Subido por Josmar Rovira

Sedimentadores PTAR

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MODULO 7
J. H. Sierra c.
SEDIMENTACIÓN PRIMARIA
La sedimentación es un fenómeno físico en el que las partículas suspendidas
presentan un movimiento descendente en un medio líquido de menor masa
específica, debido a la acción de la gravedad. La ocurrencia de la sedimentación
de partículas suspendidas propicia la clarificación del medio líquido, o sea, la
operación de separación de las fases sólida y líquida.
En un determinado intervalo de tiempo, no todos las partículas en suspensión
sedimentan y a las que lo hacen, dependiendo de sus características y su
concentración en la suspensión, se les llama "Sólidos Sedimentables".
La sedimentación de partículas discretas, aquellas que no cambian sus
características (forma, tamaño, densidad) durante el movimiento descendente en
el medio líquido, se presenta en desarenadores.
Cuando hay una baja concentración de partículas en el agua estas se depositan
sin interferir dando lugar a un proceso de Sedimentación en "caída libre"; a
diferencia de suspensiones con altas concentraciones de partículas, normalmente
más de 500 mg/l, en las que se producen colisiones que las mantienen en uno
posición fija, ocurriendo un depósito masivo en lugar de individual; a este proceso
de sedimentación se le conoce como "caída interferida o Sedimentación zonal".
Cuando las partículas ya en contacto forman una masa compacta que inhibe una
mayor consolidación generan un fenómeno de "compresión" que da lugar a la
denominada "zona de compresión".
Las principales aplicaciones de la sedimentación en el tratamiento de aguas
residuales son:
 Remoción de arenas y materiales similares.
 Remoción de sólidos suspendidos en clarificadores primarios.
 Remoción de floc biológico en clarificadores finales de lodos activados.
 Remoción de humus en clarificadores finales de filtros percoladores
CONSIDERACIONES TEÓRICAS SOBRE LA SEDIMENTACIÓN
Los principios de la sedimentación para el tratamiento de aguas residuales son los
mismos que para el tratamiento de agua, los equipos y métodos operacionales son
también similares.
La teoría de la sedimentación establece que toda partícula con velocidad de
sedimentación (Vs) mayor o igual que la establecida se asentará y será removida
si no hay resuspensión, la cual ocurre cuando la velocidad del flujo horizontal es
mayor o igual que la velocidad de arrastre (Va), también preestablecida.
Figura 7.1 Esquema de un tanque de sedimentación rectangular ideal
Un tanque de sedimentación rectangular ideal se ilustra en la figura 7.1, en la que
están representados su longitud (L), ancho (W) y profundidad (H). V es velocidad
horizontal y Vs es la velocidad de sedimentación, que corresponde a partícula de
más pequeño tamaño entre todas las que se remueven. Cuando una partícula de
este tamaño entra al tanque por la superficie del agua, punto 1, sigue la trayectoria
indicada e intercepta a la zona de lodos en el punto 2, el cual es el final aguas
abajo. De acuerdo con estas convenciones se tienen las siguientes expresiones
para tiempo de retención y velocidad de sedimentación:
t = H / Vs
(7.1)
t = L/V
(7.2)
V=Q/H*W
(7.3)
t = L*W*H / Q
(7.4)
t = ∀/ Q
(7.5)
L*W*H = H / Vs
(7.6)
Vs = Q / L*W
(7.7)
Vs = Q / A
(7.8)
Ecuaciones en las cuales:
t = Tiempo de retención, horas
W = Ancho del sedimentador, m
L = Longitud del sedimentador, m
H = Profundidad del sedimentador, m
V = Volumen útil del sedimentador, m3
Q = Caudal, m3/ día
V = Velocidad horizontal del flujo, m/d
Vs = Velocidad de sedimentación, m/d
Las expresiones 7.1 a 7.8 también son validas para sedimentadores circulares,
aunque para su deducción se emplea otro procedimiento matemático que se
puede consultar en textos diversos, en especial Eckenfelder (1980). Reynolds
(1982) y Ramalho (1983).
Las velocidades de sedimentación (Vs) y arrastre (Va) se pueden adoptar para un
determinado tamaño (diámetro) y peso específico, o se pueden estimar a partir de
ábacos, figuras y tablas, o bien se pueden obtener haciendo ensayos de
sedimentabilidad a escala piloto o a escala de laboratorio. Abunda literatura sobre
el particular, pero para las pretensiones del presente modulo es suficiente retomar
lo expuesto en las consideraciones teóricas del modulo 6 (desarenadores).
