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Universidad del Valle Facultad de Ingeniera rea de Ingeniera Sanitaria y Ambiental Curso de Sistemas de Potabilizacin con Clarificadores de Contacto Docente: Camilo Hernn Cruz Vlez Agosto de 2014

Clarificadores de Contacto I

Introduccin

El mejoramiento de la calidad del agua en las plantas de potabilizacin generalmente integra una

serie de procesos u operaciones que gradualmente permiten convertir un agua cruda de un rio, lago,

mar o pozo de agua subterrnea en agua que cumpla ciertos parmetros de calidad de agua

establecidos en las normas de algn pas. En las plantas que utilizan coagulacin qumica y filtracin

rpida se considera que el agua clarificada es aquella que ha sido sometida a procesos de coagulacin,

floculacin y sedimentacin.

Se considera un sistema con clarificadores de contacto aquel sistema que maneja unidades de

tratamiento generalmente de flujo vertical en el cual uno o los dos procesos de floculacin y

sedimentacin se realizan reteniendo para su utilizacin posterior una parte del floculo previamente

formado. Esto se logra por la configuracin de las procesos ya sea en una sola estructura integrada o

en dos estructuras separadas. Se han aplicado en todo el mundo estas unidades al tratamiento de

aguas bajas y altas en partculas en suspension y con grandes o pocas cantidades de material coloidal,

se considera que pueden presentar limitaciones cuando la calidad del agua y las condiciones de carga

(caudal tratado) puede varan fuertemente en tiempos reducidos. Podemos identificar actualmente dos sistemas de clarificadores de contacto:

1. Los de manto o filtro de floculos. Generalmente son unidades prefabricadas en las cuales una sola estructura integra la flocualcion y la sedimentacin, y en algunos casos incluso la coagualacion (Ver Figura 1). Cuentan con una configuracin del floculador o del sedimentador que permiten concentrar parte de los floculos formados y retenerlo en las unidades tiempos mayores al tiempo de retencin de la masa de agua a tratar, siendo utilizarlos como una malla o red de floculos que facilita los procesos de floculacin y sedimentacin del agua. Una vez se alcanzado una concentracin adecuada de floculos, la cual requiere un periodo de formacin que depende de las partculas en el agua a tratar y de la dosis aplicada de coagulantes o ayudantes de coagulacin y floculacin, la relativa alta concentracin de partculas que se presenta facilita la aglomeracin de partculas coloidales ene l agua cruda, y sustancias disueltas desestabilizadas, igual proceso ocurre en las unidades de sedimentacin, donde es tpico encontrar zonas donde se presenta sedimentacin de compresin (en el fondo) , sedimentacin retardada o zonal o por capa y en la parte

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intermedia y sedimentacin floculenta en la parte superior. Estas unidades por su gran eficiencia de floculacin y sedimentacin generalmente requieren menor rea y tiempo de retencin que las unidades tradicionales de floculacin y sedimentacin.

Figura 1. Clarificador de Manto de Lodos. La concentracin del manto de contacto presenta una combinacin de espacios de diferentes tamao y formas, Los sentidos de flujo en la zona de floculacion que se propongan en ellos deben facilitar la mezcla continua y permanente de floculos preformados con la masa del agua coagulada que ingresa a la unidad, permitiendo que el tiempo de retencin de una parte de los floculos sea mayor que la de la masa de agua a tratar, en la zona de sedimentacin se debe garantiza un ingreso del agua con una distribucin homognea de la masa de agua en el fondo de toda el area de la zona de sedimentacin, donde se debe proveer una forma de continua y dinmicamente retirar el lodo. En el floculador la malla puede capturar floculos de tamao coloidal por absorcin y adherencia, En la zona de sedimentacin una mala distribucin del agua floculada puede ocasionar una falta de homogeneidad en el manto, la aparicin de corto circuito y canales preferenciales, generando disminucin de la eficiencia e incremento de la turbiedad del clarificado. En muchas aguas superficiales la turbiedad del agua esta asociada a la presencia de coloides o de partculas de unas pocas micras de tamao. Aun

desestabilizando qumicamente con coagulantes dichas partculas se presentan una gran

dificultad para removerlas del agua por la combinacin tradicional de los procesos de

floculacin-sedimentacin empleados en las plantas de ciclo completo.

