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conservación ambiental
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UNIVERSIDAD DE CARABOBO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
CONSERVACIÓN AMBIENTAL
DESARENADOR
Y
DECANTADOR PRIMARIO
Profesor: Iván Parra Realizado por:
Mendez Lino
Silva Kehynaira
Valencia, 07 de Marzo de 20015
DESARENADOR
Los desarenadores son estructuras hidráulicas que tienen como función remover las
partículas de cierto tamaño que la captación de una fuente superficial permite pasar.
Se utilizan en tomas para acueductos, en centrales hidroeléctricas (pequeñas), plantas de
tratamiento y en sistemas industriales.
TIPOS DE DESARENARORES:
*Tipo Detritus:
Convencional: Es de flujo horizontal, el más utilizado en nuestro medio. Las
partículas se sedimentan al reducirse la velocidad con que son transportadas por
el agua. Son generalmente de forma rectangular y alargada, dependiendo en
gran parte de la disponibilidad de espacio y de las características geográficas. La
parte esencial de estos es el volumen útil donde ocurre la sedimentación.
Desarenadores de flujo vertical: El flujo se efectúa desde la parte inferior hacia
arriba. Las partículas se sedimentan mientras el agua sube. Pueden ser de formas
muy diferentes: circulares, cuadrados o rectangulares. Se construyen cuando
existen inconvenientes de tipo locativo o de espacio. Su costo generalmente es
más elevado. Son muy utilizados en las plantas de tratamiento de aguas
residuales.
Desarenadores de alta rata: Consisten básicamente en un conjunto de tubos
circulares, cuadrados o hexagonales o simplemente láminas planas paralelas,
que se disponen con un ángulo de inclinación con el fín de que el agua ascienda
con flujo laminar. Este tipo de desarenador permite cargas superficiales mayores
que las generalmente usadas para desarenadores convencionales y por tanto éste
es más funcional, ocupa menos espacio, es más económico y más eficiente.
*Tipo Vórtice:
Los sistemas de desarenación del tipo vórtice se basan en la formación de un vórtice
(remolino) inducido mecánicamente, que captura los sólidos en la tolva central de un
tanque circular. Los sistemas de desarenador por vórtice incluyen dos diseños básicos:
cámaras con fondo plano con abertura pequeña para recoger la arena y cámaras con un
fondo inclinado y una abertura grande que lleva a la tolva. A medida que el vórtice dirige
los sólidos hacia el centro, unas paletas rotativas aumentan la velocidad lo suficiente para
levantar el material orgánico más liviano y de ese modo retornarlo al flujo que pasa a través
de la cámara de arena.
ZONAS DE UN DESARENADOR:
*Zona de entrada:
Cámara donde se disipa la energía del agua que llega con alguna velocidad de la captación.
En esta zona se orientan las líneas de corriente mediante un dispositivo denominado
pantalla deflectora, a fin de eliminar turbulencias en la zona de sedimentación, evitar
chorros que puedan provocar movimientos rotacionales de la masa líquida y distribuir el
afluente de la manera más uniforme posible en el área transversal.
En esta zona se encuentran dos estructuras:
Vertedero de exceso: Se coloca generalmente en una de las paredes paralelas a la
dirección de entrada del flujo y tiene como función evacuar el exceso de caudal que
transporta la línea de aducción en épocas de aguas altas. Si no se evacua el caudal
excedente, por continuidad, aumenta el régimen de velocidad en la zona de
sedimentación y con ello se disminuye la eficiencia del reactor.
Se debe diseñar para evacuar la totalidad del caudal que pueda transportar la línea
de aducción, cuando se de la eventualidad de tener que evacuar toda el agua
presente.
Pantalla deflectora: Separa la zona de entrada y la zona de sedimentación, en ella se
realizan ranuras u orificios, de acuerdo con el diseño, a través de los cuales el agua
pasa con un régimen de velocidades adecuado para que ocurra la sedimentación, no
debe sobrepasar de 0.3m/s. Los orificios pueden ser circulares, cuadrados o
rectangulares, siendo los primeros los más adecuados.
*Zona de Sedimentación:
Sus características de régimen de flujo permiten la remoción de los sólidos del agua. La
teoría de funcionamiento de la zona de sedimentación se basa en las siguientes
suposiciones:
Asentamiento sucede como lo haría en un recipiente con fluido en reposo de la misma
profundidad.
