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EVALUACION DE DOS CASOS DE ESTUDIO DEL FENOMENO DE SEDIMENTACION EN EL TRATAMIENTO DEL AGUA Villacreses, JA (1); Vega, JC (1); y Matamoros, D (2) (1) Facultad de Ingeniera en Ciencias de la Tierra, Escuela Superior Politecnica del Litoral, telfono 042269400, e-mail joe198357@hotmail.com (2) Instituto de Ciencias Qumicas y Ambientales, Escuela Superior Politcnica del Litoral, telfono 042269550, e-mail dmata@espol.edu.ec RESUMEN El artculo tiene por objeto presentar una metodologa adecuada de enseanza de laboratorio de ensayos de sedimentacin en la materia Ingeniera Sanitaria II de la Facultad Ingeniera en Ciencias de la Tierra. Esta metodologa se basa en ensayos de sedimentacin establecidos previamente en literatura relacionada. En la actualidad, dicha facultad no cuenta con un laboratorio de tratamiento de agua, y este trabajo presenta el uso de equipos comnmente encontrados en el Laboratorio de Mecnica de Suelos. Se ensayaron dos diferentes tipos de agua en columnas de sedimentacin: agua residual artificialmente preparada y agua del lavado de camiones mezcladores de hormign. Finalmente, la investigacin determin ndices de diseo de sedimentadores relativos a las muestras analizadas. Los resultados mostraron que el agua residual preparada puede ser usada confiablemente para propsitos didcticos. ABSTRACT The papers objective is to present an adequate teaching methodology for settling analysis in Sanitary Engineering course at the Faculty of Earth Sciences Engineering. This methodology is based on settling analysis previously established in related literature. Actually, that faculty does not have a water treatment laboratory, and this research presents the usage of equipment normally found at Soil Mechanics Lab. Two different water types were tested in settling columns: artificially prepared wastewater and washed water from concrete mixers. Finally, the research developed indices of sedimentation basin design related to the evaluated water samples. Results showed that the artificially prepared wastewater can be used for didactic purposes with confidence. Palabras claves: Sedimentacin, Anlisis de Flujo de Slidos, Tratamiento de Agua INTRODUCCIN La sedimentacin es una operacin unitaria comnmente usada en el tratamiento de aguas residuales como de agua potable. Los parmetros de diseo de sedimentadores se obtienen de ensayos realizados en columnas de sedimentacin considerando diversas aproximaciones tericas (anlisis tipo batch, anlisis de flujo de slidos, entre otros). Las columnas de sedimentacin usadas en estos ensayos varan en sus dimensiones en funcin del tipo de anlisis seguido. La teora de la sedimentacin es enseada como parte del curso de Ingeniera Sanitaria II en la carrera de Ingeniera Civil de la Facultad de Ingeniera en Ciencias de la Tierra (ESPOL). Al 2006, la enseanza de esta materia ha sido principalmente terica ya que no se cuenta con un laboratorio de tratabilidad de aguas en la Facultad. Debido a esto, surgi la idea de adaptar los ensayos de sedimentacin a equipos normalmente usados en otro tipo de ensayos y disciplinas, como es el caso de la hidrometra en la Mecnica de Suelos. Cabe sealar que este trabajo es parte de una tesis de grado sobre la aplicacin de la teora de la sedimentacin en diversos tipos de aguas residuales (Villacreses y Vega, 2006).

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Los objetivos alcanzados en la presente investigacin son: Obtencin de las curvas de sedimentacin a partir de cada tipo de muestra

estudiada usando cilindros gradados del Laboratorio de Mecnica de Suelos de la Facultad de Ingeniera en Ciencias de la Tierra (FICT).

A partir de las curvas de sedimentacin, obtener ndices de diseo relativos a las muestras analizadas.

Finalmente, evaluar la influencia de una sustancia qumica usada como floculante para acelerar el proceso de sedimentacin.

