sedimentacion

Tratamiento de Aguas

Sedimentación

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2.4. SEDIMENTACION 2.4.1. Definición. Se entiende por sedimentación a la remoción, por efecto gravitacional, de las

partículas en suspensión en un fluido y que tengan peso específico mayor que el del fluido. No todas las partículas en suspensión sedimentan en un intervalo dado de tiempo. Las que lo hacen en el intervalo elegido son los llamados "sólidos sedimentables". La sedimentación como tal es un fenómeno netamente físico que se relaciona exclusivamente con las propiedades de caída de las partículas en el agua. 2.4.2. Tipos de sedimentación. En términos generales puede decirse que hay dos tipos de

sedimentación: de partículas discretas y la floculenta o de partículas aglomerables. Un estudio más profundo del fenómeno permite identificar otros tipos de sedimentación como son: zonal o retardada y por compresión. 2.4.2.1. Sedimentación de partículas discretas. Se entiende por sedimentación simple o de

partículas discretas al proceso en el cual una partícula o conjunto de partículas que se encuentran en suspensión en un fluido, se depositan manteniendo su forma durante el recorrido. Este es el caso que ocurre en los desarenadores.

Sedimentación de partículas aglomerables. En el tratamiento de aguas, la sedimentación se usa después de un proceso de coagulación y floculación. En este caso las partículas pueden flocular durante la sedimentación de manera que forman aglomerados de diferentes tamaños, formas y pesos. Al contrario de lo que ocurre en la sedimentación discreta, la trayectoria de las partículas no es recta sino curva, pues las partículas pasan a ganar mayor velocidad a medida que aumentan de tamaño y peso. De esta forma, todo el proceso depende de las características de floculación y sedimentación de las partículas.

2.4.2.2.

No existe un modelo matemático teórico capaz de representar el fenómeno, por lo cual se debe recurrir a la determinación experimental, mediante ensayos de laboratorio o plantas piloto, con el propósito de predecir las eficiencias teóricas remocionales en función de cargas superficiales o velocidades de asentamiento preseleccionadas; para ello debe prevenirse que la muestra de la suspensión sea representativa y que se mantenga a temperatura constante. El ensayo puede realizarse en columnas de sedimentación o basándose en la prueba de jarras.

Figura S-1. Columna de sedimentación y curvas de igual eliminación porcentual para partículas floculentas

Profesores: Ph.D. Carmen Leonor Barajas, Ing. Jorge Buitrago

Departamento de Fluidos y Térmicas

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Sedimentación

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2.4.3. Tanque Sedimentador Ideal. Para comprender lo que sucede en la sedimentación tipo I, se

desarrolló, con base en los estudios de Hazen (1904) y Camp (1946), la teoría de la sedimentación ideal, que se desarrolla con base en las siguientes consideraciones:

- La dirección del flujo es horizontal y la velocidad es la misma en todos los puntos de la zona de sedimentación. - La concentración de partículas de cada tamaño es la misma en todos los puntos de la sección vertical, al comienzo de la zona de entrada. - Una partícula queda removida cuando llega al fondo. Para propósitos teóricos, se acostumbra dividir el tanque de sedimentación en 4 zonas: (Fig. S-2)

Figura S-2. Zonas hipotéticas en un tanque de sedimentación rectangular

- Zona de entrada y distribución del agua. - Zona de sedimentación propiamente dicha. - Zona de depósito de lodos. - Zona de salida o recolección del agua. 2.4.3.1. Zona de entrada. Tiene como objetivos fundamentales:

- Distribuir el agua tan uniformemente como sea posible en toda el área transversal del decantador. - Evitar chorros de agua que provoquen alteraciones en la zona de sedimentación. - Disipar la energía que trae el agua. - Evitar las altas velocidades que pueden perturbar los sedimentos del fondo. Dependiendo del tipo de sedimentación, hay varias formas de estructuras de entrada: plataformas horizontales perforadas con orificios, paredes o tabiques perforados, etc. El número y forma de los orificios también es muy variado. Zona de sedimentación. Es aquella en la cual se eliminan propiamente los sólidos indeseables. Sus características de diseño varían según el tipo de sedimentación y la clase de agua a tratar. 2.4.3.2.

2.4.3.3. Zona de lodos. Tiene como objetivo servir de depósito de las partículas eliminadas. Su

forma o diseño depende de la cantidad de lodos, su distribución, el tiempo de permanencia, su forma de remoción, etc.

2.4.3.4. Zona de salida. Una salida adecuada debe garantizar el no arrastre de las partículas ya

depositadas. Hay gran variedad de zonas de salida, empleándose por ejemplo vertedores de rebose, canaletas de rebose, orificios, etc.



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Figura S-3. Sedimentación de Partículas discretas

Una partícula con velocidad de asentamiento U y transportada horizontalmente con velocidad v , seguiría una trayectoria rectilínea inclinada como resultado de la suma del vector de velocidad de flujo y del vector de velocidad de asentamiento, indicada por la recta OB. Por triángulos semejantes, como se deduce de la figura S-3: U v

d =

L

Por lo tanto, en función del caudal, Q, y del área superficial, A, U

vd =

Qd

L

=

Q =

adL

Q =

aL

A

= carga superficial

La relación Q/A, carga superficial, tiene las dimensiones de velocidad, generalmente m/d, e indica que, teóricamente, la sedimentación es función del área superficial del tanque e independiente de la profundidad. Todas las partículas discretas con velocidad de asentamiento igual o mayor que U serán completamente removidas, es decir que el 100% de remoción ocurriría cuando todas las partículas en la suspensión tuviesen velocidades de asentamiento por lo menos iguales a U. Por el contrario, si consideramos una partícula con velocidad de asentamiento U p menor que U, solamente una fracción de ellas será removida. En efecto, como se observa en la figura, solamente las panículas con velocidad U p < U que alcancen el tanque dentro de la altura DC serán removidas. Además, si el área del triángulo con catetos OC y L representa el 100% de remoción de partículas, entonces la relación de remoción R, fracción removida de partículas con velocidad de asentamiento Up, será: R