La concentración de las partículas a la entrada de la zona de sedimentación es homogénea,
es decir, la concentración de partículas en suspensión de cada tamaño es uniforme en toda
la sección transversal perpendicular al flujo.
La velocidad horizontal del fluido está por debajo de la velocidad de arrastre de los lodos,
una vez que la partícula llegue al fondo, permanece allí. La velocidad de las partículas en el
desarenador es una línea recta.
En esta zona se encuentra la siguiente estructura:
Cortina para sólidos flotantes: Es una vigueta que se coloca en la zona de sedimentación,
cuya función es producir la precipitación al fondo del desarenador de las partículas o
sólidos como hojas y palos que pueden escapar a la acción desarenadora del reactor.
*Zona de Lodos:
Recibe y almacena los lodos sedimentados que se depositan en el fondo del desarenador.
Entre el 60% y el 90% queda almacenado en el primer tercio de su longitud. En su diseño
deben tenerse en cuenta dos aspectos: la forma de remoción de lodos y la velocidad
horizontal del agua del fondo, pues si esta es grande las partículas asentadas pueden ser
suspendidas de nuevo en el flujo y llevadas al afluente.
*Zona de Salida:
Esta zona tiene por objeto mantener uniformemente distribuido el flujo a la salida de la
zona de sedimentación, para mantener uniforme la velocidad.
El tipo de estructura de salida determina en buena parte la mayor o menor proporción de
partículas que pueden ser puestas en suspensión en el flujo.
Existe una gran variedad de estructuras de salida, las cuales podríamos clasificar en:
vertederos de rebose, canaletas de rebose, orificios (circulares o cuadrados).
CRITERIOS DE DISEÑO:
El periodo de diseño, teniendo en cuenta criterios económicos y técnicos es de 8 a
16 años.
El número de unidades mínimas en paralelo es 2 para efectos de mantenimiento. En
caso de caudales pequeños y turbiedades bajas se podrá contar con una sola unidad
que debe contar con un canal de by-pass para efectos de mantenimiento
El periodo de operación es de 24 horas por día.
Debe existir una transición en la unión del canal o tubería de llegada al desarenador
para asegurar la uniformidad de la velocidad en la zona de entrada.
La transición debe tener un ángulo de divergencia suave no mayor de 12° 30´
La velocidad de paso por el vertedero de salida debe ser pequeña para causar menor
turbulencia y arrastre de material (Krochin,V=1m/s).
La llegada del flujo de agua a la zona de transición no debe proyectarse en curva
pues produce velocidades altas en los lados de la cámara.
La relación largo/ancho debe ser entre 10 y 20.
La sedimentación de arena fina ( d<1.0cm) se efectúa en forma más eficiente en
régimen laminar con valores de número de Reynolds menores de uno (Re<1.0)
La sedimentación de arena gruesa se efectúa en régimen de transición con valores
de Reynolds entre 1.0 y 1 000
La sedimentación de grava se efectúa en régimen turbulento con valores de número
de Reynolds mayores de 1 000
La descarga del flujo puede ser controlada a través de dispositivos como vertederos
(sutro) o canales Parshall (garganta)
Desarenador tipo Detritus
Desarenador de Flujo Vertical
Desarenador Tipo Vórtice
Desarenador Longitudinal
Desarenador Tipo Vórtice(Planta)
Desarenador de dos unidades
Desarenador de una unidad con by pass
DECANTADOR PRIMARIO
El objeto de la decantación es el de conseguir que se depositen las partículas que se
encuentran en suspensión en el agua, tanto si se trata de partículas presentes en el agua
bruta como si se deben a la acción de un reactivo químico añadido en el tratamiento e
incluso de las que resultan de una floculación física ligada a una acción biológica. El
mecanismo de sedimentación descrito para partículas granulares estaba basado en una total
independencia de cada partícula; este esquema, sin embargo, no es valido para en general
para la sedimentación de partículas floculadas, puesto que en él producen dos fenómenos de
acción opuesta:
Por una parte, un flóculo en su sedimentación atrapará nuevas partículas coloidales
o incluso otros flóculos más pequeños, aumentando su volumen y por tanto su
velocidad de caída.
