TRATAMIENTO DE AGUAS TRATAMIENTO PRIMARIO TRATAMIENTO PRIMARIO

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1 UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL TRATAMIENTO DE AGUAS CAPITULO V: TRATAMIENTO PRIMARIO Profesor: Ing. Omar Eduardo Olivos Lara Lima Perú UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL CAPITULO V: TRATAMIENTO PRIMARIO SESIÓN 5.1: OBJETIVOS DEL TRATAMIENTO PRELIMINAR Ing. Omar E. Olivos Lara 2

2 5.1 Objetivos del Tratamiento Primario. Tiene como objetivo la retención de sólidos gruesos y sólidos finos con densidad mayor al agua y arenas, con el fin de facilitar el tratamiento posterior. Son usuales el empleo de canales con rejas gruesas y finas, desarenadores, y en casos especiales se emplean tamices. Estas unidades, en ocasiones obviadas en el diseño de plantas de tratamiento, son necesarias para evitar problemas por el paso de arena, basura, plásticos, etc., hacia los procesos de tratamiento propiamente dichos Tratamiento Primario Se considera como unidad de tratamiento primario a todo sistema que permite remover material en suspensión, excepto material coloidal o sustancias disueltas presentes en el agua. Así, la remoción del tratamiento primario permite quitar entre el 60 a 70% de sólidos suspendidos totales y hasta un 30% de la DBO (Demanda Bioquímica de Oxígeno) orgánica sedimentable presente en el agua residual. Es común en zonas rurales el empleo del tanque séptico como unidad de tratamiento primario con disposición final por infiltración. El tanque Imhoff ha sido empleado en localidades de mediano tamaño como un buen sistema de tratamiento primario Tanque Séptico Tanque Imhoff Sedimentador Flotación y remoción de grasas Floculación y precipitación química RAFA ( en realidad es secundario) 4

3 5.1 Objetivo del Tratamiento Primario Una reciente investigación en Brasil ha encontrado al Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente (RAFA o también conocido como UASB por sus siglas en ingles) como un sistema que puede ser promovido como unidad primaria de tratamiento. El Objetivo del tratamiento primario es remover los sólidos suspendidos mediante una sedimentación simple Para completar este proceso pueden agregarse compuestos químicos con el objeto de: Precipitar el fósforo Precipitar sólidos muy finos o coloidales 5 UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL CAPITULO IV: TRATAMIENTO PRELIMINAR SESIÓN 5.2: TANQUE IMHOFF Ing. Omar E. Olivos Lara 6

4 5.2 Tanque Imhoff El tanque imhoff es una unidad de tratamiento primario cuya finalidad es la remoción de sólidos suspendidos. Para comunidades de 5000 habitantes o menos, los tanques imhoff ofrecen ventajas para el tratamiento de aguas residuales domésticas, ya que integran la sedimentación del agua y a digestión de los lodos sedimentados en la misma unidad, por ese motivo también se les llama tanques de doble cámara. Los tanques imhoff tienen una operación muy simple y no requiere de partes mecánicas; sin embargo, para su uso concreto es necesraio que las aguas residuales pasen por los procesos de tratamiento preliminar de cribado y remoción de arena. Partes del Tanque Imhoff Cámara de sedimentación. Cámara de digestión de lodos. Área de ventilación y acumulación de natas Tanque Imhoff Durante la operación, las aguas residuales fluyen a través de la cámara de sedimentación, donde se remueven gran parte de los sólidos sedimentables, estos resbalan por las paredes inclinadas del fondo de la cámara de sedimentación pasando a la cámara de digestión a través de la ranura con traslape existente en el fondo del sedimentador. El traslape tiene la función de impedir que los gases o partículas suspendidas de sólidos, producto de la digestión, interfieran en el proceso de la sedimentación. Los gases y partíulas ascendentes, que inevitablemente se producen en el proceso de digestión, son desviados hacia la cámara de natas o área de ventilación. Los lodos acumulados en el digestor se extraen periódicamente y se conducen a lechos de secado, en donde el contenido de humedad se reduce por infiltración, después de lo cual se retiran y dispone de ellos enterrándolos o pueden ser utilizados para mejoramiento de los suelos. 8