=

DC U p OC

=

U

=

AU P Q

=

aLU P Q

La ecuación anterior fue descubierta por Hazen en 1904 y demuestra que para cualquier caudal Q, la remoción de material suspendido es función del área superficial del tanque de sedimentación e independiente de la profundidad. En otras palabras, que la remoción y, por consiguiente, el diseño de sedimentadores depende sólo de la carga superficial.



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2.4.4.

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Sedimentación Floculenta

En este tipo de sedimentación es necesario tener en cuenta las propiedades floculentas de la suspensión, además de las características de sedimentación de las partículas. Dos partículas que se aglomeran durante su asentamiento pierden su velocidad individual de sedimentación y, por consiguiente, se sedimentan con otra velocidad característica de la nueva panícula formada, generalmente mayor que las velocidades originales. Este tipo de sedimentación, conocido como sedimentación floculenta, es el tipo de sedimentación más común en purificación y tratamiento de aguas. En aguas turbias de ríos, el material suspendido consiste principalmente en partículas finas de sílice, arcilla y limo; la densidad relativa de dichas partículas varía entre 2,6 para granos finos de arena hasta 1,03 para partículas de lodo floculado con 95% de agua. Las partículas vegetales suspendidas tienen, según su contenido de agua, densidades relativas entre 1,0 y 1,5. El floc de alumbre y de hierro varía en densidad según el contenido de agua y el tipo de sólido entrapado en él, con densidades relativas para el floc de alumbre entre 1,002 y 1,18 y de 1,002 a 1,34 para el floc de hierro. Por conveniencia, en muchos casos, se supone que la sedimentación de una suspensión es del tipo de partículas discretas, con el objeto de predecir más sencillamente las velocidades de asentamiento y la remoción de material suspendido; sin embargo, para suspensiones de partículas floculentas es necesario el análisis de sedimentación para tener en cuenta dicho efecto sobre el proceso de asentamiento. En la sedimentación floculenta, tanto la densidad como el volumen de las partículas cambia a medida que ellas se adhieren unas a otras mediante el mecanismo de la floculación y la precipitación química. Consecuentemente el peso de la partícula en el agua, W, y la fuerza de arrastre, F, cambian y el equilibrio de fuerzas verticales se rompe. Como resultado, las velocidades de asentamiento de las partículas cambian con el tiempo y la profundidad, es decir que la remoción es función no sólo de la carga superficial sino también de la profundidad y el tiempo de retención. Hasta el presente, no existe formulación matemática que evalúe exactamente todas las variables que afectan la sedimentación de partículas floculentas y por ello es necesario efectuar los análisis con columnas de sedimentación (Figura S-1). Sedimentadores reales. Los sedimentadores reales distan en su comportamiento de

2.4.5.

aquello que la teoría de la sedimentación ideal establece. AsÍ que se hace necesario establecer con claridad las diferencias que se presentan. 

En cuanto al flujo. En la sedimentación ideal se considera que el flujo es estable y uniforme,

pero en la realidad lo único que se puede hacer es minimizar los efectos que sobre la estabilidad y uniformidad del flujo ejercen los siguientes fenómenos: o

o o



Corrientes de densidad. Producidas en la masa de agua por cambios de temperatura y/o

de la concentración de sólidos. Corrientes debidas al viento . Que afectan preferencialmente las capas superiores. Corrientes cinéticas. Ocasionadas por deficiencias en la zona de entrada y/o de salida y/o por obstrucciones en la zona de sedimentación.

En cuanto a la remoción de partículas. Según la sedimentación ideal las partículas que

llegan al fondo quedan removidas y no se resuspenden. En la realidad se ha encontrado que si bien es cierto que la mayoría de las partículas que llegan a la zona de lodos quedan retenidas y no se vuelven a suspender, es evidente que algún porcentaje del total a remover puede resuspenderse y salir en el efluente del sedimentador. Esta resuspensión puede presentarse por alguna de las siguientes causas: o o

Corrientes de densidad y cinéticas, explicadas anteriormente. Operación del sistema de deslodo. Durante el recorrido del "barrelodos" se pueden



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suspender algunas de las partículas ya sedimentadas. En cuanto a la eficiencia de la sedimentación. El desarrollo teórico concluye, que para partículas discretas la eficiencia de la sedimentación de las partículas, es independiente de la profundidad y del tiempo de retención del tanque. En la realidad, para el diseño de los tanques se debe tener en cuenta el efecto que producirá la velocidad de flujo horizontal sobre las partículas sedimentadas. Si esta velocidad es mayor que la de arrastre de las partículas ya sedimentadas, éstas podrán resuspenderse. 2.4.6. Sedimentación de alta velocidad. De acuerdo con la teoría presentada anteriormente, si