Por otra parte, si la concentración de estos es alta, los flóculos comenzarán a
establecer contactos entre sí, dificultándose mutuamente la caída.
Si bien en el caso de sedimentación de partículas floculentas, la velocidad de caída
dependerá en gran medida de la concentración de estas, también depende de muchas otras
variables tales como: carga superficial, gradientes de velocidad en el sistema y gama de
tamaños; no obstante el efecto de estas variables solo puede determinarse mediante ensayos
de sedimentación, a este tipo de sedimentación se le conoce como sedimentación difusa;
pero cuando predomina la tendencia entre las partículas a estorbarse, se le denomina
sedimentación frenada.
De esta última, que se estudia por medio de la teoría de Kinch, cuya hipótesis fundamental
dice que la velocidad de caída de una partícula depende únicamente de la concentración
local, es que se diseñan los diferentes tipos de decantadores, de los cuales pueden
distinguirse tres tipos básicos:
1. Decantadores estáticos.
2. Decantadores acelerados o de contacto de fangos.
3. Decantadores superacelerados.
DECANTADORES ESTÁTICOS:
Caracterizados por que la recogida de los flóculos se hace por simple sedimentación
(similar a como se describió el caso de los desarenadores). Los decantadores estáticos
pueden ser:
Intermitentes: se basan en el llenado de un depósito en el que el agua permanece
varias horas, posteriormente se vacía la capa superior de agua hasta un nivel por
encima de los fangos depositados. Este procedimiento puede ser interesante para
instalaciones provisionales, pero escasamente útil para explotaciones industriales de
la decantación.
De flujo continuo: en los cuales el agua floculada entra de forma continua en el
decantador, este procedimiento resulta el más rentable en una explotación
permanente, pero requiere un control del caudal, ya que sus variaciones provocan la
formación de remolinos que a su vez, propician la ascensión de los flóculos a la
superficie.
Para que se depositen los fangos, es preciso que la carga superficial (también denominada
velocidad ascensional) sea inferior a la velocidad de caída de las partículas. Los
decantadores están constituidos por un depósito rectangular o circular y en el caso de ser
pequeños van provistos de fondos que tienen una inclinación de 45º a 60º con objeto de que
los fangos puedan evacuarse de forma continua o intermitente, por su parte inferior. En el
caso de grandes decantadores, la fuerte inclinación del fondo conduciría a la necesidad de
adoptar profundidades prohibitivas, por lo que su pendiente se reduce al mínimo y los
fangos se evacuan mediante un sistema de rascado de fondo, que los reúne en una fosa de la
que son extraídos con facilidad.
En los decantadores estáticos debe estudiarse cuidadosamente el reparto de agua bruta y la
recogida del agua decantada para evitar la formación de corrientes preferentes y conseguir
que el agua se reparta uniformemente en todo el volumen útil de decantación, dejando al
mismo tiempo, una zona de calma para la sedimentación del fango. En el caso de que la
coagulación se realice por la adición de reactivos químicos, el proceso de decantación debe
ir precedido de un floculador, en este caso se dice que se trata de una “floculación difusa”,
en la que el volumen de materias en suspensión estará compuesto por las existentes en el
agua bruta y por las procedentes de los reactivos introducidos
*Decantadores cilindro – cónicos:
Este decantador, de flujo vertical se utiliza para instalaciones de pequeño caudal, hasta unos
20 m3/h. La pendiente de la parte cónica suele tener entre 45º y 60º y la velocidad
ascensional media suele estar comprendida entre 0,5 y 1 m/h. También se utiliza en el
tratamiento de aguas residuales (en decantación primaria) para poblaciones menores de
2000 habitantes allí la velocidad suele ser de 1 a 2 m/h.
Decantador cilindro-cónico
Decantador cilindro-cónico de superficie con pies
Las aguas que llegan al decantador son alimentadas por la parte inferior por medio de una
campana tranquilizadora interior, que asciende hasta la superficie, embebido en un pilar
circular, que comunica con una virola de tranquilización que rompe la velocidad de las
aguas y evita turbulencias.