2. Clarificadores de Capas Granulares de Arena, Gravas o granos de materiales sintticos.

Emplean materiales granulares que se recubren de floculos, y dependiendo de la velocidad de flujo del agua, y del tamao del material, permiten efectuar los procesos de floculacin, sedimentacin o filtracin al agua atravesar estas capas de material recubierto. (Ver Figura 2)

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Figura 3. Esquema de un clarificador de capas de gravas, (Cruz et al, 2000) En un lecho granular, dependiendo de la velocidad del agua se presenta floculacin de las partculas desestabilizadas al generarse un gradiente de velocidad (G) originado por las trayectorias tortuosas a travs de los poros del filtro. Simultaneamente el lecho de grava, segn sus caractersticas (longitud, tamao de grava, porosidad, velocidad promedia del agua en el filtro, etc.) puede convertirse en una unidad donde predomina el proceso de clarificado al retener en su interior parte de la materia suspendida. Si el tamao del medio granular se reduce asi como la velocidad el proceso de filtracin predomina en el medio granular (Ver Figura 3). Estas unidades generalmente preceden filtros de arena operando a tasas de filtracin rpida con flujo descendente. Se considera que la Filtracion Directa Ascendente es una variante de los clarificadores de este tipo, ya que en esta la capas de soporte generalmente presentan espesores y tamaos de grava que permiten realizar una floculacin-sedimentacin del material en suspensin en el agua a tratar antes que de llegar a la capa de Arena (Ver Figura 3).

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Figura 3. Esquema de estacin piloto de Filtracion directa Ascendente, (Di Bernardo e Cruz, 1994)

Desarrollo Histrico de los Clarificadores de Contacto. El concepto de clarificadores de manto de lodos, tiene ms de un siglo de uso, pero solo hasta 1950 se concedi una fuerte importancia al proceso, sin embargo numerosos intentos de tecnologas relacionadas se han propuesto en el tiempo. En 1869 SILLAR & WIGNER, reconocen que el lodo precipitado qumicamente es capaz de hacer precipitar partculas en el agua al re-circularlo y ponerlo en contacto con agua cruda. Desde entonces se reconoce que un contacto intermitente del lodo, con el agua afluente tiene un efecto favorable en la precipitacin. El primer y significativo desarrollo industrial fue el desarrollo del tanque Dortmund en 1880, que an hoy se emplean en algunas planteas de aguas residuales y en la industrias del papel. En 1892, ARCHBUTT & DEELEY usan patentan un sistema combinado de dos compartimentos intercomunicados, uno para mezcla y otro para clarificacin. Diferentes ideas combinando las zonas de reaccin floculacin y clarificacin se desarrollaron progresivamente. (ver Figuras 1 y 2)

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[FLOCULACION Y SEDIMENTACIN EN UNA ESTRUCTURA] clarificadores UNIDADES INTEGRADAS

Figura 1. Clarificador mecnico de manto de Lodos.

Figura 2. Clarificador hidrulico.

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La Foto en la Figura 8 ilustra el clarificador de la planta de potabilizacin de de Yumbo- Valle del Cauca.

Figura 8. Clarificador de Manto de Lodos de Planta de Tratamiento de Agua Potable del

Municipio de Yumbo, Valle del Cauca Desarrollo Histrico de Sistemas con Unidades de Floculacion y Sedimentacion en Medios Granulares

Los siguientes prrafos resumen el desarrollo histrico de floculadores y clarificadores de capas en medios gruesos y los aspectos tecnolgicos y econmicos ms relevantes de cada experiencia.

La primera referencia sobre utilizacin de los Floculadores o Clarificadores de lechos de grava (filtrando agua coagulada) fue reportada por Frankel (1974, 1981) and Kardile (1981), los autores presentan un mtodo innovador que fue desarrollado para tratar aguas superficiales en el sureste

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de Asia e India. Tambin informan que varias plantas de tratamientos de aguas fueron construidas durante las dcadas del 70 y el 80 usando gravas.

Frankel (1981) report experiencias pilotos y a escala real con filtros en serie usando velocidades entre 4 y 10 m/h. operando con picos de turbiedad hasta de 600 UNT, La calidad del efluente fue reportada entre 1 a 10 UNT. Proponen la utilizacin de esta tecnologa con turbiedades hasta 5000 si se utiliza un sedimentador de placas sobre el clarificador de Gravas.

En Brasil, Richter (1980) y Richter and DeBarro Moreira (1981) reportan en estudios a escala piloto que un tiempo de floculacin de tres minutos en capas de gravas operando con flujo ascendente equivale a 15 minutos de floculacin en un equipo de jarras bajo condiciones del laboratorio y de 25 minutos en unidades de floculacin de plantas no compartamentalizadas. En sus investigaciones utilizaron una capa de gravas que variaba entre 1.5 a 3 metros y se empleaban velocidades hasta de 12 m / h. La floculacin en capas de gravas probo ser simple, de bajo costo y un mtodo efectivo en varias plantas pequeas de tratamiento de aguas en Brasil, tratando aguas superficiales con picos superiores a 300 UNT (SANEPAR, 1979).

Bhole (1981) propuso una unidad de floculacin en gravas ascendente , donde combina dos tamaos de capas de gravas (de 5 a 10 mm y de 10 a 20 mm en la capa superior) aumentando la seccin desde para modificar el gradiente de floculacin en la unidad. Empleo una velocidad de filtracin de 11.25 m/h. Este diseo ha sido utilizado en plantas prefabricadas de India.

