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FLOCULADORES - DISEÑO -

FLOCULACIÓN La floculación es La operación mediante la cual las

partículas ya desestabilizadas entran en contacto efectivo, formando flocs o flóculos que pueden removerse por sedimentación en un tiempo adecuado a una PTAP.

Álvaro Castillo Miranda

Tipos de Floculación

Ortocinética Floculación Pericinética Álvaro Castillo Miranda

Floculadores En las zonas tropicales, donde las aguas presentan temperaturas por encima de los 20 °C, el tiempo de floculación necesario suele ser más breve. En cambio, en los lugares fríos, donde el agua tiene temperaturas de 10 a 15 °C, generalmente el proceso se optimiza con tiempos largos. Para que el periodo de retención real de la unidad coincida con el de diseño, debe tener el mayor número posible de compartimientos o divisiones. El paso del mezclador al floculador debe ser instantáneo y deben evitarse los canales y las interconexiones largas.

Floculadores Los floculadores se clasifican en mecánicos e hidráulicos. Una clasificación más amplia podría ser: • Floculadores de contacto de sólidos o en manto de lodos. • Floculadores de potencia o de disipación de energía (hidráulica, mecánica o neumática). Los floculadores de contacto de sólidos o de manto de lodos son controlados por la concentración de sólidos. Como ésta varía continuamente es necesaria una atención constante del operador.

Floculadores Los floculadores hidráulicos utilizan la energía hidráulica disponible a través de la pérdida de carga en el canal o tanque de mezcla lenta. Los floculadores mecánicos y neumáticos utilizan energía de una fuente externa, generalmente un motor eléctrico para los primeros y un compresor o soplador de aire para los segundos.

TIPOS DE FLOCULADORES Flujo Helicoidal Horizontal De Pantallas Hidráulicos

Vertical Alabama Lechos Porosos

Floculadores

Eje Vertical Paletas Eje Horizontal

Mecánicos Turbina

Álvaro Castillo Miranda

Floculadores Hidráulicos Cualquier dispositivo en que se utilice la energía hidráulica disipada en el flujo del agua a través de un tanque, canal o canalización, puede utilizarse como floculador hidráulico. Los floculadores hidráulicos más utilizados han sido los de tabiques, de flujo horizontal o vertical. En los primeros, el agua circula con un movimiento de ida y vuelta y en los segundos, la corriente sube y baja sucesivamente contornando los diversos tabiques.

F.H.F.H. Se pueden utilizar pantallas removibles de concreto prefabricadas, fibra de vidrio, madera, plástico, asbestocemento 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 La unidad puede tener una profundidad de hasta 1,0 m, dependiendo del material utilizado en las pantallas.

F.H.F.H. 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. 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.

F.H.F.V. 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 q ue 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.

F.H.F.V. 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 asbestocemento.

F.H.F.V. 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

Criterios de diseño para floculadores de tabiques, de flujo horizontal y flujo vertical – RAS 2000  El gradiente medio de velocidad debe estar entre 20 s-1 y 70 s-1  El tiempo de detención debe seleccionarse entre 20 y 40 minutos

 La velocidad del agua a través del tanque debe estar entre 0.2 m/s y 0.6 m/s.  Pendiente del fondo diseñarla con base en las pérdidas de energía totales.  El gradiente de velocidad debe ir de mayor a menor.

Floculadores de tabiques, de flujo horizontal Separación entre el extremo del tabique y el muro: 1,5 veces la separación entre tabiques. b 1,5b

Floculadores de tabiques, de flujo horizontal Pérdidas de energía:

 Por cambio de dirección + ensanchamiento y contracción: 𝑣2 ℎ1 = 𝑘𝑁 2𝑔

 Por fricción en tramos rectos: ℎ2 =  Pérdidas totales: ℎ1 + ℎ2 N: # de tabiques k: constante empírica; varía de 1,5 a 4 V: velocidad media del flujo = Q/A n = 0,013 para cemento y 0,012 para A/C

𝑣𝑛 𝑅

2

3

2

* L (Manning)

Gradientes de velocidad en floculadores hidráulicos

𝑮=

𝜸 ∗ 𝒉𝒇 = µ∗𝒕

𝒈 ∗ 𝒉𝒇 𝑟∗𝒕

hf: pérdidas de energía, en m. t: tiempo de retención hidráulica (floculación), en s. r: viscosidad cinemática (28°C) = 8,39*10-7 m2/s ɣ: peso específico (28°C) = 996.26 Kgf/m3 µ: viscosidad absoluta (28°C) = 8.53*10-4 Kgf.s/m2

Procedimiento para el diseño de un floculador de tabiques, de flujo horizontal  Determinar el número de floculadores y el Q de cada uno.  Determinar el tiempo de retención hidráulica total.

 Determinar secciones del floculador, por tiempo de retención hidráulica, las cuales tendrán Gradientes de velocidad diferentes.  Seleccionar la velocidad media del flujo en cada sección.  Determinar el área transversal entre tabiques en cada sección, con base en el Q y la v.

 Asumir una profundidad y determinar la separación entre tabiques o viceversa.