se coloca en el sedimentador una bandeja horizontal a una altura h, suficientemente menor que d se podrían recoger partículas que por su velocidad no alcanzaran a ser removidas en el sedimentador convencional, como la indicada por la trayectoria OE (Figura S-3). Decía al respecto Hazen en 1904: "Como la acción del tanque sedimentador depende de su área y no de su profundidad, una subdivisión horizontal produciría una superficie doble para recibir sedimentos, en lugar de una sencilla, y duplicaría la cantidad de trabajo. Tres de aquellas subdivisiones la triplicarían y así sucesivamente. Si el tanque pudiera ser cortado por una serie de bandejas horizontales, en un gran número de celdas de poca profundidad, el incremento de eficiencia sería muy grande". Y luego continuaba: "El problema práctico más difícil de resolver es el método de limpieza. Todo el aparato debe poderse limpiar en forma fácil y barata. Esta operación deber hacerse con más frecuencia, por cuanto con la profundidad reducida a un pequeño valor, la cantidad de agua que pasa por un espacio dado en un tiempo dado, será proporcionalmente mayor, y con ella la cantidad de lodos depositados". Esta idea fue ensayada repetidas veces durante los siguientes 60 años. En 1915 se estableció una patente sobre tanques que tenían varios compartimentos horizontales, los cuales eran barridos continuamente por un colector de lodos que concentraba el fango en un tubo central. En 1946, Camp presentó el diseño de un sedimentador con bandejas espaciadas a 15 cm entre síy con un sistema de recolección mecánica de lodos. Algunas plantas de tratamiento, como las de Washington, Estocolmo, Tokio y París, adoptaron tanques sedimentadores de dos o tres pisos, formados por fondos horizontales. En 1955 se publicó un estudio en el cual se concluía que las fallas de los sedimentadores de celdas se debían principalmente al estudio deficiente de las características hidráulicas del flujo, y se sugería que se conservara el Número de Reynolds (N R) en los sedimentadores de este tipo por debajo de 500 (régimen laminar). La mayoría de los sedimentadores trabajaban con N R entre 20.000 y 200.000 No obstante el éxito obtenido en algunos casos en la aplicación de estas teorías, el mayor problema enfrentado en el diseño del sedimentador de bandejas, era la dificultad en la remoción de los lodos recolectados en ellas, tal como lo previó Hazen. La solución a este problema, presentada por Culp y sus colaboradores en 1967 y 1968, volvió a despertar interés sobre el tema. Los sedimentadores de alta velocidad consisten esencialmente en una serie de tubos (circulares, cuadrados o hexagonales) o láminas planas paralelas colocadas en un tanque apropiado con un ángulo  de inclinación, de modo que el agua ascienda por las celdas con flujo laminar. Esto permite cargas superficiales entre 4 y 10 veces mayores que las usadas en sedimentadores horizontales, o sea, entre 120 y 300 m 3 /m2 /día, cuando los sedimentadores ordinarios trabajan con 20-60 m 3 /m2 /día. Los periodos de sedimentación son usualmente menores de 10 minutos. La ventaja de trabajar con velocidades de asentamiento de 0,14-0,42 cm/seg está en que se obtiene un flujo mucho más estable que el que existe en los sedimentadores ordinarios, en los que la velocidad de asentamiento rara vez excede de 0,07 cm/seg y generalmente es menor. 2.4.6.1.

Descripción

del

sistema.

Las tres diferencias básicas entre los sedimentadotes convencionales y los de flujo laminar o de alta rata son: o o

El fondo del decantador no es horizontal sino inclinado La profundidad del decantador es muy baja (unos pocos centímetros) de manera que se deben



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o

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construir un considerable número de celdas superpuestas para poder tratar los volúmenes de agua requeridos. El flujo del decantador es laminar con NR < 500.

Teóricamente existe una diferencia básica entre un decantador que trabaja con flujo laminar con N R entre 100 y 500 (como es el de placas) y otro que trabaja con flujo turbulento como es el convencional con NR entre 10.000 y 250.000. Esta diferencia teórica fundamental debe reflejarse en la forma como se diseñan unos y otros, pues no se puede considerar que un decantador de alta rata es solamente uno de flujo horizontal con placas dentro. Lo más importante en las unidades convencionales es conseguir que el agua se desplace con flujo de pistón en forma homogénea (sin corrientes de densidad) y con el mínimo de turbulencias posibles. La mayor dificultad de ellos es poder mantener sus condiciones hidráulicas estables debido a la muy baja velocidad de avance de las masas de agua. Para ello se han dado ciertas especificaciones sobre relación ancho-largo-profundidad que obviamente no se aplican para decantadores de placas. En estos últimos lo más importante es conseguir una distribución uniforme en todo el fondo del decantador y una recolección también muy uniforme del efluente encima de las placas, a fin de obtener una repartición lo más equilibrada posible del flujo en toda el área. Cada espacio entre placas debe considerarse un pequeño decantador que tiene que recibir la misma cantidad de agua que los otros. Por tanto las especificaciones dadas para decantadores convencionales no deben tenerse en cuenta en los de alta rata. Cargas Superficiales

En América Latina los decantadores de placas se han venido calculando con cargas entre 120 y 185 m3 /m2 /d con eficiencia de remoción por encima del 90%. Esto no implica que no puedan utilizarse cargas más altas en donde se hayan hecho experiencias piloto y se haya demostrado que tal cosa es factible sin deterioro notable del efluente. A falta de experiencias piloto Yao (1972) sugiere el uso de las columnas sedimentación de Camp, o las pruebas de jarras utilizando para ambos casos un factor de correlación de 2, como medida de seguridad, esto es, dividiendo por 2 la carga superficial que se obtenga en las pruebas. Materiales de Construcción y Forma

