Tratamiento de Agua Para Consumo Humano Plantas de Filtración Rápida. . Manual II Tomo 2 Diseño de Plantas de Tecnología

Contenido

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OPS/CEPIS/PUB/04.111 Original: español

Tratamiento de agua para consumo humano Plantas de filtración rápida Manual II: Diseño de plantas de tecnología apropiada

Lima, 2004

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Diseño de plantas de tecnología apropiada

© Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente, 2004 El Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS/OPS) se reserva todos los derechos. El contenido de este documento puede ser reseñado, reproducido o traducido, total o parcialmente, sin autorización previa, a condición de que se especifique la fuente y de que no se use para fines comerciales. El CEPIS/OPS es una agencia especializada de la Organización Panamericana de la Salud (OPS/OMS). Los Pinos 259, Urb. Camacho, Lima, Perú Casilla de correo 4337, Lima 100, Perú Teléfono: (511) 437 1077 Fax: (511) 437 8289 [email protected] http://www.cepis.ops-oms.org

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INTRODUCCIÓN

En Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual II: Diseño de plantas de tecnología apropiada se han plasmado los avances y la experiencia acumulada en este terreno por el CEPIS/ OPS durante los últimos 12 años, posteriores a la publicación de Manual V: Diseño, la versión anterior de este documento. La delicada situación económica de los países y de las empresas de agua en América Latina y el Caribe ha favorecido una mayor acogida de esta tecnología, por su bajo costo inicial, su menor costo de producción y su comprobada eficiencia en relación con los demás tipos de sistemas. Sin embargo, en la práctica, se están observando dificultades en la aplicación de esta tecnología. A través de múltiples evaluaciones, hemos detectado problemas de diseño que se repiten, por lo que hemos creído conveniente que este manual se circunscriba a proyectos de este tipo. Se hacía necesario, entonces, detallar al máximo cómo se deben determinar los parámetros de proyecto, dimensionar, compactar y empalmar las diversas unidades, para que el resultado sea óptimo, y señalar qué se debe evitar para que el profesional que recién se inicia en proyectos de plantas de tratamiento no cometa los errores identificados. Los criterios y procedimientos de diseño de las unidades de mezcla rápida, floculación, decantación, filtración y desinfección —procesos básicos de una planta de filtración rápida— se revisan en los capítulos 1 al 6. Uno de los mayores problemas que se observan es que los proyectistas no adjuntan al proyecto un instructivo para la puesta en marcha y operación de la planta. Esto trae como consecuencia que el personal de operación, generalmente

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sin capacitación previa ni específica, actúe simplemente por intuición, lo que afecta mucho la eficiencia del sistema. El mejor diseño puede fracasar si la operación no se realiza correctamente. Para contribuir a superar este problema, esta edición incluye un capítulo especial (el 7) sobre este tema. En él se detalla el contenido del instructivo que debe acompañar a cada proyecto de esta naturaleza.

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RECONOCIMIENTO Este manual ha sido elaborado por el Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS/OPS), de la Organización Panamericana de la Salud (OPS/OMS), y actualiza el texto publicado en 1992 con el título Manual V: Diseño. La preparación y actualización de este manual ha estado a cargo de la Ing. Lidia Canepa de Vargas, asesora en Tratamiento de Agua para Consumo Humano, bajo la dirección del Dr. Mauricio Pardón, director del Centro. Se agradece la contribución del Ing. Víctor Maldonado Yactayo en la revisión de las unidades. Asimismo, la colaboración del editor del CEPIS/OPS, Lic. Luis Andrade, y de las Sras. Inés Barbieri e Irma Sánchez, del cuerpo de secretarias del Centro, quienes colaboraron en el procesamiento del texto, así como la contribución del Sr. Washington Macutela, responsable de la impresión.

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CONTENIDO

Página INTRODUCCIÓN ................................................................................................... AGRADECIMIENTOS ...........................................................................................

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CAPÍTULO 1. CASA DE QUÍMICA .....................................................................

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1.

Almacenamiento de las sustancias químicas ................................................. 1.1 Productos secos .................................................................................. 1.1.1 Criterios de diseño ................................................................... 1.2 Productos en solución ........................................................................ 1.2.1 Proceso de cálculo ................................................................... 2. Dosificación .................................................................................................... 2.1 Tipos de dosificadores ........................................................................ 2.1.1 Equipos de dosificación en seco ............................................. 2.1.2 Equipos de dosificación en solución ....................................... 2.2 Dimensionamiento de los sistemas de dosificación ............................ 2.2.1 Sistemas de dosificación en seco ............................................ 2.2.2 Dosificación en solución ......................................................... 2.2.3 Saturadores de cal .................................................................... 2.3 Recomendaciones para el proyecto .................................................... 3. Defectos de diseño más comunes .................................................................. 4. Laboratorio de control de procesos ............................................................... Referencias ............................................................................................................. Bibliografía general .................................................................................................. Anexo A: Datos sobre las sustancias químicas más empleadas en el tratamiento de agua ........................................................................................

3 3 3 9 10 11 11 12 15 19 19 23 27 28 32 34 36 36

CAPÍTULO 2. MEZCLADORES ...........................................................................

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1. 2.

47 47 48 49 58 67 68

Introducción ................................................................................................... Parámetros generales de diseño ..................................................................... 2.1 Unidades hidráulicas ........................................................................... 2.1.1 Mezcladores de resalto hidráulico ........................................... 2.1.2 Canaleta Parshall ...................................................................... 2.1.3 Vertedero rectangular ............................................................... 2.1.4 Vertedero triangular ..................................................................

37

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Página 2.1.5 Difusores ................................................................................. 2.1.6 Inyectores ................................................................................ 2.3 Unidades mecánicas ............................................................................ 2.3.1 Parámetros de diseño ............................................................... 2.3.2 Criterios para el dimensionamiento .......................................... Referencias .............................................................................................................

71 77 82 82 82 87

CAPÍTULO 3. FLOCULADORES .........................................................................

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1. 2. 3.

91 91 92 93 93 96 97

Introducción ................................................................................................... Parámetros y recomendaciones generales de diseño ..................................... Unidades de pantallas .................................................................................... 3.1 Unidades de flujo horizontal ............................................................... 3.1.1 Parámetros y recomendaciones de diseño ............................... 3.1.2 Criterios para el dimensionamiento .......................................... 3.1.3 Aplicación ................................................................................ 3.1.4 Recomendaciones para el proyecto y problemas de diseño más comunes ........................................................................... 3.2 Unidades de flujo vertical ................................................................... 3.2.1 Parámetros y recomendaciones de diseño ............................... 3.2.2 Criterios para el dimensionamiento .......................................... 3.2.3 Aplicación ................................................................................ 3.2.4 Recomendaciones de diseño y defectos más comunes ........... 3.2.5 Ventajas y desventajas de las unidades de pantallas .............. 4. Floculadores del tipo Alabama o Cox ............................................................. 5. Floculadores de medios porosos.................................................................... 5.1 Parámetros y recomendaciones de diseño .......................................... 5.2 Criterios de dimensionamiento ............................................................ 6. Floculadores de mallas o telas ........................................................................ 6.1 Parámetros de diseño .......................................................................... 6.2 Criterios de dimensionamiento ............................................................ 6.3 Aplicación y recomendaciones ........................................................... Referencias ............................................................................................................. Anexo A. Viscosidad del agua ........................................................................

101 103 103 105 106 110 112 113 115 115 116 120 120 120 122 126 129

CAPÍTULO 4. DECANTADORES LAMINARES ..................................................

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1. 2.

135 135 136 138

3.

Introducción ................................................................................................... Decantadores de placas .................................................................................. 2.1 Parámetros y recomendaciones generales de diseño .......................... Decantadores de flujo ascendente .................................................................

Contenido

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Página 4.

Zona de entrada .............................................................................................. 4.1 Criterios de diseño .............................................................................. 5. Zona de sedimentación................................................................................... 5.1 Criterios específicos ............................................................................ 5.2 Criterios para el dimensionamiento ..................................................... 5.3 Aplicación ........................................................................................... 6. Zona de salida ................................................................................................ 6.1 Criterios generales ............................................................................... 6.2 Criterios para el dimensionamiento ..................................................... 7. Zona de lodos ................................................................................................. 7.1 Tolvas separadas y colector múltiple .................................................. 7.1.1 Criterios de diseño ................................................................... 7.1.2 Criterios de dimensionamiento ................................................ 7.1.3 Aplicación ................................................................................ 7.2 Canal central con sifones y tolvas continuas ..................................... 7.2.1 Criterios de diseño ................................................................... 7.2.2 Criterios de dimensionamiento ................................................ 7.2.3 Aplicación ................................................................................ 7.3 Otros sistemas de descarga de lodos .................................................. 7.3.1 Descarga mecánica automática ................................................ 8. Defectos de diseño más comunes .................................................................. Referencias ..............................................................................................................

139 139 150 150 153 154 158 158 159 162 164 164 166 167 169 169 169 171 171 171 173 178

CAPÍTULO 5. BATERÍA DE FILTROS DE TASA DECLINANTE Y LAVADO MUTUO ..................................................................................................

181

1. 2. 3. 4.

Introducción ................................................................................................... Ventajas de las baterías de filtros de tasa declinante y lavado mutuo ........... Descripción de una batería de tasa declinante y lavado mutuo ..................... Criterios generales de diseño ......................................................................... 4.1 Geometría de la batería ........................................................................ 4.1.1 Área de cada filtro y número de filtros .................................... 4.1.2 Tasas de filtración .................................................................... 4.1.3 Drenaje, capa soporte de grava y falso fondo ......................... 4.1.4 Lecho filtrante .......................................................................... 4.1.5 Canal de distribución de agua decantada, coagulada o prefloculada ............................................................................. 4.1.6 Canal de aislamiento ................................................................ 4.1.7 Canal de interconexión ............................................................. 4.1.8 Válvula de entrada de agua decantada .................................... 4.1.9 Válvula de salida de agua de retrolavado ................................

183 183 186 188 188 188 189 190 192 194 195 195 195 196

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Página 4.1.10 Válvula de desagüe de fondos ................................................ 4.1.11 Compuerta de aislamiento o de salida de agua filtrada ............ 4.2 Hidráulica del lavado ........................................................................... 4.2.1 Canaletas de recolección de agua de lavado ........................... 4.2.2 Ubicación del vertedero de salida ............................................ 4.2.3 Expansión del medio filtrante durante la operación de lavado 4.2.4 Pérdida de carga en el lecho filtrante expandido ..................... 4.2.5 Pérdida de carga en las canaletas ............................................ 4.2.6 Pérdida de carga en el drenaje de viguetas prefabricadas ....... 4.2.7 Pérdida de carga en canales y orificios de compuertas ........... 4.2.8 Cálculo del nivel del vertedero ................................................ 4.3 Hidráulica del proceso de filtración ..................................................... 4.3.1 Compuerta de entrada .............................................................. 4.3.2 Drenaje ..................................................................................... 4.3.3 Medio filtrante: arena y/o antracita .......................................... 4.3.4 Vertedero de salida ................................................................... 5. Aplicación ................................................................................................. 6. Criterios para el diseño de plantas de filtración directa ................................. 6.1 Parámetros de diseño .......................................................................... 6.2 Dosificación ........................................................................................ 6.3 Características del medio filtrante ....................................................... 6.4 Tasa de filtración ................................................................................. 6.5 Control de calidad ............................................................................... 7. Funcionamiento de la batería de filtros de tasa declinante ............................ 8. Defectos de diseño más comunes .................................................................. Referencias ..............................................................................................................

196 196 197 197 199 199 201 202 202 202 203 203 204 207 207 207 208 220 220 221 223 223 225 225 228 232

CAPÍTULO 6. SALA DE CLORACIÓN ...............................................................

235

1. 2. 3.

237 237 242 242 245 247 248 248 249 249 252

4.

Introducción ................................................................................................... Criterios generales de diseño ......................................................................... Almacenamiento ............................................................................................. 3.1 Criterios para el dimensionamiento ..................................................... 3.2 Recomendaciones para el proyecto .................................................... Equipos de medición y control ....................................................................... 4.1 Equipos para aplicar hipoclorito en solución...................................... 4.2 Hipoclorador de orificio de carga constante ....................................... 4.3 Equipos para aplicar cloro gaseoso .................................................... 4.3.1 Cloradores de aplicación directa .............................................. 4.3.2 Cloradores de aplicación al vacío ............................................

Contenido

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Página 4.4 4.5

Evaporadores ...................................................................................... Sistemas de control ............................................................................. 4.5.1 Sistemas automáticos ............................................................... 5. Punto de aplicación ........................................................................................ 6. Cámara de contacto ........................................................................................ 6.1 Tiempo de contacto para la reducción de bacterias ............................ 6.2 Tiempo de contacto para la reducción de parásitos ........................... 7. Ventilación y equipos de protección .............................................................. 7.1 Sistemas de alarma .............................................................................. 7.2 Equipo de protección para los operadores ......................................... 8. Recomendaciones para el proyecto ................................................................ 9. Problemas más comunes ................................................................................. Referencias .............................................................................................................. Anexo A: Valores TC para la inactivación de Giardia y virus mediante Cl2 libre y otros desinfectantes ............................................................................ CAPÍTULO 7. INSTRUCTIVO DE PUESTA EN MARCHAY OPERACIÓN NORMAL ................................................................................................................ 1. 2.

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4. 5. 6. 7. 8.

Introducción ................................................................................................... Recomendaciones para la operación de puesta en marcha ............................ 2.1 Inspección preliminar .......................................................................... 2.2 Operaciones iniciales .......................................................................... 2.2.1 Preparación de soluciones y dosificación de productos químicos ................................................................................... 2.3 Llenado de la planta ............................................................................ 2.3.1 Procedimiento .......................................................................... 2.4 Lavado de filtros ................................................................................. 2.4.1 Procedimiento para el lavado ................................................... 2.5 Instalación de la tasa declinante ......................................................... 2.5.1 Procedimiento .......................................................................... 2.6 Medición de caudal ............................................................................. 2.7 Mezcla rápida ...................................................................................... Operación normal............................................................................................ 3.1 Operación normal del sistema de filtración ......................................... 3.2 Filtración directa .................................................................................. Operación especial ......................................................................................... Control de calidad ........................................................................................... Operación estacional ...................................................................................... Aspectos varios ............................................................................................. Limitaciones del sistema .................................................................................

260 261 261 263 265 265 265 268 269 270 271 272 276 277

285 287 287 288 289 289 296 296 298 298 299 299 300 301 302 302 303 304 305 306 306 307

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Página Referencias .............................................................................................................. Anexo A: Toma de muestras en planta .................................................................... Anexo B: Consumo anual de reactivos .................................................................... Anexo C: Anotaciones diarias de la planta de tratamiento ..................................... Anexo D: Formulario resumen mensual de control de procesos en la planta X ......

309 310 310 311 313

CAPÍTULO 1 CASA DE QUÍMICA

Casa de química

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La casa de química o edificio de operaciones es el ambiente de la planta en el cual se concentran todas las instalaciones para el manejo de las sustancias químicas. Comprende básicamente las instalaciones de almacenamiento, dosificación y laboratorios de control de los procesos de la planta. Este capítulo trata sobre los criterios y procedimientos para el diseño de estas instalaciones.

1.

ALMACENAMIENTO DE LAS SUSTANCIAS QUÍMICAS

Las sustancias que se emplean en el tratamiento del agua pueden estar en polvo, trituradas o en solución. Al proyectar los almacenes, se debe tener en cuenta la forma en que se van a utilizar estas sustancias, de modo que las instalaciones ofrezcan todas las facilidades para la conservación y manejo del producto. 1.1

Productos secos

1.1.1 Criterios de diseño Para determinar las dimensiones de estas instalaciones, será necesario tener en cuenta los siguientes criterios, relacionados con la capacidad, la ubicación y las características del almacén, que varían de acuerdo con las dimensiones de la planta de tratamiento. a)

Ubicación

•

Ubicar el almacén lo más cerca posible de la sala de dosificación, para ahorrar tiempo y esfuerzo en el traslado de las sustancias químicas. Idealmente, los almacenes y la sala de dosificación deben ocupar un mismo ambiente, sobre todo en sistemas pequeños y medianos.

•

En sistemas grandes, los almacenes siempre deberán ubicarse en el primer piso de la casa de química para no encarecer la estructura del edificio.

4

•


La capacidad del almacén debe ser suficiente para abastecer la planta por lo menos durante un mes. En el caso de que los productos se expendan en la misma ciudad en la que se encuentra la planta, podrá considerarse una capacidad mínima para 15 días. Figura. 1-1. Almacén de sustancias químicas (1)

b)

Consideraciones para el dimensionamiento

•

Cuando el producto es importado, al determinar el tiempo de almacenamiento, deberá tenerse en cuenta el tiempo total que toma el trámite de compra. En la mayoría de los casos, esto puede demandar varios meses.

•

Cuando la empresa tiene un almacén central del cual se aprovisionará a la planta, el almacenamiento en planta podrá calcularse para 15 días.

•

Cuando se almacenan sustancias secas embolsadas —como es el caso del sulfato de aluminio y la cal—, deberá Figura 1-2. Entrada al almacén (2) disponérselas apiladas en rumas y sobre tarimas de madera para aislarlas de la humedad del piso y de las paredes. Esta medida es especialmente importante para el sulfato de aluminio, que es higroscópico (es decir, que absorbe la humedad del aire).

•

Cuando la transferencia del almacén a la sala de dosificación se realiza manualmente, la altura total de las rumas no deberá ser mayor de 2 metros, para que el operador pueda tener acceso a las bolsas del extremo superior. Cuando la transferencia se va a realizar en forma mecánica, el material

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6


•

Para determinar la dosis promedio (D), es necesario disponer de una curva de dosificación (dosis óptima de coagulante versus turbiedad de agua cruda, figura 1-4). Esta curva se obtiene de un estudio de laboratorio que abarque por lo menos un ciclo de seca y uno de creciente para determinar las dosis máximas y mínimas que se requerirán en el tratamiento del agua. La dosis promedio se calculará a partir de la dosis requerida cuando se produce la turbiedad máxima y la dosis necesaria en época de aguas claras.

•

El área neta que ocupará el material se obtiene de la siguiente expresión: A (m2) = V (m3)/ H (m)

(2)

Donde la altura de almacenamiento (H) depende del sistema de transferencia seleccionado. El área de cada ruma se decidirá en función de las dimensiones de las bolsas del producto por almacenar y del número de bolsas por considerar a lo largo y a lo ancho. Dividiendo el área neta calculada en la ecuación (2) entre el área de una ruma, se definirá el número de rumas que se deberán considerar en el almacén. •

En las plantas grandes de varios metros cúbicos de capacidad de producción, el material se recibe en silos, que son abastecidos mediante camiones, vagones o carros cisterna, de acuerdo con la forma en que se solicite el producto: sólido o líquido.

Ventilador

Línea de retorno Filtro

Válvula Conexiones flexibles

Silo de almacenamiento

N.o 1

Carga

Compuerta Alimentación de aire

Línea de alimentación

Impulsor de aire

Figura 1-5. Sistema de llenado neumático (2)

N.o 2

Casa de química

7

•

Los silos pueden ser metálicos, de hormigón o de poliéster reforzado con fibra de vidrio y de forma cilíndrico-cónica.

•

Cuando el material se deposita en seco, el llenado se realiza mediante un sistema mecánico o —lo que es más frecuente— neumático, a partir del vehículo de abastecimiento, cuyo contenido se fluidifica y se somete a una presión de aire, de forma que fluya como un líquido hasta el silo. Véase la figura 1-5.

Figura 1-6. Sistema de llenado mediante fajas transportadoras (2)

Igualmente, pueden utilizarse dispositivos de llenado mecánico de los silos, como fajas transportadoras o sistemas de canjilones (figuras 1-6 y 1-7). •

Algunos reactivos en polvo tienden a aglomerarse, lo que dificulta su extracción. Para evitar este inconveniente, se pueden emplear dos procedimientos. El primero consiste en cubrir la superficie interior del silo con vejigas inflables, repartidas convenientemente. Estas vejigas, sometidas a presión en forma periódica, despegan el producto de las paredes y rompen los aglomerados que empiezan a formarse. El segundo procedimiento consiste en fluidificar el contenido del silo inyectando en la base aire comprimido. De esta manera, el producto fluye sin dificultad. •

Figura 1-7. Sistema de llenado mediante canjilones (2)

Cuando se trata de una pequeña tolva metálica, puede evitarse que el material se aglomere si se coloca en la parte exterior de la tolva un vibrador intermitente, cuya potencia debe adaptarse al volumen de esta.

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•

El aire que se emplea para el transporte neumático de sustancias químicas o para mantenerlas fluidas debe someterse a un tratamiento antes de que escape a la atmósfera. Para ello, se lo hace pasar a través de filtros de tela colocados en la parte superior de los silos, localizados en un compartimiento en el que se produce una depresión con un ventilador.

•

El control del nivel del producto en los silos se puede efectuar de diversas formas. Se puede utilizar un motor flotante que acciona una paleta, la cual gira dentro del producto. La presencia de material en la tolva crea un par resistente que provoca una rotación en la carcasa del motor, detectada por contacto eléctrico. La ausencia de producto hace que la carcasa recobre su posición normal.

•

También hay dispositivos que detectan cuándo el material está en su nivel mínimo, mediante sistemas capacitivos que determinan la diferencia de la permisividad de un dieléctrico, constituido por el producto o por el aire. Otra forma de detectar este nivel consiste en una membrana que se deforma bajo el peso del producto almacenado y actúa sobre un interruptor eléctrico.

•

También se emplean sistemas más complejos, que indican de forma continua el nivel del producto dentro del silo, mediante medidores de fuerzas o fenómenos piezoeléctricos. Existen también otros sistemas ultrasónicos o de rayos gamma. El sistema más sencillo consiste en un tanque de plástico reforzado con fibra de vidrio, en el cual se transparenta el contenido.

•

La extracción de los productos almacenados en los silos se efectúa mediante una válvula alveolar, tornillo sin fin, extractor de paletas o vibrante, aerocorredera o válvula automática. Cuando se trata de una tolva de almacenamien-

Figura 1-8. Tanque de almacenamiento de sulfato de aluminio líquido (1)

Casa de química

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to de pequeña capacidad, la extracción puede hacerse manualmente, a través de un simple obturador de registro. •

El almacenamiento de productos secos también puede hacerse en recipientes estancos, que llena el proveedor del producto. Estos recipientes se construyen de acero o de goma sintética. Su empleo es especialmente indicado en instalaciones pequeñas y medianas.

1.2

Productos en solución

Figura 1-9. Tanques de plástico reforzados con fibra de vidrio (1)

En instalaciones pequeñas, los reactivos líquidos generalmente se adquieren y almacenan en cilindros, bidones o bombonas. En sistemas más importantes, el suministro se realiza en camiones o vagones-cisterna, de donde los reactivos son transferidos por gravedad, a presión de aire o bombeo, a las cubas o tanques de almacenamiento. Estos deben estar interiormente protegidos contra la acción corrosiva del reactivo.

•

Los sistemas de dosificación en solución son económicamente ventajosos cuando el reactivo se produce localmente.

•

En las instalaciones grandes, las cubas o tanques de almacenamiento de los reactivos se construyen según la naturaleza de los productos. Pueden ser de acero u hormigón con o sin revestimiento interno o de material plástico.

•

Los tanques de almacenamiento van equipados con dispositivos de control de nivel más o menos perfeccionados, que pueden variar desde un sistema de flotador y vástago con índice que se desplaza sobre una regla graduada, hasta los dispositivos descritos en el acápite anterior, con los que puede efectuarse la medición a distancia de este nivel.

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1.2.1 Proceso de cálculo La información básica que se requiere para efectuar este cálculo es la siguiente: • •

• • •

Caudal de diseño de la planta: Q en L/s o m3/d. Rango de dosificación (Dm – DM, mg/L). En los histogramas de turbiedad elaborados durante el estudio de variaciones de la fuente, se obtiene la turbiedad máxima y mínima que se presenta durante el año. Con estos datos se obtienen, en la curva de dosificación, las dosis máxima y mínima. Periodo de almacenamiento: T (días o meses). Peso específico del material por dosificar (δ, kg/m3). Si el sulfato de aluminio empleado para las pruebas de laboratorio es de alta pureza, deberá introducirse en los cálculos un factor de corrección, pero si las pruebas se realizan con el mismo sulfato que se emplea en la planta, este factor no será necesario.

Ejemplo: Se desea calcular el área de almacenamiento para sulfato de aluminio que se requiere en una planta de Q = 300 L/s, para un periodo de 3 meses. La dosificación requerida es la siguiente: • • •

D m = 20 mg/L D M = 80 mg/L δ = 964 kg/m3 El cuadro 1-1 presenta un resumen del cálculo efectuado.

Para determinar las dimensiones de las rumas de sulfato, hay que tener en cuenta que las bolsas de sulfato de aluminio tienen normalmente 50 kilogramos de peso y dimensiones aproximadas de 0,50 x 0,60 metros, de manera que las filas se pueden acomodar considerando tres bolsas a lo ancho con la dimensión de 0,60 metros, por lo que la ruma tendría 1,80 metros de ancho. Los pasillos o corredores pueden tener de 0,80 a un metro de ancho. En este caso, como se trata de una planta de 300 L/s, será necesario transportar las bolsas en una carretilla, por lo que se está dejando un metro de distancia entre las tarimas de 1,80 de ancho.

Casa de química

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Cuadro 1-1. Cálculo del almacén de sulfato de aluminio (2) Paso

Datos

Unidades

Criterios D = (Dm + DM)/2

Resultados

Unidades

D = (20+80)/2 D = 50

Dosis promedio

mg/L

50 x 25.920 x 90 964 x 1.000

Volumen de almacenamiento requerido

m3

Área neta de almacenamiento

m2

Cálculos

1

Dm = 20 DM = 80

mg/L

2

δ = 964 T= 90 Q = 300 Q = 25.920

kg/m3 días L/s m3/d

3

H = 1,8

m

A = V/H

A = 121/1,8 A = 67,2

4

N=3 B = 1,80

m

L = A/(N x B)

L = 67,2/(1,8 x 3) Largo de la ruma L = 12 o pila

m

5

P = 1,0

m

Ancho = Nx B+ 4 P

= 3 x 1,80 + 4 x 1 Ancho total del Ancho = 9,40 almacén

m

V=

DxQxT δ x 1.000

V = 121

Largo total = L+ 2 = 12+ 2 x 1,5 P Largo = 14,0 m

Largo del almacén

m

De acuerdo con el calculo efectuado, el almacén tendrá 9,40 metros de ancho por 14 metros de largo y se han considerado tres tarimas de 1,80 metros de ancho, 12 metros de largo, con rumas de bolsas apiladas de 1,80 metros de alto, dejando pasillos de un metro de ancho entre las rumas, así como entre estas y la pared.

2.

DOSIFICACIÓN

La dosificación de las sustancias químicas debe efectuarse mediante equipos que aseguren la aplicación de una dosis exacta por unidad de tiempo. Estos equipos disponen de controles que permiten fijar la cantidad de producto por unidad de tiempo que debe liberarse, dentro de límites establecidos por su capacidad. 2.1

Tipos de dosificadores

En el cuadro 1-2 se presenta una clasificación de estos equipos de acuerdo con el estado en que se encuentra el producto.

12


Cuadro 1-2. Dosificadores de sustancias químicas (2) Seco

Volumétricos

Plato, garganta, cilindro, tornillo, estrella, correa Correa transportadora y pérdida de peso

Gravimétricos Solución

Gravedad

Orificio de carga constante, regulable o torre de saturación Desplazamiento rotatorio o positivo

Bombeo Boquillas Gas

Solución al vacío Aplicación directa

2.1.1 Equipos de dosificación en seco Se emplean para la aplicación de sustancias químicas en polvo. Pueden ser de tipo volumétrico o gravimétrico. Para seleccionar el tipo de dosificador, se requiere tener en cuenta la precisión requerida, el tipo de producto que se va a dosificar y el rango de trabajo que debe tener el equipo, lo cual depende de las dosis máxima y mínima necesarias y de los caudales por tratar. a)

Volumétricos Motor V V

Tolva

Sistema de alimentación

V

V

Tornillo giratorio Nivel de solución V

Cámara de solución

Mezclador V

La dosis se determina midiendo el volumen de material liberado por una superficie que se desplaza a velocidad constante (figuras 1-10 y 1-11). Los dosificadores de este tipo más comúnmente utilizados en la práctica son la válvula alveolar, el disco giratorio, el cilindro giratorio, el plato oscilante y el de tornillo.

Figura 1-10. Dosificador volumétrico (2)

Casa de química

13

•

La válvula alveolar es un dosificador de poca precisión que se emplea en un rango de caudales de 0,5 a 1,0 m3/h.

•

El dosificador de disco giratorio está compuesto de una base que gira a velocidad constante sobre la cual una cuchilla de ángulo regulable separa una parte del producto. Este se vierte a un depósito de preparación de la solución que debe estar equipado con un agitador. La precisión del equipo es buena. Se lo utiliza para dosificar sulfato de aluminio, cal, carbonato de sodio o de calcio. La dosis se modifica por un botón de regulación que varía el ángulo de la cuchilla. El motor puede ser de velocidad Figura 1-11. Dosificador volumétrico (1) constante o variable.

•

El dosificador de tornillo está constituido por una tolva de alimentación y un tornillo de dosificación provisto de un brazo rascador que arrastra el producto a través de un tubo calibrado. Previamente, se homogeneiza el producto por medio de un agitador de paletas de eje horizontal, destinado igualmente a evitar la formación de zonas muertas a la entrada del tornillo de dosificación (figura 1-12). La variación de la graduación se consigue cambiando la velocidad de giro del tornillo. Figura 1-12. Dosificador de tipo volumétrico (1)

14


La tolva de alimentación debe estar provista de un vibrador o de un sistema oscilante de frecuencia o amplitud regulables. El rango de trabajo de un dosificador de tornillo puede variar desde unos cuantos gramos hasta varios kilos por hora. b)

Gravimétricos

La cantidad de producto químico dosificado se mide pesando el material o sobre la base de una pérdida de peso constante del material depositado en la tolva. Los equipos más comunes son el dosificador de correa transportadora y el de pérdida de peso. •

Figura 1-13. Dosificador de tipo gravimétrico (1)

En el dosificador gravimétrico de pérdida de peso se mide la cantidad de material por dosificar mediante la diferencia de peso de un silo o tolva que contiene el material y que se apoya en una balanza equilibrada por un contrapeso móvil (figura 1-13). El contrapeso se desplaza en forma proporcional a la dosificación deseada.

•

En el dosificador gravimétrico de correa transportadora, el material depositado en la tolva cae en una correa transportadora que se desplaza sobre la plataforma de una balanza. Esta se regula para recibir el peso que corresponde a la dosis deseada (figura 1-14).

•

Cuando el peso sobre la correa no es igual al peso prefijado, una válvula situada en la salida de la tolva modifica su abertura para regular la dosis. El rango de dosificación también puede ser modificado si se altera la velocidad de la correa.

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•

15

Los tanques de solución que traen estos equipos, tanto los volumétricos como los gravimétricos, son pequeños, y la solución del coagulante resulta muy concentrada, especialmente en época de lluvias, cuando se utilizan dosis altas de coagulante. En estos casos, Figura 1-14. Dosificador de correa transportadora (1) es necesario inyectar a la solución concentrada que sale del tanque la cantidad de agua necesaria para bajar la concentración a 2%, o a la concentración óptima, obtenida en las pruebas de laboratorio. Ver el procedimiento en Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo II, capítulo 11.

2.1.2 Equipos de dosificación en solución En este tipo de equipos la graduación de la cantidad por aplicar se efectúa con el coagulante en solución. Estos equipos pueden ser de dos tipos: por bombeo y por gravedad. a)

Sistemas de dosificación por bombeo Los más usuales son las bombas de doble pistón y de diafragma.

La bomba dosificadora de pistón es muy precisa, pero debe emplearse con cuidado en el caso de productos abrasivos o muy corrosivos (silicato de sodio, cloruro férrico). Según el tipo de bomba (diámetro del pistón, curva característica y cadencia de funcionamiento), el caudal de operación puede oscilar entre varias decenas de mililitros y algunos miles de litros por hora (figura 1-15).

16


Motor Tanque 1

Agitador mecánico

Solución

Desagüe

Válvula compuerta

Regla graduada Flotador Manguera flexible Válvula check Dosis Bomba

Tanque 2

Figura 1-15. Sistema de dosificación por bombeo (1)

La bomba dosificadora de diafragma es de gran precisión —aunque es ligeramente menos precisa que la bomba de pistón— y se utiliza para líquidos corrosivos, tóxicos, abrasivos, cargados o viscosos. Puede estar provista de una membrana simple o doble. El caudal de este tipo de bombas dosificadoras a fuertes presiones puede llegar hasta 2.500 litros por hora. La figura 1-16 muestra una instalación completa con bomba dosificadora, compuesta de un tanque de preparación de la solución, un tanque de dosificación y un sistema de dosificación propiamente dicho, al cual está integrada Figura 1-16. Sistema de dosificación la bomba. por bombeo (1)

Las bombas dosificadoras pueden montarse sobre los depósitos de almacenamiento o de preparación de la solución, provistos eventualmente de mezcladores de hélice y de indicadores de nivel, de forma que se obtengan grupos compactos de dosificación que incluyan igualmente el armario eléctrico de accionamiento de los motores.

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17

La figura 1-17 muestra una instalación de este tipo. Las bombas centrífugas también se utilizan para dosificar con excelentes resultados. En la figura 1-17 se muestra una instalación compuesta de dos tanques de preparación de la solución de concreto, con Figura 1-17. Sistema de dosificación agitador eléctrico. Las bompor bombeo (1) bas están en la cámara seca ubicada debajo de las rejas del piso y la dosis se calibra mediante rotámetros. Sistemas de este tipo son ideales para localidades donde se pueda garantizar disponibilidad de energía eléctrica en forma continua. b)

Sistemas de dosificación por gravedad

Los sistemas de dosificación por gravedad se emplean especialmente en plantas medianas y pequeñas, en especial cuando el abastecimiento de energía eléctrica no es confiable. También se usan en plantas grandes cuando la calidad del agua es constante. Los más comunes son los de carga constante y carga regulable (figura 1-18).

Figura 1-18. Dosificador de orificio de carga constante (1)

El principio en el que se fundamenta es una carga de agua constante (h) sobre un orificio para asegurar un caudal constante. El caudal se calibra a la salida mediante una válvula.

18


Tanto los sistemas de dosificación por bombeo como los sistemas por gravedad incluyen un tanque de preparación de la solución similar al que se muestra en la figura 119. Estos tanques deben tener capacidad para un volumen de solución aplicable en 8 horas, de tal modo que en cada turno de operación se prepare un tanque. Siempre Figura 1-19. Tanque de preparación deben considerarse dos tande la solución (1) ques para cada sustancia química que se va a aplicar. Si en la planta se van a aplicar sulfato de aluminio, cal, polímero y HTH, se deben considerar ocho tanques para preparar las sustancias respectivas. La concentración a la que se debe aplicar el sulfato de aluminio debe variar entre 1% y 2%. Cuando se trata de una planta pequeña, se proyecta el tanque de preparación de la solución con la capacidad necesaria para lograr una concentración de 2%, pero cuando es una planta mediana o grande, la solución se elabora a una concentración mayor y se diluye a la concentración óptima antes de aplicarla a la mezcla rápida. Los dosificadores de este tipo (figura 1-20) tienen la ventaja de que se pueden fabricar localmente, pero es necesario ejercer un buen control de calidad, principalmente del sistema de calibración de la dosis.

Figura 1-20. Dosificador por gravedad de orificio de carga constante (1)

En la figura 1-21 se puede apreciar el esquema de una instalación completa de dosificación en solución por gravedad, con dosificador de fabricación artesanal.

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19

Entrada

Tanque 1 Escala

Solución

Desagüe

Válvula de flotador Tubo 1/2’’ φ PVC Tubo 3/4’’ φ PVC Tornillo para fijar tubo Flotador

Válvula de interconexión

Orificio dosificador Manguera flexible

Tanque 2

Dosis Desagüe

Figura 1-21. Sistema de dosificación en solución por gravedad (2)

2.2

Dimensionamiento de los sistemas de dosificación

2.2.1 Sistemas de dosificación en seco La selección de los equipos de dosificación en seco se efectúa determinando el rango de trabajo que deberá tener el equipo. Este rango está constituido por los límites máximo y mínimo de dosificación que se deberán atender, los cuales se determinan a partir de la información obtenida en el estudio de laboratorio (curva de dosis óptima versus turbiedad de agua cruda). Véase la figura 1-4. Conociendo la turbiedad máxima y mínima que deberá tratar el sistema, se obtendrán de la curva de dosificación las dosis máximas (DM) y mínimas (Dm) y se calcularán los pesos máximos y mínimos que debe aplicar el equipo. El cálculo se facilita utilizando la ecuación de balance de masas: QxD=qxC=P Donde: Q D q C P

= = = = =

caudal de diseño de la planta en L/s dosis promedio de coagulante en mg/L caudal promedio de solución por aplicar en L/s concentración de la solución en mg/L peso del reactivo por dosificar en m3/s o kg/d

(3)

20


D = (DM + Dm)/2

(4)

R = PM – Pm

(5)

Donde: R = rango del dosificador P M = peso máximo del reactivo (mg/s o kg/d) Pm = peso mínimo del reactivo (mg/s o kg/d) Volumen del tanque de solución El tanque incorporado al dosificador deberá tener idealmente un volumen tal que permita la disolución del producto y obtener una solución con una concentración igual a la óptima obtenida en el laboratorio. Sin embargo, como se puede apreciar en la figura 1-22, estos tanques son muy pequeños y las concentraciones que se obFigura 1-22. Tanque de solución de tienen están siempre fuera del los dosificadores en seco (1) rango recomendado (C = 1 a 2%), por lo es necesario en estos casos aplicar un caudal adicional de agua para obtener la concentración óptima antes del punto de aplicación. El tiempo de retención en este tanque debe ser mayor de 5 minutos o preferentemente de 10 minutos, para que se produzca la polimerización adecuada de los coagulantes y se obtenga la mayor eficiencia. En el cuadro 1-3, se indican las capacidades y rangos de trabajo de diferentes tipos de dosificadores en seco y se presentan algunas recomendaciones sobre el tamaño y tipo de material para el cual deben ser usados.

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21

Cuadro 1-3. Dosificadores en seco (2) Tipo Volumétricos

Gravimétricos

Clasificación

Uso

Capacidad pies3/hora

Variación

Plato oscilante

Cualquier material granular o en polvo

0,01 – 35

1 – 40

Garganta oscilante

Cualquier material, en cualquier tamaño

0,02 – 100

1 – 40

Disco rotatorio

Mayoría de materiales en forma granular o en polvo

0,01 – 1

1 – 20

Cilindro rotatorio Tornillo

Cualquier material granular o en polvo Material muy seco, en forma granular o en polvo

7 – 300 8 – 2.000 0,05 – 18

1 – 100 1 – 10 1 – 20

Cinta

Material seco, en forma granular o en polvo, con un tamaño máximo de 1 ½”

0,1 – 3.000

1 – 10 1 - 100

Cinta y balanza

Material seco o húmedo en forma granular o en polvo (deben usarse agitadores para mantener una densidad constante)

0,02 – 2

1 - 100

Pérdida de peso

Mayoría de materiales en forma granular o en polvo

0,02 - 80

1 - 100

•

Este tipo de dosificadores solo deben ser seleccionados para ciudades grandes en las que se pueda disponer de energía eléctrica en forma continua, ciudades con buen nivel de desarrollo, donde se disponga de los recursos materiales, económicos y de personal necesarios, a fin de que dichos equipos puedan recibir buena operación y mantenimiento. Son dosificadores de alto costo, requieren ser calibrados con frecuencia para mantener su exactitud y son muy susceptibles a los cambios granulométricos provocados por la humedad.

•

No se recomienda utilizarlos para caudales menores de 20 L/s.

•

Para la dosificación de cal, el uso de vibradores es esencial.

En el cuadro 1-4 se presenta un ejemplo del cálculo previo que debe efectuarse para seleccionar un dosificador en seco.

6

5

4

3

C=3 C = 30.000 To = 5

δ = 964

Q = 300 Q = 1.080 DM = 80 Dm = 20

1

2

Dato

Paso

% mg/L min

kg/m3

L/s m3/h mg/L mg/L

Unidad

DM + Dm 2

V’= Q x D x To/C

D=

V = 1,34

V= Cpd/ δ

300 x 50 x 5 x 6 0 30.000 V’= 150 V’=

D = 50

V = 1.296/964

Consumo promedio diario

PM + Pm x 24 2

Cpd = (86,4 + 21,6) x 12 Cpd = 1.296

Cpd =

Rango del dosificador

R = 86,4 – 21,6

R = PM – Pm

Volumen del tanque de disolución

Dosis media

tolva del dosificador

Volumen de la

Peso máximo de coagulante Peso mínimo de coagulante

PM =1.080 x 80/1.000 PM = 86,4 Pm =1.080 x 2 0 / 1 . 0 0 0 Pm = 21,6

P M = Q x DM / 1 . 0 0 0

Resultados

Cálculos

Criterios

Cuadro 1-4. Selección de un dosificador en seco (2)

Litros

mg/L

m3

kg/h

kg/h

kg/h

kg/h

Unidad

22 Diseño de plantas de tecnología apropiada

Casa de química

23

Con los resultados obtenidos en el cálculo, se consultan los catálogos de los fabricantes, para definir las especificaciones técnicas de los equipos. 2.2.2 Dosificación en solución Esta instalación se compone de un tanque de preparación de la solución y del sistema de dosificación, que puede ser por bombeo o por gravedad. El tanque de solución se diseña con el volumen necesario para que brinde servicio durante un turno de operación (T). La duración de cada turno es normalmente de 8 horas. Deben considerarse siempre dos unidades, una en operación y la otra en preparación, de manera que el cambio pueda ser rápido y la dosificación continua. En instalaciones grandes, para que los tanques no resulten demasiado voluminosos, se diseñan para concentraciones altas (10 ó 20%) y la concentración óptima se regula con una aplicación de agua adicional a la salida del dosificador. El caudal de agua adicional debe calibrarse con un rotámetro, para que la concentración de la solución sea exacta y corresponda a la óptima. Las tuberías de solución se diseñan para un caudal máximo calculado mediante la ecuación (3), considerando la dosis máxima (DM). El material de estas tuberías debe ser resistente a las sustancias químicas que van a transportar. Normalmente se utilizan tuberías de plástico o de acero inoxidable. El cuadro 1-5 muestra un ejemplo de cálculo aplicando la ecuación de balance de masas indicada anteriormente.

Q = 300 DM =80 Dm = 8 C = 10 C = 100.000

C=2

T = 8,42

1

2

3

Q x (DM + Dm) 2xC

Caudal de solución promedio al 2%

300 x 44 20.000 q = 0,66 q = 57,0

Po = 1.140 x 8,42/24 Po = 400

Po = P x T/24

6

Volumen del tanque de solución para C = 2%

V = 57 x 8,42/24 V = 20

Consumo por tanque

Consumo promedio diario

Volumen del tanque de solución para C =10%

V= 11,4 x 8,42/24 V = 4,0

q=

Caudal de solución promedio al 10%

Resultados

300 x 44 100.000 q = 0,132 q = 11,4 q=

Cálculos

P = 300 x 44 P = 13.200 P = 1.140

V=QxT

q=

Criterios

P=QxD

horas

%

L/s mg/L mg/L % mg/L

Unidad

5

4

Dato

Paso

Cuadro 1-5. Proceso de cálculo de un sistema de dosificación en solución (2)

kg

mg/s kg/d

m3

m3

L/s m3/d

L/s m3/d

Unidad


300 x 8 100.000 qm = 0,024 qm = 86,4

R = qM – qm

11

R = 864 – 86,4

qm =

qm = Q x Dm/C

qM =

Rango del dosificador

Caudal mínimo por dosificar

Caudal máximo por dosificar

Caudal de agua adicional que se debe aplicar a la salida del dosificador

(20 – 4) x 1.000 8,42 x 3.600 Q agua = 0,5 Q agua =

Número de bolsas

Resultados

N.o = 400/50 N.o = 8

Cálculos

10

N.o = Po / Pb

Criterios

300 x 80 100.000 qM = 0,24 qM = 864

kg

Unidad

qM = Q x DM/C

Pb = 50

Dato

9

8

7

Paso

Cuadro 1-5. Proceso de cálculo de un sistema de dosificación en solución (continuación)

L/h

L/s L/h

L/s L/h

L/s

Unidad

Casa de química 25

26


Como se puede observar en los resultados del cuadro 1-5, el volumen del tanque para que la solución esté al 2% es de 20 m3 y para 10%, de 4 m3, por lo que si se adopta la alternativa con el tanque de 4 m3, para que la solución se aplique con la concentración óptima de 2%, se deberá inyectar a la tubería que sale del dosificador un caudal de agua filtrada de 0,53 L/s. El rango del dosificador que se requiere debe ser de 864 a 86,4 L/h. Con este dato entramos a la tabla de la figura 1-23 y elegimos el dosificador de 0 a 1.000 L/h que cubre el rango de trabajo requerido. Se puede observar en la tabla que la tubería de entrada al dosificador debe ser de 1”, y la de salida, de 1 ½” de diámetro. Dosificación Escala

Válvula de flotador Entrada de la solución φF

Tanque de solución A

Pedestal de sustentación Tornillos de anclaje

Base

φ G Al punto de dosificación

Dejar 4 orificios de 4 x 4 x 6 cm C E

B

5 cm

Embudo de descarga

Soportes con abrazaderas

D Detalle de la base

Dimensiones: Tamaño 1 2 3 4

0 0 0 0

-

Capacidad

A

B

C

D

E

φF

φG

400 L/h 1.000 L/h 2.500 L/h 4.000 L/h

760 760 880 880

200 200 310 310

400 400 530 530

140 140 250 250

340 340 470 470

3/4’’ 1’’ 1 1/2’’ 2’’

1 1/2’’ 1 1/2’’ 2’’ 2 1/2’’

Medidas en milímetros

Figura 1-23. Cuadro para seleccionar la capacidad del dosificador por gravedad de orificio de carga constante (2)

Casa de química

27

2.2.3 Saturadores de cal Se emplean para producir una solución saturada de hidróxido de calcio, a fin de dosificar agua de cal. La gran ventaja de estas unidades, comparadas con la de dosificación de lechada de cal, es que se produce una solución con una cantidad muy reducida de sólidos insolubles en suspensión, por lo que no se incrementa la turbiedad del agua filtrada y no se producen depósitos de material sedimentable en el tanque de aguas claras.

Preparación lechada de cal a distancia

Preparación lechada de cal por gravedad cal

cal

agua

agua

agua agua

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Llegada de agua a presión Salida de agua saturada Vaciado del saturador Nivel correspondiente al volumen de lechada de cal para carga Llegada de lechada de cal Rebose

desagüe

Figura 1-24. Saturador de cal estático (2) Preparación lechada de cal por gravedad

Preparación lechada de cal a distancia

Dosificación de cal en continuo

Dosificación de cal en continuo Agua

Agua

1. Llegada de agua a presión 2. Salida de agua saturada 3. Llegada lechada de cal 4. Vaciado del saturador 5. Evacuación de fangos 6. Rebose

Desagüe

Agua 3

Agua

Desagüe 2

6 5

4 1

Figura 1-25. Saturador de cal dinámico (2)

28


En general, el saturador consta de un tanque con fondo cónico o piramidal, donde se deposita la cal que va a ser disuelta. El agua se introduce por el fondo del tanque, mediante un tubo recto instalado en su interior, y es colectada en la superficie libre mediante canaletas o tubos perforados. Se gradúa la dosificación mediante el ajuste del caudal de agua que se introduce en el saturador y la concentración de cal presente se determina a intervalos convenientes. Se recomienda el uso de un hidrómetro en la entrada de agua a la unidad, tanto para determinar el caudal como para evaluar la cantidad de cal disponible en el saturador. Cuando la cantidad de cal disponible es pequeña, la concentración de la solución es baja y es necesario aumentar la cantidad de agua e introducir más cal. Estas unidades pueden ser de tipo estático o dinámico (figuras 1-24 y 1-25). Criterios de diseño •

El tanque debe dimensionarse de tal modo que se garantice una velocidad ascensional de 0,5 a 1,0 L/s/m2 o una dosis de cal de 0,6 a 1,2 g/s/m2.

•

El tanque debe ser suficientemente alto como para facilitar la distribución uniforme del agua introducida por el fondo.

•

Para el cálculo de la unidad, se requiere conocer la temperatura del agua y la solubilidad de la cal a esa temperatura. Para el dimensionamiento, se emplea la ecuación de balance de masas. Véase el ejemplo de cálculo en el cuadro 1-6.

2.3

Recomendaciones para el proyecto

Habiendo dimensionado ya todas las instalaciones, se recomienda tener en cuenta las siguientes consideraciones para diseñar los planos que corresponden a estos ambientes: •

La sala de dosificación debe ubicarse lo más cerca posible de la unidad de mezcla rápida, para que la tubería de conducción de la solución no sea muy larga y para no incrementar demasiado las pérdidas de carga. La tubería de conducción de la solución debe proyectarse sin muchas vueltas y accesorios para evitar atoros y pérdidas de carga excesivas. La salida del dosifi-

P = 100 x 10 x 0,864 P = 86,4

P = Q x D x 0,0864 P* = P/(1-I)

5

6

I = 20

%

m

P* = 86,4/(1-0,2) P = 108

Volumen del saturador

Vol = (0,16 + 1,0) x 2,5/2 Vol. = 1,45

Vol = (Ab + A)/H/2

H = 2,5

4

Área de la base

m

Ab = 0,4 x 0,4 Ab = 0,16

B = 0,40

3

Consumo con impurezas

Consumo diario de cal

Área del saturador

Ab = B x B

Va = 0,5

2

Caudal de operación del saturador

Resultados

A = 0,5/0,5 = 1

Q = 100 D = 10 C = 0,2

1

q = 100 x 10/2.000 q = 0,50 q = 43,2

Cálculos

A = q/Va

Criterios

L/s/m2

Unidad

q = Q x D/C

Dato

L/s mg/L %

Paso

Cuadro 1-6. Cálculo del saturador de cal (2)

kg

kg

m3

m2

m2

L/s m3/d

Unidad

Casa de química 29

30


cador y el inicio de la tubería de conducción deben ser abiertos para que se facilite la calibración del equipo.

Laboratorio Dosificador

Dosificador

1,25

Figura 1-26. Vista en planta de la sala de dosificación, almacén de sustancias químicas, laboratorio de control de procesos y servicios higiénicos (1)

•

El desnivel entre la salida del dosificador y la tubería con perforaciones o el difusor para aplicar el coagulante en la unidad de mezcla rápida debe compensar las pérdidas de carga en todo el recorrido, además de una altura adicional para que la solución tenga presión en la salida. Normalmente, cuando ambos extremos están bien próximos, se deja una diferencia de altura de un metro.

Techo canalón

,80

,20

1,20 1,15 ,07

1,00

Dosificador

Almacén

,15

3/4’’

0,90

Desagüe 2’’

1,20

,90

,15

Figura 1-27. Vista de un corte de la sala de dosificación (1)

Casa de química

31

•

Debe considerarse un tanque de preparación de solución por cada sustancia química que se va a aplicar. Los tanques deben proyectarse en una sola hilera. La altura a la que se coloquen los tanques depende del tipo de dosificador. Si se va a aplicar la solución por bombeo, los tanques pueden estar ubicados directamente sobre el piso de la sala (figura 1-17), pero si la aplicación es por gravedad, el fondo del tanque debe coincidir con el nivel de la tubería de entrada al dosificador (véase la figura 1-27).

•

La tubería de salida del tanque de solución debe colocarse 0,10 centímetros por encima del fondo del tanque para que no salga el sedimento que queda después de que el sulfato se ha disuelto, porque esto puede atorar la válvula de aguja del dosificador.

•

Cada tanque debe tener un agitador para disolver el sulfato de aluminio. En plantas muy pequeñas la agitación puede hacerse en forma manual. Cuando se deba aplicar cal, es indispensable el agitador eléctrico, porque la cal no se solubiliza en el agua. Solo se puede mantener en suspensión cuando la agitación es constante. Si no se agita, la cal se sedimenta y se estaría aplicando solo agua.

•

Cada tanque debe tener instalaciones para el llenado con agua filtrada, salida, desagüe y rebose. El fondo del tanque debe tener pendiente hacia el punto de salida del desagüe para facilitar su rápida limpieza antes de la preparación de la nueva solución. El agua filtrada puede provenir de un tanque ubicado sobre el edificio de la casa de química, el cual se abastece por bombeo desde la caja de salida de los filtros o desde el tanque de aguas claras.

•

En plantas pequeñas y medianas el almacén debe estar contiguo a la sala de dosificación para compactar las instalaciones y facilitar la labor del operador (figura 1-26).

•

Las ventanas del almacén deben colocarse solo en la parte superior para dar iluminación y evitar que la caída de una ruma de material pueda romper los vidrios. Ubicar el nivel de la puerta de entrada colindante con una pista de ingreso de camiones y de manera que coincida con la altura de la plataforma del camión, para facilitar la descarga de las bolsas de sustancias químicas (figura 1-28).

32

•

3.


Cuando se utilicen dosificadores en seco, el almacén siempre se colocará en el primer piso y también la sala de dosificación. Por la altura que tienen estos equipos, el acceso a las tolvas se hará desde el segundo piso, donde se mantendrá una existencia de sustancias químicas como para un día de operación, la que se transportará mediante un montacargas desde el almacén.

Figura 1-28. Entrada al almacén de sustancias químicas (1)

DEFECTOS DE DISEÑO MÁS COMUNES

En contraste con la figura 1-28, en la que mostramos la forma adecuada de entrada a un almacén, en la figura 1-29 se puede observar una entrada por debajo del nivel normal del terreno, donde, además de dificultarse el traslado de las sustancias químicas al almacén, estas sustancias están sometidas a un alto riesgo de deterioro por causa de una posible inundación. Cabe agregar que este almacén corresponde a una planta ubicada en una zona muy lluviosa.

