Comisión Nacional del Agua

MANUAL DE AGUA POTABLE,

ALCANTARILLADO Y SANEAMIENTO

GUÍA PARA EL MANEJO, ESTABILIZACIÓN Y DISPOSICIÓN DE

LODOS QUIMICOS

Diciembre de 2007

www.cna.gob.mx

ADVERTENCIA Se autoriza la reproducción sin alteraciones del material contenido en esta obra, sin fines de lucro y citando la fuente. Esta publicación forma parte de los productos generados por la Subdirección General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento, cuyo cuidado editorial estuvo a cargo de la Gerencia de Cuencas Transfronterizas de la Comisión Nacional del Agua. Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento. Edición 2007 ISBN: 978-968-817-880-5 Autor: Comisión Nacional del Agua Insurgentes Sur No. 2416 Col. Copilco El Bajo C.P. 04340, Coyoacán, México, D.F. Tel. (55) 5174-4000 www.cna.gob.mx Editor: Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales Boulevard Adolfo Ruiz Cortines No. 4209 Col. Jardines de la Montaña, C.P 14210, Tlalpan, México, D.F. Impreso en México Distribución gratuita. Prohibida su venta.

Comisión Nacional del Agua Ing. José Luis Luege Tamargo Director General Ing. Marco Antonio Velázquez Holguín Coordinador de Asesores de la Dirección General Ing. Raúl Alberto Navarro Garza Subdirector General de Administración Lic. Roberto Anaya Moreno Subdirector General de Administración del Agua Ing. José Ramón Ardavín Ituarte Subdirector General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento Ing. Sergio Soto Priante Subdirector General de Infraestructura Hidroagrícola Lic. Jesús Becerra Pedrote Subdirector General Jurídico Ing. José Antonio Rodríguez Tirado Subdirector General de Programación Dr. Felipe Ignacio Arreguín Cortés Subdirector General Técnico Lic. René Francisco Bolio Halloran Coordinador General de Atención de Emergencias y Consejos de Cuenca M.C.C. Heidi Storsberg Montes Coordinadora General de Atención Institucional, Comunicación y Cultura del Agua Lic. Mario Alberto Rodríguez Pérez Coordinador General de Revisión y Liquidación Fiscal Dr. Michel Rosengaus Moshinsky Coordinador General del Servicio Meteorológico Nacional C. Rafael Reyes Guerra Titular del Órgano Interno de Control Responsable de la publicación: Subdirección General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento

Coordinador a cargo del proyecto: Ing. Eduardo Martínez Oliver Subgerente de Normalización La Comisión Nacional del Agua contrató la Edición 2007 de los Manuales con el

INSTITUTO MEXICANO DE TECNOLOGÍA DEL AGUA según convenio CNA-IMTA-SGT-GINT-001-2007 (Proyecto HC0758.3) del 2 de julio de 2007 Participaron:

Dr. Velitchko G. Tzatchkov M. I. Ignacio A. Caldiño Villagómez

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CONTENIDO Página

1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................1 1.1. ANTECEDENTES ................................................................................................1 1.2. TIPOS DE PLANTAS POTABILIZADORAS.........................................................1 1.3. PROCESOS UNITARIOS DE LAS PLANTAS POTABILIZADORAS EN MÉXICO....................................................................................................................................2 1.3.1. Plantas de Clarificación .....................................................................................2 1.3.2. Plantas de Ablandamiento.................................................................................3 1.3.3. Plantas Desferrizadoras ....................................................................................3 1.4. TIPOS DE RESIDUOS GENERADOS .................................................................3 1.4.1. Plantas de Clarificación .....................................................................................3 1.4.2. Plantas de Ablandamiento.................................................................................5 1.4.3. Plantas Desferrizadoras ....................................................................................5 1.4.4. Otros Tipos de Residuos ...................................................................................7 1.5. ALCANCE DE LA GUÍA .......................................................................................7 2. LEGISLACIÓN APLICABLE ..................................................................................9 2.1. DISPOSICIÓN A UN SISTEMA DE ALCANTARILLADO.....................................9 2.2. DISPOSICIÓN A UN CUERPO DE AGUA.........................................................10 2.3. DISPOSICIÓN EN EL SUELO ...........................................................................12 2.4. DISPOSICIONES EN MATERIA DE IMPACTO AMBIENTAL............................13 3. MANEJO DEL AGUA DE RETROLAVADO DE FILTROS...................................15 3.1. OBJETIVO DEL MANEJO..................................................................................15 3.2. CALIDAD Y CANTIDAD DEL AGUA PRODUCIDA............................................15 3.3. TIPO Y CAPACIDAD DEL PROCESO DE TRATAMIENTO NECESARIO ........16 3.4. OPCIONES DE TRATAMIENTO........................................................................17 3.5. TANQUE O LAGUNA DE SEDIMENTACIÓN ....................................................17 3.6. UNIDAD DE TRATAMIENTO .............................................................................18 3.7. RECIRCULACIÓN DEL AGUA DE RETROLAVADO SIN TRATAMIENTO .......19 4. REDUCCIÓN DE VOLUMEN DE LOS LODOS....................................................20 4.1. RAZÓN DE LA REDUCCIÓN DE VOLUMEN ....................................................20 4.2. TIPOS DE LODOS .............................................................................................20 4.2.1. Lodos de Plantas de Clarificación ...................................................................20 4.2.2. Lodos de Plantas de Ablandamiento...............................................................21 4.2.3. Lodos de Plantas Desferrizadoras ..................................................................21 4.3. CANTIDAD DE LODOS GENERADOS..............................................................21 4.3.1. Plantas de Clarificación ...................................................................................21 4.3.2. Plantas de Ablandamiento...............................................................................24 4.3.3. Plantas de Remoción de Fierro y Manganeso.................................................24 4.4. VOLUMEN DE LOS LODOS..............................................................................25 4.5. CARACTERÍSTICAS DE LOS LODOS ..............................................................26 4.6. ESPESADO DE LODOS ....................................................................................27 4.6.1. Tanques Espesadores.....................................................................................27 4.6.2. Lagunas para espesamiento ...........................................................................28 4.7. ACONDICIONAMIENTO DEL LODO .................................................................29 4.8. DESAGUADO DE LODO ...................................................................................34 4.8.1. Métodos Naturales ..........................................................................................35

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4.8.2. Métodos Mecánicos ........................................................................................47 5. DISPOSICIÓN FINAL DEL LODO........................................................................78 5.1. DESCARGA DIRECTA A CUERPOS RECEPTORES.......................................78 5.2. DESCARGA AL SISTEMA DE ALCANTARILLADO ..........................................79 5.3. DISPOSICIÓN EN UN RELLENO SANITARIO..................................................81 5.3.1. Relleno por Trincheras ....................................................................................81 5.3.2. Relleno por Área .............................................................................................83 5.3.3. Consideraciones Ambientales .........................................................................83 5.4. APLICACIÓN AL TERRENO..............................................................................84 5.5. RECUPERACIÓN DE SUBPRODUCTOS .........................................................85 5.5.1. Recuperación de coagulantes .........................................................................85 5.5.2. Recuperación de cal........................................................................................87 6. EJEMPLO DE DISEÑO.........................................................................................88 6.1. EJEMPLO 1........................................................................................................88 6.1.1. Datos de la Planta ...........................................................................................88 6.1.2. Tren de Procesos ............................................................................................89 6.1.3. Dimensionamiento de las Unidades ................................................................89 6.1.4. Manejo del lodo ...............................................................................................94 6.2. EJEMPLO 2........................................................................................................97 6.2.1. Datos de la Planta ...........................................................................................98 6.2.2. Dimensionamiento de las Unidades ................................................................98 6.2.3. Manejo del lodo .............................................................................................102 6.2.4. Balance de masa de la planta incluyendo la recirculación y el tratamiento de Iodos .......................................................................................................................104 6.2.5. Diagrama de flujo de la planta.......................................................................105 ANEXO 1.................................................................................................................106 1. PRUEBAS FISICAS DE LOS LODOS................................................................106 1.1. PRUEBA DE LA RESISTENCIA ESPECÍFICA ................................................106 1.2. PRUEBA DE LA HOJA DE FILTRO .................................................................109 1.3. TIEMPO DE SUCCIÓN CAPILAR....................................................................111 1.4. PRUEBA DE LÍQUIDOS MEDIANTE EL FILTRO PARA PINTURA.................111 1.4.1. Descripción....................................................................................................111 1.4.2. Equipo y Materiales .......................................................................................112 1.4.3. Procedimiento ...............................................................................................112 ANEXO 2.................................................................................................................114 1. PRUEBAS DE SEDIMENTACIÓN PARA EL DISEÑO DE ESPESADORES ....114

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1.INTRODUCCIÓN 1.1.ANTECEDENTES El manejo de los residuos producidos en el tratamiento para la potabilización de las aguas no ha merecido una consideración adecuada por parte de los diseñadores y operadores de plantas potabilizadoras debido a que dichos residuos se han venido disponiendo con relativa facilidad. Las plantas potabilizadoras producen agua de la mejor calidad posible a partir del agua cruda disponible. En los procesos que se llevan a cabo en las potabilizadoras se producen residuos. La mayor parte de los residuos de las plantas potabilizadoras en México son Iodos químicos, los cuales resultan de la adición y reacción, en los procesos de potabilización del agua, de diferentes compuestos químicos. Estos Iodos químicos contienen las impurezas que degradaban la calidad del agua cruda y que se removieron en la planta, y deben por lo tanto, disponerse de una manera que no dañe al ambiente. Lo anterior, aunado al hecho de que los reglamentos y normas para la protección del ambiente son cada vez más estrictos y su aplicación por parte de las autoridades más completa, hace necesario que los responsables de las plantas potabilizadoras tengan que revalorar los métodos de tratamiento y disposición de los Iodos químicos generados en los procesos. Como respuesta a esa necesidad, la Comisión Nacional del Agua ha preparado esta Guía, la cual pretende orientar a los responsables del diseño y operación de plantas potabilizadoras, en los diferentes aspectos relacionados con el manejo de los Iodos químicos producidos en los procesos de potabilización de las aguas. La Guía incluye información sobre la calidad y cantidad de los Iodos generados, un análisis de la legislación aplicable al manejo y disposición de los Iodos, metodologías y criterios de diseño de los procesos para el manejo de los Iodos, para su tratamiento y para su disposición, así como ejemplos de aplicación. 1.2.TIPOS DE PLANTAS POTABILIZADORAS Para fines de manejo de los Iodos químicos producidos en las plantas potabilizadoras, estas se pueden dividir en cuatro categorías. La primera agrupa a las plantas de clarificación que coagulan y filtran un agua superficial para remover turbiedad, color, bacterias, algas, y algunos compuestos orgánicos. Estas plantas generalmente usan sales de aluminio o de fierro para la coagulación, y como ayuda del proceso utilizan algún tipo de polímero.

