POTABILIZACION DEL AGUA:

Tratamientos físicos, químicos y microbiológicos:

Como hemos visto, al tratar las distintas fuentes de abastecimiento, algunas aguas pueden ser naturalmente potables y otras pueden necesitar un tratamiento corrector previo a su entrega al consumo.

Las aguas provenientes de fuentes subterráneas profundas, galerías filtrantes o manantiales, pueden ser entregadas directamente al consumo, siempre que sean químicamente apropiadas y si se tiene en cuenta todas las previsiones necesarias en su captación para evitar su contaminación. Es decir, esta agua son en general naturalmente potables. Solo se recomienda un tratamiento con cloro para resguardarla de cualquier contaminación accidental en la red de distribución.

Cuando el agua no es naturalmente potable habrá que hacer un tratamiento corrector , como sucede con las aguas superficiales. El tratamiento corrector o potabilizador puede ser físico, químico o microbiológico.

1. Físico: El tratamiento corrector para este fin consiste en :
2. 1) Eliminación de la turbiedad y el color; es decir la eliminación de materias en suspensión, finamente divididas, que no asientan fácilmente, acompañadas muchas veces de materias orgánicas coloidales o disueltas, que no son retenidas por la simple filtración por la simple filtración. Para ello es necesario un tratamiento un tratamiento previo con coagulante químico, seguido de decantación o clarificación y luego filtración, a través de un manto de arena u otro material inerte y finalmente un tratamiento de desinfección, mas o menos intenso, según el grado de contaminación.
3. 2) Eliminar o reducir la intensidad de los gustos u olores para lo cual se recomienda distintos procedimientos, , que dependen de la naturaleza de la naturaleza del problema, como ser: aireación, Carbón activado, uso de cloro u otros oxidantes, como el ozono, etc, y algunos veces combinando con tratamiento previo del agua natural con un alguicida.
4. B) químico: El tratamiento corrector químico se refiere a la corrección del pH del agua, a la reducción de la dureza, a la eliminación de los elementos nocivos o al agregado de ciertos productos químicos, buscando siempre mejorar la calidad del agua.
5. La corrección del pH puede hacerse agregando cal o carbonato de sodio, antes o después de la filtración. La reducción de la dureza, puede hacerse por métodos simples( cal, soda, Zeolita o resinas) o métodos compuestos ( cal-soda; cal zeolita, cal-resinas). La eliminación de elementos nocivos puede referirse a bajar los contenidos excesivos de hierro, manganeso, fluor, arsénico o vanadio. Por ultimo con respecto al agregado de productos químicos, decimos que se refiere al agregado de fluor( prevenir caries)
6. C) bacteriológico:
7. El tratamiento bacteriológico se refiere casi exclusivamente a la desinfección con cloro, pudiéndose utilizar cloro puro, sales clorogenas o hipocloritos. Las dosis a utilizar generalmente se fijan en base al cloro residual, cuyo valor debe estar entre 0.05 mg/ l y 0.1 mg/l para quedar a cubierto de cualquier contaminación secundaria.
8. Enumerados como hemos visto los distintos tratamientos correctores, veremos ahora en detalle cada uno de los procedimientos necesarios para potabilizar un agua para potabilizar un agua proveniente de una fuente superficial.
9. Desarenador: Al estudiarse una toma de agua debe evitarse al máximo el arrastre de arena. Si las condiciones locales de la toma no lo permite, será preciso prever un desarenados.
10. El desarenado tiene por objeto extraer del agua natural, la grava, arena y partículas minerales, mas o menos finas, con el fin de evitar que se produzcan sedimentos en los canales y conducciones y para proteger las bombas contra la abrasión. El desarenado se refiere normalmente a las partículas a 0.2 mm; una granulometría menor corresponde a los procesos de sedimentación simple.

El estudio teórico del desarenado esta relacionado con los fenómenos de sedimentación en caída libre, y en el en el intervienen la formula de stokes ( en régimen laminar), de Newton en régimen turbulento( en el tema de sedimentación se verán simple se verán en detalle cada una de estas formulas)

Con las formulas mencionadas se calculan las velocidades de sedimentación de las partículas esféricas. Estas velocidades deben corregirse para tener en cuenta: La forma de los granos; La concentración de los sólidos y la velocidad horizontal.

En la practica pueden tomarse como base los siguientes valores ( para la sedimentación libre) para arena de densidad de 2.65 gr/cm3.

Vs: Velocidad de sedimentación , para un agua de velocidad horizontal nula.

V’s: Velocidad de sedimentación para un agua de velocidad horizontal de 0.3 m/seg

Los desarenadotes son generalmente estructuras rectangulares, del tipo canal.

El diseño se realiza de la siguiente manera:

La superficie horizontal se calcula en función de la velocidad de sedimentación V’s de las partículas que deben retenerse y el caudal máximo que circulara por el mismo.

Es decir :

Sup. h= Q( max)/ V’s( velocidad de sedimentación de la partícula)

Por otra parte debe tenerse en cuenta que la permanencia en estas instalaciones es del orden de los 30 a 40 seg.

Por lo tanto , el volumen será:

Vol = Q( máx.)/P

La altura será : h= Vol/ (Sup*h)

La superficie transversal será:

Sup transversal = Q/ Vh = A*h

Vh = Velocidad horizontal =0.3 m/seg; A= ancho

Por lo tanto A= Sup transversal/h

Y por ultimo ; la longitud L= ( Sup*h )/A

En general se construyen 2 canales; es decir, la sección transversal la divide en 2 partes. Debe diseñarse, un canal que actúe como by-pass, para cuando se deba dejar fuera de servicio la unidad.

