CAPTULO 7

SEDIMENTACIN

Ing. Vctor Maldonado Yactayo

Sedimentacin 3

1. CONCEPTOS GENERALES

Se entiende por sedimentacin la remocin por efecto gravitacional de laspartculas en suspensin presentes en el agua. Estas partculas debern tener unpeso especfico mayor que el fluido.

La remocin de partculas en suspensin en el agua puede conseguirse porsedimentacin o filtracin. De all que ambos procesos se consideren como com-plementarios. La sedimentacin remueve las partculas ms densas, mientras quela filtracin remueve aquellas partculas que tienen una densidad muy cercana ala del agua o que han sido resuspendidas y, por lo tanto, no pudieron ser removi-das en el proceso anterior.

La sedimentacin es, en esencia, un fenmeno netamente fsico y constitu-ye uno de los procesos utilizados en el tratamiento del agua para conseguir suclarificacin. Est relacionada exclusivamente con las propiedades de cada delas partculas en el agua. Cuando se produce sedimentacin de una suspensin departculas, el resultado final ser siempre un fluido clarificado y una suspensinms concentrada. A menudo se utilizan para designar la sedimentacin los trmi-nos de clarificacin y espesamiento. Se habla de clarificacin cuando hay unespecial inters en el fluido clarificado, y de espesamiento cuando el inters estpuesto en la suspensin concentrada.

Las partculas en suspensin sedimentan en diferente forma, dependiendode las caractersticas de las partculas, as como de su concentracin. Es as quepodemos referirnos a la sedimentacin de partculas discretas, sedimentacin departculas floculentas y sedimentacin de partculas por cada libre e interferida.

1.1 Sedimentacin de partculas discretas

Se llama partculas discretas a aquellas partculas que no cambian de ca-ractersticas (forma, tamao, densidad) durante la cada.

Se denomina sedimentacin o sedimentacin simple al proceso de depsi-to de partculas discretas. Este tipo de partculas y esta forma de sedimentacinse presentan en los desarenadores, en los sedimentadores y en los presedimen-

4 Manual I: Teora

tadores como paso previo a la coagulacin en las plantas de filtracin rpida ytambin en sedimentadores como paso previo a la filtracin lenta.

1.2 Sedimentacin de partculas floculentas

Partculas floculentas son aquellas producidas por la aglomeracin de par-tculas coloides desestabilizadas a consecuencia de la aplicacin de agentes qu-micos. A diferencia de las partculas discretas, las caractersticas de este tipo departculas forma, tamao, densidad s cambian durante la cada.

Se denomina sedimentacin floculenta o decantacin al proceso de dep-sito de partculas floculentas. Este tipo de sedimentacin se presenta en la clarifi-cacin de aguas, como proceso intermedio entre la coagulacin-floculacin y lafiltracin rpida.

1.3 Sedimentacin por cada libre e interferida

Cuando existe una baja concentracin de partculas en el agua, stas sedepositan sin interferir. Se denomina a este fenmeno cada libre. En cambio,cuando hay altas concentraciones de partculas, se producen colisiones que lasmantienen en una posicin fija y ocurre un depsito masivo en lugar de indivi-dual. A este proceso de sedimentacin se le denomina depsito o cada interfe-rida o sedimentacin zonal.

Cuando las partculas ya en contacto forman una masa compacta que inhibeuna mayor consolidacin, se produce una compresin o zona de compresin. Estetipo de sedimentacin se presenta en los concentradores de lodos de las unidadesde decantacin con manto de lodos.

1.4 Expresiones de velocidad de sedimentacin

1.4.1 Partculas discretas con cada libre

El fenmeno de sedimentacin de partculas discretas por cada libre, tam-bin denominado en soluciones diluidas, puede describirse por medio de la me-cnica clsica.

Sedimentacin 5

En este caso, la sedimentacin es solamen-te una funcin de las propiedades del fluido y lascaractersticas de las partculas segn se demues-tra a continuacin.

Imaginemos el caso de una partcula que sedeja caer en el agua. Esta partcula estar someti-da a dos fuerzas (figura 7-1): fuerza de flotacin(FF), que es igual al peso del volumen del lquidodesplazado por la partcula (Principio deArqumedes), y fuerza gravitacional (FG).

Si (1)

y (2)

donde:

= densidad del lquido= densidad del slido

V = volumen de la partcula

De la accin de ambas fuerzas tenemos la fuerza resultante, que ser iguala la diferencia de estos dos valores y estar dada por:

(3)

donde:

Fi = fuerza resultante o fuerza de impulsin

Arrastrada por esta fuerza (Fi), la partcula desciende con velocidad cre-

ciente, pero a medida que baja, la friccin que el lquido genera en ella crea unafuerza de roce definida por la Ley de Newton, cuyo valor es:

(4)

.Vg.=FF

V.g.=FGs

)-V.( .g=Fsi

2

V..A.C=F

2

SDR

Figura 7-1. Fuerzas actuantesen una partcula (1)

FF

GF

V

s

6 Manual I: Teora

donde:

FR = fuerza de rozamiento

= energa cintica

A = rea transversal al escurrimientoVs = velocidad de sedimentacinCD = coeficiente de arrastre

Despus de un corto periodo, la aceleracin pasa a ser nula y el valor de lafuerza de friccin (FR) iguala a la de impulsin (Fi), momento en el cual la partcu-la adquiere una velocidad constante, conocida como velocidad de asentamientoo sedimentacin. En ese momento se cumple que (3) y (4) son iguales; por lotanto:

(5)

Despejando el valor de VS se obtiene:

(6)

Para el caso particular de partculas esfricas:

y

Siendo d = dimetro de la partcula:

(7)

2

2SV

2

V . A . C = )- ( V . g2

SDS

AV

. )- (

. C

g2 = V S

DS

4d

= A2

6d

= V3

d32

= d 4

d 6

=

AV

2

3

d . )- (

. Cg

. 34

= V SD

S

Sedimentacin 7

En la cual:

VS = velocidad de sedimentacind = dimetro de la partculag = aceleracin de la gravedad

= densidad de la partcula= densidad del fluido

El coeficiente de arrastre de Newton es una funcin del Nmero de Reynoldsy de la forma de las partculas:

(8)

Siendo: (9)

a = constante especficaRe = nmero de Reynolds

= viscosidad cinemtica (Stokes)

Si d < 0,085 mm, Re < 1, entonces prevalece flujo laminar, siendo:

y

al reemplazar en la ecuacin (7), se origina la ecuacin de Stokes:

(10)

Cuando d > 1,0 mm, Re > 1.000, presenta flujo turbulento, para lo cual:

CD = 0,4

Reemplazando los valores anteriores en la ecuacin (7), se obtiene unavelocidad terminal de:

(11)

conocida como la ecuacin de Newton.

-nD

Re . a = C

d . V = Re S

Re24

= CD S

S S =

d

1)- (S 18g

= V2

SS

d 1)- (S g .(3,3 = VSS

s

8 Manual I: Teora

Para los casos de dimetro de partculas comprendidas entre 0,85 y 1,0 mmy especialmente nmeros de Reynolds de 1 a 1.000, se presenta flujo de transicinpara el cual los valores de CD son variables y su determinacin puede realizarse atravs de cualquiera de las ecuaciones indicadas en el cuadro 7-1.

Cuadro 7-1. Valores de coeficiente de arrastre (2)

Si se desconoce cmo se comporta la sedimentacin de una determinadapartcula (zona laminar, turbulenta o en transicin), el clculo de la velocidad desedimentacin debe hacerse por tanteos.

Fair, Geyer y Okun (3) determinan la velocidad de sedimentacin utilizan-do los bacos de las figuras 7-2 y 7-3, que tienen la ventaja de que permitenvisualizar directamente y en forma simultnea distintas soluciones. Este mtodo,que permite el clculo directo, se aplica resolviendo las siguientes ecuaciones:

Trmino del dimetro (X1):

(12)11

31

2S X d K d

1)- (S g==

Rich

Hatch

Allen

FairGeyerOkun

SchillerNewman

Goldstein

Autor Expresin

0,60D Re18,5

= C

0,50D Re14

= C

0,50D Re12,65

= C

0,34 + Re3

+ Re24

= CD

)Re0,14 + (1 Re12

= C 0,687D

32D

Re20.48071

+ Re1.28019

- Re 163

+ Re12

= C

Sedimentacin 9

Trmino de velocidad (X2):

(13)

Se puede, entonces, representar K1 y K2 en funcin de la densidad relativaSS y la temperatura, tal como se muestra en el grfico de la figura 7-2. Tambin sepuede representar X2 en funcin de X1, tal como se muestra en el grfico de lafigura 7-3.

El clculo se realiza de la siguiente manera:

Conociendo las caractersticas de las partculas y del agua, se obtiene K1 yK2 de la figura 7-2. Conociendo, por otra parte, X1 = K1d, se entra al grfico de lafigura 7-3 y se obtiene X2, con lo cual se calcula Vs = K2 X1.