Dado el gran número de elementos planos que hay que introducir en los decantadores de alta rata, el problema básico para resolver es conseguir materiales de muy bajo costo unitario y que resistan largo tiempo bajo el agua. Esto es un problema más económico que técnico. Los elementos que se han ensayado con éxito son: El asbesto-cemento, la madera y el plástico. 1. Asbesto-Cemento

Las placas de asbesto-cemento, cuyo tamaño normal es de 1.20 m de ancho 2.40 m de largo, fueron, sin lugar a dudas, el material más comúnmente utilizado durante mucho tiempo por su bajo costo, su resistencia a la corrosión y su disponibilidad en todos los países. Se han utilizado con éxito láminas de 10 mm de espesor pero después se vio que eran también adecuadas las de 6 mm a 8 mm siempre y cuando hayan sido fabricadas con fibra de asbesto largo. Una de las objeciones que han sido presentadas contra las láminas de asbesto-cemento es su posible deterioro en aguas ácidas. Se puede decir que las placas de A.C. se corroen en todos los casos en que el cemento Portland es atacado y que en términos generales es cuando: a. El pH es inferior a 7 b. El contenido de CO2 libre es mayor de 3.5 mg/l. c. El contenido de sulfatos, como S04, es mayor de 1500 mg/l.



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A pesar de las ventajas mencionadas, en los últimos años ha disminuido mucho el uso de los productos de asbesto-cemento que estén en contacto con el agua. Una alternativa que se ha desarrollado consiste en utilizar otro tipo de material en lugar del asbesto, por lo cual en la actualidad se está trabajando también con láminas planas de fibro-cemento. 2. Madera

La madera puede durar mucho tiempo bajo el agua siempre y cuando permanezca húmeda y no sufra periodos alternativos de hidratación y desecación. Se les puede dar diferentes tipos de tratamiento para garantizar una mayor durabilidad. Sin embargo su uso puede resultar más costoso que otras soluciones. 3. Plástico.

El plástico es un material ideal para hacer sedimentadotes de alta rata, por su bajo peso y su manejabilidad. Sin embargo su costo es relativamente alto. Comercialmente se consiguen módulos de varias dimensiones, muy rápidamente adaptables a los distintos casos que se puedan presentar. Sistema de Entrada

La entrada del flujo bajo las placas resultó ser mucho más importante de lo que consideró en un principio. Inicialmente se dejó una cámara previa de sedimentación horizontal relativamente grande antes de que el flujo llegara a la zona de decantación acelerada propiamente dicha. Pero se ha visto, que esto es innecesario y no da ningún margen de seguridad. El agua floculada debe entrar directamente debajo de las placas. Sin embargo, la velocidad con que ella entre, determina la forma como el flujo se distribuya en las diferentes celdas. Sistema de Salida

La uniformidad con la cual las masas de agua ascienden por entre las placas, depende tanto del sistema de salida como del de entrada. Por eso debe ponerse gran cuidado en el proyecto de esta parte del sedimentador de alta rata. Se ha observado que cuando se construyen vertederos de salida solamente al final del tanque, al estilo del sistema tradicional, la eficiencia del decantador de placas disminuye considerablemente, debido a que no trabaja toda el área cubierta por ellas sino solo la que se aproxima a los vertederos y el resto actúa como zona muerta. Para conseguir una extracción uniforme del flujo puede hacerse un canal central recolector y canales laterales o un canal central recolector y tuberías perforadas laterales. Ambos sistemas funcionan correctamente siempre y cuando estén bien diseñados. Cuando se usan canal es laterales, el espaciamiento “x” entre los bordes de ellos debe ser igual como máximo al doble de la altura “y” de la lámina de agua sobre las placas. O sea que x = 2y.

Empero, produce resultados más confiables hacer x = 1.5y. Debe evitarse el hacer vertederos de bordes lisos porque cualquier desigualdad en la nivelación de ellos (aunque sea de pocos milímetros) produce desigualdades apreciables en la cantidad de agua extraída. Por eso cuando se usan vertederos de concreto hay que adosarles a los bordes láminas de acero apernadas con vertedero en V, que trabajen con tirantes de agua entre 5 y 10 cm u orificios laterales en los flancos de ellas con tirantes similares. Los tubos perforados en la parte superior (como los que se observan en la figura) dan excelentes resultados, cuando cada orificio es del mismo diámetro, tiene una carga de agua de 5 a 10 cms sobre él y descarga libremente dentro del tubo, el cual no puede trabajar a sección llena. Esta última condición es básica para obtener que cada orificio extraiga la misma cantidad de agua. Los orificios, sin embargo, tienden a obstruirse cuando hay un gran crecimiento de algas y deben estarse limpiando.



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Drenaje de lodos

El nivel máximo de agua en el canal central de recolección del efluente no debe ser mayor que el del centro de los tubos, a fin de asegurar la descarga libre de todos ellos. En el caso que se empleen canaletas laterales, su descarga en el canal central también debe ser libre. El diámetro d “ de los orificios en tubos de asbesto -cemento se puede obtener, considerando un coeficiente (determinado experimentalmente) de c = 0.9. “

2.4.6.2. Aplicaciones prácticas de los sedimentadores de alta velocidad. Los sedimentadores

de alta velocidad pueden usarse para:

- Aumentar el flujo en sedimentadores sobrecargados sin perder eficiencia, - Disminuir el área de sedimentación y, por tanto, la inversión de capital en nuevos diseños. Dentro de los sedimentadores de alta velocidad existen muchas marcas comerciales, originarias de distintas partes del mundo, cada una de ellas con sus propias características en cuanto a materiales, sección, tamaño, etc., que permiten escoger precios y marcas según la mejor conveniencia del comprador. No se debe olvidar la opción de tener este tipo de sedimentadores, mediante la construcción in situ de un sistema no patentado, que puede estar compuesto por placas lisas u onduladas, tubos de sección cuadrada, circular o de otra forma, siempre que cumplan con unos requisitos mínimos: deben ser durables en agua con pH ácido y no deben corroerse en presencia de iones Al(III) y Fe(III); deben tener superficies lisas que permitan un flujo laminar; no deben ser excesivamente quebradizos o demasiado elásticos. Los materiales que cumplen en mayor o menor proporción estos requisitos son láminas planas u onduladas de asbesto-cemento, las láminas de triplex pintadas con barniz marino, láminas de plástico rectas u onduladas, etc.

