modulo3-b-071111-pta

Sedimentacin

Sedimentacin floculenta Tipo 2

Contacto de partculas; masa de partculas velocidad;

Carga de superficie Profundidad del tanque Gradiente de velocidad del sistema Concentracin de partculas Tamaos de las partculas

Ensayos de sedimentacin

Sedimentacin


Columnas de sedimentacin Altura igual al tanque de sedimentacin Mltiples orificios Distribucin uniforme en toda la profundidad Temperatura uniforme Toma de muestras a intervalos regulares

Sedimentacin

Remocin =

++1

2

Sedimentacin


Consideraciones La carga de superficie real es menor a la terica

Carga sup. Real = Carga sup. terico * factor Factor 0.65 a 0.85

Tiempos de retencin reales mayores a los tericos

Tiempo Real = Tiempo terico * factor

Factor 1.25 a 1.5

Sedimentacin

Ejemplo

Altura de columna 2.5 m; Tiempo de detencin 20 min;

10 20 30 40 50

tiempo

Determine La remocin total (%); Tasa de sedimentacin

superficial;

Sedimentacin

10 20 30 40 50

tiempo

1 0.5

2 0.275

3 0.375

4 1.35

0.45

0.50

0.50

0.50

0.55

pro

fun

did

ad

Para t = 20 minutos

Remocin (%) =

++1

2

R = 1

100+80

2 +

2

80+70

2+

3

70+60

2 +

4

60+50

2 = 65.7%

Sedimentacin

Tasa de sedimentacin superficial (TSS) o Carga de Superficie

=

=

Profundidad

Tiempo de detencin

=2.5

20m min = 180 m da

El valor real es:

=2.5

201.5m min = 120 m da

El valor terico es:

Sedimentacin

Concentracin

Sedimentacin

Sedimentacin Zonal Tipo 3

Sedimentacin simple

Ensayos de columnas de sedimentacin rea instalaciones Espesamiento de lodos

Mtodo de flujo de slidos

Sedimentacin

Sedimentacin Simple Superficie para clarificacin Superficie para espesado Tasa de extraccin de lodos

Mayor superficie

Talmadge y Fitch

t2

Sedimentacin

Sedimentacin Simple

Velocidad constante f(floculacin; concentracin) Concentracin Velocidad (progresiva) Zona de compresin

Sedimentacin

= 0

=0 0

=

Ae = superficie para espesado; Ac = superficie para clarificacin; tu = tiempo para concentracin de lodos deseada; H0 = altura inicial de la interfase en la columna; C0 = concentracin inicial; Cu = concentracin de lodos deseada; Q = caudal entrante al estanque; Qc = caudal sobrenadante; v = velocidad de subsidencia;

Sedimentacin

t2 t2

Sedimentacin

Ejemplo

Dimensionamiento de un tanque de lodos activados Concentracin inicial, C0 4,000 mg/l; Altura inicial de la interfase, 60 cm; Caudal entrante 400 m3/d; Concentracin de lodo, Cu = 12,000 mg/l;

Determine La superficie del tanque; Carga de slidos en kg/m2 da; Carga de superficie m3/m2 da;

Sedimentacin

Sedimentacin

Resultados

Dimensionamiento de un tanque de lodos activados Superficie del tanque = 16.89 m2 ; Carga de slidos = 94.7 kg/m2 da; Carga de superficie = 23.68 m3/m2 da;

Sedimentacin

Mtodo de flujo de slidos Ensayos de columnas de sedimentacin

Sedimentacin por gravedad Transporte de masa

Sedimentacin

Sedimentacin

El flujo de slidos se determina por:

=

=

= +

= +

SFg = flujo de slidos por gravedad, kg/m

2h; SFu = flujo de slidos por extraccin lodos, kg/m

2h; Ci = concentracin de slidos, mg/l; Cu = concentracin mxima de slidos, mg/l; Ub = velocidad descendente de la masa, m/h; Vi = velocidad sedimentacin slidos a Ci, m/h; k = factor de conversin de unidades, 1/1,000;

Sedimentacin

Velocidad de sedimentacin zonal a distintas Ci

Ci elevadas Vi 0

SFg bajo

Ci bajas SFg bajo

Vi ind. de Ci

Vi cte. Ci SFg

Sedimentacin

Sedimentacin

El rea transversal del sedimentador se determina por:

= + 0

SFL = flujo de slidos lmite, kg/m

2da; C0 = concentracin en el caudal de entrada, g/m

3; (Q+Qu)= caudal volumtrico total que entre al estanque, m3/da; A = rea transversal, m2; = Qu/Q; k = factor de conversin de unidades, 1/1,000;

= 1+ 0

Sedimentacin

Sedimentacin

Ejemplo

Q+Qr = 24 m3/m2 da; Qr = 40% de Q; Qw 0

Q = 8,000 m3/da

Determine El rea del sedimentador

Sedimentacin

1. Determinar el flujo de slidos por gravedad

SSLM, mg/lVel. Sed.,

m/h

2,000 4.27

3,000 3.51

4,000 2.77

5,000 2.13

6,000 1.28

7,000 0.91

8,000 0.67

9,000 0.49

10,000 0.37

15,000 0.15

20,000 0.07

30,000 0.027

=

Flujo de slidos

gravedad, kg/m2 h

8.54

10.53

11.08

10.65

7.68

6.37

5.36

4.41

3.7

2.25

1.4

0.81

Sedimentacin

Sedimentacin

2. Determinar el flujo de slidos de lodos

=

Carga Sup. =

=

Carga Sup.

= 0.29 /

Sedimentacin

2. Determinar el flujo de slidos de lodos

SSLM, mg/lVel. Sed.,

m/h

2,000 4.27

3,000 3.51

4,000 2.77

5,000 2.13

6,000 1.28

7,000 0.91

8,000 0.67

9,000 0.49

10,000 0.37

15,000 0.15

20,000 0.07

30,000 0.027

Flujo de slidos

lodo, kg/m2 h

0.58

0.87

1.16

1.45

1.74

2.03

2.32

2.61

2.9

4.35

5.8

8.7

=

= 0.29 /

Sedimentacin

Sedimentacin

3. Determinar el flujo de slidos totales, SFL y Cu

6.5

22,414

Sedimentacin

4. Determinar concentracin de slidos en el reactor

0 + = +

= 6,404 /

Balance de masa del sistema

Supuestos No existe crecimiento

celular en el reactor; X0

Sedimentacin

5. Determinar el rea del sedimentador

= 460 2 = 1+ 0

Carga Sup. =

= 466 2

Qu proceso determina el rea del sedimentador?

El rea mayor. En este caso clarificador.

Sedimentacin

Sedimentacin por Compresin Tipo 4

= 2 2

Ht = altura del lodo en un tiempo t; H = altura del lodo tras un prolongado perodo de tiempo; H2 = altura del lodo en un tiempo t2; i = constante para una suspensin dada;

Sedimentacin

vTS h

Sedimentadores de flujo horizontal Eficiencia depende principalmente de la velocidad y

en consecuencia del rea

Sedimentacin

Sedimentadores laminares Ventaja Aumento de la eficiencia Desventaja Problema prctico la limpieza del sistema

Sedimentacin

Sedimentadores laminares Se utilizaron por cerca de 60 aos

Sedimentacin

Sedimentacin

Cules son sus caractersticas? Serie de tubos o laminas paralelas Inclinadas Flujo laminar

Sedimentacin

Cules son sus caractersticas? Trayectoria ascensional (existen de flujo descendente) Se mueven a contracorriente por accin de la fuerza

de gravedad

Sedimentacin

Sedimentador laminar ascendente Fuente: Neptune Microfloc

Sedimentacin

Sedimentadores de laminares Fuente: Parkson Corporation

Sedimentacin

Aplicaciones prcticas Aumentar flujo en sedimentadores sobrecargados sin

perder eficiencia Disminuir el rea de sedimentacin inversin Pueden trabajar con flujo ascendente o descendente

Sedimentacin

Qu permiti esta nueva configuracin? Cargas superficiales mayores (4 a 10 veces) Menor perodo de sedimentacin Flujo ms estable

Carga Sup. =

Sedimentadores de flujo horizontal

Sedimentacin

Puede ser extendido a otros sistemas de sedimentacin? En lo particular para sedimentadores de alta velocidad

=0

sin + cos

S = constante segn tipo de sedimentador; v0 = velocidad promedio del flujo a travs del sedimentador; vS= velocidad de cada de la partcula suspendida; L = l/e longitud relativa; = ngulo de inclinacin del sedimentador;

Sedimentacin

e

Sedimentacin

Considerando un valor crtico de S Sc

= 0

sin + cos

Sc = constante crtica segn tipo de sedimentador; vTS= velocidad terminal de sedimentacin;

Sedimentacin

Por lo tanto la carga de superficie equivalente sera:

f = factor de rea, sen + Lcos; A0= rea perpendicular a las placas; A = rea de sedimentador (convencional)

Carga Sup. =

=

0

Sedimentacin

Existen varios factores que afectan el proceso: Relacin ancho longitud Flujo laminar Inclinacin de celdas Carga superficial

Sedimentacin

Relacin: Ancho(e) Longitud(l)

L= l/e

120

cm

60

6 cm

L= 120/6 = 20 e; l;

L= 240/6 = 40

Duplicamos l

Qu significa en trminos de eficiencia?