Figura 1-29. Almacén mal ubicado (1)

Cuando el almacén no ha sido correctamente dimensionado, suelen presentarse situaciones como la que se ilustra en la figura 1-30, por falta de capacidad del almacén. Las bolsas de sustancias químicas se han apilado entre los dosificadores, lo que difi-

Casa de química

33

culta y entorpece las actividades de operación. En contraste con la situación anterior, en la figura 1-31 podemos observar un almacén escandalosamente sobredimensionado, donde la existencia normal de sustancias químicas puede observarse en una pequeña ruma muy al fondo. Además del eviFigura 1-30. Consecuencia de la falta de capacidad dente derroche que ello sudel almacén (1) pone, también se generan dificultades en la operación, debido a que los trabajadores deberán desplazarse innecesariamente sobre distancias muy grandes para realizar sus actividades. En un almacén las ventanas deben considerarse solo en la parte alta para iluminar bien el ambiente. Sin embargo, a menudo se encuentran situaciones como la que se ilustra en la figura 1-32. En este almacén, si una ruma de bolsas se ladea y desploma, puede romper los vidrios de las ventanas. Este caso es muy especial, porque, además, las ventanas Figura 1-31. Almacén sobredimensionado (1) tienen marcos de aluminio y el piso es de madera, acabados extraordinariamente buenos para un almacén. Actualmente, las instalaciones se usan como sala de capacitación.

34


Figura 1-32. Ventanas mal ubicadas

4.

LABORATORIO DE CONTROL DE PROCESOS

Toda planta de tratamiento de agua, por más pequeña que sea, debe contar con un laboratorio de control de procesos, donde por lo menos se puedan controlar los parámetros básicos: turbiedad, color, pH, alcalinidad, cloro residual y coliformes fecales o termotolerantes. Si no hay control, no se podrá conocer en qué medida la instalación está cumpliendo con sus objetivos de calidad y el personal de operación puede volverse muy complaciente con la eficiencia del sistema. •

En este ambiente debe considerarse cuando menos un lavadero, un mostrador para operar los equipos y un escritorio o mesa de trabajo para el químico, auxiliar de laboratorio u operador encargado de realizar las pruebas de control de procesos.

•

Toda planta debe contar por lo menos con los equipos necesarios para controlar la eficiencia de los procesos. Para que la planta pueda iniciar su operación correctamente, estos equipos deben ser considerados en el proyecto. Son muchas las plantas en las que se encuentra una habitación con mostradores que debió ser el laboratorio de la planta, pero por no haberse considerado los equipos en el proyecto, llevan años operando sin ellos. Los equipos mínimos que debe tener un laboratorio para ejecutar el control de los procesos son los siguientes: — —

turbidímetro nefelométrico; medidor de pH;

Casa de química

— — — — — —

35

bureta; equipo de prueba de jarras, con seis jarras de un litro con deflectores; comparador de cloro; vidriería: pipetas, vasitos, baguetas, etcétera;. materiales: papel Whatman 40, seis embudos de plástico y vasitos de plástico; equipo portátil para la determinación de coliformes totales y termotolerantes por el método de membranas; termómetro.

•

En el caso de una planta pequeña, el programa de control de calidad podrá efectuarse desde un laboratorio central o regional.

•

En una planta grande deben considerarse en ambientes separados el laboratorio de control fisicoquímico y el laboratorio de control bacteriológico. Podrán efectuarse en la planta los dos programas de control de procesos y de calidad, en el supuesto de que estos laboratorios son atendidos por personal profesional especializado. El control de los procesos puede ser efectuado por operadores capacitados supervisados por el personal profesional, mientras que el de calidad, por el personal profesional. En estos casos, dependiendo de la capacidad de la planta, se recomienda considerar instalaciones independientes.

•

La sala de cloración debe ser siempre independiente y alejada de las demás edificaciones de la planta, para evitar que una fuga de cloro comprometa los equipos de dosificación o de laboratorio, así como al personal que labora en estas dependencias. Es posible adosarla a la casa de química, pero con puertas y ventanas suficientes, de tal manera que las emanaciones de cloro de ningún modo puedan ingresar a esta.

36


REFERENCIAS (1)

Vargas, L. Fotos y proyectos de archivo. Lima, CEPIS/OPS.

(2)

Pérez Carrión, J. M. y L. Vargas. Criterios de diseño para la dosificación y mezcla rápida. Tomo I, Manual III: Diseño. Lima, Programa Regional HPE/CEPIS/OPS, 1992.

BIBLIOGRAFÍA GENERAL Pérez Carrión, J. M. Manejo de sustancias químicas. Lima, CEPIS, 1982. Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental-CETESB. Técnicas de abastecimiento y tratamiento de agua. 2.a edición. São Paulo, 1977. Pérez Carrión, J. M. Estado del arte, coagulación. Manual. CIFCA/CEPIS/ OPS/OMS. 1977.

13. Carbón activado 14. Carbonato de calcio 15. Carbonato de bario

x x

10. Bisulfito de cloro 11. Cal (hidróxido de calcio) x 12. Cal dolomítica x

Ablandamiento

x

x

x

Ajustes de pH

Ácido hidrofluorhídrico Ácido fluorsilícico Ácido sulfúrico Amoniaco Aluminato de sodio Bentonita Bicarbonato de sodio Bisulfito de sodio Bisulfito de carbono x

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Sustancias químicas Coagulación x

x

Control de olores y sabores

Control de algas x

x

x x

x

Control de corrosión y depósitos x

x

Decloración x

Desinfección x

x x

x

Floculación x

Fluoruración x

x x

Remoción de color x x

x x

Remoción del Fe-Mn x

x x

Remoción del arsénico x x

Remoción del bario x

Remoción de cadmio y cromo x

Remoción del mercurio x

Remoción del plomo y la plata x

x

x

Remoción de compuestos orgánicos bióxidos

Remoción del selenio

Remoción del flúor

Filtración

Auxiliares de coagulación

Cuadro A.1. Sustancias químicas más empleadas en el tratamiento de agua por etapas (2)

Anexo A Datos sobre las sustancias químicas más empleadas en el tratamiento de agua

Remoción de sílice

Preparación de sílice activado

Casa de química 37

Ablandamiento

Ajustes de pH

Fosfato bisódico x Fluoruro de sodio Hexametafosfato de sodio Hidróxido de amoniaco Hidróxido de sodio x Hipoclorito de calcio Hipoclorito de sodio Huesos calcinados x

x x

Coagulación

Auxiliares de coagulación x

x

x

x

x

x

x

Control de algas

22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29.

x

Control de olores y sabores x

Carbonato de sodio Cloro Cloruro férrico Cloruro ferroso Cloruro de sodio

Control de corrosión y depósitos

21. Clorito de sodio

16. 17. 18. 19. 20.

Sustancias químicas Desinfección x x

x

x

x

x

Fluoruración x

Remoción de color x x


x

Remoción del mercurio x

Remoción del plomo y la plata

Remoción del selenio

Remoción del flúor

Remoción de cadmio y cromo

Remoción del bario

Remoción del arsénico

Floculación

Filtración

Decloración

x

Preparación de cloro, regeneración de resinas Preparación de cloro

Cuadro A.1. Sustancias químicas más empleadas en el tratamiento de agua por etapas (continuación)



Óxido de calcio x Ozono Permanganato de potasio Policloruro de aluminio Polielectrolitos artificiales Polielectrolitos naturales Polifosfato de sodio Pirofosfato sódico Sílice activada Silicato de sodio

Silicofluoruro de amoniaco Silicofluoruro de sodio Sulfato de aluminio Sulfato férrico Sulfato ferroso Sulfato ferroso clorado

40. 41. 42. 43. 44. 45.

Ablandamiento

30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39.

Sustancias químicas

Ajustes de pH

x

Auxiliares de coagulación x

x x

Coagulación x x x x

x x

x x x

Control de olores y sabores x

Control de corrosión y depósitos x x

x

Decloración x

Desinfección x

Filtración x

x x

Floculación x

x x

Fluoruración x

Remoción de color x

x

x

x


x x

x

Remoción del arsénico x x

x

Remoción del bario x

Remoción de cadmio y cromo x

x

Remoción del flúor x

Remoción del selenio x

x

Remoción del plomo y la plata x

x

x x

x


Remoción del mercurio

Control de algas

Preparación de sílice activada


Casa de química 39

47. Sulfato de cobre 48. Sulfato amónico de aluminio 49. Sulfato potásico de aluminio 50. Sulfito de sodio 51. Tiosulfato de sodio 52. Trifosfato sódico 53. Tierra de diatomea

46. Sulfato de amoniaco

Sustancias químicas

x

x

x x x x

x

x x x x x x x

x x Control de lodos


Ablandamiento Ajustes de pH Auxiliares de coagulación Coagulación Control de algas Control de olores y sabores Control de corrosión y depósitos Decloración Desinfección Filtración Floculación Fluoruración Remoción de color Remoción del Fe-Mn Remoción del arsénico Remoción del bario Remoción de cadmio y cromo Remoción del flúor Remoción del mercurio Remoción del selenio Remoción del plomo y la plata Remoción de compuestos orgánicos bióxidos

40


Ca(OH) 2

CaO. Mg O

C

4. Hidróxido de calcio (cal)

5. Cal dolomítica

6. Carbón activado

Bolsas de 45 kg

Polvo granular Bolsas de 35 kg o en tambores 5,2 kg

Polvo granular Bolsas de 25-30-45 Grava kg

Polvo

Bolsas de 25-45 kg H 2O (Al2O3. Polvo Fe2O3.3 Mg Gránulos finos O). 4SiO 2 NH2O

3. Bentonita (arcilla coloidal)

Cilindros de acero 50-100-150 L (pintado de verde)

Gas

NH 3

2. Amoniaco

Botellones 20 x 50 L

Embalaje

Líquido

Presentación

H 2SO 4

Fórmula

1. Ácido sulfúrico

Compuesto

Polvo 8,28

0,59-0,9611,20

0,562-0,80

0,723-0,964 0,964-1,206

1

60-66° Bc

Densidad

Grav. PP <250 kg/h correa >250 kg/h Vol. disco 5 kg/h

Dosificadores de gas

Solución

Tipos de dosificación

10% huesos Polvo 90% carbón Lechada vegetal

Grava Pérdida de peso Vol.-disco Líq. Rototipo

Partículas Saturadores finas solución Lechada Grav. PP<280 kg/h Vol.>Disco 10 kg/h solución

Granular Lechada

Gas

Líquida

Forma

55-57% Grava CaO Granular 27-40 MgO

82-99% Ca (OH)2 62-74 CaO

90-100% NH 3

77-93%

Concentración comercial

Hierro, acero, vidrio, níquel, plástico

Acero-plástico

Agitadores de tolvas Rotores a prueba de atascamiento Bombas de transferencia

Extractores de polvo Agitadores en tolvas Motores a prueba de atascamiento

0,18 – 0,15 f (temp) 0,10-1 kg/L

Insoluble

Seco: hierro, Insoluble acero Húmedo: acero, caucho, bronce

Agitadores de Hierro, acero, tolvas, plástico tanques, motores a prueba de obturaciones

Balanzas

Seguridad

Accesorios

ObserMaterial vaciones adecuado para sobre manejo solubilidad

Cuadro A.2. Datos complementarios sobre compuestos químicos utilizados en el tratamiento de agua (2)

Casa de química 41

Bolsas de 45 kg Tambores 11,45 kg

Cilindros de acero 100-150 lb Tanques de 15 toneladas

Botellón 19,50 (l) Tambores 45.180 kg Tambores 68.158 kg

Cristales Polvo

Gas líquido bajo presión

Solución cristales granular

Na2CO 3

Cl2

FeCl3 (anhidro solución) FeCl36H 2O (cristal)

8. Carbonato de sodio

9. Cloro

10. Cloruro férrico

0,96-1,04 0,72-0,96

2,49 (con respecto al aire)

Extra liv. 0,482 Liviano 0,642 Pesado 1,042

0,562-0,964 1,60 1,85

Polvo granular Bolsas de 25-45 kg Grava o en tambores

Densidad

CaCO3

7. Carbonato de calcio

Embalaje

Polvo 8,28

Presentación

Polvo granular Bolsas de 35 kg o en tambores 5,2 kg

C

Fórmula

6. Carbón activado

Compuesto Forma

35-45% 60% 96-97%

99,8%

99,2% NaCO 3 58% Na26

96-99%

Solución

Gas vaporizado

Pesado

De acuerdo con el uso Polvo no es adecuado

10% huesos Polvo 90% carbón Lechada vegetal


Hierro, plástico, cerámica, caucho

Balanzas Interconectadores Vaporizadores

Caucho, vidrio, cerámica, plástico

65-91 75

Líquido: 1,46 – hierro, cobre, 0,57 f acero, plástico (temp) Gas: vidrio, plata, caucho, plástico

7–39% f (temp)

47–29% f (temp)

Seco: hierro, Insoluble acero Húmedo: acero, caucho, bronce


Agitadores de Hierro, acero, tolvas caucho, Tanques de plástico solución muy grandes

Agitadores en tolvas, motores y unidades a prueba de obturaciones

Agitadores de tolvas Rotores a prueba de atascamiento Bombas de transferencia

Accesorios

Rototipo Tanques de <6.800 L/h almacenaProporcional > miento y 200 L/h disolución

Cloradores de solución

Solución Grava > 10 kg/h Vol. disco 10 kg/h

Saturadores Grava PP>280 kg/h Correa 252.700 Vol. Disco > 5 kg/h

Grava Pérdida de peso Vol.-disco Líq. Rototipo


Cuadro A.2. Datos complementarios sobre compuestos químicos utilizados en el tratamiento de agua (continuación)


Gas

Producción en planta

16. Sílice activada

Si O2

PAC-250 A líquido PAC-250 AD Polvo

15. Policloruro Aln (OH)m de aluminio Cl3n-m

O3

14. Ozono

—

Tambores Bolsas Tambores

Generado en planta por descargas eléctricas del aire

Botellón 25-50 L Tambores 100 L

Solución

Tambores 10, 25, 135 kg

Embalaje

13. Hipoclorito NaOCl de sodio

Polvo

Presentación

Polvo granular Tambores 28-45136 kg

NaOH

Fórmula

12. Hipoclorito Ca(OCl)2 de sodio 4 H2O

11. Hidróxido de sodio

Compuesto

1,20-3,30 kg/L

1-19-1,21 0,80-0,90

0,80-0,885

0,80-0,90

Densidad Forma


Solución

41° Bc. silicato de sodio diluido a 1,5% antes de ser activado por alumbre, sulfato amónico, cloro, bicarbonato de sodio y ácido sulfúrico

Solución Vol. grava

Ozonadores

Solución

Solución Grava 250 kg/h Vol 10 kg/h

Líquida; Solución con concentraciones de 0,6-1 c. u. para evitar formaciones de gel

10,5% Al2O3 Solución 30% Al2O 3 Polvo

1% de ozono en el aire

13% NaOC1 Solución 12,5

70% Cloro

98,9% Únicamente Solución NaOH en solución 24,7% Na2O


Plástico caucho, cerámica

Tanques de almacenamiento Sistemas de lavado

Bombas Plástico, dosificadoras caucho Tanques de solución

Difusión Vidrio, Decantadores aluminio, de aire cerámica

Tanques, medidores de agua

Agitadores

49,4 cm 3

22-23% f (temp)

ObserMaterial vaciones Accesorios adecuado para sobre manejo solubilidad Protección del Hierro personal fundido, acero, caucho


Casa de química 43

Bolsas 45 kg Tambores 180 kg

Cu SO4 5 H2O

20. Sulfato de cobre

Gránulos Polvo Bloques

Fe SO4 7 H2O

19. Sulfato ferroso (coperas)



Gránulos

Fe2 (SO4)3 3 H2O Ferri-clear Fe2 (SO4)3 Ferri-floc

18. Sulfato férrico (sulfato de hierro)

Densidad

1-1,20 0,95-1,10 0,80-0,85

1,03-1,06

1,121-1,153

Bolsas 45-90 kg 0,964-1,206 Tambores 158-181 kg Producido en planta

Embalaje

Gránulos Cristales Polvo Bloques

Gránulos Polvo Bloques Líquido

Al2 (SO 4)3 KSO4.24 H2 O (aprox.)

17. Sulfato de aluminio

Presentación

Fórmula

Compuesto

99%

55% FeSO4 20% Fe

68% Fe2(SO4)3 18,5% Fe 76% Fe(SO4)3 21% Fe

17% Al2O 3 (min.)


Polvo

Gránulos Solución (op)

Gránulos Solución

Bloques Gránulos

Forma

Reservorios Sacos de aspilleras Planta Dosif. vol. gran. o sol.

Grava > 900 kg/h Vol. universal > 2.800 kg/h

Grava < 286 kg/h Vol. > 45 kg/h Cualquier tipo

Saturación Solución Grava > 100 kg/h Vol. > 5 kg/h


Botas, tanques de solución, bombas Tanques de solución

Tanques de solución con mezclador eléctrico Balanzas

Tanques de solución con mezclador eléctrico y extractor de vapor

Agitadores en tanques de solución y tolvas Control de temperatura

Accesorios

Acero inoxidable, asfalto, caucho, plástico, cerámica

Seco: hierro, acero, concreto Húmedo: caucho, hierro, asfalto, acero galvanizado, plástico

19-21% (temp)

0,05 kg/L T. ret= 5 min. Poco soluble

Acero Muy inoxidable, soluble caucho, plomo cerámica, plástico

Seco: hierro, 5,7 a 17% acero, plástico (temp) Húmedo: plástico, caucho, acero, cerámica




CAPÍTULO 2 MEZCLADORES

Mezcladores

1.

47

INTRODUCCIÓN

Los mezcladores tienen como objetivo la dispersión instantánea del coagulante en toda la masa de agua que se va a tratar. Esta dispersión debe ser lo más homogénea posible, con el objeto de desestabilizar todas las partículas presentes en el agua y optimizar el proceso de coagulación. La coagulación es el proceso más importante en una planta de filtración rápida; de ella depende la eficiencia de todo el sistema. No importa que los demás procesos siguientes sean muy eficientes; si la coagulación es defectuosa, la eficiencia final del sistema es baja. La eficiencia de la coagulación depende de la dosificación y de la mezcla rápida. En la unidad de mezcla la aplicación del coagulante debe ser constante y distribuirse de manera uniforme en toda la sección. Debe existir una fuerte turbulencia para que la mezcla del coagulante y la masa de agua se dé en forma instantánea. La mezcla rápida puede realizarse aprovechando la turbulencia provocada por dispositivos hidráulicos o mecánicos.

2.

PARÁMETROS GENERALES DE DISEÑO

•

La intensidad de agitación, medida a través del gradiente de velocidad, puede variar de 700 a 1.300 s-1 o de 3.000 a 5.000 según el tipo de unidad seleccionada.

•

El tiempo de retención puede variar de décimas de segundos a siete segundos, dependiendo de la concentración de coloides en el agua por tratar y del tipo de unidad seleccionada. De la concentración de coloides presente en el agua dependerá el tipo de mecanismo de coagulación resultante; esto es: alta concentración de coloides → mecanismo de absorción o de neutralización de cargas

48


baja concentración de coloides → mecanismo de barrido. 2.1

Unidades hidráulicas

Entre los mezcladores de este tipo se pueden citar, entre los más utilizados por su simplicidad y eficiencia, los siguientes: • • • • •

canales con cambio de pendiente o rampas; canaletas Parshall; vertederos rectangulares y triangulares; difusores; inyectores.

En los tres primeros mezcladores la turbulencia que ocasiona la mezcla es producida por la generación de un resalto hidráulico que causa un gradiente de velocidad de alrededor de 1.000 s-1. Estas unidades tienen la ventaja de que, además, involucran la medición del caudal de ingreso a la planta. Las unidades de resalto hidráulico son adecuadas para todo tipo de aguas; es decir, tanto para las que coagulan por el mecanismo de absorción o neutralización de carga como para las de barrido. Para las aguas que coagulan por el mecanismo de barrido, son adecuados todos los tipos de mezcladores, inclusive los retromezcladores, porque en este caso, para que el mecanismo de barrido se produzca, son más importantes las condiciones químicas (dosis de coagulante) que los parámetros de mezcla. En los difusores e inyectores se obtiene una eficiencia similar a la conseguida en las unidades de resalto hidráulico, pero con menores gradientes de velocidad; esto es, con menor disipación de energía durante el proceso. Esto se debe a que la homogeneización coagulante-masa de agua en estas unidades se consigue como consecuencia de la gran cantidad de puntos de aplicación del coagulante antes que de la agitación de la masa de agua. Otros tipos de mezcladores de patente como las denominadas unidades de mezcla en línea requieren gradientes de velocidad mayores, normalmente entre 3.000 y 5.000 s-1. La canaleta Parshall es adecuada exclusivamente para plantas de medianas a grandes (Q ≥ 500 L/s). El canal con cambio de pendiente se adecúa a cualquier rango de caudal, y los vertederos rectangular y triangular solo a caudales pequeños; el último, preferiblemente a caudales menores de 30 L/s.

Mezcladores

49

2.1.1 Mezcladores de resalto hidráulico Estas unidades son especialmente adecuadas para aguas que la mayor parte del tiempo están coagulando mediante el mecanismo de adsorción; es decir, aguas que presentan alta concentración de coloides. Los tipos más frecuentes tienen la 1 2 ventaja de servir de unidades de medición de caudal y de unidades de mezcla rápida, por lo cual son muy populares (fiP2 E gura 2-1). P2

h2

a)

Parámetros de diseño

•

Gradientes de velocidad entre 700 y 1.300 s-1 y tiempos de retención menores de un segundo.

d

1

h1

E1

P1

C

0

E2

h1 E2 E E1

0

E

Figura 2-1. Resalto hidráulico (2)

•

Números de Froude (F) variables entre 4,5 y 9,0 para conseguir un salto estable, con excepción de la canaleta Parshall, que funciona mejor con números de Froude entre 2 y 3.

•

El coagulante debe aplicarse en el punto de mayor turbulencia (inicio del resalto), en forma constante y distribuido de manera uniforme en toda la masa de agua.

h2

Figura 2-2. Descripción esquemática del criterio asumido (2)

50


b)

Criterios para el dimensionamiento

•

Se supone que h1 es igual a d1 (figura 2-2).

•

Las alturas de agua antes (h1) y después del resalto (h2) deben satisfacer la siguiente ecuación: h2/ h1 = ½ [ 1 + 8 F2 - 1]

(1)

Donde: F = V 1 / g h1

(2)

y V1 es la velocidad en la sección (1). •

Los tipos más frecuentes tienen la ventaja de servir como unidades de medición de caudal y como unidades de mezcla rápida.

•

La energía hidráulica disipada o pérdida de carga se puede calcular en la longitud (L) del resalto, mediante la fórmula de Belanger: hp = (h2 - h1)3 / 4 h1 h2

•

La longitud de resalto mediante la fórmula de Smetana: L = 6 (h2 - h1)

•

(4)

Gradiente de velocidad (G) producido: G = [γ Q hp /µ∀ ]0,5 ó [ γ /µ] 0,5 . [ hp/ T] 0,5

•

(3)

(5)

Tiempo de mezcla (T) T = 2 L / (V1 + V2) γ µ

= = Q = hp =

peso específico del agua (kg/m3) coeficiente de viscosidad absoluta caudal (m3/s) pérdida de carga (m)

(6)

Mezcladores

ී V1 V2

= = =

51

volumen comprendido entre las secciones (1) y (2) velocidad del agua en la sección (1) velocidad del agua en la sección (2)

El cuadro 2-1 presenta los valores de y/µ para diferentes temperaturas: Cuadro 2-1. Valores de y/µ (1)

Temperatura (°°C) 0 4 10 15 20 25

c)

y/µ

2.336,94 2.501,56 2.736,53 2.920,01 3.114,64 3.266,96

Modelos de comprobación

Canal rectangular con cambio de pendiente o rampa. Un cambio de pendiente en un canal es uno de los medios más simples de producir un salto hidráulico con fines de mezcla. Para comprobar si se están produciendo 1 2 los valores recomendados de gradiente de veV hp 1 d1 V2 locidad y tiempo de reEo P1 d 2 = h2 P2 tención una vez asumiW da la geometría del caWd1 cos Wd2 nal, es necesario calcular las alturas y velociX L dades conjugadas en las secciones (1) y (2) de la figura 2-3. Figura 2-3. Canal rectangular con cambio de pendiente (2)

52


Ecuación de momentos (7): Qw/g ( B2 V2 - B1 V1 cos θ) = P1 cos θ - P2 - FF

(7)

P1 =

1/2 w d12 cosθ

(8)

P2 =

w d22 / 2

(9)

Q = V1 d1 = V2 d2

;

V2 = V1 d1 / d2

Si B1 = B2 ≈ 1 ; FF = o ; F1 = V1 /

gd1

d2 / d1 = a Sustituyendo: V12 ( d1w /g) (V1 d1/ d2–V1cos θ) = (w d12 cos2 θ – w d22)/2 (10) 2 (V12 / d1 g) (d1 / d2 – cos θ) = cos2 θ – ( d2 / d1) 2 2 ( F12 /a) – 2 F12 cos θ = cos2 θ – a2 (a2 / 2 F1) + F1 / a = K K = Factor de resolución de la ecuación K = cos θ ( F1 + (cos θ/2 F1))

(11)

Una vez calculados h1 y V1, se aplican los criterios generales indicados en la sección anterior. El cuadro 2-1 presenta un ejemplo de aplicación de los criterios expuestos. Al finalizar el cálculo, debemos comprobar lo siguiente: altura de la rampa + tirante de agua en el vertedero de coronación de la rampa = pérdida de carga + altura del tirante aguas abajo del resalto

Mezcladores

53

Si el cálculo no es conforme, hay que seguir modificando los datos hasta que los resultados satisfagan esta condición. La figura 2-4 muestra una rampa diseñada para un caudal de 120 L/s. El resalto produce una turbulencia adecuada y se ubica exactamente al pie de la rampa, porque la unidad se dimensionó y ubicó correctamente. d)

Figura 2-4. Mezclador del tipo rampa en una planta mediana (4)

Recomendaciones de diseño

Para conseguir un comportamiento hidráulico óptimo en la unidad, además de un buen dimensionamiento, es necesario que esta se ubique correctamente con respecto a la siguiente unidad, que normalmente es el floculador y que los niveles de ambos —el de salida de la rampa con el nivel de entrada al floculador— estén bien empalmados (figura 2-5). 4.013 3.803

3.713

3.703

3.620

3.503

3.423 3.323

3.353

Floc. 2.313

0.503

Figura 2-5. Empalme mezclador-floculador (4)

La grada que se coloca al final de la longitud de mezcla tiene la finalidad de contribuir a contener el resalto, para que este se dé al pie de la rampa (figura 2-6). En resumen, para que el mezclador opere correctamente, además de comprobar que la intensidad de turbulencia para la mezcla esté dentro del rango apropiado y que cumplan con la igualdad:

54


Eo + h3 = hp + h2

(12)

Criterios que se deben tener en cuenta al elaborar el perfil hidráulico de la planta. 4,013 3,803

3,713

3,703 3,620 Cuando se tra3,503 3,353 3,323 ta de unidades de gran capacidad, es necesario que la sección de la caja de en2,.313 trada se diseñe para una velocidad ascensional menor de un m/s. La tubería de entrada debe ingresar Figura 2-6. Detalle de la elevación del mezclador por el fondo de la caja, de tipo rampa (4) para que la masa de agua vaya perdiendo energía al ascender. En estas condiciones, la lámina de agua alcanzará el vertedero de coronación de la rampa sin turbulencia, lo que permitirá medir el caudal correctamente. Aplicación del Sulfato de Aluminio

Entrada al Floculador

0,15

0,50

0,15

1,00

e)

Figura 2-7. Mezclador de tipo rampa en una planta grande (4)

0,96

1,19

0,25

Problemas de diseño más comunes

La figura 2-7 muestra un mezclador de tipo rampa que opera con un caudal de 2,5 m3/s. La caja de entrada a esta unidad no tiene suficiente profundidad para amortiguar la turbulencia de entrada. Fue necesario colocar una tapa para contener las salpicaduras y evitar que estas inundaran el contorno de la rampa.

Mezcladores

55

Figura 2-8. Mezclador de tipo rampa mal ubicado (4)

Uno de los defectos de diseño más comunes en este tipo de mezclador surge de no empalmar correctamente el nivel del agua a la salida de la rampa con el nivel de operación del floculador. El mezclador de tipo rampa de la figura 2-8 adolece de este defecto. El proyectista empalmó el fondo de la rampa con el fondo del floculador y la rampa quedó ahogada. Cuando el canal de aproximación a la rampa da una vuelta de 90° antes del mezclador, el tirante de agua que emboca el vertedero de coronación de la rampa presenta un nivel inclinado por efecto del volteo, lo que anula la posibilidad de utilizar el vertedero como medidor de caudal. En la figura 2-9 se puede observar que el efecto de la vuelta llega hasta el resalto, que también se presenta inclinado.

Figura 2-9. Defectos en el canal de aproximación a la rampa (4)

Número de Froude F = 5,5

3

L = 2,73 hp = 0,59

∀ = (( 0,08 + 0,53) / 2)

L = 6(h2 - h1) hp = (h2 - h1) / 4 h1h 2

∀ = (h1 + h2) /2) L.B

10

11

12

(2,73) (1,0) ∀ = 0,83

h2 = 0,53

h2 = d2 = a d1

9

3

F = 3,97/ (9,81)(0,08) = 4,62

V1 = 3,97

h1 = 0,076

d1 = 0,07

F = V1 / g h1

8

V1 = q / h1

7

q2 / ( F2 g)

a = 7,89

a = d2 / d1 0,5 a = (8 F K/3) ( COS (Ø/3)) 3

θ = 67,09

Ø = COS-1 [F2 / (2/3 F K)3/2]

θ = tg-1(0,82 / 1,60) θ = 27,14°

K = 4,97

d1 =

Cálculos q = 0,300 / 1,00 q = 0,30

K = COS θ (F + (COS θ /2 F))

θ = tg-1( Eo / X)

Criterios

h1 = d1 / cos è

m

m

m

q=Q/B

6

5

4

Longitud del plano X = 1,60 Altura de rampa Eo = 0,82

m

Ancho del canal B = 1,00

Unidad m3 /s

Datos

Caudal de diseño Q = 0,300

2

1

Paso

Volumen del resalto

Pérdida de carga

Longitud del resalto

Profundidad después del resalto

Número de Froude (comprobación)

Velocidad al inicio del resalto

Profundidad antes del resalto

Altura antes del resalto

Relación de alturas antes y después del resalto

Factor de resolución de la ecuación

Inclinación de la rampa

Caudal unitario

Resultados

Cuadro 2-2. Comprobación de las condiciones de mezcla en un canal rectangular con cambio de pendiente o mezclador de tipo rampa

m3

m

m

m

m/s

m

m

-

-

radianes o grados sexagesimales

m3/s/m

Unidad


= 2.736

mg/L mg/L

do = 0,5

Dosis óptima promedio = 50

C = 2% = 20.000

18

19

Eo + h3 = hp + h2

24

0,59 + 0,53 = 1,12

0,82 + 0,30 = 1,12

Dt = 1”

Dt = ( 4 At /π ) / 0,0254

23

Comprueba la igualdad

Diámetro del difusor

Sección del difusor

At = 0,75 /(1,25 x 1000) At = 0,00058

Velocidad en la tubería

Velocidad en los orificios

Caudal promedio de solución por aplicar

Sección de los orificios

Número de orificios en el difusor

Altura de agua en el vertedero

Vt = 0,576 / 0,46 Vt = 1,25

Vo = 0,576

q = 0,75

Ao = 0,0001

At = q / Vt

Vt = Vo / R

21

= 0,30

N = 1,00/0,10 ; N = 10

h3 = (0,30/1,84 x 1)

Grada al final del resalto

2/3

h = 1/6 .(0,53) ;

Gradiente de velocidad Tiempo de mezcla

h= 0,09

(0,30) (0,59) / 0,83

Resultados

T = 0,83/ 0,30 T = 2,76

G = 1.263

G = 2.736

Cálculos

22

Vo = q / Ao. N

q = Q. D / C

20

R = 0,46

N = B/ e

e = 0,05

17 pulga- Ao = ð do2/4 das

h3 =(Q / 1,84 B)

16

2/3

y/µ . Q h p/ ∀

h = 1/6 h2

G=

Criterios

15

m

Unidad

T =∀/ Q

T = 10 °C

y/µ

Datos

14

13

Paso

Cuadro 2-2. Comprobación de las condiciones de mezcla en un canal rectangular con cambio de pendiente o mezclador de tipo rampa (continuación)

pulgadas

m2

m/s

m/s

L/s

m2

m

m

s

s-1

Unidad

Mezcladores 57

58


2.1.2 Canaleta Parshall (1) Se usa la canaleta Parshall normalmente con la doble finalidad de medir el caudal afluente y realizar la mezcla rápida. Generalmente, trabaja con descarga libre. La corriente líquida pasa de una condición supercrítica a una subcrítica, lo que origina el resalto. Fue ideada en 1927 por R. L. Parshall y patentada en varios tamaños con las dimensiones indicadas en el cuadro 2-3. La secuencia de cálculo es semejante a la del caso anterior, si se introducen las alteraciones debidas a las variaciones en la sección 0 de medición (figura 2-11).

2/3 A

D

C

W

Planta

A B

Corte

E

F

G

h2

H N

Figura 2-10. Canaleta Parshall

h1 H3 K

Pérdida de carga

Mezcladores

59

Cuadro 2-3. Dimensiones estandarizadas de los medidores Parshall W

A

Pulgadas (cm) 1" 3" 6" 9" 1' 1 1/2' 2' 3' 4' 5' 6' 7' 8' 10'

2,5 7,6 15,2 22,9 30,5 45,7 61,0 91,5 122,0 152,5 183,0 213,5 244,0 305,0

B

C

D

E

F

G

K

N

(cm)

(cm)

(cm)

(cm)

(cm)

(cm)

(cm)

(cm)

(cm)

36,3 46,6 61,0 88,0 137,2 144,9 152,5 167,7 183,0 198,3 213,5 228,8 244,0 274,5

35,6 45,7 61,0 86,4 134,4 142,0 149,6 164,5 179,5 194,1 209,0 224,0 239,2 427,0

9,3 17,8 39,4 38,0 61,0 76,2 91,5 122,0 152,5 183,0 213,5 244,0 274,5 366,0

16,8 25,9 40,3 57,5 84,5 102,6 120,7 157,2 193,8 230,3 266,7 303,0 340,0 475,9

22,9 45,7 61,0 76,3 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 122,0

7,6 15,2 30,5 30,5 61,0 61,0 61,0 61,0 61,0 61,0 61,0 61,0 61,0 91,5

20,3 30,5 61,0 45,7 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 183,0

1,9 2,5 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 15,3

2,9 5,7 11,4 11,4 22,9 22,9 22,9 22,9 22,9 22,9 22,9 22,9 22,9 34,3

E0 = V02 / 2g + Ho + N La altura de agua en la sección de medición puede ser calculada por la siguiente ecuación:

(13)

Secciones 0

1

2

hf

W Ho

h3

m

H0 = K Q

4

3

(14)

N

h1

K X

h2

G

C

W

W

Dl

La velocidad en la sección de medición se calcula mediante la siguiente relación:

D

Los valores de K y m se pueden obtener del cuadro 2-4.

2/3 B B

F

G

Figura 2-11. Canaleta Parshall

60


Cuadro 2-4. Valores de K y m para la ecuación 13 Ancho de la garganta del Parshall (w) pulgadas metros 3" 6" 9" 1' 1 1/2' 2' 3' 4' 5' 6' 8'

0,075 0,150 0,229 0,305 0,460 0,610 0,915 1,220 1,525 1,830 2,440

V0 = Q / H0 D’

K

m

3,704 1,842 1,486 1,276 0,966 0,795 0,608 0,505 0,436 0,389 0,324

0,646 0,636 0,633 0,657 0,650 0,645 0,639 0,634 0,630 0,627 0,623

(15)

por relaciones geométricas: D’ = 2 / 3 (D - W) + W

(16)

Donde D, N y W son las dimensiones de la canaleta dadas en el cuadro 2-3. Se puede considerar que toda la energía disipada en la canaleta Parshall se da entre la salida de la garganta (sección 2) y la sección de salida de la canaleta (sección 3) y que en este volumen la mezcla es prácticamente completa. Bajo condiciones de flujo con descarga libre, la pérdida de carga puede calcularse mediante la siguiente fórmula (figura 2-11): hf = Ho + K – h3

(17)

El cuadro 2-5 presenta un ejemplo de aplicación de los criterios expuestos. La figura 2-12 muestra una canaleta Parshall, diseñada para una capacidad de un m/s, que opera como mezclador y medidor de caudal.

Mezcladores

Figura 2-12. Canaleta Parshall para 1,0 m3/s (4)

a)

61

En el caso de mezcladores de tipo canaleta Parshall, también debe empalmarse el nivel de salida de la canaleta con el nivel de entrada del floculador para que el resalto se produzca en la garganta de la unidad. Al proyectar una canaleta Parshall, se deben tener en cuenta las recomendaciones relacionadas con la longitud de los canales de aproximación y salida para que se comporte adecuadamente.

Problemas de diseño más comunes

La figura 2-13 ilustra lo que sucede cuando no se ha efectuado correctamente el empalme de niveles de la canaleta con la siguiente unidad: el resalto se desplaza y se ubica en el nivel más bajo. Como en el proyecto se indica que la aplicación del coagulante se debe hacer en la garganta de la canaleta —lugar donde suponía el proyectista que se iba a obtener el resalto—, dicha aplicación se hace en un punto en el que no hay turbulencia. Este defecto es muy frecuente en este tipo de unidades. La figura 2-14 ilustra otro problema muy común. El resalto hidráulico no se llega a formar porque durante la etapa de elaboración del proyecto solo se comprobaron las condiciones de operación de la unidad con el caudal del final del periodo de diseño de la planta y no se determinó cómo iba a comportarse con el caudal de la primera etapa.

Figura 2-13. Canaleta Parshall defectuosa (4)

62


Figura 2-14. No llega a formarse el resalto (4)

El resultado es que no se está formando el resalto hidráulico, debido a que el caudal de operación en la primera etapa es muy bajo y, por consiguiente, la mezcla resulta muy pobre e ineficiente. En estos casos, debe seleccionarse un ancho de garganta que pueda operar con los dos caudales, dentro del rango de los parámetros de mezcla recomendados.

El caudal que alimenta a la canaleta de la figura 2-15 viene del desarenador, que se proyectó elevado sobre el terreno. La tubería que se aprecia en la foto saliendo del desarenador (donde están las dos personas) lo hace muy superficialmente, por lo que ingresa aire a la tubería. El aire y la carga de entrada al canal producen salpicaduras de agua alrededor de la unidad, por lo que se colocaron tablones fijados con los cilindros que se pueden apreciar en la foto, para evitar que la zona se inundase. La canaleta se ubicó igualando el fondo de esta con el del floculador y opera ahogada (figura 2-16). Las ondulaciones que se aprecian en la figura son originadas por los chorros de aire que pasan a través de la tubería de entrada. La canaleta no opera como medidor ni como mezclador debido a la suma de los defectos indicados. Figura 2-15. Forma de ingreso a la canaleta ( 4)

Mezcladores

En la figura 2-17 se puede apreciar una canaleta Parshall de la cual sale la tubería hacia la planta. La unidad carece de canales de aproximación y de salida, comienza en la transición de ingreso y termina con la de salida; en estas condiciones, esta canaleta no es útil como medidor porque no sigue las recomendaciones de Parshall para este fin.

63

Figura 2-16. Canaleta Parshall mal ubicada (4)

La figura 2-18 muestra el interior de la canaleta de la figura 2-17, que está siendo usada como mezclador y medidor de caudal. Se puede apreciar que no se está formando resalto hidráulico debido a que no se empalmaron las líneas de flujo. La siguiente unidad está a más de 100 metros de distancia y a un nivel más bajo con respecto a la canaleta. Tampoco se proyectó un difusor para aplicar el coagulante en todo el ancho que ocupa la masa de agua. De esta manera, la mezcla obtenida es muy deficiente. En la canaleta de la figura 2-19 se puede apreciar que no se consideró el canal de aproximación. El agua emboca a la canaleta después de una vuelta de 90 grados y luego de pasar por dos orificios.

Figura 2-17. Canaleta Parshall contrahecha (4)

64


Figura 2-18. Interior de la canaleta de la figura 2-17 (4)

Figura 2-19. Canaleta Parshall defectuosa (4)

h 1 = q / V1

8

h1 = 0,83/3,29 h1 = 0,25

V1 = 2 ((2 x 9,8 x 0,8)/3)0,5 cos (44°18'/3)

V1 = 2(2gEo/3) 0,5 cosθ/3

7

Altura del agua antes del resalto

Velocidad antes del resalto V1 = 3,29

cos è = – 0,68 è = 132° 54'

cos è = – (9,8 x 0,83)/(2/3 x 9,8 x 0,8) 1,5

cos è = – qg/ (2/3gEo)1,5

6

Carga hidráulica disponible

Eo = ((1,10)2 /(2 x 9,8)) + 0,51 + 0,23 Eo = 0,80

Eo = (Vo2 / 2g) + Ho + N

m

5

Dimensión de la canaleta N = 0,23

Caudal específico en la garganta de la canaleta

Velocidad en la sección de medición

Vo = 0,760 / (1,35 x 0,51) Vo = 1,10 q = 0,760 / 0,915 q = 0,83

Ancho de la sección de medición D’ = 1,35

D’ = 2/3 (1,572-0,915) + 0,915

Ho = 0,51

Altura de agua en la sección de medición

Resultados

q = Q/W

D’= 2/3(D-W) + W

Ho = 0,608 (0,76) 0,639

Cálculos

4

m

Ho = KQn

Criterios

Vo = Q/D’Ho

Dimensión de la canaleta D = 1,572

unidad

m

Tamaño de la canaleta W = 3' = 0,915

Constantes K = 0,608 n = 0,639

m3 /s

Unidad

Caudal Q = 0,760

Datos

3

2

1

Paso

Cuadro 2-5. Ejemplo de comprobación de las condiciones de mezcla de una canaleta Parshall

m

m/s

m

m3 /s/m

m/s

m

m

Unidad

Mezcladores 65

ã/ ì

hp/T

ã/ì = 2.736 T = 10 °C

16

G=

T = 2 G’/ V2 + V3

Dimensión G’ = 0,915

15

m

hp = Ho + K - h3

V3 = Q / Ch3

14

m

Dimensión C = 1,22

Gradiente de velocidad G = 1,084

Tiempo de mezcla en el resalto T = 0,7

T = 2 x 0,915/ (1,32 + 1,30)

0,11/0,7

Pérdida de carga en el resalto

hp = 0,51 + 0,08 – 0,48 hp = 0,11

G = 2.736

Velocidad en la sección de salida

V3 = 0,760 / 1,22 x 0,48 V3 = 1,30

Altura en la sección de salida de la canaleta h 3 = 0,48

h3 = 0,63 - (0,23 – 0,08)

h3 = h2 - (N-K1)

13

m

Dimensión K1 = 0,08

12

Velocidad en el resalto V2 = 1,32

V2 = 0,760 / 0,915 x 0,63

Número de Froude

V2 = Q / Wh2

11

-1]

9,8 x 0,25

Resultados

Altura del resalto h 2 = 0,63

0,5

F1 = 3,29/ F1 = 2,10

Cálculos

h2 = 0,25/2 [ (1+8(2,1)2 ) 0,5 - 1]

h2 = h1 /2 [ (1+8F12 )

Criterios

10

Unidad F1 = V1 / g h1

Datos

9

Paso

Cuadro 2-5. Ejemplo de comprobación de las condiciones de mezcla de una canaleta Parshall (continuación)

s-1

s

m

m/s

m

m/s

m

unidad

Unidad


Mezcladores

67

2.1.3 Vertedero rectangular Esta unidad consiste en un canal rectangular con un vertedero rectangular sin contracciones a todo lo ancho del canal (figura 2-20).

Coagulante

H Q

P h1

Q1

h2

La lámina verB 1 h Lj 1 Lm 6 2 tiente, después de pasar sobre el vertedero, 1 2 toca el fondo del canal Figura 2-20. Vertedero rectangular (2) en la sección 1, a una distancia Lm del vertedero. Cuando la lámina de agua alcanza el fondo, se divide en una corriente principal que se mueve hacia el frente y en una corriente secundaria que retorna. Para evitar el efecto perjudicial de la zona muerta que forma un vertedero de paredes verticales, se recomienda el diseño de vertedero de la figura 2-20. La distancia Lm puede ser calculada por la ecuación de Scimeni: Lm = 4,3 P ( hc / P) 0,9

(18)

La longitud de la mezcla (LJ) se calcula mediante la ecuación 4. Para el cálculo del gradiente de velocidad, es necesario conocer la energía consumida en el resalto (figura 2-20). La altura de agua en esta sección (h1) está relacionada con la altura crítica (hc) por la siguiente ecuación: hc 2

h1 =

hc =

2,56 + 3

P hc

q2 / g

donde q es el caudal específico

(19)

(20)

68


(q = Q/B) y Q = 1,84 x B x H3/2

(21) El cuadro 2-6 presenta un ejemplo de aplicación de los criterios expuestos. La figura 2-21 muestra un mezclador de tipo vertedero operando correctamente. 2.1.4 Vertedero triangular

Este tipo de mezclador consiste en un canal rectangular y un vertedero de 90° colocado a una altura (P) medida del vértice del vertedero al fondo del canal. Esta alternativa solo es apropiada para caudales pequeños. Figura 2-21. Vertedero rectangular como mezclador (4)

En este caso, la altura de agua (h) en el vertedero se calcula mediante la siguiente expresión:

⎡Q ⎤ h=⎢ ⎥ ⎣1,4 ⎦

0,4

(22)

Con caudales de alrededor de 30 L/s como el del ejemplo del cuadro 2-7, el ancho del canal (B) puede ser igual al de la lámina de agua (L). Cuando L sea demasiado pequeña, por motivos de construcción, se hará B = 2 L. Cuando no se deja la altura de agua apropiada entre el vértice del vertedero y el nivel del agua en el canal, el resalto que se forma es muy pobre (figura 2-22).

Figura 2-22. Vertedero triangular como mezclador

(0,034)2 /9,8

h2 = (0,0176)(( 1+8(4,63)2 ) – 1) 2 V2 = 0,034/ 0,11 LJ = 6(0,11 – 0,0176) Lm = 4,3(0,67) (0,049/ 0,67) 0,9 Lm = 0,28 hp = (0,11 – 0,0176) 3 /4 x 0,11 x 0,0176

h2 = h 1/2 ( 1+8 F12 – 1)

V2 = q/h2 LJ = 6(h2 - h1) Lm = 4,3 P ( hc / p ) 0,9 hp = (h2 - h1)3 /4 h2 h1

7

8

9

10

11

9,8 x 0,0176

V1 = 0,034/0,0176

((0,67/0,05) + 2,56)

h1 =(1,414 x 0,05) /

3

F1 = 1,93/

P/ hc +2,56

hc =

F1 = V1 / g h1

2 . hc /

q2 / g

6

h1 =

3

H = 0,67(0,034) 2/3

q = 0,017/ 0,5

Cálculos

V1 = q / h1

m

hc =

H = 0,67 q2/3

q = Q/ B

Criterios

5

Altura de la cresta P = 0,67

4

m/s 2

m

Ancho del vertedero B = 0,50

g = 9,8

m3 /s

Unidad

Caudal Q = 0,017

Datos

3

2

1

Paso

Pérdida de carga en el resalto hp = 0,10

Distancia del vertedero a la sección (1)

Longitud del resalto LJ = 0,55

Velocidad en la sección (2) V2 = 0,31

Altura de agua en la sección (2) h2 = 0,11

Número de Froude F1 = 4,65

Velocidad en la sección (1) V1 = 1,93

Altura de agua en la sección (1) h1 = 0,0176

Altura crítica hc = 0,05

Carga disponible H = 0,067

Caudal específico q = 0,034

Resultados

Cuadro 2-6. Comprobación de las condiciones de mezcla en un vertedero rectangular

m

m

m

m/s

m

Unid.

m/s

m

m

m

m 3/s/m

Unidad

Mezcladores 69

R = 0,46 At = qo / Vt

⎛ 4 At ⎞ Dt = ⎜ ⎟ ⎝ π ⎠

21

22

Vt = Vo / R

0,5

⎛ 1 ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ 0,0254 ⎠

Dt = 1”

At = (0,021/1000)/0,0435 At = 0,00048

Vt = 0,02 / 0,46 = 0,0435

Diámetro del difusor

Sección del difusor


Velocidad en los orificios

20

Vo = qo / Ao . N

Vo = 0,021/ (0,0001 x 10) Vo = 0,02

C = 2,0% = 20.000

Caudal promedio de solución por aplicar

19

mg/L

Sección de los orificios

Número de orificios en el difusor

Altura de agua en el vertedero

Gradiente de velocidad G = 1,249

Tiempo de mezcla T = 0,48

Velocidad media Vm = 1,12

Resultados

qo = 0,021

Dosis óptima promedio = 25

18

qo = Q. D / C

Ao = 0,0001

Ao = π d 2/4

do = 0,5

17

pulgada

N = 0,5/0,05; N = 10

N = B/ e

m

e = 0,05

16

H3 = 0,017/(1,84 x 0,5) 0,67 H3 = 0,018

0,10 / 0,48

H3 =Q / (1,84 B) 0.67

G = 2.736

T = 0,54 / 1,12

Vm = (1,93 + 0,31)/ 2

Cálculos

15

hp/ T

G = ã/ì

14

ã/ì = 2.736 T = 10 °C

T = Lj / Vm

Criterios

13

Unidad Vm = (V1 + V2 )/ 2

Datos

12

Paso

Cuadro 2-6. Comprobación de las condiciones de mezcla en un vertedero rectangular (continuación)

pulgada

m2

m/s

m/s

L/s

m2

m

s-1

s

m/s

Unidad


Mezcladores

En el mezclador de la figura 2-23 no se está produciendo el resalto en el punto en que el chorro de agua pega sobre la superficie en el canal, porque además de que no se dejó la altura adecuada entre el vértice y el nivel del agua, tampoco se empalmó el nivel del canal con el nivel del floculador. De este modo, el resalto se está produciendo en la entrada del floculador.

71

Figura 2-23. Defectos en el diseño de un vertedero triangular como mezclador

2.1.5 Difusores

Este tipo de mezclador es especialmente apropiado para canales de mezcla profundos y cuando no se tiene mucha carga disponible para el mezclador. Cuando la altura de agua en el punto de mezcla es grande, la mezcla es más eficiente si la aplicación del coagulante se efectúa en toda la sección y no en un solo punto. Cuando el coagulante se aplica en un solo punto, los resultados no son buenos debido a que la mezcla se completará en una distancia tal como L, lo que demandará un exagerado tiempo de mezcla (T) (figura 2-24-a). Como el sulfato de aluminio al contacto con el agua se hidroliza y polimeriza en fracciones de segundo, la eficiencia del proceso disminuye. Cuando el número de puntos de aplicación es mayor, menor es la distancia (L/4) y el tiempo de mezcla (T/4) (figura 2-24-b), y la dispersión del coagulante más rápida, con lo que se logra una eficiencia mayor.

L

1 punto de aplicación Tiempo de mezcla = T (a)

L

4 puntos de aplicación Tiempo de mezcla = T/4 (b)

Figura 2-24. Principio de los difusores (1)

h 2 = h 1/ 2 [ 1 + 8 F 1 - 1 ] h2 = (0,028/2)[ 1 + 8 (4,5) - 1 ] h 2 = 0,071

8

Altura de agua después del resalto

Número de Froude

F1 = V1 / g h1 = 2.36/ 9,81 (0,028) F 1 = 4,5

7

V1 = 2,36

Velocidad al inicio del resalto

m

Altura crítica

Caudal unitario promedio

Ancho de la lámina vertiente y ancho del canal

Altura de la lámina de agua sobre el vertedero

V1 = q/h1 V 1 = 0,066/0,028

P = 1,0

h c = 3 q 2 /g h c = 3 ( 0 , 0 6 6 ) 2/ 9 , 8 1 h c = 0,079

m/s 2

h = 0,21

Resultados

6

Altura desde el vértice del vertedero hasta el fondo del canal aguas abajo

5

g = 9,81

0,4

q = Q/B q = 0,030/0,45 q = 0,066

L=2h L = 2 (0,21) L = 0,42

h = [ Q / 1 , 4 ]0 , 4 h = [0,030/1,4]

Cálculos

m

m 3/ s

Unidades

Altura al inicio del resalto

Aceleración de la gravedad

4

B = 0,45

Q = 0,030

Cantidad

h1 = 1,41 h c / 2,56 + P/ h c h 1 = 1,41 (0,079) / 2,56 + 1,0/0,079 h1 = 0 , 0 2 8

Ancho del canal B=L

Caudal de diseño

Datos

3

2

1

Paso

Cuadro 2-7. Comprobación de las condiciones de mezcla rápida en un vertedero triangular de 90°

m

m/s

m

m

m 3 /sxm

m

m

Unidad


15

r / µ = 2.920 T = 15 °C

T = 0,258/ 1,65

G= r/µ . hp/T G = 2 . 9 2 0 ( 9 , 9 9 ( 1 0 ) -3 / 0 , 1 6 0 ) 0,5 G = 730

;

V m = (V 1 + V 2 ) / 2 = ( 2 , 3 6 + 0 , 9 3 ) / 2 V m = 1,65

13 T = Lm/Vm T = 0,16

Distancia del vertedero a la sección 1

L’ = 4,3 P( h c / P)0,9 L’ = 4,3 (1) (0,079/1,0)0,9 L’ = 0,44

12

14

Longitud del resalto

L m = 6 ( h 2 - h1 ) Lm = 6 (0 , 07 – 0 , 0 28) Lm = 0,258

11

Gradiente de velocidad

Tiempo de mezcla

Velocidad promedio en el resalto

Energía disipada en el resalto

Resultados

hp = (h2 - h1)3 / 4 h1 h2 h p = (0,071 – 0,028)3/ 4 (0,071) (0,028) h p = 9 , 9 9 ( 1 0 )- 3

Cálculos

10

Unidades Velocidad al final del resalto

Cantidad V 2 = q/h 2 V2 = 0,066/0,071 ; V2 = 0,93

Datos

9

Paso

Cuadro 2-7. Comprobación de las condiciones de mezcla rápida en un vertedero triangular de 90° (continuación)

s-1

s

m/s

m

m

m

m/s

Unidad

Mezcladores 73

74


En las unidades de mezcla de resalto hidráulico, en las que la lámina de agua en el punto en que se origina el resalto (punto de aplicación del coagulante) es muy delgada, se emplea un difusor constituido por un tubo perforado o por una canaleta de distribución como la indicada en la figura 2-25.

Tubo difusor Coagulante

Sección longitudinal

Sección transversal

Figura 2-25. Canaleta de distribución de sulfato de aluminio (1)

En canales donde la lámina de agua es relativamente profunda o en tuberías bajo presión se pueden utilizar los dispositivos indicados en las figuras 2-26 y 2-27. Estas unidades son adecuadas para aguas que coagulan por mecanismos de adsorción o de barrido. a)


•

El gradiente de velocidad puede variar entre 500 y 1.000 s-1.

