Trabajo Sedimentador

DISEÑO PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS SISTEMA DE SEDIMENTACION Santiago, 20 de enero del 2012 Universidad de Santiago de Chile Dpto. Ing. Civil en Obras Civiles

Dpto. Ing. Civil en Obras Civiles Patricia Mery Autores Raúl Aliaga Aliaga Fernando Cortés Farrán

INDICE

Introducción Marco Teórico Diseño de decantador circular Anexos Bibliografía

pag. 3 pag. 4 pag.12 pag.18 pag.20 .

Calidad Ambiental- Diseño Sistema de Sedimentación Circular

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INTRODUCCION

En el presente informe se señalan los criterios teóricos y técnicos para el diseño de un sistema de sedimentación perteneciente a una planta de tratamiento de agua potable y se desarrolla el diseño de un sedimentador del tipo circular, diseño basado en la optimización del proceso y factibilidad técnica dada por las condiciones y antecedentes del proyecto, y en la experiencia práctica de plantas ya existentes. Es importante señalar que la mayoría de los criterios utilizados y bibliografía han sido extraídos prácticamente en su totalidad de la teoría y apuntes entregados en el curso de Calidad Ambiental dictado por la Profesora Patricia Mery.


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MARCO TEORICO

SEDIMENTADORES Los sistemas de sedimentación tienen por finalidad principal remover las partículas en suspensión que se encuentren en el agua y lograr la clarificación de esta. Según la interacción y concentración de partículas en suspensión, el proceso de sedimentación puede se clasifica en:    

Tipo I o Discreta Tipo II o Floculenta Tipo III o Retardada Tipo IV o Compresión

Según los alcances de este proyecto y consideraciones realizadas en los procesos previos, nos concentramos en Sedimentación Tipo I o de Partículas Discretas. Sedimentación Tipo I o Discreta: Se refiere a la sedimentación de partículas en una suspensión con una concentración de sólidos baja. Las partículas sedimentan como entidades individuales y no hay interacción sustancial con las partículas vecinas. Según la teoría de Newton las fuerzas que actúan sobre estas partículas se mantienen en equilibrio y por tanto no existe aceleración vertical. Las fuerzas actuantes sobre las partículas son: Fuerza de Arrastre (Fuerza de Drag) y Peso propio de la partícula. Y están definidas por: Peso propio: (

)

Ecuación-1, Peso de la partícula en el agua

Fuerza de arrastre:

Ecuación-2, Fuerza de arrastre o Drag

en que:  : Volumen de la partícula A : Área de la sección transversal a la dirección de movimiento. ρs : Densidad de la partícula. ρw : Densidad del agua. CD : Coeficiente de Arrastre o Drag. u : Velocidad de sedimentación. Calidad Ambiental- Diseño Sistema de Sedimentación Circular

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Suponiendo una partícula esférica y haciendo un equilibrio de fuerzas: (

(

)

⁄

)

Ecuación-3, Velocidad final de la partícula

En que: : Diámetro de la partícula. Según el caso de análisis y el régimen que rodea la partícula dependerá la valoración de

.

Para régimen laminar Re < 1, por tanto:

en que: : Viscosidad dinámica : Viscosidad cinemática Por lo tanto asociando las ecuaciones previas obtenemos, la “Ley de Stokes”: (

)

Ecuación-4, Ley de Stokes

Para régimen de transición: 1 < Re <

√ Para régimen turbulento Re >

Para el diseño de estanques de sedimentación se asume la Teoría del Estaque de Sedimentación Ideal de Camp.


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TEORIA DEL ESTANQUE DE SEDIMENTACION IDEAL DE CAMP 1- La sedimentación es del tipo I. 2- Se distinguen 4 zonas en el estanque de sedimentación:  Zona de entrada  Zona de Salida  Zona de Sedimentación  Zona de acumulación de lodos 3- Existe una distribución uniforme de las velocidades a la entrada y salida del sedimentador. 4- Existe una distribución uniforme de partículas en la zona de entrada. 5- Las partículas que caen en la zona de lodos permanecen ahí, y las que penetran la zona de salida no son removidas en el decantador.

Figura-1, Comportamiento de una partícula en el estanque de sedimentación según Camp. Cuando una partícula de tamaño d entra en el estanque en el punto 1 (superficie) sigue la trayectoria indicada e intercepta la zona de lodos en el punto 2 que se encuentra en el extremo aguas abajo.

Según lo descrito y usando Figura-1:

El tiempo de retención será: Ecuacion-5

Por continuidad: Ecuacion-6


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De las ecuaciones (5) y (6) se obtiene:

Ecuación-7, Tasa de carga superficial (m3/m2/d), donde

es el área superficial del estanque.