Debe preverse el volumen adecuado para alojar la arena que se separa. Debe diseñarse el sistema de limpieza ( por barrido mecánico o limpieza hidráulica) ejemplos – Fig. 1 y 2

Sedimentación simple:

Se entiende por sedimentación a aquellos fenómenos mediante los cuales los sólidos en suspensión en un fluido son separados del mismo, debido al efecto de la gravedad.

Se distinguen dos tipos de materias separables por sedimentación.

-Las partículas granulares o discretas, que sedimentan independientemente una de las otras con una velocidad de caída constante, y que no cambian de densidad, tamaño o forma al descender en el liquido.

Las partículas mas o menos floculadas, que resultan de una aglomeración natural o provocada de las partículas coloidales en suspensión. Al descender en el liquido se adhieren o aglutinan entre si, cambiando de tamaño, forma y peso especificado durante la caída.

Según sea el tipo de partículas a separar y la concentración de las mismas en suspensión, se pueden diferenciar los siguientes modelos del proceso de sedimentación.

El modelo 1 corresponde al de partículas discretas y aisladas. El modelo 2 a partículas aglomerables. En la sedimentación tipo 3 y 4 se estudia el comportamiento conjunto de los sólidos en suspensión, debido entre partículas que hace que estas formen un manto de lodos que flota en el liquido. Al respecto Camp considera que cuando la concentración volumétrica de partículas excede en un 0.5 % ( 5000 ppm) se presenta una reducción de la velocidad de asentamiento produciéndose una sedimentación que se denomina " auto interferida" modelo 3.

Fuerza actuantes: Sobre una partícula cualquiera en movimiento en un fluido en reposo actúan las siguientes fuerzas:

1) Fuerzas de gravedad

2) Empuje

3) Fuerzas de Rozamiento.

Con respecto a las dos primeras es fácil comprender que se trata de la fuerza de atracción de la gravedad , que hace que la partícula descienda que hace que la partícula descienda en el fluido, la primera y la segunda es la fuerza de empuje, de acuerdo al principio de Arquímedes , es decir una fuerza de abajo hacia arriba.

En cambio , con respecto a las dos primeras es fácil de comprender que se trata de la fuerza de atracción de la gravedad que hace que la partícula descienda en el fluido, la primera , y la segunda es la fuerza de empuje de acuerdo al principio de Arquímedes es decir una fuerza de abajo hacia arriba.

En cambio con respecto as la tercera actúa siempre y cuando la partícula este en movimiento dentro del fluido, es una fuerza de abajo hacia arriba.

Debe tenerse en cuenta que cuando una partícula se mueve en un fluido y el Numero de Reynolds es bajo se forma entre la partícula y el fluido una capa limite de tipo laminar y el f actúa fundamentalmente la viscosidad . Para mayores valores del N de Reynolds es decir para mayor velocidad de caída se forma en la parte superior de la partícula una estela o turbulencia por lo que predomina en este caso la fricción.

Combinando las tres fuerzas mencionadas se llegan a la siguiente expresión de la velocidad de sedimentación de la siguiente expresión.

Vs= √4/3 * g( ρp- ρ)/ ρ* d/(CD)

En la que

ρp = Densidad de la partícula ( g/cm3)

ρ= Densidad del fluido(g/cm3)

d= -Diámetro de la partícula en cm

CD= Coeficiente de Arrastre que depende del NR.

Para la zona de régimen laminar S = 24/ NR

En este caso la expresión de la velocidad de sedimentación quedaría:

Vs=1/18 (ρp- ρ)/µ*g d2

Vs= cm/seg

µ= poises (viscosidad absoluta)

o también

Vs=1/18 (Sp-1)/υ *g d2

Υ= Viscosidad cinemática

Sp= ρp/ρ

Es la llamada ley de Skokes y se aplica para partículas de diámetros comprendidos entre 0.1 mm y 0.1 micrómetros.

Para régimen turbulento, CD = 0.44 cte , en este caso

Vs= √3.3 * g( ρp- ρ)/ ρ* d

Esta es la llamada ley de Newton esta formula es de aplicación para partículas mayores de 1 mm.

Entre los limites de 1 y 0.1 mm la sedimentación es controlada por la fricción y la velocidad es la zona de transición. Para esta zonas diferentes autores dan expresiones distas para expresiones CD. Hazen, para arena de peso especifico de 0.65 encontró la siguiente formula para la velocidad de sedimentación.

Vs= 100*d*[(T+10)/60]

Siendo T= temperatura en °F

Las ecuaciones que hemos presentado son válidas sólo para un fluido estático. Cuando se halla en movimiento el comportamiento de las partículas es diferente. Se pueden considerar 3 casos:

• Cuando el fluido se mueve con velocidad constante horizontal, es el caso de los sedimentadores horizontales convencionales
• Cuando el fluido se mueve con velocidad vertical constante, es el caso de sedimentadores de manto de lodos
• Cuando el fluido se mueve en forma oblicua, es el caso de los sedimentadores de flujo laminar ó de placas inclinadas

Estos tres casos los veremos en detalle más adelante.