•

El tiempo de retención puede variar entre 1 y 7 segundos.

•

El espacio máximo entre dos orificios nunca debe ser superior a 10 centímetros, para que el coagulante se distribuya de manera uniforme en toda la sección del canal.

•

Los chorros de coagulante deben tener una velocidad de 3 m/s y deben dirigirse en sentido perpendicular al flujo.

•

Los orificios deben tener un diámetro mínimo de 3 mm.

Mezcladores

75

•

La velocidad de la masa del agua donde se distribuyen los chorros deberá ser igual o superior a 2 m/s.

•

Deben preverse facilidades para la limpieza o para la rápida sustitución del difusor. Los difusores en tuberías no permiten ver cómo está operando la unidad, por lo que resulta una unidad muy vulnerable en sistemas donde no se disponga de un buen nivel de operación.

Coagulante

Barras metálicas Orificios Válvulas para limpieza

Junta Dresser

Figura 2-26. Difusor en tubería (1)

Caja distribuidora (móvil) Plástico

Tubo interno (removible) Orificios

Tubo de acero

Tubo externo (fijo)

Figura 2-27. Difusor en canal (1)

76

b)


Criterios para el dimensionamiento En el cálculo de estas unidades se utiliza el modelo de Stenquist: C1 F / C01 = α [l/ d ]-a

(23)

Donde:

α

=

F

=

d a

= =

l = C1/C01 =

coeficiente que depende del número de orificios y de la relación Q/q (relación del caudal de la masa de agua con el caudal del coagulante). Los experimentos realizados por Stenquist proporcionan un valor de α=5 densidad de orificios en el difusor o número de orificios por pulgada cuadrada diámetro de las barras que constituyen la reja del difusor tasa de reducción de las fluctuaciones de la concentración. Depende del diámetro de las barras (d). Valores experimentales determinados por Stenquist (cuadro 2-8) longitud de la mezcla (m) grado de segregación de la solución del coagulante aplicado ( IS ) Cuadro 2-8. Valores de constantes α = 5,00 Diámetro de las barras cm pulgadas

C 01

=

Valor de a

0,16

(1/16)

0,40

0,31

(1/8)

0,54

0,63

(1/4)

0,80

1,25

(1/2)

1,13

2,52

(1)

1,47

concentración inicial del coagulante en el flujo de agua = CA . q/Q,

Donde: CA y q son la concentración y el caudal de la solución del coagulante, respectivamente. Q = caudal de agua (m3/s).

Mezcladores

77

La separación entre barras (M) se calcula en función del grado de solidez (S): M = d [1/(1 - 1-S)]

(24)

Donde: S = K / (1 + K)

(25)

siendo K el coeficiente de pérdida de carga, la pérdida de carga (h) se obtendrá de: h = K V2 / 2g

(26)

El gradiente de velocidad se obtendrá mediante la ecuación general para unidades hidráulicas: G =

γ /µ . hf/ T

(27)

2.1.6 Inyectores En este tipo de unidades se consigue la homogeneización instantánea del coagulante con el flujo de agua, a partir de la regulación de la velocidad de los chorros y del número de chorros dentro de la sección de la masa de agua. a)


•

La velocidad de los chorros (u) debe ser por lo menos cinco veces la velocidad del flujo del agua. La eficiencia máxima se consigue cuando el área cubierta por los chorros es por lo menos 80% de la sección del tubo.

•

b)

Criterios para el dimensionamiento de los inyectores

•

Ecuación básica del perfil del chorro en flujo turbulento (figura 2-28) según Pratte y Baines (2): [x / d . R ] = C [ z / d R]

0,28

(28)

78


Donde: x z R d C CS Cc Ci

= = = = = = = =

•

Al final de la zona de máxima deflexión, se supone lo siguiente:

diámetro del chorro al final de la zona de máxima deflexión longitud de mezcla relación de velocidades del chorro (u) y del agua (V) diámetro de los orificios de inyección coeficientes de los perfiles del chorro (2) coeficiente del perfil superior = 2,63 coeficiente del perfil central = 2,05 coeficiente del perfil inferior = 1,35

z / d1 R = 3

(29)

d1 = diámetro de los orificios de la primera hilera. x = diámetro de los chorros x = 1.741 . d . R , donde R = u/V •

•

Ecuaciones de los perfiles superior e inferior, a partir de las ecuaciones 28 y 29: xs / d1 R = 2,63 (3)0,28 = 3,58

(31)

xi / d1 R = 1,35 (3)0,28 = 1,84

(32)

Diámetro de los orificios de la segunda hilera (d2): d2 = 0,5 d1

•

(30)

(33)

Caudal de la solución de coagulante (q): q = u (π /4) [ N1 d12 + N2 d22 ] N 1 = Número de orificios de la primera hilera N 2 = Número de orificios de la segunda hilera

(34)

Mezcladores

•

79

Pérdida de carga en los chorros (hf) hf = K u2 / 2g

(35) Zona nucleada

D

V

X Zona de máx.

deflex

Zona de vórtice

ión

Z = 10 dR

d µ

Figura 2-28. Perfil del chorro en flujo turbulento

•

Gradiente de velocidad generado por los chorros: G =

γ q . hf / µ ∀

(36)

∀ = volumen de mezcla ∀ = π D2/4 (Z + Z ) 1 1

(37)

El cuadro 2-9 indica la secuencia de cálculo de un inyector y su aplicación (figura 2-29)(3). q (coagulante) Agua cruda

X = 0,15

D/2

0,42 m /s 3

0,15 (A)

d2

D (C)

(B)

q

d1

z2

z1 (D)

Figura 2-29. Diseño de un inyector de 24 chorros

10

9

Diámetro del área central del tubo no cubierta con chorros = 0,30

xs1 m

Diámetro de los chorros de la segunda hilera

∆ x2 = 1,741 d 2 R ∆ x 2 = 0,073

∆ x 2 = 1,741 (0,012) (3,5)

Diámetro de los orificios de la segunda hilera

Longitud del chorro

Porcentaje del área del tubo cubierta por los chorros

Área del tubo

Área cubierta por los chorros de la primera hilera

x s1 / d 2 R = 3,58 d 2 =0,30 /[(2) (3,58) (3,5)] d 2 = 0 , 0 1 2 ( d 2 ≈ 0 , 5 d1 ) d 2 = 0,012

z 1 = 1 0 d1 R z 1 = 10 (0,024) (3,5) ; z = 0,84

8

= [(12) π (0,15)2]/4

% = 0,21 (100)/0,283 = 74

A1 = N1 π ∆ x2 /4 A1 = 0,21

7

N. °

Diámetro de chorros de la primera hilera

∆ x1 = 1,741 d1R ∆ x1 = 1,741 (0,024) (3,5) = 0,15

Diámetro de los orificios de la primera hilera

Velocidad de los chorros


Resultado

x s / d 1 R = 3,58 d 1 = 0,60/[(2) (3,58) (3,5)] d 1 = 0,024

µ = R V ; µ = 3,5 (1,5) = 5,2

V = Q/ A = 0,420/( (0,6)2 π/ 4) V = 1,5

A = π D2 /4 = π (0,6)2 /4 A = 0,283

N1

m

m

m3 / s

Criterio

6

5

Número de los orificios = 12

xs

Haciendo x s igual a D/2

3

4

R

D

Diámetro de tubería = 0,60

Relación de velocidades = 3,5

Q

Símbolo Unidad

Caudal = 0,420

Datos

2

1

Paso

Cuadro 2-9. Cálculo de un inyector

m

m

m

%

m2

m2

m

m

m/s

m/s

Unidad


19

18

17

16

γ/µ = 2.736 T = 10 °C

Coeficiente de pérdida de carga = 1 d2 =

K

hf =(5,2)2/19,6

G = γ /µ q .hf / ∀ G = 2.736 0,035 x 1,38/0,27 G = 1.157

T = ∀ /(Q + q) = 0,27/(0,42 + 0,035) T = 0,59

∀ =π D2 /4 (z1 + z2) ∀ =π (0,6)2 (0,126 + 0,84)/4 ∀ = 0,27

z 2 = 3 d2 R = 3 (0,012) x 3,5 z 2 = 0,126

constante hf = K µ2 / 2g h f = 1,38 ;

Gradiente de velocidad

Tiempo de mezcla

Volumen de la zona de mezcla

Longitud de chorros de la segunda hilera

Pérdida de carga

Caudal del coagulante

q = [ µ π (N1 d 1 + N2 d2)]/4 q = (5,2) π/4[12 (0,024) 2 + 12 (0,012)2] q = 0,035

14

15

Porcentaje del área del tubo cubierta por los chorros

% = [0,26 (100)]/ 0,28 = 92,8

13

N.° Área total cubierta por los chorros

N2 AT = 0,21 + 0,050 = 0,26

Resultado

12

Criterio Área de los chorros de la segunda hilera

Número de orificios = 12

11

S í m b o l o Unidad A2 = [N2 π ( x2)2 ] /4 A2 =[12 π (0,073)2 ]/4 = 0,050

Datos

Paso

Cuadro 2-9. Cálculo de un inyector (continuación)

s-1

seg

m3

m

m

m3 /s

%

m2

m2

Unidad

Mezcladores 81

82

2.3


Unidades mecánicas (1)

La mezcla rápida mecanizada es más eficiente cuando se emplean agitadores de tipo turbina. El agitador de turbina consta de un disco o eje con impulsores, los cuales imparten (b) Radial (a) Axial movimiento al líquido a través de la rotación del disco. Se claFigura 2-30. Tipos de turbinas sifican por el tipo de movimiento producido en turbinas de flujo axial y turbinas de flujo radial (figura 2-30) (1). La potencia aplicada al agua por las turbinas depende del volumen y de la forma de la cámara de mezcla, así como de la velocidad de rotación y geometría del impulsor. Estas variables están interrelacionadas, de tal modo que el diseño de la cámara de mezcla depende del tipo de turbina y viceversa. Son adecuadas para cualquier tipo de agua, pero se recomiendan específicamente para aguas claras que coagulen por el mecanismo de captura o barrido. 2.3.1 Parámetros de diseño •

Gradiente de velocidad de 500 a 1.000 s-1.

•

Tiempo de retención de 1 a 7 seg.

2.3.2 Criterios para el dimensionamiento Rushton (7) encontró que la potencia debida a las fuerzas de inercia y a las fuerzas de viscosidad, representadas por el número de Reynolds (NR), están relacionadas por las siguientes expresiones, de acuerdo con el régimen hidráulico: P = K / gc (µ n2 D3)

•

Laminar

•

Turbulento P = K / gc ( σ n3 D5)

(38) (39)

Mezcladores

83

Donde: P n D σ µ gc

= = = = = =

potencia necesaria (kgf/m/s) número de rotaciones por segundo (rps) diámetro del rotor (m) densidad del agua (kg/m3) viscosidad absoluta (kgf · s/m2) factor de conversión de la ley de Newton (9,81 kg · m/kgf · s2)

La ecuación (38) es válida para valores del número de Reynolds inferiores a 10 y la ecuación (39) se aplica para los números de Reynolds superiores a 10.000. Para valores intermedios del número de Reynolds, la potencia sería calculada por la fórmula (40): P = [K / gc ] σ n3 D5 . (NR)P . (NF)q

(40)

Donde: NR es el número de Reynolds

NR = n σ D2 / µ

(41)

NF es el número de Froude

NF = n2 D/g

(42)

El coeficiente K depende de la geometría de la cámara y del equipo de mezcla, y p y q, del régimen de flujo. 1000

Número de potencia K

500

Disco

Plana

Plana

Inclinada

200 100

W

50 20

D

WD = 1/5

Curva 1

10

W

W

D

WD = 1/5

Curva 2

D

W

WD = 1/5

D

WD = 1/5

Curva 4

Curva 3

5

1

2

3 4

2

1 1

101

102

103

104

Figura 2-31. Relación entre el número de potencia y el número de Reynolds para algunos tipos de turbinas (1)

105

84


Los valores de K para cuatro tipos básicos de turbina son dados en función del número de Reynolds en el gráfico de la figura 2-31. Para el régimen turbulento, que es la condición para la mezcla rápida, tales valores sólo serán válidos si se han previsto dispositivos para la eliminación del vórtice. Esto puede hacerse por medio de cuatro cortinas, tal como se indica en la figura 2-32, cada una tomando 10% del diámetro del tanque (DT). La turbina de tipo 1 es la que proporciona, bajo idénticas condiciones de rotación y diámetro, la mayor potencia útil (K = 5). La geometría del sistema de cámara del equipo de mezcla se define por las siguientes relaciones (figura 2-32):

2,7 < DT / D < 3,3 2,7 < H / D < 3,9

H B W D

0,75 < h / D < 1,3

h

DT

B/D=1/4 W/D=1/4 1 / DT = 1 / 10

Figura 2-32. Relaciones geométricas de la cámara de mezcla (1)

Ejemplo: dimensionar un retromezclador y la cámara de mezcla para una planta que tratará 450 L/s.

gradiente de velocidad

G = 1.000 s-1

tiempo de mezcla

T=1s

Mezcladores

85

Solución: los cálculos son bastante simples, como lo demuestra el cuadro 2-10. Se inician fijando las relaciones geométricas entre la cámara y la turbina, como se ha indicado en la figura 2-32. Con el gradiente de velocidad prefijado, la secuencia de cálculo es orientada hacia la determinación de la potencia aplicada al agua y, finalmente, la velocidad de rotación. Para un motor eléctrico de cuatro polos (aproximadamente, 1.750 rpm a 60 Hz), será necesario un reductor de velocidad con un factor de reducción de 1.750/420 ó de aproximadamente 4:1. En la determinación de la potencia del motor eléctrico se debe tener en cuenta el rendimiento del reductor de velocidad. A un rendimiento de 80%, la potencia mínima del motor eléctrico deberá ser la siguiente: Pm = 210 / 75 x 0,8 = 3,5 HP

(43)

La selección deberá recaer en un motor de potencia nominal de 4 HP (potencia de placa). La selección del reductor de velocidad es uno de los puntos críticos en el dimensionamiento mecánico del mezclador. Es el componente más importante y también el más caro. Los reductores deben ser especificados para un factor de servicio basado en la potencia nominal del motor eléctrico no inferior a 1,5. En el ejemplo, el reductor sería, entonces, dimensionado para una potencia de 6 HP. La adopción de periodos pequeños de retención inferiores a 2 segundos en las cámaras de mezcla rápida mecanizadas exige que la corriente líquida incida directamente sobre las paletas del agitador. El coagulante deberá ser aplicado en el interior de la cámara, apuntando hacia la turbina del agitador.

a = DT / D = 3 b = H / D = 3,5

2

m/s2 kg/m3

G P

K

= 0,065

n = 3 g P/ K . ρ . D5 n = [ 9 , 8 1 ( 5 2 , 5 1 ) / 5 ( 1 . 0 0 0 ) ( 0 , 2 6 ) 5 ] 1/3 n = 4,4 ó n = 264

Coeficiente o número de potencia = 5 Aceleración de la gravedad: 9,81 Peso específico del agua = 1.000

kg s/m 2

Velocidad de rotación

Dimensiones de las paletas

Diámetro de la turbina

Potencia aplicada al agua

P = µී G 2 P = 1 . 1 6 7 ( 1 0 ) -4 ( 0 , 4 5 ) ( 1 . 0 0 0 ) 2 P = 52,51 D = D T/ 3 ; D = 0 , 7 8 6 / 3 D = 0,26

Diámetro de la cámara de mezcla Profundidad de la cámara de mezcla

= 0,786

Volumen de la cámara de mezcla

Resultado

H = D T b/a ; H = (3,5/3,0) 0,786 = 0,92

1/3

7

Coef. de viscosidad = 1 , 1 6 7 ( 1 0 ) -4

°C

3

D T = 1,08 aV/b DT = 1,08[(3,0/3,5) (0,45)]

V = 0,45

ී = QxT ී = 0,45 (1)

B = D/ 4 B = 0,26/4 W = D/4 W = 0,26/4 = 0,065

Ì

Te m p e r a t u r a = 1 5

5

s-1

m3 / s s

Criterio

6

T

Gradiente de velocidad = 1.000

G

Q T

Símbolo Unidad

4

3

Caudal (0,450) Tiempo de mezcla (un segundo)

Datos

1

Paso

Cuadro 2-10. Dimensionamiento de un mezclador mecánico de turbina radial (1)

rps rpm

m

m

kg m/s

m

m

m3

Unidad


Mezcladores

87

REFERENCIAS

(1)

Programa Regional HPE/OPS/CEPIS de Mejoramiento de la Calidad del Agua para Consumo Humano. Manual V: Diseño. Tomo I. Criterios de diseño para la dosificación y mezcla rápida. Lima, CEPIS/OPS, 1992.

(2)

Richter, Carlos. Submódulo C.19.3.1. Mezcla rápida. Módulo C.19.3. Diseño. Programa Regional de Mejoramiento de la Calidad del Agua para Consumo Humano.

(3)

Amirtharajah, A. “Initial Mixing”. En Coagulation and Filtration: Back to the Basics. AWWA Seminar Proceedings, American Water Works Association, Dallas, 10-14 de junio, 1984.

(4)

Vargas, Lidia. Fotos de archivo personal. Lima, CEPIS.

(5)

Stenquist, R. y R. M. Kaufman. Initial Mixing in Coagulation Processes. Berkeley, Universidad de California, 1972.

(6)

Pratte, B. y D. Baines. “Profiles of the Round Turbulent Jet in a Cross Flow”. Journal of the Hydraulics Division. Proceedings of the American Society of Civil Engineers. 1967.

(7)

Rushton, J. H. Mixing of Liquids in Chemical Processing. Ind. Eng. Chem. 1952.

(8)

Di Bernardo, Luiz. Información expuesta en el Curso de Diseño de Mérida, Yucatán, 1985 (basada en una investigación efectuada en la Escuela de San Carlos).

88


CAPÍTULO 3 FLOCULADORES

Floculadores

1.

91

INTRODUCCIÓN

El objetivo del floculador es proporcionar a la masa de agua coagulada una agitación lenta aplicando velocidades decrecientes, para promover el crecimiento de los flóculos y su conservación, hasta que la suspensión de agua y flóculos salga de la unidad. La energía que produce la agitación del agua puede ser de origen hidráulico o mecánico. En este capítulo trataremos sobre el diseño de unidades de agitación hidráulica. Entre los floculadores más conocidos se pueden citar, en primer lugar, las unidades de pantallas de flujo horizontal y vertical, las de medios porosos, la de tipo Alabama y Cox, y los floculadores de mallas.

2.

PARÁMETROS Y RECOMENDACIONES GENERALES DE DISEÑO

Los gradientes de velocidad que optimizan el proceso normalmente varían entre 70 y 20 s-1. En todo caso, en el primer tramo de la unidad el gradiente no debe ser mayor que el que se está produciendo en la interconexión entre el mezclador y el floculador (1). •

El gradiente de velocidad debe variar en forma uniformemente decreciente, desde que la masa de agua ingresa a la unidad hasta que sale (2).

•

El tiempo de retención puede variar de 10 a 30 minutos, dependiendo del tipo de unidad y de la temperatura del agua. En las zonas tropicales, donde las aguas presentan temperaturas por encima de los 20 °C, el tiempo de floculación necesario suele ser más breve, alrededor de 15 minutos. En cambio, en los lugares fríos, donde el agua tiene temperaturas de 10 a 15 °C, generalmente el proceso se optimiza con tiempos de retención iguales o superiores a 20 minutos (3).

92


•

Para que el periodo de retención real de la unidad coincida con el de diseño, ella debe tener el mayor número posible de compartimientos o divisiones (4).

•

El paso del mezclador al floculador debe ser instantáneo y deben evitarse los canales y las interconexiones largas.

•

El tiempo de retención y el gradiente de velocidad varían con la calidad del agua (1,4). Por lo tanto, estos parámetros deben seleccionarse simulando el proceso en el laboratorio con una muestra del agua que se va a tratar (ver el procedimiento en Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo II, capítulo 11).

•

Pueden operar indefinidamente sin riesgos de interrupción, debido a que solo dependen de la energía hidráulica. Por esta razón, son muy confiables en su operación.

•

Por su bajo costo de construcción, operación y mantenimiento, se considera a los floculadores como una tecnología apropiada para países en desarrollo.

3.

UNIDADES DE PANTALLAS

Las unidades de pantallas son las más eficientes y económicas de todos los floculadores actualmente en uso. Debido a la gran cantidad de compartimientos que tienen, confinan casi perfectamente el tiempo de retención; el tiempo real es prácticamente igual al tiempo teórico (4) cuando la unidad ha sido bien proyectada. Debido a que no se requiere energía eléctrica para su funcionamiento, el costo de producción es muy bajo. Debido a su mayor eficiencia y menor costo, en el Japón se han reemplazado los floculadores mecánicos por hidráulicos y actualmente solo se diseñan unidades de este tipo (5). 3.1

Unidades de flujo horizontal

3.1.1 Parámetros y recomendaciones de diseño •

Recomendables para caudales menores de 50 litros por segundo.

Floculadores

93

•

Se proyectará un mínimo de dos unidades, salvo que la planta tenga alternativa para filtración directa, porque en ese caso, podrá darse mantenimiento al floculador durante los meses en que la planta opera con filtración directa.

•

En este tipo de unidades predomina el flujo de pistón, por lo que se consigue un buen ajuste del tiempo de retención.

•

Se pueden utilizar pantallas removibles de concreto prefabricadas, fibra de vidrio, madera, plástico, asbesto-cemento u otro material de bajo costo, disponible en el medio y que no constituya un riesgo de contaminación. De esta manera, se le da mayor flexibilidad a la unidad y se reduce el área construida, disminuyendo por consiguiente el costo de construcción (figura 3-1).

•

Entre los materiales indicados para Figura 3-1. Floculador de pantallas de flujo las pantallas, los horizontal (6) que ofrecen mayor confiabilidad son la fibra de vidrio, el plástico, los tabiques de concreto prefabricados y la madera. En cada caso, la elección del material dependerá del tamaño de la planta, del costo del material y de los recursos disponibles. Si se empleara madera, se pueden disponer tabiques de madera machihembrada, tratada con barniz marino aplicado en varias capas, cada una en sentido opuesto a la anterior, de tal manera de formar una gruesa capa impermeabilizante. También puede emplearse madera revestida con una capa de fibra de vidrio. La unidad puede tener una profundidad de 1,00 a 2,00 metros, dependiendo del material utilizado en las pantallas.

94

•


Se pueden utilizar también pantallas de asbesto-cemento, siempre y cuando no se tengan aguas ácidas o agresivas. Las aguas recomendables para utilizar este tipo de solución deben tener las siguientes características: Ia CO 2 Sulfatos pH

≤ 10 ≤ 3,5 mg/L ≤ 1.500 mg/L ≥ 6

Figura 3-2. Floculador de pantallas de flujo horizontal (7)

Donde: Ia es el índice de agresividad, que es igual a: Ia = pH + log 10 (A x D) A = alcalinidad total como CaCO3 en mg/L y D = dureza como CaCO3 en mg/L En zonas sísmicas no se recomienda el empleo de planchas de asbesto-cemento. Durante el terremoto que ocurrió en el sur del Perú en el 2001 se quebraron todas las pantallas de la unidad de flujo horizontal de la figura 3-2. En el primer plano de la figura 3-3 se pueden ver los tanques de floculación sin pantallas.

Figura 3-3. Floculador de pantallas después del sismo (7)

En la figura 3-4 se puede observar cómo quedaron las pantallas del floculador y del decantador laminar, que también

Floculadores

95

eran de asbesto-cemento. Principalmente a partir de esta experiencia, de gran impacto económico, no recomendamos utilizar el asbesto-cemento para este fin en zonas de alto riesgo sísmico y de bajo nivel de operación, porque es un material muy quebradizo si no se manipula adecuadamente durante las labores de mantenimiento. Los Figura 3-4. Pantallas de asbestooperadores acostumbran caminar cemento rotas (7) sobre las pantallas. En la figura 3-5 se pueden ver las maderas que colocan para caminar encima de ellas. •

Con pantallas de asbesto-cemento, se recomienda diseñar unidades de máximo un metro de profundidad útil, colocando las pantallas con la dimensión de 1,20 metros en el sentido vertical.

•

Si se usan pantallas de asbesto-cemento onduladas, se consigue disminuir un poco la diferencia de gradientes de velocidad entre los canales y las vueltas (figura 3-6). En este caso, se considera un coeficiente de fricción (n) de 0,03 para calcular la pérdida de Figura 3-5. Floculador con pantallas carga en los canales. de asbesto-cemento planas (7) Cuando se utilicen placas de asbesto-cemento planas o de madera, los coeficientes deben ser 0,013 y 0,012, respectivamente.

•

El coeficiente (K) de pérdida de carga en las vueltas varía entre 1,5 y 3,0 Se recomienda usar un coeficiente de 2 para este fin (8).

96


Figura 3-6. Floculador con pantallas de asbesto-cemento onduladas (7)

•

El espaciamiento entre el extremo de la pantalla y la pared del tanque —es decir, el paso de un canal a otro— se deberá hacer igual a 1,5 veces el espaciamiento entre pantallas (9).

•

Dependiendo del tamaño de la unidad, deberá considerarse un punto de desagüe por unidad o uno por cada tramo.

3.1.2 Criterios para el dimensionamiento •

En las unidades hidráulicas el gradiente de velocidad es una función de la pérdida de carga: G=

y/ µ .

hf/T

(1)

Donde:

γ/µ = hf = T = •

relación que depende de la temperatura del agua pérdida de carga total en m tiempo de retención en s

La pérdida de carga se produce a lo largo de los canales (h 1 ) y principalmente en las vueltas (h2), por lo que la pérdida de carga total en el tramo hf = h1 + h2. h1 =

n

=

v g r l

= = = =

[n v / r2/3 ] 2 . I

(2)

coeficiente de pérdida de carga de Manning. Con planchas corrugadas (n = 0,03), velocidad en los canales aceleración de la gravedad (m/s2) radio hidráulico del canal longitud total en el tramo (m)

Floculadores

97

h2 = K ( v2 / 2g ). N K

=

N

=

2, coeficiente de pérdida de carga en las curvas. número de vueltas o pasos entre canales.

(3)

h1 hf h2 H I1

I1

I2

3.1.3 Aplicación I1

I2

Se requiere proyectar un Perfil floculador de pantallas para un Planta caudal de 30 L/g y se ha Figura 3-7. Comportamiento de la pérdida seleccionado la unidad de flujo de carga horizontal por tratarse de un caudal pequeño. Se simuló el proceso en el laboratorio para determinar los gradientes de velocidad y tiempos de retención óptimos y se obtuvieron los resultados que se indican en el gráfico de la figura 3-8. Los resultados del estudio indican que se obtendría la mayor eficiencia con los gradientes de velocidad y los tiempos indicados en el cuadro 3-1. Correlación de G y T

G (s-1)

100

1 10 y = -20,193Ln(x) + 108,14 R2 = 0,9047

10 100

Tiempo (min)

Figura 3-8. Correlación de G y T

98


Cuadro 3-1. Parámetros óptimos de floculación (10) Tramos

Gradientes de velocidad (s-1)

Tiempos de retención (min.)

1 2 3 4

80 60 50 45

5 10 15 20

En el cuadro 3-2 se muestra un ejemplo de cálculo para un tramo del floculador de pantallas de flujo horizontal con pantallas de asbesto-cemento onduladas. El proceso se repite para los tramos siguientes. En el ejemplo se eligió un gradiente bajo para el último tramo (25 s-1) para optimizar la formación del flóculo. Se eligió el último tramo de la unidad para desarrollar el ejemplo de cálculo, a fin de indicar también cómo se chequea que las pantallas se crucen en toda la unidad por lo menos 1/3 del ancho. De acuerdo con el cálculo efectuado, el ancho de las vueltas en este tramo es de 0,54 metros y el ancho total del tanque, de 3 metros. Teniendo en cuenta dos anchos de vuelta correspondientes a cada extremo del canal, las pantallas traslaparían en una longitud de 3 – (0,54 x 2) = 1,92 m. Por lo tanto, el dimensionamiento es correcto. También se puede apreciar que se han modificado los tiempos de retención en cada tramo, de tal modo que las longitudes de todos los tramos sean iguales a 4,30 metros. Esto permitirá construir cuatro tanques iguales de 4,30 metros de largo, 3 metros de ancho y un metro de profundidad total.

L4 = N4 a4 + (N 4 - 1) e

m

7

Espesor de las láminas de asbesto-cemento corrugadas e = 0,006

N4 = l1 / B

6

B = 3b + d4

m

5

Ancho útil de la lámina de asbesto-cemento corrugada b = 0,825

d4 = 1,5 a4

4

m

a4 = A4 / H

Altura de agua en la unidad H = 0,70

m/s

Velocidad en el tramo 4 V4 = 0,12

3

min

Tiempo de retención tramo 4 T4 = 4,97

L4 = V4 x T4 x 60

Criterios

A = Q/ V4

m3/s

Unidad

Caudal Q = 0,030

Datos

2

1

Paso

Número de canales en el tramo 4 N1 = 12 Longitud del tramo 4 L4 = 4,4

L 4 = 12 x 0,36 + (12-1) 0,006

Ancho del floculador B = 3,0

N4 = 35,8 / 3,0

B = 3 (0,825) + 0,54

Ancho de vueltas del tramo 4 d4 = 0,54

d 4 = 1,5 x 0,36

Sección de canales del tramo 4 A4 = 0,25 Ancho de canales del tramo 4 a4 = 0,36

0,030 / 0,12

Longitud de canales del tramo 4 L4 =35,8

Resultados

a 4 = 0,25 / 0,70

A=

L 4 = (0,12) (4,97) (60)

Cálculos

Cuadro 3-2. Dimensionamiento de un floculador hidráulico de flujo horizontal (10)

m

unidades

m

m

m

m2

m

Unidad

Floculadores 99

13

12

T = 20 °C 0,5 (hf/T) = 3.115 G = (ã / ì ) ^ 0,5 (h f /T) ^0,5

hf1 = h1 + h2

unidades h2 = [NV1 2 /r2/3/3 ].L 1

Coeficiente de rugosidad n = 0,03

11

m/s2 P1 = 2H + a1

Aceleración de la gravedad g = 9,8

9

Criterios

unidades h1 =KV12 (N-1) / 2g

Unidad

10

Coeficiente de pérdida de carga en las vueltas K=2

Datos

8

Paso

G1 = 3.115 (0,019/ (4,95 x 60)) ^ 0,5

hf1 = 0,017 + 0,0012

h2 = [ 0,03 (0,12) 2/ (0,142)2/3 ] . (35,8)

P1 = 2 (0,70) + 0,36

h 1 = (2) (0,12)2 (12-1) / 19,6

Cálculos

Gradiente de velocidad en el tramo 1 G1 = 25

Pérdida de carga total en el cuarto tramo hf1 = 0,019

Pérdida de carga en los canales del tramo 4 h2 = 0,0012

Perímetro mojado de las secciones del tramo 4 P1 = 1,757

Pérdida de carga en las vueltas del cuarto tramo h1 = 0,017

Resultados

Cuadro 3-2. Dimensionamiento de un floculador hidráulico de flujo horizontal (continuación)

s-1

m

m

m

m

Unidad


Floculadores

101

3.1.4 Recomendaciones para el proyecto y problemas de diseño más comunes A continuación presentaremos algunas condiciones de diseño muy importantes para el correcto funcionamiento de una unidad de flujo horizontal y algunos de los errores de diseño más comúnmente identificados: •

Considerar, en el fondo de la unidad, una pendiente igual a la pérdida de carga obtenida en el cálculo, de tal modo que la altura de agua permanezca constante y, por lo tanto, el gradiente de velocidad en todo el tramo también se mantenga así. La unidad de la figura 3-9 fue diseñada con el fondo plano. La sección inicial es mucho mayor que la final y, como el caudal es constante, la velocidad es menor al inicio y mayor al final. Al evaluar esta unidad, se encontró que los gradientes de velocidad estaban al revés, empezaban bajos y terminaban altos.


Para mejorar el comportamiento de la unidad, se requeriría darle pendiente en el fondo, para lo cual sería necesario retirar todas las vigas que sujetan las pantallas y los tabiques de concreto prefabricados.


La unidad de la figura 3-10 tiene una profundidad inicial de 1,70 metros y una final de 2,40 metros. Fue diseñada con gradientes de velocidad variables entre 27 y 2,5 s-1 y un tiempo de retención total de 39 minutos. Si calculamos la pérdida de carga correspondiente a la velocidad en las secciones entre las

102


pantallas, esta sería apenas de 3,9 centímetros. Como el desnivel del fondo de la unidad es de 0,70 metros, el caudal se escurre totalmente hacia el final. La estructura de esta unidad es toda de concreto con pantallas rígidas; para mejorar su comportamiento, será necesario demolerla. •

Al elegir el ancho de la unidad, debe tenerse en cuenta el ancho de la vuelta en el último tramo, de tal modo que las pantallas se crucen por lo menos en un tercio de su longitud. En la unidad de la figura 3-11 no se tuvo en cuenta este criterio y el flujo pasa totalmente por la parte media y forma un rápido cortocircuito, mientras que entre las pantallas se producen vórtices y zonas muertas.

•

Figura 3-11. Floculador de pantallas El sistema que se adopte para la de flujo horizontal (7) sujeción de las pantallas, sobre todo cuando se trata de pantallas de asbesto-cemento onduladas, es muy importante para el buen funcionamiento de la unidad. El sistema de la figura 3-12 no es recomendable. Como se puede apreciar, no se logra mantener el paralelismo de las pantallas y el agua termina pasando de un canal a otro.


El sistema de sujeción para pantallas onduladas de la figura 3-13 es la solución más conveniente desde el punto de vista técnico y económico. Consiste en colocar un listón de madera en el borde superior de cada pantalla, tomando también la longitud de la vuelta para sujetarlo en las paredes laterales del tanque. Esta acción mantiene las pantallas estables y alineadas. Estos primeros

Floculadores

103

listones se sujetan con otros perpendiculares a ellos mediante pernos, y así se mantiene el ancho constante de los canales. En la parte inferior las pantallas se sujetan mediante un listón de madera con ranuras, que debe instalarse semiempotrado en el fondo de la unidad. 3.2

Unidades de flujo vertical


En este tipo de unidades el flujo sube y baja a través de canales verticales formados por las pantallas. Es una solución ideal para plantas de medianas a grandes, porque debido a la mayor profundidad que requieren estas unidades, ocupan áreas más reducidas que los canales de flujo horizontal. Otra ventaja importante es que el área de la unidad guarda proporción con respecto a los decantadores y filtros, con lo que resultan sistemas más compactos y mejor proporcionados. Cuando se emplean floculadores de flujo horizontal en plantas grandes, el área de los floculadores es mucho mayor que el área de todas las demás unidades juntas. 3.2.1 Parámetros y recomendaciones de diseño •

Las unidades de flujo vertical son una solución recomendable para plantas de capacidad mayor de 50 litros por segundo.

•

Se proyectan para profundidades de 3 a 4 metros, por lo que ocupan un área menor que las unidades de flujo horizontal.

•

Los tabiques pueden ser de fibra de vidrio, prefabricados de concreto, de madera o de asbesto-cemento. En la figura 3-14 se puede ver una unidad con pantallas de dry wall; en la figura 3-15, con madera; y en la 3-16, de asbesto-cemento gruesas.

•

Las restricciones para el uso de pantallas de asbesto-cemento son las mismas que se indicaron anteriormente.

104


Figura 3-14. Floculador de flujo vertical con tabiques de dry wall (7)

Figura 3-15. Floculador de flujo vertical con tabiques de madera (7)

Con este tipo de tabiques, se recomienda usar una altura máxima de agua de 2 a 3 metros. Pueden proyectarse alturas mayores, traslapando pantallas y empernándolas. Se debe tener especial cuidado durante el llenado de este tipo de unidades, para evitar roturas. •

La sección de cada paso se calculará para una velocidad igual a los 2/3 de la velocidad en los canales.

•

El gradiente de velocidad en los canales no deberá ser menor de 20 s-1. En plantas grandes se pueden colocar mallas diseñadas con el gradiente de velocidad apropiado en los orificios de paso.

•

Para evitar la acumulación de lodos en el fondo y facilitar el vaciado del tanque, se dejará una abertura equivalente al 5% del área horizontal de cada compartimiento en la base de cada tabique que llega hasta el fondo.

•

Estructuralmente, son más confiables los tabiques de concreto prefabricados y fibra de madera machihembrada de 1,5" a 2" de espesor; pueden

Figura 3-16. Floculador de flujo vertical con pantallas de asbesto-cemento (7)

Floculadores

105

adoptarse, en este caso, alturas de agua de 4 a 5 metros. Con este tipo de solución se reduce apreciablemente el área de la unidad, lo cual es especialmente ventajoso en plantas grandes. •

Al igual que en las unidades de flujo horizontal, debe tenerse especial cuidado en la adopción del ancho de la unidad para que en el diseño de los tramos con bajos gradientes de velocidad, las pantallas se entrecrucen por lo menos en 1/3 de la altura útil. Así se evitará la formación de espacios muertos y cortocircuitos.

3.2.2 Criterios para el dimensionamiento •

La selección del número aproximado (m) de compartimentos por tramo o canales de gradiente constante se puede determinar utilizando el criterio de Richter (5). 3

m = 0,045

b L t •

= = =

(bLG/ Q) 2 .t

ancho del tramo o canal longitud del tramo tiempo de retención del tramo

La pérdida de carga en las vueltas (h2) se calcula mediante la siguiente expresión: h2 = [(m + 1)V12 + mV22] / 2g V1 = V2 =

•

(5)

velocidad en los canales velocidad en los pasajes u orificios de paso de un compartimiento a otro

La velocidad en los pasajes (V2): V2 = 2/3 V1

•

(4)

(6)

El gradiente de velocidad en los canales (G1) se comprueba mediante la siguiente expresión:

106


G1 = f RH

γ /µ .

1/2g .

f / 4RH . V11,5

(7)

= coeficiente de Darcy Weissbach, que varía entre 0,01 y 0,03. Se recomienda utilizar 0,02. = A/P, radio hidráulico del canal.

En el cuadro 3-3 se desarrolla un ejemplo de dimensionamiento de un floculador de 6 compartimientos. + a + b

A

A Planta h2

e2

H

e2

h2

e2

e1

Corte A-A

Figura 3-17. Floculador de pantallas de flujo vertical (12)

3.2.3. Aplicación

G (s-1)

Se requiere proyectar un floculador de pantallas para un caudal de 250 litros por segundo y se ha seleccionado una unidad de flujo vertical de 4,50 metros de profundidad por tratarse de una planta grande. Se simuló el Correlación de G y T proceso en el laboratorio para 100 determinar los gradientes de velocidad y los tiempos de retención óptimos. Se obtuvieron los resultados indicados en el gráfico de la figura 3-18. Los resultados del estudio indican 10 que se obtendría la mayor 1 10 100 eficiencia con los gradientes de y = -20,193Ln(x) + 108,14 Tiempo (min) R = 0,9047 velocidad y los tiempos indicados en el cuadro 3-3. 2

Figura 3-18. Correlación de G y T

Floculadores

107

Cuadro 3-3. Parámetros óptimos de floculación (10) Tramos

Gradientes de velocidad (s-1)

Tiempos de retención (min.)

1 2 3 4 5 6

90 80 70 65 55 50

2,34 4,90 7,80 11,10 15,03 20,10

Como los gradientes de velocidad en los útlimos tramos (5 y 6) son muy similares y la formación del flóculo optimiza con un gradiente de velocidad bajo al final, se tomó para el sexto tramo un valor de 28 s-1. Aplicando el procedimiento del cuadro 3-4, se calculó una unidad de seis tramos o canales con gradientes de velocidad decrecientes entre 87 y 28 s-1, y se obtuvieron los resultados del cuadro 3-5. El cálculo del cuadro 3-4 corresponde al dimensionamiento y comprobación de un solo tramo, el último de la unidad. Este proceso debe aplicarse reiteradamente para cada tramo, empleando los parámetros correspondientes (cuadro 3-3). Una vez calculado el último tramo, debemos comprobar si los pasos se cruzan. Cada paso tiene una altura de 0,92 metros y la profundidad de la unidad es de 4,50 metros. La longitud de traslape es de 4,50 – (0,92 *2 ) = 2,66 m. Si tuviéramos, en cambio, un cálculo del último tramo en que los pasos tienen 1,50 metros de alto y la profundidad total de la unidad es de 2,50 metros, las pantallas no llegarían a cruzarse. La superior estaría a 1,50 del fondo y la inferior a 1,50 metros de la superficie del agua, con lo que quedaría un espacio libre de 0,50 metros por el que debería pasar todo el caudal formando un cortocircuito. Los espacios entre las pantallas se constituirían en espacios muertos en los que la masa de agua quedaría retenida.

m = (0,045) { [(2,60)(6,5)(25) / 0,25] 2 . 5,07} 1/3 m ≈ 10

Espesor de las pantallas e = 0,038 m a = [L- e (m-1)] / m a = [6,5-(9) (0,038) ] / 10 e = 1,5 pulgada a = 0,62

V2 = 2/3 (0,16) V2 = 0,104

V2 = 2/3 V1 P2 = (Q/ V2) / b2 l = 60 V1 t

7

8

9

l = 60 (0,16) (5,07) l = 48,67

P2 = (0,25 / 0,104) / 2,60 = 0,92

V1 = 0,25 / (0,62 x 2,60) V1 = 0,16

V1 = Q / (a x b)

6

s-1

5

G = 25

Gradiente de velocidad en el último tramo

m = 0,045 [(b.L.G / Q) 2 . t] 1/3

B = 300/6,5(4,5) B = 10,30 t = [4,5(2,60)(6,5)] / [0,250(60)] t = 5,07

∀ = 60 (0,25) 20 ∀ = 300

Cálculos

4

m

b 1 = 2,60

t = H b L / Q . 60

B=∀ / H.L

∀ = 60 Q. T.

Criterios

Ancho del canal

m

H = 4,5

Profundidad del floculador

m

min

L = 6,5

T = 20

Tiempo total de floculación

m3 /s

Longitud de la unidad

Q = 0,25

S í m b o l o Unidad

Caudal

Datos

3

2

1

Paso

Extensión total de canales del último tramo

Altura del paso

Velocidad en los pasos

Velocidad en los canales verticales

Espaciamiento entre pantallas

Número de compartimientos entre pantallas

Ancho total de la unidad Tiempo de retención del primer canal

Volumen total de la unidad

Resultados

Cuadro 3-4. Dimensionamiento de un floculador de pantallas de flujo vertical (10)

m

m

m/s

m/s

m

N.°

min

m

m3

Unidad


Símbolo Unidad

Cálculos

Resultados

16

15

γ/µ = 3.267 T = 25 °C

hf Q/∀

1,5

γ/µ . 1/2g .

f/4R h . V

G2 =

G 1 = γ /µ .

V = HbL - e (m-1) b (H - P2)

14

G2 = 5,5

G1 = 3267.[0,25 x 0,021/72,87] 0,5 G1 = 28

V = (4,50) (2,60)(6,50) - 0,038 (10 - 1) x 2,60 (4,5 - 0,92) V = 72,87

Comprobación del gradiente de velocidad en el canal vertical

Comprobación del gradiente de velocidad total en el primer canal o tramo

Volumen del tramo

Pérdida de carga total en el último tramo

hf = h1 + h2

13 hf = 0,00128 + 0,0198 hf = 0,021

Pérdida de carga en las vueltas

h2 = [ 11 (0,16)2 + 10 (0,104)2 ] / 19,6 h2 = 0,0198

h2 = [ (m+1)V12 + mV22 ] / 2g

12

11

Pérdida de carga continua en los canales

RH = a . b / 2 (a + b) RH =(0,62) (2,60) / 2 (0,62 + 2,60) Radio hidráulico del RH = 0,25 compartimiento entre pantallas

Criterios

h1 = [[0,013 (0,16)] / [0,25]2/3] 2 x 47,5 h1 = 0,00128

Coeficiente de la n = 0,013 constante fórmula de Manning

Datos

h1 = [ nV1 / RH2/3 ]2 x l

10

Paso

Cuadro 3-4. Dimensionamiento de un floculador de pantallas de flujo vertical (10) (continuación)

s-1

s-1

m3

m

m

m

m

Unidad

)ORFXODGRUHV

110


Cuadro 3-5. Dimensionamiento de un floculador de flujo vertical de 250 L/s de capacidad (10) Tramo 1 2 3 4 5 6

Separación N.°° de com- Altura de Ancho de de pantallas partimien- pasos tramo (m) (m) tos (m) 1,20 1,30 1,50 1,70 2,00 2,60

0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62

10 10 10 10 10 10

0,92 0,92 0,92 0,92 0,92 0,92

G ( s-1 )

T (min)

Pérdidas de carga (m)

87 77 62 51 41 28 Total

2,34 2,54 2,93 3,32 3,90 5,07 20,10

0,10 0,08 0,06 0,05 0,04 0,02 0,35

Analizando los resultados del cuadro 3-5, se puede observar que todos los tramos tienen el mismo número de compartimientos. Esto se ha conseguido variando el ancho de los tramos. La gran ventaja de este diseño es que facilita la construcción, debido a que todos los espaciamientos entre pantallas y alturas de los pasos, en todos los tramos, serán iguales, lo que también permitirá evitar errores. 3.2.4 Recomendaciones de diseño y defectos más comunes •

Si se están proyectando dos unidades, será necesario colocar un partidor para asegurar que cada unidad reciba la mitad del caudal. Si son más de dos, se proyectará un canal de distribución uniforme.

•

Las pantallas deben tener un grosor adecuado de acuerdo con la profundidad de la unidad. Para unidades de 4 a 5 metros de profundidad, serán necesarias pantallas de 1,5 a 2 pulgadas de espesor.

•

Las pantallas deben estar sujetas a las paredes laterales mediante ranuras,

Figura 3-19. Floculador de flujo vertical con pantallas de un centímetro de espesor (7)

Floculadores

111

perfiles, etcétera, de tal manera que el flujo de agua no pase a través de las uniones entre las pantallas y las paredes, porque estarían contribuyendo a la formación de cortocircuitos (figura 3-20). •

Figura 3-20. Floculador de flujo vertical (7) Las ranuras para pasar las pantallas solo deben comprender el trecho en el que estas se colocarán. El espacio que corresponde al paso del agua por debajo de las pantallas no debe tener ranura, para evitar que con el tiempo las pantallas se desplacen y la altura de los pasos varíe, lo que incrementaría la pérdida de carga en el tramo y, por consiguiente, el gradiente de velocidad.

•

Los efectos de este problema se pueden llegar a apreciar a simple vista, porque con el tiempo el agua empieza a pasar por encima de las placas debido al incremento de la pérdida de carga. •

Figura 3-21. Floculadores de pantallas de flujo vertical (7)

Este fenómeno se puede visualizar en los floculadores de la figura 3-21. Ello ocurre en los tramos que fueron modificados, porque las placas no se cruzaban. Al efectuarse las nuevas ranuras, se hicieron en toda la altura de la unidad, lo que dio lugar a que con el tiempo, las placas, con su propio peso, vencieran los soportes que habían sido colocados y se desplazaran. Ello disminuyó la altura de los pasos.

112


3.2.5 Ventajas y desventajas de las unidades de pantallas Se pueden señalar las siguientes ventajas: •

De acuerdo con evaluaciones realizadas en varias plantas de América Latina, los cortocircuitos y espacios muertos que se producen son mínimos, de tal modo que el tiempo de retención teórico es similar al tiempo real obtenido en la unidad.

•

Carecen de elementos móviles o mecánicos, de tal modo que la operación y el mantenimiento son muy simples y poco costosos; se reducen básicamente a limpieza y pintura.

•

Son muy confiables, garantizan un funcionamiento continuo.

•

Se economiza energía eléctrica.

•

Se autorregulan cuando se producen variaciones de caudal, y el número de Camp (Nc) se mantiene más o menos constante. Al bajar el caudal, disminuye el gradiente de velocidad y se incrementa el tiempo de retención; cuando sube el caudal, el efecto es el inverso. Dependiendo de cuánto se incremente el caudal de operación, podemos estar generando gradientes de velocidad tan altos que rompan el flóculo.

•

Si se selecciona apropiadamente el rango de gradiente de velocidad, se puede explotar esta propiedad en el diseño de plantas en las que se pueden esperar pequeñas variaciones diarias de caudal, teniendo en cuenta que variaciones de 50% producen variaciones de gradientes de velocidad de aproximadamente 20%. Entre las desventajas se pueden indicar las siguientes:

•

La pérdida de carga es mayor en las vueltas que en los canales y el gradiente de velocidad varía en forma similar. Esta desventaja se atenúa con las pantallas onduladas.

•

Producen pérdidas de carga más o menos altas.

Floculadores

113

•

Es común escuchar a los operadores argumentar que la limpieza de estas unidades es difícil, pero esto sucede cuando no se han previsto en el diseño las facilidades para esta operación, colocando aberturas en la base de las pantallas (unidades de flujo vertical) y compuertas o válvulas de fondo convenientemente ubicadas para desaguar la unidad.

4.

FLOCULADORES DEL TIPO ALABAMA O COX

En estas unidades el agua hace un movimiento ascendente-descendente dentro de cada compartimiento, por lo que es muy importante mantener la velocidad del agua constante, para que este comportamiento se dé. La velocidad ascensional será constante mientras el caudal sea constante; por esta razón, estas unidades son muy vulnerables a las variaciones de caudal. Si el caudal de operación baja, el agua ya no hace su recorrido ascensional y solamente pasará por el fondo de la unidad de una boquilla a la otra, lo que generará un cortocircuito en esta zona y un gran espacio muerto en toda la parte superior. El gradiente de velocidad se produce casi exclusivamente en los puntos de paso (niples, codos, boquillas, etcétera), los cuales están localizados en el fondo de la unidad y distribuidos alternadamente en uno y otro extremo (figura 3-22). a)

Parámetros y recomendaciones de diseño • • • •

La profundidad total de la unidad debe ser de 3 a 3,50 metros, para que la altura del agua sobre los orificios sea por lo menos del orden de 2,40 metros. La relación ancho/largo de cada compartimiento debe ser de 1 a 1,33. La sección de cada compartimiento se diseñará con una tasa de 0,45 m2 por cada 1.000 m3/d. Los criterios para diseñar los puntos de paso entre los compartimientos son los siguientes: a) b) c)

La relación de la longitud del niple con respecto a su diámetro debe ser de 1 a 5. Velocidad en las boquillas variable entre 0,25 y 0,75 m/s. Tasa de diseño para determinar la sección de las boquillas de 0,025 m2 por cada 1.000 m3/d.

114


Floculador tipo Cox C A 1

A H

Planta Floculador Alabama Corte A-A

Figura 3-22. Floculadores del tipo Cox y Alabama (11, 12)

•

El diseño de estas unidades debe efectuarse muy cuidadosamente para evitar la formación de cortocircuitos y espacios muertos.

•

El nivel de recursos humanos disponible para la operación es un criterio importante en la selección de estas unidades, porque, como se indicó anteriormente, es necesario que la unidad se opere a caudal constante. Las disminuciones de caudal anulan el funcionamiento de estas unidades al decrecer la velocidad. En esta situación, el flujo tiende a pasar directamente entre los puntos de paso y prácticamente todo el volumen del floculador se convierte en un enorme espacio muerto.

•

Los criterios expuestos no tienen una base experimental conocida, por lo que se recomendaría investigar en forma preliminar la velocidad óptima de diseño antes de proyectar este tipo de unidad.

Floculadores

5.

115

FLOCULADORES DE MEDIOS POROSOS

En esta unidad el agua flocula al pasar a través de los espacios o poros de un material granulado, los cuales desempeñan la función de pequeños compartimientos. 5.1

Parámetros y recomendaciones de diseño

•

Es una unidad hidráulica con un número casi infinito de cámaras o compartimientos, lo cual explica su gran eficiencia, de acuerdo con la teoría de Harris y Kaufman (12).

•

•

Como material granular, pueden utilizarse piedras, bolitas de plástico, residuos de las fábricas de plástico, segmentos de tubos o cualquier otro tipo de material similar no putrescible ni contaminante. Las investigaciones realizadas hasta el momento solo permiten diseñar estos floculadores con piedra de 1/2" a 3/4" (diámetro

2,20 0,50

2,20 0,50

2,20 A

N.A

0,30 0,65 2,25 1,30

1,70

0.60

Corte A-A

Figura 3-23. Floculador de medio poroso (16)

116


medio = 15,9 mm). Investigaciones asesoradas por el CEPIS/OPS con piedras de tamaño mayor indican que no se puede lograr todo el rango de gradientes de velocidad para floculación variando el diámetro equivalente de las piedras u otro material similar. •

A partir del estado actual del conocimiento, se recomienda diseñar esta unidad con flujo ascendente y forma tronco-cónica (5), a fin de escalonar los gradientes de velocidad, manteniendo el tamaño del material constante para facilitar la limpieza.

•

En este tipo de unidades, el tiempo de retención total es de apenas 5 a 10 min (efecto del infinito número de compartimientos de la unidad).

•

La información disponible sobre floculadores de piedras (5, 8, 9, 10) solo permite diseñar unidades para caudales de hasta 10 a 15 L/s (figura 3-23).

5.2

Criterios de dimensionamiento

•

Habiendo determinado el tiempo de floculación adecuado (TJ) mediante un estudio de prueba de jarras (Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo II, capítulo 11), el tiempo de retención para proyectar la unidad se selecciona mediante la expresión siguiente: T = TJ [Ln (To /Tf ) ] / [To /Tf - 1]

(8)

Donde: T To Tf

= = =

•

El gradiente de velocidad en un floculador de medio granular se calcula por la siguiente expresión:

tiempo de retención en una unidad de floculación de medio poroso turbiedad del agua cruda turbiedad después de flocular y sedimentar

G = [ γ . V. J / µ . ε] 1/2 Donde: V J ε

= = =

velocidad de aproximación = Q/A pérdida de carga unitaria en el medio poroso porosidad del material

(9)

Floculadores

•

117

La pérdida de carga para valores de Número de Reynolds elevados se calcula mediante la ecuación de Forchheimer: J = aV + bV2

•

(10)

Los coeficientes a y b se pueden estimar en función de las características granulométricas del medio.