La teora de la sedimentacin en suspensiones lquidas establece que el nivel de la interfase agua sedimento variar con el tiempo transcurrido (Dick y Ewing, 1967), tal como se muestra en la figura 1. La velocidad de sedimentacin ir disminuyendo paulatinamente a medida que las partculas sedimentadas pasen de una sedimentacin de tipo discreto a una sedimentacin por compresin. Adicionalmente, la velocidad inicial de sedimentacin es inversamente proporcional a la concentracin de la suspensin tal como se muestra en la figura 2.

t

H

H

t

H t

Velocidad inicial sedimentacin =

Altura inicial de la interfase agua - sedimento (H0)

Figura 1. Curva tpica de sedimentacin de una suspensin lquida (despus de Tchobanoglous y Burton, 1995)

C

V

Figura 2. Comportamiento tpico de la velocidad inicial del ensayo de sedimentacin a medida que se concentra la suspensin ensayada (despus de Tchobanoglous y Burton, 1995)

Para disear la geometra del sedimentador necesario para el tipo de agua residual evaluada, se puede usar la curva respectiva de sedimentacin (ensayo tipo batch para la concentracin inicial deseada) o el anlisis de flujo de slidos (considerando la relacin entre la velocidad inicial de sedimentacin y cada concentracin analizada). En el presente trabajo, se utilizar el segundo mtodo que establece el parmetro denominado Flujo de Slidos que representa la multiplicacin entre la velocidad inicial de sedimentacin y su respectiva concentracin evaluada.

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La figura 3 representa la variacin tpica del flujo de slidos calculado en funcin de la concentracin evaluada. Esta curva es utilizada para determinar el rea superficial mnima que se requiere en la sedimentacin del tipo de agua analizada en funcin de un parmetro denominado flujo de slidos limitantes (SFL). Este parmetro se determina grficamente de la curva obtenida para una concentracin de lodos esperada en el fondo del sedimentador (Keinath, 1981; Tchobanoglous y Burton, 1995). La ecuacin utilizada tambin utiliza el caudal (QENTRADA) y la concentracin de la suspensin (CENTRADA) que ingresan al tanque sedimentador.

L

ENTRADAENTRADAORSEDIMENTAD SF

CQA =

Concentracin de lodo esperada en el fondo del sedimentador

C

SF Flujo de Slidos Limitante (SFL) para la concentracin de lodos que se desea tener en el fondo del clarificador

Figura 3. Curva tpica obtenida en el anlisis del flujo de slidos y determinacin del flujo de slidos limitantes (SFL)

En el presente trabajo, no se contempl el diseo especfico de tanques sedimentadores debido a que era parte del objetivo de la investigacin. Sin embargo, se evalu el comportamiento de la ecuacin determinando el rea que se requerira por caudal unitario evaluado. MATERIALES Y MTODOS En el ensayo de columnas de sedimentacin se utilizaron cilindros graduados de vidrio de 1 litro de capacidad que normalmente se usan en los ensayos hidromtricos de determinacin de granulometra de suelos. Los cilindros existentes en el laboratorio de Mecnica de Suelos de la FICT tienen diversos dimetros y alturas, tal como se muestra en la tabla 1.

Tabla 1. Dimensiones de cilindros utilizados en los ensayos de sedimentacin

Cilindro Dimetro (cm) Altura a la capacidad de 1 litro (cm) 1 5.97 35.75 2 6.08 34.47 3 6.60 29.19

Adicionalmente se utilizaron los siguientes equipos: Balanza electrnica con una precisin de 0.1 g. Mezcladora para preparar el agua residual artificial. Cronmetro para registrar el tiempo de ensayo.

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Sulfato de Aluminio en polvo usado para ensayar el efecto de la floculacin en las muestras.

La metodologa de ensayo aplicada es referida por Tchobanoglous y Burton (1995) para evaluar sedimentacin a diversas concentraciones de slidos suspendidos. En el ensayo se registra la variacin de la altura de la interfase sedimento-agua con respecto al tiempo. La curva resultante y su posterior procesamiento ayudan a determinar los parmetros de diseo de un sedimentador apropiado para el tipo de agua analizada. El principio bsico de esta curva es que la altura de la interfase decrece pseudo-exponencialmente con el tiempo y por ende, la velocidad de sedimentacin. Adicionalmente, los ensayos fueron realizados en dos fases: 1. Sedimentacin de las muestras sin floculacin y 2. Sedimentacin de las muestras aadiendo una cantidad de sulfato de aluminio

como floculante. En esta fase, solamente se ensayaron la muestra de agua residual preparada y la del agua del ro Daule. El agua residual proveniente del lavado de vehculos mezcladores de hormign no necesit de floculacin. Las dosis de floculante ensayados fueron 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1 y 2 g/l.