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La segunda categoría de plantas son las de ablandamiento, las cuales reducen el contenido de calcio y magnesio del agua mediante la adición de cal, hidróxido de sodio o bicarbonato de sodio. La tercera categoría agrupa a las plantas que oxidan y filtran un agua, generalmente subterránea, para la remoción de fierro y manganeso. Estas plantas utilizan aeración y algún agente oxidante fuerte como el permanganato de sodio o el cloro. La mayoría de los Iodos producidos en las plantas mencionadas anteriormente son los Iodos provenientes de los tanques de sedimentación y el agua de lavado de filtros. La cuarta categoría incluye a las plantas que utilizan procesos como intercambio iónico, ósmosis inversa o adsorción, para remover compuestos específicos como arsénico, nitrato, fluoruro, etc. Estas plantas producen residuos líquidos y/o sólidos. 1.3.PROCESOS UNITARIOS DE LAS PLANTAS POTABILIZADORAS EN MÉXICO Los procesos unitarios más usados en las plantas potabilizadoras en México se describen a continuación. 1.3.1.Plantas de Clarificación Estas plantas se pueden dividir en las convencionales y las de filtración directa. Las convencionales están constituidas generalmente por las siguientes unidades:

• Caja de llegada y de distribución del caudal • Mezcla rápida de coagulantes • Floculación • Sedimentación con o sin módulos de placas • Filtración en medio granular, de uno o dos medios • Desinfección con cloro • Tanque de aguas claras

Las de filtración directa tienen las siguientes unidades:

• Caja de llegada y de distribución del caudal • Mezcla rápida de coagulantes, • Filtración en medio granular, de uno o dos medios • Desinfección con cloro • Tanque de aguas claras

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1.3.2.Plantas de Ablandamiento Dentro de estas plantas se consideran las de ablandamiento y las de ablandamiento y clarificación. Estas plantas normalmente se integran de:

• Caja de llegada y de distribución del caudal • Mezcla rápida de coagulantes • Floculación mecánica, y sedimentación con o sin módulos de placas, o • Clarifloculación en una sola unidad, generalmente de manto de Iodos • Algún medio de estabilización del pH • Filtración en medio granular, de uno o dos medios • Desinfección con cloro • Tanque de aguas claras

1.3.3.Plantas Desferrizadoras Para la oxidación del fierro y manganeso, este tipo de plantas utilizan aeración y/o productos químicos, y pueden prescindir de la unidad de clarificación. Las Unidades más comunes son:

• Caja de llegada y distribución del caudal • Aeración • Mezcla rápida de coagulantes • Sedimentación con o sin módulos de placas, y/o • Filtración en medio granular • Desinfección con cloro • Tanque de aguas claras

1.4.TIPOS DE RESIDUOS GENERADOS 1.4.1.Plantas de Clarificación En el tratamiento del agua por, el proceso de clarificación, se agregan al agua sales de metales y/o polímeros sintéticos para coagular el material suspendido y producir un agua clara apropiada para ser filtrada. En las plantas de clarificación convencional la mayoría de los coagulantes, y las impurezas que remueven, se depositan en el fondo de los tanques de sedimentación como Iodos. A estos Iodos se les denomina Iodos de sulfato de aluminio, de fierro y/o poliméricos, de acuerdo al coagulante primario que se utilice. El resto de los coagulantes y de las impurezas del agua se encuentra en el agua de lavado de los filtros. Ver Figura 1.1.

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Figura 1.1 Procesos generadores de residuos en plantas de coagulación

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En las plantas de clarificación con el proceso de filtración directa, solamente se tiene una corriente de residuos, la que proviene del lavado de filtros. Por tanto, los principales residuos producidos en las plantas potabilizadoras, cuyo objetivo es la clarificación del agua son los siguientes:

1. Lodos de sulfato de aluminio 2. Lodos de fierro 3. Lodos poliméricos 4. Agua de lavado de filtros

1.4.2.Plantas de Ablandamiento En las plantas cuyo objetivo es la reducción de la dureza del agua, los residuos se originan por la precipitación de las sales insolubles de calcio y magnesio, mediante la adición de hidróxido de calcio y, en algunos casos, de bicarbonato de sodio. Estos residuos contienen también algún coagulante como el sulfato de aluminio, que se añade para mejorar la sedimentación de las partículas. La principal corriente de residuos se presenta en los Iodos del sedimentador. Otra corriente de residuos la constituye el agua de lavado de los filtros. Ver Figura 1.2. Los residuos principales producidos en este tipo de plantas son:

1. Lodos de ablandamiento 2. Agua de retrolavado de filtros

1.4.3.Plantas Desferrizadoras En este tipo de plantas el objetivo es la reducción de la concentración de fierro y manganeso mediante la oxidación y precipitación de los compuestos de estos metales. Las corrientes de residuos incluyen los Iodos del sedimentador y el agua de lavado de filtros. Cuando el diseño de la planta no incluye sedimentador, la única corriente proviene del agua de lavado de los filtros. Como la reacción de precipitación utilizada produce hidróxidos de fierro, las corrientes de residuos de este tipo de plantas son similares a las que se tienen en una planta clarificadora que utilice una sal de fierro para la coagulación. Los residuos más importantes son:

1. Lodos de fierro y manganeso 2. Agua de lavado de filtros

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Figura 1.2 Procesos generadores de residuos en plantas de ablandamiento

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1.4.4.Otros Tipos de Residuos Dependiendo de los procesos de la planta se pueden generar otros tipos de residuos sólidos, como pueden ser el carbón activado gastado, la arena con materia orgánica de los filtros lentos, resinas de intercambio iónico deterioradas, etc. Estos residuos son:

1. Carbón activado gastado 2. Residuos de filtros lentos de arena 3. Residuos de resinas de intercambio iónico

1.5.ALCANCE DE LA GUÍA Esta guía está encaminada al manejo y disposición de los Iodos químicos producidos en plantas potabilizadoras, e incluye a los Iodos de las plantas de clarificación, ablandamiento y desferrizadoras, producidos en los procesos de sedimentación y de filtración, cuyas opciones principales se indican en la Figura 1.3.

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Figura 1.3 Opciones para el manejo de lodos

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2.LEGISLACIÓN APLICABLE En la legislación mexicana de protección al ambiente no existen referencias específicas a los Iodos generados en las plantas potabilizadoras, a diferencia de Iodos producidos en plantas de tratamiento de aguas residuales; sin embargo, en forma general, algunos de los considerando pueden aplicarse al manejo de Iodos de dichas plantas. La legislación que puede ser aplicable depende del método de disposición final que se escoja. Las opciones de disposición final de los Iodos de plantas potabilizadoras son los siguientes:

• Disposición a un sistema de alcantarillado • Disposición a un cuerpo de agua • Disposición en un relleno sanitario específico • Disposición en un relleno sanitario público • Disposición en el sitio como líquido o sólido

Las leyes fundamentales que rigen la disposición de los residuos de las plantas potabilizadoras son: La Ley General del Equilibrio Ecológico y la Protección al Ambiente, que entró en vigor el 1 o de marzo de 1988, el Reglamento de la Ley General del Equilibrio Ecológico y la Protección al Ambiente en Materia de Residuos Peligrosos publicado en el Diario Oficial de la Federación el 25 de noviembre de 1988, la Norma oficial mexicana NOM-CRP-001-ECOL/93 publicada en el Diario Oficial de la Federación el 22 de octubre de 1993, y la Norma oficial mexicana NOM-CCA-031-ECOL/1993 publicada en el Diario Oficial de la Federación el 18 de octubre de 1993. La Ley de Aguas Nacionales, publicada en el Diario Oficial de la Federación el 1o de diciembre de 1992, y el Reglamento de la Ley de Aguas Nacionales publicado en el Diario Oficial de la Federación el 12 de enero de 1994. Con respecto al impacto ambiental no existe una reglamentación específica al manejo de Iodos, sino que esta es común para cualquier tipo de obra que tenga efectos en el ambiente, dicha reglamentación está incluida en el Reglamento de la Ley General de Equilibrio Ecológico y la Protección al Ambiente en Materia de Impacto Ambiental, publicado en el Diario Oficial de la Federación el 7 de junio de 1988. 2.1.DISPOSICIÓN A UN SISTEMA DE ALCANTARILLADO La descarga de residuos a los sistemas de alcantarillado está regida por la norma oficial mexicana NOM-CCA-031-ECOL/1993. Aún cuando esta norma no hace referencia especifica a los Iodos de una planta potabilizadora, como la intención de la norma es la de proteger la infraestructura de recolección y tratamiento de aguas residuales de una población, puede ser aplicable a las potabilizadoras si estas se consideran como "industria", o como "servicio", lo cual no es difícil. Las

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características que deben cumplir las descargas se presentan en el artículo 5 de la norma que se presenta a continuación: Artículo 5 Especificaciones 5.1 Las descargas de aguas residuales provenientes de la industria, actividades agroindustriales, de servicios y el tratamiento de aguas residuales a los sistemas de drenaje y alcantarillado urbano o municipal a que se refiere esta norma debe cumplir con las especificaciones que se indican en la Tabla 1.