Páginas 2 a 5, en las cuales se tiene:
4
𝑔
Vs = [3 (𝐶 ) (𝑆𝑠 − 1)𝑑]
𝑑
(7.9)
La ecuación (7.9) es una expresión de la ley de Newton con las siguientes
dimensiones o unidades:
Ss = gravedad especifica de la panícula (adimensional)
CD = coeficiente de arrastre (adimensional) = f (Re)
g = 98 m/s2 = 980 cm/s3
d = diámetro de la partícula (m) o (cm)
Vs = velocidad de sedimentación (m/s) o (cm/s)
Va = [8βgd(Ss-1) / f]1/2
(7.10)
Ecuación en la cual.
Va
= velocidad de arrastre (para partículas con diámetro < d) cm/s
β
= constante = 0.04 para arena granular y 0.06 para material no uniforme
que puede apelmazarse (adimensional)
f = coeficiente de fricción de Darcy - weisbac
f = 0.03 para cemento
d = diámetro da la partícula en cm.
CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DE UNIDADES DE SEDIMENTACIÓN
Las reglamentaciones en materia de sólidos están escritas en términos de
limitaciones a los sólidos sedimentables (S.Sed.). la mayoría de los datos de
diseño se presentan para sólidos suspendidos (S.S.), los cuales son objetos de
gravamen por concepto de tasas retributivas (Decreto 901, de abril de 1977,
Ministerio del Medio Ambiente)
S.S.
=
S. Sed
+
S. No. Sed
(100%)
=
(60%)
+
(40%)
La figura 7.2 ilustra sobre la remoción de S.S. en función de la carga superficial
(C.S.) o tasa de aplicación.
Como requerimiento mínimo, la sedimentación primaria tendrá que lograr el 60%
de remoción de S.S., tratamiento con el cual se logra un efluente con 1ml S.Sed/l.
 TIPOS DE SEDIMENTADORES
Sedimentadores rectangulares (Figura 7.3)
 Carga superficial:
 Ancho (W):
Q < 4000 m3/d

C.S. < 24 m3/d/m2
Q> 4000m3/d

C.S. < 32 m3/d/m2
1.5 m < W < 6.0 m
Anchos > 6.0 m presentan problemas para los mecanismos de remoción de
lodos.
 Longitud (L):
L = 3W a 5W; L puede alcanzar hasta 90 m.
 Tiempo de retención (tr): 90 min < tr < 150 min, basado en Qdiseño.
 Profundidad (H): Hmin = 2.1 m (H > 2.1 m)
Unidades sin remoción mecánica pueden ser menos profundas, pero deben
proveerse de tolvas para almacenamiento de lodos.
Las tolvas tienen paredes con inclinación de 30° a 45°.
 Dispositivos de entrada y salida (Figura 7.4)
Los dispositivos de entrada y salida se diseñan para minimizar turbulencias y
distribuir el flujo adecuadamente en lodo el ancho del tanque. La entrada puede
estar constituida por una serie de tubos espaciados a lo ancho del tanque, un solo
tubo descargando verticalmente bajo la superficie del agua o simplemente por un
canal a todo lo ancho del tanque con orificios uniformemente espaciados.
Generalmente después de los dispositivos de entrada se construye un tabique
para prevenir cortocircuitos y para distribuir el flujo lateral y verticalmente. El
tabique se instala aproximadamente a unos 0.60 a 0.90 m al frente de la entrada y
sumergido 0.45 a 0.60 m dependiendo de la profundidad del tanque, con el borde
a 0.05 m bajo la superficie del agua para permitir que las natas pasen sobre él. La
salida para prácticamente todas las unidades son vertederos triangular tipo 'V
(diente de sierra), los cuales vierten a un canal que conduce el A.R. hacia el punto
de descarga. Los vertederos deben ser ajustables Para nivelarlos y
suficientemente grandes para evitar que altas cargas puedan provocar corrrientes
de derrame. La carga sobre el vertedor se restringe a 185 m 3/d/metro lineal para
prevenir flujos excesivos; el canal de salida se dimensiona para una velocidad
aproximada de 60 cm/s.
