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UNIVERSIDAD DE CUENCA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL

“TANQUES DE SEDIMENTACIÓN PRIMARIA PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES”

MONOGRAFÍA PREVIA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL

DIRECTOR: ING. GALO ORDÓÑEZ AUTORES: ADRIANA LUCÍA SOLANO PAVÓN EDGAR FELIPE SEGARRA NARVÁEZ CUENCA – ECUADOR 2006

TABLA DE CONTENIDOS Introducción …………………………………………………………………III Objetivos ………………………………………………………………………IV Generalidades………………………………………………………………….V CAPÍTULO I TEORÍA DE LA SEDIMENTACIÓN 1.1. Conceptos Generales ………………………………………………..…1 1.2. Tipos de Sedimentación……………………………………………..…1 1.3. Análisis de la Sedimentación de Partículas discretas…………….4 1.4. Tanque de Sedimentación Ideal - Sedimentación Tipo I ……….8 1.5. Factores que influyen en el proceso de Sedimentación ……...16 CAPÍTULO II PARÁMETROS DE DISEÑO DE LA SEDIMENTACIÓN 2.1

Superficie de Sedimentación ……………………………………….19

2.2

Volumen de Sedimentación Primaria ……………………………..21

2.3

Relaciones Dimensionales ………………………………………..…22

2.4

Permanencia o Tiempo de Retención …………………………..…24

2.5

Dimensiones de la Zona de Entrada ……………………..…..…..25

2.6

Vertedero de Salida ……………………………………………..……28

2.7

Barrederas de Fangos …………………………………………..……29

2.8

Caudales de Fangos producidos ……………………………..…….30

2.9

Pocetas de Fangos ……………………………………………………32

2.10 Características del fango producido………………………..………34 2.11 Remoción y disposición de espumas, aceites y grasas ……….38 CAPÍTULO III DEPURACIÓN FÍSICA 3.1

Fundamento y Alcance ………………………………………..….… 39

3.2

Tipos de Sedimentadores ……………………………………………39

3.3

Características del Sedimentador Circular ………………....……40 I

3.4

Características

del

Sedimentador

Rectangular

de

flujo

Horizontal …………………………………………..…….………………….………47 3.5

Tanque IMHOFF ……………………..…….…………………..……..55

CAPÍTULO IV DISEÑO DE UN SEDIMENTADOR 4.1

Diseño de un Sedimentador Rectangular……………………..….59

4.2

Diseño de un Sedimentador Circular ….……………….…..…….65

Conclusiones ….…………………..………………..…….…………………69 Recomendaciones ………………..………………..…….………………..70 Anexos ……..………………..…….………………………………………….71 Referencias Bibliográficas ……..………………..…….……………….80

II

INTRODUCCIÓN El hombre ha utilizado las aguas no sólo para su consumo, sino, con el paso del tiempo, para su actividad y para su confort, convirtiendo las aguas usadas en vehículo de desechos. De aquí surge la denominación de aguas residuales. La Organización Mundial de la Salud (OMS) ha establecido como uno de los derechos fundamentales de todo ser humano “el disfrute del grado máximo de salud posible” Considera la salud como un “estado completo de bienestar físico, mental y social”, y fija el nivel de salud por el grado de armonía, que exista entre el hombre y el medio que sirve de escenario a su vida. La contaminación de las aguas es uno de los factores mas importantes que rompe la armonía entre el hombre y su medio tanto a corto como a medio y largo plazo; por lo que la prevención y lucha contra ella constituye en la actualidad una necesidad de importancia prioritaria. La purificación del agua es uno de los problemas de las ingenierías civil y ambiental de más urgente solución. El objetivo inmediato es proveer a toda la sociedad de un sistema de tratamiento de Aguas Residuales, porque de esta manera cada comunidad satisface un requerimiento fundamental para su bienestar y comodidad.

III

OBJETIVOS Con la realización de esta Monografía se pretende afianzar los conocimientos adquiridos a los largo de toda la carrera y complementarlos con los recibidos en el Curso de Graduación de “Desagües Urbanos” Enfocar el estudio y el diseño de Sedimentadores Primarios para el Tratamiento de Aguas Residuales, basándonos en la Teoría de la Sedimentación de Partículas discretas. Estudiar los diferentes tipos de Sedimentadores, de acuerdo a su función, y forma. Diseñar a manera de ejemplo un Sedimentador Primario de forma rectangular y circular.

IV

GENERALIDADES PARÁMETROS DE CONTAMINACIÓN: Sólidos: El contenido total de materia sólida contenida en el agua constituye los Sólidos Totales (ST), comprendiendo los sólidos tanto orgánicos como inorgánicos; su valor queda definido por toda la materia que permanece como residuo de evaporación a 105°C. Estos Sólidos Totales pueden encontrarse como: Sólidos Disueltos (SD) que no sedimentan encontrándose en el agua en estado iónico o molecular. Sólidos en Suspensión (SS), que pueden ser: Sedimentables (SSs), que por su peso pueden sedimentar fácilmente en un determinado período de tiempo (2 horas en cono imhoff) No Sedimentables (SSn), que no sedimentan tan fácilmente por su peso específico próximo al del líquido o por encontrarse en estado coloidal. Los sólidos en suspensión sedimentables constituyen una medida de la cantidad de fango que se depositará durante el proceso de decantación en las Depuradoras. A su vez, cada una de estas clases de sólidos pueden clasificarse de nuevo en base a su volatilidad a 500°C. La fracción orgánica se oxidará y será expulsada como gas, permaneciendo la fracción inorgánica como ceniza. Por tanto los términos de Volátiles y Fijos aplicados tanto a los sólidos totales como a los disueltos, en suspensión, sedimentables y no sedimentables, se refieren a su parte orgánica e inorgánica, respectivamente. Los sólidos orgánicos proceden de la actividad humana, siendo de origen animal y/o vegetal. Contienen principalmente carbono, hidrógeno, Oxígeno, así como N, S, P y K. Es el caso de las proteínas, de los hidratos de carbono, de las grasas, etc. Su característica es la posibilidad de degradación y descomposición por reacciones químicas o acciones enzimáticas de los microorganismos. Los sólidos inorgánicos son sustancias inertes y no degradables, tales como minerales, arenas, tierras, etc.

V

Cada uno de los sólidos son de constitución diferente por el contenido orgánico e inorgánico. A los sólidos inorgánicos se los denomina sólidos fijos (F) y a los orgánicos volátiles (V). Para la determinación de los sólidos se desecará la muestra a 105°C. A 500°C la materia orgánica se volatiliza, quedando los sólidos fijos y por diferencia con los que permanecen a 105°C se obtienen los volátiles. Para determinar los sólidos sedimentables se realiza un ensayo introduciendo un litro de muestra en un cono IMHOFF. Los sólidos separados al cabo de un tiempo de 2 horas se denominan sólidos sedimentables, los mismos que se expresan en ml/lt.

VI

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CAPÍTULO I TEORIA DE LA SEDIMENTACIÓN 1.1

CONCEPTOS GENERALES

La Sedimentación consiste en la separación, por la acción de la gravedad, de las partículas suspendidas, cuyo peso específico es mayor que el del agua. Dos son las formas de sedimentación usadas, la Sedimentación Simple y la Sedimentación después de coagulación y floculación o ablandamiento. La Sedimentación Simple es generalmente un Tratamiento Primario para reducir la carga de sólidos sedimentables antes de la coagulación, en esos casos se le conoce como Pre-sedimentación. La Sedimentación después de la adición de coagulantes y de la Floculación, se usa para remover los Sólidos Sedimentables que han sido producidos por el Tratamiento Químico. En el Tratamiento de Aguas Residuales, la Sedimentación se usa principalmente para remover sólidos suspendidos sedimentables, Tratamiento Primario, y para la remoción de material orgánico y biomasa preformada en los sistemas de Tratamiento Secundario y para espesamiento de lodos. 1.2

TIPOS DE SEDIMENTACIÓN

La Sedimentación ocurre de maneras diferentes, según la naturaleza de los sólidos, su concentración y su grado de floculación. En el agua se pueden encontrar partículas llamadas discretas, las cuales no cambian su tamaño, forma o peso cuando se sedimentan, y partículas floculentas y precipitantes en las cuales la densidad y el volumen cambian a medida que ellas se adhieren unas con otras mediante mecanismos de floculación, precipitación, arrastre o barrido. La existencia de diferentes tipos de partículas en concentraciones distintas hace que sea necesario considerar tipos desiguales de sedimentación, de acuerdo con la clase de concentración de partículas, como lo describe Fitch en la figura 1.2

SEDIMENTADORES PRIMARIOS

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Baja

Concentración de Sólidos

Sedimentación Tipo I

Sedimentación Tipo II

Sedimentación Zonal

Compresión

Alta Discretas

Floculentas

Figura 1.2

Dichos tipos de sedimentación son: Sedimentación Tipo I Se refiere a la remoción de partículas discretas no floculentas en una suspensión diluida. En estas condiciones se dice que la sedimentación es no interferida y es función solamente de las propiedades del fluido y de las características de la partícula. Es el tipo de sedimentación que ocurre con partículas de características floculentas mínimas en suspensiones diluidas, como sería el caso de sedimentación de materiales pesados inertes. Aplicación: Eliminación de las arenas del agua residual. Sedimentación Tipo II Se refiere a la sedimentación de suspensiones diluidas de partículas floculentas en las cuales es necesario considerar las propiedades floculentas de la suspensión junto con las características de asentamiento de las partículas. Ocurre generalmente en el tratamiento de aguas residuales, dada la naturaleza de los sólidos en ellas presentes, y en la purificación de aguas potables cuando los sedimentadores están precedidos de floculadores y coagulación. Aplicación: Eliminación de una fracción de los sólidos en suspensión del agua residual bruta en los tanques de

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sedimentación primaria y en la zona superior de los decantadores secundarios. También elimina los flóculos químicos de los Tanques de Sedimentación. Sedimentación Zonal Describe la sedimentación másica y se refiere al proceso de sedimentación de suspensiones de concentración intermedia de material floculento, en las cuales se presentan un asentamiento interferido debido a la cercanía entre partículas. Dicha cercanía permite a las partículas, gracias a las fuerzas entre ellas tener una posición relativa fija de unas con otras, se forma una matriz porosa soportada por el fluido que desplaza, y como resultado la masa de las partículas se desplaza hacia el fondo como un solo bloque, creando una interfase clara de separación entre el sobrenadante clarificado y el lodo. Situación en la que se presenta: En los tanques de sedimentación secundaria empleados en las instalaciones de tratamiento biológico. Compresión Ocurre cuando la concentración aumenta a un valor en que las partículas están en contacto físico unas con otras y el peso de ellas es sostenido parcialmente por la masa compactada. Se presenta en operaciones de espesamiento de lodos cuando las partículas se acumulan en el fondo del tanque de sedimentación, su peso es soportado por la estructura de la masa en compactación y el asentamiento es función de la deformación de las partículas o flóculos. En la práctica, durante la operación de sedimentación, es común que se presente mas de un tipo de sedimentación al mismo tiempo y es posible que coincida todos los cuatro tipos. Situación en la que se presenta: Se produce en las capas inferiores de una masa de fango de gran espesor tal como ocurre en el fondo de los decantadores secundarios profundos y en las instalaciones de espesamiento de fangos.

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1.3

ANÁLISIS DE DISCRETAS

LA

SEDIMENTACIÓN

DE

PARTÍCULAS

Se denomina partículas discretas a aquellas que no cambian su forma, tamaño o peso a medida que se sedimentan, por lo que este tipo de sedimentación es libre, no interferida, que depende solamente de las propiedades del fluido y de la partícula. Al colocar una partícula discreta en un fluido en reposo, la partícula se moverá verticalmente debido a la gravedad, si su densidad difiere de la del fluido. En nuestro caso el fluido es el agua, cuya densidad ha de ser menor que el de la partícula. Las fuerzas verticales que actuarán sobre una partícula discreta en el agua serán: Una fuerza vertical hacia abajo igual al peso de la partícula en el agua (W) Una fuerza vertical hacia arriba igual a la fuerza de arrastre debida a la fricción (F).