Material adaptado de:

Teoría y Práctica de la Purificación del Agua. Jorge Arboleda Valencia. Acodal, 1995 Purificación del Agua. Jairo Alberto Romero Rojas, Escuela Colombiana de Ingeniería, 2000 Manual de Purificación del Agua. Jorge Arturo Pérez Parra. U. Nacional. Medellín. 2002



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Sedimentación - Diseño

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DISEÑO DEL SEDIMENTADOR En el Capítulo sobre sistemas de potabilización, el RAS establece lo siguiente: "C6.4.3

Sedimentadores de flujo horizontal y flujo vertical

Los sedimentadores pueden ser rectangulares, circulares o cuadrados. Para determinar el número de sedimentadores debe tenerse en cuenta los siguientes factores: el tamaño de la planta, las etapas, la forma y las condiciones del terreno y su operación. Los sedimentadores deben estar provistos de dispositivos que permitan la limpieza, incluidas tuberías de agua a presión con hidrantes. C.6.4.3.1

Sedimentador flujo horizontal.

La unidad debe constar de: 1. Zona de entrada: La entrada del agua a los sedimentadores debe ser realizada por un dispositivo hidráulico capaz de distribuir el caudal uniformemente a través de toda la sección transversal, disipar la energía que trae el agua y garantizar una velocidad longitudinal uniforme, de igual intensidad y dirección. Para los sedimentadores el dispositivo de entrada a la unidad debe trabajar con un gradiente igual al de la última cámara de floculación. El trayecto entre las dos unidades debe ser lo más corto posible, por lo cual los floculadores deben quedar próximos a la estructura de entrada de los sedimentadores. En caso de emplear pantallas perforadas debe cumplirse con los siguientes requisitos: a) Debe hacerse un gran número de orificios con diámetro pequeño. b) Los orificios más bajos deben estar a una distancia del fondo de 1/4 a 1/5 de la altura de la lámina de agua y los orificios más altos deben quedar por debajo de la superficie del agua, a una distancia de 1/5 o 1/6 de la altura de la lámina de agua. Cuando los sedimentadores están colocados a continuación de un floculador de paletas, deben tomarse las precauciones necesarias para evitar que la turbulencia generada por éste afecte la zona de entrada en el sedimentador. 2. Zona de sedimentación: Debe constar de una cámara con volumen y condiciones de flujo adecuados que permitan la sedimentación de las partículas. No debe contener ningún elemento que interfiera el paso del flujo dentro de esta zona. 3. Zona de salida: Debe estar constituida por vertederos, canaletas o tubos con perforaciones. 4. Zona de recolección de lodos: Debe diseñarse teniendo en cuenta los parámetros del literal C.6.5.2 (Remoción y descarga de lodos) C.6.4.3.2 Sedimentador de flujo ascendente o vertical Esta unidad se acepta para los niveles bajo y medio de complejidad del sistema. Es adecuado cuando el caudal de flujo y la calidad del agua cruda es constante. El tanque puede ser circular con fondo cónico o piramidal y con un canal o tubo central por donde debe entrar el agua a la unidad, donde debe quedar el floculador integrado a la unidad. No se aceptan floculadores separados en este tipo de sedimentador. El área de sed imentación debe tener las mismas cargas que un sedimentador de flujo horizontal. C.6.4.4 Sedimentador de alta tasa El tanque debe estar provisto de módulos de tubos circulares, cuadrados, hexagonales, octogonales, de placas planas paralelas, de placas onduladas o de otras formas, que deben colocarse inclinadas de modo que el agua ascienda por las celdas con flujo laminar. El diseño debe ser flexible para facilitar el retiro o el cambio de placas. Debe dejarse acceso fácil al fondo del tanque debajo de las placas, con su respectiva escalera. Debe quedar espacio suficiente debajo de las mismas para que el operario pueda desplazarse con facilidad a todo lo largo de la unidad.

C.6.5 PARÁMETROS DE DISEÑO C6.5.1 Unidades de sedimentación Para los niveles medio alto y alto de complejidad deben realizarse estudios en el laboratorio y/o planta piloto para determinar los parámetros de diseño. Para los otros niveles es opcional. En caso de no realizar ensayos previos las unidades deben diseñarse teniendo en cuenta los siguientes criterios: C.6.5.1 .1 Sedimentadores de flujo horizontal y flujo vertical 1. Sedimentador flujo horizontal a) Tiempo de detención: La unidad debe diseñarse de forma que permita un tiempo de detención entre 2 h y 4 h. Profesores: Ph.D. Carmen Leonor Barajas, Ing. Jorge Buitrago