α = [0,162 (1 - ε)2 ] / (ϕ2 D2 ε3 )

(11)

Donde:

ϕ D

= =

factor de forma de material diámetro representativo del material

b = [0,018 (1 - ε)] / ϕ D ε3) •

(12)

Los valores del factor de forma en función de la porosidad del material se pueden obtener del cuadro 3-6. El cuadro 3-7 da un ejemplo de aplicación: Cuadro 3-6. Factores de forma y porosidad de materiales granulares típicos (16) Descripción Esférico Redondeado Desgastado Agudo Angular Triturado

Factor de forma

Porosidad

ϕ

ε

1,00 0,98 0,94 0,81 0,78 0,70

0,38 0,38 0,39 0,40 0,43 0,48

Caudal

Tiempo de floculación Porosidad

Dimensiones de la pirámide: altura lado

Lado de la sección de entrada del tronco de la pirámide

Lado de la sección media

Lado de la sección máxima de la pirámide

Tamaño medio del material granular

Factor de forma

2

3

4

5

6

7

8

Datos

1

Paso

min — m m

m

m m

mm

T=5

ε = 0,4 H = 1,7 B = 1,6

b1 = 0,40

b2 = 0,8 B = 1,6

D = 15,9

ö = 0,81

m3/s

Q = 0,012

Cantidad Unidad

⎡0,162 1 − 0,4 2 ⎤ ⎢⎣ ⎥⎦ ⎡ 0,81 2 (15,9)2 (0,4)3 ⎤ ⎥⎦ ⎢⎣ [ 0,018 (1 − 0,4)] b= ⎡0,81 (15,9) (0,4)3 ⎤ ⎥⎦ ⎢⎣

⎡0,162 (1 − ε )2 ⎤ ⎢ ⎥⎦ a=⎣ ϕ 2 D2 ε2

J1 = a V1 + b V12

0,018 (1 − ε) b= ϕ D ε3

V 3 = 100 (0,012) / (1,6)2 V3 = 0,469

V3 = 100 Q / B2

J 1 = 0,0055 (7,5) + 0,013 (7,5)2 J 1 = 0,773

a=

V 2 = 100 (0,012) / (0,80)2 V2 = 1,875

V 1 = 100 (0,012) / (0,4)2 V1 = 7,5

h = [9 – 1/3 (1,6)2 1,7] / (1,6) 2 h ≈ 2,95

∀ = 60 (0,012) (5) / (0,40) ∀ = 9,0

Cálculos

V2 = 100 Q / (b2)2

V1 = 100 Q / b12

h = (V–1/3 B2 H)/B2

∀ = 60 Q T/ε

Criterios

Cuadro 3-7. Proceso de cálculo de un floculador de medio poroso (16)

Pérdida de carga unitaria en la sección de entrada

Coeficientes de la fórmula de Forchheimer

Velocidad en la sección máxima

Velocidad en la sección media

Velocidad en la sección de entrada

Altura de la sección prismática complementaria ocupada por las piedras

Volumen total del floculador de piedras

Resultados

m

s2 /cm2

s/cm

cm/s

cm/s

cm/s

m

m3

Unidad


ã/ì = 2.920 T = 15 °C

9

13

12

11

10

Datos

Paso

Cantidad Unidad

J3 = a V 3 + b V 32

Gradiente de velocidad en la sección media

G2 = 2.920 G2 = 150

Pérdida de carga en la sección máxima Gradiente en la sección máxima

J 3 = 0,0055 (0,469) + 0,013 (0,469)2 J 3 = 0,00545 G3 = 2.920 [0,469 (10)-2 (0,0054) /(0,40)] G3 = 23

[1,875 (10) -2 (0,056) / (0,40)]

Pérdida de carga unitaria en la sección media

J 2 = 0,0055 (1,875) + 0,013 (1,875)2 J 2 = 0,056

Gradiente en la sección de entrada

J2 = a V 2 + b V 22

7,5 (10) x 0,773 / 0,40

Resultados

G1 = 2.920 G1 = 1.112

-2

Cálculos

G1 = ã/ì · V1 J1/ ε

Criterios

Cuadro 3-7. Proceso de cálculo de un floculador de medio poroso (continuación)

s-1

s-1

s-1

Unidad

Floculadores 119

120

6.


FLOCULADORES DE MALLAS O TELAS

Las telas intercaladas en un canal oponen una resistencia localizada al flujo y tienden a uniformarlo, reducen la incidencia de cortocircuitos y actúan como elementos de compartimentalización. Sus posibilidades de empleo están principalmente orientadas a la ampliación y optimización de unidades de mezcla rápida y floculación en plantas existentes. 6.1


•

El proceso se consigue colocando en una unidad mallas de hilo de nylon, las que son atravesadas por el flujo y se produce el gradiente de velocidad deseado como función de la pérdida de carga. En este caso, la floculación depende de las características de las mallas y de la velocidad del flujo.

•

La velocidad óptima en cm/s es igual al doble del espaciamiento (e) entre los hilos de nylon (V = 2e).

•

El espaciamiento entre hilos (e) recomendado es de 5 a 15 cm.

•

El grosor de hilos (d) más adecuado es de 1,5 a 4 mm.

•

Hilos más delgados (d ≤ 1 mm) tienden a romper el flóculo rápidamente.

•

Se recomiendan velocidades del flujo del orden de 2 a 5 cm/s para evitar la sedimentación excesiva de los flóculos.

•

Cuando las mallas se emplean en canales de mezcla rápida, los parámetros de diseño recomendados son los siguientes: 1. 2. 3.

Velocidades de flujo (V) de 1,0 a 1,5 m/s Diámetro de los hilos (d) de 1 a 3 mm Espaciamiento entre hilos (e) de 1 a 3 cm.

6.2

Criterios de dimensionamiento

•

El criterio para determinar el gradiente de velocidad en mallas está dado por la siguiente expresión:

Floculadores

G =

γ Q h / µී

121

(13)

donde la pérdida de carga (h) está dada por la expresión: h = K V2 / 2g

(14)

donde V es la velocidad media de aproximación (Q/A) y K el coeficiente de pérdida de carga, una función de la porosidad (ε) de la malla: K = 0,55 [1 - ε2 ] / ε2

(15)

Esta expresión es válida para altos valores de (ε) y Re ≤ 500. •

La porosidad (ε) de la malla en función de sus características está dada por:

ε = (1 - n . d)2

(16)

Donde: d n

= =

•

El volumen (ී) en el que se da el proceso se considera como: ී

diámetro de los hilos número de hilos por cada metro de ancho de canal.

= 4Ae

(17)

Donde: A

=

área de la malla atravesada por el flujo

Por lo que la expresión específica para calcular el gradiente de velocidad en función de las características de las mallas es la siguiente: G = 1 / 6ν K / e ν1,5

o

G = 1 / 8 µg . k / e V1,5

(18)

Para temperaturas de 20 °C la ecuación 18 se transforma en: G = 350 (K/ e)0,5. V1,5 en unidades del sistema métrico

(19)

122


6.3

Aplicación y recomendaciones

•

Las telas pueden ser utilizadas en cualquier elemento de la planta de tratamiento para producir un determinado gradiente de velocidad. Si son intercaladas en el canal o en la tubería de llegada del agua cruda, producirán la turbulencia necesaria para la mezcla de los productos químicos. Pueden sustituir las paletas de un floculador mecánico, donde, además de optimizar la floculación, pasan a operar con menor velocidad, lo que prolonga la vida útil de la unidad.

•

Si las telas son instaladas en tramos rectos de canales de floculación hidráulica —donde el gradiente de velocidad normalmente es muy bajo—, generarán gradientes más adecuados, lo que mejorará la floculación y permitirá un menor tiempo de residencia, bien sea por una tasa más elevada de colisiones entre las partículas —debido al aumento de la superficie de cizallamiento (efecto de la viscosidad)— o por el efecto de la división en compartimientos.

•

Las experiencias realizadas sugieren que el diámetro del hilo de la malla tiende a limitar el tamaño del flóculo, como si lo cortase, aun a gradientes bajos. Este efecto negativo deja de ser sensible en hilos con un diámetro que sea 3 a 4 veces el máximo diámetro del flóculo; es decir, 3 ó 4 mm.

•

El uso de mallas e hilos de diámetro pequeño debe, por lo tanto, quedar restringido a la mezcla rápida o al inicio de la floculación, cuando el flóculo aún no ha alcanzado tamaños significativos. Después de eso, se debe dar preferencia a mallas e hilos de mayor diámetro, que produzcan los gradientes deseados sin provocar la ruptura de los flóculos.

•

Está demostrado que las telas son dispositivos económicos y eficientes de floculación, con innumerables y promisorias posibilidades de empleo en nuevos diseños y, principalmente, en la ampliación y optimización de plantas existentes.

•

Se ha demostrado también que el gradiente de velocidad en una tela es función de la velocidad del flujo y de sus características geométricas (espaciamiento y diámetro de los hilos de la malla). Jugando con los elementos geométricos de la tela, se podrán obtener valores adecuados de gradiente

Floculadores

123

de velocidad para una velocidad dada en el canal. Se podrán adoptar velocidades más elevadas, como de 10 a 30 cm/s, por ejemplo, a fin de prevenir una sedimentación excesiva en el floculador. •

Los estudios ya realizados permiten indicar que es posible reducir considerablemente el tiempo de floculación. Se podrá obtener una sustancial economía en la realización de obras de ampliación o de nuevas instalaciones. Por otro lado, en unidades deficientes se podrá mejorar de manera sensible la calidad del agua tratada.

•

Desde el punto de vista práctico, es fácil instalar telas en cualquier elemento de un canal o tanque de floculación, bien sea como dispositivo de floculación hidráulico o mecánico.

•

Los trabajos hasta ahora realizados no permiten llegar a conclusiones definitivas sobre el empleo de las telas en las plantas de tratamiento; no obstante, son lo suficientemente consistentes como para permitir la aplicación práctica de estos dispositivos con relativa seguridad en cuanto a los resultados esperados. La continuación de los estudios en marcha y la recolección de información en las instalaciones donde fueron instalados tales dispositivos permitirán en breve tiempo consolidar y generalizar su uso, con excelentes ventajas económicas y operacionales.

•

En la aplicación del cuadro 3-8 se ha dimensionado una malla para levantar el gradiente de velocidad en los pasos de un floculador vertical y en el cuadro 3-9, una malla para ajustar el gradiente de velocidad en un mezclador hidráulico.

7

3pUGLGD GH FDUJD SURGXFLGD SRU OD PDOOD

o&

7H P S H U D W X U D G H O DJXD

K . 9 J K > @ K

*UDGLHQWH GH YHORFLGDG GHO SDVR GHO IOXMR SRU OD PDOOD

* . H 9 * >@ *

FPV

9HORFLGDG HQ HO FDQDO 9

&RHILFLHQWH GH SpUGLGD GH FDUJD

. ± H H . > ± @ .

PP

G

3RURVLGDG GH OD PDOOD

5HVXOWDGRV

H ± QG H > ± @ H

*URVRU GH ORV KLORV

FP

&ULWHULRV 1~PHUR GH KLORV SRU PHWUR GH DQFKR GH FDQDO

H

&DQWLGDG 8QLGDG Q Q

(VSDFLDPLHQWR HQWUH KLORV

'DWRV

3DVR

&XDGUR'LPHQVLRQDPLHQWRGHXQDPDOODSDUDIORFXODFLyQ

P

V

FRQVWDQWH

FRQVWDQWH

KLORVP

8QLGDG

'LVHxR GH SODQWDV GH WHFQRORJtD DSURSLDGD

9

7

9HORFLGDGHQHO FDQDO

7HPSHUDWXUDGHO DJXD o&

PV

K .9J K K

3pUGLGDGHFDUJD SURGXFLGDSRUODPDOOD

P

V

*o . H 9 * *

*UDGLHQWHGHYHORFLGDG SURGXFLGR SRU HO SDVR GHOIOXMRDWUDYpVGHOD PDOOD

&RHILFLHQWHGHSpUGLGD FRQVWDQWH GHFDUJD

PP . H H . ± .

G

KLORVP

8QLGDG

3RURVLGDGGHODPDOOD

5HVXOWDGRV

H QG H > @ H

*URVRU GH ORV KLORV

FP

&ULWHULRV

1~PHURGHKLORV SRU PHWUR GH DQFKRGHFDQDO

H

(VSDFLDPLHQWRHQWUH KLORV

8QLGDG

Q Q

6tPEROR

'DWRV

3DVR

&XDGUR'LPHQVLRQDPLHQWRGHXQDPDOODSDUDXQFDQDOGHPH]FODUiSLGD

)ORFXODGRUHV

126


REFERENCIAS (1)

Villegas, R. A. y R. D. Letterman. “Optimizing Flocculator Power Input”, Journal of the Environmental Division, abril, 1976.

(2)

TeKippe, R. J y R. K. Ham. “Velocity Gradient Paths in Coagulation”, Journal of the American Water Works Association, julio, 1971.

(3)

Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos-EPA. Optimización de la producción de plantas de tratamiento de agua mediante el Programa de Corrección Compuesto. Washington, Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos. EPA/625/6-91/027, 1998.

(4)

Argaman, Y. y W. J. Kaufman. “Turbulence and flocculation”, Journal of Sanitary Engineering Division, ASCE, 1970.

(5)

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(6)

Canepa de Vargas, Lidia. Estudio de la PFR de Barranca. Lima, CEPIS, 1977. Documento inédito.

(7)

Canepa de Vargas, Lidia. Fotos de archivo. Lima, CEPIS.

(8)

Bhargava, D. S. y C. S. P. Ojha. “Models for Design of Flocculating Baffled Channels”, Water Research, vol. 27, 3, 1993.

(9)

Canepa de Vargas, Lidia. ‘‘Estudio sobre investigación en floculadores de pantallas de flujo horizontal’’. Documento inédito. Lima, 1977.

(10) Canepa de Vargas, Lidia. Estudio de caso. (11)

Richter, Carlos. Projetos de estações de tratamento de água. Módulo 4.4. Projetos de unidades de floculação. Lima, CEPIS, 1981.

(12) Programa CEPIS/OPS de Mejoramiento de la Calidad del Agua para Consumo Humano. Manual V. Criterios de Diseño. Serie Filtración Rapida. Lima, CEPIS, 1992.

Floculadores

127

(13) Harris, H. S.; W. J. Kaufman y R. B. Krone. “Orthokinetic Flocculation in Water Purification”. Journal of Sanitary Engineering Division, ASCE, diciembre. (14) CEPIS/OPS (1973). Teoría, diseño y control de los procesos de clarificación del agua. Serie Técnica 13. Lima, CEPIS/OPS, 1966. (15) CEPIS/OPS. Criterios de diseño de plantas de tratamiento de agua. Lima, CEPIS/OPS, s. f. (16) Richter, Carlos y R. B. Moreira. Floculadores de piedras. Experiencias en filtros pilotos. Curitiba, Sanepar, 1980. (17) Richter, Carlos. Estación de tratamiento para pequeñas comunidades. Curitiba, Sanepar, 1980. (18) Richter, Carlos. Sistemas de floculación acelerada. Curitiba, Sanepar, s. f. (19) Snel, H. y Jorge Arboleda. Influencia de la escala de turbulencia en el proceso de floculación del agua. Cali, ACODAL, 1982. (20) Richter, Carlos. Sistemas simplificados de floculación. Seminario Internacional sobre Tecnología Apropiada para Potabilización del Agua. Cali, ACODAL, Seccional Valle del Cauca, 1987. (21) Canepa de Vargas, Lidia. Programa de evaluación de plantas en República Dominicana. Informe Técnico 356. Lima, CEPIS, 1986. (22) Mhaisalkar, V. A., R. Paramasivam y A. G. Bhole. “Optimizing Physical Parameters of Rapid Mix Design for Flocculation of Turbid Waters”. Water Research, vol. 25, 1, 1991, pp. 43-52. (23) Dharmappa, H. B., J. Verink, O. Fujiwara y S. Vigneswaran. “Optimal Design of a Flocculator”. Water Research, vol. 27, 3, 1993, pp. 513-519.

128


Floculadores

129

Anexo A Viscosidad del agua Temperatura (°°C)

Sistema métrico

Inglés

Viscosidad dinámica (poises)

Viscosidad cinemática (Stokes)

Viscosidad dinámica (N-s/m2)

Viscosidad cinemática (m2/s)

Viscosidad dinámica (lb = s/pie2)

Viscosidad cinemática (pie2/s)

0 1 2 3 4

1,787⋅10-2 1,728⋅10-2 1,671⋅10-2 1,618⋅10-2 1,567⋅10-2

1,787⋅10-2 1,728⋅10-2 1,671⋅10-2 1,618⋅10-2 1,567⋅10-2

1,787⋅10-3 1,728⋅10-3 1,671⋅10-3 1,618⋅10-3 1,567⋅10-3

1,787⋅10-6 1,728⋅10-6 1,671⋅10-6 1,618⋅10-6 1,567⋅10-6

3,73⋅10-5 3,61⋅10-5 3,49⋅10-5 3,38⋅10-5 3,27⋅10-5

1,92⋅10-5 1,86⋅10-5 1,80⋅10-5 1,74⋅10-5 1,69⋅10-5

5 6 7 8 9

1,519⋅10-2 1,472⋅10-2 1,428⋅10-2 1,386⋅10-2 1,346⋅10-2

1,519⋅10-2 1,472⋅10-2 1,428⋅10-2 1,386⋅10-2 1,346⋅10-2

1,519⋅10-3 1,472⋅10-3 1,428⋅10-3 1,386⋅10-3 1,346⋅10-3

1,519⋅10-6 1,472⋅10-6 1,428⋅10-6 1,386⋅10-6 1,346⋅10-6

3,17⋅10-5 3,08⋅10-5 2,98⋅10-5 2,90⋅10-5 2,81⋅10-5

1,63⋅10-5 1,58⋅10-5 1,54⋅10-5 1,49⋅10-5 1,45⋅10-5

10 11 12 13 14

1,307⋅10-2 1,271⋅10-2 1,235⋅10-2 1,202⋅10-2 1,169⋅10-2

1,307⋅10-2 1,271⋅10-2 1,235⋅10-2 1,203⋅10-2 1,170⋅10-2

1,307⋅10-3 1,271⋅10-3 1,235⋅10-3 1,202⋅10-3 1,169⋅10-3

1,307⋅10-6 1,271⋅10-6 1,235⋅10-6 1,203⋅10-6 1,170⋅10-6

2,73⋅10-5 2,66⋅10-5 2,58⋅10-5 2,51⋅10-5 2,44⋅10-5

1,41⋅10-5 1,37⋅10-5 1,33⋅10-5 1,29⋅10-5 1,26⋅10-5

15 16 17 18 19

1,139⋅10-2 1,109⋅10-2 1,081⋅10-2 1,053⋅10-2 1,027⋅10-2

1,140⋅10-2 1,110⋅10-2 1,082⋅10-2 1,054⋅10-2 1,029⋅10-2

1,139⋅10-3 1,109⋅10-3 1,081⋅10-3 1,053⋅10-3 1,027⋅10-3

1,140⋅10-6 1,110⋅10-6 1,082⋅10-6 1,054⋅10-6 1,029⋅10-6

2,38⋅10-5 2,32⋅10-5 2,26⋅10-5 2,20⋅10-5 2,14⋅10-5

1,23⋅10-5 1,19⋅10-5 1,16⋅10-5 1,13⋅10-5 1,11⋅10-5

20 21 22 23 24

1,002⋅10-2 0,9779⋅10-2 0,9548⋅10-2 0,9325⋅10-2 0,9111⋅10-2

1,004⋅10-2 0,9799⋅10-2 0,9569⋅10-2 0,9348⋅10-2 0,9136⋅10-2

1,002⋅10-3 0,978⋅10-3 0,954⋅10-3 0,932⋅10-3 0,911⋅10-3

1,004⋅10-6 0,980⋅10-6 0,957⋅10-6 0,935⋅10-6 0,914⋅10-6

2,09⋅10-5 2,04⋅10-5 1,99⋅10-5 1,95⋅10-5 1,90⋅10-5

1,08⋅10-5 1,05⋅10-5 1,03⋅10-5 1,01⋅10-5 0,98⋅10-5

25 26 27 28 29

0,8904⋅10-2 0,8705⋅10-2 0,8513⋅10-2 0,8327⋅10-2 0,8148⋅10-2

0,8930⋅10-2 0,8733⋅10-2 0,8543⋅10-2 0,8359⋅10-2 0,8181⋅10-2

0,890⋅10-3 0,870⋅10-3 0,851⋅10-3 0,833⋅10-3 0,815⋅10-3

0,893⋅10-6 0,873⋅10-6 0,854⋅10-6 0,836⋅10-6 0,818⋅10-6

1,86⋅10-5 1,82⋅10-5 1,78⋅10-5 1,74⋅10-5 1,70⋅10-5

0,96⋅10-5 0,94⋅10-5 0,92⋅10-5 0,90⋅10-5 0,88⋅10-5

130


Viscosidad del agua (continuación) Temperatura (°°C)

Sistema métrico

Inglés

Viscosidad dinámica (poises)

Viscosidad cinemática (Stokes)

Viscosidad dinámica (N-s/m2)

Viscosidad cinemática (m2/s)

Viscosidad dinámica (lb = s/pie2)

Viscosidad cinemática (pie2/s)

30 31 32 33 34

0,7975⋅10-2 0,7808⋅10-2 0,7647⋅10-2 0,7491⋅10-2 0,7340⋅10-2

0,8010⋅10-2 0,7844⋅10-2 0,7685⋅10-2 0,7531⋅10-2 0,7381⋅10-2

0,798⋅10-3 0,781⋅10-3 0,765⋅10-3 0,749⋅10-3 0,734⋅10-3

0,801⋅10-6 0,784⋅10-6 0,768⋅10-6 0,753⋅10-6 0,738⋅10-6

1,66⋅10-5 1,63⋅10-5 1,60⋅10-5 1,56⋅10-5 1,53⋅10-5

0,86⋅10-5 0,84⋅10-5 0,83⋅10-5 0,81⋅10-5 0,79⋅10-5

35 36 37 38 39

0,7194⋅10-2 0,7052⋅10-2 0,6915⋅10-2 0,6783⋅10-2 0,6654⋅10-2

0,7237⋅10-2 0,7097⋅10-2 0,6961⋅10-2 0,6831⋅10-2 0,6703⋅10-2

0,719⋅10-3 0,705⋅10-3 0,692⋅10-3 0,678⋅10-3 0,665⋅10-3

0,724⋅10-6 0,710⋅10-6 0,696⋅10-6 0,683⋅10-6 0,670⋅10-6

1,50⋅10-5 1,47⋅10-5 1,44⋅10-5 1,42⋅10-5 1,39⋅10-5

0,78⋅10-5 0,76⋅10-5 0,75⋅10-5 0,74⋅10-5 0,72⋅10-5

40 41 42 43 44

0,6529⋅10-2 0,6408⋅10-2 0,6291⋅10-2 0,6178⋅10-2 0,6067⋅10-2

0,6580⋅10-2 0,6461⋅10-2 0,6345⋅10-2 0,6234⋅10-2 0,6124⋅10-2

0,653⋅10-3 0,641⋅10-3 0,629⋅10-3 0,618⋅10-3 0,607⋅10-3

0,658⋅10-6 0,646⋅10-6 0,636⋅10-6 0,623⋅10-6 0,612⋅10-6

1,36⋅10-5 1,34⋅10-5 1,31⋅10-5 1,29⋅10-5 1,27⋅10-5

0,71⋅10-5 0,70⋅10-5 0,68⋅10-5 0,67⋅10-5 0,66⋅10-5

45 46 47 48 49 50

0,5960⋅10-2 0,5856⋅10-2 0,5755⋅10-2 0,5656⋅10-2 0,5561⋅10-2 0,5468⋅10-2

0,6019⋅10-2 0,5916⋅10-2 0,5817⋅10-2 0,5819⋅10-2 0,5626⋅10-2 0,5534⋅10-2

0,596⋅10-3 0,586⋅10-3 0,576⋅10-3 0,566⋅10-3 0,556⋅10-3 0,547⋅10-3

0,602⋅10-6 0,592⋅10-6 0,582⋅10-6 0,572⋅10-6 0,563⋅10-6 0,553⋅10-6

1,24⋅10-5 1,22⋅10-5 1,20⋅10-5 1,18⋅10-5 1,16⋅10-5 1,14⋅10-5

0,65⋅10-5 0,64⋅10-5 0,62⋅10-5 0,61⋅10-5 0,60⋅10-5 0,59⋅10-5

)ORFXODGRUHV

/DYLVFRVLGDGFLQHPiWLFDQ HVFDOFXODGDFRPR N MU 'RQGH Q P U

YLVFRVLGDGFLQHPiWLFDFP V YLVFRVLGDGGLQiPLFDJVFP GHQVLGDGGHODJXDJFP

3DUD FRQYHUWLU OD YLVFRVLGDG GLQiPLFD HQ SRLVHV D XQLGDGHV GHO 6LVWHPD ,QWHUQDFLRQDO

MJFPV JFPV NJJ FPP 1V P NJ MJFPV 1VP 3DUDFRQYHUWLUODYLVFRVLGDGFLQHPiWLFDHQ6WRNHVDO6LVWHPD,QWHUQDFLRQDO QFPV FPV P FP PV

132


CAPÍTULO 4 DECANTADORES LAMINARES

Decantadores laminares

1.

135

INTRODUCCIÓN

En este capítulo trataremos exclusivamente del diseño de las unidades de decantación de flujo laminar o de alta tasa. Los decantadores laminares pueden tratar caudales mayores en un área y estructura menor de la que requieren los decantadores convencionales y su eficiencia es superior. Comparándolos con las unidades de contacto de sólidos o decantadores de manto de lodos, que también son de alta tasa, no requieren energía eléctrica para su operación. Por todas estas ventajas, esta unidad es considerada como tecnología apropiada para países en desarrollo y para todo programa de mejoramiento de la calidad del agua que tenga como meta conseguir la mejor calidad al menor costo de producción; esto es, para la sostenibilidad de los proyectos.

2.

DECANTADORES DE PLACAS

•

Mediante la colocación de placas paralelas o módulos de diferentes tipos en la zona de sedimentación, se obtiene en estas unidades una gran superficie de deposición para los lodos, con lo cual se logra disminuir apreciablemente el área superficial de los tanques.

10

m

Placas de asbesto-cemento

10 2,4

0

0

L/s

15

Canal de distribución de agua floculada

0

n Ca

al

de

ag

ua

de

ca

nta

da

Canaletas de coleta de agua decantada

m

Canal de descarga de lodos

2,4

0

m

Figura 4-1. Decantador de placas paralelas (1)

136


La diferencia básica entre los decantadores laminares o de alta tasa y los decantadores convencionales reside en que los primeros trabajan —como su nombre lo indica— con flujo laminar (número de Reynolds, Nr < 500) y los últimos con flujo turbulento (Nr entre 10.000 y 250.000). Esta diferencia teórica fundamental debe reflejarse en la forma como se diseñan unos y otros (2). 2.1

Parámetros y recomendaciones generales de diseño

•

El parámetro de diseño más importante en las unidades de decantación es la velocidad de sedimentación de los flóculos, que depende fundamentalmente de las características del agua cruda y de la eficiencia del pretratamiento. Por esta razón, la velocidad de diseño debe determinarse experimentalmente para cada caso. Véase la metodología para su determinación en Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo II, capítulo 11.

•

Las cargas superficiales utilizadas en América Latina normalmente varían entre 120 y 185 m3/m2/d, con eficiencias de remoción por encima del 90% (8). En cada caso, es necesario efectuar un estudio de tratabilidad del agua, para determinar la tasa de decantación con la cual se podrán obtener 2 UN de turbiedad residual en el efluente. Este criterio obedece a recomendaciones de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) para que los filtros puedan brindar un efluente exento de microorganismos patógenos y de huevos de Giardia lamblia y Cryptosporidium, habida cuenta de que solo el filtro puede eliminar a estos últimos cuando recibe un afluente de la calidad indicada (3).

•

De acuerdo con investigaciones realizadas en prototipos, las unidades se pueden diseñar con Nr de hasta 500, sin que se obtengan disminuciones apreciables en la eficiencia alcanzada (1).

•

En los decantadores laminares, el Nr es una consecuencia de la geometría de los elementos tubulares y de la velocidad del flujo en el interior de estos, y no una condición del proyecto (1). De acuerdo con este criterio —que se va corroborando con la experiencia práctica indicada en el ítem anterior— no es necesaria la obtención de un flujo laminar puro para mejorar la eficiencia del proceso.


137

•

Al utilizarse el Nr en el límite máximo del rango laminar, se consigue ampliar la separación de las placas o la sección de los módulos, lo cual se refleja en una gran economía, al disminuir el número de placas o módulos empleados en la construcción de la unidad.

•

La velocidad longitudinal media (Vo) en los elementos tubulares comúnmente se adopta entre 10 y 25 cm/min. En cada caso, es posible determinar la velocidad máxima del flujo mediante la expresión (1): Vo máx. = [Nr / 8]0,5 . Vsc Donde Vsc = velocidad de sedimentación de las partículas

•

Dada la gran cantidad de módulos que se precisan, es deseable que el material sea de bajo costo y muy resistente a la permanencia bajo el agua. Los materiales que se usan para este fin son las lonas de vinilo reforzadas con poliéster, el asbesto-cemento, el plástico y la fibra de vidrio.

Figura 4-2. Módulos de decantación de fibra de vidrio (4)

•

Las lonas de vinilo reforzadas con hilos de poliéster de alta tenacidad son el material más usado actualmente por sus grandes ventajas: no producen pérdidas por rotura, el sistema de instalación es más sencillo y su duración es muchísimo mayor. Es un material muy confiable en zonas de alto riesgo sísmico.

•

Tradicionalmente, en este tipo de unidades se han venido utilizando las planchas de asbesto-cemento por su alta disponibilidad, bajo costo y resistencia a la corrosión, con las siguientes dimensiones: 1,20 metros de alto por 2,40 metros de largo, con espesores de un centímetro o de 6 y 8 milímetros, siempre y cuando hayan sido fabricadas con fibras largas de asbesto. Las restricciones de calidad de agua para su empleo son las mismas que se dieron en el capítulo anterior.

138


•

También se utilizan módulos de plástico y de fibra de vidrio prefabricados por su facilidad de instalación. Al elegir el plástico, debe consultarse con el fabricante su resistencia a la exposición directa a los rayos solares. Los módulos prefabricados, tanto los de plástico como los de fibra de vidrio, normalmente son muy delgaFigura 4-3. Módulos de decantados y se destruyen fácilmente ción de plástico deteriorados (4) al ser sometidos a una operación normal de lavado con agua a presión. En la foto de la figura 4-2 se puede percibir que con solo dos meses de operación los módulos de fibra de vidrio ya empiezan a deformarse y en la figura 4-3 se puede ver cómo terminan los de plástico al cabo de unos años.

3.

DECANTADORES DE FLUJO ASCENDENTE

Para optimizar el funcionamiento de estas unidades, debemos considerar en el proyecto estructuras de entrada, salida, almacenamiento y extracción de lodos correctamente concebidas, a través de las cuales se debe vehiculizar el agua para lograr el mejor comportamiento y la máxima eficiencia de la unidad. Múltiples evaluaciones han permitido determinar que la eficiencia de este tipo de decantador está estrechamente ligada al comportamiento hidráulico de la unidad. Canal colector de agua decantada

Tubería recolectora de agua decantada

Placas de asbesto-cemento

Canal distribuidor de agua floculada

Orificio de entrada

Drenaje de lodos

Figura 4-4. Decantador de placas de flujo ascendente (2)


139

Zona de entrada. Canal o tubería que distribuye de manera uniforme el agua floculada al módulo de placas. Véase el segundo piso del canal central en la figura 4-4. Zona de decantación. Mediante pantallas paralelas de lona, planchas de asbesto-cemento, fibra de vidrio, etcétera. Zona de salida. Sistema de recolección del agua decantada mediante canaletas, tuberías perforadas (véase la figura 4-4) o vertederos perimetrales, dependiendo del tamaño o capacidad de la unidad. Zona de depósito y extracción de lodos. Tolvas de almacenamiento continuas y múltiples. Sistema hidráulico de extracción uniforme de lodos, mediante colector múltiple y sifones.

4.

ZONA DE ENTRADA

Esta zona tiene como objetivo distribuir el caudal de manera uniforme a todas las unidades que operan en paralelo y a lo largo del módulo de placas. Esta función la desempeñan dos canales con diferente ubicación. 4.1

Criterios de diseño

•

Si se proyectan canales de sección variable, se consigue distribuir el caudal de manera uniforme a varias unidades, para que la velocidad se mantenga constante.

•

La sección del canal puede tener ancho constante y profundidad variable o ancho variable y profundidad constante. Los canales del primer tipo son los más convenientes porque permiten compactar más el área de la planta. La figura 4-5 muestra un canal de ancho variable. En plantas grandes el ancho de este canal puede ser de varios metros, por lo que resulta muy conveniente que tenga un ancho constante y que la mayor dimensión esté en la profundidad, aprovechando la excavación que inevitablemente se hará para la construcción del decantador.

•

Se puede admitir una desviación de caudales de 5% entre la primera y la última compuerta u orificio lateral de distribución, lo cual se comprueba mediante la aplicación de los criterios de Hudson (5).

140

•


El coeficiente de pérdida de carga total en las compuertas (β) está dado por la siguiente expresión: 2

β = 1 + θ + (Vc / VL ) . ϕ

(1)

Donde: 1 θ

= =

pérdida de carga debida a la disipación de energía en el lateral coeficiente de pérdida de carga en la entrada. En canales cortos como los que se diseñan en las plantas de tratamiento de agua, el valor de este coeficiente es de θ = 0,7 coeficiente de pérdida de carga en el cambio de dirección de la corriente, ϕ = 1,67 velocidad en el canal o tubo principal de distribución en m/s velocidad en los laterales: compuertas o tuberías laterales que reciben el caudal distribuido en m/s

ϕ

=

Vc VL

= =

•

La velocidad real en los laterales (VL1) se comprueba mediante la siguiente expresión: Qt

VL = AL . β1

(∑

n

i =1

1

/ βi

)

(2)

Donde: caudal total por distribuir (m3/s) área de cada uno de los orificios de las compuertas o de los tubos laterales de distribución (m2)

Qt AL

= =

•

Para comprobar el gradiente de velocidad medio (G) en los orificios o secciones de paso, se empleará la siguiente expresión (6): G = (γ/2µg)0,5 . (f /4 RH)0,5 . VL1,5

Donde:

γ RH

= =

densidad del agua en kg/cm3 radio hidráulico de la sección en m

(3)


µ

=

f

=

viscosidad absoluta (kg/cm2 x seg) coeficiente de DarcyWeisbach: varía entre 0,015 y 0,030

hf = β VLn2 /2g hf VLn

= =

141

(4)

pérdida de carga en m velocidad real en el lateral número n en m/s.

Figura 4-5. Canal de distribución a varios decantadores (4)

Aplicación 1. Canal de distribución uniforme del agua floculada a los decantadores. •

Todos los decantadores que operan en paralelo deben tener un comportamiento similar. Esto solo ocurrirá si todos reciben caudales iguales para que la tasa de operación sea uniforme.

•

El cuadro 4-1 muestra un ejemplo de aplicación al diseño de un canal que distribuye 0,5 m3/s a cinco decantadores; se admite una desviación de hasta 5% (figura 4-6). Este diseño se comprobó y la desviación de la velocidad en las compuertas de paso dio 4,2%, menor de 5% y, por lo tanto, aceptable (cuadro 4-2).

ß1 =1+ 0,7+1,67 [0,145/0,28] 2 ß1 = 2,148

β1=1+è+Ø [Vc /VL]2

Coeficientes experimentales de Hudson

Del cuadro 4-2

8

9

∑ / β

3,467

1

=

è = 0,70 Ø = 1,67

VL = 0,28

m/s

∑ 1/ β

VL1 = Qt / AL . β1

AL = 0,100/ 0,28 AL = 0,36 b = 0,60 ; h = 0,60

AL = q / VL

Velocidad en los laterales

7

VL1= 0,500 / (0,36) . (1,466)(3,467) VL1 = 0,273

β1 = 1,466

Bi = 3,45/1,50 = 2,30

Hi = Ai / B

m/s

Ai = 0,500/0,145 Ai = 3,45

Vi = 0,145

Ai = Q/ Vi

AF = 0,60 (1,50) AF = 0,90

0,50/5 0,10

Velocidad en la sección inicial

m

HF = 0,60

A F = HF . B

q= q=

Cálculos

6

Altura mínima

4

m

B = 1,50

constante

q = Q/N

Criterios

Vc = 0,100 / 0,90 Vc = 0,11

Ancho del canal

3

N=5

m3/s

Unidad

Vc = q/AF

N.° de decantadores

2

Q = 0,500

Cantidad

5

Caudal

Datos

1

Paso

Cuadro 4-1. Dimensionamiento del canal de agua floculada (4)

m2

m

m2

m/s

m2

m3/s

Unidad

Velocidad real en la primera compuerta

m/s

Coeficiente de pérdida constante de carga en los orificios de las compuertas

Sección útil de las compuertas

Altura inicial del canal

Sección inicial del canal

Velocidad en la sección final del canal

Sección final del canal

Caudal de ingreso a cada decantador

Resultados


Velocidad de la compuerta número 5

ã/ì =

13

14

Coef. Darcy

12

VL5 = 0,288

2,955

f = 0,02

Ancho de sección b = 0,60 Profundidad de a = 0,60 sección

11

β5 = 1,963

Cantidad

Del cuadro 4-2

Datos

10

Paso

m m

Unidad

G = (2.955(1/19,6) x [0,02/ 4 (0,15)] 0,5 (0,288) 1,5 G = 18,8

Gradiente de velocidad al paso del flujo por las compuertas

R H = (0,60x0,60)/2(0,60+0,60) Radio hidráulico de una compuerta RH = 0,15

R H =(axb)/2(a+b)

0,5

Pérdida de carga en las compuertas

hf = 1,96 (0,288)2 /19,6 hf = 0,008

hf = ß VL52 /2g

G= (ã/2ìg)0,5 . (f /4 RH)0,5. VL1,5

Desviación de caudal aceptable

Velocidad real en la última compuerta

Resultados

ä = (0,288 – 0,276) / 0,288 ä = 4,2% ; ä < 5,0%

VL5 = 0,500 / (0,36).(1,401) (3,467) VL5 = 0,288

Cálculos

ä = (VL5 - VL1 ) / VL5

Criterios

Cuadro 4-1. Dimensionamiento del canal de agua floculada (continuación)

s-1

m

m

m/s

Unidad

Decantadores laminares 143


&XDGUR&RPSUREDFLyQGHODGHVYLDFLyQGHOFDXGDOHQHOFDQDOGHGLVWULEXFLyQ GHDJXDIORFXODGDDYDULRVGHFDQWDGRUHVHQSDUDOHOR 1R

4 PV

; P

+[ P

$[ P

9F PV

9F9/

9/ PV

&DXGDO

+

)LJXUD(VTXHPDGHOFDQDOGHGLVWULEXFLyQSURSXHVWR HQHOHMHPSORGHOFXDGUR

$SOLFDFLyQ&DQDOORQJLWXGLQDOGHGLVWULEXFLyQXQLIRUPHDOPyGXORGHSODFDV (VWHFDQDOVHGLPHQVLRQDFRQ ORVPLVPRVFULWHULRVHPSOHDGRVHQ HOFiOFXORDQWHULRU/DORQJLWXGWR WDO GHO FDQDO HV OD GHO PyGXOR GH SODFDVFDOFXODGRHQHOFXDGUR /DDOWXUDPi[LPDGHPHWURV VHGHWHUPLQDHQHOHVTXHPDGHOD ILJXUD \ OD DOWXUD PtQLPD GH PHWURVFRQFULWHULRVFRQVWUXF WLYRVILJXUD

I´

I´

I´

$GRSWDQGRXQDQFKRGHFD QDOGHPHWURVVHFRQVLGHUD URQORVRULILFLRVXELFDGRVHQHOIRQ

)LJXUD&DQDOGHGLVWULEXFLyQ ORQJLWXGLQDODOPyGXORGHSODFDV


145

do y a ambos lados del canal, con una distancia de centro a centro de 0,50 metros. Podemos ver la forma de este canal en la figura 4-8. Véase el procedimiento de cálculo en el cuadro 4-3. Figura 4-8. Forma del canal central de distribución de agua floculada a lo largo del módulo de placas (4)

Aplicación 3. Distribución mediante tuberías

Cuando se proyectan decantadores pequeños, en lugar de canales, se emplean tuberías de PVC con perforaciones y se calcula la relación entre el diámetro de la tubería y los orificios con criterios de distribución uniforme. Véanse las fiVertederos Vertederos guras 4-9 y 4-10. Consideraregulables regulables Asbesto-cemento remos para el estudio de caso Asbesto-cemento o vinilonas o vinilonas un decantador con capacidad para producir 10 L/s. Véase el Orificios Orificios cuadro de cálculo 4-5. Losas removibles Losas removibles con orificios

con orificios

En la figura 4-10 se presenta un corte longitudinal del decantador pequeño. Las tube-

Decantador laminar

Figura 4-9. Solución para decantadores laminares de pequeña capacidad (4)

Válvula mariposa Canal repartición de agua floculada

Desagüe

Agua decantada

Sistema de recolección de agua decantada Válvula mariposa ø 4’’

Tubería de distribución de agua floculada Losas removibles con orificios para la extracción de lodos

Orificios

Decantador laminar

Figura 4-10. Decantador laminar con distribución de agua floculada mediante tuberías (4)

rías que se utilizan para distribuir el agua floculada son de PVC y los decantadores deben proyectarse con la longitud máxima que da el tubo.

6HSDUDFLyQ GH FHQWUR D FHQWUR HQWUH RULILFLRV /RQJLWXG WRWDO GHO FDQDO 'LVWDQFLD HQWUH OD SDUHG \ HO SULPHU RULILFLR

9) 4) $) 9 ) 9 )

4G 1 T R 4)

TR TR TR 4 )

9HORFLGDG HQ HO H[WUHPR ILQDO GHO FDQDO

&DXGDO TXH OOHJD DO H[WUHPR ILQDO GHO FDQDO

&DXGDO SRU RULILFLR

6HFFLyQ HQ HO H[WUHPR ILQDO GHO FDQDO

$ ) % K $ ) $)

P P

% K

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G $ / [ P G [ G

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ÈUHD WRWDO GH RULILFLRV

&DXGDO GHO FDQDO GXUDQWH HO PDQWHQLPLHQWR GH XQD XQLGDG &DXGDO GH OD PLWDG GHO FDQDO

5HVXOWDGRV

ÈUHD GH FDGD RULILFLR

1 / ± G 1 1 FRQVLGHUDQGR XQ RULILFLR DO LQLFLR GLVWDQFLD FHUR HQ WRWDO VRQ 1 RULILFLRV D FDGD ODGR GHO FDQDO

$ 7 4 G 9/ $7 $7

4 F 4 G

4 F 4 4 F 4 F

&iOFXORV

$ / $ 7 1 $ / $ /

P P

P

PV

P V

8QLGDG

$QFKR GHO FDQDO $OWXUD PtQLPD

D

9HORFLGDG HQ ORV RULILFLRV

/ '

9/

&DXGDO GH XQ GHFDQWDGRU HQ FRQGLFLRQHV QRUPDOHV GH RSHUDFLyQ

4

'DWRV

3DVR

&DQWLGDG

&XDGUR'LPHQVLRQDPLHQWRGHOFDQDOFHQWUDOGHGLVWULEXFLyQGHDJXDIORFXODGD

PV

P V

P V

P

P

P

XQLGDGHV

P

P V

PV

8QLGDG


G

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&RHILFLHQWHV H[SHULPHQWDOHV

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7 o&

&RHILFLHQWH 'DUF\ :H L V E D F K

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J P

+

'DWRV

3DVR

&DQWLGDG P

8QLGDG 6HFFLyQ LQLFLDO GHO FDQDO 9HORFLGDG HQ HO H[WUHPR LQLFLDO &RHILFLHQWH GH SpUGLGD GH FDUJD WRWDO HQ HO SULPHU RULILFLR GHO FDQDO &RHILFLHQWH GH SpUGLGD GH FDUJD HQ HO ~OWLPR RULILFLR GHO FDQDO 9HORFLGDG UHDO HQ HO SULPHU RULILFLR 9HORFLGDG UHDO HQ HO ~OWLPR RULILFLR 'HVYLDFLyQ GH FDXGDO HQWUH HO SULPHU \ HO ~OWLPR RULILFLR *UDGLHQWH GH YHORFLGDG HQ ORV RULILFLRV

9F 4F $F 9 F 9 F T >9 F 9/@ > @ > @ 9/ 47 $/ 3 9/ 9/ 9 / 9 / G 9/ 9/ 9/ G ± G

* J PJ I 5+ 9/ * > @ *

5HVXOWDGRV

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&XDGUR'LPHQVLRQDPLHQWRGHOFDQDOFHQWUDOGHGLVWULEXFLyQGHDJXDIORFXODGD FRQWLQXDFLyQ

V

PV

PV

PV

P

8QLGDG

'HFDQWDGRUHVODPLQDUHV

'LiPHWUR GH OD WXEHUtD GH GLVWULEXFLyQ

5HODFLyQ GH J P SDUD XQD WHPSHUDWXUD GH &

&RHILFLHQWH 'DUF\ :H L V E D F K

' ´ '

XQLGDG

SXOJDGDV P

P

6HSDUDFLyQ GH ORV RULILFLRV H

9HORFLGDG HQ ORV RULILFLRV

/RQJLWXG GHO PyGXOR GH SODFDV \ GH OD WXEHUtD

P

'LiPHWUR GH ORV RULILFLRV ÈUHD GH OD WXEHUtD GH GLVWULEXFLyQ /D GHVYLDFLyQ TXH VH SURGXFLUi HV PHQRU GH SRU OR WDQWR FRQ GRV WXEHUtDV GH ´ VH FRQVHJXLUiQ PDJQtILFRV UHVXOWDGRV *UDGLHQWH GH YHORFLGDG HQ ORV RULILFLRV

$ F S ' $F S $F Q$R$F SDUD TXH% Q$R$F

* J PJ I 5+ 9/ * * V

1~PHUR GH RULILFLRV SRU WXER GH GLVWULEXFLyQ

ÈUHD WRWDO GH RULILFLRV SRU WXEHUtD

5HVXOWDGRV

$R $W Q $R $R ' ´

Q / H Q Q

$W 4 9/ $W $W

P V PV

&iOFXORV

8QLGDG

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4

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/

&DXGDO SRU GHFDQWDGRU

'DWRV

3DVR

V

P

SXOJDGDV

XQLGDG

P

8QLGDG

&XDGUR'LPHQVLRQDPLHQWRGHWXEHUtDVGHGLVWULEXFLyQGHDJXDIORFXODGDDORODUJRGHOPyGXORGHSODFDV



&XDGUR&iOFXORGH3 3 BHQHOGLPHQVLRQDPLHQWRGHOFDQDOLQWHULRUGH GLVWULEXFLyQGHDJXDIORFXODGDDOPyGXORGHGHFDQWDFLyQ 1R GH RULILFLRV

4 PV

; P

%; P

ÈUHD P

9& PV

9F9/

9/ PV

3

150


5.

ZONA DE SEDIMENTACIÓN

5.1

Criterios específicos

•

Esta zona se proyecta sobre la base de la tasa de decantación seleccionada durante el estudio de laboratorio efectuado con el agua cruda. La muestra debe tomarse durante el periodo lluvioso, para que los resultados de estas pruebas, que constituyen los parámetros de diseño del proyecto, correspondan a las necesidades de la época más crítica.

•

Figura 4-11. Zona de decantación mediante módulos de asbesto-cemento (4)

Las lonas que se utilizan como placas son de vinilo y reforzadas con hilos de poliéster de alta tenacidad (KP 500 ó 1.000), recubiertas por ambos lados con PVC de formulación especial; con bastas en todo el contorno y cabos o refuerzos metálicos internos, por lo menos en los laterales y en la parte inferior. Estarán provistas de ojalillos de aluminio en las cuatro esquinas, los que servirán para templarlas y fijarlas convenientemente, mediante pasadores de plástico, a perfiles de aluminio, ubicados en las paredes de los canales laterales. Véase el detalle de la instalación en la figura 4-12. Perno de anclaje Perfil de aluminio e = 1/4” Perfil de aluminio e = 1/4”

con orificios de φ 1/2”

1

Perfil de aluminio e = 1/4” Pasador Lonas de poliéster Lonas de poliéster 60º

1

Perno de anclaje Ver Det. A-A

Corte 1-1

Detalle A-A

Figura 4-12. Instalación de las lonas de vinilo (4)


151

•

Los perfiles de aluminio que se empotran en las paredes laterales son de 90°, 1/4" de espesor y 5 centímetros de ancho con orificios de un centímetro de diámetro, separados a partir del extremo de acuerdo con el espaciamiento calculado en el proyecto (10, 12 ó 14 centímetros). El perfil superior se ubicará a 1,30 metros del borde superior del decantador, de tal manera que el nivel máximo del módulo de decantación tenga un metro de sumergencia. Las lonas se instalarán formando un ángulo de 60° con el plano horizontal, por lo que el perfil inferior se colocará paralelo al anterior, a una distancia de 1,04 metros y con los orificios dispuestos en forma similar. 5 cm

•

Las láminas de asbesto-cemento de 6 milímetros de espesor y 2,40 metros de largo se pandean y producen una flecha de hasta 5 centímetros cuando están inclinadas a 60° y soportadas solo en sus extremos.

•

8 cm

e

d

Figura 4-13. Separadores para placas de asbesto-cemento (7)

Esto se resuelve colocando uno o dos separadores al centro de las placas, de forma que se apoyen unas sobre las otras, con lo que se evita una deflexión excesiva. Estos separadores pueden ser de madera o de asbesto-cemento (figura 4-13). Lámina de asbesto-cemento

Perfil en ‘‘U’’ de aluminio

•

Separadores de asbesto-cemento

Figura 4-14. Otros tipos de separadores de placas (7)

Los separadores de asbesto-cemento constan de tiras de 5 a 6 centímetros de ancho y 10 milímetros de espesor, adheridas con pegamento a las láminas para su mayor estabilidad. También se usan perfiles en ‘‘U’’, asegurados con tornillos, aunque es suficiente la sola presión de una placa sobre la otra para conservar los separadores en su posición (figura 4-14).

152

•

•


El apoyo de las placas en sus extremos se ha efectuado de varias formas. Una de las más difíciles de llevar a la práctica, dependiendo de la calidad de mano de obra disponible, consiste en efectuar ranuras longitudinales de 4 a 5 centímetros de profundidad e inclinadas en 60°, en los muros que limitan el ancho de la zona de decantación.

Perfil con ranuras

Perfil visto en planta

Lámina de asbestocemento Viga con borde dentado Perfil de 2’’x 2’’ x 1/4’’

Figura 4-15. Detalle de instalación de placas de asbesto-cemento con perfiles (4)

Otro sistema de colocación de placas consiste en empotrar un perfil de 2" x 2" x 1/4", debidamente protegido contra la corrosión, con ranuras convenientemente dispuestas para sujetar las láminas en la parte superior. Se dejará una saliente de unos 10 centímetros en los muros para sujetar las láminas en el extremo inferior (figura 4-15). En algunos casos, solamente se colocarán apoyadas en la parte baja y con separadores en el medio de las láminas.

•

En plástico se han adoptado las formas tubulares de sección cuadrada, hexagonal o circular, que constituyen los denominados módulos patentados (figuras 4-16).

•

Los módulos patentados se fabrican normalmente de plástico o de fibra de vidrio. El plástico es el material ideal para este fin por su poco peso. Como su costo es muy alto, los módulos de este material tienen de 0,50 a 0,60 metros de altura y están hechos de láminas muy delgadas para disminuir su peso y, por consiguiente, también el costo de transporte.


153

•

Los módulos dan mayor resistencia estructural al conjunto, pero hidráulicamente tienen desventajas con respecto a las placas. A igualdad de condiciones (inclinación y longitud relativa), las secciones tubulares cuadradas o circulares producen cargas superficiales equivalentes más altas que las de placas. Debido a la poca altura de los módulos, decrece el valor de la Figura 4-16. Módulos de decantación profundidad relativa del decantador, de sección hexagonal (4) que es de 10 a 12 en este caso, mientras que con las placas es de 20 a 24, lo cual incrementa la tasa superficial de la unidad en 50 a 60% por este solo concepto.

5.2


•

El área total que debe cubrirse con placas espesor (e) y separación (e’), en el plano horizontal, se calcula mediante la siguiente expresión: As = Q/ fVs

(5)

f = sen θ (sen θ + L Cos θ) / s Donde: caudal en m3/ds velocidad de sedimentación de la partícula en m/s longitud relativa módulo de eficiencia de placas

Q Vs L S

= = = =

•

La longitud relativa L se determina mediante la siguiente expresión: L = lu / d

Donde: lu d

= =

longitud útil dentro de las placas espaciamiento entre las placas

(6)

154

•


El número total de placas por instalar (N) se calcula mediante la siguiente expresión: N = As sen θ / B d

(7)

Donde: B

=

•

El número de Reynolds se comprueba mediante la siguiente expresión:

Ancho total neto de la zona de decantación

Nr = 4 RH . Vo / v

(8)

Donde: viscosidad cinemática en m2/s velocidad media del flujo en m/s radio medio hidráulico en m

v Vo RH

= = =

5.3

Aplicación

Siguiendo con el ejemplo inicial, pasaremos a calcular una unidad para 100 L/s de capacidad. Se efectuaron los estudios de laboratorio con una muestra de 550 UNT, representativa de las condiciones más críticas, y se obtuvo la curva de decantación indicada en la figura 4-17.

Curva de decantación 0,40 0,30 Co

0,20 0,10 0,00 0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

Vs (cm/s)

Figura 4-17. Curva de decantación (4) A partir de la curva de decantación, se desarrolló el cuadro 4-6. Entrando en la curva con los valores de velocidad de sedimentación correspondientes al rango de tasas de la primera columna del cuadro, se van obteniendo los valores de Co = Tf/To, con los que se calculan las columnas siguientes (véase Tratamiento de agua para consumo humano. Planta de filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo II, capítulo 11).


155

Cuadro 4-6. Selección de la velocidad óptima de decantación (4) Q m3/m2/d

Vs cm/s

Co %

Rt UNT

Tr UNT

Tf UNT

25

0,029

0,15

0,999

179,75

0,25

28,5

0,033

0,16

0,996

179,35

0,65

30

0,035

0,175

0,994

178,84

1,16

35

0,040

0,18

0,991

178,31

1,69

36

0,042

0,185

0,989

178,00

2,00

37

0,043

0,19

0,987

177,74

2,26

40

0,046

0,22

0,979

176,30

3,70

Del análisis del cuadro anterior se determinó que la tasa de decantación con la que se podía obtener un efluente con 2 UNT era de 36 m3/m2.d. Dado que esta tasa se obtuvo en el laboratorio en condiciones ideales, se aplicó un coeficiente de seguridad de 1,3, con el que se obtuvo una tasa de 27,7 m3/m2.d. Durante el cálculo, esta tasa se incrementó a 28,74 m3/m2.d para redondear la longitud del decantador a 12 metros. Véase un ejemplo de cálculo de la unidad en el cuadro 4-7.