Kawamura (1985) reporto experimentos pilotos que fueron realizados en 1953 para estudiar la filtracin en mltiples etapas de ros altamente contaminados, as como agua de lagos en el Japn. Se evaluaron dos tipos de filtracin de dos fases: i ) El tipo Uno para ros con grandes cargas de slidos inclua Coagulacin-floculacin, un tanque de sedimentacin de corto perodo de retencin, un filtro grueso de primera fase y un filtro rpido final.

En el sistema 1 la funcin del filtro grueso de la primera etapa era remover parcialmente los floculos que pasaban el pequeo tanque de sedimentacin, ii) En el segundo tipo para aguas de lago, sin sedimentacin el primer filtro actuaba como floculador y clarificador. En esta experiencia se utilizaron como criterios preliminares de diseo una velocidad de filtracin en la primera fase de 20 m/h, grava como medio del filtro y se hall que en el sistema de tipo 2 la filtracin de primera fase remueve 50% de slidos ( en trminos de turbiedad), usando un filtro con 3 mm de tamao efectivo y 1.6 m de profundidad. Tambin se observo que la calidad del agua final de la filtracin de doble fase del tipo 2 tratando agua de lago produce efluente con la mitad de cantidad de partculas que el proceso de filtracin directa.

Otros hallazgos de esta investigacin fueron: : i ) En las aguas crudas que exhiben frecuente frecuentemente altos picos de turbiedad y casos de olores y sabores desagradables el sistema 1 de filtracin de doble fase puede producir la misma calidad de agua final que un proceso de tratamiento convencional completo ( 0.2 a 1.0 UNT, para aguas crudas entre 8 a 97 UNT ) y ii) Si la calidad de agua cruda es adecuada para permitir la filtracin directa, el sistema tipo 2 podra ser considerada y produce la misma calidad de un proceso de tratamiento de agua convencional completo.

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Babayev et al (1984) reportaron plantas a escala real en la Union Sovietica con dos etapas de filtracin, la primera una unidad de floculacin en gravas ascendente y un filtro rapido descendente, como acondicionador rejillas de micro-cernido para prevenir obstruccin de clarificadores ascendentes. Estos sistemas se reportaron tratando aguas con color natural hasta de 250 UPC y con turbiedades por encima de 300 UNT.

Gebre-Tsadik (1984) reporta promisorios resultados en un estudio realizado en Finlandia a nivel de planta piloto con aguas sintticas, empleando filtracin gruesa horizontal como clarificador precediendo a la filtracin directa cuando se presentan altos niveles de slidos suspendidos.

Van der Merwe et al (1994), report que los sistemas de tratamientos de agua de doble etapa con flujo ascendente en la primera y descendente en el filtro rpido han sido usados en Sur frica desde mediados de los ochenta. En esta experiencia los filtros de flujo ascendente son diseados para cargas hidrulicas en el rango de 5 a 7 m/h, con capas mltiples de medios entre 1.0 y 12.0 mm.

En los noventa se continan las investigaciones a nivel de laboratorio en floculadores y clarificadores en gravas con aguas sintticamente enturbiadas en la India (Attakoya et al, 1991), en los Pases Bajos (Ahsan, 1995); y mas recientemente en el Lbano (Ayoub, 1996).

Los estudios a escala piloto en los Pases Bajos (Ahsan, 1995) fueron orientados a la modelacin del proceso con el empleo de filtros gruesos horizontales(4-8 m de longitud) como unidades de floculacin y sedimentacin (clarificadores) sugiriendo este estudio velocidades menores a 10 m/h. En el Brasil, (Di Bernardo, 1992; Di Bernardo et al, 1998) reporta una extensa investigacin y un amplio empleo a escala real de unidades de tratamiento que combinan los procesos de floculacin en capas de grava (longitud total 0.8 m) y clarificacin en arena ( longitud total 1.6 m) en una sola unidad denominada filtracin directa ascendente. Este sistema compacto opera a velocidades entre 6.0 y 20 m/h ha mostrado su efectividad para potabilizacin de aguas superficiales con turbiedades promedia hasta de 50 UNT y con eventuales pico hasta de 250 UNT y 100 UPC de turbiedad y color respectivamente. Reconociendo las capacidades floculacin y clarificacin de los filtros gruesos, numerosas empresas han desarrollado sistemas patentados de potabilizacin con una etapa de floculacin o clarificacin en medios gruesos de flujo ascendente. Varios sistemas patentados se ofrecen en norteamrica y Europa utilizando estos conceptos. (ej. Culligan International Co., Neptune Microfloc Products, Johnson Div., Signal Environmental Systems Inc, BCA industrial Control Ltd., etc) Un estudio reciente evalu uno de estos sistemas, una planta prefabricada en Estados Unidos (Brigano et al, 1994). El sistema trata agua superficial para una comunidad rural, operando con una turbiedad promedia mensual entre 1 y 23 UNT. Los resultados muestran que consistentemente el sistema produce agua con turbiedad inferior a 0.5 NTU. Las experiencias anteriormente presentadas a nivel de laboratorio, planta piloto y plantas a escala real permiten concluir que la floculacin y la clarificacin en medios gruesos es una alternativa de pretratamiento para filtracin rpida empleada con xito actualmente en numerosos pases, con

