UNIVERSIDAD
NACIONAL NACIONAL DE COLOMBIA ____________________ Sede Bogotá
SEDIMENTACIÓN SIMPLE (Desarenador)
Curso: Acueductos Profesor: Carlos J. Collazos
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La sedimentación es un proceso físico en el cual se aprovecha la diferencia de densidad y peso entre el líquido y las partículas suspendidas. Lo Los sól sólidos, más pesad sados que el agua, preci precipi pitan tan prod produci ucién éndos dosee la sepa separa ració ciónn de los mismos. Entre más pesada sea la partícula más rápido sedimenta
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Sedimentación libre ó sedimentación simple: aplica a la remoción ó sedimentación de partículas discretas. Este tipo de sedimentación opera en desarenadore ores y presedimentadores. aplicable a la remoción de Decantación: ap partículas floculentas (aglomerables). Apropiado para la clarificación de aguas sometidas a procesos de tratamiento fisicoquímicos o biológicos y también para el espesamiento de lodos.
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Partículas discretas: partículas que conservan su identidad (forma y tamaño) como la arena. Partículas floculentas: partículas aglomerables por coagulación y/ó floculación o de agua residual cruda ó lodos que pueden variar su masa y tamaño
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Cuando la concentración de partículas en el agua es relativamente baja éstas sedimentan por caída libre, sin interferir unas con otras. Además, en el caso de la arena, las partículas no son aglomerables. Esto es lo que normalmente sucede en un desarenador o en un presedimentador como paso previo a los procesos convencionales de potabilización.
El proceso de sedimentación de partículas discretas se produce por caída libre en soluciones diluidas. Esto quiere decir que el fenómeno es función de las propiedades del fluido y de la característica de la partícula. En teoría, una partícula en el agua estará sometida a dos fuerzas: la fuerza de flotación (principio de Arquímedes) y la fuerza gravitacional, tal como se muestra a continuación.
Sea la figura: NA
donde: F f g V
F i F g F f
V
F g g sV
F r
C d A vs 2
2
V = Volumen de la partícula discreta F f = Fuerza de flotación F g = Fuerza gravitacional F i = Fuerza de inercia F r = Fuerza de rozamiento o fricción Cd = coeficiente de fricción o de Newton A = área de la sección transversal de la partícula v s = velocidad de sedimentación ρ = densidad del fluido ρs = densidad de la partícula
F i F r m
Inicialmente:
dv dt
Pero, cuando v = constante se cumple: s
Entonces: Por tanto:
F i F g F f
Vg s
F i F r
F i g sV g V Vg s
C d A vs 2
2
Como:
A
d
2
y
4
V
d
3
6
Reemplazando, vs
4 g s
3C d
d
Ecuación general de la sedimentación de partículas esféricas en un fluido en reposo (ideal)
donde: vs = velocidad de sedimentación o de caída d = diámetro de la partícula Cd = coeficiente que depende del No. de Reynolds (Re)
C d
Ahora: Cd =
C d
24
Re1 (F. Laminar)
Re
24
Re
3
0.34
Re
C d 0.4 Re
vs d
donde: Re = No. de Reynolds d = diámetro de la partícula v = velocidad de sedimentación s υ = viscosidad cinemática ρ = densidad del fluido ρs = densidad de la partícula Ss = densidad relativa
1 Re 10 4
Re10
4
(F. Turbulento)
En la práctica se diseña para flujo laminar: vs
vs
g s 18
g S s 1 18
2
d
d 2
Ecuación de Stokes
Trayectoria de partícula
Zonas del sedimentador Zona de entrada
Zona de sedimentación
Zona de salida Fuente: FAO
Las partículas sedimentan por la resultante de 2 velocidades:
Zona de lodos Fuente: FAO
•La
Posibles situaciones 2
1
Vh Vs
H
Vh
h
Vs
Vsc
•La velocidad de sedimentación Vh
Vs
velocidad de flujo horizontal
h
1.
No sedimenta: vs< vsc
2.
