SEDIMENTACIN Y MECANISMOS DE SEDIMENTACIN

EQUIPO 3SEDIMENTACIN Y MECANISMOS DE SEDIMENTACIN

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SEDIMENTACIN Y MECANISMOS DE SEDIMENTACINAGUAS EN PROCESOS

SEDIMENTACIN

Sedimentacin es la separacin parcial o concentracin de partculas slidas suspendidas. Cuyo peso especfico es mayor que el del lquido, a partir de un lquido por gravedad.Esta rea puede dividirse en las operaciones de espesamiento y clasificacin. El propsito primario de espesamiento es incrementar la concentracin de slidos suspendidos en una corriente de alimentacin, mientras que la clarificacin es remover una pequea cantidad de partculas suspendidas y producir un efluente claro.

AntecedentesEn cuanto a la determinacin de la capacidad de un sedimentador , se han hecho diversos estudios ; Bryant (1972), desarroll un modelo dinmico de los procesos de lodos activados incluyendo la separacin slido lquido en ambos clarificadores, primario y secundario. Busby (1973), Stenstrom (1976), Keinath (1977), Hill (1985) y Vitasovic's (1986), han hecho esfuerzos significativos para improvisar nuestro entendimiento acerca de las dinmicas de los procesos de espesamiento, haciendo uso de la teora de flujo de slidos en un sedimentador unidimensional, basndose en la suposicin de que los slidos son distribuidos instantnea y uniformemente en capas, a travs de la seccin transversal del clarificador. P. Flanz (5), llev a cabo un estudio de sedimentacin secundaria en tanques a escala completa, la temperatura y turbulencia fueron encontrados como causantes de efectos en la clarificacin del efluente, en base a la concentracin de slidos; este investigador recomienda que los sedimentadores secundarios, sean diseados en base a la concentracin de los slidos sedimentables y a la carga hidrulica superficial. La investigacin hecha por Chapman D., 1983 (5), reafirm algunas de las suposiciones de los autores mencionados anteriormente, se enfoca principalmente a la naturaleza fsica de la clarificacin, demostr que las caractersticas de asentamiento de los flculos en el sedimentador, son determinantes principales de la eficiencia del sedimentador, por lo tanto, los factores que influencian las propiedades de sedimentacin y de clarificacin de los flculos, deben tambin de ser consideradas en el diseo y en la operacin de las plantas.

Uso de sedimentadoresEsta operacin unitaria puede ser utilizada en el tratamiento de aguas residuales.Se emplea para:-Eliminacin de arenas-Remocin de material en suspensin flculos biolgico decantadores secundarios en los procesos de fango activado-Tanques de decantacin primaria, de los flculos qumicos cuando se emplea la coagulacin qumica-Concentracin de slidos en los espesadores de fangoSu objetivo principal: Obtencin de un efluente clarificado, pero tambin es necesario producir un fango.

El primer tratamiento mas importante que sufren las aguas residuales despus de las precedentes fases preliminares es, generalmente, la sedimentacin de los slidos suspendidos en un tanque adecuado en el que se mantienen las aguas por un lapso de 0.5 a 3 horas o ms, que es suficiente para permitir que el 40 a 65% de los slidos finamente divididos, se pose en el fondo del tanque, del cual se extraen por medio de colectores mecnicos, en forma de lodos. La sedimentacin primaria es una operacin unitaria diseada para concentrar y remover slidos suspendidos orgnicos del agua residual, cuando se consideraba que el nivel primario era suficiente como nico tratamiento, la sedimentacin primaria era la operacin unitaria ms importante de una planta. Su diseo y operacin fueron determinantes en la reduccin de lascargas de desecho que se disponan en los cuerpos receptores. No obstante, muchos de los procesos unitarios de tratamiento secundario son capaces de manejar los slidos orgnicos slo si se ha llevado a cabo una buena remocin de arena y escoria durante el pretratamiento.La mayor parte de los slidos suspendidos presentes en las aguas residuales son de naturaleza pegajosa y floculan en forma natural. El material orgnico es ligeramente ms pesado que el agua y se sedimenta lentamente, normalmente en el intervalo de 1 a 2.5 m/h. Los materiales orgnicos ms ligeros, principalmente grasas y aceites, flotan en la superficie y se deben desnatar.

