SEDIMENTADORES
Sistemas de Abastecimiento de Agua Potable
UNET
Prof.: Ing. Martín Moros
Generalidades
Una vez floculada el agua, el problema radica en separar los sólidos del líquido, ósea, las partículas coaguladas, del medio en el cual están suspendidas.
Esto se puede conseguir dejando sedimentar el agua o filtrándola, o ejecutando ambos procesos consecutivamente que es lo común.
La sedimentación y la filtración por tanto deben considerarse procesos complementarios.
Hasta que límite de turbiedad debe remover la sedimentación y que turbiedad debe entrar al filtro, es asunto de debate. Todo depende del trabajo que se quiera dar a cada proceso. Según el tipo de filtro que se use, puede ser más económico remover la mayor cantidad de sólidos en la sedimentación y sólo una mínima parte en la filtración o viceversa.
Tipos de sedimentadores
de acuerdo al sentido del flujo
Clasificándolos según el sentido del flujo, se tienen los siguientes:
Sentido del flujo
Tipo de sedimentación
Ejemplo Rata de flujo
(𝐦𝟑
𝐝.𝐦𝟐)
Horizontal 1 y 2 Desarenadores 200 – 420
15 - 30
Vertical 2 y 3 Manto de lodos 45 – 60
Inclinado (ascendente o descendente)
1 y 2 Decantadores con módulos o placas
120 - 180
Tipos de sedimentadores
Clasificándolos según el sentido del flujo, se tienen los siguientes:
E
Sedimentación tipo 4
S Sedimentación
tipo 2
Sedimentador de flujo horizontal
E
S
60° Sedimentación
tipo 4
Sedimentación tipo 2
Sedimentación tipo 3
Sedimentador de flujo inclinado
ascendente
S S
Sedimentación tipo 4 E
Sedimentación tipo 3
Sedimentación tipo 2
Sedimentador de flujo vertical (manto de lodos)
vs
vh
v
vs
vv
Se consideran 3 casos:
1) Movimiento del fluido con velocidad horizontal constante: la partícula cae con velocidad (v) constante en trayectoria parabólica que resulta de la descomposición del vector en sus componentes horizontal (vh) y vertical (vs) o de sedimentación
2) Movimiento del fluido con velocidad vertical constante : si vs > vv la partícula se mueve hacia abajo pero si vs < vv la partícula es arrastrada. Si vs = vv la partícula permanece en suspensión. Cuando las partículas están relativamente juntas se forma un manto de lodos y vv en la velocidad intersticial a través de la porosidad (p) del manto (va/p) donde va es la velocidad de aproximación
3) Movimiento del fluido de manera oblicua: dentro de las placas o celdas el flujo puede ser ascendente o descendente. En ambos casos la partícula se mueve con una velocidad constante en trayectoria parabólica con sistema de referencia inclinado
Decantación de partículas aisladas en un fluido en movimiento
Tanque de sedimentación ideal de Hazen y Camp. Desarrollado para una partícula crítica que cae a velocidad crítica [Q/A(planta)].
Toda partícula con velocidad mayor a la crítica es removida y la que no, escapa con el flujo.
Sedimentadores de flujo horizontal
Zona de
entrada Zona de
sedimentación
Zona de
salida
Zona de lodos
WH
Q
A
Qvs
vh
L
Q
WHLTRH
W
L
H
vs
vh
v
Sedimentadores de flujo horizontal
El agua entra directamente al fondo del tanque y asciende hasta las canaletas de recolección colocadas en la superficie del tanque.
Se forma en la parte inferior del tanque un manto de partículas que se corresponde con los tipos de sedimentación 3 y 4, a través del cual pasa el flujo.
En el mismo tanque se realiza la floculación en la parte inferior y la sedimentación en la parte superior.
Sedimentadores de flujo vertical
El manto se puede considerar como un filtro de flujo ascendente, en el que los granos de filtración son los coágulos floculados en la parte inferior del tanque que están suspendidos por la fuerza ascensional de fricción del flujo. El floc no conserva su peso específico, su tamaño o forma. Se establece régimen turbulento en el manto de lodos.