1. COAGULACIÓN

Cuando el agua a tratar contiene partículas muy finas ó en estado coloidal, el empleo de la sedimentación simple resulta antieconómico ó imposible. (permanencias mayores de 6 horas no son económicas). Como ejemplo podemos mencionar que una partícula de arcilla de diámetro 0.0001 m sedimenta con una velocidad de 0.000154 mm/seg y tardaría 2 años en sedimentar 1 m.

En estos casos para la eliminación de la turbiedad se recurre al agregado de un producto químico, dando lugar a un proceso que se llama coagulación-floculación por el cual las partículas coloidales se aglutinan en pequeños flocs, de mayor peso que puedan sedimentar con mayor facilidad. Este proceso se usa para:

• Remoción de turbiedad orgánica o inorgánica que no pude sedimentar con rapidez
• Remoción de color
• Eliminación de bacterias, virus y organismos patógenos susceptibles de ser separados por coagulación
• Eliminación de substancias productoras de sabor y olor

Los términos coagulación y floculación son frecuentemente usados como sinónimos, significando ambos el proceso de aglomeración de partículas. En realidad, ambos términos tienen distinto significado. Se denomina coagulación al proceso de adicionar los productos químicos al agua (coagulantes) para reducir ó anular las fuerzas que tienden a mantener separadas las partículas en suspensión. En cambio, floculación es la aglomeración de las partículas por efecto de un movimiento lento del agua, de forma de formar partículas de mayor tamaño (flocs) que puedan sedimentar por gravedad.

En consecuencia estudiaremos ambos procesos en forma separada. Empezaremos por el primero, es decir la coagulación.

Como hemos visto las aguas superficiales al escurrir por el terreno disuelven sales. Estas sales se ionizan, de la siguiente manera:

Las partículas coloidales tiene un gran poder de absorción absorbiendo iones del medio circundante( Es una propiedad características de los coloides) dando como consecuencia partículas cargadas eléctricamente. Las partículas coloidales que producen la turbidez y color de las agua superficiales están cargadas negativamente , pudiéndose representar dicha partícula con como una esfera con cargas negativas rodeadas por una capa constituida por iones positivos que se mueven solidariamente con la partícula, por la cual se la denomina capa fija y una capa difusa de iones positivos y negativos Fig 3

 

La carga eléctrica de la partícula genera las siguientes diferencias de potencial entre las partículas y el seno del liquido Fig. 4:

 

Potencial de Nerst: Diferencia de potencial entre la pared de la partícula y el seno del liquido.

 

Potencial Zeta : Diferencia de potencial entre la pla superficie externa dela capa fija y el seno del liquido. El valor del potencial Z determina la magnitud de la s fuerzas electrostáticas de repulsión entre las partículas.

 

En consecuencia de acuerdo a lo que hemos descrito podemos decir que las fuerzas que actúan sobre un coloide :

 

1. Fuerzas electrocinética o de repulsión: Las derivadas del potencial Zeta o de repulsión
2. Fuerzas debidas a la atracción de las masa o Van der Waal.
3. Fuerzas debidas a la energía cinética del movimiento Browniano

Las dos primeras son las mas importantes y de mayor valor. Las fuerzas de Van der. Waal producen la inestabilidad de la dispersión coloidal y las fuerzas electrocinéticas la estabilidad de la misma. La desestabilización de la dispersión coloidal por medio de la reducción del potencial Zeta tiene por finalidad que las fuerzas de repulsión sean menores que las fuerzas de atracción de las masa. Esto se logra mediante la adicción de partículas coloidales de signo opuesto proporcionadas por sustancias químicas llamadas coagulantes siendo los mas comunes ( So4 Al) ( sulfatote Aluminio) , SO4Fe ( sulfato ferroso) Cl3 Fe ( cloruro ferrico) y también por el agregado de poli electrólitos o ayudantes de coagulación. Estos últimos pueden ser naturales o sintéticos

El proceso de coagulación floculación se realizan en la planta de potabilización entre procesos separados :

1. Adición de los coagulantes
2. Dispersión de los coagulantes
3. Aglutinación o aglomeración de partículas

I) Los coagulantes metálicos sulfato de aluminio o sulfato ferroso deben aplicarse en solución. La solución puede prepararse en dos formas

a) Dosificando el polvo en forma continua en un tanque de hidratación desde donde la solución se lleva al punto de aplicación , se denomina dosificación en seco.

b)Preparando la solución previamente y dosificándola por gravedad o por bombeo en su punto de aplicación, lo que se suele llamar dosificación húmeda.

El sulfato de aluminio se obtiene haciendo reaccionar mineral de bauxita( o arcillas ricas en óxidos de aluminio (Al2O3) con ácido sulfúrico).

Al2O3 + 3SO4H2 --- (SO4)3Al2 + 3 H2O

Las reacciones que se producen con el agregado del sulfato de aluminio son (reacciona con las substancias alcalinas):

1. Reacción entre el sulfato de aluminio y el bicarbonato de calcio. (SO4)3Al2 + 3(CO3H)2Ca ---- 2(OH)3Al + 3SO4Ca + 6CO2
2. Reacción entre el sulfato de aluminio y la cal.

(SO4)3Al2 + 3(OH)2Ca ---- 2(OH)3Al + 3SO4Ca.