5 5.2.1 Ventajas 1. Contribuye a la digestión de lodo, mejor que en un tanque séptico, produciendo un líquido residual de mejores características. 2. No descargan lodo en el líquido efluente, salvo en casos excepcionales. 3. El lodo se seca y se evacúa con más facilidad que el procedente de los tanques sépticos, esto se debe a que contiene de 90 a 95% de humedad Las aguas servidas que se introducen en los tanques imhoff, no necesitan 5. tratamiento preliminar, salvo el paso por una criba gruesa y la separación de las arenillas. 6. El tiempo de retención de estas unidades es menor en comparación con las lagunas. 7. Tiene un bajo costo de construcción y operación. 8. Para su construcción se necesita poco terreno en comparación con las lagunas de estabilización. 9. Son adecuados para ciudades pequeñas y para comunidades donde no se necesite una atención constante y cuidadosa, y el efluente satisfaga ciertos requisitos para evitar la contaminación de las corrientes Desventajas 1. Son estructuras profundas (>6m). 2. Es difícil su construcción en arena fluida o en roca y deben tomarse precauciones cuando el nivel freático sea alto, para evitar que el tanque pueda flotar o ser desplazado cuando esté vació. 3. El efluente que sale del tanque es de mala calidad orgánica y microbiológica. - En ocasiones puede causar malos olores, aun cuando su funcionamiento sea correcto.. Conocidas las ventajas y desventajas del tanque imhoff, quedará a criterio del ingeniero encargado del proyecto si es conveniente emplear esta unidad, en la localidad donde se desea tratar las aguas residuales de uso doméstico. Cabe resaltar que esta alternativa resulta adecuada en caso no se cuente con grandes áreas de terreno para poder construir un sistema de tratamiento de aguas residuales domésticas, como es el caso de las lagunas de estabilización, además de que el tanque imhoff deberá esta instalado alejado de la población, debido a que produce malos olores. 10

6 Conocidas las ventajas y desventajas del tanque imhoff, quedará a criterio del ingeniero encargado del proyecto si es conveniente emplear esta unidad, en la localidad donde se desea tratar las aguas residuales de uso doméstico. Cabe resaltar que esta alternativa resulta adecuada en caso no se cuente con grandes áreas de terreno para poder construir un sistema de tratamiento de aguas residuales domésticas, como es el caso de las lagunas de estabilización, además de que el tanque imhoff deberá esta instalado alejado de la población, debido a que produce malos olores. El tanque imhoff elimina del 40 al 50% de sólidos suspendidos y reduce la DBO de 25 a 35%. Los lodos acumulados en el digestor del tanque imhoff se extraen periódicamente y se conducen a lechos de secados. Debido a esta baja remoción de la DBO y coliformes, lo que se recomendaría es enviar el efluente hacia una laguna facultativa para que haya una buena remoción de microorganismos en el efluente

7 5.3 Diseño de tanque Imhoff Según Norma S.090 Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales Para el dimensionamiento de tanque imhoff se tomarán en consideración los criterios de la Norma S090 Planta de Tratamiento de Aguas Residuales del Reglamento Nacional de Edificaciones. El tanque Imhoff típico es de forma rectangular y se divide en tres compartimientos: a) Cámara de sedimentación. b) Cámara de digestión de lodos. c) Área de ventilación y cámara de natas. Además de estos compartimientos se tendrá que diseñar el lecho de secados de lodos Diseño del sedimentador Para el dimensionamiento de tanque imhoff se tomarán en consideración los criterios de la Norma S090 Planta de Tratamiento de Aguas Residuales del Reglamento Nacional de Edificaciones. El tanque Imhoff típico es de forma rectangular y se divide en tres compartimientos: a) Cámara de sedimentación. b) Cámara de digestión de lodos. c) Área de ventilación y cámara de natas. Además de estos compartimientos se tendrá que diseñar el lecho de secados de lodos. 14

8 5.3.1 Diseño del sedimentador 1) Cálculo de caudales (m3/hora) Población Dotación Qp % Contribuci ón 1000 Dotación, en litro/hab/día. 2) Área del sedimentador (As, en m 2 ) Q As C p s Donde, Cs: Carga superficial, igual a 1 m 3 /(m 2 *hora). 3) Volumen del sedimentador (Vs, en m 3 ) Vs Q p PR PR: Periodo de retención hidráulica, entre 1,5 a 2,5 horas (recomendable 2 horas). 15 El fondo del tanque será de sección transversal en forma de V y la pendiente de los lados respecto a la horizontal tendrá de 50 a 60. En la arista central se debe dejar una abertura para paso de los sólidos removidos hacia el digestor, esta abertura será de 0,15 a 0,20 m. Uno de los lados deberá prolongarse, de 15 a 20 cm, de modo que impida el paso de gases y sólidos desprendidos del digestor hacia el sedimentador, situación que reducirá la capacidad de remoción de sólidos en suspensión de esta unidad de tratamiento. 16

