desarenador 2008

Curso de Abasto de Agua Diseño del Desarenador

Diseño y Evaluación del Desarenador

Profesores Ing. M.Sc. Camilo Hernan Cruz g M.Sc. Ricardo Imery y V. Ing. Área de Ingeniería Sanitaria y Ambiental Escuela de Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente

Curso de Abasto de Agua Diseño del Desarenador

Profesores Ing. M.Sc. Camilo Hernan Cruz g M.Sc. Ricardo Imery y V. Ing. Área de Ingeniería Sanitaria y Ambiental Escuela de Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

D e s a re n a c ió n o D e c a n ta c ió n E s la s e p a ra c ió n d e la s p a rtíc u la s m a s p e s a d a s q u e tra e e l a g u a , c o m o g ra v a s , a re n a s , a re n illa s y p ie d ra s q u e p o r a c c ió n d e la fu e rz a d e g ra v e d a d s e s e d im e n ta n . S e fu n d a m e n ta e n e l p rin c ip io q u e d ic e q u e u n s ó lid o m á s p e s a d o q u e e l a g u a tie n d e a p re c ip ita rs e a l fo n d o d e l re c ip ie n te q u e lo c o n tie n e , s i s e re d u c e s u fic ie n te m e n te la v e lo c id a d h o riz o n ta l d e l líq u id o . L a d e s a re n a c ió n o d e c a n ta c ió n s e lle v a a c a b o e n ta n q u e d e s a re n a d o re s .

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

Funcion del Desarenador Evitar la obstrucción de la tubería que transporta el agua hasta tanques de almacenamiento o hasta la planta tratamiento Controlar la intrusión de arenas que interfieren con los procesos de p p potabilización,, o con la operación p de la red de distribución o de los micromedidores.

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

El desarenador se ubica lo mas cerca posible a la bocatoma, con el fin de evitar problemas de obstrucción en la línea de aducción aducción. Debemos conseguir información sobre el material transportado por la corriente superficial. superficial Tipo y tamaño del mismo. Las características de los sedimentos transportados son un indicativo de erosión superficial, eventualmente socavación de orillas, e indican el grado de conservación de la cuenca.

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

Etapas p de Mejoramiento j de Calidad de Agua en Sistemas de Abastecimiento 1.

Lagos - Estanques

Reducción de flotantes, y material Bocatoma-Rejillas grueso. Retención de Acondicionamiento Desarenador Gravillas y Arenas Retención de Filtros dinámicos en Sólidos Gravas Retención de algas Filtros de arena en lagos Filtros en gravas Acondicionamiento 2. y retención de Coagulaciónsólidos en floculaciónsuspensión y Pretratamientos sedimentación coloides y sustancias disueltas Filtros lentos Retención de 3. Granulares microcoloides y Tratamiento Filtros rápidos microorganismos Propiamente Granulares Desinfección Inactivación de 4. Acondicionemiento microorganismosPos-tratamiento Químico ablandamiento, ajuste de pH

Diseño del Desarenador

T ip i o d e se d iim en ta c ió n en D e sa r e n a d o r e s T IP O D E FENÓM ENO DE S E D IM E N T A C IÓ N

D E P A R T ÍC U L A S D IS C R E T A S (T IP O I)

A P L IC A C IÓ N V S . S IT U A C IO N E S E N Q U E S E PRESENTA

D E S C R IP C IÓ N

S E D IM E N T A C IÓ N DE P A R T ÍC U L A S E N U N A S U S P E N S IÓ N C O N B A J A C O N C E N T R A C IÓ N DE S Ó L ID O S . LAS P A R T ÍC U L A S S E D IM E N T A N COM O E N T ID A D E S IN D I V ID U A L E S Y NO E X IS T E IN T E R A C C IÓ N S U S T A N C IA L C O N L A S P A R T ÍC U L A S V E C IN A S .

F u e n te : M e tc a lf & E d d y . 1 9 9 9 S di

t

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E L IM IN A C IÓ ÓN DE LA S A REN A S, G R A V IL L A S Y FLOTA NTES DEL AGUA

E li

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l

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

Sedimentación de partículas discretas en un líquido en Reposo

Ff

Fe

Vs

F Fg

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

Fuerzas durante sedimentación de una partícula discreta • • • •

Fg : Fuerza de Gravedad Fe : Fuerza de Empuje Ff : Fuerza de fricción. fricción Resultante cuando Fg = Fe + Ff V = Velocidad Vs V l id d de d sedimentación di t ió

ρp dp Vs = ( − 1) ρa Cd

(1)

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

Calculo de vs. de una Partícula Discreta • Región de flujo laminar NR < 0.5 (Cd = 24/ NR)

d g ρp Vs = ( − 1) 18 ρ a υγ

2 p

(2)

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

Clasificación de Materiales en suspensión según el tamaño

Partícula

Tamaño (mm)

Partícula

Tamaño (mm)