 

El principal componente de la reacción es el hidróxido de aluminio. El hidróxido de aluminio se disuelve, dando para valores de pH mayores de 7 aluminatos solubles AlO3--- y para valores menores de 7 Al+++. El hidróxido de aluminio insoluble se produce cuando son iguales las concentraciones de iones negativos y positivos, neutralizándose. El valor del pH en ese momento se llama punto isoeléctrico. En el agua destilada es pH= 5,5.

El agua del Río de la Plata coagula mejor a pH próximo a 6.

 

Los hidróxidos de aluminio insolubles precipitan, formando una masa esponjosa, Floc de barrido que atrapa en su caída a los coloides o partículas suspendidas, las cuales se ven forzadas a decantar, incorporadas dentro del precipitado que desciende.

 

Esta forma de remoción de la turbiedad, llamada coagulación por barrido, es la que más frecuente se presenta en la planta, ya que en la práctica las dosis que se usan están por encima del límite de solubilidad de los hidróxidos de aluminio.

En general, la coagulación se efectúa fundamentalmente por los procesos de neutralización (reducción del potencial z) y por barrido.

Hemos visto que el coagulante reacciona con la alcalinidad del agua. Existen aguas que no poseen la alcalinidad necesaria, lo que trae aparejado la formación de un coágulo o floc pequeño que sedimenta con mucha dificultad. En general se requiere 1 mg/l de alcalinidad expresada como CO3, por cada 2 mg/l de sulfato de aluminio con 17% de óxidos útiles (O3Al2). En estos casos se hace necesario el agregado de substancias que eleven la alcalinidad del agua natural. El proceso recibe el nombre de prealcalinización cuando se realiza antes del coagulante. Las substancias utilizadas para la alcalinización son: el carbonato de sodio CO3Na2 o hidróxido de calcio Ca(OH)2.

Para la determinación de la dosis óptima de coagulante a utilizar en la planta de potabilización, se puede realizar 2 tipos de ensayos diferentes. El objetivo de estos ensayos es poder determinar la dosis que produce la más rápida desestabilización de las partículas coloidales y la que hace que se forme un floc pesado y compacto que sedimente fácilmente.

1. Electroforesis: Consiste en determinar la carga de las partículas coloidales(potencial z). El aparato utilizado se llama zetámetro. Se determina en primer lugar.el potencial z sobre el agua bruta, sin la adición de coagulantes. Luego se va midiendo con dosis crecientes hasta anular la diferencia de potencial lo que nos da la dosis de coagulante necesaria. Fig...
2. Ensayo de coagulación-floculación: Se realiza una temperatura próxima a la que tendrá el agua realmente durante el tratamiento en la planta. Se utiliza un aparato que permite agitar simultáneamente a una determinada velocidad el agua contenida en una serie de vasos. En cada vaso de un litro se pone el agua bruta a ensayar y una dosis de coagulante diferente. Primeramente se agita el agua a una velocidad de 100 r.p.m. durante 20 a 30 segundos y luego a 40 r.p.m. durante 20 minutos. Luego se deja decantar y se observa cual es el vaso que mejor resultado tiene, es decir, el que contenga el agua más clara. La dosis de coagulante utilizada en ese vaso es la que debe usarse en la planta. Fig. 5.

II) Dispersión del coagulante:

Como hemos visto, existen básicamente dos tipos de coagulación, la de absorción-neutralización, en la cual los imanes de Al⁺⁺⁺ neutralizan las cargas de partículas (reducción de potencial z) y la de barrido, que se produce cuando hay precipitación de los hidróxidos de aluminio por sobresaturación de coagulante que atrapa e incorpora a los coloides en esta precipitación. La primera dura como máximo 1 segundo y la segunda se completa de 1 a 10 segundos.

Vemos que para estos tiempos resulta necesario dispersar el coagulante en la masa de agua en el menor tiempo posible, para lo cual es necesario efectuar una agitación violenta.

Los dispersores se clasifican en dos grupos: de acción hidráulica y de acción mecánica.

Los de acción hidráulica pueden ser:

a)canaleta passball (Fig. 6)

b)vertederos (Fig. 7)

c)cámaras de pantalla o chicanas (Fig. 8)

Los dispersores mecánicos pueden ser como los indicados en la Fig. 9

III) Aglomeración de partículas – Floculación

Una vez dispersados los coagulantes hay que producir una lenta agitación en el agua para permitir el crecimiento del floc. Este crecimiento es producido por el contacto entre partículas debido al gradiente de velocidad. Tres características esenciales definen la floculación.

a)la forma de producir la agitación

b)el gradiente de velocidad

c)el tiempo de detención o permanencia "P".

Los objetivos que se persiguen con estas características son:

1º) Reunir los microflóculos para formar partículas mayores con peso específico superior al agua

2º) Compactar el floc, disminuyendo su grado de hidratación para aumentar su peso y facilitar la sedimentación.

Tanto el gradiente de velocidad como la permanencia óptima varían según el tipo de agua y se deben hallar por experimentación.

La velocidad con que se unen las partículas para formar el floc está determinada por el número de contacto entre las mismas en la unidad de tiempo. Este número de contactos en un punto determinado del fluido en movimiento en directamente proporcional al gradiente de velocidad, a la concentración de partículas y al tamaño de las mismas. Por otra parte, según experiencias realizadas por Camp, la concentración del floc es inversamente proporcional al gradiente de velocidad y a la permanencia P, esto quiere decir que es posible variar el volumen del floc cambiando la energía que se le comunique a la masa líquida o la permanencia en el floculador. Al aumentar el gradiente de velocidad el floc se hace más pequeño pero a la vez más compacto, teniendo una mayor velocidad de sedimentación. Al contrario, el floc producido con baja velocidad de agitación o gradiente es grande y esponjoso y sedimenta con dificultad.