W

Partícula esférica

Velocidad vertical = U

F

a= Aceleración vertical

Figura 1.3 Sedimentación de la partícula discreta en reposo.

La sedimentación de partículas discretas no fluculantes puede analizarse mediante las leyes clásicas formuladas por Newton y Stokes. La Ley de Newton proporciona la velocidad final de una partícula como resultado de igualar el peso efectivo de la partícula a la resistencia por rozamiento o fuerza de arrastre.

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El peso de la partícula viene dado por:

W = V (ρs − ρw )g Donde: W= V = ρs = Ρ w= g=

(1.1)

Peso de la partícula en el agua (N) Volumen de la partícula (m3) Densidad de la partícula (kg/ m3) Densidad del agua (kg/ m3) Aceleración de la gravedad (9.81 m/s2)

La fuerza vertical de arrastre o fricción es función de la rugosidad, de la forma, tamaño y velocidad vertical de la partícula así como de la densidad y viscosidad del agua. Empíricamente se ha encontrado que para partículas discretas esta fuerza es igual a:

C D ∗ An ∗ ρ w ∗ U 2 F= 2

(1.2)

Donde: F = Fuerza de arrastre vertical (N) CD =

Coeficiente de arrastre de Newton (adimensional)

An =

Area de la sección transversal de la partícula normal a la dirección de asentamiento ( m2)

U=

Velocidad de asentamiento (m/s)

Ρ w=

Densidad del agua (kg/ m3)

El valor del coeficiente de arrastre, CD es función del número de Reynolds (RE):

RE =

D ∗U

ν

(1.3)

Donde: D= Diámetro de la partícula (m) U=

Velocidad de asentamiento (m/s)

ν=

Viscosidad cinemática (m2/s)

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Para partículas esféricas y RE ‹ 10.000 , Fair y Geyer han encontrado que:

CD =

24 3 + + 0.34 RE ( RE ) 1 2

(1.4)

Inicialmente la partícula se acelerará hasta que la fuerza de fricción o de arrastre del fluido se haga igual a la fuerza impulsora de asentamiento. Cuando las fuerzas verticales están en equilibrio, de acuerdo con la segunda ley de Newton, la aceleración se hace igual a cero y la velocidad se vuelve constante. Por lo tanto, para partículas esféricas:

CD AN ρ w U 2 V (ρ s − ρ w ) ∗ g = 2 ⎛ π D3 6 ⎞ 2V ( ρ s − ρ w ) ∗ g 2 g ⎟⎟ U = = ∗ (S s − 1)⎜⎜ 2 C D AN ρ w CD ⎝π D 4⎠ 2

U=

4 g (S s − 1) ∗ D 3 CD

(1.5)

Donde: Ss= Densidad relativa de la partícula En la zona de asentamiento viscoso, intervalo de Stokes, RE ‹ 0.5, la relación entre el Número de Reynolds y el coeficiente de arrastre se puede tomar igual a:

CD =

SEDIMENTADORES PRIMARIOS

24 24ν = RE D ∗ U

(1.6)

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Sustituyendo en la ecuación de la velocidad de asentamiento (U) se tiene:

U=

gD 2 (S s − 1)U 4 g DU (S s − 1) D = ∗ 18ν 3 24ν

g D 2 (S s − 1) U= 18ν

(1.7)

La ecuación anterior se conoce como Ley de Stokes y ha sido comprobada experimentalmente. En el intervalo de Newton, 1000 ‹ RE ‹ 100.000, el valor de CD es aproximadamente constante e igual a 0,4 , por lo tanto,

C D = 0 .4

(1.8)

Sustituyendo en la ecuación de la velocidad de asentamiento ( U ) se tiene :

U=

10 g (S s − 1) D 3

(1.9)

Para la obtención de la velocidad de asentamiento, se supone que W=F, lo cual implica la satisfacción de las siguientes condiciones: Relación V

AN

constante; corresponde a partículas discretas

esféricas. Ausencia de viento y corrientes de densidad o térmicas Ausencia de cortocircuitos CD constante y por consiguiente viscosidad y temperatura constantes. Obviamente, en la práctica no es posible satisfacer todas estas condiciones simultáneamente.

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1.4

TANQUE DE SEDIMENTACIÓN IDEAL – SEDIMENTACIÓN TIPO 1

De manera teórica, se acostumbra dividir el tanque de sedimentación en 4 zonas: Zona Zona Zona Zona

de de de de

entrada salida lodos asentamiento

A continuación indicamos estas zonas en la figura 1.4.1

Figura 1.4.1 Zonas hipotéticas en un tanque de sedimentación rectangular (Planta y corte longitudinal)

La zona de entrada tiene como función suministrar una transición entre el flujo de entrada y el flujo uniforme permanente en la zona de sedimentación. En un tanque ideal de flujo horizontal, convencional, distribuye uniformemente el caudal afluente sobre toda la sección transversal del tanque para que el flujo siga trayectorias horizontales

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a través de la zona de asentamiento. Además trata evitar las altas velocidades que pueda perturbar los sedimentos del fondo. La zona de salida constituida por un vertedero, canaletas o tubos con perforaciones que tiene la finalidad de recolectar el efluente sin perturbar la sedimentación de las partículas sedimentadas. La zona de recolección de lodos tiene como función recibir el material sedimentado e impedir que infiera con el asentamiento de partículas en la zona de sedimentación; se supone que toda partícula que alcanza esta zona es removida efectiva y realmente de la suspensión. Esta constituida por una tolva con capacidad para depositar los lodos sedimentados y una tubería y válvula para su evacuación periódica. La zona de sedimentación suministra el volumen de tanque necesario para el asentamiento, libre de interferencia proveniente de las otras tres zonas. Idealmente, cada zona debe efectuar sus funciones sin interferencia de las otras, para lograr la mejor eficiencia del tanque de sedimentación. Para el caso de un sedimentados rectangular, esta consta de un canal rectangular con volumen, longitud y condiciones de flujo adecuados para que sedimenten las partículas. La dirección del flujo es horizontal y la velocidad es la misma en todos los puntos, flujo pistón. Hazen y Camp, suponiendo sedimentación de partículas discretas en un tanque ideal de sedimentación, desarrollaron algunos conceptos fundamentales de la sedimentación. En dicho tanque, las trayectorias de todas las partículas discretas son rectas y todas las partículas de igual velocidad de asentamiento se moverán en trayectorias paralelas como se indica en la figura 1.4.2

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O

Figura 1.4.2

Sedimentación de partículas discretas.

Una partícula con velocidad de asentamiento U y transportada horizontalmente con velocidad v, seguiría una trayectoria rectilínea inclinada como resultado de la suma del vector velocidad de flujo y del vector de velocidad de asentamiento, indicada por la recta OB. Por triángulos semejantes como se deduce de la figura 1.4.2

U d = v L Por lo tanto en función del caudal Q y del área superficial, As, As = a * L = Área superficial

U= U =

La relación

(1.10)

vd Qd Q = = L ad L a L

Q = Carga superficial As

(1.11)

Q

, carga superficial, tiene las dimensiones de As velocidad, generalmente m d e indica que, teóricamente, la sedimentación es función del área superficial del tanque e independiente de la profundidad.

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Todas las partículas discretas con velocidad de asentamiento igual o mayor que U serán completamente removidas, es decir que el 100% de remoción ocurriría cuando todas las partículas en la suspensión tuviesen velocidades de asentamiento por lo menos iguales a U. Por el contrario, si consideramos una partícula con velocidad de asentamiento Up menor que U, solamente una fracción de ellas será removida. En efecto, como se ve en la figura 1.4.2, solamente las partículas con velocidad Up ‹ U que alcancen el tanque dentro de la altura DC serán removidas. Ahora, si el área del triángulo con catetos OC y L representan el 100% de remoción de partículas, entonces la relación de remoción R, fracción removida de partículas con velocidad de asentamiento Up, será: Velocidad de Asentamiento

Área

Porcentaje removido

U

( OC ) * L

100 %

Up

( DC ) * L

R

1

R=

DC U p AU p a L U p = = = OC U Q Q

La ecuación anterior fue descubierta por Hazen en 1904 y demuestra que para cualquier caudal Q, la remoción de material suspendido es función del área superficial del tanque de sedimentación e independiente de la profundidad. Lo que quiere decir que la remoción y, por consiguiente, el diseño de sedimentadores dependen sólo de la carga superficial. Según Rich, a la conclusión anterior se llega también si se formula la tasa máxima a la cual puede clarificarse un líquido, mediante la figura 1.4.3. En la figura 1.4.3 una suspensión diluida de partículas discretas ocupa un volumen rectangular. Bajo condiciones tranquilas, las partículas se sedimentan con velocidad U y el líquido, a cualquier profundidad z, se clarificará tan pronto como aquellas partículas localizadas en el nivel superior pasen a través del nivel z. La tasa de clarificación se puede calcular así:

Q= 1

z A =U A t

(1.12)

Ecuación de Hazen para la relación de remoción

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Donde: Q= Tasa volumétrica de clarificación, ( m3/s ) z= Distancia a través de la cual las partículas se sedimentan en el tiempo t, ( m ) t = Tiempo de sedimentación, ( seg ) A = Área superficial perpendicular a la dirección de asentamiento, (m2)

Figura 1.4.3 Volúmenes rectangulares de una suspensión de partículas no floculentas en sedimentación bajo condiciones tranquilas. (a) Partículas con velocidades uniformes (b) Partículas con dos velocidades de asentamiento.

De nuevo la ecuación

Q=

z A = U A hace evidente que la capacidad t

de tratamiento en un tanque en el cual se presente sedimentación tipo 1 es, teóricamente, independiente de la profundidad del tanque y solamente función del área superficial del tanque y la velocidad de asentamiento de las partículas. Observando la figura 1.4.3 (b) y aplicando la ecuación (1.12) se tiene que:

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Q 1 = U1 * A

(1.13)

Q 2 = U2 * A

(1.14)

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La fracción en peso de partículas removidas con velocidad de asentamiento menor, U1, será :

X1 =

Z1 Z2

=

U1 U2

(1.15)

Según Camp, para cualquier tasa de clarificación Q, la remoción total de partículas discretas de una suspensión diluida de partículas discretas, con velocidades de asentamiento diferentes, se puede predecir con un análisis de sedimentación realizado en columnas de sedimentación semejantes a la de la figura 1.4.4

Figura 1.4.4 Columna para análisis de sedimentación

Con los resultados experimentales se puede elaborar la curva de velocidades de asentamiento de la suspensión y determinar la remoción total de partículas. La curva característica es como la de la figura 1.4.5.

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Figura 1.4.5 Curva para análisis de la velocidad de asentamiento de partículas discretas.

Para una taza de clarificación determinada, Q0 se tiene :

Q0 = U 0 * A

(1.16)

Todas las partículas con velocidad de asentamiento Up ≥ U0 serán completamente removidas. Tales partículas constituyen 1 – X0 del total de partículas originalmente existentes en la suspensión clarificada. La fracción en peso de partículas removidas con velocidad Up ‹ Uo será, según la ecuación de Hazen para la relación de remoción, igual a: X

Xo

Up

1 0 ∫0 U 0 dx = U 0 ∫0 U p dx

(1.17)

Para el caso de Up ≥ U0, la fracción en peso de partículas removidas sería: 1

Up

X0

=

∫U

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1

dx = ∫ 1 dx = (1 − X 0 )

(1.18)

X0

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Por lo tanto, la remoción total en el líquido será:

X T = (1 − X 0 ) +

X

1 0 U p dx U 0 ∫0

(1.19)

Donde: XT = Fracción total removida 1-X0 = Fracción de partículas con velocidad Up mayor que U0

1 U0

X0

∫U

p

dx = Fracción de partículas removidas con velocidad Up, menor

0

que Uo. El último término de la ecuación anterior, se cuantifica mediante integración gráfica de la curva para análisis de sedimentación de partículas discretas entre los límites 0 y X0, es decir en el área sombreada de la figura 1.4.5. En términos de las áreas B y C de la figura 1.4.5, lo anterior es equivalente a: X T = (1 − X 0 ) +

B X0 B X0 = (1 − X 0 ) + B+C U0 X 0

Por tanto: X T = (1 − X 0 ) +

B U0

La remoción es la función de la U0, o sea de la carga superficial, única variable de control por parte del diseñador. Para un caudal específico, a mayor área superficial menor carga superficial, mayor eficiencia de remoción.