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b) Carga superficial: Debe estar entre 2 m 3 /(m2.día) y 30 m3 /(m2.día). Para los niveles medio, medio alto y alto de complejidad puede llegar hasta 60 m 3 /(m2.día), pero requiere de operación y control especial. c) Velocidad del flujo: El sedimentador de flujo horizontal debe diseñarse de forma que permita una velocidad horizontal del flujo de agua de aproximadamente 5 mm/s. d) Altura del agua: La altura del nivel del agua debe estar entre 3 m y 5 m. e) Pendiente longitudinal: La pendiente longitudinal del fondo debe ser mayor al 2%. f) Descarga de lodos: Debe existir un dispositivo de descarga apropiado de lodos que permita un vaciado de la unidad en máximo seis horas. g) Dimensiones: Para tanques rectangulares, la relación entre el ancho y el largo es de 1:5 y la relación entre el largo y la profundidad debe estar entre 5:1 y 25:1. h) Número de unidades: Para los niveles bajo y medio de complejidad, la planta de tratamiento debe tener como mínimo dos unidades. Para los niveles medio alto y alto de complejidad debe tener como mínimo tres unidades. 2. Sedimentador de flujo ascendente o vertical En el diseño del sedimentador de flujo ascendente, deben tenerse en cuenta los siguientes criterios: a) Tiempo de detención: La unidad debe permitir un tiempo de detención entre 2 h y 4 h. b) Carga superficial: El sedimentador debe diseñarse de forma que permita una carga superficial entre 20 m 3 /(m2.día) y 30 m3 /(m2.día), máximo 60 m 3 /(m2.día). c) Altura del agua: La altura del nivel del agua debe estar entre 3 m y 5 m. d) Dimensiones: Para tanques circulares, el diámetro del tanque debe ser menor de 40 m e) Número de unidades: Para los niveles bajo y medio de complejidad la planta de tratamiento debe tener como mínimo dos unidades. Para los niveles medio alto y alto de complejidad, debe tener como mínimo tres unidades. C.6.5.1.2

Sedimentador de alta tasa

1. Tiempo de detención: La unidad debe diseñarse de manera que el tiempo de detención esté entre 10 min y 15 min. 2. Profundidad: La profundidad del tanque debe estar entre 4 m y 5.5 m. 3. Carga superficial: La carga superficial de la unidad debe estar entre 120 m 3 /(m2.día) y 185 m 3 /(m2.día). 4. Sistema de salida: El sistema debe cubrir la totalidad del área de sedimentación acelerada y debe constar de tuberías perforadas o canaletas que trabajen con un tirante de agua no inferior a 8 cm. 5. Número de Reynolds: El número de Reynolds (Re) debe ser menor a 500, se recomienda un Reynolds menor a 250. 6. Sedimentadores con placas: Para sedimentadores con placas debe tenerse en cuenta además lo siguiente: • • •

La inclinación de los placas debe ser de 60º. El espacio entre los placas debe ser de 5 cm a 10 cm. En caso de emplear placas de asbesto - cemento el espesor de la placa debe ser de 8 mm a 10 mm.

8. Número de unidades: Para los niveles bajo y medio de complejidad la planta de tratamiento debe tener como mínimo dos unidades. Para los niveles medio alto y alto de complejidad, debe tener como mínimo tres unidades. 9. Extracción de lodos: Debe hacerse con múltiples perforados colocados en superficies inclinadas con un ángulo no menor de 45º. La extracción debe ser continua." Para el caso de este ejemplo, se dimensionará un sedimentador de flujo horizontal que es, dentro de los sedimentadores convencionales, de los más utilizados. Se hará el cálculo para un caudal de 100 l/s y 16°C.

Como lo establecen las normas, en toda planta debe haber por lo menos dos unidades de sedimentación, de tal forma que cuando se suspenda una se pueda seguir trabajando con la otra. A pesar de que el RAS no establece nada al respecto, los diseñadores recomiendan que ante la eventualidad de que una de las unidades salga de servicio, bien sea por que esté en proceso de lavado o cualquier otro tipo de mantenimiento que se requiera, el área total de los decantadores debe incrementarse en un porcentaje adicional como se muestra en la siguiente tabla:

1. Número de unidades.



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Número de Unidades 2 3 4 5 o más


Carga superficial m3 /m2 /día 30 40 33 67 11 22 8.5 17 7 13

20 0 0 0 0

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50 100 33 25 20

Para el caso se tomarán 2 unidades. 2.

Carga Superficial = Q/A. La determinación de la carga superficial para unas condiciones específicas puede hacerse

experimentalmente efectuando un ensayo de sedimentación. A falta de datos experimentales, pueden adoptarse especificaciones de carácter general. Según mediciones realizadas, los flóculos de sulfato de aluminio sedimentan con una velocidad comprendida entre 0.015 y 0.070 cm/s, o sea entre 13 y 60 m/día. Por tanto, podría concluirse que en ese caso la carga superficial debería estar entre 13 y 60 m 3 /m2 /día. En el pasado, cuando se usaban casi exclusivamente filtros de arena fina, se esperaba del sedimentador la máxima remoción posible, para prolongar así las carreras de filtración y, por tanto, se escogían cargas superficiales bajas (de 15 a 25 m3 /m2 /día). La tendencia en la actualidad es a aumentar éstas notablemente. Por otro lado, también se ha encontrado que el valor de la carga superficial (m 3 /m2 /día) depende en muy buen grado, del tipo de instalación que se tenga y de la clase de operación que se efectúe en la planta, así: Instalaciones pequeñas, operación precaria: de 20 a 30 m 3 /m2 /día Instalaciones con nueva tecnología, operación razonable: 30 a 40 m 3 /m2 /día Instalaciones con nueva tecnología, operación buena: 35 45 m3 /m2 /día Instalaciones grandes con nueva tecnología, operación excelente: 40 60 m3 /m2 /día. –