Ejemplo: Se quiere conocer la velocidad de sedimentacin de una partcu-la esfrica discreta cuyo peso especfico es de 1,01 y cuyo dimetro es de 0,01para una temperatura de 10 C. Del grfico de la figura 7-2 obtenemos: K1 = 38,5;K2 = 0,505.

Por lo tanto, X1 = K1d = 38,5 x 0,01 = 0,385

Con este valor de 0,385 entramos al grfico de la figura 7-3 y encontramosque X2 = 0,0075 Vs = X2 K2 = 0,0075 x 0,505 = 0,0037 cm/s.

1.4.2 Sedimentacin interferida

Cuando una partcula discreta sedimenta a travs de un lquido en cadalibre, el lquido desplazado por la partcula se mueve hacia arriba a travs de unrea suficientemente grande sin afectar el movimiento. En la sedimentacin in-terferida, las partculas se encuentran colocadas a distancias tan reducidas que ellquido desplazado se confina como dentro de un tubo y la velocidad aumentaconforme se interfiere en los campos situados alrededor de las partculas indivi-duales.

El flujo no sigue lneas paralelas, sino trayectorias irregulares, a causa dela interferencia de las partculas en suspensin, lo que produce un fenmeno si-milar al que se genera en el retrolavado de un filtro.

22

S

31

s

S X = KV

= v1Sg

V

( - )

10 Manual I: Teora

Para estas condiciones, la velocidad de sedimentacin ser:

(14)

Reemplazando las constantes, se obtiene:

(15)

Siendo:

VI = velocidad de sedimentacin, cm/s= viscosidad dinmica, Poises= porosidad= factor de forma

En una forma aproximada, se puede obtener esta velocidad por medio de lasiguiente ecuacin:

(16)pV

= V sI

( )( )

222

SI

d p- 1p

-

5,45 = V

( )( )

22S

I 6d

p- 1p

-

kg

V =

Sedimentacin 11

Figura 7-3. Velocidad de asentamiento y flotacin de esferas discretasen un fluido esttico Vs = K2X2 (1)

Valores de X1 = K1d

Valores de X1 = K1d

Val

ores

de

X2 =

Vs p

ara

curv

a de

rech

a

K2

Valo

res

de X

1 = V

s pa

ra c

urva

izqu

ierd

a

K2

Figura 7-2. Velocidad de asentamiento y flotacin de esferas discretasen un fluido esttico Vs = K2X2 (2)

2

s2 k

vx =

dKx11

=

31

y)1s(gv

K3

s2

=

31

2s

1 y

)1S(gK =

12 Manual I: Teora

1.4.3 Sedimentacin de partculas floculentas

Las partculas que se remueven en una planta de tratamiento de agua sonslidos inorgnicos y orgnicos. Los factores primordiales que influyen en la ve-locidad de sedimentacin son su tamao, forma y densidad.

La materia en suspensin que origina la turbiedad consiste principalmenteen slice finamente dividida, arcilla y limo. La densidad original de las partculas escercana a 2,60. El color, en cambio, es producido principalmente por cidos org-nicos (flvicos, hmicos, etc.) de origen vegetal con densidades variables de 1 a1,5 dependiendo de su concentracin. Las partculas se presentan principalmenteen estado coloidal y es necesario aadirles coagulantes qumicos y someterlas aprocesos de coagulacin y floculacin para incrementar su tamao o densidadantes del proceso de sedimentacin.

Las partculas en suspensin de aguas tratadas con coagulantes, consistenen flculos formados por xidos metlicos (Al2O3 o Fe2O3), agua en 85 a 95% yturbiedad y/o color con densidades variables entre 1,002 cuando predomina elcolor y 1,03 cuando predomina la turbiedad. En procesos de ablandamiento losflculos tienen densidades cercanas a 1,20.

El dimetro de los flculos es variable desde menos de 0,001 mm hasta msde 5 mm, dependiendo de las condiciones de mezcla y floculacin (gradientes develocidad y tiempo de retencin). Willcomb clasifica los flculos por su tamao,tal como se indica en la figura 7-4.

Figura 7-4. ndices de Willcomb para determinar el tamao del flculo (1)

0,3 - 0,5 mm 0,5 - 0,75 mm 0,75 - 1,0 mm 1,0 - 1,5 mm

1,5 - 2,25 mm 2,25 - 3,0 mm 3,0 - 4,5 mm

A B C D

E F G

Sedimentacin 13

La velocidad de sedimentacin de suspensiones floculentas depende de lascaractersticas de las suspensiones, as como de las caractersticas hidrulicas delos sedimentadores y de la presentacin de procesos concomitantes: floculacinpor diferencia de velocidades de sedimentacin de los flculos, influencia de tur-bulencia y variacin de gradientes de velocidad, factores que imposibilitan la pre-paracin de un modelo matemtico general. Por este motivo se recurre a ensayosen laboratorio o plantas piloto con el propsito de predecir las eficiencias tericasremocionales en funcin de cargas superficiales o velocidades de sedimentacinpreseleccionadas. En ellos se deben tomar las siguientes precauciones:

Que la muestra de la suspensin sea representativa y que se mantenga aigual temperatura.

Sedimentacin de partculas floculentas con cada libre. Si en una sus-pensin tenemos una concentracin (1-C) de partculas que tienen una velocidadde sedimentacin VS, la proporcin adicional de partculas removidas que tieneuna velocidad de sedimentacin VS ser:

(17)

La remocin total RT ser: (18)

El segundo trmino de la ecuacin (18) se determina experimentalmentemediante columnas de sedimentacin o el equipo modificado de prueba de jarrasindicado en la figura 7-5.

Se determinan las concentraciones del material en suspensin (C) cadacierto tiempo (t) y para una profundidad especfica (h). Conociendo la concentra-cin inicial (C0) y la velocidad de sedimentacin Vs = h/t, es posible obtener laeficiencia remocional.

0C 0 S

dc . VV1

= R

0C 0 S

Tdc . VV

1 + C)-(1 = R

14 Manual I: Teora

h5

Sifn

Lodos

Muestra de suspensin

Bao Mara de temperaturaconstante

Porcin para ensayode concentracin

Llave1

2

3

4

5

h2

Manguera elstica de goma

Tubo de vidrio de 4 mm

Niple metlico para que abrao regule el tubo de vidrio

Varilla de vidrio que seintroduce en la manguerapara cerrar el flujo

Perilla de gomaque se introduceen la manguerapara cargar elsifn

Flotante de corchoo plstico

Soporte metlico(tres brazos)

A

B

C

D

E

3 cm

a) Equipos de jarras

Figura7-5. Equipo de laboratorio para ensayos de sedimentacin (1)

b) Columnas de sedimentacin

Sedimentacin 15

Al graficar estos parmetros,se establece la curva terica de ve-locidad de sedimentacin versus efi-ciencia (figura 7-6).

En la figura anterior, es impor-tante observar lo siguiente:

La curva no pasa por el ori-gen. Esto implica que siempre se ten-dr una fraccin Cf de partculas queno sern removidas por el sedimen-tador aun cuando se apliquen veloci-dades muy bajas de sedimentacin.Esto implica, en la prctica, la nece-sidad de contar con una unidad pos-terior al sedimentador que sea capazde remover estas partculas. En unaplanta de tratamiento de agua esta unidad es el filtro.

Otra caracterstica de esta curva es la tendencia asinttica cuando esta seaproxima al eje de las ordenadas. Esta tendencia permite definir una velocidad desedimentacin mnima para aplicaciones prcticas de diseo. No tendr ningnsentido prctico seleccionar velocidades de sedimentacin menores a este valormnimo, ya que se incrementara el rea de la unidad y no se conseguira mayoreficiencia de remocin.

Entonces, si se tiene en cuenta que no todos los slidos sern removidos enesta unidad, la curva no pasa por el origen y el primer trmino de la ecuacin 18 esigual a:

El segundo trmino, a su vez, es igual al rea sombreada de la figura 6.

( )Cf- C V2

V + a = dc . V

V1

0

C

0 S

S

S

0

Figura 7-6. Curva de variacin deeficiencia en funcin de la velocidad

de sedimentacin (1)

Co

1-Co

Vs Cf

Vs }.dc

C =

Fra

cci

n re

man

ente

TT de

turb

ieda

d

T o

(1 - C) = [1 - (Co - Cf)]

16 Manual I: Teora

Por lo tanto, la remocin total ser:

(19)

Conocido el porcentaje de remocin total alcanzado para cierta velocidadde sedimentacin, es posible encontrar una velocidad de sedimentacin que per-mita conseguir una remocin total para lograr una determinada calidad de aguaefluente del decantador.

Sedimentacin de partculas floculentas con cada interferida. En ba-jas concentraciones de partculas, estas sedimentan o decantan libremente; encambio, con alta concentracin de partculas floculentas (superiores a 500 mg/L),las partculas se encuentran a distancias tan reducidas que se adhieren entre s ysedimentan masivamente. As, se crea una clara superficie de separacin entrelos flculos y el lquido que sobrenada y esto da origen al fenmeno de sedimenta-cin conocido con los nombres de decantacin interferida o zonal.