Normalmente al frente de los vertederos de salida se colocan tabiques retención
de natas, los cuales se extienden 15 a 30 cm bajo la superficie del agua y 5 a 10
cm sobre la misma.
Longitud del vertedor (Lv) = Qdiseño/qv (=)
m3 / d .
(m3/d/m)
= (=)
m
Los sedimentadores con colector mecánico normalmente se implementan con un
tubo ranurado de acero de 15 a 20 cm, de diámetro, instalado superficialmente a
lo ancho del tanque justo antes del vertedor. Su función es retener y dirigir los
sobrenadantes hacia un depósito de natas.
Sedimentadores circulares (Figura 7.5)
El uso de sedimentadores circulares se limita a diámetros iguales o mayores que
7. 50 m. Los hay con diámetros hasta de 60 m, pero el promedio es del orden de ø
30 m.
Como en el caso de los sedimentadores rectangulares el tiempo de retención no
es muy importante, pero la C.S. si lo es. La profundidad mínima es de 2.10 m.
Dispositivos de entrada y salida
Los sedimentadores circulares pueden ser de alimentación central y de
alimentación periférica. En el primer caso un tabique radialmente concéntrico
distribuye uniformemente el afluente en todas direcciones; la salida está
constituida prácticamente por la periferia del tanque como se ve en la figura 7.5a.
Los sedimentadores de alimentación periférica introducen el afluente alrededor del
borde exterior del sedimentador; los tabiques se extienden uno o dos metro: bajo
la superficie e impiden la ocurrencia de cortocircuitos. La salida esté localizada en
el centro como se indica en la figura 7.5 b.
En los tanques circulares de alimentación central, ésta se puede hacer a través de
un tubo horizontal sumergido desde la pared hasta el centro o por un sifón
invertido localizado bajo el piso del tanque. En la salida usualmente se instalan
vertedores tipo V a lo largo de la periferia. Los tabiques de salida se extienden 20
a 30 cm bajo la superficie del agua y se localizan frente a los vertedores para
retener la nata.
Los tabiques de entrada deberán tener diámetro del 10 al 20% del diámetro del
tanque y se deberán extender 0.90 a 1.80 m bajo la superficie del agua. El canal
periférico que conduce el efluente deberá ser de fondo liso y proporcionado para
dar velocidad del orden de 60 cm/s.
Como en los rectangulares, la carga sobre el vertedero se limita a 185 m3/d-m
lineal.
Generación y recolección de lodos en unidades do sedimentación
La cantidad de sólidos (lodos) que sedimentan está en función de la carga de
sólidos esperados y del porcentaje de remoción de sólidos sedimentados. El
volumen de los sólidos puede calcularse de acuerdo con las concentraciones
esperadas. Las aguas negras municipales normalmente contienen alrededor de
300 mg/htro de sólidos suspendidos y 180 mg/litro de sólidos sedimentables. La
sedimentación primaria remueve el 60% de los sólidos suspendidos y hasta un
95% de sólidos sedimentables. Esto equivale más o menos a 180 mg/litro de
sólidos; de manera que un caudal de 1000 m3/día produciría 180 kg de sólidos
base seca.
Los sedimentadores se diseñan con fondos de pendientes ligeras, normalmente
alrededor del 1% para sedimentadores rectangulares y 8% para sedimentadores
circulares. Esta pendiente facilita el drenaje de la unidad y ayuda a la remoción de
los lodos que están en el fondo del sedimentador. Para hacer más expedito su
manejo, los lodos tienen que espesarse a un grado correcto, normalmente 5 a 8%
de sólidos en peso, porque si se permite que el lodo primario sea demasiado
espeso (mayor de 10-12% de sólidos), se podría dificultar su bombeo.
La extracción de lodos se deberá llevar a cabo periódicamente en función de la
cantidad de sólidos sedimentables, por ejemplo para la remoción de 180 kg/día de
sólidos, con una concentración en los lodos del 5% de sólidos, el peso diario de
los lodos acuosos tendrá que ser igual a 3,600 kg. Estimando que la densidad es
1000 kg por m3. el volumen diario de los lodos acuosos se aproxima a 3.6 m
El volumen de los lodos generalmente es demasiado grande para removerlo
manualmente, por lo tanto se requiere de dispositivos mecánicos. Los tanques
rectangulares normalmente utilizan mecanismos de rastras que constan de dos
cadenas sin fin que soportan las rastras de madera, las cuales remueven el lodo a
una tolva colocada al extremo del tanque; usualmente el afluente y la tolva se
encuentran con el mismo extremo. La remoción de los lodos de la tolva se hacen
preferentemente por bombeo. Estas mismas rastras, al moverse sobre superficie
del líquido, empujan el material flotante hacia una artesa o canal para su
recolección y posterior remoción. La figura 7.6 muestra este tipo dispositivos.