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1.5

FACTORES QUE SEDIMENTACIÓN

INFLUYEN

EN

EL

PROCESO

DE

Hay que tener presente que en la práctica no existen “tanques ideales”, ya que el proceso de sedimentación se ve afectado por una serie de variables que no están consideradas en la teoría. Podríamos enumeran entre otras las siguientes: a) Corrientes de densidad: Se llama así a las corrientes que se producen dentro del tanque por efecto de las diferencias de densidad en la masa de agua. Existen dos tipos: Corrientes térmicas: Las Corrientes térmicas se producen cuando existe un cambio de temperatura mayor que 1°C por hora. Generalmente durante la noche, en época fría, cuando el afluente llega al sedimentador con una temperatura más baja que la que existe en el tanque, el agua que entra, por su mayor densidad, desplaza a la que ésta mas abajo, creando “ corriente de fondo” que avanzan a alta velocidad y llegan hasta la salida en una fracción del tiempo nominal de detención arrastrando a su paso partículas de fango. Figura 1.5.1

Figura 1.5.1 Corrientes térmicas debida a agua fría.

El fenómeno inverso se presenta cuando el flujo que entra es más caliente que el que existe en el tanque, lo que sucede a veces durante el día, por el calentamiento de las masas de agua superiores. En este caso se forma “ Corrientes superficiales “ que avanzan de la entrada a la salida, sin permitir el asentamiento de las partículas. Figura 1.5.2

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Figura 1.5.2 Corrientes térmicas debidas al agua caliente

Corrientes de Concentración: Las corrientes de densidad, también pueden producirse por las diferencias en la concentración de partículas suspendidas en las distintas masas de agua. Afortunadamente, la mayor concentración de partículas suele estar en el fondo. Pero cualquier perturbación en el flujo, puede alterar el equilibrio produciendo un flujo envolvente sobre si mismo o sinuoso, muy diferente al teórico calculado. b) Corrientes debidas al viento: El viento, al soplar sobre la superficie de los sedimentadores, puede producir corrientes de suficiente intensidad, como para inducir cambios en la dirección del flujo y alterar el precario equilibrio de las masas de agua. En sedimentadores grandes puede crear oleajes de cierta magnitud, interfiriendo el proceso de sedimentación o desequilibrando la distribución del flujo en las canaletas de salida. Se recomienda por eso el uso de cortinas de árboles o vallas vegetales que impidan el impacto directo del viento sobre el agua. c) Corrientes Cinéticas: Las corrientes cinéticas pueden producirse por: Alteraciones en la zona de entrada: Las alteraciones del flujo en la zona de entrada deben evitarse y su presencia puede deberse a una velocidad excesiva del flujo en la entrada del sedimentador, o a que los orificios sean muy grandes, creando turbulencias que pueden extenderse bastante dentro del tanque. Similarmente puede mencionarse como causa de corrientes cinéticas, la distribución desigual del flujo

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en la entrada del sedimentador (orificios de distintos diámetros o algunos parcialmente obstruidos). Obstrucciones en la zona de sedimentación: En esta zona las líneas de flujo no deben encontrarse con ningún tipo de obstrucciones que alteren su trayectoria, ya que disminuiría la eficiencia del sedimentador. Alteraciones en la zona de salida La distribución desigual del agua en la zona de salida es una de las más frecuentes causas de corrientes cinéticas en un sedimentador. Las canaletas de pequeña longitud, mal ubicadas, mal niveladas o impropiamente diseñadas producen cortocircuitos hidráulicos y zonas muertas que pueden inutilizar grandes áreas de los sedimentadores. Figura 1.5.3

Figura 1.5.3 Cortocircuito y espacios muertos.

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CAPÍTULO II PARÁMETROS DE DISEÑO DE LA SEDIMENTACIÓN Los tanques de sedimentación primaria bien dimensionados y explotados con eficiencia eliminan entre el 50 y el 70 % de los sólidos suspendidos y entre el 25 y el 40 % de la DBO5 Por lo regular se considera que teniendo en cuenta criterios económicos y técnicos, los sedimentadores se diseñan para un periodo de 8 a 16 años. Los tanques de sedimentación primaria que precedan a los procesos de tratamiento biológico, pueden ser diseñados de forma que sus tiempos de detención sean menores y tengan una carga de superficie más alta que los que se utilizan como único medio de tratamiento. 2.1

SUPERFICIE DE SEDIMENTACIÓN

Los tanques de sedimentación se suelen dimensionar en función de la carga de superficie, expresada en m3/m2 día. La adopción de una carga de superficie adecuada depende del tipo de suspensión que hay que sedimentar. El efecto de la carga superficial sobre la eliminación de sólidos suspendidos varia ampliamente en función de las características del agua residual, de la proporción de sólidos sedimentables, concentración de sólidos, así como de otros factores. Carga superficial de diseño: En sedimentadores de flujo horizontal o de flujo vertical, la tasa o carga superficial representa la relación entre el caudal, Q, y la superficie superior As de la zona de sedimentación.

Cs =

Q As

(2.1)

La tasa superficial equivale a la velocidad vertical media de sedimentación de aquellas partículas que son removidas en un 100%. La elección de la tasa superficial depende del criterio y experiencia del proyectista. Las denominadas Normas de los Diez Estados Unidos indican para sedimentadores primarios, cuando se prevé SEDIMENTADORES PRIMARIOS

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únicamente tratamiento primario, que la tasa superficial para sedimentadores de flujo horizontal o vertical no deberá exceder de 23 m3/día/m2 en plantas de hasta 4.000 m3/día de capacidad. Para plantas mayores se pueden admitir tasas superiores. Cuando los tanques de sedimentación primaria preceden a los procesos de tratamiento biológico, podrán ser diseñados de forma que tengan una tasa superficial más alta que los tanques que se utilizan como único medio de tratamiento. En la tabla 2.1.1 se muestran valores de carga superficial tomados de Metcalf & Eddy: Tabla 2.1.1 CARGA SUPERFICIAL TIPICA PARA TANQUES DE SEDIMENTACIÓN PRIMARIA

Características Sedimentación primaria seguida de tratamiento secundario Carga superficial (m3/m2 día) Caudal medio Caudal pico Sedimentador primario con barro activado de retorno Carga superficial (m3/m2 día) Caudal medio Caudal pico

Valor Intervalo Típico

32 - 48 80 - 120

100

24 – 32 48 - 70

60

Según Azevedo Netto, considera que a falta de datos experimentales pueden adoptarse especificaciones de tipo general que se presentan en la tabla 2.1.2 Tabla 2.1.2 SEDIMENTADORES CONVENCIONALES: CRITERIOS DIMENSIONALES

Tipo de Instalación Instalaciones pequeñas con instalación precaria Instalaciones proyectadas con la nueva tecnología, con operación normal Instalaciones proyectadas con nueva tecnología, con operación buena

SEDIMENTADORES PRIMARIOS

Carga superficial m /m2 día m3/m2 h 3

20 - 30

0.8 – 1.2

30 - 40

1.2 – 1.7

35 - 45

1.5 – 1.9

20

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Una vez determinada la carga superficial (CS) se procede a calcular el área superficial con la siguiente relación:

As =

Q Cs

(2.2)

Donde: AS = Área superficial (m2) Q = Caudal medio por unidad (m3/día) CS = Carga superficial (m3/m2 día) En toda planta debe haber por lo menos dos unidades de sedimentación, de tal forma que cuando se suspenda una, se pueda seguir trabajando con la otra. Teniendo en cuenta esta eventualidad, el área total de los sedimentadores debe incrementarse en un porcentaje adicional como se muestra en la tabla 2.1.3 Tabla 2.1.3 PORCENTAJE DE ÁREA ADICIONAL DE SEDIMENTACIÓN QUE DEBE PROVEERSE Número de Unidades 2 3 4 5 ó más

2.2

20 0 0 0 0

Carga Superficial m3/m2*día 30 40 50 60 0 33 67 100 0 11 22 33 0 8.5 17 25 0 7 13 20

VOLUMEN DE SEDIMENTACIÓN

Profundidades y Volumen del Tanque: Se demuestra que en sedimentadores de flujo horizontal, la profundidad en sí misma no tiene influencia en la sedimentación. Lo mismo puede afirmarse para sedimentadores de flujo vertical. La profundidad debe ser por lo tanto fijada según la experiencia del proyectista, considerando la necesidad de almacenamiento y concentración de los barros y la prevención de resuspensión de los mismos debido a excesos de velocidades horizontales que pudiesen resultar de bajas profundidades (en el caso de sedimentadores de flujo horizontal) o debido a succión en los puntos de salida. No es deseable, por otra parte, tener grandes profundidades a fin de no producir largos períodos de detención de los barros que provocan condiciones sépticas, y a fin de evitar corrientes debidas a diferencias de densidad.

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21

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Los sólidos que contiene un líquido cloacal tienen ciertas características floculentas. Se puede pensar que en el caso de sedimentadores de flujo horizontal o vertical cuanto mayor es la profundidad, mayor es la probabilidad de contacto entre las partículas de una suspensión floculenta mientras sedimentan; pero a igualdad de volumen, a mayor profundidad corresponde menor área superficial y no pueden sobrepasarse ciertos límites sin aumentar la tasa superficial y afectar en consecuencia la eficiencia de la sedimentación. La Water Pollution Control Federation indica para sedimentadores de flujo horizontal y diámetro del orden de 12 metros o menores profundidades del orden de 3 metros y profundidades del orden de 5 metros para tanques de diámetros de 50 metros o mayores. La tabla 2.2.1 tomada de Metcalf & Eddy presenta las dimensiones para tanques de sedimentación rectangulares y circulares. Tabla 2.2.1 INFORMACIÓN TÍPICA PARA EL PROYECTO DE LOS TANQUES DE SEDIMENTACIÓN RECTANGULARES Y CIRCULARES

Tipo de Tanque Rectangular Profundidad, m Longitud, m Anchura, m Circular Profundidad, m Diámetro, m Pendiente de la solera, mm/m

Valor Intervalo

Típico

3 - 4.5 15 - 90 3 – 25

3.6 25 – 40 5 - 10

3 – 4.5 3 – 60 6.25 – 16

3.6 12 – 45 8

Definida la forma y profundidades del tanque queda entonces definido el volumen V del mismo, debiendo verificarse las relaciones dimensionales como se indica a continuación. 2.3

RELACIONES DIMENSIONALES

Según el manual de Depuración Uralita se tienen las siguientes relaciones dimensionales. En sedimentadores de flujo horizontal: Siendo: L= Longitud del sedimentador h = Altura útil del sedimentador b = Ancho del sedimentador SEDIMENTADORES PRIMARIOS

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Puede usarse las siguientes relaciones: Tabla 2.3.1 RELACIONES DIMENSIONALES PARA SEDIMENTADORES RECTANGULARES

Sedimentación Primaria L/h L/b

Valor Mínimo

Valor Típico

Valor Máximo

5 1.5

15 4.5

40 7.5

Para tanteos, según Huisman:

H =

1 0 .8 L ; 12

B=

1 1 .2 L 8 .5

(2.3)

De publicaciones del CEPIS se obtienen las siguientes relaciones dimensionales: Tabla 2.3.2 RELACIONES DIMENSIONALES PARA SEDIMENTADORES RECTANGULARES

Sedimentación Primaria

Valor Típico

L/h L/b

5 - 20 3-6

También se debe guardar la relación de las velocidades de flujo y las dimensiones de largo y altura.