Las aguas son obligadas a iniciar un recorrido descendente y para acceder a la superficie y
llegar al exterior tienen que recorrer una determinada longitud que permite la separación de
las partículas de densidad superior a la del agua, quedándose en la parte inferior del
decantador, y serán extraídas por medio de la brida de salida de fangos, mientras que las
aguas limpias salen al exterior por medio del vertedero de Thompson perimetral, cuya
función es la de clarificar el efluente, con el fin de romper las espumas formadas y retener
los materiales.
Equipo IMHOFF
Los tanques IMHOFF constan de un único depósito en el que se separan la zona de
sedimentación, y la zona de digestión de sólidos decantados (zona inferior del depósito).
Los sedimentadores primarios se fundamentan en separar partículas por diferencia de
densidad con ayuda de la fuerza de la gravedad, en la zona baja del depósito se forma un
manto de lodo en donde se realiza la actividad biológica.
La campana que comunica ambas zonas, impide el paso de gases y partículas de fango de la
zona de digestión a la de decantación, con lo que se evita que los gases que se generan en al
digestión afecten a la sedimentación de los sólidos
*Decantadores laminares:
La decantación puede mejorarse, introduciendo en el decantador una serie de láminas
inclinadas, este fenómeno se revela, teniendo en cuenta que la velocidad ascensional es
independiente de la altura del decantador. Las láminas inclinadas parten al decantador en
una serie de módulos, cada uno de los cuales pasa a ser considerado como un decantador de
menor altura, aumentándose entonces la carga superficial; este proceso se considera en
decantadores acelerados y superacelerados, pero se utiliza también en los estáticos.
Decantador estático laminar SEDIPAC
Los decantadores estáticos laminares, pueden ser de placas paralelas o bien de tubos
inclinados, en todo caso con un diseño flexible y de fácil acceso para facilitar su retiro o
cambio; contando que su inclinación debe ser de 60º, los espesores de 8 a 10 mm. y el
espacio entre ellas de 5 a 10 cm. Los tiempos de retención de estos decantadores son de 10
a 15 minutos, profundidades entre 4 y 5.5 m y cargas superficiales entre 5 y 7.71 m/h. El
sistema de salida debe cubrir toda el área de sedimentación y constar de tuberías perforadas
o canaletas trabajando con un tirante de agua no menor a 8 cm.
*Decantadores de flujo horizontal:
Este tipo de decantadores tiene el inconveniente de exigir grandes superficies e importantes
obras de fábrica, por ello su uso se limita a ciertos casos. En este tipo de decantadores la
entrada debe ser realizada por un dispositivo hidráulico capaz de distribuir el caudal
uniformemente a través de toda la sección transversal, disipar la energía que trae el agua y
garantizar una velocidad longitudinal uniforme, de igual intensidad y dirección.
La unidad debe diseñarse de forma que permita un tiempo de detección de entre 2 y 4
horas, una carga superficial o velocidad de sedimentación de 0.08 a 1.25 m/h. o máximo
(con control y operación especial) de 2.5 m/h. Una velocidad horizontal de flujo de
aproximadamente 5 mm/seg. Una altura del nivel del agua entre 3 y 5 m. Relaciones ancho
- largo 1: 5 y largo - profundo entre 5: 1 y 25: 1. y una pendiente longitudinal mayor a 2 %.
Otro tipo de decantadores estáticos es el de barrido de fangos, su uso es muy extendido
tanto en potabilización (predecantación, clarificación, tratamientos químicos, etc.) como en
depuración de aguas residuales; en estos las velocidades de sedimentación máximas y la
velocidad horizontal de flujo son iguales a las ya mencionados. Con el barrido de fangos en
el fondo del decantador se consigue un espesamiento, consecuentemente un volumen de
remoción más reducido y una menor pérdida de agua, a su vez pueden enviarse a una fosa
de la que pueden ser extraídos con facilidad.
Estos decantadores de barrido de fangos pueden ser circulares de diámetro menor a 40
metros en donde el sistema de barrido va sujeto a una estructura que gira alrededor del eje
del depósito, llevando una sola lámina de rascado que cubra radial o diametralmente el
depósito o varias láminas convenientemente solapadas; dicha estructura se desplaza sobre
el muro circular de coronación del decantador a una velocidad de aproximadamente 0.01 a
0.03 m/seg. arrastrada por un motor. La pendiente del fondo es de un 4 a un 10 % siendo así
posible que los fangos se concentren en una fosa central para ser evacuados, las alturas
periféricas suele oscilar entre 3 y 5 m.
