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• Joselin Kais

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Universidad de Oriente Núcleo de Anzoátegui Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas Tratamiento de aguas residuales Profesora Milena Amundarain Tema N° 2 Tratamiento preliminar En este tema se abordará las principales operaciones unitarias y sus funciones en su aplicación al tratamiento del agua residual, estas se emplean para la separación de sólidos de gran tamaño, sólidos suspendidos y flotantes, grasas y compuestos orgánicos volátiles, en la tabla 2.1 se muestran las operaciones más frecuente utilizadas en los proyectos de instalaciones de tratamiento de agua residual. 2. Eliminación de sólidos gruesos, arenas y grasas y aceites El sistema de pretratamiento es una estructura auxiliar que debe preceder a cualquier sistema de tratamiento, considerado como un tratamiento preliminar, que consiste en la eliminación de los constituyentes de las aguas residuales cuya presencia puede causar problemas de mantenimiento y funcionamiento de los diferentes procesos, operaciones y sistemas auxiliares. 2.1 Objetivos  Reducir sólidos en suspensión de distintos tamaños  Evitar la obstrucción de los conductos  Proteger los equipos  Evitar sobrecargas hidráulicas 2.2 Componentes de un sistema de pretratamiento En la figura 1 se muestra un esquema en donde se considera las unidades que complementan un sistema de pretramiento para un agua residual, que debe ser tomado en cuenta a la hora de un diseño de un sistema de tratamiento global, según sea el caso presentado, porque a veces tienen que considerar otras unidades, como ejemplo un separador de grasas - Canal de control de velocidades a Qmax = 0,9 m/s - Canal de control de gastos: desalojar el caudal que no puede ser tratado (vertederos) provocaría sobrecargas hidráulicas en el sistema de tratamiento, temporadas de lluvias

En las tablas 2.1 y 2.2, se muestran las diferentes unidades que pueden ser utilizada en la separación de sólidos gruesos y/o suspendidos, presente en un agua residual Tabla 2.1 Funciones de las diversas operaciones unitarios utilizados como pretratamiento en aguas residuales

Operación

Función

Desbaste grueso

Eliminación de sólidos gruesos por intercepción

Dilaceración

Trituración de sólidos remanentes después del desbaste grueso

Desarenado

Eliminación de arenas y gravas

Homogeneización del caudal

Homogeneización del caudal y cargas de DBO y sólidos en suspensión

Preaireación

Suministro de oxígeno disuelto

Floculación

Mejora de las características de sedimentación de los sólidos en suspensión

Sedimentación

Eliminación de sólidos sedimentables y materia flotante

Tabla 2. 2 Otras operaciones unitarias de eliminación de los sólidos

Operación o proceso

Función

Flotación

Utilizada en lugar de la sedimentación por gravedad o como unidad de tratamiento previo a la decantación primaria para mejorar la eliminación de sólidos suspendidos y flotantes

Precipitación química

Eliminación de sólidos coloidales y del fósforo

sedimentables

y

Control de olores

Eliminación de olores que emanan de las diversas instalaciones de tratamiento

Control de COVs

Utilizado para el tratamiento, destrucción o evacuación de gases que contienen COVs

2.1 Desbaste: El desbaste fue uno de los primeros métodos usado para remover los contaminantes grande presente en el agua residual. De hecho el principal propósito de muchos de las primeras plantas de tratamiento fue remover solo el contaminante visible. Todos los sistemas de tratamientos deberán estar provistos de un equipo de desbaste, operación tendiente a remover los sólidos voluminosos que son transportados por las aguas residuales, es el primer paso en el tratamiento de agua residual que consiste en la separación de los sólidos gruesos, en suspensión o flotantes, el tratamiento más habitual es pasar el agua residual bruta a través de rejas de barras, hay que proteger las instalaciones (bombas, difusores, etc), elimina o reduce las condiciones indeseables relacionadas con la apariencia estética de la planta de tratamiento, y obstrucciones en canales y tuberías, El desbaste permite separar y evacuar fácilmente las materias voluminosas arrastradas por el agua bruta, que podrían disminuir la eficacia de los tratamientos siguientes, o complicar la realización de los mismos. Objetivos -

Proteger las instalaciones que constituyen las obras de tratamientos, bombas, válvulas y otros equipos mecánicos Evitar la obstrucción de cañerías, canales, bombas, etc Eliminar o reducir sensiblemente las condiciones indeseables-apariencia, estética de la planta de tratamiento

Elementos extraños asociados al agua que requieren estos tratamientos: Arena (fina y gruesa), grava, piedra, trapos, papeles, ladrillos, metales, pedazos de madera, plásticos, etc. Alcance: Se debe definir el tipo de rejillas a utilizar, si será de limpieza manual o automática, las características de funcionamiento, las dimensiones de las rejillas y canales, sistema de manejo, transporte, almacenamiento y disposición final de los sólidos removidos y áreas necesario para ellos. 2.2 Medios de eliminación de sólidos a) Reja gruesa b) Reja mediana y fina (tamices) c) Trituradora El equipo tiene componentes como -

Rejillas consistente de barras metálicas paralelas, igualmente espaciadas, malla o láminas perforadas, su sección transversal puede ser cuadrada, rectangular, circular entre otras

-

Mecanismo para recoger la basura acumulada sobre la rejilla

-



Escurridero Transporte al almacenamiento Almacenamiento y disposición final

Rejas

Son dispositivos constituidos por barras o barrotes metálicas paralelas e igualmente espaciadas; pueden horizontales, verticales, Inclinadas ó curvas; fijas o móviles, por lo general es la primera unidad en una planta de tratamiento

Figura 1 Visualización en diferentes dimensiones de un sistema de reja A) Reja gruesa -Remueve objeto grandes: trozos de madera, ladrillos, papel, productos de higiene femenina, restos de vegetales, latas, materiales plásticos, y otros objetos que puedan pasar por los inodoros o por las aberturas de pozos de inspección de la red de alcantarillado; se emplean para proteger contra las obstrucciones a las bombas, válvulas equipos de aireación tuberías, desarenadores y otras partes de la planta los cuales se instalan después de la reja o trituradora. Se construyen con barras rectangulares o redonda espaciadas regularmente, colocada en un canal, la abertura puede ser de 60 a 100 mm e inclinada en ángulo de 45° a 60° con la vertical, su limpieza es suficiente una vez al día, si ocurren lluvias la frecuencia hay que aumentarla B) Reja mediana Se instalan en casi todas las plantas de tratamientos como única o auxiliar de un equipo triturador. Por lo general son de barras rectangulares espaciadas en el rango de 2,5 – 5 cm, inclinadas 60° con la horizontal, A medida que los sólidos van siendo retenidos por las rejas, el agua experimenta una dificultad mayor en atravesar este dispositivo, especialmente en las de finos, la limpieza de la reja será con la frecuencia necesaria a fin de prevenir inconveniente en el libre paso del líquido entre 2 a 5 veces al día C) Reja fina Abertura de 1 a 2,5 cm o menos, para desechos urbanos abertura mínima 2,5 cm, remueve de un 5 a 25% de sólidos suspendidos, de un 40 a 60 % se elimina por sedimentación por esta razón el uso de tamices no es muy normal su uso, debido que el atascamiento es muy frecuente, la

inclinación de la reja entre un 30 a 45° con la horizontal, las rejas mediana y fina se instalan a mayor ángulo que las gruesas. 2.3 Contenido de sólidos El material separado de rejas, rejillas es ofensivo, compuesto de sólidos orgánicos putrefascibles, hay que disponerlo de tal manera que no provoque condiciones sanitarias y estéticas indeseables en la PT y sus alrededores, disposición final relleno sanitario, cuando menor es la abertura libre del tamiz mayor será la separación de desechos a eliminar, en rejas con separaciones mayores a los 15 mm el material a separar consistirá en piedras, ramas, trozos de chatarra, raíces de árboles, trozos madera, papel, plásticos y trapos. En función de la forma en que se realiza la retirada de sólidos retenidos, las rejas se clasifican: -

Rejas de - Rejas de limpieza automática.