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significativo ahorro en costos de inversin inicial con respecto a plantas de tratamiento convencionales de ciclo completo. De otra parte, los criterios sugeridos de diseo recomendados dependen de la configuracin de planta propuesta (objetivo de tratamiento planteado a la etapa) y de la calidad de agua a tratar. Sin embargo, se presenta disparidad e inconsistencias as como falta de informacin sobre los criterios (tasas de filtracin, longitud y granulometra de lechos filtrantes, condiciones de coagulacin) y las caractersticas de calidad de agua empleada en los estudios estableciera que desde 1993 al 2008 bajo la direccin del autor del presente documento se iniciara en la Universidad del Valle una

investigacin denominada "Anlisis de Procesos y Optimizacin de la Clarificacin de agua en

Sistemas con Clarificadores de Contacto" . En el marco de esta investigacin A la fecha se han realizado mas de siete tesis de maestria y 12 trabajos de grado a nivel de laboratorio, a escala piloto y a escala real, Se han construido tres prototipos de plantas de potabilizacin para comunidades en pequeas comunidades alrededor de la ciudad de Cali, dos tratando fuentes superficiales y una removiendo hierro y manganeso de aguas subterrneas demostrando el potencial del empleo de esta tecnologa para el mejoramiesnto de calidad de agua de pequeas u medianas comunidades. Se estableci a escala de laboratorio la posibilidad de emplearla en combinacin con la filtracin rpida en el tratamiento de aguas con bajo o moderados niveles de material suspendido y coloidal. Tambin se ha estudiado el efecto de la velocidad de filtracin y del pH de coagulacin en la calidad del efluente. El estudio realizado en sobre el Potencial de la filtracin gruesa en mltiples etapas (FiGME) en la optimizacin de plantas de tratamiento con filtracin rpida de agua qumicamente coagulada" determin en base a ensayos de laboratorio (pruebas de jarras simulando la filtracin rpida) el efecto del pretratamiento (FGDi, FGAC, FGAS3) sobre las dosis de coagulacin. En estas investigaciones, se estudio el proceso de coagulacin de aguas superficiales coloreadas de la regin andina. Se determino a escala de laboratorio la incidencia de los pretratamientos en filtros de grava sobre el tratamiento del agua qumicamente coagulada (agua del ro Cauca). Quintero (1996) estableci el efecto de la dosis de coagulante en la Filtracin Gruesa Ascendente en Capas (FGAC) operando con agua qumicamente coagulada; para este fin se trabaj a una velocidad de filtracin baja (1 m/h) con diferentes dosis de alumbre y dos condiciones de pH (correspondiendo a los mecanismos de AN y barrido). Posteriormente Garca (2001) estudio el efecto de la velocidad (1-3-6-12m/h) en la floculacin y clarificacin en unidades de FGAC. En estas investigaciones se empleo agua del ro Cauca previamente condicionada en unidades de Filtracin Gruesa Dinmica (FGDi). Adicionalmente, las tesis de pregrado abordaron otros aspectos de los la clarificacin en gravas. Sin embargo los procesos que ocurren en el interior de los FGAC siguen siendo desconocidos, como tambin el impacto real de la FGDi en las operaciones de coagulacin-floculacin-clarificacin en los FGAC, haciendo necesario la continuacin de los estudios relacionados con el tema. Gremion ( Teora de Sedimentacin La sedimentacin puede ser de 4 tipos. En los clarificadores de contacto el tipo de sedimentacin es de los tipos 2 y 3, las cuales permiten que en el mismo tanque se realicen los procesos de floculacin y sedimentacin. Tabla 1 y Figura 4.

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Tabla 1 .Tipos De Sedimentacin Segn El Sentido Del Flujo En Unidades De Decantacin De

Plantas De Purificacin De Agua

Sentido del Flujo Tipo de

Sedimentacin Ejemplo

Rata de flujo M/m/d

Horizontal 1 y 2 Desarenadores 200 420

15 - 30

Vertical 2 y 3 Clarificadores

hidrulicos, mecnicos y de Manto de lodos

35 60

Inclinado (ascendente o descendente)

