diseño del pretratamiento edar
DESCRIPTION
dimensionamiento de obras de pretratamiento de una EDAR, sedimentador aireado o no, desarenadorTRANSCRIPT
Capítulo 3/17
3.3. PRETRATAMIENTO
3.3.1.- CONSIDERACIONES GENERALES
Las operaciones de pretratamiento incluyen desbaste, desarenado y
desengrasado.
1. Desbaste
Objetivo: Retener los sólidos gruesos presentes en el agua residual.
Dotación/Equipos: Rejas y/o tamices en serie ubicados en un número determinado de
canales (tantos como líneas de tratamiento se establezcan), dotados cada uno de ellos
de aislamiento por compuertas y sistemas de recogida de los residuos generados
(tornillos de transporte o cintas transportadoras, compactador y contenedor).
2. Desarenado/Desengrasado
Objetivo:
Desarenado: Eliminar las materias pesadas de granulometría superior a 200 micras,
con el fin de evitar sedimentaciones en los canales y conducciones, proteger las
bombas y otros aparatos contra la abrasión y evitar sobrecargas en las fases de
tratamiento siguientes. Bombas de extracción de arenas. Sistemas de recogida y
concentración de residuos (Lavador/Clasificador de arenas, contenedor).
Desengrasado: Eliminar grasas, aceites, espumas y materias flotantes más ligeras que
el agua para evitar interferencias en procesos posteriores.
Equipos/Dotación: Canal desarenador/desengrasador, con puente dotado de barredera
superficial para arrastre de grasas y extractor de arenas que vierte a canal de
recogida. Sistema de inyección de aire. Sistemas de recogida y concentración de
residuos (concentrador de grasas, contenedor).
Capítulo 3/18
El diagrama de proceso responderá básicamente a una distribución del tipo:
3.3.2. CÁLCULOS FUNCIONALES Y DIMENSIONAMIENTO
A. Desbaste. Rejas de barras
Cálculos funcionales
Los parámetros de diseño en el cálculo de las rejas son velocidad de paso
entre barrotes y ancho del canal.
A continuación se muestran las principales características a tener en cuenta
en el proyecto de instalaciones de rejas.
Capítulo 3/19
Características Limpieza Manual Limpieza Automática
Tamaño de los barrotes
Anchura (mm) 5-15 5-15
Profundidad (mm) 25-37,5 25-37,5
Luz entre barrotes (mm) 25-50 15-75
Pendiente en relación a la vertical (grados) 30-45 0-30
Velocidad de aproximación (m/s) 0,3-0,6 0,6-1,1
Pérdida de carga admisible (mm) 150 150
Las rejas de barras pueden admitir limpieza automática o manual. Por
razones de mantenimiento y explotación es recomendable evitar la colocación de
rejas de limpieza manual. Existen en el mercado rejas para dimensiones de 500
hab.eq. porvistas de sistema automático de limpieza y extracción de residuos a
un contenedor con excelentes resultados. El automatismo del sistema limpiador
puede ser regulado por intervalos de tiempo fijo o por intervalos de tiempo
modificados en función del grado de colmatación.
En los casos en los que se utilicen rejas de limpieza manual, su longitud
no debe exceder de la que permita su correcta limpieza (unos 3 m). Los barrotes
no suelen exceder los 10 mm de anchura por 50 mm de profundidad. En la parte
superior de la reja, deberá colocarse una placa perforada para que los objetos
extraídos se puedan almacenar temporalmente para su drenaje.
El canal donde se ubica la reja se debe proyectar de modo que se evite la
acumulación en el mismo de arenas y demás materias pesadas, tanto antes como
después de la reja. Para ello habrá que prestar especial atención a la pendiente y a la
velocidad de aproximación del agua por el canal. La pendiente deberá ser horizontal
o descendiente en la dirección de circulación a través de la reja, sin baches o
imperfecciones en las que puedan quedar atrapados algunos sólidos. Preferiblemente
el canal deberá ser recto y perpendicular a la reja, con la finalidad de conseguir una
Capítulo 3/20
distribución uniforme de sólidos en el flujo y la reja. Para reducir al mínimo la
decantación de sólidos en el canal, se recomiendan velocidades de aproximación
superiores a 0,4 m/s. A caudales punta, la velocidad de paso a través de las barras no
deberá ser superior a 0,9 m/s para evitar el arrastre de basuras a través de las rejas.