Rejillas de limpieza manual

limpieza

manual

Se emplean en pequeñas estaciones de bombeo de agua residual antes de las bombas, la limpieza de las rejas es una operación de mantenimiento de gran importancia, ya que la pérdida de carga aumenta a medida que crece el grado de obstrucción. Es recomendable evitar la colocación de rejas de limpieza manual por razones de mantenimiento y explotación. En estas los residuos recogidos deben ser eliminados de manera discontinua. El diseño tiene que definir la abertura entre las barras, su longitud no debe exceder de la que permita su correcta limpieza, las barras que conforman la reja no suelen exceder los 10 mm de anchura por 50 mm de profundidad 

Rejillas de limpieza mecánica

Requieren de un mantenimiento muy cuidadoso, se emplean si es sumamente necesario, el ángulo establecido de 60 a 90° con la horizontal, muy frecuente a 75°, depende del equipo empleado. Remoción de sólidos Remoción de sólidos

Rejas gruesas Rejillas o tamices

5 a 20 L/millón L A.R 20 a 50 L/millón L A.R

El material se transporta en carretillas, u otros dispositivos móviles, bandas transportadoras 2.3.1

Aspectos a considerar en un separador de sólidos

Remoción, transporte y disposición final de los desechos 1. Grado de remoción requerido 2. Salud y seguridad de los operarios 3. Requerimiento de manipulación, transporte y disposición Remoción de orgánicos por lavado Reducción del contenido de agua (presión) Disposición final (enterrarlos, disponerlos en la basura, incinerarlos 2.4 Consideraciones para el diseño del canal

Las obras de canalización deben ser diseñadas para asegurar un rango de velocidad adecuada y facilidad de acceso para el operador y movilización de la basura El canal de aproximación se dimensiona de tal forma que la velocidad del agua para el caudal medio sea del orden de 30 a 60 cm/s. A caudal máximo velocidad de paso a través de la reja menor a 0,9 m/s para evitar arrastre Pérdidas de carga máxima de diseño 30cm y no menor de 15 cm a través de las rejas Velocidad del agua gasto medio ≤ 60 cm/s Velocidad del agua a gasto máximo ≤ 90 cm/s El ancho mínimo de la rejilla será de 0,5 m cuando la profundidad del canal sea superior a 60cm, en caso contrario la rejilla podrá tener un ancho mínimo de 0,35m 

Inclinación de las barras

En las instalaciones de limpieza manual las rejas de barras generalmente son instaladas haciendo ángulo de 30 a 45 grado con la horizontal; en las mecanizadas este ángulo es establecido en función de las condiciones locales y de acuerdo al equipo empleado, por lo general es de 60 a 90 grado. El nivel de agua, aguas arriba de la reja es determinado por el nivel de agua de la unidad o canal subsiguiente y por la pérdida de carga en la reja, conocida la profundidad de aguas arriba, resulta el ancho total de la reja (ancho del canal), en instalaciones mecanizadas el ancho está condicionado al tipo padronizado de equipo, el cual varia 0,60 hasta 3,60 m, pudiendo ser considerado el empleo de rejas múltiples, las rejas mecánicas son suministradas con altura total desde 3 hasta 12 m 2.4.1 Dimensionamiento del canal de desbaste 2.4.1.1 Diseño de secciones hidráulicas.Se debe tener en cuenta ciertos factores, tales como: tipo de material del cuerpo del canal, coeficiente de rugosidad, velocidad máxima y mínima permitida, pendiente del canal, taludes La ecuación más utilizada es la de Manning o Strickler, y su expresión es:

Donde:

(Ec.2.1)

Q = Caudal (m3/s) n = Rugosidad A = Area (m2) R = Radio hidráulico = Área de la sección húmeda / Perímetro húmedo

NR 

VD





VD



(Ec.2.2)

Si se conoce o se estima ε, se puede conocer el valor correcto de f, para flujo totalmente turbulento a través de figura o la ecuación

1 f

 2 log

D  1,74 2

(Ec.2.3)

Si el flujo es de transición utilizar la grafica, y si es laminar, la rugosidad no interviene y se utiliza la siguiente ecuación o la gráfica

f 

64 NR

(Ec.2.4)

En donde f = coeficiente de rozamiento que depende del número de Reynolds, la rugosidad ε, tamaño de la tubería y otros factores. Ecuación de Hazen- Williams es muy utilizada para conducciones de agua y tuberías de impulsión de aguas residuales

Q  0,278CD 2,63 S 0,54

(Ec.2.6)

Donde: Q caudal en m3/s V= velocidad m/s C= coeficiente de rugosidad S= pendiente de la línea de carga m/m C = 130, para tubos muy lisos¸ C = 110, para acero nuevo roblonado, arcilla vitrificada 

Criterios de diseño.- Se tienen diferentes factores que se consideran en el diseño de canales, aunque el diseño final se hará considerando las diferentes posibilidades y el resultado será siempre una solución de compromiso, porque nunca se podrán eliminar todos los riesgos y desventajas, únicamente se asegurarán que la influencia negativa sea la mayor posible y que la solución técnica propuesta no sea inconveniente debido a los altos costos. Tabla 2.3 Valores de rugosidad “n” de Manning n

Superficie

0.020

Canales naturales de tierra, libres de vegetación.

0.011

Concreto muy liso.

0.013

Madera suave, metal, concreto frotachado.

Tabla 2.4

Relaciones geométricas de las secciones transversales más frecuente

2.4.2.- Calcular el ancho del canal en donde se ubicará la reja El canal donde se ubica la reja se debe proyectar de modo que se evite la acumulación en el mismo de arenas y demás materias pesadas, tanto antes como después de la reja. Para ello habrá que prestar especial atención a la pendiente y a la velocidad de aproximación del agua por el canal. La pendiente deberá ser horizontal o descendiente en la dirección de circulación a través de la reja, sin baches o imperfecciones en las que puedan quedar atrapados algunos sólidos. Preferiblemente el canal deberá ser recto y perpendicular a la reja, con la finalidad de conseguir una distribución uniforme de sólidos en el flujo y la reja. Para reducir al mínimo la decantación de sólidos en el canal, se recomiendan velocidades de aproximación superiores a 0,4 m/s. A caudales punta, la velocidad de paso a través de las barras no deberá ser superior a 0,9 m/s para evitar el arrastre de basuras a través de las rejas. La velocidad de paso a través de la reja debe ser suficiente para conseguir que la retención de las partículas sea máxima y la pérdida de carga mínima

B  W ¡    1b  w  b b  donde: W! = ancho del canal donde se colocará la reja B = Ancho del canal agua arriba de la reja

(Ec. 2.7)

b= separación entre barras

N° de barras =

(Ec.2.8)

w = ancho de las barras Longitud del canal

I = y/L

(Ec.2.9)

I= pendiente del canal y = desnivel, recomendaciones 7,5‰ y 15cm L = longitud del canal La longitud del canal amortigua el efecto del chorro emergente del colector y distribución uniforme a través de la sección transversal de la rejilla



Pérdida de carga en la reja

(Ec.2.10) Donde:

pérdida de carga cinética hv = v2/2g

hf = Pérdida de carga

v = velocidad de aprox en el canal de llegada a la reja mayor 0,4 y menor de 1,2 m/s β = factor de forma de la barra rectangular = 2,42 circular = 1,79 w = ancho de la barras Otra fórmula para calcular pérdida de carga en la reja Otra fórmula WPCF o denominada ecuación de Metcalf y Eddy

hf 

1  V 2  v2    0,7  2 g 

(2.11)

En donde: 0,7: coeficiente empírico que incluye los efectos de la turbulencia y de las pérdidas por formación de remolinos V: velocidad de circulación entre las barras de la reja (m/s) (0,5- 0,75 m/s) v: velocidad de aproximación a la reja (m/s) v = V * E (E = eficiencia) E = 0,6 – 0,85 E = relación entre el área libre y el área total del caudal g: aceleración de la gravedad (9,8 m/s2

2g = 19,62m/s2

hf = metros

Otras fórmulas que nos permiten calcular el ancho del canal y la profundidad donde se va a colocar la reja, merecen ser revisadas, son fórmulas empíricas que las proponen en cálculos encontrados en internet Cálculo del área útil del canal en la zona de la rejilla (m2) (sección útil de paso)

W1  B

b G    1   w  b  100 

Donde: W! = área útil del canal en la zona de la rejilla (m2) B = ancho del canal (m) b = separación entre barras (m) w = ancho de la barra (m) G = grado de colmatación (usualmente se adopta un valor de 30%) 

Cálculo de la profundidad en la zona de la rejilla

H  Q

bw G   1   Vp  w  B  100 

Donde: H = profundidad en la zona de la rejilla (m) Q = caudal de aguas residuales (m3/s) Vp = velocidad de paso entre la rejilla (m/s) La velocidad máxima permisible, algo bastante complejo y generalmente se estima empleando la experiencia local o el juicio del ingeniero. Máxima pérdida ≤ 0,76 m máxima de diseño 30 cm Longitud de la reja LR = h/senӨ en donde h es profundidad del agua Conociendo la abertura entre barras (b), así como el espesor w, se puede calcular el área total o sección de flujo aguas arriba de la reja W Hay que verificar también la pérdida de carga para el caso en que la reja quede a 50% “sucia”.