1 y 2 Decantadores con mdulos o

placas

120- 180

Figura 4. Modelo De Decantador De Floc Para Flujo Vertical (Arboleda, 2000) En la sedimentacin tipo 2, los slidos o partculas se comportan como slidos aglomerables y al descender se adhieren o aglutinan entre s cambiando de tamao, forma y peso especfico durante la cada. En la sedimentacin tipo 3 se debe analizar el conjunto de los slidos, debido a las mutuas interferencias entre partculas que hace que estas formen un manto de lodos que flota en el lquido y dependiendo de las caractersticas de la suspensin se puede dar una sedimentacin denominada autointerferida. El clarificador de manto de lodos opera con flujo vertical generando 3 zonas, (desde abajo hacia la superficie del tanque), de las cuales depende la calidad del agua tratada: la capa del manto de

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lodos donde las partculas se reacomodan y compactan; la capa de interfase, en la que el floc esta en constante choque por la velocidad de cada de algunas partculas y la velocidad de ascenso del flujo; por ltimo esta la capa de agua clarificada que es recogida por canales superficiales. Se han realizado ensayos para clarificadores de flujo vertical, encontrando que a mayor concentracin de partculas menor velocidad de cada de la interfase, menor velocidad de ascenso de las partculas, lo que lleva al equilibrio de la interfase y mantiene el flujo en suspensin (funcionando como floculador). La calidad del agua del efluente mejora (disminuyendo la turbiedad) y baja la turbiedad a mayor porosidad del manto de lodos. Bond (1965) demostr que la velocidad de asentamiento es proporcional a la velocidad de cada y densidad de las partculas, (a mayor densidad mayor velocidad de cada); el floculo viejo tiene velocidades de asentamiento mayores que el floculo recin formado. (Figura 5). Figura 5 Velocidad De Asentamiento De La Interfase Para Mantos De Lodos De Diferente

Densidad La velocidad de ascenso del flujo encuentra resistencia en el manto de lodo, si esta es mayor que la velocidad de cada de las partculas se puede romper el manto y fluidificar los lodos ascendentemente hacia las canaletas. En muchas plantas de clarificadores no hay un sistema que permita controlar el nivel del manto o la nube de lodos en la purga, considerando la anterior exposicin este punto es un riesgo en la operacin de una planta. Adems se puede afectar la eficiencia del sistema pues a mayor profundidad de la capa de lodo y conservacin del lodo viejo, mayor remocin de la turbiedad. Segn la bibliografa el espesor de esta capa en clarificadores hidrulicos vara entre 1 y 3 metros de espesor. Conceptos Aceptados sobre su operacin

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1. Los principios de floculacin ortocintica y gradiente de velocidad rigen los diseos. 2. Los mecanismos simultneos de agregacin y quiebre intervienen en la floculacin a travs

de la mezcla (Gradientes de velocidad). 3. Es necesario un tiempo mnimo para iniciacin de formacin del floculo. 4. Reactores subsecuentes, especialmente cmaras de mezclado escalonadas mejoran la

floculacin. 5. Reacciones fisicoqumicas a travs del contacto hacen posible reducir la dosis de

coagulante, inclusive permitiendo intermitentes cortes de la dosis (Ej. Por 10 o 15 minutos), sin alterar los resultados de la operacin.

6. Una suave sobredosis puede cubrir accidentales interrupciones de la dosificacin qumica, por un perodo suficiente para reparar el equipo dosificador.

7. El nmero de partculas retenidas es inversamente proporcional a la velocidad ascensional, al producirse arrastre de una mayor cantidad de partculas por el flujo y se suele producir mayor ruptura del floculo por esfuerzos cortantes.

8. A igualdad de otras condiciones, la eficiencia en remocin de turbiedad de un clarificador es directamente proporcional a la profundidad del manto de lodos.

9. La remocin de color no depende de las caractersticas fsicas del manto, sino de la eficiencia del proceso qumico de desestabilizacin y por lo tanto la reduccin de color es independiente de la concentracin del manto y de la velocidad ascensional de la unidad.

Para iniciar el proceso es necesario constituir una camada de lodo, lo cual puede requerir varios das de operacin, ste perodo puede ser acortado reciclando lodo en el agua a ser tratada. Se hace necesario aplicar desinfectante previo a la entrada de agua a la unidad cuando se combina lodo de contacto de lodo o s recircula lodo, esto evita olores o sabores indeseables como consecuencia del lodo re-inoculado en el clarificador. Ventajas de los Clarificadores Diseo econmico y compacto. Remocin de lodos ms fcil que en tanques horizontales. Altas eficiencias de clarificacin debidas a:

1. Baja velocidad de entrada 2. Efecto precipitante de lodo preformado 3. Filtracin a travs de la capa de lodo

Desventajas Mayor necesidad de control que en unidades horizontales convencionales. Rpida prdida de eficiencia durante sobrecargas hidrulicas y de perodos de sobrecarga de

lodos. Tendencia a problemas operacionales cuando el agua exhibe continuas fluctuaciones de

temperatura o turbiedad en un amplio rango.