I >VHQ T VHQT /FRV T @ 6 I I $V $V $V

PV P V

O

6

9 V

4

/RQJLWXG GHO PyGXOR GH SODFDV

0yGXOR GH HILFLHQFLD GH ODV SODFDV 9HORFLGDG GH VHGLPHQWD FLyQ GH ODV SDUWtFXODV &DXGDO GH GLVHxR GHO GHFDQWDGRU

$QFKR WRWDO QHWR GH OD ]RQD GH GHFDQWDFLyQ

%

P

P

ÈUHD VXSHUILFLDO GH OD XQLGDG 1~PHUR GH FDQDOHV IRUPDGRV SRU ODV SODFDV

> [ @ 4 I 9V [

1 $V VHQ T %G 1 > @ [ 1

P

P

/RQJLWXG UHODWLYD GHO PyGXOR GH SODFDV

/ OX G / /

&RHILFLHQWH GHO PyGXOR GH SODFDV

FP

FP

8QLGDG

/RQJLWXG ~WLO GHQWUR GH ODV SODFDV

(VSDFLDPLHQWR HQWUH ODV SODFDV

5HVXOWDGRV

OX O ± H¶ FRV T OX ± FRV o OX

G H¶ VHQ T ± H G VHQ T ± G

o

FP

H

T

FP

H¶

6HSDUDFLyQ GH ODV SODFDV HQ HO SODQR KRUL]RQWDO (VSHVRU GH ODV ORQDV GH YLQLOR ÈQJXOR GH LQFOLQDFLyQ GH ODV SODFDV

&iOFXORV

8QLGDG

'DWRV

3DVR

&DQWLGDG

&XDGUR'LPHQVLRQDPLHQWRGHXQGHFDQWDGRUGHSODFDVSDUDOHODV


9

cm2/s

V = 0,013

Viscosidad a 10 °C

8

Número de Reynolds Velocidad longitudinal máxima

Nr = 4 RH x Vo/v Nr = 4(4,95)(0,21)/0,013 Nr = 320 Vo = [NR/8] 0,5 Vsc Vo = [323/8] 0,5 (0,033) Vo = 0,21

Radio hidráulico del módulo de placas

RH = b.d/2(b+d) RH = (2,40)(0,103)(100) 2(2,40 + 0,103) RH = 4,95

b = 2,4

Ancho del módulo de placas

7

m

Velocidad media del flujo

Resultados

Vo = Q / As senè Vo = {0,100 /[54,41(0,866)]} · 100 Vo = 0,21

Cálculos

6

Unidad Longitud total del decantador

Cantidad LT = 1cosè +[Nd+(N+1)e]/senè LT = [1,2(0,5) + 95(0,1033) + (95+1)0,0006] / (0,866) LT = 12

Datos

5

Paso

Cuadro 4-7. Dimensionamiento de un decantador de placas paralelas (continuación)

cm/s

cm

cm/s

m

Unidad

Decantadores laminares 157

158


6.

ZONA DE SALIDA

6.1

Criterios generales

•

La uniformidad en la ascensión del flujo depende tanto de las características de la zona de entrada como de la de salida.

D

h h/D <

0,75

Figura 4-18. Canal central y tuberías laterales de recolección de agua decantada (6)

•

•

Para conseguir una extracción uniforme, se puede diseñar ya sea un canal central recolector y canales laterales (figura 4-18), un canal central y tuberías laterales perforadas o un canal central y vertederos laterales (figura 4-19).

ho

ho

b

Vertedero metálico ajustable

ho

Figura 4-19. Vertederos de recolección regulables (6)

No es recomendable diseñar vertederos fijos de bordes lisos, porque cualquier desigualdad en los bordes produce apreciables desigualdades en la cantidad de agua extraída.


159

En los bordes de los vertederos de concreto deben empernarse láminas de acero o PVC dentadas (con vertederos en ve) o de bordes lisos, que trabajen con tirantes de agua de 5 a 10 centímetros. Esta solución permitirá nivelarlos en obra (figura 4-19). •

Tubos con perforaciones en la parte superior dan excelentes resultados cuando todos los orificios son de igual diámetro, con una carga de agua sobre estos de 5 a 10 centímetros y descarga libre hacia un canal central o canales laterales; el tubo no debe trabajar a sección llena. Esta última condición es básica para obtener una extracción equitativa del flujo.

6.2


•

La longitud de vertederos de recolección (lv) se calcula mediante la siguiente expresión: lv = Q/qr

(9)

Donde: Q qr

= =

caudal de diseño del decantador en L/s tasa de diseño de los vertederos, que varía entre 1,1 y 3,3 L/s x m de longitud de vertedero.

Los valores de qr cercanos a 1,10 L/s x m se recomiendan para flóculos débiles o para plantas con operación poco confiable, y valores cercanos a 3,30, para casos de flóculos grandes, pesados y con buen nivel de operación.

Figura 4-20. Sistema de recolección mediante tuberías perforadas (4)

160

•


La distancia máxima entre los vertederos de recolección (d) es una función de la profundidad (h) de instalación de los módulos o placas, y es inversamente proporcional a la tasa de escurrimiento superficial. d/ h = 432/ Vs

(10)

Donde: Vs

=

velocidad ascensional del agua o tasa de escurrimiento superficial en m3/m2/d

En el gráfico de la figura 4-21 se encuentra representada la variación de d/h con Vs. •

Cuando la recolección se efectúa mediante tuberías con perforaciones, se recomienda determinar la longitud de tubería mediante la ecuación 9, el distanciamiento máximo centro a centro mediante el criterio de la ecuación 10 y, para que la colección sea uniforme, el diámetro de los orificios y del tubo se determinarán a partir de la expresión 11. Vc/Vo = nAo/Ac < 0,15

(11)

Donde: n

=

Ao Ac Vo Vc

= = = =

número de orificios. Se calcula de acuerdo con la longitud del tubo, con un espaciamiento de 0,10 metros área de los orificios, normalmente ½” área del tubo velocidad en los orificios en m/s velocidad en la tubería en m/s

Esta relación de velocidades o de secciones asegura una desviación < 5% (véase el ábaco de la figura 4-23). Se recomienda, además, una altura de agua de 5 a 10 centímetros sobre los orificios.


161

d

h

4,0

3,0

d h

2,0

1,0 100

200

300

Velocidad ascensional 3 2 V s m /m d

Figura 4-21. Relación de la distancia máxima entre las canaletas de agua decantada versus la profundidad de agua en función de la tasa de escurrimiento superficial (5)

162


Aplicación 1. Recolección del agua decantada mediante tuberías perforadas Veamos ahora el procedimiento de cálculo del sistema de recolección de agua decantada. Se ha elegido un sistema de tuberías de PVC perforadas por su bajo costo y una tasa de 2 L/s x m debido a que en las pruebas de laboratorio se pudo ver que se forma un buen flóculo que precipita rápidamente. Véase el cuadro 4-8. Aplicación 2. Recolección mediante vertederos Para el caso de decantadores pequeños, la solución mas económica es la de colocar vertederos perimetrales. En ese caso, el cálculo es más sencillo y termina en el paso 2 del cuadro 4-8. Después de calculada la longitud de los vertederos, debemos comprobar que el perímetro de la unidad sea igual o mayor que la longitud requerida. Si no cumple, colocaremos tres hileras de tuberías perforadas a lo largo de la unidad, que descarguen al canal de distribución a los filtros. Tanto los vertederos como las tuberías se colocarán a una altura tal que la capa de agua sobre el módulo de placas sea de un metro. En la medida en que se reduce esta altura, se debe disminuir la tasa de recolección, para evitar que las líneas de flujo se arqueen y arrastren a los flóculos, para alcanzar el nivel de salida. La altura mínima entre el vertedero o tuberías y el módulo de placas es de 0,65 m.

7.

ZONA DE LODOS

Esta zona está compuesta por las tolvas de almacenamiento y el sistema de evacuación o de descarga hidráulica de los lodos. La alternativa más recomendable, por su excelente funcionamiento, es la de tolvas separadas, con colector múltiple de extracción hidráulica y uniforme. La otra solución que se desarrolla es la de tolvas continuas y extracción hidráulica de los lodos mediante sifones.

5HODFLyQ SDUD FROHFFLyQ XQLIRUPH FRQ XQD GHVYLDFLyQ GH

GR ò´ GR

P

H

(VSDFLDPLHQWR HQWUH RULILFLRV 'LiPHWUR GH ORV RULILFLRV

P

%

$QFKR WRWDO GHO PyGXOR GH SODFDV

XQLGDG

SXOJDGDV P

/VP

TU

7DVD GH UHFROHFFLyQ

/V

8QLGDG

4

&DQWLGDG

&DXGDO GH GLVHxR

'DWRV

3DVR

'LiPHWUR GHO WXER

' $F S ' ' ´

1~PHUR GH RULILFLRV SRU WXER ÈUHD GH ORV RULILFLRV GH ò´

Q EH Q Q $R GR S $R S $R

'LiPHWUR GH ORV WXERV GH UHFROHFFLyQ

7XERV GH UHFROHFFLyQ

1 /E 1 1 HQ FDGD PyGXOR GH GHFDQWDFLyQ

Q$R$F $F $F

/RQJLWXG GH WXEHUtDV GH UHFROHFFLyQ

5HVXOWDGRV

/ 4TU / /

&iOFXORV

&XDGUR'LPHQVLRQDPLHQWRGHOVLVWHPDGHUHFROHFFLyQGHDJXDGHFDQWDGD

P

P

P

XQLGDG

FP

P

8QLGDG


164

7.1


Tolvas separadas y colector múltiple

7.1.1 Criterios de diseño •

En las tolvas separadas, la separación entre orificios está dada por la configuración de las tolvas y el número de estas (figura 4-22).

•

El volumen total de almacenamiento disponible en las tolvas está relacionado con la producción diaria de lodos. Normalmente se adopta un periodo de almacenamiento de un día y la frecuencia máxima de descargas en época de lluvia es de cuatro horas.

•

Las mejores condiciones hidráulicas se consiguen “atolvando” los fondos, de modo que se tenga una tolva por cada boca de salida, con lo cual se consigue, además, tener orificios de descarga de mayor diámetro, lo que disminuye el riesgo de atoros. Como el lodo presiona el punto de salida, la tolva se vacía totalmente (figura 4-22). La viga ubicada debajo de las placas y las columnas se debe a que el módulo era de placas de asbestocemento.

Canal de distribución a filtros

Tubos de PVC con orificios

Canal de distribución a decantadores

Canal de inspección de los colectores de lodos

Orificios Canal de desagüe Válvula mariposa

Colector de lodos

Tapón

Decantador laminar

Figura 4-22. Tolvas separadas y colector múltiple (4)

•

La pendiente de las tolvas debe estar entre 45° y 60° y la sección debe ser aproximadamente cuadrada.


165

•

El diámetro del colector múltiple se incrementa en función de su longitud total, y el diámetro es modificado por el número de orificios de extracción.

•

La extracción de lodos debe ser equitativa y se puede admitir una desviación máxima de 10%.

•

La distribución del flujo entre los orificios depende de la relación entre la suma de las secciones de todos los orificios de descarga (n Ao) y la sección del dren (A). Experimentalmente, se encontró que, para que la desviación (δ) de flujo entre los orificios extremos no sea mayor de 10%, R debe variar entre 0,40 y 0,42. Véase el ábaco de la figura 4-23. R < 0,42

(12)

De acuerdo al ábaco de la figura 4-23, para que la desviación (δ) entre los orificios extremos del colector no sea mayor de 10%, se debe cumplir la siguiente relación: δ=

n AL = ≤ 0,50 A

uc ió dis trib le

de

0.4

Mú ltip

Desviación

n

0.5

0.3

0.2

lector le co Múltip

0.1

0.5

1.0

R = N Ao A

Figura 4-23. Canalizaciones con múltiples laterales (5)

1.5

166

•


El diámetro de los orificios se determina en función del diámetro del dren (D), de la relación (R) y del número de orificios (n).

7.1.2 Criterios de dimensionamiento •

El diámetro de los orificios de descarga (d) se calcula mediante la siguiente expresión:

Figura 4-24. Sistema de tolvas separadas (8)

d = x / 1,162 ( H0,5 / Va )0,5

(13)

Donde: x

=

H Va

= =

separación entre orificios de salida en m. Depende del número de tolvas y de sus dimensiones carga hidráulica en m velocidad de arrastre del lodo

Se recomienda establecer como velocidad mínima de arrastre en los puntos más alejados de 1 a 3 cm/s •

El diámetro del colector de lodos (D) se determina mediante la siguiente expresión:

D=d /

R/N

Figura 4-25. Colector múltiple con orificios y tolvas separadas (5)

(14)


167

Donde: R N D

= = =

relación de velocidades entre el colector y los orificios de descarga número de orificios o de tolvas diámetro de los orificios en m

•

El caudal de drenaje del colector (QL) se puede calcular mediante la siguiente expresión: QL = Cd . A . 2g h

(15)

Donde: Cd A g H

= = = =

coeficiente de descarga sección del colector en m2 aceleración de la gravedad en m/s2 carga hidráulica en m

7.1.3 Aplicación Consideramos el diseño de un decantador de 100 L/s de capacidad del ejemplo anterior. El ancho total de estas unidades, teniendo en cuenta el ancho total del módulo de placas de 4,80 metros, el ancho del canal central de distribución de agua floculada de 0,65 metros (calculado en el cuadro 4-7), más los muros laterales de 0,15 metros, es de 5,75 metros. La unidad tiene 12 metros de largo, por lo que estamos considerando 3 tolvas de 1,50 metros de profundidad total. En estas condiciones, los resultados del cálculo del cuadro 4-9 indican que la capacidad máxima de almacenamiento de las tolvas es de un día, el diámetro del colector y de la válvula mariposa de descarga de lodos es de 28” y los orificios de paso de las tolvas al colector, de 10”. Las instrucciones de operación que acompañen al proyecto deben indicar claramente que en la época de lluvias la frecuencia máxima de descarga debe ser de 4 horas. El esquema del decantador proyectado es similar al de la figura 4-22, solo que con tres tolvas y un solo colector para los dos módulos.

Caudal de lodos producido

Velocidad de arrastre

Carga hidráulica

Separación de orificios de descarga

Relación de velocidades para una desviación de 10%

8

9

10

11

Tasa de producción qL =0,005 L. L/s de lodos (dato que se obtiene en las pruebas de laboratorio)

6

7

Profundidad del tronco de pirámide de la tolva

R = 0,42

x=4

m

m

cm/s

Va = 1 H=4

L/s

m

QL = 0,5

h=1

m

5

h1 = 0,50

Prof. de la sección recta de las tolvas

m

constante

m

4

B = 5,75

N=3

L = 12

Cantidad Unidad

Ancho total del decantador

Longitud del decantador Número de tolvas por decantador

Datos

3

2

1

Paso

VT2 = 1/3 (23) (1) (3) VT2 = 23 QL = 0,005 (100) = 0,5

V T2 = [1/3 A h] N

QL = qL . Qd

D = d/ (R/N)0,5

D = 0,25 / (0,42/3) 0,5 D = 0,71 D = 28"

d = x / [1,162( H0,5/Va ) 0,5 ] d = 4/[1,162 ((4,0)0,5/0,01)) 0,5] d = 0,243; d ≈ 10”

F = (VT1 +VT2 )/0,5 (86,4) F = 1,33

VT1 = 23 x 0,50 x 3 VT1 = 34,5

VT1 = A x h1 x N

F = VT / qL (86,4)

A = 5,75 x 4 A = 23

x = 12 / 3; x=4

Cálculos

A=bx1

x=L/N

Criterios

pulgadas

m

d

m3

m3

m2

m

Unidad

Diámetro del colector m múltiple pulgadas

Diámetro de los orificios de descarga

Frecuencia de descarga

Caudal de lodos producidos por la unidad en época de lluvias

Volumen del tronco de pirámide de la tolva

Volumen de la parte recta de la tolva

Sección máxima de la tolva

Longitud de la base mayor de cada tolva

Resultados

Cuadro 4-9. Dimensionamiento de un colector múltiple con tolvas separadas (4)



7.2

169

Canal central con sifones y tolvas continuas

7.2.1 Criterios de diseño •

En las tolvas continuas el cálculo del espaciamiento es un poco más sofisticado, pues se debe tener en cuenta la esfera de influencia alrededor del orificio, dentro del cual la velocidad del flujo que confluye al punto de salida es capaz de producir arrastre de partículas sedimentadas.

•

El canal de descarga de lodos de la figura 4-26 debe dimensionarse de modo que el escurrimiento en su interior sea libre. En general, se requiere entrada y salida de aire, lo cual se consigue colocando una tubería de ventilación en los extremos. En estas condiciones, los colectores individuales dispuestos a lo largo del canal, descargarán libremente el lodo en el interior de este, pues todos estarán sometidos a la misma carga hidráulica (h).

Agua decantada

o o

n

o

Agua floculada Tubos de descarga de lodos

m

m n o

Canal de descarga de lodos Canal de distribución de agua floculada Canal de colecta de agua decantada

Figura 4-26. Canal de extracción de lodos mediante sifones (5)

7.2.2 Criterios de dimensionamiento •

El caudal en un tubo corto está dado por la siguiente expresión: q = Cd . A

2g h

(16)

170


El coeficiente de descarga (Cd) se selecciona del cuadro 4-10, en función de la relación L/D, donde L es la longitud del sifón y D su diámetro. Cuadro 4-10. Valores de Cd en función de L/D L/D

Cd

300 200 100

0,33 0,39 0,47

90 80 70 60

0,49 0,52 0,54 0,56

50 40 30 20

0,58 0,64 0,70 0,73

•

En el caso de la figura 4-26, se tiene una sola tolva continua en el sentido longitudinal de la unidad, pero, como se puede apreciar en la figura 4-27, dependiendo del área de la unidad, se pueden tener varias tolvas continuas. La extracción de los lodos se puede hacer mediante sifones o por medio de orificios en el fondo.

•

Es necesario considerar el número, diámetro y espaciamiento de los orificios de drenaje.

•

La distancia (x) entre los orificios de descarga debe ser tal que la velocidad mínima de arrastre de los lodos (Va) no sea menor de un cm/s.

•

El canal debe funcionar con la superficie expuesta a la

Orificios para aspiración de lodos

Figura 4-27. Sistema de tolvas continuas (8)


171

presión atmosférica, para que los sifones trabajen con descarga libre al canal y la recolección se realice equitativamente, al estar todos los pequeños sifones sometidos a la misma carga hidráulica (h) (figura 4-26). •

Distancia máxima entre tubos laterales de 0,90 m.

•

Diámetro mínimo de los sifones laterales de 1 ½’’.

•

Caudal mínimo por lateral de 3 L/s.

•

Velocidad mínima en el lateral de 3 m/s.

•

Para mantener el régimen de descarga libre en el canal, se debe diseñar un ducto de entrada de aire con la sección adecuada, para que compense el volumen de aire arrastrado por el agua.

7.2.3 Aplicación El cuadro 4-11 presenta un ejemplo de aplicación de estos criterios al dimensionamiento de este sistema de recolección de lodos mediante sifones cortos y tolva continua (figura 4-26). De acuerdo con los cálculos del cuadro 4-11, será necesario instalar 22 sifones para tener una buena recolección de lodos. Las tolvas se llenarán en un día y medio en la época de lluvias y la válvula de descarga se abrirá durante 1,2 minutos para que las tolvas se vacíen; durante este lapso se deberá cerrar el ingreso de agua floculada para evitar cortocircuitos. Debe instalarse, además, un tubo de ventilación a cada extremo del canal, para que haya circulación de aire en su interior. 7.3

Otros sistemas de descarga de lodos

7.3.1 Descarga mecánica automática Se trata de válvulas automáticas que pueden ser accionadas mediante aire comprimido o agua, o bien por medio de un programador electrónico o electroválvula que abre y cierra el circuito para descargar según intervalos programados o mediante sifones de accionamiento mecánico y de carga automática (CLARIVAC). La figura 4-28 muestra un decantador laminar de un m3/s de capacidad operando con un sistema de extracción de lodos continuo de patente CLARIVAC.

172


Este sistema solo se recomienda para decantadores muy grandes y requiere buenos recursos de operación y mantenimiento.

Figura 4-29. Canal de descarga del sistema CLARIVAC

Figura 4-28. Sistema CLARIVAC de extracción de lodos

La figura 4-30 muestra el sifón fluctuante de diseño artesanal, y la figura 4-31, el sistema patentado CLARIVAC.

Otro sifón

Nivel del agua

0,30

Canaleta de lodos Orificios para succión de lodos Fondo del decantador

3,25

Figura 4-30. Sifón fluctuante

0,10

0,20


173

Tirante Guía

Cable para desplazamiento φ 1/8’’

Flotador

Protector Tubo de sifón Flotador

Válvulas de control de descarga Guía

Colector Canal de recolección

Figura 4-31. Sistema CLARIVAC

8.


Es todavía frecuente encontrar unidades nuevas diseñadas como las de la primera generación, sin una estructura de entrada apropiada y sin un sistema de extracción de lodos hidráulico (figura 4-32). En estas unidades todo el flujo ingresa por el inicio de la unidad y se distribuye de acuerdo con la longitud de esta y la velocidad de paso por debajo de las placas. En las unidades largas normalmente la mayor parte del caudal llega al final y asciende levantando los flóculos. También es frecuente encontrar que la longitud de recolección es muy corta y las pocas canaletas de recolección consideradas se encuentran totalmente ahogadas. Cuando la longitud de recolección es muy corta, la velocidad de as-

Figura 4-32. Decantador de placas de la primera generación (4)

9

8

Distancia entre sifones Frecuencia de descarga ideal

m h

a = 0,90 F1 = 4

T = ( ∀ / qL ) x N1 x 60

∀ 1 = QL x F1

N1 = 2 L/a

∀ = [(b + b1 )/2] H4 N L

Q L = Q x TL

7

L/s m constante m m

mL/L

v = Cd ( 2 gh)0,5

q L = Cd A 2 gh

Criterios

F = ∀ / QL x 86,4

Q = 100 H4 = 2 N=2 b = 2,40 L = 10

TL = 5

m2

m/s2

g = 9,8 A = 0,0011

m

H=3

m

mm

Unidad

6

5

4

3

Carga hidráulica Aceleración de la gravedad Sección de un sifón de ø 1½ Tasa de producción de lodo Caudal de diseño Altura de tolva Número de tolvas Ancho mayor Longitud del decantador

Ls = 2,84

Longitud del sifón

2

D = 38

Diámetro del sifón

1

Cantidad

Datos

Paso

Volumen de almacenamiento de lodos

Velocidad de extracción Caudal total de lodo producido

Caudal que puede extraer cada sifón

Coeficiente de descarga

Resultados

m3

L/s

m/s

m 3/s o L/s

constante

Unidad

Máxima capacidad d de almacenamiento disponible constante N1 = 2 (10)/0,90 Número de N1 = 22 sifones Volumen producido m3 ∀ 1 = 0,5 x 4 x 3,6 en 4 horas ∀ 1 = 7,2 T = 7,2/(0,00447 x 22 x 60) Duración de la min T = 1,2 descarga

F = 68 / [0,5 (86,4)] F = 1,6

∀ = 68

x 10 x 2

∀ = [(2,40 + 1,00)/2] 2

v = 0,53 [2 (9,8) (3)]0,5 v = 4,06 QL = 100 (0,005) QL = 0,5

q L = 0,53(0,0011) 2(3)9,8 q L = 0,00447 ó 4,7

L = L s/D L = 2,84/0,038 L = 74,7 del cuadro 4-10 se obtiene: Cd = 0,53

Cálculos

Cuadro 4-11. Cálculo del sistema de extracción de lodos mediante sifones



175

censión del agua es muy alta y arrastra a los flóculos que tratan de depositarse sobre las placas.

Figura 4-33. Decantador de placas con problemas de recolección (4)

También son comunes los casos en que un decantador convencional se convierte en decantador de placas y el sistema de recolección permanece igual, sin incrementarse de acuerdo con el mayor caudal que la unidad va a producir en adelante.

El decantador de placas de la figura 4-34 no tiene un sistema de recolección adecuado. Únicamente se colocó un vertedero al final de la unidad, como si se tratara de un decantador convencional de flujo horizontal.

Figura 4-34. Decantador de placas sin sistema de recolección apropiado (4)

Figura 4-35. Sistema de recolección mal instalado (4)

En el caso del decantador de la figura 4-35, las tuberías de recolección están mal colocadas y fuera del agua, con lo que se desperdicia gran parte de su capacidad. Otro defecto muy frecuente en este tipo de decantadores consiste en colocar el sistema de recolección muy próximo al módulo de placas, sin respetar la distancia recomendada de un metro ni la altura de agua mínima estipulada de 0,65 metros (figura 4-36). Al colocar la salida tan próxima al módulo de placas, las

176


líneas de flujo se arquean mucho para alcanzar la salida y arrastran a los flóculos, lo que empobrece la calidad del efluente del decantador. En la figura 4-37 se puede apreciar el arrastre de flóculos a la superficie del decantador. En este caso, se sumaba el problema de que los decantadores habían sido proyectados con una tasa demasiado alta, consecuencia de no ha-

Figura 4-36. Sistema de recolección sobre los módulos de decantación (4)

ber realizado un buen estudio de tratabilidad del agua antes de ejecutar el proyecto. Si estamos adivinando cuál es la tasa ideal para tratar una determinada agua, será difícil que demos en el clavo.

Figura 4-37. Arrastre de flóculos en la superficie de los módulos (4)

proyecto de este tipo; se observa que no hay una estructura de salida del decantador convencional y que el agua ingresa directamente por debajo del módulo de decantación sin una estructura de distribución uniforme. En estos casos, el decantador convencional es apenas un tanque de paso y la eficiencia es prácticamente nula.

Otro defecto muy común es considerar un decantador convencional seguido de uno laminar sin estructuras de entrada y salida adecuadas. En la figura 4-38 se puede apreciar un

Figura 4-38. Decantadores convencional y laminar en serie (4)


177

En la figura 4-39 se puede observar otro caso similar: un decantador convencional sin estructuras de entrada y salida adecuadas, seguido de un decantador laminar sin estructura de entrada. Nuevamente, el agua pasa del decantador convencional directamente por debajo del módulo de placas. Figura 4-39. Decantadores convencional y laminar en serie (4)

178


REFERENCIAS (1)

Richter, Carlos. Decantación. Curitiba, SANEPAR, 1986.

(2)

Arboleda Valencia, Jorge. Teoría y práctica de los sedimentadores de placas inclinadas. Cali, ACODAL 89, 1979.

(3)

Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos. Optimización de la producción de plantas de tratamiento de agua mediante el Programa de Corrección Compuesto. Lima, CEPIS/OPS, 1998.

(4)

Canepa de Vargas, L. Proyectos y fotos de archivo. Lima, CEPIS, 19902003.

(5)

Richter, Carlos. Dispositivos de entrada y salida para decantadores. Curitiba, SANEPAR, 1984.

(6)

Di Bernardo, L. Metodos e Tecnicas de Tratamento de Agua. Volume 1. Rio de Janeiro, ABES, 1993.

(7)

Programa HPE/CEPIS/OPS de Mejoramiento de la Calidad del Agua para Consumo Humano. Manual V. Criterios de diseño. Lima, CEPIS, 1992.

(8)

Arboleda Valencia, Jorge. Teoría y práctica de los sedimentadores de alta rata. Memorias del Seminario Internacional sobre Tecnología Simplificada para Potabilización del Agua. Cali, ACODAL-Seccional Valle del Cauca, 1987.

(9)

Arboleda, J. Teoría, diseño y control de los procesos de clarificación del agua. Serie técnica 13. Lima, CEPIS/OPS, 1973.

(10) Pérez Carrión, J. M. Submódulo: Sedimentadores convencionales. Módulo 4.5.1. Programa Regional OPS/HPE/CEPIS de Mejoramiento de la Calidad del Agua para Consumo Humano. Lima, CEPIS /OPS, 1981. (11)

Canepa de Vargas, L. M. Submódulo: Sedimentación. Lima, CEPIS/OPS, 1981.


179

(12) Azevedo Netto, J. M. “Experiencia brasileña en el diseño de sedimentadores”. Simposio sobre nuevos métodos de tratamiento de agua. Asunción, 14-18 de agosto de 1972. Serie Técnica 14. Lima, CEPIS, 1975, pp. 90-129. (13) Gomella, G. y H. Guerre. Tratamiento de aguas para abastecimiento público. Editores Técnicos Asociados, 1977. (14) Hudson, M. E. “Sedimentation”. AWWA Seminar on Upgrading Existing Water Treatment Plants. Boston, 15-16 de junio, 1974. Denver, AWWA, 1974, pp. 67-78. (15) Pérez Carrión, José. Submódulo 4.5.2. Sedimentadores laminares. Programa Regional OPS/HPE/CEPIS de Mejoramiento de la Calidad del Agua. Lima, CEPIS/OPS, 1981. (16) Pérez Carrión, José. Sedimentadores laminares. Manual del Curso sobre Tecnología de Tratamiento de Agua para Países en Desarrollo. Lima, OPS/ CEPIS/CIFCA, 1977. (17) Hudson, Herbert. Water Clarification Processes, Practical Design and Evaluation. Nueva York, Van Nestrand Reinhold, 1981. (18) Di Bernardo, Luiz. Sedimentación convencional y laminar. Ms.

180


CAPÍTULO 5 BATERÍA DE FILTROS DE TASA DECLINANTE Y LAVADO MUTUO

Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo

1.

183

INTRODUCCIÓN

Los filtros son las unidades más complejas de una planta de tratamiento de agua. Su correcta concepción depende de la interrelación que exista entre las características de la suspensión afluente y los rasgos del medio filtrante, para que predominen los mecanismos de filtración apropiados que darán como resultado la máxima eficiencia posible. El trabajo experimental mediante un filtro piloto es la forma más segura de seleccionar las características de la unidad y los parámetros de diseño para una suspensión determinada. El segundo punto en importancia para optimizar el diseño del filtro es un buen conocimiento de la hidráulica de la unidad. Las evaluaciones efectuadas de estas unidades en toda América Latina indican que es en este terreno que se suelen inscribir las deficiencias más notables en la concepción de los proyectos. La concepción de estas unidades varía dependiendo de las características de la suspensión por filtrar, por lo que podemos diferenciar las unidades que filtran agua decantada de las que reciben agua coagulada o brevemente floculada. En el primer caso, se tratará de las baterías de filtros que integran una planta de filtración rápida completa y, en el segundo, de una planta de filtración directa. Como se ha visto en la sección “Plantas de filtración rápida” del capítulo 3, Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo I, estos últimos sistemas son los más restringidos en cuanto al rango de calidad de agua que pueden tratar. En este documento se han reunido y sintetizado los criterios más importantes para efectuar el correcto dimensionamiento de las baterías de filtros de tasa declinante y lavado mutuo. 2.

VENTAJAS DE LAS BATERÍAS DE FILTROS DE TASA DECLINANTE Y LAVADO MUTUO

Las baterías de filtros de tasa declinante y lavado mutuo se consideran como tecnología apropiada debido a que reúnen las siguientes ventajas sobre otros sistemas de filtración en uso:

184


•

No requieren una carga hidráulica muy grande para operar. Los filtros de tasa constante operan con una carga hidráulica de 1,80 a 2 metros para completar una carrera de operación de 40 a 50 horas en promedio. En estas mismas condiciones, normalmente una batería de filtros opeFigura 5-1. Batería de filtros de tasa rando con tasa declinante declinante y lavado mutuo (1) requiere una carga similar a la que necesitaría si estuviera operando con tasa constante, dividida por el número de filtros que componen la batería.

•

No tienen galería de tubos. El transporte del agua decantada, filtrada, el agua para el retrolavado de los filtros y el desagüe del agua de lavado se efectúan mediante canales. En la figura 5-1 se puede observar un sistema pequeño que consta de seis filtros de arena sola. Normalmente el agua filtrada también se traslada mediante canales, uno de aislamiento y otro que conecta entre sí la salida de todas las unidades. Estos canales se encuentran inmediatamente después de las cajas de los filtros. Sin embargo, Figura 5-2. Baterías de filtros de tasa también se proyectan baterías de declinante con galería de tubos (1) este tipo con galería de tubos como la que podemos observar el figura 5-2. La galería de tubos está descubierta al lado derecho de las cajas de los filtros.

•

No se requiere tanque elevado ni equipo de bombeo para efectuar el retrolavado de un filtro. A través del canal de interconexión y debido a un especial diseño hidráulico del sistema, el agua producida por lo menos por tres filtros retrolava a una unidad. En la figura 5-3 se puede observar este


185

proceso cuando el falso fondo actúa como canal de interconexión. •

Debido al especial diseño hidráulico de estos sistemas, el operaFigura 5-3. Movimiento del agua dor solo debe cerrar el ingreso durante el lavado de un filtro (2) de agua decantada y abrir la salida de agua de lavado para que el lavado se produzca en forma automática y con la expansión correcta (25 a 30%).

Figura 5-4. Batería de filtros de 1,0 m3/s de capacidad (1)

•

En la figura 5-5 se puede apreciar una batería doble de filtros de tasa declinante y lavado mutuo, de 2,5 m3/s de capacidad de producción, de mayor tamaño que la anterior, con operación manual.

•

La batería de filtros opera bajo el principio de vasos comunicantes. Las unidades están intercomunicadas por la entrada a través del

•

No se requiere instrumental sofisticado ni consolas o pupitres para la operación, aunque en las plantas grandes se los suele incluir.

•

En la figura 5-4 se muestra una batería de este tipo de 1,0 m3/s de capacidad, la cual hace parte de una planta de 6,3 m3/s, con accionamiento automático de válvulas y pupitres de operación.

Figura 5-5. Sistema de filtración de tasa declinante y lavado mutuo (1)

186


canal de entrada y también del canal de interconexión en la salida. Por esta característica, las unidades presentan todas los mismos niveles y es posible controlar el nivel máximo de toda la batería, con un solo vertedero-aliviadero en el canal de entrada.

3.

DESCRIPCIÓN DE UNA BATERÍA DE TASA DECLINANTE Y LAVADO MUTUO

Al igual que en el caso de los decantadores laminares, tenemos soluciones para plantas pequeñas y grandes. En la figura 5-6 podemos apreciar el corte de un filtro de una batería de tasa declinante para una planta de mediana a grande. 1)

Caja del filtro. Es la parte más importante de la unidad. Podemos apreciar del fondo hacia arriba: el falso fondo, el drenaje generalmente del tipo de viguetas prefabricadas de concreto, la capa soporte de grava, el lecho filtrante, las canaletas secundarias de lavado y el canal principal de lavado, que recibe el agua del retrolavado colectada por las canaletas secundarias. Por encima de este nivel se ubican las cargas de agua necesarias para el funcionamiento de la batería (carga hidráulica para el lavado y carga hidráulica para el proceso de filtrado), las cuales determinan la profundidad total de la caja del filtro y se limitan mediante vertederos.

Canal de interconexión

0,250

N. 4,100

N. 4,100

N. 3,500

N. 3,500

N. 4,250

N. 4,350

N. Min-3,880

N. Max-3,950

Válvula tipo mariposa

Canal de recolección de agua de lavado

Vertedero general

Canal de distribución de agua decantada

N. 2,450

N. 2,415

Compuerta de salida

0,250 0,215

N. 1,250

Arena

0,800

Canal de aislamiento

0,600 0,500

Grava N. 0,100

0,400

Drenaje

Falso fondo de filtros

Canal principal de lavado

Válvula tipo mariposa

Canal recolección de desagües

Válvula de desagüe de decantadores

N. 0,000

Válvula de vaciado de filtro

Figura 5-6. Corte de un filtro para plantas de medianas a grandes (1)


187

2)

Canal de distribución de agua decantada. Alimenta las cajas de los filtros a través de las válvulas de entrada de cada unidad. En la parte superior de este canal se ubica el vertedero que limita la carga hidráulica máxima disponible para la operación con tasa declinante de la batería de filtros.

3)

Canal de desagüe de agua de retrolavado. Ubicado debajo del anterior, recibe el agua del retrolavado de los filtros. En este canal se acostumbran reunir también los desagües de los decantadores (véase la válvula al lado derecho del canal de la figura 5-6) y floculadores, por lo que constituye el canal emisor de la planta.

4)

Canal de aislamiento. Recibe este nombre porque tiene la función de aislar una unidad del resto de la batería, cerrando la válvula de entrada y la compuerta de salida que comunica con el canal de interconexión ubicado a su izquierda. Este canal se localiza contiguo a la caja del filtro y se comuni-

B Canal de agua sedimentada Canal principal de lavado A

F1

F2

A

F4

F3

Canaletas secundarias de lavado

Canales de aislamiento Canal de interconexión Cámara de cloración B Planta

Difusor de cloro

Vertedero general

Válvula de Válvula de desagüe entrada

Canaletas

Arena Grava

Drenaje

Falso fondo

Corte A-A

Figura 5-7. Vista en planta de una batería grande de filtros de tasa declinante (1)

188


ca con ella a través del canal del falso fondo en toda su sección, lo cual permite una distribución pareja del agua de lavado a todo lo ancho del drenaje. 5)

Canal de interconexión de la batería. Cumple dos funciones importantes: •

Durante la operación normal de filtración, reunir el efluente de todos los filtros y sacarlo a través del vertedero que controla la carga hidráulica de lavado.

•

Durante la operación de lavado de una unidad, al bajar el nivel del agua por debajo del vertedero de salida facilita que se derive automáticamente el agua filtrada producida por las otras unidades en operación (por lo menos tres) hacia el filtro que se encuentra en posición de lavado.

La figura 5-7 muestra la vista en planta de una batería de cuatro filtros y la cámara de cloración a continuación.

4.

CRITERIOS GENERALES DE DISEÑO

Los criterios expuestos a continuación son comunes a las baterías que filtran agua decantada y coagulada o floculada, con excepción de las recomendaciones relativas a los medios filtrantes, que corresponden a las baterías que reciben agua decantada. Las recomendaciones específicas relativas a los parámetros de dosificación y a las características de lechos filtrantes para sistemas de filtración directa se pueden encontrar en la subsección 6, “Criterios para el diseño de plantas de filtración directa”. 4.1

Geometría de la batería

4.1.1 Área de cada filtro y número de filtros •

El número mínimo de filtros en una batería de tasa declinante y lavado mutuo es de cuatro unidades, de tal manera que tres toman el caudal de toda la batería al momento de lavar una unidad.


•

El área de la caja de un filtro debe ser tal que al pasar todo el caudal de la batería por un filtro, se produzca la velocidad ascensional (VL) apropiada para expandir en 30% el lecho filtrante. Área de un filtro (Af) = Q / VL

•

(1)

El área total de la batería de filtros se define por la relación del caudal de diseño de la batería sobre la tasa de filtración seleccionada (Vf) de acuerdo con el tipo de lecho filtrante, las características del afluente y el nivel de operación local. Área total de filtración (At) = Q / Vf

•

189

(2)

El número de filtros de la batería se obtiene por la relación del área total filtrante entre el área de un filtro. Debe ajustarse la velocidad (Vf) hasta que dé un número exacto de filtros. Número de filtros (N) = At /Af

(3)

•

El ingreso del agua decantada a la caja del filtro debe efectuarse en un nivel más bajo que el nivel mínimo de operación, para que cada filtro tome el caudal que puede filtrar de acuerdo con su estado de colmatación.

•

Por la facilidad de operación y mayor duración, deben colocarse válvulas mariposa en la entrada del agua decantada al filtro y la salida del retrolavado al canal de desagüe.

4.1.2 Tasas de filtración •

La tasa de filtración depende de varios factores como el tipo de suspensión afluente (agua decantada, coagulada, prefloculada, con o sin uso de polímero auxiliar, color verdadero, turbiedad, número de microorganismos, etcétera), granulometría y espesor del medio filtrante, método de operación de los filtros, eficiencia del lavado, uso del agua filtrada, etcétera.

•

Es usual adoptar un valor conforme muestra el cuadro 5-1. No obstante, cuando fuera posible, es deseable que se realice una investigación experimental a fin de optimizar el diseño y la operación de los filtros.

190


Cuadro 5-1. Tasas usuales de filtración en función del nivel de operación (3) Tasa de filtración (m3/m2/día)

Discriminación Filtración rápida descendente con tasa declinante a)

De agua decantada, en medio filtrante único de arena con tamaño efectivo (T. E.) de 0,50 a 0,60 mm y espesor alrededor de 0,80 metros.

120 - 150

b)

De agua floculada o prefloculada, en medio filtrante grueso y único, con espesor superior a un metro y uso de polímero como auxiliar (filtración directa)

240 - 360

c)

De agua decantada en medio filtrante doble, con espesor total inferior a 0,80 metros y buen nivel de operación y mantenimiento.

240 - 360

4.1.3 Drenaje, capa soporte de grava y falso fondo •

•

El drenaje más durable y factible de ser construido en obra, sin requerir importaciones, es el constituido por viguetas prefabricadas de concreto de forma triangular (ver figura 5-8).

30 cm 10 cm de 1’’ 1/2 - 3/4’’

Niples de 1’’ a 1/2’’ cada 15 cm c/c

15 cm 12,5 cm de 2’’ - 1 1/2’’ 25,5 cm

7 cm 10 cm

Mortero

Refuerzo Elemento prefabricado 15

En filtros grandes las Apoyo Apoyo 40 a 50 cm viguetas se construyen Falso fondo de 0,30 metros de ancho; y en los pequeños, Figura 5-8. Drenaje de viguetas de 0,15 metros de anprefabricadas de concreto cho. Los orificios se ubican a ambos lados de la vigueta espaciados entre 0,10 y 0,15 metros centro a centro. Los orificios se establecen con niples de PVC de ½ a 1”de diámetro.


191

•

Las viguetas no deben tener una longitud mayor de 4 metros para evitar el pandeo. Con longitudes mayores, deberán proyectarse apoyos intermedios.

•

Se debe proyectar un número entero de viguetas, para lo cual se tendrá en cuenta que la dimensión del filtro transversal a la posición de las viguetas debe ser un múltiplo de 0,15 metros si el filtro es pequeño o de 0,30 metros si el área del filtro es grande.

•

Se denomina falso fondo al canal ubicado debajo del drenaje, por donde sale el agua filtrada o asciende el agua para el retrolavado. En las baterías de filtros pequeñas el falso fondo también tiene la función de canal de interconexión (figura 5-9).

Vertedero general

Canal de interconexión Corte A-A

Figura 5-9. Batería de filtros pequeña. El falso fondo es el canal de interconexión (1)

La velocidad de la sección de paso por el falso fondo (Vffo) debe guardar relación con la velocidad de paso por los orificios (Vo), de tal modo que el caudal se distribuya de manera uniforme en todo el lecho filtrante: Vffo/Vo ≤ 0,46 •

Se consigue una buena distribución (desviación de caudal (δ) < 5%) y baja pérdida de carga en los orificios —otro detalle que se debe buscar— con una altura mínima del falso fondo de 0,40 metros y orificios de ¾” de diámetro.

•

El soporte de grava está conformado por grava graduada de acuerdo con las especificaciones del cuadro 5-2.

192


Cuadro 5-2. Capa soporte de grava para viguetas prefabricadas (2)

•

Capa

Espesor (cm)

Tamaño

1

7,5

1/8" - 1/4"

2

7,5

1/4" - 1/2"

3

7,5

1/2" - 3/4"

4

10,0

3/4" - 1 1/2"

Fondo

12,5

1 1/2" - 2"

Total

45,0

La pérdida de carga en los orificios puede ser determinada por la siguiente fórmula: ho = q2 / (2 Cd2 . Ao2 . g)

(4)

Donde: q Cd Ao g ho

= = = = =

caudal en un orificio (m3/s) coeficiente de descarga (0,60 – 0,65) área de un orificio aceleración de la gravedad (m/s2) pérdida de carga en el orificio (m)

4.1.4 Lecho filtrante •

El lecho filtrante es la parte más importante de esta unidad, donde se realiza el proceso. Todos los demás componentes son accesorios para poder operar y mantener adecuadamente la unidad.

•

El lecho filtrante puede ser simple o doble; esto es, de arena sola o de antracita y arena. Con el primero, la inversión es menor, pero al tener un lecho de arena sola se requiere una velocidad de lavado mayor para obtener la misma expansión que cuando el lecho es doble, por lo que resulta un número de filtros mayor.

•

Las tasas de filtración, en el caso de lechos de arena sola, varían en promedio entre 120 y 150 m3/m2/d. Solo con arena gruesa, muy buena calidad de


193

agua y nivel de operación y empleo de polímeros, es posible aplicar tasas mayores. •

El cuadro 5-3 indica las características del lecho de arena que se recomiendan cuando los filtros van a operar con las dos alternativas, filtración rápida completa y filtración directa. Cuadro 5-3. Lecho filtrante simple de arena sola (4)

•

Características

Símbolo

Criterio

Espesor (cm) Tamaño efectivo (mm) Coeficiente de uniformidad Tamaño más fino (mm) Tamaño más grueso (mm)

L1 D10 CU

60 – 80 0,50 – 0,80 ≤ 1,5 0,42 2,0

D90

Cuando se seleccionan lechos dobles de antracita y arena, se puede usar una tasa promedio de 240 m3/m2/d, lo cual reduce mucho el área filtrante total necesaria para el mismo caudal, en comparación con un lecho de arena sola, y el número de filtros de la batería resulta menor. Cuadro 5-4. Lecho filtrante doble de arena y antracita (4) Características

Símbolo

Arena

Antracita

Espesor (cm) Tamaño efectivo (mm) Coeficiente de uniformidad Tamaño más fino (mm) Tamaño más grueso (mm)

L D10 CU

15 – 30 0,50 – 0,60 ≤ 1,5 0,42 1,41

45 – 60 0,80 – 1,10 ≤ 1,5 0,59 2,0

D90

•

La antracita debe seleccionarse en función de las características de la arena, por lo que esta actividad debe iniciarse con la búsqueda y caracterización de la arena más conveniente, tanto por sus características como por el costo del material y del flete. Será necesaria una muestra de la arena y el análisis granulométrico correspondiente.

•

Una vez conocidas las características de la arena, se definirán las de la antracita de acuerdo con los criterios indicados en el cuadro 5-5. Estos

194


criterios han sido formulados con la finalidad de que la intermezcla entre la antracita y la arena, en el nivel en que se unen la arena más fina y la antracita más gruesa, no sea mayor de 3. •

Conocido el tamaño efectivo de la arena (D10), a través de la curva granulométrica levantada, el tamaño correspondiente al D’90 de la antracita será igual a tres veces el tamaño efectivo de la arena (D10). El tamaño efectivo de la antracita (D’10) será igual a la mitad del tamaño correspondiente al D’90 de la antracita. Cuadro 5-5. Criterios para seleccionar la antracita en función de las características de la arena (2) Características Tamaño correspondiente al 90% que pasa la malla Tamaño efectivo (mm) Espesor de la arena (cm) Tamaño correspondiente al 60% que pasa la malla

•

Símbolo

Criterio

D’90

D’90 = 3 D10

D’10 L1 D’60

D’10 = D90 / 2 L2 = 2 L1 D’60 = 1,5 D’10

La altura que corresponde a la arena en un lecho doble es 1/3 de la altura total, y la altura correspondiente a la antracita, 2/3 de la altura total del lecho filtrante.

4.1.5 Canal de distribución de agua decantada, coagulada o prefloculada •

Este canal se dimensiona en función del canal de desagüe de agua de retrolavado ubicado en la parte inferior. Se debe tener acceso a este canal para dar mantenimiento a las válvulas de lodos de los decantadores, a las válvulas de descarga de agua de retrolavado de filtros, a las válvulas de desagüe de fondo de los filtros y a las válvulas de desagüe de los floculadores.

•

En las plantas pequeñas se le da a este canal un ancho mínimo de 0,80 metros a un metro, dependiendo del diámetro de las válvulas indicadas. En uno de los extremos del canal se coloca un ingreso con escalines para acceder al canal de desagüe, poder dar mantenimiento a las válvulas y accionar la válvula de desagüe del fondo de los filtros. En las plantas grandes el ancho aumenta proporcionalmente al incremento del diámetro de las válvulas.


•

195

En uno de los extremos del canal superior se coloca el aliviadero que controla el nivel máximo de operación de la batería, de tal manera que al rebalsar, el agua cae al canal de desagüe de la parte baja. Este aliviadero tiene, además, la función de indicar al operador el momento de lavar el filtro que tiene más horas de carrera.

4.1.6 Canal de aislamiento •

Este canal recibe un ancho mínimo de 0,60 metros debido a que no hay ninguna válvula o compuerta que deba operarse o recibir mantenimiento en esta sección del filtro.

4.1.7 Canal de interconexión •

Este canal recibe un ancho mínimo de 0,80 metros a un metro. En su interior se encuentra la compuerta de aislamiento de cada filtro. Deben proyectarse un ingreso y unos escalines para ingresar y dar mantenimiento a las compuertas.

4.1.8 Válvula de entrada de agua decantada •

Esta válvula es de operación constante, debe accionarse cada vez que se efectúa el retrolavado de la unidad, por lo que se recomienda el uso de válvulas tipo mariposa, porque la duración, estanqueidad y facilidad de accionamiento son muy importantes.

•

El caudal de diseño de esta válvula (Qc) debe ser igual al caudal de la batería (Qd) dividido por el número de filtros (N) y multiplicado por 1,5, que es el mayor caudal con el que puede operar un filtro recién lavado. Qc = 1,5 [Qd / N]

•

(5)

Se debe diseñar con una velocidad (Vc) de alrededor de un m/s, buscando redondear a un diámetro comercial. La pérdida de carga en esta válvula debe ser compensada con la carga hidráulica disponible en la unidad. El impacto de una pérdida de carga demasiado alta en este punto acortaría la carrera del filtro o bien incrementaría la altura total de la unidad. Tampoco se recomiendan velocidades muy bajas, porque resultarían áreas (A) y diámetros muy grandes de válvulas.

196


A = Qc / Vc

(6)

4.1.9 Válvula de salida de agua de retrolavado •

Esta válvula también debe ser de tipo mariposa, por las mismas razones que en el caso anterior. Se puede diseñar con velocidades (Vc) menores de 2 m/s.

•

El caudal de diseño de esta válvula (Qc) es el caudal de diseño de la batería (Qd). A1 = Qd / Vc

(7)

4.1.10 Válvula de desagüe de fondos •

Esta válvula permite vaciar íntegramente el filtro en el caso de que sea necesario inspeccionar el lecho filtrante, la capa soporte o el drenaje, o bien cambiarlos.

•

Esta válvula es de accionamiento muy esporádico, por lo que normalmente se coloca una válvula de tipo compuerta, de 8 a 10 pulgadas. En este caso, la diferencia entre un diámetro y otro solo impactará en el tiempo que demorará en vaciarse el filtro.

•

En las baterías en que se proyecten canal de aislamiento y canal de interconexión deberá colocarse una válvula por filtro. En los sistemas pequeños en que el falso fondo opere como canal de interconexión, será suficiente una para toda la batería.

4.1.11 Compuerta de aislamiento o de salida de agua filtrada •

Esta compuerta se diseña con velocidades (Vc) de 1 a 1,5 m/s. La pérdida de carga producida influye tanto en la altura del vertedero que da la carga para la operación de lavado como en la carga hidráulica durante el proceso normal de operación, por lo que impacta doblemente en la altura total del filtro.

•

El caudal de diseño (Qc) de esta compuerta es el caudal de diseño de toda la batería (Qd), que pasa a través de esta compuerta durante la operación de retrolavado, salvo el caso de filtros grandes lavados con aire y agua, en


197

que solo se utilice parcialmente el caudal producido. En este último caso, el lecho solo necesita expandir 10% durante el retrolavado, por lo que no se requiere la totalidad del caudal producido. A2 = Qd / Vc

(8)

4.2

Hidráulica del lavado

•

De la operación de lavado depende el mantenimiento del lecho filtrante, por lo que el diseño de este sistema es determinante para el buen funcionamiento y eficiencia de la unidad.

•

Para que la batería pueda autolavarse, es necesario que cumpla con dos condiciones: 1)

Al pasar el caudal de operación de la batería a través de un filtro, debe producirse la velocidad de lavado necesaria para expandir entre 25 y 30% el material filtrante.

2)

El vertedero de salida debe proporcionar la carga hidráulica necesaria para compensar las pérdidas de carga que se producen durante esta operación.

4.2.1 Canaletas de recolección de agua de lavado •

La recolección de agua de lavado se ho ho hace a través de un b canal principal (frontal, lateral o central), en el cual descargan las canaletas reco-lectoras secundarias Figura 5-10. Canaletas secundarias de (ver figura 5-13). El recolección (2) caso de la figura 5-11 es apropiado para un filtro pequeño. Las canaletas secundarias se han adosado a las paredes del filtro para no obstaculizar el acceso al lecho filtrante.

198

•


Las canaletas secundarias pueden ser de concreto o de materiales especiales (resinas) y presentan diferentes cortes transversales. En general, en las canaletas ejecutadas in situ se da una pendiente del orden de 1% en dirección longitudinal. La capacidad de las canaletas de recolección se calcula mediante la siguiente ecuación: Qc = 82,5 b. h

1,5

(9)

Donde: Qc

=

b h

= =

caudal escurrido por una canaleta (m3/min) ancho de la canaleta (m) altura útil de la canaleta (m)

La ecuación (9) solo es válida cuando la descarga es libre (véase la figura 5-10).

Figura 5-11. Canal principal frontal y canaletas secundarias (1)

•

Para canaletas con sección transversal no rectangular, se puede admitir la misma altura h y hacer la equivalencia de la sección de escurrimiento. La figura 5-12 presenta las secciones comúnmente usadas en la práctica.

•

La mejor sección es la que tiene el fondo inclinado hacia el centro. Esta modificación evita que el lodo se apelmace contra el fondo plano de la canaleta.

•

La distancia entre las canaletas y la posición de ellas en relación con el medio filtrante puede determinarse sobre la base del esquema de la figura 5-14 y a partir de las siguientes ecuaciones propuestas por Kawamura (5). Figura 5-12. Secciones de canaletas más comunes (2)


199

0,75 (L + P) < Ho < (L + P)

(10)

1,5 Ho < S < 2 Ho

(11) 4.2.2 Ubicación del vertedero de salida

Para determinar la posición del vertedero de salida, es necesario conocer la velocidad con la cual el lecho filtrante seleccionado produce la expansión adecuada. Luego, con esta velocidad, se calculan las pérdidas de carga que se producirán durante la operaFigura 5-13. Canal principal central y ción de lavado y, con la suma total de canaletas secundarias laterales (1) estas pérdidas, que viene a ser la totalidad de la carga disipada a lo largo del proceso, se ubica el vertedero. •

Como las pérdidas de carga se calculan matemáticamente y los modelos matemáticos no son exactos, este vertedero debe poder ser regulado mientras el filtro permanece en operación. Debe calibrarse durante la puesta en marcha de la planta, incrementando o bajando su nivel hasta que la expansión del lecho filtrante sea de 30%. Véase un vertedero calibrable en la figura 5-15.