Klinch establece las hiptesis fundamentales para la decantacin interferi-da, en la cual la velocidad de cada de una partcula depende principalmente de la

concentracin de las part-culas.

Al llenar una columnade sedimentacin de alturay dimetro adecuados conuna suspensin floculentade elevada concentracin,se tiene inicialmente unaconcentracin uniforme entoda la altura de la colum-na (ho). En diferentes tiem-pos se mide la altura de lacapa superior de los lodos

y se obtiene una curva tal como la que aparece en la figura 7-7, que tiene lossiguientes rasgos:

Zona A-B. La superficie de separacin es muy definida. Esta es una fasede coalescencia de los flculos seguida de una zona muy pequea de decantacinlibre (en la mayora de casos, esta primera zona no se produce).

Figura 7-7. Decantacin por cada interferida (1)

Tiempo

Altu

ra

A

Zona clasificada

DecantacinfrenadaC,V = C

Zona de transicino desaceleracin

Compresin

B

C

DE

Decantacin porpartcula discreta

( )[ ] ( ) Cf- C V2

V a Cf- C - 1 R

0S

S0T

++=

Sedimentacin 17

Zona B-C. Tiene una pendiente rectilnea. Corresponde a una velocidad decada constante definida nicamente por el tipo de floculacin y la concentracinde las partculas. Alincrementarse la con-centracin inicial de laspartculas disminuye lavelocidad. A esta zonase la denomina decan-tacin frenada.

Zona C-D. Enesta zona se produce ladisminucin progresivade la velocidad de ca-da. Se denomina zonade desaceleracin otransicin.

Zona D-E. Enesta zona los flculos setocan y ejercen presinsobre las capas inferiores, puesto que estn soportados por estas. Se le llamazona de compresin.

Si consideramos, por simplicidad, que al decantarse una suspensin con-centrada no se produce la primera zona, se obtienen las alturas de separacin deinterfase como se indica en la figura 7-8.

En el tringulo BOC, la concentracin y la velocidad de cada son constan-tes e iguales, respectivamente, a los valores iniciales en B.

En el tringulo COD, las curvas de equiconcentracin son rectas que pasanpor el origen, lo que significa que, desde los primeros momentos de la sedimenta-cin, las capas ms prximas al fondo se tocan y pasan por todas las concentra-ciones comprendidas entre la concentracin inicial y la concentracin al punto D,principio de la compresin.

Para calcular la concentracin en un punto M de la parte CD, se traza latangente en M, que corta al eje de ordenadas en hi.

O t1 t2 t3 t4 t

Tiempo

b

B

C

M

Dd

c

h

hi

h

hj

hd

Figura 7-8. Anlisis de la curva dedecantacin interferida (1)

18 Manual I: Teora

La altura hi permite calcular la concentracin Ci, correspondiente al punto M:

(20)

A la cual corresponde una velocidad de cada V1 = dh/dt (pendiente de Mhi).

La concentracin media del fango en toda la altura h ser:

(21)

1.5 Factores que influyen en el proceso

Los siguientes factores influyen en el proceso de sedimentacin o decanta-cin:

1.5.1 Calidad de agua

Las variaciones de concentracin de materias en suspensin modifican, enprimer lugar, la forma de sedimentacin de las partculas (con cada libre o inter-ferida), as como las propiedades de las partculas modifican la forma de depsito(sedimentacin para partculas discretas y decantacin para partculas floculentas).

Adicionalmente, variaciones de concentracin de partculas o de tempera-tura producen variaciones de densidad del agua y originan corrientes cinticas otrmicas que, a su vez, generan cortocircuitos hidrulicos en las unidades.

Al entrar agua ms fra al sedimentador, la masa de agua se desplaza por elfondo de este y produce el tipo de corriente indicada en la figura 7-9(a).

En cambio, con agua ms caliente, se produce el fenmeno inverso, queaparece indicado en la figura 7-9(b).

En el caso de variar la concentracin, se producen corrientes de densidadpor diferencias en las distintas masas de agua, que suelen crear fuerzas msimportantes que las trmicas. En la figura 7-10 se indican las densidades del flculoproducido con distintas concentraciones de suspensin de caoln. Haciendo la mismaconsideracin anterior, un volumen de agua de 100.000 m3 con 20 mg/L de caolnpesara 100.560 t y con 80 mg/L, 102.250 t, lo que da una diferencia de 960 t 6,9 kg/m3.

i

00i h

h C = C

hh

C = C 00

Sedimentacin 19

Afortunadamente, lamayor concentracin de par-tculas suele estar en el fon-do, pero cualquier perturba-cin en el flujo, ya sea portemperatura, obstrucciones,alta velocidad de las paletasdel floculador, etctera, pue-de alterar el equilibrio y pro-ducir un flujo sinuoso o en-volvente sobre s mismo,muy diferente del tericocalculado, que es el que confrecuencia aparece en lossedimentadores horizontales,incluso en los bien diseados(vase la figura 7-10).

1.5.2 Condiciones hidrulicas

Los criterios y parmetros hidrulicos de diseo tienen gran influencia en laeficiencia de los sedimentadores o decantadores. A continuacin se detallan losprincipales:

a) En la zona de sedimentacin

En esta zona se debetener un nmero de Reynoldslo ms bajo posible y el n-mero de Froude ms eleva-do para tender a un flujo la-minar y estabilizar el flujo.En esta zona las lneas deflujo no deben encontrarsecon ningn tipo de obstruc-ciones que alteren su trayec-toria.

Figura 7-9. Corrientes trmicas (1)

Figura 7-10. Corrientes de densidad (1)

a) Corrientes trmicas debidas a agua fra

b) Corrientes trmicas debidas a agua caliente

80 mg/L 40 mg/L

20 mg/L30 mg/L

Caolnmg/L P

0 1,002720 1,005640 1,010060 1,016280 1,0225

20 Manual I: Teora

Adicionalmente, la presencia de flujo de pistn mejora el proceso y el flujomezclado no lo favorece.

b) En la zona de entrada

La zona de entrada en un sedimentador es un conjunto de estructuras quedebe permitir una distribucin uniforme del flujo de agua hacia la zona de sedi-mentacin. En una unidad de sedimentacin convencional de flujo horizontal,esta distribucin uniforme debe darse a todo lo ancho de la unidad y en profun-didad.

Las alteraciones del flujo en la zona de entrada deben evitarse y su presen-cia puede deberse a una velocidad excesiva del flujo en la entrada del sedimentador,o a que los orificios de ingreso sean muy grandes y el movimiento de las paletasdel floculador sea tal que comunica demasiada energa al flujo. Al no haber disi-pacin de esta energa en el tabique divisorio (caso de unidades convencionalesde flujo horizontal), las masas de agua entran con diferente gradiente de veloci-dad, creando turbulencias que pueden extenderse dentro de la zona de sedimenta-cin.

Similarmente, puede mencionarse como causa de corrientes cinticas ladistribucin desigual del flujo en la entrada del sedimentador (orificios de distin-tos dimetros o algunos parcialmente obstruidos), la existencia de tabiques quedejan pasar el agua solamente por el fondo, vertederos, etctera, lo que producecorrientes como las indicadas en la figura 7-11 y que adicionalmente modificanel tiempo de retencin.

c) En la zona de salida

Esta zona se caracteriza por permitir una recoleccin uniforme de aguasedimentada a una velocidad tal que evite arrastrar flculos en el efluente. Canaletasde pequea longitud, mal ubicadas, mal niveladas o impropiamente diseadas pro-ducen cortocircuitos hidrulicos y zonas muertas que pueden inutilizar grandesreas de los sedimentadores.

En la figura 7-12 se esquematizan las modificaciones normales de las lneasde flujo debido a las estructuras de la zona de salida.

Sedimentacin 21

Figura 7-12. Efecto de la zona de salida en las lneas de flujo (1)

Figura 7-11. Corrientes cinticas (1)

Direccinactual

DireccinoriginalE

ntra

da d

e ag

ua

Verte

dero

de

salid

a

Fluj

ore

man

ente

a) Planta - Cortocircuito

b) Corte longitudinal - Cortocircuito y espacios muertos

Red de lneas de flujo

Sal

ida

Ent

rada

H

L

VV

Vo

Vo

vo

LL

V

A

B

V

22 Manual I: Teora

1.5.3 Factores externos

Paradjicamente, los factores externos al proceso de sedimentacin acon-dicionamiento previo (procesos previos a la sedimentacin), prcticas opera-cionales y factores ambientales son los que tienen ms influencia en la eficien-cia de un sedimentador o decantador.

Buena o inadecuada coagulacin y floculacin ocasionan, respectivamen-te, altas o bajas eficiencias en los decantadores. Idntico comentario cabe realizaracerca de la operacin y el estado de la unidad, as como sobre los programas demantenimiento existentes. A la vez, el viento, al soplar sobre la superficie de lossedimentadores, puede producir corrientes de suficiente intensidad como para in-ducir cambios en la direccin del flujo y alterar el precario equilibrio de las masasde agua.