En la mayoría de las plantas se suele disponer de un mínimo de dos unidades
de rejas automáticas de modo que sea posible dejar una de ellas fuera de servicio
para realizarse labores de mantenimiento. Siempre es conveniente la instalación de
compuertas de canal aguas arriba y abajo de cada reja, de modo que sea posible dejar
la unidad en seco. Si sólo se instala una unidad, es imprescindible incorporar un
canal de bypass con una reja de limpieza manual para su uso en casos de emergencia.
El proceso de cálculo requiere determinar el número de canales que son
necesarios para mantener los parámetros citados.
El ancho de canal, será único para las distintas unidades de desbaste
instaladas en serie: Reja de gruesos, de finos, tamices.
Por tanto habrá que calcular:
* Ancho de canal para reja de finos
* Ancho de canal para reja de gruesos
* Ancho de canal para el tamiz
* Ancho de canal definitivo, eligiendo los datos de la instalación, que en
función de los resultados anteriores, requiera un ancho mayor.
Finalmente será necesario comprobar que la velocidad de acercamiento del
agua por el canal, entra dentro de los límites establecidos.
Para desarrollar el proceso citado, pueden emplearse las siguientes fórmulas:
• Ancho útil de canal para reja de finos/gruesos (Fórm.1)
Capítulo 3/21
Donde:
Au = Ancho útil del canal de reja de finos/gruesos (m)
A = Ancho del canal (m)
E = Distancia entre barrotes (mm)
e = Espesor de barrotes (mm)
c = Coeficiente de atascamiento (*) *(Suele calcularse para un 30% de colmatación, por lo que c=0,7)
Ancho definitivo de canal (Fórm.2):
Siendo:
A = Ancho de canal (m)
Q = Caudal de paso (m3/s)
nº = Número de canales
v = Velocidad de paso (m/s)
h = Altura de la lámina de agua (m)
E = Distancia de la lámina de agua (m)
El calado máximo en el canal de rejas vendrá dado por la expresión (Fórm.3):
Siendo:
C = Calado máximo (m)
Q = Caudal de paso (m3/s)
nº = Número de canales
cx
EeEx
hxvxnQA 1
º+
=
AuxvxnQC
º=
ceE
EAAu **+
=
Capítulo 3/22
v = Velocidad de paso (m/s)
Au= Ancho útil del canal (m)
Finalmente, la velocidad de acercamiento a las rejas será (Fórm.4):
Siendo:
v = velocidad de acercamiento (m/s)
Q = Caudal de paso por el canal (m3/s)
Au=Ancho útil de canal (m)
h =Altura de la lámina de agua (m)
Dimensionamiento
Los canales de desbaste son de sección transversal rectangular, habiendo
quedado definidos en el apartado anterior su anchura y el calado del agua. Puede
prevérseles un resguardo de entre 30 y 50 cm. El cálculo de la línea piezométrica
definirá la cota de solera del canal.
B. Tamices
Con el objetivo de desarrollar la misma función, se tiende actualmente a la
instalación de tamices, provistos de una malla fina.
El tamizado consiste, en definitiva en una filtración sobre un soporte mucho
más delgado que unas rejas a las que puede sustituir o complementar afinando su
función. Normalmente las aberturas de los tamices oscilan entre 0,2 y 0,6 mm
(Macrotamizado). El microtamizado (sobre tela metálica o plástica de malla inferior
a 100 micras) tiene una aplicación limitada en aguas residuales, tan sólo en algunos
casos para mejorar el agua efluente de una planta pensado en una reutilización.
hxAuxnQv
º=
Capítulo 3/23
El uso de estos tamices queda únicamente limitado por la pérdida de carga que
introducen, superior a la de las rejas.
