Download Tratamiento de Agua Para Consumo Humano Plantas de Filtración Rápida. . Manual II Tomo 2 Diseño de Plantas de T...
Contenido
i
OPS/CEPIS/PUB/04.111 Original: español
Tratamiento de agua para consumo humano Plantas de filtración rápida Manual II: Diseño de plantas de tecnología apropiada
Lima, 2004
ii
Diseño de plantas de tecnología apropiada
© Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente, 2004 El Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS/OPS) se reserva todos los derechos. El contenido de este documento puede ser reseñado, reproducido o traducido, total o parcialmente, sin autorización previa, a condición de que se especifique la fuente y de que no se use para fines comerciales. El CEPIS/OPS es una agencia especializada de la Organización Panamericana de la Salud (OPS/OMS). Los Pinos 259, Urb. Camacho, Lima, Perú Casilla de correo 4337, Lima 100, Perú Teléfono: (511) 437 1077 Fax: (511) 437 8289
[email protected] http://www.cepis.ops-oms.org
Contenido
iii
INTRODUCCIÓN
En Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual II: Diseño de plantas de tecnología apropiada se han plasmado los avances y la experiencia acumulada en este terreno por el CEPIS/ OPS durante los últimos 12 años, posteriores a la publicación de Manual V: Diseño, la versión anterior de este documento. La delicada situación económica de los países y de las empresas de agua en América Latina y el Caribe ha favorecido una mayor acogida de esta tecnología, por su bajo costo inicial, su menor costo de producción y su comprobada eficiencia en relación con los demás tipos de sistemas. Sin embargo, en la práctica, se están observando dificultades en la aplicación de esta tecnología. A través de múltiples evaluaciones, hemos detectado problemas de diseño que se repiten, por lo que hemos creído conveniente que este manual se circunscriba a proyectos de este tipo. Se hacía necesario, entonces, detallar al máximo cómo se deben determinar los parámetros de proyecto, dimensionar, compactar y empalmar las diversas unidades, para que el resultado sea óptimo, y señalar qué se debe evitar para que el profesional que recién se inicia en proyectos de plantas de tratamiento no cometa los errores identificados. Los criterios y procedimientos de diseño de las unidades de mezcla rápida, floculación, decantación, filtración y desinfección —procesos básicos de una planta de filtración rápida— se revisan en los capítulos 1 al 6. Uno de los mayores problemas que se observan es que los proyectistas no adjuntan al proyecto un instructivo para la puesta en marcha y operación de la planta. Esto trae como consecuencia que el personal de operación, generalmente
iv
Diseño de plantas de tecnología apropiada
sin capacitación previa ni específica, actúe simplemente por intuición, lo que afecta mucho la eficiencia del sistema. El mejor diseño puede fracasar si la operación no se realiza correctamente. Para contribuir a superar este problema, esta edición incluye un capítulo especial (el 7) sobre este tema. En él se detalla el contenido del instructivo que debe acompañar a cada proyecto de esta naturaleza.
Contenido
v
RECONOCIMIENTO Este manual ha sido elaborado por el Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS/OPS), de la Organización Panamericana de la Salud (OPS/OMS), y actualiza el texto publicado en 1992 con el título Manual V: Diseño. La preparación y actualización de este manual ha estado a cargo de la Ing. Lidia Canepa de Vargas, asesora en Tratamiento de Agua para Consumo Humano, bajo la dirección del Dr. Mauricio Pardón, director del Centro. Se agradece la contribución del Ing. Víctor Maldonado Yactayo en la revisión de las unidades. Asimismo, la colaboración del editor del CEPIS/OPS, Lic. Luis Andrade, y de las Sras. Inés Barbieri e Irma Sánchez, del cuerpo de secretarias del Centro, quienes colaboraron en el procesamiento del texto, así como la contribución del Sr. Washington Macutela, responsable de la impresión.
vi
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Contenido
vii
CONTENIDO
Página INTRODUCCIÓN ................................................................................................... AGRADECIMIENTOS ...........................................................................................
i iii
CAPÍTULO 1. CASA DE QUÍMICA .....................................................................
1
1.
Almacenamiento de las sustancias químicas ................................................. 1.1 Productos secos .................................................................................. 1.1.1 Criterios de diseño ................................................................... 1.2 Productos en solución ........................................................................ 1.2.1 Proceso de cálculo ................................................................... 2. Dosificación .................................................................................................... 2.1 Tipos de dosificadores ........................................................................ 2.1.1 Equipos de dosificación en seco ............................................. 2.1.2 Equipos de dosificación en solución ....................................... 2.2 Dimensionamiento de los sistemas de dosificación ............................ 2.2.1 Sistemas de dosificación en seco ............................................ 2.2.2 Dosificación en solución ......................................................... 2.2.3 Saturadores de cal .................................................................... 2.3 Recomendaciones para el proyecto .................................................... 3. Defectos de diseño más comunes .................................................................. 4. Laboratorio de control de procesos ............................................................... Referencias ............................................................................................................. Bibliografía general .................................................................................................. Anexo A: Datos sobre las sustancias químicas más empleadas en el tratamiento de agua ........................................................................................
3 3 3 9 10 11 11 12 15 19 19 23 27 28 32 34 36 36
CAPÍTULO 2. MEZCLADORES ...........................................................................
45
1. 2.
47 47 48 49 58 67 68
Introducción ................................................................................................... Parámetros generales de diseño ..................................................................... 2.1 Unidades hidráulicas ........................................................................... 2.1.1 Mezcladores de resalto hidráulico ........................................... 2.1.2 Canaleta Parshall ...................................................................... 2.1.3 Vertedero rectangular ............................................................... 2.1.4 Vertedero triangular ..................................................................
37
viii
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Página 2.1.5 Difusores ................................................................................. 2.1.6 Inyectores ................................................................................ 2.3 Unidades mecánicas ............................................................................ 2.3.1 Parámetros de diseño ............................................................... 2.3.2 Criterios para el dimensionamiento .......................................... Referencias .............................................................................................................
71 77 82 82 82 87
CAPÍTULO 3. FLOCULADORES .........................................................................
89
1. 2. 3.
91 91 92 93 93 96 97
Introducción ................................................................................................... Parámetros y recomendaciones generales de diseño ..................................... Unidades de pantallas .................................................................................... 3.1 Unidades de flujo horizontal ............................................................... 3.1.1 Parámetros y recomendaciones de diseño ............................... 3.1.2 Criterios para el dimensionamiento .......................................... 3.1.3 Aplicación ................................................................................ 3.1.4 Recomendaciones para el proyecto y problemas de diseño más comunes ........................................................................... 3.2 Unidades de flujo vertical ................................................................... 3.2.1 Parámetros y recomendaciones de diseño ............................... 3.2.2 Criterios para el dimensionamiento .......................................... 3.2.3 Aplicación ................................................................................ 3.2.4 Recomendaciones de diseño y defectos más comunes ........... 3.2.5 Ventajas y desventajas de las unidades de pantallas .............. 4. Floculadores del tipo Alabama o Cox ............................................................. 5. Floculadores de medios porosos.................................................................... 5.1 Parámetros y recomendaciones de diseño .......................................... 5.2 Criterios de dimensionamiento ............................................................ 6. Floculadores de mallas o telas ........................................................................ 6.1 Parámetros de diseño .......................................................................... 6.2 Criterios de dimensionamiento ............................................................ 6.3 Aplicación y recomendaciones ........................................................... Referencias ............................................................................................................. Anexo A. Viscosidad del agua ........................................................................
101 103 103 105 106 110 112 113 115 115 116 120 120 120 122 126 129
CAPÍTULO 4. DECANTADORES LAMINARES ..................................................
133
1. 2.
135 135 136 138
3.
Introducción ................................................................................................... Decantadores de placas .................................................................................. 2.1 Parámetros y recomendaciones generales de diseño .......................... Decantadores de flujo ascendente .................................................................
Contenido
ix
Página 4.
Zona de entrada .............................................................................................. 4.1 Criterios de diseño .............................................................................. 5. Zona de sedimentación................................................................................... 5.1 Criterios específicos ............................................................................ 5.2 Criterios para el dimensionamiento ..................................................... 5.3 Aplicación ........................................................................................... 6. Zona de salida ................................................................................................ 6.1 Criterios generales ............................................................................... 6.2 Criterios para el dimensionamiento ..................................................... 7. Zona de lodos ................................................................................................. 7.1 Tolvas separadas y colector múltiple .................................................. 7.1.1 Criterios de diseño ................................................................... 7.1.2 Criterios de dimensionamiento ................................................ 7.1.3 Aplicación ................................................................................ 7.2 Canal central con sifones y tolvas continuas ..................................... 7.2.1 Criterios de diseño ................................................................... 7.2.2 Criterios de dimensionamiento ................................................ 7.2.3 Aplicación ................................................................................ 7.3 Otros sistemas de descarga de lodos .................................................. 7.3.1 Descarga mecánica automática ................................................ 8. Defectos de diseño más comunes .................................................................. Referencias ..............................................................................................................
139 139 150 150 153 154 158 158 159 162 164 164 166 167 169 169 169 171 171 171 173 178
CAPÍTULO 5. BATERÍA DE FILTROS DE TASA DECLINANTE Y LAVADO MUTUO ..................................................................................................
181
1. 2. 3. 4.
Introducción ................................................................................................... Ventajas de las baterías de filtros de tasa declinante y lavado mutuo ........... Descripción de una batería de tasa declinante y lavado mutuo ..................... Criterios generales de diseño ......................................................................... 4.1 Geometría de la batería ........................................................................ 4.1.1 Área de cada filtro y número de filtros .................................... 4.1.2 Tasas de filtración .................................................................... 4.1.3 Drenaje, capa soporte de grava y falso fondo ......................... 4.1.4 Lecho filtrante .......................................................................... 4.1.5 Canal de distribución de agua decantada, coagulada o prefloculada ............................................................................. 4.1.6 Canal de aislamiento ................................................................ 4.1.7 Canal de interconexión ............................................................. 4.1.8 Válvula de entrada de agua decantada .................................... 4.1.9 Válvula de salida de agua de retrolavado ................................
183 183 186 188 188 188 189 190 192 194 195 195 195 196
x
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Página 4.1.10 Válvula de desagüe de fondos ................................................ 4.1.11 Compuerta de aislamiento o de salida de agua filtrada ............ 4.2 Hidráulica del lavado ........................................................................... 4.2.1 Canaletas de recolección de agua de lavado ........................... 4.2.2 Ubicación del vertedero de salida ............................................ 4.2.3 Expansión del medio filtrante durante la operación de lavado 4.2.4 Pérdida de carga en el lecho filtrante expandido ..................... 4.2.5 Pérdida de carga en las canaletas ............................................ 4.2.6 Pérdida de carga en el drenaje de viguetas prefabricadas ....... 4.2.7 Pérdida de carga en canales y orificios de compuertas ........... 4.2.8 Cálculo del nivel del vertedero ................................................ 4.3 Hidráulica del proceso de filtración ..................................................... 4.3.1 Compuerta de entrada .............................................................. 4.3.2 Drenaje ..................................................................................... 4.3.3 Medio filtrante: arena y/o antracita .......................................... 4.3.4 Vertedero de salida ................................................................... 5. Aplicación ................................................................................................. 6. Criterios para el diseño de plantas de filtración directa ................................. 6.1 Parámetros de diseño .......................................................................... 6.2 Dosificación ........................................................................................ 6.3 Características del medio filtrante ....................................................... 6.4 Tasa de filtración ................................................................................. 6.5 Control de calidad ............................................................................... 7. Funcionamiento de la batería de filtros de tasa declinante ............................ 8. Defectos de diseño más comunes .................................................................. Referencias ..............................................................................................................
196 196 197 197 199 199 201 202 202 202 203 203 204 207 207 207 208 220 220 221 223 223 225 225 228 232
CAPÍTULO 6. SALA DE CLORACIÓN ...............................................................
235
1. 2. 3.
237 237 242 242 245 247 248 248 249 249 252
4.
Introducción ................................................................................................... Criterios generales de diseño ......................................................................... Almacenamiento ............................................................................................. 3.1 Criterios para el dimensionamiento ..................................................... 3.2 Recomendaciones para el proyecto .................................................... Equipos de medición y control ....................................................................... 4.1 Equipos para aplicar hipoclorito en solución...................................... 4.2 Hipoclorador de orificio de carga constante ....................................... 4.3 Equipos para aplicar cloro gaseoso .................................................... 4.3.1 Cloradores de aplicación directa .............................................. 4.3.2 Cloradores de aplicación al vacío ............................................
Contenido
xi
Página 4.4 4.5
Evaporadores ...................................................................................... Sistemas de control ............................................................................. 4.5.1 Sistemas automáticos ............................................................... 5. Punto de aplicación ........................................................................................ 6. Cámara de contacto ........................................................................................ 6.1 Tiempo de contacto para la reducción de bacterias ............................ 6.2 Tiempo de contacto para la reducción de parásitos ........................... 7. Ventilación y equipos de protección .............................................................. 7.1 Sistemas de alarma .............................................................................. 7.2 Equipo de protección para los operadores ......................................... 8. Recomendaciones para el proyecto ................................................................ 9. Problemas más comunes ................................................................................. Referencias .............................................................................................................. Anexo A: Valores TC para la inactivación de Giardia y virus mediante Cl2 libre y otros desinfectantes ............................................................................ CAPÍTULO 7. INSTRUCTIVO DE PUESTA EN MARCHAY OPERACIÓN NORMAL ................................................................................................................ 1. 2.
3
4. 5. 6. 7. 8.
Introducción ................................................................................................... Recomendaciones para la operación de puesta en marcha ............................ 2.1 Inspección preliminar .......................................................................... 2.2 Operaciones iniciales .......................................................................... 2.2.1 Preparación de soluciones y dosificación de productos químicos ................................................................................... 2.3 Llenado de la planta ............................................................................ 2.3.1 Procedimiento .......................................................................... 2.4 Lavado de filtros ................................................................................. 2.4.1 Procedimiento para el lavado ................................................... 2.5 Instalación de la tasa declinante ......................................................... 2.5.1 Procedimiento .......................................................................... 2.6 Medición de caudal ............................................................................. 2.7 Mezcla rápida ...................................................................................... Operación normal............................................................................................ 3.1 Operación normal del sistema de filtración ......................................... 3.2 Filtración directa .................................................................................. Operación especial ......................................................................................... Control de calidad ........................................................................................... Operación estacional ...................................................................................... Aspectos varios ............................................................................................. Limitaciones del sistema .................................................................................
260 261 261 263 265 265 265 268 269 270 271 272 276 277
285 287 287 288 289 289 296 296 298 298 299 299 300 301 302 302 303 304 305 306 306 307
xii
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Página Referencias .............................................................................................................. Anexo A: Toma de muestras en planta .................................................................... Anexo B: Consumo anual de reactivos .................................................................... Anexo C: Anotaciones diarias de la planta de tratamiento ..................................... Anexo D: Formulario resumen mensual de control de procesos en la planta X ......
309 310 310 311 313
CAPÍTULO 1 CASA DE QUÍMICA
Casa de química
3
La casa de química o edificio de operaciones es el ambiente de la planta en el cual se concentran todas las instalaciones para el manejo de las sustancias químicas. Comprende básicamente las instalaciones de almacenamiento, dosificación y laboratorios de control de los procesos de la planta. Este capítulo trata sobre los criterios y procedimientos para el diseño de estas instalaciones.
1.
ALMACENAMIENTO DE LAS SUSTANCIAS QUÍMICAS
Las sustancias que se emplean en el tratamiento del agua pueden estar en polvo, trituradas o en solución. Al proyectar los almacenes, se debe tener en cuenta la forma en que se van a utilizar estas sustancias, de modo que las instalaciones ofrezcan todas las facilidades para la conservación y manejo del producto. 1.1
Productos secos
1.1.1 Criterios de diseño Para determinar las dimensiones de estas instalaciones, será necesario tener en cuenta los siguientes criterios, relacionados con la capacidad, la ubicación y las características del almacén, que varían de acuerdo con las dimensiones de la planta de tratamiento. a)
Ubicación
•
Ubicar el almacén lo más cerca posible de la sala de dosificación, para ahorrar tiempo y esfuerzo en el traslado de las sustancias químicas. Idealmente, los almacenes y la sala de dosificación deben ocupar un mismo ambiente, sobre todo en sistemas pequeños y medianos.
•
En sistemas grandes, los almacenes siempre deberán ubicarse en el primer piso de la casa de química para no encarecer la estructura del edificio.
4
•
Diseño de plantas de tecnología apropiada
La capacidad del almacén debe ser suficiente para abastecer la planta por lo menos durante un mes. En el caso de que los productos se expendan en la misma ciudad en la que se encuentra la planta, podrá considerarse una capacidad mínima para 15 días. Figura. 1-1. Almacén de sustancias químicas (1)
b)
Consideraciones para el dimensionamiento
•
Cuando el producto es importado, al determinar el tiempo de almacenamiento, deberá tenerse en cuenta el tiempo total que toma el trámite de compra. En la mayoría de los casos, esto puede demandar varios meses.
•
Cuando la empresa tiene un almacén central del cual se aprovisionará a la planta, el almacenamiento en planta podrá calcularse para 15 días.
•
Cuando se almacenan sustancias secas embolsadas —como es el caso del sulfato de aluminio y la cal—, deberá Figura 1-2. Entrada al almacén (2) disponérselas apiladas en rumas y sobre tarimas de madera para aislarlas de la humedad del piso y de las paredes. Esta medida es especialmente importante para el sulfato de aluminio, que es higroscópico (es decir, que absorbe la humedad del aire).
•
Cuando la transferencia del almacén a la sala de dosificación se realiza manualmente, la altura total de las rumas no deberá ser mayor de 2 metros, para que el operador pueda tener acceso a las bolsas del extremo superior. Cuando la transferencia se va a realizar en forma mecánica, el material
&DVDGHTXtPLFD
SRGUiDSLODUVHFRQXQDDOWXUDGH PHWURV v
$GLFLRQDOPHQWH DO iUHD QHFHVDULD SDUDDSLODUHOPDWHULDOGHEHUiWHQHU VHHQFXHQWDHOHVSDFLRSDUDORVSD VLOORVRFRUUHGRUHVTXHKD\TXHGH MDUHQWUHODVUXPDV6LHOPDWHULDOVH GLVSRQHGHHVWDPDQHUDVHSRGUiXWL OL]DUFURQROyJLFDPHQWH HVWRHVSRU RUGHQGHOOHJDGD
v
(O DQFKR GH ORV FRUUHGRUHV GHSHQ GHUiGHODIRUPDGHWUDQVIHUHQFLDGHO )LJXUD&DUUHWLOOD PDWHULDODODVDODGHGRVLILFDFLyQ6L HOVLVWHPDHVPDQXDOVHGHEHFRQ VLGHUDUXQDQFKRVXILFLHQWHFRPRSDUDTXHSXHGDSDVDUXQDFDUUHWLOODRXQ HTXLSRPHFiQLFR ILJXUD v
(QSODQWDVGHPHGLDQDVDJUDQ GHVVHUtDUHFRPHQGDEOHTXHFDGD VXVWDQFLDTXtPLFDWHQJDXQDOPD FpQHVSHFLDOVREUHWRGRFXDQGR VH WUDWD GH VXVWDQFLDV TXH SXH GHQUHDFFLRQDUHQWUHVtFRPROD FDOYLYD\HOVXOIDWRGHDOXPLQLR
v
(OYROXPHQGHPDWHULDOSRUDOPD FHQDUVHFDOFXODHQIXQFLyQGHOD GRVLVySWLPDSURPHGLR 'JP GHOFDXGDOGHODSODQWDDOILQDOGHO SHULRGRGHGLVHxR 4PG GHO WLHPSR GH DOPDFHQDPLHQWR 7 GtDV \GHOSHVRHVSHFLILFRGHOD VXVWDQFLDUHVSHFWLYD GJP
&XUYDGHGRVLILFDFLyQ
7XU ELH GDG$ & U XGD 8 1 7
'RVLV PJ/
)LJXUD&XUYDGHGRVLILFDFLyQGHO FRDJXODQWH
9 P '[4[7D
6
Diseño de plantas de tecnología apropiada
•
Para determinar la dosis promedio (D), es necesario disponer de una curva de dosificación (dosis óptima de coagulante versus turbiedad de agua cruda, figura 1-4). Esta curva se obtiene de un estudio de laboratorio que abarque por lo menos un ciclo de seca y uno de creciente para determinar las dosis máximas y mínimas que se requerirán en el tratamiento del agua. La dosis promedio se calculará a partir de la dosis requerida cuando se produce la turbiedad máxima y la dosis necesaria en época de aguas claras.
•
El área neta que ocupará el material se obtiene de la siguiente expresión: A (m2) = V (m3)/ H (m)
(2)
Donde la altura de almacenamiento (H) depende del sistema de transferencia seleccionado. El área de cada ruma se decidirá en función de las dimensiones de las bolsas del producto por almacenar y del número de bolsas por considerar a lo largo y a lo ancho. Dividiendo el área neta calculada en la ecuación (2) entre el área de una ruma, se definirá el número de rumas que se deberán considerar en el almacén. •
En las plantas grandes de varios metros cúbicos de capacidad de producción, el material se recibe en silos, que son abastecidos mediante camiones, vagones o carros cisterna, de acuerdo con la forma en que se solicite el producto: sólido o líquido.
Ventilador
Línea de retorno Filtro
Válvula Conexiones flexibles
Silo de almacenamiento
N.o 1
Carga
Compuerta Alimentación de aire
Línea de alimentación
Impulsor de aire
Figura 1-5. Sistema de llenado neumático (2)
N.o 2
Casa de química
7
•
Los silos pueden ser metálicos, de hormigón o de poliéster reforzado con fibra de vidrio y de forma cilíndrico-cónica.
•
Cuando el material se deposita en seco, el llenado se realiza mediante un sistema mecánico o —lo que es más frecuente— neumático, a partir del vehículo de abastecimiento, cuyo contenido se fluidifica y se somete a una presión de aire, de forma que fluya como un líquido hasta el silo. Véase la figura 1-5.
Figura 1-6. Sistema de llenado mediante fajas transportadoras (2)
Igualmente, pueden utilizarse dispositivos de llenado mecánico de los silos, como fajas transportadoras o sistemas de canjilones (figuras 1-6 y 1-7). •
Algunos reactivos en polvo tienden a aglomerarse, lo que dificulta su extracción. Para evitar este inconveniente, se pueden emplear dos procedimientos. El primero consiste en cubrir la superficie interior del silo con vejigas inflables, repartidas convenientemente. Estas vejigas, sometidas a presión en forma periódica, despegan el producto de las paredes y rompen los aglomerados que empiezan a formarse. El segundo procedimiento consiste en fluidificar el contenido del silo inyectando en la base aire comprimido. De esta manera, el producto fluye sin dificultad. •
Figura 1-7. Sistema de llenado mediante canjilones (2)
Cuando se trata de una pequeña tolva metálica, puede evitarse que el material se aglomere si se coloca en la parte exterior de la tolva un vibrador intermitente, cuya potencia debe adaptarse al volumen de esta.
8
Diseño de plantas de tecnología apropiada
•
El aire que se emplea para el transporte neumático de sustancias químicas o para mantenerlas fluidas debe someterse a un tratamiento antes de que escape a la atmósfera. Para ello, se lo hace pasar a través de filtros de tela colocados en la parte superior de los silos, localizados en un compartimiento en el que se produce una depresión con un ventilador.
•
El control del nivel del producto en los silos se puede efectuar de diversas formas. Se puede utilizar un motor flotante que acciona una paleta, la cual gira dentro del producto. La presencia de material en la tolva crea un par resistente que provoca una rotación en la carcasa del motor, detectada por contacto eléctrico. La ausencia de producto hace que la carcasa recobre su posición normal.
•
También hay dispositivos que detectan cuándo el material está en su nivel mínimo, mediante sistemas capacitivos que determinan la diferencia de la permisividad de un dieléctrico, constituido por el producto o por el aire. Otra forma de detectar este nivel consiste en una membrana que se deforma bajo el peso del producto almacenado y actúa sobre un interruptor eléctrico.
•
También se emplean sistemas más complejos, que indican de forma continua el nivel del producto dentro del silo, mediante medidores de fuerzas o fenómenos piezoeléctricos. Existen también otros sistemas ultrasónicos o de rayos gamma. El sistema más sencillo consiste en un tanque de plástico reforzado con fibra de vidrio, en el cual se transparenta el contenido.
•
La extracción de los productos almacenados en los silos se efectúa mediante una válvula alveolar, tornillo sin fin, extractor de paletas o vibrante, aerocorredera o válvula automática. Cuando se trata de una tolva de almacenamien-
Figura 1-8. Tanque de almacenamiento de sulfato de aluminio líquido (1)
Casa de química
9
to de pequeña capacidad, la extracción puede hacerse manualmente, a través de un simple obturador de registro. •
El almacenamiento de productos secos también puede hacerse en recipientes estancos, que llena el proveedor del producto. Estos recipientes se construyen de acero o de goma sintética. Su empleo es especialmente indicado en instalaciones pequeñas y medianas.
1.2
Productos en solución
Figura 1-9. Tanques de plástico reforzados con fibra de vidrio (1)
En instalaciones pequeñas, los reactivos líquidos generalmente se adquieren y almacenan en cilindros, bidones o bombonas. En sistemas más importantes, el suministro se realiza en camiones o vagones-cisterna, de donde los reactivos son transferidos por gravedad, a presión de aire o bombeo, a las cubas o tanques de almacenamiento. Estos deben estar interiormente protegidos contra la acción corrosiva del reactivo.
•
Los sistemas de dosificación en solución son económicamente ventajosos cuando el reactivo se produce localmente.
•
En las instalaciones grandes, las cubas o tanques de almacenamiento de los reactivos se construyen según la naturaleza de los productos. Pueden ser de acero u hormigón con o sin revestimiento interno o de material plástico.
•
Los tanques de almacenamiento van equipados con dispositivos de control de nivel más o menos perfeccionados, que pueden variar desde un sistema de flotador y vástago con índice que se desplaza sobre una regla graduada, hasta los dispositivos descritos en el acápite anterior, con los que puede efectuarse la medición a distancia de este nivel.
10
Diseño de plantas de tecnología apropiada
1.2.1 Proceso de cálculo La información básica que se requiere para efectuar este cálculo es la siguiente: • •
• • •
Caudal de diseño de la planta: Q en L/s o m3/d. Rango de dosificación (Dm – DM, mg/L). En los histogramas de turbiedad elaborados durante el estudio de variaciones de la fuente, se obtiene la turbiedad máxima y mínima que se presenta durante el año. Con estos datos se obtienen, en la curva de dosificación, las dosis máxima y mínima. Periodo de almacenamiento: T (días o meses). Peso específico del material por dosificar (δ, kg/m3). Si el sulfato de aluminio empleado para las pruebas de laboratorio es de alta pureza, deberá introducirse en los cálculos un factor de corrección, pero si las pruebas se realizan con el mismo sulfato que se emplea en la planta, este factor no será necesario.
Ejemplo: Se desea calcular el área de almacenamiento para sulfato de aluminio que se requiere en una planta de Q = 300 L/s, para un periodo de 3 meses. La dosificación requerida es la siguiente: • • •
D m = 20 mg/L D M = 80 mg/L δ = 964 kg/m3 El cuadro 1-1 presenta un resumen del cálculo efectuado.
Para determinar las dimensiones de las rumas de sulfato, hay que tener en cuenta que las bolsas de sulfato de aluminio tienen normalmente 50 kilogramos de peso y dimensiones aproximadas de 0,50 x 0,60 metros, de manera que las filas se pueden acomodar considerando tres bolsas a lo ancho con la dimensión de 0,60 metros, por lo que la ruma tendría 1,80 metros de ancho. Los pasillos o corredores pueden tener de 0,80 a un metro de ancho. En este caso, como se trata de una planta de 300 L/s, será necesario transportar las bolsas en una carretilla, por lo que se está dejando un metro de distancia entre las tarimas de 1,80 de ancho.
Casa de química
11
Cuadro 1-1. Cálculo del almacén de sulfato de aluminio (2) Paso
Datos
Unidades
Criterios D = (Dm + DM)/2
Resultados
Unidades
D = (20+80)/2 D = 50
Dosis promedio
mg/L
50 x 25.920 x 90 964 x 1.000
Volumen de almacenamiento requerido
m3
Área neta de almacenamiento
m2
Cálculos
1
Dm = 20 DM = 80
mg/L
2
δ = 964 T= 90 Q = 300 Q = 25.920
kg/m3 días L/s m3/d
3
H = 1,8
m
A = V/H
A = 121/1,8 A = 67,2
4
N=3 B = 1,80
m
L = A/(N x B)
L = 67,2/(1,8 x 3) Largo de la ruma L = 12 o pila
m
5
P = 1,0
m
Ancho = Nx B+ 4 P
= 3 x 1,80 + 4 x 1 Ancho total del Ancho = 9,40 almacén
m
V=
DxQxT δ x 1.000
V = 121
Largo total = L+ 2 = 12+ 2 x 1,5 P Largo = 14,0 m
Largo del almacén
m
De acuerdo con el calculo efectuado, el almacén tendrá 9,40 metros de ancho por 14 metros de largo y se han considerado tres tarimas de 1,80 metros de ancho, 12 metros de largo, con rumas de bolsas apiladas de 1,80 metros de alto, dejando pasillos de un metro de ancho entre las rumas, así como entre estas y la pared.
2.
DOSIFICACIÓN
La dosificación de las sustancias químicas debe efectuarse mediante equipos que aseguren la aplicación de una dosis exacta por unidad de tiempo. Estos equipos disponen de controles que permiten fijar la cantidad de producto por unidad de tiempo que debe liberarse, dentro de límites establecidos por su capacidad. 2.1
Tipos de dosificadores
En el cuadro 1-2 se presenta una clasificación de estos equipos de acuerdo con el estado en que se encuentra el producto.
12
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Cuadro 1-2. Dosificadores de sustancias químicas (2) Seco
Volumétricos
Plato, garganta, cilindro, tornillo, estrella, correa Correa transportadora y pérdida de peso
Gravimétricos Solución
Gravedad
Orificio de carga constante, regulable o torre de saturación Desplazamiento rotatorio o positivo
Bombeo Boquillas Gas
Solución al vacío Aplicación directa
2.1.1 Equipos de dosificación en seco Se emplean para la aplicación de sustancias químicas en polvo. Pueden ser de tipo volumétrico o gravimétrico. Para seleccionar el tipo de dosificador, se requiere tener en cuenta la precisión requerida, el tipo de producto que se va a dosificar y el rango de trabajo que debe tener el equipo, lo cual depende de las dosis máxima y mínima necesarias y de los caudales por tratar. a)
Volumétricos Motor V V
Tolva
Sistema de alimentación
V
V
Tornillo giratorio Nivel de solución V
Cámara de solución
Mezclador V
La dosis se determina midiendo el volumen de material liberado por una superficie que se desplaza a velocidad constante (figuras 1-10 y 1-11). Los dosificadores de este tipo más comúnmente utilizados en la práctica son la válvula alveolar, el disco giratorio, el cilindro giratorio, el plato oscilante y el de tornillo.
Figura 1-10. Dosificador volumétrico (2)
Casa de química
13
•
La válvula alveolar es un dosificador de poca precisión que se emplea en un rango de caudales de 0,5 a 1,0 m3/h.
•
El dosificador de disco giratorio está compuesto de una base que gira a velocidad constante sobre la cual una cuchilla de ángulo regulable separa una parte del producto. Este se vierte a un depósito de preparación de la solución que debe estar equipado con un agitador. La precisión del equipo es buena. Se lo utiliza para dosificar sulfato de aluminio, cal, carbonato de sodio o de calcio. La dosis se modifica por un botón de regulación que varía el ángulo de la cuchilla. El motor puede ser de velocidad Figura 1-11. Dosificador volumétrico (1) constante o variable.
•
El dosificador de tornillo está constituido por una tolva de alimentación y un tornillo de dosificación provisto de un brazo rascador que arrastra el producto a través de un tubo calibrado. Previamente, se homogeneiza el producto por medio de un agitador de paletas de eje horizontal, destinado igualmente a evitar la formación de zonas muertas a la entrada del tornillo de dosificación (figura 1-12). La variación de la graduación se consigue cambiando la velocidad de giro del tornillo. Figura 1-12. Dosificador de tipo volumétrico (1)
14
Diseño de plantas de tecnología apropiada
La tolva de alimentación debe estar provista de un vibrador o de un sistema oscilante de frecuencia o amplitud regulables. El rango de trabajo de un dosificador de tornillo puede variar desde unos cuantos gramos hasta varios kilos por hora. b)
Gravimétricos
La cantidad de producto químico dosificado se mide pesando el material o sobre la base de una pérdida de peso constante del material depositado en la tolva. Los equipos más comunes son el dosificador de correa transportadora y el de pérdida de peso. •
Figura 1-13. Dosificador de tipo gravimétrico (1)
En el dosificador gravimétrico de pérdida de peso se mide la cantidad de material por dosificar mediante la diferencia de peso de un silo o tolva que contiene el material y que se apoya en una balanza equilibrada por un contrapeso móvil (figura 1-13). El contrapeso se desplaza en forma proporcional a la dosificación deseada.
•
En el dosificador gravimétrico de correa transportadora, el material depositado en la tolva cae en una correa transportadora que se desplaza sobre la plataforma de una balanza. Esta se regula para recibir el peso que corresponde a la dosis deseada (figura 1-14).
•
Cuando el peso sobre la correa no es igual al peso prefijado, una válvula situada en la salida de la tolva modifica su abertura para regular la dosis. El rango de dosificación también puede ser modificado si se altera la velocidad de la correa.
Casa de química
•
15
Los tanques de solución que traen estos equipos, tanto los volumétricos como los gravimétricos, son pequeños, y la solución del coagulante resulta muy concentrada, especialmente en época de lluvias, cuando se utilizan dosis altas de coagulante. En estos casos, Figura 1-14. Dosificador de correa transportadora (1) es necesario inyectar a la solución concentrada que sale del tanque la cantidad de agua necesaria para bajar la concentración a 2%, o a la concentración óptima, obtenida en las pruebas de laboratorio. Ver el procedimiento en Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo II, capítulo 11.
2.1.2 Equipos de dosificación en solución En este tipo de equipos la graduación de la cantidad por aplicar se efectúa con el coagulante en solución. Estos equipos pueden ser de dos tipos: por bombeo y por gravedad. a)
Sistemas de dosificación por bombeo Los más usuales son las bombas de doble pistón y de diafragma.
La bomba dosificadora de pistón es muy precisa, pero debe emplearse con cuidado en el caso de productos abrasivos o muy corrosivos (silicato de sodio, cloruro férrico). Según el tipo de bomba (diámetro del pistón, curva característica y cadencia de funcionamiento), el caudal de operación puede oscilar entre varias decenas de mililitros y algunos miles de litros por hora (figura 1-15).
16
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Motor Tanque 1
Agitador mecánico
Solución
Desagüe
Válvula compuerta
Regla graduada Flotador Manguera flexible Válvula check Dosis Bomba
Tanque 2
Figura 1-15. Sistema de dosificación por bombeo (1)
La bomba dosificadora de diafragma es de gran precisión —aunque es ligeramente menos precisa que la bomba de pistón— y se utiliza para líquidos corrosivos, tóxicos, abrasivos, cargados o viscosos. Puede estar provista de una membrana simple o doble. El caudal de este tipo de bombas dosificadoras a fuertes presiones puede llegar hasta 2.500 litros por hora. La figura 1-16 muestra una instalación completa con bomba dosificadora, compuesta de un tanque de preparación de la solución, un tanque de dosificación y un sistema de dosificación propiamente dicho, al cual está integrada Figura 1-16. Sistema de dosificación la bomba. por bombeo (1)
Las bombas dosificadoras pueden montarse sobre los depósitos de almacenamiento o de preparación de la solución, provistos eventualmente de mezcladores de hélice y de indicadores de nivel, de forma que se obtengan grupos compactos de dosificación que incluyan igualmente el armario eléctrico de accionamiento de los motores.
Casa de química
17
La figura 1-17 muestra una instalación de este tipo. Las bombas centrífugas también se utilizan para dosificar con excelentes resultados. En la figura 1-17 se muestra una instalación compuesta de dos tanques de preparación de la solución de concreto, con Figura 1-17. Sistema de dosificación agitador eléctrico. Las bompor bombeo (1) bas están en la cámara seca ubicada debajo de las rejas del piso y la dosis se calibra mediante rotámetros. Sistemas de este tipo son ideales para localidades donde se pueda garantizar disponibilidad de energía eléctrica en forma continua. b)
Sistemas de dosificación por gravedad
Los sistemas de dosificación por gravedad se emplean especialmente en plantas medianas y pequeñas, en especial cuando el abastecimiento de energía eléctrica no es confiable. También se usan en plantas grandes cuando la calidad del agua es constante. Los más comunes son los de carga constante y carga regulable (figura 1-18).
Figura 1-18. Dosificador de orificio de carga constante (1)
El principio en el que se fundamenta es una carga de agua constante (h) sobre un orificio para asegurar un caudal constante. El caudal se calibra a la salida mediante una válvula.
18
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Tanto los sistemas de dosificación por bombeo como los sistemas por gravedad incluyen un tanque de preparación de la solución similar al que se muestra en la figura 119. Estos tanques deben tener capacidad para un volumen de solución aplicable en 8 horas, de tal modo que en cada turno de operación se prepare un tanque. Siempre Figura 1-19. Tanque de preparación deben considerarse dos tande la solución (1) ques para cada sustancia química que se va a aplicar. Si en la planta se van a aplicar sulfato de aluminio, cal, polímero y HTH, se deben considerar ocho tanques para preparar las sustancias respectivas. La concentración a la que se debe aplicar el sulfato de aluminio debe variar entre 1% y 2%. Cuando se trata de una planta pequeña, se proyecta el tanque de preparación de la solución con la capacidad necesaria para lograr una concentración de 2%, pero cuando es una planta mediana o grande, la solución se elabora a una concentración mayor y se diluye a la concentración óptima antes de aplicarla a la mezcla rápida. Los dosificadores de este tipo (figura 1-20) tienen la ventaja de que se pueden fabricar localmente, pero es necesario ejercer un buen control de calidad, principalmente del sistema de calibración de la dosis.
Figura 1-20. Dosificador por gravedad de orificio de carga constante (1)
En la figura 1-21 se puede apreciar el esquema de una instalación completa de dosificación en solución por gravedad, con dosificador de fabricación artesanal.
Casa de química
19
Entrada
Tanque 1 Escala
Solución
Desagüe
Válvula de flotador Tubo 1/2’’ φ PVC Tubo 3/4’’ φ PVC Tornillo para fijar tubo Flotador
Válvula de interconexión
Orificio dosificador Manguera flexible
Tanque 2
Dosis Desagüe
Figura 1-21. Sistema de dosificación en solución por gravedad (2)
2.2
Dimensionamiento de los sistemas de dosificación
2.2.1 Sistemas de dosificación en seco La selección de los equipos de dosificación en seco se efectúa determinando el rango de trabajo que deberá tener el equipo. Este rango está constituido por los límites máximo y mínimo de dosificación que se deberán atender, los cuales se determinan a partir de la información obtenida en el estudio de laboratorio (curva de dosis óptima versus turbiedad de agua cruda). Véase la figura 1-4. Conociendo la turbiedad máxima y mínima que deberá tratar el sistema, se obtendrán de la curva de dosificación las dosis máximas (DM) y mínimas (Dm) y se calcularán los pesos máximos y mínimos que debe aplicar el equipo. El cálculo se facilita utilizando la ecuación de balance de masas: QxD=qxC=P Donde: Q D q C P
= = = = =
caudal de diseño de la planta en L/s dosis promedio de coagulante en mg/L caudal promedio de solución por aplicar en L/s concentración de la solución en mg/L peso del reactivo por dosificar en m3/s o kg/d
(3)
20
Diseño de plantas de tecnología apropiada
D = (DM + Dm)/2
(4)
R = PM – Pm
(5)
Donde: R = rango del dosificador P M = peso máximo del reactivo (mg/s o kg/d) Pm = peso mínimo del reactivo (mg/s o kg/d) Volumen del tanque de solución El tanque incorporado al dosificador deberá tener idealmente un volumen tal que permita la disolución del producto y obtener una solución con una concentración igual a la óptima obtenida en el laboratorio. Sin embargo, como se puede apreciar en la figura 1-22, estos tanques son muy pequeños y las concentraciones que se obFigura 1-22. Tanque de solución de tienen están siempre fuera del los dosificadores en seco (1) rango recomendado (C = 1 a 2%), por lo es necesario en estos casos aplicar un caudal adicional de agua para obtener la concentración óptima antes del punto de aplicación. El tiempo de retención en este tanque debe ser mayor de 5 minutos o preferentemente de 10 minutos, para que se produzca la polimerización adecuada de los coagulantes y se obtenga la mayor eficiencia. En el cuadro 1-3, se indican las capacidades y rangos de trabajo de diferentes tipos de dosificadores en seco y se presentan algunas recomendaciones sobre el tamaño y tipo de material para el cual deben ser usados.
Casa de química
21
Cuadro 1-3. Dosificadores en seco (2) Tipo Volumétricos
Gravimétricos
Clasificación
Uso
Capacidad pies3/hora
Variación
Plato oscilante
Cualquier material granular o en polvo
0,01 – 35
1 – 40
Garganta oscilante
Cualquier material, en cualquier tamaño
0,02 – 100
1 – 40
Disco rotatorio
Mayoría de materiales en forma granular o en polvo
0,01 – 1
1 – 20
Cilindro rotatorio Tornillo
Cualquier material granular o en polvo Material muy seco, en forma granular o en polvo
7 – 300 8 – 2.000 0,05 – 18
1 – 100 1 – 10 1 – 20
Cinta
Material seco, en forma granular o en polvo, con un tamaño máximo de 1 ½”
0,1 – 3.000
1 – 10 1 - 100
Cinta y balanza
Material seco o húmedo en forma granular o en polvo (deben usarse agitadores para mantener una densidad constante)
0,02 – 2
1 - 100
Pérdida de peso
Mayoría de materiales en forma granular o en polvo
0,02 - 80
1 - 100
•
Este tipo de dosificadores solo deben ser seleccionados para ciudades grandes en las que se pueda disponer de energía eléctrica en forma continua, ciudades con buen nivel de desarrollo, donde se disponga de los recursos materiales, económicos y de personal necesarios, a fin de que dichos equipos puedan recibir buena operación y mantenimiento. Son dosificadores de alto costo, requieren ser calibrados con frecuencia para mantener su exactitud y son muy susceptibles a los cambios granulométricos provocados por la humedad.
•
No se recomienda utilizarlos para caudales menores de 20 L/s.
•
Para la dosificación de cal, el uso de vibradores es esencial.
En el cuadro 1-4 se presenta un ejemplo del cálculo previo que debe efectuarse para seleccionar un dosificador en seco.
6
5
4
3
C=3 C = 30.000 To = 5
δ = 964
Q = 300 Q = 1.080 DM = 80 Dm = 20
1
2
Dato
Paso
% mg/L min
kg/m3
L/s m3/h mg/L mg/L
Unidad
DM + Dm 2
V’= Q x D x To/C
D=
V = 1,34
V= Cpd/ δ
300 x 50 x 5 x 6 0 30.000 V’= 150 V’=
D = 50
V = 1.296/964
Consumo promedio diario
PM + Pm x 24 2
Cpd = (86,4 + 21,6) x 12 Cpd = 1.296
Cpd =
Rango del dosificador
R = 86,4 – 21,6
R = PM – Pm
Volumen del tanque de disolución
Dosis media
tolva del dosificador
Volumen de la
Peso máximo de coagulante Peso mínimo de coagulante
PM =1.080 x 80/1.000 PM = 86,4 Pm =1.080 x 2 0 / 1 . 0 0 0 Pm = 21,6
P M = Q x DM / 1 . 0 0 0
Resultados
Cálculos
Criterios
Cuadro 1-4. Selección de un dosificador en seco (2)
Litros
mg/L
m3
kg/h
kg/h
kg/h
kg/h
Unidad
22 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Casa de química
23
Con los resultados obtenidos en el cálculo, se consultan los catálogos de los fabricantes, para definir las especificaciones técnicas de los equipos. 2.2.2 Dosificación en solución Esta instalación se compone de un tanque de preparación de la solución y del sistema de dosificación, que puede ser por bombeo o por gravedad. El tanque de solución se diseña con el volumen necesario para que brinde servicio durante un turno de operación (T). La duración de cada turno es normalmente de 8 horas. Deben considerarse siempre dos unidades, una en operación y la otra en preparación, de manera que el cambio pueda ser rápido y la dosificación continua. En instalaciones grandes, para que los tanques no resulten demasiado voluminosos, se diseñan para concentraciones altas (10 ó 20%) y la concentración óptima se regula con una aplicación de agua adicional a la salida del dosificador. El caudal de agua adicional debe calibrarse con un rotámetro, para que la concentración de la solución sea exacta y corresponda a la óptima. Las tuberías de solución se diseñan para un caudal máximo calculado mediante la ecuación (3), considerando la dosis máxima (DM). El material de estas tuberías debe ser resistente a las sustancias químicas que van a transportar. Normalmente se utilizan tuberías de plástico o de acero inoxidable. El cuadro 1-5 muestra un ejemplo de cálculo aplicando la ecuación de balance de masas indicada anteriormente.
Q = 300 DM =80 Dm = 8 C = 10 C = 100.000
C=2
T = 8,42
1
2
3
Q x (DM + Dm) 2xC
Caudal de solución promedio al 2%
300 x 44 20.000 q = 0,66 q = 57,0
Po = 1.140 x 8,42/24 Po = 400
Po = P x T/24
6
Volumen del tanque de solución para C = 2%
V = 57 x 8,42/24 V = 20
Consumo por tanque
Consumo promedio diario
Volumen del tanque de solución para C =10%
V= 11,4 x 8,42/24 V = 4,0
q=
Caudal de solución promedio al 10%
Resultados
300 x 44 100.000 q = 0,132 q = 11,4 q=
Cálculos
P = 300 x 44 P = 13.200 P = 1.140
V=QxT
q=
Criterios
P=QxD
horas
%
L/s mg/L mg/L % mg/L
Unidad
5
4
Dato
Paso
Cuadro 1-5. Proceso de cálculo de un sistema de dosificación en solución (2)
kg
mg/s kg/d
m3
m3
L/s m3/d
L/s m3/d
Unidad
24 Diseño de plantas de tecnología apropiada
300 x 8 100.000 qm = 0,024 qm = 86,4
R = qM – qm
11
R = 864 – 86,4
qm =
qm = Q x Dm/C
qM =
Rango del dosificador
Caudal mínimo por dosificar
Caudal máximo por dosificar
Caudal de agua adicional que se debe aplicar a la salida del dosificador
(20 – 4) x 1.000 8,42 x 3.600 Q agua = 0,5 Q agua =
Número de bolsas
Resultados
N.o = 400/50 N.o = 8
Cálculos
10
N.o = Po / Pb
Criterios
300 x 80 100.000 qM = 0,24 qM = 864
kg
Unidad
qM = Q x DM/C
Pb = 50
Dato
9
8
7
Paso
Cuadro 1-5. Proceso de cálculo de un sistema de dosificación en solución (continuación)
L/h
L/s L/h
L/s L/h
L/s
Unidad
Casa de química 25
26
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Como se puede observar en los resultados del cuadro 1-5, el volumen del tanque para que la solución esté al 2% es de 20 m3 y para 10%, de 4 m3, por lo que si se adopta la alternativa con el tanque de 4 m3, para que la solución se aplique con la concentración óptima de 2%, se deberá inyectar a la tubería que sale del dosificador un caudal de agua filtrada de 0,53 L/s. El rango del dosificador que se requiere debe ser de 864 a 86,4 L/h. Con este dato entramos a la tabla de la figura 1-23 y elegimos el dosificador de 0 a 1.000 L/h que cubre el rango de trabajo requerido. Se puede observar en la tabla que la tubería de entrada al dosificador debe ser de 1”, y la de salida, de 1 ½” de diámetro. Dosificación Escala
Válvula de flotador Entrada de la solución φF
Tanque de solución A
Pedestal de sustentación Tornillos de anclaje
Base
φ G Al punto de dosificación
Dejar 4 orificios de 4 x 4 x 6 cm C E
B
5 cm
Embudo de descarga
Soportes con abrazaderas
D Detalle de la base
Dimensiones: Tamaño 1 2 3 4
0 0 0 0
-
Capacidad
A
B
C
D
E
φF
φG
400 L/h 1.000 L/h 2.500 L/h 4.000 L/h
760 760 880 880
200 200 310 310
400 400 530 530
140 140 250 250
340 340 470 470
3/4’’ 1’’ 1 1/2’’ 2’’
1 1/2’’ 1 1/2’’ 2’’ 2 1/2’’
Medidas en milímetros
Figura 1-23. Cuadro para seleccionar la capacidad del dosificador por gravedad de orificio de carga constante (2)
Casa de química
27
2.2.3 Saturadores de cal Se emplean para producir una solución saturada de hidróxido de calcio, a fin de dosificar agua de cal. La gran ventaja de estas unidades, comparadas con la de dosificación de lechada de cal, es que se produce una solución con una cantidad muy reducida de sólidos insolubles en suspensión, por lo que no se incrementa la turbiedad del agua filtrada y no se producen depósitos de material sedimentable en el tanque de aguas claras.