Tabla 1

Límites máximos permisibles Parámetros Promedio diario Instantáneo Temperatura (°C) 40 pH (unidades de pH) 6 a 9 6 a 9 Sólidos sedimentables (ml/L) 5 10 Grasas y aceites (mg/l) 60 100 Conductividad eléctrica (micromhos/cm) 5,000 8,000 Aluminio (mg/L) 10 20 Arsénico (mg/L) 0.5 1.0 Cadmio (mg/L) 0.5 1.0 Cianuros (mg/L) 1.0 2.0 Cobre (mg/L) 5 10 Cromo hexavalente (mg/L) 0.5 1.0 Cromo total (mg/L) 2.5 5.0 Fluoruros (mg/L) 3 6 Mercurio (mg/L) 0.01 0.02 Níquel (mg/L) 4 8 Plata (mg/L) 1.0 2.0 Plomo (mg/L) 1.0 2.0 Zinc (mg/L) 6 12 Fenoles (mg/L) 5 10 Sustancias activas al azul de metileno (mg/L) 30 60 2.2.DISPOSICIÓN A UN CUERPO DE AGUA La disposición de los .lodos a un cuerpo de agua está sujeta a varias disposiciones. Las disposiciones de carácter general se encuentran en la Ley General del Equilibrio Ecológico y la Protección al Ambiente y en la Ley de Aguas Nacionales. La primera establece en el artículo 120 lo siguiente: Artículo 120 Para evitar la contaminación del agua, quedan sujetos a regulación federal o local:

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VII. El vertimiento de residuos sólidos en cuerpos y corrientes de agua. Por su parte la Ley de Aguas Nacionales establece en el artículo 86 lo siguiente: Artículo 86 "La Comisión" tendrá a su cargo: Establecer y vigilar el cumplimiento de las condiciones particulares de descarga que deben satisfacer las aguas residuales que se generen en bienes y zonas de jurisdicción federal; de aguas vertidas directamente en aguas y bienes nacionales, o en cualquier terreno cuando dichas descargas puedan contaminar el subsuelo o los acuíferos; y en los demás casos previstos en la Ley General del Equilibrio Ecológico y la Protección al Ambiente. Promover o realizar las medidas necesarias para evitar que basura, desechos, materiales y sustancias tóxicas, y Iodos producto de los tratamientos de aguas residuales, contaminen las aguas superficiales o del subsuelo y los bienes que señala el artículo 113; y Las disposiciones de esta Ley se hacen más específicas en el Reglamento de la Ley de Aguas Nacionales, el cual establece en los artículos 135 y 139 la forma como se controlarán las descargas a los cuerpos receptores. Estas disposiciones se aplican si la descarga al cuerpo receptor se hace en forma líquida. Artículo 135 Las personas físicas o morales que efectúen descargas de aguas residuales a los cuerpos receptores a que se refiere la "Ley", deberán: Contar con un permiso de descarga de aguas residuales que les expida "La Comisión", o en su caso, presentar el aviso respectivo a que se refiere la "Ley" y este Reglamento; Tratar las aguas residuales previamente a su vertido a los cuerpos receptores, cuando esto sea necesario para cumplir con las obligaciones establecidas en el permiso de descarga correspondiente. Artículo 139 Los permisos de descarga de aguas residuales contendrán: II. Los parámetros, así como las concentraciones y cargas máximas correspondientes, que determinan las condiciones particulares de descarga del permisionario;

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2.3.DISPOSICIÓN EN EL SUELO Por disposición al suelo se entiende la disposición de los Iodos en un relleno sanitario específico o público, o la disposición en el sitio de la planta ya sea en una laguna como líquido, o en el suelo como sólido. Las disposiciones de carácter general se encuentran en la Ley General del Equilibrio Ecológico y 1a Protección al Ambiente y en la Ley de Aguas Nacionales. La Ley General del Equilibrio Ecológico establece en los artículos 136 y 139 los siguientes: Artículo 136 Los residuos que se acumulen o puedan acumularse y se depositen o infiltren en los suelos deberán reunir las condiciones necesarias para prevenir o evitar:

I. La contaminación del suelo; II. Las alteraciones nocivas en el proceso biológico de los suelos; III. Las alteraciones en el suelo que alteren su aprovechamiento, uso o explotación;

y IV. Riesgos y problemas de salud. Artículo 139 Toda descarga, depósito o infiltración de sustancias o materiales contaminantes en los suelos se sujetará a lo que disponga esta Ley, sus disposiciones reglamentarias y las normas técnicas ecológicas que para tal efecto se expidan. Esta Ley establece un control sobre la descarga de los Iodos de las plantas potabilizadoras, sin embargo no existen en los reglamentos de la ley, ni en las normas ecológicas, las regulaciones a que hacen mención los artículos para el caso de Iodos de plantas potabilizadoras. También los operadores de un relleno sanitario puede solicitar la comprobación de que los residuos no son peligrosos cuando se pretenda depositarlos en dicho relleno. Como los Iodos generados pueden ser peligrosos, es conveniente considerar la reglamentación al respecto. Esta está contenida en el Reglamento de la Ley General del Equilibrio Ecológico y la Protección al Ambiente en Materia de Residuos Peligrosos y en las normas correspondientes. El Artículo 4 del reglamento especifica que: Artículo 4 Compete a la Secretaría:

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I. Determinar y publicar en el Diario Oficial de la Federación los listados de residuos peligrosos, así como sus actualizaciones, en los términos de la Ley;

Como los Iodos de plantas potabilizadoras no están incluidos en los listados a que hace referencia el artículo del reglamento, estos no se consideran peligrosos. Sin embargo, si existe la sospecha, en cualquier momento la autoridad puede solicitar que se demuestre que los Iodos de una planta potabilizadora en particular no son peligrosos, mediante las pruebas que establece la Norma oficial mexicana NOM-CRP-001-ECOL/93. Esta norma establece en el artículo 5.5 lo siguiente: Artículo 5.5 Además de los residuos peligrosos comprendidos en las Tablas 1 (anexo 2), 2 (anexo 3), y 3 y 4 (anexo 4), se considerarán peligrosos aquellos que presenten una o más de las siguientes características: corrosividad, reactividad, explosividad; toxicidad, inflamabilidad y/o biológico infecciosas; atendiendo a los siguientes criterios: Cuando se pretenda llevar a cabo la disposición en un relleno sanitario público, los operadores de dicho relleno pueden solicitar la comprobación de que los residuos no son peligrosos, siguiendo la misma metodología establecida en la norma. La Ley de Aguas Nacionales establece por su parte en el artículo 86, ya mencionado, lo siguiente: Artículo 86 "La Comisión" tendrá a su cargo:

VI. Promover o realizar las medidas necesarias para evitar que basura, desechos, materiales y sustancias tóxicas, y Iodos producto de los tratamientos de aguas residuales, contaminen las aguas superficiales o del subsuelo y los bienes que señala el artículo 113; y

Esta disposición no cuenta con normas o reglamentos específicos que normen su aplicación. 2.4.DISPOSICIONES EN MATERIA DE IMPACTO AMBIENTAL De acuerdo al Reglamento de la Ley General del Equilibrio Ecológico y la Protección al Ambiente en Materia de Impacto Ambiental toda obra debe presentar una Manifestación de Impacto Ambiental.

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Esta reglamentación es aplicable a los proyectos de plantas nuevas incluyendo el manejo de los Iodos. Para las plantas existentes que realicen obras nuevas para el manejo de los Iodos, esta reglamentación es aplicable en el caso de que estas obras se lleven a cabo fuera de los límites de la planta potabilizadora, como puede ser un relleno sanitario específico para la disposición de los Iodos, o la aplicación de los mismos al terreno. Los artículos relevantes del citado reglamento son los 4, 5 y 6 los cuales especifican lo siguiente: Artículo 4 En materia de impacto ambiental compete a la Secretaría: Autorizar la realización de las obras o actividades públicas o de particulares a que se refieren los artículos 5 y 36 del Reglamento; Artículo 5 Deberán contar con previa autorización de la Secretaría, en materia de impacto ambiental, las personas físicas o morales que pretendan realizar obras o actividades, públicas o privadas, que puedan causar desequilibrios ecológicos o rebasar los límites y condiciones señalados en los reglamentos y las normas técnicas ecológicas emitidas por la Federación para proteger el ambiente, así como cumplir los requisitos que se les impongan, tratándose de las materias atribuidas a la Federación por los artículos 5 y 29 de la Ley, particularmente los siguientes:

I. Obra pública federal II. Obras hidráulicas

Artículo 6 Para obtener la autorización a que se refiere el artículo 5 del Reglamento, el interesado, en forma previa a la realización de la obra o actividad de que se trate, deberá presentar a la Secretaría una manifestación de impacto ambiental. En el caso de obras o actividades consideradas como altamente riesgosas, además de lo dispuesto en el párrafo anterior, deberá presentarse a la Secretaría un estudio de riesgo en los términos previstos por los ordenamientos que rijan dichas actividades. En atención a lo anterior, la autoridad puede condicionar la autorización para la construcción y operación de una planta potabilizadora, al manejo y disposición de los Iodos.

