Espesamiento de Lodos

5/13/2018 Espesamiento de Lodos - slidepdf.com

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ESPESAMIENTO DE LODaS: A GRAVEDAD Y P OR F LO TA CI ONMecanismo y criterios de disefio

por

Ing. Max Lothar HessAsesor en Tratamiento de Aguas Residualea

Companhia Estadual de Tecnolo~ia de Saneamento Basicoe de Defesa do Meio Ambiente (CETESB)

Sao Paulo - BRASILProfesor Internacional de CEPIS y CIFCA



ESPESAMIENTO DE LOnoS; A GRAVEDAD Y POR FLOTACIONMecanismo y criterios de diseno

. A. Objetivo

El tratamiento de aguas residuales produce efluentes liquidos (y gaseosos)y lodos. Los efluentes liquidos tratados son volcados en un cuerpo receptor,mientras que los lodos quedan en la plantae Obviamente el va lumen ocupado por es-tos residuos tiene una influencia muy grande en las dimensiones de las unidadesinvolucradas en los procesos y operaciones unitarias que se emplean para 1a esta-bilizacion de los solidos residuales y para proporcionarles un destino final ade-cuado.

El proposito de este capitulo es de exponer las posibilidades de reducirel volumen de estos lodos a trav@s de tecnicas de deshidratacion que, en funciondel grado de sequedad creciente, habitualmente se clasifican en:

- E sp es am ie nt o

- Desa guad o

- Secado

- I nc in er ac io n

Este curso trata de "Diseno de Plantas de Tratamiento de Aguas Residualespara Paises en Desarrollo". No debemos olvidar el hecho de que las tecnicas deespesamiento y secado artificial de-Iodo en general no deben ser emp1eadas enparses en desarrollo sino excepcionalmente, como por ejempl~ cuando no hay areas

de terreno disponibles a precio razonable., Toda vez que sea posible emplear pro-cesos no mecanizados, como lagunas de lodo 0 1echos de secado a1 aire, estos pro-cesos deberan ser preferidos por su sencil1ez y costa reducido. Debe ser frenadala tendencia de muchos consultores, planificadores y proyectistas, de introducir ensus dis enos procesos 0equipamientos sofisticados y que son frecuentemente paten-tados. La tecnologia de paises mas desarrollados casi nunc a es 1a mas indicada.Como fue pleanteado en el reciente Simposio del CEPIS/OPS en Buenos Aires, 1976,sobre Tratamiento y Disposicion de Aguas Residuales, a cada pais cabe la tarea deadaptar los conocimientos de naciones mas avanzadas para las condiciones localesy de desarrollar su propia tecnologia.

B. Concepto

El espesamiento puede ser definido como un proceso destinado a sacar una

parte del agua remanente en el loda, posterior a su separacion inicial dela gu a r es id ua l.



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E1 objetivo basico del espesamiento es de reducir e1 vo1umen del lodoliquido que va a ser manipulado en procesos subsiguientes con vistas a1 destinofinal.

Los sedimentadores europeos, en su mayoria, tienen pozos de fondo desti-nados a1 espesamiento del lodo antes de sacarse10 de 1a unidad. En 1a tecnicanorteamericana es costumbre sacar e1 lodo sin dar1e tiempo para espesamiento.Los lodos europeos sa1en del sedimentador con aproximadamente 5% de solidos,mientras que los norteamericanos raras veces u1trapasan e1 2%.

E1 espesamiento puede ser ejecutado con lodo fresco (crudo, bruto) 0 conlodo digerido. En el primer caso se trata de disminuir e1 vo1umen requerido delos digestores. En e1 segundo, se pretende preparar el 10do para las fases si-guien tes del seca do.

E1 caso mas comun es e1 de espesamiento de lodos crudos en plantas de

tratamiento biologico por el proceso de los lodos activados. El exceso de lodosecundario es muy di1uido, sa1iendo del sistema de recirculacion con 1 a 1.5%de solidos. Se puede espesar el lodo secundario separadamente 0 mezc1ado a1primario en e1 sedimentador primario. En este caso se logra una mezcla con 2hasta 4% de solidos.

C Ventajas del espesamiento

Pueden ser atribuidas las siguientes ventajas principales (1):

1. Mejores condiciones tecnicas y econGmicas en 1a operacion de digestores

por reducci6n del espacio necesario; 1a cantidad de calor necesaria a1calentamiento del digestor disminuye; caso ya existan unidades de digestion, e1periodo de retenci6n aumenta; se produce una menor cantidad de 11quido sobrena-dante; permite una mayor tasa de aplicaci6n de solidos por metro cubico de ca-pacidad; mejora 1a eficiencia de 1a accion de los microorganismos de 1a digestion.