Tabla 2. Tipos de Clarificadores Ascendentes con y sin manto de lodos

(Montgomery, 1985)

TIPO DE CLARIFICADORES

CARACTERISTICAS

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1. Ascendentes Simples (Radiales) Floculacin hidrulica: no requiere energa

No patentadas

2. Reactor Clarificador Mezclador Mecnico

Floculacin mecnica: requiere energa

Patentados

3. Reactor de Manto de Lodos:

Pulsante o de vaco.

De separacin qumica (coagulacin, floculacin, sedimentacin)

De agitacin simple

Mezclador mecnico + manto de lodos: requiere energa

Patentados

Componentes de un clarificador Entrada de agua cruda. Zona de mezcla secundaria y gradiente de reaccin. Zona de concentracin de lodo. Zona de decantacin con sistema para recoger agua. Construccin circular o al menos lo ms simtrica posible (Ej. Cuadrada) Recirculacin de lodo, con el fin de favorecer la floculacin y la coagulacin de barrido Clasificacin de Clarificadores de Manto de Lodos Constante o pulsante. Hidrulicos o mecnicos. Con o sin re circulacin de lodos. Con o sin control de alturas del manto de lodos Aspectos Qumicos 1. Cambios en el pH o en la dosificacin, pueden producir deterioro de las caractersticas del lodo,

prdida de la interfase y an fluidificacin total del manto.

2. Prueba de jarras no simula dosis ptima ().

Tabla 3. Criterios de Diseo ((Montgomery, 1985)

CARACTERISTICAS Ascendentes Simples

(hidrulico)

Mecnicos Mecnico de Manto Con

recirculacin

Carga Superficial [m/h] 1.5 - 1.9 Hasta 2.0

2.1 - 3.1 2.1 - 4.2

2.1 3.1 5.4 7.2

(Aadiendo

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polvillo 2 5 kg/m3

)

Profundidad de agua [m] 3.0 5.0

Tiempo de Sedimentacin [min] 60.0 80.0 60.0 120.0 60.0 120.0

Carga sobre Vertederos [m3/m/h] 7.1 7.3 14.6 7.3 14.6

Velocidad Ascendente [m/h] >3 >3

Tasa deRecirculacin [m/h] (3.0 5.0) Q

Tiempo de Floculacin [min] 20.0 30.0 20.0 30.0

Concentracin en zona de Floculacin [%] (Despus de 15 min de sedimentacin)

5.0 20.0

Nivel de Lodos [m] (Capa) 2.0 3.0 1.0 3.0

Tipo de Agua Blanda, baja turbiedad, alta

turbiedad.

Velocidad de Rotacin de Barre Lodos [rpm]

1.0 2.0

Concentracin de slidos en el Manto [%]

2.0 10.0

Velocidad de Rotacin de Equipos de Floculacin [rpm]

6.0 20.0

Aspectos Hidrulicos

Forma de la unidad: tronco piramidal o tronco cnica (paredes con = 600), permiten disminuir la velocidad ascensional con la altura, y los lodos pueden resbalar por las paredes.

Concentracin junto a las paredes mayor de (3.0 4.0) % que en el centro. Se debe controlar la velocidad de entrada evitar chorros. Zona de sedimentacin: tratar de obtener flujo estable para controlar problemas de ebullicin en

el manto La altura entre el manto y las canaletas no debe ser menor a la mitad de la distancia entre

canaletas Aspectos en las Eficiencia de los Clarificadores Factores que Influyen en los Clarificadores de Flujo Vertical Fuerza actuante descendente (Fuerza de gravedad). Fuerzas de empuje y friccin actuando ascendentemente. Fuerzas dinmicas en el agua. Posibles Situaciones Fdg = G > Fuerzas descendentes (las partculas son sedimentables) Fd < FAsc Las partculas salen en el agua sobrenadante Fd = FAsc Caso equilibrio dinmico. Las partculas permanecen suspendidas (estado fluid

izado).

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La velocidad del flujo en cualquier clarificador decrece luego de la interfase entre manto y agua superior de estabilidad al manto. Floculacin ortocintica es proporcional al gradiente de velocidad.

dn = G n1 n2 (d1 + d2)3

dt 6

Considerando que d2 es mucho mayor que d1.

dn = G n1 n2 d23

dt 6

Ives (1968) desarrollo uno de los primeros estudios tericos de clarificacin de mantos de lodos basado sobre los principios de la floculacin ortocintica con el manto, el propuso que la remocin de partculas esta basada en la ecuacin

nt = exp ( GC )

no donde nt y no son el nmero de partculas que han entrado al tanque y despus de un tiempo t respectivamente G es el gradiente de velocidad C es la concentracin de la suspensin Tambin propuso Ives (1968)

Volumen de partculas de floculo = r * n2 * d23/6

Unidad de volumen unitario

* n2 * d23 = C

6

dn1 = G n1 C

dt R

Integrando entre n0 y tn

dn1 = C dt

n n

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nt = e 6Ct/R

n0

nt = n0 e 6Ct/R

por otra parte el tiempo de detencin promedio en un manto fue definido (LEVENSPIEL 1962) :

td = masa de slidos en el tanque

masa afluente de slidos por unidad de tiempo

se puede decir que G * T*Cclarificadores > G * T * C floculadores y sedimentadores convencionales Ecuacin de eficiencia

Ntm = Nom e (nm* Gmm* * Td/R)

Donde :

Ntm = Nmero de partculas efluentes por unidad de volumen (m-3)

N0m = Nmero de partculas en el manto en el inicio por unidad de volumen (m-3)

nm = Eficiencia de encuentros en el manto.

