tema 14 pre-pri

TEMA 14. Tratamientos Previo y Primario Ciencia y Tecnologa del Medio Ambiente

14.1

TEMA 14

TRATAMIENTOS PREVIO Y PRIMARIO

1. INTRODUCCIN En el diagrama de flujo de una planta de tratamiento de aguas residuales convencional, como el mostrado en la Figura 14.1, se pueden distinguir tres etapas: a) Tratamiento previo, desde el pozo de llegada hasta el medidor de caudal. b) Tratamiento primario, constituido por la decantacin primaria. c) Tratamiento secundario, que comprende el reactor biolgico y la decantacin

secundaria. Esta lnea de tratamiento de agua suele estar complementada a menudo con una lnea de tratamiento de los fangos producidos en ella. Cada una de las etapas de la lnea de tratamiento de agua tiene objetivos distintos y complementarios. As, las operaciones que constituyen el tratamiento previo pretenden dos objetivos fundamentales: separar del agua residual la materia slida de tamao grande y mediano, y proteger con ello los equipos de los tratamientos posteriores. El objetivo del tratamiento primario es la reduccin de los slidos en suspensin, principalmente orgnicos. Finalmente, el objetivo del tratamiento secundario es la reduccin del contenido de la materia orgnica biodegradable disuelta, o coloidal, en el agua. Con el tratamiento de fangos se pretende su estabilizacin, es decir conseguir un residuo lo ms inerte posible. El tratamiento previo consiste en una serie de operaciones unitarias por medio de las cuales se pretende separar:

a) Slidos de gran tamao que llegan al agua residual (maderas, trapos, bolsas de plstico, etc.) que en otro caso podran producir graves daos en equipos como bombas, tuberas, vlvulas, rasquetas, etc. de los tratamientos posteriores.

b) Slidos en suspensin de alta densidad, fundamentalmente inorgnicos (arena), que

podran acumularse en los equipos de sedimentacin primaria o en el reactor biolgico del tratamiento secundario, pudiendo originar asimismo un rpido desgaste por abrasin en bombas y tuberas.


14.2

Figura 14.1. Proceso general de tratamiento de una estacin depuradora de aguas residuales

urbanas

c) Grasas y aceites, que de no ser separadas previamente entorpeceran el buen

funcionamiento de los sedimentadores y disminuiran la eficacia en la depuracin biolgica del tratamiento secundario.

La separacin de los slidos de tamao mayor de 100 mm, se lleva a cabo mediante recogida mecnica en el pozo de llegada. Los slidos suspendidos o flotantes de tamao comprendido entre 5 y 100 mm se separan mediante la utilizacin de rejas y tamices. Las arenas y slidos inorgnicos de tamao comprendido entre 0,2 y 5 mm se eliminan en los desarenadores. Los aceites y las grasas se separan por flotacin en los desengrasadores. En el tratamiento primario se eliminan los slidos orgnicos sedimentables, llevndose a cabo la operacin en los llamados clarificadores o decantadores primarios. 2. SEDIMENTACIN POR GRAVEDAD Las operaciones de separacin slido-fluido, basadas en el desplazamiento relativo entre el fluido y las partculas del slido, son frecuentemente utilizadas en los procesos de depuracin. El fluido puede ser un lquido o un gas y las partculas normalmente son slidas, si bien en algunos casos pueden ser gotas de un lquido arrastradas por una corriente gaseosa. Las cmaras de gravedad, por ejemplo, son equipos de desempolvado de gases en los que, las partculas slidas arrastradas por una corriente de gas son separadas por la accin de la gravedad y depositadas en el fondo del equipo.