Preparación lechada de cal a distancia
Preparación lechada de cal por gravedad cal
cal
agua
agua
agua agua
1. 2. 3. 4. 5. 6.
Llegada de agua a presión Salida de agua saturada Vaciado del saturador Nivel correspondiente al volumen de lechada de cal para carga Llegada de lechada de cal Rebose
desagüe
Figura 1-24. Saturador de cal estático (2) Preparación lechada de cal por gravedad
Preparación lechada de cal a distancia
Dosificación de cal en continuo
Dosificación de cal en continuo Agua
Agua
1. Llegada de agua a presión 2. Salida de agua saturada 3. Llegada lechada de cal 4. Vaciado del saturador 5. Evacuación de fangos 6. Rebose
Desagüe
Agua 3
Agua
Desagüe 2
6 5
4 1
Figura 1-25. Saturador de cal dinámico (2)
28
Diseño de plantas de tecnología apropiada
En general, el saturador consta de un tanque con fondo cónico o piramidal, donde se deposita la cal que va a ser disuelta. El agua se introduce por el fondo del tanque, mediante un tubo recto instalado en su interior, y es colectada en la superficie libre mediante canaletas o tubos perforados. Se gradúa la dosificación mediante el ajuste del caudal de agua que se introduce en el saturador y la concentración de cal presente se determina a intervalos convenientes. Se recomienda el uso de un hidrómetro en la entrada de agua a la unidad, tanto para determinar el caudal como para evaluar la cantidad de cal disponible en el saturador. Cuando la cantidad de cal disponible es pequeña, la concentración de la solución es baja y es necesario aumentar la cantidad de agua e introducir más cal. Estas unidades pueden ser de tipo estático o dinámico (figuras 1-24 y 1-25). Criterios de diseño •
El tanque debe dimensionarse de tal modo que se garantice una velocidad ascensional de 0,5 a 1,0 L/s/m2 o una dosis de cal de 0,6 a 1,2 g/s/m2.
•
El tanque debe ser suficientemente alto como para facilitar la distribución uniforme del agua introducida por el fondo.
•
Para el cálculo de la unidad, se requiere conocer la temperatura del agua y la solubilidad de la cal a esa temperatura. Para el dimensionamiento, se emplea la ecuación de balance de masas. Véase el ejemplo de cálculo en el cuadro 1-6.
2.3
Recomendaciones para el proyecto
Habiendo dimensionado ya todas las instalaciones, se recomienda tener en cuenta las siguientes consideraciones para diseñar los planos que corresponden a estos ambientes: •
La sala de dosificación debe ubicarse lo más cerca posible de la unidad de mezcla rápida, para que la tubería de conducción de la solución no sea muy larga y para no incrementar demasiado las pérdidas de carga. La tubería de conducción de la solución debe proyectarse sin muchas vueltas y accesorios para evitar atoros y pérdidas de carga excesivas. La salida del dosifi-
P = 100 x 10 x 0,864 P = 86,4
P = Q x D x 0,0864 P* = P/(1-I)
5
6
I = 20
%
m
P* = 86,4/(1-0,2) P = 108
Volumen del saturador
Vol = (0,16 + 1,0) x 2,5/2 Vol. = 1,45
Vol = (Ab + A)/H/2
H = 2,5
4
Área de la base
m
Ab = 0,4 x 0,4 Ab = 0,16
B = 0,40
3
Consumo con impurezas
Consumo diario de cal
Área del saturador
Ab = B x B
Va = 0,5
2
Caudal de operación del saturador
Resultados
A = 0,5/0,5 = 1
Q = 100 D = 10 C = 0,2
1
q = 100 x 10/2.000 q = 0,50 q = 43,2
Cálculos
A = q/Va
Criterios
L/s/m2
Unidad
q = Q x D/C
Dato
L/s mg/L %
Paso
Cuadro 1-6. Cálculo del saturador de cal (2)
kg
kg
m3
m2
m2
L/s m3/d
Unidad
Casa de química 29
30
Diseño de plantas de tecnología apropiada
cador y el inicio de la tubería de conducción deben ser abiertos para que se facilite la calibración del equipo.
Laboratorio Dosificador
Dosificador
1,25
Figura 1-26. Vista en planta de la sala de dosificación, almacén de sustancias químicas, laboratorio de control de procesos y servicios higiénicos (1)
•
El desnivel entre la salida del dosificador y la tubería con perforaciones o el difusor para aplicar el coagulante en la unidad de mezcla rápida debe compensar las pérdidas de carga en todo el recorrido, además de una altura adicional para que la solución tenga presión en la salida. Normalmente, cuando ambos extremos están bien próximos, se deja una diferencia de altura de un metro.
Techo canalón
,80
,20
1,20 1,15 ,07
1,00
Dosificador
Almacén
,15
3/4’’
0,90
Desagüe 2’’
1,20
,90
,15
Figura 1-27. Vista de un corte de la sala de dosificación (1)
Casa de química
31
•
Debe considerarse un tanque de preparación de solución por cada sustancia química que se va a aplicar. Los tanques deben proyectarse en una sola hilera. La altura a la que se coloquen los tanques depende del tipo de dosificador. Si se va a aplicar la solución por bombeo, los tanques pueden estar ubicados directamente sobre el piso de la sala (figura 1-17), pero si la aplicación es por gravedad, el fondo del tanque debe coincidir con el nivel de la tubería de entrada al dosificador (véase la figura 1-27).
•
La tubería de salida del tanque de solución debe colocarse 0,10 centímetros por encima del fondo del tanque para que no salga el sedimento que queda después de que el sulfato se ha disuelto, porque esto puede atorar la válvula de aguja del dosificador.
•
Cada tanque debe tener un agitador para disolver el sulfato de aluminio. En plantas muy pequeñas la agitación puede hacerse en forma manual. Cuando se deba aplicar cal, es indispensable el agitador eléctrico, porque la cal no se solubiliza en el agua. Solo se puede mantener en suspensión cuando la agitación es constante. Si no se agita, la cal se sedimenta y se estaría aplicando solo agua.
•
Cada tanque debe tener instalaciones para el llenado con agua filtrada, salida, desagüe y rebose. El fondo del tanque debe tener pendiente hacia el punto de salida del desagüe para facilitar su rápida limpieza antes de la preparación de la nueva solución. El agua filtrada puede provenir de un tanque ubicado sobre el edificio de la casa de química, el cual se abastece por bombeo desde la caja de salida de los filtros o desde el tanque de aguas claras.
•
En plantas pequeñas y medianas el almacén debe estar contiguo a la sala de dosificación para compactar las instalaciones y facilitar la labor del operador (figura 1-26).
•
Las ventanas del almacén deben colocarse solo en la parte superior para dar iluminación y evitar que la caída de una ruma de material pueda romper los vidrios. Ubicar el nivel de la puerta de entrada colindante con una pista de ingreso de camiones y de manera que coincida con la altura de la plataforma del camión, para facilitar la descarga de las bolsas de sustancias químicas (figura 1-28).
32
•
3.
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Cuando se utilicen dosificadores en seco, el almacén siempre se colocará en el primer piso y también la sala de dosificación. Por la altura que tienen estos equipos, el acceso a las tolvas se hará desde el segundo piso, donde se mantendrá una existencia de sustancias químicas como para un día de operación, la que se transportará mediante un montacargas desde el almacén.
Figura 1-28. Entrada al almacén de sustancias químicas (1)
DEFECTOS DE DISEÑO MÁS COMUNES
En contraste con la figura 1-28, en la que mostramos la forma adecuada de entrada a un almacén, en la figura 1-29 se puede observar una entrada por debajo del nivel normal del terreno, donde, además de dificultarse el traslado de las sustancias químicas al almacén, estas sustancias están sometidas a un alto riesgo de deterioro por causa de una posible inundación. Cabe agregar que este almacén corresponde a una planta ubicada en una zona muy lluviosa.
Figura 1-29. Almacén mal ubicado (1)
Cuando el almacén no ha sido correctamente dimensionado, suelen presentarse situaciones como la que se ilustra en la figura 1-30, por falta de capacidad del almacén. Las bolsas de sustancias químicas se han apilado entre los dosificadores, lo que difi-
Casa de química
33
culta y entorpece las actividades de operación. En contraste con la situación anterior, en la figura 1-31 podemos observar un almacén escandalosamente sobredimensionado, donde la existencia normal de sustancias químicas puede observarse en una pequeña ruma muy al fondo. Además del eviFigura 1-30. Consecuencia de la falta de capacidad dente derroche que ello sudel almacén (1) pone, también se generan dificultades en la operación, debido a que los trabajadores deberán desplazarse innecesariamente sobre distancias muy grandes para realizar sus actividades. En un almacén las ventanas deben considerarse solo en la parte alta para iluminar bien el ambiente. Sin embargo, a menudo se encuentran situaciones como la que se ilustra en la figura 1-32. En este almacén, si una ruma de bolsas se ladea y desploma, puede romper los vidrios de las ventanas. Este caso es muy especial, porque, además, las ventanas Figura 1-31. Almacén sobredimensionado (1) tienen marcos de aluminio y el piso es de madera, acabados extraordinariamente buenos para un almacén. Actualmente, las instalaciones se usan como sala de capacitación.
34
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Figura 1-32. Ventanas mal ubicadas
4.
LABORATORIO DE CONTROL DE PROCESOS
Toda planta de tratamiento de agua, por más pequeña que sea, debe contar con un laboratorio de control de procesos, donde por lo menos se puedan controlar los parámetros básicos: turbiedad, color, pH, alcalinidad, cloro residual y coliformes fecales o termotolerantes. Si no hay control, no se podrá conocer en qué medida la instalación está cumpliendo con sus objetivos de calidad y el personal de operación puede volverse muy complaciente con la eficiencia del sistema. •
En este ambiente debe considerarse cuando menos un lavadero, un mostrador para operar los equipos y un escritorio o mesa de trabajo para el químico, auxiliar de laboratorio u operador encargado de realizar las pruebas de control de procesos.
•
Toda planta debe contar por lo menos con los equipos necesarios para controlar la eficiencia de los procesos. Para que la planta pueda iniciar su operación correctamente, estos equipos deben ser considerados en el proyecto. Son muchas las plantas en las que se encuentra una habitación con mostradores que debió ser el laboratorio de la planta, pero por no haberse considerado los equipos en el proyecto, llevan años operando sin ellos. Los equipos mínimos que debe tener un laboratorio para ejecutar el control de los procesos son los siguientes: — —
turbidímetro nefelométrico; medidor de pH;
Casa de química
— — — — — —
35
bureta; equipo de prueba de jarras, con seis jarras de un litro con deflectores; comparador de cloro; vidriería: pipetas, vasitos, baguetas, etcétera;. materiales: papel Whatman 40, seis embudos de plástico y vasitos de plástico; equipo portátil para la determinación de coliformes totales y termotolerantes por el método de membranas; termómetro.
•
En el caso de una planta pequeña, el programa de control de calidad podrá efectuarse desde un laboratorio central o regional.
•
En una planta grande deben considerarse en ambientes separados el laboratorio de control fisicoquímico y el laboratorio de control bacteriológico. Podrán efectuarse en la planta los dos programas de control de procesos y de calidad, en el supuesto de que estos laboratorios son atendidos por personal profesional especializado. El control de los procesos puede ser efectuado por operadores capacitados supervisados por el personal profesional, mientras que el de calidad, por el personal profesional. En estos casos, dependiendo de la capacidad de la planta, se recomienda considerar instalaciones independientes.
•
La sala de cloración debe ser siempre independiente y alejada de las demás edificaciones de la planta, para evitar que una fuga de cloro comprometa los equipos de dosificación o de laboratorio, así como al personal que labora en estas dependencias. Es posible adosarla a la casa de química, pero con puertas y ventanas suficientes, de tal manera que las emanaciones de cloro de ningún modo puedan ingresar a esta.
36
Diseño de plantas de tecnología apropiada
REFERENCIAS (1)
Vargas, L. Fotos y proyectos de archivo. Lima, CEPIS/OPS.
(2)
Pérez Carrión, J. M. y L. Vargas. Criterios de diseño para la dosificación y mezcla rápida. Tomo I, Manual III: Diseño. Lima, Programa Regional HPE/CEPIS/OPS, 1992.
BIBLIOGRAFÍA GENERAL Pérez Carrión, J. M. Manejo de sustancias químicas. Lima, CEPIS, 1982. Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental-CETESB. Técnicas de abastecimiento y tratamiento de agua. 2.a edición. São Paulo, 1977. Pérez Carrión, J. M. Estado del arte, coagulación. Manual. CIFCA/CEPIS/ OPS/OMS. 1977.
13. Carbón activado 14. Carbonato de calcio 15. Carbonato de bario
x x
10. Bisulfito de cloro 11. Cal (hidróxido de calcio) x 12. Cal dolomítica x
Ablandamiento
x
x
x
Ajustes de pH
Ácido hidrofluorhídrico Ácido fluorsilícico Ácido sulfúrico Amoniaco Aluminato de sodio Bentonita Bicarbonato de sodio Bisulfito de sodio Bisulfito de carbono x
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Sustancias químicas Coagulación x
x
Control de olores y sabores
Control de algas x
x
x x
x
Control de corrosión y depósitos x
x
Decloración x
Desinfección x
x x
x
Floculación x
Fluoruración x
x x
Remoción de color x x
x x
Remoción del Fe-Mn x
x x
Remoción del arsénico x x
Remoción del bario x
Remoción de cadmio y cromo x
Remoción del mercurio x
Remoción del plomo y la plata x
x
x
Remoción de compuestos orgánicos bióxidos
Remoción del selenio
Remoción del flúor
Filtración
Auxiliares de coagulación
Cuadro A.1. Sustancias químicas más empleadas en el tratamiento de agua por etapas (2)
Anexo A Datos sobre las sustancias químicas más empleadas en el tratamiento de agua
Remoción de sílice
Preparación de sílice activado
Casa de química 37
Ablandamiento
Ajustes de pH
Fosfato bisódico x Fluoruro de sodio Hexametafosfato de sodio Hidróxido de amoniaco Hidróxido de sodio x Hipoclorito de calcio Hipoclorito de sodio Huesos calcinados x
x x
Coagulación
Auxiliares de coagulación x
x
x
x
x
x
x
Control de algas
22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29.
x
Control de olores y sabores x
Carbonato de sodio Cloro Cloruro férrico Cloruro ferroso Cloruro de sodio
Control de corrosión y depósitos
21. Clorito de sodio
16. 17. 18. 19. 20.
Sustancias químicas Desinfección x x
x
x
x
x
Fluoruración x
Remoción de color x x
Remoción del Fe-Mn x
x
Remoción del mercurio x
Remoción del plomo y la plata
Remoción del selenio
Remoción del flúor
Remoción de cadmio y cromo
Remoción del bario
Remoción del arsénico
Floculación
Filtración
Decloración
x
Preparación de cloro, regeneración de resinas Preparación de cloro
Cuadro A.1. Sustancias químicas más empleadas en el tratamiento de agua por etapas (continuación)
Remoción de compuestos orgánicos bióxidos
38 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Óxido de calcio x Ozono Permanganato de potasio Policloruro de aluminio Polielectrolitos artificiales Polielectrolitos naturales Polifosfato de sodio Pirofosfato sódico Sílice activada Silicato de sodio
Silicofluoruro de amoniaco Silicofluoruro de sodio Sulfato de aluminio Sulfato férrico Sulfato ferroso Sulfato ferroso clorado
40. 41. 42. 43. 44. 45.
Ablandamiento
30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39.
Sustancias químicas
Ajustes de pH
x
Auxiliares de coagulación x
x x
Coagulación x x x x
x x
x x x
Control de olores y sabores x
Control de corrosión y depósitos x x
x
Decloración x
Desinfección x
Filtración x
x x
Floculación x
x x
Fluoruración x
Remoción de color x
x
x
x
Remoción del Fe-Mn x
x x
x
Remoción del arsénico x x
x
Remoción del bario x
Remoción de cadmio y cromo x
x
Remoción del flúor x
Remoción del selenio x
x
Remoción del plomo y la plata x
x
x x
x
Remoción de compuestos orgánicos bióxidos
Remoción del mercurio
Control de algas
Preparación de sílice activada
Cuadro A.1. Sustancias químicas más empleadas en el tratamiento de agua por etapas (continuación)
Casa de química 39
47. Sulfato de cobre 48. Sulfato amónico de aluminio 49. Sulfato potásico de aluminio 50. Sulfito de sodio 51. Tiosulfato de sodio 52. Trifosfato sódico 53. Tierra de diatomea
46. Sulfato de amoniaco
Sustancias químicas
x
x
x x x x
x
x x x x x x x
x x Control de lodos
Cuadro A.1. Sustancias químicas más empleadas en el tratamiento de agua por etapas (continuación)
Ablandamiento Ajustes de pH Auxiliares de coagulación Coagulación Control de algas Control de olores y sabores Control de corrosión y depósitos Decloración Desinfección Filtración Floculación Fluoruración Remoción de color Remoción del Fe-Mn Remoción del arsénico Remoción del bario Remoción de cadmio y cromo Remoción del flúor Remoción del mercurio Remoción del selenio Remoción del plomo y la plata Remoción de compuestos orgánicos bióxidos
40
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Ca(OH) 2
CaO. Mg O
C
4. Hidróxido de calcio (cal)
5. Cal dolomítica
6. Carbón activado
Bolsas de 45 kg
Polvo granular Bolsas de 35 kg o en tambores 5,2 kg
Polvo granular Bolsas de 25-30-45 Grava kg
Polvo
Bolsas de 25-45 kg H 2O (Al2O3. Polvo Fe2O3.3 Mg Gránulos finos O). 4SiO 2 NH2O
3. Bentonita (arcilla coloidal)
Cilindros de acero 50-100-150 L (pintado de verde)
Gas
NH 3
2. Amoniaco
Botellones 20 x 50 L
Embalaje
Líquido
Presentación
H 2SO 4
Fórmula
1. Ácido sulfúrico
Compuesto
Polvo 8,28
0,59-0,9611,20
0,562-0,80
0,723-0,964 0,964-1,206
1
60-66° Bc
Densidad
Grav. PP 250 kg/h Vol. disco 5 kg/h
Dosificadores de gas
Solución
Tipos de dosificación
10% huesos Polvo 90% carbón Lechada vegetal
Grava Pérdida de peso Vol.-disco Líq. Rototipo
Partículas Saturadores finas solución Lechada Grav. PPDisco 10 kg/h solución
Granular Lechada
Gas
Líquida
Forma
55-57% Grava CaO Granular 27-40 MgO
82-99% Ca (OH)2 62-74 CaO
90-100% NH 3
77-93%
Concentración comercial
Hierro, acero, vidrio, níquel, plástico
Acero-plástico
Agitadores de tolvas Rotores a prueba de atascamiento Bombas de transferencia
Extractores de polvo Agitadores en tolvas Motores a prueba de atascamiento
0,18 – 0,15 f (temp) 0,10-1 kg/L
Insoluble
Seco: hierro, Insoluble acero Húmedo: acero, caucho, bronce
Agitadores de Hierro, acero, tolvas, plástico tanques, motores a prueba de obturaciones
Balanzas
Seguridad
Accesorios
ObserMaterial vaciones adecuado para sobre manejo solubilidad
Cuadro A.2. Datos complementarios sobre compuestos químicos utilizados en el tratamiento de agua (2)
Casa de química 41
Bolsas de 45 kg Tambores 11,45 kg
Cilindros de acero 100-150 lb Tanques de 15 toneladas
Botellón 19,50 (l) Tambores 45.180 kg Tambores 68.158 kg
Cristales Polvo
Gas líquido bajo presión
Solución cristales granular
Na2CO 3
Cl2
FeCl3 (anhidro solución) FeCl36H 2O (cristal)
8. Carbonato de sodio
9. Cloro
10. Cloruro férrico
0,96-1,04 0,72-0,96
2,49 (con respecto al aire)
Extra liv. 0,482 Liviano 0,642 Pesado 1,042
0,562-0,964 1,60 1,85
Polvo granular Bolsas de 25-45 kg Grava o en tambores
Densidad
CaCO3
7. Carbonato de calcio
Embalaje
Polvo 8,28
Presentación
Polvo granular Bolsas de 35 kg o en tambores 5,2 kg
C
Fórmula
6. Carbón activado
Compuesto Forma
35-45% 60% 96-97%
99,8%
99,2% NaCO 3 58% Na26
96-99%
Solución
Gas vaporizado
Pesado
De acuerdo con el uso Polvo no es adecuado
10% huesos Polvo 90% carbón Lechada vegetal
Concentración comercial
Hierro, plástico, cerámica, caucho
Balanzas Interconectadores Vaporizadores
Caucho, vidrio, cerámica, plástico
65-91 75
Líquido: 1,46 – hierro, cobre, 0,57 f acero, plástico (temp) Gas: vidrio, plata, caucho, plástico
7–39% f (temp)
47–29% f (temp)
Seco: hierro, Insoluble acero Húmedo: acero, caucho, bronce
ObserMaterial vaciones adecuado para sobre manejo solubilidad
Agitadores de Hierro, acero, tolvas caucho, Tanques de plástico solución muy grandes
Agitadores en tolvas, motores y unidades a prueba de obturaciones
Agitadores de tolvas Rotores a prueba de atascamiento Bombas de transferencia
Accesorios
Rototipo Tanques de miento y 200 L/h disolución
Cloradores de solución
Solución Grava > 10 kg/h Vol. disco 10 kg/h
Saturadores Grava PP>280 kg/h Correa 252.700 Vol. Disco > 5 kg/h
Grava Pérdida de peso Vol.-disco Líq. Rototipo
Tipos de dosificación
Cuadro A.2. Datos complementarios sobre compuestos químicos utilizados en el tratamiento de agua (continuación)
42 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Gas
Producción en planta
16. Sílice activada
Si O2
PAC-250 A líquido PAC-250 AD Polvo
15. Policloruro Aln (OH)m de aluminio Cl3n-m
O3
14. Ozono
—
Tambores Bolsas Tambores
Generado en planta por descargas eléctricas del aire
Botellón 25-50 L Tambores 100 L
Solución
Tambores 10, 25, 135 kg
Embalaje
13. Hipoclorito NaOCl de sodio
Polvo
Presentación
Polvo granular Tambores 28-45136 kg
NaOH
Fórmula
12. Hipoclorito Ca(OCl)2 de sodio 4 H2O
11. Hidróxido de sodio
Compuesto
1,20-3,30 kg/L
1-19-1,21 0,80-0,90
0,80-0,885
0,80-0,90
Densidad Forma
Tipos de dosificación
Solución
41° Bc. silicato de sodio diluido a 1,5% antes de ser activado por alumbre, sulfato amónico, cloro, bicarbonato de sodio y ácido sulfúrico
Solución Vol. grava
Ozonadores
Solución
Solución Grava 250 kg/h Vol 10 kg/h
Líquida; Solución con concentraciones de 0,6-1 c. u. para evitar formaciones de gel
10,5% Al2O3 Solución 30% Al2O 3 Polvo
1% de ozono en el aire
13% NaOC1 Solución 12,5
70% Cloro
98,9% Únicamente Solución NaOH en solución 24,7% Na2O
Concentración comercial
Plástico caucho, cerámica
Tanques de almacenamiento Sistemas de lavado
Bombas Plástico, dosificadoras caucho Tanques de solución
Difusión Vidrio, Decantadores aluminio, de aire cerámica
Tanques, medidores de agua
Agitadores
49,4 cm 3
22-23% f (temp)
ObserMaterial vaciones Accesorios adecuado para sobre manejo solubilidad Protección del Hierro personal fundido, acero, caucho
Cuadro A.2. Datos complementarios sobre compuestos químicos utilizados en el tratamiento de agua (continuación)
Casa de química 43
Bolsas 45 kg Tambores 180 kg
Cu SO4 5 H2O
20. Sulfato de cobre
Gránulos Polvo Bloques
Fe SO4 7 H2O
19. Sulfato ferroso (coperas)
Bolsas 45 kg Tambores 180 kg
Bolsas 45 kg Tambores 180 kg
Gránulos
Fe2 (SO4)3 3 H2O Ferri-clear Fe2 (SO4)3 Ferri-floc
18. Sulfato férrico (sulfato de hierro)
Densidad
1-1,20 0,95-1,10 0,80-0,85
1,03-1,06
1,121-1,153
Bolsas 45-90 kg 0,964-1,206 Tambores 158-181 kg Producido en planta
Embalaje
Gránulos Cristales Polvo Bloques
Gránulos Polvo Bloques Líquido
Al2 (SO 4)3 KSO4.24 H2 O (aprox.)
17. Sulfato de aluminio
Presentación
Fórmula
Compuesto
99%
55% FeSO4 20% Fe
68% Fe2(SO4)3 18,5% Fe 76% Fe(SO4)3 21% Fe
17% Al2O 3 (min.)
Concentración comercial
Polvo
Gránulos Solución (op)
Gránulos Solución
Bloques Gránulos
Forma
Reservorios Sacos de aspilleras Planta Dosif. vol. gran. o sol.
Grava > 900 kg/h Vol. universal > 2.800 kg/h
Grava < 286 kg/h Vol. > 45 kg/h Cualquier tipo
Saturación Solución Grava > 100 kg/h Vol. > 5 kg/h
Tipos de dosificación
Botas, tanques de solución, bombas Tanques de solución
Tanques de solución con mezclador eléctrico Balanzas
Tanques de solución con mezclador eléctrico y extractor de vapor
Agitadores en tanques de solución y tolvas Control de temperatura
Accesorios
Acero inoxidable, asfalto, caucho, plástico, cerámica
Seco: hierro, acero, concreto Húmedo: caucho, hierro, asfalto, acero galvanizado, plástico
19-21% (temp)
0,05 kg/L T. ret= 5 min. Poco soluble
Acero Muy inoxidable, soluble caucho, plomo cerámica, plástico
Seco: hierro, 5,7 a 17% acero, plástico (temp) Húmedo: plástico, caucho, acero, cerámica
ObserMaterial vaciones adecuado para sobre manejo solubilidad
Cuadro A.2. Datos complementarios sobre compuestos químicos utilizados en el tratamiento de agua (continuación)
44 Diseño de plantas de tecnología apropiada
CAPÍTULO 2 MEZCLADORES
Mezcladores
1.
47
INTRODUCCIÓN
Los mezcladores tienen como objetivo la dispersión instantánea del coagulante en toda la masa de agua que se va a tratar. Esta dispersión debe ser lo más homogénea posible, con el objeto de desestabilizar todas las partículas presentes en el agua y optimizar el proceso de coagulación. La coagulación es el proceso más importante en una planta de filtración rápida; de ella depende la eficiencia de todo el sistema. No importa que los demás procesos siguientes sean muy eficientes; si la coagulación es defectuosa, la eficiencia final del sistema es baja. La eficiencia de la coagulación depende de la dosificación y de la mezcla rápida. En la unidad de mezcla la aplicación del coagulante debe ser constante y distribuirse de manera uniforme en toda la sección. Debe existir una fuerte turbulencia para que la mezcla del coagulante y la masa de agua se dé en forma instantánea. La mezcla rápida puede realizarse aprovechando la turbulencia provocada por dispositivos hidráulicos o mecánicos.
2.
PARÁMETROS GENERALES DE DISEÑO
•
La intensidad de agitación, medida a través del gradiente de velocidad, puede variar de 700 a 1.300 s-1 o de 3.000 a 5.000 según el tipo de unidad seleccionada.
•
El tiempo de retención puede variar de décimas de segundos a siete segundos, dependiendo de la concentración de coloides en el agua por tratar y del tipo de unidad seleccionada. De la concentración de coloides presente en el agua dependerá el tipo de mecanismo de coagulación resultante; esto es: alta concentración de coloides → mecanismo de absorción o de neutralización de cargas
48
Diseño de plantas de tecnología apropiada
baja concentración de coloides → mecanismo de barrido. 2.1
Unidades hidráulicas
Entre los mezcladores de este tipo se pueden citar, entre los más utilizados por su simplicidad y eficiencia, los siguientes: • • • • •
canales con cambio de pendiente o rampas; canaletas Parshall; vertederos rectangulares y triangulares; difusores; inyectores.
En los tres primeros mezcladores la turbulencia que ocasiona la mezcla es producida por la generación de un resalto hidráulico que causa un gradiente de velocidad de alrededor de 1.000 s-1. Estas unidades tienen la ventaja de que, además, involucran la medición del caudal de ingreso a la planta. Las unidades de resalto hidráulico son adecuadas para todo tipo de aguas; es decir, tanto para las que coagulan por el mecanismo de absorción o neutralización de carga como para las de barrido. Para las aguas que coagulan por el mecanismo de barrido, son adecuados todos los tipos de mezcladores, inclusive los retromezcladores, porque en este caso, para que el mecanismo de barrido se produzca, son más importantes las condiciones químicas (dosis de coagulante) que los parámetros de mezcla. En los difusores e inyectores se obtiene una eficiencia similar a la conseguida en las unidades de resalto hidráulico, pero con menores gradientes de velocidad; esto es, con menor disipación de energía durante el proceso. Esto se debe a que la homogeneización coagulante-masa de agua en estas unidades se consigue como consecuencia de la gran cantidad de puntos de aplicación del coagulante antes que de la agitación de la masa de agua. Otros tipos de mezcladores de patente como las denominadas unidades de mezcla en línea requieren gradientes de velocidad mayores, normalmente entre 3.000 y 5.000 s-1. La canaleta Parshall es adecuada exclusivamente para plantas de medianas a grandes (Q ≥ 500 L/s). El canal con cambio de pendiente se adecúa a cualquier rango de caudal, y los vertederos rectangular y triangular solo a caudales pequeños; el último, preferiblemente a caudales menores de 30 L/s.
Mezcladores
49
2.1.1 Mezcladores de resalto hidráulico Estas unidades son especialmente adecuadas para aguas que la mayor parte del tiempo están coagulando mediante el mecanismo de adsorción; es decir, aguas que presentan alta concentración de coloides. Los tipos más frecuentes tienen la 1 2 ventaja de servir de unidades de medición de caudal y de unidades de mezcla rápida, por lo cual son muy populares (fiP2 E gura 2-1). P2
h2
a)
Parámetros de diseño
•
Gradientes de velocidad entre 700 y 1.300 s-1 y tiempos de retención menores de un segundo.
d
1
h1
E1
P1
C
0
E2
h1 E2 E E1
0
E
Figura 2-1. Resalto hidráulico (2)
•
Números de Froude (F) variables entre 4,5 y 9,0 para conseguir un salto estable, con excepción de la canaleta Parshall, que funciona mejor con números de Froude entre 2 y 3.
•
El coagulante debe aplicarse en el punto de mayor turbulencia (inicio del resalto), en forma constante y distribuido de manera uniforme en toda la masa de agua.
h2
Figura 2-2. Descripción esquemática del criterio asumido (2)
50
Diseño de plantas de tecnología apropiada
b)
Criterios para el dimensionamiento
•
Se supone que h1 es igual a d1 (figura 2-2).
•
Las alturas de agua antes (h1) y después del resalto (h2) deben satisfacer la siguiente ecuación: h2/ h1 = ½ [ 1 + 8 F2 - 1]
(1)
Donde: F = V 1 / g h1
(2)
y V1 es la velocidad en la sección (1). •
Los tipos más frecuentes tienen la ventaja de servir como unidades de medición de caudal y como unidades de mezcla rápida.
•
La energía hidráulica disipada o pérdida de carga se puede calcular en la longitud (L) del resalto, mediante la fórmula de Belanger: hp = (h2 - h1)3 / 4 h1 h2
•
La longitud de resalto mediante la fórmula de Smetana: L = 6 (h2 - h1)
•
(4)
Gradiente de velocidad (G) producido: G = [γ Q hp /µ∀ ]0,5 ó [ γ /µ] 0,5 . [ hp/ T] 0,5
•
(3)
(5)
Tiempo de mezcla (T) T = 2 L / (V1 + V2) γ µ
= = Q = hp =
peso específico del agua (kg/m3) coeficiente de viscosidad absoluta caudal (m3/s) pérdida de carga (m)
(6)
Mezcladores
ී V1 V2
= = =
51
volumen comprendido entre las secciones (1) y (2) velocidad del agua en la sección (1) velocidad del agua en la sección (2)
El cuadro 2-1 presenta los valores de y/µ para diferentes temperaturas: Cuadro 2-1. Valores de y/µ (1)
Temperatura (°°C) 0 4 10 15 20 25
c)
y/µ
2.336,94 2.501,56 2.736,53 2.920,01 3.114,64 3.266,96
Modelos de comprobación
Canal rectangular con cambio de pendiente o rampa. Un cambio de pendiente en un canal es uno de los medios más simples de producir un salto hidráulico con fines de mezcla. Para comprobar si se están produciendo 1 2 los valores recomendados de gradiente de veV hp 1 d1 V2 locidad y tiempo de reEo P1 d 2 = h2 P2 tención una vez asumiW da la geometría del caWd1 cos Wd2 nal, es necesario calcular las alturas y velociX L dades conjugadas en las secciones (1) y (2) de la figura 2-3. Figura 2-3. Canal rectangular con cambio de pendiente (2)
52
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Ecuación de momentos (7): Qw/g ( B2 V2 - B1 V1 cos θ) = P1 cos θ - P2 - FF
(7)
P1 =
1/2 w d12 cosθ
(8)
P2 =
w d22 / 2
(9)
Q = V1 d1 = V2 d2
;
V2 = V1 d1 / d2
Si B1 = B2 ≈ 1 ; FF = o ; F1 = V1 /
gd1
d2 / d1 = a Sustituyendo: V12 ( d1w /g) (V1 d1/ d2–V1cos θ) = (w d12 cos2 θ – w d22)/2 (10) 2 (V12 / d1 g) (d1 / d2 – cos θ) = cos2 θ – ( d2 / d1) 2 2 ( F12 /a) – 2 F12 cos θ = cos2 θ – a2 (a2 / 2 F1) + F1 / a = K K = Factor de resolución de la ecuación K = cos θ ( F1 + (cos θ/2 F1))
(11)
Una vez calculados h1 y V1, se aplican los criterios generales indicados en la sección anterior. El cuadro 2-1 presenta un ejemplo de aplicación de los criterios expuestos. Al finalizar el cálculo, debemos comprobar lo siguiente: altura de la rampa + tirante de agua en el vertedero de coronación de la rampa = pérdida de carga + altura del tirante aguas abajo del resalto
Mezcladores
53
Si el cálculo no es conforme, hay que seguir modificando los datos hasta que los resultados satisfagan esta condición. La figura 2-4 muestra una rampa diseñada para un caudal de 120 L/s. El resalto produce una turbulencia adecuada y se ubica exactamente al pie de la rampa, porque la unidad se dimensionó y ubicó correctamente. d)
Figura 2-4. Mezclador del tipo rampa en una planta mediana (4)
Recomendaciones de diseño
Para conseguir un comportamiento hidráulico óptimo en la unidad, además de un buen dimensionamiento, es necesario que esta se ubique correctamente con respecto a la siguiente unidad, que normalmente es el floculador y que los niveles de ambos —el de salida de la rampa con el nivel de entrada al floculador— estén bien empalmados (figura 2-5). 4.013 3.803
3.713
3.703
3.620
3.503
3.423 3.323
3.353
Floc. 2.313
0.503
Figura 2-5. Empalme mezclador-floculador (4)
La grada que se coloca al final de la longitud de mezcla tiene la finalidad de contribuir a contener el resalto, para que este se dé al pie de la rampa (figura 2-6). En resumen, para que el mezclador opere correctamente, además de comprobar que la intensidad de turbulencia para la mezcla esté dentro del rango apropiado y que cumplan con la igualdad:
54
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Eo + h3 = hp + h2
(12)
Criterios que se deben tener en cuenta al elaborar el perfil hidráulico de la planta. 4,013 3,803
3,713
3,703 3,620 Cuando se tra3,503 3,353 3,323 ta de unidades de gran capacidad, es necesario que la sección de la caja de en2,.313 trada se diseñe para una velocidad ascensional menor de un m/s. La tubería de entrada debe ingresar Figura 2-6. Detalle de la elevación del mezclador por el fondo de la caja, de tipo rampa (4) para que la masa de agua vaya perdiendo energía al ascender. En estas condiciones, la lámina de agua alcanzará el vertedero de coronación de la rampa sin turbulencia, lo que permitirá medir el caudal correctamente. Aplicación del Sulfato de Aluminio
Entrada al Floculador
0,15
0,50
0,15
1,00
e)
Figura 2-7. Mezclador de tipo rampa en una planta grande (4)
0,96
1,19
0,25
Problemas de diseño más comunes
La figura 2-7 muestra un mezclador de tipo rampa que opera con un caudal de 2,5 m3/s. La caja de entrada a esta unidad no tiene suficiente profundidad para amortiguar la turbulencia de entrada. Fue necesario colocar una tapa para contener las salpicaduras y evitar que estas inundaran el contorno de la rampa.
Mezcladores
55
Figura 2-8. Mezclador de tipo rampa mal ubicado (4)
Uno de los defectos de diseño más comunes en este tipo de mezclador surge de no empalmar correctamente el nivel del agua a la salida de la rampa con el nivel de operación del floculador. El mezclador de tipo rampa de la figura 2-8 adolece de este defecto. El proyectista empalmó el fondo de la rampa con el fondo del floculador y la rampa quedó ahogada. Cuando el canal de aproximación a la rampa da una vuelta de 90° antes del mezclador, el tirante de agua que emboca el vertedero de coronación de la rampa presenta un nivel inclinado por efecto del volteo, lo que anula la posibilidad de utilizar el vertedero como medidor de caudal. En la figura 2-9 se puede observar que el efecto de la vuelta llega hasta el resalto, que también se presenta inclinado.
Figura 2-9. Defectos en el canal de aproximación a la rampa (4)
Número de Froude F = 5,5
3
L = 2,73 hp = 0,59
∀ = (( 0,08 + 0,53) / 2)
L = 6(h2 - h1) hp = (h2 - h1) / 4 h1h 2
∀ = (h1 + h2) /2) L.B
10
11
12
(2,73) (1,0) ∀ = 0,83
h2 = 0,53
h2 = d2 = a d1
9
3
F = 3,97/ (9,81)(0,08) = 4,62
V1 = 3,97
h1 = 0,076
d1 = 0,07
F = V1 / g h1
8
V1 = q / h1
7
q2 / ( F2 g)
a = 7,89
a = d2 / d1 0,5 a = (8 F K/3) ( COS (Ø/3)) 3
θ = 67,09
Ø = COS-1 [F2 / (2/3 F K)3/2]
θ = tg-1(0,82 / 1,60) θ = 27,14°
K = 4,97
d1 =
Cálculos q = 0,300 / 1,00 q = 0,30
K = COS θ (F + (COS θ /2 F))
θ = tg-1( Eo / X)
Criterios
h1 = d1 / cos è
m
m
m
q=Q/B
6
5
4
Longitud del plano X = 1,60 Altura de rampa Eo = 0,82
m
Ancho del canal B = 1,00
Unidad m3 /s
Datos
Caudal de diseño Q = 0,300
2
1
Paso
Volumen del resalto
Pérdida de carga
Longitud del resalto
Profundidad después del resalto
Número de Froude (comprobación)
Velocidad al inicio del resalto
Profundidad antes del resalto
Altura antes del resalto
Relación de alturas antes y después del resalto
Factor de resolución de la ecuación
Inclinación de la rampa
Caudal unitario
Resultados
Cuadro 2-2. Comprobación de las condiciones de mezcla en un canal rectangular con cambio de pendiente o mezclador de tipo rampa
m3
m
m
m
m/s
m
m
-
-
radianes o grados sexagesimales
m3/s/m
Unidad
56 Diseño de plantas de tecnología apropiada
= 2.736
mg/L mg/L
do = 0,5
Dosis óptima promedio = 50
C = 2% = 20.000
18
19
Eo + h3 = hp + h2
24
0,59 + 0,53 = 1,12
0,82 + 0,30 = 1,12
Dt = 1”
Dt = ( 4 At /π ) / 0,0254
23
Comprueba la igualdad
Diámetro del difusor
Sección del difusor
At = 0,75 /(1,25 x 1000) At = 0,00058
Velocidad en la tubería
Velocidad en los orificios
Caudal promedio de solución por aplicar
Sección de los orificios
Número de orificios en el difusor
Altura de agua en el vertedero
Vt = 0,576 / 0,46 Vt = 1,25
Vo = 0,576
q = 0,75
Ao = 0,0001
At = q / Vt
Vt = Vo / R
21
= 0,30
N = 1,00/0,10 ; N = 10
h3 = (0,30/1,84 x 1)
Grada al final del resalto
2/3
h = 1/6 .(0,53) ;
Gradiente de velocidad Tiempo de mezcla
h= 0,09
(0,30) (0,59) / 0,83
Resultados
T = 0,83/ 0,30 T = 2,76
G = 1.263
G = 2.736
Cálculos
22
Vo = q / Ao. N
q = Q. D / C
20
R = 0,46
N = B/ e
e = 0,05
17 pulga- Ao = ð do2/4 das
h3 =(Q / 1,84 B)
16
2/3
y/µ . Q h p/ ∀
h = 1/6 h2
G=
Criterios
15
m
Unidad
T =∀/ Q
T = 10 °C
y/µ
Datos
14
13
Paso
Cuadro 2-2. Comprobación de las condiciones de mezcla en un canal rectangular con cambio de pendiente o mezclador de tipo rampa (continuación)
pulgadas
m2
m/s
m/s
L/s
m2
m
m
s
s-1
Unidad
Mezcladores 57
58
Diseño de plantas de tecnología apropiada
2.1.2 Canaleta Parshall (1) Se usa la canaleta Parshall normalmente con la doble finalidad de medir el caudal afluente y realizar la mezcla rápida. Generalmente, trabaja con descarga libre. La corriente líquida pasa de una condición supercrítica a una subcrítica, lo que origina el resalto. Fue ideada en 1927 por R. L. Parshall y patentada en varios tamaños con las dimensiones indicadas en el cuadro 2-3. La secuencia de cálculo es semejante a la del caso anterior, si se introducen las alteraciones debidas a las variaciones en la sección 0 de medición (figura 2-11).
2/3 A
D
C
W
Planta
A B
Corte
E
F
G
h2
H N
Figura 2-10. Canaleta Parshall
h1 H3 K
Pérdida de carga
Mezcladores
59
Cuadro 2-3. Dimensiones estandarizadas de los medidores Parshall W
A
Pulgadas (cm) 1" 3" 6" 9" 1' 1 1/2' 2' 3' 4' 5' 6' 7' 8' 10'
2,5 7,6 15,2 22,9 30,5 45,7 61,0 91,5 122,0 152,5 183,0 213,5 244,0 305,0
B
C
D
E
F
G
K
N
(cm)
(cm)
(cm)
(cm)
(cm)
(cm)
(cm)
(cm)
(cm)
36,3 46,6 61,0 88,0 137,2 144,9 152,5 167,7 183,0 198,3 213,5 228,8 244,0 274,5
35,6 45,7 61,0 86,4 134,4 142,0 149,6 164,5 179,5 194,1 209,0 224,0 239,2 427,0
9,3 17,8 39,4 38,0 61,0 76,2 91,5 122,0 152,5 183,0 213,5 244,0 274,5 366,0
16,8 25,9 40,3 57,5 84,5 102,6 120,7 157,2 193,8 230,3 266,7 303,0 340,0 475,9
22,9 45,7 61,0 76,3 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 122,0
7,6 15,2 30,5 30,5 61,0 61,0 61,0 61,0 61,0 61,0 61,0 61,0 61,0 91,5
20,3 30,5 61,0 45,7 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 183,0
1,9 2,5 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 15,3
2,9 5,7 11,4 11,4 22,9 22,9 22,9 22,9 22,9 22,9 22,9 22,9 22,9 34,3
E0 = V02 / 2g + Ho + N La altura de agua en la sección de medición puede ser calculada por la siguiente ecuación:
(13)
Secciones 0
1
2
hf
W Ho
h3
m
H0 = K Q
4
3
(14)
N
h1
K X
h2
G
C
W
W
Dl
La velocidad en la sección de medición se calcula mediante la siguiente relación:
D
Los valores de K y m se pueden obtener del cuadro 2-4.
2/3 B B
F
G
Figura 2-11. Canaleta Parshall
60
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Cuadro 2-4. Valores de K y m para la ecuación 13 Ancho de la garganta del Parshall (w) pulgadas metros 3" 6" 9" 1' 1 1/2' 2' 3' 4' 5' 6' 8'
0,075 0,150 0,229 0,305 0,460 0,610 0,915 1,220 1,525 1,830 2,440
V0 = Q / H0 D’
K
m
3,704 1,842 1,486 1,276 0,966 0,795 0,608 0,505 0,436 0,389 0,324
0,646 0,636 0,633 0,657 0,650 0,645 0,639 0,634 0,630 0,627 0,623
(15)
por relaciones geométricas: D’ = 2 / 3 (D - W) + W
(16)
Donde D, N y W son las dimensiones de la canaleta dadas en el cuadro 2-3. Se puede considerar que toda la energía disipada en la canaleta Parshall se da entre la salida de la garganta (sección 2) y la sección de salida de la canaleta (sección 3) y que en este volumen la mezcla es prácticamente completa. Bajo condiciones de flujo con descarga libre, la pérdida de carga puede calcularse mediante la siguiente fórmula (figura 2-11): hf = Ho + K – h3
(17)
El cuadro 2-5 presenta un ejemplo de aplicación de los criterios expuestos. La figura 2-12 muestra una canaleta Parshall, diseñada para una capacidad de un m/s, que opera como mezclador y medidor de caudal.
Mezcladores
Figura 2-12. Canaleta Parshall para 1,0 m3/s (4)
a)
61
En el caso de mezcladores de tipo canaleta Parshall, también debe empalmarse el nivel de salida de la canaleta con el nivel de entrada del floculador para que el resalto se produzca en la garganta de la unidad. Al proyectar una canaleta Parshall, se deben tener en cuenta las recomendaciones relacionadas con la longitud de los canales de aproximación y salida para que se comporte adecuadamente.
Problemas de diseño más comunes
La figura 2-13 ilustra lo que sucede cuando no se ha efectuado correctamente el empalme de niveles de la canaleta con la siguiente unidad: el resalto se desplaza y se ubica en el nivel más bajo. Como en el proyecto se indica que la aplicación del coagulante se debe hacer en la garganta de la canaleta —lugar donde suponía el proyectista que se iba a obtener el resalto—, dicha aplicación se hace en un punto en el que no hay turbulencia. Este defecto es muy frecuente en este tipo de unidades. La figura 2-14 ilustra otro problema muy común. El resalto hidráulico no se llega a formar porque durante la etapa de elaboración del proyecto solo se comprobaron las condiciones de operación de la unidad con el caudal del final del periodo de diseño de la planta y no se determinó cómo iba a comportarse con el caudal de la primera etapa.
Figura 2-13. Canaleta Parshall defectuosa (4)
62
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Figura 2-14. No llega a formarse el resalto (4)
El resultado es que no se está formando el resalto hidráulico, debido a que el caudal de operación en la primera etapa es muy bajo y, por consiguiente, la mezcla resulta muy pobre e ineficiente. En estos casos, debe seleccionarse un ancho de garganta que pueda operar con los dos caudales, dentro del rango de los parámetros de mezcla recomendados.