Gravilla Gruesa

mayor de 2

Fango

0,05 - 0,01

Gravilla fina

2,00 - 1,00

fango fino

0,01 - 005

Arena g gruesa

1,00 , - 0,50 ,

Arcilla

0,01 - 0,001

Arena media

0,50 - 0,25

Arcilla fina

0,001 - 0,0001

Arena fina

0,25 - 0,10

Arcilla menor

menor de 0,0001

Arena Muy Fina

0 10 - 0,05 0,10 0 05

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

Desarenador Ideal (Flujo Horizontal)

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

Esquematización de Sedimentación Ideal de Partículas Discretas en Camara de Flujo Horizontal L b h

Q Vo V sc =

V s3

V s1< V s2 < V s3 < V s4

V s4

V s1 V s2 Vs3

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

Sedimentador de Flujo Horizontal V = Q/ As Vsc A : Tasa T superficial fi i l L b h

Q

Vo

Velocidad critica de diseño:Vsc = Vs3 Area Superficial : As = b . L Area Aferente Aa = b . h Tiempo teorico de Retención To =

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

Considerando la particula 3 (Vs3 = Vsc)

h L to = (2) (1) Pero también: t o = Vsc Vo To : tiempo en atravesar el decantador As : Area superficial del Decantador As = L * b Multiplicando u p c do ((2)) po por h.b/h.b .b/ .b L h .b h . As h to = = = V o h .b Q Q / As Entonces Vsc = Q/ As : Tasa superficial

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

Considerando la particula 3 (Vs3 = Vsc)

h L to = (2) (1) Pero también: t o = Vsc Vo To : tiempo en atravesar el decantador As : Area superficial del Decantador As = L * b Multiplicando u p c do ((2)) po por h.b/h.b .b/ .b L h .b h . As h to = = = V o h .b Q Q / As Entonces Vsc = Q/ As : Tasa superficial

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

Eficiencia del proceso (Tiempo real vs Tiempo teórico) θ / to = V/Q / h/Vsc = Vsc V/ Qh θ / to = Vsc x As / Q= Vsc / Q/As = Vsc/ Vo

Vsc/ Vo = Número de Hazen (adoptar de la tabla siguiente)

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

θ/to=Vsc/ Vo = Número de Hazen Remoción 50%

Remoción 75.0%

Remoción 87.5%

Máximo Teórico

0.50

0.75

0.875

Depósitos con muy buenos deflectores

0.73

1.52

2.37

Depósitos con buenos deflectores

0.76

1.66

2.75

Depósitos con deficientes deflectores ó sin ellos

1.00

3.00

7.00

Condiciones

Abasto de Agua Diseño del Desarenador Tipo de Particula o Aglomerado

Arena ( Gravedad especifica 2.65) (Temperatura de 10-15 ºC) Diametro (mm) 0.01 0.05 0.10 0.20 0.50 1.00 2.00 5 00 5.00

Ts

(cm/min)

Vs (m/h)

(m/d)

0.3 7.8 33 108 300 642 1140 1800

0.18 4.7 20 65 180 385 685 1080

4.3 112.8 480 1560 4320 9240 16440 25920

A temperatura de 15 ºC Floc pequeño Fl ñ de d Alumbre Al b Mediano de Alumbre Grande de Alumbre

0.32 0 32 - 0 0.73 73 0.55 - 0.85 0.67 - 0.92

0.19 0 19 - 0 0.43 43 0.33 - 0.51 0.40 - 0.55

4.6 4 6 - 10 10.3 3 7.9 - 12.2 9.6 - 13.2

Velocidades V l id d o ((tasas superficiales) fi i l ) típicas í i de d sedimentación de algunas partículas y aglomerados

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

Estructura de Aforo Control de Caudal y Distribución de Flujo

Zona de entrada

Zona de Sedimentación

Zona de Salida

X X

Viene Bocatoma X

Vertedero de Aforo

Pantallas o bafles

Vertedero de Excesos a río

Cámara Desagüe

a Planta o Tanque

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

Estructura de Aforo Control de Caudal y Distribución de Flujo

Zona de entrada

Zona de Sedimentación

Zona de Salida

Pantallas Viene Bocatoma

Vertedero de Aforo a Planta o Tanque

V t d Vertedero d de E Excesos Tuberia de Purga de Arenas

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

Clases de Desarenadores • Rectangulares de Flujo Horizontal • Circulares de Recolección Perimetral • Ascendentes de Flujo Vertical

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

D Desarenadores d R Rectangulares t l d de Fl Flujo j H Horizontal i t l

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

D Desarenadores d R Rectangulares t l d de Fl Flujo j V Vertical ti l

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

Desarenadores Convencionales

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

Desarenadores Circulares de recolección Perimetral

Abasto de Agua Diseño del Desarenador PRINCIPIOS BASICOS DE DISEÑO Y OPERACIÓN DE DESARENADORES ASPECTOS HIDRODINAMICOS Para obtener una adecuada eficiencia en su funcionamiento se debe garantizar un adecuado tiempo de permanencia de la masa a t t en las tratar l unidades, id d para lo l cual, l se debe d b superar limitaciones li it i de carácter hidráulico que ocasionen: •una una inadecuada distribución del caudal entre varias unidades o dentro de una unidad Para lo cual se debe tener una buena configuración g de las estructuras de entrada y salida del tanque. O colocar pantallas que ayuden a distribuir el flujo