Su carga superficial de diseño oscila entre 60 y 120 m/d con tiempos de retención de 1 a 2 h.
Requieren operación cuidadosa en especial cuando hay fuertes cambios de turbiedad y características químicas
Sedimentadores de flujo vertical
El fondo del decantador es inclinado. Su profundidad es muy baja (unos pocos centímetros) por lo que hay que construir un número considerable de celdas superpuestas para poder tratar los volúmenes de agua comunes en la práctica. El flujo es laminar en el decantador con Re < 500.
Es necesario considerar el ángulo que hacen las placas con el horizonte para efectuar la descomposición vertical de las velocidades y hallar una expresión que asimile las cargas superficiales en los sedimentadores convencionales.
Sedimentadores de flujo inclinado
Cuando una partícula asciende con velocidad media 𝑣0 arrastrada por el flujo entre dos placas planas paralelas que forman un ángulo con la horizontal, la velocidad resultante que determina la trayectoria de la partícula puede descomponerse en dos componentes vx y vy. Si Ѳ = 0°, vy = vs
Ѳ
X (vx)
e
vy=
l
vx
e
l
Se emplean módulos de tubos circulares, cuadrados, hexagonales, octogonales, de placas planas paralelas, de placas onduladas o de otras formas, en tanques poco profundos con tiempos de retención menores de 15 minutos.
Sedimentadores de flujo inclinado
Rectangulares: flujo paralelo a la longitud del estanque
Circulares: dosificación central, flujo radial desde el centro al perímetro externo. Otros tienen dosificación perimetral con flujo en espiral o flujo radial
Cuadrados
De placas planas
De tubos
De flujo ascensional
Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque
Sedimentadores convencionales: De aproximadamente 3 m de profundidad, con pantallas de entrada y vertederos efluentes
Mismo grado de clarificación que en sedimentadores convencionales pero con menor uso de terreno
Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentador simple
Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentador simple
Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentador simple (estructuras de salida)
Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentador simple (canaleta de agua decantada)
Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque
Sedimentadores circulares
Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentadores circulares
Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentadores de alta tasa
Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentadores de manto de lodos
Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentadores de manto de lodos
Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentadores de manto de lodos
Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentadores de manto de lodos
Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentador edospina Modelo A
Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentador edospina Modelo B
Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentador de Brno
Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentador Aquazur – B de Degremont
Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Accelator de Infilco
En la práctica no existen tanques ideales. Los intentos de comparar la eficiencia de diferentes tanques que trabajan a diferentes condiciones han sido poco satisfactorios.
Es difícil correlacionar la capacidad de remoción de turbiedad con la carga superficial [Q/A(planta)] o con el periodo de retención.
Interferencias en la sedimentación:
Divergencias entre el tanque ideal y real de sedimentación
Tipo de interferencia Causa Consecuencia
Corrientes de densidad Corrientes térmicas (≠ T > 1°C/h) Cortocircuito superficial o cortocircuito de fondo
Corrientes de concentración Giros de la masa de agua
Corrientes eólicas Vientos que impulsan la masa superficial Desvíos del flujo superficial, oleaje (usar cortinas de arboles o cortavientos)
Corrientes cinéticas Alteraciones hidráulicas en la entrada (alta velocidad de entrada)
Flujos transversales en el tanque (la turbulencia puede extenderse bastante adentro del tanque)
Obstrucciones en la zona de decantación Turbulencias que levantan el floc
Alteraciones de salida Succión de partículas
Criterios de Diseño
En aguas frías debe reducirse la carga superficial de diseño A mayor densidad de la partícula, se puede usar mayor carga superficial de diseño
Criterios de Diseño
Carga superficial: En tanques de sedimentación convencional, la carga superficial podría hacerse igual a la velocidad de asentamiento de las partículas que se desean remover. Sin embargo como no existen sedimentadores ideales, se acostumbra reducir la carga superficial y aumentar los tiempos teóricos de retención. Cargas superficiales típicas:
Floc de hierro: 72 𝑚3
𝑚2.𝑑
Sedimentadores convencionales: 20 – 60 m/d Profundidad: los tanques muy profundos son muy costosos, en general son de 3 m Tiempo de retención: en sedimentadores convencionales para aguas provenientes de coagulación o ablandamiento, 2 – 4 h es suficiente para la filtración subsecuente. Si se prescinde de filtración el tiempo puede ser de hasta 12 h. En sedimentadores tubulares de alta tasa el tiempo puede ser de 3 – 6 min y en los de placas inclinadas de 15 – 25 min.