Descripcin de los tanques de sedimentacin

La sedimentacin puede llevarse a cabo en tanques rectangulares alargados o en tanques circulares. En los tanques rectangulares, la espuma se retira utilizando unas rastras de lodo que, de manera alternada, despus de recorrer el tanque por el fondo, regresan a su punto de partida recorriendo la superficie del agua, lo que se aprovecha, como se dijo, para remover la espuma. El material flotante se desplaza de esta manera hasta un sitio donde se colecta, ubicado a cierta distancia hacia atrs del vertedor del efluente, y all es retirado al pasar sobre un vertedor de espuma o por medio de una rastra transversa.

TIPOS DE SEDIMENTACIN

La sedimentacin se puede dividir en cuatro tipos: Particulas discretas Floculenta Retardada o tambien llamada Zonal Compresin

*Particulas discretas: Se refiere a la sedimentacin de partculas en una suspensin con baja concentracin de slidos. Las partculas se sedimentan como entidades individuales y no existe interaccin sustancial con las partculas vecinas. Se presenta en la eliminacin de arenas de agua residual.

*Floculenta: Se refiere a una suspensin bastante diluida de partculas que se agregan, o floculan, durante el proceso de sedimentacin. Al unirse, las partculas aumentan de masa y sedimentacin a mayor velocidad. Se presenta en la eliminacin de una fraccin de slidos en suspensin del agua residual bruta en los tanques de sedimentacin primaria, y en la zona superior de los decantadores secundarios. Tambin elimina los flculos qumicos de los tanques de sedimentacin. *Retardada, tambin llamada Zonal: Se refiere a las suspensiones de concentracin intermedia, en las que las fuerzas entre partculas son suficientes para entorpecer la sedimentacin de las partculas vecinas. Las partculas tienden a permanecer en posiciones relativas fijas. Y la masa de partculas sedimentan como una unidad. Se desarrolla una interface slido-lquido en la parte superior de la masa que sedimenta.Se presenta en los tanques de sedimentacin secundarios empleados en las instalaciones de tratamiento bologico.

*Compresin: Se refiere a la sedimentacin en la que las partculas estn concentradas de tal manera que se forma una estructura, y la sedimentacin slo puede tener lugar como consecuencia de la compresin de esta estructura. La compresin se produce por el peso de partculas, que se van aadiendo constantemente a la estructura por sedimentacin.Generalmente, se produce en las capas inferiores de una masa de fango de gran espesor, tal como ocurre en el fondo de los decantadores secundarios profundos y en las instalaciones de espesamiento de fangos.

CLASIFICACIN DE LAS UNIDADES

La sedimentacin o la decantacin se realizan en reactores denominados sedimentadoreso decantadores, de acuerdo con el tipo de partcula que se remueva en cada unidad. La clasificacin ms recomendable es la siguiente:1. Sedimentadores o decantadores estticos2. Decantadores dinmicos3. Decantadores laminares

1. SEDIMENTADORES Y DECANTADORES ESTTICOS

Criterios generalesEn este tipo de unidades puede producirse sedimentacin o decantacin, normalmente con cada libre, en rgimen laminar turbulento o de transicin.

En estas unidades la masa lquida se traslada de un punto a otro con movimiento uniforme y velocidad VH constante.

Cualquier partcula que se encuentre en suspensin en el lquido en movimiento, se mover segn la resultante de dos velocidades componentes: la velocidad horizontal del lquido (VH) y su propia velocidad de sedimentacin (VS).

Componentes de una unidad

Una unidad de sedimentacin consta de las siguientes zonas, con diferentes funciones especficas:

Zona de entrada y distribucin de agua Zona de sedimentacin propiamente dicha Zona de salida o recoleccin de agua Zona de depsito de lodos.

Tipos de unidades

Desarenadores.

Los desarenadores tienen por objeto remover del agua cruda la arena y las partculas minerales ms o menos finas, con el fin de evitar que se produzcan sedimentos en los canales y conducciones.