= Fraccin de volumen de los floculos Gmm= Gradiente de velocidad en el manto. Td = Tiempo de detencin en el manto.

Relacin entre velocidad de sedimentacin de partculas individuales y la del manto despus de la coagulacin en mecanismo de barrido con sales de hierro o aluminio).

Vsm = (1 f * 2/3)

Vsp Considerando el manto de lodos como un lecho fluidizado Se puede calcular la Velocidad ascensional en el plano de separacin como:

Vsm = 0.5Vsp f = 2.78

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= 0.076 (generalmente 0.06 0.10) Ecuacin para el clculo de las reas de fondo y superior del manto. (IVES 1968)

1/2

Gmm * f * Td = (s - a) * R Dmi * F Dms

4 * Q * * f9/2 2 Dmi Dmi, Dms = Dimetro de base superior e inferior del tronco del cono respectivamente (m)

s, a = Peso especfico de los floculos y del agua respectivamente (N/m3)

= Viscosidad absoluta del agua (N*m/s2) El parmetro F (Dms/Dmi) se obtiene de la una figura en la literatura. Para aguas con turbiedad superior a 150 UNT y color verdadero bajo, coagulada con sulfato de aluminio en el mecanismo de barrido el parmetro

= Gmm * * Td = (60.0 120.0) Dms se obtiene con velocidad Vsm y Dmi con la velocidad Vsp Modelacin de la Eficiencia en Clarificadores de Manto Gould (1974) Revis varias teoras de sedimentacin obstaculizada y encontr que sus datos e ajustaban mejor adaptando la relacin de Barnea y Mizrahi (1973)

V = Vo ( 1- qC*)n

Donde: V es la velocidad de sedimentacin de la suspensin Vo es la velocidad de sedimentacin final q es un factor que relaciona la forma y la concentracin medida C* es la concentracin del manto medida despus de ajustar un tiempo de 30 minutos de sedimentacin n es una constante exponencial

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Desarrollo y aplicaciones de un Modelo para simular el efecto de las caractersticas del manto de lodos sobre el proceso de clarificacin Este modelo se basa en la teora de Gould sobre la operacin de clarificadores de manto de lodos. Despus de un cambio en el cadual tratado, o en la velocidad de sedimentacin del manto, la superficie del manto crecera o caera a una tasa igual a la diferencia en velocidades entre el caudal y la velocidad de sedimentacin obstaculizada. Este cambio en posicin de la superficie del manto puede ser expresada como: dH = U-Vs dt Donde: H es la altura del manto encima de fondo del tanque U es la velocidad instantnea de sobreflujo en el tanque Vs es la velocidad de sedimentacin obstaculizada instantnea del manto Para simular la sedimentacin obstaculizada se ha usado en este estudio una versin modificada de la ecuacin de Barnea Mizrahi

Vt = Vmax [1-s ( C Cmin)] n Donde Cmin define el punto de corte sobre la curva de sedimentacin obstaculizada, debajo del cual la velocidad de sedimentacin de la suspensin permanece constante V max es la velocidad de sedimentacin y debajo C min C es la concentracin de la suspensin, definida como el volumen de sedimentacin a los 30 minutos (Gregory, 1979). s es un factor de forma n es un factor exponente Esta establecido (Gregory, 1979) que la rata de remocin de partculas primarias que entran al clarificador dependen sobre la concentracin del manto. Para la Simulacin de la remocin fue se consdidera como el reactor como un tanque de agitacin continua (CSTR). El balance de masa para un solo tanque CSTR es dado por: dX = Q ( Xi-X) - [kft CII + vsA ]X dt V L V Donde: X es la concentracin de slidos sedimentables saliendo del clarificador Xi es la concentracin slidos sedimentables entrando al clarificador Q es la rata e flujo de entrada V es el volumen del tanque A es el rea superficial del tanque L es la altura del tanque vs es la velocidad de sedimentacin de las partculas primarias entrando al tanque Kfl es el factor de flotacin, refleja la eficiencia de colisin de los flocs