2. La reduccion de volumen reduce los costos de bombeo de lodo y la disposicionfinal sobre el terreno 0 en e1 oceano.

J. Reduce los costos de condicionadores quimicos que deberan ser adjuntadosprevio al desaguado del lodo debido a 1a mayor concentraci6n de solidos.

4. E1imina el agua dande normalmente es mas facil, es decir, previo a 1a di-

gestion 0 a 1 d es ag ua do .

5. Amortigua las fluctuaciones de flujo y concentraci6n de lodo.

6. Muchas veces reduce los costas generales de tratamiento, tal como en lagrandeza f1sica de las unidades, en la mano de obra y en el gasto de ener-



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An ti gu am en te e l es pe sam ie nt o er a c ons id er ad o un arte, pero hoy estan dis-ponibles tecnicas apropiadamente conocidas a punto de poder considerarlas como

. parte de procesos de ingenieria reproductibles.

Asimismo hay aun mucha controversia al respecto. Un poco de arte quedasiempre, porlo que los operadores deben ser convenientemente seleccionados y

adiestrados para ese menester.

D. Inconvenientes

Nosiempre en el espesamiento se presentan ventajas. Hay algunos inconve-nientes que deben ser resaltados (2):

1.

El proceso requiere operadoresadiestradosy atentos, debido a las fluctua-c io ne s de c om po sic i6n y concentracion del lodo.

2. Es frecuente el desarrollo de malos olores debido a la septicidad 0 anae-robi6sisque se instala cuando el tiempo de espesamiento es muy largo, prin-

cipalmente durante la elevaci6n de la temperatura ambiente y de los liquidos cloa-cales (3).

3. El costa inic~al de implantaci6n es mas elevado.

4. No es apropiado para pequenas plantas de tratamiento, donde es preferibleuti1izar unidades de constitucion comOn, can caracter!sticas propias, como

son los tanques Imhoff, 0con caracteristicas especiales, c~ los sedimentadores

con pozo de espesamiento,0,

aun par medio de operacion adecuada de remocion fre-cuente de liquido sobrenadante de los digestores.

5, Los aditivos, casi siempre necesarios para que se logre un resultado com-pensador (4), en general no son producidos en lOB palses en desarrollo,

debiendo ser importados de las naciones mas industrializadas, 10 que da nacimientoa gastos elevados y resulta en una dependencia de importacion de un mercado quepuede ser manipulado segUn 1a voluntad de las firmas exportadoras. Puede consti-tuirse en un gran inconveniente para el pa1s importador, como es el caso de lospolielectrolitos, que en general son de precio elevado.

E. Procesos de espesamiento

Pueden ser considerados tres procesos diferentes:

1. Es pe sa mi en to p ar g ra ve da d

2. Flotaci6n

3. Centrifugaci6n



~ 6 -

A Zona de sedimentaci6n libre

B - Zona de sedimentaci6n obstaculizada

C·_ Zona de compresi6n progresiva

D - Zona de compactaci8n

En la zona A, que se forma por el movimiento hasta abajo de las particulasen suspensi6n, queda un liquido transparente 0 de baja turbiedad. En el tienen1ugar fen6menos de sedimentacion libre, es decir, sin que unas particu1as impidanel movimiento de las otras.

En 1a zona B, que contiene particulas muy proximas entre s1, separadas porcorrientes ascendentes de agua desplazada, hay un equilibrio de fuerzas de grave-dad (hasta abajo) y de arrastre (hasta arriba) de tal manera que 1a velocidad desedimentaci6n es practicamente constante en toda la zona; es decir que las par-

ticulas guardan entre st distancias y posiciones casi constantes. La densidad,por 10 tanto, es practieamente 1a misma en todos los puntos de 1a zona.

En la zona C, las particulas se aproximan 1entamente unas a otras aumen-tando la densidad de la zona, bajo la presion ejercida por las particu1as de lazona B. En cuanto la zona C erece un poco, la B disminuye mucho.

La zona D se forma con las part1culas que ya han alcanzado la maxima den-sidad resultante de la aeeion-de las part1eulas de la zona C. La velocidad de es-pesamiento es muy baja, easi nula.

A1 pasar el tiempo, las zonas A y D creeen, mieutras las zonas B y Cdis-m inu ye n, has ta que des ap are ze an.

En la fase final restan solamente las zonas A y D (6), (7).

3. Parametros

La ve10cidad de sedimentaei6n en la zona B puede ser emp1eada para e1 di-mensionamiento del area del espesador. Esta determinacion es ejecutada en 1abo-ratorio 0 en una planta piloto. Pero en la pr§ctica hay que considerar 1a influen-cia de una cantidad apreciable de otros factores.