En unidadesgrandes el vientopuede crear oleajesde cierta magnitud,lo que interfiere elproceso o desequi-libra la distribucindel flujo en lascanaletas de salida.

En la figura7-13 se indica la in-fluencia de la velo-cidad del viento enla eficiencia de unsedimentador.

2. CLASIFICACIN DE UNIDADES

La sedimentacin o la decantacin se realizan en reactores denominadossedimentadores o decantadores, de acuerdo con el tipo de partcula que se re-mueva en cada unidad. La clasificacin ms recomendable es la siguiente:

1,0

0,9

0,8

Figura 7-13. Influencia del viento en la eficienciade los sedimentadores (1)

Efic

ienc

ia

Carga superficial m3/m2/d

Velocidad del viento m/seg

4540

35

30

-8 -4 -2 2 4 6 80,7

Sedimentacin 23

Sedimentadores o decantadores estticos Decantadores dinmicos Decantadores laminares.

A continuacin se analizarn las diversas unidades.

2.1 Sedimentadores y decantadores estticos

2.1.1 Criterios generales

En este tipo de unidades puede producirse sedimentacin o decantacin,normalmente con cada libre, en rgimen laminar turbulento o de transicin.

En estas unidades la masa lquida se traslada de un punto a otro con movi-miento uniforme y velocidad VH constante. Cualquier partcula que se encuentre

en suspensin en el lquidoen movimiento, se moversegn la resultante de dosvelocidades componentes:la velocidad horizontal dellquido (VH) y su propiavelocidad de sedimenta-cin (VS). Vase la figura7-14.

En un sedimentadorideal de forma rectangulary con flujo horizontal, la re-sultante ser una lnea rec-ta. Asimismo, otras partcu-las discretas se movernen lugares geomtricosparalelos. Estableciendosemejanzas entre los trin-gulos formados por las ve-locidades y las dimensio-nes del decantador, donde(L) es la longitud y (H) laaltura, se obtiene:

Figura 7-14. Trayectoria ideal de partculasdiscretas (1)

Velocidades

L

H

a

b

c

d

e

f

Vv

v s

vh

Corte longitudinalde un

sedimentador

BPlanta de unsedimentador

L

H

a

b

c

d

e

f

hV

Vv s

v = 0

v = h vs H

24 Manual I: Teora

(22)

Como la partcula tiene movimiento uniforme:

(23)

Si T0 es el tiempo de retencin:

(24)

Donde V = volumen de la unidad

Se obtendr:

(25)

Pero como , por lo tanto:

(26)

Este criterio sirve exclusivamente para explicar la teora bsica de la clari-ficacin y es til para disear ciertos tipos de sedimentadores y desarenadores.

2.1.2 Componentes de una unidad

Una unidad de sedimentacin consta de las siguientes zonas, con diferentesfunciones especficas:

Zona de entrada y distribucin de agua Zona de sedimentacin propiamente dicha Zona de salida o recoleccin de agua Zona de depsito de lodos.

HL

= VV

S

H

0S T

H = V

QV

= T0

HVQ

QVH VS ==

SS A

Q = V

SAHV =

Sedimentacin 25

En la figura 7-15 se esquematizan las diferentes zonas de un sedimentadoro decantador.

2.1.3 Tipos de unidades

Desarenadores. Losdesarenadores tienen porobjeto remover del agua cru-da la arena y las partculasminerales ms o menos finas,con el fin de evitar que seproduzcan sedimentos en loscanales y conducciones, paraproteger las bombas y otrosaparatos contra la abrasin ypara evitar sobrecargas enlas fases de tratamiento si-guiente y la interferencia enlos procesos de coagulacin-floculacin.

El desarenado se re-fiere normalmente a la remo-cin de las partculas supe-riores a 0,2 milmetros. Unagranulometra inferior corres-ponde a los procesos depresedimentacin o sedimen-tacin.

El estudio terico del desarenado est relacionado con el de los fenmenosde sedimentacin en cada libre.

Al estudiar la ubicacin de una captacin, debe evitarse al mximo el arras-tre de arena, diseando este tipo de unidades cuando la calidad de agua as loexige.

En el caso particular de que se incluya en la instalacin un presedimentador,se podrn eliminar en el desarenador solamente partculas de dimensiones supe-

Figura 7-15. Zonificacin de un sedimentador (1)

Zona de sedimentacin

Zona de sedimentacin

Planta

Corte longitudinal

Zona

de

salid

a

Zona

de

entra

da

Zona

de

salid

a

Z. d

e en

trada

Zona delodos

D

E S

26 Manual I: Teora

riores a 0,3 milmetrosde dimetro. Si la insta-lacin incluye tamizadoo microcernido (conmallas de 1 a 2 milme-tros, por ejemplo), debe-r efectuarse un desare-nado previo para evitarproblemas en los tami-ces.

Generalmente,los desarenadores tie-nen forma rectangular,como se muestra en lafigura 7-16.

Unidades deflujo horizontal.Estossedimentadores se cla-sifican, de acuerdo conla forma de su planta, enrectangulares, circula-res y cuadrados.

Los decantadores o sedimentadores rectangulares tienen la forma y carac-tersticas detalladas en la figura 7-17, con la ventaja de que permiten una implan-tacin ms compacta, aunque su costo es ms elevado. Normalmente, tienen unarelacin longitud/ancho comprendida entre 3 y 6 y una profundidad de 2,50 a 4,00metros.

Los sedimentadores o decantadores de forma circular o cuadrada (figura7-18) disponen normalmente de una zona de entrada ubicada en el centro de launidad. Estn provistos generalmente de una pantalla deflectora que desva elagua hacia el fondo de la unidad. El flujo en la zona de sedimentacin es horizon-tal. Estn provistos de canaletas (perifricas y/o radiales) para la recoleccin deagua sedimentada. El fondo es inclinado hacia el centro de la unidad, donde seubica un sumidero para la recoleccin de lodos. La profundidad normal de estasunidades est comprendida entre 2,00 y 3,50 metros.

Figura 7-16. Desarenador rectangular (1)

Rebose

Entrada

Desage

SalidaDesarenadorN. 1

DesarenadorN. 2

Canal deentrada

Deflector

Canal desalida

Vertederode salida

Cortes rectangulares

Planta

Sedimentacin 27

En los diferentes tipos de unidades de flujo horizontal, la remocin de loslodos o sedimentos puede hacerse en forma intermitente o continua.

Se usa el sistema de remocin intermitente de lodos en pequeas instalacio-nes o cuando se trata un agua relativamente clara. Es necesario vaciar el tanquecada cierto tiempo y extraer los lodos manualmente, con la ayuda de manguerasde agua a presin. Usualmente, los sedimentos se compactan y transforman enuna masa pastosa que resbala muy difcilmente; se requieren pendientes de 45 a60 en el fondo de los tanques. El tamao de la zona de lodos depender delperiodo de funcionamiento del sedimentador y de la cantidad de lodos producidos.

Para la remocin continua de lodos, se utilizan sistemas mecnicos deno-minados barrelodos. En la figura 7-17 se detallan los tipos ms usuales de siste-mas de barrido de lodos de sedimentadores rectangulares: cadenas con paletas(con y sin desnatador) y puente con sistema de palas o de succin. En la figura7-18 se indican los sistemas de barrido de lodos utilizados en sedimentadores odecantadores circulares o cuadrados.

28 Manual I: Teora

Figura 7-17. Sedimentadores o decantadores estticos rectangulares (1)

a) Sedimentadores horizontales de forma rectangular

Zona de lodos Ancho deltanque

Zona deentrada

Entradade agua

Salida deagua

Vertederos desalida

Vertederos desalida AA

Longitud del tanque

Recoleccinde lodos

Nivel del agua

Corte longitudinal

Profundidaddel tanque

MotorCanal de aguasedimentada

Extraccinde lodos

Concentradorde lodos Cadena

Seccin

Ruedas

Motor

Sedimentador

Traccin Puente

Canal de aguasedimentada Puente

Seccin

Zapatas

ZapatasConcentradorde lodos

Extraccinde lodos Puente barrelodos

A = Llegada de aguaB = Salida de agua

Planta

Sedimentador

Cadena barrelodos sin desnatador

B

Decantador rectangular de rasquetas

b) Sistemas de remocin de lodos en sedimentadores rectangulares

B

B

Sedimentacin 29

Figura 7-18. Sedimentadores o decantadores estticos circulares (1)

Tipo B

Cortes tpicos

Planta

Descarga

Entrada deagua

Salida deagua

Tipo A

30 Manual I: Teora

Unidades de flujo vertical. Estas unidades tienen forma cilndrica (figura7-19). La entrada del agua cruda se realiza por el centro de la unidad en formadescendente. En la parte inferior est ubicada la zona de lodos, que tiene formacnica con pendiente de 45 a 60, segn la naturaleza del agua y el tratamientoaplicado. La recoleccin del agua sedimentada se realiza en la parte perifricasuperior de la unidad.