De forma rectangular, su costo puede ser más elevado pero tiene ventajas como la
implementación más compacta de los diferentes equipos de tratamiento; en cuanto a
maquinaria se emplean sistemas sumergidos de cadenas continuas o mejor aún un puente-
grúa que abarque todo el ancho del depósito desplazándose de un extremo al otro. Las fosas
de fango van situadas justo bajo la entrada del agua bruta y la recogida de espumas antes de
la salida del agua decantada. Las condiciones geométricas y de flujo se adaptan a las ya
mencionadas en decantadores de flujo horizontal.
DECANTADORES ACELERADOS O DE CONTACTO DE FANGOS:
Dado que las posibilidades de encuentro de las partículas aumentan con su concentración
en el agua, en los decantadores por contacto de fangos se combina la floculación y la
decantación en un aparato único, a ello se debe la idea de reforzar dicha concentración
conservando en el líquido un elevado porcentaje de fangos formados en el tratamiento
anterior. Para conseguir que los fangos se mezclen con el líquido, pueden utilizarse dos
procedimientos:
Aparatos de recirculación de fangos: en los que los fangos se separan del agua
clarificada en la zona de decantación, luego se recirculan haciéndolos pasar a una
zona de mezcla, provista de un sistema de agitación mecánica o hidráulica donde se
mezclan con el agua bruta a la que se han añadido los reactivos correspondientes.
Aparatos de lecho de fangos: en los que se pretende que el fango se mantenga en
forma de una masa en expansión, que el agua pueda atravesar de abajo a arriba de
forma regular y uniforme, la agitación en ellos es muy lenta y tiene lugar en el
punto de introducción del agua a tratar.
Con estos sistemas se consiguen precipitados densos y por lo tanto, puede aumentarse la
velocidad ascensional del agua; como es obvio, el fenómeno de floculación mejora en
efectividad y debido a la concentración de fangos que se produce, a la cantidad de reactivo
introducida se le da un óptimo rendimiento; se consigue además, una mejor adsorción de
las materias disueltas sobre el flóculo formado. En el caso de tratamiento con carbón activo
en polvo, la concentración de este es tal que en el lecho o nube de fangos, se puede dar
lugar a una economía del 40 % del carbón utilizado.
Sin embargo el diseño y funcionamiento de estos aparatos es delicado, ya que debe
procurarse que la agitación sea lo suficientemente lenta como para no romper los flóculos
ni provocar una nueva suspensión coloidal. También deberá cuidarse que las partículas
antiguas que se ponen en contacto con el líquido floculante se encuentren en el mismo
estado físico que las formadas por los reactivos añadidos, es decir los fangos que se
reintroducen no deberán haberse concentrado durante una decantación prolongada que
hubiese dado lugar a una excesiva deshidratación.
En el seno del lecho de fango o de la zona de mezcla, el fango se encuentra en suspensión y
ocupa un volumen aparente que varia según su densidad y la velocidad ascensional del
agua; por lo que en dichas zonas no puede producirse la aglomeración y posterior
concentración del fango. Para resolver este problema, se diseñan unas zonas tranquilas
donde los fangos se concentran; estas zonas suelen estar constituidas por fosas
(denominadas concentradores) en las cuales se produce una decantación que concentra los
fangos. Los fangos se extraen automáticamente por medio de válvulas o sifones.
También en este tipo de decantadores se emplea el principio de la decantación laminar, de
forma que puedan aumentarse las velocidades ascensionales, los módulos laminares se
suelen colocar en la zona de decantación. Es de señalar que los decantadores por contacto
de fangos se utilizan profusamente en todos los procesos de depuración en los que
intervienen reactivos químicos corno son:
Coagulación de materias coloidales (clarificación).
Decoloración y desodorización.
Precipitación de sales alcalino-terreas (descarbonatación, desendurecimiento).
Eliminación de hierro y manganeso.
Tratamiento de aguas residuales por vía química.