Larson & Vesi1ind (8), por ej empl0 , estudiando los eriterios de determi-naci8n de par§metros de dimensionamiento, presentaron numerosas 1imitaciones alm@todo de determinacion de la velocidad (tasa) de sedimentaei6n:

la tasa de sedimentacion delodos bio16gicos depende primordialmentedel tipo de microorganismo presente;

- la profundidad (espesor) inicial del lodo influye en la velocidad desedimentacion;

la velocidad y 1a configuraci6n del equipo de agitaci6n (ver mas adelante)s on i mp or ta nt es ;

- no hay reproductibilidad cuando la sedimentabilidad del lodo es determi-uada en eilindros de ensayo;



- 7 -

- e1 diametra del cilindro de ensayo tiene fuerte influencia sabre la tasad e s ed im en ta ci 6n .

Ford (9) relaciana los siguientes parametros que influyen mas en la velo-cidad 0 tasa de seddment a cfdn del lodo:

co nc ent ra ci 6n i ni cia l d e s 6li do s s us pen di do s

- constituyentes inorganicos

- c on st it uye nt es o rg ani co s

- peso espec1fico de las particulas y BU sedimentabilidad

- d es hi dr at ab il id ad

- cambios de pH (caso de lodos de tratamiento qutmico)

- fraccion de materia1es inertes

- biodegradabilidad de 1a fracci6n organica

- mecanismo de agitaci6n

- profundida~ de 1a camada de lodo en el espesador

- t em pe ra tu ra

- indice volumetrico del lodo

Mancini (5) recomienda sustituir los ensayos de cilindro en laboratoriopar investigaciones en plantas pilato, can determinaci6n de una curva re1acio-nando 1a altura de 1a interfaz solido-l~quido (serra 1a separacion entre laszonas A y D del ensayo de espesamiente) y el tiempo de sedimentacion (ver e1i te m s ig ui en te ).

En general, ensayos de laboratorio en plantas piloto y en escala plenamuestran que los mejores resultados no son obtenidos can lodes inicia1mente masdensos, sino cuando la concentracion inicial quedaentre 0.5 y 1.0% de solidos(2). En esta garna, 1 a sedimentacion se da prontamente y el liquido superficialqueda limpi"o. La planta de New York aplica el espesamiento a una mez cLa de ocho

partes de lodo secundario, con una parte de lodo del sedimentador primario, conpoco menos de 1% de solidos. El espesamiento es mas rapido que con lodos coneen-trados. Por praceso recientemente ereado en eata planta (TlDensludge") es ai'ia-dido un poco de lodo digerido a la mezela.

En cuanto a la profundidad de la camada de lodo en e1 espesador, muchosprofeaionales creen que sea un parametro importante en cuanto a la densidadfinal del lodo concentrado. Entretanto esta verificado en numerosos casas prac-ticos que profundidades superiores a 0.90 m no tienen influencia en la densidadfinal (10).



- 8 -

Aparentemente la razon reside en el crecimiento significativo de la resis-tencia al flujo del agua a traves de la camada de lodo. Por otro lado, tambiensucede que las camadas inferiores son muy susceptibles a la septicidad, con forma-

cion de ~ases que entumecen el lodo, que asi se compacta mal.

Paraalcanzar el maximo de compactacion, ha sido sugerido el tiempo de de-tencion de 24 horas. Hay quienes recomiendan que se debe operar con una zona decompresion de pequeno espesor, principalmente cuando se trata de lodos organicosa fin de que no se produzca septicidad, debido a la necesidad de tiempos mas lar-gos con camadas mas profundas.

4. Influencias de la agitacion

En general se puede admitir que el proceso de sedimentaci6n en la zona B esacelerado cuando Be ejecuta una agitacion suave par medio de una reja de varillaso barras verticales animadas de un movimiento muy lento de rotaci6n en vuelta del

eje del espesador (Figura 2). Las varillas, ademas de provocar un efecto levementetembloroso en los floculos del lodo (proporcionando oportunidad de nuevas arreglosmas densos en la estructura de las particulas), tambien dejan detras de st una es-pecie de canales 0 rayas con pocos solidos, por donde el agua intersticial tienemejor oportunidad de subir en direccion a la superficie, as! como tambien eventua-les burbujas de gas (11).

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FIG. 2 - ESPESADOR CON BARRAS VERTICALES

Reciben efectos beneficiosos de la agitacion suave los precipitados acuososcoloidales y c ie rt as p ul pa s m et al ur gi ca s.

En general se considera que 1a eficiencia de un tanque de espesamiento puedeser aumentada en un 15 a 20% por medio de 1a instalacion de barras verticales deacero en el mecanismo de recoleccion de lodo. En el Chicago Sanitary District se haconseguido del 33 a1 100%.