El caudal que alimenta a la canaleta de la figura 2-15 viene del desarenador, que se proyectó elevado sobre el terreno. La tubería que se aprecia en la foto saliendo del desarenador (donde están las dos personas) lo hace muy superficialmente, por lo que ingresa aire a la tubería. El aire y la carga de entrada al canal producen salpicaduras de agua alrededor de la unidad, por lo que se colocaron tablones fijados con los cilindros que se pueden apreciar en la foto, para evitar que la zona se inundase. La canaleta se ubicó igualando el fondo de esta con el del floculador y opera ahogada (figura 2-16). Las ondulaciones que se aprecian en la figura son originadas por los chorros de aire que pasan a través de la tubería de entrada. La canaleta no opera como medidor ni como mezclador debido a la suma de los defectos indicados. Figura 2-15. Forma de ingreso a la canaleta ( 4)
Mezcladores
En la figura 2-17 se puede apreciar una canaleta Parshall de la cual sale la tubería hacia la planta. La unidad carece de canales de aproximación y de salida, comienza en la transición de ingreso y termina con la de salida; en estas condiciones, esta canaleta no es útil como medidor porque no sigue las recomendaciones de Parshall para este fin.
63
Figura 2-16. Canaleta Parshall mal ubicada (4)
La figura 2-18 muestra el interior de la canaleta de la figura 2-17, que está siendo usada como mezclador y medidor de caudal. Se puede apreciar que no se está formando resalto hidráulico debido a que no se empalmaron las líneas de flujo. La siguiente unidad está a más de 100 metros de distancia y a un nivel más bajo con respecto a la canaleta. Tampoco se proyectó un difusor para aplicar el coagulante en todo el ancho que ocupa la masa de agua. De esta manera, la mezcla obtenida es muy deficiente. En la canaleta de la figura 2-19 se puede apreciar que no se consideró el canal de aproximación. El agua emboca a la canaleta después de una vuelta de 90 grados y luego de pasar por dos orificios.
Figura 2-17. Canaleta Parshall contrahecha (4)
64
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Figura 2-18. Interior de la canaleta de la figura 2-17 (4)
Figura 2-19. Canaleta Parshall defectuosa (4)
h 1 = q / V1
8
h1 = 0,83/3,29 h1 = 0,25
V1 = 2 ((2 x 9,8 x 0,8)/3)0,5 cos (44°18'/3)
V1 = 2(2gEo/3) 0,5 cosθ/3
7
Altura del agua antes del resalto
Velocidad antes del resalto V1 = 3,29
cos è = – 0,68 è = 132° 54'
cos è = – (9,8 x 0,83)/(2/3 x 9,8 x 0,8) 1,5
cos è = – qg/ (2/3gEo)1,5
6
Carga hidráulica disponible
Eo = ((1,10)2 /(2 x 9,8)) + 0,51 + 0,23 Eo = 0,80
Eo = (Vo2 / 2g) + Ho + N
m
5
Dimensión de la canaleta N = 0,23
Caudal específico en la garganta de la canaleta
Velocidad en la sección de medición
Vo = 0,760 / (1,35 x 0,51) Vo = 1,10 q = 0,760 / 0,915 q = 0,83
Ancho de la sección de medición D’ = 1,35
D’ = 2/3 (1,572-0,915) + 0,915
Ho = 0,51
Altura de agua en la sección de medición
Resultados
q = Q/W
D’= 2/3(D-W) + W
Ho = 0,608 (0,76) 0,639
Cálculos
4
m
Ho = KQn
Criterios
Vo = Q/D’Ho
Dimensión de la canaleta D = 1,572
unidad
m
Tamaño de la canaleta W = 3' = 0,915
Constantes K = 0,608 n = 0,639
m3 /s
Unidad
Caudal Q = 0,760
Datos
3
2
1
Paso
Cuadro 2-5. Ejemplo de comprobación de las condiciones de mezcla de una canaleta Parshall
m
m/s
m
m3 /s/m
m/s
m
m
Unidad
Mezcladores 65
ã/ ì
hp/T
ã/ì = 2.736 T = 10 °C
16
G=
T = 2 G’/ V2 + V3
Dimensión G’ = 0,915
15
m
hp = Ho + K - h3
V3 = Q / Ch3
14
m
Dimensión C = 1,22
Gradiente de velocidad G = 1,084
Tiempo de mezcla en el resalto T = 0,7
T = 2 x 0,915/ (1,32 + 1,30)
0,11/0,7
Pérdida de carga en el resalto
hp = 0,51 + 0,08 – 0,48 hp = 0,11
G = 2.736
Velocidad en la sección de salida
V3 = 0,760 / 1,22 x 0,48 V3 = 1,30
Altura en la sección de salida de la canaleta h 3 = 0,48
h3 = 0,63 - (0,23 – 0,08)
h3 = h2 - (N-K1)
13
m
Dimensión K1 = 0,08
12
Velocidad en el resalto V2 = 1,32
V2 = 0,760 / 0,915 x 0,63
Número de Froude
V2 = Q / Wh2
11
-1]
9,8 x 0,25
Resultados
Altura del resalto h 2 = 0,63
0,5
F1 = 3,29/ F1 = 2,10
Cálculos
h2 = 0,25/2 [ (1+8(2,1)2 ) 0,5 - 1]
h2 = h1 /2 [ (1+8F12 )
Criterios
10
Unidad F1 = V1 / g h1
Datos
9
Paso
Cuadro 2-5. Ejemplo de comprobación de las condiciones de mezcla de una canaleta Parshall (continuación)
s-1
s
m
m/s
m
m/s
m
unidad
Unidad
66 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Mezcladores
67
2.1.3 Vertedero rectangular Esta unidad consiste en un canal rectangular con un vertedero rectangular sin contracciones a todo lo ancho del canal (figura 2-20).
Coagulante
H Q
P h1
Q1
h2
La lámina verB 1 h Lj 1 Lm 6 2 tiente, después de pasar sobre el vertedero, 1 2 toca el fondo del canal Figura 2-20. Vertedero rectangular (2) en la sección 1, a una distancia Lm del vertedero. Cuando la lámina de agua alcanza el fondo, se divide en una corriente principal que se mueve hacia el frente y en una corriente secundaria que retorna. Para evitar el efecto perjudicial de la zona muerta que forma un vertedero de paredes verticales, se recomienda el diseño de vertedero de la figura 2-20. La distancia Lm puede ser calculada por la ecuación de Scimeni: Lm = 4,3 P ( hc / P) 0,9
(18)
La longitud de la mezcla (LJ) se calcula mediante la ecuación 4. Para el cálculo del gradiente de velocidad, es necesario conocer la energía consumida en el resalto (figura 2-20). La altura de agua en esta sección (h1) está relacionada con la altura crítica (hc) por la siguiente ecuación: hc 2
h1 =
hc =
2,56 + 3
P hc
q2 / g
donde q es el caudal específico
(19)
(20)
68
Diseño de plantas de tecnología apropiada
(q = Q/B) y Q = 1,84 x B x H3/2
(21) El cuadro 2-6 presenta un ejemplo de aplicación de los criterios expuestos. La figura 2-21 muestra un mezclador de tipo vertedero operando correctamente. 2.1.4 Vertedero triangular
Este tipo de mezclador consiste en un canal rectangular y un vertedero de 90° colocado a una altura (P) medida del vértice del vertedero al fondo del canal. Esta alternativa solo es apropiada para caudales pequeños. Figura 2-21. Vertedero rectangular como mezclador (4)
En este caso, la altura de agua (h) en el vertedero se calcula mediante la siguiente expresión:
⎡Q ⎤ h=⎢ ⎥ ⎣1,4 ⎦
0,4
(22)
Con caudales de alrededor de 30 L/s como el del ejemplo del cuadro 2-7, el ancho del canal (B) puede ser igual al de la lámina de agua (L). Cuando L sea demasiado pequeña, por motivos de construcción, se hará B = 2 L. Cuando no se deja la altura de agua apropiada entre el vértice del vertedero y el nivel del agua en el canal, el resalto que se forma es muy pobre (figura 2-22).
Figura 2-22. Vertedero triangular como mezclador
(0,034)2 /9,8
h2 = (0,0176)(( 1+8(4,63)2 ) – 1) 2 V2 = 0,034/ 0,11 LJ = 6(0,11 – 0,0176) Lm = 4,3(0,67) (0,049/ 0,67) 0,9 Lm = 0,28 hp = (0,11 – 0,0176) 3 /4 x 0,11 x 0,0176
h2 = h 1/2 ( 1+8 F12 – 1)
V2 = q/h2 LJ = 6(h2 - h1) Lm = 4,3 P ( hc / p ) 0,9 hp = (h2 - h1)3 /4 h2 h1
7
8
9
10
11
9,8 x 0,0176
V1 = 0,034/0,0176
((0,67/0,05) + 2,56)
h1 =(1,414 x 0,05) /
3
F1 = 1,93/
P/ hc +2,56
hc =
F1 = V1 / g h1
2 . hc /
q2 / g
6
h1 =
3
H = 0,67(0,034) 2/3
q = 0,017/ 0,5
Cálculos
V1 = q / h1
m
hc =
H = 0,67 q2/3
q = Q/ B
Criterios
5
Altura de la cresta P = 0,67
4
m/s 2
m
Ancho del vertedero B = 0,50
g = 9,8
m3 /s
Unidad
Caudal Q = 0,017
Datos
3
2
1
Paso
Pérdida de carga en el resalto hp = 0,10
Distancia del vertedero a la sección (1)
Longitud del resalto LJ = 0,55
Velocidad en la sección (2) V2 = 0,31
Altura de agua en la sección (2) h2 = 0,11
Número de Froude F1 = 4,65
Velocidad en la sección (1) V1 = 1,93
Altura de agua en la sección (1) h1 = 0,0176
Altura crítica hc = 0,05
Carga disponible H = 0,067
Caudal específico q = 0,034
Resultados
Cuadro 2-6. Comprobación de las condiciones de mezcla en un vertedero rectangular
m
m
m
m/s
m
Unid.
m/s
m
m
m
m 3/s/m
Unidad
Mezcladores 69
R = 0,46 At = qo / Vt
⎛ 4 At ⎞ Dt = ⎜ ⎟ ⎝ π ⎠
21
22
Vt = Vo / R
0,5
⎛ 1 ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ 0,0254 ⎠
Dt = 1”
At = (0,021/1000)/0,0435 At = 0,00048
Vt = 0,02 / 0,46 = 0,0435
Diámetro del difusor
Sección del difusor
Velocidad en la tubería
Velocidad en los orificios
20
Vo = qo / Ao . N
Vo = 0,021/ (0,0001 x 10) Vo = 0,02
C = 2,0% = 20.000
Caudal promedio de solución por aplicar
19
mg/L
Sección de los orificios
Número de orificios en el difusor
Altura de agua en el vertedero
Gradiente de velocidad G = 1,249
Tiempo de mezcla T = 0,48
Velocidad media Vm = 1,12
Resultados
qo = 0,021
Dosis óptima promedio = 25
18
qo = Q. D / C
Ao = 0,0001
Ao = π d 2/4
do = 0,5
17
pulgada
N = 0,5/0,05; N = 10
N = B/ e
m
e = 0,05
16
H3 = 0,017/(1,84 x 0,5) 0,67 H3 = 0,018
0,10 / 0,48
H3 =Q / (1,84 B) 0.67
G = 2.736
T = 0,54 / 1,12
Vm = (1,93 + 0,31)/ 2
Cálculos
15
hp/ T
G = ã/ì
14
ã/ì = 2.736 T = 10 °C
T = Lj / Vm
Criterios
13
Unidad Vm = (V1 + V2 )/ 2
Datos
12
Paso
Cuadro 2-6. Comprobación de las condiciones de mezcla en un vertedero rectangular (continuación)
pulgada
m2
m/s
m/s
L/s
m2
m
s-1
s
m/s
Unidad
70 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Mezcladores
En el mezclador de la figura 2-23 no se está produciendo el resalto en el punto en que el chorro de agua pega sobre la superficie en el canal, porque además de que no se dejó la altura adecuada entre el vértice y el nivel del agua, tampoco se empalmó el nivel del canal con el nivel del floculador. De este modo, el resalto se está produciendo en la entrada del floculador.
71
Figura 2-23. Defectos en el diseño de un vertedero triangular como mezclador
2.1.5 Difusores
Este tipo de mezclador es especialmente apropiado para canales de mezcla profundos y cuando no se tiene mucha carga disponible para el mezclador. Cuando la altura de agua en el punto de mezcla es grande, la mezcla es más eficiente si la aplicación del coagulante se efectúa en toda la sección y no en un solo punto. Cuando el coagulante se aplica en un solo punto, los resultados no son buenos debido a que la mezcla se completará en una distancia tal como L, lo que demandará un exagerado tiempo de mezcla (T) (figura 2-24-a). Como el sulfato de aluminio al contacto con el agua se hidroliza y polimeriza en fracciones de segundo, la eficiencia del proceso disminuye. Cuando el número de puntos de aplicación es mayor, menor es la distancia (L/4) y el tiempo de mezcla (T/4) (figura 2-24-b), y la dispersión del coagulante más rápida, con lo que se logra una eficiencia mayor.
L
1 punto de aplicación Tiempo de mezcla = T (a)
L
4 puntos de aplicación Tiempo de mezcla = T/4 (b)
Figura 2-24. Principio de los difusores (1)
h 2 = h 1/ 2 [ 1 + 8 F 1 - 1 ] h2 = (0,028/2)[ 1 + 8 (4,5) - 1 ] h 2 = 0,071
8
Altura de agua después del resalto
Número de Froude
F1 = V1 / g h1 = 2.36/ 9,81 (0,028) F 1 = 4,5
7
V1 = 2,36
Velocidad al inicio del resalto
m
Altura crítica
Caudal unitario promedio
Ancho de la lámina vertiente y ancho del canal
Altura de la lámina de agua sobre el vertedero
V1 = q/h1 V 1 = 0,066/0,028
P = 1,0
h c = 3 q 2 /g h c = 3 ( 0 , 0 6 6 ) 2/ 9 , 8 1 h c = 0,079
m/s 2
h = 0,21
Resultados
6
Altura desde el vértice del vertedero hasta el fondo del canal aguas abajo
5
g = 9,81
0,4
q = Q/B q = 0,030/0,45 q = 0,066
L=2h L = 2 (0,21) L = 0,42
h = [ Q / 1 , 4 ]0 , 4 h = [0,030/1,4]
Cálculos
m
m 3/ s
Unidades
Altura al inicio del resalto
Aceleración de la gravedad
4
B = 0,45
Q = 0,030
Cantidad
h1 = 1,41 h c / 2,56 + P/ h c h 1 = 1,41 (0,079) / 2,56 + 1,0/0,079 h1 = 0 , 0 2 8
Ancho del canal B=L
Caudal de diseño
Datos
3
2
1
Paso
Cuadro 2-7. Comprobación de las condiciones de mezcla rápida en un vertedero triangular de 90°
m
m/s
m
m
m 3 /sxm
m
m
Unidad
72 Diseño de plantas de tecnología apropiada
15
r / µ = 2.920 T = 15 °C
T = 0,258/ 1,65
G= r/µ . hp/T G = 2 . 9 2 0 ( 9 , 9 9 ( 1 0 ) -3 / 0 , 1 6 0 ) 0,5 G = 730
;
V m = (V 1 + V 2 ) / 2 = ( 2 , 3 6 + 0 , 9 3 ) / 2 V m = 1,65
13 T = Lm/Vm T = 0,16
Distancia del vertedero a la sección 1
L’ = 4,3 P( h c / P)0,9 L’ = 4,3 (1) (0,079/1,0)0,9 L’ = 0,44
12
14
Longitud del resalto
L m = 6 ( h 2 - h1 ) Lm = 6 (0 , 07 – 0 , 0 28) Lm = 0,258
11
Gradiente de velocidad
Tiempo de mezcla
Velocidad promedio en el resalto
Energía disipada en el resalto
Resultados
hp = (h2 - h1)3 / 4 h1 h2 h p = (0,071 – 0,028)3/ 4 (0,071) (0,028) h p = 9 , 9 9 ( 1 0 )- 3
Cálculos
10
Unidades Velocidad al final del resalto
Cantidad V 2 = q/h 2 V2 = 0,066/0,071 ; V2 = 0,93
Datos
9
Paso
Cuadro 2-7. Comprobación de las condiciones de mezcla rápida en un vertedero triangular de 90° (continuación)
s-1
s
m/s
m
m
m
m/s
Unidad
Mezcladores 73
74
Diseño de plantas de tecnología apropiada
En las unidades de mezcla de resalto hidráulico, en las que la lámina de agua en el punto en que se origina el resalto (punto de aplicación del coagulante) es muy delgada, se emplea un difusor constituido por un tubo perforado o por una canaleta de distribución como la indicada en la figura 2-25.
Tubo difusor Coagulante
Sección longitudinal
Sección transversal
Figura 2-25. Canaleta de distribución de sulfato de aluminio (1)
En canales donde la lámina de agua es relativamente profunda o en tuberías bajo presión se pueden utilizar los dispositivos indicados en las figuras 2-26 y 2-27. Estas unidades son adecuadas para aguas que coagulan por mecanismos de adsorción o de barrido. a)
Parámetros de diseño
•
El gradiente de velocidad puede variar entre 500 y 1.000 s-1.
•
El tiempo de retención puede variar entre 1 y 7 segundos.
•
El espacio máximo entre dos orificios nunca debe ser superior a 10 centímetros, para que el coagulante se distribuya de manera uniforme en toda la sección del canal.
•
Los chorros de coagulante deben tener una velocidad de 3 m/s y deben dirigirse en sentido perpendicular al flujo.
•
Los orificios deben tener un diámetro mínimo de 3 mm.
Mezcladores
75
•
La velocidad de la masa del agua donde se distribuyen los chorros deberá ser igual o superior a 2 m/s.
•
Deben preverse facilidades para la limpieza o para la rápida sustitución del difusor. Los difusores en tuberías no permiten ver cómo está operando la unidad, por lo que resulta una unidad muy vulnerable en sistemas donde no se disponga de un buen nivel de operación.
Coagulante
Barras metálicas Orificios Válvulas para limpieza
Junta Dresser
Figura 2-26. Difusor en tubería (1)
Caja distribuidora (móvil) Plástico
Tubo interno (removible) Orificios
Tubo de acero
Tubo externo (fijo)
Figura 2-27. Difusor en canal (1)
76
b)
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Criterios para el dimensionamiento En el cálculo de estas unidades se utiliza el modelo de Stenquist: C1 F / C01 = α [l/ d ]-a
(23)
Donde:
α
=
F
=
d a
= =
l = C1/C01 =
coeficiente que depende del número de orificios y de la relación Q/q (relación del caudal de la masa de agua con el caudal del coagulante). Los experimentos realizados por Stenquist proporcionan un valor de α=5 densidad de orificios en el difusor o número de orificios por pulgada cuadrada diámetro de las barras que constituyen la reja del difusor tasa de reducción de las fluctuaciones de la concentración. Depende del diámetro de las barras (d). Valores experimentales determinados por Stenquist (cuadro 2-8) longitud de la mezcla (m) grado de segregación de la solución del coagulante aplicado ( IS ) Cuadro 2-8. Valores de constantes α = 5,00 Diámetro de las barras cm pulgadas
C 01
=
Valor de a
0,16
(1/16)
0,40
0,31
(1/8)
0,54
0,63
(1/4)
0,80
1,25
(1/2)
1,13
2,52
(1)
1,47
concentración inicial del coagulante en el flujo de agua = CA . q/Q,
Donde: CA y q son la concentración y el caudal de la solución del coagulante, respectivamente. Q = caudal de agua (m3/s).
Mezcladores
77
La separación entre barras (M) se calcula en función del grado de solidez (S): M = d [1/(1 - 1-S)]
(24)
Donde: S = K / (1 + K)
(25)
siendo K el coeficiente de pérdida de carga, la pérdida de carga (h) se obtendrá de: h = K V2 / 2g
(26)
El gradiente de velocidad se obtendrá mediante la ecuación general para unidades hidráulicas: G =
γ /µ . hf/ T
(27)
2.1.6 Inyectores En este tipo de unidades se consigue la homogeneización instantánea del coagulante con el flujo de agua, a partir de la regulación de la velocidad de los chorros y del número de chorros dentro de la sección de la masa de agua. a)
Parámetros de diseño
•
La velocidad de los chorros (u) debe ser por lo menos cinco veces la velocidad del flujo del agua. La eficiencia máxima se consigue cuando el área cubierta por los chorros es por lo menos 80% de la sección del tubo.
•
b)
Criterios para el dimensionamiento de los inyectores
•
Ecuación básica del perfil del chorro en flujo turbulento (figura 2-28) según Pratte y Baines (2): [x / d . R ] = C [ z / d R]
0,28
(28)
78
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Donde: x z R d C CS Cc Ci
= = = = = = = =
•
Al final de la zona de máxima deflexión, se supone lo siguiente:
diámetro del chorro al final de la zona de máxima deflexión longitud de mezcla relación de velocidades del chorro (u) y del agua (V) diámetro de los orificios de inyección coeficientes de los perfiles del chorro (2) coeficiente del perfil superior = 2,63 coeficiente del perfil central = 2,05 coeficiente del perfil inferior = 1,35
z / d1 R = 3
(29)
d1 = diámetro de los orificios de la primera hilera. x = diámetro de los chorros x = 1.741 . d . R , donde R = u/V •
•
Ecuaciones de los perfiles superior e inferior, a partir de las ecuaciones 28 y 29: xs / d1 R = 2,63 (3)0,28 = 3,58
(31)
xi / d1 R = 1,35 (3)0,28 = 1,84
(32)
Diámetro de los orificios de la segunda hilera (d2): d2 = 0,5 d1
•
(30)
(33)
Caudal de la solución de coagulante (q): q = u (π /4) [ N1 d12 + N2 d22 ] N 1 = Número de orificios de la primera hilera N 2 = Número de orificios de la segunda hilera
(34)
Mezcladores
•
79
Pérdida de carga en los chorros (hf) hf = K u2 / 2g
(35) Zona nucleada
D
V
X Zona de máx.
deflex
Zona de vórtice
ión
Z = 10 dR
d µ
Figura 2-28. Perfil del chorro en flujo turbulento
•
Gradiente de velocidad generado por los chorros: G =
γ q . hf / µ ∀
(36)
∀ = volumen de mezcla ∀ = π D2/4 (Z + Z ) 1 1
(37)
El cuadro 2-9 indica la secuencia de cálculo de un inyector y su aplicación (figura 2-29)(3). q (coagulante) Agua cruda
X = 0,15
D/2
0,42 m /s 3
0,15 (A)
d2
D (C)
(B)
q
d1
z2
z1 (D)
Figura 2-29. Diseño de un inyector de 24 chorros
10
9
Diámetro del área central del tubo no cubierta con chorros = 0,30
xs1 m
Diámetro de los chorros de la segunda hilera
∆ x2 = 1,741 d 2 R ∆ x 2 = 0,073
∆ x 2 = 1,741 (0,012) (3,5)
Diámetro de los orificios de la segunda hilera
Longitud del chorro
Porcentaje del área del tubo cubierta por los chorros
Área del tubo
Área cubierta por los chorros de la primera hilera
x s1 / d 2 R = 3,58 d 2 =0,30 /[(2) (3,58) (3,5)] d 2 = 0 , 0 1 2 ( d 2 ≈ 0 , 5 d1 ) d 2 = 0,012
z 1 = 1 0 d1 R z 1 = 10 (0,024) (3,5) ; z = 0,84
8
= [(12) π (0,15)2]/4
% = 0,21 (100)/0,283 = 74
A1 = N1 π ∆ x2 /4 A1 = 0,21
7
N. °
Diámetro de chorros de la primera hilera
∆ x1 = 1,741 d1R ∆ x1 = 1,741 (0,024) (3,5) = 0,15
Diámetro de los orificios de la primera hilera
Velocidad de los chorros
Velocidad en la tubería
Resultado
x s / d 1 R = 3,58 d 1 = 0,60/[(2) (3,58) (3,5)] d 1 = 0,024
µ = R V ; µ = 3,5 (1,5) = 5,2
V = Q/ A = 0,420/( (0,6)2 π/ 4) V = 1,5
A = π D2 /4 = π (0,6)2 /4 A = 0,283
N1
m
m
m3 / s
Criterio
6
5
Número de los orificios = 12
xs
Haciendo x s igual a D/2
3
4
R
D
Diámetro de tubería = 0,60
Relación de velocidades = 3,5
Q
Símbolo Unidad
Caudal = 0,420
Datos
2
1
Paso
Cuadro 2-9. Cálculo de un inyector
m
m
m
%
m2
m2
m
m
m/s
m/s
Unidad
80 Diseño de plantas de tecnología apropiada
19
18
17
16
γ/µ = 2.736 T = 10 °C
Coeficiente de pérdida de carga = 1 d2 =
K
hf =(5,2)2/19,6
G = γ /µ q .hf / ∀ G = 2.736 0,035 x 1,38/0,27 G = 1.157
T = ∀ /(Q + q) = 0,27/(0,42 + 0,035) T = 0,59
∀ =π D2 /4 (z1 + z2) ∀ =π (0,6)2 (0,126 + 0,84)/4 ∀ = 0,27
z 2 = 3 d2 R = 3 (0,012) x 3,5 z 2 = 0,126
constante hf = K µ2 / 2g h f = 1,38 ;
Gradiente de velocidad
Tiempo de mezcla
Volumen de la zona de mezcla
Longitud de chorros de la segunda hilera
Pérdida de carga
Caudal del coagulante
q = [ µ π (N1 d 1 + N2 d2)]/4 q = (5,2) π/4[12 (0,024) 2 + 12 (0,012)2] q = 0,035
14
15
Porcentaje del área del tubo cubierta por los chorros
% = [0,26 (100)]/ 0,28 = 92,8
13
N.° Área total cubierta por los chorros
N2 AT = 0,21 + 0,050 = 0,26
Resultado
12
Criterio Área de los chorros de la segunda hilera
Número de orificios = 12
11
S í m b o l o Unidad A2 = [N2 π ( x2)2 ] /4 A2 =[12 π (0,073)2 ]/4 = 0,050
Datos
Paso
Cuadro 2-9. Cálculo de un inyector (continuación)
s-1
seg
m3
m
m
m3 /s
%
m2
m2
Unidad
Mezcladores 81
82
2.3
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Unidades mecánicas (1)
La mezcla rápida mecanizada es más eficiente cuando se emplean agitadores de tipo turbina. El agitador de turbina consta de un disco o eje con impulsores, los cuales imparten (b) Radial (a) Axial movimiento al líquido a través de la rotación del disco. Se claFigura 2-30. Tipos de turbinas sifican por el tipo de movimiento producido en turbinas de flujo axial y turbinas de flujo radial (figura 2-30) (1). La potencia aplicada al agua por las turbinas depende del volumen y de la forma de la cámara de mezcla, así como de la velocidad de rotación y geometría del impulsor. Estas variables están interrelacionadas, de tal modo que el diseño de la cámara de mezcla depende del tipo de turbina y viceversa. Son adecuadas para cualquier tipo de agua, pero se recomiendan específicamente para aguas claras que coagulen por el mecanismo de captura o barrido. 2.3.1 Parámetros de diseño •
Gradiente de velocidad de 500 a 1.000 s-1.
•
Tiempo de retención de 1 a 7 seg.
2.3.2 Criterios para el dimensionamiento Rushton (7) encontró que la potencia debida a las fuerzas de inercia y a las fuerzas de viscosidad, representadas por el número de Reynolds (NR), están relacionadas por las siguientes expresiones, de acuerdo con el régimen hidráulico: P = K / gc (µ n2 D3)
•
Laminar
•
Turbulento P = K / gc ( σ n3 D5)
(38) (39)
Mezcladores
83
Donde: P n D σ µ gc
= = = = = =
potencia necesaria (kgf/m/s) número de rotaciones por segundo (rps) diámetro del rotor (m) densidad del agua (kg/m3) viscosidad absoluta (kgf · s/m2) factor de conversión de la ley de Newton (9,81 kg · m/kgf · s2)
La ecuación (38) es válida para valores del número de Reynolds inferiores a 10 y la ecuación (39) se aplica para los números de Reynolds superiores a 10.000. Para valores intermedios del número de Reynolds, la potencia sería calculada por la fórmula (40): P = [K / gc ] σ n3 D5 . (NR)P . (NF)q
(40)
Donde: NR es el número de Reynolds
NR = n σ D2 / µ
(41)
NF es el número de Froude
NF = n2 D/g
(42)
El coeficiente K depende de la geometría de la cámara y del equipo de mezcla, y p y q, del régimen de flujo. 1000
Número de potencia K
500
Disco
Plana
Plana
Inclinada
200 100
W
50 20
D
WD = 1/5
Curva 1
10
W
W
D
WD = 1/5
Curva 2
D
W
WD = 1/5
D
WD = 1/5
Curva 4
Curva 3
5
1
2
3 4
2
1 1
101
102
103
104
Figura 2-31. Relación entre el número de potencia y el número de Reynolds para algunos tipos de turbinas (1)
105
84
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Los valores de K para cuatro tipos básicos de turbina son dados en función del número de Reynolds en el gráfico de la figura 2-31. Para el régimen turbulento, que es la condición para la mezcla rápida, tales valores sólo serán válidos si se han previsto dispositivos para la eliminación del vórtice. Esto puede hacerse por medio de cuatro cortinas, tal como se indica en la figura 2-32, cada una tomando 10% del diámetro del tanque (DT). La turbina de tipo 1 es la que proporciona, bajo idénticas condiciones de rotación y diámetro, la mayor potencia útil (K = 5). La geometría del sistema de cámara del equipo de mezcla se define por las siguientes relaciones (figura 2-32):
2,7 < DT / D < 3,3 2,7 < H / D < 3,9
H B W D
0,75 < h / D < 1,3
h
DT
B/D=1/4 W/D=1/4 1 / DT = 1 / 10
Figura 2-32. Relaciones geométricas de la cámara de mezcla (1)
Ejemplo: dimensionar un retromezclador y la cámara de mezcla para una planta que tratará 450 L/s.
gradiente de velocidad
G = 1.000 s-1
tiempo de mezcla
T=1s
Mezcladores
85
Solución: los cálculos son bastante simples, como lo demuestra el cuadro 2-10. Se inician fijando las relaciones geométricas entre la cámara y la turbina, como se ha indicado en la figura 2-32. Con el gradiente de velocidad prefijado, la secuencia de cálculo es orientada hacia la determinación de la potencia aplicada al agua y, finalmente, la velocidad de rotación. Para un motor eléctrico de cuatro polos (aproximadamente, 1.750 rpm a 60 Hz), será necesario un reductor de velocidad con un factor de reducción de 1.750/420 ó de aproximadamente 4:1. En la determinación de la potencia del motor eléctrico se debe tener en cuenta el rendimiento del reductor de velocidad. A un rendimiento de 80%, la potencia mínima del motor eléctrico deberá ser la siguiente: Pm = 210 / 75 x 0,8 = 3,5 HP
(43)
La selección deberá recaer en un motor de potencia nominal de 4 HP (potencia de placa). La selección del reductor de velocidad es uno de los puntos críticos en el dimensionamiento mecánico del mezclador. Es el componente más importante y también el más caro. Los reductores deben ser especificados para un factor de servicio basado en la potencia nominal del motor eléctrico no inferior a 1,5. En el ejemplo, el reductor sería, entonces, dimensionado para una potencia de 6 HP. La adopción de periodos pequeños de retención inferiores a 2 segundos en las cámaras de mezcla rápida mecanizadas exige que la corriente líquida incida directamente sobre las paletas del agitador. El coagulante deberá ser aplicado en el interior de la cámara, apuntando hacia la turbina del agitador.
a = DT / D = 3 b = H / D = 3,5
2
m/s2 kg/m3
G P
K
= 0,065
n = 3 g P/ K . ρ . D5 n = [ 9 , 8 1 ( 5 2 , 5 1 ) / 5 ( 1 . 0 0 0 ) ( 0 , 2 6 ) 5 ] 1/3 n = 4,4 ó n = 264
Coeficiente o número de potencia = 5 Aceleración de la gravedad: 9,81 Peso específico del agua = 1.000
kg s/m 2
Velocidad de rotación
Dimensiones de las paletas
Diámetro de la turbina
Potencia aplicada al agua
P = µී G 2 P = 1 . 1 6 7 ( 1 0 ) -4 ( 0 , 4 5 ) ( 1 . 0 0 0 ) 2 P = 52,51 D = D T/ 3 ; D = 0 , 7 8 6 / 3 D = 0,26
Diámetro de la cámara de mezcla Profundidad de la cámara de mezcla
= 0,786
Volumen de la cámara de mezcla
Resultado
H = D T b/a ; H = (3,5/3,0) 0,786 = 0,92
1/3
7
Coef. de viscosidad = 1 , 1 6 7 ( 1 0 ) -4
°C
3
D T = 1,08 aV/b DT = 1,08[(3,0/3,5) (0,45)]
V = 0,45
ී = QxT ී = 0,45 (1)
B = D/ 4 B = 0,26/4 W = D/4 W = 0,26/4 = 0,065
Ì
Te m p e r a t u r a = 1 5
5
s-1
m3 / s s
Criterio
6
T
Gradiente de velocidad = 1.000
G
Q T
Símbolo Unidad
4
3
Caudal (0,450) Tiempo de mezcla (un segundo)
Datos
1
Paso
Cuadro 2-10. Dimensionamiento de un mezclador mecánico de turbina radial (1)
rps rpm
m
m
kg m/s
m
m
m3
Unidad
86 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Mezcladores
87
REFERENCIAS
(1)
Programa Regional HPE/OPS/CEPIS de Mejoramiento de la Calidad del Agua para Consumo Humano. Manual V: Diseño. Tomo I. Criterios de diseño para la dosificación y mezcla rápida. Lima, CEPIS/OPS, 1992.
(2)
Richter, Carlos. Submódulo C.19.3.1. Mezcla rápida. Módulo C.19.3. Diseño. Programa Regional de Mejoramiento de la Calidad del Agua para Consumo Humano.
(3)
Amirtharajah, A. “Initial Mixing”. En Coagulation and Filtration: Back to the Basics. AWWA Seminar Proceedings, American Water Works Association, Dallas, 10-14 de junio, 1984.
(4)
Vargas, Lidia. Fotos de archivo personal. Lima, CEPIS.
(5)
Stenquist, R. y R. M. Kaufman. Initial Mixing in Coagulation Processes. Berkeley, Universidad de California, 1972.
(6)
Pratte, B. y D. Baines. “Profiles of the Round Turbulent Jet in a Cross Flow”. Journal of the Hydraulics Division. Proceedings of the American Society of Civil Engineers. 1967.
(7)
Rushton, J. H. Mixing of Liquids in Chemical Processing. Ind. Eng. Chem. 1952.
(8)
Di Bernardo, Luiz. Información expuesta en el Curso de Diseño de Mérida, Yucatán, 1985 (basada en una investigación efectuada en la Escuela de San Carlos).
88
Diseño de plantas de tecnología apropiada
CAPÍTULO 3 FLOCULADORES
Floculadores
1.
91
INTRODUCCIÓN
El objetivo del floculador es proporcionar a la masa de agua coagulada una agitación lenta aplicando velocidades decrecientes, para promover el crecimiento de los flóculos y su conservación, hasta que la suspensión de agua y flóculos salga de la unidad. La energía que produce la agitación del agua puede ser de origen hidráulico o mecánico. En este capítulo trataremos sobre el diseño de unidades de agitación hidráulica. Entre los floculadores más conocidos se pueden citar, en primer lugar, las unidades de pantallas de flujo horizontal y vertical, las de medios porosos, la de tipo Alabama y Cox, y los floculadores de mallas.
2.
PARÁMETROS Y RECOMENDACIONES GENERALES DE DISEÑO
Los gradientes de velocidad que optimizan el proceso normalmente varían entre 70 y 20 s-1. En todo caso, en el primer tramo de la unidad el gradiente no debe ser mayor que el que se está produciendo en la interconexión entre el mezclador y el floculador (1). •
El gradiente de velocidad debe variar en forma uniformemente decreciente, desde que la masa de agua ingresa a la unidad hasta que sale (2).
•
El tiempo de retención puede variar de 10 a 30 minutos, dependiendo del tipo de unidad y de la temperatura del agua. En las zonas tropicales, donde las aguas presentan temperaturas por encima de los 20 °C, el tiempo de floculación necesario suele ser más breve, alrededor de 15 minutos. En cambio, en los lugares fríos, donde el agua tiene temperaturas de 10 a 15 °C, generalmente el proceso se optimiza con tiempos de retención iguales o superiores a 20 minutos (3).
92
Diseño de plantas de tecnología apropiada
•
Para que el periodo de retención real de la unidad coincida con el de diseño, ella debe tener el mayor número posible de compartimientos o divisiones (4).
•
El paso del mezclador al floculador debe ser instantáneo y deben evitarse los canales y las interconexiones largas.
•
El tiempo de retención y el gradiente de velocidad varían con la calidad del agua (1,4). Por lo tanto, estos parámetros deben seleccionarse simulando el proceso en el laboratorio con una muestra del agua que se va a tratar (ver el procedimiento en Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo II, capítulo 11).
•
Pueden operar indefinidamente sin riesgos de interrupción, debido a que solo dependen de la energía hidráulica. Por esta razón, son muy confiables en su operación.
•
Por su bajo costo de construcción, operación y mantenimiento, se considera a los floculadores como una tecnología apropiada para países en desarrollo.
3.
UNIDADES DE PANTALLAS
Las unidades de pantallas son las más eficientes y económicas de todos los floculadores actualmente en uso. Debido a la gran cantidad de compartimientos que tienen, confinan casi perfectamente el tiempo de retención; el tiempo real es prácticamente igual al tiempo teórico (4) cuando la unidad ha sido bien proyectada. Debido a que no se requiere energía eléctrica para su funcionamiento, el costo de producción es muy bajo. Debido a su mayor eficiencia y menor costo, en el Japón se han reemplazado los floculadores mecánicos por hidráulicos y actualmente solo se diseñan unidades de este tipo (5). 3.1
Unidades de flujo horizontal
3.1.1 Parámetros y recomendaciones de diseño •
Recomendables para caudales menores de 50 litros por segundo.
Floculadores
93
•
Se proyectará un mínimo de dos unidades, salvo que la planta tenga alternativa para filtración directa, porque en ese caso, podrá darse mantenimiento al floculador durante los meses en que la planta opera con filtración directa.
•
En este tipo de unidades predomina el flujo de pistón, por lo que se consigue un buen ajuste del tiempo de retención.
•
Se pueden utilizar pantallas removibles de concreto prefabricadas, fibra de vidrio, madera, plástico, asbesto-cemento u otro material de bajo costo, disponible en el medio y que no constituya un riesgo de contaminación. De esta manera, se le da mayor flexibilidad a la unidad y se reduce el área construida, disminuyendo por consiguiente el costo de construcción (figura 3-1).
•
Entre los materiales indicados para Figura 3-1. Floculador de pantallas de flujo las pantallas, los horizontal (6) que ofrecen mayor confiabilidad son la fibra de vidrio, el plástico, los tabiques de concreto prefabricados y la madera. En cada caso, la elección del material dependerá del tamaño de la planta, del costo del material y de los recursos disponibles. Si se empleara madera, se pueden disponer tabiques de madera machihembrada, tratada con barniz marino aplicado en varias capas, cada una en sentido opuesto a la anterior, de tal manera de formar una gruesa capa impermeabilizante. También puede emplearse madera revestida con una capa de fibra de vidrio. La unidad puede tener una profundidad de 1,00 a 2,00 metros, dependiendo del material utilizado en las pantallas.
94
•
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Se pueden utilizar también pantallas de asbesto-cemento, siempre y cuando no se tengan aguas ácidas o agresivas. Las aguas recomendables para utilizar este tipo de solución deben tener las siguientes características: Ia CO 2 Sulfatos pH
≤ 10 ≤ 3,5 mg/L ≤ 1.500 mg/L ≥ 6
Figura 3-2. Floculador de pantallas de flujo horizontal (7)
Donde: Ia es el índice de agresividad, que es igual a: Ia = pH + log 10 (A x D) A = alcalinidad total como CaCO3 en mg/L y D = dureza como CaCO3 en mg/L En zonas sísmicas no se recomienda el empleo de planchas de asbesto-cemento. Durante el terremoto que ocurrió en el sur del Perú en el 2001 se quebraron todas las pantallas de la unidad de flujo horizontal de la figura 3-2. En el primer plano de la figura 3-3 se pueden ver los tanques de floculación sin pantallas.
Figura 3-3. Floculador de pantallas después del sismo (7)
En la figura 3-4 se puede observar cómo quedaron las pantallas del floculador y del decantador laminar, que también
Floculadores
95
eran de asbesto-cemento. Principalmente a partir de esta experiencia, de gran impacto económico, no recomendamos utilizar el asbesto-cemento para este fin en zonas de alto riesgo sísmico y de bajo nivel de operación, porque es un material muy quebradizo si no se manipula adecuadamente durante las labores de mantenimiento. Los Figura 3-4. Pantallas de asbestooperadores acostumbran caminar cemento rotas (7) sobre las pantallas. En la figura 3-5 se pueden ver las maderas que colocan para caminar encima de ellas. •
Con pantallas de asbesto-cemento, se recomienda diseñar unidades de máximo un metro de profundidad útil, colocando las pantallas con la dimensión de 1,20 metros en el sentido vertical.
•
Si se usan pantallas de asbesto-cemento onduladas, se consigue disminuir un poco la diferencia de gradientes de velocidad entre los canales y las vueltas (figura 3-6). En este caso, se considera un coeficiente de fricción (n) de 0,03 para calcular la pérdida de Figura 3-5. Floculador con pantallas carga en los canales. de asbesto-cemento planas (7) Cuando se utilicen placas de asbesto-cemento planas o de madera, los coeficientes deben ser 0,013 y 0,012, respectivamente.
•
El coeficiente (K) de pérdida de carga en las vueltas varía entre 1,5 y 3,0 Se recomienda usar un coeficiente de 2 para este fin (8).
96
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Figura 3-6. Floculador con pantallas de asbesto-cemento onduladas (7)
•
El espaciamiento entre el extremo de la pantalla y la pared del tanque —es decir, el paso de un canal a otro— se deberá hacer igual a 1,5 veces el espaciamiento entre pantallas (9).
•
Dependiendo del tamaño de la unidad, deberá considerarse un punto de desagüe por unidad o uno por cada tramo.
3.1.2 Criterios para el dimensionamiento •
En las unidades hidráulicas el gradiente de velocidad es una función de la pérdida de carga: G=
y/ µ .
hf/T
(1)
Donde:
γ/µ = hf = T = •
relación que depende de la temperatura del agua pérdida de carga total en m tiempo de retención en s
La pérdida de carga se produce a lo largo de los canales (h 1 ) y principalmente en las vueltas (h2), por lo que la pérdida de carga total en el tramo hf = h1 + h2. h1 =
n
=
v g r l
= = = =
[n v / r2/3 ] 2 . I
(2)
coeficiente de pérdida de carga de Manning. Con planchas corrugadas (n = 0,03), velocidad en los canales aceleración de la gravedad (m/s2) radio hidráulico del canal longitud total en el tramo (m)
Floculadores
97
h2 = K ( v2 / 2g ). N K
=
N
=
2, coeficiente de pérdida de carga en las curvas. número de vueltas o pasos entre canales.
(3)
h1 hf h2 H I1
I1
I2
3.1.3 Aplicación I1
I2
Se requiere proyectar un Perfil floculador de pantallas para un Planta caudal de 30 L/g y se ha Figura 3-7. Comportamiento de la pérdida seleccionado la unidad de flujo de carga horizontal por tratarse de un caudal pequeño. Se simuló el proceso en el laboratorio para determinar los gradientes de velocidad y tiempos de retención óptimos y se obtuvieron los resultados que se indican en el gráfico de la figura 3-8. Los resultados del estudio indican que se obtendría la mayor eficiencia con los gradientes de velocidad y los tiempos indicados en el cuadro 3-1. Correlación de G y T
G (s-1)
100
1 10 y = -20,193Ln(x) + 108,14 R2 = 0,9047
10 100
Tiempo (min)
Figura 3-8. Correlación de G y T
98
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Cuadro 3-1. Parámetros óptimos de floculación (10) Tramos
Gradientes de velocidad (s-1)
Tiempos de retención (min.)
1 2 3 4
80 60 50 45
5 10 15 20
En el cuadro 3-2 se muestra un ejemplo de cálculo para un tramo del floculador de pantallas de flujo horizontal con pantallas de asbesto-cemento onduladas. El proceso se repite para los tramos siguientes. En el ejemplo se eligió un gradiente bajo para el último tramo (25 s-1) para optimizar la formación del flóculo. Se eligió el último tramo de la unidad para desarrollar el ejemplo de cálculo, a fin de indicar también cómo se chequea que las pantallas se crucen en toda la unidad por lo menos 1/3 del ancho. De acuerdo con el cálculo efectuado, el ancho de las vueltas en este tramo es de 0,54 metros y el ancho total del tanque, de 3 metros. Teniendo en cuenta dos anchos de vuelta correspondientes a cada extremo del canal, las pantallas traslaparían en una longitud de 3 – (0,54 x 2) = 1,92 m. Por lo tanto, el dimensionamiento es correcto. También se puede apreciar que se han modificado los tiempos de retención en cada tramo, de tal modo que las longitudes de todos los tramos sean iguales a 4,30 metros. Esto permitirá construir cuatro tanques iguales de 4,30 metros de largo, 3 metros de ancho y un metro de profundidad total.
L4 = N4 a4 + (N 4 - 1) e
m
7
Espesor de las láminas de asbesto-cemento corrugadas e = 0,006
N4 = l1 / B
6
B = 3b + d4
m
5
Ancho útil de la lámina de asbesto-cemento corrugada b = 0,825
d4 = 1,5 a4
4
m
a4 = A4 / H
Altura de agua en la unidad H = 0,70
m/s
Velocidad en el tramo 4 V4 = 0,12
3
min
Tiempo de retención tramo 4 T4 = 4,97
L4 = V4 x T4 x 60
Criterios
A = Q/ V4
m3/s
Unidad
Caudal Q = 0,030
Datos
2
1
Paso
Número de canales en el tramo 4 N1 = 12 Longitud del tramo 4 L4 = 4,4
L 4 = 12 x 0,36 + (12-1) 0,006
Ancho del floculador B = 3,0
N4 = 35,8 / 3,0
B = 3 (0,825) + 0,54
Ancho de vueltas del tramo 4 d4 = 0,54
d 4 = 1,5 x 0,36
Sección de canales del tramo 4 A4 = 0,25 Ancho de canales del tramo 4 a4 = 0,36
0,030 / 0,12
Longitud de canales del tramo 4 L4 =35,8
Resultados
a 4 = 0,25 / 0,70
A=
L 4 = (0,12) (4,97) (60)
Cálculos
Cuadro 3-2. Dimensionamiento de un floculador hidráulico de flujo horizontal (10)
m
unidades
m
m
m
m2
m
Unidad
Floculadores 99
13
12
T = 20 °C 0,5 (hf/T) = 3.115 G = (ã / ì ) ^ 0,5 (h f /T) ^0,5
hf1 = h1 + h2
unidades h2 = [NV1 2 /r2/3/3 ].L 1
Coeficiente de rugosidad n = 0,03
11
m/s2 P1 = 2H + a1
Aceleración de la gravedad g = 9,8
9
Criterios
unidades h1 =KV12 (N-1) / 2g
Unidad
10
Coeficiente de pérdida de carga en las vueltas K=2
Datos
8
Paso
G1 = 3.115 (0,019/ (4,95 x 60)) ^ 0,5
hf1 = 0,017 + 0,0012
h2 = [ 0,03 (0,12) 2/ (0,142)2/3 ] . (35,8)
P1 = 2 (0,70) + 0,36
h 1 = (2) (0,12)2 (12-1) / 19,6
Cálculos
Gradiente de velocidad en el tramo 1 G1 = 25
Pérdida de carga total en el cuarto tramo hf1 = 0,019
Pérdida de carga en los canales del tramo 4 h2 = 0,0012
Perímetro mojado de las secciones del tramo 4 P1 = 1,757
Pérdida de carga en las vueltas del cuarto tramo h1 = 0,017
Resultados
Cuadro 3-2. Dimensionamiento de un floculador hidráulico de flujo horizontal (continuación)
s-1
m
m
m
m
Unidad
100 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Floculadores
101
3.1.4 Recomendaciones para el proyecto y problemas de diseño más comunes A continuación presentaremos algunas condiciones de diseño muy importantes para el correcto funcionamiento de una unidad de flujo horizontal y algunos de los errores de diseño más comúnmente identificados: •
Considerar, en el fondo de la unidad, una pendiente igual a la pérdida de carga obtenida en el cálculo, de tal modo que la altura de agua permanezca constante y, por lo tanto, el gradiente de velocidad en todo el tramo también se mantenga así. La unidad de la figura 3-9 fue diseñada con el fondo plano. La sección inicial es mucho mayor que la final y, como el caudal es constante, la velocidad es menor al inicio y mayor al final. Al evaluar esta unidad, se encontró que los gradientes de velocidad estaban al revés, empezaban bajos y terminaban altos.
