Universidad del Valle Facultad de Ingeniería Área de Ingeniería Sanitaria y Ambiental Curso de Sistemas de Potabilización con Clarificadores de Contacto Docente: Camilo Hernán Cruz Vélez Agosto de 2014

Clarificadores de Contacto I Introducción

El mejoramiento de la calidad del agua en las plantas de potabilización generalmente integra una serie de procesos u operaciones que gradualmente permiten convertir un agua cruda de un rio, lago, mar o pozo de agua subterránea en agua que cumpla ciertos parámetros de calidad de agua establecidos en las normas de algún país. En las plantas que utilizan coagulación química y filtración rápida se considera que el agua clarificada es aquella que ha sido sometida a procesos de coagulación, floculación y sedimentación.

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 floculación y sedimentación se realizan reteniendo para su utilización posterior una parte del floculo previamente formado. Esto se logra por la configuración 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 partículas 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 varían 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 sedimentación, y en algunos casos incluso la coagualacion (Ver Figura 1). Cuentan con una configuración del floculador o del sedimentador que permiten concentrar parte de los floculos formados y retenerlo en las unidades tiempos mayores al tiempo de retención de la masa de agua a tratar, siendo utilizarlos como una malla o red de floculos que facilita los procesos de floculación y sedimentación del agua. Una vez se alcanzado una concentración adecuada de floculos, la cual requiere un periodo de formación que depende de las partículas en el agua a tratar y de la dosis aplicada de coagulantes o ayudantes de coagulación y floculación, la relativa alta concentración de partículas que se presenta facilita la aglomeración de partículas coloidales ene l agua cruda, y sustancias disueltas desestabilizadas, igual proceso ocurre en las unidades de sedimentación, donde es típico encontrar zonas donde se presenta sedimentación de compresión (en el fondo) , sedimentación retardada o zonal o por capa y en la parte

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intermedia y sedimentación floculenta en la parte superior. Estas unidades por su gran eficiencia de floculación y sedimentación generalmente requieren menor área y tiempo de retención que las unidades tradicionales de floculación y sedimentación.

Figura 1. Clarificador de Manto de Lodos.

La concentración del manto de contacto presenta una combinación de espacios de diferentes tamaño 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 retención de una parte de los floculos sea mayor que la de la masa de agua a tratar, en la zona de sedimentación se debe garantiza un ingreso del agua con una distribución homogénea de la masa de agua en el fondo de toda el area de la zona de sedimentación, donde se debe proveer una forma de continua y dinámicamente retirar el lodo. En el floculador la malla puede capturar floculos de tamaño coloidal por absorción y adherencia, En la zona de sedimentación una mala distribución del agua floculada puede ocasionar una falta de homogeneidad en el manto, la aparición de corto circuito y canales preferenciales, generando disminución 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 partículas de unas pocas micras de tamaño. Aun desestabilizando químicamente con coagulantes dichas partículas se presentan una gran

dificultad para removerlas del agua por la combinación tradicional de floculación-sedimentación empleados en las plantas de ciclo completo. 2. Clarificadores de Capas Granulares de Arena, sintéticos.

los procesos de

Gravas o granos de materiales

Emplean materiales granulares que se recubren de floculos, y dependiendo de la velocidad de flujo del agua, y del tamaño del material, permiten efectuar los procesos de floculación, sedimentación o filtración 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 floculación de las partículas desestabilizadas al generarse un gradiente de velocidad (G) originado por las trayectorias tortuosas a través de los poros del filtro. Simultaneamente el lecho de grava, según sus características (longitud, tamaño 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 tamaño del medio granular se reduce asi como la velocidad el proceso de filtración predomina en el medio granular (Ver Figura 3). Estas unidades generalmente preceden filtros de arena operando a tasas de filtración rápida 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 tamaños de grava que permiten realizar una floculación-sedimentación del material en suspensión 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 estación piloto de Filtracion directa Ascendente, (Di Bernardo e Cruz, 1994) Desarrollo Histórico de los Clarificadores de Contacto. El concepto de clarificadores de manto de lodos, tiene más de un siglo de uso, pero solo hasta 1950 se concedió una fuerte importancia al proceso, sin embargo numerosos intentos de tecnologías relacionadas se han propuesto en el tiempo. En 1869 SILLAR & WIGNER, reconocen que el lodo precipitado químicamente es capaz de hacer precipitar partículas 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 precipitación. El primer y significativo desarrollo industrial fue el desarrollo del tanque Dortmund en 1880, que aún 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 clarificación. Diferentes ideas combinando las zonas de reacción –floculación y clarificación se desarrollaron progresivamente. (ver Figuras 1 y 2)

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[FLOCULACION Y SEDIMENTACIÓN EN UNA ESTRUCTURA]  clarificadores UNIDADES INTEGRADAS

Figura 1. Clarificador mecánico de manto de Lodos.

Figura 2. Clarificador hidráulico.

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La Foto en la Figura 8 ilustra el clarificador de la planta de potabilización 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 Histórico de Sistemas con Unidades de Floculacion y Sedimentacion en Medios Granulares Los siguientes párrafos resumen el desarrollo histórico de floculadores y clarificadores de capas en medios gruesos y los aspectos tecnológicos y económicos más relevantes de cada experiencia. La primera referencia sobre utilización 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 método innovador que fue desarrollado para tratar aguas superficiales en el sureste

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de Asia e India. También informan que varias plantas de tratamientos de aguas fueron construidas durante las décadas del 70 y el 80 usando gravas. Frankel (1981) reportó 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 utilización de esta tecnología 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 floculación de tres minutos en capas de gravas operando con flujo ascendente equivale a 15 minutos de floculación en un equipo de jarras bajo condiciones del laboratorio y de 25 minutos en unidades de floculación 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 floculación en capas de gravas probo ser simple, de bajo costo y un método efectivo en varias plantas pequeñas de tratamiento de aguas en Brasil, tratando aguas superficiales con picos superiores a 300 UNT (SANEPAR, 1979). Bhole (1981) propuso una unidad de floculación en gravas ascendente , donde combina dos tamaños de capas de gravas (de 5 a 10 mm y de 10 a 20 mm en la capa superior) aumentando la sección desde para modificar el gradiente de floculación en la unidad. Empleo una velocidad de filtración de 11.25 m/h. Este diseño ha sido utilizado en plantas prefabricadas de India. Kawamura (1985) reporto experimentos pilotos que fueron realizados en 1953 para estudiar la filtración en múltiples etapas de ríos altamente contaminados, así como agua de lagos en el Japón. Se evaluaron dos tipos de filtración de dos fases: i ) El tipo Uno para ríos con grandes cargas de sólidos incluía Coagulación-floculación, un tanque de sedimentación de corto período de retención, un filtro grueso de primera fase y un filtro rápido final. En el sistema 1 la función del filtro grueso de la primera etapa era remover parcialmente los floculos que pasaban el pequeño tanque de sedimentación, ii) En el segundo tipo para aguas de lago, sin sedimentación el primer filtro actuaba como floculador y clarificador. En esta experiencia se utilizaron como criterios preliminares de diseño una velocidad de filtración en la primera fase de 20 m/h, grava como medio del filtro y se halló que en el sistema de tipo 2 la filtración de primera fase remueve 50% de sólidos ( en términos de turbiedad), usando un filtro con 3 mm de tamaño efectivo y 1.6 m de profundidad. También se observo que la calidad del agua final de la filtración de doble fase del tipo 2 tratando agua de lago produce efluente con la mitad de cantidad de partículas que el proceso de filtración directa. Otros hallazgos de esta investigación 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 filtración 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 filtración directa, el sistema tipo 2 podría 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 filtración, la primera una unidad de floculación en gravas ascendente y un filtro rapido descendente, como acondicionador rejillas de micro-cernido para prevenir obstrucción 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 sintéticas, empleando filtración gruesa horizontal como clarificador precediendo a la filtración directa cuando se presentan altos niveles de sólidos suspendidos. Van der Merwe et al (1994), reportó que los sistemas de tratamientos de agua de doble etapa con flujo ascendente en la primera y descendente en el filtro rápido han sido usados en Sur África desde mediados de los ochenta. En esta experiencia los filtros de flujo ascendente son diseñados para cargas hidráulicas en el rango de 5 a 7 m/h, con capas múltiples de medios entre 1.0 y 12.0 mm. En los noventa se continúan las investigaciones a nivel de laboratorio en floculadores y clarificadores en gravas con aguas sintéticamente enturbiadas en la India (Attakoya et al, 1991), en los Países Bajos (Ahsan, 1995); y mas recientemente en el Líbano (Ayoub, 1996). Los estudios a escala piloto en los Países Bajos (Ahsan, 1995) fueron orientados a la modelación del proceso con el empleo de filtros gruesos horizontales(4-8 m de longitud) como unidades de floculación y sedimentación (clarificadores) sugiriendo este estudio velocidades menores a 10 m/h. En el Brasil, (Di Bernardo, 1992; Di Bernardo et al, 1998) reporta una extensa investigación y un amplio empleo a escala real de unidades de tratamiento que combinan los procesos de floculación en capas de grava (longitud total 0.8 m) y clarificación en arena ( longitud total 1.6 m) en una sola unidad denominada filtración directa ascendente. Este sistema compacto opera a velocidades entre 6.0 y 20 m/h ha mostrado su efectividad para potabilización 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 floculación y clarificación de los filtros gruesos, numerosas empresas han desarrollado sistemas patentados de potabilización con una etapa de floculación o clarificación en medios gruesos de flujo ascendente. Varios sistemas patentados se ofrecen en norteamérica 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 evaluó 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 floculación y la clarificación en medios gruesos es una alternativa de pretratamiento para filtración rápida empleada con éxito actualmente en numerosos países, con

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significativo ahorro en costos de inversión inicial con respecto a plantas de tratamiento convencionales de ciclo completo. De otra parte, los criterios sugeridos de diseño recomendados dependen de la configuración 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 así como falta de información sobre los criterios (tasas de filtración, longitud y granulometría de lechos filtrantes, condiciones de coagulación) y las características de calidad de agua empleada en los estudios estableciera que desde 1993 al 2008 bajo la dirección del autor del presente documento se iniciara en la Universidad del Valle una investigación denominada ¨"Análisis de Procesos y Optimización de la Clarificación de agua en Sistemas con Clarificadores de Contacto" . En el marco de esta investigación 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 potabilización para comunidades en pequeñas comunidades alrededor de la ciudad de Cali, dos tratando fuentes superficiales y una removiendo hierro y manganeso de aguas subterráneas demostrando el potencial del empleo de esta tecnología para el mejoramiesnto de calidad de agua de pequeñas u medianas comunidades. Se estableció a escala de laboratorio la posibilidad de emplearla en combinación con la filtración rápida en el tratamiento de aguas con bajo o moderados niveles de material suspendido y coloidal. También se ha estudiado el efecto de la velocidad de filtración y del pH de coagulación en la calidad del efluente. El estudio realizado en sobre el Potencial de la filtración gruesa en múltiples etapas (FiGME) en la optimización de plantas de tratamiento con filtración rápida de agua químicamente coagulada" determinó en base a ensayos de laboratorio (pruebas de jarras simulando la filtración rápida) el efecto del pretratamiento (FGDi, FGAC, FGAS3) sobre las dosis de coagulación. En estas investigaciones, se estudio el proceso de coagulación de aguas superficiales coloreadas de la región andina. Se determino a escala de laboratorio la incidencia de los pretratamientos en filtros de grava sobre el tratamiento del agua químicamente coagulada (agua del río Cauca). Quintero (1996) estableció el efecto de la dosis de coagulante en la Filtración Gruesa Ascendente en Capas (FGAC) operando con agua químicamente coagulada; para este fin se trabajó a una velocidad de filtración baja (1 m/h) con diferentes dosis de alumbre y dos condiciones de pH (correspondiendo a los mecanismos de AN y barrido). Posteriormente García (2001) estudio el efecto de la velocidad (1-3-6-12m/h) en la floculación y clarificación en unidades de FGAC. En estas investigaciones se empleo agua del río Cauca previamente condicionada en unidades de Filtración Gruesa Dinámica (FGDi). Adicionalmente, las tesis de pregrado abordaron otros aspectos de los la clarificación en gravas. Sin embargo los procesos que ocurren en el interior de los FGAC siguen siendo desconocidos, como también el impacto real de la FGDi en las operaciones de coagulación-floculación-clarificación en los FGAC, haciendo necesario la continuación de los estudios relacionados con el tema. Gremion (

Teoría de Sedimentación La sedimentación puede ser de 4 tipos. En los clarificadores de contacto el tipo de sedimentación es de los tipos 2 y 3, las cuales permiten que en el mismo tanque se realicen los procesos de floculación y sedimentación. Tabla 1 y Figura 4.

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Tabla 1 .Tipos De Sedimentación Según El Sentido Del Flujo En Unidades De Decantación De Plantas De Purificación De Agua Sentido del Flujo Horizontal

Tipo de Ejemplo Sedimentación 1y2 Desarenadores

Vertical

2y3

Inclinado (ascendente o descendente)

1y2

Clarificadores hidráulicos, mecánicos y de Manto de lodos Decantadores con módulos o placas

Rata de flujo M³/m²/d 200 – 420 15 - 30 35 – 60

120- 180

Figura 4. Modelo De Decantador De Floc Para Flujo Vertical (Arboleda, 2000)

En la sedimentación tipo 2, los sólidos o partículas se comportan como sólidos aglomerables y al descender se adhieren o aglutinan entre sí cambiando de tamaño, forma y peso específico durante la caída. En la sedimentación tipo 3 se debe analizar el conjunto de los sólidos, debido a las mutuas interferencias entre partículas que hace que estas formen un manto de lodos que flota en el líquido y dependiendo de las características de la suspensión se puede dar una sedimentación 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 partículas se reacomodan y compactan; la capa de interfase, en la que el floc esta en constante choque por la velocidad de caída de algunas partículas y la velocidad de ascenso del flujo; por último 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 concentración de partículas menor velocidad de caída de la interfase, menor velocidad de ascenso de las partículas, lo que lleva al equilibrio de la interfase y mantiene el flujo en suspensión (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) demostró que la velocidad de asentamiento es proporcional a la velocidad de caída y densidad de las partículas, (a mayor densidad mayor velocidad de caída); el floculo viejo tiene velocidades de asentamiento mayores que el floculo recién 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 caída de las partículas 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 exposición este punto es un riesgo en la operación de una planta. Además se puede afectar la eficiencia del sistema pues a mayor profundidad de la capa de lodo y conservación del lodo viejo, mayor remoción de la turbiedad. Según la bibliografía el espesor de esta capa en clarificadores hidráulicos varía entre 1 y 3 metros de espesor. Conceptos Aceptados sobre su operación

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1. 2. 3. 4. 5.

6. 7.

8. 9.

Los principios de floculación ortocinética y gradiente de velocidad rigen los diseños. Los mecanismos simultáneos de agregación y quiebre intervienen en la floculación a través de la mezcla (Gradientes de velocidad). Es necesario un tiempo mínimo para iniciación de formación del floculo. Reactores subsecuentes, especialmente cámaras de mezclado escalonadas mejoran la floculación. Reacciones fisicoquímicas a través 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 operación. Una suave sobredosis puede cubrir accidentales interrupciones de la dosificación química, por un período suficiente para reparar el equipo dosificador. El número de partículas retenidas es inversamente proporcional a la velocidad ascensional, al producirse arrastre de una mayor cantidad de partículas por el flujo y se suele producir mayor ruptura del floculo por esfuerzos cortantes. A igualdad de otras condiciones, la eficiencia en remoción de turbiedad de un clarificador es directamente proporcional a la profundidad del manto de lodos. La remoción de color no depende de las características físicas del manto, sino de la eficiencia del proceso químico de desestabilización y por lo tanto la reducción de color es independiente de la concentración 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 días de operación, éste período 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 sé recircula lodo, esto evita olores o sabores indeseables como consecuencia del lodo re-inoculado en el clarificador. Ventajas de los Clarificadores  Diseño económico y compacto.  Remoción de lodos más fácil que en tanques horizontales.  Altas eficiencias de clarificación debidas a: 1. Baja velocidad de entrada 2. Efecto precipitante de lodo preformado 3. Filtración a través de la capa de lodo Desventajas  Mayor necesidad de control que en unidades horizontales convencionales.  Rápida pérdida de eficiencia durante sobrecargas hidráulicas y de períodos 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) 2. Reactor Clarificador

3. Reactor de Manto de Lodos:  Pulsante o de vacío.  De separación química floculación, sedimentación)  De agitación simple

(coagulación, 

Floculación hidráulica: no requiere energía No patentadas Mezclador Mecánico Floculación mecánica: requiere energía Patentados Mezclador mecánico + manto de lodos: requiere energía Patentados

Componentes de un clarificador      

Entrada de agua cruda. Zona de mezcla secundaria y gradiente de reacción. Zona de concentración de lodo. Zona de decantación con sistema para recoger agua. Construcción circular o al menos lo más simétrica posible (Ej. Cuadrada) Recirculación de lodo, con el fin de favorecer la floculación y la coagulación de barrido

Clasificación de Clarificadores de Manto de Lodos  Constante o pulsante.  Hidráulicos o mecánicos.  Con o sin re circulación de lodos. Con o sin control de alturas del manto de lodos Aspectos Químicos 1. Cambios en el pH o en la dosificación, pueden producir deterioro de las características del lodo, pérdida de la interfase y aún fluidificación total del manto. 2. Prueba de jarras no simula dosis óptima ().

Tabla 3. Criterios de Diseño ((Montgomery, 1985) CARACTERISTICAS

Carga Superficial [m/h]

Ascendentes Simples (hidráulico) 1.5 - 1.9 Hasta 2.0

Mecánicos

2.1 - 3.1 2.1 - 4.2

Mecánico de Manto Con recirculación 2.1 – 3.1 5.4 – 7.2 (Añadiendo

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polvillo 2 – 5 kg/m3 ) 3.0 – 5.0

Profundidad de agua [m] Tiempo de Sedimentación [min] 3

Carga sobre Vertederos [m /m/h]

60.0 – 80.0

60.0 – 120.0

60.0 – 120.0

7.1

7.3 – 14.6

7.3 – 14.6

>3

>3

Velocidad Ascendente [m/h]

(3.0 – 5.0) Q

Tasa deRecirculación [m/h] Tiempo de Floculación [min] Concentración en zona de Floculación [%] (Después de 15 min de sedimentación) Nivel de Lodos [m] (Capa)

20.0 – 30.0

20.0 – 30.0

5.0 – 20.0

Tipo de Agua

Velocidad de Rotación de Barre Lodos [rpm] Concentración de sólidos en el Manto [%] Velocidad de Rotación de Equipos de Floculación [rpm]

2.0 – 3.0 1.0 – 3.0 Blanda, baja turbiedad, alta turbiedad. 1.0 – 2.0 2.0 – 10.0 6.0 – 20.0

Aspectos Hidráulicos  Forma de la unidad: tronco piramidal o tronco cónica (paredes con  = 600), permiten disminuir la velocidad ascensional con la altura, y los lodos pueden resbalar por las paredes.  Concentración 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 sedimentación: tratar de obtener flujo estable para controlar problemas de ebullición 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 fricción actuando ascendentemente.  Fuerzas dinámicas en el agua. Posibles Situaciones  Fdg = G > Fuerzas descendentes (las partículas son sedimentables)  Fd < FAsc  Las partículas salen en el agua sobrenadante  Fd = FAsc  Caso equilibrio – dinámico. Las partículas 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.

Floculación ortocinética es proporcional al gradiente de velocidad. dn dt

=

n1 n2 (d1 + d2)3

G 6

Considerando que d2 es mucho mayor que d1. dn dt

=

G

n1 n2 d23

6

Ives (1968) desarrollo uno de los primeros estudios teóricos de clarificación de mantos de lodos basado sobre los principios de la floculación ortocinética con el manto, el propuso que la remoción de partículas esta basada en la ecuación

nt = exp ( no

GC ) 

donde nt y no son el número de partículas que han entrado al tanque y después de un tiempo t respectivamente G es el gradiente de velocidad C es la concentración de la suspensión

También propuso Ives (1968) Volumen de partículas de floculo Unidad de volumen unitario

 * n2 * d23

=

r * n2 * d23/6

= C

6

dn1 dt

=

G

n1 C R

Integrando entre n0 y tn dn1 n

=

C

dt

n

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nt n0

nt =

e 6Ct/R

=

n0 e

6Ct/R

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

masa de sólidos en el tanque masa afluente de sólidos por unidad de tiempo

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

Ntm

=

Nom e (nm* Gmm* * Td/R)

Donde :

Ntm = Número de partículas efluentes por unidad de volumen (m -3) N0m = Número de partículas en el manto en el inicio por unidad de volumen (m -3) nm = Eficiencia de encuentros en el manto.  = Fracción de volumen de los floculos Gmm= Gradiente de velocidad en el manto. Td = Tiempo de detención en el manto. Relación entre velocidad de sedimentación de partículas individuales y la del manto después de la coagulación 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 separación como:

Vsm = 0.5Vsp f = 2.78

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 = 0.076 (generalmente 0.06 – 0.10)

Ecuación para el cálculo de las áreas de fondo y superior del manto. (IVES 1968)

 Gmm * f * Td

=

(s - a) * R 4 * Q * * f9/2

1/2

Dmi * F 2

Dms Dmi

Dmi, Dms = Diámetro de base superior e inferior del tronco del cono respectivamente (m) s, a = Peso específico de los floculos y del agua respectivamente (N/m 3)  = Viscosidad absoluta del agua (N*m/s2) El parámetro 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 parámetro  = Gmm *  * Td

= (60.0 – 120.0)

Dms se obtiene con velocidad Vsm y Dmi con la velocidad Vsp Modelación de la Eficiencia en Clarificadores de Manto

Gould (1974) Revisó varias teorías de sedimentación obstaculizada y encontró que sus datos e ajustaban mejor adaptando la relación de Barnea y Mizrahi (1973)

V = Vo ( 1- qC*)n Donde: V es la velocidad de sedimentación de la suspensión Vo es la velocidad de sedimentación final q es un factor que relaciona la forma y la concentración medida C* es la concentración del manto medida después de ajustar un tiempo de 30 minutos de sedimentación n es una constante exponencial

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Desarrollo y aplicaciones de un Modelo para simular el efecto de las características del manto de lodos sobre el proceso de clarificación Este modelo se basa en la teoría de Gould sobre la operación de clarificadores de manto de lodos. Después de un cambio en el cadual tratado, o en la velocidad de sedimentación 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 sedimentación obstaculizada. Este cambio en posición 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 instantánea de sobreflujo en el tanque Vs es la velocidad de sedimentación obstaculizada instantánea del manto Para simular la sedimentación obstaculizada se ha usado en este estudio una versión modificada de la ecuación de Barnea Mizrahi

Vt = Vmax [1-s ( C –Cmin)] n Donde Cmin define el punto de corte sobre la curva de sedimentación obstaculizada, debajo del cual la velocidad de sedimentación de la suspensión permanece constante V max es la velocidad de sedimentación y debajo C min C es la concentración de la suspensión, definida como el volumen de sedimentación 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 remoción de partículas primarias que entran al clarificador dependen sobre la concentración del manto. Para la Simulación de la remoción fue se consdidera como el reactor como un tanque de agitación 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 concentración de sólidos sedimentables saliendo del clarificador Xi es la concentración sólidos sedimentables entrando al clarificador Q es la rata e flujo de entrada V es el volumen del tanque A es el área superficial del tanque L es la altura del tanque vs es la velocidad de sedimentación de las partículas primarias entrando al tanque Kfl es el factor de flotación, refleja la eficiencia de colisión de los flocs

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La carga de sólidos en el clarificador se calcula de la concentración de sólidos 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 concentración de sólidos 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 adición de coagulante (oHazen) DPoly es la dosis de polielectrolito (mg/l), si se usa D PAC es la dosis de carbón activado en polvo (mg/l), si se usa Calibración y Prueba del modelo Para estudiar el modelo, los datos fueron obtenidos de una planta de tratamiento de agua tratando un agua superficial extraída directamente de un río del sur de Inglaterra. Las características del agua cruda sobre un periodo de un año se muestran en la tabla No. 4

Tabla 4 Datos de Calidad de agua cruda en un planta con clarificadores de contacto Máximo

Mínimo

Promedio

Temperatura (oC)

21

3.5

11.7

pH

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

El clarificador tiene un área superficial de 216 m2 y 6 m de profundidad. El exceso de floc es removido a través de un cono a una altura de 4.3 m del piso del tanque. La planta usa sulfato férrico como coagulante, sin ningún polielectrolito y debido al bajo color en el agua cruda, los términos de remoción de color tienen un pequeño efecto, por tanto la carga de sólidos de la ecuación (6) serian:

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Xi = Xcruda + 1.9 DFe + DPAC Datos de la primera mitad del mes se seleccionaron para el propósito de la calibración del modelo, durante este tiempo la temperatura del agua cruda fue constante cuando se mido al mismo tiempo cada día. La dosis de coagulante y turbiedad del agua cruda fue también regularmente estable durante este periodo. Para calibrar el modelo, la constante en la sedimentación obstaculizada ecuación (4) puede ser estimada. Esta ecuación 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 línea recta a través de los valores de los puntos dados para las constantes de calibración. 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 floculación, kfl en la ecuación (5) puede ser estimado escogiendo un tiempo en donde la concentración afluente y la concentración efluente son estables y conocidas. Reorganizando la ecuación da un valor de kfl =12.5 h-1. se uso una fracción del 5% de sólidos no sedimentables basado en resultados típicos de Pruebas de Jarras

Figura 6 Comparación de la Predicción del Modelo de la Concentración 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 representación operacional como de diseño de escenarios. Ejemplos de uso el modelo como herramienta operacional incluye:      

Determinación del efecto de cambios súbitos en la calidad del agua cruda. Estudio del efecto de cambios en el caudal (tasa de operación). Estimación del caudal máximo 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 batería 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 situación de diseño, el modelo puede ser usado para estudiar el comportamiento de una nueva planta en la anterior a la instalación o a estimar el incremento en el tamaño del clarificador requerido para tratar un incremento de caudal en las mismas unidades. BIBLIOGRAFÍA AHSAN, T. (1995). Process Analysis and Optimization of Direct Horizontal-Flow Roughing Filtration. Delft University of Technology, A.A. Balkema De, Rotterdam, Países Bajos. ARBOLEDA VALENCIA, J. (1993). Teroía y práctica de la purificación del agua. Edit. Asociación Colombiana de Ingeniería Sanitaria y Ambiental. Bogotá, Colombia. ARBOLEDA, Jorge. (2000) “Teoría y práctica de la purificación del agua”. 3ª Edición. 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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