Tabla 2.5 Información típica para proyecto de rejas de barras de limpieza manual y mecánica (Metcalf & Eddy, 1995) Característica Tamaño de la barra: Anchura, mm Profundidad, mm Separación entre barras, mm Pendiente en relación a la vertical Velocidad de aproximación en la cámara de rejillas

Limpieza manual

Limpieza automática

5 – 15 25-37,5 25 – 50 25 – 50

5 – 15 25-37,5 15- 75 50- 82,5

(vc): 0,30 - 0,60 m/s Velocidad de paso entre las barras aprox. de la rejilla (vr): 0,60 - 1,2 m/s aprox. Guía de problemas 1.- Calcular el tamaño de una rejilla fina, de limpieza manual, para el canal de entrada y el caudal Qmd = 69 L/s. Vcanal = 0,6 m/s. Dimensiones del canal: 0,34 x 0,34 m y un borde libre de 0,35 m. La criba tendrá barrotes de 0,6 cm de ancho y 1,2 cm de separación; con una velocidad de paso en la rejilla de 0,8 m/s. 2.- En una PTAR dimensionada para una población futura de 75.000 habitantes y una dotación de 250 L/hab·día y que se diseña para un factor de punta de 2, se pretende diseñar el pretratamiento consistente de un sistema de reja con los siguientes valores: - Barrotes rectangulares - Separación de las barras en la reja: 2 cm - Espesor barras en la reja: 5 cm - Máximo atascamiento permitido: 30% a) Dimensionar los canales de entrada en cada línea en que se instalaran rejillas b) Pérdida de carga en la rejilla si se coloca con una inclinación de 70º con la horizontal 3. Una reja está inclinada 50° respecto a la horizontal. Las barras, de sección circular de 2 cm. de diámetro, están espaciadas 2,5 cm. Determinar la pérdida de carga que se produce en la circulación del agua a través de la reja cuando se trata de agua limpia con una velocidad de aproximación de 1 m/s y cuando la reja tiene un 80% de obstrucción

4.- Se va utilizar una reja de barras con aberturas de 2,5 cm para desbaste del agua residual que llega a la planta de tratamiento en un conductor circular, siendo diámetro igual a 1,25 m, n = 0,013, s = 0,00064. la capacidad máxima de transporte es cuatro veces el caudal medio en tiempo seco. Hallar el tamaño de las barras de acero que constituyen la reja, el número de barras de la misma y la pérdida de carga. Utilice barras rectangulares. 5. Una reja de barras es inclinada a 60° de la horizontal, las barras tienen un diámetro de 20 mm y un espaciado limpio de 25 mm. Determine las pérdidas cuando las barras están limpia y la velocidad de aproximación a la reja es de 1,0 m/s. Es esto un cálculo muy realista en términos de lo que realmente sucede en la planta de tratamiento. 6.- Para un caudal medio de 0,0708 m3/s y un factor punta de 3, diseñar una reja para separar los sólidos gruesos, asumir la pendiente del canal 0,005m/m, factor de Manning 0,014, y en el canal rectangular se debe colocar una reja cuyas características de las barras redondos son: ancho 10 mm, separación entre barras 50 mm, inclinación de la reja 60°, se requiere que la velocidad para el Qmax debe ser menor 1,2 m/s, Calcular a) ancho del canal y el número de barras, b) las pérdidas en la reja, c) cantidad de sólidos removidos sí para rejas gruesas la remoción de sólidos esta en el rango 5 a 20 L /millón L A.R

2. 5 Eliminación de arenas La eliminación de arenas se puede llevar a cabo en desarenadores o mediante la centrifugación de los lodos, forman parte de la segunda fase del pretratamiento, consistente en un proceso continuo de extracción del agua bruta de los sólidos en suspensión fácilmente decantables, como grava, arena y partículas minerales¸ Las arenas consisten en arena, grava, cenizas y otros materiales pesados con pesos específicos o velocidades de sedimentación superiores a los de los sólidos orgánicos putrescibles( residuos de comidas), presente en el agua residual, en donde se incluyen cáscaras de huevo, pedazos de hueso, semillas, granos de café. La composición de la arena es muy variable, con un contenido de humedad variable entre el 13 y el 65 % y un contenido volátil entre 1 y el 56 %. El peso específico de la arena limpia alcanza valores del orden de 2,7 si el contenido inerte es elevado, pero puede ser tan bajo como 1,3 si existe una importante cantidad de materia orgánica adherida a la materia inerte., la mayor parte de las arenas queda retenida en el tamiz número 100 ( correspondiente a 0,15mm) 2.5.1 Desarenadores En el desarenador, como lo indica su nombre, se remueven las partículas de arena y similares, que tienen un peso específico de cercano a 2,65 g/cm3 y tamaños superiores a los 0,15 mm de diámetro (e.g. cáscaras, semillas). Este tipo de partículas presentes, especialmente, en las aguas residuales urbanas y muy rara vez en las de tipo industrial, causan abrasión y daños en las tuberías y en otros equipos de la depuradora. La entrada de arena y de grava en las cloacas pública es un hecho inevitable Los desarenadores consisten, simplemente, en un ensanchamiento del canal de pretratamiento, en donde la velocidad del agua disminuye lo necesario para permitir la sedimentación de las partículas discretas, pero no lo suficiente para que se presente asentamiento de la materia orgánica. Su diseño está soportado, entonces, en las velocidades de sedimentación de las partículas que quieren removerse, las cuales son explicadas mediante las fórmulas de Stokes (flujo laminar), Newton (flujo turbulento) y Allen (régimen transitorio).

Los desarenadores se instalan para:  

Para proteger los elementos mecánicos móviles de la abrasión y el excesivo desgaste Reducción de la formación de depósitos pesados en el interior de las tuberías, canales y conducciones

 

Reducción de la frecuencia de limpieza de las unidades operacionales que la precede provocada por la excesiva acumulación de arena. Reduce la probabilidad de obstrucción en las tuberías, tanques, tolvas y simplifica la manipulación del lodo.

Generalmente se suelen colocar después del desbaste y antes de la sedimentación primaria, o forma parte de la unidad de rejas y hay que tener en cuenta el manejo, almacenamiento y disposición de la arena captada, en sistemas sanitario separado opera a velocidad max de 0,6m/s a sección llena, para una sedimentación parcial Vs = 0,30 m/s mucho material inorgánico permanece en suspensión; cuenta con medio para controlar la velocidad y tiempo de asentamiento entre ellos canaleta Parshall, vertederos proporcionales. Para una población de hasta 25000 habitantes tendrán por lo menos dos unidades de velocidad controlada con limpieza manual. Entre 25 000 a 100 000 habitantes se recomienda una manual y otra mecanizada, para ciudades grandes se recomienda desarenadores de limpieza mecánica

2.5.2 Dificultad de funcionamiento - Un exceso de material orgánico en la arena, como consecuencia de velocidades de flujo muy baja y largos tiempo de retención. Prevención y solución: reducir el área transversal del canal ocupado por el afluente; construyendo tabique longitudinales, reforzar o separar el vertedero de salida a fin de reducir proporcionalmente la profundidad del líquido, hasta que se normalice la Vs; disminuir el número de canales usado y reducir la longitud del canal, modificado la ubicación de los vertederos - Transporte de arena en el efluente: velocidad demasiada alta y tiempo de retención corto

2.5.3 Tipos de desarenadores - Rectangulares de flujo horizontal: para canales de sección rectangular o cuadrado - Aireados: en el agua residual se remueve la arena por causa del movimiento en espiral que realiza el agua residual - Vórtice - Hidrociclones Velocidades recomendadas en los desarenadores 0,30 m/s velocidad menor a 0,15m/s y tiempo de retención largo causan deposición de materia orgánica en las arenas; habrá que reducir el área transversal del canal ocupado por el efluente, o reducir la longitud del canal modificando la ubicación del vertedero¸velocidad mayor a 0,40 m/s y tiempo de retención corto arrastran hacia otras unidades arena que no conviene; habrá que extraer la arenas con mayor frecuencia, incrementar el número de canales o aumentar la sección transversal de los canales.  Desarenador de flujo horizontal: El agua a tratar pasa a través de la cámara en dirección horizontal y la velocidad lineal del flujo se controla con las dimensiones del canal, ubicando compuertas especiales a la entrada para una mejor distribución del flujo o utilizando vertederos de salidas con secciones especiales. Estas unidades se proyectan de modo que se mantenga una velocidad lo más cercana a 0,3 m/s y que proporcione suficiente tiempo para que sedimenten en el fondo del canal, las partículas de arenas, se diseñan en base a la carga superficial, que depende del tamaño de la partícula y de la temperatura del agua.

Debe proveerse cierta longitud adicional para tener en cuenta la turbulencia que se produce en la entrada y salida del canal; para lo cual se recomienda un incremento mínimo del 50% de la longitud teórica Tabla 2. Información típica para proyecto de desarenadores de flujo horizontal (Metcalf & Eddy) Características Tiempo de retención, s Velocidad horizontal, m/s Velocidad de sedimentación para la eliminación de: Malla 65, m/min Malla 100, m/min Pérdida de carga

Valor 45 – 90 0,24 – 0,40

Normal 60 0,3

0,95 – 1,25 0,60 – 0,90 30 - 40%

1,15 0,75 36 %

 Desarenador aireado Las arenas se remueven por causa de un movimiento en espiral que realiza el agua residual, debido a su masa las partículas de arenas se aceleran y abandonan las líneas del flujo hasta que alcanzan el fondo del tanque. Información típica para proyecto de desarenadores aireados (Metcalf & Eddy) Elemento Tiempo de retención a caudal máximo, min Dimensiones: Profundidad, m Longitud, m Ancho, m Relación ancho: profundidad Relación longitud-ancho Suministro de aire, m3/min.m de longitud Cantidad de arena, m3/106m3



Valor 2–5 2–5 7,5 – 20 2,5 – 7 1,5:1 4:1 0,18- 0,45 4,0 – 195,0

Desarenador tipo vórtice

Consiste en un tanque cilíndrico el cual ingresa el agua a tratar en forma tangencial creando un vórtice dentro del cilindro