Sedimentan todas aquellas:
3
v
s
3.
v
sc
Sedimenta una fracción de partículas que entran a h del fondo: vs < vsc
a d a 1,0 l u m u c a n a s ó i a XC c p c e a r u F q
(1-X C)
X
V SC
Para la zona de sedimentación ideal: V sc = Q/As Todas las partículas con Vs>V sc sedimentan, es decir: (1-Xc) % Solo una fracción con Vs
V S
•
X C
Fracción removida
•
•
X i vSi vSc
V 1 X V
Si
C
0
1 X C
X C
VSi
V 0
SC
dx
1
n
SC
V Si
V
XC
i
1
dx
SC
X i
Experimentalmente se ha logrado establecer una relación entre el % de remoción (eficiencia) y el No. de Hazen (Tabla y Gráfica): REMOCIÓN 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 (%) No HAZEN 0,10 0,15 0,25 0,35 0,40 0,55 0,70 0,80 1,00 1,30 1,50 1,80 2,30 3,00 4,00 (vs/vsc)
EFIENCIA vs No . HAZEN
4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 .
H
A
Z
2,0 N
1,5
o
E
N
1,0 0,5 0,0 0
10
20
30
40
50
60
% DE REMOCION
70
80
90
B L
a de Zona d a sedimentación r t
n e e d Zona a n o Z
H
Zona de salida
Zona de lodos
Lvsc H v H
vsc
vH
de lodos vSC
Carga superficial: Vsc
Q AT
H
L
H
a d i l a s e d a n o Z
T vsc
L
v H
A T
H vsc
T = Tiempo de retención hidráulico-TRH
H v H L
Q H BH vsc L
vsc
Q BL
Q As
B L
a de Zona d a sedimentación r t
H
n e e d Zona a n o Z
Zona de salida
vH
de lodos vSC Zona de lodos
Carga superficial: vsc
H
a d i l a s e d a n o Z
A T
vsc
Q BL
Q As
donde: Vsc = velocidad de sedimentación crítica, m/d Q = caudal, m3/d As = área superficial = LB, en m2 Se recomienda: H = profundidad, m L/B = 3 – 5 L, B = largo, ancho, en m L/H = 10 - 40
B L
a de Zona d a sedimentación r t
H
n e e d Zona a n o Z
Zona de salida
vH
de lodos vSC Zona de lodos
Adicionalmente:
H
a d i l a s e d a n o Z
v H
donde: vH = velocidad de flujo (horizontal), m/s Q = caudal, m3/s AT = área Transversal al flujo, en m2 H = profundidad, m B = ancho del desarenador, en m
A T
Q BH
Q AT
Se recomienda: vh 9 15 v sc
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La sedimentación de arena fina (d < 0,01 cm) es más eficiente en régimen laminar con valores de número de Re < 1.0 La sedimentación de arena gruesa se efectúa en régimen de transición con valores de 1.0 < Re < 1000 La sedimentación de grava se efectúa en régimen turbulento con valores de Re > 1000
Tiene como función garantizar una distribución uniforme de las líneas de flujo dentro de la unidad, uniformizando a su vez la velocidad.
Tabique o pared permeable
Parte de la estructura en la cual se realiza el proceso de sedimentación de las partículas de arena por acción de la gravedad.
Conformada por un vertedero de rebose diseñado para mantener una velocidad que no altere el reposo de la arena sedimentada.
Fuente: Arboleda, J.
Constituida por una tolva con pendiente que permita el deslizamiento de la arena hacia el canal de limpieza de los sedimentos.
Fuente: ENOHSA
El desarenador debe tener una capacidad hidráulica igual al caudal máximo diario (QMD) más las pérdidas que ocurran en el sistema y las necesidades de la planta de tratamiento.
Desarenador con 2 módulos en paralelo
Para la selección del sitio donde se localizará el desarenador deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos: 1. El área de la localización debe ser suficientemente grande para permitir la ampliación de las unidades durante el período de diseño del sistema. 2. El sitio escogido debe proporcionar suficiente seguridad a la estructura y no debe presentar riesgo de inundaciones en los periodos de invierno.
3. La ubicación del desarenador debe garantizar que el sistema de limpieza se pueda hacer por gravedad y que la longitud de la tubería de desagüe no sea excesiva. 4. Los desarenadores deben ubicarse lo más cerca posible del sitio de la captación. 5. El fondo de la estructura debe estar preferiblemente por encima del nivel freático. En caso contrario, deben tomarse las medidas estructurales correspondientes considerando flotación y subpresión
La velocidad de asentamiento vertical debe calcularse en función de la temperatura del agua y del peso específico de la partícula. El peso específico de las partículas de arena se supone igual a 2,65 gr/cm3.