9 5.3.1 Diseño del sedimentador 4) Longitud máxima del vertedero de salida (Lv, en m Q max Lv Chv Donde, Qmax : Caudal máximo diario de diseño, en m3/dia. Chv : Carga hidráulica sobre el vertedero, estará entre 125 a 500 m3/(m*dia), (recomendable 250) Diseño del digestor 1) Volumen de almacenamiento y digestión (Vd, en m3) Para el compartimiento de almacenamiento y digestión de lodos (cámara inferior) se tendrá en cuenta la siguiente tabla: Temperatura ( C) >25 Factor de capacidad relativa (fcr) Vd 70 P fcr 1000 Donde: fcr : factor de capacidad relativa, ver tabla. P : Población. 18

10 5.3.2 Diseño del digestor 1) Volumen de almacenamiento y digestión (Vd, en m3) El fondo de la cámara de digestión tendrá la forma de un tronco de pirámide invertida (tolva de lodos), para facilitar el retiro de los lodos digeridos. Las paredes laterales de esta tolva tendrán una inclinación de 15 a 30 con respecto a la horizontal. La altura máxima de los lodos deberá estar 0,50 m por debajo del fondo del sedimentador Diseño del digestor 2) Tiempo requerido para digestión de lodos El tiempo requerido para la digestión de lodos varia con la temperatura, para esto se empleará la tabla 2.: Tabla 2 Temperatura ( C) >25 Tiempo de digestión (días)

11 5.3.2 Diseño del digestor 3) Frecuencia del retiro de lodos Los lodos digeridos deberán retirarse periódicamente, para estimar la frecuencia de retiros de lodos se usarán los valores consignados en la tabla 2. La frecuencia de remoción de lodos deberá calcularse en base a estos tiempo referenciales, considerando que existirá una mezcla de lodos frescos y lodos digeridos; estos últimos ubicados al fondo del digestor. De este modo el intervalo de tiempo entre extracciones de lodos sucesivas deberá ser por lo menos el tiempo de digestión a excepción de la primera extracción en la que se deberá esperar el doble de tiempo de digestión Extracción de lodos El diámetro mínimo de la tubería para la remoción de lodos será de 200 mm y deberá estar ubicado 15 cm por encima del fondo del tanque. Para la remoción se requerirá de una carga hidráulica mínima de 1,80 m Area de ventilación y cámara de natas Para el diseño de la superficie libre entre las paredes del digestor y el sedimentador (zona de espuma o natas) se tendrán en cuenta los siguientes criterios: El espaciamiento libre será de 1,0 m como mínimo. La superficie libre total será por lo menos 30% de la superficie total del tanque. El borde libre será como mínimo de 0,30 cm. 22

12 5.3.4 Area de ventilación y cámara de natas Lechos de secado de lodos Los lechos de secado de lodos son generalmente el método más simple y económico de deshidratar los lodos estabilizados (lodos digeridos), lo cual resulta lo ideal para pequeñas comunidades. 1) Carga de sólidos que ingresa al sedimentador (C, en kg de SS/día) C Qp SS Donde: SS: Sólidos en suspensión en el agua residual cruda, en mg/l. Q: Caudal promedio de aguas residuales. A nivel de proyecto se puede estimar la carga en función a la contribución percápita de sólidos en suspensión, de la siguiente manera: Pob Contribución percápita ( grss / hab. día) C 1000 En las localidades que cuentan con el servicio de alcantarillado, la contribución percápita se determina en base a una caracterización de las aguas residuales. Cuando la localidad no cuenta con alcantarillado se utiliza una contribución 24 percápita promedio de 90 gr.ss/(hab*día).

13 5.3.5 Lechos de secado de lodos 2) Masa de sólidos que conforman los lodos (Msd, en kg SS/día) Msd ( 0.5x0.7x0.5xC) (0.5x0.3xC) 3) Volumen diario de lodos digeridos (Vld, en en litros/día) Vld Msd lodo (% sólidos 100) Donde: ρlodo: Densidad de los lodos, igual a 1,04 Kg/l. % de sólidos: % de sólidos contenidos en el lodo, varía entre 8 a 12%. 3) Volumen de lodos a extrerse del tanque (Vel, en m3) Vld Td Vel 1000 Donde: Td: Tiempo de digestión, en días (ver tabla 2) Lechos de secado de lodos 5) Area del lecho de secado (Als, en m2) Vel Als Ha Donde: Ha: Profundidad de aplicación, entre 0,20 a 0,40m El ancho de los lechos de secado es generalmente de 3 a 6 m., pero para instalaciones grandes puede sobrepasar los 10 m. Alternativamente se puede emplear la siguiente expresión para obtener las dimensiones unitarias de un lecho de secado 6 : Rendimiento volumétrico del digestor (m3/# personas) Número de aplicaciones (años) profundidad de inundación(m) 3 m lecho habitante Considerando el numero de aplicaciones al año, verificar que la carga superficial de sólidos aplicado al lecho de secado se encuentre entre 120 a 200 Kg de sólidos/(m2*año). 26