Ventajas y desventajas de los diferentes tipos de desarenadores

Tipo desarenador Desarenador aireado

Desarenador vórtice

de

de

Ventajas Misma eficiencia para una amplia variación del flujo diferente Pérdida de carga mínima al pasar por el desarenador Controlar la tasa de aireación permite remover una baja cantidad de materia orgánica putrefacta Puede ser utilizado para mezcla química, preaereación y floculación después del tratamiento primario. Es sencillo controlar la tasa de aireación una vez que se haya instalado el sistema

Desventajas

Efectivo para variaciones de flujo No hay equipo sumergido que necesiten de mantenimiento Remoción de un alto porcentaje de partículas finas Espacio reducido

Diseño patentado

Puede general malos olores Se requiere mantenimiento al sistema de aireación Consumo de energía elevado

Costo de equipo

adquisición

Las paletas puede recoger trapos y basura que destruyan el mecanismo de funcionamiento Se puede saturar el colector de arena e impedir el correcto funcionamiento

Desarenador de flujo horizontal

Necesita de limpieza supervisión continua No necesita de un diseño complejo Es difícil mantener que dificulte su construcción. velocidad de flujo óptima

Generalidades sobre sedimentación discreta

Con un control adecuado del flujo, no se necesita hacer una clasificación posterior de los residuos

2.2.1.- Expresiones de velocidad de sedimentación 

del

Partículas discretas con caída libre

Si no se controla el tanque remueve cantidades de materia requiriendo lavar los y clasificarlos

y la

flujo, el grandes orgánica residuos

2.2.-

El fenómeno de sedimentación de partículas discretas por caída libre, también denominado en soluciones diluidas, puede describirse por medio de la mecánica clásica. En este caso, la sedimentación es solamente una función de las propiedades del fluido y las características de las partículas según se demuestra a continuación. Imaginemos el caso de una partícula que se deja caer en el agua. Esta partícula estará sometida a dos fuerzas: fuerza de flotación que es igual al peso del volumen del líquido desplazado por la partícula (Principio de Arquímedes), y fuerza gravitacional (FG). El fundamento para la sedimentación de partículas discretas es la LEY DE NEWTON, que se basa en la suposición de que las partículas son esféricas con diámetros homogéneos. De la acción de ambas fuerzas tenemos la fuerza resultante, que será igual a la diferencia de estos dos valores y estará dada por: Fi = fuerza resultante o fuerza de impulsión Arrastrada por esta fuerza (Fi), la partícula desciende con velocidad creciente, pero a medida que baja, la fricción que el líquido genera en ella crea una fuerza de roce definida, en la figura nos presenta una partícula esférica con los diferentes componentes:

Fi = Fuerza de impulso = peso efectivo de la partícula. Fi = Fg

-

FF

FG = ρSgV = Fuerza de gravedad. FF = ρLgV = Fuerza de flotación (Principio de Arquímedes). FD = Fuerza de resistencia. Fi = ρS gV - ρLgV = FD = CD A L (Vs2 / 2) Donde: ρS = densidad de la partícula. ρL = densidad del líquido. g = gravedad. V= volumen de la partícula. CD = coeficiente de arrastre de Newton.

gV (ρS – ρL)

(4.1) (4.2)

A = área transversal de escurrimiento (área proyectada de la partícula). Vs = velocidad relativa entre la partícula y el fluido. D = diámetro de la partícula Igualando FS con FD Es decir igualando la fuerza de impulso Fi (peso específico de la partícula) con la fuerza de resistencia o fricción FD. gV(ρS - ρL) = CD A L (Vs2 / 2) despejando velocidad

LEY DE NEWTON

(4.5)

Para partículas esféricas, el coeficiente de fricción CD está relacionado con el número de Reynolds. CD = f (NR); NR =ρL d VS/L ; µ L = Viscosidad cinemática (=) masa/longitud tiempo. Hay que introducir un factor de forma = ᵩ toma valores de 0,5 a 0,8 Para régimen laminar, transición y turbulento se tiene las expresiones respectivamente

CD 

24 NR

CD 

24  NR

3 NR

 0,34

Régimen transición

C D  0,34 donde: ρL = densidad del líquido. µL = viscosidad del líquido. d = diámetro de la esfera. VS = velocidad final (velocidad de sedimentación). En general, para el coeficiente CD se puede obtener una aproximación con la fórmula siguiente: CD = b/NRn ; Donde b y n son coeficientes En la Tabla 4.1 se presentan valores de CD para diferentes zonas de flujo. Tabla 4.1.- Valores de CD para diferentes zonas de flujo.

ZONA

b

N

CD = b/NRn

24

1.0

CD = 24/NR

18.5

0.6

CD = 18.5/NR0.6

0.4

0.0

CD = 0.4

Ley de Stokes NR < 2 Transición 2 > NR < 500 Newton NR > 500 Muchos problemas de sedimentación en los tratamientos de aguas residuales se presentan en la zona de Stokes.

Sustituyendo CD = 24/NR y NR = ρL d VS/ µ L en la ecuación (4.5) de velocidad de sedimentación (Ley de Newton) tenemos:

2.2.2.- Sedimentación de flujo continuo y con partículas discretas Consideraciones: 1.- Respecto al funcionamiento Flujo constante y concentración es uniforme a través de la sección transversal de la unidad, partículas de un mismo tamaño 2.- Que las partículas alcance el fondo sedimentan sin interferencia Respecto a la dinámica de fuerza: que el camino recorrido por las partículas que se asientan están definido por la suma de vectores Vs = velocidad vertical Vh = velocidad horizontal Vh = Q/A transv

Parámetro de diseño 

En estanque de flujo horizontal

Para sedimentación discreta, la velocidad de sedimentación, representada por los vectores V S y V1 no varía a lo largo de sus trayectorias respectivas. Esto es debido a que una partícula discreta no presenta procesos de coalescencia, de tal manera que se sedimenta con velocidad uniforme. Figura 4.2 Geometría de la zona de sedimentación

La velocidad de paso viene dada por la ecuación: V = Q/A’ = Q/WH Donde: V = velocidad de paso (m/s). Q = caudal (m3/s). A’ = área de sección vertical de la zona de sedimentación: A’ = WH (m2) (ver Figura 4.4). W = anchura de la zona de sedimentación (m). H = altura de la zona de sedimentación (m). Consideración de triángulos semejantes en las figuras 4.2 y 4.3 nos dan las siguientes relaciones: De la Figura 4.2: V/Vs =L/H

(4.10)

V/L= Vs/H

(4.11)

De la Figura 4.3: V/V1 =L/h

(4.12)

V/L= V1/h

(4.13)

Comparando las ecuaciones (4.11) y (4.13): V/L= Vs/H con V/L= V1/h VS/H = V1/h

(4.14)

VS/V1 = H/h

(4.15)

Recordemos que la velocidad de paso viene dada por la ecuación (4.9): V = Q/A’ ; Q=VA’ ; A’ = WH

Q=VWH

(4.16)

De la ecuación (4.11) V/L = Vs/H despejamos al V ; V = LVS/H y sustituyendo en Q tenemos Q = (LVS/H) WH = LVSW

(4.17)

De la Figura 4.4 ; A = LW = área de la sección horizontal de la zona de sedimentación Q = VSA VS = Q/A

(4.18) FLUJO ESPECÍFICO O FACTOR DE CARGA

(4.19) Aquí se observa que el rendimiento de la sedimentación es función del área de la sección horizontal, más que de la profundidad H. Por tanto es conveniente utilizar tanques de sedimentación de gran área superficial A y pequeña profundidad. 

Las razones para utilizar una profundidad razonable son:

1.- Satisfacer los requisitos para disponer rascadores mecánicos para retirar los lodos sedimentados. 2.- Para que la velocidad de paso V se conserve dentro de ciertos límites para evitar el arrastre de las partículas que se han depositado. 3.- El arrastre ocurre cuando la velocidad de paso V es suficiente para hacer pasar a suspensión las partículas previamente depositadas, esto no es normalmente un problema en los grandes depósitos de sedimentación, pero puede ser un factor importante en los desarenadores y en los canales estrechos. Si H es demasiada baja Velocidad aumenta por encima de la velocidad de arrastre

2.2.3.- Variables que afectan el proceso de sedimentación que no están incluidas en la teoría 

Corrientes de densidad (Térmicas, de concentración)



Corrientes debido al viento



Corrientes cinéticas alteraciones a la entrada, obstrucciones de la sedimentación alteraciones a la salida

 Corrientes de densidad Corrientes que se producen dentro del tanque por efecto de la diferencia de densidad en la masa de agua -

Corrientes térmicas se producen cuando existe un cambio de temperatura mayor a 1°C por hora

-

Corrientes de concentración diferencias en la concentración de partículas suspendidas en las distintas masas de agua, los cuales suelen crear fuerzas más importantes que las térmicas.