L VH = H VS

(2.4)

Se puede determinar la velocidad horizontal VH (m/seg) de la unidad mediante la ecuación.

VH =

Q B*H

(2.5)

El cual debe cumplir con las relaciones mencionadas anteriormente. Velocidad de Arrastre: En los tanques de sedimentación, las velocidades horizontales se deben mantener a niveles bajos de modo que las partículas no sean arrastradas desde el fondo del tanque. La velocidad requerida para iniciar el arrastre de las partículas puede calcularse por la expresión desarrollada por Camp, a partir de estudios hechos por Shields: SEDIMENTADORES PRIMARIOS

23

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va =

8* β g (S s − 1) D f

(2.6)

Donde: Va = Velocidad de arrastre, (m/s) β = 0.04 – 0.1 (Constante que depende del tipo de material sedimentado) f = factor de fricción de Darcy-Weisbach. Valores típicos 0.02 – 0.03 g = Aceleración de la gravedad, (m/s2) D = Diámetro promedio de las partículas, (m) Ss = Densidad relativa de las partículas. La ecuación anterior indica que la velocidad requerida para iniciar el arrastre es independiente del tamaño y profundidad del tanque y solo es función del factor de fricción, el tamaño promedio de las partículas y su densidad relativa. Según el Insfopal, la velocidad de flujo en un sedimentador debe ser menor de 1.25 cm/s. 2.4

PERMANENCIA O TIEMPO DE RETENCIÓN

El período nominal de detención o permanencia, Tr, es igual al cociente entre el volumen V del tanque y el caudal Q:

V Q

(2.7)

Pr ofundidad C arg a Superficial

(2.8)

Tr = o bien

T r=

Es el tiempo teórico que toda partícula discreta y aislada del líquido permanecería en el sedimentador con un flujo denominado de tipo pistón. Esta situación no se cumple en general en la práctica, pues algunas partículas salen antes de cumplir dicho período y otras permanecen más tiempo. Ello es debido a los efectos de cortocircuitos y la existencia de zonas muertas que pueden producirse en las operaciones de flujo continuo y a la existencia de partículas aglomerables o floculentas. Actualmente se considera que lo que define un proyecto es la elección de una determinada tasa superficial y las permanencias o períodos de detención, en definitiva definen la profundidad y dependen principalmente del rol que debe desempeñar la sedimentación en el tratamiento y de las características del líquido a tratar. SEDIMENTADORES PRIMARIOS

24

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Corresponden así menores períodos de detención para tanques que preceden tratamientos biológicos que para tanques que sirven como único medio de tratamiento, excepto en el caso del proceso de barros activados con recirculación de barros. Se recomiendan períodos de detención de 1 a 2 h., para sedimentadores primarios previos a tratamientos biológicos y de 1.5 a 2.5 h., para sedimentadores finales o sedimentadores utilizados como medio de tratamiento. Los valores del tiempo de retención pueden obtenerse de la tabla 2.4 tomada del Manual de Depuración Uralita. Tabla 2.4.1 TIEMPOS DE RETENCIÓN

Sedimentación Primaria

Valor Mínimo

Valor Típico

Valor Máximo

Tiempo de retención para caudal medio

1.50 h

2.00 h

3.00 h

Tiempo de retención para caudal máximo

1.00 h

1.50 h

2.00 h

Cuando la decantación primaria se usa como tratamiento único deben aumentarse las cifras anteriores en un 30% En la tabla 2.4.2 se muestran valores de tiempo de retención tomados de Metcalf & Eddy: Tabla 2.4.2 TIEMPOS DE RETENCIÓN

Características Sedimentador primario seguida de tratamiento secundario Tiempo de Retención

2.5

Valor Intervalo Típico

1.5 – 2.5

2

DIMENSIONES DE LA ZONA DE ENTRADA

Las entradas de los sedimentadores de flujo horizontal o vertical deben cumplir con estrictas condiciones hidráulicas de diseño de manera de que la unidad se asemeje a un sedimentador ideal. La entrada del líquido cloacal a los sedimentadores puede hacerse así: por vertederos frontales, por compuertas, por aberturas que descargan entre pantallas, por pantallas perforadas o ranuras y por alimentación central (esto último para sedimentadores circulares).

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25

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De todos estos sistemas, los más utilizados son los de descarga contra pantalla y los de alimentación central. En el sistema por vertedero tiene el inconveniente de producir depósitos en el canal de llegada. En el sistema de sedimentadores circulares con alimentación central, el líquido entra por un conducto o una columna hueca central y desborda bajo el nivel del pelo de agua en el sedimentador; la descarga está reducida generalmente por una pantalla circular concéntrica, que ayuda a la distribución uniforme del efluente. 2.5.1

Sedimentadores Circulares

En sedimentadores circulares de flujo vertical, siendo para el cilindro central de entrada: Φ1 h1 Φ h

= = = =

Diámetro del cilindro Altura del cilindro desde el borde superior del sedimentador Diámetro del sedimentador Altura del sedimentador

Las dimensiones de la zona de entrada se muestran en la tabla 2.4.1 tomada del Manual de Depuración Uralita. Tabla 2.4.1 DIMENSIONES EN SEDIMENTADORES CIRCULARES

Relaciones Φ1 / Φ h1 / h

2.5.2

Valor mínimo 0.05 0.25

Valor típico 0.1 0.40

Valor máximo 0.2 0.65

Sedimentadores Rectangulares

Pantalla Difusora: La pantalla difusora se utiliza generalmente en sedimentadores rectangulares como parte de la zona de entrada, conteniendo un número n de orificios, debiendo además cumplir con ciertas normas y requerimientos. Este elemento busca proveer una transición suave entre la velocidad relativamente alta de la tubería afluente y la velocidad baja uniforme deseable en la zona de asentamiento, para minimizar su interferencia con este proceso.

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La ubicación de la pantalla difusora debe ser entre 0.7 m y 1.0 m de distancia de la pared de entrada. Los orificios más altos de la pared difusora deben estar a 1/5 o 1/6 de la altura (H) a partir de la superficie del agua y los más bajos entre 1/4 ó 1/5 de la altura (H) a partir de la superficie del fondo. La velocidad en los orificios no debe ser mayor a 0,15 m/s para no crear perturbaciones dentro de la zona de sedimentación. Se debe aboquillar los orificios en un ángulo de 15° en el sentido del flujo. En tanques sujetos a vientos severos, corrientes de densidad o variaciones de caudal, son recomendables dos paredes difusoras intermedias. En tanques sujetos a vientos benignos, corrientes de densidad o variaciones de caudal, una pared difusora intermedia es recomendable. Para el diseño de la pantalla difusora se tiene: Se asume una velocidad de paso entre los orificios. Se determina el área total de los orificios ( A0 ) :

A0 =

Q V0

(2.9)

Donde: Q = Caudal de diseño V0 = Velocidad de paso entre los orificios Se adopta un diámetro de orificio. Se determina el área de cada orificio ( a0 ) Se determina el numero de orificios (n) :

n=

A0 a0

(2.10)

Se determina la porción de altura de la pantalla difusora con orificios ( h ) :

⎛2 ⎞ h = H −⎜ H⎟ ⎝5 ⎠

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(2.11)

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Donde: H = Profundidad del sedimentador Se asume un numero de filas de orificios (nf), obteniéndose por tanto el numero de columnas de orificios ( nc ). Se determina el espaciamiento entre filas ( a1 ) :

a1 =

h nf − 1

(2.12)

Se determina el espaciamiento entre columnas ( a2 ):

a2 =

B nc + 1

(2.13)

Donde: B = Ancho del sedimentador 2.6

VERTEDERO DE SALIDA

La salida por otra parte se hace generalmente por vertederos superficiales de caída libre. Se debe tener cuidado en que la longitud de estos vertederos sea tal que no provoque arrastre de material fino en suspensión desde el fondo. En los sedimentadores circulares el vertedero de salida ocupa por lo menos toda la periferia y convienen que la salida tenga la forma de serrucho, de manera de formar un gran número de pequeños vertederos triangulares. La ventaja es la de permitir corregir pequeñas diferencias en el nivel del vertedero, para que todo el sedimentador trabaje de manera uniforme y pueda obtenerse un rendimiento máximo. La Water Pollution Control Federation recomienda no exceder de 200 a 260 m3/m lineal y por día según la ubicación de los vertederos. La norma de los Diez Estados fija que los caudales unitarios de los vertederos no excederán de 130 m3/ml*día para plantas de menos de 4000 m3/día de caudal. Para caudales mayores se recomienda no exceder de 200m3/ml*día. Relación entre parámetros:

L=

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Q CV

(2.14)

28

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Siendo: L = Longitud necesario de vertedero ( m ) Q = Caudal a tratar ( m3 / h ) CV = Carga de salida por el vertedero ( m3 / h * m ) Se tienen los valores de la tabla 2.6, obtenidos del Manual de Depuración Uralita. Tabla 2.6 CARGA DE SALIDA EN VERTEDERO

Forma de Sedimentador Sedimentadores Circulares Sedimentadores Rectangulares

2.7

Valor mínimo

Valor medio

Valor máximo

5

9.5

18

5

10

26

BARREDERAS DE FANGOS

Los sólidos depositados en el fondo de los sedimentadores deben ser extraídos lo más rápidamente posible para evitar que entren en putrefacción y que se produzca en consecuencia la septización del líquido en tratamiento La limpieza puede hacerse hidráulicamente, mediante fondos inclinados y tolvas de acumulación, desde donde los barros se eliminan en forma continua o discontinua ya sea por diferencia de presión o por bombeo. Para el arrastre de los lodos se pueden también usar mecanismos arrastre de lodos, de movimiento lento para no alterar el proceso sedimentación o la resuspensión de los lodos; por esta razón, velocidad del mecanismo de arrastre de los lodos debe ser menor 0.5 cm/s

de de la de

Los barredores en los sedimentadores primarios circulares por lo general deben se de fondo y de superficie para eliminar los sólidos livianos. Siendo Vr = Velocidad lineal de las barrederas de fondo en sedimentadores. Pueden tomarse valores de la tabla 2.7

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29

UNIVERSIDAD DE CUENCA Tabla 2.7 VELOCIDADES DE BARREDERAS DE FONDO

Tipo de tanque Rectangular Circular

Valor mínimo 0.6 m/min 0.02 r/min

Valor típico 0.9 m/min 0.03 r/min

Valor máximo 1.2 m/min 0.05 r/min

Las inclinaciones de los fondos para dichas rasquetas suelen ser : En sedimentadores circulares de 2 al 8 % En sedimentadores rectangulares del 0.5 al 2 % Dependiendo del sistema de rasquetas. 2.8

CAUDALES DE FANGOS PRODUCIDOS

Se debe conocer o estimar el volumen de fango producido en los tanques de sedimentación primaria, de modo que el proyecto y dimensionamiento de los tanques, junto con las instalaciones de tratamiento y eliminación del fango, se puedan llevar a cabo correctamente. El volumen de fango producido depende de: Las características del agua residual cruda, incluidas la edad y concentración de la misma El tiempo de detención y el grado de tratamiento a llevar a cabo en los tanques El estado de los sólidos sedimentados, incluyendo el peso específico, el contenido de agua, y los cambios de volumen experimentados bajo la influencia de los dispositivos mecánicos de eliminación de fangos o de la profundidad del tanque El lapso de tiempo transcurrido entre las operaciones de extracción de fangos El caudal medio de fangos producido puede calcularse con la siguiente fórmula:

Qf =

K *C *Q 10000 * C1

(2.15)

Siendo: Qf = Caudal medio de fangos producidos ( m3 / h ) Q = Caudal medio de agua a tratar ( m3 / h ) K = Coeficiente de reducción de sólidos en suspensión en la sedimentación C = Concentración de sólidos en suspensión en el agua bruta (p.p.m)

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C1 = Concentración de fangos en la salida de purga del sedimentador (%) Como valores usuales de la concentración de fangos en la salida de purga del sedimentador, pueden tomarse los de la tabla 2.8.1 Tabla 2.8.1 CONCENTRACIÓN DE FANGOS (%)

Valor mínimo

Valor típico

Valor máximo

1

1.5

2

3

5

6

Sedimentadores de succión Sedimentadores con pocetas

En la tabla 2.8.2 tomada de Metcalf & Eddy, se proporcionan datos sobre el peso específico y el contenido de humedad del fango extraído de los tanques de sedimentación primaria. El caudal de fangos también se puede calcular mediante la expresión: Qf =

Ws ρ w S st Ps

(2.16)

Donde: Ws= Peso de los sólidos secos, Kg/día ρw = Densidad del agua, kg/m3 Sst = Peso específico relativo del fango Ps = Fracción de sólidos Tabla 2.8.2 INFORMACIÓN TIPICA SOBRE EL PESO ESPECÍFICO Y LA CONCENTRACIÓN DEL FANGO PROCEDENTE DE LOS SEDIMENTADORES PRIMARIOS

Tipo de fango Únicamente fangos primarios Agua residual procedente de alcantarillado sanitario Agua residual procedente de redes de alcantarillado combinado Primarios y fangos activados en exceso Primarios y Lechos percoladores

Peso específico

Concentración de Sólidos % Intervalo Típico

1.03

4 -12

6

1.05

4 -12

6.5

1.03

2–6

3

1.03

4 – 10

5

Con una concentración de barro mayor al 12% este no podría escurrir.