Para el caso de aguas sin tratamiento posterior, la velocidad máxima horizontal en el desarenador debe ser 0,17 m/s. Deben removerse las partículas con diámetros mayores que o iguales a 0,1 m.m. y la eficiencia del desarenador no debe ser menor del 75%.
En el caso de aguas sometidas a tratamiento posterior, la velocidad horizontal máxima en este será 0,25 m/s. Deben removerse las partículas con diámetros superiores o iguales a 0,2 m.m. y la eficiencia del desarenador no debe ser menor del 75%.
Debe chequearse que v H < v a horizontal sea menor que la velocidad de arrastre o de resuspensión. Esta última se calcula con:
va
8k
f
Se recomienda:
g
9
s
1d
vh v sc
15
donde: v a = velocidad de arrastre v H = velocidad horizontal d = diámetro de la partícula ρs = densidad de la partícula g = aceleración de la gravedad k = coeficiente ≈ 0.04 f = coeficiente ≈ 0.03 Ingersoll, Mckee y Brooks
1. Debe procurarse dispositivos de entrada y salida que aseguren una buena distribución del flujo y se reduzca la posibilidad de corto circuito dentro del desarenador. 2. La tubería o canal de llegada debe colocarse en el eje longitudinal del desarenador. Igual sucede en el caso de un canal situado aguas arriba del desarenador.
3. En la entrada debe instalarse un dispositivo para distribuir uniformemente el flujo a lo ancho de la sección transversal del desarenador. 4. El dispositivo de salida debe tener un canal recolector provisto de un vertedero que asegure una distribución uniforme del flujo en toda la sección transversal del desarenador.
5. El dispositivo de rebose debe tener un vertedero lateral ubicado próximo a la entrada del desarenador. 6. El dispositivo de limpieza debe ubicarse en el área de almacenamiento y constará de una caja o canal de recolección de arenas con una pendiente mínima del 5% y una válvula de desagüe.
7. La pendiente de la placa de fondo estará comprendida entre el 5 y el 8% con el fin de obtener una limpieza eficiente y permitir que los obreros caminen sin resbalar. 8. Las tuberías o canales de rebose y/o limpieza se unirán a una tubería o canal de descarga, los cuales deben tener un diámetro o ancho no menor de 0,25 m y/o una pendiente no inferior del 2%.
9. Debe ubicarse una caja de inspección en la tubería de limpieza adyacente o lo más cerca posible de la descarga de arenas. 10.Cuando la limpieza se realice manualmente, la zona de lodos (arena) debe ser capaz de acumular un mínimo equivalente al 10% del volumen útil del desarenador. 11. Adicionalmente, el desarenador debe tener un ancho mínimo que permita el libre acceso y movimiento de los operarios y del equipo auxiliar de limpieza.
La altura máxima, para efectos del almacenamiento de la arena, puede ser hasta el 100 % de la profundidad efectiva. El diseñador debe determinar y justificar la ubicación y las características de los desagües, teniendo en cuenta la profundidad efectiva del desarenador.
Permite el control del flujo hacia el desarenador. El tamaño depende de la cantidad de agua en exceso que pueda transportar la aducción. •
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Ancho de la cámara: entre 1/3 y 1/2 del ancho del desarenador El vertedero de excesos se calcula con la formula de Francis Debe contemplarse un By-pass y la conexión de los excesos con la tubería de desagüe del tanque
Puede utilizarse: •
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Un tabique (Bafle) con paso por el fondo Una pantalla perforada Una canaleta con orificios en el fondo
VISTA FRONTAL
PERFIL
DETALLE ORIFICIO
Adaptado de: Netto
Puede utilizarse un vertedero frontal de cresta delgada 3
Q 1,84 L H 2
L =longitud del vertedero H = altura del agua sobre la cresta
Para el cálculo del diámetro de desagüe puede emplearse la siguiente fórmula: A2
As H 4850T
donde: A2 = Sección del conducto, en m 2 As = Área superficial del tanque, en m 2 H = Profundidad del tanque en la zona de descarga, en m
T = tiempo de vaciado, en horas
Tolvas típicas
Fuente: Cánepa
BAFLE
REBOSE
Foto: Acueducto vereda Los Soches, Usme (Cundinamarca)
Foto: Acueducto veredal - Viotá