 Corrientes debido al viento

El viento, al soplar sobre la superficie de los sedimentadores, puede producir corrientes de suficientes intensidad, como para inducir cambios en la dirección del flujo y alterar el equilibrio de las masas de aguas.  Corrientes cinéticas -

Alteraciones en la zona de entrada

Pueden deberse a un a velocidad excesiva del flujo en la entrada del sedimentador, o a que los orificios sean muy grande y el movimiento de las paletas del floculador sea tal, que comunica demasiada energía al flujo. Al no haber disipación de energía en el tabique divisorio, las masas de agua entran con diferentes gradientes de velocidad, creando turbulencia que pueden extenderse en el tanque. Distribución desigual del flujo a la entrada del sedimentador , orificios de diferentes diámetro o algunos obstruidos , los tabiques que dejan pasar el agua solamente por el fondo -

Obstrucción en la zona de sedimentación

Construcción de columnas o vigas que puedan quedar sumergidas en el agua bajan la eficiencia de los sedimentadores. -

Alteraciones en la salida

Distribución desigual del agua en la zona de salida es la más frecuente. Las canaletas mal niveladas o impropiamente diseñadas, inducen zonas muertas que in utilizan grande áreas del tanque 2.2.4.- Factores que hay que tomar en cuenta en el diseño de las zonas de sedimentación -

Carga superficial

-

Período de detención y profundidad

-

Forma de los sedimentadores

-

Velocidad horizontal de escurrimiento y relación largo profundidad

-

Números de unidades

2.2.4.1.- Carga superficial Viene siendo la velocidad crítica mínima de sedimentación Q/A, que se espera que en promedio tenga un cierto porcentaje (70-98%) de las partículas de la suspensión y depende de: -

De la calidad del agua cruda (color, turbiedad)

-

Peso y grado de hidratación del floc.

-

Forma y tipo de sedimentador que se adopte

-

Cuidado en el control del proceso

-

Coagulante que se usen

-

Grado de eficiencia que se desee

Los flóculos de sulfatos de aluminio sedimentan con una velocidad comprendida entre 0,015 y 0,070cm/s, o sea entre 13 y 60 m/día. Por lo tanto la carga superficial debiera varía entre 13 y 60 m3/m2/día

2.2.4.2.- Período de detención y profundidad Es el tiempo máximo que la partícula con la mínima velocidad de sedimentación escogida, tarda en llegar hasta el fondo. Por lo tanto, es directamente dependiente de la profundidad del tanque. En los sedimentadores horizontales que trabajan con régimen turbulento (NR2000 a 200000) no pueden construirse con profundidades muy pequeñas, las profundidades varían entre 3,0 a 5,0 m y con mucha frecuencia 3,5 a 4,4 m. 2.2.5- Tipo de sedimentadores  Sedimentadores de flujo horizontal La sedimentación con flujo horizontal se hace en tanques rectangulares o circulares, en los cuales la masa líquida se traslada de un punto a otro con una velocidad Vh , mientras las partículas caen con una velocidad Vs.  Forma de sedimentadores a) Rectangulares b) Circular Rectangulares la relación ancho largo varía entre 1-2,5 y 1-10 y más frecuente entre 1-4 y 1-5  Velocidad horizontal y relación largo profundidad de la zona de sedimentación En sedimentadores rectangulares la velocidad horizontal produce dos efectos a) Ayuda a la floculación de los sólidos suspendidos dentro del decantador, promoviendo el choque entre ellos aumentando la proporción de partículas hacer removida b) Arrastra y resuspende los flóculos ya sedimentados Por lo tanto es conveniente que la velocidad horizontal sea bastante alta como para que se estimule la floculación sin llegar a perjudicar la eficiencia del proceso. Ahora bien si Q es el flujo que entra al sedimentador Vsc es la velocidad crítica ( carga superficial ) y Vh es la velocidad horizontal

Q  Vsc  Ah Q  Vh  Av Ah  a  L Av  a  h

L Vh  h Vsc A igualdad de carga superficial la relación L/h determinará la velocidad horizontal Vh En la práctica se usa la relación 5:1 ≤ L/h≤ 25:1 d) Número de unidades En todas las plantas debe haber por lo mínimo dos unidades de sedimentación Zonas de un tanques de sedimentación

 Zona de entrada El propósito de las estructuras de entrada es a) Distribuir el afluente tan uniformemente como sea posible en toda el área transversal del sedimentador b) Evitar chorros de agua que puedan provocar movimientos rotacionales de la masa líquida, u otras corrientes cinéticas c) Disipar la energía que trae el agua d) Evitar altas velocidades que puedan perturbar los sedimentos del fondo Es conveniente que las velocidades de entrada no sean en lo posible mayores a 15 cm/s 

Zona de salida

Si la componente ascensional Vu de la velocidad es mayor que la Vs, la trayectoria de la partícula es una parábola ascendente y, por lo tanto, tiende a ser arrastrada por el flujo. Debe tenerse en cuenta que el tamaño específico del floc que llega al final del sedimentador es por lo general pequeño y su velocidad Vs es baja, de forma que aún perturbaciones de pequeña escala pueden crear un componente vertical que levante los flóculos.

Vu es proporcional a la carga unitaria del vertedero por unidad de longitud de forma que esta debe conservarse dentro de ciertos límites. La longitud del vertedero de salida debe ser tal que el gasto este comprendido entre 6 y 12 m3/h ( 1,67- 3,3 L/s) por metro de vertedero. Para floc liviano deben preferirse los valores bajos 6- 9 m3/h ( 1,67-2,5 L/s) por metros de vertederos, para floc pesados los altos 9- 12 m3/h ( 2,5- 3,3 L/s) metros de vertederos.  Estructuras de salidas Vertederos de rebose (Lisos y dentados) Canaletas de rebose (Lisas, dentadas Orificios (Circulares, cuadrados) Hidráulicas de la zona de salida Cuando la salida se hace por orificios, generalmente estos se encuentran sumergidos y, por lo tanto, se puede calcular el caudal con la fórmula

Q  C  A  2 gh Donde: A = área del orificio (m2) Δh = pérdida de carga en el orificio o diferencia de nivel en (m) C = coeficiente que varía entre 0,6 y 0,8 Cuando se usan canaletas de recolección, estas pueden trabajar con descarga libre o sumergida  Zona de lodos Los lodos se depositan en el fondo del sedimentador de manera desuniforme. Entre el 60 a 90% queda almacenado al comienzo del mismo, en el primer tercio de su longitud 1 gramo de Al3+ produce 240 ml de floc 1 gramo de Fe3+ produce 125 ml de floc 1 g de Al3+ y Fe3+ produce entre 100 a 300 ml de floc sin compactar 2.2.6.- Decantadores de placas Son más efectivos, eficiente, económicos, se asemejan a las pruebas de jarras Fórmulas de cálculos En sedimentadores horizontales Ө = 0 Vsc  V y 

Q A

En sedimentadores inclinados

En este caso Vsc 

Ө = Ө ≡ V sc 

Q A

Vy cos 

Fórmula Yao

Vsc 

V0 sen  L cos

2.3 Velocidad de arrastre: Es importante en los tanques de sedimentación, ya que la velocidad horizontal debe mantenerse a niveles bajos, de modo que las partículas no sean arrastradas desde el fondo del tanque, la velocidad crítica viene dada por la ecuación:

donde : VH = velocidad horizontal mínima a la que se inicia el fenómeno de arrastre K = constante que depende del materia, para arena = 0,04 δ = peso específico de la partícula g = aceleración de la gravedad d = diámetro de la partícula f = factor de fricción 0,02- 0,03 La carga superficial por sí sola no es un criterio de diseño que permita predecir la eficiencia del tanque de sedimentación en la remoción de sólidos sedimentables. Existen una serie de consideraciones sobre las precauciones que se deben tener en el diseño de las zonas de entrada y de salida en un tanque de sedimentación, sobre la profundidad mínima que debe tener el tanque y sobre su forma y tamaño., además hay que recordar que las variaciones bruscas e la temperatura del agua, así como las características del agua residual pueden afectar considerablemente la eficiencia del tanque en la remoción de sólidos sedimentables. Las zonas de entrada y salida deben diseñarse en tal forma que no produzcan turbulencia, que efectivamente distribuyan todo el caudal de una manera uniforme y que no generen corrientes de velocidad o zonas de cortocircuitos. Para tanque de sedimentación primario, con remoción mecánica de lodos se recomienda una profundidad mínima de 2,0 m que al combinarse profundidad con la carga superficial se produzca un tiempo de retención entre uno a dos horas, la longitud mínima del tanque no debe ser inferior a 4,0 m, la velocidad de desplazamiento horizontal puede variar entre 0,3 y 0,6m/s El área superficial será determinada en base a la rata de desbordamiento superficial, la profundidad útil se calculará en base al tiempo de retención, la profundidad total no será inferior a 2,0 m

3.- ELIMINACIÓN DE GRASAS Y ACEITES EN AGUAS RESIDUALES

3.1 Desaceitado. Desengrase Los problemas de desaceitados y de desengrase en aguas residuales son de varios tipos - Desaceitados de aguas de superficie, antes de su tratamiento Tiene por objeto separar aceites libres, con el fin de evitar que sean arrastrados hasta la estación de tratamientos - Desengrase de aguas residuales urbanas, antes de su vertido al alcantarillado Este tratamiento se impone a numerosas empresas artesanales, restaurantes, colectividades; se utilizan separadores de grasas - Desengrase como pretratamiento en una estación depuradora de agua residual urbana -