El ensayo de columna de sedimentacin fue aplicado a dos suspensiones lquidas de caractersticas fsico qumicas diferentes que presentan una potencial remocin de slidos por sedimentacin. Agua residual artificialmente preparada mezclando agua potable con suelo

pasante del tamiz #200 (partculas menores a 75 m). Debido a su fcil obtencin, la comparacin del comportamiento de esta agua residual con las otras suspensiones ensayadas es importante para decidir si este tipo de material es o no usado en la enseanza prctica del curso de Ingeniera Sanitaria. Como parte de la hiptesis planteada, se consider el uso del pasante #200 de dos muestras de suelo de la misma rea disponibles en el Laboratorio de Mecnica de Suelos de la FICT. Se asumi que el comportamiento de ambos suelos sera el mismo debido a que provenan del mismo sitio (no se determinaron ni propiedades geomecnicas ni fsico qumicas de las muestras de suelo). Se analizaron 92 g del Suelo A distribuidos en concentraciones de 4, 6 y 8 g/l; y 510 g del Suelo B distribuidos en concentraciones de 10, 15, 20 y 40 g/l (ambos casos sin y con floculacin). Las cantidades seleccionadas para cada tipo de suelo dependieron exclusivamente del material disponible en el Laboratorio de Mecnica de Suelos de la FICT al inicio de la investigacin.

Agua residual proveniente del lavado de vehculos mezcladores de hormign cuya

concentracin inicial fue de 61.7 g/l. Para realizar el ensayo a concentraciones mayores, primero se sedimenta una muestra de lquido original. Luego, se separa el lquido decantado y se guarda el sedimento de fondo. El sedimento retirado es aadido a una muestra de lquido original. Este procedimiento se repite el nmero de veces necesarias para obtener una concentracin mayor a la inicialmente ensayada. Debido a la limitacin en la disponibilidad de muestra, solamente se logr dos muestras concentradas a 85.6 y 188.7 g/l, adicionales a la originalmente ensayada.

RESULTADOS Y DISCUSIN Se realizaron las curvas de sedimentacin para las diversas concentraciones en cada tipo de agua analizada. La figura 1 muestra un ejemplo de las curvas obtenidas para dos concentraciones de cada tipo de agua analizada. En algunas curvas, se tuvo que realizar correcciones a los datos desplazando el tiempo de monitoreo, tal como se muestra abajo en la figura.

5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

-20 0 20 40 60 80 100 120 140 160

Tiempo de ensayo corregido (min)

Alt

ura

de I

nte

rfase

Ag

ua -

Sed

imen

to (

cm)

Agua lavado mixers (C = 62 g/l)

"Agua Residual" Preparada (C = 4 g/l)

Figura 4. Curvas tpicas de sedimentacin para dos tipos de suspensiones

ensayadas En el caso de la muestra de agua residual preparada se procedi a evaluar el comportamiento tanto para el Suelo A como del Suelo B sin utilizar floculante. En el caso del suelo A, no se pudo obtener una curva vlida de velocidad en funcin de la concentracin para los datos obtenidos. Una razn podra ser algn error de medicin producido durante los ensayos de columna de sedimentacin. Los datos del Suelo B produjeron una curva que se ajusta mejor al comportamiento de la velocidad inicial de sedimentacin para cada concentracin analizada (figura 5). Basndose en dicha figura, se realiz el anlisis de flujo de slidos para determinar al menos tres valores de flujo limitante (SFL) a partir de concentraciones de lodo esperadas en un sedimentador (figura 6). Estos valores fueron usados en la ecuacin inicialmente mostrada para evaluar la variacin del rea de un sedimentador por caudal unitario que ingresara a dicho sedimentador (figura 7). Se puede observar que una mayor concentracin de la suspensin requiere una mayor rea de sedimentacin. Igualmente, a mayor concentracin de lodo esperada en el sedimentador el rea necesaria para la sedimentacin tambin es mayor en cada concentracin inicial evaluada.

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0 5 10 15 20 25 30 35 40Concentracin de slidos a ser sedimentados (g/l)

Velo

cid

ad

in

icia

l d

e s

ed

imen

taci

n

(m

/h

)

Figura 5. Variacin de la velocidad de sedimentacin inicial en funcin de la

concentracin usada en el ensayo del agua residual preparada con la muestra de Suelo B sin uso de floculante

6

0

1

2

3

4

5

6

7

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Concentracin de slidos suspendidos (g/l)

Flu

jo d

e s

li

do

s (k

g/

m.

h)

SFL = 6.16

SFL = 4.86

SFL = 3.551

CLODOS = 380

CLODOS = 69.3

CLODOS = 44.3

Figura 6. Anlisis de flujo de slidos para el agua "residual" preparada con la

muestra de Suelo B sin uso de floculante

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Concentracin esperada de lodos (g/l)

re

a u

nit

ari

a d

e s

ed

imen

tad

or

(m

p

or

m/

h)