La remoción de las partículas en un estanque de sedimentación variara según las velocidades de sedimentación de estas, este comportamiento se puede apreciar en la Figura-2 (a) y (b). (a)

(b)

Figura-2, Velocidades de partículas en estanque de sedimentación. En las figuras anteriores se muestra que todas las partículas con velocidad de sedimentación V1 mayor que V0 son removidas en un 100% ya que su trayectoria intercepta la zona de lodos. Para partículas con velocidad de sedimentación V2 menor que V0.

En una suspensión típica se produce una gran variación del tamaño de las partículas y por tanto se produce una gran variación en las velocidades de sedimentación. Debido a esto se debe evaluar todo el rango de velocidades de sedimentación para determinar la eficiencia del diseño. Para lograr esto existe don maneras: Mediante análisis granulométrico y ensayo con hidrómetro combinado con la Ecuacion-3 o mediante el uso de una columna de sedimentación. Cualquiera sea el método escogido, la curva de sedimentación final será la misma (Figura-3).

Figura-3, Curva de sedimentación partículas en decantador


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Finalmente la fracción total de partículas removidas, considerando la velocidad de diseño, Vo, para nuestro sistema de sedimentación estará definido por: (

)

∫

Ecuación-8, fracción de partículas removidas según velocidad de sedimentación.

∫ (

: fracción con velocidad menor que Vo ): fracción removida con velocidad mayor que Vo

CRITERIOS DEL DISEÑO Para la realización de este informe y diseño del sistema de sedimentación se utilizaron los siguientes criterios: 1- Según los requerimientos y antecedentes del proyecto se deben escoger los valores de carga superficial “Vo” y el tiempo de retención “t” a utilizar en el diseño. 2- Con el área superficial y la profundidad media fija, el ingeniero debe determinar la geometría del estanque (rectangular o circular) y el número de unidades. 3- El número de estanques de sedimentación esta dado por el gasto a tratar, con un cierto grado de flexibilidad y economía en el diseño. 4- Se recomienda un mínimo de dos sedimentadores cuando es necesario sacar uno de servicio para limpieza o mantenimiento, o bien cuando el agua tratada requiere de coagulación previa.

Tasa de Carga Superficial Consiste en el parámetro más importante para el diseño del tamaño del sedimentador, valores recomendados para la decantación de sólidos son fijados según las necesidades y características del proceso. Para aguas tibias > 20°C con gran contenido de sólidos utilizan valores altos de tasa de carga superficial. Para aguas frías con poca turbiedad o altas en color orgánico o algas recomiendan valores bajos.

Tabla-1, valores típicos de tasa superficial según el tipo de remoción que se necesite.


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Tiempo de Retención No es un valor fijo, y dependerá de las condiciones y requerimientos que se tengan en la planta de tratamiento y por tanto los valores que se ocupen dependerán del criterio del ingeniero que este diseñando. A menudo se han diseñado clarificadores con tiempos de retención del orden de 4 horas. En general se trata de clarificadores con limpieza manual que necesitan de un volumen adicional para almacenar lodos y poseen profundidades en 4.5 a 5 m. En este caso los tiempos de retención pueden variar entre 4 horas cuando están recién limpios a 2 horas justo antes de la limpieza. La tecnología con que se cuenta en la actualidad permite diseñar decantadores modernos con limpieza mecanizada con tiempos de 1.5 a 2.0 horas con excelentes resultados. Geometría La geometría dependerá principalmente de las condiciones espaciales de donde se deba emplazar el proyecto, para los alcances de este informe nos centraremos en estanques circulares. Los sedimentadores circulares se diseñan para cualquier diámetro o profundidad, cuidando solamente no exceder las velocidades horizontales recomendadas las cuales están comprendidas entre 0.25 a 1.25 cm/s. Sin embargo, si se utilizan unidades de limpieza mecanizadas, el diámetro estará dado por el mecanismo existente en el comercio.

Figura-3, Decantador Circular


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Almacenamiento de Lodos Generalmente, los sedimentadores son de flujo horizontal y forma circular, aún cuando en algunas instalaciones se utilizan sedimentadores rectangulares. La unidad está equipada de barredores de fondo y superficiales para retirar los lodos que se acumulan al sedimentar y los flotantes respectivamente. Para la recolección y almacenamiento de lodos se recomienda construir tolvas de un 10 a 20 % del volumen total del decantador de agua potable. U parámetro importante a considerar son las pendientes de fondo para el sedimentador, valores recomendados para estanques circulares se detallan en la siguiente tabla:

Tipo de Servicio Pendiente más frecuente

Tipo de Estanque Circular

Pendiente (V:H) 1.00:12

Agua coagulada con Alum - Turbiedad baja - Turbiedad alta

1.00:12 1.75:12

Ablandamiento con cal - Agua superficial - Agua subterránea

1.75:12 1.00:12

Desarenadores - Turb. hasta 3500 UNT

2.00:12 1.75:12

Limpieza manual (peligro de resbalar)

