.
3. Calcular el Índice de Lodo:
volumen decantado después de 30 min. mL
· 1000
mL
L
(5)
=
SVI
g
concentración de sólidos totales del licor mezclado mg
L
8. Preparar un diagrama de flujo donde se incluyan todas las actividades que implica el experimento, y ordenar en tiempos y asignar
funciones a cada uno de los miembros para optimizar tiempos y movimientos.
Pruebas de Sedimentación de Lodos
Anotar las caracterı́sticas de la suspensión: color, olor, presencia de burbujas,
fuente, tipos de sólidos contenidos.
(5 minutos. Santiago Villalobos.)
⇓
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De la muestra original agitada perfectamente suavemente determinar: sólidos
totales y sólidos disueltos (muestra filtrada), colocando dos muestras de 20 mL
en crisoles de 50 mL previamente pesados y marcados.
(10 minutos. Francisco Guerra.)
⇓
Dejarlos secar en la estufa a 105 ◦ C por 24 horas. Medir turbidez (hacer
dilución si es necesario).
(24 horas. Todos)
⇓
Verter 1 L de la suspensión perfectamente mezclada (sin romper los flóculos)
en la probeta. (*)
(5 minutos. Adelwart Struck.)
⇓
Agitar suavemente para no romper los flóculos y dejar sedimentar lentamente
midiendo la posición (altura y volumen) de la interfase sólido - lı́quido a
intervalos regulares de tiempo cada 2 minutos durante 50 minutos. (**)
(50 minutos. Todos.)
⇓
Dejar compactar el sedimento por 20 minutos adicionales antes de medir el
volumen de los lodos compactados.
(20 minutos. Todos)
⇓
De esta primera suspensión, una vez sedimentada y compactada, sin agitar,
tomar muestras de 20 mL del sobrenadante y determinarle los sólidos totales y
disueltos.
(15 minutos. Adelwart Struck, Francisco Guerra.)
⇓
Medir la turbidez final del sobrenadante.
(Simultáneamente al paso anterior. 5 minutos. Santiago Villalobos.)
⇓
Medir los siguientes volúmenes de la muestra original bien agitada en 4
probetas: a) 750 mL, b) 500 mL, c) 250 mL, d) 126 mL y completar hasta el
volumen total de la probeta (1L).
(Simultáneamente a (*). 10 minutos. Santiago Villalobos, Adelwart Struck.)
⇓
Mezclar cada suspensión suavemente hasta que esté perfectamente suspendida.
Hacer las mediciones de altura y volumen de interfase vs. tiempo (mismas
mediciones que se hicieron a la suspensión original). Si no hay suficiente
equipo se harán de forma secuencial.
(Simultáneamente a (**). 60 minutos. Todos.)
⇓
Al terminar la experimentación con los lodos compactados, decantar el
sobrenadante entre un 50 % y 75 % en el drenaje y los lodos utilizados
devolverlos al recipiente original si ası́ se indica, si no verterlos en el drenaje.
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Referencias
[1] J. W. Clark. Water supply and pollution control. International Textbook,
USA, 2nd edition, 1971.
[2] Escuela Internacional de Ingenierı́a del Agua de Andalucı́a. Diseño de Tratamiento de Aguas Residuales.
http://tar5.eup.us.es/master/ponencias/modulo5/documentacion.pdf, August 2008.
[3] V. Maldonado. Capı́tulo 7: Sedimentación.
http://www.cepis.ops-oms.org/bvsatr/fulltext/tratamiento/manualI/
tomoII/siete.pdf, August 2008.
[4] Metcalf & Eddy, Inc. Wastewater Engineering: treatment and reuse.
McGraw-Hill Book Company, USA, 4th edition, 2003.
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