CINICIAL = 40 g/l

CINICIAL = 30 g/l

CINICIAL = 20 g/l

CINICIAL = 10 g/l

Figura 7. Variacin del rea de un sedimentador para el agua "residual" preparada

con la muestra de Suelo B sin usar floculante Para poder producir una mayor efectividad en la sedimentacin de las muestras de suelo evaluadas, se us sulfato de aluminio como floculante que resulta en un incremento de la velocidad de sedimentacin y una mayor remocin de slidos de la columna de agua. Una variacin en la cantidad de floculante aadido producir una mayor o menor velocidad de sedimentacin inicial. Sin embargo, slo hay una cantidad ptima de floculante que produce la mayor velocidad de sedimentacin para una concentracin especfica de slidos en la columna de agua. Normalmente, la dosis de floculante ptima se determina en un ensayo denominado la Prueba de Jarras. El laboratorio de la FICT no posee dicho equipo de ensayo, as que se decidi determinar la cantidad ptima de floculante usando el ensayo de columna de sedimentacin combinando muestras de agua residual a diferentes concentraciones y diversas dosis de sulfato de aluminio. Las figuras 8 y 9 muestran los resultados obtenidos en la muestra preparada con el Suelo A y en la del Suelo B, respectivamente.

7

0

2

4

6

8

10

12

14

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0Concentracin de Sulfato de Aluminio (g/l)

Velo

cid

ad

in

icia

l d

e s

ed

imen

taci

n

(m

/h

)C0 = 4 g/l

C0 = 6 g/l

C0 = 8 g/l

Figura 8. Variacin de la velocidad de sedimentacin inicial en funcin de la

dosis de floculante y la concentracin inicial del ensayo (Mezcla preparada con Suelo A)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0Concentracin de Sulfato de Aluminio (g/l)

Velo

cid

ad

in

icia

l d

e s

ed

imen

taci

n

(m

/h

)

C0 = 40 g/l

C0 = 20 g/l

C0 = 15 g/l

C0 = 10 g/l

Figura 9. Variacin de la velocidad de sedimentacin inicial en funcin de la

dosis de floculante y la concentracin inicial del ensayo (Mezcla preparada con Suelo B)

La lnea entrecortada en ambas figuras muestra una tendencia similar del comportamiento del punto ptimo de floculacin a medida que se vara la concentracin inicial de la suspensin analizada. La dosis ptima del sulfato de aluminio aumenta a medida que la concentracin inicial usada en el ensayo tambin aumenta, tal como se muestra en la figura 10.

8

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1Concentracin ptima de sulfato de aluminio (g/l)

Co

nce

ntr

aci

n

in

icia

l a s

er

sed

imen

tad

a (

g/

l)

SUELO ASUELO B

Figura 10. Variacin de la dosis ptima del sulfato de aluminio en funcin de la

concentracin de slidos en la muestra a ser sedimentada Al agua residual preparada aadiendo la dosis ptima de sulfato de aluminio, se aplic el anlisis de flujo de slidos para ambos tipos de preparacin (Suelo A y Suelo B). Este anlisis present un incremento entre 10 a 20 veces los valores estimados para el anlisis de la muestra sin floculante (figura 11). Este increment produce una disminucin del tamao del sedimentador debido a que el flujo de slidos es inversamente proporcional al rea de sedimentacin.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Concentracin de slidos suspendidos (g/l)

Flu

jo d

e s

lid

os

(kg

/m

.h

)

SUELO ASUELO B

Figura 11. Anlisis del flujo de slidos en el agua "residual" preparada con los

dos tipos de muestras de suelo y con la dosis ptima de floculante

En el caso del agua de lavado de vehculos mezcladores, no hubo necesidad de utilizar sulfato de aluminio como floculante ya que siempre se produjo una sedimentacin uniforme (definicin clara de la interfase agua sedimento). Cuando se realiz el anlisis de flujo de slidos, se obtuvieron valores altos que produjeron un rea pequea de sedimentacin (figura 12).