14 5.3.5 Lechos de secado de lodos 5) Area del lecho de secado (Als, en m2) Medios de Drenaje El medio de drenaje es generalmente de 0,30 de espesor y debe tener los siguientes componentes: El medio de soporte recomendado esta constituido por una capa de 15 cm. Formada por ladrillos colocados sobre el medio filtrante, con una separación de 2 a 3 cm. llena de arena. La arena es el medio filtrante y debe tener un tamaño efectivo de 0,3 a 1,3 mm., y un coeficiente de uniformidad entre 2 y 5. Debajo de la arena se deberá colocar un estrato de grava graduada entre 1,6 y 51 mm (1/6 y 2 ) de 0,20 m de espesor. 28

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16 UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL CAPITULO V: TRATAMIENTO PRIMARIO SESIÓN 5.3: TANQUE SÉPTICO Ing. Omar E. Olivos Lara Tanque séptico Los tanques sépticos se utilizarán por lo común para el tratamiento de las aguas residuales de familias que habitan en localidades que no cuentan con servicios de alcantarillado o que la conexión al sistema de alcantarillado les resulta costosa por su lejanía. El uso de tanques sépticos se permitirá en localidades rurales, urbanas y urbanomarginales. Las aguas residuales pueden proceder exclusivamente de las letrinas con arrastre hidráulico o incluir también las aguas grises domésticas (generadas en duchas, lavaderos, etc.). El tanque séptico con su sistema de eliminación de efluentes (sistema de infiltración), presenta muchas de las ventajas del alcantarillado tradicional. No obstante, es más costoso que la mayor parte de los sistemas de saneamiento in situ. También requiere agua corriente en cantidad suficiente para que arrastre todos los desechos a través de los desagües hasta el tanque. 32

17 5.3 Tanque séptico Los desechos de las letrinas con arrastre hidráulico, y quizás también de las cocinas y de los baños, llegan a través de desagües a un tanque séptico estanco y herméticamente cerrado, donde son sometidos a tratamiento parcial. Tras un cierto tiempo, habitualmente de 1 a 3 días, el líquido parcialmente tratado sale del tanque séptico y se elimina, a menudo en el suelo, a través de pozos de percolación o de zanjas de infiltración. Muchos de los problemas que plantean los tanques sépticos se deben a que no se tiene suficientemente en cuenta la eliminación del efluente procedente del tanque séptico Objetivos del tanque séptico Uno de los principales objetivos del diseño del tanque séptico es crear dentro de este una situación de estabilidad hidráulica, que permita la sedimentación por gravedad de las partículas pesadas. El material sedimentado forma en la parte inferior del tanque séptico una capa de lodo, que debe extraerse periódicamente. La eficiencia de la eliminación de los sólidos por sedimentación puede ser grande, Majumder y sus colaboradores (1960) informaron de la eliminación del 80% de los sólidos en suspensión en tres tanques sépticos de Bengala occidental, y se han descrito tasas de eliminación similares en un solo tanque cerca de Bombay. Sin embargo, los resultados dependen en gran medida del tiempo de retención, los dispositivos de entrada y salida y la frecuencia de extracción de lodos (período de limpieza del tanque séptico). Si llegan repentinamente al tanque grandes cantidades de líquido, la concentración de sólidos en suspensión en el efluente puede aumentar temporalmente, debido a la agitación de los sólidos ya sedimentados. La grasa, el aceite y otros materiales menos densos que flotan en la superficie del agua formando una capa de espuma pueden llegar a endurecerse considerablemente. El líquido pasa por el tanque séptico entre dos capas constituidas por la espuma y los lodos. 34

18 5.3.1 tanque séptico La materia orgánica contenida en las capas de lodo y espuma es descompuesta por bacterias anaerobias, y una parte considerable de ella se convierte en agua y gases. Los lodos que ocupan la parte inferior del tanque séptico se compactan debido al peso del líquido y a los sólidos que soportan. Por ello su volumen es mucho menor que el de los sólidos contenidos en las aguas servidas no tratadas que llegan al tanque. Las burbujas de gas que suben a la superficie crean cierta perturbación en la corriente del líquido. La velocidad del proceso de digestión aumenta con la temperatura, con el máximo alrededor de los 35 C. El empleo de desinfectantes en cantidades anormalmente grandes hace que mueran las bacterias, inhibiendo así el proceso de digestión. El líquido contenido en el tanque séptico experimenta transformaciones bioquímicas, pero se tiene pocos datos sobre la destrucción de los agentes patógenos. Como el efluente de los tanques sépticos es anaerobio y contiene probablemente un elevado número de agentes patógenos, que son una fuente potencial de infección, no debe usarse para regar cultivos ni descargarse canales o aguas superficiales sin permiso de la autoridad sanitaria de acuerdo al reglamento nacional vigente Definiciones Aguas servidas: Son todas las aguas de alcantarillado ya sean de origen domésticos (aguas de las casas habitación, edificios comerciales, etc.) o industrial, una vez que han sido utilizadas por el hombre. Afluente: Líquido que llega a una unidad o lugar determinado, por ejemplo el agua que llega a una laguna de estabilización. Cámara o compartimiento: Compartimiento estanco, en que se divide el tanque séptico para mejorar el tratamiento de las aguas residuales. Caudal: Volumen de agua que pasa por un punto dado por unidad de tiempo. Se expresa normalmente en l/seg o m3/seg. Efluente: Líquido que sale de una unidad o lugar determinado, por ejemplo agua que sale de una laguna de estabilización. Lodos: Sólidos que se encuentran en el fondo del tanque séptico. Nata: Sustancia espesa que se forma sobre el agua almacenada en el tanque séptico, compuesto por residuos grasos y otro tipo de desechos orgánicos e inorgánicos flotantes. 36