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3.MANEJO DEL AGUA DE RETROLAVADO DE FILTROS 3.1.OBJETIVO DEL MANEJO El objetivo del manejo del agua de retrolavado es doble; por una parte, reducir el problema de disposición del agua y, por la otra, aprovechar lo mas posible el agua misma, ya que el volumen del agua de retrolavado de filtros alcanza generalmente de 2 a 3% del agua producida en una planta potabilizadora. Para lograr esos objetivos debe tomarse en cuenta la calidad y la cantidad del agua producida, la calidad deseada en el agua que se disponga o se recircule, y el tipo y capacidad de los procesos de tratamiento necesarios para lograr los objetivos. 3.2.CALIDAD Y CANTIDAD DEL AGUA PRODUCIDA Para lograr un manejo adecuado del agua de retrolavado de filtros esta se debe manejar en forma separada de los Iodos de los sedimentadores, es decir, sin llegar a mezclarse. La razón estriba en que el agua de retrolavado tiene una concentración de sólidos de 0.01 a 0.05%, mientras que el lodo de un sedimentador tiene una concentración de 0.5 a 1.5%, por lo que si se mezclan, el agua de retrolavado diluye el lodo de los sedimentadores. Por otra parte el lodo de los sedimentadores contiene microorganismos, quistes de parásitos, compuestos orgánicos y metales pesados, los cuales se han extraído del agua cruda y se han concentrado en el lodo. La calidad del agua de retrolavado depende de la calidad del agua cruda, de la calidad de los productos químicos que se le adicionan al agua y de los procesos de tratamiento. La calidad típica de un agua de retrolavado en una planta de clarificación con sulfato de aluminio como coagulante se presenta a continuación:

Demanda bioquímica de oxígeno, mg/I 2 - 10 Demanda química de oxígeno, mg/I 30 - 50 pH, unidad 6.7 - 7.5 Sólidos suspendidos totales, % 0.01 - 0.05 Turbiedad, UNT 60 - 400 Aluminio disuelto, mg/I 0.03 - 0.2 Aluminio total, mg/I 30 - 80 Manganeso disuelto, mg/l 0.05 - 0.15 Manganeso total, mg/l 10 - 25 Giardia, quiste/l 10 - 170 Criptosporidium, quiste/l 10 - 170

La producción del agua de retrolavado es una función de la calidad del agua cruda que (lega a la planta, del tren de procesos antes de la filtración, y de la eficiencia de estos últimos. La producción de agua será mayor cuando la calidad del agua que llega al filtro obliga a reducir la carrera de los filtros y a aumentar el número de retrolavados.

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El volumen de agua de retrolavado se puede calcular de la siguiente manera:

Vrl = N A (Trl trl + Tls tls) 24/Cf (1) donde:

Vrl: Volumen de retrolavado, m3/día N: Número de filtros A: Área del filtro, m2 Trl: Tasa de retrolavado, m/min trl: Tiempo de retrolavado, min Tls: Tasa de lavado superficial, m/min tls: Tiempo de lavado superficial, min Cf: Carrera del filtro, hora

La producción de agua de la planta está dada por:

P = N A Tf (2) donde:

P: Producción de agua de la planta, m3/día N: Número de filtros A: Área del filtro, m2 Tf: Tasa de filtración, m/día

Las plantas de filtración directa producen en general un volumen mayor de agua de retrolavado que las plantas convencionales. La calidad del agua reciclada debe ser igual o mejor que el agua cruda que (lega a la planta, y la calidad del agua descargada debe cumplir con las condiciones particulares de descarga. 3.3.TIPO Y CAPACIDAD DEL PROCESO DE TRATAMIENTO NECESARIO El proceso de tratamiento del agua de retrolavado, para efectos de su recirculación, es básicamente el mismo de clarificación convencional con desinfección. La mejor eficiencia en la operación se logra si el proceso se opera en forma continua. Como los retrolavados no se presentan espaciados uniformemente a lo largo del día, se requiere de un tanque de balance lo suficientemente grande para lograr ese propósito, y del cual se bombee el agua a la unidad de tratamiento con un caudal uniforme. La capacidad de la unidad de tratamiento del agua de retrolavado se debe basar en la capacidad máxima de producción de agua y en la tasa máxima de reciclaje que puede aceptar la planta. La tasa práctica máxima de reciclaje es de hasta un 15% del caudal de la planta; sin embargo el diseño se debe basar en un tasa de recirculación de 10%, de manera que las cargas hidráulicas sobre las unidades del proceso no se

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incrementen significativamente y no haya necesidad de modificar la dosificación de productos químicos para tomar en cuenta el gasto adicional de la recirculación. El lodo producido en la unidad de tratamiento del agua de retrolavado se debe descargar a la unidad de tratamiento de lodo de la planta para su manejo y disposición final. 3.4.OPCIONES DE TRATAMIENTO Bajo condiciones normales, la materia suspendida en el agua cruda debe estar bien coagulada y floculada antes de la filtración; y en el lecho del filtro se lleva a cabo una floculación efectiva adicional. Por lo tanto, el agua de retrolavado de los filtros contiene partículas que sedimentan bastante bien. En base a las buenas características de sedimentación del agua de retrolavado se tienen dos opciones básicas de tratamiento. Estas opciones son:

• Un tanque o laguna de sedimentación, seguido por desinfección • Una unidad de tratamiento que consiste de floculación, sedimentación y

desinfección En las plantas de ablandamiento se puede realizar la recirculación directa a la entrada de la planta, siempre y cuando esta recirculación sea inmediata. 3.5.TANQUE O LAGUNA DE SEDIMENTACIÓN Este tipo de tratamiento es efectivo, si se cuenta en la planta con espacio suficiente para su construcción y si los intervalos entre los retrolavados están razonablemente espaciados. El tanque debe tener la capacidad para almacenar el agua de por lo menos 5 retrolavados, o se puede usar una serie de tres o más tanques, con una capacidad para el volumen de tres o cuatro retrolavados. Los tanques deben tener una forma alargada, con la entrada en un extremo y la salida en el otro extremo, para evitar cortocircuitos. Adicionalmente esta configuración reduce el efecto de resuspensión del Iodo del fondo por la acción de la entrada del agua al tanque. Esta acción se puede reducir aún más si se construye un disipador de energía en la entrada del tanque. La salida debe diseñarse de manera que funcione como decantador. El tanque debe tener un salida para drenarlo y un vertedor de demasías. El tanque debe tener también una forma de extraer el lodo que se acumule en el fondo del mismo. Finalmente se debe instalar una estación de bombeo para regresar el agua a la entrada de la planta. Esta estación debe tener medios para clorar el agua que se recircule a la entrada de la planta. El tanque puede construirse de concreto o de tierra, como una laguna. En este último caso se deben proteger los taludes del efecto del oleaje. En los tanques construidos de tierra se puede dejar una rampa en uno de los taludes para introducir maquinaria para la extracción del lodo.

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3.6.UNIDAD DE TRATAMIENTO Cuando no se tenga el espacio suficiente para instalar un tanque o laguna de sedimentación, o cuando el agua de retrolavado no se sedimente adecuadamente, deberá instalarse una unidad de tratamiento que consista de floculación, sedimentación y desinfección. Para esta unidad se pueden utilizar clarifloculadores de patente o floculadores y sedimentadores convencionales. Los criterios de diseño para esta unidad son:

Tiempo de operación: durante el día, de 8 a 12 horas por día, (sin rebasar 10% del gasto de la planta)

Reactivos químicos: la dosis que resulte de pruebas de jarras (Se estima de 30 mg/l de sulfato de aluminio, o 2 mg/I de polímero catiónico)

Floculador

Tiempo de retención: 20 minutos Sedimentador (dependiendo del tipo de unidad)

Tiempo de retención: 0.5 a 2.0 horas Carga superficial: 48 a 144 m/hora

Desinfección con cloro

Dosis: 1 a 5 mg/l Tiempo de contacto: 15 a 30 min

Para trabajar con caudal constante la unidad de tratamiento requiere de un tanque de balance del agua de retrolavado. Este tanque debe tener una capacidad para acomodar los volúmenes de retrolavado de 2 a 3 filtros, y un diseño que permita mantener los sólidos en suspensión. Esto se logra con un tanque de preferencia circular o cuadrado, con una entrada de agua tangencial al tanque, que produzca un movimiento de vórtice dentro del tanque. El tanque, debe tener una tolva en el fondo para retener la arena que se fugue del filtro, el cual es muy abrasiva para las bombas, y una salida para purgar el tanque. Deberá preverse también un vertedor de demasías. Las bombas para transferencia del agua a la unidad de tratamiento deben colocarse lo más cerca posible del centro del tanque para evitar acumulación de lodo en el mismo. La capacidad de las bombas depende de la frecuencia de lavado de los filtros. De la misma forma la capacidad de la unidad de tratamiento depende la capacidad de las bombas de recirculación.

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La unidad de tratamiento debe localizarse de preferencia a una elevación mayor que la entrada de la planta de manera que el caudal de recirculación fluya por gravedad; y no haya necesidad de instalar bombas. 3.7.RECIRCULACIÓN DEL AGUA DE RETROLAVADO SIN TRATAMIENTO La recirculación del agua de retrolavado sin tratamiento en plantas de clarificación no es aconsejable por el peligro de recircular microorganismos, quistes, metales pesados y otros compuestos presentes en las partículas en suspensión. En el caso que se decida recircular el agua de retrolavado sin tratamiento, la recirculación se debe hacer a una tasa menor al 10% del caudal de la planta para evitar sobrecargas hidráulicas en las unidades del proceso. La corriente de recirculación debe también desinfectarse. En el caso de plantas de ablandamiento o desferrizadoras de agua subterránea es aconsejable la recirculación directa a tasas menores al 10% del caudal de la planta, una vez que se haya comprobado que no existe el peligro de recirculación de metales pesados. Los tanques de balance requeridos para la recirculación son similares a los mencionados anteriormente.