Criterios de Diseño
Criterios de Diseño
Criterios de Diseño
Unidad de entrada al sedimentador: se diseña para distribuir el agua uniformemente sobre la sección transversal del tanque, entre el floculador y el sedimentador. La velocidad en los canales debe estar entre 15 y 60 cm/s para evitar que el floc se rompa. El canal de entrada debe extenderse a lo ancho del tanque para asegurar una distribución uniforme sobre toda la sección transversal. La mejor localización de la pantalla difusora de entrada es a 2 – 2,5 m aguas abajo del muro de entrada. El tipo de distribuidor mas efectivo tiene distribuidos uniformemente orificios de 125 mm, con relación de abertura del 6 al 8 % , con relación longitud/ancho y ancho/profundidad de 4/1 y velocidad del flujo de 15 cm/s y perdida de carga de 2 – 3 mm.
Criterios de Diseño
Unidad de salida del sedimentador: generalmente permite el control del nivel agua en el sedimentador. Las salidas pueden ser aberturas o vertederos sumergidos con control manual por válvulas que control el nivel a la entrada de los filtros. A menudo los vertederos de salida son en V, algunos con facilidades para ajustar verticalmente su altura y controlar el caudal de salida.
Criterios de Diseño
Almacenamiento de lodos: los lodos por lo general se mueven hidráulicamente hacia una tolva de lodos de donde son extraídos mediante una tubería de desagüe de diámetro mínimo de 15 - 30 cm. El tanque debe poder desocuparse en 30-60 minutos, por lo que la tubería de desagüe y el caudal de lodos pueden calcularse con la siguientes formulas: Donde: S = sección del desagüe (𝑚2), A = área superficial del sedimentador (𝑚2), t = tiempo de vaciado en horas, d = altura máxima del agua sobre la boca del desagüe (m), Q (𝑚3/s). La velocidad del flujo en la tubería de desagüe debe ser mayor a 1,4 m/s. El tanque tendrá en el fondo por tanto una pendiente suave hacia la tolva de lodos, la pendiente longitudinal varía entre 2 y 3 % y la transversal entre 10 y 12 %, en todo caso las pendientes serán mayores de 0,4%. En general la pendiente más usada para el fondo de tanques rectangulares es del 1% y de 1,2/1 a 2/1 para las tolvas de lodos. Si se emplean mecanismos de arrastre de lodos, deben moverse lentamente, a menos de 0,5 cm/s y emplearse pendientes de 0,17%.
S =A
4850td Q = 0,61. S 2. g. d
Criterios de Diseño
Número de tanques sedimentadores: se determina mediante el caudal total, el grado de flexibilidad en la operación y la economía del diseño. Mínimo 2 tanques. Si hay varias unidades rectangulares adosadas, el costo mínimo se consigue cuando se cumpla la siguiente ecuación: Donde: a = ancho de cada sedimentador L = longitud de cada sedimentador n = número de sedimentadores El ancho total n.a. En plantas grandes, el número de tanques lo determina el tamaño máximo posible de un solo tanque y la efectividad de la sedimentación
a
L=n+1
2n
Criterios de Diseño
Dimensiones generales: en tanques rectangulares se usa comúnmente una relación longitud/ancho entre 3/1 a 5/1. En general se prefieren tanques de menos de 75 m de longitud. Velocidad de arrastre del lodo sedimentado (resuspensión): puede calcularse a partir de la siguiente expresión: Va = Velocidad de arrastre o velocidad horizontal del flujo (m/s) < 1,25 cm/s β = 0,04 – 0,06 - 0,1. Constante que depende del tipo de material sedimentado f = factor de fricción. 0,03 para arena. 0,02 – 0,03 Ss = densidad relativa de la partícula D = diámetro promedio de la partícula (m)
Va =8β
fg Ss − 1 D