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31

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2.9

POCETAS DE FANGOS

Al diseñar el sedimentador hay que tener en cuenta el volumen destinado al almacenamiento de lodos. Los lodos se mueven hidráulicamente hacia una tolva de lodos de donde son extraídos mediante una tubería de desagüe. El tanque tendrá, por consiguiente, en su fondo una pendiente suave hacia la tolva de lodos. Según Sánchez Montenegro, la pendiente longitudinal varía entre 2 y 3%, la pendiente transversal del 10 al 12% y el diámetro mínimo del desagüe 30cm. Algunos autores recomiendan pendientes mayores de 0.4% y diámetro mínimo del desagüe del 15cm. En general la pendiente más usada para el fondo de tanques rectangulares es del 1% y de 1.2/1 a 2/1 para las tolvas de lodos. Relación entre parámetros: VP = Qf * Tr

(2.17)

Siendo: VP = Volumen de poceta o pocetas ( m3 ) Qf = Caudal medio de fangos producidos ( m3 / h ) Tr = Tiempo de retención del fango en pocetas ( h ) Los valores usuales del tiempo de retención en pocetas pueden tomarse de la tabla 2.8 Tabla 2.8 TIEMPO DE RETENCIÓN EN POCETAS DE SEDIMENTADORES

Valor mínimo (h)

Valor típico (h)

Valor máximo (h)

0.5

2

5

4

6

8

4

10

24

Sedimentador Circular sin rasquetas de espesador Sedimentador Circular con rasquetas de espesador Sedimentador rectangular

Notas: En los sedimentadores circulares con rasquetas de espesado se pueden alcanzar concentraciones del fango de hasta el 8%

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No obstante los tiempos de retención indicados para el dimensionamiento de pocetas, lo normal suele ser el que las purgas de fangos se realicen continuamente o mediante temporizaciones cortas. Recolección de Fangos: Los lodos pueden recogerse en una, dos o tres tolvas de lodos; en cada caso, cada tolva debe equiparse con tubería separada de drenaje. Se debe poder desocupar el tanque en un tiempo de 30 – 60 minutos. Para calcular la tubería de desagüe se puede usar la fórmula siguiente.

S=

A d 4850 t

(2.18)

Donde: S A t d

= Sección del desagüe, (m2) = Área superficial del sedimentador, (m2) = Tiempo de vaciado en horas = Altura del agua sobre la boca del desagüe, (m)

La descarga de desagüe para la altura máxima d está dada por:

Q = 0.61 S

2gd

(2.19)

Donde: Q = Descarga en m3/s g = Aceleración de la gravedad, m/s2 Para prevenir asentamientos de lodo en la tubería de desagüe, la velocidad de flujo debe ser mayor de 1.4 m/s. Las conducciones de extracción de fangos de funcionamiento por gravedad no deben ser de diámetro inferior a 200mm. En la práctica habitual es frecuente disponer cierto número de puntos de acceso para limpieza en forma de piezas en T dotadas de bridas ciegas en lugar de codos lo cual permite la introducción de varillas de limpieza si es necesario. Las conexiones a las bombas no deben ser de diámetro inferior a 100mm.

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2.10 CARACTERISTICAS DEL FANGO PRODUCIDO Los constituyentes del agua residual eliminados en las plantas de tratamiento incluyen basuras, arenas, espumas y fango. El fango producido en las operaciones y procesos de tratamiento de las aguas residuales suele ser un liquido o liquido semisólido, con un contenido en sólidos, dependiendo de las operaciones y procesos de tratamiento, variable entre 0.25 y el 12 % en peso. De los constituyentes eliminados en el tratamiento, el fango es, con diferencia, el de mayor volumen y su tratamiento y evacuación es quizás el problema mas complejo al que se enfrenta el Ingeniero Sanitario. Para proyectar convenientemente las instalaciones para el tratamiento y evacuación del fango, es necesario conocer, su procedencia, cantidad y características de los sólidos y del fango a tratar. En la tabla 2.10.1 tomada de Metcalf y Eddy, se muestra la procedencia de sólidos y fango en una instalación convencional de tratamiento de aguas residuales. Tabla 2.10.1 PROCEDENCIA DE SÓLIDOS Y FANGO EN UNA INSTALACIÓN CONVENCIONAL DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL

Operación o proceso unitario

Tipo de solido o fango

Desbaste

Sólidos gruesos

Desarenado

Arenas y espumas

Preaireación

Arenas y espumas

Sedimentación primaria

Fango primario y espumas

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Observaciones Los sólidos gruesos se eliminan mediante rejas de limpieza mecánica y manual. En plantas de pequeñas dimensiones, las basuras se suelen triturar para su eliminación en los subsiguientes procesos de tratamiento A menudo no se incluyen instalaciones de eliminación de espuma en la eliminación de arenas. En algunas plantas, no se incluyen instalaciones de eliminación de espumas en los tanques de preaireación. Caso de que estos tanques no vayan precedidos de instalaciones para la eliminación de arenas se pueden producir depósitos de arenas. Las cantidades tanto de fango como de espuma dependen del tipo de red de alcantarillado y de la existencia de vertidos industriales.

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Características: Para tratar y evacuar el fango generado, de la manera más eficiente posible, es importante conocer las características de los sólidos y el fango que se va a procesar. Las características varían en función del origen de los sólidos y del fango y de la edad del fango. En la tabla 2.10.2 tomada de Metcalf & Eddy, se muestra las características del fango producido durante el tratamiento del agua residual. Tabla 2.10.2 CARACTERÍSTICAS DEL FANGO PRODUCIDO DURANTE EL TRATAMIENTO DEL AGUA RESIDUAL

Sólidos o fango

Descripción

Residuos del desbaste

Las basuras incluyen todo tipo de materiales orgánicos e inorgánicos de tamaño suficientemente grande para ser eliminados por rejas de barras. El contenido de materia orgánica, varia dependiendo de la naturaleza del sistema y de la estación del año.

Arena

Las arenas están constituidas, normalmente por los sólidos inorgánicos mas pesados, que sedimentan con velocidades relativamente altas. Dependiendo de las condiciones de funcionamiento, la arena puede también contener cantidades significativas de materia orgánica, especialmente aceites y grasas.

Espumas / Grasas

La espuma esta formada por los materiales flotantes recogidos en la superficie de los tanques de sedimentación primario y secundario. Puede incluir grasas, aceites minerales y vegetales, grasas animales, ceras, jabones, residuos alimenticios, pieles de hortalizas, cabellos, papel y algodón, colillas de cigarrillos, materiales de plástico, preservativos de goma, partículas de arena y materiales similares. El peso especifico de la espuma es menor que uno, generalmente alrededor de 0.95

Fango primario

El fango de los tanques de sedimentación primaria es generalmente gris y grasiento y, en la mayoría de los casos produce un olor extremadamente molesto. Puede digerirse fácilmente si se adoptan condiciones adecuadas de funcionamiento.

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En la tabla 2.10.3 tomada de Metcalf & Eddy, se incluyen algunos datos típicos de la composición química de fangos crudos. Tabla 2.10.3 COMPOSICIÓN QUÍMICA TÍPICA DEL FANGO CRUDO Características Sólidos secos totales (ST),% Sólidos volátiles (% de ST) Grasas y aceites (% de ST) Solubles en éter Extractable en éter Proteínas (% de ST) Nitrógeno (N, % de ST) Fósforo (P2O5, % de ST) Potasio (K2O% de ST) Celulosa (% de ST) Hierro (no como sulfuro) Sílice (SiO2 % de ST) pH Alcalinidad (Mg/l como CaCo3) Ácidos orgánicos (Mg/l como HAc) Poder calorífico (MJ/kg)

Fango Primario crudo Valor Intervalo Típico 2–8 5 60 – 80 65 6 – 30 7 – 35 20 – 30 1.5 – 4 0.8 2.8 0-1 8 – 15 2–4 15 – 20 5–8 500 - 1500 200 – 2000 23000 - 29000

25 2.5 1.6 0.4 10 2.5 6 600 500 25500

En los casos en los que se considera la utilización del fango en métodos de aplicación al terreno o incineración, es necesario determinar el contenido de metales pesados, pesticidas, e hidrocarburos. El contenido energético (térmico) del fango es importante en aquellos casos en los que se considere el uso de procesos de reducción térmica tales como la incineración. Constituyentes Específicos: Las características del fango que afectan a su aptitud para la aplicación al terreno y usos beneficiosos incluyen el contenido en materia orgánica (normalmente medido como sólidos volátiles), nutrientes, patógenos, metales y compuestos orgánicos tóxicos. El valor del fango como fertilizante se basa principalmente en su contenido de nitrógeno, fósforo y potasio, y se debería determinar en aquellos casos en los que el fango se vaya a emplear como acondicionador de suelos. En la tabla 2.10.4 tomada de Metcalf & Eddy, se muestran los contenidos típicos en nutrientes comparados con los contenidos de los fertilizantes comerciales.