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4.REDUCCIÓN DE VOLUMEN DE LOS LODOS 4.1.RAZÓN DE LA REDUCCIÓN DE VOLUMEN La reducción del volumen de los Iodos generados en las plantas potabilizadoras es el objetivo principal del tratamiento de los mismos, ya que la reducción de su volumen facilita las operaciones de transporte y de disposición final de los Iodos. Los métodos más usados para la reducción del volumen de los Iodos son los siguientes:

• espesamiento • centrifugación • prensado • secado en lechos de secado • secado en lagunas

4.2.TIPOS DE LODOS Las fuentes de generación de lodo de las plantas potabilizadoras son:

• los pre-sedimentadores de las plantas de clarificación • los sedimentadores de las plantas de clarificación • los sedimentadores de las plantas desferrizadoras • los reactores clarificadores de las plantas de ablandamiento • los sedimentadores de las unidades de tratamiento de agua de retrolavado

Los pre-sedimentadores no se consideran en esta discusión ya que generalmente se consideran cauro parte de las obras de toma de las plantas y no se aplican productos químicos, por lo que los Iodos se disponen en la misma forma que los productos de la limpieza de los canales y drenes. 4.2.1.Lodos de Plantas de Clarificación Como ya se mencionó con anterioridad, en el proceso de clarificación del agua se agregan sales de metales y/o polímeros sintéticos para coagular el material suspendido y producir un agua clara apropiada para ser filtrada. La mayoría de las sustancias coagulantes utilizadas y las impurezas que remueven se depositan en el fondo de los tanques de sedimentación como Iodos, a los cuales se les denomina lodos de sulfato de aluminio, de fierro y/o poliméricos, de acuerdo al coagulante primario que se utilice. Por tanto, los Iodos producidos en las plantas potabilizadoras cuyo objetivo es la clarificación del agua son los siguientes:

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• Lodos de sulfato de aluminio • Lodos de fierro • Lodos poliméricos

4.2.2.Lodos de Plantas de Ablandamiento En las plantas potabilizadoras de ablandamiento los Iodos se originan por la precipitación de las sales insolubles de calcio y magnesio, mediante la adición de hidróxido de calcio y, en algunos casos, bicarbonato de sodio. Estos pueden contener también algún coagulante, como el sulfato de aluminio, que se añade para mejorar la sedimentación de las partículas. Los Iodos de las plantas potabilizadoras de ablandamiento del agua son: • Lodos de ablandamiento (precipitados de calcio y magnesio, principalmente) 4.2.3.Lodos de Plantas Desferrizadoras El objetivo de este tipo de plantas es la oxidación y precipitación de los compuestos de fierro y manganeso mediante la aeración o mediante la adición de compuestos oxidantes. Las corrientes de residuos incluye los Iodos del clarificador y el agua de lavado de filtros. Cuando el diseño de la planta no incluye clarificador la única corriente proviene del agua de lavado de los filtros. Las corrientes de residuos de este tipo de plantas son similares a las que se tienen en una planta clarificadora que utilice una sal de fierro para la coagulación. • Lodos de fierro y manganeso 4.3.CANTIDAD DE LODOS GENERADOS La cantidad de Iodos producidos en las plantas potabilizadoras depende de la calidad del agua cruda, la dosis de productos químicos, la eficiencia de remoción de los procesos de tratamiento y del método de remoción de Iodos. Existen tres métodos principales para estimar las cantidades de todo, aunque ninguno es totalmente exacto y es por tanto necesario usar los tres para hacer una revisión cruzada. Estos métodos son: cálculo de la producción de Iodos, análisis del balance de masa de los coagulantes, y medición en el campo. 4.3.1.Plantas de Clarificación 4.3.1.1.Cálculo de la Producción de Lodo La cantidad de lodo de sulfato de aluminio o de sales de fierro se puede calcular con bastante precisión considerando las reacciones del sulfato de aluminio o de las sales

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de fierro en el proceso de coagulación. Como las mediciones rutinarias de la materia en suspensión se hacen mediante la turbiedad, la contribución de la turbiedad a los Iodos se calcula utilizando una relación empírica particular para cada planta. La contribución de otras fuentes se puede agregar según se requiera. Cuando se añade sulfato de aluminio al agua, la reacción se representa típicamente de acuerdo a la ecuación simplificada:

AI2(S04)3.14H20 + 6HC03 2Al(OH)3 + 6C02 + 14H20 + 3S04 (3) Cuando se logra el equilibrio, el hidróxido de aluminio será el producto predominante. Sin embargo, el equilibrio no se logra normalmente y se forma un compuesto complejo polimerizado, que contiene en promedio 3 0 4 moléculas de agua unidas al hidróxido de aluminio, el cual precipita. El agua unida al complejo incrementa la cantidad de lodo, aumenta el volumen del lodo y lo hace más difícil de desaguar, ya que las moléculas de agua unidas químicamente no se pueden remover mediante los métodos mecánicos normales. La especie resultante de hidróxido de aluminio tiene un peso molecular de 132 y 1 mg/I de sulfato de aluminio agregado al agua producirá aproximadamente 0.44 mg/I de sólidos inorgánicos de aluminio. Los sólidos suspendidos presentes en el agua cruda producen un peso equivalente de sólidos en el lodo, ya que no reaccionan. Se puede suponer que otros aditivos, tales como los polímeros o el carbón activado en polvo, producen lodo en la misma cantidad añadida. La cantidad de lodo producido en una planta de coagulación con sulfato de aluminio para la remoción e turbiedad es por lo tanto:

S = 86.4 Q (0.44 Al + SS + A) (4) donde:

S = Iodo producido, kg/día, base seca Q= gasto, m3/seg. Al = dosis de sulfato de aluminio como AI203 al 17.1 %, mg/I SS = sólidos suspendidos del agua cruda, mg/I A = productos químicos adicionales agregados tales como polímero, arcilla carbón activado, mg/l

Si se utiliza una sal de fierro como coagulante la ecuación es:

S = 86.4 Q (2.9 Fe + SS + A) (5) Fe dosis de ion férrico, mg/l. La relación entre turbiedad y sólidos suspendidos se debe determinar para cada agua cruda en particular. Para agua con turbiedad y bajo color la relación de sólidos suspendidos a turbiedad varía de 0.7 a 2.2 veces la turbiedad. Esta relación puede variar estacionalmente en la misma fuente de abastecimiento. La correlación se debe obtener mediante muestras semanales. Una vez establecida se debe revisar por lo menos cada mes. Como los sólidos considerados se deben remover en la coagulación y sedimentación, la determinación de los sólidos suspendidos debe hacerse utilizando papel filtro de 0.45 μm. Como en

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algunas aguas la concentración de sólidos es muy baja (< 5 mg/I) para obtener un valor adecuado se debe tomar muestras de varios litros de agua. Cuando el agua cruda tiene color en cantidades significativas, este puede contribuir a la producción de Iodos. Sin embargo en la mayoría de las aguas el color pasa por los filtros de 0.45 μm y no se puede medir en la prueba de sólidos suspendidos. Por esta razón la relación sólidos-turbiedad en aguas con color puede llegar a 20, además, a no ser que la turbiedad y el color varíen juntos, no se podrá obtener una correlación entre turbiedad y sólidos. 4.3.1.2.Análisis del Balance de Masa de Coagulante Este método se basa en la conservación de la masa de coagulante; esto es, lo que se añada en el proceso de coagulación aparecerá en el lodo, en el agua de retrolavado o en el agua tratada. El primer paso es el análisis del metal (aluminio o fierro) en el coagulante empleado. Como una aproximación se puede suponer que el sulfato de aluminio tiene una concentración de 9.1% de aluminio. Como los coagulantes a base de fierro varían mucho, la concentración de fierro se debe obtener del fabricante. En este método se colectan un número de muestras de lodo, agua de retrolavado y agua tratada y se les determina la concentración del metal (aluminio o fierro). El pH de las muestras se baja a 1 y mantiene durante 10 a 15 minutos. La muestra se filtra y se determina la concentración del metal. Este método tiende a solubilizar el hidróxido de aluminio pero no solubiliza el aluminio presente en las arcillas. A una segunda muestra alícuota de todo sin acidificar se le determinan los sólidos suspendidos. La cantidad de lodo se calcula haciendo un balance de masa del metal del coagulante.

Cmac Vac + Cmc Vc = CmI Vi + Cmr1 Vrl + Cmat Vat (6) donde:

Cmac = Concentración de metal en el agua cruda, mg/I Vac = Volumen de agua cruda, m3/día Cmc = Concentración de metal en el coagulante, mg/I VC = Volumen de coagulante, m3/día Cml = Concentración de metal en el lodo, mg/I ̀ V,= Volumen de lodo, m3/día Cmr1 = Concentración de metal en el agua de retrolavado, mg/I Vr, = Volumen de agua de retrolavado, m3/día Cmat = Concentración de metal en el agua tratada, mg/I Vat = Volumen de agua tratada, m3/día

De este balance se obtiene el volumen del lodo. La masa de lodo se obtiene de la medición de los sólidos en suspensión en el lodo.