El gradiente de velocidad tiene las dimensiones:

dv/dz = L/t x L = 1/t = t^-1 y es expresado en seg^-1

Camp calculó el valor de G para un gran número de plantas en funcionamiento cuyos resultados eran satisfactorios, pudiendo establecer para G el entorno de 10 seg^-1 a 75 seg^-1. Para el producto GxP el rango fue de 10.000 a 100.000

....se mencionó que a mayores gradientes de velocidad, menores son los tamaños de los flocs pero más compactos, por lo tanto, es razonable efectuar la floculación en varias tapas (2 o más) en una serie de depósitos con gradientes de velocidad decrecientes. Usualmente el valor de 75 seg^-1 al principio y al final alrededor de 20 seg^-1.

Clasificación de los floculadores:

Según el tipo de energía usada para producir la agitación, los floculadores pueden clasificarse en hidráulicos y mecánicos.

Los primeros, según el sentido del flujo se clasifican en: flujo horizontal y de flujo vertical.

Los mecánicos son generalmente rotatorios de paletas, tanto en el eje horizontal como de eje vertical.

Floculadores Hidráulicos: derivan su energía para la agitación de la masa líquida, de la carga de velocidad que el flujo adquiere al escurrir por un conducto. Consisten en tanques provistos de pantallas entre los cuales el agua circula con una velocidad fija, produciendo cierta turbulencia en cada cambio de dirección del flujo (Fig. 10 y 11). En los primeros el flujo va y viene alrededor de los tabiques haciendo un giro de 180º al final de cada uno. En los segundos el flujo sube y baja en condiciones similares.

En ambos casos se produce una pérdida de carga h_f, que tiene los siguientes componentes:

1. por el cambio de dirección y turbulencia h1
2. por ensanchamiento y contracción de la reacción h2
3. por la fricción en los tramos rectos h3

La suma de las tres pérdidas constituye la pérdida total h_f. En los floculadores horizontales h1 y h2 son proporcionales a la carga de velocidad v²/2g, es decir h1 + h2 = k.N.v²/2g, k = cte, N = nº de tabiques.

La velocidad v pormedio suele variar entre 0,2-0,6 m/seg. Normalmente se proyectan estos floculadores haciendo 2 o 3 sectores, incrementando el espaciamiento de los tabiques de forma de producir una alta velocidad al principio y baja al final. El coeficiente k varía entre 2 y 4, lo más frecuente k = 3. La pérdida de carga h3 se calcula con la fórmula de Manning (pérdida de carga en canales rectangulares)

En estos floculadores la potencia consumida se calcula con las siguientes expresiones:

, V = volumen floculador

también , v = velocidad flujo = Q/A

l = longitud de canales

también ; P = permanencia = V/Q

A partir de Pot se calcula el gradiente de velocidad G

De estas expresiones se desprende que la potencia disipada y por lo tanto el gradiente de velocidad dependen de la pendiente hidráulica h_f/l, o sea que cuanto mayor pérdida de carga h_f se produzca en la distancia l, mayor gradiente de velocidad se consigue.

La ventaja que tienen estos floculadores es que se produce más pérdida de carga y por lo tanto mayor gradiente de velocidad en los giros a 180º que en tramos rectos. Por lo tanto es conveniente disminuir la velocidad en los giros para evitar la rotura del floc. Es aconsejable una velocidad no mayor de 0,15 a 0,20 m/seg. También se aconseja que el espaciamiento entre el extremo del tabique y el muro sea igual a 1,5 veces la separación entre tabiques. Cuando la variación de caudales es muy grande es conveniente proyectar tabiques móviles para evitar la variación de velocidades. Cuando se proyectan floculadores de este tipo generalmente de los divide en 2 partes con gradientes de velocidades decrecientes.

Para su cálculo se procede de la siguiente manera: conocido el caudal Q se adopta una permanencia P = 20 min, la cual se divide en 2, P1 y P2, se adoptan las velicdades de escurrimiento en cada uno de los sectors, mayor en el primer sector y menor en el segundo, tratando de no sobre pasar los 0,20 m/seg. Para el primero. Luego se calcula la longitudes de canales:

L1 = v1 . P1

L2 = v2 . P2

A sección de caudales será:

A1 = Q/v1 , A2 = Q/v2

Adoptando una altura de los tabiques, las separaciones serán:

A1 = A1/ht ; a2 = A2/ht

Es espaciamiento entre la punta del tabique y la pared

e1 = 1,5 a1 ; e2 = 1,5 a2

El ancho del tanque será:

B1 = ancho del tanque + e1

B2 = ancho del tanque + e2

El número de tabiques será para cada tanque:

N1=L1/B1 ; N2=L2/B2

El ancho del tabique es el ancho de la placa, con que se construyen estos floculadores. Las placas son generalmente de hierro fundido (H°F°) de ancho 2,40 mts (1,20 m x 2,40 m).

El gradiente de velocidad se calcula, para cada tramo, con las fórmulas ya vistas. Se debe tener en cuenta de no sobrepasar para G1 del valor de 60_s^-1. Si así ocurriera se deben modificar los parámetros adoptados.