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UNIVERSIDAD DE CUENCA Tabla 2.10.4 COMPARACIÓN ENTRE LOS NIVELES DE NUTRIENTES DE LOS FERTILIZANTES COMERCIALES Y EL FANGO DE AGUA RESIDUAL

Fertilizantes para usos agrícolas típicos Valores típicos para fangos de agua residual estabilizados

Nitrógeno

NUTRIENTES Fósforo

Potasio

5

10

10

3.3

2.3

0.3

Aquellos compuestos químicos inorgánicos que, en pequeñas cantidades, pueden ser perjudiciales, tanto para plantas como para animales, son los metales pesados, La concentración de metales pesados puede limitar la tasa de aplicación del fango al terreno y la vida útil del terreno de aplicación. En la tabla 2.10.5 tomada de Metcalf & Eddy, se muestra la concentración de metales pesados en el fango de agua residual Tabla 2.10.5 CONTENIDO TÍPICO DE METALES EN EL FANGO DE AGUA RESIDUAL Fango seco, mg/kg Intervalo Mediana 1.1 - 230 10 1 – 3410 10 10 – 99000 500 1.3 – 2490 30 84 – 17000 800 1000 – 154000 17000 13 – 26000 500 32 – 9870 260 0.6 – 56 6 0.1 – 214 4 2 – 5300 80 1.7 – 17.2 5 2.6 – 329 14 101 - 49000 1700

Metal Arsénico Cadmio Cromo Cobalto Cobre Hierro Plomo Manganeso Mercurio Molibdeno Níquel Selenio Estaño Cinc

En un proceso de Sedimentación primaria las características físicas y las cantidades de fango producidos son las siguientes:

Proceso de tratamiento Decantación Primaria

Peso específico de los sólidos del fango

Peso específico del fango

1.4

1.02

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Sólidos secos, kg/103 m3 Intervalo Típico 110 - 170

150

37

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2.11 REMOCIÓN Y DISPOSICIÓN DE ESPUMAS, ACIETES Y GRASAS La remoción de espumas, aceites y grasas puede hacerse en las distintas unidades del tratamiento que permitan su recolección en superficie ya que siendo de peso específico menor que el agua (su densidad relativa al agua es del orden de 0,95) tienden a flotar. En particular son recogidas en tanques de preaireación y en los sistemas de sedimentación y flotación. En pequeñas instalaciones pueden diseñarse pequeñas unidades cuya única función sea la recolección de aceites y grasas denominados desengrasadores y que pueden considerarse un tratamiento primario en sí mismo. Los sedimentadores primarios pueden equiparase de sistemas especiales que permitan retener y concentrar las espumas, aceites y grasas flotantes. La retención puede hacerse simplemente con la colocación de pantallas superficiales que impidan el paso de estos elementos flotantes. En tanques circulares como se indicó la concentración y remoción de las espumas y grasas suele realizarse mediante pantallas móviles ligadas al mecanismo de concentración y recolección de barros. El mecanismo desplaza lentamente los materiales flotantes hacia la periferia y los obliga a caer en un sumidero. Para el control de exceso de espumas es conveniente disponer de dispersores de agua en forma de duchas finas. En todos los casos puede realizarse la disposición final de los elementos flotantes en forma conjunta con la disposición de los barro, en forma separada en enterramientos y en forma conjunta por incineración con el material retenido de las rejas.

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38

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CAPÍTULO III DEPURACIÓN FÍSICA 3.1

FUNDAMENTO Y ALCANCE

El objetivo fundamental de la sedimentación primaria es la eliminación de los sólidos sedimentables. La mayor parte de las sustancias en suspensión en las aguas residuales no pueden retenerse, ya sea por su finura o densidad, en las rejillas, desarenadores y cámaras de grasa, ni tampoco pueden separarse mediante flotación por ser más pesadas que el agua. Los tanques de sedimentación primaria pueden proporcionar el grado principal de tratamiento de aguas residuales o bien pueden utilizarse como un paso preliminar para el tratamiento posterior. Cuando se utilizan como único medio de tratamiento, sirven para la reducción de sólidos sedimentables capaces de formar depósitos en las masas de aguas receptoras y la reducción de gran parte de las materias flotantes. Si se emplean como paso previo a un tratamiento biológico, su función es reducir la carga en las unidades específicas del tratamiento biológico. Como se mencionó en el capítulo anterior, Con los barros de los sedimentadores primarios, que estén proyectados y operados eficazmente, deben eliminarse un 50 al 70% de los sólidos suspendidos y un 25 al 40% de la DBO5. 3.2

TIPOS DE SEDIMENTADORES

La elección del tipo de sedimentador depende del tamaño de la instalación, de las condiciones del terreno, reglamentos de los organismos de control, de la experiencia y juicio del proyectista, y de los costos de obra. Se debe disponer de dos o más tanques con objeto de que el proceso no se interrumpa mientras uno de ellos esté fuera de servicio por razones de reparación o de mantenimiento. La sedimentación puede ser:

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De flujo horizontal De flujo vertical Los Sedimentadores pueden clasificarse parámetros como se indica a continuación:

de

acuerdo

a

varios

Según su función: Cámara séptica Pozo Inhoff Sedimentadores Separados Según su forma: Rectangulares Cuadrados Circulares Según su fondo (relacionado con la limpieza): Plana Fuerte Pendiente Tolvas Según su limpieza: Simple Mecánica 3.3

CARACTERISTICAS DEL SEDIMENTADOR CIRCULAR

En los tanques circulares, el sistema de flujo es radial Figura 3.3.1 (a diferencia del flujo horizontal que se da en los tanques rectangulares). El sistema de flujo radial, se da porque el agua residual a sedimentar se introduce por el centro o bien por la periferia del tanque, tal como se muestra en la Figura 3.3.2 y Figura 3.3.3. Ambas configuraciones de flujo han proporcionado, por lo general, resultados satisfactorios, a pesar de que el sistema más comúnmente empleado es el de introducir el agua por el centro. En las unidades de alimentación periférica, se han producido algunos problemas con la distribución del flujo y la eliminación de espumas.

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Figuras 3.3.1 Alimentación Central

Alimentación periférica

En el diseño de alimentación central, Figura 3.3.2, el agua residual se transporta hacia el centro del tanque mediante una tubería suspendida del puente o embebida en hormigón por debajo de la solera. En la zona central, el agua residual pasa por una campana circular diseñada para distribuir el flujo uniformemente en todas direcciones. La campana central tiene un diámetro que suele variar entre el 15 y el 20% del diámetro total del tanque, con una profundidad que varía entre 1 y 2,5 m. El puente rascador gira lentamente y puede tener dos o cuatro brazos equipados con rascadores de fondo. Los puentes también incluyen unos rascadores superficiales para la eliminación de espumas. Las fotografías que se muestran a continuación corresponden a Sedimentadores Circulares que funcionan en la Planta Depuradora Norte de la ciudad de Buenos Aires - Argentina. Esta Planta tiene la capacidad para tratar los efluentes de 270.000 habitantes. Ver Anexo 2

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Sedimentador Circular de Altura cilíndrica: 3m, Diámetro 43m.

Estructura de Salida con vertederos a lo largo de toda la periferia

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En la siguiente fotografía se muestra un sedimentador circular en funcionamiento con el que se logra una remoción de DBO5: 25%, una remoción de materia en suspensión del 50%, con una velocidad ascensional a caudal pico: 1.75 m/h

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Tanque de Sedimentación de alimentación central equipado con puente rascador para la eliminación de fango. En el diseño de alimentación perimetral Figura 3.3.2, existe un deflector circular suspendido a corta distancia del muro del tanque, formando un espacio en el que se descarga el agua residual en dirección tangencial. El agua residual circula en espiral alrededor del tanque y por debajo del deflector, mientras el líquido sedimentado se recoge por medio de unos vertederos colocados a ambos lados de un canal situado en la parte central. La grasa y la espuma quedan retenidas en la superficie. En los tanques circulares de 3.6m a 9m de diámetro, el equipo de extracción de fango está soportado por medio de vigas apoyadas en las paredes laterales. Los tanques de diámetro superior a 10.5 m utilizan un pilar central que soporta el puente rascador y que es accesible por medio de una pasarela, como en la fotografía. La solera del tanque tiene forma de cono invertido, con una pendiente aproximada de 1/12, y el fango se arrastra a un cuenco relativamente pequeño situado junto a la zona central del tanque.

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2

2

Figura 3.3.2 Tanques Circulares de Sedimentación Primaria (de alimentación periférica)

Tomado de Metcalf y Eddy (de Infilco Degremont)

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3

3

Figura 3.3.3 Tanques Circulares de Sedimentación Primaria (de alimentación central)

Tomado de Metcalf y Eddy (de Infilco Degremont)

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3.4

CARACTERISTICAS DEL SEDIMENTADOR RECTANGULAR DE FLUJO HORIZONTAL

Los sedimentadores rectangulares tienen la forma y características detalladas en la Figura 3.4.1, con la ventaja de que permiten una implantación más compacta, aunque su costo es más elevado. Normalmente, tienen una relación longitud/ancho comprendida entre 3 y 6 y una profundidad de 2,5 a 4m.

Figura 3.4.1 Tanque rectangular de sedimentación primaria

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Los canales de entrada del agua a tratar se deben situar transversalmente a los tanques en las zonas de entrada, de forma similar a los canales de recogida del efluente en la zona de salida. También conviene situar las instalaciones de bombeo de fango cerca de los cuencos de recogida ubicados en los extremos de los tanques. En los tanques rectangulares, la distribución del flujo a la entrada del tanque es un factor crítico. Las posibilidades de diseño de la entrada de agua al tanque incluyen: Canales que ocupan toda la anchura del tanque, con vertederos de entrada Canales de entrada con orificios de entrada sumergidos Canales de entrada con compuertas grandes y deflectores. Los vertederos de entrada, a pesar de que son efectivos en cuanto a la distribución de flujo en toda la anchura del canal, introducen una componente vertical de la velocidad en los cuencos de recogida de fangos que puede resuspender las partículas de fango. Los orificios de entrada pueden conseguir una buena distribución del flujo en el ancho del tanque si se mantienen las velocidades dentro del intervalo entre 3 y 9 m/min. Los deflectores de entrada son eficaces en la reducción de las altas velocidades iniciales, y distribuyen el flujo a lo largo de la mayor sección transversal posible. En los casos en los que se emplean deflectores que cubren toda la anchura del canal, deberán extenderse desde 150 mm por debajo de la superficie hasta 300 mm por debajo de la abertura de entrada. En la Figura 3.4.2 se muestra la ubicación de la Pantalla Difusora con respecto a la pared de entrada.

Figura 3.4.2 Pantalla Difusora (Vista Lateral)

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φ

φ

Figura 3.4.2 Pantalla Difusora (Vista Frontal)

Existe una gran variedad de estructuras de salida, las cuales podríamos clasificarlas en:

⎧ Lisos Vertederos de rebose ⎨ ⎩ Dentados

Canaletas de rebose

Lisas ⎧ ⎪ ⎨ Dentadas ⎪Con Orificios ⎩

Orificios

⎧ Circulares ⎨ ⎩Cuadrados

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En las Figuras 3.4.3 se muestran algunas estructuras de salida en sedimentadores rectangulares:

a)

c)

b)

Vertederos de Rebose

Canaletas de Rebose

d)

e) f) Orificios de salida Tipos de Canaletas Figuras 3.4.3 Estructuras de salida en sedimentadores rectangulares

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Los vertederos de rebose, cualquiera sea su forma, en lo posible no deben dejar zonas muertas, como las que se presentan en el caso b) pues la trayectoria de las partículas se tiene que curvar, aumentando las posibilidades de arrastre. Los deflectores del viento que se incluyen en los casos a), d) y e) penetran a poca profundidad dentro del agua, y tienen por objeto evitar el oleaje que el viento produce. Las canaletas de rebose c) y d) se diseñan con el propósito de disminuir la carga sobre ellas. Algunos proyectistas prefieren prolongar su longitud has 1/3 y aun ½ de la extensión total del tanque sedimentador. Pueden colocarse transversales al flujo, caso c), o paralelas al flujo, caso d). En ambos tipos existe una cierta distorsión de las líneas de flujo por disminución de la sección inmediata antes de que la partícula alcance el borde de la canaleta. El nivel del agua en el sedimentador debe controlarse cuidadosamente; pues cuando las canaletas trabajan ahogadas, el lodo puede resuspenderse en gran cantidad por el aumento de la velocidad de salida, ya que el flujo queda controlado por los huecos de unión entre las canaletas y el canal de agua sedimentada. Por otra parte, las estructuras que se proyectan dentro del tanque pueden en algunas ocasiones crear movimientos rotacionales de la masa líquida que revuelven los lodos del fondo. Los tanques de sedimentación rectangulares pueden incorporar sistemas de rascado de fangos con rascadores accionados por cadenas o con puentes de traslación. En el caso de plantas pequeñas, los sólidos que sedimentan en el tanque se arrastran a unos cuencos de recogida del fango, mientras que en las plantas grandes, se arrastran a unos canales de fondo transversales. Estos canales transversales están equipados con sistemas de recolección (colectores transversales), de cadena y rascadores, que conducen el fango a uno o más cuencos de fango. En unidades de gran longitud (por encima de los 50m), se pueden conducir los fangos a puntos cercanos al centro del tanque mediante los mecanismos de rascado. Es preferible instalar colectores transversales, posiblemente con excepción de las plantas pequeñas, puesto que permiten extraer fango más concentrado y uniforme, además de eliminarse los problemas que se producen en los cuencos de recogida.