Figura 3-9. Floculador de pantallas de flujo horizontal (7)
Para mejorar el comportamiento de la unidad, se requeriría darle pendiente en el fondo, para lo cual sería necesario retirar todas las vigas que sujetan las pantallas y los tabiques de concreto prefabricados.
Figura 3-10. Floculador de pantallas de flujo horizontal (7)
La unidad de la figura 3-10 tiene una profundidad inicial de 1,70 metros y una final de 2,40 metros. Fue diseñada con gradientes de velocidad variables entre 27 y 2,5 s-1 y un tiempo de retención total de 39 minutos. Si calculamos la pérdida de carga correspondiente a la velocidad en las secciones entre las
102
Diseño de plantas de tecnología apropiada
pantallas, esta sería apenas de 3,9 centímetros. Como el desnivel del fondo de la unidad es de 0,70 metros, el caudal se escurre totalmente hacia el final. La estructura de esta unidad es toda de concreto con pantallas rígidas; para mejorar su comportamiento, será necesario demolerla. •
Al elegir el ancho de la unidad, debe tenerse en cuenta el ancho de la vuelta en el último tramo, de tal modo que las pantallas se crucen por lo menos en un tercio de su longitud. En la unidad de la figura 3-11 no se tuvo en cuenta este criterio y el flujo pasa totalmente por la parte media y forma un rápido cortocircuito, mientras que entre las pantallas se producen vórtices y zonas muertas.
•
Figura 3-11. Floculador de pantallas El sistema que se adopte para la de flujo horizontal (7) sujeción de las pantallas, sobre todo cuando se trata de pantallas de asbesto-cemento onduladas, es muy importante para el buen funcionamiento de la unidad. El sistema de la figura 3-12 no es recomendable. Como se puede apreciar, no se logra mantener el paralelismo de las pantallas y el agua termina pasando de un canal a otro.
Figura 3-12. Floculador de pantallas de flujo horizontal (7)
El sistema de sujeción para pantallas onduladas de la figura 3-13 es la solución más conveniente desde el punto de vista técnico y económico. Consiste en colocar un listón de madera en el borde superior de cada pantalla, tomando también la longitud de la vuelta para sujetarlo en las paredes laterales del tanque. Esta acción mantiene las pantallas estables y alineadas. Estos primeros
Floculadores
103
listones se sujetan con otros perpendiculares a ellos mediante pernos, y así se mantiene el ancho constante de los canales. En la parte inferior las pantallas se sujetan mediante un listón de madera con ranuras, que debe instalarse semiempotrado en el fondo de la unidad. 3.2
Unidades de flujo vertical
Figura 3-13. Floculador de pantallas de flujo horizontal (7)
En este tipo de unidades el flujo sube y baja a través de canales verticales formados por las pantallas. Es una solución ideal para plantas de medianas a grandes, porque debido a la mayor profundidad que requieren estas unidades, ocupan áreas más reducidas que los canales de flujo horizontal. Otra ventaja importante es que el área de la unidad guarda proporción con respecto a los decantadores y filtros, con lo que resultan sistemas más compactos y mejor proporcionados. Cuando se emplean floculadores de flujo horizontal en plantas grandes, el área de los floculadores es mucho mayor que el área de todas las demás unidades juntas. 3.2.1 Parámetros y recomendaciones de diseño •
Las unidades de flujo vertical son una solución recomendable para plantas de capacidad mayor de 50 litros por segundo.
•
Se proyectan para profundidades de 3 a 4 metros, por lo que ocupan un área menor que las unidades de flujo horizontal.
•
Los tabiques pueden ser de fibra de vidrio, prefabricados de concreto, de madera o de asbesto-cemento. En la figura 3-14 se puede ver una unidad con pantallas de dry wall; en la figura 3-15, con madera; y en la 3-16, de asbesto-cemento gruesas.
•
Las restricciones para el uso de pantallas de asbesto-cemento son las mismas que se indicaron anteriormente.
104
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Figura 3-14. Floculador de flujo vertical con tabiques de dry wall (7)
Figura 3-15. Floculador de flujo vertical con tabiques de madera (7)
Con este tipo de tabiques, se recomienda usar una altura máxima de agua de 2 a 3 metros. Pueden proyectarse alturas mayores, traslapando pantallas y empernándolas. Se debe tener especial cuidado durante el llenado de este tipo de unidades, para evitar roturas. •
La sección de cada paso se calculará para una velocidad igual a los 2/3 de la velocidad en los canales.
•
El gradiente de velocidad en los canales no deberá ser menor de 20 s-1. En plantas grandes se pueden colocar mallas diseñadas con el gradiente de velocidad apropiado en los orificios de paso.
•
Para evitar la acumulación de lodos en el fondo y facilitar el vaciado del tanque, se dejará una abertura equivalente al 5% del área horizontal de cada compartimiento en la base de cada tabique que llega hasta el fondo.
•
Estructuralmente, son más confiables los tabiques de concreto prefabricados y fibra de madera machihembrada de 1,5" a 2" de espesor; pueden
Figura 3-16. Floculador de flujo vertical con pantallas de asbesto-cemento (7)
Floculadores
105
adoptarse, en este caso, alturas de agua de 4 a 5 metros. Con este tipo de solución se reduce apreciablemente el área de la unidad, lo cual es especialmente ventajoso en plantas grandes. •
Al igual que en las unidades de flujo horizontal, debe tenerse especial cuidado en la adopción del ancho de la unidad para que en el diseño de los tramos con bajos gradientes de velocidad, las pantallas se entrecrucen por lo menos en 1/3 de la altura útil. Así se evitará la formación de espacios muertos y cortocircuitos.
3.2.2 Criterios para el dimensionamiento •
La selección del número aproximado (m) de compartimentos por tramo o canales de gradiente constante se puede determinar utilizando el criterio de Richter (5). 3
m = 0,045
b L t •
= = =
(bLG/ Q) 2 .t
ancho del tramo o canal longitud del tramo tiempo de retención del tramo
La pérdida de carga en las vueltas (h2) se calcula mediante la siguiente expresión: h2 = [(m + 1)V12 + mV22] / 2g V1 = V2 =
•
(5)
velocidad en los canales velocidad en los pasajes u orificios de paso de un compartimiento a otro
La velocidad en los pasajes (V2): V2 = 2/3 V1
•
(4)
(6)
El gradiente de velocidad en los canales (G1) se comprueba mediante la siguiente expresión:
106
Diseño de plantas de tecnología apropiada
G1 = f RH
γ /µ .
1/2g .
f / 4RH . V11,5
(7)
= coeficiente de Darcy Weissbach, que varía entre 0,01 y 0,03. Se recomienda utilizar 0,02. = A/P, radio hidráulico del canal.
En el cuadro 3-3 se desarrolla un ejemplo de dimensionamiento de un floculador de 6 compartimientos. + a + b
A
A Planta h2
e2
H
e2
h2
e2
e1
Corte A-A
Figura 3-17. Floculador de pantallas de flujo vertical (12)
3.2.3. Aplicación
G (s-1)
Se requiere proyectar un floculador de pantallas para un caudal de 250 litros por segundo y se ha seleccionado una unidad de flujo vertical de 4,50 metros de profundidad por tratarse de una planta grande. Se simuló el Correlación de G y T proceso en el laboratorio para 100 determinar los gradientes de velocidad y los tiempos de retención óptimos. Se obtuvieron los resultados indicados en el gráfico de la figura 3-18. Los resultados del estudio indican 10 que se obtendría la mayor 1 10 100 eficiencia con los gradientes de y = -20,193Ln(x) + 108,14 Tiempo (min) R = 0,9047 velocidad y los tiempos indicados en el cuadro 3-3. 2
Figura 3-18. Correlación de G y T
Floculadores
107
Cuadro 3-3. Parámetros óptimos de floculación (10) Tramos
Gradientes de velocidad (s-1)
Tiempos de retención (min.)
1 2 3 4 5 6
90 80 70 65 55 50
2,34 4,90 7,80 11,10 15,03 20,10
Como los gradientes de velocidad en los útlimos tramos (5 y 6) son muy similares y la formación del flóculo optimiza con un gradiente de velocidad bajo al final, se tomó para el sexto tramo un valor de 28 s-1. Aplicando el procedimiento del cuadro 3-4, se calculó una unidad de seis tramos o canales con gradientes de velocidad decrecientes entre 87 y 28 s-1, y se obtuvieron los resultados del cuadro 3-5. El cálculo del cuadro 3-4 corresponde al dimensionamiento y comprobación de un solo tramo, el último de la unidad. Este proceso debe aplicarse reiteradamente para cada tramo, empleando los parámetros correspondientes (cuadro 3-3). Una vez calculado el último tramo, debemos comprobar si los pasos se cruzan. Cada paso tiene una altura de 0,92 metros y la profundidad de la unidad es de 4,50 metros. La longitud de traslape es de 4,50 – (0,92 *2 ) = 2,66 m. Si tuviéramos, en cambio, un cálculo del último tramo en que los pasos tienen 1,50 metros de alto y la profundidad total de la unidad es de 2,50 metros, las pantallas no llegarían a cruzarse. La superior estaría a 1,50 del fondo y la inferior a 1,50 metros de la superficie del agua, con lo que quedaría un espacio libre de 0,50 metros por el que debería pasar todo el caudal formando un cortocircuito. Los espacios entre las pantallas se constituirían en espacios muertos en los que la masa de agua quedaría retenida.
m = (0,045) { [(2,60)(6,5)(25) / 0,25] 2 . 5,07} 1/3 m ≈ 10
Espesor de las pantallas e = 0,038 m a = [L- e (m-1)] / m a = [6,5-(9) (0,038) ] / 10 e = 1,5 pulgada a = 0,62
V2 = 2/3 (0,16) V2 = 0,104
V2 = 2/3 V1 P2 = (Q/ V2) / b2 l = 60 V1 t
7
8
9
l = 60 (0,16) (5,07) l = 48,67
P2 = (0,25 / 0,104) / 2,60 = 0,92
V1 = 0,25 / (0,62 x 2,60) V1 = 0,16
V1 = Q / (a x b)
6
s-1
5
G = 25
Gradiente de velocidad en el último tramo
m = 0,045 [(b.L.G / Q) 2 . t] 1/3
B = 300/6,5(4,5) B = 10,30 t = [4,5(2,60)(6,5)] / [0,250(60)] t = 5,07
∀ = 60 (0,25) 20 ∀ = 300
Cálculos
4
m
b 1 = 2,60
t = H b L / Q . 60
B=∀ / H.L
∀ = 60 Q. T.
Criterios
Ancho del canal
m
H = 4,5
Profundidad del floculador
m
min
L = 6,5
T = 20
Tiempo total de floculación
m3 /s
Longitud de la unidad
Q = 0,25
S í m b o l o Unidad
Caudal
Datos
3
2
1
Paso
Extensión total de canales del último tramo
Altura del paso
Velocidad en los pasos
Velocidad en los canales verticales
Espaciamiento entre pantallas
Número de compartimientos entre pantallas
Ancho total de la unidad Tiempo de retención del primer canal
Volumen total de la unidad
Resultados
Cuadro 3-4. Dimensionamiento de un floculador de pantallas de flujo vertical (10)
m
m
m/s
m/s
m
N.°
min
m
m3
Unidad
108 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Símbolo Unidad
Cálculos
Resultados
16
15
γ/µ = 3.267 T = 25 °C
hf Q/∀
1,5
γ/µ . 1/2g .
f/4R h . V
G2 =
G 1 = γ /µ .
V = HbL - e (m-1) b (H - P2)
14
G2 = 5,5
G1 = 3267.[0,25 x 0,021/72,87] 0,5 G1 = 28
V = (4,50) (2,60)(6,50) - 0,038 (10 - 1) x 2,60 (4,5 - 0,92) V = 72,87
Comprobación del gradiente de velocidad en el canal vertical
Comprobación del gradiente de velocidad total en el primer canal o tramo
Volumen del tramo
Pérdida de carga total en el último tramo
hf = h1 + h2
13 hf = 0,00128 + 0,0198 hf = 0,021
Pérdida de carga en las vueltas
h2 = [ 11 (0,16)2 + 10 (0,104)2 ] / 19,6 h2 = 0,0198
h2 = [ (m+1)V12 + mV22 ] / 2g
12
11
Pérdida de carga continua en los canales
RH = a . b / 2 (a + b) RH =(0,62) (2,60) / 2 (0,62 + 2,60) Radio hidráulico del RH = 0,25 compartimiento entre pantallas
Criterios
h1 = [[0,013 (0,16)] / [0,25]2/3] 2 x 47,5 h1 = 0,00128
Coeficiente de la n = 0,013 constante fórmula de Manning
Datos
h1 = [ nV1 / RH2/3 ]2 x l
10
Paso
Cuadro 3-4. Dimensionamiento de un floculador de pantallas de flujo vertical (10) (continuación)
s-1
s-1
m3
m
m
m
m
Unidad
)ORFXODGRUHV
110
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Cuadro 3-5. Dimensionamiento de un floculador de flujo vertical de 250 L/s de capacidad (10) Tramo 1 2 3 4 5 6
Separación N.°° de com- Altura de Ancho de de pantallas partimien- pasos tramo (m) (m) tos (m) 1,20 1,30 1,50 1,70 2,00 2,60
0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62
10 10 10 10 10 10
0,92 0,92 0,92 0,92 0,92 0,92
G ( s-1 )
T (min)
Pérdidas de carga (m)
87 77 62 51 41 28 Total
2,34 2,54 2,93 3,32 3,90 5,07 20,10
0,10 0,08 0,06 0,05 0,04 0,02 0,35
Analizando los resultados del cuadro 3-5, se puede observar que todos los tramos tienen el mismo número de compartimientos. Esto se ha conseguido variando el ancho de los tramos. La gran ventaja de este diseño es que facilita la construcción, debido a que todos los espaciamientos entre pantallas y alturas de los pasos, en todos los tramos, serán iguales, lo que también permitirá evitar errores. 3.2.4 Recomendaciones de diseño y defectos más comunes •
Si se están proyectando dos unidades, será necesario colocar un partidor para asegurar que cada unidad reciba la mitad del caudal. Si son más de dos, se proyectará un canal de distribución uniforme.
•
Las pantallas deben tener un grosor adecuado de acuerdo con la profundidad de la unidad. Para unidades de 4 a 5 metros de profundidad, serán necesarias pantallas de 1,5 a 2 pulgadas de espesor.
•
Las pantallas deben estar sujetas a las paredes laterales mediante ranuras,
Figura 3-19. Floculador de flujo vertical con pantallas de un centímetro de espesor (7)
Floculadores
111
perfiles, etcétera, de tal manera que el flujo de agua no pase a través de las uniones entre las pantallas y las paredes, porque estarían contribuyendo a la formación de cortocircuitos (figura 3-20). •
Figura 3-20. Floculador de flujo vertical (7) Las ranuras para pasar las pantallas solo deben comprender el trecho en el que estas se colocarán. El espacio que corresponde al paso del agua por debajo de las pantallas no debe tener ranura, para evitar que con el tiempo las pantallas se desplacen y la altura de los pasos varíe, lo que incrementaría la pérdida de carga en el tramo y, por consiguiente, el gradiente de velocidad.
•
Los efectos de este problema se pueden llegar a apreciar a simple vista, porque con el tiempo el agua empieza a pasar por encima de las placas debido al incremento de la pérdida de carga. •
Figura 3-21. Floculadores de pantallas de flujo vertical (7)
Este fenómeno se puede visualizar en los floculadores de la figura 3-21. Ello ocurre en los tramos que fueron modificados, porque las placas no se cruzaban. Al efectuarse las nuevas ranuras, se hicieron en toda la altura de la unidad, lo que dio lugar a que con el tiempo, las placas, con su propio peso, vencieran los soportes que habían sido colocados y se desplazaran. Ello disminuyó la altura de los pasos.
112
Diseño de plantas de tecnología apropiada
3.2.5 Ventajas y desventajas de las unidades de pantallas Se pueden señalar las siguientes ventajas: •
De acuerdo con evaluaciones realizadas en varias plantas de América Latina, los cortocircuitos y espacios muertos que se producen son mínimos, de tal modo que el tiempo de retención teórico es similar al tiempo real obtenido en la unidad.
•
Carecen de elementos móviles o mecánicos, de tal modo que la operación y el mantenimiento son muy simples y poco costosos; se reducen básicamente a limpieza y pintura.
•
Son muy confiables, garantizan un funcionamiento continuo.
•
Se economiza energía eléctrica.
•
Se autorregulan cuando se producen variaciones de caudal, y el número de Camp (Nc) se mantiene más o menos constante. Al bajar el caudal, disminuye el gradiente de velocidad y se incrementa el tiempo de retención; cuando sube el caudal, el efecto es el inverso. Dependiendo de cuánto se incremente el caudal de operación, podemos estar generando gradientes de velocidad tan altos que rompan el flóculo.
•
Si se selecciona apropiadamente el rango de gradiente de velocidad, se puede explotar esta propiedad en el diseño de plantas en las que se pueden esperar pequeñas variaciones diarias de caudal, teniendo en cuenta que variaciones de 50% producen variaciones de gradientes de velocidad de aproximadamente 20%. Entre las desventajas se pueden indicar las siguientes:
•
La pérdida de carga es mayor en las vueltas que en los canales y el gradiente de velocidad varía en forma similar. Esta desventaja se atenúa con las pantallas onduladas.
•
Producen pérdidas de carga más o menos altas.
Floculadores
113
•
Es común escuchar a los operadores argumentar que la limpieza de estas unidades es difícil, pero esto sucede cuando no se han previsto en el diseño las facilidades para esta operación, colocando aberturas en la base de las pantallas (unidades de flujo vertical) y compuertas o válvulas de fondo convenientemente ubicadas para desaguar la unidad.
4.
FLOCULADORES DEL TIPO ALABAMA O COX
En estas unidades el agua hace un movimiento ascendente-descendente dentro de cada compartimiento, por lo que es muy importante mantener la velocidad del agua constante, para que este comportamiento se dé. La velocidad ascensional será constante mientras el caudal sea constante; por esta razón, estas unidades son muy vulnerables a las variaciones de caudal. Si el caudal de operación baja, el agua ya no hace su recorrido ascensional y solamente pasará por el fondo de la unidad de una boquilla a la otra, lo que generará un cortocircuito en esta zona y un gran espacio muerto en toda la parte superior. El gradiente de velocidad se produce casi exclusivamente en los puntos de paso (niples, codos, boquillas, etcétera), los cuales están localizados en el fondo de la unidad y distribuidos alternadamente en uno y otro extremo (figura 3-22). a)
Parámetros y recomendaciones de diseño • • • •
La profundidad total de la unidad debe ser de 3 a 3,50 metros, para que la altura del agua sobre los orificios sea por lo menos del orden de 2,40 metros. La relación ancho/largo de cada compartimiento debe ser de 1 a 1,33. La sección de cada compartimiento se diseñará con una tasa de 0,45 m2 por cada 1.000 m3/d. Los criterios para diseñar los puntos de paso entre los compartimientos son los siguientes: a) b) c)
La relación de la longitud del niple con respecto a su diámetro debe ser de 1 a 5. Velocidad en las boquillas variable entre 0,25 y 0,75 m/s. Tasa de diseño para determinar la sección de las boquillas de 0,025 m2 por cada 1.000 m3/d.
114
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Floculador tipo Cox C A 1
A H
Planta Floculador Alabama Corte A-A
Figura 3-22. Floculadores del tipo Cox y Alabama (11, 12)
•
El diseño de estas unidades debe efectuarse muy cuidadosamente para evitar la formación de cortocircuitos y espacios muertos.
•
El nivel de recursos humanos disponible para la operación es un criterio importante en la selección de estas unidades, porque, como se indicó anteriormente, es necesario que la unidad se opere a caudal constante. Las disminuciones de caudal anulan el funcionamiento de estas unidades al decrecer la velocidad. En esta situación, el flujo tiende a pasar directamente entre los puntos de paso y prácticamente todo el volumen del floculador se convierte en un enorme espacio muerto.
•
Los criterios expuestos no tienen una base experimental conocida, por lo que se recomendaría investigar en forma preliminar la velocidad óptima de diseño antes de proyectar este tipo de unidad.
Floculadores
5.
115
FLOCULADORES DE MEDIOS POROSOS
En esta unidad el agua flocula al pasar a través de los espacios o poros de un material granulado, los cuales desempeñan la función de pequeños compartimientos. 5.1
Parámetros y recomendaciones de diseño
•
Es una unidad hidráulica con un número casi infinito de cámaras o compartimientos, lo cual explica su gran eficiencia, de acuerdo con la teoría de Harris y Kaufman (12).
•
•
Como material granular, pueden utilizarse piedras, bolitas de plástico, residuos de las fábricas de plástico, segmentos de tubos o cualquier otro tipo de material similar no putrescible ni contaminante. Las investigaciones realizadas hasta el momento solo permiten diseñar estos floculadores con piedra de 1/2" a 3/4" (diámetro
2,20 0,50
2,20 0,50
2,20 A
N.A
0,30 0,65 2,25 1,30
1,70
0.60
Corte A-A
Figura 3-23. Floculador de medio poroso (16)
116
Diseño de plantas de tecnología apropiada
medio = 15,9 mm). Investigaciones asesoradas por el CEPIS/OPS con piedras de tamaño mayor indican que no se puede lograr todo el rango de gradientes de velocidad para floculación variando el diámetro equivalente de las piedras u otro material similar. •
A partir del estado actual del conocimiento, se recomienda diseñar esta unidad con flujo ascendente y forma tronco-cónica (5), a fin de escalonar los gradientes de velocidad, manteniendo el tamaño del material constante para facilitar la limpieza.
•
En este tipo de unidades, el tiempo de retención total es de apenas 5 a 10 min (efecto del infinito número de compartimientos de la unidad).
•
La información disponible sobre floculadores de piedras (5, 8, 9, 10) solo permite diseñar unidades para caudales de hasta 10 a 15 L/s (figura 3-23).
5.2
Criterios de dimensionamiento
•
Habiendo determinado el tiempo de floculación adecuado (TJ) mediante un estudio de prueba de jarras (Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo II, capítulo 11), el tiempo de retención para proyectar la unidad se selecciona mediante la expresión siguiente: T = TJ [Ln (To /Tf ) ] / [To /Tf - 1]
(8)
Donde: T To Tf
= = =
•
El gradiente de velocidad en un floculador de medio granular se calcula por la siguiente expresión:
tiempo de retención en una unidad de floculación de medio poroso turbiedad del agua cruda turbiedad después de flocular y sedimentar
G = [ γ . V. J / µ . ε] 1/2 Donde: V J ε
= = =
velocidad de aproximación = Q/A pérdida de carga unitaria en el medio poroso porosidad del material
(9)
Floculadores
•
117
La pérdida de carga para valores de Número de Reynolds elevados se calcula mediante la ecuación de Forchheimer: J = aV + bV2
•
(10)
Los coeficientes a y b se pueden estimar en función de las características granulométricas del medio.
α = [0,162 (1 - ε)2 ] / (ϕ2 D2 ε3 )
(11)
Donde:
ϕ D
= =
factor de forma de material diámetro representativo del material
b = [0,018 (1 - ε)] / ϕ D ε3) •
(12)
Los valores del factor de forma en función de la porosidad del material se pueden obtener del cuadro 3-6. El cuadro 3-7 da un ejemplo de aplicación: Cuadro 3-6. Factores de forma y porosidad de materiales granulares típicos (16) Descripción Esférico Redondeado Desgastado Agudo Angular Triturado
Factor de forma
Porosidad
ϕ
ε
1,00 0,98 0,94 0,81 0,78 0,70
0,38 0,38 0,39 0,40 0,43 0,48
Caudal
Tiempo de floculación Porosidad
Dimensiones de la pirámide: altura lado
Lado de la sección de entrada del tronco de la pirámide
Lado de la sección media
Lado de la sección máxima de la pirámide
Tamaño medio del material granular
Factor de forma
2
3
4
5
6
7
8
Datos
1
Paso
min — m m
m
m m
mm
T=5
ε = 0,4 H = 1,7 B = 1,6
b1 = 0,40
b2 = 0,8 B = 1,6
D = 15,9
ö = 0,81
m3/s
Q = 0,012
Cantidad Unidad
⎡0,162 1 − 0,4 2 ⎤ ⎢⎣ ⎥⎦ ⎡ 0,81 2 (15,9)2 (0,4)3 ⎤ ⎥⎦ ⎢⎣ [ 0,018 (1 − 0,4)] b= ⎡0,81 (15,9) (0,4)3 ⎤ ⎥⎦ ⎢⎣
⎡0,162 (1 − ε )2 ⎤ ⎢ ⎥⎦ a=⎣ ϕ 2 D2 ε2
J1 = a V1 + b V12
0,018 (1 − ε) b= ϕ D ε3
V 3 = 100 (0,012) / (1,6)2 V3 = 0,469
V3 = 100 Q / B2
J 1 = 0,0055 (7,5) + 0,013 (7,5)2 J 1 = 0,773
a=
V 2 = 100 (0,012) / (0,80)2 V2 = 1,875
V 1 = 100 (0,012) / (0,4)2 V1 = 7,5
h = [9 – 1/3 (1,6)2 1,7] / (1,6) 2 h ≈ 2,95
∀ = 60 (0,012) (5) / (0,40) ∀ = 9,0
Cálculos
V2 = 100 Q / (b2)2
V1 = 100 Q / b12
h = (V–1/3 B2 H)/B2
∀ = 60 Q T/ε
Criterios
Cuadro 3-7. Proceso de cálculo de un floculador de medio poroso (16)
Pérdida de carga unitaria en la sección de entrada
Coeficientes de la fórmula de Forchheimer
Velocidad en la sección máxima
Velocidad en la sección media
Velocidad en la sección de entrada
Altura de la sección prismática complementaria ocupada por las piedras
Volumen total del floculador de piedras
Resultados
m
s2 /cm2
s/cm
cm/s
cm/s
cm/s
m
m3
Unidad
118 Diseño de plantas de tecnología apropiada
ã/ì = 2.920 T = 15 °C
9
13
12
11
10
Datos
Paso
Cantidad Unidad
J3 = a V 3 + b V 32
Gradiente de velocidad en la sección media
G2 = 2.920 G2 = 150
Pérdida de carga en la sección máxima Gradiente en la sección máxima
J 3 = 0,0055 (0,469) + 0,013 (0,469)2 J 3 = 0,00545 G3 = 2.920 [0,469 (10)-2 (0,0054) /(0,40)] G3 = 23
[1,875 (10) -2 (0,056) / (0,40)]
Pérdida de carga unitaria en la sección media
J 2 = 0,0055 (1,875) + 0,013 (1,875)2 J 2 = 0,056
Gradiente en la sección de entrada
J2 = a V 2 + b V 22
7,5 (10) x 0,773 / 0,40
Resultados
G1 = 2.920 G1 = 1.112
-2
Cálculos
G1 = ã/ì · V1 J1/ ε
Criterios
Cuadro 3-7. Proceso de cálculo de un floculador de medio poroso (continuación)
s-1
s-1
s-1
Unidad
Floculadores 119
120
6.
Diseño de plantas de tecnología apropiada
FLOCULADORES DE MALLAS O TELAS
Las telas intercaladas en un canal oponen una resistencia localizada al flujo y tienden a uniformarlo, reducen la incidencia de cortocircuitos y actúan como elementos de compartimentalización. Sus posibilidades de empleo están principalmente orientadas a la ampliación y optimización de unidades de mezcla rápida y floculación en plantas existentes. 6.1
Parámetros de diseño
•
El proceso se consigue colocando en una unidad mallas de hilo de nylon, las que son atravesadas por el flujo y se produce el gradiente de velocidad deseado como función de la pérdida de carga. En este caso, la floculación depende de las características de las mallas y de la velocidad del flujo.
•
La velocidad óptima en cm/s es igual al doble del espaciamiento (e) entre los hilos de nylon (V = 2e).
•
El espaciamiento entre hilos (e) recomendado es de 5 a 15 cm.
•
El grosor de hilos (d) más adecuado es de 1,5 a 4 mm.
•
Hilos más delgados (d ≤ 1 mm) tienden a romper el flóculo rápidamente.
•
Se recomiendan velocidades del flujo del orden de 2 a 5 cm/s para evitar la sedimentación excesiva de los flóculos.
•
Cuando las mallas se emplean en canales de mezcla rápida, los parámetros de diseño recomendados son los siguientes: 1. 2. 3.
Velocidades de flujo (V) de 1,0 a 1,5 m/s Diámetro de los hilos (d) de 1 a 3 mm Espaciamiento entre hilos (e) de 1 a 3 cm.
6.2
Criterios de dimensionamiento
•
El criterio para determinar el gradiente de velocidad en mallas está dado por la siguiente expresión:
Floculadores
G =
γ Q h / µී
121
(13)
donde la pérdida de carga (h) está dada por la expresión: h = K V2 / 2g
(14)
donde V es la velocidad media de aproximación (Q/A) y K el coeficiente de pérdida de carga, una función de la porosidad (ε) de la malla: K = 0,55 [1 - ε2 ] / ε2
(15)
Esta expresión es válida para altos valores de (ε) y Re ≤ 500. •
La porosidad (ε) de la malla en función de sus características está dada por:
ε = (1 - n . d)2
(16)
Donde: d n
= =
•
El volumen (ී) en el que se da el proceso se considera como: ී
diámetro de los hilos número de hilos por cada metro de ancho de canal.
= 4Ae
(17)
Donde: A
=
área de la malla atravesada por el flujo
Por lo que la expresión específica para calcular el gradiente de velocidad en función de las características de las mallas es la siguiente: G = 1 / 6ν K / e ν1,5
o
G = 1 / 8 µg . k / e V1,5
(18)
Para temperaturas de 20 °C la ecuación 18 se transforma en: G = 350 (K/ e)0,5. V1,5 en unidades del sistema métrico
(19)
122
Diseño de plantas de tecnología apropiada
6.3
Aplicación y recomendaciones
•
Las telas pueden ser utilizadas en cualquier elemento de la planta de tratamiento para producir un determinado gradiente de velocidad. Si son intercaladas en el canal o en la tubería de llegada del agua cruda, producirán la turbulencia necesaria para la mezcla de los productos químicos. Pueden sustituir las paletas de un floculador mecánico, donde, además de optimizar la floculación, pasan a operar con menor velocidad, lo que prolonga la vida útil de la unidad.
•
Si las telas son instaladas en tramos rectos de canales de floculación hidráulica —donde el gradiente de velocidad normalmente es muy bajo—, generarán gradientes más adecuados, lo que mejorará la floculación y permitirá un menor tiempo de residencia, bien sea por una tasa más elevada de colisiones entre las partículas —debido al aumento de la superficie de cizallamiento (efecto de la viscosidad)— o por el efecto de la división en compartimientos.
•
Las experiencias realizadas sugieren que el diámetro del hilo de la malla tiende a limitar el tamaño del flóculo, como si lo cortase, aun a gradientes bajos. Este efecto negativo deja de ser sensible en hilos con un diámetro que sea 3 a 4 veces el máximo diámetro del flóculo; es decir, 3 ó 4 mm.
•
El uso de mallas e hilos de diámetro pequeño debe, por lo tanto, quedar restringido a la mezcla rápida o al inicio de la floculación, cuando el flóculo aún no ha alcanzado tamaños significativos. Después de eso, se debe dar preferencia a mallas e hilos de mayor diámetro, que produzcan los gradientes deseados sin provocar la ruptura de los flóculos.
•
Está demostrado que las telas son dispositivos económicos y eficientes de floculación, con innumerables y promisorias posibilidades de empleo en nuevos diseños y, principalmente, en la ampliación y optimización de plantas existentes.
•
Se ha demostrado también que el gradiente de velocidad en una tela es función de la velocidad del flujo y de sus características geométricas (espaciamiento y diámetro de los hilos de la malla). Jugando con los elementos geométricos de la tela, se podrán obtener valores adecuados de gradiente
Floculadores
123
de velocidad para una velocidad dada en el canal. Se podrán adoptar velocidades más elevadas, como de 10 a 30 cm/s, por ejemplo, a fin de prevenir una sedimentación excesiva en el floculador. •
Los estudios ya realizados permiten indicar que es posible reducir considerablemente el tiempo de floculación. Se podrá obtener una sustancial economía en la realización de obras de ampliación o de nuevas instalaciones. Por otro lado, en unidades deficientes se podrá mejorar de manera sensible la calidad del agua tratada.
•
Desde el punto de vista práctico, es fácil instalar telas en cualquier elemento de un canal o tanque de floculación, bien sea como dispositivo de floculación hidráulico o mecánico.
•
Los trabajos hasta ahora realizados no permiten llegar a conclusiones definitivas sobre el empleo de las telas en las plantas de tratamiento; no obstante, son lo suficientemente consistentes como para permitir la aplicación práctica de estos dispositivos con relativa seguridad en cuanto a los resultados esperados. La continuación de los estudios en marcha y la recolección de información en las instalaciones donde fueron instalados tales dispositivos permitirán en breve tiempo consolidar y generalizar su uso, con excelentes ventajas económicas y operacionales.
•
En la aplicación del cuadro 3-8 se ha dimensionado una malla para levantar el gradiente de velocidad en los pasos de un floculador vertical y en el cuadro 3-9, una malla para ajustar el gradiente de velocidad en un mezclador hidráulico.
7
3pUGLGD GH FDUJD SURGXFLGD SRU OD PDOOD
o&
7H P S H U D W X U D G H O DJXD
K . 9 J K > @ K
*UDGLHQWH GH YHORFLGDG GHO SDVR GHO IOXMR SRU OD PDOOD
* . H 9 * >@ *
FPV
9HORFLGDG HQ HO FDQDO 9
&RHILFLHQWH GH SpUGLGD GH FDUJD
. ± H H . > ± @ .
PP
G
3RURVLGDG GH OD PDOOD
5HVXOWDGRV
H ± QG H > ± @ H
*URVRU GH ORV KLORV
FP
&ULWHULRV 1~PHUR GH KLORV SRU PHWUR GH DQFKR GH FDQDO
H
&DQWLGDG 8QLGDG Q Q
(VSDFLDPLHQWR HQWUH KLORV
'DWRV
3DVR
&XDGUR'LPHQVLRQDPLHQWRGHXQDPDOODSDUDIORFXODFLyQ
P
V
FRQVWDQWH
FRQVWDQWH
KLORVP
8QLGDG
'LVHxR GH SODQWDV GH WHFQRORJtD DSURSLDGD
9
7
9HORFLGDGHQHO FDQDO
7HPSHUDWXUDGHO DJXD o&
PV
K .9J K K
3pUGLGDGHFDUJD SURGXFLGDSRUODPDOOD
P
V
*o . H 9 * *
*UDGLHQWHGHYHORFLGDG SURGXFLGR SRU HO SDVR GHOIOXMRDWUDYpVGHOD PDOOD
&RHILFLHQWHGHSpUGLGD FRQVWDQWH GHFDUJD
PP . H H . ± .
G
KLORVP
8QLGDG
3RURVLGDGGHODPDOOD
5HVXOWDGRV
H QG H > @ H
*URVRU GH ORV KLORV
FP
&ULWHULRV
1~PHURGHKLORV SRU PHWUR GH DQFKRGHFDQDO
H
(VSDFLDPLHQWRHQWUH KLORV
8QLGDG
Q Q
6tPEROR
'DWRV
3DVR
&XDGUR 'LPHQVLRQDPLHQWRGHXQDPDOODSDUDXQFDQDOGHPH]FODUiSLGD
)ORFXODGRUHV
126
Diseño de plantas de tecnología apropiada
REFERENCIAS (1)
Villegas, R. A. y R. D. Letterman. “Optimizing Flocculator Power Input”, Journal of the Environmental Division, abril, 1976.
(2)
TeKippe, R. J y R. K. Ham. “Velocity Gradient Paths in Coagulation”, Journal of the American Water Works Association, julio, 1971.
(3)
Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos-EPA. Optimización de la producción de plantas de tratamiento de agua mediante el Programa de Corrección Compuesto. Washington, Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos. EPA/625/6-91/027, 1998.
(4)
Argaman, Y. y W. J. Kaufman. “Turbulence and flocculation”, Journal of Sanitary Engineering Division, ASCE, 1970.
(5)
Kawamura, Susumu y R. Rhodes Trussell. “Main Features of Large Water Treatment Plants in Japan”, Journal of the American Water Works Association, junio, 1991.
(6)
Canepa de Vargas, Lidia. Estudio de la PFR de Barranca. Lima, CEPIS, 1977. Documento inédito.
(7)
Canepa de Vargas, Lidia. Fotos de archivo. Lima, CEPIS.
(8)
Bhargava, D. S. y C. S. P. Ojha. “Models for Design of Flocculating Baffled Channels”, Water Research, vol. 27, 3, 1993.
(9)
Canepa de Vargas, Lidia. ‘‘Estudio sobre investigación en floculadores de pantallas de flujo horizontal’’. Documento inédito. Lima, 1977.
(10) Canepa de Vargas, Lidia. Estudio de caso. (11)
Richter, Carlos. Projetos de estações de tratamento de água. Módulo 4.4. Projetos de unidades de floculação. Lima, CEPIS, 1981.
(12) Programa CEPIS/OPS de Mejoramiento de la Calidad del Agua para Consumo Humano. Manual V. Criterios de Diseño. Serie Filtración Rapida. Lima, CEPIS, 1992.
Floculadores
127
(13) Harris, H. S.; W. J. Kaufman y R. B. Krone. “Orthokinetic Flocculation in Water Purification”. Journal of Sanitary Engineering Division, ASCE, diciembre. (14) CEPIS/OPS (1973). Teoría, diseño y control de los procesos de clarificación del agua. Serie Técnica 13. Lima, CEPIS/OPS, 1966. (15) CEPIS/OPS. Criterios de diseño de plantas de tratamiento de agua. Lima, CEPIS/OPS, s. f. (16) Richter, Carlos y R. B. Moreira. Floculadores de piedras. Experiencias en filtros pilotos. Curitiba, Sanepar, 1980. (17) Richter, Carlos. Estación de tratamiento para pequeñas comunidades. Curitiba, Sanepar, 1980. (18) Richter, Carlos. Sistemas de floculación acelerada. Curitiba, Sanepar, s. f. (19) Snel, H. y Jorge Arboleda. Influencia de la escala de turbulencia en el proceso de floculación del agua. Cali, ACODAL, 1982. (20) Richter, Carlos. Sistemas simplificados de floculación. Seminario Internacional sobre Tecnología Apropiada para Potabilización del Agua. Cali, ACODAL, Seccional Valle del Cauca, 1987. (21) Canepa de Vargas, Lidia. Programa de evaluación de plantas en República Dominicana. Informe Técnico 356. Lima, CEPIS, 1986. (22) Mhaisalkar, V. A., R. Paramasivam y A. G. Bhole. “Optimizing Physical Parameters of Rapid Mix Design for Flocculation of Turbid Waters”. Water Research, vol. 25, 1, 1991, pp. 43-52. (23) Dharmappa, H. B., J. Verink, O. Fujiwara y S. Vigneswaran. “Optimal Design of a Flocculator”. Water Research, vol. 27, 3, 1993, pp. 513-519.
128
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Floculadores
129
Anexo A Viscosidad del agua Temperatura (°°C)
Sistema métrico
Inglés
Viscosidad dinámica (poises)
Viscosidad cinemática (Stokes)
Viscosidad dinámica (N-s/m2)
Viscosidad cinemática (m2/s)
Viscosidad dinámica (lb = s/pie2)
Viscosidad cinemática (pie2/s)
0 1 2 3 4
1,787⋅10-2 1,728⋅10-2 1,671⋅10-2 1,618⋅10-2 1,567⋅10-2
1,787⋅10-2 1,728⋅10-2 1,671⋅10-2 1,618⋅10-2 1,567⋅10-2
1,787⋅10-3 1,728⋅10-3 1,671⋅10-3 1,618⋅10-3 1,567⋅10-3
1,787⋅10-6 1,728⋅10-6 1,671⋅10-6 1,618⋅10-6 1,567⋅10-6
3,73⋅10-5 3,61⋅10-5 3,49⋅10-5 3,38⋅10-5 3,27⋅10-5
1,92⋅10-5 1,86⋅10-5 1,80⋅10-5 1,74⋅10-5 1,69⋅10-5
5 6 7 8 9
1,519⋅10-2 1,472⋅10-2 1,428⋅10-2 1,386⋅10-2 1,346⋅10-2
1,519⋅10-2 1,472⋅10-2 1,428⋅10-2 1,386⋅10-2 1,346⋅10-2
1,519⋅10-3 1,472⋅10-3 1,428⋅10-3 1,386⋅10-3 1,346⋅10-3
1,519⋅10-6 1,472⋅10-6 1,428⋅10-6 1,386⋅10-6 1,346⋅10-6
3,17⋅10-5 3,08⋅10-5 2,98⋅10-5 2,90⋅10-5 2,81⋅10-5
1,63⋅10-5 1,58⋅10-5 1,54⋅10-5 1,49⋅10-5 1,45⋅10-5
10 11 12 13 14
1,307⋅10-2 1,271⋅10-2 1,235⋅10-2 1,202⋅10-2 1,169⋅10-2
1,307⋅10-2 1,271⋅10-2 1,235⋅10-2 1,203⋅10-2 1,170⋅10-2
1,307⋅10-3 1,271⋅10-3 1,235⋅10-3 1,202⋅10-3 1,169⋅10-3
1,307⋅10-6 1,271⋅10-6 1,235⋅10-6 1,203⋅10-6 1,170⋅10-6
2,73⋅10-5 2,66⋅10-5 2,58⋅10-5 2,51⋅10-5 2,44⋅10-5
1,41⋅10-5 1,37⋅10-5 1,33⋅10-5 1,29⋅10-5 1,26⋅10-5
15 16 17 18 19
1,139⋅10-2 1,109⋅10-2 1,081⋅10-2 1,053⋅10-2 1,027⋅10-2
1,140⋅10-2 1,110⋅10-2 1,082⋅10-2 1,054⋅10-2 1,029⋅10-2
1,139⋅10-3 1,109⋅10-3 1,081⋅10-3 1,053⋅10-3 1,027⋅10-3
1,140⋅10-6 1,110⋅10-6 1,082⋅10-6 1,054⋅10-6 1,029⋅10-6
2,38⋅10-5 2,32⋅10-5 2,26⋅10-5 2,20⋅10-5 2,14⋅10-5
1,23⋅10-5 1,19⋅10-5 1,16⋅10-5 1,13⋅10-5 1,11⋅10-5
20 21 22 23 24
1,002⋅10-2 0,9779⋅10-2 0,9548⋅10-2 0,9325⋅10-2 0,9111⋅10-2
1,004⋅10-2 0,9799⋅10-2 0,9569⋅10-2 0,9348⋅10-2 0,9136⋅10-2
1,002⋅10-3 0,978⋅10-3 0,954⋅10-3 0,932⋅10-3 0,911⋅10-3
1,004⋅10-6 0,980⋅10-6 0,957⋅10-6 0,935⋅10-6 0,914⋅10-6
2,09⋅10-5 2,04⋅10-5 1,99⋅10-5 1,95⋅10-5 1,90⋅10-5
1,08⋅10-5 1,05⋅10-5 1,03⋅10-5 1,01⋅10-5 0,98⋅10-5
25 26 27 28 29
0,8904⋅10-2 0,8705⋅10-2 0,8513⋅10-2 0,8327⋅10-2 0,8148⋅10-2
0,8930⋅10-2 0,8733⋅10-2 0,8543⋅10-2 0,8359⋅10-2 0,8181⋅10-2
0,890⋅10-3 0,870⋅10-3 0,851⋅10-3 0,833⋅10-3 0,815⋅10-3
0,893⋅10-6 0,873⋅10-6 0,854⋅10-6 0,836⋅10-6 0,818⋅10-6
1,86⋅10-5 1,82⋅10-5 1,78⋅10-5 1,74⋅10-5 1,70⋅10-5
0,96⋅10-5 0,94⋅10-5 0,92⋅10-5 0,90⋅10-5 0,88⋅10-5
130
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Viscosidad del agua (continuación) Temperatura (°°C)
Sistema métrico
Inglés
Viscosidad dinámica (poises)
Viscosidad cinemática (Stokes)
Viscosidad dinámica (N-s/m2)
Viscosidad cinemática (m2/s)
Viscosidad dinámica (lb = s/pie2)
Viscosidad cinemática (pie2/s)
30 31 32 33 34
0,7975⋅10-2 0,7808⋅10-2 0,7647⋅10-2 0,7491⋅10-2 0,7340⋅10-2
0,8010⋅10-2 0,7844⋅10-2 0,7685⋅10-2 0,7531⋅10-2 0,7381⋅10-2
0,798⋅10-3 0,781⋅10-3 0,765⋅10-3 0,749⋅10-3 0,734⋅10-3
0,801⋅10-6 0,784⋅10-6 0,768⋅10-6 0,753⋅10-6 0,738⋅10-6
1,66⋅10-5 1,63⋅10-5 1,60⋅10-5 1,56⋅10-5 1,53⋅10-5
0,86⋅10-5 0,84⋅10-5 0,83⋅10-5 0,81⋅10-5 0,79⋅10-5
35 36 37 38 39
0,7194⋅10-2 0,7052⋅10-2 0,6915⋅10-2 0,6783⋅10-2 0,6654⋅10-2
0,7237⋅10-2 0,7097⋅10-2 0,6961⋅10-2 0,6831⋅10-2 0,6703⋅10-2
0,719⋅10-3 0,705⋅10-3 0,692⋅10-3 0,678⋅10-3 0,665⋅10-3
0,724⋅10-6 0,710⋅10-6 0,696⋅10-6 0,683⋅10-6 0,670⋅10-6
1,50⋅10-5 1,47⋅10-5 1,44⋅10-5 1,42⋅10-5 1,39⋅10-5
0,78⋅10-5 0,76⋅10-5 0,75⋅10-5 0,74⋅10-5 0,72⋅10-5
40 41 42 43 44
0,6529⋅10-2 0,6408⋅10-2 0,6291⋅10-2 0,6178⋅10-2 0,6067⋅10-2
0,6580⋅10-2 0,6461⋅10-2 0,6345⋅10-2 0,6234⋅10-2 0,6124⋅10-2
0,653⋅10-3 0,641⋅10-3 0,629⋅10-3 0,618⋅10-3 0,607⋅10-3
0,658⋅10-6 0,646⋅10-6 0,636⋅10-6 0,623⋅10-6 0,612⋅10-6
1,36⋅10-5 1,34⋅10-5 1,31⋅10-5 1,29⋅10-5 1,27⋅10-5
0,71⋅10-5 0,70⋅10-5 0,68⋅10-5 0,67⋅10-5 0,66⋅10-5
45 46 47 48 49 50
0,5960⋅10-2 0,5856⋅10-2 0,5755⋅10-2 0,5656⋅10-2 0,5561⋅10-2 0,5468⋅10-2
0,6019⋅10-2 0,5916⋅10-2 0,5817⋅10-2 0,5819⋅10-2 0,5626⋅10-2 0,5534⋅10-2
0,596⋅10-3 0,586⋅10-3 0,576⋅10-3 0,566⋅10-3 0,556⋅10-3 0,547⋅10-3
0,602⋅10-6 0,592⋅10-6 0,582⋅10-6 0,572⋅10-6 0,563⋅10-6 0,553⋅10-6
1,24⋅10-5 1,22⋅10-5 1,20⋅10-5 1,18⋅10-5 1,16⋅10-5 1,14⋅10-5
0,65⋅10-5 0,64⋅10-5 0,62⋅10-5 0,61⋅10-5 0,60⋅10-5 0,59⋅10-5
)ORFXODGRUHV
/DYLVFRVLGDGFLQHPiWLFD Q HVFDOFXODGDFRPR N MU 'RQGH Q P U
YLVFRVLGDGFLQHPiWLFD FP V YLVFRVLGDGGLQiPLFD JVFP GHQVLGDGGHODJXD JFP
3DUD FRQYHUWLU OD YLVFRVLGDG GLQiPLFD HQ SRLVHV D XQLGDGHV GHO 6LVWHPD ,QWHUQDFLRQDO
M JFPV JFPV NJJ FPP 1V P NJ M JFPV 1VP 3DUDFRQYHUWLUODYLVFRVLGDGFLQHPiWLFDHQ6WRNHVDO6LVWHPD,QWHUQDFLRQDO Q FPV FPV P FP PV
132
Diseño de plantas de tecnología apropiada
CAPÍTULO 4 DECANTADORES LAMINARES
Decantadores laminares
1.