1. Floculadores mecánicos

Se entiende por floculadores mecánicos aquellos que requieren una fuente de energía externa que mueva un agitador en el tanque o serie de tanques. Los agitadores están constituidos por paletas que giran a baja velocidad y pueden ser de eje vertical o de eje horizontal. Figs 12 y 13. A mayor velocidad de giro, mayor energía entregada. Los agitadores pueden tener 2 o 3 paletas o travesaños unidos por una pieza central al eje. Cuando se usan agitadores de eje horizontal se requiere por lo general un pozo seco al lado del tanque de floculación para acomodar los motores que impulsan el sistema.

En general estos floculadores se diseñan teniendo en cuenta que el área de las paletas no debe ser mayor del 15 al 20% de la sección transversal del tanque, para evitar la rotación general del líquido. Además la distancia entre los extremos de los agitadores se suele hacer no menor de 0,60 m y el espacio entre ellos y el fondo del tanque, no menor de 0,30 m.

La potencia disipada en éstos floculadores se puede calcular así: (Potencia unitaria, es decir por unidad de volumen)

Pot_u(kgm/s)=α.n3*(ΣA_p.r³)/V

α = Coeficiente = 8000

n = Nro de revoluciones (rev/seg)

A_p = Área de las paletas (m²)

r = Distancia de la paleta al eje de rotación (m)

G=√(Pot_u.9,81/μ) ; μ= viscosidad dinámica

El gráfico de la Fig. 14 relaciona los valores de:

Usando éste gráfico se facilita el cálculo del gradiente en éstas unidades.

El procedimiento de cálculo es el siguiente:

Conocido el caudal a tratar y adoptada la permanencia, el volumen del floculador será:

V = Q x P

Si n es el número de decantadores o sedimentadores, el volumen de cada floculador es:

V´=Q x P / n

El ancho de cada cámara será igual al ancho del decantador, A, por lo tanto:

V´= A x L x h

Normalmente L = 3 h, por lo tanto 3 h² = V´/ A, de donde se despeja h. Luego L = 3 h.

Generalmente cada cámara floculadora se divide en dos compartimientos de L´= L / 2. De esta forma tenemos las dimensiones de la cámara. Nos falta diseñar el sistema de agitación.

El área de las paletas debe ser como máximo, el 20 % de la superficie transversal de la cámara, para evitar el movimiento de rotación del agua:

Sup. Paletas = A x h x 20 / 100

Normalmente se colocan en el ancho de la cámara dos juegos de paletas, cuyo largo en conjunto será por lo menos un 70 % de A, para dar lugar a las transmisiones, apoyos, etc. entonces conocido el largo de cada paleta y la superficie total de las mismas se adopta un número de ellas y el ancho de las mismas. El diámetro del agitador se determina teniendo en cuenta que debe dejarse 0,30 m entre el mismo y el fondo del tanque y la misma distancia a la superficie del agua. Es decir: D = h – 0,30 m x 2

De esta manera se está en condiciones de calcular el factor de forma del floculador. Fig. ......

E = α x ΣAp x r³ / V´

Donde

Ap: Área de cada paleta

R : radio de cada paleta al eje.

V´: volumen de cada cámara floculadora.

Tomando E / 10 = α/ 10 x ΣAp x r³ / V⁴ entramos al gráfico de la fig. 14 y para una determinada temperatura podemos encontrar los valores de potencia y el gradiente de velocidad para distintos valores de n. Se adoptan dos valores de G, decrecientes, teniendo en cuenta en la determinación de sus magnitudes, que para G₁ resulte un valor de aproximadamente 60 seg ^–1 y para G₂ 20 seg^-1, y para cada uno de estos el número de revoluciones que deberán tener los motores. Si no hay coincidencias, se deberá variar la superficie de las paletas.

Por último debe tenerse en cuenta que la potencia real de los motores deben ser entre un 30 % y 40 % mayores que la potencia en el eje

Nota: También se puede calcular la potencia total disipada en HP con la expresión

Ap en m², r en m y n en rps.

Y el gradiente G (1/seg)

G = ( 1 / u ) * ( Pu * 981 ) ^ 0,5

SEDIMENTACION (fluido en movimiento – partículas aglomeradas)

Una vez floculada el agua el problema radica en reparar los sólidos del liquido o sea las partículas coaguladas del medio en el cual están suspendidas. Esto se puede conseguir dejando sedimentar el agua, filtrándola o ejecutando ambos procesos a la vez. La sedimentación y la filtración, por lo tanto, deben considerarse como procesos complementarios. La sedimentación realiza la separación de los sólidos mas densos que el agua y que tienen una velocidad de caída tal que pueden llagar al fondo del tanque sedimentador en el tiempo económicamente aceptable. La filtración en cambio separa aquellos sólidos que tienen una densidad muy cercana a la del agua, o que han sido resuspendidos por cualquier causa y que por lo tanto no quedan removidos en el proceso anterior.

Como ya hemos dicho, cuando tratamos la sedimentación simple, cuando el fluido esta en movimiento no son de aplicación las formulas.

Trataremos en detalle los tres casos mencionados de fluido en movimiento.

I – El fluido se mueve con velocidad horizontal constante

Este es el caso de los sedimentadores horizontales convencionales.