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La carga de slidos en el clarificador se calcula de la concentracin de slidos suspendidos en el agua cruda y la dosis de coagulante (Warden y Craft, 1980) Xi = X cruda + 2.9 DAl + 1.9 DFe + 0.2 Crem + Dpoly + DPAC Donde: X cruda es la concentracin de slidos suspendidos del agua cruda (mg/l) Que es aproximadamente 2*turbiedad del agua cruda (NTU) DAl es la dosis de un coagulante basado en Aluminio ( mg/l Al+3) DFe es la dosis de un coagulante ferrico (mg/l Fe+3) Crem es el color removido debido a la adicin de coagulante (oHazen) DPoly es la dosis de polielectrolito (mg/l), si se usa D PAC es la dosis de carbn activado en polvo (mg/l), si se usa Calibracin y Prueba del modelo Para estudiar el modelo, los datos fueron obtenidos de una planta de tratamiento de agua tratando un agua superficial extrada directamente de un ro del sur de Inglaterra. Las caractersticas del agua cruda sobre un periodo de un ao se muestran en la tabla No. 4 Tabla 4 Datos de Calidad de agua cruda en un planta con clarificadores de contacto

El clarificador tiene un rea superficial de 216 m2 y 6 m de profundidad. El exceso de floc es removido a travs de un cono a una altura de 4.3 m del piso del tanque. La planta usa sulfato frrico como coagulante, sin ningn polielectrolito y debido al bajo color en el agua cruda, los trminos de remocin de color tienen un pequeo efecto, por tanto la carga de slidos de la ecuacin (6) serian:

Mximo

Mnimo

Promedio

Temperatura

(o

C)

21

3.5

11.7

p H

8.4

7.7

8.1

Turbiedad (FTU)

35

0.41

3.0

Color (o

Hazen)

27.8

3

6.4

Hierro total

(mg Fe +3

/l)

0.82

0.01

0.09

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Xi = Xcruda + 1.9 DFe + DPAC Datos de la primera mitad del mes se seleccionaron para el propsito de la calibracin del modelo, durante este tiempo la temperatura del agua cruda fue constante cuando se mido al mismo tiempo cada da. La dosis de coagulante y turbiedad del agua cruda fue tambin regularmente estable durante este periodo. Para calibrar el modelo, la constante en la sedimentacin obstaculizada ecuacin (4) puede ser estimada. Esta ecuacin se puede linealizar ln (V) = ln (Vmax) + H ln [1-s (C Cmin)]

Ploteando ln (V) vs ln 1-s (C Cmin para los datos de la planta y optimizando Cmin y s para dar la mejor lnea recta a travs de los valores de los puntos dados para las constantes de calibracin. Para el sitio estudiado, los valores encontrados fueron: S = 1, n= 2.425, V max = 5.65 mh-1 y C min = 10%. El factor de floculacin, kfl en la ecuacin (5) puede ser estimado escogiendo un tiempo en donde la concentracin afluente y la concentracin efluente son estables y conocidas. Reorganizando la ecuacin da un valor de kfl =12.5 h-1. se uso una fraccin del 5% de slidos no sedimentables basado en resultados tpicos de Pruebas de Jarras Figura 6 Comparacin de la Prediccin del Modelo de la Concentracin del Manto con los

Datos de la Planta

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Figura 7 Comparaciones de las Predicciones del Modelo de Turbiedad de Agua Clarificada

con los Datos de la Planta Usos del Modelo El modelo puede ser usado en un amplio rango de posibles aplicaciones, tanto en la representacin operacional como de diseo de escenarios. Ejemplos de uso el modelo como herramienta operacional incluye:

Determinacin del efecto de cambios sbitos en la calidad del agua cruda.

Estudio del efecto de cambios en el caudal (tasa de operacin).

Estimacin del caudal mximo posible a tratar mientras se mantiene una buena calidad del agua tratada, .

Determinar los efectos de temperatura sobre las eficiencia.

Estimar la tasa optima al cual se deben realizar las purgas de lodo para obtener buen control del manto

Cuando hay una batera de clarificadores en una planta, para estudiar el efecto de sacar un clarificador fuera de servicio para limpieza en la eficiencia de calidad del efluente de los otros clarificadores

En una situacin de diseo, el modelo puede ser usado para estudiar el comportamiento de una nueva planta en la anterior a la instalacin o a estimar el incremento en el tamao del clarificador requerido para tratar un incremento de caudal en las mismas unidades. BIBLIOGRAFA AHSAN, T. (1995). Process Analysis and Optimization of Direct Horizontal-Flow Roughing Filtration. Delft University of Technology, A.A. Balkema De, Rotterdam, Pases Bajos. ARBOLEDA VALENCIA, J. (1993). Teroa y prctica de la purificacin del agua. Edit. Asociacin Colombiana de Ingeniera Sanitaria y Ambiental. Bogot, Colombia. ARBOLEDA, Jorge. (2000) Teora y prctica de la purificacin del agua. 3 Edicin. Mac Graw Hill ACODAL. ATTAKOYA, S. ; PRASAD, V.S. y NAGARAJA, S. V. (1991). Perfomance study of granulated floculator. Indian J. Environ. Health, Vol. 33, No. 4, pp. 498-504.

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