tratamientos primarios en edar

Tratamientos PRIMARIOS

DIMENSIONAMIENTO DE UNIDADES

Mercedes Villa Achupallas M.Sc.

TRATAMIENTO PRIMARIO

El objetivo del tratamiento primario es favorecer la

eliminación de sustancias en suspensión, sustancias

disueltas y la supresión de la flora microbiana, además

de la posible corrección de algunas características

físicoquímicas.

Mercedes Alexandra Villa Achupallas M.Sc.

Químico Ajuste de pH (neutralización)

Coagulación y floculación

Oxidación

Físico Sedimentación

Sedimentadores

Tanque imhoff

Tanque séptico

Flotación

Gravedad

Inducido

Coalescencia

TRATAMIENTOS PRIMARIOS

Se caracterizan por ser tratamientos Físico-

Químicos, incluye unidades como: coagulación,

floculación, decantación y filtración.


El tratamiento primario esta dado por las siguientes unidades de tratamiento, que dependiendo del grado de contaminación del efluente, se pueden emplear todas las unidades o alguna de ellas.

TRATAMIENTO PRIMARIO


Las aguas potables o residuales, en distintas cantidades,

contienen material suspendido, sólidos que pueden sedimentar

en reposo, ó sólidos dispersados que no sedimentan con

facilidad llamados coloides.

Un COLOIDE es una sustancia que:

Es suficientemente grande para no estar disuelta y

Tamaño pequeño que no favorece la sedimentación.

COAGULACIÓN-FLOCULACIÓN


OBJETIVO:

Eliminar material coloidal y emulsionado que no se pueden eliminar mediante operaciones físicas.



COAGULACIÓN, es la reacción química que tiene lugar por la adicción de determinados compuestos a una dispersión coloidal, produciendo una desestabilización de las partículas coloidales, mediante la neutralización de las cargas eléctricas así como la formación de un flóculo de barrido



FLOCULACIÓN

La formación de partículas fácilmente sedimentables a part ir de

las partículas desestabilizadas de tamaño submicroscópico por

agrupamiento entre ellas y formación de otras de mayor tamaño.

SEPARACIÓN DE FLÓCULOS

En el proceso de coagulación-floculación, no t iene lugar

separación alguna de contaminantes, sino una adecuación de

determinadas partículas para que puedan ser separadas

fácilmente a través de decantación o de f lotación posterior.



ACCIÓN DEL COAGULANTE

Coagulación se refiere a la

desestabilización de la suspensión

coloidal.

Floculación se limita a los fenómenos

de transporte de las partículas

coaguladas para provocar colisiones

entre ellas promoviendo su

aglomeración.

ACCIÓN DEL COAGULANTE


COAGULACIÓN - FLOCULACIÓN:

Para favorecer la formación de aglomerados de mayor

tamaño se adicionan un grupo de productos

denominados floculantes.

Los coagulantes, neutralizan las cargas, produciendo

un colapso de la nube de iones que rodean los

coloides, de modo que puedan aglomerarse.


COAGULACIÓN-FLOCULACIÓN:

Las especies coloidales halladas en aguas superficiales

y residuales incluyen:

arcillas,

sílice,

hierro,

metales pesados,

color ó sólidos orgánicos (residuos de animales muertos)

Si se añade demasiado coagulante las partículas se

cargan ahora con el signo contrario y pueden volver

a dispersarse. Mercedes Alexandra Villa Achupallas M.Sc.

MEZCLADO DEL COAGULANTE:

Para complementar la adición del coagulante se requiere del

mezclado para destruir la estabil idad del sistema coloidal.

Para que las partículas se aglomeren deben chocar, y el mezclado

promueve la colisión.

Un mezclado de gran intensidad que distribuya al coagulante y

promueva colisiones rápidas es lo más efectivo.

Una vez que se ha añadido el coagulante y se ha realizado la

operación de coagulación se pasa a la formación de flóculos

mayores.