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

FACTORES QUE INCIDEN EN LA OCURRENCIA DEL FLUJO NO IDEA EN DESARENADORES • Tiempo p de residencia adecuado • Distribución de los tiempos de residencia (DTR) • Entradas o salidas con turbulencia • Formación F ió de d canales l o cortocircuitos t i it • Zonas estancadas o espacios muertos

EN EL ANALISIS DE ESTRUCTURAS EXISTENTES SE DEBE REALIZAR PRUEBAS PARA CHEQUEAR ESTOS FACTORES

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

FACTORES EN EL DISEÑO DE DESARENADORES • Por lo g general el diseño esta basado en la velocidad de flujo y el porcentaje de remoción usando gráficos de isoremoción. • seria mas racional si estuviera basado en la eficiencia de remoción y la velocidad de sedimentación di t ió de d las l partículas. tí l Las dimensiones del tanque de sedimentación dependen del diámetro de las partículas a Remover.

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

Flujograma de Diseño Caudal Temperatura dp Vsc Eficiencia Profundidad

To Tr Vólumen

Volumen de lodos

Plano topográfico y de localización

Localización Area Dimensiones B, L Vh < 20 Vsc Va < Vh

Pantalla perforada Orifico O ifi de d desague d Tubería de desague

Vertederos de Aforo Vertedero de Aforo, salida

Tuberia de Aducciíon

DESARENADOR:

Número unidades. Mínimo recomendable: dos unidades Paso directo. directo Se proyecta una tubería para el caso de mantenimiento ó daño unidades Relación Largo g a ancho. Para aproxim. al flujo pistón L/b: 3 a 5 Profundidad. Entre 1.5 – 4.5 m

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

ECUACIÓN DE EFICIENCIA DE REMOCIÓN: •

Distribución de tamaños de partículas. p Tamaño de partículas totalmente removidas por el tanque.

dsc=[18

S=

υ Q/(S-1)gbL]0.5 {m} δp δa

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

ECUACIÓN DE VELOCIDAD DE ARRASTRE S •

Velocidad de arrastre de Tamaño de partículas totalmente removidas por el tanque.

VARSC=[k(S-1)gd2SC / 3v] * (Q/b)0.125 S=

δp δa

U*=(τ0/ρ)0.5

v=Viscosidad cinemática del agua {m2/s} k < U*/W Ecuación de Rouse

τ=Esfuerzo cortante {kg/cm2}

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

DIMENSIONES DEL DECANTADOR

b=[ 3.51Q/dsc(k(S-1)gh)½ ]*[ υ/dsc(k(S-1)gh)½]0.7

L= 5.13kh * [dsc (k(S-1)gh)½ / υ ]2.7

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

ECUACIÓN DE VELOCIDAD DE ARRASTRE : • en terminos de las dimensiones de la zona de sedimentacion de la Unidad.

0 125 {m/s} VARRSC=[6kQ/bL]*(Q/ υ b) 0.125

L=6kd L 6kdsc*(Q/ (Q/ υb)0.125

Abasto de Agua Diseño del Desarenador

Flujograma de Diseño Caudal Temperatura dp Vsc Eficiencia Profundidad

To Tr Vólumen

Volumen de lodos

Plano topográfico y de localización

Localización Area Dimensiones B, L Vh < 20 Vsc Va < Vh

Pantalla perforada Orifico O ifi de d desague d Tubería de desague

Vertederos de Aforo Vertedero de Aforo, salida

Tuberia de Aducciíon

DESARENADOR:

Zona de sedimentación. L/ b entre 3 y 5; As= bL, reemplazar L en función de b ó b en función de L) Vertedero de excesos Q=1.84 LH 3/2 (Ecuación de Francis) Cámara de entrada Ancho B/3 a B/2 (típico). L Longitud it d definida d fi id por L Lvertedero t d excesos + 4H (si existe vertedero de aforo)

DESARENADOR:

Pantalla deflectora. Adoptar velocidad de paso máximo 0 0.2 2 m/s Adoptar orificios y tamaño (no debilitar pantallaespacio entre orificios) Adoptar altura H/2 ó mayor Zona de salida: a vertedero salida Q=1 a. Q 1.84 84 LH 3/2 (c. (c delgada) b. Canal de derivación. c Pantalla control flotantes (chequear c. velocidad de arrastre) altura H/2 y d> 1.5Hv (d=distancia entre pantalla y vertedero salida)

DESARENADOR:

Zona de Lodos. Tolva (pendientes entre 1 y 8%). Pendientes Longitudinales y transversales. Distancia de desague L/3 (medido desde la pantalla deflectora).

. Compuerta de lavado y cámaras. D Desaguar vertedero t d excesos y purga

19. Diseño de la descarga al río. Entregar mínimo 0.30 m por encima del fondo.