DESBASTE DESARENADODESENGRASADOCLARIFICACIN

PRIMARIAPROCESO

BIOLGICOCLARIFICACIN

SECUNDARIA CLORACIN

ESPESAMIENTOPOR GRAVEDAD

ESPESAMIENTOPOR FLOTACIN

DIGESTINDE FANGOS FILTRACIN SECADOGAS

Residuos ArenasAceites y grass Fangos

Recirculacin

Fangos

Fangos Concentrados

Slidos

Afluente Efluente

TRATAMIENTO PREVIO Y PRIMARIO TRATAMIENTO SECUNDARIOTRATAMIENTOTERCIARIO

Lnea de agua

Lnea de fangos

Lnea de gas


14.3

Un desarenador es un equipo muy parecido a las cmaras de gravedad. En l se procesa el agua residual que contiene partculas slidas con el objetivo de separarlas de la corriente lquida. En un espesador de fangos la alimentacin lquida contiene una carga considerable de slidos y el objetivo que se pretende alcanzar es obtener un lquido clarificado y un lodo o fango que contenga la prctica totalidad de las partculas presentes en la alimentacin. En todos estos equipos se produce una sedimentacin bajo la accin de la gravedad. Para poder dimensionar uno de estos equipos, para poder analizar el comportamiento de uno existente, es preciso conocer el movimiento de partculas en el seno de fluidos. 2.1. Dinmica de partculas en el seno de un fluido La dinmica de partculas pequeas e irregulares en un fluido en movimiento es un tema muy complejo, imposible de abordar tericamente. El tratamiento matemtico se simplifica adoptando las siguientes hiptesis: a) las partculas son esfricas; b) el fluido es incompresible y tiene una extensin infinita; c) las partculas se mueven libremente, no interfirindose entre s, ni con otros obstculos. Considrese una partcula de dimetro D movindose a una velocidad relativa V en el seno de un fluido. El fluido ejercer entonces una fuerza de resistencia en la misma direccin del movimiento pero oponindose al mismo. Esta fuerza tiene dos componentes: a) resistencia de friccin debida a la viscosidad del fluido y manifestada por esfuerzos cortantes tangentes a la superficie de la partcula, y b) resistencia de forma debida a la densidad del fluido y manifestada por fuerzas de presin perpendiculares a la superficie. Con referencia a la Figura 14.2 se tiene que las fuerzas de resistencia que actan sobre un elemento diferencial de superficie, dS, en la direccin del movimiento son: - Resistencia de friccin = sen dS - Resistencia de forma = P cos dS siendo el esfuerzo cortante, P la presin, y el ngulo que forma la normal a la superficie, en el punto considerado, con la direccin del movimiento. La resistencia total es la suma de ambas resistencias integradas sobre toda la superficie de la partcula en contacto con el fluido. Salvo para baja velocidad relativa, no es posible realizar dicha integracin, siendo necesario acudir a mtodos experimentales para determinar numricamente la

Direccin del movimiento P

Figura 14.2. Fuerzas sobre una partcula en movimiento en el seno de un fluido

Partcula


14.4

0,001 0,01 0,1 1 10 102 103 104 105 106 Nmero de Reynolds

104

103 CD

102

10

1

0,1

= 0,2 = 0,6 = 0,8 = 1,0

Figura 14.3. Coeficiente de resistencia para partculas

fuerza de resistencia. Del anlisis dimensional se puede deducir la siguiente expresin para la resistencia total que el fluido presenta al movimiento de la partcula:

R A CV

DF =

2

2 [14.1]

donde R es la resistencia, A el rea de la partcula proyectada sobre un plano perpendicular a la direccin de la velocidad relativa, F la densidad del fluido, V la velocidad relativa, y CD un coeficiente de resistencia. Para cada forma de partcula existe una relacin entre CD y el nmero de Reynolds, Re, que puede ser determinada experimentalmente. Para flujo reptante (Re < 0,1) el valor del coeficiente de resistencia se puede deducir tericamente integrando los esfuerzos normales de presin (resistencia de forma) y los esfuerzos tangenciales (resistencia de friccin). Resulta entonces:

CD = Re24

[14.2]

y sustituyendo en la ecuacin [14.1] con A = D2 / 4 se obtiene la ley de Stokes:

R V D= 3 [14.3] Para nmeros de Reynolds mayores, el flujo del fluido alrededor de la esfera se complica extraordinariamente al formarse una estela de remolinos que impide un tratamiento terico del problema. En la Figura 14.3 se muestra la relacin existente entre el coeficiente de resistencia y el nmero de Reynolds, obtenida experimentalmente. A partir de ella se han ajustado ecuaciones empricas para los distintos regmenes de sedimentacin.


14.5

Rgimen de Stokes Re < 2 CD = 24 /Re Rgimen de transicin 2 < Re < 500 CD = 10 / Re0,5 Rgimen de Newton 500 < Re < 200000 CD = 0,44 Rgimen turbulento Re > 200000 CD = 0,1 Para partculas no esfricas se han obtenido correlaciones en funcin de la esfericidad, , definida como la relacin existente entre la superficie de la esfera de igual volumen que la partcula y la superficie de la partcula. 2.2. Velocidad terminal Cuando una partcula se mueve en el seno de un fluido, como la de la Figura 14.4, sometida a la accin de la gravedad, actan sobre ella la fuerza de resistencia R, la fuerza de flotacin E (empuje de Arqumedes) y la fuerza de la gravedad P igual al peso de la partcula. La fuerza resultante neta en direccin vertical ser la suma de todas las fuerzas actuantes: RF = P E R [14.4] La aceleracin de la partcula en la direccin considerada ser:

a = dVdt

= Fm

R [14.5]

siendo m la masa de la partcula. Sustituyendo FR dada por la ecuacin [14.4] en la ecuacin [14.5], se tiene:

dVdt

= Pm

Em

Rm

[14.6] Por otra parte:

P = D g E = D g m = D P F P16

16

16

3 3 3 donde P es la densidad de la partcula y g la aceleracin de la gravedad. Sustituyendo en la ecuacin [14.6] y reagrupando trminos resulta:

dVdt

= g CD

VFP

D F

P ( 1 )

34

2 [14.7]

P

R E

Figura 14.4. Partcula en un campo gravitatorio


14.6

Supngase ahora que la partcula est inicialmente en reposo inmersa en un fluido cuya velocidad en la direccin vertical es nula. En el instante inicial V = 0 y por consiguiente R = 0. La aceleracin inicial ser g ( 1 F / P ). A medida que aumenta la velocidad lo ir haciendo la fuerza de resistencia R, llegndose a equilibrar con la fuerza impulsora neta, en ese momento se tendr que dV/dt = 0. La partcula alcanza as una velocidad constante llamada velocidad terminal. La velocidad terminal de sedimentacin se obtiene entonces igualando a cero el segundo miembro de la ecuacin [14.7], con lo que finalmente se llega a:

tP F

D FV =

D gC

43

( )

[14.8]

Sustituyendo en la ecuacin [14.8] el valor de CD para cada rgimen de sedimentacin, se tiene una expresin de la velocidad terminal particularizada para cada uno de ellos: Para el rgimen de Stokes CD = 24 / Re

t

P FV =

D g

2 ( )18

[14.9]