Desaceitado de aguas residuales de refinería de petróleo y petroquímicas

Estas aguas residuales contienen cantidades variables de hidrocarburos en estado libre, disueltos en parte o emulsionados en mayor o menor grado; un desaceitado completo exige un tratamiento en dos etapas - Predesaceitado por operación física, por gravedad, sin adición de químicos - Desaceitado final (flotación por aire disuelto, filtración, coalescencia) utilizando reactivos ( coagulación con sales metálicas o poli electrólitos cationicos) - Desaceitado de aguas condensadas, para la reutilización en una caldera 3.2 Bases teóricas para un proceso de flotación Proceso para separar sólidos de baja densidad o partículas líquidas de la fase líquida, En la flotación interviene la diferencia entre la masa volumétrica de los sólidos o flóculos y la del líquido en que se encuentran en suspensión. Sin embargo, contrariamente a lo que ocurre en la decantación, este proceso de separación sólido–líquido únicamente se aplica a partículas que tienen una masa volumétrica real (flotación natural) o aparente (flotación provocada) inferior a la del liquido que la contiene. En la flotación provocada, se aprovecha la capacidad que tienen ciertas partículas sólidas o líquidas para unirse a burbujas de gas (generalmente, aire) y formar conjuntos partícula–gas menos densos que el líquido que constituye la fase dispersa. La resultante de las fuerzas (gravedad, empuje de Arquímedes, fuerza de resistencia) conduce a un desplazamiento ascendente de los conjuntos partícula, gas que se concentran en la superficie libre del líquido. Para que sea factible la flotación de partículas sólidas o líquidas más densas que el líquido, es preciso que la adherencia de las partículas a las burbujas de gas sea mayor que la tendencia a establecer un contacto entre las partículas y el líquido. Este contacto entre un sólido y un líquido se determina mediante la medida del ángulo formado por la superficie del sólido y la burbuja de gas La velocidad de ascenso de la gota de aceite Vg se determina de la ley de Stokes

Vg  gd 2  agua   aceite / 18 agua Donde: g= aceleración de gravedad d = diámetro de la gota ρ = densidad η = viscosidad dinámica

Objetivos  Separar grasas, aceites, fibras y sólidos de menor densidad, tienen tendencia a flotar  Espesamiento de lodos procedentes de procesos de lodos activados  Espesamiento de lodos floculados químicamente, a las industrias cuyas aguas residuales contienen contenido importante de alta concentración de sólidos finamente dividido  Ventajas sobre la sedimentación, permite eliminar mejor y en menor tiempo las partículas pequeñas y ligeras cuya deposición es lenta. 3.2.1.- Tipos de flotación 

Flotación natural: cuando la masa volúmica de las partículas que se quieren eliminar son menores a la del agua; se emplea frecuentemente para predesaceitado de aguas de refinerías, laminación, etc. Figura 3 Trampa de separación de grasa simple



Flotación provocada: se produce por fijación artificial de burbujas de aire o gas sobre la partícula a eliminar, confiriéndole así una masa volúmica inferior a la del agua

Flotación por aire disuelto Inyección de aire en el líquido sometido a presión de varias atmósferas y posterior liberación de la presión a que está sometido el líquido, ejemplo las industrias papeleras, separación de aceites, floculados o no, en aguas residuales de refinerías, aeropuertos, metalurgia, espesamiento de lodos activados, separación de pigmentos Flotación por dispersión de aire: en realidad es una flotación natural pero mejorada por inyección, en el seno de la masa líquida, de burbujas de aire de algunos milimitros de diámetro.se introducen

directamente en la fase por medio de turbinas, difusores sumergidos, ejemplo metalúrgica

Industrias

Saturación con aire a la presión atmosférica seguida de la aplicación del vacío ( flotación por vacío) 3.2.2 Componentes básicos de un sistema de flotación por aire o gas disuelto 1.- Bomba de presurización 2.- Sistema de inyección de aire 3.- Tanque de retención 4.- Válvula reductora de presión 5.- Tanque de flotación Funcionamiento La fase líquida se somete a un proceso de presurización hasta alcanzar presiones de 2-6 atm, hasta saturar el agua de aire, luego se despresuriza a través de una válvula reductora hasta 1 atm, en la cámara de flotación, los sólidos en suspensión o partículas líquidas (aceites, petróleo) flotan hacia la superficie y el líquido clarificada puede separarse cerca del fondo y parte reciclarse Para ayudar a la flotación por lo general se agrega aditivos químicos (sales de hierro, o alúmina y diversos polímeros orgánicos Figura 3.2 Esquema de un sistema de flotación por aire disuelto

El principio de operación del proceso de flotación depende del método empleado para producir pequeñas burbujas de aire o gas que son generadas por: - Descompresión de una corriente de agua presurizada con aire o gas disuelto - Mediante el uso de inyectores utilizando aire o gas inducido

3.3.- PARÁMETROS DE PROYECTOS Los proyectos de sistemas de flotación por aire disuelto dependen de la concentración de partículas suspendidas, cantidad de aire a utilizar, unidad de saturación, velocidad ascensional de las partículas, tasa de aplicación y tratamiento químico y carga de sólidos. Es posible que otras características —como el tamaño y la distribución de tamaños de las partículas puedan influir en la eficiencia de la flotación, pero ello todavía necesita ser investigado.  Relación aire–sólidos Nos permite calcular la relación entre la masa de aire liberado por despresurización y la carga de sólidos en el afluente A = Kg/d de aire liberado y se obtiene a partir de determinaciones de aire disuelto en los ptos 1 y 2 de la figura A = A1 – A2 A1 = Q( m3 vertido/d)* C1(g aire/m3 vertido) A2 = Q*C2 Donde: C1 = solubilidad del aire en mg/l de H2O en el Tanque de Retención ( pto 1) C2 = es la solubilidad del aire en el agua mg/l a presión atmosférica Se supone que las condiciones 2 Presión atmosférica y temperatura ambiente C2 (mg aire/L agua) = Sa(cm3/l agua )×ρa( mg aire/cm3 aire) Donde ρa = 1,2 mg/cm3 ( 1 atm y 20°C) Entonces C2 = 1,2 Sa C1 = Φ*C2 Se sustituye Φ y C2 C1 = f*P*C2 = f*P*1,2 *Sa Sa = Solubilidad del aire en agua cm3 aire/l a 20°C 18,7 cm3/l Relación de solubilidad de aire en H2O a la presión en el tanque de retención (1) a la solubilidad de presión atmosférica (2) Aplicando la ley de Henry Φ = C1/C2 ≥ 1 = P/1 La relación de Φ es proporcional a la presión Φ = f*P P = presión en el tanque de retención en atm a 20°C el rango de presión es 30 a 60 psia f = fracción de aire disuelto a la presión P depende del diseño = 0,5- 0,8 Φ = 0,5 * 2,04 atm = 1,02

Φ = 0,5 * 4,08 atm = 2,04

En el rango de 30 a 60 psia a 20°C la solubilidad del aire entre 1,02 a 2,04 al valor de saturación a 20°C y 1 atm

Sin reciclo A/S = (C1 – C2)/SS

A 1,2   a  f  P  1  S SS

Ecuación general sin reciclo

Con reciclo

A/S = (R/Q)(C1-C2)/SS

Ecuación general con reciclo

A 1,2   a  f  P  1 R / Q)  S SS

Con reciclo La relación aire–sólidos en un sistema de flotación por aire disuelto con presurización de la recirculación está dada por la siguiente fórmula por la fórmula anterior En el tratamiento de aguas de abastecimiento, en que la flotación puede ser empleada con éxito, cuando el color verdadero es elevado en relación con la turbiedad, o cuando la densidad de algas fuera alta, la relación A/SS será, probablemente, mayor, llegando a valores próximos a la unidad, pues la concentración de flóculos es relativamente baja (raramente excede de 500 mg/L), lo que exige mayor cantidad de aire para obtener un elevado número de choques entre las partículas y las bolas de aire. Según las investigaciones realizadas por Zabel, la cantidad de aire es independiente de la concentración de sólidos y sí depende del volumen de agua a ser clarificado, cuando Sso es inferior a 1 000 mg/L. Valores típicos de A/S 0,005 – 0,060 Agua residuales con crudo 0,01 a 0,2 pilotos 0,03 a 0,05 Hay que tomar en cuenta el balance económico entre el equipo y el mantenimiento y calidad del efluente Desventajas - Requiere de un equipo adicional, costo de operación que pueden ser más alto que en otros procesos de remoción de sólidos, mantenimiento, químicos y potencia - No tiene un tratamiento efectivo para toda la materia en suspensión - La operación puede ser difícil - La unidad de flotación al vacío requiere una relativa expansión de estructura a prueba de aire capaz de soportar 230mm(9in) Hg sólo con un escape a la atmósfera afecta el comportamiento adversamente  Cámara de flotación La cámara de flotación puede ser de sección rectangular o circular. En el caso de cámaras rectangulares es recomendable la instalación de una pantalla con un ángulo de inclinación de 60° con la horizontal y con 30 a 50 cm de largo. El ancho de la cámara depende del tipo de equipo usado para el raspado del material flotante y rara vez excede de 8 metros. El largo puede variar entre 4 y 12 metros. La profundidad varía entre 1 y 3 metros, dependiendo del tipo de dispositivo para la distribución de agua presurizada en el interior de la cámara de flotación. La mezcla de agua presurizada con el agua por clarificar se hace en un punto próximo a la entrada de la cámara de flotación, que en el centro posee un ducto también circular, para conducir el agua a la parte superior y evitar cortocircuitos. El material flotante es continuamente raspado hacia una o más canaletas de colección. Mientras el agua hace un movimiento descendente, pasa por la parte inferior del cilindro intermedio y es colectada en la canaleta localizada en la periferia del cilindro externo.