CRECIMIENTO DE LOS FLÓCULOS

Puede ocurrir que el flóculo formado por la aglomeración de

varios coloides no sea lo suficientemente grande como para

asentarse con la rapidez deseada. Por ello es conveniente

utilizar productos denominados Floculantes.

La floculación es estimulada por un mezclado lento que junta

poco a poco los flóculos.


REACTIVOS Y COAGULANTES COMUNES

COAGULANTES FLOCULANTES

Sulfato de Alúmina Sílice activa

Sulfato Férrico Oxidantes (MO)

Cloruro Férrico Adsorbentes (MP)

Aluminato sádico

Históricamente, los coagulantes metálicos, sales de Hierro y Aluminio, han sido

los más utilizados en la clarificación de aguas y eliminación de DBO y fosfatos de

aguas residuales.

Para determinar la dosis de coagulante y floculante se debe realizar una

experimentación en el equipo de “Jar test” (Prueba de Jarras) que permite

conocer el tiempo de agitación y sedimentación para cada proceso. Mercedes Alexandra Villa Achupallas M.Sc.

EQUIPO DE JAR TEST:


RENDIMIENTO DEL TRATAMIENTO

COAGULACIÓN - FLOCULACIÓN SEDIMENTACIÓN

80 – 90% SS 50 – 70% SS

40 - 70% DBO5 30 – 40% DB05

30 – 60% DQO 5 – 20% DQO


Unidad de coagulación

Tiempo de mezcla corto

Gradientes de velocidad altos

Se forman los microfóculos

Unidad de floculación

Los microflóculos deben aglomerarse

Tiempo necesario de 20 a 60 minutos

Se precisa una agitación suave para favorecer la mezcla e impedir la

rotura de los flóculos

Unidad de separación

INFRAESTRUCTURA NECESARIA



Acondicionamiento de pH

Adición de Floculante


La mayoría de unidades de coagulación y floculación en los

sistemas de tratamiento de aguas operan bajo condiciones de

mezcla turbulenta.

Los gradientes de velocidad no suelen estar bien definidos

bajo condiciones de mezcla turbulentas, por lo que se ha

desarrollado una expresión sencilla para relacionar la

intensidad de mezclado con la potencia aplicada por unidad

de volumen.

Un balance de fuerzas aplicado a un elemento de fluido puede

dar lugar a la siguiente relación entre gradiente de

velocidad y potencia aplicada.



DONDE,

G = GRADIENTE DE VELOCIDAD, s-1

P = POTENCIA APLICADA, W

V = VOLUMENDEL REACTOR DE MEZCLADO, m3

μ = VISCOSIDAD DINÁMICA, Pa•s (Kg/m s)



DONDE: P = POTENCIA, W

KT = CONSTANTE DEL AGITADOR

n = VELOCIDAD ROTACIONAL, REVOLUCIONES/s

Di = DIÁMETRO DEL AGITADOR, m

ƿ = DENSIDAD DEL LÍQUIDO, Kg/m3



CONSTANTE DEL AGITADOR (KT)

Hélice, montada en 1,3 palas 0.32

Hélice, montada en 2,3 palas 1

Turbina, 6 palas planas 6.3

Turbina, 6 palas curvas 4.8

Turbina "ventilador", 6 palas curvas a 45° 1.65

Turbina cubierta, 6 palas curvas 1.08



Mezcladores mecánicos en el tanque.

COAGULACIÓN: MEZCLADO RÁPIDO


G está en el intervalo de 600 a 1000 s-1

Tiempos de residencia ( ó t) en torno a 1-10 s

Máximo volumen del tanque = 8 m3

Profundidad del líquido = 0.5 a 1.1 veces el diámetro o

ancho del tanque

Diámetro del agitador: entre 0.3 y 0.50 veces el

diámetro o ancho del tanque

Los deflectores verticales suelen tener un ancho en

torno al 10 % del diámetro o ancho del tanque

COAGULACIÓN: MEZCLADO RÁPIDO CONSIDERACIONES DE DISEÑO


Los agitadores no suelen tener un diámetro superior a

1metro

La profundidad del líquido ha de ser aumentada entre 1.1

y 1.6 veces el diámetro del tanque si se emplean dos

agitadores por eje. Cuando éstos se utilizan han de estar

espaciados alrededor de dos veces el diámetro del

agitador.

La eficacia de transferencia de la potencia del motor del

agitador al agua es del orden del 80% para agitadores

COAGULACIÓN: MEZCLADO RÁPIDO CONSIDERACIONES DE DISEÑO


Floculador mecánico de palas de eje horizontal

FLOCULACIÓN: MEZCLADO LENTO



Floculador mecánico de turbinas de eje vertical.


TIPO G (s-1) G - t

Baja turbidez, eliminación de color 20 – 70 60000 – 200000

Elevada turbidez, eliminación de sólidos 30 - 80 36000 - 96000

Tiempo hidráulico de residencia = 900 - 1800 s

Los floculadores suelen ser diseñados con un mínimo de tres

compartimentos para ejercer un mezclado gradual.

El diámetro del agitador suele ser de 0.2 a 0.5 veces el ancho del

tanque, estando el máximo diámetro de los agitadores en torno a 3 m.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO



Coagulación: desestabil ización del coloide.

Floculación: Coloides inestables forman flóculos.

Separación de flóculos: Mediante unidades de decantación, flotación

o filtración.

El proceso de coagulación-floculación, es un proceso simple, pero

costoso.

Se emplea cuando hay poca Materia Orgánica.

Apropiado para vertidos intermitentes, climas fríos y vertidos

tóxicos (industriales, lixiviados, etc.)

Durante el proceso, el agua a tratar se comporta en régimen

turbulento.

CONCLUSIÓN


D

I

M

E

N

S

I

O

N

A

M

I

E

N

T

O

EJERCICIO DE APLICACIÓN

De acuerdo a las características del vertido que se indican a continuación, diseñe la unidad de Coagulación-Floculación, óptima para su tratamiento.


Caudal de agua residual a tratar: 2 m3/s

Dosis de Coagulante: 40 mg /L FeCl3

Concentración del producto comercial: 40%

Frecuencia de suministro de coagulante: 15 días

G·t = 600 – 10000

G = 600 – 1000 s-1

t = 1 – 10 s

= 1.053 · 10-3 Pa · s

Tª agua residual: 18 ºC

Eficacia estándar de los agitadores: 80%

(Profundidad tanque/diámetro tanque) = 0.5 – 1.1

(Diámetro agitador /diámetro tanque) = 0.3 – 0.5

EJERCICIO: COAGULACIÓN

PARÁMETROS DE DISEÑO


Mezcladores comerciales

EJERCICIO: COAGULACIÓN PARÁMETROS DE DISEÑO

MODELO rpm POTENCIA (kW) MODELO rpm POTENCIA

(kW)

TJQ25 30.45 0.18 TJQ300 110.175 2.24

TJQ50 30.75 0.37 TJQ500 110.175 3.73

TJQ75 45.7 0.56 TJQ750 110.175 5.59

TJQ100 45.11 0.75 TJQ1000 110.175 7.46

TJQ150 45.11 1.12 TJQ1500 110.175 11.19

TJQ200 70.11 1.5


1. Calculemos el volumen del tanque de coagulación

2. Calculemos la potencia de agitación aplicada necesaria

3. Calculemos la potencia de agitación necesaria

EJERCICIO: COAGULACIÓN CÁLCULOS

Tiempos de residencia ( ó t) en

torno a 1-10 s ELIGO (=5s)

G está en el intervalo de 600 a

1000 s-1 ELIGO (G=800s-1)

0.8 es de la eficacia

estándar del agitador

(DATO) Mercedes Alexandra Villa Achupallas M.Sc.

El motor del mezclador comercial de potencia más parecida a la obtenida es el JTQ1000, con 7.46 Kw, por lo que recalcularemos para este mezclador los parámetros de diseño.

(Profundidad tanque/diámetro tanque) = 0.5 – 1.1(ELIGO )

Considerando esta relación, y sabiendo que el volumen de un tanque circular esta dado por:

Puede determinar la altura y el radio del tanque de coagulación.

EJERCICIO: COAGULACIÓN

CÁLCULOS


El volumen real del tanque será:

Considerando este leve cambio en el volumen, podemos determinar el tiempo de residencia real en el tanque:

Verificar que el gradiente de velocidad G cumpla con el intervalo

Verifique que el producto G. este dentro del intervalo de (600 - 10000)



Calculemos el diámetro de hélice

Consumo-Caudal – depósito de coagulante

1. Concentración del coagulante en (gr/s)

Ccoag=(Dosis coag )*(Caudal)

2. Determine el caudal del coagulante en (m3/h)

Qcoag= (Ccoag) / (Dosis coag )

3. Volumen del coagulante en (m3)

Vcoag= (Qcoag)*(Frecuencia de consumo de coag)


(Diámetro agitador /diámetro

tanque) = 0.3 – 0.5 ELIGO (0.4)


TANQUE DE COAGULACIÓN


Caudal de agua residual a tratar: 2 m3/s

G·t = 36000 – 96000

G(medio) = 30 – 80 s-1

t = 900 - 1800 s

G(max)/G(min) = 2

Nº Compartimentos : 3

Nº Líneas: 3

= 1.053 · 10-3 Pa · s

Tª agua residual: 18 ºC

Eficacia estándar de los agitadores: 80%

Profundidad tanque = 4 m

(Diámetro agitador /diámetro tanque) = 0.2 – 0.5

Tipo de agitador: 2 Hél ices de 3 palas.

EJERCICIO: FLOCULACIÓN



Mezcladores comerciales

EJERCICIO: FLOCULACIÓN PARÁMETROS DE DISEÑO

MODELO rpm POTENCIA (kW) MODELO rpm POTENCIA

(kW)

TJQ25 30.45 0.18 TJQ300 110.175 2.24

TJQ50 30.75 0.37 TJQ500 110.175 3.73

TJQ75 45.7 0.56 TJQ750 110.175 5.59

TJQ100 45.11 0.75 TJQ1000 110.175 7.46

TJQ150 45.11 1.12 TJQ1500 110.175 11.19

TJQ200 70.11 1.5


Estimemos el volumen necesario.

Adoptemos un tiempo de residencia de 1200 segundos:

V = Q*t

Como el sistema consta de tres líneas en paralelo, cada una tendrá un volumen total de:

VLÍNEA=V/#líneas

Cada línea la conforman tres tanques de floculación con diferentes intensidades de mezcla cada uno, adoptando un G medio de 30 s-1 y tomando la relación de Gmax/Gmin = 2, tenemos que estas intensidades de agitación son:

G1 = 40 s -1 Gmedio = 30 s -1 G3 = 20 s -1




Resulta imposible que se cumplan las dos condiciones a la vez,

esto es, que los volúmenes de los tres tanques sumen 800 m3, y

que las intensidades de mezclado sean exactamente las

indicadas, por lo que se ha de optar por una de estas dos

posibilidades:

1.- Tres tanques de 267 m3 cada uno con diferentes mezcladores.

2.- Tres tanques de agitación de diferentes volúmenes pero con

el mismo mezclador.




Si partimos de un primer tanque de 175 m3, determinaremos la

potencia que debe tener el motor para el primer tanque:

La potencia efectiva del motor corresponde a:

En base a este dato, buscaremos en nuestra tabla de

mezcladores comerciales, el que más se aproxime a nuestro

resultado, que en este caso es el mezclador JTQ 50.

EJERCICIO: FLOCULACIÓN A) INTENSIDAD FIJA Y VOLUMEN VARIABLE


0.8 es de la eficacia

estándar del agitador

(DATO)

El tanque nº 1 tendrá un ancho de :

Adoptando una relación Dp/W de 0.3, determinamos el diámetro de

la pala del agitador.

Recuerde que: Diámetro de pala de agitador debe ser menor a 3m.

En cuanto a las revoluciones por minuto a las que tiene que girar el

mezclador, estas son:

P’1 es la potencia efectiva del motor seleccionado en (W).



“h” es la profundidad

del tanque (DATO)

El valor de KT depende del tipo de agitador, en este caso para

un agitador: Hélice, montada en 2,3 palas.

Densidad del l íquido a tratar (Agua):



CONSTANTE DEL AGITADOR (KT)

Hélice, montada en 1,3 palas 0.32

Hélice, montada en 2,3 palas 1

Turbina, 6 palas planas 6.3

Turbina, 6 palas curvas 4.8

Turbina "ventilador", 6 palas curvas a 45° 1.65

Turbina cubierta, 6 palas curvas 1.08

El numero de revoluciones por minuto que determinemos, no

debe exceder el número de rpm que estima el fabricante del

mezclador, atendiendo a la tabla de mezcladores comerciales:

Una vez verificado, que nuestro tanque floculador 1, satisfaga las

condiciones y criterios de diseño, continuamos con el diseño del

segundo tanque, de manera análoga.



MODELO rpm POTENCIA (kW)

TJQ50 30.75 0.37

Para el segundo tanque tendremos que:

Determinamos el ancho del tanque (Dato: h=4m)

Adoptando una relación Dp/W de 0.3, determinamos el diámetro de

la pala del agitador 2.

Recuerde que: Diámetro de pala de agitador debe ser menor a 3m.



Recuerde que estamos diseñando un tanque con potencia fija y volumen variable, por lo que la potencia efectiva P’1 del mezclador se mantiene constante, lo que va a cambiar es el diámetro de la paleta y en base a este determinará el número de revoluciones por minuto que debe girar el mezclador.

Verifique que este número de rpm no exceda las estipuladas por el fabricante.

Siguiendo el mismo procedimiento, diseñe el tercer tanque floculador.

En caso de que el diámetro de una de las paletas sea mayor a 3m, asume este valor como diámetro de paleta.



A) INTENSIDAD FIJA Y VOLUMEN VARIABLE

La siguiente tabla resume, las características de cada tanque

floculador.

Cuando ca lcu lamos e l d iámetro de pa la para e l tanque 3 adoptando una re lac ión diámetro de pa la – ancho de tanque de 0. 3, obtenemos un d iámetro de pa la de 3.97 m, lo cua l s upera e l m áx imo adm is ib le de 3 m , por lo que adoptamos este d iámetro y determinamos cua l es la re lac ión que s a le entre e l ancho ca lcu lado (13. 23 m ) y e l d iámetro de pala de 3m , obten iéndose una re lac ión de 0. 23 , la cua l está dentro de los va lores recomendados (0 . 2 – 0 . 5 ) .



tanque G (s-1) Motor V (m3) W (m) Dpala (m) CONTROL

Dpala n (rpm) CONTROL n

1 40 JTQ50 175.000 6.614 1.984 CUMPLE 12.745 CUMPLE

2 30 JTQ50 311.111 8.819 2.646 CUMPLE 7.890 CUMPLE

3 20 JTQ50 700.000 13.229 3.969 ERROR 4.014 CUMPLE

La pala en tanque 3, es superior a 3m, se adopta por tanto : 3 CUMPLE 6.399 CUMPLE

Se verifica la relación entre fagit/ftanq, para el nuevo fpala: 0.226778684 CUMPLE


Una vez realizado los cálculos, es preciso comprobar los valores

de tiempo hidráulico de residencia (t) y de G · t .

Una de las primeras condiciones dice que: t = 900 - 1800 s

Considerando elevada turbidez: G·t = 36000 – 96000

Con el t determinado anteriormente lo multiplica por Gmedio y

verifique que cumpla la condición.