Para el rgimen de transicin: CD = 10 / Re0,5

tP F

F

V = g

D(

4225

( ))

2 21/3

[14.10]

Para el rgimen de Newton: CD = 0,44

tP F

FV

D g = ,

/176 1 2(

( ))

[14.11]

Para el rgimen turbulento: CD = 0,1

tP F

FV =

D g 3,65 (

( ))1/2

[14.12]

A la hora de calcular la velocidad terminal surge una dificultad, ya que es necesario conocer el rgimen de sedimentacin y este viene determinado por el nmero de Reynolds, que a su vez exige conocer la velocidad. Se dispone de varios mtodos para salvar este inconveniente. Uno de ellos es el mtodo iterativo de prueba-error. Se comienza la iteracin con un valor de Vt, se calcula Re y la velocidad terminal de acuerdo con el rgimen correspondiente. Se repite el proceso con el nuevo valor de la velocidad hasta que la diferencia entre dos valores consecutivos de la velocidad terminal sea despreciable, adoptndose entonces el ltimo valor obtenido. Un mtodo que evita el proceso iterativo consiste en transferir la responsabilidad de definir el rgimen de sedimentacin a un parmetro calculado en funcin de magnitudes conocidas. As, por


14.7

ejemplo, si se sustituye en el nmero de Reynolds la velocidad terminal por su expresin para el rgimen de Stokes, ecuacin [14.9], se tiene:

Re = D V

= D

D g

18 =

D g18

F t F 2

P F F 3

P F 2

( ) ( )

Si se define el parmetro K mediante:

K = D g

F P F 2 1/ 3(

( ))

[14.13]

se tiene que para el rgimen de Stokes Re = K3 / 18 Considerando ahora el lmite Re < 2 y sustituyendo en esta ltima igualdad se deduce que el rgimen de Stokes se dar para K < 3,3. Realizando el mismo proceso para el rgimen de Newton se llega a Re = 1,74 K3/2 con lo que los lmites 500 < Re < 200000 se convierten en 43,6 < K < 236. Basta ahora calcular el valor de K (mediante magnitudes conocidas) para identificar el rgimen de sedimentacin:

Stokes < 3,3 < Transicin < 43,6 < Newton < 2360 < Turbulento Ejemplo 14.1. Clculo de la velocidad terminal de una partcula Se desea conocer la velocidad terminal de una partcula esfrica de 140 m, que sedimenta libremente en agua. Datos: Densidad del agua F = 1000 kg/m3 Viscosidad del agua = 1 10 3 kg/ms Densidad del slido S = 1850 kg/m3 Solucin: Utilizando el factor K para conocer el rgimen de sedimentacin, ecuacin [5.13],

2,83=)101(

)1000-850(110008,9101401/3

236

= K

K < 3,3 Rgimen de Stokes. La velocidad terminal viene dada por la ecuacin [5.9].

m/s0091010118

9,81000)-(1850)10(1403

2-6

, = V t =


14.8

3. TRATAMIENTO PREVIO 3.1 Recogida mecnica de slidos gruesos En aquellos casos en los que el agua residual pueda arrastrar cierta cantidad de slidos de tamao superior a 100 mm, debe instalarse en el pozo de llegada un dispositivo de recogida, que podra ser un puente-gra equipado con una cuchara para extraer los slidos, tal como se representa en la Figura 14.5. En este caso el pozo de llegada se disea con un fondo en forma de tolva tronco-piramidal que ayude a concentrar los slidos. 3.2 Desbaste La operacin de desbaste o separacin de slidos de tamao medio, se lleva a cabo mediante la interposicin en la corriente de agua de rejas que retienen los slidos. Las rejas se pueden clasificar segn la luz de separacin entre sus barrotes o en funcin del mtodo de limpieza o extraccin de los slidos retenidos. Dependiendo de la separacin entre barrotes, las rejas pueden ser: a) Rejas de gruesos, con luz entre barrotes de entre 30 y 100 mm.

Emisario

Aspiracin de Bombas

Cuchara

Puente-gra

Figura 14.5. Recogida mecnica de slidos gruesos

Pozo de llegada

Cuba


14.9

b) Rejas de finos, con luz entre 10 y 30 mm. En cuanto al mtodo de limpieza, las rejas pueden ser de limpieza manual o de limpieza automtica. Las rejas de limpieza manual se utilizan solo en pequeas depuradoras o en pequeas instalaciones de bombeo para proteger las bombas o tornillos. La limpieza se realiza mediante rastrillos, arrastrando los slidos hasta un recipiente de fondo taladrado, situado sobre el canal de desbaste, para su escurrido. Las rejas de limpieza automtica disminuyen el riesgo de atascamiento y colmatacin, por lo que son las ms frecuentemente utilizadas. Existen una gran variedad de diseo de mecanismos de limpieza, pero todos tienen como base el rastrilleo del slido retenido, llevndolo hasta el elemento de transporte al exterior, que suele ser una cinta transportadora que lo conduce hasta los contenedores que se disponen a tal fin. 3.3 Desarenado Esta operacin, situada normalmente a continuacin del desbaste, tiene como misin la separacin de slidos inorgnicos suspendidos, -de peso especfico normalmente alto-, con el fin de evitar que lleguen a las etapas posteriores de tratamiento, donde su acumulacin puede producir atascos y averas en las tuberas y en los equipos mviles. Los desarenadores se disean para separar partculas de slidos inorgnicos, de tamao mayor de 0,2 mm, evitando la separacin de materia orgnica que, al quedar mezclada con la arena, presentara un problema para la evacuacin final, ya que su descomposicin producira olores desagradables.