9

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

0 50 100 150 200

Concentracin esperada de lodos (g/l)

re

a u

nit

ari

a d

e s

ed

imen

tad

or

(m

p

or

m/

h)

CINICIAL = 40 g/l

CINICIAL = 30 g/l

CINICIAL = 20 g/l

CINICIAL = 10 g/l

Figura 12. Variacin del rea de un sedimentador para el agua de lavado de

vehculos mezcladores de hormign.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El agua residual preparada mostr, en el proceso de sedimentacin, un comportamiento similar al agua residual obtenida del lavado de vehculos mezcladores de hormign. Se pudieron obtener todos los parmetros aplicados en el diseo de tanques sedimentadores / clarificadores. En el dictado del curso de Ingeniera Sanitaria, la prctica de sedimentacin debera replicar esta experiencia mezclando agua de la llave con suelo que pasa el tamiz #200. En el futuro, se debera probar con otros materiales para que se pueda representar aguas residuales generadas en procesos industriales conocidos. Una limitacin de las muestras de suelo utilizadas es la cantidad presente de partculas arcillosas (partculas menores a 20 m). A mayor contenido arcilloso, la interfase agua sedimento es ms difcil de definir debido a que las partculas arcillosas tienden hacia un estado coloidal en la suspensin. Por lo tanto, es recomendable usar muestras de suelo de tamao uniforme con mayor contenido de limo o en su defecto usar el material retenido entre el tamiz #200 y el #300. Todos los ensayos realizados muestran que la velocidad inicial de sedimentacin disminuye a medida que la concentracin de slidos usada en el ensayo disminuye en los dos tipos de suspensiones analizadas. Respecto a los ensayos de sedimentacin en las muestras preparadas usando floculante, se pudo determinar que la dosis ptima de sulfato de aluminio aumenta con la concentracin de slidos usada en cada ensayo. La adicin de sulfato de aluminio result en un incremento de la velocidad de sedimentacin y por consiguiente en el flujo de slidos resultante. Debido a que el flujo de slidos es inversamente proporcional al rea requerida por la sedimentacin, el espacio ocupado por el sedimentador es optimizado tambin con la adicin del floculante. Finalmente, el agua de lavado de vehculos mezcladores de hormign no necesit del uso de floculantes ya que se pudo definir una interfase clara agua sedimento desde el inicio del ensayo. Una de las principales razones de este comportamiento es que las partculas

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slidas en este tipo de agua son bsicamente polvo de cemento, la mayora de las cuales tienen un tamao uniforme. Esta caracterstica produce una sedimentacin uniforme. AGRADECIMIENTO Los autores agradecen la colaboracin prestada por el Laboratorio de Mecnica de Suelos de la Facultad de Ingeniera en Ciencias de la Tierra (FICT - ESPOL) en la realizacin de los ensayos. Igualmente, la planta de Hormigones HOLCIM colabor en la obtencin de las muestras de agua del lavado de camiones mezcladores de hormign. BIBLIOGRAFA CEPIS, 1981. Evaluacin de plantas de tratamiento de agua. Tomo I, Manual DTIAPA C-

5, Programa de Proteccin de la Salud Ambiental-HPE. Dick R.I. y Ewing B.B., 1967. Evaluation of Activated Sludge Thickening Theories. J.

Sanit. Eng. Div., ASCE, vol. 93, No. SA-4 Keinath T.M., 1981. Operational Dynamics and Control of Secondary Clarifiers. Journal

WPCF, vol. 57, No. 7, pp 770. HPE/OPS/CEPIS, 1992. Sedimentacin. Manual III, Tomo 11. Programa de Mejoramiento

de la Calidad del Agua, Serie Filtracin Rpida, 1992. Perez J. M., 1977. Evaluation of lower cost methods of water treatment in Latin America.

Lima: CEPIS/OPS, pp. 290. Tchobanoglous G. y Burton F., 1995. Operaciones Fsicas Unitarias. En: Metcalf & Eddy,

Ingeniera de Aguas Residuales; tratamiento, vertido y reutilizacin. Espaa: McGraw-Hill. Volumen 1, tercera Edicin, ISBN 84-481-1727-1

Villacreses J.A. y Vega J.C., 2006. Estudio de la sedimentacin en el tratamiento del agua. Tesis de grado de Ingeniera Civil, Facultad de Ingeniera en Ciencias de la Tierra, Escuela Superior Politcnica del Litoral.

Yao K.M., 1970. Theoretical study of high-rate sedimentation. Journal of the Water Pollution Control Federation, 42 (2, parte I), pp. 218-228.

EVALUACION DE DOS CASOS DE ESTUDIO DEL FENOMENO DE SEDIMENTACION EN EL TRATAMIENTO DEL AGUARESUMENABSTRACTIntroduccin