135
INTRODUCCIÓN
En este capítulo trataremos exclusivamente del diseño de las unidades de decantación de flujo laminar o de alta tasa. Los decantadores laminares pueden tratar caudales mayores en un área y estructura menor de la que requieren los decantadores convencionales y su eficiencia es superior. Comparándolos con las unidades de contacto de sólidos o decantadores de manto de lodos, que también son de alta tasa, no requieren energía eléctrica para su operación. Por todas estas ventajas, esta unidad es considerada como tecnología apropiada para países en desarrollo y para todo programa de mejoramiento de la calidad del agua que tenga como meta conseguir la mejor calidad al menor costo de producción; esto es, para la sostenibilidad de los proyectos.
2.
DECANTADORES DE PLACAS
•
Mediante la colocación de placas paralelas o módulos de diferentes tipos en la zona de sedimentación, se obtiene en estas unidades una gran superficie de deposición para los lodos, con lo cual se logra disminuir apreciablemente el área superficial de los tanques.
10
m
Placas de asbesto-cemento
10 2,4
0
0
L/s
15
Canal de distribución de agua floculada
0
n Ca
al
de
ag
ua
de
ca
nta
da
Canaletas de coleta de agua decantada
m
Canal de descarga de lodos
2,4
0
m
Figura 4-1. Decantador de placas paralelas (1)
136
Diseño de plantas de tecnología apropiada
La diferencia básica entre los decantadores laminares o de alta tasa y los decantadores convencionales reside en que los primeros trabajan —como su nombre lo indica— con flujo laminar (número de Reynolds, Nr < 500) y los últimos con flujo turbulento (Nr entre 10.000 y 250.000). Esta diferencia teórica fundamental debe reflejarse en la forma como se diseñan unos y otros (2). 2.1
Parámetros y recomendaciones generales de diseño
•
El parámetro de diseño más importante en las unidades de decantación es la velocidad de sedimentación de los flóculos, que depende fundamentalmente de las características del agua cruda y de la eficiencia del pretratamiento. Por esta razón, la velocidad de diseño debe determinarse experimentalmente para cada caso. Véase la metodología para su determinación en Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo II, capítulo 11.
•
Las cargas superficiales utilizadas en América Latina normalmente varían entre 120 y 185 m3/m2/d, con eficiencias de remoción por encima del 90% (8). En cada caso, es necesario efectuar un estudio de tratabilidad del agua, para determinar la tasa de decantación con la cual se podrán obtener 2 UN de turbiedad residual en el efluente. Este criterio obedece a recomendaciones de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) para que los filtros puedan brindar un efluente exento de microorganismos patógenos y de huevos de Giardia lamblia y Cryptosporidium, habida cuenta de que solo el filtro puede eliminar a estos últimos cuando recibe un afluente de la calidad indicada (3).
•
De acuerdo con investigaciones realizadas en prototipos, las unidades se pueden diseñar con Nr de hasta 500, sin que se obtengan disminuciones apreciables en la eficiencia alcanzada (1).
•
En los decantadores laminares, el Nr es una consecuencia de la geometría de los elementos tubulares y de la velocidad del flujo en el interior de estos, y no una condición del proyecto (1). De acuerdo con este criterio —que se va corroborando con la experiencia práctica indicada en el ítem anterior— no es necesaria la obtención de un flujo laminar puro para mejorar la eficiencia del proceso.
Decantadores laminares
137
•
Al utilizarse el Nr en el límite máximo del rango laminar, se consigue ampliar la separación de las placas o la sección de los módulos, lo cual se refleja en una gran economía, al disminuir el número de placas o módulos empleados en la construcción de la unidad.
•
La velocidad longitudinal media (Vo) en los elementos tubulares comúnmente se adopta entre 10 y 25 cm/min. En cada caso, es posible determinar la velocidad máxima del flujo mediante la expresión (1): Vo máx. = [Nr / 8]0,5 . Vsc Donde Vsc = velocidad de sedimentación de las partículas
•
Dada la gran cantidad de módulos que se precisan, es deseable que el material sea de bajo costo y muy resistente a la permanencia bajo el agua. Los materiales que se usan para este fin son las lonas de vinilo reforzadas con poliéster, el asbesto-cemento, el plástico y la fibra de vidrio.
Figura 4-2. Módulos de decantación de fibra de vidrio (4)
•
Las lonas de vinilo reforzadas con hilos de poliéster de alta tenacidad son el material más usado actualmente por sus grandes ventajas: no producen pérdidas por rotura, el sistema de instalación es más sencillo y su duración es muchísimo mayor. Es un material muy confiable en zonas de alto riesgo sísmico.
•
Tradicionalmente, en este tipo de unidades se han venido utilizando las planchas de asbesto-cemento por su alta disponibilidad, bajo costo y resistencia a la corrosión, con las siguientes dimensiones: 1,20 metros de alto por 2,40 metros de largo, con espesores de un centímetro o de 6 y 8 milímetros, siempre y cuando hayan sido fabricadas con fibras largas de asbesto. Las restricciones de calidad de agua para su empleo son las mismas que se dieron en el capítulo anterior.
138
Diseño de plantas de tecnología apropiada
•
También se utilizan módulos de plástico y de fibra de vidrio prefabricados por su facilidad de instalación. Al elegir el plástico, debe consultarse con el fabricante su resistencia a la exposición directa a los rayos solares. Los módulos prefabricados, tanto los de plástico como los de fibra de vidrio, normalmente son muy delgaFigura 4-3. Módulos de decantados y se destruyen fácilmente ción de plástico deteriorados (4) al ser sometidos a una operación normal de lavado con agua a presión. En la foto de la figura 4-2 se puede percibir que con solo dos meses de operación los módulos de fibra de vidrio ya empiezan a deformarse y en la figura 4-3 se puede ver cómo terminan los de plástico al cabo de unos años.
3.
DECANTADORES DE FLUJO ASCENDENTE
Para optimizar el funcionamiento de estas unidades, debemos considerar en el proyecto estructuras de entrada, salida, almacenamiento y extracción de lodos correctamente concebidas, a través de las cuales se debe vehiculizar el agua para lograr el mejor comportamiento y la máxima eficiencia de la unidad. Múltiples evaluaciones han permitido determinar que la eficiencia de este tipo de decantador está estrechamente ligada al comportamiento hidráulico de la unidad. Canal colector de agua decantada
Tubería recolectora de agua decantada
Placas de asbesto-cemento
Canal distribuidor de agua floculada
Orificio de entrada
Drenaje de lodos
Figura 4-4. Decantador de placas de flujo ascendente (2)
Decantadores laminares
139
Zona de entrada. Canal o tubería que distribuye de manera uniforme el agua floculada al módulo de placas. Véase el segundo piso del canal central en la figura 4-4. Zona de decantación. Mediante pantallas paralelas de lona, planchas de asbesto-cemento, fibra de vidrio, etcétera. Zona de salida. Sistema de recolección del agua decantada mediante canaletas, tuberías perforadas (véase la figura 4-4) o vertederos perimetrales, dependiendo del tamaño o capacidad de la unidad. Zona de depósito y extracción de lodos. Tolvas de almacenamiento continuas y múltiples. Sistema hidráulico de extracción uniforme de lodos, mediante colector múltiple y sifones.
4.
ZONA DE ENTRADA
Esta zona tiene como objetivo distribuir el caudal de manera uniforme a todas las unidades que operan en paralelo y a lo largo del módulo de placas. Esta función la desempeñan dos canales con diferente ubicación. 4.1
Criterios de diseño
•
Si se proyectan canales de sección variable, se consigue distribuir el caudal de manera uniforme a varias unidades, para que la velocidad se mantenga constante.
•
La sección del canal puede tener ancho constante y profundidad variable o ancho variable y profundidad constante. Los canales del primer tipo son los más convenientes porque permiten compactar más el área de la planta. La figura 4-5 muestra un canal de ancho variable. En plantas grandes el ancho de este canal puede ser de varios metros, por lo que resulta muy conveniente que tenga un ancho constante y que la mayor dimensión esté en la profundidad, aprovechando la excavación que inevitablemente se hará para la construcción del decantador.
•
Se puede admitir una desviación de caudales de 5% entre la primera y la última compuerta u orificio lateral de distribución, lo cual se comprueba mediante la aplicación de los criterios de Hudson (5).
140
•
Diseño de plantas de tecnología apropiada
El coeficiente de pérdida de carga total en las compuertas (β) está dado por la siguiente expresión: 2
β = 1 + θ + (Vc / VL ) . ϕ
(1)
Donde: 1 θ
= =
pérdida de carga debida a la disipación de energía en el lateral coeficiente de pérdida de carga en la entrada. En canales cortos como los que se diseñan en las plantas de tratamiento de agua, el valor de este coeficiente es de θ = 0,7 coeficiente de pérdida de carga en el cambio de dirección de la corriente, ϕ = 1,67 velocidad en el canal o tubo principal de distribución en m/s velocidad en los laterales: compuertas o tuberías laterales que reciben el caudal distribuido en m/s
ϕ
=
Vc VL
= =
•
La velocidad real en los laterales (VL1) se comprueba mediante la siguiente expresión: Qt
VL = AL . β1
(∑
n
i =1
1
/ βi
)
(2)
Donde: caudal total por distribuir (m3/s) área de cada uno de los orificios de las compuertas o de los tubos laterales de distribución (m2)
Qt AL
= =
•
Para comprobar el gradiente de velocidad medio (G) en los orificios o secciones de paso, se empleará la siguiente expresión (6): G = (γ/2µg)0,5 . (f /4 RH)0,5 . VL1,5
Donde:
γ RH
= =
densidad del agua en kg/cm3 radio hidráulico de la sección en m
(3)
Decantadores laminares
µ
=
f
=
viscosidad absoluta (kg/cm2 x seg) coeficiente de DarcyWeisbach: varía entre 0,015 y 0,030
hf = β VLn2 /2g hf VLn
= =
141
(4)
pérdida de carga en m velocidad real en el lateral número n en m/s.
Figura 4-5. Canal de distribución a varios decantadores (4)
Aplicación 1. Canal de distribución uniforme del agua floculada a los decantadores. •
Todos los decantadores que operan en paralelo deben tener un comportamiento similar. Esto solo ocurrirá si todos reciben caudales iguales para que la tasa de operación sea uniforme.
•
El cuadro 4-1 muestra un ejemplo de aplicación al diseño de un canal que distribuye 0,5 m3/s a cinco decantadores; se admite una desviación de hasta 5% (figura 4-6). Este diseño se comprobó y la desviación de la velocidad en las compuertas de paso dio 4,2%, menor de 5% y, por lo tanto, aceptable (cuadro 4-2).
ß1 =1+ 0,7+1,67 [0,145/0,28] 2 ß1 = 2,148
β1=1+è+Ø [Vc /VL]2
Coeficientes experimentales de Hudson
Del cuadro 4-2
8
9
∑ / β
3,467
1
=
è = 0,70 Ø = 1,67
VL = 0,28
m/s
∑ 1/ β
VL1 = Qt / AL . β1
AL = 0,100/ 0,28 AL = 0,36 b = 0,60 ; h = 0,60
AL = q / VL
Velocidad en los laterales
7
VL1= 0,500 / (0,36) . (1,466)(3,467) VL1 = 0,273
β1 = 1,466
Bi = 3,45/1,50 = 2,30
Hi = Ai / B
m/s
Ai = 0,500/0,145 Ai = 3,45
Vi = 0,145
Ai = Q/ Vi
AF = 0,60 (1,50) AF = 0,90
0,50/5 0,10
Velocidad en la sección inicial
m
HF = 0,60
A F = HF . B
q= q=
Cálculos
6
Altura mínima
4
m
B = 1,50
constante
q = Q/N
Criterios
Vc = 0,100 / 0,90 Vc = 0,11
Ancho del canal
3
N=5
m3/s
Unidad
Vc = q/AF
N.° de decantadores
2
Q = 0,500
Cantidad
5
Caudal
Datos
1
Paso
Cuadro 4-1. Dimensionamiento del canal de agua floculada (4)
m2
m
m2
m/s
m2
m3/s
Unidad
Velocidad real en la primera compuerta
m/s
Coeficiente de pérdida constante de carga en los orificios de las compuertas
Sección útil de las compuertas
Altura inicial del canal
Sección inicial del canal
Velocidad en la sección final del canal
Sección final del canal
Caudal de ingreso a cada decantador
Resultados
142 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Velocidad de la compuerta número 5
ã/ì =
13
14
Coef. Darcy
12
VL5 = 0,288
2,955
f = 0,02
Ancho de sección b = 0,60 Profundidad de a = 0,60 sección
11
β5 = 1,963
Cantidad
Del cuadro 4-2
Datos
10
Paso
m m
Unidad
G = (2.955(1/19,6) x [0,02/ 4 (0,15)] 0,5 (0,288) 1,5 G = 18,8
Gradiente de velocidad al paso del flujo por las compuertas
R H = (0,60x0,60)/2(0,60+0,60) Radio hidráulico de una compuerta RH = 0,15
R H =(axb)/2(a+b)
0,5
Pérdida de carga en las compuertas
hf = 1,96 (0,288)2 /19,6 hf = 0,008
hf = ß VL52 /2g
G= (ã/2ìg)0,5 . (f /4 RH)0,5. VL1,5
Desviación de caudal aceptable
Velocidad real en la última compuerta
Resultados
ä = (0,288 – 0,276) / 0,288 ä = 4,2% ; ä < 5,0%
VL5 = 0,500 / (0,36).(1,401) (3,467) VL5 = 0,288
Cálculos
ä = (VL5 - VL1 ) / VL5
Criterios
Cuadro 4-1. Dimensionamiento del canal de agua floculada (continuación)
s-1
m
m
m/s
Unidad
Decantadores laminares 143
'LVHxR GH SODQWDV GH WHFQRORJtD DSURSLDGD
&XDGUR&RPSUREDFLyQGHODGHVYLDFLyQGHOFDXGDOHQHOFDQDOGHGLVWULEXFLyQ GHDJXDIORFXODGDDYDULRVGHFDQWDGRUHVHQSDUDOHOR 1R
4 PV
; P
+[ P
$[ P
9F PV
9F9/
9/ PV
&DXGDO
+
)LJXUD(VTXHPDGHOFDQDOGHGLVWULEXFLyQSURSXHVWR HQHOHMHPSORGHOFXDGUR
$SOLFDFLyQ&DQDOORQJLWXGLQDOGHGLVWULEXFLyQXQLIRUPHDOPyGXORGHSODFDV (VWHFDQDOVHGLPHQVLRQDFRQ ORVPLVPRVFULWHULRVHPSOHDGRVHQ HOFiOFXORDQWHULRU/DORQJLWXGWR WDO GHO FDQDO HV OD GHO PyGXOR GH SODFDVFDOFXODGRHQHOFXDGUR /DDOWXUDPi[LPDGH PHWURV VHGHWHUPLQDHQHOHVTXHPDGHOD ILJXUD \ OD DOWXUD PtQLPD GH PHWURVFRQFULWHULRVFRQVWUXF WLYRV ILJXUD
I´
I´
I´
$GRSWDQGRXQDQFKRGHFD QDOGHPHWURVVHFRQVLGHUD URQORVRULILFLRVXELFDGRVHQHOIRQ
)LJXUD&DQDOGHGLVWULEXFLyQ ORQJLWXGLQDODOPyGXORGHSODFDV
Decantadores laminares
145
do y a ambos lados del canal, con una distancia de centro a centro de 0,50 metros. Podemos ver la forma de este canal en la figura 4-8. Véase el procedimiento de cálculo en el cuadro 4-3. Figura 4-8. Forma del canal central de distribución de agua floculada a lo largo del módulo de placas (4)
Aplicación 3. Distribución mediante tuberías
Cuando se proyectan decantadores pequeños, en lugar de canales, se emplean tuberías de PVC con perforaciones y se calcula la relación entre el diámetro de la tubería y los orificios con criterios de distribución uniforme. Véanse las fiVertederos Vertederos guras 4-9 y 4-10. Consideraregulables regulables Asbesto-cemento remos para el estudio de caso Asbesto-cemento o vinilonas o vinilonas un decantador con capacidad para producir 10 L/s. Véase el Orificios Orificios cuadro de cálculo 4-5. Losas removibles Losas removibles con orificios
con orificios
En la figura 4-10 se presenta un corte longitudinal del decantador pequeño. Las tube-
Decantador laminar
Figura 4-9. Solución para decantadores laminares de pequeña capacidad (4)
Válvula mariposa Canal repartición de agua floculada
Desagüe
Agua decantada
Sistema de recolección de agua decantada Válvula mariposa ø 4’’
Tubería de distribución de agua floculada Losas removibles con orificios para la extracción de lodos
Orificios
Decantador laminar
Figura 4-10. Decantador laminar con distribución de agua floculada mediante tuberías (4)
rías que se utilizan para distribuir el agua floculada son de PVC y los decantadores deben proyectarse con la longitud máxima que da el tubo.
6HSDUDFLyQ GH FHQWUR D FHQWUR HQWUH RULILFLRV /RQJLWXG WRWDO GHO FDQDO 'LVWDQFLD HQWUH OD SDUHG \ HO SULPHU RULILFLR
9) 4) $) 9 ) 9 )
4G 1 T R 4)
TR TR TR 4 )
9HORFLGDG HQ HO H[WUHPR ILQDO GHO FDQDO
&DXGDO TXH OOHJD DO H[WUHPR ILQDO GHO FDQDO
&DXGDO SRU RULILFLR
6HFFLyQ HQ HO H[WUHPR ILQDO GHO FDQDO
$ ) % K $ ) $)
P P
% K
'LiPHWUR GH ORV RULILFLRV
G $ / [ P G [ G
1~PHUR GH RULILFLRV D FDGD ODGR GHO FDQDO
ÈUHD WRWDO GH RULILFLRV
&DXGDO GHO FDQDO GXUDQWH HO PDQWHQLPLHQWR GH XQD XQLGDG &DXGDO GH OD PLWDG GHO FDQDO
5HVXOWDGRV
ÈUHD GH FDGD RULILFLR
1 / ± G 1 1 FRQVLGHUDQGR XQ RULILFLR DO LQLFLR GLVWDQFLD FHUR HQ WRWDO VRQ 1 RULILFLRV D FDGD ODGR GHO FDQDO
$ 7 4 G 9/ $7 $7
4 F 4 G
4 F 4 4 F 4 F
&iOFXORV
$ / $ 7 1 $ / $ /
P P
P
PV
P V
8QLGDG
$QFKR GHO FDQDO $OWXUD PtQLPD
D
9HORFLGDG HQ ORV RULILFLRV
/ '
9/
&DXGDO GH XQ GHFDQWDGRU HQ FRQGLFLRQHV QRUPDOHV GH RSHUDFLyQ
4
'DWRV
3DVR
&DQWLGDG
&XDGUR'LPHQVLRQDPLHQWRGHOFDQDOFHQWUDOGHGLVWULEXFLyQGHDJXDIORFXODGD
PV
P V
P V
P
P
P
XQLGDGHV
P
P V
PV
8QLGDG
'LVHxR GH SODQWDV GH WHFQRORJtD DSURSLDGD
G
$OWXUD Pi[LPD GHO FDQDO
&RHILFLHQWHV H[SHULPHQWDOHV
'HO FXDGUR 3
7 o&
&RHILFLHQWH 'DUF\ :H L V E D F K
)
J P
+
'DWRV
3DVR
&DQWLGDG P
8QLGDG 6HFFLyQ LQLFLDO GHO FDQDO 9HORFLGDG HQ HO H[WUHPR LQLFLDO &RHILFLHQWH GH SpUGLGD GH FDUJD WRWDO HQ HO SULPHU RULILFLR GHO FDQDO &RHILFLHQWH GH SpUGLGD GH FDUJD HQ HO ~OWLPR RULILFLR GHO FDQDO 9HORFLGDG UHDO HQ HO SULPHU RULILFLR 9HORFLGDG UHDO HQ HO ~OWLPR RULILFLR 'HVYLDFLyQ GH FDXGDO HQWUH HO SULPHU \ HO ~OWLPR RULILFLR *UDGLHQWH GH YHORFLGDG HQ ORV RULILFLRV
9F 4F $F 9 F 9 F T >9 F 9/@ > @ > @ 9/ 47 $/ 3 9/ 9/ 9 / 9 / G 9/ 9/ 9/ G ± G
* J PJ I 5+ 9/ * > @ *
5HVXOWDGRV
$F %+ $F $F
&iOFXORV
&XDGUR'LPHQVLRQDPLHQWRGHOFDQDOFHQWUDOGHGLVWULEXFLyQGHDJXDIORFXODGD FRQWLQXDFLyQ
V
PV
PV
PV
P
8QLGDG
'HFDQWDGRUHVODPLQDUHV
'LiPHWUR GH OD WXEHUtD GH GLVWULEXFLyQ
5HODFLyQ GH J P SDUD XQD WHPSHUDWXUD GH &
&RHILFLHQWH 'DUF\ :H L V E D F K
' ´ '
XQLGDG
SXOJDGDV P
P
6HSDUDFLyQ GH ORV RULILFLRV H
9HORFLGDG HQ ORV RULILFLRV
/RQJLWXG GHO PyGXOR GH SODFDV \ GH OD WXEHUtD
P
'LiPHWUR GH ORV RULILFLRV ÈUHD GH OD WXEHUtD GH GLVWULEXFLyQ /D GHVYLDFLyQ TXH VH SURGXFLUi HV PHQRU GH SRU OR WDQWR FRQ GRV WXEHUtDV GH ´ VH FRQVHJXLUiQ PDJQtILFRV UHVXOWDGRV *UDGLHQWH GH YHORFLGDG HQ ORV RULILFLRV
$ F S ' $F S $F Q$R$F SDUD TXH% Q$R$F
* J PJ I 5+ 9/ * * V
1~PHUR GH RULILFLRV SRU WXER GH GLVWULEXFLyQ
ÈUHD WRWDO GH RULILFLRV SRU WXEHUtD
5HVXOWDGRV
$R $W Q $R $R ' ´
Q / H Q Q
$W 4 9/ $W $W
P V PV
&iOFXORV
8QLGDG
9/
4
&DQWLGDG
/
&DXGDO SRU GHFDQWDGRU
'DWRV
3DVR
V
P
SXOJDGDV
XQLGDG
P
8QLGDG
&XDGUR'LPHQVLRQDPLHQWRGHWXEHUtDVGHGLVWULEXFLyQGHDJXDIORFXODGDDORODUJRGHOPyGXORGHSODFDV
'LVHxR GH SODQWDV GH WHFQRORJtD DSURSLDGD
'HFDQWDGRUHVODPLQDUHV
&XDGUR&iOFXORGH3 3 BHQHOGLPHQVLRQDPLHQWRGHOFDQDOLQWHULRUGH GLVWULEXFLyQGHDJXDIORFXODGDDOPyGXORGHGHFDQWDFLyQ 1R GH RULILFLRV
4 PV
; P
%; P
ÈUHD P
9& PV
9F9/
9/ PV
3
150
Diseño de plantas de tecnología apropiada
5.
ZONA DE SEDIMENTACIÓN
5.1
Criterios específicos
•
Esta zona se proyecta sobre la base de la tasa de decantación seleccionada durante el estudio de laboratorio efectuado con el agua cruda. La muestra debe tomarse durante el periodo lluvioso, para que los resultados de estas pruebas, que constituyen los parámetros de diseño del proyecto, correspondan a las necesidades de la época más crítica.
•
Figura 4-11. Zona de decantación mediante módulos de asbesto-cemento (4)
Las lonas que se utilizan como placas son de vinilo y reforzadas con hilos de poliéster de alta tenacidad (KP 500 ó 1.000), recubiertas por ambos lados con PVC de formulación especial; con bastas en todo el contorno y cabos o refuerzos metálicos internos, por lo menos en los laterales y en la parte inferior. Estarán provistas de ojalillos de aluminio en las cuatro esquinas, los que servirán para templarlas y fijarlas convenientemente, mediante pasadores de plástico, a perfiles de aluminio, ubicados en las paredes de los canales laterales. Véase el detalle de la instalación en la figura 4-12. Perno de anclaje Perfil de aluminio e = 1/4” Perfil de aluminio e = 1/4”
con orificios de φ 1/2”
1
Perfil de aluminio e = 1/4” Pasador Lonas de poliéster Lonas de poliéster 60º
1
Perno de anclaje Ver Det. A-A
Corte 1-1
Detalle A-A
Figura 4-12. Instalación de las lonas de vinilo (4)
Decantadores laminares
151
•
Los perfiles de aluminio que se empotran en las paredes laterales son de 90°, 1/4" de espesor y 5 centímetros de ancho con orificios de un centímetro de diámetro, separados a partir del extremo de acuerdo con el espaciamiento calculado en el proyecto (10, 12 ó 14 centímetros). El perfil superior se ubicará a 1,30 metros del borde superior del decantador, de tal manera que el nivel máximo del módulo de decantación tenga un metro de sumergencia. Las lonas se instalarán formando un ángulo de 60° con el plano horizontal, por lo que el perfil inferior se colocará paralelo al anterior, a una distancia de 1,04 metros y con los orificios dispuestos en forma similar. 5 cm
•
Las láminas de asbesto-cemento de 6 milímetros de espesor y 2,40 metros de largo se pandean y producen una flecha de hasta 5 centímetros cuando están inclinadas a 60° y soportadas solo en sus extremos.
•
8 cm
e
d
Figura 4-13. Separadores para placas de asbesto-cemento (7)
Esto se resuelve colocando uno o dos separadores al centro de las placas, de forma que se apoyen unas sobre las otras, con lo que se evita una deflexión excesiva. Estos separadores pueden ser de madera o de asbesto-cemento (figura 4-13). Lámina de asbesto-cemento
Perfil en ‘‘U’’ de aluminio
•
Separadores de asbesto-cemento
Figura 4-14. Otros tipos de separadores de placas (7)
Los separadores de asbesto-cemento constan de tiras de 5 a 6 centímetros de ancho y 10 milímetros de espesor, adheridas con pegamento a las láminas para su mayor estabilidad. También se usan perfiles en ‘‘U’’, asegurados con tornillos, aunque es suficiente la sola presión de una placa sobre la otra para conservar los separadores en su posición (figura 4-14).
152
•
•
Diseño de plantas de tecnología apropiada
El apoyo de las placas en sus extremos se ha efectuado de varias formas. Una de las más difíciles de llevar a la práctica, dependiendo de la calidad de mano de obra disponible, consiste en efectuar ranuras longitudinales de 4 a 5 centímetros de profundidad e inclinadas en 60°, en los muros que limitan el ancho de la zona de decantación.
Perfil con ranuras
Perfil visto en planta
Lámina de asbestocemento Viga con borde dentado Perfil de 2’’x 2’’ x 1/4’’
Figura 4-15. Detalle de instalación de placas de asbesto-cemento con perfiles (4)
Otro sistema de colocación de placas consiste en empotrar un perfil de 2" x 2" x 1/4", debidamente protegido contra la corrosión, con ranuras convenientemente dispuestas para sujetar las láminas en la parte superior. Se dejará una saliente de unos 10 centímetros en los muros para sujetar las láminas en el extremo inferior (figura 4-15). En algunos casos, solamente se colocarán apoyadas en la parte baja y con separadores en el medio de las láminas.
•
En plástico se han adoptado las formas tubulares de sección cuadrada, hexagonal o circular, que constituyen los denominados módulos patentados (figuras 4-16).
•
Los módulos patentados se fabrican normalmente de plástico o de fibra de vidrio. El plástico es el material ideal para este fin por su poco peso. Como su costo es muy alto, los módulos de este material tienen de 0,50 a 0,60 metros de altura y están hechos de láminas muy delgadas para disminuir su peso y, por consiguiente, también el costo de transporte.
Decantadores laminares
153
•
Los módulos dan mayor resistencia estructural al conjunto, pero hidráulicamente tienen desventajas con respecto a las placas. A igualdad de condiciones (inclinación y longitud relativa), las secciones tubulares cuadradas o circulares producen cargas superficiales equivalentes más altas que las de placas. Debido a la poca altura de los módulos, decrece el valor de la Figura 4-16. Módulos de decantación profundidad relativa del decantador, de sección hexagonal (4) que es de 10 a 12 en este caso, mientras que con las placas es de 20 a 24, lo cual incrementa la tasa superficial de la unidad en 50 a 60% por este solo concepto.
5.2
Criterios para el dimensionamiento
•
El área total que debe cubrirse con placas espesor (e) y separación (e’), en el plano horizontal, se calcula mediante la siguiente expresión: As = Q/ fVs
(5)
f = sen θ (sen θ + L Cos θ) / s Donde: caudal en m3/ds velocidad de sedimentación de la partícula en m/s longitud relativa módulo de eficiencia de placas
Q Vs L S
= = = =
•
La longitud relativa L se determina mediante la siguiente expresión: L = lu / d
Donde: lu d
= =
longitud útil dentro de las placas espaciamiento entre las placas
(6)
154
•
Diseño de plantas de tecnología apropiada
El número total de placas por instalar (N) se calcula mediante la siguiente expresión: N = As sen θ / B d
(7)
Donde: B
=
•
El número de Reynolds se comprueba mediante la siguiente expresión:
Ancho total neto de la zona de decantación
Nr = 4 RH . Vo / v
(8)
Donde: viscosidad cinemática en m2/s velocidad media del flujo en m/s radio medio hidráulico en m
v Vo RH
= = =
5.3
Aplicación
Siguiendo con el ejemplo inicial, pasaremos a calcular una unidad para 100 L/s de capacidad. Se efectuaron los estudios de laboratorio con una muestra de 550 UNT, representativa de las condiciones más críticas, y se obtuvo la curva de decantación indicada en la figura 4-17.
Curva de decantación 0,40 0,30 Co
0,20 0,10 0,00 0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
Vs (cm/s)
Figura 4-17. Curva de decantación (4) A partir de la curva de decantación, se desarrolló el cuadro 4-6. Entrando en la curva con los valores de velocidad de sedimentación correspondientes al rango de tasas de la primera columna del cuadro, se van obteniendo los valores de Co = Tf/To, con los que se calculan las columnas siguientes (véase Tratamiento de agua para consumo humano. Planta de filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo II, capítulo 11).
Decantadores laminares
155
Cuadro 4-6. Selección de la velocidad óptima de decantación (4) Q m3/m2/d
Vs cm/s
Co %
Rt UNT
Tr UNT
Tf UNT
25
0,029
0,15
0,999
179,75
0,25
28,5
0,033
0,16
0,996
179,35
0,65
30
0,035
0,175
0,994
178,84
1,16
35
0,040
0,18
0,991
178,31
1,69
36
0,042
0,185
0,989
178,00
2,00
37
0,043
0,19
0,987
177,74
2,26
40
0,046
0,22
0,979
176,30
3,70
Del análisis del cuadro anterior se determinó que la tasa de decantación con la que se podía obtener un efluente con 2 UNT era de 36 m3/m2.d. Dado que esta tasa se obtuvo en el laboratorio en condiciones ideales, se aplicó un coeficiente de seguridad de 1,3, con el que se obtuvo una tasa de 27,7 m3/m2.d. Durante el cálculo, esta tasa se incrementó a 28,74 m3/m2.d para redondear la longitud del decantador a 12 metros. Véase un ejemplo de cálculo de la unidad en el cuadro 4-7.
I >VHQ T VHQT /FRV T @ 6 I I $V $V $V
PV P V
O
6
9 V
4
/RQJLWXG GHO PyGXOR GH SODFDV
0yGXOR GH HILFLHQFLD GH ODV SODFDV 9HORFLGDG GH VHGLPHQWD FLyQ GH ODV SDUWtFXODV &DXGDO GH GLVHxR GHO GHFDQWDGRU
$QFKR WRWDO QHWR GH OD ]RQD GH GHFDQWDFLyQ
%
P
P
ÈUHD VXSHUILFLDO GH OD XQLGDG 1~PHUR GH FDQDOHV IRUPDGRV SRU ODV SODFDV
> [ @ 4 I 9V [
1 $V VHQ T %G 1 > @ [ 1
P
P
/RQJLWXG UHODWLYD GHO PyGXOR GH SODFDV
/ OX G / /
&RHILFLHQWH GHO PyGXOR GH SODFDV
FP
FP
8QLGDG
/RQJLWXG ~WLO GHQWUR GH ODV SODFDV
(VSDFLDPLHQWR HQWUH ODV SODFDV
5HVXOWDGRV
OX O ± H¶ FRV T OX ± FRV o OX
G H¶ VHQ T ± H G VHQ T ± G
o
FP
H
T
FP
H¶
6HSDUDFLyQ GH ODV SODFDV HQ HO SODQR KRUL]RQWDO (VSHVRU GH ODV ORQDV GH YLQLOR ÈQJXOR GH LQFOLQDFLyQ GH ODV SODFDV
&iOFXORV
8QLGDG
'DWRV
3DVR
&DQWLGDG
&XDGUR'LPHQVLRQDPLHQWRGHXQGHFDQWDGRUGHSODFDVSDUDOHODV
'LVHxR GH SODQWDV GH WHFQRORJtD DSURSLDGD
9
cm2/s
V = 0,013
Viscosidad a 10 °C
8
Número de Reynolds Velocidad longitudinal máxima
Nr = 4 RH x Vo/v Nr = 4(4,95)(0,21)/0,013 Nr = 320 Vo = [NR/8] 0,5 Vsc Vo = [323/8] 0,5 (0,033) Vo = 0,21
Radio hidráulico del módulo de placas
RH = b.d/2(b+d) RH = (2,40)(0,103)(100) 2(2,40 + 0,103) RH = 4,95
b = 2,4
Ancho del módulo de placas
7
m
Velocidad media del flujo
Resultados
Vo = Q / As senè Vo = {0,100 /[54,41(0,866)]} · 100 Vo = 0,21
Cálculos
6
Unidad Longitud total del decantador
Cantidad LT = 1cosè +[Nd+(N+1)e]/senè LT = [1,2(0,5) + 95(0,1033) + (95+1)0,0006] / (0,866) LT = 12
Datos
5
Paso
Cuadro 4-7. Dimensionamiento de un decantador de placas paralelas (continuación)
cm/s
cm
cm/s
m
Unidad
Decantadores laminares 157
158
Diseño de plantas de tecnología apropiada
6.
ZONA DE SALIDA
6.1
Criterios generales
•
La uniformidad en la ascensión del flujo depende tanto de las características de la zona de entrada como de la de salida.
D
h h/D <
0,75
Figura 4-18. Canal central y tuberías laterales de recolección de agua decantada (6)
•
•
Para conseguir una extracción uniforme, se puede diseñar ya sea un canal central recolector y canales laterales (figura 4-18), un canal central y tuberías laterales perforadas o un canal central y vertederos laterales (figura 4-19).
ho
ho
b
Vertedero metálico ajustable
ho
Figura 4-19. Vertederos de recolección regulables (6)
No es recomendable diseñar vertederos fijos de bordes lisos, porque cualquier desigualdad en los bordes produce apreciables desigualdades en la cantidad de agua extraída.
Decantadores laminares
159
En los bordes de los vertederos de concreto deben empernarse láminas de acero o PVC dentadas (con vertederos en ve) o de bordes lisos, que trabajen con tirantes de agua de 5 a 10 centímetros. Esta solución permitirá nivelarlos en obra (figura 4-19). •
Tubos con perforaciones en la parte superior dan excelentes resultados cuando todos los orificios son de igual diámetro, con una carga de agua sobre estos de 5 a 10 centímetros y descarga libre hacia un canal central o canales laterales; el tubo no debe trabajar a sección llena. Esta última condición es básica para obtener una extracción equitativa del flujo.
6.2
Criterios para el dimensionamiento
•
La longitud de vertederos de recolección (lv) se calcula mediante la siguiente expresión: lv = Q/qr
(9)
Donde: Q qr
= =
caudal de diseño del decantador en L/s tasa de diseño de los vertederos, que varía entre 1,1 y 3,3 L/s x m de longitud de vertedero.
Los valores de qr cercanos a 1,10 L/s x m se recomiendan para flóculos débiles o para plantas con operación poco confiable, y valores cercanos a 3,30, para casos de flóculos grandes, pesados y con buen nivel de operación.
Figura 4-20. Sistema de recolección mediante tuberías perforadas (4)
160
•
Diseño de plantas de tecnología apropiada
La distancia máxima entre los vertederos de recolección (d) es una función de la profundidad (h) de instalación de los módulos o placas, y es inversamente proporcional a la tasa de escurrimiento superficial. d/ h = 432/ Vs
(10)
Donde: Vs
=
velocidad ascensional del agua o tasa de escurrimiento superficial en m3/m2/d
En el gráfico de la figura 4-21 se encuentra representada la variación de d/h con Vs. •
Cuando la recolección se efectúa mediante tuberías con perforaciones, se recomienda determinar la longitud de tubería mediante la ecuación 9, el distanciamiento máximo centro a centro mediante el criterio de la ecuación 10 y, para que la colección sea uniforme, el diámetro de los orificios y del tubo se determinarán a partir de la expresión 11. Vc/Vo = nAo/Ac < 0,15
(11)
Donde: n
=
Ao Ac Vo Vc
= = = =
número de orificios. Se calcula de acuerdo con la longitud del tubo, con un espaciamiento de 0,10 metros área de los orificios, normalmente ½” área del tubo velocidad en los orificios en m/s velocidad en la tubería en m/s
Esta relación de velocidades o de secciones asegura una desviación < 5% (véase el ábaco de la figura 4-23). Se recomienda, además, una altura de agua de 5 a 10 centímetros sobre los orificios.
Decantadores laminares
161
d
h
4,0
3,0
d h
2,0
1,0 100
200
300
Velocidad ascensional 3 2 V s m /m d
Figura 4-21. Relación de la distancia máxima entre las canaletas de agua decantada versus la profundidad de agua en función de la tasa de escurrimiento superficial (5)
162
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Aplicación 1. Recolección del agua decantada mediante tuberías perforadas Veamos ahora el procedimiento de cálculo del sistema de recolección de agua decantada. Se ha elegido un sistema de tuberías de PVC perforadas por su bajo costo y una tasa de 2 L/s x m debido a que en las pruebas de laboratorio se pudo ver que se forma un buen flóculo que precipita rápidamente. Véase el cuadro 4-8. Aplicación 2. Recolección mediante vertederos Para el caso de decantadores pequeños, la solución mas económica es la de colocar vertederos perimetrales. En ese caso, el cálculo es más sencillo y termina en el paso 2 del cuadro 4-8. Después de calculada la longitud de los vertederos, debemos comprobar que el perímetro de la unidad sea igual o mayor que la longitud requerida. Si no cumple, colocaremos tres hileras de tuberías perforadas a lo largo de la unidad, que descarguen al canal de distribución a los filtros. Tanto los vertederos como las tuberías se colocarán a una altura tal que la capa de agua sobre el módulo de placas sea de un metro. En la medida en que se reduce esta altura, se debe disminuir la tasa de recolección, para evitar que las líneas de flujo se arqueen y arrastren a los flóculos, para alcanzar el nivel de salida. La altura mínima entre el vertedero o tuberías y el módulo de placas es de 0,65 m.
7.
ZONA DE LODOS
Esta zona está compuesta por las tolvas de almacenamiento y el sistema de evacuación o de descarga hidráulica de los lodos. La alternativa más recomendable, por su excelente funcionamiento, es la de tolvas separadas, con colector múltiple de extracción hidráulica y uniforme. La otra solución que se desarrolla es la de tolvas continuas y extracción hidráulica de los lodos mediante sifones.
5HODFLyQ SDUD FROHFFLyQ XQLIRUPH FRQ XQD GHVYLDFLyQ GH
GR ò´ GR
P
H
(VSDFLDPLHQWR HQWUH RULILFLRV 'LiPHWUR GH ORV RULILFLRV
P
%
$QFKR WRWDO GHO PyGXOR GH SODFDV
XQLGDG
SXOJDGDV P
/VP
TU
7DVD GH UHFROHFFLyQ
/V
8QLGDG
4
&DQWLGDG
&DXGDO GH GLVHxR
'DWRV
3DVR
'LiPHWUR GHO WXER
' $F S ' ' ´
1~PHUR GH RULILFLRV SRU WXER ÈUHD GH ORV RULILFLRV GH ò´
Q EH Q Q $R GR S $R S $R
'LiPHWUR GH ORV WXERV GH UHFROHFFLyQ
7XERV GH UHFROHFFLyQ
1 /E 1 1 HQ FDGD PyGXOR GH GHFDQWDFLyQ
Q$R$F $F $F
/RQJLWXG GH WXEHUtDV GH UHFROHFFLyQ
5HVXOWDGRV
/ 4TU / /
&iOFXORV
&XDGUR'LPHQVLRQDPLHQWRGHOVLVWHPDGHUHFROHFFLyQGHDJXDGHFDQWDGD
P
P
P
XQLGDG
FP
P
8QLGDG
'HFDQWDGRUHVODPLQDUHV
164
7.1
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Tolvas separadas y colector múltiple
7.1.1 Criterios de diseño •
En las tolvas separadas, la separación entre orificios está dada por la configuración de las tolvas y el número de estas (figura 4-22).
•
El volumen total de almacenamiento disponible en las tolvas está relacionado con la producción diaria de lodos. Normalmente se adopta un periodo de almacenamiento de un día y la frecuencia máxima de descargas en época de lluvia es de cuatro horas.
•
Las mejores condiciones hidráulicas se consiguen “atolvando” los fondos, de modo que se tenga una tolva por cada boca de salida, con lo cual se consigue, además, tener orificios de descarga de mayor diámetro, lo que disminuye el riesgo de atoros. Como el lodo presiona el punto de salida, la tolva se vacía totalmente (figura 4-22). La viga ubicada debajo de las placas y las columnas se debe a que el módulo era de placas de asbestocemento.
Canal de distribución a filtros
Tubos de PVC con orificios
Canal de distribución a decantadores
Canal de inspección de los colectores de lodos
Orificios Canal de desagüe Válvula mariposa
Colector de lodos
Tapón
Decantador laminar
Figura 4-22. Tolvas separadas y colector múltiple (4)
•
La pendiente de las tolvas debe estar entre 45° y 60° y la sección debe ser aproximadamente cuadrada.
Decantadores laminares
165
•
El diámetro del colector múltiple se incrementa en función de su longitud total, y el diámetro es modificado por el número de orificios de extracción.
•
La extracción de lodos debe ser equitativa y se puede admitir una desviación máxima de 10%.
•
La distribución del flujo entre los orificios depende de la relación entre la suma de las secciones de todos los orificios de descarga (n Ao) y la sección del dren (A). Experimentalmente, se encontró que, para que la desviación (δ) de flujo entre los orificios extremos no sea mayor de 10%, R debe variar entre 0,40 y 0,42. Véase el ábaco de la figura 4-23. R < 0,42
(12)
De acuerdo al ábaco de la figura 4-23, para que la desviación (δ) entre los orificios extremos del colector no sea mayor de 10%, se debe cumplir la siguiente relación: δ=
n AL = ≤ 0,50 A
uc ió dis trib le
de
0.4
Mú ltip
Desviación
n
0.5
0.3
0.2
lector le co Múltip
0.1
0.5
1.0
R = N Ao A
Figura 4-23. Canalizaciones con múltiples laterales (5)
1.5
166
•
Diseño de plantas de tecnología apropiada
El diámetro de los orificios se determina en función del diámetro del dren (D), de la relación (R) y del número de orificios (n).
7.1.2 Criterios de dimensionamiento •
El diámetro de los orificios de descarga (d) se calcula mediante la siguiente expresión:
Figura 4-24. Sistema de tolvas separadas (8)
d = x / 1,162 ( H0,5 / Va )0,5
(13)
Donde: x
=
H Va
= =
separación entre orificios de salida en m. Depende del número de tolvas y de sus dimensiones carga hidráulica en m velocidad de arrastre del lodo
Se recomienda establecer como velocidad mínima de arrastre en los puntos más alejados de 1 a 3 cm/s •
El diámetro del colector de lodos (D) se determina mediante la siguiente expresión:
D=d /
R/N
Figura 4-25. Colector múltiple con orificios y tolvas separadas (5)
(14)
Decantadores laminares
167
Donde: R N D
= = =
relación de velocidades entre el colector y los orificios de descarga número de orificios o de tolvas diámetro de los orificios en m
•
El caudal de drenaje del colector (QL) se puede calcular mediante la siguiente expresión: QL = Cd . A . 2g h
(15)
Donde: Cd A g H
= = = =
coeficiente de descarga sección del colector en m2 aceleración de la gravedad en m/s2 carga hidráulica en m
7.1.3 Aplicación Consideramos el diseño de un decantador de 100 L/s de capacidad del ejemplo anterior. El ancho total de estas unidades, teniendo en cuenta el ancho total del módulo de placas de 4,80 metros, el ancho del canal central de distribución de agua floculada de 0,65 metros (calculado en el cuadro 4-7), más los muros laterales de 0,15 metros, es de 5,75 metros. La unidad tiene 12 metros de largo, por lo que estamos considerando 3 tolvas de 1,50 metros de profundidad total. En estas condiciones, los resultados del cálculo del cuadro 4-9 indican que la capacidad máxima de almacenamiento de las tolvas es de un día, el diámetro del colector y de la válvula mariposa de descarga de lodos es de 28” y los orificios de paso de las tolvas al colector, de 10”. Las instrucciones de operación que acompañen al proyecto deben indicar claramente que en la época de lluvias la frecuencia máxima de descarga debe ser de 4 horas. El esquema del decantador proyectado es similar al de la figura 4-22, solo que con tres tolvas y un solo colector para los dos módulos.
Caudal de lodos producido
Velocidad de arrastre
Carga hidráulica
Separación de orificios de descarga
Relación de velocidades para una desviación de 10%
8
9
10
11
Tasa de producción qL =0,005 L. L/s de lodos (dato que se obtiene en las pruebas de laboratorio)
6
7
Profundidad del tronco de pirámide de la tolva
R = 0,42
x=4
m
m
cm/s
Va = 1 H=4
L/s
m
QL = 0,5
h=1
m
5
h1 = 0,50
Prof. de la sección recta de las tolvas
m
constante
m
4
B = 5,75
N=3
L = 12
Cantidad Unidad
Ancho total del decantador
Longitud del decantador Número de tolvas por decantador
Datos
3
2
1
Paso
VT2 = 1/3 (23) (1) (3) VT2 = 23 QL = 0,005 (100) = 0,5
V T2 = [1/3 A h] N
QL = qL . Qd
D = d/ (R/N)0,5
D = 0,25 / (0,42/3) 0,5 D = 0,71 D = 28"
d = x / [1,162( H0,5/Va ) 0,5 ] d = 4/[1,162 ((4,0)0,5/0,01)) 0,5] d = 0,243; d ≈ 10”
F = (VT1 +VT2 )/0,5 (86,4) F = 1,33
VT1 = 23 x 0,50 x 3 VT1 = 34,5
VT1 = A x h1 x N
F = VT / qL (86,4)
A = 5,75 x 4 A = 23
x = 12 / 3; x=4
Cálculos
A=bx1
x=L/N
Criterios
pulgadas
m
d
m3
m3
m2
m
Unidad
Diámetro del colector m múltiple pulgadas
Diámetro de los orificios de descarga
Frecuencia de descarga
Caudal de lodos producidos por la unidad en época de lluvias
Volumen del tronco de pirámide de la tolva
Volumen de la parte recta de la tolva
Sección máxima de la tolva
Longitud de la base mayor de cada tolva
Resultados
Cuadro 4-9. Dimensionamiento de un colector múltiple con tolvas separadas (4)
168 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Decantadores laminares
7.2
169
Canal central con sifones y tolvas continuas
7.2.1 Criterios de diseño •
En las tolvas continuas el cálculo del espaciamiento es un poco más sofisticado, pues se debe tener en cuenta la esfera de influencia alrededor del orificio, dentro del cual la velocidad del flujo que confluye al punto de salida es capaz de producir arrastre de partículas sedimentadas.