Los tipos de desarenadores ms utilizados son:

- Canal desarenador.

- Desarenador aireado.

- Desarenador circular.

Los canales desarenadores son los de ms frecuente uso en las plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas, por su construccin y operacin simples, colocndose a continuacin del canal de desbaste. Se ha de mantener en todo momento en su interior una velocidad del agua constante y prxima a 0,3 m/s, para evitar la sedimentacin de materia orgnica. Esta velocidad constante ante variaciones del caudal, se consigue dando al canal desarenador una seccin transversal parablica o dotndolo de una seccin de control, esto es, un vertedero de salida con seccin parablica, o ms frecuentemente, utilizando un canal Parshall medidor de caudal que produce el mismo efecto. Los desarenadores aireados son una modificacin de los anteriores, en los que se inyecta aire a travs de difusores situados a una altura sobre el suelo de entre 0,5 y 1 m. El aire provoca en el agua un movimiento que favorece la no retencin de materia orgnica, produciendo una arena ms limpia. Una ventaja adicional es que el agua se airea, evitando as la aparicin de malos olores. Pero sin duda la principal ventaja es que estos desarenadores se pueden utilizar a la vez como desengrasadores, ya que las burbujas de aire arrastran las gotas de grasa en su movimiento ascensional hasta la superficie.


14.10

En los desarenadores de planta circular el agua entra tangencialmente provocando un movimiento centrfugo en las partculas de arena, con lo que aumenta su velocidad de sedimentacin, mantenindose las partculas orgnicas en suspensin. La arena depositada en el fondo del desarenador es arrastrada por medio de paletas o chorros de agua, o cualquier otro mecanismo, hasta una poceta de recogida desde donde es extrada mediante bombas especiales y conducidas hasta el exterior. La separacin final de la mezcla arena-agua puede llevarse a cabo mediante sedimentacin en un depsito auxiliar con vertedero al desarenador, o bien, en instalaciones con gran produccin de arena, utilizando hidrociclones. La cantidad de arena producida en los desarenadores es muy variable, dependiendo en gran medida de la poca del ao, perodos de lluvia, tipo de alcantarillado, vertidos industriales, proximidad de playas, riegos de jardines y parques, etc. En funcin de la cantidad y calidad -en cuanto al contenido de materia orgnica-, de la arena producida se emplearn o no equipos de limpieza previa a la evacuacin final de la arena. En la Tabla 14.1 se dan las recomendaciones para el diseo de desarenadores. Tabla 14.1. Recomendaciones de diseo de desarenadores

Parmetro Canal desarenador Desarenador aireado

Desarenador circular

Carga hidrulica, m3/m2 h < 70 < 70 < 90 Velocidad del agua, m/s 0,3 0,15 0,3 - 0,4 Tiempo de retencin, min. 1 - 2 2 - 5 0,5 - 1 Relacin longitud / altura 10 - 25 10 - 20

3.3.1. Principios de diseo de canales desarenadores El anlisis terico del comportamiento de un desarenador requiere la adopcin de las siguientes hiptesis: 1) El agua circula horizontalmente en flujo de pistn. 2) La distribucin de partculas, en concentracin y tamaos, es uniforme en la seccin

de entrada. 3) La partcula se mueve horizontalmente arrastrada por el agua y a la misma velocidad

de esta, y sedimenta desde el instante inicial a su velocidad terminal. 4) Toda partcula que alcance el fondo del sedimentador queda retenida, mientras que

toda partcula que llegue a la seccin de salida saldr con el agua. 5) La velocidad del lquido es lo suficientemente baja como para evitar la

reincorporacin de partculas ya retenidas en el fondo del sedimentador. Bajo estas suposiciones, considrese una partcula de tamao Dm y velocidad terminal Vtm, que situada en la posicin de entrada ms desfavorable, esto es, el punto ms elevado de la seccin de entrada, alcance el fondo del equipo en el ltimo momento, tal como se muestra en la Figura 14.6.


14.11

Para un desarenador de longitud L, altura H y anchura B, el tiempo que tardar la partcula en alcanzar la superficie colectora ser:

st m

t = H

V [14.14]

Por otro lado, el tiempo de residencia de la partcula en el desarenador ser:

rh

t = L

V =

L B HQ

[14.15]

siendo Vh es la velocidad de desplazamiento horizontal, (igual a la velocidad del agua) y Q el caudal de agua. Para que la partcula alcance el fondo deber cumplirse que ts tr. En el lmite, igualando las ecuaciones [14.14] y [14.15] resulta:

t mV = Q

L B [14.16]

que representa la mnima velocidad terminal que debe tener una partcula, para que entrando en la posicin ms desfavorable pueda ser retenida. Toda partcula con velocidad de sedimentacin igual o superior a Vtm quedar retenida en el sedimentador. Como muestra la ecuacin [14.16], Vtm es igual a la velocidad ascensional del agua, -caudal dividido por el rea de la superficie horizontal-, que se denomina carga hidrulica superficial. Considrese ahora una partcula de tamao Di < Dm, cuya velocidad terminal es Vti < Vtm y que, por tanto, en el tiempo de residencia slo sedimenta una altura Hi < H. Supuesto que las partculas se distribuyen uniformemente a la entrada, y tal como se deduce de la Figura 14.6, la eficacia de captacin de partculas de tamao Di ser:

iDi =

HH

[14.17] Sustituyendo H por el producto Vti tr y tr por la ecuacin [14.15] resulta:

H

Hi

Vh Vh

Vtm Vti

L

Figura 14.6. Modelo terico de desarenador


14.12

iDt i t i

t m =

V B LQ

= VV

[14.18] La eficacia global del sedimentador se calcula teniendo en cuenta que todas las partculas que tengan una velocidad de sedimentacin igual o superior a Vtm son separadas de la corriente, mientras que aquellas otras que tengan una velocidad de sedimentacin Vt i menor que Vtm sern separadas en la proporcin Vti / Vtm, de acuerdo con la ecuacin [14.18]. Mediante el anlisis de una muestra del agua residual puede obtenerse la distribucin granulomtrica de las partculas expresada en los siguientes trminos: fraccin msica xi de partculas cuyo tamao est comprendido entre dos valores. A esta fraccin se le puede asignar un tamao medio Di, igual a la media aritmtica de los valores extremos de cada rango. Con este tamao medio se puede calcular la velocidad terminal de las partculas, Vti,, con lo cual se tendr la fraccin msica de partculas que sedimentan con esa velocidad terminal media. La eficacia fraccional, Di, para cada tamao ser el cociente entre esta velocidad terminal media y la carga hidrulica superficial. La eficacia global vendr dada entonces por la siguiente expresin:

G it i

tmi D = x

VV

= x i [14.19] Para el clculo de la eficacia global, ser necesario entonces disponer de una distribucin frecuencial discreta de velocidades en los siguientes trminos: fraccin msica xi de partculas cuya velocidad terminal es igual a Vti. Si se dispone de una distribucin por tamaos, ser necesario calcular la velocidad terminal para cada tamao. El diseo de los desarenadores exige la especificacin de la longitud, la altura y la anchura del canal. El parmetro de diseo ms importante es la carga de superficie Vtm, igual a la velocidad terminal correspondiente al tamao de partculas que son separadas al 100 %. El rea de la superficie horizontal del desarenador se obtiene de la ecuacin [14.16].

A = L B = Q

V t m [14.20]

Aplicando la recomendacin de diseo de que la velocidad horizontal del agua en el interior del desarenador sea de 0,3 m/s:

H B = Q [ m / s ]0,3 [ m / s ]

3

[14.21]

Finalmente la recomendacin de diseo en cuanto a la relacin longitud/altura suministra la tercera ecuacin necesaria para determinar L, B y H. A la longitud calculada se le aplica un coeficiente de seguridad del 50 %.


14.13

3.4 Desengrasado La finalidad de esta operacin del tratamiento previo es la separacin de grasas y aceites y otras materias flotantes lquidas o slidas, y se lleva a cabo cuando las cantidades de estas sustancias son importantes, siendo muy conveniente su instalacin en las plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas. El desengrasado puede realizarse simultneamente con el desarenado en el mismo equipo sedimentador, en cuyo caso habr de tenerse en cuenta en el momento del diseo. Para producir un buen desengrasado es necesario introducir aire para desemulsionar las grasas y aumentar su flotabilidad. Las grasas son recogidas en la superficie donde son barridas por paletas colectoras o chorros de agua, que las acumulan en un extremo del equipo y desde donde son evacuadas por rebose intermitente o cualquier otro sistema. Las grasas y espumas separadas se llevan a un concentrador en donde permanecen un tiempo de residencia suficiente para producir la separacin del agua. Finalmente las grasas pueden ser incineradas a altas temperaturas, con el adecuado control de emisiones gaseosas. 4. TRATAMIENTO PRIMARIO El objetivo del tratamiento primario en una planta depuradora de agua residual urbana, es la separacin de los slidos orgnicos en suspensin. Como consecuencia del tratamiento previo, operacin de desarenado fundamentalmente, los slidos en suspensin que llegan al tratamiento primario, estn constituidos en un alto porcentaje por slidos orgnicos biodegradables. Por tanto el tratamiento primario aporta una buena parte de la reduccin total de la DBO de la planta de tratamiento. Por lo general, el tratamiento primario est constituido nicamente por una sedimentacin, clarificacin primaria, ayudada por aditivos coagulantes y/o floculantes, que se lleva a cabo en los clarificadores o decantadores primarios. 4.1 Clarificacin primaria Los clarificadores son recipientes de gran seccin horizontal donde el agua residual se mueve con gran lentitud, separndose los slidos por sedimentacin en el fondo del aparato formando los fangos. La alimentacin del agua residual se hace de forma continua, aunque los fangos se pueden extraer de manera intermitente cuando han alcanzado un cierto volumen. El reposo absoluto se ve perturbado por el movimiento del agua que circula desde el distribuidor de la alimentacin hasta el vertedero de salida del lquido clarificado, y por el movimiento de los dispositivos de arrastre de los slidos sedimentados y de los flotantes y espumas. Todos estos movimientos deben ser, en consecuencia, muy lentos. Los clarificadores pueden ser de planta rectangular o circular, siendo estos ltimos los ms frecuentes. En los primeros la alimentacin se realiza a todo lo ancho de uno de los lados menores del rectngulo, rebosando el lquido clarificado por el lado opuesto a travs de un sifn. En contracorriente, por el fondo inclinado, se mueven los lodos sedimentados, empujados por un sistema de cadenas y paletas que los vierten a un canal, justo bajo la zona de alimentacin, de donde son aspirados por una bomba de fangos, o simplemente extrados por gravedad.