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En las Figura 3.4.4 se muestran algunos sistemas de remoción de lodos en Sedimentadores Rectangulares

Puente Barrelodos

Cadena Barrelodos

Sedimentador Rectangular de Rasquetas

Figura 3.4.4 Sistemas de Remoción de Lodos en Sedimentadores Rectangulares

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En las Figura 3.4.5 se muestran algunas distribuciones típicas de tolvas de lodos para tanques de sedimentación rectangulares. Es recomendable que cada tolva esté dotada de su tubería de desagüe independiente con el fin de que se pueda desaguar separadamente.

Planta

Corte A-A

Planta

Corte C-C

Planta

Corte E-E

Figura 3.4.5 Distribución de Tolvas de lodos para tanques de Sedimentación Primaria

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Las espumas se suelen recoger en el extremo de salida de los tanques rectangulares por medio de los rascadores que hacen su camino de retorno por la superficie del líquido. La espuma se arrastra mediante los rascadores hasta un punto en el que se retiene por medio de unos deflectores para su extracción. La espuma también se puede arrastrar mediante el rociado con agua a presión, y la extracción de la espuma se puede realizar arrastrándola manualmente hasta una rampa inclinada o por medio de dispositivos mecánicos o hidráulicos. Para instalaciones pequeñas, el sistema de recogida de espumas más común consiste en una tubería horizontal dotada de ranuras que se puede hace rotar mediante una tubería horizontal dotada de ranuras que se puede hacer rotar mediante una manivela o un tornillo. Excepto en el momento de recogida de las espumas, las aberturas se hallan por encima del nivel normal del agua en el tanque. En el momento de extraer las espumas, se gira la tubería de modo que se sumerjan las aberturas justo por debajo del nivel del agua, permitiendo que las espumas acumuladas fluyan al interior de la tubería. El uso de esta clase de equipos da como resultado un volumen relativamente grande de líquido con las espumas. Las espumas se suelen eliminar junto con los fangos producidos en la plante; no obstante, en muchas plantas, las espumas se eliminan por separado. Los tanques rectangulares múltiples exigen menos espacio que los circulares, razón por la cual se emplean en zonas en las que la disponibilidad de terreno constituye una traba. Los tanques rectangulares se prestan a ser construidos adyacentes a los tanques de preaireación y de aireación en las plantas de fangos activados, permitiendo el aprovechamiento de paredes comunes y reduciendo los costos de construcción. En la Figura 3.4.6 se muestra un tipo de Sedimentador “Simple”. Con todas sus estructuras.

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Figura 3.4.6 Sedimentador Simple

3.5

TANQUE IMHOFF

Los tanques Imhoff son unidades de sedimentación y digestión, generalmente abiertas, de escurrimiento horizontal y continuo y se compone de compartimientos, uno superior en el que se verifica la sedimentación que se comunica con otro inferior de digestión. El desagüe ingresa por la parte superior y los sólidos pasan a la parte inferior, en donde se opera el proceso de digestión. Los gases, producto de la digestión, salen por la parte superior y suelen ser recogidos y quemados. La forma en planta puede ser circular o rectangular. Se deben disponer las cámaras de sedimentación, de digestión y de salida de gases. Los barros producidos se retiran en lapsos que van de 60 a 80 días, aproximadamente, que es el tiempo requerido por el proceso de digestión. Los gases se recogen mediante campanas y, debido a su combustibilidad, son quemados. Cuando la planta es grande, puede

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aprovecharse la energía calorífica de los gases para incinerar el material retirado de rejas o para el calentamiento de agua usada en otros procesos, tales como calefacción de digestores separados. El tanque Imhoff produce una reducción del 40 al 60% de sólidos suspendidos y del 25 al 35% de D.B.O. Los tanques Imhoff se aplican económicamente en instalaciones pequeñas desde algunas centenas hasta cerca de 5000 personas servidas por unidad. Su utilización es para un tratamiento primario y pueden servir como sedimentación primaria en platas con lechos percoladores o lagunas de estabilización. Datos básicos de Diseño: Período de detención en cámara de sedimentación: mínimo 1,5 a 2 horas. Período de detención en cámara de digestión: 75 días. Capacidad de la cámara de digestión: Está en función del volumen de barro producido por habitante. (depende de las condiciones climáticas). Tratamiento primario: 50 a 60 l/hab. Tratamiento primario mas lechos percoladores: 70 l/hab. Los valores dados corresponden a climas templados. Inclinación de las paredes en el compartimiento de sedimentación (ángulo ): 1 1 : 1 y en casos excepcionales 1:1 4 Abertura para el pasaje de barros: Mínimo 0.15m, preferible 0.20m Superposición de los bordes de las aberturas: Mínimo 0.15m preferible 0.20 m Zonas neutras. No deben ser computadas en los cálculos: 45 cm. arriba y 45cm. debajo de las aberturas para el pasaje de barros. Inclinación del fondo de la cámara de digestión: 1:2 Cuando hubiera dos cámaras de sedimentación en un solo tanque conviene interponer una pantalla separadora en la parte superior de la cámara de digestión para evitar corrientes perjudiciales de una cámara a otra. SEDIMENTADORES PRIMARIOS

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Salidas de los gases: La superficie destinada a la espuma y la salida de gases deberá tener del 10 al 35% del área total de la cámara de digestión (valor típico 20%), pero nunca será inferior que 0.45m. Remoción de los barros digeridos. Las cañerías deberán tener un diámetro mínimo de 0.15m. La espuma formada debe romperse o batida periódicamente. La abertura de los tanques imhoff se practica con el fin de recoger los gases de digestión, en especial el gas metano. En la Figura 3.5 se muestra un Corte de un Tanque Imhoff

φ

φ

Figura 3.5 Corte de un Tanque Imhoff

Dimensiones usuales de los Pozos Imhoff: a) Tanques Rectangulares Ancho: 3 a 15 m. Largo: 6 a 30m. (Generalmente mayor a 9m.)

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Canaleta de Sedimentación: Ancho: 3 a 5 m. Alto: 3 a 4 m. Profundidad: 5 a 10m. (Generalmente de 7 a 9m.) Profundidad de la cámara de sedimentación: 1.50 a 2.50m. Relación Largo/Ancho: 2:1 a 6:1. Siempre que fuera superior a 2:1 deben preverse dispositivos que permitan una inversión periódica de la corriente líquida en el tanque. b) Tanques Circulares Diámetro: usualmente comprendido entre 2.5 a 7.5m. Relación Atura / diámetro: 1.20 a 2 Altura total: generalmente entre 5 a 9m. Para poblaciones superiores que 1500 habitantes en inferiores que 5000 conviene proyectar dos unidades circulares. Para poblaciones de más de 5000 habitantes se considera aconsejable proyectar tanques rectangulares.

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CAPÍTULO IV DISEÑO DE UN SEDIMENTADOR 4.1

DISEÑO DE UN SEDIMENTADOR RECTANGULAR

Ahora se procederá a realizar el diseño de un sedimentador rectangular con los siguientes datos: Caudal de diseño: Para el caudal de diseño consideramos una población de 220.000 habitantes con una dotación de 250 lt/hab*día, con lo que calculamos un caudal medio de aguas residuales a tratarse.

QA. R. (lt / seg ) =

Población (hab)* Dotación (lt / hab * día )* C.R. 86400

QA.R. (lt / seg ) =

220000 * 250 * 0.75 = 477.43 lt / s 86400

Con un incremento del 25% se obtiene un caudal = 596.79 lt/seg. Se asume un caudal medio de Diseño de 600 lt/seg. Q

diseño

= 0.6 m3/s = 51.840 m3/día

No. de Unidades = 2 Caudal por unidad = 0.3 m3/s = 25.920 m3/día Carga Superficial: De acuerdo a las tablas 2.1.1 y 2.1.2 presentadas en el capítulo 2, y revisando las Normas del IEOS, (ANEXO 3). Tomamos una carga superficial de diseño: Cs = 40 m3/m2*día Esta carga superficial corresponde sedimentación Vs= 0.000463 m/seg

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a

una

velocidad

de

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A continuación se obtiene el área superficial de cada unidad de sedimentación de la siguiente manera:

As =

Q 25920 = =648 m2 40 Cs

Se incrementa el área superficial en un 33%. Según la Tabla 2.1.3. Lo que nos da un área superficial = 861 m2 El tipo de sedimentador a diseñar es Rectangular por lo que procedemos a calcular sus dimensiones: Nos imponemos un ancho de 14 m. según la Tabla 2.2.1 y obtenemos una longitud del sedimentador de 61.5 m. B= 14 m. L = 61.5 m. Asumimos una profundidad de 4 m. de acuerdo a la Tabla 2.2.1. Ahora se procede a calcular las relaciones dimensionales y comprobar que cumplan con las recomendadas.

L 61.5 = = 4.39 (cumple) B 14 L 61.5 = = 19.84 (cumple) H 3.1 A continuación permanencia:

se

calcula

el

tiempo

de

retención

o

Volumen del Tanque = V= L*B*H V= 61.5*14*3.1 = 2669.1 m3

V 2669.1 m 3 = = 8897 seg Tiempo de Retención (TR) = Q 0.3 m 3 / s TR=2.47 horas Con una pendiente del 10% en el fondo de la unidad se tiene como altura máxima: H’ = H + 0.1H = 3.1 + ( 0.1 * 3.1 ) = 3.41 m

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A continuación se diseñara la pantalla difusora como parte de la zona de entrada: La pantalla difusora se colocara a 1 m. de distancia de la pared de entrada. Ahora se calculara el número de orificios y la distancia entre ellos: Asumimos una velocidad de paso entre los orificios V0 = 0.15 m/seg Se determina el área total de los orificios:

A0 =

Q 0 .3 = = 2 m2 V0 0.15

Se adopta un diámetro de orificio de 0.08 m Entonces se determina el área de cada orificio: a0 = π * 0.082 / 4 = 0.00503 m2 Determinamos el número de orificios:

n=

A0 2 = = 398 orificios a0 0.00503

Se determina la porción de altura de la pantalla difusora con orificios: h = H – 2/5 H = 3.1 – ( (2/5)*3.1 ) h = 1.86 m Se asume un número de filas de orificios ( nf ) = 10 Entonces se tiene un numero de columnas ( nc ) = 40 Se determina el espaciamiento entre filas:

a1 =

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1.86 h = = 0.21 m nf − 1 10 − 1

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Se determina el espaciamiento entre columnas:

a2 =

14 B = = 0.34 m nc + 1 40 + 1

Se debe aboquillar los orificios en un ángulo de 15º en el sentido del flujo. Ahora se calculara la longitud del vertedero de salida:

L (m ) =

Q (m 3 / h ) CV (m 3 / h * m )

Asumimos una carga de salida por el vertedero ( CV ) de: CV = 20 m3/h*m

(

) )

1080 m 3 / h L (m ) = = 54 m 20 m 3 / h * m

(

En unidades con una longitud mayor a los 50 m, se recomienda utilizar sistemas de remoción mecánicos de lodos, como podrían ser las cadenas, rasquetas o puentes barrelodos. Teniendo en cuenta que la velocidad del mecanismo de arrastre de los lodos se encuentre en un rango de 0.6 m/min – 1.2 m/min, para no alterar el proceso de sedimentación o la resuspensión de los lodos. A continuación se debe calcular el caudal de fangos producidos para un caudal de 25.920 m3/día, mediante la expresión: Qf =

Ws ρ w S st Ps

Donde: Ws= Peso de los sólidos secos, Kg/día ρw = Densidad del agua, kg/m3 Sst = Peso específico relativo del fango Ps = Fracción de sólidos Sabiendo que los Sólidos Suspendidos afluente al Sedimentador es de 220 mg/lt. (Considerando una concentración media. Ver Anexo 1) y adoptando un rendimiento de eliminación de estos sólidos del 60%.