•
El canal de descarga de lodos de la figura 4-26 debe dimensionarse de modo que el escurrimiento en su interior sea libre. En general, se requiere entrada y salida de aire, lo cual se consigue colocando una tubería de ventilación en los extremos. En estas condiciones, los colectores individuales dispuestos a lo largo del canal, descargarán libremente el lodo en el interior de este, pues todos estarán sometidos a la misma carga hidráulica (h).
Agua decantada
o o
n
o
Agua floculada Tubos de descarga de lodos
m
m n o
Canal de descarga de lodos Canal de distribución de agua floculada Canal de colecta de agua decantada
Figura 4-26. Canal de extracción de lodos mediante sifones (5)
7.2.2 Criterios de dimensionamiento •
El caudal en un tubo corto está dado por la siguiente expresión: q = Cd . A
2g h
(16)
170
Diseño de plantas de tecnología apropiada
El coeficiente de descarga (Cd) se selecciona del cuadro 4-10, en función de la relación L/D, donde L es la longitud del sifón y D su diámetro. Cuadro 4-10. Valores de Cd en función de L/D L/D
Cd
300 200 100
0,33 0,39 0,47
90 80 70 60
0,49 0,52 0,54 0,56
50 40 30 20
0,58 0,64 0,70 0,73
•
En el caso de la figura 4-26, se tiene una sola tolva continua en el sentido longitudinal de la unidad, pero, como se puede apreciar en la figura 4-27, dependiendo del área de la unidad, se pueden tener varias tolvas continuas. La extracción de los lodos se puede hacer mediante sifones o por medio de orificios en el fondo.
•
Es necesario considerar el número, diámetro y espaciamiento de los orificios de drenaje.
•
La distancia (x) entre los orificios de descarga debe ser tal que la velocidad mínima de arrastre de los lodos (Va) no sea menor de un cm/s.
•
El canal debe funcionar con la superficie expuesta a la
Orificios para aspiración de lodos
Figura 4-27. Sistema de tolvas continuas (8)
Decantadores laminares
171
presión atmosférica, para que los sifones trabajen con descarga libre al canal y la recolección se realice equitativamente, al estar todos los pequeños sifones sometidos a la misma carga hidráulica (h) (figura 4-26). •
Distancia máxima entre tubos laterales de 0,90 m.
•
Diámetro mínimo de los sifones laterales de 1 ½’’.
•
Caudal mínimo por lateral de 3 L/s.
•
Velocidad mínima en el lateral de 3 m/s.
•
Para mantener el régimen de descarga libre en el canal, se debe diseñar un ducto de entrada de aire con la sección adecuada, para que compense el volumen de aire arrastrado por el agua.
7.2.3 Aplicación El cuadro 4-11 presenta un ejemplo de aplicación de estos criterios al dimensionamiento de este sistema de recolección de lodos mediante sifones cortos y tolva continua (figura 4-26). De acuerdo con los cálculos del cuadro 4-11, será necesario instalar 22 sifones para tener una buena recolección de lodos. Las tolvas se llenarán en un día y medio en la época de lluvias y la válvula de descarga se abrirá durante 1,2 minutos para que las tolvas se vacíen; durante este lapso se deberá cerrar el ingreso de agua floculada para evitar cortocircuitos. Debe instalarse, además, un tubo de ventilación a cada extremo del canal, para que haya circulación de aire en su interior. 7.3
Otros sistemas de descarga de lodos
7.3.1 Descarga mecánica automática Se trata de válvulas automáticas que pueden ser accionadas mediante aire comprimido o agua, o bien por medio de un programador electrónico o electroválvula que abre y cierra el circuito para descargar según intervalos programados o mediante sifones de accionamiento mecánico y de carga automática (CLARIVAC). La figura 4-28 muestra un decantador laminar de un m3/s de capacidad operando con un sistema de extracción de lodos continuo de patente CLARIVAC.
172
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Este sistema solo se recomienda para decantadores muy grandes y requiere buenos recursos de operación y mantenimiento.
Figura 4-29. Canal de descarga del sistema CLARIVAC
Figura 4-28. Sistema CLARIVAC de extracción de lodos
La figura 4-30 muestra el sifón fluctuante de diseño artesanal, y la figura 4-31, el sistema patentado CLARIVAC.
Otro sifón
Nivel del agua
0,30
Canaleta de lodos Orificios para succión de lodos Fondo del decantador
3,25
Figura 4-30. Sifón fluctuante
0,10
0,20
Decantadores laminares
173
Tirante Guía
Cable para desplazamiento φ 1/8’’
Flotador
Protector Tubo de sifón Flotador
Válvulas de control de descarga Guía
Colector Canal de recolección
Figura 4-31. Sistema CLARIVAC
8.
DEFECTOS DE DISEÑO MÁS COMUNES
Es todavía frecuente encontrar unidades nuevas diseñadas como las de la primera generación, sin una estructura de entrada apropiada y sin un sistema de extracción de lodos hidráulico (figura 4-32). En estas unidades todo el flujo ingresa por el inicio de la unidad y se distribuye de acuerdo con la longitud de esta y la velocidad de paso por debajo de las placas. En las unidades largas normalmente la mayor parte del caudal llega al final y asciende levantando los flóculos. También es frecuente encontrar que la longitud de recolección es muy corta y las pocas canaletas de recolección consideradas se encuentran totalmente ahogadas. Cuando la longitud de recolección es muy corta, la velocidad de as-
Figura 4-32. Decantador de placas de la primera generación (4)
9
8
Distancia entre sifones Frecuencia de descarga ideal
m h
a = 0,90 F1 = 4
T = ( ∀ / qL ) x N1 x 60
∀ 1 = QL x F1
N1 = 2 L/a
∀ = [(b + b1 )/2] H4 N L
Q L = Q x TL
7
L/s m constante m m
mL/L
v = Cd ( 2 gh)0,5
q L = Cd A 2 gh
Criterios
F = ∀ / QL x 86,4
Q = 100 H4 = 2 N=2 b = 2,40 L = 10
TL = 5
m2
m/s2
g = 9,8 A = 0,0011
m
H=3
m
mm
Unidad
6
5
4
3
Carga hidráulica Aceleración de la gravedad Sección de un sifón de ø 1½ Tasa de producción de lodo Caudal de diseño Altura de tolva Número de tolvas Ancho mayor Longitud del decantador
Ls = 2,84
Longitud del sifón
2
D = 38
Diámetro del sifón
1
Cantidad
Datos
Paso
Volumen de almacenamiento de lodos
Velocidad de extracción Caudal total de lodo producido
Caudal que puede extraer cada sifón
Coeficiente de descarga
Resultados
m3
L/s
m/s
m 3/s o L/s
constante
Unidad
Máxima capacidad d de almacenamiento disponible constante N1 = 2 (10)/0,90 Número de N1 = 22 sifones Volumen producido m3 ∀ 1 = 0,5 x 4 x 3,6 en 4 horas ∀ 1 = 7,2 T = 7,2/(0,00447 x 22 x 60) Duración de la min T = 1,2 descarga
F = 68 / [0,5 (86,4)] F = 1,6
∀ = 68
x 10 x 2
∀ = [(2,40 + 1,00)/2] 2
v = 0,53 [2 (9,8) (3)]0,5 v = 4,06 QL = 100 (0,005) QL = 0,5
q L = 0,53(0,0011) 2(3)9,8 q L = 0,00447 ó 4,7
L = L s/D L = 2,84/0,038 L = 74,7 del cuadro 4-10 se obtiene: Cd = 0,53
Cálculos
Cuadro 4-11. Cálculo del sistema de extracción de lodos mediante sifones
174 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Decantadores laminares
175
censión del agua es muy alta y arrastra a los flóculos que tratan de depositarse sobre las placas.
Figura 4-33. Decantador de placas con problemas de recolección (4)
También son comunes los casos en que un decantador convencional se convierte en decantador de placas y el sistema de recolección permanece igual, sin incrementarse de acuerdo con el mayor caudal que la unidad va a producir en adelante.
El decantador de placas de la figura 4-34 no tiene un sistema de recolección adecuado. Únicamente se colocó un vertedero al final de la unidad, como si se tratara de un decantador convencional de flujo horizontal.
Figura 4-34. Decantador de placas sin sistema de recolección apropiado (4)
Figura 4-35. Sistema de recolección mal instalado (4)
En el caso del decantador de la figura 4-35, las tuberías de recolección están mal colocadas y fuera del agua, con lo que se desperdicia gran parte de su capacidad. Otro defecto muy frecuente en este tipo de decantadores consiste en colocar el sistema de recolección muy próximo al módulo de placas, sin respetar la distancia recomendada de un metro ni la altura de agua mínima estipulada de 0,65 metros (figura 4-36). Al colocar la salida tan próxima al módulo de placas, las
176
Diseño de plantas de tecnología apropiada
líneas de flujo se arquean mucho para alcanzar la salida y arrastran a los flóculos, lo que empobrece la calidad del efluente del decantador. En la figura 4-37 se puede apreciar el arrastre de flóculos a la superficie del decantador. En este caso, se sumaba el problema de que los decantadores habían sido proyectados con una tasa demasiado alta, consecuencia de no ha-
Figura 4-36. Sistema de recolección sobre los módulos de decantación (4)
ber realizado un buen estudio de tratabilidad del agua antes de ejecutar el proyecto. Si estamos adivinando cuál es la tasa ideal para tratar una determinada agua, será difícil que demos en el clavo.
Figura 4-37. Arrastre de flóculos en la superficie de los módulos (4)
proyecto de este tipo; se observa que no hay una estructura de salida del decantador convencional y que el agua ingresa directamente por debajo del módulo de decantación sin una estructura de distribución uniforme. En estos casos, el decantador convencional es apenas un tanque de paso y la eficiencia es prácticamente nula.
Otro defecto muy común es considerar un decantador convencional seguido de uno laminar sin estructuras de entrada y salida adecuadas. En la figura 4-38 se puede apreciar un
Figura 4-38. Decantadores convencional y laminar en serie (4)
Decantadores laminares
177
En la figura 4-39 se puede observar otro caso similar: un decantador convencional sin estructuras de entrada y salida adecuadas, seguido de un decantador laminar sin estructura de entrada. Nuevamente, el agua pasa del decantador convencional directamente por debajo del módulo de placas. Figura 4-39. Decantadores convencional y laminar en serie (4)
178
Diseño de plantas de tecnología apropiada
REFERENCIAS (1)
Richter, Carlos. Decantación. Curitiba, SANEPAR, 1986.
(2)
Arboleda Valencia, Jorge. Teoría y práctica de los sedimentadores de placas inclinadas. Cali, ACODAL 89, 1979.
(3)
Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos. Optimización de la producción de plantas de tratamiento de agua mediante el Programa de Corrección Compuesto. Lima, CEPIS/OPS, 1998.
(4)
Canepa de Vargas, L. Proyectos y fotos de archivo. Lima, CEPIS, 19902003.
(5)
Richter, Carlos. Dispositivos de entrada y salida para decantadores. Curitiba, SANEPAR, 1984.
(6)
Di Bernardo, L. Metodos e Tecnicas de Tratamento de Agua. Volume 1. Rio de Janeiro, ABES, 1993.
(7)
Programa HPE/CEPIS/OPS de Mejoramiento de la Calidad del Agua para Consumo Humano. Manual V. Criterios de diseño. Lima, CEPIS, 1992.
(8)
Arboleda Valencia, Jorge. Teoría y práctica de los sedimentadores de alta rata. Memorias del Seminario Internacional sobre Tecnología Simplificada para Potabilización del Agua. Cali, ACODAL-Seccional Valle del Cauca, 1987.
(9)
Arboleda, J. Teoría, diseño y control de los procesos de clarificación del agua. Serie técnica 13. Lima, CEPIS/OPS, 1973.
(10) Pérez Carrión, J. M. Submódulo: Sedimentadores convencionales. Módulo 4.5.1. Programa Regional OPS/HPE/CEPIS de Mejoramiento de la Calidad del Agua para Consumo Humano. Lima, CEPIS /OPS, 1981. (11)
Canepa de Vargas, L. M. Submódulo: Sedimentación. Lima, CEPIS/OPS, 1981.
Decantadores laminares
179
(12) Azevedo Netto, J. M. “Experiencia brasileña en el diseño de sedimentadores”. Simposio sobre nuevos métodos de tratamiento de agua. Asunción, 14-18 de agosto de 1972. Serie Técnica 14. Lima, CEPIS, 1975, pp. 90-129. (13) Gomella, G. y H. Guerre. Tratamiento de aguas para abastecimiento público. Editores Técnicos Asociados, 1977. (14) Hudson, M. E. “Sedimentation”. AWWA Seminar on Upgrading Existing Water Treatment Plants. Boston, 15-16 de junio, 1974. Denver, AWWA, 1974, pp. 67-78. (15) Pérez Carrión, José. Submódulo 4.5.2. Sedimentadores laminares. Programa Regional OPS/HPE/CEPIS de Mejoramiento de la Calidad del Agua. Lima, CEPIS/OPS, 1981. (16) Pérez Carrión, José. Sedimentadores laminares. Manual del Curso sobre Tecnología de Tratamiento de Agua para Países en Desarrollo. Lima, OPS/ CEPIS/CIFCA, 1977. (17) Hudson, Herbert. Water Clarification Processes, Practical Design and Evaluation. Nueva York, Van Nestrand Reinhold, 1981. (18) Di Bernardo, Luiz. Sedimentación convencional y laminar. Ms.
180
Diseño de plantas de tecnología apropiada
CAPÍTULO 5 BATERÍA DE FILTROS DE TASA DECLINANTE Y LAVADO MUTUO
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo
1.
183
INTRODUCCIÓN
Los filtros son las unidades más complejas de una planta de tratamiento de agua. Su correcta concepción depende de la interrelación que exista entre las características de la suspensión afluente y los rasgos del medio filtrante, para que predominen los mecanismos de filtración apropiados que darán como resultado la máxima eficiencia posible. El trabajo experimental mediante un filtro piloto es la forma más segura de seleccionar las características de la unidad y los parámetros de diseño para una suspensión determinada. El segundo punto en importancia para optimizar el diseño del filtro es un buen conocimiento de la hidráulica de la unidad. Las evaluaciones efectuadas de estas unidades en toda América Latina indican que es en este terreno que se suelen inscribir las deficiencias más notables en la concepción de los proyectos. La concepción de estas unidades varía dependiendo de las características de la suspensión por filtrar, por lo que podemos diferenciar las unidades que filtran agua decantada de las que reciben agua coagulada o brevemente floculada. En el primer caso, se tratará de las baterías de filtros que integran una planta de filtración rápida completa y, en el segundo, de una planta de filtración directa. Como se ha visto en la sección “Plantas de filtración rápida” del capítulo 3, Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo I, estos últimos sistemas son los más restringidos en cuanto al rango de calidad de agua que pueden tratar. En este documento se han reunido y sintetizado los criterios más importantes para efectuar el correcto dimensionamiento de las baterías de filtros de tasa declinante y lavado mutuo. 2.
VENTAJAS DE LAS BATERÍAS DE FILTROS DE TASA DECLINANTE Y LAVADO MUTUO
Las baterías de filtros de tasa declinante y lavado mutuo se consideran como tecnología apropiada debido a que reúnen las siguientes ventajas sobre otros sistemas de filtración en uso:
184
Diseño de plantas de tecnología apropiada
•
No requieren una carga hidráulica muy grande para operar. Los filtros de tasa constante operan con una carga hidráulica de 1,80 a 2 metros para completar una carrera de operación de 40 a 50 horas en promedio. En estas mismas condiciones, normalmente una batería de filtros opeFigura 5-1. Batería de filtros de tasa rando con tasa declinante declinante y lavado mutuo (1) requiere una carga similar a la que necesitaría si estuviera operando con tasa constante, dividida por el número de filtros que componen la batería.
•
No tienen galería de tubos. El transporte del agua decantada, filtrada, el agua para el retrolavado de los filtros y el desagüe del agua de lavado se efectúan mediante canales. En la figura 5-1 se puede observar un sistema pequeño que consta de seis filtros de arena sola. Normalmente el agua filtrada también se traslada mediante canales, uno de aislamiento y otro que conecta entre sí la salida de todas las unidades. Estos canales se encuentran inmediatamente después de las cajas de los filtros. Sin embargo, Figura 5-2. Baterías de filtros de tasa también se proyectan baterías de declinante con galería de tubos (1) este tipo con galería de tubos como la que podemos observar el figura 5-2. La galería de tubos está descubierta al lado derecho de las cajas de los filtros.
•
No se requiere tanque elevado ni equipo de bombeo para efectuar el retrolavado de un filtro. A través del canal de interconexión y debido a un especial diseño hidráulico del sistema, el agua producida por lo menos por tres filtros retrolava a una unidad. En la figura 5-3 se puede observar este
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo
185
proceso cuando el falso fondo actúa como canal de interconexión. •
Debido al especial diseño hidráulico de estos sistemas, el operaFigura 5-3. Movimiento del agua dor solo debe cerrar el ingreso durante el lavado de un filtro (2) de agua decantada y abrir la salida de agua de lavado para que el lavado se produzca en forma automática y con la expansión correcta (25 a 30%).
Figura 5-4. Batería de filtros de 1,0 m3/s de capacidad (1)
•
En la figura 5-5 se puede apreciar una batería doble de filtros de tasa declinante y lavado mutuo, de 2,5 m3/s de capacidad de producción, de mayor tamaño que la anterior, con operación manual.
•
La batería de filtros opera bajo el principio de vasos comunicantes. Las unidades están intercomunicadas por la entrada a través del
•
No se requiere instrumental sofisticado ni consolas o pupitres para la operación, aunque en las plantas grandes se los suele incluir.
•
En la figura 5-4 se muestra una batería de este tipo de 1,0 m3/s de capacidad, la cual hace parte de una planta de 6,3 m3/s, con accionamiento automático de válvulas y pupitres de operación.
Figura 5-5. Sistema de filtración de tasa declinante y lavado mutuo (1)
186
Diseño de plantas de tecnología apropiada
canal de entrada y también del canal de interconexión en la salida. Por esta característica, las unidades presentan todas los mismos niveles y es posible controlar el nivel máximo de toda la batería, con un solo vertedero-aliviadero en el canal de entrada.
3.
DESCRIPCIÓN DE UNA BATERÍA DE TASA DECLINANTE Y LAVADO MUTUO
Al igual que en el caso de los decantadores laminares, tenemos soluciones para plantas pequeñas y grandes. En la figura 5-6 podemos apreciar el corte de un filtro de una batería de tasa declinante para una planta de mediana a grande. 1)
Caja del filtro. Es la parte más importante de la unidad. Podemos apreciar del fondo hacia arriba: el falso fondo, el drenaje generalmente del tipo de viguetas prefabricadas de concreto, la capa soporte de grava, el lecho filtrante, las canaletas secundarias de lavado y el canal principal de lavado, que recibe el agua del retrolavado colectada por las canaletas secundarias. Por encima de este nivel se ubican las cargas de agua necesarias para el funcionamiento de la batería (carga hidráulica para el lavado y carga hidráulica para el proceso de filtrado), las cuales determinan la profundidad total de la caja del filtro y se limitan mediante vertederos.
Canal de interconexión
0,250
N. 4,100
N. 4,100
N. 3,500
N. 3,500
N. 4,250
N. 4,350
N. Min-3,880
N. Max-3,950
Válvula tipo mariposa
Canal de recolección de agua de lavado
Vertedero general
Canal de distribución de agua decantada
N. 2,450
N. 2,415
Compuerta de salida
0,250 0,215
N. 1,250
Arena
0,800
Canal de aislamiento
0,600 0,500
Grava N. 0,100
0,400
Drenaje
Falso fondo de filtros
Canal principal de lavado
Válvula tipo mariposa
Canal recolección de desagües
Válvula de desagüe de decantadores
N. 0,000
Válvula de vaciado de filtro
Figura 5-6. Corte de un filtro para plantas de medianas a grandes (1)
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo
187
2)
Canal de distribución de agua decantada. Alimenta las cajas de los filtros a través de las válvulas de entrada de cada unidad. En la parte superior de este canal se ubica el vertedero que limita la carga hidráulica máxima disponible para la operación con tasa declinante de la batería de filtros.
3)
Canal de desagüe de agua de retrolavado. Ubicado debajo del anterior, recibe el agua del retrolavado de los filtros. En este canal se acostumbran reunir también los desagües de los decantadores (véase la válvula al lado derecho del canal de la figura 5-6) y floculadores, por lo que constituye el canal emisor de la planta.
4)
Canal de aislamiento. Recibe este nombre porque tiene la función de aislar una unidad del resto de la batería, cerrando la válvula de entrada y la compuerta de salida que comunica con el canal de interconexión ubicado a su izquierda. Este canal se localiza contiguo a la caja del filtro y se comuni-
B Canal de agua sedimentada Canal principal de lavado A
F1
F2
A
F4
F3
Canaletas secundarias de lavado
Canales de aislamiento Canal de interconexión Cámara de cloración B Planta
Difusor de cloro
Vertedero general
Válvula de Válvula de desagüe entrada
Canaletas
Arena Grava
Drenaje
Falso fondo
Corte A-A
Figura 5-7. Vista en planta de una batería grande de filtros de tasa declinante (1)
188
Diseño de plantas de tecnología apropiada
ca con ella a través del canal del falso fondo en toda su sección, lo cual permite una distribución pareja del agua de lavado a todo lo ancho del drenaje. 5)
Canal de interconexión de la batería. Cumple dos funciones importantes: •
Durante la operación normal de filtración, reunir el efluente de todos los filtros y sacarlo a través del vertedero que controla la carga hidráulica de lavado.
•
Durante la operación de lavado de una unidad, al bajar el nivel del agua por debajo del vertedero de salida facilita que se derive automáticamente el agua filtrada producida por las otras unidades en operación (por lo menos tres) hacia el filtro que se encuentra en posición de lavado.
La figura 5-7 muestra la vista en planta de una batería de cuatro filtros y la cámara de cloración a continuación.
4.
CRITERIOS GENERALES DE DISEÑO
Los criterios expuestos a continuación son comunes a las baterías que filtran agua decantada y coagulada o floculada, con excepción de las recomendaciones relativas a los medios filtrantes, que corresponden a las baterías que reciben agua decantada. Las recomendaciones específicas relativas a los parámetros de dosificación y a las características de lechos filtrantes para sistemas de filtración directa se pueden encontrar en la subsección 6, “Criterios para el diseño de plantas de filtración directa”. 4.1
Geometría de la batería
4.1.1 Área de cada filtro y número de filtros •
El número mínimo de filtros en una batería de tasa declinante y lavado mutuo es de cuatro unidades, de tal manera que tres toman el caudal de toda la batería al momento de lavar una unidad.
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo
•
El área de la caja de un filtro debe ser tal que al pasar todo el caudal de la batería por un filtro, se produzca la velocidad ascensional (VL) apropiada para expandir en 30% el lecho filtrante. Área de un filtro (Af) = Q / VL
•
(1)
El área total de la batería de filtros se define por la relación del caudal de diseño de la batería sobre la tasa de filtración seleccionada (Vf) de acuerdo con el tipo de lecho filtrante, las características del afluente y el nivel de operación local. Área total de filtración (At) = Q / Vf
•
189
(2)
El número de filtros de la batería se obtiene por la relación del área total filtrante entre el área de un filtro. Debe ajustarse la velocidad (Vf) hasta que dé un número exacto de filtros. Número de filtros (N) = At /Af
(3)
•
El ingreso del agua decantada a la caja del filtro debe efectuarse en un nivel más bajo que el nivel mínimo de operación, para que cada filtro tome el caudal que puede filtrar de acuerdo con su estado de colmatación.
•
Por la facilidad de operación y mayor duración, deben colocarse válvulas mariposa en la entrada del agua decantada al filtro y la salida del retrolavado al canal de desagüe.
4.1.2 Tasas de filtración •
La tasa de filtración depende de varios factores como el tipo de suspensión afluente (agua decantada, coagulada, prefloculada, con o sin uso de polímero auxiliar, color verdadero, turbiedad, número de microorganismos, etcétera), granulometría y espesor del medio filtrante, método de operación de los filtros, eficiencia del lavado, uso del agua filtrada, etcétera.
•
Es usual adoptar un valor conforme muestra el cuadro 5-1. No obstante, cuando fuera posible, es deseable que se realice una investigación experimental a fin de optimizar el diseño y la operación de los filtros.
190
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Cuadro 5-1. Tasas usuales de filtración en función del nivel de operación (3) Tasa de filtración (m3/m2/día)
Discriminación Filtración rápida descendente con tasa declinante a)
De agua decantada, en medio filtrante único de arena con tamaño efectivo (T. E.) de 0,50 a 0,60 mm y espesor alrededor de 0,80 metros.
120 - 150
b)
De agua floculada o prefloculada, en medio filtrante grueso y único, con espesor superior a un metro y uso de polímero como auxiliar (filtración directa)
240 - 360
c)
De agua decantada en medio filtrante doble, con espesor total inferior a 0,80 metros y buen nivel de operación y mantenimiento.
240 - 360
4.1.3 Drenaje, capa soporte de grava y falso fondo •
•
El drenaje más durable y factible de ser construido en obra, sin requerir importaciones, es el constituido por viguetas prefabricadas de concreto de forma triangular (ver figura 5-8).
30 cm 10 cm de 1’’ 1/2 - 3/4’’
Niples de 1’’ a 1/2’’ cada 15 cm c/c
15 cm 12,5 cm de 2’’ - 1 1/2’’ 25,5 cm
7 cm 10 cm
Mortero
Refuerzo Elemento prefabricado 15
En filtros grandes las Apoyo Apoyo 40 a 50 cm viguetas se construyen Falso fondo de 0,30 metros de ancho; y en los pequeños, Figura 5-8. Drenaje de viguetas de 0,15 metros de anprefabricadas de concreto cho. Los orificios se ubican a ambos lados de la vigueta espaciados entre 0,10 y 0,15 metros centro a centro. Los orificios se establecen con niples de PVC de ½ a 1”de diámetro.
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo
191
•
Las viguetas no deben tener una longitud mayor de 4 metros para evitar el pandeo. Con longitudes mayores, deberán proyectarse apoyos intermedios.
•
Se debe proyectar un número entero de viguetas, para lo cual se tendrá en cuenta que la dimensión del filtro transversal a la posición de las viguetas debe ser un múltiplo de 0,15 metros si el filtro es pequeño o de 0,30 metros si el área del filtro es grande.
•
Se denomina falso fondo al canal ubicado debajo del drenaje, por donde sale el agua filtrada o asciende el agua para el retrolavado. En las baterías de filtros pequeñas el falso fondo también tiene la función de canal de interconexión (figura 5-9).
Vertedero general
Canal de interconexión Corte A-A
Figura 5-9. Batería de filtros pequeña. El falso fondo es el canal de interconexión (1)
La velocidad de la sección de paso por el falso fondo (Vffo) debe guardar relación con la velocidad de paso por los orificios (Vo), de tal modo que el caudal se distribuya de manera uniforme en todo el lecho filtrante: Vffo/Vo ≤ 0,46 •
Se consigue una buena distribución (desviación de caudal (δ) < 5%) y baja pérdida de carga en los orificios —otro detalle que se debe buscar— con una altura mínima del falso fondo de 0,40 metros y orificios de ¾” de diámetro.
•
El soporte de grava está conformado por grava graduada de acuerdo con las especificaciones del cuadro 5-2.
192
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Cuadro 5-2. Capa soporte de grava para viguetas prefabricadas (2)
•
Capa
Espesor (cm)
Tamaño
1
7,5
1/8" - 1/4"
2
7,5
1/4" - 1/2"
3
7,5
1/2" - 3/4"
4
10,0
3/4" - 1 1/2"
Fondo
12,5
1 1/2" - 2"
Total
45,0
La pérdida de carga en los orificios puede ser determinada por la siguiente fórmula: ho = q2 / (2 Cd2 . Ao2 . g)
(4)
Donde: q Cd Ao g ho
= = = = =
caudal en un orificio (m3/s) coeficiente de descarga (0,60 – 0,65) área de un orificio aceleración de la gravedad (m/s2) pérdida de carga en el orificio (m)
4.1.4 Lecho filtrante •
El lecho filtrante es la parte más importante de esta unidad, donde se realiza el proceso. Todos los demás componentes son accesorios para poder operar y mantener adecuadamente la unidad.
•
El lecho filtrante puede ser simple o doble; esto es, de arena sola o de antracita y arena. Con el primero, la inversión es menor, pero al tener un lecho de arena sola se requiere una velocidad de lavado mayor para obtener la misma expansión que cuando el lecho es doble, por lo que resulta un número de filtros mayor.
•
Las tasas de filtración, en el caso de lechos de arena sola, varían en promedio entre 120 y 150 m3/m2/d. Solo con arena gruesa, muy buena calidad de
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo
193
agua y nivel de operación y empleo de polímeros, es posible aplicar tasas mayores. •
El cuadro 5-3 indica las características del lecho de arena que se recomiendan cuando los filtros van a operar con las dos alternativas, filtración rápida completa y filtración directa. Cuadro 5-3. Lecho filtrante simple de arena sola (4)
•
Características
Símbolo
Criterio
Espesor (cm) Tamaño efectivo (mm) Coeficiente de uniformidad Tamaño más fino (mm) Tamaño más grueso (mm)
L1 D10 CU
60 – 80 0,50 – 0,80 ≤ 1,5 0,42 2,0
D90
Cuando se seleccionan lechos dobles de antracita y arena, se puede usar una tasa promedio de 240 m3/m2/d, lo cual reduce mucho el área filtrante total necesaria para el mismo caudal, en comparación con un lecho de arena sola, y el número de filtros de la batería resulta menor. Cuadro 5-4. Lecho filtrante doble de arena y antracita (4) Características
Símbolo
Arena
Antracita
Espesor (cm) Tamaño efectivo (mm) Coeficiente de uniformidad Tamaño más fino (mm) Tamaño más grueso (mm)
L D10 CU
15 – 30 0,50 – 0,60 ≤ 1,5 0,42 1,41
45 – 60 0,80 – 1,10 ≤ 1,5 0,59 2,0
D90
•
La antracita debe seleccionarse en función de las características de la arena, por lo que esta actividad debe iniciarse con la búsqueda y caracterización de la arena más conveniente, tanto por sus características como por el costo del material y del flete. Será necesaria una muestra de la arena y el análisis granulométrico correspondiente.
•
Una vez conocidas las características de la arena, se definirán las de la antracita de acuerdo con los criterios indicados en el cuadro 5-5. Estos
194
Diseño de plantas de tecnología apropiada
criterios han sido formulados con la finalidad de que la intermezcla entre la antracita y la arena, en el nivel en que se unen la arena más fina y la antracita más gruesa, no sea mayor de 3. •
Conocido el tamaño efectivo de la arena (D10), a través de la curva granulométrica levantada, el tamaño correspondiente al D’90 de la antracita será igual a tres veces el tamaño efectivo de la arena (D10). El tamaño efectivo de la antracita (D’10) será igual a la mitad del tamaño correspondiente al D’90 de la antracita. Cuadro 5-5. Criterios para seleccionar la antracita en función de las características de la arena (2) Características Tamaño correspondiente al 90% que pasa la malla Tamaño efectivo (mm) Espesor de la arena (cm) Tamaño correspondiente al 60% que pasa la malla
•
Símbolo
Criterio
D’90
D’90 = 3 D10
D’10 L1 D’60
D’10 = D90 / 2 L2 = 2 L1 D’60 = 1,5 D’10
La altura que corresponde a la arena en un lecho doble es 1/3 de la altura total, y la altura correspondiente a la antracita, 2/3 de la altura total del lecho filtrante.
4.1.5 Canal de distribución de agua decantada, coagulada o prefloculada •
Este canal se dimensiona en función del canal de desagüe de agua de retrolavado ubicado en la parte inferior. Se debe tener acceso a este canal para dar mantenimiento a las válvulas de lodos de los decantadores, a las válvulas de descarga de agua de retrolavado de filtros, a las válvulas de desagüe de fondo de los filtros y a las válvulas de desagüe de los floculadores.
•
En las plantas pequeñas se le da a este canal un ancho mínimo de 0,80 metros a un metro, dependiendo del diámetro de las válvulas indicadas. En uno de los extremos del canal se coloca un ingreso con escalines para acceder al canal de desagüe, poder dar mantenimiento a las válvulas y accionar la válvula de desagüe del fondo de los filtros. En las plantas grandes el ancho aumenta proporcionalmente al incremento del diámetro de las válvulas.
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo
•
195
En uno de los extremos del canal superior se coloca el aliviadero que controla el nivel máximo de operación de la batería, de tal manera que al rebalsar, el agua cae al canal de desagüe de la parte baja. Este aliviadero tiene, además, la función de indicar al operador el momento de lavar el filtro que tiene más horas de carrera.
4.1.6 Canal de aislamiento •
Este canal recibe un ancho mínimo de 0,60 metros debido a que no hay ninguna válvula o compuerta que deba operarse o recibir mantenimiento en esta sección del filtro.
4.1.7 Canal de interconexión •
Este canal recibe un ancho mínimo de 0,80 metros a un metro. En su interior se encuentra la compuerta de aislamiento de cada filtro. Deben proyectarse un ingreso y unos escalines para ingresar y dar mantenimiento a las compuertas.
4.1.8 Válvula de entrada de agua decantada •
Esta válvula es de operación constante, debe accionarse cada vez que se efectúa el retrolavado de la unidad, por lo que se recomienda el uso de válvulas tipo mariposa, porque la duración, estanqueidad y facilidad de accionamiento son muy importantes.
•
El caudal de diseño de esta válvula (Qc) debe ser igual al caudal de la batería (Qd) dividido por el número de filtros (N) y multiplicado por 1,5, que es el mayor caudal con el que puede operar un filtro recién lavado. Qc = 1,5 [Qd / N]
•
(5)
Se debe diseñar con una velocidad (Vc) de alrededor de un m/s, buscando redondear a un diámetro comercial. La pérdida de carga en esta válvula debe ser compensada con la carga hidráulica disponible en la unidad. El impacto de una pérdida de carga demasiado alta en este punto acortaría la carrera del filtro o bien incrementaría la altura total de la unidad. Tampoco se recomiendan velocidades muy bajas, porque resultarían áreas (A) y diámetros muy grandes de válvulas.
196
Diseño de plantas de tecnología apropiada
A = Qc / Vc
(6)
4.1.9 Válvula de salida de agua de retrolavado •
Esta válvula también debe ser de tipo mariposa, por las mismas razones que en el caso anterior. Se puede diseñar con velocidades (Vc) menores de 2 m/s.
•
El caudal de diseño de esta válvula (Qc) es el caudal de diseño de la batería (Qd). A1 = Qd / Vc
(7)
4.1.10 Válvula de desagüe de fondos •
Esta válvula permite vaciar íntegramente el filtro en el caso de que sea necesario inspeccionar el lecho filtrante, la capa soporte o el drenaje, o bien cambiarlos.
•
Esta válvula es de accionamiento muy esporádico, por lo que normalmente se coloca una válvula de tipo compuerta, de 8 a 10 pulgadas. En este caso, la diferencia entre un diámetro y otro solo impactará en el tiempo que demorará en vaciarse el filtro.
•
En las baterías en que se proyecten canal de aislamiento y canal de interconexión deberá colocarse una válvula por filtro. En los sistemas pequeños en que el falso fondo opere como canal de interconexión, será suficiente una para toda la batería.
4.1.11 Compuerta de aislamiento o de salida de agua filtrada •
Esta compuerta se diseña con velocidades (Vc) de 1 a 1,5 m/s. La pérdida de carga producida influye tanto en la altura del vertedero que da la carga para la operación de lavado como en la carga hidráulica durante el proceso normal de operación, por lo que impacta doblemente en la altura total del filtro.
•
El caudal de diseño (Qc) de esta compuerta es el caudal de diseño de toda la batería (Qd), que pasa a través de esta compuerta durante la operación de retrolavado, salvo el caso de filtros grandes lavados con aire y agua, en
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo
197
que solo se utilice parcialmente el caudal producido. En este último caso, el lecho solo necesita expandir 10% durante el retrolavado, por lo que no se requiere la totalidad del caudal producido. A2 = Qd / Vc
(8)
4.2
Hidráulica del lavado
•
De la operación de lavado depende el mantenimiento del lecho filtrante, por lo que el diseño de este sistema es determinante para el buen funcionamiento y eficiencia de la unidad.
•
Para que la batería pueda autolavarse, es necesario que cumpla con dos condiciones: 1)
Al pasar el caudal de operación de la batería a través de un filtro, debe producirse la velocidad de lavado necesaria para expandir entre 25 y 30% el material filtrante.
2)
El vertedero de salida debe proporcionar la carga hidráulica necesaria para compensar las pérdidas de carga que se producen durante esta operación.
4.2.1 Canaletas de recolección de agua de lavado •
La recolección de agua de lavado se ho ho hace a través de un b canal principal (frontal, lateral o central), en el cual descargan las canaletas reco-lectoras secundarias Figura 5-10. Canaletas secundarias de (ver figura 5-13). El recolección (2) caso de la figura 5-11 es apropiado para un filtro pequeño. Las canaletas secundarias se han adosado a las paredes del filtro para no obstaculizar el acceso al lecho filtrante.
198
•
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Las canaletas secundarias pueden ser de concreto o de materiales especiales (resinas) y presentan diferentes cortes transversales. En general, en las canaletas ejecutadas in situ se da una pendiente del orden de 1% en dirección longitudinal. La capacidad de las canaletas de recolección se calcula mediante la siguiente ecuación: Qc = 82,5 b. h
1,5
(9)
Donde: Qc
=
b h
= =
caudal escurrido por una canaleta (m3/min) ancho de la canaleta (m) altura útil de la canaleta (m)
La ecuación (9) solo es válida cuando la descarga es libre (véase la figura 5-10).
Figura 5-11. Canal principal frontal y canaletas secundarias (1)
•
Para canaletas con sección transversal no rectangular, se puede admitir la misma altura h y hacer la equivalencia de la sección de escurrimiento. La figura 5-12 presenta las secciones comúnmente usadas en la práctica.
•
La mejor sección es la que tiene el fondo inclinado hacia el centro. Esta modificación evita que el lodo se apelmace contra el fondo plano de la canaleta.
•
La distancia entre las canaletas y la posición de ellas en relación con el medio filtrante puede determinarse sobre la base del esquema de la figura 5-14 y a partir de las siguientes ecuaciones propuestas por Kawamura (5). Figura 5-12. Secciones de canaletas más comunes (2)
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo
199
0,75 (L + P) < Ho < (L + P)
(10)
1,5 Ho < S < 2 Ho
(11) 4.2.2 Ubicación del vertedero de salida
Para determinar la posición del vertedero de salida, es necesario conocer la velocidad con la cual el lecho filtrante seleccionado produce la expansión adecuada. Luego, con esta velocidad, se calculan las pérdidas de carga que se producirán durante la operaFigura 5-13. Canal principal central y ción de lavado y, con la suma total de canaletas secundarias laterales (1) estas pérdidas, que viene a ser la totalidad de la carga disipada a lo largo del proceso, se ubica el vertedero. •
Como las pérdidas de carga se calculan matemáticamente y los modelos matemáticos no son exactos, este vertedero debe poder ser regulado mientras el filtro permanece en operación. Debe calibrarse durante la puesta en marcha de la planta, incrementando o bajando su nivel hasta que la expansión del lecho filtrante sea de 30%. Véase un vertedero calibrable en la figura 5-15.
4.2.3 Expansión del medio filtrante durante la operación de lavado •
Los ábacos de las figuras 5-16 y 5-17 corresponden a la solución gráfica del modelo de Cleasby y Fan (3) para granos no esféricos y lecho uniforme. Los ábacos presentan las curvas que relacionan el número de Reynolds en función del número de Galileo para diferentes coeficientes de esfericidad (Ce) y porosidad del medio filtrante expandido. Generalmente, se fija una velocidad ascendente entre 0,7 y 1,0 m/min para filtros de flujo descendente y de entre 0,9 y 1,3 m/min para filtros de flujo ascendente. Con la velocidad ascendente seleccionada, las curvas granulométricas que componen el medio filtrante, la temperatura del agua y el coeficiente de esfericidad, se determina la expansión total del medio filtrante, que deberá resultar entre 25 y 30%.
200
Diseño de plantas de tecnología apropiada
El número de Galileo y el número de Reynolds son dados, respectivamente, por las siguientes ecuaciones (12, 13): Gai = [D3ei . ρa (ρs - ρa) g] / µ2
(12)
Rei = Va . Dei ρa / µ
(13)
Donde: S
Gai
=
Rei
=
Dei
=
ρs
=
ρa
=
µ
=
g
=
número de Galileo para subcapa i número de Reynolds para subcapa i tamaño promedio de los granos de la subcapa i (m) peso específico del material filtrante (kg/m3) peso específico del agua (kg/m3) viscosidad absoluta del agua (kg / s x m) aceleración de la gravedad (m/s2)
P
Hf
Ho
L
Figura 5-14. Distancia entre las canaletas y su posición respecto al medio filtrante
Figura 5-15. Vertedero calibrable de salida de la batería (1)
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo
201
Cuadro 5-6. Propiedades típicas de medios filtrantes comunes para filtros de lecho granular (6) Carbón Carbón de activado Arena Granate Características antracita granular sílice Idaho Densidad del material (ρs) (g/cm3) Porosidad perdida del lecho (εo) Esfericidad (Ce)
2,65
1,45 – 1,73
1,3 – 1,5*
4,0 – 4,2
0,42 – 0,47
0,56 – 0,60
0,50
0,45 – 0,65
0,7 – 0,8
0,46 – 0,60
0,75
0,60
* En el caso del carbón virgen, con poros llenos de agua, la porosidad aumenta cuando absorbe la materia orgánica.
Una vez determinado el valor de åi para cada subcapa considerada, la porosidad expandida de la arena o de la antracita podrá determinarse por la siguiente ecuación:
εe = 1 - 1 / ∑ n
i=1
[Xi / (1 - εi )]
(14)
Donde:
εe εi Xi
= = =
porosidad del medio filtrante expandido porosidad de la subcapa expandida (i) fracción, en peso, entre dos tamices consecutivos de la serie granulométrica
El porcentaje de expansión del lecho expandido se calcula por la siguiente ecuación: E = ( εe- εo ) / (1- εe )
(15)
Donde:
εo
=
porosidad inicial del lecho estático
4.2.4 Pérdida de carga en el lecho filtrante expandido •
La pérdida de carga en el medio filtrante expandido (hL1) resulta igual al peso de los granos de cada material que compone el medio filtrante.
202
Diseño de plantas de tecnología apropiada
hL1 = (1 - εo ) . lo . (ρs - ρa) / ρa
(16)
Donde: lo εo ρa ρs
= = = =
•
La pérdida de carga total en el medio filtrante expandido será la suma de la pérdida de carga en cada material que lo compone.
espesor del material filtrante no expandido (m) porosidad del material filtrante no expandido peso específico del agua peso específico del material filtrante
4.2.5 Pérdida de carga en las canaletas •
Será igual a la altura que alcance el agua de lavado sobre las canaletas secundarias para salir del filtro. Se calcula mediante la fórmula del vertedero rectangular: hL2 = [Qd /1,84 (2nLc)]
n Lc Qd
= = =
2/3
(17)
número de canaletas longitud de cada canaleta caudal de diseño de la batería
4.2.6 Pérdida de carga en el drenaje de viguetas prefabricadas •
Una vez diseñado el drenaje y conociendo el numero de viguetas y de orificios, definir el caudal por orificio. qo = Qd / # total orificios hL3 = qo2 / 2 Cd2 Ao2 g
qo Cd Ao g
= = = =
caudal por cada orificio (m3/s) coeficiente de descarga (0,60 – 0,65) área de cada orificio (m2) aceleración de gravedad (m/s2)
(18)
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo
203
4.2.7 Pérdida de carga en canales y orificios de compuertas hL4 = K V2 / 2g K V
= =
(19)
coeficiente de pérdida de carga velocidad de paso del caudal de lavado (m/s)
4.2.8 Cálculo del nivel del vertedero •
Se suman todas las pérdidas de carga importantes desde que el agua sale del canal de interconexión hasta que bordea la canaleta secundaria de recolección: pérdida en la compuerta de salida o de aislamiento, pérdida en el falso fondo, pérdida en los orificios del drenaje, en el lecho filtrante y altura de agua en el borde de la canaleta de recolección. Carga necesaria para el lavado = ∑hf compuerta de salida (si la hubiere)+ hf falso fondo + hf drenaje + hf en el lecho filtrante + hf canaleta de lavado secundaria o principal
•
El nivel del vertedero será igual al nivel del borde de las canaletas secundarias de lavado, más la carga necesaria para el lavado. En filtros pequeños en los cuales no se tengan canaletas secundarias, esta carga se sumará al borde del canal principal. Nivel del vertedero de salida de la batería = Nivel borde de las canaletas de lavado + ∑hf durante el lavado
4.3
Hidráulica del proceso de filtración
•
En este punto es necesario definir la carga hidráulica a fin de que los filtros estén preparados para operar con tasa declinante. La tasa declinante debe instalarse durante la operación, para lo cual se requiere que el proyectista incluya en su proyecto las instrucciones para la puesta en marcha de la batería.
•
La carga hidráulica disponible en el sistema debe calcularse de tal manera que la relación entre la tasa de filtración promedio (VF) y la máxima (VF máx), que se produce en el momento en que el filtro limpio o recién lavado comienza la carrera, no sea mayor de 1,5.
204
Diseño de plantas de tecnología apropiada
VF máx ≤ 1,5 VF
(20)
•
Para el cálculo de la carga hidráulica del sistema, se dispone de los modelos matemáticos de Cleasby (7), Arboleda (8) , Di Bernardo (9, 10) y del método gráfico de Richter (11). Es necesario un cálculo cuidadoso de las pérdidas de carga en el filtro para definir esta altura, ya que si es insuficiente, se obtendrán carreras de filtración muy cortas, y si se exagera su dimensión, se producirán velocidades iniciales muy altas en el filtro recién lavado, lo que deteriorará la calidad del efluente.
•
Para la aplicación de los modelos matemáticos o gráficos, se requiere determinar la ecuación de la pérdida de carga en función de la tasa de filtración, que en este caso es de la siguiente forma: H = A (VF)2 + E(VF) + G
(21)
Donde: H
=
VF A
= =
E
=
G
=
pérdida de carga total durante la carrera o carga hidráulica necesaria (m) tasa de filtración promedio (m3/m2 x d) igual a la suma de las constantes correspondientes a las pérdidas de carga calculadas para la compuerta de entrada y los orificios del drenaje. constantes correspondientes al cálculo de la pérdida de carga en la arena y/o antracita. constante correspondiente a la altura de agua en el vertedero de salida de la batería.