14.14

En los clarificadores cilndricos, como el mostrado en la Figura 14.7, la alimentacin se introduce por el centro, a cierta profundidad, a travs de un tubo cerrado por el extremo y con la superficie cilndrica taladrada, (o cualquier otro dispositivo que reduzca eficazmente la velocidad de salida), movindose el agua, primero en sentido radial y luego ascendente, para rebosar por toda la periferia a travs de sifones de poca profundidad, canaletas perforadas por debajo de la superficie libre o vertederos en diente de sierra, evitando de esta manera que salgan con el lquido clarificado las espumas y slidos flotantes. El diseo correcto del clarificador exige que la velocidad de sedimentacin de todas las partculas y flculos en suspensin, sea superior a la velocidad ascensional del agua. Esta se determina dividiendo el caudal de agua residual a tratar entre el rea de la superficie horizontal del clarificador. Si se pretende separar partculas muy pequeas, con velocidades de sedimentacin tambin muy pequeas, las dimensiones del recipiente tendrn que ser muy grandes. Por ello es normal que se proceda en primer lugar a un tratamiento de coagulacin y/o floculacin, que se suele realizar en la zona de alimentacin del mismo clarificador. El fondo de estos aparatos suele ser cnico y se dispone de un rastrillo giratorio, provisto de palas inclinadas que empujan los lodos hacia el centro del cono, de donde son extrados peridicamente. Inmediatamente encima del cono central de recogida de fangos se halla el floculador, que consiste en un recipiente cilndrico sin fondo, al que llega tangencialmente la alimentacin. A media altura del recipiente, se dispone de un plato giratorio horizontal, provisto de paletas y con un gran orificio central, que hace de bomba de recirculacin cuando se la hace girar a una cierta velocidad. Con esta disposicin, una parte de los fangos concentrados del fondo, son aspirados por el orificio central del plato giratorio y puestos en contacto con el agua de alimentacin, a la que ya se le han aadido los productos floculantes adecuados, descendiendo lentamente por la periferia del floculador. Durante este trayecto se consigue que las partculas ms pequeas se pongan en contacto con las de mayor tamao, formndose los flculos y los cogulos. Todos los movimientos en esta zona deben ser muy lentos, evitndose las distorsiones en las lneas de corriente del fluido. Si, por ejemplo, la recirculacin se hace con una velocidad de giro excesiva, se producir el efecto contrario al deseado, es decir, los posible flculos ya formados se rompern, desintegrndose en otros ms pequeos. Los flculos formados sedimentan libremente, mientras el lquido clarificado asciende hacia los vertederos de salida.


14.15

Figura 14.7. Clarificador cilndrico


14.16

4.2 Principios de diseo de clarificadores circulares Cuando las partculas en suspensiones de baja concentracin tienen tendencia a agregarse formando flculos de mayor tamao, la velocidad de sedimentacin de los flculos formados ser mayor que las correspondientes a las partculas aisladas, pero no podr calcularse, puesto que se desconoce el tamao, forma y densidad de los flculos. La proporcin de partculas que floculan depende de las oportunidades de contacto que tengan, que vara con la carga de superficie, la profundidad del equipo sedimentador, la concentracin de partculas, etc. El efecto de todas estas variables sobre la velocidad se ha de determinar mediante ensayos de sedimentacin. Los ensayos de sedimentacin con suspensiones floculentas de baja concentracin, se llevan a cabo en columnas de sedimentacin como la que se muestra en la Figura 14.8. El ensayo se lleva a cabo en un tubo de una altura entre 3 y 4 m. y dimetro entre 0,15 y 0,30 m. A lo largo del tubo y a intervalos regulares entre 0,30 y 0,50 m, se disponen orificios de toma de muestras equipados con vlvulas. La suspensin a ensayar se introduce en la columna asegurando que inicialmente se produzca una distribucin uniforme de concentracin y tamaos de partculas en toda la columna (Co). Es necesario tambin evitar diferencias de temperatura entre los extremos de la columna, que pueden causar corrientes de conveccin que falsearan los resultados. A distintos intervalos de tiempo, se extrae una muestra de cada uno de los puntos de toma de muestra y se analiza, mediante filtracin, calculndose a continuacin las concentraciones de slido en cada muestra (C1, C2, C3,......Ci). Con estos datos puede calcularse porcentaje de slido separado en cada altura e intervalo de tiempo [ (Co-Ci) / Co x 100]. Una tabla de este tipo se presenta a continuacin: Tiempo t1 t2 t3 t4 t5 Altura H1 40 49 66 76 85 H2 38 45 54 68 77 % Slido separado H3 35 43 50 63 73 H4 34 42 49 62 72

H1 H2

H3H4

Figura 14.8. Ensayo de sedimentacin


14.17

La eficacia global puede calcularse directamente a partir de los datos de la tabla de resultados del ensayo de sedimentacin. As para una altura de clarificador H4 y tiempo de residencia t3 la eficacia ser:

= + + + + +14

2 1

4

23

4

4 3

4

100 662

66 542

54 502

50 492

HH

H HH

H HH

H HH

+

+

Para el clculo de la eficacia para cualquier altura y tiempo no especificados en la tabla, ser necesario interpolar entre los valores de la tabla, o bien representar los resultados obtenidos en un plano altura-tiempo y, uniendo los puntos de igual porcentaje separado, obtener el grfico mostrado en la Figura 14.9. Con ayuda de este grfico se puede calcular la eficacia de un sedimentador para cualquier altura del equipo y tiempo de residencia del agua en el mismo. Para el ejemplo mostrado en la Figura 14.9, la eficacia que se obtendra en un sedimentador de altura Hc y tiempo de residencia tR viene dada por la siguiente expresin:

= + + + + + 1 2 3 4100 802

80 702

70 602

60 502

HH

HH

HH

HHc c c c

+

+ [14.22]

El diseo de un clarificador exige la especificacin del dimetro y la altura que ha de tener el recipiente para que en l se alcance la eficacia de separacin deseada. Los parmetros de diseo fundamentales son: a) carga hidrulica superficial y b) tiempo de retencin del agua residual en el clarificador. Ambos parmetros estn relacionados a travs de la altura del clarificador:

WH

QV = = =

AVH

AQ = = W =

R ==

===

CargaAltura

CaudalVolumenretencin de Tiempo

SuperficieVolumen Altura

SuperficieCaudalCarga

H1 H2

H3

H4

0

H1 Altura

H2 Hc H3

H4

0 t1 t2 tR t3 t4 t5 tiempo

Figura 14.9. Curvas isoporcentuales

100%

80%

70% 60% 50%40%


14.18

El diseo de los clarificadores se efecta a partir de los datos experimentales obtenidos en un ensayo de sedimentacin discontinua. Cuando se disponga de datos obtenidos de plantas en funcionamiento que traten aguas residuales de caractersticas semejantes, podr realizarse el diseo de clarificadores en base a estos datos, por lo que no sern necesarios los ensayos de sedimentacin. As, para aguas residuales urbanas, se dispone en la bibliografa especializada de datos experimentales de diseo. En la Tabla 14.2 se recogen algunos de ellos.

Tabla 14.2. Recomendaciones de diseo de clarificadores primarios

Caudal medio Carga hidrulica superficial, m3 / m2 h Caudal mximo

< 1,3 < 2,5

Caudal medio Tiempo de retencin del agua, min Caudal mximo

> 120 > 60

Tiempo de retencin del fango, horas < 5

Altura del clarificador, m 2 - 3,5

Carga de vertedero, m3 / h m lineal < 40

Velocidad de rasquetas de fangos, m / h < 100

Concentracin de fangos % 1 - 4 (2)

Eficacia mnima de separacin de slidos 65 %

Ejemplo 14.2. Clculo de un clarificador primario En un ensayo de sedimentacin discontinua se han obtenido los siguientes resultados: Tiempo, min 15 30 45 60 Altura, m 0,6 42 60 70 80 1,2 30 48 61 68 1,8 20 43 56 65 2,4 15 40 53 62 3,0 13 37 51 60 Se desea calcular el dimetro de un clarificador circular de 2,4 m de profundidad que sea capaz de separar el 70% de los slidos contenidos en una corriente de 12000 m3/da. Solucin


14.19

A partir de los datos se obtiene la Figura 14.10, en donde se han representado las curvas de igual porcentaje separado. Para diversos valores del tiempo de retencin se calcula el porcentaje separado en un profundidad total de 2,40. Por ejemplo, para tR = 30 min se tendr, aplicando la ecuacin

G = ,. +

+ ,.

+

+ ,.

+

+ ,.

+

= , %0 252 4

100 702

0 352 4

70 602

0 42 4

60 502

142 4

50 402

5375

Calculando de esta forma la eficacia para diversos tiempos de retencin se puede representar la curva de porcentaje separado frente al tiempo de retencin mostrada en la Figura 14.11. De ella se obtiene que para alcanzar un 70 % de separacin se precisa un tiempo de retencin de 52 min. Dada la incertidumbre acerca de la representatividad de las muestras de agua residual tomadas para el ensayo de laboratorio y la previsible fluctuacin de las caractersticas del agua residual: concentracin de slidos, tendencia a flocular, temperatura (que modificara su densidad y viscosidad), etc., as como la variacin de las condiciones reales de sedimentacin en el clarificador, frente a las condiciones de laboratorio cuando se realizaron los ensayos de sedimentacin, se suele aplicar un factor de seguridad de 2, por lo que el clarificador se disear para un tiempo de retencin de 104 min.

0 10 20 30 40 50 60 70 Tiempo de residencia min.

70%

60%

50%

40%

0

0,6Altura m

1,2

1,8

2,4

3,0

0,25

0,35

0,4

1,4

100%

Figura 14.10. Curvas isoporcentuales. Ejemplo 14.2.