Existen básicamente dos tipos de tamices, rotatorios y estáticos.
La formulación definida para el desbaste con rejas es igualmente aplicable a
tamices.
C. Desarenadores
Cálculos funcionales
El diseño del desarenador se realiza en base al análisis de los fenómenos de
sedimentación de partículas granuladas no floculantes las cuales sedimentan
independientemente unas de otras, no existiendo interacción significativa entre las
más próximas. El estudio de las velocidades de sedimentación se puede realizar
utilizando las fórmulas de Stokes (en régimen laminar), de Newton (en régimen
turbulento) de Allen (en régimen transitorio). Deben aplicarse algunas correcciones
para tener en cuenta:
*La forma de las partículas (factor esfericidad)
*La concentración de sólidos en suspensión
*La velocidad de flujo horizontal
*La temperatura del agua residual
En la práctica se pueden tomar como base los datos válidos en sedimentación
libre para, partículas de arena de densidad 2,65, temperatura del agua de 15,5ºC y
eliminación del 90%.
Capítulo 3/24
Diámetro de las partículas eliminadas Velocidad de sedimentación
0,150 mm 40-50 m/h
0,200 mm 65-75 m/h
0,250 mm 85-95 m/h
0,300 mm 105-120 m/h
Si el peso de la arena es sustancialmente menor de 2,65 deben usarse
velocidades de sedimentación inferiores a las expuestas en el cuadro anterior.
El diseño del desarenador será efectivo si además de lograr la extracción de
las arenas descritas con suficiente rendimiento, consigue que éstas sean realmente
elementos minerales, cuyo contenido en materia orgánica sea ínfimo. Para evitar que
la materia orgánica de granulometría similar a la de las arenas sedimente con ellas se
diseñan los desarenadores de forma que se asegure en ellos un "barrido o limpieza
de fondo". Este fenómeno, se explica por el hecho de que existe una velocidad crítica
del flujo a través de la sección, por encima de la cual las partículas de un tamaño y
una densidad determinadas, una vez sedimentadas, pueden de nuevo ser puestas en
movimiento y reintroducidas en la corriente. Para partículas de 0,200 mm de
diámetro y peso específico de 2,65 la velocidad crítica de barrido es 0,25 m/s,
adoptándose en la práctica a efectos de diseño una velocidad de 0,30 m/s.
Manteniendo esta velocidad, se consigue que las arenas extraídas tengan un
contenido en materia orgánica menor del 5%.
Dos técnicas son la base de los procedimientos utilizados en la separación de
arenas: La separación natural por decantación en canales o depósitos apropiados y la
separación dinámica por procesos utilizando inyección de aire o efectos de
separación centrífuga. La separación natural requiere una constancia absoluta en el
paso del agua. El diseño más complejo corresponde al canal aireado:
Capítulo 3/25
El aire que se inyecta provoca una rotación al líquido (trayectoria horizontal)
y crea una velocidad constante de barrido de fondo, perpendicular a la velocidad de
paso, la cual puede entonces variar sin inconvenientes. El aire inyectado, además de
su papel motor, favorece, por su efecto de agitación, la separación de la materia
orgánica que puede quedar adherida a las partículas de arena.
Los difusores de aire se sitúan en uno de los laterales del tanque a una
distancia entre 0,5 y 0,9 m sobre el suelo. Para el control hidráulico del elemento y
para mejorar la eficacia en la eliminación de arenas se suelen usar deflectores tanto
en la entrada como en la salida de agua.