Si partimos de un t = 1200 s, tendríamos un volumen de 800 m3 por línea, lo cual repartido entre tres tanques supone un volumen individual de 267 m3.

Para el primer tanque, la potencia de agitación necesaria sería:

La potencia del motor necesaria será:

En base a esta potencia, seleccionamos de la tabla de mezcladores comerciales JTQ 75



B) INTENSIDAD VARIABLE Y VOLUMEN FIJO

El tanque nº 1 tendrá un ancho de :

Adoptando una relación Dp/W de 0.3, determinamos el diámetro de la paleta.

En cuanto a las revoluciones por minuto, las determinamos por:

Recuerde que P’1 es la potencia efectiva, considerando la potencia del motor y el rendimiento dado.




MODELO rpm POTENCIA (kW)

TJQ75 45.7 0.56

Siguiendo la misma metodología obtenemos los siguientes valores para los otros dos tanques:

Es preciso comprobar los valores de G y de G · t .

Los valores de G deben estar entre ( 30-80 s-1)

Los valores de G.t deben estar entre (36000 – 96000)






SOLUCIÓN A



SOLUCIÓN B

SEDIMENTACIÓN


Una vez que el agua ha sido

acondicionada para que los flóculos tengan un tamaño adecuado y puedan

sedimentar, se requiere implementar una

unidad de sedimentación que puede ser

un decantador.

DECANTACIÓN:

El objetivo fundamental de la decantación es la eliminación de los

sólidos sedimentables por acción de la gravedad.

Este proceso se realiza en unos depósitos en los que la velocidad

del agua es suficientemente lenta, denominados decantadores.

En la decantación, se logran sedimentar entre el 70%-80% de

sólidos suspendidos.

Lo que conlleva una reducción del 30% de materia orgánica.

Este método se recomienda cuando se tienen altas

concentraciones de sólidos en suspensión, DBO y DQO.


TIPOS DE DECANTADORES:


Para el diseño de un decantador se deben considerar:

1) seleccionar una carga hidráulica y el tiempo de retención adecuados para alcanzar los rendimientos deseados.

Carga Hidráulica=Caudal/superficie horizontal

Tiempo de retención= Volumen de tanque /Caudal

Velocidad Ascensional: Esta dada por la relación entre el caudal a tratar y la superficie del tanque de sedimentación.


DECANTADORES CRITERIOS DE DISEÑO

En este caso, se adopta una velocidad ascensional en base a la tabla anterior y se determina la superficie:



El tiempo de retención esta dado por la relación entre caudal y volumen del decantador.

De acuerdo al Manual de Depuración URALITA se pueden adoptar tiempos entre:

Adoptando un tiempo de retención, y conociendo el caudal a tratar puede determinar el volumen del tanque decantador.



De las dimensiones adoptadas, debe verificar las siguientes relaciones:

Para decantadores circulares se atiende a la siguiente tabla:



La carga de salida en vertedero, se adopta de la siguiente tabla:

Carga de salida del vertedero en unidades de (m 3/h/m )



una vez adoptada la carga de sal ida, se puede determinar la longitud del vertedero.

Determinación del Caudal medio de fangos producidos (m³/h ):

Volumen de fangos a recoger:

Los coefic ientes K, C1 y C se adoptan de las s iguientes tablas:



El coeficiente “C ” hace referencia a la concentración de fangos.



Coeficiente “K” se refiere al rendimiento de la Sedimentación Primaria para la remoción de SS.



Coeficiente “C1” hace referencia a la concentración de sólidos suspendidos en el agua residual.



En grupos de 3 personas, realice el cálculo manual de un decantador en base al procedimiento anterior para una descarga con las siguientes características:

Indicar los criterios de diseño adoptados.


TALLER EN CLASE (1 PT)

Caudal máximo AR= 1.2 m3/s

Concentración de SS= 1800 ppm

Tipo de decantador: Rectangular

T° agua residual: 18 ºC

Eficacia estándar de l decantador 70%

tratamientos primarios en edar

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