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4.3.1.3.Determinación de Campo Comparado con los otros métodos, este es probablemente el que resulta más difícil de obtener resultados precisos, a no ser que la planta potabilizadora tenga equipo de recolección continua de lodo con un sistema de monitoreo. Para llevar a cabo una estimación por el método de campo los tanques de sedimentación deben limpiarse. Se fija un periodo de tiempo para que el lodo se colecte en los tanques. Se obtienen varias muestras de la sección transversal de lodo del tanque mediante un tubo de acrílico transparente con una válvula de pie, en distintos puntos del tanque y se determina la concentración de sólidos suspendidos. Con esta información se puede hacer una estimación de la producción de lodo de la planta. Sin embargo se recomienda que este método se complemente con cualquiera de los dos métodos mencionados anteriormente. 4.3.2.Plantas de Ablandamiento. Para plantas de ablandamiento la producción de Iodos se puede calcular utilizando la siguiente ecuación:

S = 86.4 Q (FCa Ca + FMg Mg + 0.44 Al + 2.9 Fe + SS + A) (7) donde:

S = producción de lodo, kg/día Q = gasto, m3/seg. Ca = dureza de calcio como CaC03 removida, mg/I Mg = dureza de magnesio como CaCO3 removida, mg/I Fe = dosis de fierro como Fe, mg/l Al = dosis de sulfato de aluminio como Al203 al 17.1 %, mg/I SS = sólidos suspendidos del agua cruda, mg/l A = otros productos añadidos, mg/I

Valores de los factores Fca y Fmg Producto químico Dureza carbonatada Dureza no carbonatada

Fca Fmg Fca Fmg Cal y carbonato 2.0 2.6 1.0 1.6 Hidróxido de sodio 1.0 0.6 1.0 0.6 4.3.3.Plantas de Remoción de Fierro y Manganeso Los Iodos producidos en las plantas diseñadas únicamente para la remoción de fierro son similares, a excepción hecha de los sólidos de la turbiedad, a los producidos en plantas de clarificación con sales de fierro, ya que en ambas se produce un flóculo de hidróxido férrico. Estas plantas incluyen la aeración y/o la adición de cloro o permanganato de potasio para la oxidación del fierro, seguido por la filtración. El peso seco del lodo producido es una función directa del fierro removido:

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2 Fe + 1/2 O2 + 11 H2O → 2 Fe(OH)3 3H2O + 4 H (8) Cada mg/I de Fe removido produce 2.9 mg de sólidos. De igual manera que en el caso del fierro, el peso seco del lodo producido en la oxidación de manganeso se puede calcular a partir de:

2 Mn + O2 = 2 MnO2 (9) Cada mg/I de Mn removido produce 1.58 mg de sólidos. Los flujos y concentraciones son similares a los obtenidos en los filtros de las plantas con proceso de coagulación.

S= 86.4 q (2.9 Fe + 1.58 Mn + SS +A) (10) donde:

S = Iodo producido, kg/día Q = gasto, m3/seg. Fe = concentración de Fe removido, mg/I Mn = concentración de Mn removido, mg/I SS = sólidos suspendidos del agua cruda, mg/I

A = productos químicos adicionales agregados tales como polímero, mg/I 4.4.VOLUMEN DE LOS LODOS Los volúmenes y la concentración de sólidos en suspensión de los Iodos que salen de los tanques de sedimentación o clarificadores son una función de la calidad del agua cruda, tratamiento y del método de remoción de lodo. Por su parte, los de retrolavado de filtros son función de la eficiencia de la coagulación y sedimentación, y de la operación del mismo filtro. Las ecuaciones y procedimientos anteriores permiten la estimación del peso seco de lodo producido, pero en general no permiten la estimación de su volumen, dato muy importante para fines de diseño y de operación de la planta. Los Iodos a los cuales se les permite concentrarse en los tanques, tienden a compactarse y espesarse en el fondo de los mismos, dando lugar generalmente a una estratificación no bien definida de sólidos, con las partículas más pesadas en el fondo y las más ligeras en la parte superior. (Esta es una de las razones por las cuales es difícil obtener muestras representativas de lodo de un tanque). Sin embargo, la concentración real producida depende de la cantidad de agua usada para empujar los sólidos hacia afuera del tanque durante la operación de extracción. La concentración de sólidos producidos con coagulantes de aluminio o fierro, y para turbiedad de bajas a moderadas, será de 0.1 a 1.0%. En general, entre más alta sea la relación entre la dosis de coagulante y la concentración de sólidos del agua cruda, menor será la concentración de sólidos y mayor el volumen de lodo. La concentración de sólidos en los Iodos de coagulación

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de aguas con alta turbiedad se encuentra en el ámbito de 2 a 4%, y ocasionalmente más alta. Los volúmenes de lodo se encuentran entre el 0.1 y 3% del gasto de agua cruda, con un promedio de alrededor de 0.6%. Los Iodos de ablandamiento están más concentrados, usualmente como una función de la relación CaCO3/Mg(OH)2 y el tipo de clarificador. Los tanques de sedimentación convencionales solo producen concentraciones de sólidos de 2 a 4%, mientras que los clarificadores de manto de Iodos producen concentraciones de sólidos de hasta 15%. Los volúmenes de lodo varían en la misma forma, de 0.5 a 5% del gasto total de la planta. 4.5.CARACTERÍSTICAS DE LOS LODOS Las características de los Iodos de plantas potabilizadoras varían en función de la calidad del agua, del tipo de proceso empleado, del tipo y cantidad de coagulante empleado, y del resto de los compuestos químicos utilizados para el tratamiento. La caracterización de Iodos de sulfato de aluminio puede ubicarse en los siguientes valores de orden:

Demanda bioquímica de oxígeno, mg/l 30 a 300 Demanda química de oxígeno, mg/l 30 a 5,000 pH, unidades 6 a 8 Sólidos totales, % 0.1 a 4 Óxido de aluminio, % 15 a 40 Sílice e inertes, % 35 a 70 Materia orgánica, % 15 a 25 Aluminio disuelto, mg/l 0.024 a 0.450 Aluminio total, mg/l 808.3 a 2,567 Manganeso disuelto, mg/l 1.66 a 7.28 Manganeso total, mg/l 46.5 a 73.9 Fierro total, mg/I 100 a 222 Fierro disuelto, mg/l 3.5 a 6.47 Carbón orgánico total, mg/l 22.9 a 245 Giardia, quiste/l 52.84 a 67.1 Cryptosporidium, quiste/I 26.42 a 38.4

Un ejemplo de la concentración de metales en estos Iodos es:

Metal mg/I mg/kg, base seca Aluminio 850 170,000 Bario < 1.0 Cadmio < 0.01 Cobalto 0.08 16 Cobre 0.45 90

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Cromo 0.35 70 Fierro 33 62,400 Magnesio 12 2,360 Manganeso 0.34 68 Plata <0.01 Plomo 0.50 100 Zinc 0.11 22

La alta concentración de fierro se debe a las impurezas del sulfato de aluminio que se utiliza como coagulante. Los Iodos típicos de ablandamiento tienen las siguientes características:

Carbonato de calcio, % 85 a 93 Hidróxido de calcio, % 0 a 1 Hidróxido de magnesio, % 0.5 a 8 Sílice e inertes, % 2 a 5

4.6.ESPESADO DE LODOS El espesamiento consiste en la remoción de exceso de agua de los Iodos mediante la decantación y concentración de los Iodos por sedimentación. El agua decantada se envía a la unidad de tratamiento de agua de recirculación y los Iodos espesados a disposición o a otros procesos de secado. El espesamiento de los Iodos se puede lograr en tanques equipados para ese propósito o en lagunas. 4.6.1.Tanques Espesadores El diseño más común de espesador por gravedad es un tanque circular (Figura 4.1 y 4.2) con una profundidad de pared mojada de 3 a 4 metros, y diámetro hasta de 25 m; equipados con mecanismos para facilitar el desaguado y la remoción de los Iodos. La pendiente del piso de estos tanques, normalmente de 2:12 a 3:12, son más pronunciadas que las de los tanques normales de sedimentación. Esta mayor pendiente hace más profunda la capa de Iodos en la parte central del tanque, permite un tiempo mínimo de retención, maximiza la profundidad del lodo sobre el tubo de extracción .y facilita la operación de las rastras. Los mecanismos de espesamiento por gravedad los proporcionan una estructura de varillas, que se mueve en la masa de lodo para ayudar a liberar el agua retenida. El diseño puede variar, dependiendo de la naturaleza de los sólidos que se tienen que manejar. Esta estructura móvil también soporta un sistema de rastras para la remoción de los Iodos concentrados. En ciertos casos, particularmente cuando se maneja Iodos de cal, se utilizan mecanismos con bisagra para que las rastras puedan ceder cuando el torque excede un determinado límite; la máquina continúa funcionando con las rastras levantadas hasta que la condición del torque se reduce. El diseño de la tubería de extracción de Iodos es crítica para los espesadores por gravedad. Debido a las altas pérdidas de carga hidráulica, hay que proporcionar la

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menor longitud posible de línea de succión. Si se anticipan condiciones excesivas de taponamiento, especialmente con Iodos de cal, es necesario instalar líneas dobles de extracción. Esto proporciona una operación normal mientras se limpia la línea que está tapada. El parámetro de diseño crítico para los espesadores por gravedad es la carga, en términos del peso total de sólidos por unidad de superficie y por unidad de tiempo. El segundo parámetro considerado en el diseño de espesadores por gravedad es la tasa superficial. La tasa superficial es importante debido a que una carga alta puede ocasionar el arrastre de sólidos en el agua decantada. Para el diseño de los tanques espesadores es deseable llevar a cabo pruebas de laboratorio o piloto para obtener los datos de diseño. En el anexo 2 se presenta una metodología para llevar a cabo estas pruebas. Cuando no se cuenta con resultados de pruebas de laboratorio, los espesadores también pueden diseñarse en base a los resultados de otras plantas. Los valores más usados son: Lodos de hidróxido (aluminio y fierro)

Carga superficial 4 a 8 m/día Carga de sólidos 15 a 25 kg/m2/día Dosis de polímero 0.5 a 2 mg/I de polímero catiónico Concentración resultante 2 a 5 %

Lodos de ablandamiento

Carga de sólidos 100 a 200 kg/m2/día Concentración resultante 15 a 30 %

4.6.2.Lagunas para espesamiento Las lagunas de espesamiento se utilizan cuando existe área suficiente en el predio de la planta. En estas lagunas se depositan los Iodos y se decanta el sobrenadante a medida que se vaya espesando el lodo. Las lagunas se pueden diseñar para funcionar como lechos de secado una vez que se alcanza el nivel de lodo de diseño. Los valores usados para el diseño de estas lagunas son: Lodos de hidróxido (aluminio y fierro)

Carga de sólidos 40 a 80 kg/m2 Tiempo de retención 2 a 3 meses Concentración resultante 5 %