Sedimentacin Eficiencia terica sedimentador para distintas longitudes

L= l/e

Sedimentacin

Flujo laminar

Turbulencia a la entrada de las celdas?

= 0

NR = nmero de Reynolds; v0= velocidad promedio del flujo a travs del sedimentador; = viscosidad cinemtica

0 =

= 0.0580

LT = L + L

Sedimentacin

Inclinacin de las celdas

= 0 = 0

sin + cos

0

=

vTS / v0 bajas L

Eficiencia mxima

Eficiencia = 1 0

Sedimentacin

Inclinacin de las celdas

= 90 = 0

sin + cos

0

=1

Sedimentacin Relacin eficiencia vs ngulo de inclinacin

Sedimentacin

Influencia del ngulo de inclinacin en la eficiencia

Sedimentacin

Carga superficial

Carga Superficial

Eficiencia

Sedimentacin

Fuente: Comparaciones realizadas por Yao

Sedimentacin

Respecto de su uso en Aguas residuales: Presentan problemas de olores; Acumulacin de aceites y grasas Obturacin;

Para su control: Limpieza peridica (mangueras a presin)

Sedimentacin

Sedimentacin

Ejemplo

En una planta de tratamiento con un sedimentador horizontal: Dimensiones de 24 m de longitud, 18 m de ancho y

3.7 m de profundidad; Caudal 50,000 m3/d;

Se instalarn mdulos tubulares. Determine Carga superficial actual; Carga superficial equivalente; Verificacin de NR;

Sedimentacin

Resultados

Carga superficial actual 116 m3/ m2 d; Carga superficial equivalente 45 m3/ m2 d; NR 116 Flujo Laminar,

Sedimentacin

Teora versus prctica

Corrientes de densidad

Trmicas

Concentracin

Corrientes debido al viento

Condiciones hidrulicas

Zona de entrada

Zona de sedimentacin

Zona de salida

Sedimentacin

Corrientes de densidad Por temperatura

TA TS

TA < TS

Ton/m3

4C, = 1.00000; 8C, = 0.99988;

16C, = 0 .99897; 18C, = 0.99862; 20C, = 0.99823;

TS

TA

Sedimentacin


Corrientes trmicas debidas al agua fra

Sedimentacin


TB TS

TB > TS

Ton/m3

4C, = 1.00000; 8C, = 0.99988;

16C, = 0 .99897; 18C, = 0.99862; 20C, = 0.99823;

TS

TB

Sedimentacin


Corrientes trmicas debidas al agua caliente

Sedimentacin

Corrientes de densidad Evaluacin del efecto de la temperatura

Cul es la masa de agua a 4C?

TS = 4C; V = 100,000 m3 4C, = 1 Ton/m3

M = 100,000 Ton

Sedimentacin

Corrientes de densidad Evaluacin del efecto de la temperatura

Cul es la masa de agua a 8C?

TS = 8C; V = 100,000 m3 8C, = 0.99988 Ton/m3

M = 99,988 Ton

M = 12 Ton 120 g/m3

Sedimentacin

Corrientes de densidad Por concentracin

Caoln, mg/l

, Ton/m3

0 1.0027

20 1.0056

40 1.0100

60 1.0162

80 1.0225

Sedimentacin

Corrientes de densidad Evaluacin del efecto de la concentracin

Cul es la masa de agua a C = 20 mg/l?

C = 20 mg/l; V = 100,000 m3 20 mg/l, = 1.0056 Ton/m3

M = 100,560 Ton

Sedimentacin

Corrientes de densidad Evaluacin del efecto de la concentracin

Cul es la masa de agua a C = 80 mg/l?

C = 80 mg/l; V = 100,000 m3 80 mg/l, = 1.0225 Ton/m3

M = 102,250 Ton

M = 1,690 Ton 16.9 kg/m3

Sedimentacin

Corrientes debidas al viento

Sedimentacin

Condiciones hidrulicas Zona de entrada

Floculador

GA GB

Sedimentador

Qu puede generar esto?