Figura 7-19. Sedimentador esttico de flujo vertical (1)

Unidades de flujo helicoidal. Para tratar aguas con alto contenido demateriales en suspensin o flculos con alta velocidad de sedimentacin, se recu-rre al uso de sedimentadores de flujo helicoidal.

Estas unidades tienen forma circular (figura 7-20). El flujo tangencial selogra mediante la combinacin de una tubera y canales perifricos con orificiosde entrada de agua. Los orificios son dimensionales y se disponen espaciadospara permitir una distribucin uniforme del agua en el sedimentador. El canalrecolector de agua sedimentada est ubicado en el centro del sedimentador o enla periferia. Generalmente, una pantalla vertical contribuye a lograr una mejordistribucin y a evitar cortocircuitos.

Es muy importante tener en cuenta que se trata de unidades poco conoci-das y, por ende, existe una carencia de datos operacionales fidedignos.

Vaciado

Aguadecantada

Agua

Zona dedepsito de

lodos

Zona desedimentacin

Sedimentacin 31

Figura 7-20. Sedimentador esttico de flujo helicoidal (1)

2.2 Decantadores dinmicos

2.2.1 Criterios generales

La teora de la decantacin interferida se aplica a este tipo de unidades. Serequiere una alta concentracin de partculas para incrementar las posibilidadesde contacto en un manto de lodos que tiene una concentracin de partculas de 10a 20% en volumen.

En el proceso, el flculo no conserva su peso especfico, su tamao ni suforma constante. Las partculas pequeas que entran por el fondo son arrastradas

c) Corte tpico

b) Corte tpico

a) Planta tpica

Entrada deagua Salidade agua

Canal distribuidor

Entrada de agua

Salida de aguaCanal derecolec-

cin de aguasedimentada

Entrada deagua

Salidade agua

32 Manual I: Teora

por el flujo. Al chocar estas con otras, incrementan su tamao de acuerdo con laecuacin de Von Smoluchowski. Se entiende que en la zona del manto de lodos sepromueve la floculacin y en la parte superior a ella ocurre la decantacin.

La eficiencia de los decantadores de manto de lodos depende del tipo y ladosis de coagulante, del uso de polmeros, de la calidad del agua cruda, del tamaode las unidades (la eficiencia es inversamente proporcional al tamao), de la pro-fundidad y concentracin del manto de lodos y, principalmente, de la carga super-ficial.

2.2.2 Componentes de una unidad

Una unidad de manto de lodos consta bsicamente de los siguientes com-ponentes (figura 7-21):

1) Sistema de entradade agua

2) Zona de formacindel manto de lodos

3) Zona de clarificacin4) Sistema de recolec-

cin de agua clarifi-cada

5) Zona de concentra-cin de lodos.

2.2.3 Tipos de unidades dinmicas

Los decantadores de manto de lodos se pueden clasificar de acuerdo conlas condiciones y caractersticas de la zona de formacin de lodos, que se resu-men en el cuadro 7.2:

Figura 7-21. Componentes de un decantadorde manto de lodos (1)

Entrada

Salida delconcentrador

de lodos

Zona del mantode lodos

Recoleccin deagua clarificada

Zona declarificacin1

Sedimentacin 33

Cuadro 7-2. Caractersticas de decantadores de manto de lodos (1)

Tipo de Control de lasuspensin Mezcla de lodos altura del manto Tipo de flujo

de lodos

Hidrulica Sin recirculacin Con vertedero ConstanteSin vertedero Pulsante

Sin recirculacin Con vertedero Constante conMecnica separacin dinmica

Con recirculacin Sin vertedero Constante con agitacin

A continuacin se descri-ben algunos de los tipos princi-pales de unidades.

Unidades de manto delodos con suspensin hi-drulica. Estas unidades fue-ron las primeras que se cons-truyeron. Consisten esencial-mente en un tanque de fondocnico o tronco piramidal, encuya parte inferior se inyectael agua cruda que asciende dis-minuyendo la velocidad a me-dida que el rea aumenta ymanteniendo as un manto delodos hidrulicamente suspen-dido. Figura 7-22.

Los lodos se extraen pe-ridicamente por un tubo quebaja hasta el fondo. Esta ex-traccin puede ser hecha enforma manual o automtica.

La entrada del agua pue-de hacerse inyectando el flujo

Figura 7-22. Decantadores de manto de lodoscon suspensin hidrulica (1)

Cono difusor

Canaleta de recoleccinde agua sedimentada

Canal de aguasedimentada

Entrada deagua cruda

Purga delodos

Clarificador con fondo cnico

Sedimentador de Bacchus Marsh

Manto de lodos

D

SAA

B

C

D

C

34 Manual I: Teora

directamente en el fondo para que se produzca turbulencia al chocar contra lasparedes del fondo.

Para obtener un buen rendimiento, debe prestarse especial atencin a laforma de entrada del agua. Excesiva turbulencia puede producir perturbacionesque afectan todo el manto de lodos.

La ventaja de estas unidades es que no son patentadas; no tienen, por logeneral, ninguna pieza movible dentro del tanque ni requieren energa elctricapara su funcionamiento.

Algunos proyectistas prefieren utilizar vertederos en la parte superior parael control de la altura del manto de lodos, de modo que se viertan en unconcentrador lateral.

Unidades de manto de lodos con suspensin mecnica. Las unidadesque usan sistemas mecnicos para mantener el manto de lodos en suspensinpueden ser, en general, de tres clases:

a) De agitacinb) De separacinc) Pulsante o de vaco.

Unidades de manto de lodos con agitacin simple

Las unidades de agitacin simple consisten en tanques por lo general cir-culares, en los cuales al agua es inyectada por abajo, de tal forma que se distribu-ya en el fondo.

Un agitador mecnico que gira lentamente en el fondo, movido por un mo-tor o por agua a presin, mantiene las partculas en suspensin y recolecta loslodos en un concentrador, de donde son removidos peridicamente (figura 7-23).El agua tiene que ascender hasta las canaletas perifricas superiores y se filtra atravs del manto de lodos. En estas unidades no existe recirculacin de lodos.

Unidades de manto de lodos con separacin dinmica

Las unidades que emplean separacin dinmica utilizan una turbina quegira a alta velocidad, colocada en el centro del tanque, la cual impulsa el flujo

Sedimentacin 35

hacia abajo a travs del orificio perifrico, de forma tal que las partculas quedescienden empujadas por la energa mecnica de la turbina choquen con las queascienden con el flujo del tanque.

En estos tanques se pueden considerar cuatro zonas: una primera zona demezcla y reaccin en la parte interior, donde se inyectan los coagulantes; unasegunda zona de mezcla lenta o floculacin; una tercera zona donde se estableceel manto de lodos y, por ltimo, una cuarta zona en la que se produce la decanta-cin y el agua clarificada sube hasta las canaletas de salida.

Figura 7-23. Unidad de manto de lodos con agitacin simple (1)

Figura 7-24. Unidades de separacin dinmicaAccelator-Infilco, Inc. (1)

Orificios Indicador derotacin

Efluente

Bomba para recircular el aguasedimentada y mantener en

rotacin el agitadorLnea de presin

Entrada de agua crudapor los coagulantes

Concentrador

Purga de lodos

Orificios

Orificios

Colector perifrico

Flotador

Concentrador

Motor

Descarga

Coagulante

Zona de mezcla primaria

Zona de mezclasecundariaAgua

clarificadaAgua

clarificada

Embudo

Dren

Coagulante

Manto delodos

Efluente

Recirculacin

36 Manual I: Teora

Los lodos son recogidos en el concentrador en un sector del tanque y ex-trados automticamente cada cierto tiempo segn la turbiedad del agua cruda(figuras 7-24 a 7-26).

En el decantador de Brno (Checoslovaquia) el manto de lodos queda sus-pendido hidrulicamente en las secciones tronco-piramidales laterales, si biendicho decantador tiene un sistema de floculacin separado del de sedimentacin;adems, tiene una serie de vertederos sumergidos para controlar la altura delmanto. El lodo que cae es recogido en los concentradores inferiores y extradoperidicamente.

Similar solucin se utiliza en el decantador con circulacin de lodos AquazurB de Degremont, que dispone de una zona central de floculacin rodeada por unazona de decantacin. Ambas zonas se comunican por arriba y por abajo. El aguacruda llega por un canal circular situado alrededor de la columna central de mezcla.

Una turbina situada en la parte superior de la zona de floculacin hace queel agua floculada pase a la zona de decantacin.

Figura 7-25. Unidades de separacin dinmicaDecantador de Brno (Checoslovaquia) (1)

Agua clarificadaCanaletas

Ranura

Efluente

Manto de lodos

Mezclador Vaciado y lavado

Concentradorde lodos

Tubo perforado

Vertedero sumergidopara control de mando

Agua cruda concoagulantes

Sedimentacin 37

Los lodos que sedimentan en esta ltima vuelven, por gravedad, a la zonacentral. Se produce as un enriquecimiento del lodo, con el que se consigue unafloculacin rpida y la formacin de un precipitado denso.