Para proteger las bombas y otros aparatos contra la abrasin y para evitar sobrecargas en las fases de tratamiento siguiente y la interferencia en los procesos de coagulacin-floculacin.

El desarenado se refiere normalmente a la remocin de las partculas superiores a 0,2 milmetros. Una granulometra inferior corresponde a los procesos de pre sedimentacin o sedimentacin.

El estudio terico del desarenado est relacionado con el de los fenmenos de sedimentacin en cada libre.

Generalmente, los desarenadores tienen forma rectangular, como se muestra en la figura.

Unidades de flujo horizontal.Estos Sedimentadores se clasifican, de acuerdo con la forma de su planta, en rectangulares, circulares y cuadrados.Los decantadores o Sedimentadores rectangulares tienen la ventaja de que permiten una implantacin ms compacta, aunque su costo es ms elevado. Normalmente, tienen una relacin longitud/ancho comprendida entre 3 y 6 y unaprofundidad de 2,50 a 4,00 metros.

Los Sedimentadores o decantadores de forma circular o cuadrada disponen normalmente de una zona de entrada ubicada en el centro de la unidad. Estn provistos generalmente de una pantalla deflectora que desva el agua hacia el fondo de la unidad. El flujo en la zona de sedimentacin es horizontal. Estn provistos de canaletas (perifricas y/o radiales) para la recoleccin de agua sedimentada. El fondo es inclinado hacia el centro de la unidad, donde se ubica un sumidero para la recoleccin de lodos. La profundidad normal de estas unidades est comprendida entre 2,00 y 3,50 metros.

En los diferentes tipos de unidades de flujo horizontal, la remocin de los lodos o sedimentos puede hacerse en forma intermitente o continua. Se usa el sistema de remocin intermitente de lodos en pequeas instalaciones o cuando se trata un agua relativamente clara.

Usualmente, los sedimentos se compactan y transforman en una masa pastosa que resbala muy difcilmente; se requieren pendientes de 45 a 60 en el fondo de los tanques. El tamao de la zona de lodos depender del periodo de funcionamiento del sedimentador y de la cantidad de lodos producidos.

Unidades de flujo vertical.

Estas unidades tienen forma cilndrica. La entrada del agua cruda se realiza por el centro de la unidad en forma descendente. En la parte inferior est ubicada la zona de lodos, que tiene forma cnica con pendiente de 45 a 60, segn la naturaleza del agua y el tratamiento aplicado. La recoleccin del agua sedimentada se realiza en la parte perifrica superior de la unidad.

Unidades de flujo helicoidal.

Para tratar aguas con alto contenido de materiales en suspensin o flculos con alta velocidad de sedimentacin, se recurre al uso de Sedimentadores de flujo helicoidal.

Estas unidades tienen forma circular. El flujo tangencial se logra mediante la combinacin de una tubera y canales perifricos con orificios de entrada de agua. Los orificios son dimensionales y se disponen espaciados para permitir una distribucin uniforme del agua en el sedimentador.

El canal recolector de agua sedimentada est ubicado en el centro del sedimentador o en la periferia. Generalmente, una pantalla vertical contribuye a lograr una mejor distribucin y a evitar cortocircuitos.

2. DECANTADORES DINAMICOS:

CRITERIOS GENERALESLa teora de la decantacin interferida se aplica a este tipo de unidades. Se requiere una alta concentracin de partculas para incrementar las posibilidades de contacto en un manto de lodos que tiene una concentracin de partculas de 10 a 20% en volumen.En el proceso, el flculo no conserva su peso especfico, su tamao ni su forma constante. Las partculas pequeas que entran por el fondo son arrastradas por el flujo. Al chocar estas con otras, incrementan su tamao de acuerdo con la ecuacin de Von Smoluchowski. Se entiende que en la zona del manto de lodos se promueve la floculacin y en la parte superior a ella ocurre la decantacin.La eficiencia de los decantadores de manto de lodos depende del tipo y la dosis de coagulante, del uso de polmeros, de la calidad del agua cruda, del tamao de las unidades (la eficiencia es inversamente proporcional al tamao), de la profundidad y concentracin del manto de lodos y, principalmente, de la carga superficial.