4.2.3 Expansión del medio filtrante durante la operación de lavado •

Los ábacos de las figuras 5-16 y 5-17 corresponden a la solución gráfica del modelo de Cleasby y Fan (3) para granos no esféricos y lecho uniforme. Los ábacos presentan las curvas que relacionan el número de Reynolds en función del número de Galileo para diferentes coeficientes de esfericidad (Ce) y porosidad del medio filtrante expandido. Generalmente, se fija una velocidad ascendente entre 0,7 y 1,0 m/min para filtros de flujo descendente y de entre 0,9 y 1,3 m/min para filtros de flujo ascendente. Con la velocidad ascendente seleccionada, las curvas granulométricas que componen el medio filtrante, la temperatura del agua y el coeficiente de esfericidad, se determina la expansión total del medio filtrante, que deberá resultar entre 25 y 30%.

200


El número de Galileo y el número de Reynolds son dados, respectivamente, por las siguientes ecuaciones (12, 13): Gai = [D3ei . ρa (ρs - ρa) g] / µ2

(12)

Rei = Va . Dei ρa / µ

(13)

Donde: S

Gai

=

Rei

=

Dei

=

ρs

=

ρa

=

µ

=

g

=

número de Galileo para subcapa i número de Reynolds para subcapa i tamaño promedio de los granos de la subcapa i (m) peso específico del material filtrante (kg/m3) peso específico del agua (kg/m3) viscosidad absoluta del agua (kg / s x m) aceleración de la gravedad (m/s2)

P

Hf

Ho

L

Figura 5-14. Distancia entre las canaletas y su posición respecto al medio filtrante

Figura 5-15. Vertedero calibrable de salida de la batería (1)


201

Cuadro 5-6. Propiedades típicas de medios filtrantes comunes para filtros de lecho granular (6) Carbón Carbón de activado Arena Granate Características antracita granular sílice Idaho Densidad del material (ρs) (g/cm3) Porosidad perdida del lecho (εo) Esfericidad (Ce)

2,65

1,45 – 1,73

1,3 – 1,5*

4,0 – 4,2

0,42 – 0,47

0,56 – 0,60

0,50

0,45 – 0,65

0,7 – 0,8

0,46 – 0,60

0,75

0,60

* En el caso del carbón virgen, con poros llenos de agua, la porosidad aumenta cuando absorbe la materia orgánica.

Una vez determinado el valor de åi para cada subcapa considerada, la porosidad expandida de la arena o de la antracita podrá determinarse por la siguiente ecuación:

εe = 1 - 1 / ∑ n

i=1

[Xi / (1 - εi )]

(14)

Donde:

εe εi Xi

= = =

porosidad del medio filtrante expandido porosidad de la subcapa expandida (i) fracción, en peso, entre dos tamices consecutivos de la serie granulométrica

El porcentaje de expansión del lecho expandido se calcula por la siguiente ecuación: E = ( εe- εo ) / (1- εe )

(15)

Donde:

εo

=

porosidad inicial del lecho estático

4.2.4 Pérdida de carga en el lecho filtrante expandido •

La pérdida de carga en el medio filtrante expandido (hL1) resulta igual al peso de los granos de cada material que compone el medio filtrante.

202


hL1 = (1 - εo ) . lo . (ρs - ρa) / ρa

(16)

Donde: lo εo ρa ρs

= = = =

•

La pérdida de carga total en el medio filtrante expandido será la suma de la pérdida de carga en cada material que lo compone.

espesor del material filtrante no expandido (m) porosidad del material filtrante no expandido peso específico del agua peso específico del material filtrante

4.2.5 Pérdida de carga en las canaletas •

Será igual a la altura que alcance el agua de lavado sobre las canaletas secundarias para salir del filtro. Se calcula mediante la fórmula del vertedero rectangular: hL2 = [Qd /1,84 (2nLc)]

n Lc Qd

= = =

2/3

(17)

número de canaletas longitud de cada canaleta caudal de diseño de la batería

4.2.6 Pérdida de carga en el drenaje de viguetas prefabricadas •

Una vez diseñado el drenaje y conociendo el numero de viguetas y de orificios, definir el caudal por orificio. qo = Qd / # total orificios hL3 = qo2 / 2 Cd2 Ao2 g

qo Cd Ao g

= = = =

caudal por cada orificio (m3/s) coeficiente de descarga (0,60 – 0,65) área de cada orificio (m2) aceleración de gravedad (m/s2)

(18)


203

4.2.7 Pérdida de carga en canales y orificios de compuertas hL4 = K V2 / 2g K V

= =

(19)

coeficiente de pérdida de carga velocidad de paso del caudal de lavado (m/s)

4.2.8 Cálculo del nivel del vertedero •

Se suman todas las pérdidas de carga importantes desde que el agua sale del canal de interconexión hasta que bordea la canaleta secundaria de recolección: pérdida en la compuerta de salida o de aislamiento, pérdida en el falso fondo, pérdida en los orificios del drenaje, en el lecho filtrante y altura de agua en el borde de la canaleta de recolección. Carga necesaria para el lavado = ∑hf compuerta de salida (si la hubiere)+ hf falso fondo + hf drenaje + hf en el lecho filtrante + hf canaleta de lavado secundaria o principal

•

El nivel del vertedero será igual al nivel del borde de las canaletas secundarias de lavado, más la carga necesaria para el lavado. En filtros pequeños en los cuales no se tengan canaletas secundarias, esta carga se sumará al borde del canal principal. Nivel del vertedero de salida de la batería = Nivel borde de las canaletas de lavado + ∑hf durante el lavado

4.3

Hidráulica del proceso de filtración

•

En este punto es necesario definir la carga hidráulica a fin de que los filtros estén preparados para operar con tasa declinante. La tasa declinante debe instalarse durante la operación, para lo cual se requiere que el proyectista incluya en su proyecto las instrucciones para la puesta en marcha de la batería.

•

La carga hidráulica disponible en el sistema debe calcularse de tal manera que la relación entre la tasa de filtración promedio (VF) y la máxima (VF máx), que se produce en el momento en que el filtro limpio o recién lavado comienza la carrera, no sea mayor de 1,5.

204


VF máx ≤ 1,5 VF

(20)

•

Para el cálculo de la carga hidráulica del sistema, se dispone de los modelos matemáticos de Cleasby (7), Arboleda (8) , Di Bernardo (9, 10) y del método gráfico de Richter (11). Es necesario un cálculo cuidadoso de las pérdidas de carga en el filtro para definir esta altura, ya que si es insuficiente, se obtendrán carreras de filtración muy cortas, y si se exagera su dimensión, se producirán velocidades iniciales muy altas en el filtro recién lavado, lo que deteriorará la calidad del efluente.

•

Para la aplicación de los modelos matemáticos o gráficos, se requiere determinar la ecuación de la pérdida de carga en función de la tasa de filtración, que en este caso es de la siguiente forma: H = A (VF)2 + E(VF) + G

(21)

Donde: H

=

VF A

= =

E

=

G

=

pérdida de carga total durante la carrera o carga hidráulica necesaria (m) tasa de filtración promedio (m3/m2 x d) igual a la suma de las constantes correspondientes a las pérdidas de carga calculadas para la compuerta de entrada y los orificios del drenaje. constantes correspondientes al cálculo de la pérdida de carga en la arena y/o antracita. constante correspondiente a la altura de agua en el vertedero de salida de la batería.

Para obtener esta ecuación, se calculan todas las pérdidas de carga iniciales durante el proceso de filtración mediante los siguientes criterios: 4.3.1 Compuerta de entrada hf1 = K V2 / 2g

;

V = VF AF / AC

(22)

AC = sección de la compuerta hf1 = K (VF AF / AC) 2 / 2g Ecuación de la forma hf1 = A(VF)2

(23)

Número de Galileo (Ga)

3

5

7

10

3 1

5

7

2

3

5

7

103

10

4

3

5

7

105

3

5

7

106

3

5

7

7

10

3

4 5

6 7

8 9

10

2

3

4

Número de Reynolds (Re)

0

5

0,9

0,7

5 0,6

5

6

7 8 9

2

10

2

3

4

Figura 5-16. Porosidad del lecho expandido (εi) en función del número de Galileo (Ga) y del número de Reynolds (Re) para Ce = 0,80 (3)

2

6 0,4

5 0,5

εi =

Coeficiente de esfericidad Ce = 0,80

5

6

7

8 9

103

Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 205

Número de Galileo (Ga)

7

10

2

103

10

4

10

5

106

10

7

3 1

5

7

3

5

7

3

5

7

3

5

7

3

5

7

3

5

3 4

5

6

7

8 9

10

2

3

4

Número de Reynold s (Re)

0 0,9

5 0,7

5

6

7

8 9

2

10

2

3

4

Figura 5-17. Porosidad del lecho expandido (εi) en función del número de Galileo (Ga) y del número de Reynolds (Re) para Ce = 0,70 (3)

2

5 0,5

0,45

5 0,6

εi =

Co eficien te de esfericidad Ce = 0,70

5

6

7

8 9

103



207

4.3.2 Drenaje hf2 = qo2 / (2 Cd2 Ao2 g)

(24)

Ecuación de la forma hf2 = A (VF)2 4.3.3 Medio filtrante: arena y/o antracita hf3 = 150 ν /g . [ (1 - εo )2 /εo3 ]. (1 / Ce2) . ∑ Xi / di2 . L .VF

(25)

Donde:

ν Ce L

= = =

viscosidad cinemática (m2/s) coeficiente de esfericidad espesor del medio filtrante (m)

Ecuación de la forma hf3 = E (VF) 4.3.4 Vertedero de salida hf4 = (Qd / 1,84 Lr)2/3

(26)

Donde: Qd Lr

= =

•

Obtenida la ecuación de pérdida de carga del filtro, se puede determinar la carga hidráulica que se debe asignar a la batería de filtros, de modo que, cuando un filtro recién lavado entre en funcionamiento, la velocidad máxima que se dé en estas condiciones, no sea mayor de 1,5 veces la velocidad de filtración promedio. Esta medida de control es para evitar que la calidad del efluente producido en estas condiciones se deteriore.

•

Este cálculo se efectúa por interacciones, asumiendo diferentes valores de carga y comprobando cuál es la relación de tasa máxima/tasa promedio que se obtiene para cada caso, hasta obtener la relación recomendada.

Caudal de operación de la batería de filtros longitud de cresta del vertedero general

208


•

La carga hidráulica calculada se fija en la instalación por encima del vertedero de salida y se limita colocando un aliviadero en el canal de entrada a la batería. El nivel de la cresta del aliviadero debe coincidir con el nivel máximo de operación calculado.

5.

APLICACIÓN

El dimensionamiento de la batería de filtros debe empezar por la búsqueda del banco de arena más cercano, capaz de proporcionar el mayor porcentaje de material que se ajuste a las características recomendadas para filtros rápidos. Para iniciar este estudio de caso, hemos elegido la arena que se especifica en las columnas 1 y 2 del cuadro 5-7. Mediante el procedimiento indicado anteriormente, seleccionaremos la antracita, que proporciona un grado de intermezcla de alrededor de 3. El tamaño mayor de la antracita deberá ser de 0,56 x 3 = 1,68 mm y el tamaño efectivo correspondiente de 1,68/2 = 0,84 mm. Como el espesor de capa de antracita debe ser 2/3 de la altura total del lecho filtrante, será de 0,50 m. En las columnas 3 y 4 del cuadro 5-7 se indica la antracita seleccionada para iniciar el estudio. Como hemos elegido filtros de lecho doble, podemos seleccionar una velocidad de filtración de alrededor de 240 m3/m2/d. En el cálculo hemos incrementado la velocidad partiendo de 240 m3/m2/d hasta obtener un número exacto de cuatro filtros y hemos supuesto una velocidad de lavado de 0,70 m/min. Véase el cuadro 5-8. Cuadro 5-7. Lecho filtrante seleccionado (1) Características de la arena Espesor de la capa (m) Tamaño efectivo (mm) Coeficiente de uniformidad Tamaño máximo (mm) Tamaño mínimo (mm)

0,30 0,56 1,4 1,41 0,42

Características de la antracita Espesor de la capa (m) Tamaño efectivo (mm) Coeficiente de uniformidad Tamaño máximo (mm) Tamaño mínimo (mm)

0,50 0,84 1,50 1,68 0,70

Con las dimensiones de las cajas de los filtros determinadas en el cuadro de cálculo, esquematizamos la batería de filtros de las figuras del 5-18 al 5-20.


209

En el papel granulométrico de la figura 5-21, podemos apreciar el material filtrante seleccionado y cómo se determina el porcentaje de altura de material comprendido ente las mallas. Con los valores de x1 a xn determinados para cada material, entramos al cuadro 5-9, donde calculamos la expansión del medio filtrante con la velocidad de lavado seleccionada. Como la expansión se encuentra entre 25% y 30%, tanto en el caso de la arena como en el de la antracita, la velocidad de lavado supuesta es correcta. Entonces, procedemos a calcular y ubicar las canaletas de lavado secundarias y a estimar las pérdidas de carga durante el lavado para ubicar el vertedero de lavado. Canal de distribución agua decantada

1,00

A F-4

F-3

3,30

F-2

F-1

A

0,60


0,80 0,80 2,60

0,80

0,80 2,60

2,60

2,60

2,60

0,80 2,60

2,60

2,60

Figura 5-18. Vista en planta de la batería de filtros para 200 L/s materia de la aplicación (1)

6,20

6,20

6,20

6,20

0,30

1,11 3,80

0,82 0,50 0,25 0,52 0,40

2,40

1,20

2,40

Figura 5-19. Vista en elevación de las cajas de la batería de filtros materia de la aplicación (1)

210


Cuadro 5-8. Dimensionamiento de la batería de filtros (1) Paso

Datos

Cantidad Unidad

1

Caudal

Q = 0,200

Velocidad Va = 0,70 ascensional de lavado

2

m3/s

Criterios

Cálculos

AF = Q/Va

AF = 0,200 x 60/ 0,70 AF = 17,143 (3,30 x 5,19)

m/min

Velocidad de VF = 252 m 3/m2/día AT = Q/VF filtración promedio N = AT/AF

Resultados Área de cada filtro

AT = 0,200 x 86.400/252 Área total AT = 68,572 de filtros N = 68,572/ 17,143 N=4

Número de filtros

2,58

0,00

Figura 5-20. Corte transversal de un filtro y canales de la batería de 4 filtros para 200 L/s materia de la aplicación (1)

Unidad m2

m2


0,15 0,18 0,21 0,25 0,30 0,35 0,42 0,50 0,59 0,70 0,83 1,00 1,17 1,41 1,65 2,00 2,38 2,83 3,36 4,00 4,7 5,5 6,6 0,72 8,00 100

0,1

80 70

0,2

60

50 45

0,3

35

0,4

32

28

24

20

18

0,5 0,6 0,70,80,9 10

14

12

10 10

8

20

7

6

30

5

40

4

3,5

3

2,5

211

Tamaño granos Número de mallas

50 60 70 80 90 100

99

x7 = 0,04 x6 = 0,06

x6 = 0,09 x5 = 0,15

90

Arena Antracita 80

x5 = 0,21

75 70

x4 = 0,29 60

x4 = 0,26 50 40

x3 = 0,24

x3 = 0,28

30

20

x2 = 0,10

x2 = 0,16

10

x1 = 0,07

x1 = 0,06

1 0,1

0,2

0,3

0,4

0,5 0,6 0,70,80,9 10

20

30

40

50 60 70 80 90 100

Figura 5-21. Granulometría del medio filtrante seleccionado (1)

Diámetro más grueso de la capa de arena

Peso específico del agua Peso específico de la arena

2

3

Del cuadro 5-10 se obtiene ∑ xi / (1-åi) =

Del cuadro 5-11 se obtiene ∑x’i / (1-åi) =

7

Del ábaco para Ce = 0,8 se obtuvo: Fracción del lecho filtrante que ocupa la capa 1 o capa más fina

6

5

4

Diámetro más fino de la capa de arena

1 mm

d2 = 0,50

ñs = 2.650

kg/m3

ña = 1.000 kg/m3

mm

d1 = 0,42

Cantidad Unidad

Ga =

De3 ña (ñs - ña)g ì2

De = d1 . d2

Criterios

2,338

2,251

åi = 0,68 xi = 0,06

0,7 (0,000458) (1.000) Re = 60 x 0,0011

[0,458(10) -3] 3x1.650x103 x9,8 [1,11(10)-3] 2 Ga = 1,558

Ga =

De = (0,42)(0,50) De = 0,458

Cálculos

Porosidad expandida promedio de la capa de antracita

å’e=1– [1/ ∑ x’i (1-åi)]

å’e = 1 – [1/ 2,338] å’e = 0,57

Porosidad expandida promedio de la capa de arena

Número de Reynolds modificado

Número de Galileo para la capa más fina de la arena

Diámetro equivalente de la capa más fina

Resultados

åe = 1 – [1/ ∑ xi (1-åi)] åe = 1 – [1/ 2,251] åe = 0,56

Re = 4,85 xi /(1-åi) = 0,06/1-0,68 Repetir pasos del 1 al 4 para xi /(1-åi) = 0,188 cada capa de arena y antracita. Ver cuadros 5-10 y 5- 11 y las figuras 5-15, 5-16 y 5-20

Visc. dinámica 16 °C ì = 0,0011 kg/s x m Aceleración de la g = 9,81 m2/s gravedad Coeficiente de Ce = 0,8 Re = Va Dei ña / ì esfericidad

Datos

Paso

Cuadro 5-9. Cálculo de la expansión del lecho filtrante, selección de la velocidad de lavado y ubicación de las canaletas de lavado (1)

mm

Unidad


Altura del lecho filtrante

15

14

Altura del falso fondo Altura del drenaje más la grava

13

12

H3 = 0,80

H2 = 0,52

H1 = 0,40

m

m

m

Hc = H1 + H2 + Le + H3

H = 1,5 ho + 0,10

Hc =0,40+0,52+1,038+0,625 Hc = 2,583

H = 0,525+0,10 H3 = 0,625

W = 7,8/ 82,5 (0,35)3/2 W = 0,46

m

W = Qc/ 82,5 ho3/2

ho = 0,35

Altura útil de las canaletas de lavado

11

Caudal que recolecta cada canaleta

Qc = 1,3 [0,200 x 60/2] Qc = 7,8

Qc = 1,3 Q/ N 3

Número de canaletas N3 = 2 de recolección del agua de lavado

10

Altura del lecho filtrante expandido

Le = 0,30 (1 + 0,31) + 0,50 (1 + 0,29) Le = 0,393 + 0,645 = 1,038

Le = L(1 + E) + L’(1 + E’)

Altura del borde de la canaleta de lavado con respecto al fondo del filtro

Altura total de canaletas de lavado más losa de fondo

Ancho de las canaletas de lavado

Porcentaje de expansión promedio de la antracita

E’ =0,57 – 0,45/(1 – 0,57) E’ = 0,28; E = 28%

E’ =( å’e–å’ o)/(1–å’e)

Porcentaje de expansión promedio de la arena

Resultados

å’o = 0,45

Porosidad de la antracita limpia

9

E = 0,56 – 0,42/ (1 – 0,56) E = 0,31; E = 31%

Cálculos

E = (åe–å o)/(1–å e)

Criterios

åo = 0,42

Cantidad Unidad

Porosidad de la arena limpia

Datos

8

Paso

Cuadro 5-9. Cálculo de la expansión del lecho filtrante, selección de la velocidad de lavado y ubicación de las canaletas de lavado (1) (continuación)

m

m

m

m 3/min

m

Unidad


214


Cuadro 5-10. Cálculo de la expansión de la arena para Ce = 0,80 (1) di mín (mm)

di máx (mm)

De (mm)

xi

1,17 1,00 0,83 0,70 0,59 0,50 0,42

1,41 1,17 1,00 0,83 0,70 0,59 0,50

1,284 1,082 0,911 0,762 0,643 0,543 0,458

0,04 0,09 0,21 0,26 0,24 0,10 0,06

Ga

34.297 20.485 12.240 7.168 4.296 2.593 1.558

Re

εi

xi/(1-εεi)

15,0 12,6 10,6 8,9 7,5 6,3 5,3

0,40 0,45 0,50 0,55 0,58 0,63 0,68

0,067 0,164 0,420 0,578 0,565 0,270 0,188

1,00

2,251

Cuadro 5-11. Cálculo de la expansión de la antracita para Ce = 0,70 (1) di mín (mm)

di máx (mm)

De (mm)

xi

Ga

Re

εi

xi/(1-εεi)

2,00 1,65 1,41 1,17 1,00 0,83

2,38 2,00 1,65 1,41 1,17 1,00

2,182 1,817 1,525 1,284 1,082 0,911

0,05 0,15 0,29 0,28 0,16 0,07

50.939 29.404 17.406 10.393 6.208 3.709

25,5 21,2 17,8 15,0 12,6 10,6

0,44 0,50 0,55 0,58 0,63 0,68

0,089 0,300 0,644 0,659 0,427 0,219

1,00

2,338

Densidad de la arena Densidad del agua Espesor de la capa de arena Porosidad de la arena Densidad de la antracita Porosidad de la antracita Espesor de la capa de antracita

Ancho de cada filtro Ancho de cada vigueta Espaciamiento entre orificios Longitud de cada vigueta

1

4

g/cm3 g/cm3 m

g/cm3

ñs = 2,65 ña = 1,00 L = 0,30 åo = 0,42 ñant = 1,5

8

Diámetro de los orificios del drenaje

do = ¾” do = 0,019 pulgadas m

Ao = ð do2/ 4

qo = Q/ NT

m

c = 5,20

N2 =2c/e

N1 = B/b

7

m m m

B = 3,30 b = 0,30 e = 0,10

⎛ ρs − ρa⎞ hf = (1− εο ) ⎜⎜ ⎟⎟ L ⎝ ρa ⎠

Criterios

NT = N1 N2

m

L’ = 0,50

å’o = 0,45

Unidad

Cantidad

6

5

3

2

Datos

Paso

Resultados

NT = 11(104) NT = 1.144 qo = 0,200 / 1.143 qo = 1,75(10)-4 Ao =3,1416(0,019) 2/ 4 Ao = 2,85(10)-4

N1 = 3,30 / 0,30 N1 = 11 N2 =2(5,20) / 0,10 N2 = 104

hf1 = 0,29 + 0,14 hf1 = 0,42

Número total de orificios en el drenaje Caudal de lavado por orificio Area de los orificios del drenaje

Pérdida de carga total en el lecho filtrante durante el lavado Número de vigueta del drenaje Número de orificios en cada vigueta

Pérdida de carga en la ⎛ 1,5 − 1 ⎞ h´f = (1 − 0,45 )⎜ ⎟ 0,50 antracita durante el lavado ⎝ 1 ⎠ h’f = 0,14

Pérdida de carga en la ⎛ 2,65 − 1 ⎞ hf = (1 − 0,42 )⎜ ⎟ 0,30 arena durante el lavado 1 ⎠ ⎝ hf = 0,29

Cálculos

Cuadro 5-12. Cálculo de las pérdidas de carga durante el lavado de un filtro y ubicación del vertedero de salida (1)

m2

m 3/s

m

m

m

Unidad


hv = hc + hf lavado hv = 2,58 + 0,63 hv = 3,21

]/(1,84(2)

16

2/3

hf lavado = hf1+ hf2 hf lavado = 0,42 + 0,05 + 0,000553 + 0,115 + 0,04 + hf3+ hf4+ hf5 hf lavado = 0,63

hf5 = [1,3(0,2) (2)(5,20)) hf5 = 0,04

15

hf5 =1,3 Q 2/3/ (1,84 (2N3)C)

hf4 =(1) (1,50)2 /19,6 hf4 = 0,115

hf4 = K Vc2 /2g

Vc2 = 1,50

Velocidad en la compuerta de salida

13

m

hf 3 = (0,104) 2(1)/19,6 hf3 = 5,53 (10) -4

hf3 = K VFF2/2g

K=1

Coeficiente de pérdida de carga en el falso fondo

AFF = 0,40 (4,80) AFF = 1,92

12

14

Resultados

Nivel del vertedero que controla la hidráulica del lavado, con respecto al fondo del filtro

Pérdida de carga total durante el retrolavado

Altura de agua sobre las canaletas de recolección

Pérdida de carga en la compuerta de salida durante el retrolavado

Pérdida de carga en el falso fondo durante el retrolavado

Velocidad en el falso fondo durante el retrolavado

Sección transversal del falso fondo

(0,000175)2 Pérdida de carga en los (9,81)(0,65) 2(0,00019)2 orificios del drenaje hf2 = 0,05 hf2 =

Cálculos

VFF = 0,200 /1,92 VFF = 0,104

m/s

qo2 2g(Cd.Ao)2

AFF = H1 C

hf2 =

Criterios

VFF = Q/AFF

m

m/s2

Unidad

11

Ancho libre del canal 4,80 del falso fondo

10

Cantidad

Coeficiente de descar- Cd = 0,65 ga de los orificios Aceleración de la g = 9,81 gravedad

Datos

9

Paso

Cuadro 5-12. Cálculo de las pérdidas de carga durante el lavado de un filtro y ubicación del vertedero de salida (1) (continuación)

m

m

m

m

m/s

m2

m

Unidad


Ac = 1,3(0,200)/(4)1,28 n Ac = 0,05 ; φ = 10

Ac1 =1,3 Q/ N Vc

m/s

qo = (17,14 VF) / (86.400 x 1.143) qo = 1,74 (10) -7 V F

hf 2 = 3 , 4 3 ( 1 0 ) - 4 V F

hf 2= [ 1 8 0 ( 0 , 0 0 1 ) / 9 8 1 ] . [ ( 1 - 0 , 4 5 ) 2 / ( 0 , 4 5 ) 3] [1/(0,7) 2] [(571.426,8)(50)/ 86.400]VF

9

Velocidad en la Vc 1 = 1,28 compuerta de entrada

hf 1= [ 1 8 0 ( 0 , 0 0 1 ) / 9 8 1 ] . [ ( 1 - 0 , 4 2 ) 2 / ( 0 , 4 2 ) 3] [1/(0,8) 2] [(2.007.497,4)(30)/ 86.400]VF

h f 1 = 1 5 0 v / g . [ ( 1 - ε o ) 2/ ε o 3 ]. 1/ Ce2 . L . VF ∑ Xi / di 2

hf 1 = 7 , 5 6 ( 1 0 ) - 4 V F

Cálculos

Criterios

Hf3 = qo2 / 2cd2Ao2g hf3= [1,74 (10)-4 VF]2/ [ 2 ( 9 , 8 ) ( 0 , 6 5 ) 2 [ 2 , 8 5 x ( 1 0 ) -4 ] ] Hf3 = 4,48(10) -8 VF2

kg/s/m2

cm2 /s

Unidad

8

0,001

571.426,8

CE = 0,7

v = 0,001

2.007.497,4

CE = 0,8

Cantidad

qo =Vf.Af/ 86.400 Nt

Coeficiente de esfericidad Del cuadro 5-15 se toma el valor ∑ Xi/di 2 Viscosidad absoluta

Coeficiente de esfericidad Del cuadro 5-14 se toma el valor ∑ Xi/di 2 Viscosidad

Datos

7

6

5

4

3

2

1

Paso

Sección de la compuerta de entrada

Pérdida de carga en drenaje durante el proceso en función de la velocidad de filtración

Caudal por orificio de drenaje durante el proceso de filtración, en función de la velocidad de filtración

Pérdida de carga inicial en la antracita, en función de la velocidad de filtración

Pérdida de carga inicial en la capa de arena en función de la velocidad de filtración

Resultados

Cuadro 5-13. Determinación de la ecuación para calcular la carga hidráulica que requiere la batería para operar con tasa declinante (1)

m2

m

m3 / s

m

cm

Unidad


Longitud de cresta del vertedero de salida

10

L2 = 1

K=1

Cantidad

m

Unidad

Ht =8,23 (10)-7 VF2 + 1,10 (10) -3 VF + 0,23

HT = ∑ Hf

Carga hidráulica disponible para el proceso

Altura de agua en el vertedero de salida en función de VF

Hf 7 =0,200/(1,84 x 1)2/3 Hf7 = 0,23

Hf7 = Q /(1,84L2)

Resultados Pérdida de carga en la compuerta de entrada

Cálculos Hf5= (1) (17,14)2 Vf2 / (0,05) 2 (86.400) 2 19,6 Hf4 = 7,78(10)-7 VF2

Hf4 = KVc21 /2g

Criterios

m

m

m

Unidad

∑ total:

3,21 m altura del vertedero de salida, 0,48 m de carga hidráulica 0,21 m, borde libre 3,90 m altura total de la caja del filtro.

Por lo tanto, la altura total del filtro será igual a:

Aplicando el programa de cálculo de Di Bernardo (9, 10) a la ecuación Ht =8,23 (10)-7 VF2 + 1,10 (10)-3 VF + 0,23, se obtiene que la carga hidráulica para la cual F = 1,5 es de 0,48 m, siendo N1= 0,39 m (sobre el vertedero de lavado) el nivel de inicio del ciclo de filtración entre el lavado de un filtro y el siguiente, de tal modo que la oscilación de niveles entre N1 y N2 solamente es de 0,09 m.

11

Coeficiente de pérdida de carga en la compuerta

Datos

9

Paso

Cuadro 5-13. Determinación de la ecuación para calcular la carga hidráulica que requiere la batería para operar con tasa declinante (1) (continuación)



Cuadro 5-14. Cálculo de ∑ x/di2 para la capa de arena (1) di (mín)

di (máx)

di2

xi

xi/di2

1,17 1,00 0,83 0,70 0,59 0,50 0,42

1,41 1,17 1,00 0,83 0,70 0,59 0,50

1,65 1,17 0,83 0,58 0,413 0,295 0,21

0,04 0,09 0,21 0,26 0,24 0,10 0,06

24.246,8 76.923,0 253.012,0 447.504,3 581.113,8 338.983,0 285.714,3

1,00

2.007.497,4

Cuadro 5-15. Cálculo de ∑xi/di2 para la capa de antracita (1) di (mín)

di (máx)

di2

xi

xi/di2

2,00 1,65 1,41 1,17 1,00 0,83

2,38 2,00 1,65 1,41 1,17 1,00

4,76 3,30 2,33 1,65 1,17 0,83

0,05 0,15 0,29 0,28 0,16 0,07

10.504,2 45.454,6 124.650,8 169.727,8 136.752,1 84.337,4

1,00

571.426,8

219

220

6.


CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE PLANTAS DE FILTRACIÓN DIRECTA

Este tipo de tratamiento es muy sensible a las variaciones de turbiedad y color, por lo que se recomienda tener un conocimiento muy completo de las características de la fuente y de todas las variaciones de la calidad del agua antes de adoptarlo como solución. El tiempo de retención es de apenas unos pocos minutos, por lo que durante la operación no hay margen para atinar a actuar en casos de emergencia. Se debe prever desde el nivel de diseño la necesidad de un monitoreo constante de los parámetros de calidad de agua. Su aplicación más ventajosa y generalizada es como alternativa para épocas de aguas claras, en fuentes con fuertes variaciones estacionales. En estos casos, las plantas se diseñan de tal modo que en la época lluviosa se opera con filtración rápida completa, y en la época seca, con filtración directa (figura 5-22). 6.1


Esta alternativa de tratamiento está constituida básicamente por dos procesos: mezcla rápida y filtración de flujo descendente. Con aguas de calidad variable, puede ser necesaria una floculación corta de 8 a 10 minutos, para mejorar la remoción de turbiedad y color, y reducir el periodo de duración del traspase inicial del filtro. •

Se recomiendan para el pretratamiento gradientes de velocidad (G) de 1.000 s-1 y tiempos de retención mayores de 5 segundos para la mezcla rápida. Para la floculación, gradientes de velocidad de 50 s-1 a 100 s-1 y tiempos de retención de 5 a 10 minutos.

•

Investigaciones realizadas por Hutchison, Dharmarajah y Treweek muestran que la prefloculación previa a la filtración mejora la remoción de turbiedad y el filtrado inicial, aunque también tiene sus desventajas, como la reducción de las carreras de filtración y el mayor costo inicial por la construcción del floculador y por la operación y mantenimiento.

•

La prefloculación es necesaria cuando se tienen aguas claras con variaciones horarias, generalmente aguas provenientes directamente de ríos. En el caso de que el agua provenga de un lago o laguna, o se tenga una represa o


221

embalse intermedio, este servirá para atenuar las variaciones, lo que generará un agua de características más estables. •

Los parámetros de la prefloculación se pueden determinar en el laboratorio, aplicando la metodología indicada en “Determinación de parámetros de filtración directa” (Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo II, capítulo 11, “Criterios para la selección de los procesos y de los parámetros óptimos de las unidades”).

•

Lo más recomendable, siempre que los recursos disponibles lo permitan, es instalar un filtro piloto de operación continua para determinar la influencia del pretratamiento y la granulometría del medio filtrante en la duración de la carrera de filtración.

6.2

Dosificación

•

Se consiguen condiciones de operación adecuadas con dosis óptimas menores de 10 mg/L y conteo de algas menor de 200 mg/m3. Con concentraciones mayores se obtienen carreras de filtración cada vez más cortas.

•

Cuanto mayor sea la dosis de coagulante y/o de auxiliar de coagulación, menor será la duración de la carrera de filtración, debido al incremento de la tasa de crecimiento de la pérdida de carga y a un prematuro traspase final, con el consiguiente deterioro del efluente.

•

Con sulfato de aluminio, la dosis óptima varía poco para una faja relativamente amplia de valores de turbiedad. Dosis mayores que la óptima no causan deterioro del efluente pero disminuyen la duración de la carrera. Remueve fácilmente el color verdadero en un rango de pH de 5,7 a 6,5 y de 7,5 a 8,5 para turbiedad. Valores mayores producen un aumento del aluminio soluble en el efluente. Las dosis típicas son menores de 10 mg (4).

•

El cloruro férrico requiere dosis menores que el sulfato de aluminio para producir un efluente de la misma calidad. Sin embargo, la naturaleza corrosiva del producto puede causar problemas. Con un pH entre 8,0 y 8,3, el residual de hierro se ubica bajo el orden de 0,05 mg/L (4).

222


•

Los polielectrolitos catiónicos producen carreras de filtración más largas sin la ocurrencia del traspase final. La dosis óptima es difícil de seleccionar. El periodo inicial hasta obtener un buen efluente es más largo y no es muy buena la eficiencia de remoción de color verdadero y de turbiedad.

•

Muchos trabajos de investigación han demostrado que los polielectrolitos aniónicos y no iónicos, con el sulfato de aluminio o con el cloruro férrico, pueden conducir al éxito en el empleo de la filtración directa. Investigaciones recientes muestran que el uso de polímeros naturales como el almidón de papa, conjuntamente con el sulfato de aluminio, reducen la ocurrencia prematura del traspase final y mejoran la calidad del agua filtrada, aunque disminuyen la duración de la carrera de filtración.

•

La dosis óptima de coagulante para filtración directa se puede determinar mediante el procedimiento de laboratorio indicado en “Determinación de parámetros de filtración directa”, Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo II, cap. 11.

•

El método más recomendable para determinar la dosis óptima de coagulante es el uso de un filtro piloto con características idénticas a las de la planta de tratamiento.

•

La determinación de la dosis óptima de polielectrolito o polímero natural debe ser investigada a través del análisis de la curva de desarrollo de la pérdida de carga y de la calidad del agua filtrada en la interfaz antracitaarena cuando el lecho es mixto o doble. El rápido desarrollo de la pérdida de carga con producción de agua de buena calidad indica una dosis excesiva de polímero, mientras que la tendencia al traspase (ruptura del flóculo) señala que la dosis utilizada es inferior a la óptima.

•

El potencial zeta y el pH del agua coagulada son parámetros importantes en el control del proceso de tratamiento, pues el principal mecanismo de coagulación en este caso es el de adsorción, con el cual se utilizan dosis de coagulante inferiores a las empleadas en una planta convencional, donde lo que se desea es la producción del mecanismo de barrido para optimizar la sedimentación. Véase el “Diagrama de coagulación para filtración directa”, sección 1.8 del capítulo 4 “Coagulación”, Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría.


223

6.3

Características del medio filtrante

•

El medio filtrante recomendado en estos casos es de granos gruesos, para asegurar la obtención de carreras más largas. Pueden utilizarse lechos simples de arena o de arena y antracita, o lechos dobles. Véase el cuadro 5-16. Cuadro 5-16. Características de lechos simples (4) Espesor de la capa (m) Tamaño efectivo (mm) Coeficiente de uniformidad Tamaño máximo (mm) Tamaño mínimo (mm)

1,5 – 2,0 1,17 a 1,65 ≤ 1,5 2,38 1,0

Este tipo de lecho se utiliza cuando se necesita operar con tasas de filtración muy elevadas. Cuadro 5-17. Características de los lechos dobles (4) Características Espesor de la capa (m) Tamaño efectivo (mm) Coeficiente de uniformidad Tamaño máximo (mm) Tamaño mínimo (mm)

6.4

Arena

Antracita

0,20 – 0,50 0,50 – 0,83 ≤ 1,5 1,41 0,42

0,40 a 1,0 1,0 – 1,3 ≤ 1,5 2,38 0,70

Tasa de filtración

La tasa de filtración debe fijarse en relación con la granulometría del medio filtrante, la calidad del agua cruda y las dosis de sustancias químicas utilizadas. Esta decisión debe tomarse preferentemente a partir de un estudio con filtros piloto, variando las tasas de filtración y el medio filtrante y evaluando la calidad del efluente y duración de la carrera hasta conseguir condiciones de operación apropiadas.

224


Comunicación con resto de cisterna

Vereda

14,50 13,99

,30

,30 ,30 Tapa de Inspección 0,80 x 0,80 m

Cámara de contacto (dentro de cisterna)

,30

Tubería PVC

,30 Tapa de Inspección 0,80 x 0,80 m


,80 ,30

Válvula compuerta ø 250 mm

1,00

,60

Vereda

Canal de aislamiento ,30

1,00

Filtro 4

,90

Filtro 2

Filtro 3

3,00

Filtro 1

,20

1,40

1,00

Válvula Mariposa ø 300 mm

Canal de distribución de agua floculada

,40

,30 Tubería PVC

,20

,30 A3

Floculador

1,00

B

,30

Mezcla rápida

,20

1,20

1,00

,20 ,30

Vereda

1,20 15,00 10,29 ,30

,25

,25

3,20

,25

1,50

,25

1,24

Figura 5-22(a). Modelo de una planta de filtración directa con prefloculación

Figura 5-22(b). Perfil hidráulico de la planta de filtración directa


225

La literatura presenta resultados de investigaciones efectuadas con un rango de tasas de filtración de 120 a 360 m3/m2/d. Un criterio muy importante que debe tenerse en cuenta al efectuar la selección de la tasa de filtración son los recursos locales existentes para operar y mantener el sistema. Teniendo en cuenta el periodo de retención tan corto de este tipo de planta (solo mezcla y filtración) y lo vulnerables que son los filtros a una operación y mantenimiento deficientes, se recomiendan tasas de operación muy conservadoras, del orden de 120 a 160 m3/m2/d para arena sola y de 180 a 240 m3/m2/ d para lechos dobles. 6.5

Control de calidad

Como el tiempo de retención es muy corto, se recomienda, por seguridad, un monitoreo constante del agua filtrada y del agua cruda, de modo que apenas el efluente total presente una turbiedad igual o superior a 0,3 UNT, el filtro que ha estado funcionando por más tiempo sea retrolavado, sin importar cuál sea la pérdida de carga en ese momento. Para que la operación pueda efectuarse de esta manera, durante el diseño deben tenerse en cuenta las instalaciones y equipos necesarios para llevar a cabo un minucioso control de calidad del afluente y del efluente de la planta.

7.

FUNCIONAMIENTO DE LA BATERÍA DE FILTROS DE TASA DECLINANTE

La figura 5-23 muestra una batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo para caudales superiores a 100 L/s.

Figura 5-23. Diseño en planta de batería de filtros de tasa declinante para plantas de medianas a grandes

226


En esta batería se puede observar que la canaleta principal de recolección de agua de retrolavado se ha colocado en medio del lecho filtrante. Con esta distribución, si el ancho de lecho a ambos lados de la canaleta es menor de 2 metros, se evita colocar canaletas secundarias y la altura del filtro es menor. Como se puede observar, la vehiculación del agua se efectúa mediante canales. Se omiten las galerías de tubos y todo el instrumental que estas incluyen y que normalmente representa 60% del costo del sistema. El canal de distribución de agua decantada es común a todos los filtros y es requisito, para operar con tasa declinante, que las compuertas de ingreso de agua decantada a cada una de las unidades se ubiquen por debajo del nivel mínimo de operación.

Canal de recolección de agua filtrada

0,250

N. 4,100

N. 4,100

N. 3,500

N. 3,500

N. 4,250

N. 4,350

N. Min-3,880

N. Max-3,950

Canal de distribución de agua decantada

Canal de recolección de agua de lavado


N . 2,415

N . 2,450

Compuerta de salida

0,250 0,215

N. 1,250

Arena

0,800

Canal de aislamiento

0,600 0,500

0,400

Grava N. 0,100

Canal recolección de desagües

N. 0,000

Falso fondo de filtros

Figura 5-24. Corte transversal de una batería grande de filtros que incluye canaletas secundarias para recolectar el agua de retrolavado

El canal inmediato a la salida de los filtros sirve para aislar una unidad durante el mantenimiento, cerrando la compuerta que lo comunica con el canal de interconexión y la válvula de ingreso de agua decantada. El canal de interconexión es el que comunica a todos los filtros a través de las compuertas de salida. Mediante este canal se establece el lavado con el flujo de toda la batería. Al cerrar el ingreso de agua decantada y abrir la salida de agua


227

de retrolavado en el filtro más sucio de la batería, el nivel del agua en este empieza a bajar, y cuando la altura de agua es menor que la posición del vertedero de control de salida de la batería (ver el tercer canal de la figura 5-24), el flujo deja de pasar por el vertedero, se invierte e ingresa al filtro que está en posición de lavado a través de la compuerta de salida. La velocidad de lavado se establece gradualmente a medida que el agua se desplaza en los canales, lo cual impide que se produzcan cambios bruscos que pudieran ocasionar pérdida del lecho filtrante. La velocidad de lavado se establece al pasar el caudal de proyecto de la batería a través de la sección del filtro, lo que produce una expansión promedio de 25 a 30%. En la caída del vertedero de salida (figura 5-24) se aplica la dosis de cloro y, mediante la cámara de contacto considerada después, se le da un tiempo de retención complementario al que está disponible en el sistema, antes de la primera conexión domiciliaria. En el canal de desagüe del agua de retrolavado, se ubica una válvula de compuerta para vaciar totalmente la unidad (figura 5-24). En las plantas pequeñas el diseño de la batería se simplifica reduciendo el número de canales (figura 5-25). Se omite el canal de aislamiento y de vaciado total; el canal de interconexión se ubica en el falso fondo de las unidades (corte A-A).

Vertedero general

Arena Grava Canal de interconexión Corte A-A

Figura 5-25. Batería de filtros de pequeña capacidad de producción

Al diseñar los filtros alargados de tal modo que la distancia perpendicular a la canaleta no sea mayor de 2 metros (figura 5-25), se pueden omitir las canaletas secundarias de recolección de agua de lavado y, por consiguiente, disminuir en aproximadamente un metro la altura del filtro. Con anchos del lecho mayores de 2 metros, se dificulta el transporte del sedimento y es necesario considerar canaletas secundarias, como se aprecia en la figura 5-13.

228


En esta solución no es posible sacar una unidad de operación para darle mantenimiento sino que debe parar toda la batería. Para estas situaciones, se debe prever una capacidad de almacenamiento que permita abastecer a la población mientras dura el mantenimiento preventivo. Para vaciar toda la batería, se abre la compuerta que comunica el canal de interconexión con la cámara de cloración.

8.


•

Uno de los defectos más comunes es el resultante de proyectar la batería de filtros sin tener en cuenta la granulometría del material filtrante que se va a colocar. Al elegir una velocidad de lavado al azar, sin relacionarla con las características de la arena o de la antracita, es muy difícil que luego la arena se expanda adecuadamente. Con el tiempo, este problema llega a anular totalmente la eficiencia de la batería de filtros, porque si la velocidad de lavado es muy baja y la arena gruesa, a medida que pasa el tiempo, se va colmatando y apelmazando con el sedimento, hasta llegar a la situación de que el material pierde porosidad y Figura 5-26. Vertedero de salida fijo, no calibrable el agua se abre paso a través de grietas. Si la velocidad es muy alta y el material filtrante fino, este se va perdiendo en los lavados sucesivos, hasta que solo queda un poco de material que no llega a salir por su profundidad.

•

Cuando el lecho filtrante es doble, de antracita y arena, es frecuente encontrar que no se seleccionó correctamente la antracita en función de la arena sino que esto se hizo al azar. Cuando la antracita es muy fina, se pierde toda en los primeros lavados y cuando es muy gruesa, se encuentra totalmente revuelta con la arena.


229

•

Hay casos en que el proyectista, en lugar de utilizar los canales para vehiculizar el agua, coloca tuberías dentro de los canales para transportar el agua decantada que ingresa, el agua filtrada y el agua de retrolavado. Además del gasto inútil en que se Figura 5-27. Vertedero de salida del tipo está incurriendo en plancha empernada (1) este caso, sucede que al sacar el agua de retrolavado mediante una tubería instalada en el mismo nivel del orificio de salida del filtro, el agua de lavado se represa dentro de la caja del filtro, lo que resta eficiencia a esta operación.

•

En innumerables casos, el vertedero de salida no se encuentra en el nivel apropiado, la carga de lavado es muy poca o demasiado grande y ello no se puede corregir, porque el vertedero no es calibrable (figura 5-26) o es del tipo en que la plancha metálica del vertedero está empernada al muro y para poder ajustar la carga, hay que parar la planta para mover la plancha. En la mayoría de casos, los tornillos están muy oxidados y al moverlos, se parten (figura 5-27).

•

No se deben proyectar pesadas tapas de concreto para los ingresos a los canales, porque:

Figura 5-28. Pesadas tapas de concreto (1)

230


a)

Por su peso, los operadores no las colocan en su sitio y el agua filtrada queda expuesta a la contaminación (figura 5-28).

b)

Como las tapas son pesadas, las dejan caer desde lo alto y terminan rotas y los canales quedan permanentemente destapados.

•

En la batería de filtros de la figura 5-29 se puede apreciar cómo, al cabo de unos años, las tapas se rompieron y el agua filtrada se encuentra expuesta a la contaminación.

•

Es muy frecuente también que la planta en su totalidad se proyecte para el caudal de final de la segunda etapa, para un futuro de 20 Figura 5-29. Canales de a 25 años, pero que empiece a agua filtrada destapados operar con el caudal actual. Al modificarse el caudal del proyecto, automáticamente estamos modificando la velocidad de lavado. La batería de filtros de la figura 5-30 fue proyectada para un caudal de 250 litros por segundo y, por problemas de captación, el caudal de operación variaba entre 40 y 120 litros por segundo. Cuando se evaluó esta planta, la expansión de la arena era nula y se encontraba apelmazada con sedimento de varios años (figuras 5-30 y 5-31).

Figura 5-30. Batería de filtros de tasa declinante para un caudal de 250 L/s


231

Figura 5-31. La operación de lavado era muy pobre

•

Otro problema que se afronta en la operación de la batería de filtros es el causado por un proyecto en el que se consideraron compuertas para accionar la entrada de agua decantada y la salida de agua de lavado en lugar de válvulas tipo mariposa. Las compuertas de fabricación local aún no han alcanzado buenos niveles de calidad, tienen poca durabilidad y no son estancas. Demandan mucho esfuerzo al operador cada vez que deben ser accionadas y son precisamente las de operación más frecuente.

Figura 5-32. Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo

232


REFERENCIAS (1)

Canepa de Vargas, L. Proyectos y fotos de archivo. Lima, CEPIS/OPS, 2004.

(2)

Programa HPE/CEPIS/OPS de Mejoramiento de la Calidad del Agua para Consumo Humano. Manual V, Tomo III, Criterios de diseño para filtros. Lima, CEPIS, 1992.

(3)

Di Bernardo, L. Proyecto de sistemas de filtración para tratamiento de aguas de abastecimiento. São Paulo, Escuela de San Carlos de la Universidad de São Paulo, 1987.

(4)

Di Bernardo, L. Filtración directa descendente. São Paulo, Escuela de San Carlos de la Universidad de São Paulo, 1985.

(5)

Cleasby, J. L. “Direct Filtration of Surface Waters”. Memorias del Seminario Internacional sobre Tecnologías Simplificadas para Potabilización de Aguas. Cali, 1987.

(6)

Di Bernardo, L. Métodos y técnicas de tratamiento de agua. Volumen II. Río de Janeiro, ABES, 1993.

(7)

Cleasby, J. L. “Declining Rate Filtration”. Memorias del Seminario Internacional sobre Tecnología Simplificada para Potabilización del Agua. Cali, 1987.

(8)

Arboleda V., J. “Diseños de filtros de control hidráulico”. Memorias del Seminario Internacional sobre Tecnología Simplificada para Potabilización del Agua. Cali, 1987.

(9)

Di Bernardo, L. “Proyecto y operación de sistemas de filtración con tasa declinante”. Memorias del Seminario Internacional sobre Tecnología Simplificada para Potabilización del Agua. Cali, 1987.

(10) Material electrónico entregado por el Ing. L. di Bernardo en el módulo de Tratamiento de Agua y Residuos de la Facultad de Ingeniería Ambiental de la Universidad Nacional de Ingeniería, Lima, 1988.


(11)

233

Richter, C. “Filtros rápidos modificados”. Manual del Curso sobre Tecnología de Tratamiento de Agua para Países en Desarrollo. Lima, OPS/CEPIS/ CIFCA, 1977.

(12) Cleasby, J. L. Avances en retrolavado. Ames, Iowa State University, 1987. (13) Letterman, R. “An Overview of Filtration”. Journal of the American Water Works Association, diciembre, 1987. (14) CEPIS. Plantas modulares de tratamiento de agua. Documento Técnico 8. Lima, CEPIS, 1982. (15) Amirtharajah, A. “Optimum Expansion of Sand Filters during Backwash”. Tesis de doctorado. Iowa, Iowa State University, 1971. (16) Camp, T. T. “Theory of Water Filtration”. Journal of the Environmental Engineering Division, Proceedings ASCE, 1964.

234


CAPÍTULO 6 SALA DE CLORACIÓN

Sala de cloración

1.

237

INTRODUCCIÓN

Las estaciones de cloración merecen mucha atención desde la etapa de diseño, por la importancia que este proceso tiene en la producción de agua segura y por los riesgos que involucran la operación y mantenimiento de las estaciones. En el proceso de diseño de las estaciones de cloración, podemos considerar cuatro etapas: • • • •

almacenamiento del cloro; sistemas de medición y control; sistemas de inyección; sistemas de seguridad.

2.

CRITERIOS GENERALES DE DISEÑO

•

El cloro es proporcionado en cilindros metálicos resistentes, de 50 a 1.000 kilogramos, en contenedores. Puede ser utilizado en forma líquida o gaseosa. Los cilindros tienen las siguientes características: a) b)

c) d) •

Son de acero. La máxima densidad de llenado es 125%. Se define así a la razón de porcentaje entre el peso del gas en el cilindro o contenedor y el peso del agua que puede contener a una temperatura de 15,6 °C (70 °F). Se equipan con sistemas de seguridad (válvulas, protectores). Se someten a pruebas de presión a intervalos regulares, de acuerdo con las normas correspondientes.

De acuerdo con la capacidad de los cilindros, se puede extraer mayor o menor cantidad de cloro de cada uno de ellos. Véase el cuadro 6-1.

238


Cuadro 6-1. Características de los cilindros de cloro (1) Peso del contenido kg 50 75 1.000

lb 100 150 2.000

Peso del cilindro kg 33 40-59 680

lb 73 90-130 1.500

Peso total del cilindro lleno kg 83 115-134 1.680

lb 173 240-280 3.500

Máximo flujo de cloro que se puede extraer de un cilindro kg 11,7 18,2 182

lb 26 40 400

•

El consumo de cloro necesario para la desinfección del agua se estima en 5 mg/L, con un mínimo de 1,0 mg/L. Para la oxidación y preparación de compuestos, se estima de acuerdo con las necesidades de tratamiento.

•

Instalaciones con un consumo superior a 50 kg/d deben prever el uso de cilindros de una tonelada y para el traslado de los cilindros deben considerarse dispositivos que permitan hacer esta tarea bajo condiciones de seguridad.

•

Debe preverse un almaal Sol (2) cenamiento de cloro suficiente para atender por lo menos 10 días de consumo máximo. En instalaciones con capacidad inferior a 10.000 m3/d o 100 l/s debe preverse un almacenamiento para periodos mínimos de 30 días.

•

El número de envases de cloro en uso dependerá básicamente del máximo flujo que se pueda obtener de cada cilindro. El cuadro 6-2 indica la cantidad mínima de cilindros que debe haber en servicio, vacíos y de reserva, a fin de mantener un suministro continuo de cloro en la planta.

Figura 6-1. Contenedores de cloro expuestos

Sala de cloración

239

Cuadro 6-2. Número de cilindros necesarios según la capacidad requerida (1) Cilindros de 1.000 kg

Cilindro de 75 kg Capacidad En Reserva requerida servicio Vacíos mínima kg/día 0 –18 18 – 36 36 – 54 54 – 72 72 – 90 90 – 100

1 2 3 4 5 6

2 4 6 8 10 12

3 6 9 12 15 18

Capacidad requerida kg/día 54 – 180 180 – 360 360 – 540 540 – 720 720 – 900 900 – 1.000 > 1.000

En servicio

Vacíos

Reserva mínima

1 1 2 2 2 4 3 3 6 4 4 8 5 5 10 6 6 12 Usar evaporador

•

En instalaciones situadas en localidades distantes de los centros productores de cloro, el almacenamiento debe tener en cuenta las dificultades para la compra y transporte del producto.

•

En instalaciones con consumo de hasta 50 kg/día, los cilindros y los equipos de cloración pueden instalarse en la misma área.

•

En instalaciones de consumo mayor, deben instalarse en áreas separadas.

•

El área de almacenamiento de cloro debe ser abierta (figura 6-2). Si se proyectara cerrada, con paredes en todo el contorno (figura 6-3), la habitación debe ser ventilada mediante: a)

Ventilación natural por medio de aberturas que deben llegar hasta el piso.