19 5.3.2 Definiciones Sólido sedimentable: Partícula presente en el agua residual, que tiene la propiedad de precipitar fácilmente. Tanque séptico: Sistema de tratamiento de aguas residuales domésticas provenientes de una vivienda o conjunto de viviendas que combina la separación y digestión de lodos Consideraciones El ingeniero responsable del proyecto, debe tener en claro las ventajas y desventajas que tiene el emplear el tanque séptico para el tratamiento de las aguas residuales domésticas, antes de decidir emplear esta unidad en una determinada localidad. a) Ventajas Apropiado para comunidades rurales, edificaciones, condominios, hospiles, etc. Su limpieza no es frecuente. Tiene un bajo costo de construcción y operación. Mínimo grado de dificultad en operación y mantenimiento si se cuenta con infraestructura de remoción de lodos. b) Desventajas De uso limitado para un máximo de 350 habitantes. También de uso limitado a la capacidad de infiltración del terreno que permita disponer adecuadamente los efluentes en el suelo. Requiere facilidades para la remoción de lodos (bombas, camiones con bombas de vacio, etc.). 38

20 5.3.4 Principios de diseño Los principios que han de orientar el diseño de un tanque séptico son los siguientes: Prever un tiempo de retención de las aguas servidas, en el tanque séptico, suficiente para la separación de los sólidos y la estabilización de los líquidos. Prever condiciones de estabilidad hidráulica para una eficiente sedimentación y flotación de sólidos. Asegurar que el tanque sea lo bastante grande para la acumulación de los lodos y espuma. Prevenir las obstrucciones y asegurar la adecuada ventilación de los gases Diseño del tanque séptico 1) Periodo de retención hidráulica (PR, en días) PR log( P Q) Donde, P : Población servida. Q : Caudal de aporte unitario de aguas residuales, litros/(habitante * día). El periodo de retención mínimo es de 6 días. 2) Volumen requerido para la sedimentación (Vs, en m3) Vs 10 3 PQ PR 3) Volumen de digestión y almacenamiento de lodos (Vd, en m3) Vd 7010 P N Donde: N: Intérvalo deseado en años, entre operaciones sucesivas de remoción de lodos. 40 3

21 5.3.5 Diseño del tanque séptico 4) Volumen de lodos producidos 2 La cantidad de lodos producidos por habitante y por año, depende de la temperatura ambiental y de la descarga de residuos de la cocina. Los valores a considerar son: Clima calido 40 litros/habxaño Clima frió 50 litros/habxaño En caso de descargas de lavaderos u otros aparatos sanitarios instalados en restaurantes y similares, donde exista el peligro de introducir cantidad suficiente de grasa que afecte el buen funcionamiento del sistema de evacuación de las aguas residuales, a los valores anteriores se le adicionara el valor de 20 litros/habxaño. 5) Volumen de natas Como valor se considera un volumen mínimo de 0,7 m Diseño del tanque séptico 6) Profundidad máxima de espuma sumergida (He, en m) 0.7 He A Donde, A: Área superficial del tanque séptico en m2. 7) Profundidad libre de espuma sumergida Distancia entre la superficie inferior de la capa de espuma y el nivel inferior de la Tee de salida o cortina deflectora del dispositivo de salida del tanque séptico, debe tener un valor mínimo de 0,10 m. 8) Profundidad libre de lodo (Ho, en m) Ho A 9) Profundidad requerida para la sedimentación (Hs, en m) Vs Hs A 42