14.20

El volumen se calcular entonces teniendo en cuenta que:

Volumen = Caudal Tiempo de retencin:

V = 12000 m / dia 1 dia

1440 min 104 min = 850 m3 3

La superficie y el dimetro del clarificador sern respectivamente:

A =

VH

=

D =

850 m2,4 m

= 354,2 m

31,2 m

32

0 10 20 30 40 50 60

80

70

60

50

40

30

Figura 14.11. Eficacia global frente a tiempo de retencin

tR


14.21

PROBLEMAS 1. Se desea disear un desarenador (longitud, anchura y profundidad), capaz de separar el 60% de las partculas de tamao 0,6 mm contenidas en una corriente de 40000 m3/da. Se pide adems calcular la eficacia global y la distribucin granulomtrica del slido no separado. Aplicar un coeficiente de seguridad de 1,5 a la longitud del desarenador. R: B=H=1,24 m; L=14 m; G=79% Datos: Densidad del slido: 1200 kg/m3. Velocidad terminal de las partculas: Vt [m/s] = 0,04 D [mm] Distribucin granulomtrica de las partculas: d (mm) 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 x (%) 15 20 20 20 15 10 R: Salida(%) 42,86 38,1 19,04 0 0 0 2. Un desarenador de 1,5 m de profundidad, 2 m de ancho y 12 m de largo est tratando un caudal de 60000 m3/da. Se pide calcular el tamao de partcula para el que la eficacia es del 25 %. R: d= 0,101 mm Datos: Densidad del slido: 2,3 g/ml. Viscosidad del agua: 10 - 3 kg/m s 3. Se pide dimensionar el desarenador (longitud, anchura y altura) y el clarificador primario (dimetro) de una planta de tratamiento de aguas residuales urbanas. Aplicar un coeficiente de seguridad a la longitud del desarenador de 1,5, y al tiempo de residencia del clarificador de 2. Calcular la eficacia global del desarenador. R(Desarenador): B=H= 0,88 m; L=13,2 m; G=69,42 % R(Clarificador): Dos clarificadores en paralelo de D= 21 m Datos: Caudal: 20000 m3/da. Eficacia en el clarificador primario: 70 %. Altura clarificador: 2,4 m Velocidad terminal de la partcula a separar al 50 % en el desarenador: 15 mm/s. Distribucin granulomtrica de las partculas de arena: Vt mm/s 0-5 5-10 10-15 15-20 20-25 25-30 30-35 35-40 40-45 45-50 x % 3 7 12 18 27 16 7 4 3 3 Los resultados del ensayo de sedimentacin discontinua son los siguientes:

Tiempo, min 20 40 60 80 100 Altura, m 0,3 72 92 95 97 98 0,6 52 78 91 94 96 0,9 38 67 82 92 94 1,2 30 60 74 86 93 1,5 28 55 68 81 92 1,8 21 46 64 74 85 2,1 21 45 63 74 85 2,4 20 42 60 72 83 2,7 20 30 58 71 81 4. Se desea conocer la eficacia de un clarificador primario de 20 m de dimetro y 2 m de altura que procesa 20100 m3/da. Considerar los resultados del ensayo de sedimentacin discontinua del Problema n 4. R: G=66% 5. Una planta de aguas residuales recibe un caudal medio de 1000 m3/h y un caudal mximo de 1500 m3/h. Se pide: a) Dimensionar (longitud, anchura y altura) un canal desarenador capaz de separar el 65 % de las partculas de

tamao 0,150 mm. Aplicar un coeficiente de seguridad de 1,5 a la longitud del desarenador. R: B=H=1,054 m; L=21,86 m b) Dimensionar (dimetro) un clarificador primario que separe el 68 % del slido sedimentable. Tomar como

altura del clarificador H=2,4 m, y aplicar un coeficiente de seguridad al tiempo de residencia de 2.


14.22

R: D=30,4 m

c) Calcular la eficacia de ambos equipos cuando se trata el caudal mximo. R: G(des)=70,98%:; G(clar)=58,5%

Datos: Considerar los resultados del ensayo de sedimentacin discontinua del problema n4 Caudal de diseo de los equipos (desarenador y clarificador): 1,2 x caudal medio. agua = 10 - 3 Pa s agua = 996 kg/m3 arena = 2150 kg/m3 Distribucin granulomtrica de la arena:

Tamao D [mm] 70 100 150 210 300 400 % peso de tamao > D 94 84 69 49 24 4

6. Se desea disear el tratamiento primario de una estacin depuradora de aguas residuales. La distribucin del caudal diario de llegada a la planta es la siguiente:

250 m3/h durante 4 horas 400 m3/h durante 12 horas 500 m3/h durante 8 horas

La distribucin de slidos totales es la siguiente: Sedimentables: 150 mg/L No sedimentables: 120 mg/L Filtrables: 430 mg/L

El resultado de un ensayo de sedimentacin discontinua se muestra en la siguiente tabla: Tiempo, min 20 30 40 50 60 Altura, m 0,0 100 100 100 100 100 0,3 66 82 91 94 97 0,6 55 68 79 87 92 0,9 50 60 71 80 87 1,2 48 56 65 74 81 % Retenido 1,5 46 54 62 69 76 1,8 44 52 59 66 74 2,1 42 51 58 64 71 2,4 40 50 57 63 68 2,7 38 46 56 62 66 Se recomiendan las siguientes condiciones de diseo: Caudal de diseo = caudal medio de llegada 1,2 Altura del clarificador 2,4 m Eficacia de separacin para el caudal de diseo: 70 % Coeficiente seguridad del tiempo de residencia en clarificador: 2 Concentracin de los lodos: 2 % en peso Se pide a) Especificar el nmero, dimetro del/os clarificador/es. R: Dos clarificadores de 13,2 m

b) Estimar el caudal diario (m3/da) de lodos producidos. R: 55,6 m3/h

tema 14 pre-pri

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