Procedimiento para el diseño de un floculador de tabiques, de flujo horizontal

 Calcular la distancia recorrida por el flujo en cada sección.

 Asumir la longitud de los tabiques y el ancho del floculador (ajustar dimensiones).  Calcular el número de tabiques por sección (con base en el recorrido y el ancho de la unidad)  Determinar la longitud de cada sección (con base en los espacios entre tabiques y el espesor de estos)

Procedimiento para el diseño de un floculador de tabiques, de flujo horizontal

 Calcular las pérdidas de carga por sección y los gradientes de velocidad.  Definir y diseñar dispositivos de entrada y salida del flujo  Definir y diseñar el sistema de evacuación de agua de lavado.

Ventajas de las unidades de pantallas  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.

Ventajas de las unidades de pantallas  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%.

Desventajas de las unidades de pantallas

 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 Alabama

Está constituido por compartimentos intercomunicados por la parte inferior a través de curvas de 90° hacia arriba. El flujo es ascendente y descendente en el interior del mismo compartimento y de este modo, aprovecha el fenómeno de floculación ortocinética, lo que lo hace a este tipo de floculador muy eficiente, a pesar de su simplicidad.

Floculador Alabama Este floculador consta de una serie de pasos entre cámaras mediante el uso de codos de gran diámetro. Los gradientes se forman en la entrada del tubo, en el codo y en la boca de salida. El gradiente se modifica mediante la incorporación de platinas.

Floculadores Alabama El agua hace un movimiento ascendente-descendente dentro de cada compartimiento, por lo que es muy importante mantener la velocidad del agua constante, para inducir este comportamiento 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.

Floculadores Alabama

El gradiente de velocidad se produce casi exclusivamente en los puntos de paso (accesos, codos, salidas del codo), los cuales están localizados en el fondo de la unidad y distribuidos alternadamente en uno y otro extremo La relación de la longitud del niple con respecto a su diámetro debe ser de 1 a 5.

Floculadores Alabama Criterios de diseño del RAS 2000  Los codos deben colocarse alternados, uno a la derecha y el próximo a la izquierda.  Debe dejarse un desagüe conectado a un múltiple para evacuación de lodos.  Número de cámaras: Mínimo 8

 Velocidad en el codo: 0,2 a 0,4 m/s  Gradiente de velocidad: 20-70 (1/s)  TRH: 20-40 min

Floculadores Alabama Pérdidas de energía en la entrada, ℎ1 𝐶𝐷 = 0,8 Pérdidas de energía en el cambio de dirección, ℎ2 K = 0,4 Pérdidas de energía en la salida, ℎ3 𝐶𝐷 = 0,62

𝒉𝟏 =

𝑸 𝑪𝑫 ∗ 𝑨𝒐

𝟐

𝟏 ∗ 𝟐𝒈

𝟐

𝟏 ∗ 𝟐𝒈

𝒗𝟐 𝒉𝟐 = 𝑲 ∗ 𝟐𝒈

𝒉𝟑 =

Pérdidas de energía en la cámara:

𝑸 𝑪𝑫 ∗ 𝑨𝒐

𝒉𝒇 = 𝒉𝟏 + 𝒉𝟐 + 𝒉𝟑

Gradientes de velocidad en floculadores hidráulicos

𝑮=

𝜸 ∗ 𝒉𝒇 = µ∗𝒕

𝒈 ∗ 𝒉𝒇 𝑟∗𝒕

hf: pérdidas de energía, en m. t: tiempo de retención hidráulica (floculación), en s. r: viscosidad cinemática (28°C) = 8,39*10-7 m2/s ɣ: peso específico (28°C) = 996.26 Kgf/m3 µ: viscosidad absoluta (28°C) = 8.53*10-4 Kgf.s/m2

Procedimiento en el diseño de Floculadores Alabama  Seleccionar el número de floculadores. Caudal del floculador = caudal de la planta / # de floculadores.  Seleccionar el número de cámaras de cada floculador  Seleccionar el tiempo de retención hidráulica del floculador y de cada cámara

 Determinar el volumen de cada cámara y sus dimensiones.

Procedimiento en el diseño de Floculadores Alabama

Determinar el diámetro de los codos, con base en el caudal y el rango de velocidad admitido. Determinar las pérdidas de energía en cada cámara

Determinar el gradiente de velocidad de la cámara diseñada. Éste debe ser muy cercano a 20 (1/s) 𝒉𝒇 𝒉𝒇

Procedimiento en el diseño de Floculadores Alabama

Seleccionar las platinas necesarias para variar los gradientes de velocidad en cualquier cámara Diseñar el dispositivo de entrada y salida del flujo. Diseñar el sistema de evacuación de aguas de lavado

Floculación en Manto de Lodos El lodo recién coagulado tiene la propiedad de precipitar partículas en suspensión. Este principio dio origen a los decantadores de flujo vertical con manto de lodos, también denominados clarificadores de contacto o simplemente, clarificador seguido de un nombre o marca de una serie de equipamientos patentados – Circulator, Pulsator, Permujet, Accelerator, etc. El principio básico es el mismo para todos. Normalmente estas unidades reúnen en un único tanque la floculación y la decantación en flujo vertical.