Antes de desarrollar la metodología del diseño de estos sedimentadores, es conveniente estudiar un modelo teórico de sedimentación, con clarificación tipo I (partículas aisladas), que nos va a ayudar a definir conceptos y establecer parámetros, aplicables también a partículas aglomeradas.

El modelo fue desarrollado por Hazen en 1904 y luego continuado por Camp en 1946 quien lo definió como el decantador hipotético en el cual la sedimentación se realiza de la misma manera que en un recipiente de igual profundidad con un liquido en reposo. El modelo responde a las siguientes características (fig. 15)

1. se identifican en el tanque de sedimentación 4 zonas independientes, como indica la figura.
2. hay una distribución uniforme de partículas en la entrada
3. en la zona de sedimentación la dirección de flujo es horizontal y velocidad es la misma en todos sus puntos.
4. toda partícula que entra en la zona de lodos queda a atrapada y se considera removida.

Las trayectorias de las partículas de diferente velocidad de sedimentación son rectas producto de la composición de los dos movimientos, el de desplazamiento del fluido Vf y el de sedimentación critica Vg. Fig.16

Se define como velocidad de sedimentación critica Vsc, a la velocidad de la partícula que ingresa a la zona de sedimentación en la parte superior a-a y es retenida en la zona de lodos en la posición extrema b-b. Las partículas con velocidades Vsc o mayor, son removidas en su totalidad; el conjunto de partículas con velocidades menor que Vsc serán retenidas en forma parcial.

De la fig. 16, tenemos que la velocidad del flujo es:

De la semejanza de triángulos se tiene:

Vsc/Vf = H/L por lo tanto Vsc = Vf * (H/L) = H*H / B*H*L = Q/ B*L

Vsc = Q/ A_h donde A_h es área horizontal

Al cociente Q/ A_{h ,} se lo denomina carga superficial y se lo expresa en m³/m²*día

Como puede verse en esa expresión, las partículas removidas con Vsc o mayores, en un sedimentador ideal, es función del caudal y del área superficial. No es función de la altura del tanque ni del tiempo de retención o permanencia.

Este concepto es sólo aplicable al tanque ideal. En la práctica no existen tanques ideales. En los tanques reales, el proceso de sedimentación se ve afectado por una serie de variables entre las que podemos enumerar las siguientes:

1. Corrientes de densidad

• Térmicas (diferentes temperaturas)
• De concentración (diferentes concentración de partículas)

1. Corrientes debido al viento
2. Corrientes cinéticas

• Alteraciones de la entrada
• Obstrucciones de la sedimentación
• Alteraciones de salida

Debido a estas diferencias entre el tanque real y el ideal, no se puede considerar que la eficiencia de un decantador depende únicamente de su carga superficial. Lo más correcto es afirmar que la carga superficial es más importante que la profundidad del tanque y del período de retención.

Por otra parte, las partículas floculadas no son esféricas y cambian de forma y peso al agrupárseles otras partículas durante la caída. (Sedimentación TIPO 2)

De lo anterior se puede sacar en conclusión que el estudio de la eficiencia de un decantador sólo se puede hacer en forma práctica o con modelos por medio de trazadores u otros sistemas.

Para el diseño de sedimentadores reales, vamos a ver las consideraciones que deben tenerse para cada una de las 4 zonas en que fue dividido el sedimentador:

1. Zona de sedimentación: factores que deben considerarse

1. Carga superficial
2. Periodo de retención o permanencia y profundidad
3. Forma del sedimentador
4. Velocidad horizontal y relación largo – profundidad

1. Carga superficial: es la velocidad mínima de sedimentación Q/ A_h , que se espera que en promedio tenga un cierto porcentaje (70-98%) de partículas de la suspensión. La determinación de la carga superficial puede hacerse experimentalmente efectuando un ensayo de sedimentación. Según Acevedo Netto, los flocs de sulfato de aluminio sedimentan con una velocidad comprendida entre 0.015 y 0.017 cm/seg o sea entre 13 y 60 m/día.

Este autor sugiere los siguientes valores:

b) Período de detención y profundidad.

El período de detención o permanencia es el tiempo máximo que la partícula con la mínima velocidad de sedimentación elegida, tarda en llegar al fondo. Por lo tanto, cuanto menor sea la profundidad, menor será el periodo de detención. Este concepto es aplicable a los sedimentadores de alta velocidad (régimen laminar). En los sedimentadores horizontales no pueden construirse con profundidades pequeñas debido a que la velocidad horizontal no puede hacerse muy alta. Las profundidades varían entre 3 y 4,5 m. La figura 17 relaciona los períodos de detención con la profundidad para distintas cargas superficiales.

c) Forma de los sedimentadores.

Los más comunes son los rectangulares. La relación largo-ancho (L/A) varía entre 4 y 5.

d) Velocidad horizontal y relación largo profundidad.

En los sedimentadores horizontales es conveniente que la velocidad sea la más alta posible para estimular la floculación, pero sin que perjudique la eficiencia. Si Q es el caudal; Vsc la velocidad de sedimentación crítica (carga superficial) y Vh es la velocidad horizontal, será

Q = Vsc . Ah ; Q = Vh . Av

Como Ah = A . L ; Av = A . h

Resulta que L / h = Vh / Vsc

El gráfico de la figura 18 nos da la velocidad horizontal para diferentes relaciones longitud-profundidad. Debe procurarse que Vh < 1 cm/seg; mejor < 0,8 cm/seg.

II) Zona de Entrada.