Autores como Mancini (5), Schroepfer y Ziemke (12) dan cuenta de casos deconsiderable aumento de 1a concentracian de s$lidos en lodos anaerabicos espesadosen tanques con barras verticales.



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Ensayos de laboratorio y plantas pilato podran dar buenas indicaciones sa-bre el grado de agitacion que traiga beneficia al espesamiento.

S. Coadjuvantes (acondicionadores) de sedimentaci6n

Hay una serie de aditivos que pueden ser empleados para mejorar la compac-taci6n del lodo y para mantener su "juventudll•

Entre estos han sido estudiados intensamente las sales f~rricas, alumen,cal, acido sulfurico, oxidos de hierro, tierras diatomaceas y cenizas volantes.

En muchos casos los autores encontraron resultados considerados insignifi-cantes (13).

El elora puede ser empleado para prevenir la septicidad y gasificaci6n que

interfiere con la concentraci6n optima de solidos en lodos biodegradab1es. Ladescomposicion de lodos inestables durante 1a fase de espesamiento puede producirgas en cantidad suficiente para hacer f1uctuar los solidos sabre 1a superficie deltanque.

Un residuo de cloro de 0.5 a 1.0 mgll en el espesador evita ese problema.Es necesario limitar 1a cantidad de elora, porque una superdosificacion puededi~persar los lodos biologicos (2).

MOdernamente esta teniendo gran exito e1 empleo de polielectrolitos orga-nicos como coadjuvantes de compactacion de lodo, como fue verificado en numerososc as os c on cr et os .

Los polielectrolitos son compuestos organicos de grandes cadenas mo1ecu1a-res, como par ejemp10 la poliacrilamida. Pueden ser ani6nicos, cati6nicos 0 noionicos. Son reconocidamente Gti1es para acelerar la tasa de sedimentaci6n, parao bte ne r so br en ad an te s c la ro s y transparentes, para aumentar la tasa de aplicacionde solidos par unidad de area del tanque y para producir 10dos de gran compacta-cion, es decir, de bajo !ndice volumStrico de lodo, que, como se sabe, es e1 vo-lumen de lode que contiene 1a unidad de peso de material salida (seco). Es habi-tual expresar ese indice en unidades de mililitros por gramo (ml/g).

La tasa de aplicacion de polielectro1itos esta alrededor de 5 kg/t de soli-dos ,

• c

6, Diseno. Modelo matematico

A pesar de los esfuerzos de los ana1istas de sistemas y "modelistas" , en e1momenta actual los espesadores son disefiados por parametros empfricos sacados dei ns ta la ci on es p il at o 0 de datos obtenidos de otras instalaciones en condiciones si-milares.



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Asimismo, Edde & Eckenfe1der (14) han propuesto un mode10 matemitico parael espesamiento por gravedad, que debe ser considerado con reseTVas, pues fue con-

cebido para pasar de pruebas en laboratorio a plantas piloto. La representacionmatemitica es:

D- _HLD

donde:

C = coneentraci6n de solidos en 1a salida inferior del espeaador (t/m3)u

Co = eoncentracion de 801idos en 1a a1imentacion (t/m3)

HL = tasa de aplicaci8n superfieia1 de solidos (t/d!a.m2)

D, n= constantes re1acionadas con las caraeter!sticas del lodo y con las condicio-nes de ensayo.

La constante D esta relacionada COD 1a altura (profundidad) de 1a columnade ensayo y 1a concentracion del lodo afluente (alimentacion), y por 10 tanto nodescribe las caracter!aticas 4e1 lodo.

La constante n no depende de las dimensiones del equipo de ensayo y es funcionexc1usiva de las propiedades reo1ogicas (movimiento del agua) del 10do.

Eckenfe1der cita los siguientes valoree de n para au mode10:

TIPO DE LODOValor promedio de

n

1.80

0.70

0.75

0·.53

0.25

Lodo de ab1andamiento de agua potable

Lodo de fabricacion de pulpa y pape1

Lodo de plantas de tratamiento de agu&s negrae domesticaspor estabi1izaciGn de contacto

Lodo de carbOn activado

Mezc1a de 10do primario y eecundario de plantas de trata-miento de aguas residua1es domesticas por lodos activados



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E1 valor de n y D es obtenido en 1aboratorio, por intermedio de tres 0

mas ensayos de sedimentacion, con concentraciones diferentes de solidos, enc il in dr os g ra du ad os .

.~C1on:

Para el disefio practico se utiliza en general la siguiente tasa de aplica-

- Lodo primario (domestico) 110 kg/m2.dia

L od o p ri ma ri o + lodo secundario de filtrospercoladores 75 kg/rn2,dia

40-60 kg/m2.dia

20 kg/m2.dia

- Lodo primario + exceso de lodo activado

- Exceso de lodo activado

Kalbskopf (6) recornienda 60 kg/m2

.dia para mezcla de lodo primario con ex-eeso de lodos activados.