22 5.3.5 Diseño del tanque séptico 10) Profundidad de espacio libre (Hl, en metros)3 Comprende la superficie libre de espuma sumergida y la profundidad de lodos. Seleccionar el mayor valor, comparando la profundidad del espacio libre mínimo total (0,1+Ho) con la profundidad mínima requerida para la sedimentación (Hs). 11) Profundidad neta del tanque séptico La suma de las profundidades de natas, sedimentación, almacenamiento de lodos y la profundidad libre de natas sumergidas. 43 UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL CAPITULO V: TRATAMIENTO PRIMARIO SESIÓN 5.4: TANQUES DE SEDIMENTACIÓN PRIMARIA Ing. Omar E. Olivos Lara 44

23 5.4 Tanque de Sedimentación Primaria Siempre que un liquido que contenga SS se encuentre en estado relativo de reposo, los sólidos de peso específico superior al del líquido tienen tendencia a depositarse en y los de menor peso especifico tienden a ascender. La finalidad del tratamiento por sedimentación es eliminar los sólidos fácilmente sedimentables y del material flotante y, por lo tanto reducir el contenido de sólidos en suspensión en el agua Tanque de sedimentación primaria circular (Horan 2003) Tanque de sedimentación primaria Los tanques de sedimentación primaria contribuyen de manera importante al tratamiento del agua residual. Cuando se utilizan como único medio de tratamiento, su objetivo principal es la eliminación de: 1. sólidos sedimentables capaces de formar depósitos de fango en las aguas receptoras; 2. aceite libre, grasas y otras materias flotantes, y 3. parte de la carga orgánica vertida a las aguas receptoras. Cuando los tanques se emplean como paso previo de tratamientos biológicos, el cual es el caso del proyecto, su función es la reducción de la carga afluente a los reactores biológicos. Los Los tanques tanques de de sedimentación primaria dimensionados y operados de de manera manera eficiente pueden pueden eliminar eliminar entre entre el el y % de de los los sólidos sólidos suspendidos y entre entre el el y % de de la la DBO DBO

24 5.4 Tanque de sedimentación primaria Los tanques de sedimentación primaria que preceden a los procesos de tratamiento biológico, pueden diseñarse de forma que sus tiempos de retención hidráulica sean menores y tengan una carga de superficie más alta que los que se utilizan como único medio de tratamiento, excepto cuando el lodo activado en exceso se envíe a los tanques de sedimentación primaria para su mezcla con el lodo primario Fundamentos del Diseño Si todos los sólidos presentes en el agua residual fueran partículas discretas de tamaño, densidad, peso específico y forma uniforme, la eficiencia de eliminación de estos sólidos dependería solamente del área superficial del tanque y del tiempo de retención. En tal caso, suponiendo que las velocidades de circulación horizontales se mantuvieran por debajo de las de arrastre, la profundidad del tanque tendría poca importancia. Sin embargo, en la realidad, los sólidos de la mayoría de las aguas residuales no presentan características regulares debido a su naturaleza heterogénea. 48

25 5.4.1 Parámetros de diseño de sed. Prim. 1) Remoción de DBO y SS La Figura 5.4 se obtuvo a partir de observaciones realizadas a sedimentadotes en funcionamiento, y en ella se presenta información útil acerca de la eficiencia en la remoción de DBO y SST en tanques de sedimentación primaria, como función de la concentración del afluente y el tiempo de retención. La familia de curvas en la Figura 5.1 puede modelarse matemáticamente como una hipérbola regular usando la siguiente expresión: t R a bt R: porcentaje de remoción de DBO ó SST esperado, % t : tiempo nominal de retención, h a,b: constantes empíricas Valores de las constantes empìricias a y b ( Crites Tchobanoglous, 2000) Parámetro DBO SST a b Parámetros de diseño de sed. Prim. 2) Tiempo de retención Por lo general, los tanques de sedimentación primaria se proyectan para proporcionar un tiempo de retención entre 1.5 a 2.5 horas para el caudal medio del agua residual. Los tanques que proporcionan tiempos de retención menores (0.5 a 1 hr), con menor eliminación de sólidos suspendidos, se usan en ocasiones como tratamiento primario previo a las unidades de tratamiento biológico. En el análisis y diseño de tanques de sedimentación primaria, los efectos de la temperatura no suelen requerir atención especial. Sin embargo, en zonas de climas fríos, los incrementos de la viscosidad del agua producidos por las bajas temperaturas pueden retardar la sedimentación de las partículas y, consecuentemente, reducir la eficiencia del proceso de separación de sólidos cuando las temperaturas bajen de los 20 C. 50