Figura 6-2. Almacén de cloro abierto para cilindros de una tonelada (2)

240


b)

•

Además de ventilación natural, debe haber ventilación forzada, producida por un extractor o insuflador, dispuesto de modo de obligar al aire a atravesar a nivel del piso todo el ambiente y con capacidad para renovar todo el aire del recinto en un tiempo máximo de 4 minutos.

Figura 6-3. Almacén de cloro cerrado con ventilación artificial (2)

c)

Las llaves o interruptores de los equipos deben quedar del lado de afuera del recinto.

d)

Las salidas de ventilación deben ubicarse de tal modo que disipen las eventuales fugas de cloro a la parte externa de la casa de química (si la sala de cloración ha sido incorporada a esta estructura). Esta ventilación no debe Figura 6-4. Forma de almacenar incidir sobre la vencilindros de una tonelada (2) tilación de otras áreas ni sobre áreas externas confinadas, aunque solo sea parcialmente.

e)

Los cilindros deben estar protegidos de la incidencia de la luz solar.

El área de localización de los equipos cloradores debe contar con los medios de seguridad previstos para la sala de almacenamiento de cloro.

Sala de cloración

241

•

El área de almacenamiento de cloro y la de instalación de los cloradores deben tener puertas que se abran hacia afuera, con vidrio en la parte superior, y estar dotadas de aberturas de ventilación sobre el pórtico.

•

Los cilindros de cloro de una tonelada deben ser al Figura 6-5. Almacén de cilindros pequeños (2) macenados o utilizados en posición horizontal, en una sola hilera, fijados por medios adecuados, con un espaciamiento mínimo de 0,20 metros entre los cilindros y un ancho mínimo de un metro entre los corredores de circulación. •

Los cilindros con capacidad igual o inferior a 75 kilogramos de cloro deben ser almacenados o utilizados en posición vertical, directamente sobre una balanza. Deben contar con una cadena o barra de seguridad que evite el volteo en caso de una explosión o sismo (figura 6-5).

•

El control de la cantidad de cloro disponible debe ser hecho por pesaje continuo o por un dispositivo que indique la presión de los cilindros en uso.

•

Figura 6-6. El almacén de cloro utilizado como depósito (2)

Las áreas utilizadas para depósito o dosificación de cloro deben contar solamente con productos químicos y equipos relacionados con la cloración. No deben utilizarse para almacenar otro tipo de materiales (figuras 6-6 y 6-7).

242


•

El uso de hipoclorito de calcio o sodio, por ser 10 veces más caro que el cloro líquido envasado a presión en cilindros, debe quedar restringido a instalaciones de capacidad inferior a 10 L/s, o solo cuando se demuestre que es la mejor alternativa.

•

El almacenamiento de como depósito (2) hipoclorito de sodio debe hacerse en un lugar techado, ventilado, seco y libre de materiales combustibles. Este producto es muy inestable; el periodo de almacenamiento no debe ser mayor de un mes.

•

El hipoclorito de sodio debe utilizarse directamente del recipiente en que es transportado.

•

El hipoclorito de calcio se expende en forma granular en tambores de 45 a 50 kilogramos. Debe ser disuelto previamente en agua para ser dosificado por vía húmeda, tomando en cuenta lo siguiente:

Figura 6-7. El almacén de cloro utilizado

— —

La concentración máxima de la solución debe ser inferior a 10 %. Deben existir dos tanques de disolución, con capacidad mínima individual para 12 horas de operación.

3.

ALMACENAMIENTO

3.1


Es necesario conocer el consumo del producto de acuerdo con la capacidad de la planta. La información necesaria es la siguiente: a) b)

caudal del proyecto (Q en L/s); dosificación esperada (dosis mínima y máxima en mg/L);

Sala de cloración

c)

243

tiempo de almacenamiento seleccionado. Ver en el cuadro 3 criterios basados en la experiencia. Cuadro 6-3. Criterios para el almacenamiento de productos desinfectantes (3) Producto

Tiempo de Dosis en mg/L almacenamiento (meses) Mínima Máxima

Cloro en cilindros a presión Hipoclorito de calcio Hipoclorito de sodio

Notas:

3–6 3–6 < 1 mes

1 1,4 1,7

3 4,3 23,1

•

•

Las dosis mínima y máxima se basan en un porcentaje de cloro disponible de 70% para el hipoclorito de calcio y de 13% para el hipoclorito de sodio. Las dosis indicadas corresponden a la práctica usual; para la determinación precisa de la dosificación, se requiere efectuar el ensayo de demanda de cloro o curva al punto de quiebre (figura 6-8).

3.500 10.000 – 50.000 10.000 – 50.000

8 Residual combinado

•

Concentración de la solución (mg/L)

Residual libre

6

4

B

2

2

0 A

C 4

Punto de quiebre 6

8

Dosificación de cloro (mg/L)

Figura 6-8. Curva al punto de quiebre (4)

Para mayores detalles sobre dosificación, se puede consultar la sección “Dosificación” en el capítulo 1 de este mismo manual.

La ecuación de balance de masas permite diseñar, evaluar y operar estos sistemas: Q.D=q.C=P

(1)

244


Donde: Q = caudal máximo de diseño en L/s. D = dosis promedio de desinfectante = (DM + Dm)/2 (mg/L) DM Dm q P

(2)

= = = =

dosis máxima (mg/L) dosis mínima (mg/L) caudal de solución de cloro (L/s) peso requerido del desinfectante (mg/s o kg/d) C = concentración de la solución (mg/L)

Nota: 1 mg/s = 0,0864 kg/d

Figura 6-10. Carretillas para transportar cilindros pequeños (3)

Figura 6-9. Sistema de grúa para cilindros grandes (2)

Dependiendo de la capacidad de producción de la planta, el almacén deberá incluir un equipo de grúa para movilizar el cilindro en el caso del cloro líquido embotellado a presión, en cilindros de una tonelada. Cuando se trata de sistemas pequeños que usan cilindros de 75 kilogramos, se considerará el empleo de carretillas para efectuar el transporte en forma manual (figura 6-10). En el cuadro 6-4 presentamos un ejemplo para el cálculo de un almacén de cilindros de cloro.

Sala de cloración

245

Cuadro 6-4. Cálculo del área del almacén de cloro (3) N.°

Datos

1

Dosis máxima DM = 3,0

mg/L

Dosis mínima Dm = 1

mg/L

Tiempo de almacenamiento T = 90

d

Caudal de diseño Q = 100 Q = 8.640

L/s m3/d

3

Peso de un cilindro de cloro P = 67,0

4

Área que ocupa un cilindro chico Ac = 0,071

2

Unidad Criterios D = (D M + Dm)/2

Cálculos

Resultados

Unidad

D = (1 + 3)/2 D=2

Dosis promedio

mg/L ó g/m3

W = Q. T. D

W = (8.690 x 2 x 90)/ 1.000 W = 1.555

Peso de cloro requerido en el periodo de almacenamiento seleccionado

kg

kg

N = W/P

N = 1.555/ 67,0 N = 23

Número de cilindros que se almacenarán

unidad

m2

At = 1,25 Ac.N

At = 1,25 x 0,071 x 23 At = 2

Área ocupada por los cilindros

m2

Recomendaciones para el proyecto

•

La figura 6-11 indica las dimensiones de los cilindros de una tonelada: entre 2,16 y 2,21 metros de largo y entre 0,75 y 0,81 metros de diámetro.

Peso bruto 1.650 kg aprox.

75 – 81 cm

121 cm

min. 0,50

3.2

B 216 - 221 cm

A 27 cm

20

17,5 Válvula de cloro 3/4” Protección de canales de cloro Conexión flexible Cilindro de tn

Válvula auxiliar del cilindro

Figura 6-11. Cilindros de cloro de una tonelada de peso (4)

246


•

La figura 6-12 presenta ideas sobre cómo distribuir el almacén, de acuerdo con las recomendaciones de algunos fabricantes.

•

Cualquiera que sea el recipiente de cloro que se use, si se requieren varias unidades, hay que conectarlas a una tubería matriz, como indica la figura 6-13.

100 – 20

Cilindros en reserva I

II

IV

III

Grupo I - Cilindros de 67 kg

Grúa

V

VII

VI

Cilindros en reserva

Tomas

Grúa

Grúa Cilindros en reserva VIII

IX

Grupo II - Cilindros de una tonelada

Figura 6-12. Almacenamiento de cilindros de cloro (3)

El diseño de esta matriz es muy importante para lograr un flujo sin obstrucciones. Los cilindros de cloro llenos tienen 85 % de cloro líquido y 15% en estado gaseoso. Al extraer este último, disminuye la temperatura del envase y aparece

Sala de cloración

escarcha en la superficie del cilindro por condensación de la humedad, lo que indica que el gas se está evaporando rápidamente.

Válvula auxiliar

247

Matriz

Válvula del cilindro

Válvula reductora de presión

Tubería flexible

Clorador

Para que el flujo no se inteCilindro de cloro rrumpa, la temperatura en los cilindros debe ser más alta o igual a la temperatura en las tuberías aductoras, pues si estas se enfrían Báscula más rápidamente que el cilindro, Figura 6-13. Sistema de conexión aunque sea muy pequeña la difede cilindros de cloro (1) rencia térmica, el gas se puede relicuar en las líneas de conducción y producir obstrucciones en los cloradores.

4.

EQUIPOS DE MEDICIÓN Y CONTROL

Los equipos de cloración se fabrican en un rango de 1,5 a 4.500 kg/día de cloro gaseoso y dosificadores de cloro líquido desde 20 hasta 2.000 L/día. Es necesario determinar la capacidad del equipo que se necesita. Para calcular la capacidad (C) del clorador, utilizaremos nuevamente la ecuación de balance de masas, teniendo en cuenta que el equipo se calcula con el caudal y la dosis máxima. C Q D

= = =

QD x 86,4 m3/s mg/L

El caudal máximo es el del final del periodo de diseño. Cuando el diseño de la planta se hace por módulos, la estación de cloración debe centralizarse y satisfacer la producción de todos ellos. En este caso, el clorador debe satisfacer también la capacidad mínima requerida por un solo módulo. Las características de los equipos dependen de la forma de cloro que vamos a utilizar, hipocloritos en solución o cloro líquido envasado en cilindros a presión.

248

4.1


Equipos para aplicar hipoclorito en solución

Puede utilizarse cualquier tipo de dosificador para productos químicos en solución que sea resistente a la acción corrosiva del hipoclorito. Los más comunes son las bombas dosificadoras y los sistemas de orificio de carga constante. Para la medición, se utilizan rotámetros o las escalas del equipo dosificador. Las bombas dosificadoras empleadas son de tipo diafragma o pistóndiafragma, ambas de desplazamiento positivo. En todos estos equipos debe poder calibrarse la dosificación. Los hay con diferente ranEntrada go de ajuste; los más usaVálvula de flotador dos tienen un rango de 10:1. Tanque 1 Solución

Escala

Tubo 1-2” φ PVC Tubo 3-4” φ PVC

Si la aplicación requiere una operación automática Flotador Válvula de —dosificación proporcioOrificio dosificador interconexión Manguera flexible nal al caudal, a la demanDesagüe Tanque 2 Dosis da de cloro o a ambos—, existen en el mercado equiDesagüe pos que pueden cubrir este tipo de funciones, como veFigura 6-14. Sistema de aplicación por gravedad (3) remos más adelante. El rango de trabajo de estos equipos puede variar entre 20 L/día y 800 L/día. Ellos son capaces de inyectar la solución desde vacío hasta 28 kg/cm2. Tornillo para fijar tubo

4.2

Hipoclorador de orificio de carga constante

El hipoclorito en solución se utiliza principalmente en instalaciones para localidades pequeñas, donde, por lo general, no hay condiciones apropiadas para operar y mantener un equipo automático. Sin embargo, en la industria o en el caso de una urbanización o un hotel de lujo, podría justificarse la inversión. Los sistemas de orificio de carga constante, por su bajo costo y porque funcionan por gravedad, son muy empleados en localidades pequeñas. Se pueden fabricar artesanalmente, no requieren energía eléctrica y con muy poco mantenimiento se puede obtener una operación constante. También se

Sala de cloración

249

consideran en los sistemas grandes, como alternativa para eventuales situaciones de emergencia (figuras 6-15 y 6-16). 4.3

Equipos para aplicar cloro gaseoso Flotador

Manguera flexible

Perfil de aluminio

Figura 6-15. Hipoclorador (2)

Tapón

Estos tipos de cloradores son los más utilizados en las plantas de tratamiento, porque son más eficientes que los hipocloradores. Por su forma de operar, podemos distinguir dos tipos de unidades: cloradores de gas directo y cloradores al vacío en solución.

Tapón

A

A

A-A

Figura 6-16. Hipoclorador de orificio de carga constante (4)

4.3.1 Cloradores de aplicación directa Este tipo de clorador opera con la presión del cilindro, por lo que adolece de serias limitaciones. Su uso se recomienda solo cuando no hay otra alternativa. Normalmente se emplean en zonas donde no hay suministro continuo de energía eléctrica. Figura 6-17. Clorador de aplicación directa a una tubería (2)

250


La principal desventaja de estos equipos es que la dosis varía con la presión del cilindro. Se fabrican en capacidades que van desde 9 hasta 150 kg/día. Véanse las figuras 6-17 y 6-18.

Figura 6-18. Punto de aplicación en la tubería (2)

Unidad de control

Dos cilindros multipropósitos

Válvula manual Llave de gas

Filtro Válvula

Conexión flexible Tubo de descarga de gas

Cadena

Válvula manual Difusores Cilindro de cloro

Figura 6-19. Clorador de aplicación directa (5)

Sala de cloración

251

Válvula Línea de presión de cloro Filtro de admisión Válvula de cilindro de cloro

Válvula de dosificación Indicador de dosificación Clorador

Abrazadera de yugo

Línea de escape Válvula de escape Línea de presión de cloro Válvula de retención y difusor de piedra poroso completo

Ventilación

Gas cloro Juntura de plomo Cloro líquido

Cilindro de cloro

Nota: La válvula de retención y difusor completo estará sumergido

Figura 6-20. Diagrama de flujo de un clorador de aplicación directa

252


4.3.2 Cloradores de aplicación al vacío Este tipo de equipo es el más confiable y seguro de operar. a)

Descripción

Un clorador de aplicación al vacío está integrado por tres componentes fundamentales: un inyector, una válvula de ajuste de la dosificación y un medidor de caudal.

Figura 6-21. Sistema de inyección (3)

El inyector. El inyector es un Venturi mediante el cual se ejerce una succión determinada (130 milímetros de agua), por medio del cual se succiona el cloro a través del equipo. Este inyector también sirve como cámara de mezcla entre el cloro y el agua que sirvió para ejercer el vacío (figura 6-21).

Las condiciones hidráulicas de la bomba de agua son muy importantes, pues tanto la presión como el caudal son determinantes en el funcionamiento del inyector. Por ello es muy importante consultar las recomendaciones del fabricante, porque cada uno tiene condiciones específicas, a partir de las cuales se han diseñado los equipos. Es preferible que dejemos el cálculo de las condiciones de operación de la bomba al fabricante. Válvula de control. Las válvulas de control merecen muy especial atención, pues con facilidad se taponan con las impurezas del cloro. Para garantizar mayor confiabilidad en la operación, se recomienda especificar orificios o vástagos ranurados en lugar de las válvulas de aguja convencionales. Medidor de caudal. El medidor de caudal es un rotámetro, un tubo de vidrio que indicará el paso del gas a través del equipo. La medición de un gas se ve afectada por las condiciones de temperatura y presión. Cuando la presión está por debajo de la atmosférica, como en este caso, el efecto es mayor. Por esta

Sala de cloración

253

razón, el equipo cuenta con válvulas reguladoras de presión y de vacío a la entrada y a la salida del dispositivo de medición. Operar el proceso a presiones por debajo de la atmosférica presenta una serie de ventajas que permiten que el cloro, un gas extremadamente corrosivo y venenoso, pueda ser manipulado casi por cualquier perFigura 6- 22. Cloración al vacío, equipos sona. Al someterlo al vacío dende pared (2) tro del equipo, se aprovecha este para, mediante diafragmas venteados, cerrar automáticamente todo puerto o ducto factible de ruptura al dejar de ejercer la presión debajo de la atmosférica. La presión del cloro dentro del cilindro no se requiere para la operación, porque estamos succionando el gas con el inyector y estas condiciones siempre van a prevalecer a lo largo del circuito dentro del equipo. Ventilación Válvula de ajuste Gas

Válvula de gas

Línea de vacío Ventilación Rotámetro

Líquido

Cilindro de tonelada

Regulador Filtro Trampa de cloro y calentador Agua al inyector

Inyector y válvula check

Solución

Figura 6-23. Clorador con inyector para cilindro de una tonelada (3)

También debemos tener presente que el cloro viene de un cilindro bajo presión donde se encuentra licuado y que no podemos extraerlo en forma indiscriminada cuando el gas está en forma líquida dentro del recipiente, porque la presión de vapor del gas a las condiciones ambientales de temperatura producirá una velocidad de evaporación tal que podemos llegar a congelar el cilindro y su contenido. El cuadro 6-1 indica el máximo flujo de cloro que se puede extraer de un cilindro, dependiendo de su tamaño.

254


Los sistemas con inyector son los más usados debido a que presentan las siguientes ventajas: • • •

Ofrecen alta precisión en la dosificación. No son influenciados por los cambios de temperatura. Son equipos durables y de costo inferior a los de alimentación o aplicación directa.

Figura 6-24. Cloradores de consola (2)

A ventilación Válvula del cilindro de cloro

Abrazadera de yugo

Junta de plomo

Anillo sellador de vacío

Válvula de dosificación

Válvula de seguridad de admisión

Conexión de salida Válvula de ventilación

Filtro de admisión

Línea de vacío

Indicador de dosificación Diafragma de regulación completa

Inyector y válvula de retención completa

Gas cloro Suministro de agua Cloro líquido

Cilindro de cloro

Figura 6-25. Diagrama de flujo de un clorador de aplicación al vacío (3)

Solución de cloro

Sala de cloración

255

Sin embargo, debe tenerse en cuenta que para la operación de los inyectores, se requiere el suministro de agua a presión y, por lo tanto, se debe incluir un equipo de bombeo en el sistema. Componentes de un sistema de cloración con inyector. Un sistema con inyector incluye básicamente los siguientes componentes: • • • •

•

Balanza. Clorador (de pared o montaje directo), con manguera de ventilación. Cadena de protección. Tubería de abastecimiento con válvula de paso, manómetro, filtro “Y”, adaptador para montaje del inyector y el difusor a fin de aplicar la solución de cloro al agua. Mascarilla de protección tipo canister. Juego de repuestos con canister para la mascarilla de protección, empaques de plomo para el montaje del clorador y otros repuestos recomendados por el fabricante para efectuar el mantenimiento adecuado del equipo. Equipo para la detección de fugas: botella de amoniaco con tapa de apertura rápida. Cilindros de reserva (como mínimo, tres para plantas pequeñas). Véase el cuadro 6-2 para plantas de medianas a grandes. Comparador para medir cloro residual.

b)

Criterios de diseño

•

El caudal mínimo de agua para el funcionamiento del inyector se calcula mediante la siguiente ecuación:

• • • •

q = Q . DM /C

(3)

Donde: DM

=

C

=

dosis máxima, normalmente se asume igual a 5,0 mg/L. concentración de la solución clorada, normalmente se asume igual a 3.500 mg/L.

Figura 6-26. Cloradores de consola (2)

256


Usar caudales de agua mayores que q no ofrece problemas en la dosificación y a menudo es necesario tomar caudales mayores para ajustarse a los tamaños comerciales de los equipos de bombeo. Los equipos de bombeo pueden evitarse, cuando la planta cuenta con un suministro de agua con presión suficiente para el funcionamiento del inyector. Usualmente, la mínima presión necesaria es 30 metros de columna de agua (mca), más las perdidas calculadas en la tubería de abastecimiento. •

La potencia mínima del equipo de bombeo se calcula con la siguiente ecuación: P = δ Q H / 75 E

(4)

Donde:

δ H E

= = =

peso específico del agua (~ 1.000 kg/m3) carga dinámica total (mca) eficiencia del equipo de bombeo .

Para el cálculo de H se utilizan los siguientes criterios: H = h + Ho + Hm

(5)

Donde: h = Ho = Hm =

presión requerida por el inyector (mca) pérdidas por fricción (mca) pérdidas menores (mca)

Ho = f . L/ø. V2/2g (fórmula de Darcy Weisbach) Donde: f L ø V g

= = = = =

0,030 (coeficiente de fricción) longitud de la tubería (m) diámetro de la tubería (m) 0,60 a 1,20 m/s (velocidad del agua) aceleración de la gravedad.

(6)

Sala de cloración

257

Nota: También es correcto emplear fórmulas como la de Hazen Williams y la de Flamant (9). Hm = ∑K v2/2g

(7)

Donde ∑K = suma de coeficientes de pérdida de carga en accesorios. Los usuales se indican en el cuadro 6-5.

Cuadro 6-5. Coeficientes de pérdida de carga menores (3) Accesorios Codo Te de paso directo Válvula de compuerta Filtro “Y” Total ∑K =

K 0,40 0,25 0,30 3,50 4,45

Nota: La suma de K debe ajustarse de acuerdo con el diseño de cada sistema.

•

Capacidad requerida del equipo W = Q . DM

(8)

Donde: W =

capacidad requerida en g/h.

Con este dato entramos a los catálogos de los fabricantes y seleccionamos un equipo cuya capacidad sea igual o inmediatamente superior a la requerida. El cuadro 6-6 ofrece información tomada de los catálogos (2).

258


Cuadro 6-6. Tamaños comerciales de cloradores (3) Capacidad del cloradora g/h — 1.400 750 280 120 50

lb/día 100 75 40 15 6 2

Temperatura ambiente mínimab °C 24,0 13,3 2,0 - 3,0 - 5,0 - 5,6

°F 75 56 36 26 23 22

Nota: a La dosificación mínima es 1/20 de la máxima. b Estimación razonable de la temperatura ambiente mínima para una dosificación continua.

c)

Aplicación

Se desea proyectar una estación de cloración para un caudal de 100 L/s, un rango de dosificación de 1 a 3 mg/L y una dosis normal de 1,5 mg/L. La dosis normal se selecciona sobre la base de una curva de demanda de cloro (o curva al punto de quiebre) del agua por tratar. La dosis mínima es la que supera la dosis al punto de quiebre (1,4 mg/L para el caso de la figura 6-8). El cuadro 6-7 resume el cálculo del ejemplo de aplicación propuesto.

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

N.°

En el cuadro 6-6 seleccionamos el equipo que nos pueda dar la capacidad requerida. Wmáx = 1.400 Velocidad en la tubería de alimentación de agua V = 0,90 Longitud de la tubería de alimentación de agua L=4 Coeficiente de fricción f = 0,03 Pérdida de carga total por accesorios, K = 4,45 Presión requerida por el inyector, h = 30 Peso específico del agua δ = 1,000 E = 0,85 Tiempo de contacto T = 25

Caudal de diseño Q = 100 Dosis máxima DM = 3 Concentración de la solución C = 3.500

Datos

Ho = (0,03) [(4) / (0,0127)] (0,9) 2 / 19,62; Ho = 0,38 H m = 4 , 4 5 ( 0 , 9 0 ) 2/ 1 9 , 6 Hm = 0,18 H = 30 + 0,38 + 0,18 H = 30,56 P = [(10) 3 (0,086) (10) -3 (30,56)]/75 (0,85)

Ho = f.L / ø . V2/ 2g H m = K V 2/2g

Vol. Tc = QT

P = δ .q.H/75E

kg/m 3

mín

H = h+Ho+Hm

m

Vol. Tc = [(100)(25) (60)]/1.000 Vol. Tc =150

Ø = 4 x 9,6 (10)-5/ 3,1416 Ø = 0,011 ป ½”

Ø = 4 A/ π

m

Volumen del tanque de contacto

P = 0,041

Carga dinámica total

Pérdidas de carga por fricción Pérdidas de carga menores

Diámetro de la tubería de alimentación de agua

Área de la tubería

A = ( 0 , 0 8 6 ( 1 0 ) - 3) / 0 , 9 0 A = 9,6 (10)-5

A = q /V

g/h

m/s

Caudal mínimo de agua requerido para la operación del inyector

m3

HP

m

m

m

m

m2

g/h

g/h

m 3/ s

Resultados Unidad

Capacidad requerida del equipo Capacidad mínima del clorador

q = 100 x 3/ 3.500 (10)3 q = 0 , 0 8 6 ( 1 0 ) -3

Cálculos

W = (100 x 3 x 3.600) / (10) 3 W = 1.080 1.400 Wmin = 20 Wmin = 19,45

q = Q D M /C

Criterios

W = Q DM

mg/L

mg/L

L/s

Unidad

Cuadro 6-7. Cálculo de una estación de cloración (3)

Sala de cloración 259

260


Regulador de vacío en el cilindro de cloro

Ventilación

Línea de vacío de cloro a los medidores Panel medidor de cloro

Instalación típica de inyector montado en la pared Suministro de agua

Manguera

Línea de vacío de cloro a varios puntos de tratamiento Suministro de agua Instalación típica de Solución inyector en tubería difusor

Solución de cloro

Figura 6-27. Clorador con inyector, colocación múltiple de medidor de cloro (3)

4.4

Evaporadores

Las estaciones de cloración grandes, donde se gastan más de 1.000 kg/día, requieren el uso simultáneo de varios cilindros de cloro (más de seis), conectados a la misma matriz aductora, para alimentar los cloradores. Como esto puede traer problemas operacionales, se suele incluir en el equipo un evaporador que permita extraer cloro líquido de los cilindros en lugar de gas, lo que supone las siguientes ventajas: a)

Disminuye el número de cilindros en servicio requeridos para alimentar el clorador, debido a que la extracción de cloro líquido no plantea las mismas limitaciones que la de cloro gaseoso.

b)

Se evita la relicuefacción del cloro en las líneas de conducción. Esto es especialmente importante cuando la longitud de la tubería entre la sala de almacenamiento y la de cloración es significativa.

Los evaporadores que van montados lo más cerca posible de los equipos de cloración consisten en un tanque dentro de un baño de agua caliente, cuya temperatura es controlada por un termostato a 70-75 °C. Esto hace que el cloro pase del estado líquido al gaseoso y en esta forma es llevado a los cloradores.

Sala de cloración

261

Para evitar que el cloro líquido pueda pasar al clorador y dañarlo, se incluye una válvula que se cierra automáticamente y hace sonar una alarma cuando la temperatura baja de los 65 °C. También es necesario considerar lo siguiente: •

Una criba para retener las impurezas del cloro y la posible formación de nieblas o condensación del gas en gotitas, lo que es perjudicial para los equipos.

•

Una válvula reductora de presión en la tubería de salida del evaporador.

La figura 6-28 muestra una estación de cloración para 6 m3/s con evaporadores (hilera de la derecha) y cloradores (fila del fondo). 4.5

Sistemas de control

Figura 6-28. Evaporadores para operar con cloro líquido (2)

Para los sistemas de control, debemos hacer uso de todo nuestro ingenio para no llegar a sofisticaciones innecesarias. El caso más común se presenta cuando se tiene caudal de agua constante y demanda constante de cloro; aquí todo se reduce a instalar un sistema de cloración con ajuste de dosificación manual y alguna forma de parar el equipo cuando sea necesario. 4.5.1 Sistemas automáticos El control automático de la cloración se basa en la medición, por medio de sensores, de la dosis de cloro residual en el efluente de la planta. El equipo envía una señal que puede ser interpretada por un receptor de la siguiente manera: Figura 6-29. Sala de sistemas de control automático de la cloración (2)

262


a)

Accionar una alarma para que el operador corrija manualmente la dosis.

b)

Accionar el equipo de ajuste automático del rotámetro de acuerdo con la dosis prefijada en el sistema. Este sería un sistema totalmente automatizado.

Los equipos automáticos (figuras 6-30 y 6-31) usualmente incluyen sistemas analógicos, digitales o carta gráfica para mostrar y almacenar información sobre el proceso de dosificación. Estos equipos tienen la ventaja de reducir el error humano en la dosificación, pero son de alto costo y requieren mantenimiento especializado. Los principales casos de control automático se presentan en el cuadro 6-8. Cuadro 6-8. Sistemas automáticos (5) Caudal

N.° 1

Constante

2

Variable

3

Constante

4

Variable

Demanda Constante

a) Variaciones continuas b) Variaciones por pasos

Constante Variable

a) Variaciones continuas b) Variaciones por pasos

Variable

Los casos 3 y 4 son bastante raros y se puede decir que en agua potable no se dan. Solo se han visto situaciones como estas en los casos de aguas residuales. Los casos 1 y 2 sí se presentan en agua potable, cuando el abastecimiento se realiza por pozos. Cuando se bombea directamente del pozo a la red, tendremos gasto variable de acuerdo con las horas del día y cuando tenemos un tanque regulador alimentado por una serie de pozos, se presenta el caso de variación por pasos, al operar uno, dos o varios pozos. Para caudales variables, existen los medidores primarios del tipo Venturi o de orificio para el caso de ductos cerrados; para canales abiertos, se emplean los medidores Parshall y vertederos, instrumentos sencillos y fáciles de operar, capaces de enviar una señal al clorador para que obedezca en forma proporcional al gasto, aumentando o disminuyendo el caudal de solución por aplicar.

Sala de cloración

Gabinete de comando de caudal de gas

263

Gabinete de comando del equipo Gabinete de graforregistrador

Analizador de cloro

Suministro de gas Suministro de energía Línea de vacío Línea de señal

Línea de muestreo

Bomba reforzadora Inyector

Medidor de caudal

Dirección de flujo

Figura 6-30. Sistema de control automático de lazo compuesto (3) Válvula manual de bypass

Señal de residual o caudal al controlador

Regulador de presión diferencial

Motor

Indicador de ratio

Señal de residual o caudal al controlador

Línea de vacío Válvula de seguridad para la entrada Suministro de gas

Línea de vacío

Válvula automática

Regulador de vacío

Inyector con válvula de retención Solución

Suministro de agua

Venteo

Agua de proceso

Figura 6-31. Diagrama de flujo, sistema de comando automático (3)

5.

PUNTO DE APLICACIÓN

Normalmente, la solución de cloro se aplica en la cámara de salida de la planta de tratamiento, en una zona con una sumergencia no menor de un metro, con el fin de reducir el escape de cloro. Cuando se utiliza un clorador de alimentación directa, el difusor debe colocarse en el fondo de la cámara con sumergencia constante. No se recomienda un tanque con altura de agua variable, porque se perdería mucho gas en la atmósfera. Es importante que la aplicación se haga mediante un difusor para difundir mejor el cloro en el punto apropiado. Se pueden dar tres casos en relación con el punto de aplicación del cloro:

264

1) 2) 3)


aplicación en ducto cerrado; aplicación en canal abierto; aplicación en un tanque.

Conducto de solución de cloro Nivel mínimo de agua Soporte del difusor

1,0

Difusor de orificios

En el caso de ductos cerrados y si el diámetro es pequeño, solo debemos cuidar de que la solución no tenga contacto directo con el ducto en el punto mismo de aplicación. Esto se logra mediante difusores de plástico tipo bayoneta, introducidos a una profundidad de 1/3 del diámetro del ducto.

En canal abierto

Conducto de solución de cloro Campana de succión Aprox. 6’’

Soporte del difusor

Difusor de orificios

Con campana de succión

Figura 6-32. Soluciones para aplicación en canal abierto y cámara húmeda (4) Para el caso de canales abiertos, el cuidado estriba en no permitir que se pierda el cloro hacia la atmósfera, por efecto de una mala difusión en el caudal principal. Para esto, si se coloca un difusor en el fondo del canal, con orificios que permitan una distribución uniforme en todo el ancho del ducto, podemos garantizar un aprovechamiento óptimo (figura 6-32).

Cuando se requiera efectuar la aplicación de la solución clorada en tanques de almacenamiento o regulación, se presentan algunos casos tan sencillos como tener una entrada y una salida o múltiples entradas y salidas, y todas en diferentes puntos del tanque. En el primer caso, el problema se reduce a aplicar en ducto cerrado, ya sea a la entrada o a la salida; en el segundo, es prácticamente imposible lograr un buen diseño que garantice evitar las perdidas de cloro a la atmósfera y la formación de zonas de alta y baja concentración de cloro dentro del tanque.

Sala de cloración

6.

265

CÁMARA DE CONTACTO

La cámara de contacto tiene como función asegurar un tiempo de contacto fijo entre el agua y el cloro, de tal modo de asegurar la remoción de bacterias, virus y parásitos presentes en el agua. 6.1

Tiempo de contacto para la reducción de bacterias

Después de la aplicación del desinfectante para asegurar la remoción de bacterias, normalmente se ha venido aplicando al agua clorada un tiempo de contacto no menor de 20 a 30 minutos. En el ejemplo desarrollado en el cuadro 6-7, se requiere una cámara de contacto de 150 m3. Para evitar cortocircuitos, es necesario colocar pantallas, de manera que el volumen quede dividido por lo menos en tres sectores. La cámara de contacto del ejemplo podría tener 2,50 metros de alto, 10 metros de largo y 6 metros de ancho. Q

Entrada

Agua clorada

Salida

Q

Figura 6-33. Esquema de cámara de contacto

6.2

Tiempo de contacto para la reducción de parásitos

La Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) recomienda tener en cuenta criterios especiales para la reducción e inactivación de Giardia y virus. En nuestro medio, estos criterios deberían aplicarse por lo menos al diseñar los sistemas de cloración para las zonas de parasitosis endémica, normalmente las poblaciones ubicadas en la costa y en la selva. Se recomienda la aplicación del producto del tiempo de contacto (T) en minutos, por la dosis o concentración de cloro (C) en mg/L requerida para cada caso, en función de la temperatura, del pH del agua y de la dosis de cloro libre seleccionada. La máxima concentración de cloro (C) que puede aplicarse al agua, tomando en cuenta su eficacia y consideraciones estéticas (gusto y olor) es normalmen-

266


te de 2,5 mg/L como cloro residual libre. Por consiguiente, los ajustes en el tiempo de contacto ofrecen la mejor opción para la optimización de la desinfección. Procedimiento: 1)

Estimar el nivel total de reducción o inactivación logarítmica de Giardia que puede esperarse de los procesos de tratamiento de agua, a partir de la calidad del agua cruda y del posible nivel de operación y mantenimiento, de acuerdo con el grado de desarrollo y de los recursos localmente disponibles. Generalmente, los requisitos de inactivación de Giardia son más difíciles de cumplir que los que se plantean para los virus; en consecuencia, los criterios para la inactivación de Giardia son los principales. El requisito estándar para una planta con buena eficiencia de remoción de partículas es de tres niveles logarítmicos de inactivación. Se pueden considerar cuatro niveles logarítmicos o más para un sistema sin protección de la fuente, expuesto a efluentes del tratamiento de aguas residuales o a descargas domésticas sin tratamiento, práctica todavía habitual en los países de América Latina.

2)

Estimar el nivel de reducción logarítmica en función del tipo de planta que se va a proyectar. El cuadro 6-9 presenta la remoción esperada de Giardia y virus mediante los diversos tipos de plantas de filtración, en condiciones óptimas. Cuadro 6-9. Remoción esperada de quistes de Giardia y virus mediante filtración (6) Filtración Convencional Directa Lenta en arena Tierra de diatomeas

3) 1

Remoción logarítmica Giardia

Virus

2,5 2,0 2,0 2,0

2,0 1,0 2,0 1,0

Seleccionar un valor de tiempo de contacto por concentración de cloro (TC)1 , a partir de la capacidad de reducción logarítmica estimada para la

Véanse en el anexo los valores de TC para la inactivación de Giardia y virus mediante Cl2 libre.

Sala de cloración

267

planta (cuadro 6-9), el pH máximo, la temperatura mínima del agua tratada y el residual máximo de desinfectante estimado. El pH máximo y la temperatura mínima del agua tratada se consideran para asegurar la capacidad del sistema en las condiciones más desfavorables. Cuando se usa cloro como desinfectante, el residual máximo considerado es de 2,5 mg/L. Este límite se basa en investigaciones en las que se concluyó que el tiempo de retención es más importante que la concentración del desinfectante con cloro residual libre por encima de 2,5 mg/L, además de la tolerancia del consumidor a residuales mayores. 4)

Calcular el tiempo de retención requerido para el TC seleccionado. La ecuación de cálculo es la siguiente: T req (mín) = TC (mg/L – min) / desinfectante residual (mg/L) (9)

Donde: Treq = tiempo requerido por el proceso de desinfección. T Creq = requisitos de TC a partir de los cuadros del anexo para condiciones de posdesinfección. Desinfectante residual = residual de operación que deseamos se mantenga en la planta en el punto de salida del proceso de desinfección. 5)

Seleccione un volumen efectivo para la cámara de contacto, descontando el volumen disponible en reservorios y tuberías de distribución. En el caso de los reservorios, si los proyectamos con pantallas interiores, como cámaras de contacto, podremos obtener un tiempo de contacto mayor. En el caso de que el reservorio sea ya existente, se deberá calcular el tiempo de contacto disponible en las condiciones más desfavorables de operación, con la profundidad mínima disponible. Lo más adecuado sería determinar el tiempo de contacto real del reservorio en las condiciones más desfavorables (ver el procedimiento en Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual III: Evaluación). Si no se dispone de esa información, el volumen efectivo se podrá obtener multiplicando por los factores indicados en el cuadro 6-10 el volumen total del reservorio. Se debe tener mucho cuidado para aplicar un factor mayor de 0,10 a un tanque sin compartimientos.

268


Cuadro 6-10. Factores para determinar el tiempo de contacto efectivo (6) Condición de la Factor compartimentalización Sin compartimientos

0,1

Deficiente

0,3

Promedio

0,5

Superior

0,7

Excelente

0,9

Perfecta (flujo pistón)

1,0

Descripción de la compartimentalización Ninguna, unidades con agitación, velocidad alta en la entrada y salida, nivel variable de agua. Entrada y salida simple o múltiple, directa y sin pantallas. Sin compartimientos internos. Entrada y salida no directas, interrumpidas por algunos compartimientos internos. Compartimientos perforados en la entrada, compartimientos perforados en forma de serpentín en el interior de la unidad, vertedero en la salida o vertedero perforado. Compartimientos en forma de serpentín a lo largo de toda la unidad. Flujo de tubería.

6)

Una vez calculado el tiempo de contacto disponible en el sistema antes del primer usuario, se descuenta del tiempo requerido (Treq), calculado con la ecuación (9), y la diferencia será el volumen con el que se deberá proyectar la cámara de contacto, para cumplir con el objetivo de inactivar huevos de parásitos y virus.

7.

VENTILACIÓN Y EQUIPOS DE PROTECCIÓN

Todo el equipo de cloración debe montarse en un ambiente amplio, bien ventilado y de uso exclusivo. Las instalaciones pequeñas pueden ventilarse solamente con ventanas colocadas en la parte inferior de los muros, ya que por ser el cloro más pesado que el aire, tiende a quedarse depositado sobre el suelo. Las estaciones de cloración más grandes requieren, además, extractores de aire colocados en la parte baja de la sala, operables desde el exterior.

Figura 6-34. Sistemas de protección (2)

Sala de cloración

269

En estos sistemas se recomienda un cambio total del volumen de aire cada 15 minutos en tiempo normal y cada tres minutos cuando existe posibilidad de que se produzcan fugas de cloro. Los extractores deben calcularse de acuerdo con esta norma. Al escoger la ubicación de los cloradores y demás equipos, debe ponerse especial cuidado en que todas las tuberías queden a la vista, sujetas contra la pared y situadas en lugares accesibles que faciliten una rápida inspección y reparación. Además, deben incluirse en el diseño todos los equipos de protección necesarios, para que se puedan detectar en cualquier momento los escapes de cloro y repararlos, sin peligro para los operadores de la planta. Los implementos de protección más importantes son los siguientes: a) b) c) d)

sistema de alarma; máscaras; equipos de taponamiento de fugas; botella de amoniaco.

7.1

Sistemas de alarma

Existen varios tipos de alarmas que pueden incluirse en los diseños de las estaciones de cloración. Las más importantes son las siguientes: • • •

alarmas de pared; discos rompibles; alarmas internas de los equipos.

Las alarmas de pared pueden ser de dos tipos. El primero consiste en un papel sensitivo impregnado de ortotolidina, cuya decoloración es analizada por una célula fotoeléctrica y los resultados transmitidos a un circuito de alarma; este último entra en funcionamiento cuando existe decoloración del papel.

Figura 6-35. Alarmas de pared (2)

270


El otro tipo consiste en una celda que detecta los cambios de conductividad de un cierto volumen de agua, por la que se hace circular una corriente de aire proveniente del ambiente por analizar. Si existe cloro presente en la muestra de aire, suena la alarma y permanece sonando hasta que se corrija la fuga de cloro. El Instituto del Cloro en Estados Unidos recomienda el uso de una cámara de expansión para tuberías largas de conducción de cloro, entre los cilindros y los aparatos de cloración. Estas cámaras Figura 6-36. Máscara contienen un disco que se rompe a una presión de 300 de oxígeno (2) a 400 lb/pulgada2 y permite que el cloro se escape hacia la cámara de expansión, donde hace sonar una alarma. Estas cámaras suelen instalarse a veces en combinación con válvulas de cierre automático que, en cuanto se rompe el disco, cierran el paso del flujo del cloro a las líneas de aducción. 7.2

Equipo de protección para los operadores A fin de que las fugas puedan ser reparadas sin peligro para los operadores, deben incluirse máscaras protectoras dentro del equipo de cloración. Esto es algo que lamentablemente se descuida con mucha frecuencia. Básicamente, hay tres tipos de máscaras: a)

b) c) Figura 6-37. Armarios con el equipo para atención de fugas (2)

La máscara tipo canister, que debe reemplazarse periódicamente y no sirve para altas concentraciones de cloro en el ambiente. La máscara con tanque de aire, que permite trabajar hasta 35 minutos. La máscara de oxígeno, que fabrica este elemento y puede durar hasta 45 minutos.

Sala de cloración

271

El equipo para atención de emergencias en el caso de una fuga de cloro debe guardarse en armarios ubicados en la parte exterior de la estación. De preferencia, al pie de la puerta de entrada a la sala, para que el operador pueda acceder a él fácilmente. Según las recomendaciones de la EPA, el operador debe hacer uso de este equipo cada vez que deba cambiar un cilindro de cloro. La operación debe estar a cargo de dos personas simultáneamente. Figura 6-38. Vehículo equipado para El vehículo de la figura 6-38 emergencias originadas por el cloro (2) está equipado con todo lo necesario para atender una fuga de importancia, inclusive un traje especial para proteger a los operadores contra el cloro.

Esta solución permite atender varias plantas que se encuentran dentro del perímetro de la ciudad atendida por esta empresa.

8.

RECOMENDACIONES PARA EL PROYECTO

•

La caseta de cloración debe estar aislada del resto de la casa de química o edificio de operaciones. En caso de que se produzca una fuga importante, no comprometerá otras instalaciones ubicadas a su alrededor. •

Figura 6-39. Falta un clorador alterno (2)

Las paredes exteriores de la caseta deben construirse con ladrillo hueco para darle suficiente ventilación. Esto vale especialmente para la parte baja de los muros.

272


•

Las partes metálicas (balanza, cadenas o barras de protección, etcétera) deben llevar protección anticorrosiva.

•

Los equipos de protección para fugas deben estar ubicados fuera de la sala y muy cerca del ingreso.

•

Los equipos de bombeo deben instalarse en una zona aislada de la caseta, para protegerlos de las fugas de gas.

•

Las tuberías, válvulas y accesorios deben ser de plástico.

•

Tanto los cilindros de reserva como los que están en uso deben tener una cadena o barra de sujeción para prevenir el volcamiento.

9.

PROBLEMAS MÁS COMUNES

La cloración es el proceso que involucra más riesgos para el operador y es en la cloración que se suelen cometer más errores, desde la instalación de la caseta. A continuación se presentan los problemas más comunes al momento de proyectar una estación de cloración, a fin de estar preparados para evitarlos. Figura 6-40. Falta un clorador alterno (2)

•

Figura 6-41. Sala de cloración mal ubicada e instalada (2)

Uno de los defectos más comunes es encontrar que no se ha considerado un clorador alterno ni una bomba alterna para la alimentación de agua del equipo.

En cualquiera de ambos casos, si el equipo en operación se descompone, el proceso cae y la contaminación microbiológica podría salir a la red de distribución (véanse las figuras 6-39 y 6-40).

Sala de cloración

273

La figura 6-41 muestra un caso en el que no se tuvo en cuenta ninguna de las recomendaciones indicadas anteriormente. La sala de cloración está dentro de la casa de química de la planta, frente al laboratorio y a muy poca distancia de la sala de dosificación, de tal manera que Figura 6-42. Sala de cloración si se produjera una fuga, defectuosa (2) afectaría al personal que trabaja en estas dependencias y comprometería seriamente muchos equipos. Además, se puede observar que no existe grúa para trasladar los cilindros sino que estos son transportados en un carrito por todo el edificio hasta llegar a destino y la sala carece totalmente de ventilación, lo que incrementa aún más el riesgo en caso de fuga. La sala de cloración de la figura 6-42 es muy estrecha para cilindros de una tonelada. Los cilindros no están dispuestos y anclados adecuadamente. No hay grúa para izarlos. No se han dejado corredores para que los operadores se desplacen. No hay balanza. No hay sistema de alarma ni equipo de protección para fugas de cloro.

Figura 6-43. Sala de cloración mal instalada (2)

La figura 6-43 muestra otra instalación defectuosa, en la que el proyectista no previó el área ni las facilidades necesarias: el equipo está colocado al pie de la puerta, lo que plantea el riesgo de que se caiga si no se tiene cuidado al entrar. No hay ventilación ni balanza ni equipo de cloración alterno.

274


Figura 6-44. Sala de cloración mal ventilada (2)

Figura 6-45. Sala de cloración incompleta (2)

La sala de cloración de la figura 6-44 tiene la ventilación en la parte alta. Evidentemente, el proyectista desconocía que el cloro es más pesado que el aire y tiende a depositarse a nivel del piso. Además, no había equipo de protección para fugas de cloro. La sala de cloración de la figura 6-45 carece de equipo alterno, de balanza, de equipo de protección para fugas de cloro, mientras que la ventilación considerada no llega hasta

Figura 6-46. Solución ingeniosa pero incompleta (2)

el nivel del piso, que es justamente donde se acumula el gas cloro.

Figura 6-47. Entrada de una cámara de contacto de cloro (2)

Es evidente que la sala de cloración de la figura 6-46 está muy ventilada, pero no hay balanza y faltan clorador alterno, equipo de protección para manipular los cilindros y barras de sujeción para los cilindros.

Sala de cloración

275

La figura 6-47 muestra la entrada a una cámara de contacto de cloro. La tubería que se observa es la conducción de la solución de cloro, que se está vertiendo desde arriba y en forma puntual. El gas se perdía en la atmósfera y el olor del cloro se podía sentir a distancia. La figura 6-48 muestra lo que Figura 6-48. Descarga inadecuada de tiene que hacer el personal de cilindros de cloro de una tonelada (2) operación de una planta en cuyo proyecto se olvidó considerar la instalación de una grúa para izar los cilindros de una tonelada. El personal debe ejecutar una operación muy riesgosa, en la que se dejan caer los cilindros desde la plataforma de un camión sobre unas llantas, para luego llevarlos rodando hasta el almacén.

276


REFERENCIAS (1)

Arboleda Valencia, J. (1987) “Estaciones de cloración”, capítulo VIII del Manual de desinfección del agua. Memorias del Seminario Internacional sobre Tecnología Simplificada para Potabilización del Agua. Cali, ACODAL.

(2)

Canepa de Vargas, L. Estudios y fotos de archivo. Lima, CEPIS/OPS, 2004.

(3)

Rodríguez Araya, V (1992). Manual V, Diseño. Tomo IV, “Criterios de diseño para estaciones de cloración”. Programa Regional HPE/CEPIS/OPS de Mejoramiento de la Calidad del Agua para Consumo Humano. Lima, CEPIS.

(4)

Pacheco, V. (1992). Manual III Teoría. Tomo IV, “Desinfección”. Programa Regional HPE/CEPIS/OPS de Mejoramiento de la Calidad del Agua para Consumo Humano. Lima, CEPIS.

(5)

Peña Díaz, A. (1984). “Criterios generales para el diseño de sistemas de cloración”. Copias del Curso Internacional CEPIS/OPS de Procesos Unitarios y Anteproyectos de Plantas Potabilizadoras. Guadalajara.

(6)

Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) (1998). Optimización de la producción de plantas de tratamiento de agua mediante el Programa de Corrección Compuesto. Lima, CEPIS.

(7)

Di Bernardo, L. (1993). Métodos y técnicas de tratamiento de agua. Vol. II. Río de Janeiro, ABES.

(8)

Normas Brasileñas. Projeto de Estacão de Tratamento de Água para Abastecimiento Público. Procedimiento NB–592 JAN/1987.

Sala de cloración

Anexo A Valores TC para la inactivación de Giardia y virus mediante Cl2 libre y otros desinfectantes

Todos los cuadros de este anexo provienen del Guidance Manual for Compliance with the Filtration and Disinfection Requirements for Public Water Systems Using Surface Water Sources, Appendix E, Science and Technology Branch, Criteria and Standards Division, Office of Drinking Water, Washington, D. C., EPA, 1989.

277

278


23 24 24 25 25 26 26 27 28 28 29 29 30 30

<=0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3

46 48 49 51 52 54 55 56 58 59 60 61 63 64

<=0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3

69 71 73 74 76 78 79 81 83 85 86 88 89 91

1,5 91 94 97 99 101 103 105 108 110 113 115 117 119 121

2,0 114 118 121 123 127 129 131 135 138 141 143 146 148 151

2,5

92 95 98 101 104 107 110 113 115 118 120 123 125 127

1,0 139 143 148 152 157 161 165 169 173 177 181 184 188 191

1,5 185 191 197 203 209 214 219 225 231 235 241 245 250 255

2,0 231 238 246 253 261 268 274 282 288 294 301 307 313 318

2,5

pH = 8,0 Log de inactivación

46 47 48 49 51 52 52 54 55 56 57 58 59 60

1,0

pH <= 6,0 Log de inactivación

277 286 295 304 313 321 329 338 346 353 361 368 375 382

3,0

137 141 145 148 152 155 157 162 165 169 172 175 178 181

3,0

NOTA: CT 99,9 = CT para 3-log de inactivación.