Lodos de ablandamiento

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Carga de sólidos 40 a 80 kg/m2 Tiempo de retención 2 a 3 meses Concentración resultante 30

4.7.ACONDICIONAMIENTO DEL LODO El acondicionamiento de Iodos de plantas potabilizadoras se refiere a la variedad de técnicas, químicas y físicas, utilizadas para alterar las características del Iodo, de manera de hacer más eficiente la remoción subsecuente del agua. No existe una práctica de acondicionamiento única y ampliamente aceptada para un tipo dado de lodo, ya que un agente acondicionante que trabaja bien en una planta puede no trabajar en otra similar, y es necesario realizar pruebas de laboratorio. Las propiedades del Iodo utilizadas para evaluar la efectividad de los agentes acondicionantes incluyen la resistencia específica, el coeficiente de compresibilidad, el rendimiento y el tiempo de succión capilar. La descripción de estas pruebas se muestra en el Anexo 1. El acondicionamiento de Iodos de planta potabilizadora es aplicable generalmente solo a Iodos de hidróxido. Los Iodos de clarificadores de ablandamiento con cal son más fáciles de desaguar y rara vez se usan agentes acondicionadores. Para los Iodos de hidróxido los agentes acondicionadores se necesitan, ya sea para asistir en los procesos de remoción de agua o para afectar la compresibilidad y minimizar el taponamiento del medio, como es el caso en la operación de los filtros prensa. Cuando el acondicionamiento se usa para la separación agua/sólidos, se utilizan los polímeros. Cuando el objetivo del acondicionamiento es prevenir el taponamiento del medio, se ha utilizado tradicionalmente a la cal aún cuando recientemente se han usado polímeros para ese propósito. Algunos de los tipos comunes de polímeros que se usan para el acondicionamiento de lodo se muestran en la Figura 4.3. Estos polímeros varían en su composición estructural, peso molecular y densidad de carga. Para la mayoría de tos polímeros catiónicos la densidad de carga es cerca del 100% y el peso molecular es generalmente menor que el de los polímeros aniónicos o no iónicos. Los polímeros aniónicos varían tanto en densidad de carga como en peso molecular. Los polímeros no iónicos no tienen densidad de carga y tienen altos pesos moleculares. Como una generalización amplia, para acondicionamiento de lodo de hidróxido, se puede establecer que entre más grande sea el peso molecular del polímero, unido a una cadena larga de carbón, menor es la dosis requerida para el acondicionamiento. El peso molecular puede ser más importante que el tipo de carga o la densidad. La adición de polímero ha sido útil, y de hecho casi requerida, para el desaguado de los Iodos de hidróxido ya sea por medios no mecánicos, tales como lechos de secado de arena, o métodos mecánicos como las centrífugas, los filtros de banda y los filtros a presión. Parece que el mecanismo primario de trabajo del polímero es de puenteo entre las partículas, lo que hace que los polímeros formen una matriz porosa

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que permite que el agua se decante o drene. Se ha postulado que el polímero no altera la estructura química de las partículas mismas de hidróxido. Cuando por primera vez se pretende el uso de polímero, se requieren una serie de pruebas de pre-selección. Generalmente los fabricantes de polímeros proporcionan gratis, o venden muy baratos, muestras de los polímeros que ellos piensan son adecuados para una aplicación en particular. Con un poco de práctica y experiencia es posible pre-seleccionar visualmente varios polímeros, cuya efectividad se prueba añadiendo dosis cada vez mayores a vasos de precipitado que contengan lodo y observando los flóculos que se forman. Para determinar las dosis comparativas y resultados cuantitativos, se recomiendan las pruebas del tiempo de succión capilar y la de la resistencia específica. Si se cuenta con equipo de TSC, como el que se muestra en el Anexo 1, el procedimiento es mucho más rápido. Una vez que se han seleccionado el polímero y la dosis óptima, la práctica común es hacer un concurso para el suministro y obtener así el menor precio. Aún si se especifica el polímero a usar, varios fabricantes podrán proponer lo que ellos consideran es un producto similar, por lo que es recomendable que los documentos de concurso especifiquen precio contra rendimiento, ya que un polímero dado puede costar el doble pero logra el acondicionamiento óptimo con un tercio de la dosis. Los precios deben basarse en el monto requerido para lograr una condición específica de prueba. Las propuestas se deben basar en cantidades y costos con garantías apropiadas, e incluir una demostración del desempeño del producto por parte del fabricante.

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Figura 4.1 Vista transversal de un espesador por gravedad circular típico

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Figura 4.2 Perfil de concentración típico para lodo de origen químico en un esperador por gravedad operado

continuamente

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Figura 4.3 Monómeros y Polímetros típicos para el acondicionamiento de lodo

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4.8.DESAGUADO DE LODO Como se indicó anteriormente, el objetivo general de los diferentes métodos de desaguado del lodo es el de reducir su volumen y producir un material que sea apropiado para su disposición final o su recuperación. Las concentraciones de sólidos en fas tortas de lodo producidas por los diferentes procedimientos se presentan a continuación: Procedimiento Concentración de sólidos en %

Lodo de Lodo de ablandamiento hidróxido

Métodos naturales: Lechos de secado 50 20 a 35 Lagunas de espesamiento y secado 50 a 60 20 a 35 Métodos mecánicos Espesadores mecánicos 15 a 30 2 a 5 Centrífuga de canasta 10 a 15 Centrífuga de tazón sólido 55 a 65 10 a 15 Prensa de filtro de banda 10 a 15 Filtro de vacío 45 a 65 Filtro prensa 55 a 70 35 a 45 La manejabilidad del lodo depende de su consistencia, y esta a su vez del contenido de sólidos del lodo. En general manejable por equipo mecánico cuando tiene la consistencia de una torta. La consistencia del lodo en función del contenido de sólidos se expresa como: Contenido de sólidos Consistencia del lodo (% de sólidos) de aluminio Lodo de sulfato Lodo de ablandamiento

0 a 10 Líquido Líquido 10 a 15 Líquido viscoso Líquido viscoso 15 a 20 Pastoso Pastoso 20 a 25 Semisólido Pastoso a semisólido 25 a 30 Sólido suave Sólido suave 30 a 35 Torta desmoronable Torta desmoronable

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4.8.1.Métodos Naturales El desaguado natural de lodos es uno de los primeros métodos alternativos para reducir el contenido de agua de Iodos antes de disposición final; incluye el uso de lechos de secado y las lagunas de espesamiento y secado. El costo y disponibilidad de terreno, los impactos estéticos de grandes áreas de lechos, y la gran cantidad de mano de obra requerida para remover el lodo, son factores que obstaculizan el uso de procesos naturales en muchas plantas grandes. Los costos de energía, sin embargo, son los más bajos, y estos procesos han sido eficientados mediante mejores métodos de remoción de Iodos, uso de polímeros y otras consideraciones de diseñó, 4.8.1.1.Lechos de Secado Los lechos de secado operan bajo el principio simple de extender el lodo y dejarlo secar. Una gran cantidad del agua se remueve por drenado o decantación y el resto del agua debe evaporarse antes de que se alcance la concentración final deseada de sólidos.

1) Los lechos de secado se pueden agrupar en cuatro tipos: 2) Lechos rectangulares convencionales (Figura 4.4 y 4.5), con una capa de

arena sobre grava, y con tuberías de drenaje subterráneas para recoger el agua. Se construyen con o sin instalaciones para la remoción mecánica de! Iodo seco, y con o sin cubierta

3) Lechos de secado pavimentados, con una faja central de arena para drenado y con o sin cubierta

4) Lechos con malla de alambre, los cuales tienen un fondo de malla de alambre e instalaciones para inundarlos con una capa poco profunda de agua, seguida de la introducción del lodo líquido sobre la capa de agua.

5) Lechos rectangulares de vacío, con instalaciones para la aplicación de vacío a fin de acelerar el drenado por gravedad

La remoción de agua del lodo por drenaje es un proceso de dos pasos: primero, el agua se drena del lodo, a través de la arena y sale por los tubos de drenaje, paso que puede durar algunos días hasta que la arena se tapona con las partículas finas o toda el agua libre se ha drenado; segundo, el drenado adicional por decantación, que puede ocurrir una vez que una capa de sobrenadante se ha formado (si los lechos tienen medios de remover el agua superficial). La decantación puede ser particularmente importante para la remoción de agua de lluvia en iodos que no se agrietan; si la lluvia no se remueve se puede acumular en la superficie y hace más lento el proceso de secado. El agua que permanece después del drenaje y decantado inicial se elimina por evaporación.

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Figura 4.4 Lecho de secado de arena típico

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Figura 4.5 Plano y corte de un lecho de secado típico (a) Plano, (b) Corte A-A

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Los medios que se utilizan para remover la torta dé lodo del lecho, controlan el espesor de lodo a aplicar, y este a su vez determina el espesor de la torta, secada al grado de contenido de humedad que permita la remoción más económica del lodo. El espesor del lodo aplicado también afecta el número de aplicaciones por año. Los costos de operación de los lechos de secado están relacionados con el método de remoción del lodo del lecho, mano de obra, equipo y pérdida y reposición de la arena. La operación más económica de un lecho será la del método que minimiza el número de aplicaciones por año y el número de veces que se limpia el lecho, a la vez que se obtiene el espesor y el contenido de humedad óptimos en la torta de lodo seco que es más económica de remover y ocasiona la menor pérdida de arena. Consideraciones de Diseño El diseño de un lecho de secado con arena es una función de:

1) el tipo de lodo que se va a desaguar, 2) la concentración de sólidos del lodo, 3) el espesor del lodo a aplicar, 4) la cantidad de agua a remover por decantación y drenaje, 5) la tasa de evaporación, la cual es afectada por diversos factores ambientales, 6) el método de remoción del lodo, y 7) el método de disposición final que se vaya a usar.