Floculación en Manto de Lodos La sedimentación se da en el sentido contrario al flujo del agua, causando aglutinación de flóculos por contacto entre ellos. Con el aporte de nuevas partículas traídas por el agua cruda y del coagulante aplicado para desestabilizarlas, el manto tiende a expandirse vertiendo hacia el concentrador, desde donde es drenado periódicamente a través de una válvula accionada manualmente o por temporizador, a fin de mantener la concentración óptima del manto de lodos y su estabilidad.

Floculadores de Medios Porosos

El floculador en medio poroso, tuvo sus primeras aplicaciones en la India y en el Brasil, en la década del 70 y recientemente fue perfeccionado en Francia y en los Estados Unidos.

La floculación en medio poroso o por contacto consiste en pasar el agua, luego de haber recibido el coagulante, a través de un medio granular contenido en un tanque, generalmente de flujo ascendente o descendente.

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. 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 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

Floculadores de Medios Porosos Se recomienda diseñar esta unidad con flujo ascendente y forma tronco-cónica, a fin de escalonar los gradientes de velocidad, manteniendo el tamaño del material constante para facilitar la limpieza. • 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 solo permite diseñar unidades para caudales de hasta 10 a 15 L/s

Floculador COX En el floculador Cox, hay varias cámaras en serie. Las aberturas se colocan alternativamente en la parte superior e inferior y a cada lado de las cámaras, forzando el agua a realizar un movimiento en zig-zag. La intensidad de la agitación se controla por medio de compuertas colocadas en las aberturas.

La velocidad en los pasajes entre las cámaras varía entre 0,7 y 0,5 m/s en la primera cámara y 0,20 y 0,10 m/s en la última cámara, siendo el tiempo de floculación entre 15 y 25 minutos. El floculador fue ideado por el Ing. Charles R. Cox, en Brasil, en la década del 60.

Floculadores Hidráulicos Principales deficiencias de los floculadores hidráulicos:

• Falta de flexibilidad para responder a cambios en la calidad del agua. • La hidráulica y los parámetros de floculación – tiempo de floculación y gradientes de velocidad – son función del caudal y no se regulan independientemente o son de difícil ajuste. • La pérdida de carga puede ser significativa.

Floculadores mecánicos  La mezcla se genera por una transformación de energía

eléctrica a energía mecánica.  La energía mecánica es generada por un motor, que la transfiere mediante un eje a unos brazos agitadores que

imparten movimiento rotatorio y turbulencia al fluido.  La configuración del eje puede ser vertical u horizontal.  La adaptabilidad del sistema depende en que la velocidad sea ajustable.

Floculadores mecánicos Ventajas  En el sistema es mucho más fácil ajustar los gradientes de velocidad que en los floculadores hidráulicos.  Requiere mucha menos área superfiical.  No genera muchas pérdidas de energía hidráulica

Desventajas  Requiere fluido eléctrico continuo  Es un sistema más costoso  Requiere un mantenimiento con personal más capacitado

Floculadores mecánicos Criterios de diseño del RAS 2000  TRH: 20-40 min  G: 15-75 (1/s)  Velocidad en el extremo de paleta: 20 (1/s)  Separación de paletas a paredes y fondo del tanque: 15-30 cm

 Mínimo: 2 floculadores  Mínimo: 2 cámaras/floculador para niveles de complejidad bajo y medio.  Mínimo: 4 cámaras/floculador para niveles de complejidad medio alto y alto Área de las paletas de dos brazos contiguos: 10-25% del área transversal, para prevenir rotación del agua

Floculadores mecánicos Velocidad tangencial:

𝒗𝑻 =

𝟐𝝅𝒓𝒏 𝟔𝟎

Donde n es el número de revoluciones.

Gradiente:

𝐺=

𝜇∗𝑃 𝑉𝑐

Donde P es la Potencia del motor y Vc es el Volumen de la cámara. Fuente: Manual de potabilización del agua. Jorge Pérez Parra

Floculadores mecánicos

Potencia introducida por un brazo: 𝒋

𝑷 = 𝟏, 𝟒𝟔 ∗ 𝟏𝟎−𝟓 ∗ 𝑪𝑫 ∗ 𝜸 ∗ 𝑳𝑷 ∗ 𝒏𝟑 𝒃

𝟏 − 𝒌𝒊

𝟑

𝑹𝟒𝟏𝒊.𝒆𝒙𝒕 − 𝑹𝟒𝟎𝒊.𝒊𝒏𝒕

𝒊=𝟏

Donde: Cd = Coeficiente de arrastre, depende de la geometría de la paleta Ki = Constante, 0,25 para la paleta externa y 0,15 para las internas Lp= Longitud de la paleta Ri.ext = Radio externo de la paleta Ri.int = Radio interno de la paleta Fuente: Manual de potabilización del agua. Jorge Pérez Parra

Valores de b/l Vs Cd

b/l 1 2 4 10 18 ∞

Cd 1,10 1,15 1,19 1,29 1,40 2,01

Fuente: Manual de potabilización del agua. Jorge Pérez Parra