Conociendose el tipo y la concentraci6n (~ indice volumetrico) inieial deBolidos en el lodo, con este parametro se tiene inmediatamente el area del tanqued e e sp es am ie nt a. La profundidad es dictada por el tiempo de espesarniento que sedet ermi na en l abor ato rio .

En cuanto a todos industriales, la variabilidad es muy grande. Eckenfeldery O'Connor presentan dos ejemplos al respecto: 1) el lodo anaer6bico de un fri-gorifica con un 1ndice de lodo de 50 hasta 100 ml/g fue aplicado con la tasa de245 a 415 kg/m2.dia Y. 2) e1 lodo anaerobica de productos lacteos con un indice delodo entre 100 y 300 ml/g fue espesado a una tasa de 120 a 170 kg/m2.dia (15).

Las siguientes condiciones deberisn ser siernpre observadas can ocssion deldiseno:

El exceso de lodo activado debe ser mezclado con el lodo primario. porquede esta operaciBn resulta un lodo ya inicialmente mas concentrado y mas

facil de ser espesado;

- Los tanques de espessmiento deberan en general tener gran profundidad(alrededor de 4.5 m). ser circulares, tener disipadores de energia como

di spo sit ivos de en trad a y paseer no mas que una tuberia de salida, que sea tancorta como sea posible (1);

- E1 periodo de desplazamiento del liquido en espesadores tiene importanciasecundaria para cualquier lodo, pero es recomendable preyer un tiempo mi-

nima de detencion de 6 horas y una tasa hidraulica del sobrenadante clarificado de16 a 32 m3/m2.dia.



- 12 -

La calidad del sobrenadante debe ser objeto de cuidados especiales, puesse acostumbra retornarlo al inicio de la planta de tratamiento. Se puede consi-derar que la carga organica es la misma del cloacal bruto, con 150 - 300 mg/! desolidos' suspendidos y una DBO de alrededor de 200 mg/I.

Una unidad de espesamiento bien operada debe presentar descomposicion anae-r obica practi cament e nu la y recuperaci8n de solidos arriba del 90%; en estas con-diciones el sobrenadante no deb era causar ningGn problema operacional en la planta.

7. Ejemplo de diseno

El ejemplo siguiente fue present ado par Kalbskopf (6) durante el Simposios ob re I IT ra ta mi en to y Disposicion Final de Lodos de Aguas Residuales" , realizadoen abril de 1971, en Essen, Alemania.

Objetivo: Dimensionar un tanque de espesamiento de lodo.

- Tipo de lodo Mezcla de lodo primario y acti-vado

- Lodo primario 200 m3/dia, con 2.5% solidos(secos)Se bomh ea 2 veces al dra, con100 m

3 durante una hora; iguala 5000 kg /d 'i a

500 m3/dia, con 0.6% de solidosSe bombea uniformem~nte durante24 horas; igual a 3000 kg/dia.Indice - 80 mg/g

8000 kg/dia (can 62% de volatiles)

60 kg/m2.dia

8000/60 - 133 m2

- Lodo activado (exceso)

- S6lidos en la mezcla

- Tasa de aplicaci6n escogida

- Area necesaria

Diametro del tanque 13 m

- Verificacion de tasas hidraulicasL od o p ri ma ri o y s ec un da ri o d ur an te2 horas por dia

100+500/24

133= 0.91 m

3/m 2.h

« sed. prim .)

0.16 m3/m2.h « sed. sec.)Lodo activado durante 22 horas pardra

500/24133



- 13 -

- Lrmite de compactaci6n del lodo 7% de solidos

- Volumen del lodo espesado 200Ox2.5 + 50OxO.6 = 1 15 m 3/ di a7 7

- Volumen de sobrenadante 200 + 500 - 115 = 585 m3/d1a

- Concentracion promedio de la zona delodo (considerada 75% del lodo co~pactado) 7% • 0.75 = 5.25%

- Volumen por hora 800/24 = 6.35 m 3/h5.25

- Permanencia admisible en la zona de

c om pr es io n ( ex pe ri me nt al ) 36 horas

- Profundidad (altura) de la zona de se-d im en ta ci on l ib re ( ex pe ri me nt al ) 1.00 m = HI

- Profundidad (altura) de la zona decompresion 4.75 m

- Profundidad laltura) de la zona dec om pa ct ac io n ( ex pe ri me nt al ) 0.30 m - H3

- Profundidad (altura) total delespesa-

dor 3.05m

133 m2• 3.05 m = 405 m3- Capacidad del espesador

nivelnivel - zona de sedimentacion

- zona de compresion

- zona compacta de remocion

13:00

FIG. 3 - DrMENSIONES DEL ESPESADOR



- 14 -

Se nota que Kalbskopf considera viable alcanzar una concentracion de 7%de sol~dos, mucho mas que los autares americanes.

El cuadro siguiente reproduce algunos datos norteamericanos (4) y alema-nes (6):

AlimentacionL od e e sp es ad o( % s ol id es )

Tipe de lodeTasa aplic. Espesador

Espesador% solidos

(kg/m2.dl.a) con barras"estandar"( si n b ar ra s)

Activado ('indice- 74 ml/g) 1.06 102 3.0 1.8.

A cti va do ( ind ic e ::: 97 rol/g) 0.87 98 2.8 1.4

5 0% a ct iv ad o + 50 % p ri ma ri o 1.10 98 4.4 3.3

Autor: Ettelt (4)

TIPO DE LODa

Maxima concentracion de solidos

posible por espesamiento sin a-condicionamiento

10 - 30%

5 - 7%7 - 12%

Prima rio con lodo pesado industrial

Primarie: a) mas de 65% de volatilesb) menes de 65% de volatiles

Primario + exceso de secundario (lodos acti-vados): a) con indice > 100 m l/g

b) con indice < 100 ml/g

A er ac io n e xt en di da

P ri ma r io d ig er id o a na er ob ic am en te

L od o ac ti vad o d if er id o a na er ob ic am en te

Lodo activado can tratamiento termico

4 - 6%6 - 11%

3 - 5%

8 - 14%

6 - 9%

10 - 15%

Autor: Kalbskopf (6)



- 15 -

G, Espesamiento por flotaci6n

1. Aplicaci6n

La flotaci6n es un proceso excelente para el espesamiento de lodos de di-f ic il s ed im en ta ci 6n .

El empleo de unidades de flotaci6n esta creando un proceso cada vez mas"popular", principalmente en plantas de tratamiento de lodos activados.

Puede ser aplicado en instalaciones en las cuales hayS peri6dicamente elfenomeno de entumecimiento ("bulking") del lodo.

2. Concepto

La flotaci6n es un proceso fisicoqu~mico de separaci6n de solidos y li-

quidos, el cual es basado en el arrastre de part~culas en suspension hasta arriba,por intermedio de minusculas burbujas de aire.

Los solidos a liquidos emulsificados 0 coloidales tambien pueden ser sepa-rados par flotacion.

E1 peso especifico de las part~culas en suspension puede ser inferior, igua1o superior a1 del agua. Es importante que las burbujas de aire se adhieran a lasparticu1as, reduciertdo aS1 su peso eepecifico aparente, permitiendo con eso quesuban hasta 1a superficie.

3. Variantes del proceso de flotacion

Hay cuatro metodos de flotaci6n (2):

Flotaci6n por aire difuso

Flotaci6n por aire disuelto bajo presion seguido de descompresi6n

Flotaci6n por aire disuelto a la presion atmos£@rica seguida de des com-presi6n a1 vad.o

- Flotaci6n biologica, por formaci6n de gas de fermentaci6n.

Las modalidades 1a. y 3a. (aire difueo y descompresion al vacio) no hanencontrado aplicaci6n corriente, as! que en este curso solo seran consideradaslas otras dos ,

4. Principia de funcionamiento

Como ultimo analisis, el proceso de flotacion es el de sedimentaci6n alrev~s. Ahi la camada superior es la ~s concentrada, mientras que la inferiores mas acuosa,



- 16 -

El proposito del espesamiento por flotacion es de hacer adherir una pe-queua burbuja de aire a las particulas en suspension para que elIas sean arras-

tradas hasta arriba.

La flotacion depende de la formacion de burbujas de diametro muy pequeno,resultantes de 1a disolucion de aire en la masa liquida, bajo presion de 2.5 a4.5 kg/c~ y 1a subsiguiente liberaci6n de 1a soluci6n a la presion atmosferica (16).

La solubilidad del aire en el agua crece con 1a presion: a la presion at-mosferica y a 20eC se disuelve en el agua cerca de 17 ml/l; a la presion efectiva(arriba de la atmosferica) de 3 kg/cmi s e d is ue lve a pr ox im ad am en te 68 ml/l. Esdecir que durante la descompresion de 3 para 0 kg/cm2 hay un desprendimiento deunos 50 mill de burbujas minGsculas, un promedio de 80 micrones de diametro, 10

que dar!a teoricamente unas 2 millones de burbujas por mililitro.

Los solidos de los lodos organicos se adhieren a la~ burbujas, que funcio-nan como flotante. El grado de adhesion depende de las propiedades de superfi-cie de los solidos. La adhesion de todas las burbujas 1iberadas es teoricamenteposible pero no es alcanzada en la practica (16).

Cuando las particulas de lodo son introducidas en el tanque de flotacion,flotan hacia la superficie de 1a unidad, mas 0 menos en conformidad can la curvaexperimental de laboratorio expres8da por la curva de 18 Figura 4.

Ocurren fen6menos simllares a la sedimentacion obstaculizada 0retardada. Lacamada flotante presenta una gradiente de concentraci6n: mas elevada arriba, masreducida abajo (Figura 5).

El grado de espesamiento del lodo depende de la fuerza de compresion y de

las propiedades resistentes a 1a compresi6n.

5. Ventajas. de la f1otaci8n

La flotacion produce en general lodos de mayor concentraci6n de solidos entiempos mas reducidos, cuando es comparada con e1 espesamiento par gravedad.

Debido al tiempo muy reducido las unidades de flotacion son mucho mas peque-nas que las de espesamiento par gravedad, y su casto es menor.

Pueden ser utilizadas para lodos que·sedimentan mal 0 que ni siquiera sedi-mentan.

EI lodo puede ser aplicado a tasas bastante mayores, resultando en unidadesque ocupan menos area,



- 17 -

25

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RATA DE ASCENSION DE LA INTERFAZ DE LOS SOLI DOS FLOTANTES

TI EMPO (min)

FIG. 4 - RATAS DE ASCENCION



4.6

~ 4.4-~ 4.2

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9II.. 3.8oc9 3.6

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o 100 200' 300 400

OISTANCIA ABAJO DE LA SUPERFICIEDE LODO FLOfANTE (mm)

FIG. 5 - GRADIENTE DE CONCENTRACION



- 19 ....

6. Inconvenientes

- Hay un nGmero muy grande de factores que influyen

- La operacion y el mantenimiento tienen costos elevados

- Los operadores deben ser bien adiestrados

- Hay que poner las unidades bajo una cobertura, pues la accion de las1l uvi as e s d es fa vo ra bl e.

- Los mecanismos de remocion del lodo compactado son mas complicados.

7. Descripcion del proceso de aire disuelto

Para lograr la flotacion se bombea el lodo contra una valvula de expansion.a una presion determinada. En la tuberia forzada se introduce aire comprimido.

Se puede tambien introducir el aire en el lado de succi6n de la bomba. a travesde un inyector. At pasar -de la succiSn a la parte presionada, el aire queda com-primido y se disuelve progresivamente. Se mantiene el aire en contacto con ellodo un tiempo suficiente para que se disuelva el volumen deseado de aire (18).

A traves de la valvula de expansion se introduce el lodo presurizado en untanque de expansion, bajo presion atmosferica, donde el aire disuelto se liberahasta que sea alcanzada la solubilidad a la presion normal. El aire liberado ini-c ia lm en te f or ma una especie de lechosidad, despues una espuma flotante. Las burbu-jas minusculas arrastr~ las particulas en suspension a la parte superior del tan-que, de donde son removidas por medio de palas raspadoras traccionadas por co-rrientes.

El liquido se separa en la parte inferior del tanque, de donde es removidoy en general conducido a la entrada de la planta de tratamiento como el sobrena-dante en el caso del espesamiento por graved a d (Figura 6).

Frecuentemente se disuelve el aire en una parte reciclada del liquidoefluente separado, en lugar de hacerlo con el lodo. En este caso se mezcla ellodo con la soluci5n de aire inmediatamente despues de la valvula de expansion.

I If . .. O V E 0 01 1 C O llIr il <l UO

FIG. 6 - TANQUE DE FLOTACION TIFO SVEEN-PEDERSEN



- 20 -

8, Parametros

Las principales variables que deben tenerse en consideracion en flotacionson (2):

- presion de la mezcla de lodo + aire

- relacion de reciclaje del liquido efluente

- concentracion de los solidos del lodo di1uido

- periodo de detencion

- relacion aire - solidos

- tipo y calidad del lodo

- tasas de aplicacion hidraulicas y de solidos

- uso de coadjuvantes quimicos de f10tacion

La presion del aire es importante, toda vez que es ella 1a que determina lacantidad de aire disuelto, as! como tiene tambien influencia sobre la concentracionde solidos en el 1iquido separado.

En general, mayores p~siones resu1tan en mayor concentracion de solidos enla superficie del tanque y menor en el fondo. Hay, sin embargo, un·lrmite superior,mas alIa del cual se produce una destruccion de la textura de los floculos, conperdida de eficiencia.

Se recomienda un volumen de aire de·0.6 m3/m2,hora (17).