Para obtener esta ecuación, se calculan todas las pérdidas de carga iniciales durante el proceso de filtración mediante los siguientes criterios: 4.3.1 Compuerta de entrada hf1 = K V2 / 2g
;
V = VF AF / AC
(22)
AC = sección de la compuerta hf1 = K (VF AF / AC) 2 / 2g Ecuación de la forma hf1 = A(VF)2
(23)
Número de Galileo (Ga)
3
5
7
10
3 1
5
7
2
3
5
7
103
10
4
3
5
7
105
3
5
7
106
3
5
7
7
10
3
4 5
6 7
8 9
10
2
3
4
Número de Reynolds (Re)
0
5
0,9
0,7
5 0,6
5
6
7 8 9
2
10
2
3
4
Figura 5-16. Porosidad del lecho expandido (εi) en función del número de Galileo (Ga) y del número de Reynolds (Re) para Ce = 0,80 (3)
2
6 0,4
5 0,5
εi =
Coeficiente de esfericidad Ce = 0,80
5
6
7
8 9
103
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 205
Número de Galileo (Ga)
7
10
2
103
10
4
10
5
106
10
7
3 1
5
7
3
5
7
3
5
7
3
5
7
3
5
7
3
5
3 4
5
6
7
8 9
10
2
3
4
Número de Reynold s (Re)
0 0,9
5 0,7
5
6
7
8 9
2
10
2
3
4
Figura 5-17. Porosidad del lecho expandido (εi) en función del número de Galileo (Ga) y del número de Reynolds (Re) para Ce = 0,70 (3)
2
5 0,5
0,45
5 0,6
εi =
Co eficien te de esfericidad Ce = 0,70
5
6
7
8 9
103
206 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo
207
4.3.2 Drenaje hf2 = qo2 / (2 Cd2 Ao2 g)
(24)
Ecuación de la forma hf2 = A (VF)2 4.3.3 Medio filtrante: arena y/o antracita hf3 = 150 ν /g . [ (1 - εo )2 /εo3 ]. (1 / Ce2) . ∑ Xi / di2 . L .VF
(25)
Donde:
ν Ce L
= = =
viscosidad cinemática (m2/s) coeficiente de esfericidad espesor del medio filtrante (m)
Ecuación de la forma hf3 = E (VF) 4.3.4 Vertedero de salida hf4 = (Qd / 1,84 Lr)2/3
(26)
Donde: Qd Lr
= =
•
Obtenida la ecuación de pérdida de carga del filtro, se puede determinar la carga hidráulica que se debe asignar a la batería de filtros, de modo que, cuando un filtro recién lavado entre en funcionamiento, la velocidad máxima que se dé en estas condiciones, no sea mayor de 1,5 veces la velocidad de filtración promedio. Esta medida de control es para evitar que la calidad del efluente producido en estas condiciones se deteriore.
•
Este cálculo se efectúa por interacciones, asumiendo diferentes valores de carga y comprobando cuál es la relación de tasa máxima/tasa promedio que se obtiene para cada caso, hasta obtener la relación recomendada.
Caudal de operación de la batería de filtros longitud de cresta del vertedero general
208
Diseño de plantas de tecnología apropiada
•
La carga hidráulica calculada se fija en la instalación por encima del vertedero de salida y se limita colocando un aliviadero en el canal de entrada a la batería. El nivel de la cresta del aliviadero debe coincidir con el nivel máximo de operación calculado.
5.
APLICACIÓN
El dimensionamiento de la batería de filtros debe empezar por la búsqueda del banco de arena más cercano, capaz de proporcionar el mayor porcentaje de material que se ajuste a las características recomendadas para filtros rápidos. Para iniciar este estudio de caso, hemos elegido la arena que se especifica en las columnas 1 y 2 del cuadro 5-7. Mediante el procedimiento indicado anteriormente, seleccionaremos la antracita, que proporciona un grado de intermezcla de alrededor de 3. El tamaño mayor de la antracita deberá ser de 0,56 x 3 = 1,68 mm y el tamaño efectivo correspondiente de 1,68/2 = 0,84 mm. Como el espesor de capa de antracita debe ser 2/3 de la altura total del lecho filtrante, será de 0,50 m. En las columnas 3 y 4 del cuadro 5-7 se indica la antracita seleccionada para iniciar el estudio. Como hemos elegido filtros de lecho doble, podemos seleccionar una velocidad de filtración de alrededor de 240 m3/m2/d. En el cálculo hemos incrementado la velocidad partiendo de 240 m3/m2/d hasta obtener un número exacto de cuatro filtros y hemos supuesto una velocidad de lavado de 0,70 m/min. Véase el cuadro 5-8. Cuadro 5-7. Lecho filtrante seleccionado (1) Características de la arena Espesor de la capa (m) Tamaño efectivo (mm) Coeficiente de uniformidad Tamaño máximo (mm) Tamaño mínimo (mm)
0,30 0,56 1,4 1,41 0,42
Características de la antracita Espesor de la capa (m) Tamaño efectivo (mm) Coeficiente de uniformidad Tamaño máximo (mm) Tamaño mínimo (mm)
0,50 0,84 1,50 1,68 0,70
Con las dimensiones de las cajas de los filtros determinadas en el cuadro de cálculo, esquematizamos la batería de filtros de las figuras del 5-18 al 5-20.
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo
209
En el papel granulométrico de la figura 5-21, podemos apreciar el material filtrante seleccionado y cómo se determina el porcentaje de altura de material comprendido ente las mallas. Con los valores de x1 a xn determinados para cada material, entramos al cuadro 5-9, donde calculamos la expansión del medio filtrante con la velocidad de lavado seleccionada. Como la expansión se encuentra entre 25% y 30%, tanto en el caso de la arena como en el de la antracita, la velocidad de lavado supuesta es correcta. Entonces, procedemos a calcular y ubicar las canaletas de lavado secundarias y a estimar las pérdidas de carga durante el lavado para ubicar el vertedero de lavado. Canal de distribución agua decantada
1,00
A F-4
F-3
3,30
F-2
F-1
A
0,60
Canal de interconexión
0,80 0,80 2,60
0,80
0,80 2,60
2,60
2,60
2,60
0,80 2,60
2,60
2,60
Figura 5-18. Vista en planta de la batería de filtros para 200 L/s materia de la aplicación (1)
6,20
6,20
6,20
6,20
0,30
1,11 3,80
0,82 0,50 0,25 0,52 0,40
2,40
1,20
2,40
Figura 5-19. Vista en elevación de las cajas de la batería de filtros materia de la aplicación (1)
210
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Cuadro 5-8. Dimensionamiento de la batería de filtros (1) Paso
Datos
Cantidad Unidad
1
Caudal
Q = 0,200
Velocidad Va = 0,70 ascensional de lavado
2
m3/s
Criterios
Cálculos
AF = Q/Va
AF = 0,200 x 60/ 0,70 AF = 17,143 (3,30 x 5,19)
m/min
Velocidad de VF = 252 m 3/m2/día AT = Q/VF filtración promedio N = AT/AF
Resultados Área de cada filtro
AT = 0,200 x 86.400/252 Área total AT = 68,572 de filtros N = 68,572/ 17,143 N=4
Número de filtros
2,58
0,00
Figura 5-20. Corte transversal de un filtro y canales de la batería de 4 filtros para 200 L/s materia de la aplicación (1)
Unidad m2
m2
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo
0,15 0,18 0,21 0,25 0,30 0,35 0,42 0,50 0,59 0,70 0,83 1,00 1,17 1,41 1,65 2,00 2,38 2,83 3,36 4,00 4,7 5,5 6,6 0,72 8,00 100
0,1
80 70
0,2
60
50 45
0,3
35
0,4
32
28
24
20
18
0,5 0,6 0,70,80,9 10
14
12
10 10
8
20
7
6
30
5
40
4
3,5
3
2,5
211
Tamaño granos Número de mallas
50 60 70 80 90 100
99
x7 = 0,04 x6 = 0,06
x6 = 0,09 x5 = 0,15
90
Arena Antracita 80
x5 = 0,21
75 70
x4 = 0,29 60
x4 = 0,26 50 40
x3 = 0,24
x3 = 0,28
30
20
x2 = 0,10
x2 = 0,16
10
x1 = 0,07
x1 = 0,06
1 0,1
0,2
0,3
0,4
0,5 0,6 0,70,80,9 10
20
30
40
50 60 70 80 90 100
Figura 5-21. Granulometría del medio filtrante seleccionado (1)
Diámetro más grueso de la capa de arena
Peso específico del agua Peso específico de la arena
2
3
Del cuadro 5-10 se obtiene ∑ xi / (1-åi) =
Del cuadro 5-11 se obtiene ∑x’i / (1-åi) =
7
Del ábaco para Ce = 0,8 se obtuvo: Fracción del lecho filtrante que ocupa la capa 1 o capa más fina
6
5
4
Diámetro más fino de la capa de arena
1 mm
d2 = 0,50
ñs = 2.650
kg/m3
ña = 1.000 kg/m3
mm
d1 = 0,42
Cantidad Unidad
Ga =
De3 ña (ñs - ña)g ì2
De = d1 . d2
Criterios
2,338
2,251
åi = 0,68 xi = 0,06
0,7 (0,000458) (1.000) Re = 60 x 0,0011
[0,458(10) -3] 3x1.650x103 x9,8 [1,11(10)-3] 2 Ga = 1,558
Ga =
De = (0,42)(0,50) De = 0,458
Cálculos
Porosidad expandida promedio de la capa de antracita
å’e=1– [1/ ∑ x’i (1-åi)]
å’e = 1 – [1/ 2,338] å’e = 0,57
Porosidad expandida promedio de la capa de arena
Número de Reynolds modificado
Número de Galileo para la capa más fina de la arena
Diámetro equivalente de la capa más fina
Resultados
åe = 1 – [1/ ∑ xi (1-åi)] åe = 1 – [1/ 2,251] åe = 0,56
Re = 4,85 xi /(1-åi) = 0,06/1-0,68 Repetir pasos del 1 al 4 para xi /(1-åi) = 0,188 cada capa de arena y antracita. Ver cuadros 5-10 y 5- 11 y las figuras 5-15, 5-16 y 5-20
Visc. dinámica 16 °C ì = 0,0011 kg/s x m Aceleración de la g = 9,81 m2/s gravedad Coeficiente de Ce = 0,8 Re = Va Dei ña / ì esfericidad
Datos
Paso
Cuadro 5-9. Cálculo de la expansión del lecho filtrante, selección de la velocidad de lavado y ubicación de las canaletas de lavado (1)
mm
Unidad
212 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Altura del lecho filtrante
15
14
Altura del falso fondo Altura del drenaje más la grava
13
12
H3 = 0,80
H2 = 0,52
H1 = 0,40
m
m
m
Hc = H1 + H2 + Le + H3
H = 1,5 ho + 0,10
Hc =0,40+0,52+1,038+0,625 Hc = 2,583
H = 0,525+0,10 H3 = 0,625
W = 7,8/ 82,5 (0,35)3/2 W = 0,46
m
W = Qc/ 82,5 ho3/2
ho = 0,35
Altura útil de las canaletas de lavado
11
Caudal que recolecta cada canaleta
Qc = 1,3 [0,200 x 60/2] Qc = 7,8
Qc = 1,3 Q/ N 3
Número de canaletas N3 = 2 de recolección del agua de lavado
10
Altura del lecho filtrante expandido
Le = 0,30 (1 + 0,31) + 0,50 (1 + 0,29) Le = 0,393 + 0,645 = 1,038
Le = L(1 + E) + L’(1 + E’)
Altura del borde de la canaleta de lavado con respecto al fondo del filtro
Altura total de canaletas de lavado más losa de fondo
Ancho de las canaletas de lavado
Porcentaje de expansión promedio de la antracita
E’ =0,57 – 0,45/(1 – 0,57) E’ = 0,28; E = 28%
E’ =( å’e–å’ o)/(1–å’e)
Porcentaje de expansión promedio de la arena
Resultados
å’o = 0,45
Porosidad de la antracita limpia
9
E = 0,56 – 0,42/ (1 – 0,56) E = 0,31; E = 31%
Cálculos
E = (åe–å o)/(1–å e)
Criterios
åo = 0,42
Cantidad Unidad
Porosidad de la arena limpia
Datos
8
Paso
Cuadro 5-9. Cálculo de la expansión del lecho filtrante, selección de la velocidad de lavado y ubicación de las canaletas de lavado (1) (continuación)
m
m
m
m 3/min
m
Unidad
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 213
214
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Cuadro 5-10. Cálculo de la expansión de la arena para Ce = 0,80 (1) di mín (mm)
di máx (mm)
De (mm)
xi
1,17 1,00 0,83 0,70 0,59 0,50 0,42
1,41 1,17 1,00 0,83 0,70 0,59 0,50
1,284 1,082 0,911 0,762 0,643 0,543 0,458
0,04 0,09 0,21 0,26 0,24 0,10 0,06
Ga
34.297 20.485 12.240 7.168 4.296 2.593 1.558
Re
εi
xi/(1-εεi)
15,0 12,6 10,6 8,9 7,5 6,3 5,3
0,40 0,45 0,50 0,55 0,58 0,63 0,68
0,067 0,164 0,420 0,578 0,565 0,270 0,188
1,00
2,251
Cuadro 5-11. Cálculo de la expansión de la antracita para Ce = 0,70 (1) di mín (mm)
di máx (mm)
De (mm)
xi
Ga
Re
εi
xi/(1-εεi)
2,00 1,65 1,41 1,17 1,00 0,83
2,38 2,00 1,65 1,41 1,17 1,00
2,182 1,817 1,525 1,284 1,082 0,911
0,05 0,15 0,29 0,28 0,16 0,07
50.939 29.404 17.406 10.393 6.208 3.709
25,5 21,2 17,8 15,0 12,6 10,6
0,44 0,50 0,55 0,58 0,63 0,68
0,089 0,300 0,644 0,659 0,427 0,219
1,00
2,338
Densidad de la arena Densidad del agua Espesor de la capa de arena Porosidad de la arena Densidad de la antracita Porosidad de la antracita Espesor de la capa de antracita
Ancho de cada filtro Ancho de cada vigueta Espaciamiento entre orificios Longitud de cada vigueta
1
4
g/cm3 g/cm3 m
g/cm3
ñs = 2,65 ña = 1,00 L = 0,30 åo = 0,42 ñant = 1,5
8
Diámetro de los orificios del drenaje
do = ¾” do = 0,019 pulgadas m
Ao = ð do2/ 4
qo = Q/ NT
m
c = 5,20
N2 =2c/e
N1 = B/b
7
m m m
B = 3,30 b = 0,30 e = 0,10
⎛ ρs − ρa⎞ hf = (1− εο ) ⎜⎜ ⎟⎟ L ⎝ ρa ⎠
Criterios
NT = N1 N2
m
L’ = 0,50
å’o = 0,45
Unidad
Cantidad
6
5
3
2
Datos
Paso
Resultados
NT = 11(104) NT = 1.144 qo = 0,200 / 1.143 qo = 1,75(10)-4 Ao =3,1416(0,019) 2/ 4 Ao = 2,85(10)-4
N1 = 3,30 / 0,30 N1 = 11 N2 =2(5,20) / 0,10 N2 = 104
hf1 = 0,29 + 0,14 hf1 = 0,42
Número total de orificios en el drenaje Caudal de lavado por orificio Area de los orificios del drenaje
Pérdida de carga total en el lecho filtrante durante el lavado Número de vigueta del drenaje Número de orificios en cada vigueta
Pérdida de carga en la ⎛ 1,5 − 1 ⎞ h´f = (1 − 0,45 )⎜ ⎟ 0,50 antracita durante el lavado ⎝ 1 ⎠ h’f = 0,14
Pérdida de carga en la ⎛ 2,65 − 1 ⎞ hf = (1 − 0,42 )⎜ ⎟ 0,30 arena durante el lavado 1 ⎠ ⎝ hf = 0,29
Cálculos
Cuadro 5-12. Cálculo de las pérdidas de carga durante el lavado de un filtro y ubicación del vertedero de salida (1)
m2
m 3/s
m
m
m
Unidad
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 215
hv = hc + hf lavado hv = 2,58 + 0,63 hv = 3,21
]/(1,84(2)
16
2/3
hf lavado = hf1+ hf2 hf lavado = 0,42 + 0,05 + 0,000553 + 0,115 + 0,04 + hf3+ hf4+ hf5 hf lavado = 0,63
hf5 = [1,3(0,2) (2)(5,20)) hf5 = 0,04
15
hf5 =1,3 Q 2/3/ (1,84 (2N3)C)
hf4 =(1) (1,50)2 /19,6 hf4 = 0,115
hf4 = K Vc2 /2g
Vc2 = 1,50
Velocidad en la compuerta de salida
13
m
hf 3 = (0,104) 2(1)/19,6 hf3 = 5,53 (10) -4
hf3 = K VFF2/2g
K=1
Coeficiente de pérdida de carga en el falso fondo
AFF = 0,40 (4,80) AFF = 1,92
12
14
Resultados
Nivel del vertedero que controla la hidráulica del lavado, con respecto al fondo del filtro
Pérdida de carga total durante el retrolavado
Altura de agua sobre las canaletas de recolección
Pérdida de carga en la compuerta de salida durante el retrolavado
Pérdida de carga en el falso fondo durante el retrolavado
Velocidad en el falso fondo durante el retrolavado
Sección transversal del falso fondo
(0,000175)2 Pérdida de carga en los (9,81)(0,65) 2(0,00019)2 orificios del drenaje hf2 = 0,05 hf2 =
Cálculos
VFF = 0,200 /1,92 VFF = 0,104
m/s
qo2 2g(Cd.Ao)2
AFF = H1 C
hf2 =
Criterios
VFF = Q/AFF
m
m/s2
Unidad
11
Ancho libre del canal 4,80 del falso fondo
10
Cantidad
Coeficiente de descar- Cd = 0,65 ga de los orificios Aceleración de la g = 9,81 gravedad
Datos
9
Paso
Cuadro 5-12. Cálculo de las pérdidas de carga durante el lavado de un filtro y ubicación del vertedero de salida (1) (continuación)
m
m
m
m
m/s
m2
m
Unidad
216 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Ac = 1,3(0,200)/(4)1,28 n Ac = 0,05 ; φ = 10
Ac1 =1,3 Q/ N Vc
m/s
qo = (17,14 VF) / (86.400 x 1.143) qo = 1,74 (10) -7 V F
hf 2 = 3 , 4 3 ( 1 0 ) - 4 V F
hf 2= [ 1 8 0 ( 0 , 0 0 1 ) / 9 8 1 ] . [ ( 1 - 0 , 4 5 ) 2 / ( 0 , 4 5 ) 3] [1/(0,7) 2] [(571.426,8)(50)/ 86.400]VF
9
Velocidad en la Vc 1 = 1,28 compuerta de entrada
hf 1= [ 1 8 0 ( 0 , 0 0 1 ) / 9 8 1 ] . [ ( 1 - 0 , 4 2 ) 2 / ( 0 , 4 2 ) 3] [1/(0,8) 2] [(2.007.497,4)(30)/ 86.400]VF
h f 1 = 1 5 0 v / g . [ ( 1 - ε o ) 2/ ε o 3 ]. 1/ Ce2 . L . VF ∑ Xi / di 2
hf 1 = 7 , 5 6 ( 1 0 ) - 4 V F
Cálculos
Criterios
Hf3 = qo2 / 2cd2Ao2g hf3= [1,74 (10)-4 VF]2/ [ 2 ( 9 , 8 ) ( 0 , 6 5 ) 2 [ 2 , 8 5 x ( 1 0 ) -4 ] ] Hf3 = 4,48(10) -8 VF2
kg/s/m2
cm2 /s
Unidad
8
0,001
571.426,8
CE = 0,7
v = 0,001
2.007.497,4
CE = 0,8
Cantidad
qo =Vf.Af/ 86.400 Nt
Coeficiente de esfericidad Del cuadro 5-15 se toma el valor ∑ Xi/di 2 Viscosidad absoluta
Coeficiente de esfericidad Del cuadro 5-14 se toma el valor ∑ Xi/di 2 Viscosidad
Datos
7
6
5
4
3
2
1
Paso
Sección de la compuerta de entrada
Pérdida de carga en drenaje durante el proceso en función de la velocidad de filtración
Caudal por orificio de drenaje durante el proceso de filtración, en función de la velocidad de filtración
Pérdida de carga inicial en la antracita, en función de la velocidad de filtración
Pérdida de carga inicial en la capa de arena en función de la velocidad de filtración
Resultados
Cuadro 5-13. Determinación de la ecuación para calcular la carga hidráulica que requiere la batería para operar con tasa declinante (1)
m2
m
m3 / s
m
cm
Unidad
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 217
Longitud de cresta del vertedero de salida
10
L2 = 1
K=1
Cantidad
m
Unidad
Ht =8,23 (10)-7 VF2 + 1,10 (10) -3 VF + 0,23
HT = ∑ Hf
Carga hidráulica disponible para el proceso
Altura de agua en el vertedero de salida en función de VF
Hf 7 =0,200/(1,84 x 1)2/3 Hf7 = 0,23
Hf7 = Q /(1,84L2)
Resultados Pérdida de carga en la compuerta de entrada
Cálculos Hf5= (1) (17,14)2 Vf2 / (0,05) 2 (86.400) 2 19,6 Hf4 = 7,78(10)-7 VF2
Hf4 = KVc21 /2g
Criterios
m
m
m
Unidad
∑ total:
3,21 m altura del vertedero de salida, 0,48 m de carga hidráulica 0,21 m, borde libre 3,90 m altura total de la caja del filtro.
Por lo tanto, la altura total del filtro será igual a:
Aplicando el programa de cálculo de Di Bernardo (9, 10) a la ecuación Ht =8,23 (10)-7 VF2 + 1,10 (10)-3 VF + 0,23, se obtiene que la carga hidráulica para la cual F = 1,5 es de 0,48 m, siendo N1= 0,39 m (sobre el vertedero de lavado) el nivel de inicio del ciclo de filtración entre el lavado de un filtro y el siguiente, de tal modo que la oscilación de niveles entre N1 y N2 solamente es de 0,09 m.
11
Coeficiente de pérdida de carga en la compuerta
Datos
9
Paso
Cuadro 5-13. Determinación de la ecuación para calcular la carga hidráulica que requiere la batería para operar con tasa declinante (1) (continuación)
218 Diseño de plantas de tecnología apropiada
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo
Cuadro 5-14. Cálculo de ∑ x/di2 para la capa de arena (1) di (mín)
di (máx)
di2
xi
xi/di2
1,17 1,00 0,83 0,70 0,59 0,50 0,42
1,41 1,17 1,00 0,83 0,70 0,59 0,50
1,65 1,17 0,83 0,58 0,413 0,295 0,21
0,04 0,09 0,21 0,26 0,24 0,10 0,06
24.246,8 76.923,0 253.012,0 447.504,3 581.113,8 338.983,0 285.714,3
1,00
2.007.497,4
Cuadro 5-15. Cálculo de ∑xi/di2 para la capa de antracita (1) di (mín)
di (máx)
di2
xi
xi/di2
2,00 1,65 1,41 1,17 1,00 0,83
2,38 2,00 1,65 1,41 1,17 1,00
4,76 3,30 2,33 1,65 1,17 0,83
0,05 0,15 0,29 0,28 0,16 0,07
10.504,2 45.454,6 124.650,8 169.727,8 136.752,1 84.337,4
1,00
571.426,8
219
220
6.
Diseño de plantas de tecnología apropiada
CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE PLANTAS DE FILTRACIÓN DIRECTA
Este tipo de tratamiento es muy sensible a las variaciones de turbiedad y color, por lo que se recomienda tener un conocimiento muy completo de las características de la fuente y de todas las variaciones de la calidad del agua antes de adoptarlo como solución. El tiempo de retención es de apenas unos pocos minutos, por lo que durante la operación no hay margen para atinar a actuar en casos de emergencia. Se debe prever desde el nivel de diseño la necesidad de un monitoreo constante de los parámetros de calidad de agua. Su aplicación más ventajosa y generalizada es como alternativa para épocas de aguas claras, en fuentes con fuertes variaciones estacionales. En estos casos, las plantas se diseñan de tal modo que en la época lluviosa se opera con filtración rápida completa, y en la época seca, con filtración directa (figura 5-22). 6.1
Parámetros de diseño
Esta alternativa de tratamiento está constituida básicamente por dos procesos: mezcla rápida y filtración de flujo descendente. Con aguas de calidad variable, puede ser necesaria una floculación corta de 8 a 10 minutos, para mejorar la remoción de turbiedad y color, y reducir el periodo de duración del traspase inicial del filtro. •
Se recomiendan para el pretratamiento gradientes de velocidad (G) de 1.000 s-1 y tiempos de retención mayores de 5 segundos para la mezcla rápida. Para la floculación, gradientes de velocidad de 50 s-1 a 100 s-1 y tiempos de retención de 5 a 10 minutos.
•
Investigaciones realizadas por Hutchison, Dharmarajah y Treweek muestran que la prefloculación previa a la filtración mejora la remoción de turbiedad y el filtrado inicial, aunque también tiene sus desventajas, como la reducción de las carreras de filtración y el mayor costo inicial por la construcción del floculador y por la operación y mantenimiento.
•
La prefloculación es necesaria cuando se tienen aguas claras con variaciones horarias, generalmente aguas provenientes directamente de ríos. En el caso de que el agua provenga de un lago o laguna, o se tenga una represa o
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo
221
embalse intermedio, este servirá para atenuar las variaciones, lo que generará un agua de características más estables. •
Los parámetros de la prefloculación se pueden determinar en el laboratorio, aplicando la metodología indicada en “Determinación de parámetros de filtración directa” (Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo II, capítulo 11, “Criterios para la selección de los procesos y de los parámetros óptimos de las unidades”).
•
Lo más recomendable, siempre que los recursos disponibles lo permitan, es instalar un filtro piloto de operación continua para determinar la influencia del pretratamiento y la granulometría del medio filtrante en la duración de la carrera de filtración.
6.2
Dosificación
•
Se consiguen condiciones de operación adecuadas con dosis óptimas menores de 10 mg/L y conteo de algas menor de 200 mg/m3. Con concentraciones mayores se obtienen carreras de filtración cada vez más cortas.
•
Cuanto mayor sea la dosis de coagulante y/o de auxiliar de coagulación, menor será la duración de la carrera de filtración, debido al incremento de la tasa de crecimiento de la pérdida de carga y a un prematuro traspase final, con el consiguiente deterioro del efluente.
•
Con sulfato de aluminio, la dosis óptima varía poco para una faja relativamente amplia de valores de turbiedad. Dosis mayores que la óptima no causan deterioro del efluente pero disminuyen la duración de la carrera. Remueve fácilmente el color verdadero en un rango de pH de 5,7 a 6,5 y de 7,5 a 8,5 para turbiedad. Valores mayores producen un aumento del aluminio soluble en el efluente. Las dosis típicas son menores de 10 mg (4).
•
El cloruro férrico requiere dosis menores que el sulfato de aluminio para producir un efluente de la misma calidad. Sin embargo, la naturaleza corrosiva del producto puede causar problemas. Con un pH entre 8,0 y 8,3, el residual de hierro se ubica bajo el orden de 0,05 mg/L (4).
222
Diseño de plantas de tecnología apropiada
•
Los polielectrolitos catiónicos producen carreras de filtración más largas sin la ocurrencia del traspase final. La dosis óptima es difícil de seleccionar. El periodo inicial hasta obtener un buen efluente es más largo y no es muy buena la eficiencia de remoción de color verdadero y de turbiedad.
•
Muchos trabajos de investigación han demostrado que los polielectrolitos aniónicos y no iónicos, con el sulfato de aluminio o con el cloruro férrico, pueden conducir al éxito en el empleo de la filtración directa. Investigaciones recientes muestran que el uso de polímeros naturales como el almidón de papa, conjuntamente con el sulfato de aluminio, reducen la ocurrencia prematura del traspase final y mejoran la calidad del agua filtrada, aunque disminuyen la duración de la carrera de filtración.
•
La dosis óptima de coagulante para filtración directa se puede determinar mediante el procedimiento de laboratorio indicado en “Determinación de parámetros de filtración directa”, Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo II, cap. 11.
•
El método más recomendable para determinar la dosis óptima de coagulante es el uso de un filtro piloto con características idénticas a las de la planta de tratamiento.
•
La determinación de la dosis óptima de polielectrolito o polímero natural debe ser investigada a través del análisis de la curva de desarrollo de la pérdida de carga y de la calidad del agua filtrada en la interfaz antracitaarena cuando el lecho es mixto o doble. El rápido desarrollo de la pérdida de carga con producción de agua de buena calidad indica una dosis excesiva de polímero, mientras que la tendencia al traspase (ruptura del flóculo) señala que la dosis utilizada es inferior a la óptima.
•
El potencial zeta y el pH del agua coagulada son parámetros importantes en el control del proceso de tratamiento, pues el principal mecanismo de coagulación en este caso es el de adsorción, con el cual se utilizan dosis de coagulante inferiores a las empleadas en una planta convencional, donde lo que se desea es la producción del mecanismo de barrido para optimizar la sedimentación. Véase el “Diagrama de coagulación para filtración directa”, sección 1.8 del capítulo 4 “Coagulación”, Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría.
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo
223
6.3
Características del medio filtrante
•
El medio filtrante recomendado en estos casos es de granos gruesos, para asegurar la obtención de carreras más largas. Pueden utilizarse lechos simples de arena o de arena y antracita, o lechos dobles. Véase el cuadro 5-16. Cuadro 5-16. Características de lechos simples (4) Espesor de la capa (m) Tamaño efectivo (mm) Coeficiente de uniformidad Tamaño máximo (mm) Tamaño mínimo (mm)
1,5 – 2,0 1,17 a 1,65 ≤ 1,5 2,38 1,0
Este tipo de lecho se utiliza cuando se necesita operar con tasas de filtración muy elevadas. Cuadro 5-17. Características de los lechos dobles (4) Características Espesor de la capa (m) Tamaño efectivo (mm) Coeficiente de uniformidad Tamaño máximo (mm) Tamaño mínimo (mm)
6.4
Arena
Antracita
0,20 – 0,50 0,50 – 0,83 ≤ 1,5 1,41 0,42
0,40 a 1,0 1,0 – 1,3 ≤ 1,5 2,38 0,70
Tasa de filtración
La tasa de filtración debe fijarse en relación con la granulometría del medio filtrante, la calidad del agua cruda y las dosis de sustancias químicas utilizadas. Esta decisión debe tomarse preferentemente a partir de un estudio con filtros piloto, variando las tasas de filtración y el medio filtrante y evaluando la calidad del efluente y duración de la carrera hasta conseguir condiciones de operación apropiadas.
224
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Comunicación con resto de cisterna
Vereda
14,50 13,99
,30
,30 ,30 Tapa de Inspección 0,80 x 0,80 m
Cámara de contacto (dentro de cisterna)
,30
Tubería PVC
,30 Tapa de Inspección 0,80 x 0,80 m
Canal de interconexión
,80 ,30
Válvula compuerta ø 250 mm
1,00
,60
Vereda
Canal de aislamiento ,30
1,00
Filtro 4
,90
Filtro 2
Filtro 3
3,00
Filtro 1
,20
1,40
1,00
Válvula Mariposa ø 300 mm
Canal de distribución de agua floculada
,40
,30 Tubería PVC
,20
,30 A3
Floculador
1,00
B
,30
Mezcla rápida
,20
1,20
1,00
,20 ,30
Vereda
1,20 15,00 10,29 ,30
,25
,25
3,20
,25
1,50
,25
1,24
Figura 5-22(a). Modelo de una planta de filtración directa con prefloculación
Figura 5-22(b). Perfil hidráulico de la planta de filtración directa
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo
225
La literatura presenta resultados de investigaciones efectuadas con un rango de tasas de filtración de 120 a 360 m3/m2/d. Un criterio muy importante que debe tenerse en cuenta al efectuar la selección de la tasa de filtración son los recursos locales existentes para operar y mantener el sistema. Teniendo en cuenta el periodo de retención tan corto de este tipo de planta (solo mezcla y filtración) y lo vulnerables que son los filtros a una operación y mantenimiento deficientes, se recomiendan tasas de operación muy conservadoras, del orden de 120 a 160 m3/m2/d para arena sola y de 180 a 240 m3/m2/ d para lechos dobles. 6.5
Control de calidad
Como el tiempo de retención es muy corto, se recomienda, por seguridad, un monitoreo constante del agua filtrada y del agua cruda, de modo que apenas el efluente total presente una turbiedad igual o superior a 0,3 UNT, el filtro que ha estado funcionando por más tiempo sea retrolavado, sin importar cuál sea la pérdida de carga en ese momento. Para que la operación pueda efectuarse de esta manera, durante el diseño deben tenerse en cuenta las instalaciones y equipos necesarios para llevar a cabo un minucioso control de calidad del afluente y del efluente de la planta.
7.
FUNCIONAMIENTO DE LA BATERÍA DE FILTROS DE TASA DECLINANTE
La figura 5-23 muestra una batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo para caudales superiores a 100 L/s.
Figura 5-23. Diseño en planta de batería de filtros de tasa declinante para plantas de medianas a grandes
226
Diseño de plantas de tecnología apropiada
En esta batería se puede observar que la canaleta principal de recolección de agua de retrolavado se ha colocado en medio del lecho filtrante. Con esta distribución, si el ancho de lecho a ambos lados de la canaleta es menor de 2 metros, se evita colocar canaletas secundarias y la altura del filtro es menor. Como se puede observar, la vehiculación del agua se efectúa mediante canales. Se omiten las galerías de tubos y todo el instrumental que estas incluyen y que normalmente representa 60% del costo del sistema. El canal de distribución de agua decantada es común a todos los filtros y es requisito, para operar con tasa declinante, que las compuertas de ingreso de agua decantada a cada una de las unidades se ubiquen por debajo del nivel mínimo de operación.
Canal de recolección de agua filtrada
0,250
N. 4,100
N. 4,100
N. 3,500
N. 3,500
N. 4,250
N. 4,350
N. Min-3,880
N. Max-3,950
Canal de distribución de agua decantada
Canal de recolección de agua de lavado
Canal de interconexión
N . 2,415
N . 2,450
Compuerta de salida
0,250 0,215
N. 1,250
Arena
0,800
Canal de aislamiento
0,600 0,500
0,400
Grava N. 0,100
Canal recolección de desagües
N. 0,000
Falso fondo de filtros
Figura 5-24. Corte transversal de una batería grande de filtros que incluye canaletas secundarias para recolectar el agua de retrolavado
El canal inmediato a la salida de los filtros sirve para aislar una unidad durante el mantenimiento, cerrando la compuerta que lo comunica con el canal de interconexión y la válvula de ingreso de agua decantada. El canal de interconexión es el que comunica a todos los filtros a través de las compuertas de salida. Mediante este canal se establece el lavado con el flujo de toda la batería. Al cerrar el ingreso de agua decantada y abrir la salida de agua
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo
227
de retrolavado en el filtro más sucio de la batería, el nivel del agua en este empieza a bajar, y cuando la altura de agua es menor que la posición del vertedero de control de salida de la batería (ver el tercer canal de la figura 5-24), el flujo deja de pasar por el vertedero, se invierte e ingresa al filtro que está en posición de lavado a través de la compuerta de salida. La velocidad de lavado se establece gradualmente a medida que el agua se desplaza en los canales, lo cual impide que se produzcan cambios bruscos que pudieran ocasionar pérdida del lecho filtrante. La velocidad de lavado se establece al pasar el caudal de proyecto de la batería a través de la sección del filtro, lo que produce una expansión promedio de 25 a 30%. En la caída del vertedero de salida (figura 5-24) se aplica la dosis de cloro y, mediante la cámara de contacto considerada después, se le da un tiempo de retención complementario al que está disponible en el sistema, antes de la primera conexión domiciliaria. En el canal de desagüe del agua de retrolavado, se ubica una válvula de compuerta para vaciar totalmente la unidad (figura 5-24). En las plantas pequeñas el diseño de la batería se simplifica reduciendo el número de canales (figura 5-25). Se omite el canal de aislamiento y de vaciado total; el canal de interconexión se ubica en el falso fondo de las unidades (corte A-A).
Vertedero general
Arena Grava Canal de interconexión Corte A-A
Figura 5-25. Batería de filtros de pequeña capacidad de producción
Al diseñar los filtros alargados de tal modo que la distancia perpendicular a la canaleta no sea mayor de 2 metros (figura 5-25), se pueden omitir las canaletas secundarias de recolección de agua de lavado y, por consiguiente, disminuir en aproximadamente un metro la altura del filtro. Con anchos del lecho mayores de 2 metros, se dificulta el transporte del sedimento y es necesario considerar canaletas secundarias, como se aprecia en la figura 5-13.
228
Diseño de plantas de tecnología apropiada
En esta solución no es posible sacar una unidad de operación para darle mantenimiento sino que debe parar toda la batería. Para estas situaciones, se debe prever una capacidad de almacenamiento que permita abastecer a la población mientras dura el mantenimiento preventivo. Para vaciar toda la batería, se abre la compuerta que comunica el canal de interconexión con la cámara de cloración.
8.
DEFECTOS DE DISEÑO MÁS COMUNES
•
Uno de los defectos más comunes es el resultante de proyectar la batería de filtros sin tener en cuenta la granulometría del material filtrante que se va a colocar. Al elegir una velocidad de lavado al azar, sin relacionarla con las características de la arena o de la antracita, es muy difícil que luego la arena se expanda adecuadamente. Con el tiempo, este problema llega a anular totalmente la eficiencia de la batería de filtros, porque si la velocidad de lavado es muy baja y la arena gruesa, a medida que pasa el tiempo, se va colmatando y apelmazando con el sedimento, hasta llegar a la situación de que el material pierde porosidad y Figura 5-26. Vertedero de salida fijo, no calibrable el agua se abre paso a través de grietas. Si la velocidad es muy alta y el material filtrante fino, este se va perdiendo en los lavados sucesivos, hasta que solo queda un poco de material que no llega a salir por su profundidad.
•
Cuando el lecho filtrante es doble, de antracita y arena, es frecuente encontrar que no se seleccionó correctamente la antracita en función de la arena sino que esto se hizo al azar. Cuando la antracita es muy fina, se pierde toda en los primeros lavados y cuando es muy gruesa, se encuentra totalmente revuelta con la arena.
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo
229
•
Hay casos en que el proyectista, en lugar de utilizar los canales para vehiculizar el agua, coloca tuberías dentro de los canales para transportar el agua decantada que ingresa, el agua filtrada y el agua de retrolavado. Además del gasto inútil en que se Figura 5-27. Vertedero de salida del tipo está incurriendo en plancha empernada (1) este caso, sucede que al sacar el agua de retrolavado mediante una tubería instalada en el mismo nivel del orificio de salida del filtro, el agua de lavado se represa dentro de la caja del filtro, lo que resta eficiencia a esta operación.
•
En innumerables casos, el vertedero de salida no se encuentra en el nivel apropiado, la carga de lavado es muy poca o demasiado grande y ello no se puede corregir, porque el vertedero no es calibrable (figura 5-26) o es del tipo en que la plancha metálica del vertedero está empernada al muro y para poder ajustar la carga, hay que parar la planta para mover la plancha. En la mayoría de casos, los tornillos están muy oxidados y al moverlos, se parten (figura 5-27).
•
No se deben proyectar pesadas tapas de concreto para los ingresos a los canales, porque:
Figura 5-28. Pesadas tapas de concreto (1)
230
Diseño de plantas de tecnología apropiada
a)
Por su peso, los operadores no las colocan en su sitio y el agua filtrada queda expuesta a la contaminación (figura 5-28).
b)
Como las tapas son pesadas, las dejan caer desde lo alto y terminan rotas y los canales quedan permanentemente destapados.
•
En la batería de filtros de la figura 5-29 se puede apreciar cómo, al cabo de unos años, las tapas se rompieron y el agua filtrada se encuentra expuesta a la contaminación.
•
Es muy frecuente también que la planta en su totalidad se proyecte para el caudal de final de la segunda etapa, para un futuro de 20 Figura 5-29. Canales de a 25 años, pero que empiece a agua filtrada destapados operar con el caudal actual. Al modificarse el caudal del proyecto, automáticamente estamos modificando la velocidad de lavado. La batería de filtros de la figura 5-30 fue proyectada para un caudal de 250 litros por segundo y, por problemas de captación, el caudal de operación variaba entre 40 y 120 litros por segundo. Cuando se evaluó esta planta, la expansión de la arena era nula y se encontraba apelmazada con sedimento de varios años (figuras 5-30 y 5-31).
Figura 5-30. Batería de filtros de tasa declinante para un caudal de 250 L/s
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo
231
Figura 5-31. La operación de lavado era muy pobre
•
Otro problema que se afronta en la operación de la batería de filtros es el causado por un proyecto en el que se consideraron compuertas para accionar la entrada de agua decantada y la salida de agua de lavado en lugar de válvulas tipo mariposa. Las compuertas de fabricación local aún no han alcanzado buenos niveles de calidad, tienen poca durabilidad y no son estancas. Demandan mucho esfuerzo al operador cada vez que deben ser accionadas y son precisamente las de operación más frecuente.
Figura 5-32. Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo
232
Diseño de plantas de tecnología apropiada
REFERENCIAS (1)
Canepa de Vargas, L. Proyectos y fotos de archivo. Lima, CEPIS/OPS, 2004.
(2)
Programa HPE/CEPIS/OPS de Mejoramiento de la Calidad del Agua para Consumo Humano. Manual V, Tomo III, Criterios de diseño para filtros. Lima, CEPIS, 1992.
(3)
Di Bernardo, L. Proyecto de sistemas de filtración para tratamiento de aguas de abastecimiento. São Paulo, Escuela de San Carlos de la Universidad de São Paulo, 1987.
(4)
Di Bernardo, L. Filtración directa descendente. São Paulo, Escuela de San Carlos de la Universidad de São Paulo, 1985.
(5)
Cleasby, J. L. “Direct Filtration of Surface Waters”. Memorias del Seminario Internacional sobre Tecnologías Simplificadas para Potabilización de Aguas. Cali, 1987.
(6)
Di Bernardo, L. Métodos y técnicas de tratamiento de agua. Volumen II. Río de Janeiro, ABES, 1993.
(7)
Cleasby, J. L. “Declining Rate Filtration”. Memorias del Seminario Internacional sobre Tecnología Simplificada para Potabilización del Agua. Cali, 1987.
(8)
Arboleda V., J. “Diseños de filtros de control hidráulico”. Memorias del Seminario Internacional sobre Tecnología Simplificada para Potabilización del Agua. Cali, 1987.
(9)
Di Bernardo, L. “Proyecto y operación de sistemas de filtración con tasa declinante”. Memorias del Seminario Internacional sobre Tecnología Simplificada para Potabilización del Agua. Cali, 1987.
(10) Material electrónico entregado por el Ing. L. di Bernardo en el módulo de Tratamiento de Agua y Residuos de la Facultad de Ingeniería Ambiental de la Universidad Nacional de Ingeniería, Lima, 1988.
Batería de filtros de tasa declinante y lavado mutuo
(11)
233
Richter, C. “Filtros rápidos modificados”. Manual del Curso sobre Tecnología de Tratamiento de Agua para Países en Desarrollo. Lima, OPS/CEPIS/ CIFCA, 1977.
(12) Cleasby, J. L. Avances en retrolavado. Ames, Iowa State University, 1987. (13) Letterman, R. “An Overview of Filtration”. Journal of the American Water Works Association, diciembre, 1987. (14) CEPIS. Plantas modulares de tratamiento de agua. Documento Técnico 8. Lima, CEPIS, 1982. (15) Amirtharajah, A. “Optimum Expansion of Sand Filters during Backwash”. Tesis de doctorado. Iowa, Iowa State University, 1971. (16) Camp, T. T. “Theory of Water Filtration”. Journal of the Environmental Engineering Division, Proceedings ASCE, 1964.
234
Diseño de plantas de tecnología apropiada
CAPÍTULO 6 SALA DE CLORACIÓN
Sala de cloración
1.
237
INTRODUCCIÓN
Las estaciones de cloración merecen mucha atención desde la etapa de diseño, por la importancia que este proceso tiene en la producción de agua segura y por los riesgos que involucran la operación y mantenimiento de las estaciones. En el proceso de diseño de las estaciones de cloración, podemos considerar cuatro etapas: • • • •
almacenamiento del cloro; sistemas de medición y control; sistemas de inyección; sistemas de seguridad.
2.
CRITERIOS GENERALES DE DISEÑO
•
El cloro es proporcionado en cilindros metálicos resistentes, de 50 a 1.000 kilogramos, en contenedores. Puede ser utilizado en forma líquida o gaseosa. Los cilindros tienen las siguientes características: a) b)
c) d) •
Son de acero. La máxima densidad de llenado es 125%. Se define así a la razón de porcentaje entre el peso del gas en el cilindro o contenedor y el peso del agua que puede contener a una temperatura de 15,6 °C (70 °F). Se equipan con sistemas de seguridad (válvulas, protectores). Se someten a pruebas de presión a intervalos regulares, de acuerdo con las normas correspondientes.
De acuerdo con la capacidad de los cilindros, se puede extraer mayor o menor cantidad de cloro de cada uno de ellos. Véase el cuadro 6-1.
238
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Cuadro 6-1. Características de los cilindros de cloro (1) Peso del contenido kg 50 75 1.000
lb 100 150 2.000
Peso del cilindro kg 33 40-59 680
lb 73 90-130 1.500
Peso total del cilindro lleno kg 83 115-134 1.680
lb 173 240-280 3.500
Máximo flujo de cloro que se puede extraer de un cilindro kg 11,7 18,2 182
lb 26 40 400
•
El consumo de cloro necesario para la desinfección del agua se estima en 5 mg/L, con un mínimo de 1,0 mg/L. Para la oxidación y preparación de compuestos, se estima de acuerdo con las necesidades de tratamiento.
•
Instalaciones con un consumo superior a 50 kg/d deben prever el uso de cilindros de una tonelada y para el traslado de los cilindros deben considerarse dispositivos que permitan hacer esta tarea bajo condiciones de seguridad.
•
Debe preverse un almaal Sol (2) cenamiento de cloro suficiente para atender por lo menos 10 días de consumo máximo. En instalaciones con capacidad inferior a 10.000 m3/d o 100 l/s debe preverse un almacenamiento para periodos mínimos de 30 días.
•
El número de envases de cloro en uso dependerá básicamente del máximo flujo que se pueda obtener de cada cilindro. El cuadro 6-2 indica la cantidad mínima de cilindros que debe haber en servicio, vacíos y de reserva, a fin de mantener un suministro continuo de cloro en la planta.
Figura 6-1. Contenedores de cloro expuestos
Sala de cloración
239
Cuadro 6-2. Número de cilindros necesarios según la capacidad requerida (1) Cilindros de 1.000 kg
Cilindro de 75 kg Capacidad En Reserva requerida servicio Vacíos mínima kg/día 0 –18 18 – 36 36 – 54 54 – 72 72 – 90 90 – 100
1 2 3 4 5 6
2 4 6 8 10 12
3 6 9 12 15 18
Capacidad requerida kg/día 54 – 180 180 – 360 360 – 540 540 – 720 720 – 900 900 – 1.000 > 1.000
En servicio
Vacíos
Reserva mínima
1 1 2 2 2 4 3 3 6 4 4 8 5 5 10 6 6 12 Usar evaporador
•
En instalaciones situadas en localidades distantes de los centros productores de cloro, el almacenamiento debe tener en cuenta las dificultades para la compra y transporte del producto.
•
En instalaciones con consumo de hasta 50 kg/día, los cilindros y los equipos de cloración pueden instalarse en la misma área.
•
En instalaciones de consumo mayor, deben instalarse en áreas separadas.
•
El área de almacenamiento de cloro debe ser abierta (figura 6-2). Si se proyectara cerrada, con paredes en todo el contorno (figura 6-3), la habitación debe ser ventilada mediante: a)
Ventilación natural por medio de aberturas que deben llegar hasta el piso.
Figura 6-2. Almacén de cloro abierto para cilindros de una tonelada (2)
240
Diseño de plantas de tecnología apropiada
b)
•
Además de ventilación natural, debe haber ventilación forzada, producida por un extractor o insuflador, dispuesto de modo de obligar al aire a atravesar a nivel del piso todo el ambiente y con capacidad para renovar todo el aire del recinto en un tiempo máximo de 4 minutos.
Figura 6-3. Almacén de cloro cerrado con ventilación artificial (2)
c)
Las llaves o interruptores de los equipos deben quedar del lado de afuera del recinto.
d)
Las salidas de ventilación deben ubicarse de tal modo que disipen las eventuales fugas de cloro a la parte externa de la casa de química (si la sala de cloración ha sido incorporada a esta estructura). Esta ventilación no debe Figura 6-4. Forma de almacenar incidir sobre la vencilindros de una tonelada (2) tilación de otras áreas ni sobre áreas externas confinadas, aunque solo sea parcialmente.
e)
Los cilindros deben estar protegidos de la incidencia de la luz solar.
El área de localización de los equipos cloradores debe contar con los medios de seguridad previstos para la sala de almacenamiento de cloro.
Sala de cloración
241
•
El área de almacenamiento de cloro y la de instalación de los cloradores deben tener puertas que se abran hacia afuera, con vidrio en la parte superior, y estar dotadas de aberturas de ventilación sobre el pórtico.
•
Los cilindros de cloro de una tonelada deben ser al Figura 6-5. Almacén de cilindros pequeños (2) macenados o utilizados en posición horizontal, en una sola hilera, fijados por medios adecuados, con un espaciamiento mínimo de 0,20 metros entre los cilindros y un ancho mínimo de un metro entre los corredores de circulación. •
Los cilindros con capacidad igual o inferior a 75 kilogramos de cloro deben ser almacenados o utilizados en posición vertical, directamente sobre una balanza. Deben contar con una cadena o barra de seguridad que evite el volteo en caso de una explosión o sismo (figura 6-5).