>1.25:10

Tabla-2, Pendientes recomendadas para estanques de sedimentación circulares

Estructuras de Entrada Para sedimentadores del tipo circular se recomienda y generalmente se usa una zona de ingreso central (estanque) el cual no posee un fondo. Las dimensiones de este estanque están comprendidas entre los valores dados en la siguiente tabla: Mínimo

Típico

Máximo

Ø1/Ø

0.05

0.10

0.20

H1/H

0.25

0.40

0.65

• • • •

Ø 1 : diámetro del estanque de aquietamiento central Ø : diámetro del decantador H1 : altura del estanque central H : altura de agua de decantador

Tabla-3, Dimensiones estanque de entrada para sedimentadores circulares


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Las velocidades de agua en los canales y en las compuertas de alimentación de los sedimentadores, deben ser mantenidas entre los limites de 0,1y 0,4 m/s, pudiéndose igualar el gradiente de velocidad con el valor de G de la parte final de los floculadores.

Estructuras de Salida Para decantadores circulares se puede utilizar un vertedero periférico. Si la carga sobre el vertedero supera las recomendaciones se pueden utilizar canales anulares con un doble vertedero colocados a 0.3 a 1.00 m de la periferia. La unidad de salida es crítica para evitar los cortos circuitos y levantar los lodos ya sedimentados. Lo ideal es diseñar un vertedero de salida, teniendo en cuenta la carga sobre el vertedero de modo de evitar corrientes ascendentes que levanten los lodos. Para el diseño del vertedero de pared delgada se utilizan las siguientes ecuaciones: √ Ecuación-9, Vertederos de pared delgada rectangulares

Para vertederos del tipo V-90° √ Ecuación-9, Vertederos de pared delgada del tipo V-90°

Como las ecuaciones anteriores corresponden a un solo vertedero para el diseño de una canaleta con vertederos la ecuación a utilizar es la siguiente: √ Ecuación-10, canaleta de vertederos de pared delgada del tipo V-90°

en que: H0 : altura aguas arriba del canal Hc : altura crítica (aguas abajo a la salida) Q : descarga total B = ancho basal F : factor de fricción de Darcy (0.03 a 0.12 concreto) L : largo del canal Rm : radio hidráulico medio Hm : profundidad media


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DISEÑO SEDIMENTADOR CIRCULAR Dimensionamiento del estanque decantadores en paralelos T= 40m/día

de tabla 1 (remoción de turbiedad)

- Área superficial:

- Diámetro: √ Diámetro constructivo Por lo tanto recalcularemos la tasa.

- Calculo de altura de agua: Tiempo de retención típico

Volumen:

Altura constructiva Se debe recalcular el tiempo de retención: =>


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Altura con revancha: Se asumirá una revancha de 40cm lo que corresponde a un 12% aproximado de la altura de agua. Hcr=3,7m

Tabla resumen: Altura Hc (m) Altura con revancha Hcr(m) Diámetro (m) Tasa T(m/dia) Tiempo de retención tr(hrs)

3,3 3,7 7 39,29 2,016

Zona de ingreso

Ø1/Ø H1/H De la tabla 3 tomaremos lo valores típicos.

Típico 0,1 0,4

- Diámetro del estanque de aquietamiento central.

- Altura del estanque central.

- Diámetro tubería de entrada.

Velocidad en el rango 0,1-0,4m/s expuesto en marco teórico. Diámetro tubería


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Tubería comercial TUBERIA CLASE 10 355 mm. x 6 mts.

Verificación velocidad

( )

Zona de salida Largo de canal perimetral

√ (

) (

)

(1) (2) (3)

ecuación 9 numero de vertederos

(4)


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Del sistema de ecuaciones conformado por la ecuación (1), (2), (3) y (4). Se obtiene. H=0,11m N=42,27 =>

vertederos

Carga sobre el vertedero: (

)

Geometría del canal De asumirá un ancho b igual a 30 centímetros. B=0,3m (

)

=>

√

=> (

ecuacion 10

)

Calculo de revancha:

Aproximando a un valor construible.


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Diseño tolva Volumen tolva:

Altura construible. No hay cambio significativo en pendiente. Obtención de h para cumplir con las condiciones de volumen entre 0,1-0,3 del volumen total.


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Diseño canal de salida Ecuación de manning

√

Ecuación de Manning

( ) Hormigón De las ecuaciones anteriores podemos obtener h

Dimensionamiento construible. m considerando 13cm de revancha.

Extracción de lodos Se realizara con un sistema mecanizado mediante un puente barredor. Se muestra en el anexo 1


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Anexo 1


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Bibliografía:   

“potabilización de agua”. Autor Jairo Alberto romero rojas “Tratamiento de agua para consumo humano, plantas de filtración rápida”. Autor ing. Lidia de Vargas Apuntes de clase “SEDIMENTACION”, Profesora Patricia Mery, Calidad Ambiental, Universidad de Santiago de Chile.


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Trabajo Sedimentador

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