Tabla 2.5.1.- Valores típico de diseño de tanques de flotación Parámetros

Rango de valores

Presión absoluta, Pa , en kg/cm2

2,0 - 5,0

Razón s aire/sólidos, kg/kg

0,01 – 0,1

Tiempo de retención en el tanque, min

20 - 60

Carga hidráulica,max m3/día/m2 Porcentaje de recirculación

en

24

h. 20,4 – 81,4

5 - 120

La flotación puede ser incorporada dentro de un esquema del sistema de tratamiento de aguas residuales en las siguientes formas 1) Como una unidad de pretratamiento, delante de sedimentación primaria 2) Como una unidad de tratamiento primario delante de la unidad de tratamiento secundario 3) Como pretratamiento de residuos industriales a priori al tratamiento de combinar aguas industriales y domésticas 4) Como una unidad del proceso de remoción específica de material suspendido la cual no se remueve por otros procesos 5) Para espesamiento de lodos 3.3.5 Ventajas y desventajas del proceso de flotación Grasas, sólidos ligeros, arenas y sólidos pesados son todos removidos en una unidad Alta sobrecarga de flujo y bajos tiempo de retención resultan medidas más pequeñas en menos espacio requerido y posible, bajos costos de construcción

3.4 APLICACIÓN DEL PROCESO DE FLOTACIÓN EN AGUAS DE PRODUCCIÓN EN LA INDUSTRIA PETROLERA Las aguas de producción, una vez separadas del crudo en los sistemas de deshidratación, son enviadas a los sistemas de tratamiento de aguas, las cuales dependen de las Características propias de las mismas y de su destino final. Los principales Contaminantes presentes en esta agua son: Hidrocarburos/ aceites y grasas, sólidos en suspendidos, sólidos disueltos, fenoles, gases disueltos, bacterias y metales.  Hidrocarburos/ aceites y grasas El contenido de crudo asociado al agua depende básicamente de: gravedad API del crudo, corte de la mezcla agua/crudo, tensión interfacial entre las fases de agua y aceite, tratamientos químicos aplicados durante la producción y deshidratación del crudo, equipos de separación y el crudo puede estar presente en el agua como crudo libre, crudo emulsionado y/o disuelto. Crudo libre: es aquel que no está íntimamente mezclado con el agua, corresponde aquella porción de crudo que se separa por gravedad de manera definida cuando es dejado en reposo.

Crudo emulsionado: es aquel que se encuentra íntimamente mezclado con el agua, forma un sistema heterogéneo de dos líquidos con ciertos grados de inmiscibilidad, en donde el crudo se encuentra disperso en el agua, en forma de pequeñas gotas.  Sólidos suspendidos Ellos son de naturaleza orgánica e inorgánica entre ellos partículas de óxidos metálicos, provenientes de los entubados del pozo, hierro oxidado o manganeso, proveniente del agua misma y los provenientes de la formación: arcilla, arena y cuerpos bacterianos y sales como carbonatos de calcio, magnesio y hierro. La remoción de los sólidos suspendidos es de suma importancia en el caso de inyección de las aguas al subsuelo, por cuanto la presencia de los mismos favorece la obstrucción de la formación, lo cual incrementa la presión de inyección, aumentando a su vez la frecuencia de mantenimiento de los pozos inyectores, y llegando a cqasos extremos de fractura del yacimiento.  Sólidos disueltos En las aguas de producción se encuentran presentes elevadas cantidades de sólidos disueltos de diferentes naturalezas entre ellos el NaCl que se encuentra en mayor cantidad en la literatura se encuentran valores que van desde 3000,0 a 350 00,0 mg/l y ellos pueden formar precipitados cuando las aguas son sometidas a cambios de temperatura, pH y presión y estos precipitados puedenformar incrustraciones en el sistema de manejo de las aguas  Fenoles Los fenoles son compuestos orgánicos solubles en agua, habitualmente se designa al conjunto de compuestos hidroxilados del benceno; no constituyen un grave problema cuando las aguas de producción son reinyectadas a la formación, en caso que vaya a cuerpos de aguas allí si son un contamínate importante  Gases disueltos El sulfuro de hidrógeno, el dióxido de carbono y el oxígeno son los principales gases disueltos presentes en las aguas de producción, debido a los efectos corrosivos a los que dan lugar. Sus reacciones con el hierro formando sulfuro de hierro, y la reacción del oxígeno con el sulfuro de hidrógeno y el hierro también crean problema de taponamiento a la formación  Bacterias Existen diferentes tipos de bacterias sulfato-reductoras responsables de la producción de los sólidos que causan corrosión y taponamiento: estas bacterias reducen el sulfato SO42- a sulfuroS2- .Este sulfuro, en forma de sulfuro de hidrógeno y en presencia de hierro produce precipitados de sulfuro de hierro y en presencia de O2 forma precipitado de azufre elemental. 3.3.1 Procesos para la remoción de estos contaminantes  Remoción de crudo libre, agua y sólidos suspendidos Debido a la calidad de esta agua de producción la primera fase de tratamiento corresponde a la remoción de crudo libre y los sólidos suspendidos de mayor peso; la fuerza de gravedad es el principio de separación, la diferencia de densidad entre el agua y el aceite y una operación en régimen laminar NRe menor a 800 es lo que produce que las gotas de aceite asciendan hacia la superficie, y las partículas de sólidos debido a su peso, desciendan hacia al fondo. Entre los equipos más conocidos para esta primera fase se tienen: Separadores API Separadores de placas corrugadas CPI Tanques desnatadores Separadores de placas paralelas PPI Separadores de flujo cruzado CFI 

Remoción de crudo emulsionado agua y sólidos suspendidos

Las gotas de crudo emulsionadas en la fase gaseosa están sometidas a continuas fuerzas de coalescencia y dispersión. Los principales procesos asociados a la remoción de materia coloidal son: Coagulación- floculación-sedimentación Coagulación-flotación (flotación por aire o gas disuelto DAF, DGF, y flotación por gas o aire inducido (IAF, IGF) Filtración (Filtros de arena, filtros de cáscara de nuez, filtros de cartuchos) Ciclones y centrifugas Equipos separadores de de aceites Separadores API

Tanques rectangulares multicanales, los cuales disponen de una zona de entrada, zona de separación de aceite – agua y zona de salida

Modelo de un Separador API

Zona de entrada: reduce la velocidad de flujo de la tubería de acceso y remueve material flotante y el crudo Las normas API, normas para el cálculo, dimensionamiento y ejecución de estos equipos Consideraciones: - Diámetro teórico de las gotas de aceites retenidas mayor a 0,015 cm - Superficie horizontal calculada para una velocidad ascensional entre 0,9 a 3,6 m/h - Sección transversal calculada para una velocidad horizontal de 18 a 55 m/h o 15 veces la velocidad ascensional - Relación entre la altura del líquido y ancho del depósito 0,3 a 0,5 - Ancho máximo 6,0 m y mínimo 2,0 m - Altura del líquido max 2,5 m y min 1,0 m Se reduce la concentración de aceites a valores hasta 15-100mg/l

4.- NEUTRALIZACIÓN Y HOMOGENEIZACIÓN Objetivos:

Minimizar o controlar las fluctuaciones de caudal y/o de composición para optimizar las condiciones de procesos subsecuentes. En las operaciones industriales, particularmente, los propósitos son: Amortiguar las variaciones de carga orgánica, evitando las descargas de golpe (schock loading). Minimizar requerimientos de neutralizante (pH variante). Minimizar cambios bruscos en la carga de sistemas físico químicos (dosificaciones dentro de un rango dado). Mantener procesos biológicos aun cuando la planta pare. Flujo continúo en sistemas biológico Prevenir cargas tóxicas puntuales (tip. fenol) • Descarga controlada • Previene elevadas concentraciones de metales, se diluyen las sustancias inhibidoras  Forma de homogeneización • Homogeneización del flujo Homogeneización de la contaminación • Homogeneización del flujo y contaminación  Consideraciones de diseño Los ecualizadores suelen agitarse y airearse (previene sedimentación y putrefacción. El mezclado se suele conseguir mediante: Distribución del flujo de entrada y bafles Turbinas mecánicas (más común) Aireación por aire difundido (3,7 m3 aire/m3 residuo) Aireación mecánica en superficie (3 a 4 W/m3).  Se puede ecualizar flujo, carga o ambos.  Construcción (material, geometría, limpieza)  Necesidades de mezclado: aireación 4-8 W/m3 para concentración en aproximada a los 200 mg/l de sólidos suspendidos, cantidad de aire 10-15 l/minxm3, sistema de bombeo y control  Neutralización Un sinnúmero de descargas industriales ocurren en condiciones de acidez o alcalinidad que son incompatibles con las normas de descarga o con los procesos biológicos o físico químicos posteriores. En particular, los sistemas biológicos requieren un pH entre 6,5 y 8,5 y además producen CO2. 