GA > GB

Turbulencias

sedimentacin

Sedimentacin


Floculador

GA GB

Sedimentador

Qu efecto se podra generar?

Rompimiento de los floculos

Disipador de energa

Sedimentacin

Condiciones hidrulicas Zona de entrada Objetivo Distribucin uniforme de flujo hacia la zona de

sedimentacin (rea transversal)

Cmo se consigue?

Sedimentacin


Floculador Sedimentador

Estructura

Sedimentacin


Est controlado el problema? Alteraciones del flujo: Velocidad excesiva del flujo a la entrada; Orificios de ingreso muy grandes;

Distribucin desigual del flujo: Orificios de distintos dimetros; Orificios parcialmente obstruidos; Tabiques parciales;

Sedimentacin

Condiciones hidrulicas Zona de entrada Disipacin de chorros sumergidos

Resultados experimentales 10 v; 40%; 100 v; 94%;

v

10 100

v1=0.6v

v2=0.06v

Ejemplo: Velocidad de 30 cm/s; = 10 cm

10 v = 18 cm/s 100 v = 1.8 cm/s

Sedimentacin

Esquemas de zonas de entrada

Sedimentacin

Corto circuitos

Sedimentacin

Corrientes de densidad Zona de entrada

Corto circuitos y espacios muertos

Sedimentacin

Condiciones hidrulicas Zona de entrada Tabiques difusores

Basados en literatura (Azevedo Netto, Figura a): Nmero de orificios pequeos Forma ideal circular por sobre cuadrada; Orificios inferiores a h/4 o h/5 sobre el fondo (sin

remocin mecnica de lodos); Orificios superiores a h/5 o h/6 de la superficie Tabique difusor a distancia suficiente pared

sedimentador para limpieza (0.8 m);

Sedimentacin

Gradiente de velocidad para distintos dimetros de orificios

Sedimentacin

Condiciones hidrulicas Zona de entrada Ejemplo: Calcular N de orificios para un tabique difusor de un tanque sedimentador que tiene 4.8 m de profundidad por 5 m de ancho y un Q = 130 l/s. El gradiente de velocidad de la ltima cmara de floculacin es G = 20 1/s y T = 4C.

Sedimentacin

Gradiente de velocidad para distintos dimetros de orificios

G=20

=8

v=14

q=0.75

Sedimentacin


Dimetro cm

Caudal por orificio

l/s Velocidad

cm/s No. Orificios

8 0.75 14 173

10 1.15 16 113

12 1.8 17 72

15 3.3 18 39

Velocidad para = 10 cm 100 v = 0.96 cm/s

Sedimentacin


Floculador Sedimentador

1 2 10

1

2

11

40 cm

30 cm

70 cm

80 cm

100 cm

h/6 = 80 cm

h/5 = 96 cm

Sedimentacin

Condiciones hidrulicas Zona de salida

Objetivo Recoleccin uniforme de agua a una velocidad tal que

evite arrastrar flculos en el efluente;

Problemas Canaletas de pequea longitud, mal ubicadas, mal

niveladas o impropiamente diseadas Cortocircuitos hidrulicos y zonas muertas

Sedimentacin

Corrientes de densidad Zona de salida

Red de lneas de flujo

Sedimentacin

Corrientes de densidad Zona de salida

Efecto del vertedero de salida en lneas de flujo

Sedimentacin


Estructuras de salida

Sedimentacin


Tipos de estructuras Vertederos de rebose

Canaletas de rebose

Orificios

Lisos Dentados

Lisas Dentadas Con orificios

Circulares Cuadrados

Sedimentacin

Vertederos de rebose

Sedimentacin

Canaletas de rebose

Sedimentacin

Canaletas de rebose Fuente: Aqua Colombia Ltda.

Sedimentacin

Canaletas de rebose

Sedimentacin

Canaletas para el agua decantada

Sedimentacin

Orificios de salida

Q = C A 2

A = rea del orificio, m2; C = Coeficiente 0.6 0.8; h = Prdida de carga en el orificio;

Sedimentacin

Condiciones hidrulicas Zona de sedimentacin

Sedimentacin


Remocin de lodos En forma continua En forma intermitente

Sedimentacin

Sedimentacin


Barre lodos tanque rectangular

Sedimentacin

Sedimentador circular

Sedimentacin


Barre lodos tanque circular

Sedimentacin

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