Eventualmente, un agitador de fondo evita la acumulacin de sedimentospesados, que podran atascar el aparato.

Por medio de una o varias tolvas, puede extraerse el exceso de lodos en laforma ms concentrada posible.

Unidad de manto de lodos pulsante o de vaco

Este tipo de unidades consiste esencialmente en un tanque cuadrado o cir-cular, en cuyo centro se coloca una campana o cpsula de vaco, en la cual peri-dicamente se disminuye la presin interna con una bomba especial, de modo queel agua ascienda por la campana hasta un cierto nivel y luego se descargue en eltanque y se produzca la expansin de los lodos y se bote el exceso de estos a losconcentradores. Esta peridica expansin y contraccin del manto se usa parahomogeneizarlo. Se evitan las grietas o canales que permiten el paso directo de laturbiedad y la sedimentacin de las partculas ms pesadas en el fondo de launidad.

Figura 7-26. Unidades de separacin dinmicaDecantador Aquazur-B (1)

Salida de los fangosextrados de las fosas

de fangos

(*) Turbinas de recirculacin de agua yde los fangos de floculacin

Llegada de aguacruda al interior dela campana tronco-

cnica (por lostubos b)

Salida de aguadecantada

Grupo motorreductorde las turbinas

Canal de distribucinde agua

Entrada deagua

(*)

38 Manual I: Teora

Campana

Primer tiempo

Campana

Segundo tiempo

D

S

I

B

E

F

C

A

D

S

IE

FC

A

V

El sistema requiere,por lo tanto, dos tiempos (fi-gura 7-27). En el primero,la vlvula de aire V se en-cuentra cerrada. El flujo as-ciende por la campana A,mientras que el agua en eldecantador D permaneceen reposo, de manera quepuede decantar.

En el segundo tiem-po, al alcanzar el agua elnivel S en la campana, la vl-vula de aire V se abre y elagua de la campana pene-tra en el decantador D. En-tonces, los lodos se elevancon el flujo y el exceso pe-netra en el concentrador C.El agua decantada se reco-ge en E. Cuando el flujo al-canza el nivel I en la cam-pana A, se cierra la vlvulaV. Los fangos depositadosen el concentrador se ex-traen automticamente pormedio de vlvulas F.

2.3 Decantadores laminares

2.3.1 Teora de la sedimentacin laminar

Como se analiz anteriormente, la eficiencia de los decantadores clsicosde flujo horizontal depende, principalmente, del rea. De este modo, si se introdu-ce un piso intermedio a una altura (h) a partir de la superficie, las partculas conuna velocidad de sedimentacin VSb < VSC seran removidas, como lo demuestra lafigura 7-28, cosa que antes no ocurra.

Figura 7-27. Decantadores de manto de lodosdel tipo pulsante (1)

Sedimentacin 39

Se podra admitir quela capacidad de clarificacindel decantador aumentaracon la duplicacin del reahorizontal (figura 7-29). Hacems de 45 aos se propusoinclusive un decantador convarios pisos horizontales, conun espaciamiento de 15 cen-tmetros entre ellos y con re-mocin mecanizada de lodo.

Se considera que tresson los efectos que favorecen la remocin de las partculas en este tipo de unida-des: (i) aumento del rea de sedimentacin, (ii) disminucin de la altura de cadade la partcula y (iii) rgimen de flujo laminar.

Debido a las dificultades de mantenimiento, este tipo de unidades perma-neci olvidado por mucho tiempo hasta que, a mediados de la dcada de 1960, seempez a investigar la sedimentacin en tubos inclinados, donde el lodo deposi-tado escurre hacia la parte inferior, sin interferir con las caractersticas de la ins-talacin.

Figura 7-28. Efecto de introduccin desuperficies intermedias de sedimentacin en los

decantadores convencionales (1)

D

B1

A

B

A

HVsc Vsb

h

40 Manual I: Teora

Figura 7-29. Incremento de la capacidad de sedimentacin al aumentarel rea superficial (1)

Floculacin Reparticin Sedimentacin

A

B

C

vs = Q

A

q = n.vs

nQA

QA

vs = Q

A

q = n.vs

q = vs = Q

A

QA

Sedimentacin 41

2.3.2 Trayectoria de una partcula en placas paralelas

Cuando una par-tcula asciende con unavelocidad media V0,arrastrada por el flujoentre dos placas parale-las que forman un ngu-lo con la horizontal, lavelocidad resultante quedetermina la trayectoriade la partcula puededescomponerse en doscomponentes: Vx y Vy.

Consideremos los tringulos FBC y HIG:

(27)

De donde:

(28)

Considerando la longitud relativa:

(29)

y sustituyendo en (28), se obtiene:

(30)

Las velocidades componentes de VsC segn los ejes X e Y son:

(31)

Figura 7-30. Trayectoria de una partculaen placas paralelas inclinadas (2)

YXV e

l = V

el

= L

XYV

l = V

e

X YV=V L

Cos Vs = VC Y

B

F

e

G

V x

V scV yG

l

IH

V scsen

CV o

VscV y

42 Manual I: Teora

(32)

Reemplazando los valores VX y VY en la ecuacin (30), se obtiene:

(33)

Despejando (VsC), se obtiene:

(34)

Yao (4) establece:

(35)

(36)

Cuadro 7-3. Valores de S segn el tipo de mdulo (2)

Tipo de mdulo S

Placas planas paralelas 1Tubos circulares 4/3Tubos cuadrados 11/8Placas onduladas paralelas 1,30Otras formas tubulares 1,33 1,42

El parmetro S caracteriza la eficiencia del sedimentador y su valor crticoSc para el caso de placas planas paralelas es 1. Cualquier partcula suspendidacon S > 1 ser tericamente removida.

El valor de Vsc en las expresiones anteriores representa la velocidad decada de la partcula crtica, equivalente a la que habra en un sedimentador con-vencional de flujo horizontal tericamente de igual eficiencia.

Sen Vs- V = VC0 X

Sen Vs- V = )Cos (Vs LC0 C

Cos L + SenV

= Vs 0C

)LCos + (SenVVs

=S 0

C

LCos + Sen SV

= Vs 0C

Sedimentacin 43

Esto significa que si en un decantador convencional la carga superficial esVsc = Q/A, en uno de flujo inclinado, para obtener la misma eficiencia terica, larelacin sera igual a:

(37)

donde:

f = Sen + L Cos, factor de reaAo = rea superficial perpendicular a las placasA = rea superficial horizontal del decantador convencional.

2.3.3 Factores que influyen en el proceso

Influencia de L y en la eficiencia del decantador. La ecuacin (35),reescrita para la trayectoria crtica, es:

(38)

La figura 7-31 muestra la variacin de (VsC/ Vo) en funcin de (L), con ( = 0)y un valor fijo de (Vo), para ductosde seccin circular y placas pa-ralelas. Para los dos tipos desedimentadores, el valor de (VsC)disminuye rpidamente con el au-mento de (L), con lo que se ob-tiene un aumento significativo dela eficiencia hasta (L = 20). Apartir de este valor, el valor deVsC tiene poca variacin.

El comportamiento es si-milar en el decantador de placasparalelas y se cumple tambinpara otros ngulos, como lomuestra la figura 7-32.

AQ

= f AQ

= Vs0

C

Cos L + SenSc

= V

Vs

0

C

Figura 7-31. Variacin de Vsc enfuncin de (L) (2)

VsCVo

Ducto de seccin circular

Placas paralelas

1,0

,8

,6

,4

,2

00 20 40 60 80 100

= 0

44 Manual I: Teora

Para facilitar el desliza-miento del lodo depositado so-bre las placas, el valor de quese adopta para diseos es de60.

Establecimiento del r-gimen laminar. El desarrollode las ecuaciones anterioresfue hecho para rgimen lami-nar. Sin embargo, en la prcti-ca existe una regin de transi-cin hasta que todo el escurri-miento se vuelva laminar, con-forme lo muestra la figura7-33. De este modo, a la lon-gitud de sedimentacin debe-ra agregarse una longitud L,correspondiente a la regin detransicin.

Figura 7-33. Desarrollo de la capa lmite caracterizandola zona de transicin (2)

La longitud relativa L para la regin de transicin en un ducto circularpuede ser estimada mediante la expresin:

(39)

Flujo Velocidaduniforme

Capa lmite

Velocidadpromedio

Zona de transicin

Flujolaminar

U

Figura 7-32. Eficiencia del decantador de placasen funcin de la longitud relativa (2)

= 40

= 20

VsCVo

,8

,6

,4

,2

00 20 40 60 80 100

L

Re0,058 ,

L =

Sedimentacin 45

donde:

Re = Nmero de Reynolds

Aunque la ecuacin anterior haya sido desarrollada para ductos circulares,tambin es aplicada para el caso de placas paralelas. En la figura 7-33 la reginde transicin se caracteriza por una combinacin de rgimen uniforme con ellaminar. Se demuestra que el rendimiento del sedimentador con escurrimientouniforme es semejante al del sedimentador con rgimen laminar y, por lo tanto, laregin de transicin no debe afectar significativamente la eficiencia de remocin.Sin embargo, para efectos de diseo, ha sido comn adoptar una longitud relativaLT, igual a la suma de (L + LT), con lo cual resulta un coeficiente de seguridad.