Otro dispositivo para remoción de lodos que se usa en tanques rectangular el
"puente viajero". El puente se mueve a lo largo del tanque en ambas direcciones
Cuando se mueve hacia el afluente este dispositivo actúa como removedor de
lodo y cuando regresa opera como un recolector de material sobrenadante. La
configuración de este dispositivo se muestra en la figura 7.7.
Los sedimentadores circulares utilizan uno, dos o cuatro brazos que giran
alrededor de un eje central.
Los brazos están equipados con paletas que
empujan el lodo hacia una tolva de descarga. La figura 7.8 muestra sedimentador
circular con alimentación al centro, equipado con rastras recolección de Iodos.
Las
características
de
estos dispositivos son proporcionadas por los
fabricantes.
Cabe hacer mención de los sedimentadores sin equipo mecánico, puesto que es
muy probable que en nuestro medio se puedan utilizar satisfactoriamente por tener
un costo más bajo que el de los sedimentadores con remoción mecánica de lodos
aunque se eficiencia de remoción sea menor. La función principal de estos
tanques también es separar los sólidos sedimentables de las aguas residuales;
estos se acumulan por gravedad en tolvas localizadas en el fondo del tanque
desde donde se bombean o se descargan por la acción de la presión hidrostática.
Los sólidos sedimentados se deberán extraer a intervalos frecuentes, para que su
descomposición y la consecuente formación de gases. En estos tanques el
material sobrenadante se deberá remover manualmente. El dimensionamiento de
estos tanques es semejante al efectuado para los sedimentadores con remoción
mecánica, sin embargo se permite que sus profundidades sean menores de 2.1
metros, sin contar la que corresponde a las tolvas. Las paredes que conforman la
tolva tendrán una inclinación de 45°.
 Comparación de Costos entro sedimentadores rectangulares y circulares
Se tienen que considerar dos elementos importantes para comparar el costo del
sedimentador rectangular contra el sedimentador circular: costo de estructura y
costo de mecanismo para remoción de lodos.
Generalmente la unidad del tanque circular simple es menos cara que la del
tanque rectangular con la misma área. Donde se requieren unidades múltiples de
tanques rectangulares con construcción de paredes en común, el costo estructura
es menor.
Generalmente los mecanismos para remoción de lodos en sedimentan circulares
cuestan menos que los dispositivos de cadena y paletas o el colector de puente
viajero que se usan en tanques rectangulares y normalmente el costo del
mantenimiento también es menor.
FIGURA 7.2
Remoción de sólidos suspendidos en función de la carga superficial en
sedimentadores primarios
REFERENCIAS
ECKENFELDER, W. W., JR.; Principles of waler quality management. Bosto;
PubVishing Company, Inc., 1980. x, 717 p. ilus.
RAMALHO, R. S : Introduction to wastewater treatment processes. 2 ed. Ne\ and
London, Academic Press, 1983. IX. 580 p. ilus.
REYNOLDS, T. D.: Unit operations and processes in environmental engim
Monterrey, Brooks/Cole Engineering Division, 1982. XV, 576 p. ilus.
SIERRA, J. H. Oesarenadores, modulo 6 de las notas del curso diseño de p de
tratamiento de aguas residuales. 31 p. Mus. 1999
DECRETO 901, DEL PRIMERO DE ABRIL DE 1999, DEL MINISTERIO DEL
MEDIO AMBIENTE, por medio del cual se reglamentan las tasas retributivas la
utilización directa o indirecta del agua como receptor de los vertimientos puntuales
y se establecen las tarifas de éstas.
Figura 7.3.
Diagrama esquemático de un sedimentador rectangular
Figura 7.4.
Estructuras de entrada y salida
Figura 7.5.
Sedimentador circular típico
Figura 7.6.
Sedimentador rectangular con recolección mecánica de lodos
Figura 7.7.
Colector con puente viajero en tanques de sedimentación rectangulares
Figura 7.8.
Sedimentador circular, alimentación central con rastras para recolección de lodos
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