26 5.4.1 Parámetros de diseño de sed. Prim. 3) Carga superficial Los tanques de sedimentación se suelen dimensionar en función de la carga de superficie, expresada en m3/m2. La adopción de una carga de superficie adecuada depende del tipo de suspensión que se deba sedimentar. La Tabla 5.4 presenta información típica para el diseño de tanques de sedimentación primaria. Los efectos de la carga de superficie y del tiempo de retención sobre la eliminación de sólidos suspendidos varían ampliamente en función de las características del agua residual, de la proporción de sólidos sedimentables y de la concentración de sólidos, principalmente. Información típica para el diseño de tanques de sedimentación primaria Parámetros de diseño de sed. Prim. 4) Velocidad de arrastre La velocidad de arrastre es importante en las operaciones de sedimentación. Las fuerzas actuantes sobre las partículas sedimentadas son causadas por la fricción del agua que fluye sobre las mismas. En los tanques de sedimentación, las velocidades horizontales se deben mantener a niveles bajos, de modo que las partículas no sean arrastradas desde el fondo del tanque. La velocidad crítica viene dada por la siguiente ecuación desarrollada por Camp, a partir de estudios realizados por Shields (1936): Los valores más comunes de k son 0.04 para arena unigranular, 0.06 para materia más agregada. El factor de Darcy-Weisbach depende de las características de la superficie sobre la que tiene lugar el flujo y del número de Reynolds, sus valores típicos están entre 0.02 y Tanto k y f, son constantes adimensionales. V H 8k ( s 1) gd f 1/ 2 Donde VH = velocidad horizontal mínima a la cual se inicia el arrastre de partículas. k = constante que depende del tipo de material arrastrado. s = peso específico de las partículas. g = aceleración de la gravedad. d = diámetro de las partículas. 52 f = factor de fricción de Darcy-Weisbach

27 5.4.2 Tipo de tanques de sedimentación La mayoría de las plantas de tratamiento utilizan tanques de sedimentación de diseño normalizado, rectangulares o circulares (Figura 5.2), con dispositivos mecánicos para la recolección y desalojo de lodos. El flujo horizontal predomina en los sedimentadores horizontales, a diferencia del flujo radial que ocurre en sedimentadores circulares. Los sedimentadores rectangulares (Figura 5.3) cuentan con barredores con cadenas o puentes móviles, para la recolección de lodos sedimentados. Figura 5.2 Tanque de sedimentación primaria circular (Horan 2003) Tipo de tanques de sedimentación Las espumas que se generan en los tanques de sedimentación son recolectadas por medio de desnatadores que se mueven sobre la superficie del líquido. En instalaciones donde la cantidad de espuma es considerable, los pozos para espuma están equipados con agitadores que promueven una mezcla homogénea antes del bombeo Figura 5.3 Tanque de sedimentación primaria rectangular (Horan 2003) 54

28 5.4.2 Tipo de tanques de sedimentación Las espumas que se generan en los tanques de sedimentación son recolectadas por medio de desnatadores que se mueven sobre la superficie del líquido. En instalaciones donde la cantidad de espuma es considerable, los pozos para espuma están equipados con agitadores que promueven una mezcla homogénea antes del bombeo Figura 5.3 Tanque de sedimentación primaria rectangular (Horan 2003) Tipo de tanques de sedimentación La Tabla muestra dimensiones y algunos otros datos típicos de los tanques de sedimentación primaria rectangulares y circulares Tabla Información típica para el diseño de sedimentadores primarios rectangulaes y ciruclares Tipo de tanque Intervalo Típico Rectangular: Profundidad (m) Longitud (m) Ancho (m) Velocidad de los rascadores (m/min) Circular: Profundidad (m) Diámetro (m) Pendiente de la solera (mm/m) Velocidad de los rascadores (r/min)

29 5.4.3 Criterios de Diseño Figura. Sedimentador (Planta y Corte Longitudinal) Criterios de Diseño Sed. Rectang. 1. Zona de entrada Estructura hidráulica de transición, que permite una distribución uniforme del flujo dentro del sedimentador. 2. Zona de sedimentación Consta de un canal rectangular con volumen, longitud y condiciones de flujo adecuados para que sedimenten las partículas. La dirección del flujo es horizontal y la velocidad es la misma en todos los puntos, flujo pistón. 3. Zona de salida Constituida por un vertedero, canaletas o tubos con perforaciones que tienen la finalidad de recolectar el efluente sin perturbar la sedimentación de las partículas depositadas. 4. Zona de recolección de lodos Constituida por una tolva con capacidad para depositar los lodos sedimentados, y una tubería y válvula para su evacuación periódica. 58