Resulta difícil hacer pasar el agua que proviene de los floculadores con un gradiente de velocidad entre 20 y 30 seg^-1, a decantadores donde el gradiente es de apenas 1 seg^-1,sin que se produzcan perturbaciones. Por lo tanto la finalidad de la estructura de entrada es:

1. Distribuir el afluente lo más uniformemente en toda el área transversal del decantador
2. Evitar que haya chorros de agua que produzcan movimientos rotacionales
3. Disipar la energía que trae el agua
4. Evitar altas velocidades que puedan arrastrar los sedimentos del fondo.

Es conveniente que las velocidades de entrada no sean mayores de 15 cm/seg. Según Azevedo Netto, los tabiques difusores deben tener un gran número de orificios pequeños, de forma circular. Los orificios más bajos deben estar a h/4 a h/5 del fondo, los orificios más altos deben estar a h/5 a h/6 de la superficie. Para el diseño se puede usar el gráficio de la Figura 19., entrando con el gradiente de velocidad de la última parte del floculador, y con una velocidad de pasaje del agua por los orificios no mayor de 15 cm/seg.

III) Zona de Salida

La salida del agua del decantador se realiza por vertederos. Generalmente se especifica que la longitud de vertedero de salida debe ser tal que el gasto esté comprendido entre 1,67 y 3,3 l/seg.[6 y 12 m³/hora]por metro de vertedero.

IV) Zona de lodos

Los lodos se depositan en el fondo del sedimentador de manera no uniforme. Entre el 60 y 90% queda retenido en la primera mitad. La cantidad de lodos varía con la turbiedad del agua y la cantidad de productos químicos usados para la coagulación.

Por otra parte, la remoción del lodo puede hacerse en forma continua o de forma intermitente. Cuando se hace en forma continua, se usan cadenas barredoras de barros que van empujando a estos lentamente por medio de zapatos a un concentrador. Cuando se remueven en forma intermitente, hay que vaciar el decantador cada cierto tiempo para que durante el vaciado se arrastre los barros hidraulicamente. SE completa la limpieza del fondo en forma manual.

II) El fluído se mueve con velocidad vertical constante. Sedimentadores de manto de lodos.

En los sedimentadores de manto lodos, el agua entra por debajo, en el fondo del tanque y asciende hasta las canaletas de recolección. Figura 20. Consisten esencialmente en un tanque de fondo cónico o piramidal en la parte inferior, en el cual se inyecta el agua cruda que asciende, disminuyendo la velocidad a medida que el área aumenta; se forma de esta manera un manto de partículas o manto de lodos hidráulicamente suspendido. El agua que asciende tiene que pasar el manto, de forma que en el mismo tanque se realizan los procesos de floculación (dentro del manto) y la sedimentación. En el manto de lodos hay una alta concentración de partículas (10 al 20% del volumen) por lo que se lo puede considerar como un filtro de flujo ascendente. En este proceso, las partículas pequeñas que entran por el fondo arrastradas por el caudal de entrada al chocar con otras incrementan su tamaño, hasta adquirir un volumen tal que caen, chocando con las que suben.

Para comprender mejor el fenómeno que ocurre dentro del sedimentador, supongamos una suspensión concentrada en un líquido en reposo, se formará un plano de separación entre éste y el manto de lodos, figura 21, llamado interfase. Este plano de separación, al principio cae con velocidad creciente AB; luego desciende con velocidad constante BC; luego la velocidad disminuye bruscamente cuando los lodos empiezan a compactarse en el fondo, CD. Durante el proceso, el agua atrapada entre las partículas asciende desplazada por los sólidos con una velocidad Vd, opuesta a la velocidad Vs de caída de las partículas. Por lo tanto la velocidad de caída de la interfase será:

t

Supongamos ahora que en el recipiente ingresa un caudal (Q) por la parte inferior, que sale por la parte superior. En este caso podemos distinguir 4 velocidades:

1. La velocidad ascensional del agua:

V = Q / A A: es el área superficial.

2. La velocidad intersticial, Vd del flujo que asciende por entre las partículas, y que podría expresarse como:

Vd = Q / p * A p: es el porcentaje de área libre, no ocupada por las part.

3. Velocidad de caída de la partícula Vs, considerada como si descendiera sola en un líquido en reposo sin interferencias.
4. Velocidad de caída de la interfase, Vi.

Teóricamente para la condición de equilibrio:

t

Esto determina que la carga superficial con que trabaja la unidad es la velocidad de caída de la interfase, Vi. Por otra parte debemos tener en cuenta que la Vi es función de la concentración del manto ( a mayor concentración, menor velocidad de caída) y que a mayor concentración mejor calidad de agua decantada.

Estos sedimentadores trabajan con cargas entre 40 y 60 m³/ m² *día. El tiempo de retención o permanencia suele estar entre 1 y 1.5 horas.

La mayoría de estos sedimentadores son de diseño patentado. La figura 22, muestra un esquema de un sedimentador "Pulsator", de la firma Degrenont, con su esquema de funcionamiento. En general estos sedimentadores funcionan con estos sedimentadores funcionan con estos valores:

Vaciado de la campana: 5 a 10 seg.

Llenado de la campana: 20 a 40 seg.

Velocidad ascensional = 3 m / h

Permanencia: 1 a 1 ¼ hora

III) Cuando el fluido se mueve en forma oblicua. Sedimentadores de flujo laminar ó de placas inclinadas.