–

Para el caso se adoptará una carga superficial de 30 m 3 /m2 /día. Por lo tanto el área resultante por sedimentador se deberá incrementar en el 33%, de acuerdo con el criterio mencionado en el punto 1. Como Q = 100 l/s, el caudal q por unidad será 50 l/s = 4320 m3 /día y se tendrá que: Carga superficial por cada sedimentador: q/A=30, A=q/30=(4320 m 3 /día) /(30 m3 /m2 /día)=144 m2 Área ajustada = 144*1.33=191.52 m2 A=191.52 m2 = L*W (largo * ancho)

Figura 1 Profesores: Ph.D. Carmen Leonor Barajas, Ing. Jorge Buitrago


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El periodo de retención es el tiempo máximo que la partícula con la mínima velocidad de sedimentación escogida, tarda en llegar hasta el fondo. Por tanto es directamente dependiente de la profundidad del tanque. Generalmente se adopta un periodo de retención para la zona de sedimentación comprendido entre 2 y 4 horas. Las profundidades varían entre 3 y 5 metros y con mayor frecuencia entre 3.5 y 4.5 metros. Periodo de retención y profundidad:

Para el caso se tomará un periodo de retención t de 3.2 horas, de modo que el volumen de la zona de sedimentación será: V = q*t = 0.05 m3 /s * (3 horas * 3600s/hora) = 576 m 3 La profundidad H se puede calcular ahora: H*191.52=576, de modo que H=576/191.52=3.01m., valor adecuado. 4.

Generalmente los sedimentadores son rectangulares y la relación ancho-largo varía entre 1:2.5 y 1:10. Como lo hemos visto, el RAS establece esta relación en un valor de 1:5. Forma:

Para el caso se adoptará la relación recomendada por el RAS 1:5, es decir, L = 5W, de manera que W*5W*3.01=576; de aquí W = 6.19m. y L = 30.95 m. 5.

De acuerdo con la información experimental disponible, pareciera ser que para el floc de sulfato de aluminio, la velocidad horizontal óptima podría estar alrededor de 0.5 cm/s o menos. Por otra parte, se consideran adecuadas relaciones largo-profundidad entre 5:1 y 25:1 Velocidad horizontal y relación longitud-profundidad:

. En figura 2 se muestran las relaciones existentes entre carga superficial y L/H para distintas velocidades horizontales.

Fig. 2 De acuerdo con lo anterior, para una carga superficial de 30 m 3 /m2 /día y una relación L/H = 30.95/3.01=10.28, se tiene una velocidad horizontal cercana a 0.36 cm/s. En caso de que se quiera incrementar el valor de esta velocidad, será necesario disminuir la anchura del tanque. Consideremos aceptable el valor de 0.36 cm/s. De manera que las dimensiones de la zona de sedimentación, debidamente aproximadas, serán: L=31 m. W=6.20m y H=3.00m.



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6. La Zona de Entrada tiene los siguientes propósitos:  

 

Distribuir el agua tan uniformemente como sea posible en toda el área transversal del sedimentador. Evitar chorros de agua que puedan provocar movimientos rotacionales de la masa líquida, u otras corrientes cinéticas. Disipar la energía que trae el agua. Evitar altas velocidades que puedan perturbar los sedimentos del fondo.

Es pues conveniente que las velocidades de entrada no sean, en lo posible, mayores de 20 cm/s, preferiblemente cercanas a 15 cm/s. La consideración que predomina aquí no es la posibilidad de ruptura del floc por esfuerzo cortante, pues puede resistir mayor esfuerzo, sino la de perturbaciones de la lámina líquida. Por otra parte, si las velocidades en los orificios de entrada son muy bajas, la distribución del flujo no es uniforme. En la figura 3 se muestran algunos esquemas de estructuras de entrada destinadas a minimizar los problemas que puedan surgir de los aspectos mencionados, pero que de ningún modo se podrán eliminar totalmente. Las estructuras a, b, c constan de muros dobles y la d de muros sencillos. Las primeras tienen la ventaja sobre la segunda de evitar que la turbulencia creada en el floculador por las paletas se transmita hasta el sedimentador. Son, sin embargo, un poco más costosas. La estructura d es más sencilla, pero proyecta chorros de agua inestables dentro de la masa de agua del sedimentador. El aboquillar los huecos incrementando su sección en la dirección del flujo, puede mejorar el funcionamiento hidráulico, al disminuir la velocidad de entrada. Los tabiques difusores deben cumplir los siguientes requisitos: Debe hacerse un gran número de orificios pequeños La forma ideal es la circular y después la cuadrada Si no hay remoción mecánica de lodos, los orificios más bajos deberán estar a H/4 o H/5 por encima del fondo. Los orificios más altos deberán estar a H/5 o H/6 de la superficie del agua. El tabique difusor deberá estar a 0.80m. de la pared frontal del sedimentador (espacio suficiente para la limpieza).     