•
El control de la cantidad de cloro disponible debe ser hecho por pesaje continuo o por un dispositivo que indique la presión de los cilindros en uso.
•
Figura 6-6. El almacén de cloro utilizado como depósito (2)
Las áreas utilizadas para depósito o dosificación de cloro deben contar solamente con productos químicos y equipos relacionados con la cloración. No deben utilizarse para almacenar otro tipo de materiales (figuras 6-6 y 6-7).
242
Diseño de plantas de tecnología apropiada
•
El uso de hipoclorito de calcio o sodio, por ser 10 veces más caro que el cloro líquido envasado a presión en cilindros, debe quedar restringido a instalaciones de capacidad inferior a 10 L/s, o solo cuando se demuestre que es la mejor alternativa.
•
El almacenamiento de como depósito (2) hipoclorito de sodio debe hacerse en un lugar techado, ventilado, seco y libre de materiales combustibles. Este producto es muy inestable; el periodo de almacenamiento no debe ser mayor de un mes.
•
El hipoclorito de sodio debe utilizarse directamente del recipiente en que es transportado.
•
El hipoclorito de calcio se expende en forma granular en tambores de 45 a 50 kilogramos. Debe ser disuelto previamente en agua para ser dosificado por vía húmeda, tomando en cuenta lo siguiente:
Figura 6-7. El almacén de cloro utilizado
— —
La concentración máxima de la solución debe ser inferior a 10 %. Deben existir dos tanques de disolución, con capacidad mínima individual para 12 horas de operación.
3.
ALMACENAMIENTO
3.1
Criterios para el dimensionamiento
Es necesario conocer el consumo del producto de acuerdo con la capacidad de la planta. La información necesaria es la siguiente: a) b)
caudal del proyecto (Q en L/s); dosificación esperada (dosis mínima y máxima en mg/L);
Sala de cloración
c)
243
tiempo de almacenamiento seleccionado. Ver en el cuadro 3 criterios basados en la experiencia. Cuadro 6-3. Criterios para el almacenamiento de productos desinfectantes (3) Producto
Tiempo de Dosis en mg/L almacenamiento (meses) Mínima Máxima
Cloro en cilindros a presión Hipoclorito de calcio Hipoclorito de sodio
Notas:
3–6 3–6 < 1 mes
1 1,4 1,7
3 4,3 23,1
•
•
Las dosis mínima y máxima se basan en un porcentaje de cloro disponible de 70% para el hipoclorito de calcio y de 13% para el hipoclorito de sodio. Las dosis indicadas corresponden a la práctica usual; para la determinación precisa de la dosificación, se requiere efectuar el ensayo de demanda de cloro o curva al punto de quiebre (figura 6-8).
3.500 10.000 – 50.000 10.000 – 50.000
8 Residual combinado
•
Concentración de la solución (mg/L)
Residual libre
6
4
B
2
2
0 A
C 4
Punto de quiebre 6
8
Dosificación de cloro (mg/L)
Figura 6-8. Curva al punto de quiebre (4)
Para mayores detalles sobre dosificación, se puede consultar la sección “Dosificación” en el capítulo 1 de este mismo manual.
La ecuación de balance de masas permite diseñar, evaluar y operar estos sistemas: Q.D=q.C=P
(1)
244
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Donde: Q = caudal máximo de diseño en L/s. D = dosis promedio de desinfectante = (DM + Dm)/2 (mg/L) DM Dm q P
(2)
= = = =
dosis máxima (mg/L) dosis mínima (mg/L) caudal de solución de cloro (L/s) peso requerido del desinfectante (mg/s o kg/d) C = concentración de la solución (mg/L)
Nota: 1 mg/s = 0,0864 kg/d
Figura 6-10. Carretillas para transportar cilindros pequeños (3)
Figura 6-9. Sistema de grúa para cilindros grandes (2)
Dependiendo de la capacidad de producción de la planta, el almacén deberá incluir un equipo de grúa para movilizar el cilindro en el caso del cloro líquido embotellado a presión, en cilindros de una tonelada. Cuando se trata de sistemas pequeños que usan cilindros de 75 kilogramos, se considerará el empleo de carretillas para efectuar el transporte en forma manual (figura 6-10). En el cuadro 6-4 presentamos un ejemplo para el cálculo de un almacén de cilindros de cloro.
Sala de cloración
245
Cuadro 6-4. Cálculo del área del almacén de cloro (3) N.°
Datos
1
Dosis máxima DM = 3,0
mg/L
Dosis mínima Dm = 1
mg/L
Tiempo de almacenamiento T = 90
d
Caudal de diseño Q = 100 Q = 8.640
L/s m3/d
3
Peso de un cilindro de cloro P = 67,0
4
Área que ocupa un cilindro chico Ac = 0,071
2
Unidad Criterios D = (D M + Dm)/2
Cálculos
Resultados
Unidad
D = (1 + 3)/2 D=2
Dosis promedio
mg/L ó g/m3
W = Q. T. D
W = (8.690 x 2 x 90)/ 1.000 W = 1.555
Peso de cloro requerido en el periodo de almacenamiento seleccionado
kg
kg
N = W/P
N = 1.555/ 67,0 N = 23
Número de cilindros que se almacenarán
unidad
m2
At = 1,25 Ac.N
At = 1,25 x 0,071 x 23 At = 2
Área ocupada por los cilindros
m2
Recomendaciones para el proyecto
•
La figura 6-11 indica las dimensiones de los cilindros de una tonelada: entre 2,16 y 2,21 metros de largo y entre 0,75 y 0,81 metros de diámetro.
Peso bruto 1.650 kg aprox.
75 – 81 cm
121 cm
min. 0,50
3.2
B 216 - 221 cm
A 27 cm
20
17,5 Válvula de cloro 3/4” Protección de canales de cloro Conexión flexible Cilindro de tn
Válvula auxiliar del cilindro
Figura 6-11. Cilindros de cloro de una tonelada de peso (4)
246
Diseño de plantas de tecnología apropiada
•
La figura 6-12 presenta ideas sobre cómo distribuir el almacén, de acuerdo con las recomendaciones de algunos fabricantes.
•
Cualquiera que sea el recipiente de cloro que se use, si se requieren varias unidades, hay que conectarlas a una tubería matriz, como indica la figura 6-13.
100 – 20
Cilindros en reserva I
II
IV
III
Grupo I - Cilindros de 67 kg
Grúa
V
VII
VI
Cilindros en reserva
Tomas
Grúa
Grúa Cilindros en reserva VIII
IX
Grupo II - Cilindros de una tonelada
Figura 6-12. Almacenamiento de cilindros de cloro (3)
El diseño de esta matriz es muy importante para lograr un flujo sin obstrucciones. Los cilindros de cloro llenos tienen 85 % de cloro líquido y 15% en estado gaseoso. Al extraer este último, disminuye la temperatura del envase y aparece
Sala de cloración
escarcha en la superficie del cilindro por condensación de la humedad, lo que indica que el gas se está evaporando rápidamente.
Válvula auxiliar
247
Matriz
Válvula del cilindro
Válvula reductora de presión
Tubería flexible
Clorador
Para que el flujo no se inteCilindro de cloro rrumpa, la temperatura en los cilindros debe ser más alta o igual a la temperatura en las tuberías aductoras, pues si estas se enfrían Báscula más rápidamente que el cilindro, Figura 6-13. Sistema de conexión aunque sea muy pequeña la difede cilindros de cloro (1) rencia térmica, el gas se puede relicuar en las líneas de conducción y producir obstrucciones en los cloradores.
4.
EQUIPOS DE MEDICIÓN Y CONTROL
Los equipos de cloración se fabrican en un rango de 1,5 a 4.500 kg/día de cloro gaseoso y dosificadores de cloro líquido desde 20 hasta 2.000 L/día. Es necesario determinar la capacidad del equipo que se necesita. Para calcular la capacidad (C) del clorador, utilizaremos nuevamente la ecuación de balance de masas, teniendo en cuenta que el equipo se calcula con el caudal y la dosis máxima. C Q D
= = =
QD x 86,4 m3/s mg/L
El caudal máximo es el del final del periodo de diseño. Cuando el diseño de la planta se hace por módulos, la estación de cloración debe centralizarse y satisfacer la producción de todos ellos. En este caso, el clorador debe satisfacer también la capacidad mínima requerida por un solo módulo. Las características de los equipos dependen de la forma de cloro que vamos a utilizar, hipocloritos en solución o cloro líquido envasado en cilindros a presión.
248
4.1
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Equipos para aplicar hipoclorito en solución
Puede utilizarse cualquier tipo de dosificador para productos químicos en solución que sea resistente a la acción corrosiva del hipoclorito. Los más comunes son las bombas dosificadoras y los sistemas de orificio de carga constante. Para la medición, se utilizan rotámetros o las escalas del equipo dosificador. Las bombas dosificadoras empleadas son de tipo diafragma o pistóndiafragma, ambas de desplazamiento positivo. En todos estos equipos debe poder calibrarse la dosificación. Los hay con diferente ranEntrada go de ajuste; los más usaVálvula de flotador dos tienen un rango de 10:1. Tanque 1 Solución
Escala
Tubo 1-2” φ PVC Tubo 3-4” φ PVC
Si la aplicación requiere una operación automática Flotador Válvula de —dosificación proporcioOrificio dosificador interconexión Manguera flexible nal al caudal, a la demanDesagüe Tanque 2 Dosis da de cloro o a ambos—, existen en el mercado equiDesagüe pos que pueden cubrir este tipo de funciones, como veFigura 6-14. Sistema de aplicación por gravedad (3) remos más adelante. El rango de trabajo de estos equipos puede variar entre 20 L/día y 800 L/día. Ellos son capaces de inyectar la solución desde vacío hasta 28 kg/cm2. Tornillo para fijar tubo
4.2
Hipoclorador de orificio de carga constante
El hipoclorito en solución se utiliza principalmente en instalaciones para localidades pequeñas, donde, por lo general, no hay condiciones apropiadas para operar y mantener un equipo automático. Sin embargo, en la industria o en el caso de una urbanización o un hotel de lujo, podría justificarse la inversión. Los sistemas de orificio de carga constante, por su bajo costo y porque funcionan por gravedad, son muy empleados en localidades pequeñas. Se pueden fabricar artesanalmente, no requieren energía eléctrica y con muy poco mantenimiento se puede obtener una operación constante. También se
Sala de cloración
249
consideran en los sistemas grandes, como alternativa para eventuales situaciones de emergencia (figuras 6-15 y 6-16). 4.3
Equipos para aplicar cloro gaseoso Flotador
Manguera flexible
Perfil de aluminio
Figura 6-15. Hipoclorador (2)
Tapón
Estos tipos de cloradores son los más utilizados en las plantas de tratamiento, porque son más eficientes que los hipocloradores. Por su forma de operar, podemos distinguir dos tipos de unidades: cloradores de gas directo y cloradores al vacío en solución.
Tapón
A
A
A-A
Figura 6-16. Hipoclorador de orificio de carga constante (4)
4.3.1 Cloradores de aplicación directa Este tipo de clorador opera con la presión del cilindro, por lo que adolece de serias limitaciones. Su uso se recomienda solo cuando no hay otra alternativa. Normalmente se emplean en zonas donde no hay suministro continuo de energía eléctrica. Figura 6-17. Clorador de aplicación directa a una tubería (2)
250
Diseño de plantas de tecnología apropiada
La principal desventaja de estos equipos es que la dosis varía con la presión del cilindro. Se fabrican en capacidades que van desde 9 hasta 150 kg/día. Véanse las figuras 6-17 y 6-18.
Figura 6-18. Punto de aplicación en la tubería (2)
Unidad de control
Dos cilindros multipropósitos
Válvula manual Llave de gas
Filtro Válvula
Conexión flexible Tubo de descarga de gas
Cadena
Válvula manual Difusores Cilindro de cloro
Figura 6-19. Clorador de aplicación directa (5)
Sala de cloración
251
Válvula Línea de presión de cloro Filtro de admisión Válvula de cilindro de cloro
Válvula de dosificación Indicador de dosificación Clorador
Abrazadera de yugo
Línea de escape Válvula de escape Línea de presión de cloro Válvula de retención y difusor de piedra poroso completo
Ventilación
Gas cloro Juntura de plomo Cloro líquido
Cilindro de cloro
Nota: La válvula de retención y difusor completo estará sumergido
Figura 6-20. Diagrama de flujo de un clorador de aplicación directa
252
Diseño de plantas de tecnología apropiada
4.3.2 Cloradores de aplicación al vacío Este tipo de equipo es el más confiable y seguro de operar. a)
Descripción
Un clorador de aplicación al vacío está integrado por tres componentes fundamentales: un inyector, una válvula de ajuste de la dosificación y un medidor de caudal.
Figura 6-21. Sistema de inyección (3)
El inyector. El inyector es un Venturi mediante el cual se ejerce una succión determinada (130 milímetros de agua), por medio del cual se succiona el cloro a través del equipo. Este inyector también sirve como cámara de mezcla entre el cloro y el agua que sirvió para ejercer el vacío (figura 6-21).
Las condiciones hidráulicas de la bomba de agua son muy importantes, pues tanto la presión como el caudal son determinantes en el funcionamiento del inyector. Por ello es muy importante consultar las recomendaciones del fabricante, porque cada uno tiene condiciones específicas, a partir de las cuales se han diseñado los equipos. Es preferible que dejemos el cálculo de las condiciones de operación de la bomba al fabricante. Válvula de control. Las válvulas de control merecen muy especial atención, pues con facilidad se taponan con las impurezas del cloro. Para garantizar mayor confiabilidad en la operación, se recomienda especificar orificios o vástagos ranurados en lugar de las válvulas de aguja convencionales. Medidor de caudal. El medidor de caudal es un rotámetro, un tubo de vidrio que indicará el paso del gas a través del equipo. La medición de un gas se ve afectada por las condiciones de temperatura y presión. Cuando la presión está por debajo de la atmosférica, como en este caso, el efecto es mayor. Por esta
Sala de cloración
253
razón, el equipo cuenta con válvulas reguladoras de presión y de vacío a la entrada y a la salida del dispositivo de medición. Operar el proceso a presiones por debajo de la atmosférica presenta una serie de ventajas que permiten que el cloro, un gas extremadamente corrosivo y venenoso, pueda ser manipulado casi por cualquier perFigura 6- 22. Cloración al vacío, equipos sona. Al someterlo al vacío dende pared (2) tro del equipo, se aprovecha este para, mediante diafragmas venteados, cerrar automáticamente todo puerto o ducto factible de ruptura al dejar de ejercer la presión debajo de la atmosférica. La presión del cloro dentro del cilindro no se requiere para la operación, porque estamos succionando el gas con el inyector y estas condiciones siempre van a prevalecer a lo largo del circuito dentro del equipo. Ventilación Válvula de ajuste Gas
Válvula de gas
Línea de vacío Ventilación Rotámetro
Líquido
Cilindro de tonelada
Regulador Filtro Trampa de cloro y calentador Agua al inyector
Inyector y válvula check
Solución
Figura 6-23. Clorador con inyector para cilindro de una tonelada (3)
También debemos tener presente que el cloro viene de un cilindro bajo presión donde se encuentra licuado y que no podemos extraerlo en forma indiscriminada cuando el gas está en forma líquida dentro del recipiente, porque la presión de vapor del gas a las condiciones ambientales de temperatura producirá una velocidad de evaporación tal que podemos llegar a congelar el cilindro y su contenido. El cuadro 6-1 indica el máximo flujo de cloro que se puede extraer de un cilindro, dependiendo de su tamaño.
254
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Los sistemas con inyector son los más usados debido a que presentan las siguientes ventajas: • • •
Ofrecen alta precisión en la dosificación. No son influenciados por los cambios de temperatura. Son equipos durables y de costo inferior a los de alimentación o aplicación directa.
Figura 6-24. Cloradores de consola (2)
A ventilación Válvula del cilindro de cloro
Abrazadera de yugo
Junta de plomo
Anillo sellador de vacío
Válvula de dosificación
Válvula de seguridad de admisión
Conexión de salida Válvula de ventilación
Filtro de admisión
Línea de vacío
Indicador de dosificación Diafragma de regulación completa
Inyector y válvula de retención completa
Gas cloro Suministro de agua Cloro líquido
Cilindro de cloro
Figura 6-25. Diagrama de flujo de un clorador de aplicación al vacío (3)
Solución de cloro
Sala de cloración
255
Sin embargo, debe tenerse en cuenta que para la operación de los inyectores, se requiere el suministro de agua a presión y, por lo tanto, se debe incluir un equipo de bombeo en el sistema. Componentes de un sistema de cloración con inyector. Un sistema con inyector incluye básicamente los siguientes componentes: • • • •
•
Balanza. Clorador (de pared o montaje directo), con manguera de ventilación. Cadena de protección. Tubería de abastecimiento con válvula de paso, manómetro, filtro “Y”, adaptador para montaje del inyector y el difusor a fin de aplicar la solución de cloro al agua. Mascarilla de protección tipo canister. Juego de repuestos con canister para la mascarilla de protección, empaques de plomo para el montaje del clorador y otros repuestos recomendados por el fabricante para efectuar el mantenimiento adecuado del equipo. Equipo para la detección de fugas: botella de amoniaco con tapa de apertura rápida. Cilindros de reserva (como mínimo, tres para plantas pequeñas). Véase el cuadro 6-2 para plantas de medianas a grandes. Comparador para medir cloro residual.
b)
Criterios de diseño
•
El caudal mínimo de agua para el funcionamiento del inyector se calcula mediante la siguiente ecuación:
• • • •
q = Q . DM /C
(3)
Donde: DM
=
C
=
dosis máxima, normalmente se asume igual a 5,0 mg/L. concentración de la solución clorada, normalmente se asume igual a 3.500 mg/L.
Figura 6-26. Cloradores de consola (2)
256
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Usar caudales de agua mayores que q no ofrece problemas en la dosificación y a menudo es necesario tomar caudales mayores para ajustarse a los tamaños comerciales de los equipos de bombeo. Los equipos de bombeo pueden evitarse, cuando la planta cuenta con un suministro de agua con presión suficiente para el funcionamiento del inyector. Usualmente, la mínima presión necesaria es 30 metros de columna de agua (mca), más las perdidas calculadas en la tubería de abastecimiento. •
La potencia mínima del equipo de bombeo se calcula con la siguiente ecuación: P = δ Q H / 75 E
(4)
Donde:
δ H E
= = =
peso específico del agua (~ 1.000 kg/m3) carga dinámica total (mca) eficiencia del equipo de bombeo .
Para el cálculo de H se utilizan los siguientes criterios: H = h + Ho + Hm
(5)
Donde: h = Ho = Hm =
presión requerida por el inyector (mca) pérdidas por fricción (mca) pérdidas menores (mca)
Ho = f . L/ø. V2/2g (fórmula de Darcy Weisbach) Donde: f L ø V g
= = = = =
0,030 (coeficiente de fricción) longitud de la tubería (m) diámetro de la tubería (m) 0,60 a 1,20 m/s (velocidad del agua) aceleración de la gravedad.
(6)
Sala de cloración
257
Nota: También es correcto emplear fórmulas como la de Hazen Williams y la de Flamant (9). Hm = ∑K v2/2g
(7)
Donde ∑K = suma de coeficientes de pérdida de carga en accesorios. Los usuales se indican en el cuadro 6-5.
Cuadro 6-5. Coeficientes de pérdida de carga menores (3) Accesorios Codo Te de paso directo Válvula de compuerta Filtro “Y” Total ∑K =
K 0,40 0,25 0,30 3,50 4,45
Nota: La suma de K debe ajustarse de acuerdo con el diseño de cada sistema.
•
Capacidad requerida del equipo W = Q . DM
(8)
Donde: W =
capacidad requerida en g/h.
Con este dato entramos a los catálogos de los fabricantes y seleccionamos un equipo cuya capacidad sea igual o inmediatamente superior a la requerida. El cuadro 6-6 ofrece información tomada de los catálogos (2).
258
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Cuadro 6-6. Tamaños comerciales de cloradores (3) Capacidad del cloradora g/h — 1.400 750 280 120 50
lb/día 100 75 40 15 6 2
Temperatura ambiente mínimab °C 24,0 13,3 2,0 - 3,0 - 5,0 - 5,6
°F 75 56 36 26 23 22
Nota: a La dosificación mínima es 1/20 de la máxima. b Estimación razonable de la temperatura ambiente mínima para una dosificación continua.
c)
Aplicación
Se desea proyectar una estación de cloración para un caudal de 100 L/s, un rango de dosificación de 1 a 3 mg/L y una dosis normal de 1,5 mg/L. La dosis normal se selecciona sobre la base de una curva de demanda de cloro (o curva al punto de quiebre) del agua por tratar. La dosis mínima es la que supera la dosis al punto de quiebre (1,4 mg/L para el caso de la figura 6-8). El cuadro 6-7 resume el cálculo del ejemplo de aplicación propuesto.
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
N.°
En el cuadro 6-6 seleccionamos el equipo que nos pueda dar la capacidad requerida. Wmáx = 1.400 Velocidad en la tubería de alimentación de agua V = 0,90 Longitud de la tubería de alimentación de agua L=4 Coeficiente de fricción f = 0,03 Pérdida de carga total por accesorios, K = 4,45 Presión requerida por el inyector, h = 30 Peso específico del agua δ = 1,000 E = 0,85 Tiempo de contacto T = 25
Caudal de diseño Q = 100 Dosis máxima DM = 3 Concentración de la solución C = 3.500
Datos
Ho = (0,03) [(4) / (0,0127)] (0,9) 2 / 19,62; Ho = 0,38 H m = 4 , 4 5 ( 0 , 9 0 ) 2/ 1 9 , 6 Hm = 0,18 H = 30 + 0,38 + 0,18 H = 30,56 P = [(10) 3 (0,086) (10) -3 (30,56)]/75 (0,85)
Ho = f.L / ø . V2/ 2g H m = K V 2/2g
Vol. Tc = QT
P = δ .q.H/75E
kg/m 3
mín
H = h+Ho+Hm
m
Vol. Tc = [(100)(25) (60)]/1.000 Vol. Tc =150
Ø = 4 x 9,6 (10)-5/ 3,1416 Ø = 0,011 ป ½”
Ø = 4 A/ π
m
Volumen del tanque de contacto
P = 0,041
Carga dinámica total
Pérdidas de carga por fricción Pérdidas de carga menores
Diámetro de la tubería de alimentación de agua
Área de la tubería
A = ( 0 , 0 8 6 ( 1 0 ) - 3) / 0 , 9 0 A = 9,6 (10)-5
A = q /V
g/h
m/s
Caudal mínimo de agua requerido para la operación del inyector
m3
HP
m
m
m
m
m2
g/h
g/h
m 3/ s
Resultados Unidad
Capacidad requerida del equipo Capacidad mínima del clorador
q = 100 x 3/ 3.500 (10)3 q = 0 , 0 8 6 ( 1 0 ) -3
Cálculos
W = (100 x 3 x 3.600) / (10) 3 W = 1.080 1.400 Wmin = 20 Wmin = 19,45
q = Q D M /C
Criterios
W = Q DM
mg/L
mg/L
L/s
Unidad
Cuadro 6-7. Cálculo de una estación de cloración (3)
Sala de cloración 259
260
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Regulador de vacío en el cilindro de cloro
Ventilación
Línea de vacío de cloro a los medidores Panel medidor de cloro
Instalación típica de inyector montado en la pared Suministro de agua
Manguera
Línea de vacío de cloro a varios puntos de tratamiento Suministro de agua Instalación típica de Solución inyector en tubería difusor
Solución de cloro
Figura 6-27. Clorador con inyector, colocación múltiple de medidor de cloro (3)
4.4
Evaporadores
Las estaciones de cloración grandes, donde se gastan más de 1.000 kg/día, requieren el uso simultáneo de varios cilindros de cloro (más de seis), conectados a la misma matriz aductora, para alimentar los cloradores. Como esto puede traer problemas operacionales, se suele incluir en el equipo un evaporador que permita extraer cloro líquido de los cilindros en lugar de gas, lo que supone las siguientes ventajas: a)
Disminuye el número de cilindros en servicio requeridos para alimentar el clorador, debido a que la extracción de cloro líquido no plantea las mismas limitaciones que la de cloro gaseoso.
b)
Se evita la relicuefacción del cloro en las líneas de conducción. Esto es especialmente importante cuando la longitud de la tubería entre la sala de almacenamiento y la de cloración es significativa.
Los evaporadores que van montados lo más cerca posible de los equipos de cloración consisten en un tanque dentro de un baño de agua caliente, cuya temperatura es controlada por un termostato a 70-75 °C. Esto hace que el cloro pase del estado líquido al gaseoso y en esta forma es llevado a los cloradores.
Sala de cloración
261
Para evitar que el cloro líquido pueda pasar al clorador y dañarlo, se incluye una válvula que se cierra automáticamente y hace sonar una alarma cuando la temperatura baja de los 65 °C. También es necesario considerar lo siguiente: •
Una criba para retener las impurezas del cloro y la posible formación de nieblas o condensación del gas en gotitas, lo que es perjudicial para los equipos.
•
Una válvula reductora de presión en la tubería de salida del evaporador.
La figura 6-28 muestra una estación de cloración para 6 m3/s con evaporadores (hilera de la derecha) y cloradores (fila del fondo). 4.5
Sistemas de control
Figura 6-28. Evaporadores para operar con cloro líquido (2)
Para los sistemas de control, debemos hacer uso de todo nuestro ingenio para no llegar a sofisticaciones innecesarias. El caso más común se presenta cuando se tiene caudal de agua constante y demanda constante de cloro; aquí todo se reduce a instalar un sistema de cloración con ajuste de dosificación manual y alguna forma de parar el equipo cuando sea necesario. 4.5.1 Sistemas automáticos El control automático de la cloración se basa en la medición, por medio de sensores, de la dosis de cloro residual en el efluente de la planta. El equipo envía una señal que puede ser interpretada por un receptor de la siguiente manera: Figura 6-29. Sala de sistemas de control automático de la cloración (2)
262
Diseño de plantas de tecnología apropiada
a)
Accionar una alarma para que el operador corrija manualmente la dosis.
b)
Accionar el equipo de ajuste automático del rotámetro de acuerdo con la dosis prefijada en el sistema. Este sería un sistema totalmente automatizado.
Los equipos automáticos (figuras 6-30 y 6-31) usualmente incluyen sistemas analógicos, digitales o carta gráfica para mostrar y almacenar información sobre el proceso de dosificación. Estos equipos tienen la ventaja de reducir el error humano en la dosificación, pero son de alto costo y requieren mantenimiento especializado. Los principales casos de control automático se presentan en el cuadro 6-8. Cuadro 6-8. Sistemas automáticos (5) Caudal
N.° 1
Constante
2
Variable
3
Constante
4
Variable
Demanda Constante
a) Variaciones continuas b) Variaciones por pasos
Constante Variable
a) Variaciones continuas b) Variaciones por pasos
Variable
Los casos 3 y 4 son bastante raros y se puede decir que en agua potable no se dan. Solo se han visto situaciones como estas en los casos de aguas residuales. Los casos 1 y 2 sí se presentan en agua potable, cuando el abastecimiento se realiza por pozos. Cuando se bombea directamente del pozo a la red, tendremos gasto variable de acuerdo con las horas del día y cuando tenemos un tanque regulador alimentado por una serie de pozos, se presenta el caso de variación por pasos, al operar uno, dos o varios pozos. Para caudales variables, existen los medidores primarios del tipo Venturi o de orificio para el caso de ductos cerrados; para canales abiertos, se emplean los medidores Parshall y vertederos, instrumentos sencillos y fáciles de operar, capaces de enviar una señal al clorador para que obedezca en forma proporcional al gasto, aumentando o disminuyendo el caudal de solución por aplicar.
Sala de cloración
Gabinete de comando de caudal de gas
263
Gabinete de comando del equipo Gabinete de graforregistrador
Analizador de cloro
Suministro de gas Suministro de energía Línea de vacío Línea de señal
Línea de muestreo
Bomba reforzadora Inyector
Medidor de caudal
Dirección de flujo
Figura 6-30. Sistema de control automático de lazo compuesto (3) Válvula manual de bypass
Señal de residual o caudal al controlador
Regulador de presión diferencial
Motor
Indicador de ratio
Señal de residual o caudal al controlador
Línea de vacío Válvula de seguridad para la entrada Suministro de gas
Línea de vacío
Válvula automática
Regulador de vacío
Inyector con válvula de retención Solución
Suministro de agua
Venteo
Agua de proceso
Figura 6-31. Diagrama de flujo, sistema de comando automático (3)
5.
PUNTO DE APLICACIÓN
Normalmente, la solución de cloro se aplica en la cámara de salida de la planta de tratamiento, en una zona con una sumergencia no menor de un metro, con el fin de reducir el escape de cloro. Cuando se utiliza un clorador de alimentación directa, el difusor debe colocarse en el fondo de la cámara con sumergencia constante. No se recomienda un tanque con altura de agua variable, porque se perdería mucho gas en la atmósfera. Es importante que la aplicación se haga mediante un difusor para difundir mejor el cloro en el punto apropiado. Se pueden dar tres casos en relación con el punto de aplicación del cloro:
264
1) 2) 3)
Diseño de plantas de tecnología apropiada
aplicación en ducto cerrado; aplicación en canal abierto; aplicación en un tanque.
Conducto de solución de cloro Nivel mínimo de agua Soporte del difusor
1,0
Difusor de orificios
En el caso de ductos cerrados y si el diámetro es pequeño, solo debemos cuidar de que la solución no tenga contacto directo con el ducto en el punto mismo de aplicación. Esto se logra mediante difusores de plástico tipo bayoneta, introducidos a una profundidad de 1/3 del diámetro del ducto.
En canal abierto
Conducto de solución de cloro Campana de succión Aprox. 6’’
Soporte del difusor
Difusor de orificios
Con campana de succión
Figura 6-32. Soluciones para aplicación en canal abierto y cámara húmeda (4) Para el caso de canales abiertos, el cuidado estriba en no permitir que se pierda el cloro hacia la atmósfera, por efecto de una mala difusión en el caudal principal. Para esto, si se coloca un difusor en el fondo del canal, con orificios que permitan una distribución uniforme en todo el ancho del ducto, podemos garantizar un aprovechamiento óptimo (figura 6-32).
Cuando se requiera efectuar la aplicación de la solución clorada en tanques de almacenamiento o regulación, se presentan algunos casos tan sencillos como tener una entrada y una salida o múltiples entradas y salidas, y todas en diferentes puntos del tanque. En el primer caso, el problema se reduce a aplicar en ducto cerrado, ya sea a la entrada o a la salida; en el segundo, es prácticamente imposible lograr un buen diseño que garantice evitar las perdidas de cloro a la atmósfera y la formación de zonas de alta y baja concentración de cloro dentro del tanque.
Sala de cloración
6.
265
CÁMARA DE CONTACTO
La cámara de contacto tiene como función asegurar un tiempo de contacto fijo entre el agua y el cloro, de tal modo de asegurar la remoción de bacterias, virus y parásitos presentes en el agua. 6.1
Tiempo de contacto para la reducción de bacterias
Después de la aplicación del desinfectante para asegurar la remoción de bacterias, normalmente se ha venido aplicando al agua clorada un tiempo de contacto no menor de 20 a 30 minutos. En el ejemplo desarrollado en el cuadro 6-7, se requiere una cámara de contacto de 150 m3. Para evitar cortocircuitos, es necesario colocar pantallas, de manera que el volumen quede dividido por lo menos en tres sectores. La cámara de contacto del ejemplo podría tener 2,50 metros de alto, 10 metros de largo y 6 metros de ancho. Q
Entrada
Agua clorada
Salida
Q
Figura 6-33. Esquema de cámara de contacto
6.2
Tiempo de contacto para la reducción de parásitos
La Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) recomienda tener en cuenta criterios especiales para la reducción e inactivación de Giardia y virus. En nuestro medio, estos criterios deberían aplicarse por lo menos al diseñar los sistemas de cloración para las zonas de parasitosis endémica, normalmente las poblaciones ubicadas en la costa y en la selva. Se recomienda la aplicación del producto del tiempo de contacto (T) en minutos, por la dosis o concentración de cloro (C) en mg/L requerida para cada caso, en función de la temperatura, del pH del agua y de la dosis de cloro libre seleccionada. La máxima concentración de cloro (C) que puede aplicarse al agua, tomando en cuenta su eficacia y consideraciones estéticas (gusto y olor) es normalmen-
266
Diseño de plantas de tecnología apropiada
te de 2,5 mg/L como cloro residual libre. Por consiguiente, los ajustes en el tiempo de contacto ofrecen la mejor opción para la optimización de la desinfección. Procedimiento: 1)
Estimar el nivel total de reducción o inactivación logarítmica de Giardia que puede esperarse de los procesos de tratamiento de agua, a partir de la calidad del agua cruda y del posible nivel de operación y mantenimiento, de acuerdo con el grado de desarrollo y de los recursos localmente disponibles. Generalmente, los requisitos de inactivación de Giardia son más difíciles de cumplir que los que se plantean para los virus; en consecuencia, los criterios para la inactivación de Giardia son los principales. El requisito estándar para una planta con buena eficiencia de remoción de partículas es de tres niveles logarítmicos de inactivación. Se pueden considerar cuatro niveles logarítmicos o más para un sistema sin protección de la fuente, expuesto a efluentes del tratamiento de aguas residuales o a descargas domésticas sin tratamiento, práctica todavía habitual en los países de América Latina.
2)
Estimar el nivel de reducción logarítmica en función del tipo de planta que se va a proyectar. El cuadro 6-9 presenta la remoción esperada de Giardia y virus mediante los diversos tipos de plantas de filtración, en condiciones óptimas. Cuadro 6-9. Remoción esperada de quistes de Giardia y virus mediante filtración (6) Filtración Convencional Directa Lenta en arena Tierra de diatomeas
3) 1
Remoción logarítmica Giardia
Virus
2,5 2,0 2,0 2,0
2,0 1,0 2,0 1,0
Seleccionar un valor de tiempo de contacto por concentración de cloro (TC)1 , a partir de la capacidad de reducción logarítmica estimada para la
Véanse en el anexo los valores de TC para la inactivación de Giardia y virus mediante Cl2 libre.
Sala de cloración
267
planta (cuadro 6-9), el pH máximo, la temperatura mínima del agua tratada y el residual máximo de desinfectante estimado. El pH máximo y la temperatura mínima del agua tratada se consideran para asegurar la capacidad del sistema en las condiciones más desfavorables. Cuando se usa cloro como desinfectante, el residual máximo considerado es de 2,5 mg/L. Este límite se basa en investigaciones en las que se concluyó que el tiempo de retención es más importante que la concentración del desinfectante con cloro residual libre por encima de 2,5 mg/L, además de la tolerancia del consumidor a residuales mayores. 4)
Calcular el tiempo de retención requerido para el TC seleccionado. La ecuación de cálculo es la siguiente: T req (mín) = TC (mg/L – min) / desinfectante residual (mg/L) (9)
Donde: Treq = tiempo requerido por el proceso de desinfección. T Creq = requisitos de TC a partir de los cuadros del anexo para condiciones de posdesinfección. Desinfectante residual = residual de operación que deseamos se mantenga en la planta en el punto de salida del proceso de desinfección. 5)
Seleccione un volumen efectivo para la cámara de contacto, descontando el volumen disponible en reservorios y tuberías de distribución. En el caso de los reservorios, si los proyectamos con pantallas interiores, como cámaras de contacto, podremos obtener un tiempo de contacto mayor. En el caso de que el reservorio sea ya existente, se deberá calcular el tiempo de contacto disponible en las condiciones más desfavorables de operación, con la profundidad mínima disponible. Lo más adecuado sería determinar el tiempo de contacto real del reservorio en las condiciones más desfavorables (ver el procedimiento en Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual III: Evaluación). Si no se dispone de esa información, el volumen efectivo se podrá obtener multiplicando por los factores indicados en el cuadro 6-10 el volumen total del reservorio. Se debe tener mucho cuidado para aplicar un factor mayor de 0,10 a un tanque sin compartimientos.
268
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Cuadro 6-10. Factores para determinar el tiempo de contacto efectivo (6) Condición de la Factor compartimentalización Sin compartimientos
0,1
Deficiente
0,3
Promedio
0,5
Superior
0,7
Excelente
0,9
Perfecta (flujo pistón)
1,0
Descripción de la compartimentalización Ninguna, unidades con agitación, velocidad alta en la entrada y salida, nivel variable de agua. Entrada y salida simple o múltiple, directa y sin pantallas. Sin compartimientos internos. Entrada y salida no directas, interrumpidas por algunos compartimientos internos. Compartimientos perforados en la entrada, compartimientos perforados en forma de serpentín en el interior de la unidad, vertedero en la salida o vertedero perforado. Compartimientos en forma de serpentín a lo largo de toda la unidad. Flujo de tubería.
6)
Una vez calculado el tiempo de contacto disponible en el sistema antes del primer usuario, se descuenta del tiempo requerido (Treq), calculado con la ecuación (9), y la diferencia será el volumen con el que se deberá proyectar la cámara de contacto, para cumplir con el objetivo de inactivar huevos de parásitos y virus.
7.
VENTILACIÓN Y EQUIPOS DE PROTECCIÓN
Todo el equipo de cloración debe montarse en un ambiente amplio, bien ventilado y de uso exclusivo. Las instalaciones pequeñas pueden ventilarse solamente con ventanas colocadas en la parte inferior de los muros, ya que por ser el cloro más pesado que el aire, tiende a quedarse depositado sobre el suelo. Las estaciones de cloración más grandes requieren, además, extractores de aire colocados en la parte baja de la sala, operables desde el exterior.
Figura 6-34. Sistemas de protección (2)
Sala de cloración
269
En estos sistemas se recomienda un cambio total del volumen de aire cada 15 minutos en tiempo normal y cada tres minutos cuando existe posibilidad de que se produzcan fugas de cloro. Los extractores deben calcularse de acuerdo con esta norma. Al escoger la ubicación de los cloradores y demás equipos, debe ponerse especial cuidado en que todas las tuberías queden a la vista, sujetas contra la pared y situadas en lugares accesibles que faciliten una rápida inspección y reparación. Además, deben incluirse en el diseño todos los equipos de protección necesarios, para que se puedan detectar en cualquier momento los escapes de cloro y repararlos, sin peligro para los operadores de la planta. Los implementos de protección más importantes son los siguientes: a) b) c) d)
sistema de alarma; máscaras; equipos de taponamiento de fugas; botella de amoniaco.
7.1
Sistemas de alarma
Existen varios tipos de alarmas que pueden incluirse en los diseños de las estaciones de cloración. Las más importantes son las siguientes: • • •
alarmas de pared; discos rompibles; alarmas internas de los equipos.
Las alarmas de pared pueden ser de dos tipos. El primero consiste en un papel sensitivo impregnado de ortotolidina, cuya decoloración es analizada por una célula fotoeléctrica y los resultados transmitidos a un circuito de alarma; este último entra en funcionamiento cuando existe decoloración del papel.
Figura 6-35. Alarmas de pared (2)
270
Diseño de plantas de tecnología apropiada
El otro tipo consiste en una celda que detecta los cambios de conductividad de un cierto volumen de agua, por la que se hace circular una corriente de aire proveniente del ambiente por analizar. Si existe cloro presente en la muestra de aire, suena la alarma y permanece sonando hasta que se corrija la fuga de cloro. El Instituto del Cloro en Estados Unidos recomienda el uso de una cámara de expansión para tuberías largas de conducción de cloro, entre los cilindros y los aparatos de cloración. Estas cámaras Figura 6-36. Máscara contienen un disco que se rompe a una presión de 300 de oxígeno (2) a 400 lb/pulgada2 y permite que el cloro se escape hacia la cámara de expansión, donde hace sonar una alarma. Estas cámaras suelen instalarse a veces en combinación con válvulas de cierre automático que, en cuanto se rompe el disco, cierran el paso del flujo del cloro a las líneas de aducción. 7.2
Equipo de protección para los operadores A fin de que las fugas puedan ser reparadas sin peligro para los operadores, deben incluirse máscaras protectoras dentro del equipo de cloración. Esto es algo que lamentablemente se descuida con mucha frecuencia. Básicamente, hay tres tipos de máscaras: a)
b) c) Figura 6-37. Armarios con el equipo para atención de fugas (2)
La máscara tipo canister, que debe reemplazarse periódicamente y no sirve para altas concentraciones de cloro en el ambiente. La máscara con tanque de aire, que permite trabajar hasta 35 minutos. La máscara de oxígeno, que fabrica este elemento y puede durar hasta 45 minutos.
Sala de cloración
271
El equipo para atención de emergencias en el caso de una fuga de cloro debe guardarse en armarios ubicados en la parte exterior de la estación. De preferencia, al pie de la puerta de entrada a la sala, para que el operador pueda acceder a él fácilmente. Según las recomendaciones de la EPA, el operador debe hacer uso de este equipo cada vez que deba cambiar un cilindro de cloro. La operación debe estar a cargo de dos personas simultáneamente. Figura 6-38. Vehículo equipado para El vehículo de la figura 6-38 emergencias originadas por el cloro (2) está equipado con todo lo necesario para atender una fuga de importancia, inclusive un traje especial para proteger a los operadores contra el cloro.
Esta solución permite atender varias plantas que se encuentran dentro del perímetro de la ciudad atendida por esta empresa.
8.
RECOMENDACIONES PARA EL PROYECTO
•
La caseta de cloración debe estar aislada del resto de la casa de química o edificio de operaciones. En caso de que se produzca una fuga importante, no comprometerá otras instalaciones ubicadas a su alrededor. •
Figura 6-39. Falta un clorador alterno (2)
Las paredes exteriores de la caseta deben construirse con ladrillo hueco para darle suficiente ventilación. Esto vale especialmente para la parte baja de los muros.
272
Diseño de plantas de tecnología apropiada
•
Las partes metálicas (balanza, cadenas o barras de protección, etcétera) deben llevar protección anticorrosiva.
•
Los equipos de protección para fugas deben estar ubicados fuera de la sala y muy cerca del ingreso.
•
Los equipos de bombeo deben instalarse en una zona aislada de la caseta, para protegerlos de las fugas de gas.
•
Las tuberías, válvulas y accesorios deben ser de plástico.
•
Tanto los cilindros de reserva como los que están en uso deben tener una cadena o barra de sujeción para prevenir el volcamiento.
9.
PROBLEMAS MÁS COMUNES
La cloración es el proceso que involucra más riesgos para el operador y es en la cloración que se suelen cometer más errores, desde la instalación de la caseta. A continuación se presentan los problemas más comunes al momento de proyectar una estación de cloración, a fin de estar preparados para evitarlos. Figura 6-40. Falta un clorador alterno (2)
•
Figura 6-41. Sala de cloración mal ubicada e instalada (2)
Uno de los defectos más comunes es encontrar que no se ha considerado un clorador alterno ni una bomba alterna para la alimentación de agua del equipo.
En cualquiera de ambos casos, si el equipo en operación se descompone, el proceso cae y la contaminación microbiológica podría salir a la red de distribución (véanse las figuras 6-39 y 6-40).
Sala de cloración
273
La figura 6-41 muestra un caso en el que no se tuvo en cuenta ninguna de las recomendaciones indicadas anteriormente. La sala de cloración está dentro de la casa de química de la planta, frente al laboratorio y a muy poca distancia de la sala de dosificación, de tal manera que Figura 6-42. Sala de cloración si se produjera una fuga, defectuosa (2) afectaría al personal que trabaja en estas dependencias y comprometería seriamente muchos equipos. Además, se puede observar que no existe grúa para trasladar los cilindros sino que estos son transportados en un carrito por todo el edificio hasta llegar a destino y la sala carece totalmente de ventilación, lo que incrementa aún más el riesgo en caso de fuga. La sala de cloración de la figura 6-42 es muy estrecha para cilindros de una tonelada. Los cilindros no están dispuestos y anclados adecuadamente. No hay grúa para izarlos. No se han dejado corredores para que los operadores se desplacen. No hay balanza. No hay sistema de alarma ni equipo de protección para fugas de cloro.
Figura 6-43. Sala de cloración mal instalada (2)
La figura 6-43 muestra otra instalación defectuosa, en la que el proyectista no previó el área ni las facilidades necesarias: el equipo está colocado al pie de la puerta, lo que plantea el riesgo de que se caiga si no se tiene cuidado al entrar. No hay ventilación ni balanza ni equipo de cloración alterno.
274
Diseño de plantas de tecnología apropiada
Figura 6-44. Sala de cloración mal ventilada (2)
Figura 6-45. Sala de cloración incompleta (2)
La sala de cloración de la figura 6-44 tiene la ventilación en la parte alta. Evidentemente, el proyectista desconocía que el cloro es más pesado que el aire y tiende a depositarse a nivel del piso. Además, no había equipo de protección para fugas de cloro. La sala de cloración de la figura 6-45 carece de equipo alterno, de balanza, de equipo de protección para fugas de cloro, mientras que la ventilación considerada no llega hasta
Figura 6-46. Solución ingeniosa pero incompleta (2)
el nivel del piso, que es justamente donde se acumula el gas cloro.
Figura 6-47. Entrada de una cámara de contacto de cloro (2)
Es evidente que la sala de cloración de la figura 6-46 está muy ventilada, pero no hay balanza y faltan clorador alterno, equipo de protección para manipular los cilindros y barras de sujeción para los cilindros.
Sala de cloración
275
La figura 6-47 muestra la entrada a una cámara de contacto de cloro. La tubería que se observa es la conducción de la solución de cloro, que se está vertiendo desde arriba y en forma puntual. El gas se perdía en la atmósfera y el olor del cloro se podía sentir a distancia. La figura 6-48 muestra lo que Figura 6-48. Descarga inadecuada de tiene que hacer el personal de cilindros de cloro de una tonelada (2) operación de una planta en cuyo proyecto se olvidó considerar la instalación de una grúa para izar los cilindros de una tonelada. El personal debe ejecutar una operación muy riesgosa, en la que se dejan caer los cilindros desde la plataforma de un camión sobre unas llantas, para luego llevarlos rodando hasta el almacén.
276
Diseño de plantas de tecnología apropiada
REFERENCIAS (1)
Arboleda Valencia, J. (1987) “Estaciones de cloración”, capítulo VIII del Manual de desinfección del agua. Memorias del Seminario Internacional sobre Tecnología Simplificada para Potabilización del Agua. Cali, ACODAL.
(2)
Canepa de Vargas, L. Estudios y fotos de archivo. Lima, CEPIS/OPS, 2004.
(3)
Rodríguez Araya, V (1992). Manual V, Diseño. Tomo IV, “Criterios de diseño para estaciones de cloración”. Programa Regional HPE/CEPIS/OPS de Mejoramiento de la Calidad del Agua para Consumo Humano. Lima, CEPIS.
(4)
Pacheco, V. (1992). Manual III Teoría. Tomo IV, “Desinfección”. Programa Regional HPE/CEPIS/OPS de Mejoramiento de la Calidad del Agua para Consumo Humano. Lima, CEPIS.
(5)
Peña Díaz, A. (1984). “Criterios generales para el diseño de sistemas de cloración”. Copias del Curso Internacional CEPIS/OPS de Procesos Unitarios y Anteproyectos de Plantas Potabilizadoras. Guadalajara.
(6)
Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) (1998). Optimización de la producción de plantas de tratamiento de agua mediante el Programa de Corrección Compuesto. Lima, CEPIS.
(7)
Di Bernardo, L. (1993). Métodos y técnicas de tratamiento de agua. Vol. II. Río de Janeiro, ABES.
(8)
Normas Brasileñas. Projeto de Estacão de Tratamento de Água para Abastecimiento Público. Procedimiento NB–592 JAN/1987.
Sala de cloración
Anexo A Valores TC para la inactivación de Giardia y virus mediante Cl2 libre y otros desinfectantes
Todos los cuadros de este anexo provienen del Guidance Manual for Compliance with the Filtration and Disinfection Requirements for Public Water Systems Using Surface Water Sources, Appendix E, Science and Technology Branch, Criteria and Standards Division, Office of Drinking Water, Washington, D. C., EPA, 1989.
277
278
Diseño de plantas de tecnología apropiada
23 24 24 25 25 26 26 27 28 28 29 29 30 30