La sección transversal del canal es semejante a la de los tanques de aireación
de los fangos activos de circulación espiral con la excepción de que se incluye un
canal de recogida de arenas de unos 0,9 m de profundidad, con paredes laterales muy
inclinadas que se ubica a lo largo de un lateral del depósito, bajo los difusores de
aire. La sección transversal de un desarenador aireado será:
Capítulo 3/26
Los parámetros de diseño más importantes son:
Parámetro Valor
Intervalo Valor
No aireados
Carga hidráulica <70 m3/m2/hora (a Qmáx)
Velocidad horizontal
0,24-0,40 0,3 m/s
Tiempo de retención 45-90 s 60s
Longitud 20-25 veces la altura de la lámina de agua
Circulares
Carga hidráulica <70 m3/m2/hora (a Qmáx)
Velocidad periférica media 0,3 - 0,4 m/s
Tiempo de retención 0,5 -1 min (a Qmáx)
Aireados
Carga hidráulica <70 m3/m2/hora (a Qmáx)
Velocidad horizontal <0,15 m/seg
Tiempo de retención a caudal punta 2 - 5 min 3
Relación longitud anchura 3:1 a 5:1 4:1
Profundidad 2 - 5 m
Relación anchura-profundidad 1:1 a 5:1 1,5:1
Longitud 7,5 a 20 m
Anchura 2,5 a 7 m
Suministro de aire 0,20-0,60 m3/min 0,5
Dimensionamiento
Calculamos en primer lugar el volumen unitario de tanque. Por razones de
mantenimiento será necesario su vaciado periódico el tanque por lo que habrá que
contar al menos con dos unidades (Fórm.5):
Trxn
QV60º
=
Capítulo 3/27
Siendo:
V = Volumen unitario del tanque (m3)
Q = Caudal (m3/h)
Nº = Número de unidades
TR = Tiempo de retención (min)
Estos cálculos deben realizarse para el caudal punta horario, empleando un
tiempo de retención de entre 2 y 5 minutos (valor indicativo 3 min).
A continuación, y estableciendo una carga superficial de trabajo podemos
calcular la superficie de la lámina de agua, a efectos de definir las dimensiones del
desarenador (Fórm.6):
Siendo:
S = Superficie de la lámina de agua (m2)
Q = Caudal (m3/h)
Cs = Carga superficial (m3/m2/h) (Fórm.7) :
De este modo, la longitud del tanque vendrá dada por (Fórm.8):
Siendo:
L = Longitud del tanque (m)
Sl = Superficie lámina de agua (m2)
a = Relación largo/ancho
CsXnQS
º=
agualáminaSuperficienQ
Cs º=
axSlL =
Capítulo 3/28
Finalmente, la altura recta será (Fórm.9):
Hr = Altura recta (m)
St = Superficie transversal (m2)
A = Ancho desarenado-desengrasado (m)
Ht= Altura trapezoidal (m)
La altura trapezoidal, para una inclinación de 45º de la zona trapezoidal, será
(Fórm.10):
En cuanto a la velocidad de aproximación, puede deducirse conocido el
caudal y la sección transversal.
Realizado el dimensionamiento del tanque pueden calcularse las necesidades
de aire, que vendrán dadas por una expresión en base al suministro necesario por
unidad de superficie, dato que oscila entre 8 y 10 Nm3/h/m2.
El caudal de aire necesario se calculará simplemente multiplicando el valor
anterior por el número de unidades y la superficie transversal de cada una de ellas
(Fórm.11).
Conocidos el número de canales a instalar, la geometría de los mismos, en
concreto su longitud y el caudal de aire necesario, será preciso para completar el
diseño de la instalación determinar el número de difusores, que vendrá dado por el
AHtxAxStHr )2/1( −
=
º45senº45cos
2xAHt =
QairexnxSlQ º=
Capítulo 3/29
caudal de aire total entre el unitario por difusor, y la separación entre los mismos la
cual responde tan solo a una distribución geométrica longitudinal a lo largo del
tanque.