*Decantadores de recirculación de fangos: Los decantadores de recirculación de fangos
se caracterizan por la existencia de una zona de reacción o mezcla y una zona de
decantación, los fangos se recogen en esta última y a continuación, se envían nuevamente a
la zona de mezcla. En estos aparatos, cuyo principio de funcionamiento es simple, deben
evitarse la formación de depósitos de fango procurando que este circule de forma regular,
sin importantes movimientos de torbellino y tratando de conseguir su mezcla sin excesiva
agitación. Las velocidades de sedimentación superan los 2 m/h y se catalogan dentro de
este apartado, los siguientes tipos de decantadores denominados como “de patente”:
CIRCULATOR, TURBOCIRCULATOR, ACCELATOR y Decantador laminar R.P.S.
Decantador acelerador
Decantadores de lecho de fangos: La idea de hacer atravesar el agua por una nube
de fangos que permanece en estado de suspensión concentrada y conseguir de esta
forma una floculación acelerada, tropezaba con una serie de dificultades. Si una
nube de fangos es atravesada de abajo a arriba por una corriente de agua, puede
ocurrir que si la velocidad ascensional sea muy alta y el fango pueda ser arrastrado
hacia arriba, produciéndose una acción disgregante (Figura 28). Si no ocurre esta
circunstancia se observa que al cabo de un cierto tiempo de funcionamiento el fango
no permanece en suspensión en el líquido, por el contrarío, va concentrándose
progresivamente y finalmente se observa una masa compacta de fangos en cuyo
seno el agua ha creado un paso. Es evidente que, en estas condiciones, no se
produce un contacto eficaz entre el agua y el fango.
En cambio, si la entrada de agua se realiza de una forma intermitente, introduciendo un
fuerte caudal durante un tiempo muy corto seguido de un periodo de reposo prolongado, se
comprueba que la masa de fango se mantiene en suspensión regular; todo el fango es
arrastrado hacia arriba durante la introducción del agua pero, a continuación durante el
periodo de reposo siguiente, se deposita de una forma regular, como lo haría una probeta de
agua fangosa que se dejara en absoluto reposo. De esta forma, se consigue una masa de
fango homogénea en todos sus puntos.
Si se hace pasar a través de una capa de fango una corriente vertical de agua, se comprueba
que el volumen ocupado por el fango varía con el caudal y aumenta con éste hasta un cierto
límite, por encima del cual la expansión del fango es tal, que las partículas que lo
constituyen se encuentran tan alejadas unas de otras, que la fuerza de gravitación es
insuficiente para mantener la cohesión entre ellas y el fango es entonces arrastrado por el
agua (Figura 28). El efecto del lecho de fangos queda suprimido y la velocidad límite, así
definida, es la velocidad máxima a la que podrá funcionar el decantador, sin embargo para
mejorar la cohesión de los fangos y por tanto aumentar la velocidad máxima posible,
pueden emplearse coadyuvantes de floculación.
Sedimentador primario antes de laguna aerada
al fondo: sedimentadores secundarios – diseño: M. López
En este tipo de decantadores se encuentran los decantadores de “patente” PULSATOR y
PULSATOR LAMINAR como aplicaciones industriales de las consideraciones
anteriormente expuestas; con estos se consiguen velocidades ascensionales que pueden
llegar, según la naturaleza de las materias en suspensión, a 8 m/hora.
Decantador PULSATOR
Decantador fondo de fangos
DECANTADORES SUPERACELERADOS:
El termino decantación superacelerada debe entenderse como decantadores “llevados al
límite de su funcionamiento”, pues han conseguido velocidades ascensionales muy
superiores a las de la decantación acelerada clásica, pasando de 2.5 – 7 m/h. a velocidades
de 5 a 20 m/hora. No obstante la velocidad ascensional está irremediablemente limitada por
la velocidad teórica máxima, a partir de la cual una ganancia se obtendría únicamente a
costa de una perdida de la calidad de la clarificación y una inestabilidad de funcionamiento.
Entre los decantadores superacelerados pueden citarse los: SUPERPULSATOR y
CYCLOFLOC, el primero de ellos combina el efecto laminar y el contacto de un lecho de
fangos. El segundo recurre al lastrado de flóculos mediante la adición de microarena de
cuarzo que posteriormente se recupera.