Algunos autores sugieren conservar, en lo posible, el mismo gradiente de velocidad de la última parte del floculador, tanto en los canales de aducción de agua al decantador, como en los orificios de los tabiques o cortinas difusoras de entrada, cuando las hay. El valor de G en orificios se puede calcular con la siguiente ecuación: G

Fv3

en donde F es un coeficiente 8R que puede variar entre 0.02 y 0.04; n es la viscosidad cinemática, v es la velocidad del flujo en los orificios; R es el radio medio hidráulico = Área / perímetro mojado (R para orificios es igual a d /4, siendo d el diámetro del orificio). Escogido G, se puede hallar para el menor diámetro prácticamente elegible, el flujo por orificio que debe haber y, por tanto, el número de orificios. =

n *

En caso de que el gradiente en la última cámara del floculador haya sido de 20 s -1, tomando F = 0.03, con -6

2

1.14*10 m /s y v = 15 cm/s, se tendrá: 20



=

0.03*(0.15)3

de aquí se tiene que d = 0.111m, esto es 1.14*10 6 * 8*(d/4) d=11.1 cm. Si se requiere trabajar con un gradiente mayor, lógicamente se requerirá un menor diámetro. El caudal por orificio será q=( p /4)(0.1112)*0.15=0.00145m3 /s = 1.45L/s El número de orificios requeridos será entonces 50 l/s n 35 orificios. Estos orificios se distribuirán preferiblemente de manera uniforme y respetando los 1.45 l/s criterios ya mencionados. =

=

-

=

La Zona de Salida,

si bien es menos crítica que la de entrada, debe tenerse en cuenta que el tipo de estructura de salida determina en buena parte la mayor o menor proporción de partículas que pueden ser resuspendidas en el flujo. Sin embargo, estas perturbaciones afectan sólo la masa de agua que está al final del decantador; en cambio, las de entrada pueden afectar toda la masa líquida. De la gran cantidad de estructuras que se han propuesto, cabe destacar las indicadas en la figura 4: vertederos de rebose, canaletas de rebose y orificios.



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Fig. 3 Estructuras de entrada Los vertederos de rebose, cualquiera sea su forma, en lo posible no deben dejar zonas muertas, como las que se presentan en el caso b, pues la trayectoria de las partículas se tiene que curvar aumentando las posibilidades de arrastre. Los deflectores del viento que se incluyen en los casos a, b y e, penetran a poca profundidad dentro del agua, y tienen por objeto evitar el oleaje que el viento produce y que puede acarrear considerable cantidad de floc hasta las canaletas o vertederos de salida. Las canaletas de rebose c y d se diseñan con el propósito de disminuir la carga lineal sobre ellas. Algunos proyectistas prefieren prolongar su longitud hasta 1/3 y aún ½ de la extensión total del tanque sedimentador. La salida por orificios tiene la ventaja de no crear distorsión de las líneas de flujo en el sedimentador, además de ser una solución sencilla y de producir un mínimo de pérdida de carga. Cuando la salida se hace mediante este sistema, como los orificios se encuentran sumergidos, se puede calcular el caudal con la formula Profesores: Ph.D. Carmen Leonor Barajas, Ing. Jorge Buitrago


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Q CA 2 gDh 4.43CA D h en la cual A es el área del orificio en m 2, orificio o diferencia de nivel en m. C es un coeficiente que varía entre 0.6 y 0.8. =

=

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D h es

la pérdida de carga en el

recibe las partículas sedimentadas. Se ha determinado que entre el 60% y el 90% de los lodos queda almacenado al comienzo del sedimentador, en el primer tercio de su longitud. La cantidad de lodos varía en proporción directa con la cantidad de coagulantes usados. Para el almacenamiento de los lodos se sugiere dejar un volumen adicional del 10% al 20% en el tanque sedimentador.

La Zona de Lodos

Por otra parte, debe tenerse en cuenta que si la velocidad del agua en el fondo del sedimentador es muy grande, las partículas asentadas pueden ser resuspendidas en el flujo y acarreadas en el efluente. Existe pues una velocidad va la cual puede calcularse considerando al sedimentador como un canal rectangular e n el cual la fuerza tractora que tiende a transportar una partícula depositada en el fondo, es igual a la componente paralela a dicho fondo, del peso de agua por unidad de área superficial, multiplicado por la pérdida de carga por unidad de longitud. De acuerdo con las anteriores consideraciones y teniendo en cuenta la resistencia del fluido al movimiento de la partícula, se llega a la siguiente expresión para va: va

8K

g(Ss 1)d f Esta es la velocidad a partir de la cual teóricamente pueden empezar a ser arrastradas las partículas del fondo de un sedimentador. En esta expresión K es una constante que varía entre 0.04 para sedimentadores de partículas discretas y 0.06 para sedimentos de sólidos floculentos. Ss es la densidad relativa de las partículas de diámetro d y f representa el coeficiente de fricción de la fórmula de Darcy-Weisbach que para el concreto se toma como 0.03. =

-

SEDIMENTACIÓN DE ALTA TASA . Por sedimentación de alta tasa se entiende la sedimentación en elementos poco profundos , en módulos de tubos circulares, cuadrados, hexagonales, octogonales, de p lacas planas paralelas, de placas planas onduladas o de otras formas en tanques poco profundos, con tiempos de retención menores de 15 minutos. En estos sedimentadores el flujo es laminar y generalmente ascendente. Las siguientes ilustraciones muestran dos modelos de sedimentadores de alta tasa:

En la ilustración de la izquierda se muestra en forma simplificada el sedimentador de alta tasa que hace uso de placas planas (pueden ser de asbesto cemento, fibra de vidrio o materiales similares). El indicado en la parte superior es de módulos (patentados), los cuales son suministrados por empresas especializadas. El principio de funcionamiento es similar en ambos casos. Posteriormente se presentará otro material con elementos de diseño apropiados para este tipo de sedimentadores.



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Fig. 4 Estructuras de Salida



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sedimentacion

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