COMPONENTES DE UNA UNIDADUna unidad de manto de lodos consta bsicamente de los siguientes componentes.

1) Sistema de entrada de agua2) Zona de formacin del manto de lodos3) Zona de clarificacin4) Sistema de recoleccin de agua clarificada5) Zona de concentracin de lodos

TIPOS DE UNIDADES DINAMICASLos decantadores de manto de lodos se pueden clasificar de acuerdo conlas condiciones y caractersticas de la zona de formacin de lodos, que se resumen en el cuadro:

Unidades de manto de lodos con suspensin hidrulica

Estas unidades fueron las primeras que se construyeron. Consisten esencialmente en un tanque de fondo cnico o tronco piramidal, en cuya parte inferior se inyecta el agua cruda que asciende disminuyendo la velocidad a medida que el rea aumenta y manteniendo as un manto de lodos hidrulicamente suspendido. Los lodos se extraen peridicamente por un tubo que baja hasta el fondo.La entrada del agua puede hacerse inyectando el flujo directamente en el fondo para que se produzca turbulencia al chocar contra las paredes del fondo.Para obtener un buen rendimiento, debe prestarse especial atencin a la forma de entrada del agua. Excesiva turbulencia puede producir perturbaciones que afectan todo el manto de lodos.La ventaja de estas unidades es que no son patentadas; no tienen, por logeneral, ninguna pieza movible dentro del tanque ni requieren energa elctrica para su funcionamiento.

Unidades de manto de lodos con suspensin mecnica

Las unidades que usan sistemas mecnicos para mantener el manto de lodos en suspensin pueden ser, en general, de tres clases:a) De agitacinb) De separacinc) Pulsante o de vaco

A) Unidades de manto de lodos con agitacin simple:Las unidades de agitacin simple consisten en tanques por lo general circulares, en los cuales al agua es inyectada por abajo, de tal forma que se distribuya en el fondo.Un agitador mecnico que gira lentamente en el fondo, movido por un motor o por agua a presin, mantiene las partculas en suspensin y recolecta los lodos en un concentrador, de donde son removidos peridicamente.El agua tiene que ascender hasta las canaletas perifricas superiores y se filtra a travs del manto de lodos. En estas unidades no existe recirculacin de lodos.

B) Unidades de manto de lodos con separacin dinmica.

Las unidades que emplean separacin dinmica utilizan una turbina que gira a alta velocidad, colocada en el centro del tanque, la cual impulsa el flujo hacia abajo a travs del orificio perifrico, de forma tal que las partculas que descienden empujadas por la energa mecnica de la turbina choquen con las que ascienden con el flujo del tanque.

En estos tanques se pueden considerar cuatro zonas: una primera zona de mezcla y reaccin en la parte interior, donde se inyectan los coagulantes; una segunda zona de mezcla lenta o floculacin; una tercera zona donde se establece el manto de lodos y, por ltimo, una cuarta zona en la que se produce la decantacin y el agua clarificada sube hasta las canaletas de salida.

Los lodos son recogidos en el concentrador en un sector del tanque y extrados automticamente cada cierto tiempo segn la turbiedad del agua cruda.

C) Unidad de manto de lodos pulsante o de vaco.

Este tipo de unidades consiste esencialmente en un tanque cuadrado o circular, en cuyo centro se coloca una campana o cpsula de vaco, en la cual peridicamente se disminuye la presin interna con una bomba especial, de modo que el agua ascienda por la campana hasta un cierto nivel y luego se descargue en el tanque y se produzca la expansin de los lodos y se bote el exceso de estos a los concentradores. Esta peridica expansin y contraccin del manto se usa para homogeneizarlo. Se evitan las grietas o canales que permiten el paso directo de la turbiedad y la sedimentacin de las partculas ms pesadas en el fondo de la unidad.