Procesos típicos de neutralización

Neutralizar ácidos en lechos de caliza. La caliza se da en forma natural como piedras y tal nombre se refiere al carbonato de calcio; la disolución del carbonato genera alcalinidad. Los lechos pueden ser tanto de flujo ascendente como descendente, la tasa de carga de diseño -sin información adicional de laboratorio- es del orden de los 4*10-2m3/(min*m2); esta tasa está definida por las constantes de la caliza y por el tiempo de residencia típico de neutralización de caudales ácidos del tipo industrial. Si hay ácido sulfúrico, la concentración de ácido no debiera exceder un 0,6% de H2SO4 para no formar una capa excesiva de CaSO4 (no reactiva) y se debe vigilar que la evolución de CO2 no sea excesiva (pues produce un efecto tampón) Mezcla de ácidos con lodos de cal. Se suele llamar "cal" al hidróxido de calcio, también citado como "cal viva" (cuando la "cal apagada" es el óxido de calcio). El grado de neutralización

dependerá del tipo de cal utilizada. Si hay una fracción magnésica, la reacción de neutralización es muy rápida y llega a pH bajo 4,2. El diseño depende de la curva de titulación de la cal a utilizar. La reacción de la cal se acelera -como muchas otras- por calor y por agitación física. En sistemas altamente reactivos, se requieren unos diez minutos. La cal se utiliza en lodos al 8 a 15 %. Otros agentes neutralizantes (alcalinos) típicos son el NaOH, el Na2CO3 o el NH4OH. Residuos alcalinos, también llamados básicos. Se puede utilizar cualquier ácido fuerte. Por consideraciones prácticas, la elección se limita a considerar el ácido sulfúrico (en la máxima dosis tolerable sin exceder la norma de descarga de sulfatos) y el ácido clorhídrico (para completar la neutralización). La reacción es prácticamente instantánea, pero el grado de mezcla no es instantáneo. Si se dispone de gases de combustión con CO2 en el orden del 14%, se puede burbujear este gas en la solución alcalina. El CO2 establece un equilibrio con gas carbónico, HCO3- cuya capacidad ácida se utiliza para neutralizar la carga alcalina. La reacción es -naturalmente- más lenta que la de los ácidos fuertes en fase líquida pero suele ser de mucho menor costo y aporta –aunque mínimamenteal abatimiento de la carga atmosférica de gases invernadero. Sistemas Utilizados para neutralización Para flujos por debajo de unos 400 m3/día, se suele operar en modo estático (discontinuo, batch); los sistemas estáticos pueden tener controladores automáticos o ser operados manualmente. Si el flujo excede los 400 m3/día, la regulación de pH se realiza en línea, mediante controladores automáticos. Si se opera en línea, es importante obtener un buen grado de homogeneización de la solución. La agitación por aire requiere tasas de 0,3 a 0,9 m3 de aire/minuto/m2 de tanque. La agitación mecánica requiere de unos 0,4 HP/m3. Control automático de neutralización El control de pH es difícil. La razones se relacionan con: La alta no - linealidad entre flujo de neutralizante y cambio de pH del caudal a neutralizar el pH de un efluente industrial puede variar con cinéticas tan altas como 1 unidad de pH por minuto! el flujo puede duplicarse en unos pocos minutos una pequeña dosis de neutralizante debe mezclarse con una cantidad relativamente enorme de líquido en un lapso breve Normalmente, se debe recurrir a controladores a pasos (o en etapas). Por ejemplo, llevar primero a un pH en torno a 5 y después a 6,5 (suponiendo, por ejemplo, que se desea llegar a 6,5 desde 2,0)

Ejercicios 1.-¿Cuál es el propósito de remover la arena y cómo se logra? 2.- ¿Qué se entiende por partículas discretas?

3.- Determine la velocidad de sedimentación en m/s de una partícula de arena con un peso específico de 2.6 g/cm3 y un diámetro de 1 mm. Suponga que el número de Reynolds es 175. 4.- Describa el proceso de sedimentación por zonas 5.- Se va utilizar una reja de barras con aberturas de 2,5 cm para desbaste del agua residual que llega a la planta de tratamiento en un conductor circular, siendo diámetro igual a 1,25 m, n = 0,013, s = 0,00064. la capacidad máxima de transporte es cuatro veces el caudal medio en tiempo seco. Hallar el tamaño de las barras de acero que constituyen la reja, el número de barras de la misma y la pérdida de carga. Utilice barras rectangulares. 6.- Un tanque de decantación rectangular tiene unas dimensiones de 2,5m de profundidad por 6,0 m de ancho y 15 de largo. Determinar si las partículas con un diámetro de 0,1 mm y peso específico de 2,5 serán arrastrada desde el fondo. asuma f = 0,03 y k = 0,04

7.- Diseñar un tanque desarenador considerando que el gasto máximo extraordinario es de 17 l/s y la temperatura mínima del agua es de 20 C. Se desea remover partículas hasta de 7.5 x 10 - 3 cm de diámetro, con densidad de 2650 kg/m3. 8.-. Asumiendo que la densidad del agua es 1000 kg/m3, ¿cuál será la velocidad de sedimentación terminal de una partícula que se deja caer en agua tranquila con temperatura de 4 C? La partícula tiene 0.0170 cm de radio y densidad de 1.95 g/cm3. 9.- Se deja caer una partícula en agua tranquila con temperatura de 15 C; su velocidad de sedimentación es de 0.0950 cm/s y su densidad de 2.05 g/cm3. Asumiendo que la densidad del agua es 1000 kg/m3, ¿cuál es el diámetro de la partícula? 10. En una cámara desarenadora tipo canal el agua tiene una velocidad de 0.29 m/s. La cámara tiene 0.8 m de profundidad y 10 m de largo. Considerando partículas inorgánicas con 2.5 de gravedad específica, determine el mayor diámetro de partícula que puede removerse con una eficiencia de 100 %. La temperatura mínima del agua es de 17oC. 11.- Se construirá un desarenador tipo canal en una planta de tratamiento de aguas residuales que procesa un gasto máximo extraordinario de 8 550 m3/d. La velocidad en el canal se mantendrá constante en 0.33 m/s mediante un vertedor proporcional colocado en el extremo de aguas abajo. Diseñe el canal considerando una relación profundidad :ancho 1:1.5. 12.- Considerar una suspensión de arena (S =2.65) en agua a 20°C, con un tamaño uniforme de partícula (d = 0.07 mm). El caudal es de 4,000 m3/ día. 1.- Calcular la superficie del desarenador (sección horizontal) para obtener una separación del 70 % de las partículas 13. - Un estudio experimental de flotación fue efectuado con un agua residual industrial a 20° C. el caudal es 1 600 m3/d y el afluente contiene 900 mg/l de sólidos en suspensión. La relación A/S óptima fue determinada a 0,025. La velocidad de flotación fue determinada a 7,6 cm/min para este valor de A/S. tomar f = 0,5 Para una operación sin reciclo, calcular:

1. La presión de operación en atm. 2. la cantidad de aire liberada en m3 estándar por minuto (referido a P= 1 atm y t = 0°C) 3. Factor de carga, m3/m2.d. 4. Tiempo de retención, basado en una profundidad de 1,5 m. Para una operación con reciclo a la misma presión establecida para la operación sin reciclo, calcular: 1. El reciclaje, m3/d y la sección transversal de la unidad de flotación 14.- Una unidad de flotación es utilizada para concentrar 0,011m3/s de un lodo activo de 0,3 a 4% de sólidos. Operación en planta piloto índicó un cociente A/S = 0,02 y un factor de carga de 0,54l/m2.s. Determinar para los casos sin reciclaje y con reciclaje r = R/Q = 1,2 los siguientes parámetros de diseños Calcular: a) b) c) d)

Presión en el tanque de retención, atm Superficie de la unidad de flotación, m2 Factor de carga de los sólidos, kg/h.m2 Tomar f = 0,6 y la solubilidad del aire en agua: 22,4 a 1 atm y 20°C b) Area de la unidad de flotación c) Cantidad de lodo generado

15.- Una corriente de agua residual de 4,0 m3/h y una temperatura de 33°C contiene significativamente una cantidad de aceites no emulsionados y sólidos en suspensión no sedimentables. La concentración de aceite es de 120mg/L y se desea reducir en un 85% mediante un proceso de flotación. En ensayo de laboratorio se han obtenido los siguientes resultados; Dosificación de alúmina 50 mg/L Producción de lodo; 0,64 mg/mg de alúmina

A/S(kg aire/kg sólidos) 0,066 0,053 0,039

Carga hidráulica (m3/m2.h) 2,16 3,86 5,36 7,33

0,019 0,016 0,010 Calcular: a) Recirculación necesaria b) Superficie de la unidad de flotación c) Cantidad de lodo generado

Presión 515kPa Lodo; 3 % en peso

Efluente (mg/L) 14,5 15 17 25 27,5 41 53,5