0,5

(mg/L)

Concentración del cloro

0,5

(mg/L)


55 57 59 61 63 65 66 68 70 71 73 74 75 77

0,5

27 28 29 29 30 31 32 32 33 34 34 35 36 36

0,5 82 84 86 88 90 92 95 97 99 101 103 105 107 109

109 112 115 117 120 123 126 129 131 134 137 139 142 145

2,0 136 140 143 147 150 153 158 161 164 168 171 174 178 181

2,5

110 114 118 122 125 129 132 136 139 142 145 148 151 153

165 171 177 183 188 194 199 204 209 213 218 222 226 230

1,0 1,5 219 228 236 243 251 258 265 271 278 284 290 296 301 307

2,0 274 285 295 304 313 323 331 339 348 355 363 370 377 383

2,5


54 56 57 59 60 61 63 64 66 67 68 70 71 72

1,0 1,5


329 342 354 365 376 387 397 407 417 426 435 444 452 460

3,0

163 168 172 176 180 184 189 193 197 201 205 209 213 217

3,0

65 68 70 73 75 77 80 82 83 85 87 89 91 92

0,5

33 33 34 35 36 37 38 39 39 40 41 42 43 44

0,5 98 100 103 105 108 111 113 116 118 121 124 126 129 131

1,5 130 133 137 140 143 147 151 154 157 161 165 168 171 174

2,0 163 167 171 175 179 184 188 193 197 202 206 210 214 218

2,5

130 136 141 146 150 155 159 163 167 170 174 178 181 184

1,0 195 204 211 219 226 232 239 245 250 256 261 267 272 276

1,5

260 271 281 291 301 309 318 326 333 341 348 355 362 368

2,0

325 339 352 364 376 387 398 408 417 426 435 444 453 460

2,5

pH < =9,0 Log de inactivación

65 67 68 70 72 74 75 77 79 81 82 84 86 87

1,0


390 407 422 437 451 464 477 489 500 511 522 533 543 552

3,0

195 200 205 210 215 221 226 231 236 242 247 252 257 261

3,0 40 40 41 42 43 44 46 47 48 50 50 51 52 53

0,5 79 80 82 84 86 89 91 93 95 99 99 101 103 105

119 120 123 127 130 133 137 140 143 149 149 152 155 158

1,0 1,5 158 159 164 169 173 177 182 186 191 198 199 203 207 211

2,0 198 199 205 211 216 222 228 233 238 248 248 253 258 263

2,5


Cuadro A-1. Valores CT para la inactivación de quistes de Giardia con cloro libre a 0,5 °C o menos

237 239 246 253 259 266 273 279 286 297 298 304 310 316

3,0


16 17 17 18 18 18 19 19 19 20 20 20 21 21

<=0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3

33 34 35 36 37 38 39 40 41 41 42 43 44 45

<=0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3

49 50 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63

1,5 65 67 69 70 71 73 74 76 77 79 80 81 83 84

2,0 81 83 86 88 89 91 93 95 97 98 100 102 103 105

2,5

66 68 70 72 74 76 77 79 81 83 84 86 88 89

1,0 99 102 105 108 111 114 116 119 122 124 127 129 132 134

1,5 132 136 140 144 147 151 155 159 162 165 169 172 175 179

2,0 165 170 175 180 184 189 193 198 203 207 211 215 219 223

2,5


32 33 34 35 36 36 37 38 39 39 40 41 41 42

1,0


198 204 210 216 221 227 232 238 243 248 253 258 263 268

3,0

97 100 103 105 107 109 111 114 116 118 120 122 124 126

3,0


0,5

(mg/L)


0,5

(mg/L)


39 41 42 43 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54

0,5

20 20 20 21 21 22 22 23 23 23 24 24 25 25

0,5 59 60 61 63 64 65 66 68 69 70 72 73 74 76

78 80 81 83 85 87 88 90 92 93 95 97 99 101

2,0 98 100 102 104 106 108 110 113 115 117 119 122 123 126

2,5

79 81 84 87 89 91 94 96 98 100 102 104 106 108

118 122 126 130 134 137 141 144 147 150 153 156 159 162

1,0 1,5 157 163 168 173 178 183 187 191 196 200 204 208 212 216

2,0 197 203 210 217 223 228 234 239 245 250 255 260 265 270

2,5


39 40 41 42 42 43 44 45 46 47 48 49 49 50

1,0 1,5


236 244 252 260 267 274 281 287 294 300 306 312 318 324

3,0

117 120 122 125 127 130 132 135 138 140 143 146 148 151

3,0

47 49 50 52 53 55 56 58 59 60 61 63 64 65

0,5

23 24 24 25 25 26 26 27 28 28 29 29 30 30

0,5 70 72 73 75 76 78 79 81 83 85 86 88 89 91

1,5 93 95 97 99 101 103 105 108 110 113 115 117 119 121

2,0 116 119 122 124 127 129 132 135 138 141 143 146 148 152

2,5

93 97 100 104 107 110 112 115 118 120 123 125 127 130

1,0 140 146 151 156 160 165 169 173 177 181 184 188 191 195

1,5

186 194 201 208 213 219 225 230 235 241 245 250 255 259

2,0

233 243 251 260 267 274 281 288 294 301 307 313 318 324

2,5


46 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 61

1,0

pH = 7.0 Log de inactivación

279 291 301 312 320 329 337 345 353 361 368 375 382 389

3,0

139 143 146 149 152 155 158 162 165 169 172 175 178 182

3,0 28 29 29 30 31 31 32 33 33 34 35 36 36 37

0,5 55 57 58 60 61 62 64 65 67 68 70 71 72 74

83 86 88 90 92 94 96 98 100 102 105 107 109 111

1,0 1,5 111 114 117 119 122 125 128 131 133 136 139 142 145 147

2,0 138 143 146 149 153 156 160 163 167 170 174 178 181 184

2,5


Cuadro A-2. Valores CT para la inactivación de quistes de Giardia con cloro libre a 5 oC o menos

166 171 175 179 183 187 192 196 200 204 209 213 217 221

3,0


12 13 13 13 13 14 14 14 15 15 15 15 16 16

<=0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3

25 26 26 27 28 28 29 30 30 31 32 32 33 34

<=0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3

37 38 39 40 40 41 42 43 44 45 45 46 47 48

1,5 49 50 52 53 53 55 55 57 58 59 60 61 62 63

2,0 61 63 65 66 67 68 69 72 73 74 75 77 78 79

2,5

50 51 53 54 55 57 58 60 61 62 63 65 66 67

1,0 75 77 79 81 83 85 87 90 91 93 95 97 99 101

1,5 99 102 105 108 111 113 116 119 121 124 127 129 131 134

2,0 124 128 132 135 138 142 145 149 152 155 158 162 164 168

2,5


24 25 26 26 27 27 28 29 29 30 30 31 31 32

1,0


149 153 158 162 166 170 174 179 182 186 190 194 197 201

3,0

73 75 78 79 80 82 83 86 87 89 90 92 93 95

3,0


0,5

(mg/L)


0,5

(mg/L)


30 31 32 33 33 34 35 36 37 38 38 39 40 41

0,5

15 15 15 16 16 16 17 17 17 18 18 18 19 19

0,5 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57

59 60 61 63 63 65 66 67 69 70 71 73 74 75

2,0 73 75 77 78 79 82 83 84 87 88 89 92 93 94

2,5

59 61 63 65 67 69 70 72 74 75 77 78 80 81

89 92 95 98 100 103 106 108 111 113 115 117 120 122

1,0 1,5 118 122 126 130 133 137 141 143 147 150 153 156 159 162

2,0 148 153 158 163 167 172 176 179 184 188 192 195 199 203

2,5


29 30 31 31 32 33 33 34 35 35 36 37 37 38

1,0 1,5


177 183 189 195 200 206 211 215 221 225 230 234 239 243

3,0

88 90 92 94 95 98 99 101 104 105 107 110 111 113

3,0

35 36 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49

0,5

17 18 18 19 19 19 20 20 21 21 22 22 22 23

0,5 52 54 55 56 57 58 60 61 62 64 65 66 67 69

1,5 69 71 73 75 76 77 79 81 83 85 86 87 89 91

2,0 87 89 92 93 95 97 99 102 103 106 108 109 112 114

2,5

70 73 75 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 97

1,0

105 109 113 117 120 124 127 130 133 136 138 141 144 146

1,5

139 145 151 156 160 165 169 173 177 181 184 187 191 195

2,0

174 182 188 195 200 206 211 216 221 226 230 234 239 243

2,5


35 36 37 37 38 39 40 41 41 42 43 44 45 46

1,0


209 218 226 234 240 247 243 259 265 271 276 281 287 292

3,0

104 107 110 112 114 116 119 122 124 127 129 131 134 137

3,0 21 21 22 22 23 23 24 25 25 26 26 27 27 28

0,5 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55

63 64 66 67 69 70 72 74 75 77 79 80 82 83

1,0 1,5 83 85 87 89 91 93 96 98 100 102 105 107 109 111

2,0 104 107 109 112 114 117 120 123 125 128 131 133 136 138

2,5


Cuadro A-3. Valores CT para la inactivación de quistes de Giardia con cloro libre a 10 oC

125 128 131 134 137 140 144 147 150 153 157 160 163 166

3,0


8 9 9 9 9 9 10 10 10 10 10 10 11

<=0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3

17 17 18 18 19 19 19 20 20 21 21 22 22 22

<=0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3

25 25 26 27 27 28 28 29 29 30 30 31 31 32

1,5 33 33 35 35 36 37 37 38 39 39 40 41 41 42

2,0 41 42 43 44 45 46 47 48 48 49 50 51 52 53

2,5

33 34 35 36 37 38 39 40 41 41 42 43 44 45

1,0 50 51 53 54 56 57 58 60 61 62 64 65 66 67

1,5 66 68 70 72 74 76 77 79 81 83 85 86 88 89

2,0 83 85 88 90 93 95 97 99 102 103 106 108 110 112

2,5


16 17 17 18 18 18 19 19 19 20 20 20 21 21

1,0


99 102 105 108 111 114 116 119 122 124 127 129 132 134

3,0

49 50 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63

3,0


0,5

(mg/L)


0,5

(mg/L)


20 20 21 22 22 23 24 24 25 25 26 26 27 27

0,5

1 1 1 11 11 11 11 11 12 12 12 12 12 13

0,5 30 30 31 32 32 33 33 34 35 35 36 37 37 38

39 40 41 42 43 43 44 45 46 47 48 49 49 51

2,0 49 50 51 53 53 54 55 57 58 58 60 61 62 63

2,5

39 41 42 43 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54

59 61 63 65 67 69 71 72 74 75 77 78 80 81

1,0 1,5 79 81 84 87 89 91 94 96 98 100 102 104 106 108

2,0 98 102 105 108 112 114 118 120 123 125 128 130 133 135

2,5


20 20 20 21 21 22 22 23 23 23 24 24 25 25

1,0 1,5


118 122 126 130 134 137 141 144 147 150 153 156 159 162

3,0

59 60 61 63 64 65 66 68 69 70 72 73 74 76

3,0

23 24 25 26 27 28 28 29 30 30 31 31 32 33

0,5

12 12 12 13 13 13 13 14 14 14 14 15 15 15

0,5 35 36 37 38 38 39 40 41 42 43 43 44 45 46

1,5 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57 57 59 59 61

2,0 58 60 61 63 63 65 66 68 69 71 72 73 74 76

2,5

47 49 50 52 53 55 56 58 59 60 61 63 64 65

1,0 70 73 76 78 80 83 85 87 89 91 92 94 96 98

1,5

93 97 101 104 107 110 113 115 118 121 123 125 127 130

2,0

117 122 126 130 133 138 141 144 148 151 153 157 159 163

2,5


23 24 24 25 25 26 26 27 28 28 29 29 30 30

1,0


140 146 151 156 160 165 169 173 177 181 184 188 191 195

3,0

70 72 73 75 76 78 79 81 83 85 86 88 89 91

3,0 14 14 15 15 15 16 16 16 17 17 18 18 18 19

0,5 28 29 29 30 31 31 32 33 33 34 35 36 36 37

42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 53 54 55 56

1,0 1,5 55 57 59 60 61 63 64 65 67 68 70 71 73 74

2,0 69 72 73 75 77 78 80 82 83 85 88 89 91 93

2,5


Cuadro A-4. Valores CT para la inactivación de quistes de Giardia con cloro libre a 15 °C

83 86 88 90 92 94 96 98 100 102 105 107 109 111

3,0


6 6 7 7 7 7 7 7 7 7 8 8 8 8

<=0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3

12 13 13 14 14 14 15 15 15 16 16 16 17 17

<=0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3

18 19 20 20 20 21 21 22 22 22 23 23 24 24

1,5 24 25 26 26 27 27 28 29 29 29 30 31 31 31

2,0 30 32 33 33 33 34 35 36 37 37 38 38 39 39

2,5

25 26 26 27 28 28 29 30 30 31 32 32 33 34

1,0 37 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51

1,5 49 51 53 54 55 57 58 59 61 62 63 65 66 67

2,0 62 64 66 68 69 71 73 74 76 78 79 81 83 84

2,5


12 13 13 13 13 14 14 14 15 15 15 15 16 16

1,0


74 77 79 81 83 85 87 89 91 93 95 97 99 101

3,0

36 38 39 39 40 41 42 43 44 44 45 46 47 47

3,0


0,5

(mg/L)


0,5

(mg/L)


15 15 16 16 17 17 18 18 18 19 19 20 20 20

0,5

7 8 8 8 8 8 8 9 9 9 9 9 9 10

0,5 22 23 23 24 24 25 25 26 26 27 27 28 28 29

29 30 31 31 32 33 33 34 35 35 36 37 37 38

2,0 37 38 38 39 40 41 42 43 43 44 45 46 47 48

2,5

30 31 32 33 33 34 35 36 37 38 38 39 40 41

45 46 48 49 50 52 53 54 55 57 58 59 60 61

1,0 1,5 59 61 63 65 67 69 70 72 73 75 77 78 79 81

2,0 74 77 79 82 83 86 88 90 92 94 96 98 99 102

2,5


15 15 15 16 16 16 17 17 17 18 18 18 19 19

1,0 1,5


89 92 95 98 100 103 105 108 110 113 115 117 119 122

3,0

44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57

3,0

18 18 19 20 20 21 21 22 22 23 23 24 24 24

0,5

9 9 9 9 10 10 10 10 10 11 11 11 11 11

0,5 26 27 28 28 29 29 30 31 31 32 33 33 34 34

1,5 35 36 37 37 38 39 39 41 41 42 43 44 45 45

2,0 43 45 46 47 48 48 49 51 52 53 54 55 56 57

2,5

35 36 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49

1,0 53 55 57 59 60 62 63 65 66 68 69 71 72 73

1,5

70 73 75 78 80 82 84 86 88 90 92 94 95 97

2,0

88 91 94 98 100 103 105 108 110 113 115 118 119 122

2,5

pH < = 9,0 Log de inactivación

17 18 18 19 19 19 20 20 21 21 22 22 22 23

1,0


105 109 113 117 120 123 126 129 132 135 138 141 143 146

3,0

52 54 55 56 57 58 59 61 62 63 65 66 67 68

3,0 10 11 11 11 12 12 12 12 13 13 13 13 14 14

0,5 21 21 22 22 23 23 24 25 25 26 26 27 27 28

31 32 33 34 35 35 36 37 38 39 39 40 41 42

1,0 1,5 41 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55

2,0 52 53 55 56 58 58 60 62 63 64 65 67 68 69

2,5


Cuadro A-5. Valores CT para la inactivación de quistes de Giardia con cloro libre a 20 °C

62 64 66 67 69 70 72 74 75 77 78 80 81 83

3,0


4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5

<=0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3

8 9 9 9 9 10 10 10 10 10 11 11 11 11

<=0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3

12 13 13 13 14 14 14 15 15 15 15 16 16 16

1,5 16 17 17 17 18 18 19 19 19 20 20 21 21 21

2,0 20 21 22 22 23 23 23 24 24 25 25 26 26 27

2,5

17 17 18 18 18 19 19 20 20 21 21 22 22 22

1,0 25 26 27 27 28 29 29 30 31 31 32 33 33 34

1,5 33 34 35 36 37 38 39 40 41 41 42 43 44 45

2,0 42 43 44 45 46 48 48 50 51 52 53 54 55 56

2,5


8 8 9 9 9 9 9 10 10 10 10 10 10 11

1,0


50 51 53 54 55 57 58 60 61 62 63 65 66 67

3,0

24 25 26 26 27 27 28 29 29 30 30 31 31 32

3,0


0,5

(mg/L)


0,5

(mg/L)


10 11 11 11 11 12 12 12 12 13 13 13 13 14

0,5

5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 6 6

0,5 15 15 16 16 16 17 17 17 18 18 18 19 19 19

19 20 21 21 21 22 22 23 23 23 24 25 25 25

2,0 24 25 26 26 27 28 28 28 29 29 30 31 31 32

2,5

20 20 21 22 22 23 23 24 25 25 26 26 27 27

30 31 32 33 34 35 35 36 37 38 39 39 40 41

1,0 1,5 39 41 42 43 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54

2,0 49 51 53 54 56 58 58 60 62 63 64 65 67 68

2,5


10 10 10 10 11 11 11 11 12 12 12 12 12 13

1,0 1,5


59 61 63 65 67 69 70 72 74 75 77 78 80 81

3,0

29 30 31 31 32 33 33 34 35 35 36 37 37 38

3,0

12 12 13 13 13 14 14 14 15 15 15 16 16 16

0,5

6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 7 7 8 8

0,5 18 18 19 19 19 20 20 21 21 21 22 22 23 23

1,5 23 24 25 25 25 26 27 27 27 28 29 29 30 31

2,0 29 30 31 31 32 33 33 34 34 35 36 37 38 38

2,5

23 24 25 26 27 27 28 29 29 30 31 31 32 32

1,0 35 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49

1,5

47 49 50 52 53 55 56 57 59 60 61 63 64 65

2,0

58 61 63 65 67 68 70 72 73 75 77 78 80 81

2,5

pH < = 9,0 Log de inactivación

12 12 12 12 13 13 13 14 14 14 14 15 15 15

1,0


70 73 75 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 97

3,0

35 36 37 37 38 39 40 41 41 42 43 44 45 46

3,0 7 7 7 8 8 8 8 8 8 9 9 9 9 9

0,5 14 14 15 15 15 16 16 16 17 17 17 18 18 18

21 22 22 23 23 24 24 25 25 26 26 27 27 28

1,0 1,5 28 29 29 30 31 31 32 33 33 34 35 35 36 37

2,0 35 36 37 38 38 39 40 41 42 43 43 44 45 46

2,5


Cuadro A-6. Valores CT para la inactivación de quistes de Giardia con Cloro libre a 25 °C

42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55

3,0


CAPÍTULO 7 INSTRUCTIVO DE PUESTA EN MARCHA Y OPERACIÓN NORMAL

Instructivo de puesta en marcha y operación normal

1.

287

INTRODUCCIÓN

Existen varios tipos de soluciones tecnológicas para los sistemas de tratamiento de agua mediante filtración rápida: sistemas convencionales antiguos, plantas mixtas con unidades hidráulicas y mecánicas, innumerables tipos de sistemas de patente extranjera, unos más complejos que otros y con características muy diferentes y que, por lo tanto, funcionan y se operan con criterios distintos. Esto presupone que cada proyecto debe ser acompañado por un instructivo de operación, en el cual se indique la forma especial en que el proyectista de la planta recomienda que debe operarse su proyecto, cosa que rara vez ocurre. El presente capítulo contiene una serie de recomendaciones e informaciones útiles para elaborar el instructivo de puesta en marcha y operación normal y especial de una planta de filtración rápida de tecnología apropiada. Este instructivo no debe confundirse con el manual de operación y mantenimiento de la planta, que recién podrá elaborarse —tomando como base el instructivo— cuando la planta se encuentre ya en operación, se disponga de los catálogos de todos los equipos y se hayan levantado las curvas de calibración respectivas, así como los planos de replanteo y la información emanada de la evaluación inicial del sistema.

2.

RECOMENDACIONES PARA LA OPERACIÓN DE PUESTA EN MARCHA

Es necesario realizar una serie de operaciones antes de la puesta en marcha de la planta. Para que ello se pueda concretar rápida y exitosamente, es muy importante reunir todos los recursos necesarios y seguir un estricto orden en las actividades que se proponen a continuación: •

Inspección preliminar del sistema.

•

Operaciones iniciales: calibración de los dosificadores y del medidor de caudal.

288


•

Llenado de la planta, simultáneamente con la desinfección de las estructuras y el inicio de la dosificación.

•

Inicio de la dosificación: preparación de las soluciones de coagulante, cal, polímero e hipoclorito de calcio; medición del caudal; caracterización del agua cruda; selección e implantación de las dosis óptimas de cada sustancia química requerida.

•

Lavado de los filtros, simultáneamente con la medición de la expansión de la arena, la calibración del vertedero de salida de la batería y la determinación del tiempo óptimo de lavado.

•

Inicio de la poscloración.

•

Instalación de la tasa declinante y control de la calidad del agua producida.

•

Inicio del abastecimiento al sistema de distribución. La puesta en marcha ha concluido.

A continuación, una breve explicación de cómo orientar cada uno de estos pasos dentro del instructivo de operación. 2.1

Inspección preliminar

Tiene como objetivo evaluar el estado de las obras. Debe ponerse especial atención en los siguientes aspectos: •

Presencia visual de daños.

•

Funcionamiento de válvulas, compuertas y equipos.

•

Existencia de reactivos, materiales y personal requerido para iniciar la operación del sistema.

•

Se realizará una reunión con el personal que va a intervenir en la operación, se revisarán las instrucciones —previamente distribuidas— y durante la reunión se asignarán responsabilidades. Se recomienda que durante la puesta en marcha de la planta estén presentes el ingeniero encargado de la supervisión del sistema, el proyectista, el químico o el auxiliar de laboratorio que controlará la planta y los operadores.


2.2

289

Operaciones iniciales Antes del llenado de la planta, deben efectuarse las siguientes labores:

•

Limpieza general de la planta, que debe quedar libre de polvo, residuos de construcción y cualquier otra impureza que signifique peligro de contaminación.

•

Calibración y revisión detallada de todos los equipos dosificadores.

•

Preparación de la solución de coagulante, cal, polímero, hipoclorito de calcio y cualquier otra sustancia química requerida en cada caso específico, de acuerdo con el procedimiento descrito posteriormente.

•

Medición de los parámetros básicos para control de procesos: pH, turbiedad y caudal.

2.2.1 Preparación de soluciones y dosificación de productos químicos Se indicará detalladamente el uso de las sustancias químicas que se van a aplicar. En este capítulo trataremos sobre la preparación de los productos más comúnmente utilizados: •

Sulfato de aluminio (o alumbre, coagulante principal).

•

Cal.

•

Hipoclorito de calcio.

Sulfato de aluminio. Por lo general, es el principal reactivo usado en las plantas. Su dosificación produce el fenómeno denominado coagulación, que es la base del funcionamiento de las plantas de filtración rápida. a)

Preparación de la solución El proyecto debe considerar dos tanques para preparar la solución de sulfato de aluminio, de tal manera que uno esté operando mientras que el otro está en preparación. Para llenar los tanques de solución, se ha considerado que el llenado se efectúe a partir de un tanque elevado (o mediante bombeo directo desde el tanque de agua filtrada). La altura de llenado en el tanque

290


de solución deberá marcarse con pintura de acuerdo con lo calculado en el proyecto. Esto no será necesario si el tanque tiene un tubo de rebose que coincida con la altura útil calculada. En los casos en que la concentración del coagulante se haya calculado en un monto mayor que el óptimo, previendo diluirla antes del punto de aplicación, debe disponerse de un rotámetro para ajustar bien el caudal de agua de dilución que debe inyectarse en la tubería de conducción de la solución. Finalmente, se debe obtener una solución de 1 a 2% de sulfato de aluminio, antes de la llegada al punto de aplicación en la unidad de mezcla rápida. Cada tanque debe llenarse hasta la altura útil marcada y luego se agregará un número entero de bolsas de sulfato de aluminio, de tal manera que se obtenga la concentración seleccionada. La solución se obtiene encendiendo el agitador de turbina por un lapso de una a dos horas, dependiendo de la dificultad para disolver el producto disponible. Se debe determinar el tiempo en el que se diluye totalmente el sulfato para indicarlo en el manual de operación. Mientras un tanque está en operación, el tanque alternativo debe estar preparándose, de tal manera que el paso del uno al otro sea instantáneo y la coagulación no se interrumpa. b)

Selección de la dosis óptima de coagulante La dosis óptima que se va a aplicar al agua se debe seleccionar a partir de la turbiedad de agua cruda en una curva de correlación de turbiedad del agua versus dosis óptima de sulfato de aluminio, realizada por medio de la prueba de jarras modificada. Cuando no se dispone de dicha correlación, se debe ir levantando esta información en el laboratorio. El procedimiento para iniciar la dosificación es el siguiente: 1.

Leer la turbiedad del agua cruda (el proyecto debe incluir la adquisición de un turbidímetro).

2.

Con el dato sobre la turbiedad del agua cruda, buscar la dosis en la curva de correlación de turbiedad del agua cruda versus dosis óptima


3.

log T = 9,955 D - 0,172 1 9 8 7 6 5 4 3

2

1 9 8 7 6 5 4 3

2

Turbiedad agua cruda (UN)

de sulfato de aluminio en mg/L. En el caso de que esta curva no se haya elaborado durante el estudio de la fuente y la determinación de los parámetros óptimos para el proyecto, se debe determinar la dosis óptima en el equipo de prueba de jarras. Véase la figura 7-1.

291

1 9 8 7 6 5 4 3

Con la dosis seleccionada, entrar al cuadro 7-1 y determinar el caudal q por aplicar en L/h. En el medidor de caudal determinar el caudal de 0 10 20 30 40 50 60 70 operación de la planta. Dosis óptima D mg/L Leer la altura del agua Figura 7-1. Curva de dosificación (2) en el medidor y comprobar el caudal en la curva de calibración (figura 7-2). Si el caudal es diferente del caudal de proyecto, instalar este último. 2

1 9 8 7 6 5 4 3

2

1

Cuadro 7-1. Dosificación de sulfato de aluminio Concentración al 2% (20.000 mg/L) Caudal de operación = 100 L/s Dosis (mg/L)

Caudal de solución q (L/h)

5 10 15 20 25

90 180 270 360 450

30

540

292


Nota: El caudal de solución q puede calcularse para otras condiciones de concentración, caudal o dosis con la siguiente ecuación: q = Q. D/C = = = =

caudal de la planta (L/s) dosis (mg/L) concentración de la solución (mg/L) caudal de solución L/h.

300

250 240

(2.a etapa)

200

Q (l/s)

Q D C q

160

(1.a. etapa)

150 Q = 1,838 B H 3/2 B = 0,80 m 100

50

0

5

10

15

20

25

Lámina de agua H (cm)

Figura 7-2. Curva de calibración del medidor de caudal (2)

30


4.

293

Con el caudal q, ir a la curva de calibración del dosificador y determinar la abertura para ajustarlo, de tal modo que proporcione el caudal deseado (figura 7-3). El cuadro 7-1 debe elaborarse de acuerdo con el caudal de operación de la planta (el ejemplo corresponde a un caudal de 100 L/s).

El dosificador debe haber sido calibrado previamente, de manera que se disponga de una curva de abertura de la válvula contra el caudal producido. Normalmente, los dosificadores vienen con una escala de 0% a 100%, por lo que la curva será porcentaje de abertura versus caudal de solución (q) en L/h. Hidróxido de calcio o cal apagada. En el proyecto se deben haber considerado dos tanques adicionales, para el caso de que sea necesario corregir el pH de coagulación o el pH del efluente de la planta, a fin de reducir la agresividad del agua tratada. Las dosis adecuadas deberán establecerse en cada caso mediante pruebas de laboratorio.

Planta de tratamiento de X Calibración dosificador D1

Caudal solución L/h

1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

Posición dosificador

Figura 7-3. Curva de calibración del dosificador (2)

85

294

a)


Preparación de la suspensión La solubilidad de la cal en el agua es muy baja. Por esto, es poco práctico tratar de preparar una solución debido al gran volumen de tanque requerido. Es más usual preparar una suspensión con una concentración de hasta 5%. El procedimiento es el siguiente: 1.

Llenar el tanque de agua hasta la altura útil calculada.

2.

Agregar el número de bolsas calculadas para obtener la suspensión al 5%.

3.

Mantener la cal en suspensión mientras se dosifica. Se requiere agitación mecánica para mantener la suspensión homogénea. Si no se agita, la cal se deposita en el fondo del tanque y se estaría aplicando agua sola.

4.

Colocar el dosificador en la posición apropiada, de acuerdo con su curva de calibración, para obtener el caudal de solución requerido (ver el ejemplo del cuadro 7-2, elaborado para un caudal de proyecto de 100 L/s). Cuadro 7-2. Dosificación de cal en suspensión Concentración al 5% (50.000 mg/L) (Caudal de operación = 100 L/s)

b)

Dosis (mg/L)


3,0 5,0 7,0 9,0 11,0 13,0

21,6 36,0 50,4 64,8 79,2 93,6

Operación La aplicación de cal provoca, en la práctica, gran cantidad de dificultades, por la obstrucción de tuberías y dosificadores. Asimismo, las suspensiones de cal no pueden dejarse mucho tiempo en contacto con el aire, ya que


295

reaccionan con el dióxido de carbono formando carbonato de calcio, que precipita. Por lo anterior, se requiere un cuidadoso mantenimiento para conservar el sistema de dosificación en buenas condiciones. Dosificación de hipoclorito de calcio. El hipoclorito de calcio es bastante más costoso y menos eficiente que el cloro gaseoso, ya que se descompone fácilmente y pierde su capacidad desinfectante. Su uso se justifica cuando no es factible disponer de cloro gaseoso por falta de medios de transporte adecuados. Por lo general, se lo emplea como alternativa en casos de emergencia. a)

b)

Preparación de la solución 1.

Llenar el tanque con agua hasta la altura útil indicada en el proyecto y señalar este nivel con pintura.

2.

Agregar los kilogramos de hipoclorito de calcio calculados. Pesar previamente el reactivo con una balanza. Tapar bien el recipiente de hipoclorito de calcio para que el producto remanente no se deteriore y guardarlo en un ambiente fresco y de preferencia oscuro.

3.

Agitar la solución con una pieza de madera en forma de remo o mediante agitador mecánico hasta que el polvo se disuelva por completo. Operar con el tanque alternativo mientras se prepara la solución.

Operación La solución desinfectante se aplica directamente en la cámara de agua tratada de la planta, aprovechando la turbulencia producida por el vertedero de salida. También es posible hacer una precloración, que se utiliza para controlar el crecimiento de algas en las unidades de tratamiento y para reducir contaminaciones microbiológicas graves. Normalmente, la precloración no se hace en forma continua sino de acuerdo con las condiciones de la fuente. La dosis usual de cloro en la cámara de salida de la planta es de 1,0 a 1,5 mg/L. Debe tomarse en cuenta que el hipoclorito de calcio (HTH) tiene un porcentaje de cloro utilizable de 60 a 70%. Por lo tanto:

296


Dosis de HTH usual =

1,5 = 2 ,5 mg HTH/L 0,60

El cuadro 7-3 contiene los caudales de solución (q) que se deben aplicar por medio del dosificador de orificio de carga constante. Al igual que en los casos anteriores, el dosificador debe haber sido calibrado. Cuadro 7-3. Dosificación de hipoclorito de calcio al 1% de concentración (10.000 mg/L) (Caudal de operación = 100 L/s)

2.3

Dosis (mg/L)


0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50

18,00 36,00 54,00 72,00 90,00 108,00 126,00

Llenado de la planta

Al iniciar el llenado de la planta y para evitar empujes indeseables contra las pantallas de los floculadores cuando estos se encuentran vacíos, es recomendable llenarla con un caudal inferior al caudal de diseño, digamos en 50%. Sería ideal poder llenar la unidad simultáneamente por ambos extremos, para lo cual sería necesario disponer de una electrobomba. La situación más crítica sucede cuando las placas son de asbesto-cemento. En este caso, debe advertirse bien a los operadores sobre la forma correcta de llenado de la unidad y el riesgo existente de romper todas las pantallas si no se siguen las instrucciones fielmente. 2.3.1 Procedimiento Para iniciar esta operación, deben numerarse consecutivamente todos los filtros de la batería. Guardar un orden estricto es muy importante en la operación de este tipo de filtros. Deben tomarse en cuenta los siguientes pasos:


297

•

Las válvulas de desagüe de los floculadores, sedimentadores y desagües de canales intermedios, si los hubiere, deben estar bien cerradas.

•

En los filtros, las válvulas deben estar de la siguiente manera: a)

Todos los filtros, menos el primero, deben tener: — la válvula de admisión abierta; — la válvula de desagüe cerrada.

b)

El primer filtro o filtro N.° 1 debe tener: — válvula de admisión cerrada; — válvula de desagüe abierta.

Con la operación anterior, todos los filtros menos uno serán llenados por la parte superior y el primero por la parte inferior. Al llenarse la caja de los filtros, automáticamente el agua que se está filtrando tenderá a salir por el desagüe del primer filtro. Luego se procederá en forma similar con el segundo filtro y así sucesivamente, se efectuará el lavado consecutivo de todas las unidades. Al finalizar este proceso, todas las unidades estarán limpias y se habrá expulsado el aire retenido en los filtros que inicialmente se habían llenado por la parte superior. Simultáneamente al proceso de llenado, debe aplicarse una dosis inicial alta de hipoclorito de calcio para desinfectar la planta (~ 7 mg/L) por espacio de dos horas (véase la sección “Dosificación” del capítulo 1). De la misma manera, debe aplicarse la dosis estimada de coagulante. Es muy importante tener en cuenta que el agua inicialmente producida no debe suministrarse a la población hasta que su calidad haya sido revisada. El volumen inicial debe ser evacuado por los canales de lavado de filtros. Normalmente se requiere suministrar el agua a la población en el menor tiempo posible. Cuando no se pueda esperar resultados de los análisis fisicoquímicos y bacteriológicos para iniciar el abastecimiento, las siguientes condiciones se consideran suficientes para autorizar el uso del agua tratada:

298


• • • •

turbiedad no mayor de 5 unidades nefelométricas de turbiedad (UNT); color aparente no mayor de 15 unidades de color (UC); pH entre 7,0 y 8,5; cloro residual a la salida de la planta igual o mayor de un mg/L.

2.4

Lavado de filtros

Al entrar en operación la planta, el medio filtrante no se encuentra en condiciones adecuadas para el tratamiento y requiere una buena limpieza para eliminar el polvo y las impurezas presentes. Además, el lecho filtrante es activado por el coagulante (sulfato de aluminio) y demora algunos días para alcanzar su nivel óptimo. 2.4.1 Procedimiento para el lavado Para poner en condiciones óptimas los lechos filtrantes, se recomiendan las siguientes acciones: •

Lavados sucesivos (tres o cuatro lavados por filtro) para eliminar impurezas. El lavado se efectúa de la siguiente manera: 1.

Se cierra la válvula de admisión al filtro.

2.

Se abre la válvula de salida de agua de lavado.

3.

Se espera un lapso de 7 a 8 minutos aproximadamente.

4.

Se cierra la válvula de salida del agua de lavado.

5.

Se abre lentamente la válvula de admisión (en un lapso de 2 a 3 minutos aproximadamente).

•

Durante esta operación se debe calibrar el vertedero general de la batería, dándole la altura necesaria para producir una expansión de 25 a 30%. También se debe determinar experimentalmente el tiempo de lavado (véase Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual III: Evaluación de plantas convencionales y de tecnología apropiada).

•

Una vez que todos los filtros están limpios y se ha eliminado el aire retenido por el lecho filtrante, llenándolos por la parte inferior, se ha


299

calibrado el vertedero de salida, se ha determinado el tiempo de lavado específico y se ha comprobado que la calidad del agua tratada se encuentra dentro de límites aceptables, todas las unidades se ponen en posición de operación (válvulas de entrada abiertas y válvulas de descarga de agua de lavado cerradas). 2.5

Instalación de la tasa declinante

La tasa declinante es una condición de operación que se debe establecer en esta etapa, cuando se está iniciando la operación normal de la planta. Cuando no se instala la tasa declinante y los filtros han sido proyectados para operar de este modo, las carreras de operación que se obtienen son muy cortas, porque la carga hidráulica disponible para operar es muy pequeña. 2.5.1 Procedimiento Esta operación se realiza en un lapso de 24 horas. Si la batería consta de n filtros, se procede a lavarlos de manera sucesiva (es decir, primero el filtro N.° 1, después el filtro N.° 2, luego el filtro N.° 3, etcétera), cada 24/n horas. Esto es, suponiendo que tenemos 4 filtros y empezamos esta operación a las 6.00 de la mañana lavando el filtro 1, a las 12.00 se lavará el filtro 2, a las 18.00 el filtro 3 y, finalmente, a las 24.00, el filtro 4. A partir de este momento, la tasa declinante está instalada y la batería de filtros iniciará la etapa de operación normal. Después de esto, el filtro 1 solo se volverá a lavar cuando el nivel del agua en el canal de distribución a la batería llegue al máximo y el agua empiece a rebosar por el vertedero de alivio. Para evitar errores en la operación de los filtros, se recomienda emplear el formulario de control de filtros indicado en el cuadro 7-4. El empleo de este formulario facilita al operador la rápida determinación de cuál es el filtro que le toca lavar.

300


Cuadro 7-4. Formulario de control de la operación de los filtros (ejemplo de batería de cuatro filtros) Fecha

Hora

Filtro

Carrera (horas)

Observaciones

01/03/04

1 2 3 4 1

0 0 0 0 54

Inicio de la instalación de la tasa declinante.

03/03/04

06.00 12.00 18.00 24.00 12.00

05/03/04

16.00 23.00 04.00

2 3 4 1

52 53 52

Se concluyó la instalación. La batería alcanzó el nivel máximo de operación y empezó a caer agua por el aliviadero.

Nota: Los filtros de tasa declinante correctamente proyectados y operados proporcionan carreras de filtración bastante largas. En los lugares cálidos o tropicales no deben admitirse carreras de más de 72 horas, para evitar que el sedimento retenido en el lecho filtrante adquiera condiciones sépticas, porque entonces los filtros, en lugar de remover la contaminación del agua, van a incrementarla.

2.6

Medición de caudal

En la entrada a la planta se ha proyectado una rampa de alta pendiente con la doble función de servir de unidad de aforo y de mezcla rápida de reactivos. La medición precisa del caudal de operación de la planta reviste gran importancia, ya que sobre la base del caudal se define todo el proceso de dosificación tratado previamente. El caudal del vertedero rectangular, situado en la coronación de la rampa, se calcula teóricamente con la fórmula de Francis: Q = 1,838 B x H3/2 Donde: B = 0,70 m (ancho de la rampa y del vertedero).


H

=

301

lámina vertiente medida en la cresta de la rampa (a una distancia no menor de 1,50 metros aguas arriba de la cresta).

Para obtener el caudal en litros por segundo: Q = 1.470 H3/2 En la práctica, normalmente se miden variaciones apreciables de la anterior ecuación. Por esto, es altamente recomendable la calibración de la unidad de medición. Dos técnicas se encuentran disponibles: • •

Calibración por trazadores. Calibración por pitometría.

Esta operación usualmente se practica durante el proceso de evaluación preliminar de la planta. Para medir la lámina de agua H, se ha dispuesto la instalación de un flotador que señala una regla graduada en centímetros. 2.7

Mezcla rápida

Se proyecta la rampa para que al pie de ella se genere un resalto hidráulico. En el caso de la canaleta Parshall, se selecciona el ancho de garganta apropiado para que se produzca el gradiente de velocidad deseado. El resalto hidráulico se produce en la garganta de la canaleta. Este resalto se utiliza para generar una mezcla homogénea de los reactivos químicos con el agua, operación muy importante para alcanzar un tratamiento eficiente. Debido a que el mezclador fue diseñado para operar dentro de un rango de caudales, no operará satisfactoriamente con caudales inferiores al caudal de proyecto. Las soluciones de reactivos se deben aplicar en el punto de mezcla (donde se ubica el resalto), mediante tuberías perforadas de PVC conectadas a los dosificadores. Si al operar la planta con el caudal de proyecto, el resalto no se produce en el lugar indicado en los planos, la aplicación del coagulante deberá desplazarse al lugar donde se está generando.

302

3


OPERACIÓN NORMAL

Una vez concluidas las operaciones de puesta en marcha, la planta entra en la etapa denominada operación normal. La operación normal incluye una serie de actividades que se indican a continuación: a)

Control de los procesos: medición de caudal, medición de parámetros básicos como turbiedad y/o color, pH, alcalinidad y cloro residual. Este control de los procesos debe efectuarse por lo menos cada cuatro horas. En los anexos B y C se presentan ejemplos de formularios de registro diario y resumen mensual de la información sobre el control de los procesos.

b)

Preparación de soluciones: • • • •

ajuste de dosificación; lavado de filtros; limpieza de la casa de operaciones y mantenimiento de las áreas verdes adyacentes; control de calidad.

En general, la operación normal comprende todas las actividades destinadas a que la planta produzca el caudal para el cual fue diseñada con la calidad estipulada por las normas correspondientes. Esto excluye cualquier actividad que deba desarrollarse en caso de reducción parcial o total del caudal de diseño. 3.1

Operación normal del sistema de filtración

Los filtros de la planta son del tipo denominado de tasa declinante, lo cual significa que la velocidad de filtración declina desde un valor alto cuando el filtro está limpio hasta un valor bajo cuando se encuentra colmatado, que es cuando requiere ser puesto fuera de operación para lavarlo. Durante este lapso, el nivel del agua en los filtros varía desde un nivel inicial hasta el máximo de operación, limitado mediante un vertedero de alivio en el canal de distribución. Los filtros deben lavarse en secuencia numérica para evitar confusiones. Es necesario anotar en la bitácora de la planta la hora y fecha del lavado. Des-


303

pués de establecida la tasa declinante (véase la sección 2.5 de este mismo capítulo), se seguirán lavando en orden numérico cada vez que se alcance el nivel máximo de operación en el canal de distribución de agua sedimentada. Cada lavado toma un tiempo aproximado de 8 a 10 minutos (véase el cuadro 7-4). Agitación adicional (lavado superficial). Para mantener el medio filtrante en buenas condiciones, es recomendable aplicarle, junto con el lavado normal, un proceso de agitación adicional que evita la formación de bolas de barro en el lecho. El proceso puede ser ejecutado manualmente por el operador de la siguiente manera: 1.

El filtro se pone a lavar normalmente.

2.

Con una escoba larga o rastrillo de jardín, de extremo a extremo del filtro, se rasga la superficie del lecho filtrante con un movimiento de vaivén durante tres o cuatro minutos.

3.

Se concluye el lavado normalmente.

3.2

Filtración directa

Cuando el agua presenta buenas condiciones (véase el cuadro 7-5), es posible tratarla solo mediante coagulación y filtración. El procedimiento por aplicar es el siguiente: 1.

Determinar la dosis óptima de coagulante para filtración directa.

2.

Ajustar la dosis de sulfato de aluminio obtenida.

3.

Abrir la compuerta de paso directo (by-pass) al canal de distribución a los filtros cerrando el paso a los floculadores.

4.

Aplicar la solución de coagulante en el difusor instalado en la entrada del canal de distribución a los filtros.

Una vez estabilizado el proceso, determinar la concentración de aluminio residual en el agua filtrada. Si esta concentración fuera mayor de 0,10 mg/L, disminuir gradualmente la dosis de sulfato de aluminio hasta encontrar la menor dosis con la cual se consigue mantener la eficiencia del proceso y bajar la concentración de aluminio residual en el efluente.

304


La filtración directa permite mejorar la calidad del efluente, lograr un gran ahorro de coagulantes debido a la baja dosis utilizada y facilitar las operaciones de mantenimiento en el resto de la planta. Debido al estancamiento del agua en floculadores y sedimentadores, las algas proliferan en estas unidades, lo que da mal aspecto a la planta, por lo que se recomienda renovarla frecuentemente o aplicar una dosis de hipoclorito de calcio para controlar las algas. No se deben dejar los tabiques de madera en seco porque se deterioran. Las lonas de los decantadores pueden retirarse durante la operación de la planta con filtración directa. Cuadro 7-5. Condiciones de calidad del agua para establecer filtración directa Parámetros

a

Valores límite recomendados

Turbiedad

90% del tiempo < 30 UNT 80% del tiempo < 20 UNT Preferentemente < 10 UNT 100% preferentemente < 50 UNT

Color

90% preferentemente < 40 UC 80% preferentemente < 20 UC

Concentración de algas (mg/m3)

80% < 100 100% < 500

NMP coliformes

Termotolerantes/100 mL

MGMa < 100/10 mL de muestra

Totales/100 mL

MGM < 500/100 mL de muestrab

MGM = Media geométrica mensual.

b

Si no se supera el límite de concentración de coliformes fecales o termotolerantes/100 mL, este valor puede incrementarse.

4.

OPERACIÓN ESPECIAL

Cuando por alguna causa, la planta de tratamiento debe suspender la producción, parcial o totalmente, se dice que la operación es especial. Esto significa que durante determinado lapso (corto o largo) la producción de agua potable se verá disminuida. Es importante efectuar una adecuada programación de las labores de operación especial.


305

Las principales actividades que se clasifican dentro del concepto de operación especial son las siguientes: a)

Limpieza de estructuras mayores: floculadores y sedimentadores.

b)

Operaciones de mantenimiento correctivo en obras civiles y/o equipos: • • • •

sustitución de válvulas; reparación de fugas; reparación o sustitución de equipos dosificadores y otros equipos; daños anormales como terremotos o huracanes (situación de desastre).

c)

Falta de reactivos químicos.

d)

Cambios extremadamente bruscos en la calidad del agua que obliguen a detener el funcionamiento de la planta.

e)

Otros aspectos relevantes: sequías prolongadas, huelgas, terrorismo, etcétera.

Puede desprenderse de lo anterior que las operaciones especiales por lo general son indeseables, por lo que es necesario reducirlas al mínimo. Con este fin se recomienda lo siguiente: • •

Implantar programas de mantenimiento preventivo. Ejecutar una adecuada vigilancia del sistema, tanto física como sanitaria.

5.

CONTROL DE CALIDAD

El control de la calidad del agua producida se efectúa mediante análisis fisicoquímicos y bacteriológicos que se realizan a partir de muestreos, tanto a la salida de la planta como en diversos puntos de la red de distribución. Véase el anexo A para muestreos en la planta. Para efectuar el control de calidad, es necesario: a)

Contar con normas oficiales de calidad de agua (habitualmente, las de la OMS si no se dispone de normas locales).

306

b)


Contar con un laboratorio debidamente equipado con el material y personal adecuados para efectuar los análisis requeridos por las normas. En forma resumida, el control de calidad comprende las siguientes operaciones:

6.

•

Tomar al menos una muestra por cada 5.000 habitantes con una frecuencia semanal, para realizar los análisis fisicoquímicos y bacteriológicos generales.

•

Efectuar, al menos una vez al año, muestreos para determinar la presencia de sustancias tóxicas (metales pesados, pesticidas, etcétera).

•

Realizar la interpretación de los resultados, de manera que, en el caso de que se sobrepasen las normas, las autoridades competentes sean informadas de manera conveniente y en el menor tiempo posible, con el fin de que tomen las acciones correctivas necesarias.

OPERACIÓN ESTACIONAL

El módulo está preparado para operar con filtración rápida completa y filtración directa, cuando las variaciones estacionales de la calidad del agua así lo requieran. El proceso más sensible a la variación de caudales es la floculación. Los floculadores hidráulicos no admiten sobrecargas y dejan de ser eficientes con caudales inferiores al caudal de diseño.

7.

ASPECTOS VARIOS

Las plantas de tratamiento son un aspecto muy importante en el abastecimiento de agua y deben ser ejemplo de limpieza y mantenimiento. Para lograr esto, es necesario: •

Contar con personal adecuado, tanto en número como en capacitación. Usualmente, el personal mínimo por turno de operación y por módulo, consta de:


307

— un operador capacitado; — un ayudante. •

Brindar adecuado mantenimiento a los diferentes ambientes del sistema (incluir todo el conjunto): — planta de tratamiento; — casa de operaciones; — las demás obras complementarias. El mantenimiento debe ser especialmente cuidadoso con las partes metálicas sujetas a corrosión, que requieren protecciones periódicas. Es el caso de válvulas, compuertas y dosificadores.

•

Contar con un adecuado suministro de repuestos y materiales.

8.

LIMITACIONES DEL SISTEMA

Las plantas de tratamiento tienen límites en cuanto a la calidad del agua que pueden tratar. Algunas veces, cuando ocurre un cambio muy brusco de calidad del agua, si no se dispone de estanque o presedimentador, conviene suspender el tratamiento mientras se diluye la contaminación. Algunos de los principales compuestos que no podrían ser tratados por la planta son los siguientes: a)

Valores de color orgánico y turbiedad elevados que superen los límites siguientes: • •

turbiedad > 1.000 UT; color > 600 UC.

Estos límites tendrían que ser comprobados en la práctica, para añadir procesos como la presedimentación o la aplicación de sustancias químicas adicionales (polímeros). b)

Contenido de cloruros (salinidad) superior a 250 mg/L. Algunas veces se acepta como límite superior 400 mg/L.

308


c)

Pesticidas y agroquímicos en general. Su presencia obligaría a hacer un estudio especial de la calidad del agua.

d)

Presencia de hidrocarburos.

e)

Sustancias productoras de olor y sabor (fenoles).

f)

Sustancias tóxicas extremadamente peligrosas. Por ejemplo: • arsénico; • cadmio; • mercurio; • cianuro; • plomo.

g)

Variaciones del caudal de operación

Con caudales menores que el caudal de proyecto, el lecho filtrante no se expandirá adecuadamente, la arena no quedará bien lavada y gradualmente se irá apelmazando y decayendo la eficiencia del filtro. Con caudales mayores, la expansión será demasiado alta y paulatinamente la arena se iría perdiendo. Nota: en los casos b) a f), se requerirá un estudio de laboratorio específico para determinar los cambios necesarios en la dosificación y los parámetros de los procesos que optimizarían la remoción de estos contaminantes.


309

REFERENCIAS (1)

Programa HPE/OPS/CEPIS de Mejoramiento de la Calidad del Agua para Consumo Humano (1992). Manual VI. Operación. Lima, CEPIS.

(2)

Rodríguez, V. (1987). Planta de tratamiento para Tarija. Recomendaciones para la operación del sistema. Tarija, documento no publicado.

(3)

Canepa de Vargas, Lidia (1978-2004). Estudios y proyectos de los archivos personales. Lima, CEPIS.

310


Anexo A Toma de muestras en planta

Se recomienda tomar muestras para análisis fisicoquímicos y bacteriológicos en los siguientes puntos de la planta: agua cruda, agua sedimentada, agua filtrada y agua desinfectada. Para un muestreo correcto, se requiere conocer los tiempos de retención en la planta, los que deberán determinarse mediante la aplicación de trazadores. Sitio de muestreo

Tiempo de muestreo (min)a

Cámara de entrada Salida de sedimentadores Canal de intercomunicación Después de cloración y tiempo de contacto

Tiempo cero por determinar por determinar por determinar

a

Estos tiempos se determinarán durante la evaluación inicial de la planta.

Anexo B Consumo anual de reactivos

El consumo de reactivos (W) se calcula con la siguiente ecuación: P = Q x D x 86,4 kg/d Q D

= =

caudal promedio de la planta (m3/s) dosis promedio anual de reactivo (mg/L)

Filtro 2

Filtro 1

Decant. 1 Decant. 2

Planta Fecha

3

Clarificador 1 Clarificador 2

Sí 16,5 No

Sitio de muestreo 1 Sitio de muestreo 2 Agua filtrada En servicio (Sí/No) Turbiedad (UNT) Retrolavado (máx UNT) Sí 18,1 No

13,8 11,9

En servicio (Sí/No) Turbiedad (UNT) Retrolavado (máx UNT)

MS

4.00

Sí 19,7 No

Sí 18,3 No

13 10

23,8 Entrada a la planta

20 6,88

77,27

1,6 m /s

MS

00.00

Sí 11,2 No

Sí 10,2 No

11,3 9,67

EPV

8.00

Hora de toma de muestras

Agua clarificada Turbiedad (UNT) Turbiedad (UNT)

Agua cruda Temperatura (°C) pH Alcalinidad Turbiedad (UNT) Sitio de muestreo

Caudal de la planta (L/s) Uso de coagulante (kg/día)

Nombre del operador

Sitios de muestreo

xxxx 17 de junio

Sí 9,02 No

Sí 10,4 No

9,78 9,88

19 6,88 16,6

0,40 m3/s

EPV

12.00

Anexo C (3) Anotaciones diarias de la planta de tratamiento

Sí 9 No

Sí 10,5 No

9,74 9,81

16.00

Sí 8,99 No

Sí 10,9 No

9,7 9,77

20.00

Máx/día

Instructivo de puesta en marcha y operación normal 311

En servicio (Sí/No) Turbiedad (UNT) Retrolavado (máx UNT) En servicio (Sí/No) Turbiedad (UNT) Retrolavado (máx UNT) En servicio (Sí/No) Turbiedad (UNT) Retrolavado (máx UNT)

Filtro 4

Filtro 5

Filtro 6

Notas:

Temperatura ( oC) pH Turbiedad (UNT) Cloro residual (mg/L) Sitio de muestreo

Agua tratada

En servicio (Sí/No) Turbiedad (UNT) Retrolavado (máx UNT)

Filtro 3

21 6,1 2,85 1,0 ppm Cisterna

Sí 21,5 No

Sí 19,7 No

Sí 24,5 No

Sí 20,6 No

20 6,19 3,24 1,0 ppm

Sí 20,9 No

Sí 22,3 No

Sí 22,8 No

Sí 23,7 No

19 6,09 1,1 1,0 ppm

Sí 11 No

Sí 12,1 No

Sí 10,2 No

Sí 12,1 No

20 6,02 1,07 1,0 ppm

Sí 9,03 No

Sí 10,2 No

Sí 11,2 No

Sí 11 No

20 6 1,7 1,0 ppm

Sí 9 No

Sí 10 No

Sí 10,98 No

Sí 10,97 No

Anexo C Anotaciones diarias de la planta de tratamiento (continuación)

19 7,07 1,1 1,0 ppm

Sí 9,2 No

Sí 22,8 No

Sí 10,99 No

Sí 10,87 No


Turb. UNT

40,0

38,0

38,5

38,0

35,0

35,5

34,0

32,0

33,0

32,0

30,5

29,0

29,0

26,5

27,5

Fecha

02/01

03/01

04/01

05/01

06/01

07/01

08/01

09/01

10/01

11/01

12/01

13/01

14/01

15/01

17/01

85,0

75,0

81,3

82,5

88,8

97,5

105,0

97,5

112,5

116,5

116,5

107,5

112,5

112,5

125,0

Color UC

7,1

7,1

7,0

7,0

6,9

6,9

6,5

6,2

6,4

6,4

6,5

6,4

6,7

6,6

6,5

pH

113,5

127,5

103,5

107,0

115,0

113,0

104,0

100,0

98,5

108,0

106,0

95,5

92,0

87,5

97,0

Conduc.

Agua cruda

43,8

49,2

50,1

46,1

43,0

46,2

43,8

50,0

46,9

43,0

36,0

33,6

32,0

36,0

38,3

Alcalin. mg/L

100

70

70

60

70

60

80

80

120

80

70

110

60

60

70

Dureza mg/L

0,7

0,8

2,0

2,5

1,4

0,9

8,5

2,1

2,0

1,9

1,3

1,8

2,9

2,2

2,0

Turb. UNT

5,0

5,0

10,0

8,8

6,3

2,5

40,0

7,5

6,3

7,5

5,0

5,0

10,0

7,5

7,5

Color UC

6,8

7,0

6,8

6,7

6,8

6,8

6,4

6,1

6,5

7,0

6,5

6,8

6,4

6,7

6,7

pH

142,5

152,5

124,0

130,0

157,5

160,0

120,0

130,0

123,0

152,5

137,5

140,0

130,0

123,0

132,5

Conduc.

29,7

33,6

35,2

28,1

33,6

29,7

32,0

36,0

35,2

40,6

23,5

33,3

39,9

24,2

31,3

80,0

80,0

80,0

90,0

90,0

70,0

90,0

70,0

110,0

110,0

140,0

150,0

90,0

80,0

60,0

2,8

3,0

3,3

2,9

3,3

2,9

3,0

2,5

1,7

2,9

2,5

2,5

2,5

2,5

2,5

Alcalin. Dureza Cl res. mg/L mg/L mg/L

Agua tratada

Formulario resumen mensual de control de procesos en la planta X (3) Registro de operación del mes de enero de 2000

Anexo D

Instructivo de puesta en marcha y operación normal 313

27,5

27,0

27,5

26,5

27,5

29,0

29,5

27,5

28,0

28,5

29,0

21/01

22/01

24/01

25/01

26/01

27/01

28/01

29/01

31/01

18/01

20/01

27,0

Fecha

19/01

Turb. UNT

90,0

90,0

90,0

90,0

90,0

93,8

90,0

90,0

90,0

90,0

90,0

93,8

Color UC

7,0

7,0

7,0

7,0

7,0

7,0

7,1

7,0

7,1

7,1

7,1

7,2

pH

120,0

120,0

113,5

123,0

118,5

106,0

105,5

101,0

99,0

112,0

100,5

110,0

Conduc.

Agua cruda

54,6

48,5

46,9

52,4

53,2

52,4

53,9

44,6

53,9

57,1

53,9

45,3

Alcalin. mg/L

98

102

116

61

59

53

60

120

60

80

110

100

Dureza mg/L

0,6

0,8

0,7

2,6

1,3

0,9

3,0

1,8

1,6

1,8

1,8

1,3

Turb. UNT

7,5

6,3

3,8

8,8

5,0

3,8

10,0

5,0

7,5

8,8

5,0

5,0

Color UC

7,2

7,5

7,3

7,4

7,1

6,9

7,1

7,1

7,3

6,7

7,0

6,7

pH

152,5

151,5

155,0

142,0

145,5

142,5

131,5

138,0

139,0

135,0

125,0

130,0

Conduc.

45,3

37,5

45,3

32,8

42,1

39,9

34,4

39,1

44,5

37,5

35,2

31,3

102,5

129,2

102,5

91,8

79,6

77,5

70,0

170,0

120,0

150,0

100,0

90,0

2,7

2,5

2,5

3,0

2,5

2,5

2,5

2,5

2,5

2,8

2,5

2,6

Alcalin. Dureza Cl res. mg/L mg/L mg/L

Agua tratada

Formulario resumen mensual de control de procesos en la planta X (3) Registro de operación del mes de enero de 2000 (continuación)

Anexo D


Tratamiento de Agua Para Consumo Humano Plantas de Filtración Rápida. . Manual II Tomo 2 Diseño de Plantas de Tecnología

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