Velocidad del flujo o velocidad de escurrimiento. El anlisis de la ecua-cin (35) revela que cuanto mayor es Vo, mayor deber ser Vsc para que resulte elmismo valor de S, siendo L y fijos.

Por otro lado, la velocidad Vo debe ser tal que no acarree el arrastre de losflculos depositados. La velocidad Vo no debe superar la velocidad de escurrimientomxima (Vo) definida por la ecuacin:

(40)

Nmero de Reynolds. De acuerdo con la literatura y las evaluaciones deplantas, se han conseguido mejores resultados con los decantadores de ductos oplacas con nmeros de Reynolds inferiores a 500.

El nmero de Reynolds es calculado por la siguiente expresin:

(41)

donde:

Rh = Radio hidrulico, cmV0 = Velocidad media del flujo de agua, cm/s

= Viscosidad, cm2/s

8Re

Vs = Vc0

'

V . Rh .4

= Re 0

46 Manual I: Teora

(42)

donde:

b = Ancho del mdulo de sedimentacin, cmd = Espaciamiento entre placas, cm

Otros factores que in-fluyen en el proceso. Los re-sultados obtenidos en la eva-luacin de plantas de trata-miento de Amrica Latina, di-seadas con nueva tecnologa,realizada por el CEPIS/OPScon el auspicio de la Universi-dad de Oklahoma, la Agenciapara el Desarrollo Internacio-nal de Estados Unidos(USAID) y el Centro Interna-cional de Investigaciones parael Desarrollo (CIID), demues-tran la elevada eficiencia delos decantadores laminares.

En la figura 7-34 sepresentan las eficiencias de di-versos proyectos de sedimen-tacin. Se puede apreciarcomparativamente la elevadaeficiencia de los sedimentadores laminares estudiados. Asimismo, en la figura7-35 se indica la eficiencia comparativa del sedimentador laminar de Prudentpolis,Brasil, eficiencia que supera ampliamente los resultados obtenidos en prueba dejarras de laboratorio.

La eficiencia de la sedimentacin laminar depende de factores intrnsecosa la carga superficial adoptada, de las caractersticas propias del agua tratada ydel diseo del sedimentador. A continuacin se analizarn estos factores.

d) + (b2 d . b

= Rh

Figura 7-34. Eficiencia comparativaentre decantadores convencionales y

unidades de placas paralelas (2)

Turbiedad de agua sedimentada U. T.

Sedimentadorde placas

La S

eren

a (1

981)

Cal

i -

Col

ombi

a

Unco

da Vi

ctoria

(1976)

Man

izal

es -

Col

ombi

a

Rio

de

Jane

iro -

Bra

sil

Chica

goWas

hingto

n

New

Sprin

gwell

s (19

59)

Alto da BoavistaSo Paulo -

Brasil (1970)

Plan

ta C

ocha

bam

ba (

1974

)

Plan

ta S

ANEP

AR -

CEPI

S (P

rude

ntp

olis)

197

6

Bay

City

Water Wo

rks Parks

(1924)

North

coast

(1976

)

Old Sp

ringwel

ls (193

3)

Curitiba

(1976)

Turb

ieda

d de

agu

a se

dim

enta

da U

. T.

Sedimentacin 47

Carga superficial o tasa desedimentacin. En el diseo desedimentadores laminares se con-sidera como parmetro de diseola carga por unidad de superficie,la cual representa la velocidad cr-tica de sedimentacin (Vsc) de unapartcula tpica.

Tericamente, cualquier par-tcula con velocidad igual o mayora la crtica ser automticamenteremovida.

Esta velocidad de sedimen-tacin (Vsc) debe ser determinadasobre la base de ensayos de labo-

ratorio, teniendo en cuenta el criterio de elegir una velocidad de sedimentacinque permita conseguir un efluente de una calidad que no sobrecargue la unidad defiltracin.

En la sedimentacin la-minar la eficiencia decrece amedida que aumenta la cargasuperficial en las celdas.

Usando la teora deHazen, Yao (4) compara lascurvas de comportamiento ob-tenidas segn dicha teora ensedimentadores convenciona-les de flujo horizontal y las delos decantadores tubulares,conforme se presenta en la fi-gura 7-36.

Se puede observar tam-bin que los decantadoreslaminares pueden soportar

Figura 7-35. Correlacin terica y real deturbiedades de agua cruda y sedimentada (4)

Figura 7-36. Comparacin entre un decantadorconvencional y un decantador tubular (2)

Turbiedad de agua sedimentada0 1 2 3 4 5 6 7

1000

100

10

Turb

ieda

d de

agu

a cr

uda

(U. J

)

Resu

ltado

s de p

lanta

de tr

atami

ento

Resul

tados

de pru

ebas d

e jarras

Equ

ival

enci

a - P

orce

ntaj

e

Carga superficial equivalente - m3/m2/da

0 20 40 60 80 100

100

90

80

70

60

50

40

Decantadortubular

Decantadorconvencional

n = 1

n = 1 3

n =

48 Manual I: Teora

mejor las sobrecargas, conmenos prdida de eficien-cia que los convencionales.Las cargas normales fluc-tan entre 60 y 240m3/m2d, con valores me-dios de 120 a 180 m3/m2d.Se sugiere el uso de sedi-mentadores piloto o por lomenos de ensayos de ve-locidad de sedimentacinde partculas a nivel de la-boratorio, para fijar las car-gas superficiales de diseode estas unidades.

La evaluacin de lossedimentadores laminaresde Cochabamba, Bolivia(figura 7-37), demuestra lavariacin de la eficienciatanto terica (prueba de ja-rras) como real (valoresmnimos y mximos) al va-riar las cargas superficia-les.

Caractersticas de las aguas. Entre las caractersticas de las aguas quems influencia tienen en la eficiencia de un sedimentador laminar cabe mencionarlas siguientes:

a) Calidad del agua (turbiedad y color)

Los resultados de la evaluacin de la planta de tratamiento de agua deCuenca, Ecuador, demuestran que la eficiencia de un sedimentador laminar esdirectamente proporcional a la turbiedad y el color del agua cruda. Conservandoconstante la carga superficial (120 m3/m2d), se obtuvieron eficiencias de 88,9%con turbiedades de agua cruda comprendidas entre 5 y 27 UNT; con turbiedadescomprendidas entre 100 y 1.000 UNT, se obtuvieron eficiencias mayores de 99%

Figura 7-37. Datos comparativos de eficienciastericas y reales en sedimentacin (2)

Carga superficial equivalente - m3/m2/da

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Mnimaeficiencia

Eficienciaterica

Mximaeficiencia

95

90

85

80

75

70

65

60

Efic

ienc

ia T

R

Sedimentacin 49

y, con una turbiedad mxima de 1.500 UNT, se alcanz una eficiencia de 99,9%.La eficiencia remocional del color es menor. Se obtuvieron eficiencias de 67,7 y78,7% para valores de color comprendidos entre 8 y 15 UC y 24 y 52 UC.

b) Temperatura del agua

La influencia de la temperatura del agua de acuerdo con la evaluacin de laplanta de agua de Cochabamba, Bolivia, parece ser mayor que la usualmenteconsiderada (figura 7-38). Con cargas constantes (120 m3/m2d) y calidad de aguarelativamente constante (turbiedad media de agua cruda de 9 UNT), se obtuvie-ron eficiencias de 91% para una temperatura de 4 C, que disminuyeron a 80%para una temperatura de 11 C.

Influencia de la coagu-lacin. Sin lugar a dudas, elproceso de coagulacin-flocu-lacin es el factor que mayorinfluencia tiene en el rendi-miento y operacin de lossedimentadores laminares, tan-to en lo referente a la remo-cin de turbiedad como en lacalidad misma del agua, pues-to que puede regularse la con-centracin y el volumen delflculo, variando los criteriosde diseo y las prcticas demezcla y coagulacin, espe-cialmente el valor de GT, paraobtener diferentes tamaos deflculos con diferentes con-centraciones.

En general, se compro-b en la evaluacin de la plan-ta de tratamiento de agua deCuenca, Ecuador, que unflculo grande y esponjoso se-dimenta con dificultad, lo que

Figura 7-38. Influencia de latemperatura del agua en la eficiencia

del decantador laminar (4)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12

100

90

80

70

Temperatura C

Efic

ienc

ia

50 Manual I: Teora

disminuye el rendimiento del sedimentador en forma apreciable; en cambio, elflculo pequeo y compacto, producto de altos valores de G en la floculacin,sedimenta con mayor facilidad. Se logra un rendimiento mayor de los sedi-mentadores al usar polmeros, puesto que permiten incrementar el peso del flculo.