El sistema requiere, por lo tanto, dos tiempos.En el primero, la vlvula de aire V se encuentra cerrada. El flujo asciende por la campana A, mientras que el agua en el decantador D permanece en reposo, de manera que puede decantar.En el segundo tiempo, al alcanzar el agua el nivel S en la campana, la vlvula de aire V se abre y el agua de la campana penetra en el decantador D. Entonces, los lodos se elevan con el flujo y el exceso penetra en el concentrador C.El agua decantada se recoge en E. cuando el flujo alcanza el nivel I en la campana A, se cierra la vlvula V. Los fangos depositados en el concentrador se extraen automticamente por medio de vlvulas F.

3. SEDIMENTADORES LAMINARES

TEORA DE LA SEDIMENTACIN

La eficiencia de los decantadores clsicos de flujo horizontal depende, principalmente, del rea. De este modo, si se introduce un piso intermedio a una altura (h)a partir de la superficie, las partculas con una velocidad de sedimentacin V Sb < VSC seran removidas.Se podra admitir que la capacidad de clarificacindel decantador aumentara con la duplicacin del rea horizontal.

Se considera que tres son los efectos que favorecen la remocin de las partculas en este tipo de unidades:

(i) aumento del rea de sedimentacin(ii) (ii) disminucin de la altura de cada de la partcula (iii) rgimen de flujo laminar

Caractersticas de las aguas

Entre las caractersticas de las aguas que ms influencia tienen en la eficiencia de un sedimentador laminar cabe mencionar las siguientes:

a) Calidad del agua (turbiedad y color)

Los resultados de la evaluacin de la planta de tratamiento de agua deCuenca, Ecuador, demuestran que la eficiencia de un sedimentador laminar esdirectamente proporcional a la turbiedad y el color del agua cruda.

b) Temperatura del agua

Influencia de la coagulacin

Sin lugar a dudas, el proceso de coagulacin-floculacin es el factor que mayor influencia tiene en el rendimiento y operacin de los sedimentadores laminares, tanto en lo referente a la remocin de turbiedad como en la calidad misma del agua, puesto que puede regularse la concentracin y el volumen del flculo, variando los criterios de diseo y las prcticas de mezcla y coagulacin, especialmente el valor de GT, para obtener diferentes tamaos de flculos con diferentes concentraciones.

TIPOS DE SEDIMENTADORES LAMINARES

De acuerdo con la direccin del flujo, los decantadores laminares pueden clasificarse as:

De flujo horizontal

En estos el flujo del agua es o tiende a ser horizontal. La figura 7-45(a representa un sedimentador laminar con lminas ligeramente inclinadascon un ngulo de 5 (ngulo de mxima eficiencia remocional). En esta solucin, se requiere invertir el flujo para realizar lalimpieza del sedimentador.Esta solucin es muy utilizada en plantas comerciales o plantas de pequea capacidad (inferior a 50 litros por segundo). Su uso se limita nicamentepor razones econmicas. Para evitar el lavado y obtener al mismo tiempo mxima eficiencia y escurrimiento de lodos depositados en las lminas, se puede recurrir a las soluciones indicadas en la figura 7-45(b). Estos son sedimentadores laminares de flujo horizontal (mxima eficiencia), pero con lminas planas paralelas inclinadas para obtener la pendiente necesaria de escurrimiento de flculos.

b) De flujo inclinadoEste tipo de decantadores es el ms usado. Generalmente, en la parte inferior del decantador se presenta una zona de distribucin de agua. En la partemedia existen mdulos inclinados con un ngulo de 60. El agua decantada serecolecta lateralmente en la parte superior.

Se puede aplicar con xito decantacin laminar con ciertas condiciones decalidad de agua y material transportado, en nuevos diseos o en modificacin dedesarenadores o sedimentadores convencionales de flujo horizontal, ya sea paraincrementar su eficiencia o su capacidad, o ambas cosas simultneamente.

BIBLIOGRAFA:

Rigola L.,Miguel, TRATAMIENTO DE AGUAS INDUSTRIALES, Aguas de procesos y residuales, Ed. Marcongo, S.A., 1989.

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Ing. Jorge Arturo Prez P., TRATAMIENTO DE AGUAS, Universidad Nacional-Facultad de minas. Consultado en lnea en: