SEDIMENTADORES. Sistemas de Abastecimiento de Agua Potable UNET Prof.: Ing. Martín Moros

Transcripción

1 SEDIMENTADORES Sistemas de Abastecimiento de Agua Potable UNET Prof.: Ing. Martín Moros

2 Generalidades Una vez floculada el agua, el problema radica en separar los sólidos del líquido, ósea, las partículas coaguladas, del medio en el cual están suspendidas. Esto se puede conseguir dejando sedimentar el agua o filtrándola, o ejecutando ambos procesos consecutivamente que es lo común. La sedimentación y la filtración por tanto deben considerarse procesos complementarios. Hasta que límite de turbiedad debe remover la sedimentación y que turbiedad debe entrar al filtro, es asunto de debate. Todo depende del trabajo que se quiera dar a cada proceso. Según el tipo de filtro que se use, puede ser más económico remover la mayor cantidad de sólidos en la sedimentación y sólo una mínima parte en la filtración o viceversa.

3 Tipos de sedimentadores de acuerdo al sentido del flujo Clasificándolos según el sentido del flujo, se tienen los siguientes: Sentido del flujo Tipo de sedimentación Rata de flujo Ejemplo ( m3 d.m 2) Horizontal 1 y 2 Desarenadores Vertical 2 y 3 Manto de lodos Inclinado (ascendente o descendente) 1 y 2 Decantadores con módulos o placas

4 Tipos de sedimentadores E Sedimentador de flujo horizontal Sedimentación tipo 2 S Sedimentación tipo 4 Clasificándolos según el sentido del flujo, se tienen los siguientes: Sedimentador de flujo inclinado ascendente S Sedimentación Sedimentación tipo 2 E tipo 3 60 Sedimentación tipo 4 Sedimentador de flujo vertical (manto de lodos) S S Sedimentación Sedimentación tipo 2 tipo 3 E Sedimentación tipo 4

5 Se consideran 3 casos: Decantación de partículas aisladas en un fluido en movimiento 1) Movimiento del fluido con velocidad horizontal constante: la partícula cae con velocidad (v) constante en trayectoria parabólica que resulta de la descomposición del vector en sus componentes horizontal (vh) y vertical (vs) o de sedimentación vs vh v 2) Movimiento del fluido con velocidad vertical constante : si vs > vv la partícula se mueve hacia abajo pero si vs < vv la partícula es arrastrada. Si vs = vv la partícula permanece en suspensión. Cuando las partículas están relativamente juntas se forma un manto de lodos y vv en la velocidad intersticial a través de la porosidad (p) del manto (va/p) donde va es la velocidad de aproximación vv vs 3) Movimiento del fluido de manera oblicua: dentro de las placas o celdas el flujo puede ser ascendente o descendente. En ambos casos la partícula se mueve con una velocidad constante en trayectoria parabólica con sistema de referencia inclinado

6 Sedimentadores de flujo horizontal Tanque de sedimentación ideal de Hazen y Camp. Desarrollado para una partícula crítica que cae a velocidad crítica [Q/A(planta)]. Toda partícula con velocidad mayor a la crítica es removida y la que no, escapa con el flujo. W L v s Q A Q H W Zona de entrada Zona de sedimentación Zona de salida H TRH L H W Q L vh Zona de lodos vh vs v

7 Sedimentadores de flujo horizontal

8 Sedimentadores de flujo vertical El agua entra directamente al fondo del tanque y asciende hasta las canaletas de recolección colocadas en la superficie del tanque. Se forma en la parte inferior del tanque un manto de partículas que se corresponde con los tipos de sedimentación 3 y 4, a través del cual pasa el flujo. En el mismo tanque se realiza la floculación en la parte inferior y la sedimentación en la parte superior. El manto se puede considerar como un filtro de flujo ascendente, en el que los granos de filtración son los coágulos floculados en la parte inferior del tanque que están suspendidos por la fuerza ascensional de fricción del flujo. El floc no conserva su peso específico, su tamaño o forma. Se establece régimen turbulento en el manto de lodos.

9 Sedimentadores de flujo vertical Su carga superficial de diseño oscila entre 60 y 120 m/d con tiempos de retención de 1 a 2 h. Requieren operación cuidadosa en especial cuando hay fuertes cambios de turbiedad y características químicas

10 Sedimentadores de flujo inclinado El fondo del decantador es inclinado. Su profundidad es muy baja (unos pocos centímetros) por lo que hay que construir un número considerable de celdas superpuestas para poder tratar los volúmenes de agua comunes en la práctica. El flujo es laminar en el decantador con Re < 500. Es necesario considerar el ángulo que hacen las placas con el horizonte para efectuar la descomposición vertical de las velocidades y hallar una expresión que asimile las cargas superficiales en los sedimentadores convencionales. X (vx) Cuando una partícula asciende con velocidad media v 0 arrastrada por el flujo entre dos placas planas paralelas que forman un ángulo con la horizontal, la velocidad resultante que determina la trayectoria de la partícula puede descomponerse en dos componentes vx y vy. Si Ѳ = 0, vy = vs e vy = l vx Ѳ e l

11 Sedimentadores de flujo inclinado Se emplean módulos de tubos circulares, cuadrados, hexagonales, octogonales, de placas planas paralelas, de placas onduladas o de otras formas, en tanques poco profundos con tiempos de retención menores de 15 minutos.

12 Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Rectangulares: flujo paralelo a la longitud del estanque Circulares: dosificación central, flujo radial desde el centro al perímetro externo. Otros tienen dosificación perimetral con flujo en espiral o flujo radial Cuadrados De placas planas De tubos De flujo ascensional Sedimentadores convencionales: De aproximadamente 3 m de profundidad, con pantallas de entrada y vertederos efluentes Mismo grado de clarificación que en sedimentadores convencionales pero con menor uso de terreno

13 Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentador simple

14 Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentador simple

15 Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentador simple (estructuras de salida)

16 Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentador simple (canaleta de agua decantada)

17 Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentadores circulares

18 Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentadores circulares

19 Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentadores de alta tasa

20 Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentadores de manto de lodos

21 Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentadores de manto de lodos

22 Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentadores de manto de lodos

23 Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentadores de manto de lodos

24 Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentador edospina Modelo A

25 Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentador edospina Modelo B

26 Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentador de Brno

27 Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Sedimentador Aquazur B de Degremont

28 Tipos de sedimentadores de acuerdo a la forma del tanque Accelator de Infilco

29 Divergencias entre el tanque ideal y real de sedimentación En la práctica no existen tanques ideales. Los intentos de comparar la eficiencia de diferentes tanques que trabajan a diferentes condiciones han sido poco satisfactorios. Es difícil correlacionar la capacidad de remoción de turbiedad con la carga superficial [Q/A(planta)] o con el periodo de retención. Interferencias en la sedimentación: Tipo de interferencia Causa Consecuencia Corrientes de densidad Corrientes térmicas ( T > 1 C/h) Cortocircuito superficial o cortocircuito de fondo Corrientes de concentración Giros de la masa de agua Corrientes eólicas Vientos que impulsan la masa superficial Desvíos del flujo superficial, oleaje (usar cortinas de arboles o cortavientos) Corrientes cinéticas Alteraciones hidráulicas en la entrada (alta velocidad de entrada) Obstrucciones en la zona de decantación Alteraciones de salida Flujos transversales en el tanque (la turbulencia puede extenderse bastante adentro del tanque) Turbulencias que levantan el floc Succión de partículas

30 Criterios de Diseño En aguas frías debe reducirse la carga superficial de diseño A mayor densidad de la partícula, se puede usar mayor carga superficial de diseño

31 Tiempo de retención: en sedimentadores convencionales para aguas provenientes de coagulación o ablandamiento, 2 4 h es suficiente para la filtración subsecuente. Si se prescinde de filtración el tiempo puede ser de hasta 12 h. En sedimentadores tubulares de alta tasa el tiempo puede ser de 3 6 min y en los de placas inclinadas de min. Criterios de Diseño Carga superficial: En tanques de sedimentación convencional, la carga superficial podría hacerse igual a la velocidad de asentamiento de las partículas que se desean remover. Sin embargo como no existen sedimentadores ideales, se acostumbra reducir la carga superficial y aumentar los tiempos teóricos de retención. Cargas superficiales típicas: Floc de hierro: 72 m3 m 2.d Sedimentadores convencionales: m/d Profundidad: los tanques muy profundos son muy costosos, en general son de 3 m

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35 Criterios de Diseño Unidad de entrada al sedimentador: se diseña para distribuir el agua uniformemente sobre la sección transversal del tanque, entre el floculador y el sedimentador. La velocidad en los canales debe estar entre 15 y 60 cm/s para evitar que el floc se rompa. El canal de entrada debe extenderse a lo ancho del tanque para asegurar una distribución uniforme sobre toda la sección transversal. La mejor localización de la pantalla difusora de entrada es a 2 2,5 m aguas abajo del muro de entrada. El tipo de distribuidor mas efectivo tiene distribuidos uniformemente orificios de 125 mm, con relación de abertura del 6 al 8 %, con relación longitud/ancho y ancho/profundidad de 4/1 y velocidad del flujo de 15 cm/s y perdida de carga de 2 3 mm.

36 Criterios de Diseño Unidad de salida del sedimentador: generalmente permite el control del nivel agua en el sedimentador. Las salidas pueden ser aberturas o vertederos sumergidos con control manual por válvulas que control el nivel a la entrada de los filtros. A menudo los vertederos de salida son en V, algunos con facilidades para ajustar verticalmente su altura y controlar el caudal de salida.

37 Criterios de Diseño Almacenamiento de lodos: los lodos por lo general se mueven hidráulicamente hacia una tolva de lodos de donde son extraídos mediante una tubería de desagüe de diámetro mínimo de cm. El tanque debe poder desocuparse en minutos, por lo que la tubería de desagüe y el caudal de lodos pueden calcularse con la siguientes formulas: S = A 4850t d Q = 0,61. S 2. g. d Donde: S = sección del desagüe (m 2 ), A = área superficial del sedimentador (m 2 ), t = tiempo de vaciado en horas, d = altura máxima del agua sobre la boca del desagüe (m), Q (m 3 /s). La velocidad del flujo en la tubería de desagüe debe ser mayor a 1,4 m/s. El tanque tendrá en el fondo por tanto una pendiente suave hacia la tolva de lodos, la pendiente longitudinal varía entre 2 y 3 % y la transversal entre 10 y 12 %, en todo caso las pendientes serán mayores de 0,4%. En general la pendiente más usada para el fondo de tanques rectangulares es del 1% y de 1,2/1 a 2/1 para las tolvas de lodos. Si se emplean mecanismos de arrastre de lodos, deben moverse lentamente, a menos de 0,5 cm/s y emplearse pendientes de 0,17%.

38 Criterios de Diseño Número de tanques sedimentadores: se determina mediante el caudal total, el grado de flexibilidad en la operación y la economía del diseño. Mínimo 2 tanques. Si hay varias unidades rectangulares adosadas, el costo mínimo se consigue cuando se cumpla la siguiente ecuación: a L =n+1 2n Donde: a = ancho de cada sedimentador L = longitud de cada sedimentador n = número de sedimentadores El ancho total n.a. En plantas grandes, el número de tanques lo determina el tamaño máximo posible de un solo tanque y la efectividad de la sedimentación

39 Criterios de Diseño Dimensiones generales: en tanques rectangulares se usa comúnmente una relación longitud/ancho entre 3/1 a 5/1. En general se prefieren tanques de menos de 75 m de longitud. Velocidad de arrastre del lodo sedimentado (resuspensión): puede calcularse a partir de la siguiente expresión: Va = 8β f g Ss 1 D Va = Velocidad de arrastre o velocidad horizontal del flujo (m/s) < 1,25 cm/s β = 0,04 0,06-0,1. Constante que depende del tipo de material sedimentado f = factor de fricción. 0,03 para arena. 0,02 0,03 Ss = densidad relativa de la partícula D = diámetro promedio de la partícula (m)