En la figura 7-39 se representan los ensayos de remocin de turbiedad enfuncin de la calidad del flculo en decantadores de placas planas. Como se pue-de apreciar comparativamente con la influencia de los otros parmetros, ningunotiene la importancia que revisten la coagulacin y el proceso previo de acondicio-namiento del agua.

Caractersticas del sedimentador. Cabe mencionar como las ms impor-tantes las siguientes:

a) Tiempo de operacindel sedimentador

Contrariamente a loque se esperara, la eficienciade un decantador laminarmejora con el periodo de fun-cionamiento. Los ensayosrealizados en Prudentpolis,Brasil, demuestran que losdecantadores presentaroneficiencias iniciales de 60%(turbiedades de 6 UNT), quese incrementaron en el lapsode tres meses hasta alcanzarvalores de 95% (turbiedadesde una UNT), en los que per-manecan con un valorasinttico (figura 7-40).

Figura 7-39. Eficiencia del decantador de placas enfuncin de la calidad del flculo (5)

Carga superficial L/s/m2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

120 240 360 480 600

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Curva Flculo

Deficiente

Normal

ptimoSin floculacin

Datos promedio de 3 ensayos

Turbiedad media = 76 ppm

d = 5 cm

L = 1 = 20 d

3

1

4

2

Turb

ieda

d re

man

ente

(%)

Sedimentacin 51

b) Caractersticas de los mdulos

b.1) Tipo de mdulo

Como se ha indicado anteriormente, cada tipo de sedimentador presentauna velocidad crtica de sedimentacin definida por el parmetro:

(43)

segn los valores que se han indicadoanteriormente.

Ensayos realizados en Cuenca,Ecuador, en plantas piloto, produjeron losresultados que se indican en la figura7-41, datos que pueden ser considera-dos como relativos y pueden ser usadosexclusivamente para fines comparativos,pero que demuestran la validez de la teo-ra expuesta.

Experiencias realizadas porHazen y Culp demuestran la in-fluencia de la longitud relativa enla remocin de la turbiedad (figu-ra 7-42). La investigacin realiza-da en Cuenca, Ecuador, sobre esteaspecto se representa en la figura7-43.

En los mdulos patentadosse utilizan valores de L entre 10 y12, pero para placas planas para-

Figura 7-40. Variacin de la eficienciade decantacin en placas con el tiempo

de operacin (4)

Figura 7-41. Estudio comparativo demdulos de decantacin laminar (4)

100 200 300 400 500 Carga m3 / m2 / da

Placas planas1/d = 20

Mdulos tubularesL = 1/d = 20

Radio de la onda = 5 cmPlacas corrugadas1/d =20

40

50

60

70

80

90Turbiedad afluente = 67 ppmFlculo regular

Ren

dici

n d

e tu

rbie

dad

(%)

0

CS

V)Cos L + (Sen V

=S

20

15

10

5

Nov. Dic. Ene. Feb. Mar. Abr. 1975 1976

Turb

ieda

d de

agu

a se

dim

enta

da (U

.J.)

52 Manual I: Teora

Figura 7-42. Eficiencia de los sedimentadorestubulares (2)

1,00

0,98

0,96

0,94

0,92

0,90

0,88

0,86

0,84

0,82

0,80

0,78

0,76

0,74

Relacin L/e

98

96

94

92

90

88

86

84

820 1 2 3 4 5 6 7 8

Longitud tubo-pies

Turb

ieda

d re

nova

da (%

)Tu

rbie

dad

reno

vada

(%)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Sin polielectrolitos

Con polielectrolitos

1 - Pg. dim. tubo2

1 - Pg. dim. tubo2 - Pg. dim. tubo4 - Pg. diam. tubo

lelas se recomienda utilizarun valor de L = 20, valorque comprende tanto la lon-gitud de transicin como lalongitud de sedimentacin.

b.2) Inclinacin delmdulo

La figura 7-44 de-muestra los resultados deexperiencias de rendimien-to de sedimentadores deplacas planas cuando sevara la inclinacin. Se pue-de observar que se presen-ta una disminucin lenta ypaulatina del rendimiento,que decrece muy rpida-mente sobre los 40. Lossistemas con altos valoresde L se muestran ms sen-sitivos a las variaciones dela inclinacin.

En un sedimentadorlaminar se debe seleccio-nar una inclinacin tal queasegure una continua y efi-ciente remocin de lodos.Las evaluaciones han demostrado que la inclinacin de 60 favorece mucho esteefecto.

Sedimentacin 53

Figura 7-44. Variacin de la eficiencia del decantador en funcin del ngulo deinclinacin de las placas. Planta de Tratamiento de Agua de Cuenca, Ecuador (2)

Placas corrugadasPlacas planas

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 15 20 25Longitud relativa L = L/d

90

80

70

60

50

40

Carga superficial - 120 m3/m2/d

Efic

ienc

ia I

= I

T

T

o

Figura 7-43. Variacin de la eficiencia en funcin de la longitud relativa de las placas paralelas. Planta de Tratamiento de Agua de Cuenca, Ecuador (2)

0 10 20 30 40 50 60L (longitud relativa)

6

5

4

3

2

1

Efic

ienc

ia

Carga superficial = 120 m3/m2/d

= 60

= 40 = 0 = 5 = 10 = 20

54 Manual I: Teora

2.3.4 Tipos de decantadores laminares

De acuerdo con la di-reccin del flujo, los de-cantadores laminares pue-den clasificarse as:

a) De flujo horizontal

En estos el flujo delagua es o tiende a ser ho-rizontal. La figura 7-45(a)representa un sedimen-tador laminar con lminasligeramente inclinadascon un ngulo de 5 (n-gulo de mxima eficienciaremocional). En esta so-lucin, se requiere inver-tir el flujo para realizar lalimpieza del sedimentador.Esta solucin es muy uti-lizada en plantas comer-ciales o plantas de peque-a capacidad (inferior a50 litros por segundo). Suuso se limita nicamentepor razones econmicas.

Para evitar el lavado y obtener al mismo tiempo mxima eficiencia yescurrimiento de lodos depositados en las lminas, se puede recurrir a las solucio-nes indicadas en la figura 7-45(b). Estos son sedimentadores laminares de flujohorizontal (mxima eficiencia), pero con lminas planas paralelas inclinadas paraobtener la pendiente necesaria de escurrimiento de flculos.

Figura 7-45. Decantadores laminares deflujo horizontal (6)

a) De lminas horizontales

Aguacruda

Floculador

Filtros

DecantadorCoagulantes

b) De lminas inclinadas

Evacuacin delagua de lavado

5

Sedimentacin 55

b) De flujo inclinado

Este tipo de decantadores es el ms usado. Generalmente, en la parte infe-rior del decantador se presenta una zona de distribucin de agua. En la partemedia existen mdulos inclinados con un ngulo de 60. El agua decantada serecolecta lateralmente en la parte superior (figuras 7-46 y 7-47).

Se puede aplicar con xito decantacin laminar con ciertas condiciones decalidad de agua y material transportado, en nuevos diseos o en modificacin dedesarenadores o sedimentadores convencionales de flujo horizontal, ya sea paraincrementar su eficiencia o su capacidad, o ambas cosas simultneamente.

Figura 7-46. Decantador de placas con canaletas laterales de recoleccinde agua decantada, tolvas continuas para lodos y extraccin mediante

sifones (5)

Drenaje de lodos

Canal colector deagua decantada

Tubera recolectora deagua decantada

Canal distribuidorde agua floculada

Orificio deentrada

Placas deasbesto-cemento

56 Manual I: Teora

Figura 7-47. Decantador de placas adecuado para plantas grandes: canalcentral de distribucin, sistemas de recoleccin mediante tuberas y tolvas de

lodos con colectores de extraccin uniforme

Decantador laminar

Plancha deA.C. o vinilonas

Plancha deA.C. o vinilonas

Plancha deA.C. o vinilonas

Canal de distribucinde agua floculada

Tubera de recolec-cin de agua decantada

Barandilla

Orificios

Colector delodos

Tolva delodos

Tolva delodos

Decantador laminar

Orificios

Colectorde lodos

Canal dedesage

Canal dedistribucin

a filtros

Canal dedistribucin adecantadores

Tapn

Canal deinspeccin delos colectores

de lodos

Vlvulade

mariposa

Tubos de P.V.C.con orificios

Sedimentacin 57

Figura 7-48. Decantador de placas adecuado para plantas pequeas:tuberas de distribucin uniforme, vertederos de recoleccin y canal de

extraccin uniforme de lodos

Decantador laminar

Decantador laminar

Vertederosregulables

Vertederosregulables

Losas removiblescon orificios

Orificios

A.C. ovinilonas

A.C. ovinilonas

Orificios

Losas removiblescon orificios

Canal de reparticinde agua floculada

Orificios

Tubera de distribucin de agua floculada

Losas removibles conorificios para la

extraccin de lodos

Desage

Aguadecantada

Vlvulamariposa

4

Vlvulamariposa

Vlvulamariposa

58 Manual I: Teora

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