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Sólidos Suspendidos secos extraídos: 0.6 * 220 mg/lt=132 mg/lt = 132 gr/m3 Peso específico relativo del fango (Sst) = 1.03 (Ver Tabla 2.8.2), y contiene un 6% de sólidos. (Humedad = 94% ) Peso de los sólidos secos extraídos (kg/día) Ws = 132

1 kg gr m3 * 25920 * = 3421.44 kg/día 3 d 1000 gr m

Barro húmedo extraído Ws 3421.44 kg d = *100 = 57024kg / d Ps 6

Caudal de fango extraído:

Qf =

57024 kg d = 55.36 m 3 / d 3 1000 kg m *1.03

Ahora se diseñara el volumen destinado al almacenamiento de lodos ( pocetas de lodos ): VP (m3) = Qf (m3/h) * Tr (h) Qf = 55.36 m3/d = 2.31 m3/h Tr = 4 h (Valor mínimo tomado de la tabla 2.8 ) VP = 2.31 * 4 = 9.24 m3 Lo normal suele ser que las purgas de fangos se realicen continuamente o mediante temporizaciones cortas. Los lodos pueden recogerse en una, dos o tres tolvas, en cada caso cada tolva tendrá su tubería de drenaje, para calcular la sección del desagüe se puede utilizar la siguiente formula:

S=

A d 4850 t

S = Sección del desagüe, (m2) A = Área superficial del sedimentador = 861 m2 t = Tiempo de vaciado = 1 h

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d = Altura del agua sobre la boca del desagüe = 3.41 m

S=

861 3.41 4850 * 1

Sección del desagüe: S = 0.33 m2 En el caso de que se colocaran 3 tolvas, cada una necesitaría satisfacer una sección de desagüe de 0.11 m2 y con una tubería de 40 cm cumpliría con esa sección. Para el calculo de la descarga del desagüe para la altura máxima d, podríamos utilizar la siguiente ecuación:

Q = 0.61 S 2 g d Q = 0.61 * 0.11 2 * 9.81 * 3.41 Descarga Q = 0.55 m3/seg Para prevenir asentamientos de lodo en la tubería de desague, la velocidad de flujo debe ser mayor de 1.4 m/seg, en nuestro caso:

Velocidad de flujo = 0.55 / 0.11 = 5 m/seg

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4.2

DISEÑO DE UN SEDIMENTADOR CIRCULAR

Con los mismos datos se procede a diseñar un sedimentador circular. Caudal medio de Diseño de 600 lt/seg. Qdiseño = 0.6 m3/s = 51.840 m3/día No. de Unidades = 2 Caudal por unidad = 0.3 m3/s = 25.920 m3/día Carga Superficial:

Cs = 40 m3/m2*día

El Área superficial obtenida es: As =

Q 25920 = =648 m2 40 Cs

Se incrementa el área superficial en un 33%. Según la Tabla 2.1.3. Lo que nos da un área superficial = 861 m2 El diámetro del sedimentador sería igual a:

A = 861 =

π * D2 4

; D= 33 m.

Asumimos una profundidad H = 3 m. A continuación permanencia:

se

calcula

el

tiempo

de

retención

o

Volumen del Tanque = V = π* r2 *H V= π *(33/2)2 *3 = 2565.9 m3 Tiempo de Retención (TR) =

V 2565.9 m3 = = 8552.9 seg 0.3 m3 / s Q

TR=2.37 horas La zona de entrada del sedimentador circular se hará mediante un cilindro central, se toman las relaciones dimensionales de la tabla 2.4.1

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φ1 = 0.1 ; φ1 = 33 *0.1 =3.3 m φ h1 = 0.40 ; h1= 1.20 m. h Para la zona de Salida consideramos que: En los sedimentadores circulares el vertedero de salida ocupa por lo menos toda la periferia y convienen que la salida tenga la forma de serrucho, de manera de formar un gran número de pequeños vertederos triangulares. La longitud disponible del sedimentador = π*D =103.7 m Con la siguiente relación podemos comprobar que la carga sobre el vertedero esté dentro de los rangos recomendados en la tabla 2.6 y en las normas del IEOS

L=

Q CV

L = Longitud necesario de vertedero ( m ) Q = Caudal a tratar ( m3 / h ) CV = Carga de salida por el vertedero ( m3 / h * m )

CV =

0.3 Q = = 0.00289m3 / s * m L 103.7

CV=10.41 m3/h*m = 250 m3/d*m (cumple) Para los barrederas consideraciones:

de

fangos

se

toma

las

siguientes

Las barrederas en los sedimentadores primarios circulares por lo general deben se de fondo y de superficie para eliminar los sólidos livianos. Se asume una velocidad de 0.03 r/min. Las inclinaciones de los fondos para dichas rasquetas tomamos de 8% A continuación se debe calcular el caudal de fangos producidos para un caudal de 25.920 m3/día; como corresponde al mismo caudal de diseño del sedimentador rectangular el Caudal de fango es:

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Qf =

57024 kg d = 55.36 m 3 / d 3 1000 kg m *1.03 Q f = 2.31 m 3 / h

El volumen de poceta sería: Vp = Qf * Tr V = Volumen de poceta o pocetas ( m3 ) Qf = Caudal medio de fangos producidos ( m3 / h ) Tr = Tiempo de retención del fango en pocetas ( h ) El tiempo de retención en la poceta se toma de la tabla 2.8. Tr =6 para sedimentadores circulares Vp = 2.31*6 = 13.86 m3 Para la recolección de fangos se calculará el diámetro de la tubería de extracción:

S= S A t d

A d 4850 t

= Sección del desagüe, (m2) = Área superficial del sedimentador, (m2) = 861m3 = Tiempo de vaciado en horas = 1 h = Altura del agua sobre la boca del desagüe, (m) d= 3m + 0.08*16.5 = 4.32 m.+ 0.15 = 4.47 m

S=

861 4.47 = 0.375 m2 4850 1

Si utilizáramos dos tolvas, con dos tuberías de desagüe separadas, cada tubería tendrá un diámetro de 350 mm. S para cada tubería = 0.188 m2

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La descarga de desagüe para la altura máxima d está dada por:

Q = 0.61 S

2gd

Q = 0.61 * 0.188 2 * 9.81* 4.47 = 1.072 m 3 / s Q 1.072 = = 5.74 m / s › 1.4 m/s para prevenir S 0.188 asentamientos de lodo en la tubería.

Velocidad de flujo=

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CONCLUSIONES Con la realización de esta monografía, se ha podido observar que los sedimetadores, al ser utilizados como único medio de tratamiento pueden eliminar sólidos sedimentables (fango o lodo), aceites, grasas, espumas y parte de la carga orgánica. Pero debido a que se trata de un tratamiento físico, la remoción de patógenos es muy baja. Debido a la gran cantidad de materia orgánica que contiene el Agua Residual, y la baja reducción de patógenos que ofrecen los Sedimentadores; La Sedimentación Primaria está cayendo en desuso como único medio de tratamiento. Por lo que actualmente se lo utiliza como paso previo a un tratamiento biológico aeróbico como por ejemplo de lodos activados. Con la realización los diseños de Tanques Sedimentadores Rectangular y Circular para un mismo Caudal, hemos llegado a la conclusión de que los primeros requieren mayores dimensiones y por ende mayor espacio para su construcción que los circulares. Al estudiar la Teoría de la Sedimentación, hemos visto que existen varios factores externos tales como la variación de caudales, temperatura, viento, y densidad de corrientes que afectan la eficiencia de los Sedimentadores.

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RECOMENDACIONES

Con el desarrollo de esta monografía recomendaciones lo siguiente:

podemos

dar

como

Al ingreso del Agua Residual a la Planta de Tratamiento, sea cual sea su proceso de depuración, se debería hacer un control de los diferentes parámetros como PH, Temperatura, y otros indicativos de la presencia de Aguas Residuales Industriales, que podrían afectar considerablemente el tratamiento. Es muy importante que parámetros como Oxígeno Disuelto, PH, concentración de materias en suspensión, temperatura, etc, sean medidas al término de cada proceso, para un adecuado control de calidad. Para considerar la utilización del fango proveniente de sedimentadores primario en métodos de aplicación al terreno o incineración, primero se recomienda hacer un estudio de su composición química, contenido de metales pesados, etc. Para evitar problemas futuros de contaminación que atenten a la salud y bienestar de las comunidades.

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ANEXOS ANEXO 1 COMPOSICIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES

Constituyente

Fuerte mg/lt

Medio mg/lt

Débil mg/lt

Sólidos Totales

1200

720

350

Sólidos Disueltos Totales

850

500

250

Sólidos Disueltos Fijos

525

300

145

Sólidos Disueltos Volátiles

325

200

105

Sólidos Suspendidos Totales

350

220

100

Sólidos Suspendidos Fijos

75

55

20

Sólidos Suspendidos Volátiles

275

165

80

Sólidos Sedimentables ml/l

20 ml/l

10 ml/l

5 ml/l

DBO 5días - 20oC

400

220

110

Carbono Orgánico Total

290

160

80

Nitrógeno Total

85

40

20

Nitrógeno Orgánico

35

15

8

Nitrógeno Amoniacal

50

25

12

Nitritos

0

0

0

Nitratos

0

0

0

Fósforo Total

15

8

4

Fósforo Orgánico

5

3

1

Fósforo Inorgánico

10

5

3

Cloruros

100

50

30

Alcalinidad CaCO3

200

100

50

Sulfatos Grasas

30 150

SEDIMENTADORES PRIMARIOS

50

10e7-10e8

Coniforme NMP /100ml DQO

100

1000

550

250

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ANEXO 2 La planta depuradora Norte, inaugurada en el año 1998, se encuentra ubicada en la localidad de San Fernando, provincia de Buenos Aires. Su función es tratar los líquidos residuales provenientes de las localidades de Tigre, San Fernando y San Isidro a fin de que sus efluentes sean volcados al Río Reconquista. Desde su puesta en marcha tiene una capacidad para tratar los efluentes de 270.000 habitantes. PROCESO DE DEPURACIÓN

4

Capacidad de la Planta

El dimensionamiento de la planta se efectuó considerando su construcción en módulos, teniendo en cuenta una dotación de 290 Datos obtenidos durante la visita técnica a la Planta depuradora Norte, organizada por el Curso de Graduación de “Desagües Urbanos”

4

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litros/habitante/día, un aporte de DBO5 (Demanda Biológica de Oxígeno) de 60 gramos /habitante/día y finalmente la Materia en Suspensión de gramos /habitante/día El caudal de diseño que surge de las hipótesis anteriores es de 0.9 m3/seg. (1.35 m3/seg. de caudal pico) y la carga a tratar es de 16.400 kg DBO/día y 19.500 kg de Materia en suspensión/día para cada módulo Los lodos generados en el tratamiento de líquido comprenden: 1.400 m3/d. de lodos primarios, con una concentración de 10g/l, 1.700 m3/d de lodos biológicos en exceso a 4.5 g/l de de concentración. Los lodos deshidratados a disponer suman un volumen de 100 m3/d Sedimentación:

Una vez que el líquido cloacal pasa por los desarenadores / desengrasadores, sólo contiene materia orgánica disuelta y materia en suspensión, esta última se elimina en los sedimentadores primarios dando como resultado los barros primarios y el líquido ingresa al tratamiento biológico.

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ANEXO 3 NORMAS IEOS Tanques de sedimentación. Los parámetros de diseño de tanque de sedimentación primaria y sus eficiencias deben idealmente ser determinados experimentalmente. Cuando se diseñen tanques convencionales de sedimentación primaria sin datos experimentales se utilizarán los siguientes criterios de diseño: Los canales de repartición y entrada a los tanques deben ser diseñados para el caudal máximo horario. Los requisitos de área deben determinarse usando cargas superficiales entre 30 m/d y 60 m/d basado en el caudal medio de diseño, lo cual corresponde a una velocidad de sedimentación de 1,25 m/h a 2,5 m/h. El período de retención nominal será entre 1,5 h a 2,5 h (recomendable