D. Desengrasadores
Las grasas crean muchos problemas en la técnica de la depuración de aguas
residuales, especialmente en las rejas de finos donde causan obstrucciones que
aumentan los gastos de conservación, en los decantadotes donde forman una capa
superficial que dificulata la sedimentación al atraer hacia la superficie pequeñas
partículas de materia orgánica, en la depuración por fangos activos en la que
dificultan la correcta aireación disminuyendo el coeficiente de transferencia al 55-
70% al subir las grasas de o a 70 mg/l y participan en la producción de bulking,
perturban el proceso de digestión de lodos, la D.Q.O. se incremente en un 20 a un
30% por las grasas contenidas en los vertidos.
El sistema más comúnmente utilizado para la eliminación de grasas se lleva a
cabo por insuflación de aire para desemulsionar las grasas permitiendo su ascenso a
la superficie y su subsecuente retirada. La velocidad ascensional de las burbujas de
grasa puede estimarse entre 3 y 4 mm/s. Las grasas en superficie se retiran mediante
rasquetas superficiales.
El desengrasado en aguas urbanas es indispensable y suele instalarse de
manera combinada con el desarenado, alternativa que presenta las siguientes
ventajas:
• Las velocidades de sedimentación de las arenas y de flotación de las
partículas de grasa no se modifican prácticamente por realizar el desarenado y
la desemulsión de grasas en el mismo depósito lo cual es lógico si se
considera la diferencia de densidades entre las partículas de arena y grasa.
Capítulo 3/30
• El aire comprimido añadido para la desemulsión ayuda a impedir la
sedimentación de las partículas de fango, poco densas por lo que la arena
depositada en el fondo del desarenador es más limpia.
• Las partículas de arena, al sedimentar, deceleran las velocidades
ascensionales de las partículas de grasa. Disponen así éstas de más tiempo
para ponerse en contacto entre sí durante su recorrido hacia la superficie,
aumentándose el rendimiento de la flotación de grasas.
En el sistem conjunto, en el mismo tanque de desarenado se crea una zona de
tranquilización donde se acumulan las grasas en la superficie, evacuándose por
vertedero o por barrido superficial. En estas condiciones los parámetros de diseño del
desarenado-desengrasado serán:
Parámetro Valor
Intervalo Valor
Carga hidráulica <35 m3/m2/hora (a Qmáx)
Tiempo de retención 10 - 15 min (a Qmed)
Caudal de aire introducido 0,5 a 2 m3/h por m3 de capacidad del desengrasador
También en función de la superficie transversal “S” del desarenador pueden
determinarse las necesidades de inyección de aire para evitar la sedimentación
de materia orgánia con acción de desemulsionado de grasa.
S(m2) 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
C(a) 4-10,5 6-11,5 7,5-13 9-14 10-15 12-17 13-18 15-19 16-20 18-21 19-22 21-23 22-25
Siendo Ca los Nm3 por hora de aire y por metro de longitud del desarenador.
Con este tipo de desengrasadores puede conseguirse una eliminación de
grasas del 80%, para casos en los que se requiera mayor rendimiento, habrán de ser
Capítulo 3/31
unidades independientes, empleándose entonces criterios de diseño más
conservadores CHidráulica = 0,20 m3/m2.h
La figura siguiente muestra un ejemplo de un desarenador-desengrasador
conjunto tipo:
A modo de ejemplo incluimos el siguiente cuadro que recogería los datos más
concluyentes del diseño de un desarenador-desengrasador aireado.