E1 recic1aje se practica entre 20 y 40%, siendo preferibles los porcenta-j es m ayo re s. La ventaja de una mayor rata de reciclaje reside en e1 hecho de quemas aire puede ser disuelto y en la constataci$n de que 1a dilucion previa del lodoelabora un producto final m a s concentrado.

E1 tiempo de permanencia en e1 tanque de flotaci8n es importante para laperdida de agua. En general es deseable emp1ear hasta 3 horas. Mas que esto apa-rentemente no produce efectos beneficiosos adicionales.

La relaci8n aire - solidos debe ser mantenida alrededor de 0.02 kg aire/kgde solidos (maximo) (17).

Es conveniente mezc1ar e1 lodo secundario con e1 primario previo de la f10-tacion; as! se logra una mejor compactacion. Los lodos entumecidos suben a la super-ficie pero se compactan poco.

Como aditivos coadjuvantes de flotacion, e1 exitomas significativo perte-nece a los polie1ectrolitos cationicos. El uso de los mismos permite mayores ta-sas de aplicacion, produce lodos mas compactos y mejora 1a calidad del liquidoefluente.

Cuanto mas concentrado es el lodo espesado, tanto menos solidos se lograrecuperar (Figura 7).



- 21 -

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6 8 1 0 12 14 16

CONCENTRACION DE soi.roos (%)

FIG. 7 - RECUPERACION DE SOLInos

9. Disei'io

El area del tanque de flotacion es determinada a traves de la tasa de apli-cacion de solidos. Este parimetro, asi como otros~ debe ser evaluado a partir deplantas pilato. Entretanto~ conviene enfatizar que los resultados de ensayos enpilato no pueden ser aplicados can precisi6n a los efectos de turbulencia en lasplantas pequenas. Los ensayos piloto en general son precedidos de pruebas de la-barataria, para determinar relacianes de reciclaje, cantidades de reactivos con-,dicionantes y la factibilidad de espesamiento por ar disuelto.



- 22 -

L?s prineipales eomponentes de un sistema de flotaci6n son:

- una bomba para produeir la presion para disolucion del aire;

- un tanque eerrado para eontaeto entre el lodo y el aire, con 1 a 2 mi-nutos de retenci6n;

una valvula de alivio de presion (valvula de expansion)~

- la unidad de flotaei6n, eneerrando una camara de tranquilizacion y un me-canisme de remoeion del lodo espesado.

El diseRo del dispositivo de entrada es uno de los puntos mis deeisivos dela unidad. Debe ser preferido un arreglo que produzea una zona de mtnima turbu-leneia y de maxima adhesion del aire a los solidos. La turbulencia puede provo-car la separaeion entre las burbujas y las particulas.

Las grandezas involucradas en el dimensionamiento fueron expuestas en e1i te m a nt er io r ( pa ra me tr os ).

10. F lo ta ci 6n b io 1o gi ca

El fenomeno de flotacian de lodos biodegradables almacenados por largos lap-sos de tiempo en un tanque es muy conocido. y se debe a la descomposici6n anaer6-bica que produce gases en el interior de la masa.

Un perfeccionamiento antiguo, pero usado todav!a, de este proceso naturalpara aplicaciones practicas. es conocido cOmo "proceso de Laboon" (19). Este pro-ceso consiste en los pasos siguientes:

a) Desmenuzamiento del lodo primario crudo (5 - 10% de solidos) para preve-nir la obstruecion de bombas y de equip os ;

b) Calentamiento del lodo hasta 35°C en cambiadores de calor operados a1 kg/em2 d e pr es io n;

c) Concentracion del lodo por proeeso bio16gico durante 5 dras. Los gasesliberados flotan el lodo y 10 concentran en los tanques espesadores;

d) Separacion del liquido inferior y bombeo del lodo compactado para incine-raciSn u otro tipo de disposicion final.

Los parametros importantes para el diseRo son:

- temperatura del lodo;

- periodo de detencion;

- tipo de lodo y su contenido en volatiles;

- pH del lodo.



- 23 -

La temperatura ideal es de 35°C y el tiempo de detenci6n optima es de 5dias.

El lodo activado no resPonde bien a este tratamiento. El pH elevado inhibela actividad biologica. A veces se logra flotar una mezcla de lodo prima rio y se-cundario.

Con este proceso se consigue llegar de 4% hasta 20% de solidos, En Ashland,Ohio, se logra llegar hasta 15% sin calentamiento.

El l odo-es pesado tien e buena fil trabili dad y no requiere adicion de flocu-lantes.

Asimismo, esun

proceso caro, pues en general necesita de calentamiento yde grandes tanques. En casos de incineraci6n el calentamiento puede ser efectuadoa traves de los gases de combustion.



- 24 -

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