30 5.4.3 Criterios de Diseño Sed. Rectang. El periodo de diseño, teniendo en cuenta criterios económicos y técnicos es de 8 a 16 años. El número de unidades mínimas en paralelo es de dos (2) para efectos de mantenimiento. El periodo de operación es de 24 horas por día. El tiempo de retención será entre horas. La carga superficial será entre los valores de m3/m2/día. La profundidad del sedimentador será entre m. La relación de las dimensiones de largo y ancho (L/B) será entre los valores de 3-6. La relación de las dimensiones de largo y profundidad (L/H) será entre los valores de El fondo de la unidad debe tener una pendiente entre 5 a 10% para facilitar el deslizamiento del sedimento. La velocidad en los orificios no debe ser mayor a 0,15 m/s para no crear perturbaciones dentro de la zona de sedimentación. Se debe aboquillar los orificios en un ángulo de 15 en el sentido del flujo. La descarga de lodos se debe ubicar en el primer tercio de la unidad, pues el 80% del volumen de los lodos se deposita en esa zona. Se debe efectuar experimentalmente la determinación del volumen máximo que se va a producir. El caudal por metro lineal de recolección en la zona de salida debe ser igual o inferior a 3 l/s Criterios de Diseño Sed. Rectang. Se debe guardar la relación de las velocidades de flujo y las dimensiones de largo y altura. L V H V La sección de la compuerta de la evacuación de lodos (A2) debe mantener la relación. Donde t es el tiempo de vaciado. H S As H A t La ubicación de la pantalla difusora debe ser entre 0,7 a 1,00 m de distancia de la pared de entrada. 60

31 5.4.3 Criterios de Diseño Sed. Rectang. Los orificios más altos de la pared difusora deben estar a 1/5 o 1/6 de la altura (H) a partir de la superficie del agua y los más bajos entre 1/4 ó 1/5 de la altura (H) a partir de la superficie del fondo Diseño sedimentador primario 1) Volumen del sedimentador Q P. R. V f 24 El periodo de retención < > h 2) Área Superficial A Q Cs Donde, PR : Tiempo de retención (h) Q : Caudal medio (m3/d) f: factor multiplicador T: Temperatura del agua ( C) Donde, Cs : Carga superficial (m3/m2.d) Q : Caudal medio (m3/d) f 1.82 e Asumir PR= 2 horas La carga superficial < > m 3 /m 2.d Asumir CS= 40 m 3 /m 2.d 0.03T 3) Profundidad H CS PR 24 Donde, H : Profundidad del sedimentador (m) 62

32 5.3.5 Diseño sedimentador primario 4) Largo y ancho del sedimentador L B 1 10 Donde, L : Largo del sedimentador (m) B: Ancho del sedimentador (m) Asumir B/L= 4 El periodo de retención < > h 5) Velocidad de arrastre V HA 8k ( s 1) gd f k = 0.04 arena unigranular 1/ 2 k = 0.06 materia más agregada f = < > Donde VHA = velocidad horizontal mínima a la cual se inicia el arrastre de partículas. k = constante que depende del tipo de material arrastrado. s = peso específico de las partículas. g = aceleración de la gravedad. d = diámetro de las partículas. f = factor de fricción de Darcy-Weisbach Diseño sedimentador primario 6) Velocidad horizontal V H Q A H Q B H Donde, V H : Velocidad horizontal del flujo (m) B : Ancho del sedimentador (m) H: Profundidad del sedimentador (m) Comprobar que V H < V HA 7) Estimación de tasas de remoción t R a bt R: porcentaje de remoción de DBO ó SST esperado, % t : tiempo nominal de retención, h a,b: constantes empíricas Valores de las constantes empìricias a y b ( Crites Tchobanoglous, 2000) Parámetro a b DBO SST

33 5.3.5 Diseño sedimentador primario 8) Pantalla difusora A o n A a Q Vo 9) Vertedero de salida H L V 2 o o Q 1.84 B Q' V 2 3 Donde, Vo : Velocidad en los orificios (m/seg) Q : Caudal de diseño (m3/seg) Ao : Área total de orifícios (m2) Ao : Área de cada orificio (m2) n : número de orificios Donde, Q : Caudal de diseño (m3/seg) B : ancho del sedimentador (m) Q ' Q Donde, Q : Caudal de diseño (m3/h) V : carga de salida por el vertedero (10 m3/h/m) V < 5 26 > m3/h/m Vo= 0.1 m/s do= cm V= 10 m3/h/m Diseño sedimentador primario 10) Caudal de lodos producidos Donde, K C Q Q l C 1 C1 < 3 6 >% 9) Vertedero de salida H L V 2 Q 1.84 B Q' V 2 3 Ql : caudal medio de lodos producidos (m3/h) Q : Caudal de diseño (m3/h) K : coeficiente de reducción de SS en el sedimentador Ao : concentración de SS en el afluente al sedimentador (ppm o mg/l) C1 : concentración de sólidos en la salida del sedimentador Donde, Q : Caudal de diseño (m3/seg) B : ancho del sedimentador (m) Q ' Q Donde, Q : Caudal de diseño (m3/h) V : carga de salida por el vertedero (10 m3/h/m) V < 5 26 > m3/h/m V= 10 m3/h/m