Capítulo 3/32
PRETRATAMIENTO
Desbaste Qmed Qpunta Qmáx Nº de canales Uds Uds Uds
Nº de canales en uso Uds Uds Uds Caudal de paso M3/h m3/h m3/h
Altura lámina agua (0,25-0,4) m Dimensiones: Aplicar formulación descrita
Ancho Canal (Fórm.2) m Calado máx reja colmatada (Fórm.3) m m m
Calado máx tamiz colmatado (Fórm.3) m m m Velocidad de acercamiento en canal (Fórm.4) m/s m/s m/s Reja / Tamiz
Tipo de reja Nº canales en uso Ud Ud Ud
Nº de rejas por canal Ud Ud Ud Ancho barrotes mm Mm mm
Luz entre barrotes mm Mm mm Velocidad paso (30% colmatación) m/s m/s m/s
Calado en canal m M m Ancho en canal m M m
Velocidad acercamiento a reja m/s m/s m/s
Capítulo 3/33
PRETRATAMIENTO
Desarenado/Desengrasado Qmed Qpunta Qmáx Canales Desarenadores/Desengras: Nº canales instalados Uds. Uds. Uds. Nº canales funcionando Uds. Uds. Uds. Tiempo de retención minutos Minutos minutos Carga superficial m3/m2/h m3/m2/h m3/m2/h Velocidad paso transversal desaren. m/s m/s m/s
Dimensiones unitarias Volumen total m M m Volumen Unitario canal m3 m3 m3
Dimensiones superficie Superficie lámina agua m2 m2 m2
Relación largo/ancho Longitud m M m Ancho m M m
Relación superficie desarenado/desegrasado
Ancho desarenado m M m Ancho desengrasado m M m Altura m M m Superficie Transversal m2 m2 m2
Altura Total m M m Altura recta m M m Altura trapezoidal m M m Superficie transversal desarenado (m2)
m2 m2 m2
Extracción de arenas Concentración arena en agua bruta (mg/l)
mg/l Rdto eliminación arenas % 90 Kg diarios producidos de arenas (Kg/día)
Concentración de arenas en bombeo Valor que se sitúa en torno a 3.000 mg/l Caudal necesario de bombeo m3/d Nº Unidades de bombeo Ud Nº Unidades funcionando Ud Ud Ud Caudal unitario bombeo m3/d Nº horas funcionando h/d h/d h/d Altura de elevación Altura total + 1 m Capacidad máx. extracc.arenas l/m3 A.R
Capítulo 3/34
PRETRATAMIENTO
Desengrasador Tiempo de retención Minutos Carga superficial a Qmed (m3/m2/h)
m3/m2/h Dimensiones
Volumen m3 Altura m Superficie m2 Relación largo/ancho Largo m Ancho m
Aireación Caudal de aire específico Nm3/h/m3 Caudal de aire superficial Nm3/h/m3 Caudal de aire necesario Nm3/h Nº unidades instaladas Ud. Nº unidades funcionando Ud. Caudal unitario adoptado Nm3/h Presión de trabajo Altura total + 1 m Capacidad unitaria por difusor Nm3/h Nº total de difusores Ud. Separación entre difusores m
3.3.3.- EXPLOTACIÓN
Los parámetros de explotación más importantes serán:
Para el desbaste:
Índice de producción de residuos:
Desbaste de gruesos: 1-3 l/1.000 hab.eq./día
Desbaste de finos: 6-12 l/1.000 hab.equ./día
Tamiz: 30 l/1.000 hab.eq/día
Reducción de volumen de residuos por prensa: 30 - 40 %
Capítulo 3/35
Para el desarenado-desengrasado:
Producción de arenas:
Siendo:
a = Arena a evacuar en Kg/d
Qmed = Caudal medio de agua tratada (m3/h)
24 h/d
[a] = Concentración de arena en agua bruta (mg/l)
R = Rendimiento en eliminación de arenas (%). Se sitúa en torno a un 90 %.
Para el cálculo del número de contenedores a evacuar precisaremos el dato de
volumen de arenas producido (V (m3/d)) más que su peso, por tanto:
Producción de grasas:
Siendo:
g = Grasas a evacuar en Kg/d
Qmed = Caudal medio de agua tratada (m3/h)
[g] = Concentración de grasas en agua bruta (mg/l)
R = Rendimiento en eliminación de grasas (%).
[ ] 000.1xaaV =
[ ] 100/000.124 RxaxxQa med=
[ ] 100/000.1
RxgxQg med=
Capítulo 3/36
Para el cálculo del número de contenedores a evacuar precisaremos el dato de
volumen de grasas producido (V (m3/d)) más que su peso, por tanto:
[ ]000.1x
ggV =