Todos estos factores deben de ser considerados con el objeto de determinar la carga óptima de diseño para una localidad dada. Como la mayoría de los factores son específicos para un sitio, la determinación de la carga de diseño del lecho tiene que tomar en consideración diferencias locales. Características del lodo.- El tipo de lodo que se va a desaguar puede afectar significativamente los requerimientos de área para los lechos de secado con arena. Los Iodos de ablandamiento se desaguan más fácilmente en lechos de secado que los de sulfato de aluminio; además, los Iodos de sulfato de aluminio tienen características de desaguado diferentes de un sitio a otro. El tratamiento químico con ácidos y polímeros puede afectar las características de desaguado de los Iodos de sulfato de aluminio y reducir los requerimientos de área para los lechos. La facilidad con que se desaguan los Iodos de ablandamiento en los lechos de secado, depende del contenido de magnesio de los mismos, siendo menor a medida que el contenido de magnesio aumenta. Concentración de sólidos.- La concentración inicial de sólidos es uno de los factores más importantes para determinar el tamaño de los lechos de secado con arena. Se ha demostrado que para Iodos de sulfato de aluminio, con o sin tratamiento de polímero, el tamaño de los lechos depende de la concentración de sólidos

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suspendidos aplicada. En los Iodos tratados con polímero, una concentración alta de sólidos se asocia generalmente con menores requerimientos dé área de los lechos. Espesor.- Existen muchas recomendaciones relativas al mejor espesor para aplicar lodo líquido a los lechos de secado con arena. En el caso de los Iodos de sulfato de aluminio tratados con polímero, el dimensionamiento de los lechos es relativamente independiente del espesor de aplicación. Las consideraciones de diseño para el espesor de aplicación serán por lo tanto el espesor de la torta seca que sea óptima para el método de remoción y el número de limpiezas de lecho por año. Para una concentración de lodo dada, si la aplicación es relativamente poco profunda, el lodo se seca más rápido pero se tendrá tan poca torta que se requerirá mayor mano de obra por remover una unidad de volumen, que si el espesor de aplicación fuera más profundo. Las aplicaciones más frecuentes pueden causar un incremento en la pérdida de arena como resultado del proceso de remoción. Cuando el lodo húmedo se aplica a los lechos, a mayor espesor se requiere un tiempo mayor para el secado, pero la torta más gruesa se puede remover más económicamente. Decantado y Drenaje.- Una porción significativa de la cantidad total de agua que se va a remover del lodo en el lecho de secado con arena, se remueve por decantación y drenaje. El parámetro de la mayor importancia con respecto al drenaje no es la tasa de drenaje sino el porcentaje de agua total que se decanta y drena. La decantación puede ser muy útil cuando se usan polímeros para mejorar el desaguado del lodo o para remover el agua de lluvia durante el ciclo de secado. Esto es particularmente significativo desde el punto de vista del desaguado, ya que el tiempo requerido para la evaporación se considera más largo que el requerido para la decantación y el drenaje. Por lo tanto el tiempo total que el lodo debe permanecer en el lecho está controlado por la cantidad de agua que se debe remover por evaporación. Como resultado la cantidad de agua que se puede remover por el drenaje y la decantación debe maximizarse. Constituyentes Inorgánicos y Orgánicos.- La calidad del agua cruda afecta significativamente las características del lodo, y algunos de los constituyentes inorgánicos, tales como el aluminio, fierro y manganeso, pueden influenciar la toma de decisiones acerca de la recirculación del líquido decantado y drenado de los lechos de arena. Se le debe dar una consideración adecuada a los impactos operacionales provocados por la recirculación de estos constituyentes, los cuales se pueden, lixiviar de los lodos. Asimismo las concentraciones elevadas de compuestos orgánicos pesados pueden causar problemas de sabores y olores, si se recicla el filtrado; la recirculación puede causar también un incremento en la producción de compuestos orgánicos clorados. Clima.- Las condiciones climáticas regionales tienen un efecto importante en el desaguado de lodo en lechos de secado. El tiempo de secado es menor en regiones con' mucho sol, baja precipitación, y baja humedad. Las localidades donde los veranos son más largos, y las regiones áridas donde la humedad es baja, son más favorables para lechos de secado. Por otra parte la alta precipitación y alta humedad

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tienen un efecto significativo en los tiempos de secado. La prevalencia y velocidad del viento son factores que afectan la tasa de evaporación en los lechos de secado. En las áreas con alta precipitación se pueden tener problemas con los lechos de secado; sin embargo si se toman providencias para decantar el agua de lluvia y se usan polímeros, los lechos de secado pueden ser efectivos si están bien diseñados. Carga de Iodos.- La carga de Iodos es un término usado para el diseño de lechos de secado, y se expresa usualmente en kg de lodo seco aplicado inicialmente por m2 de área de lecho. Se determina en base a los sólidos suspendidos y al espesor de aplicación:

lA (kg/m2) = 10 (%SS aplicados) (m de espesor de aplicación) (11) Esta carga es generalmente de entre 10 a 15 kg/m2; sin embargo, la cantidad de lodo que se puede procesar en un área dada depende de la concentración de sólidos aplicada, por lo que la carga, por sí misma, no debe usarse como un parámetro de diseño. Bases de Diseño.- Como con otros métodos de manejo de lodos, el diseño de los lechos de secado de lodo se puede basar en la experiencia o en escalamiento de pruebas de laboratorio. Los criterios de diseño más aceptados actualmente se basan en datos empíricos. Las relaciones se basan en los dos mecanismos de pérdida de agua, drenaje y evaporación, en términos útiles para el diseño y la operación de los lechos de secado. El término de drenaje incluye también el agua que se decanta de los lechos. Esta pérdida de agua ocurre generalmente durante los primeros dos días. El resto del agua se pierde por evaporación. El espesor deseado del Iodo al tiempo de la remoción depende en primer lugar de:

1) el contenido de sólidos deseado para la disposición final, o 2) el espesor o concentración de sólidos requeridos para la remoción eficiente.

El espesor final D(f), el cual es una función de la carga inicial, lA, y el contenido de sólidos deseado, DS(f), para la remoción se determina por

f) = D(i) DS(i) (12) DS(f)

El cambio en el espesor, DD, se determina restando el espesor final, D(f), del espesor inicial, D(i)

DD = D(i) - D(f) (13)

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La pérdida de humedad hacia el sistema de drenaje y en la decantación se refleja en un cambio rápido del espesor del lodo, DD(u), inmediatamente después de la aplicación del lodo al lecho. La pérdida de humedad hacia el sistema de drenaje depende del tipo y espesor del lodo aplicado así como del contenido de sólidos. Cualquier agua decantada del lecho deberá incluirse en DD(u). Adicionalmente, el acondicionamiento con polímero del lodo pueden tener un impacto significativo en el porcentaje de humedad perdido como drenaje y decantado. El cambio en el espesor, DD(u), debido a la pérdida de agua se puede calcular mediante:

DD(u) = D(i) x P (14) si se puede llegar a determinar un porcentaje de pérdida (P) por drenaje y decantación. El resto del cambio en el espesor se debe a la evaporación:

DD(e) = DD - DD(u) (15) El tiempo, T, requerido para la evaporación depende de la tasa de evaporación, E. La evaporación y los cambios resultantes en el espesor pueden no ser lineales debido a las características del lodo antes y después de la formación de fracturas en la superficie. Como las tasas de evaporación tienen variaciones estacionales, la evaporación anual promedio se puede usar para modelar el rendimiento promedio de los lechos de secado con arena. El tiempo necesario para que se seque el lodo, sin tomar en cuenta los dos días de drenaje y secado está dado por:

T = DD(e) (16) El número de aplicaciones, AA, a cada lecho, que se puede lograr en un año, es por lo tanto dependiente del tiempo de evaporación

AA = 12 / T (17) Finalmente el rendimiento del lecho, Y, en kg/m2/año es una función del lodo aplicado y del número de aplicaciones por año.

Y= LA x AA (18) Para determinar la carga de sólidos con un porcentaje de sólidos dado y espesor de lodo aplicado usando estas ecuaciones, se requiere una estimación precisa de las tasas de evaporación. Elementos Estructurales de los Lechos Convencionales. Cada lecho normalmente está diseñado para contener, en una o más secciones, el volumen completo de lodo a ser removido. Los elementos estructurales del lecho incluyen las paredes laterales, bajo drenes, capas de arena y grava, particiones, decantadores, canal de distribución de lodo, rampas y pasillos, y posiblemente cubiertas.

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PAREDES LATERALES. Las paredes verticales deberán tener un bordo libre de 0.5 a 0.9 metros sobre la arena. Las paredes pueden ser de tierra con pasto; tablones de madera, preferentemente tratados para evitar pudrición: concreto reforzado o bloques de concreto colocadas alrededor de los extremos de la superficie de arena y extendidos hacia el bajo dren de grava, de manera de evitar la penetración de hierbas y pasto. BAJO DRENES. Los bajo drenes, constituidos por tuberías laterales y tubería principal o colectora, generalmente se construyen de tubería perforada de plástico, concreto o barro vitrificado. La tubería principal deberá tener no menos de 100 mm dé diámetro y una pendiente mínima de 1%. La separación entre las tuberías principales deberá ser entre 2.5 a 6 m y deberá tomar en cuenta el tipo de vehículos utilizados para remover el lodo, de tal manera que se evite dañar el bajo dren. Las tuberías laterales tienen pendiente y alimentara la tubería principal. Deberán tener una separación de 2.5 a 3 m, con la distancia menor preferida. El área alrededor del sistema de bajo dren deberá estar rellenada con grava y se deberá evitar dañar o sacar de posición la tubería. Se deberá excluir el uso de equipo pesado en los lechos después de haber colocado el bajo dren, a menos que el diseño lo permita. El fondo del lecho deberá estar revestido para evitar la contaminación del acuífero. CAPA DE GRAVA. La capa de grava deberá ser graduada, con un espesor de 200 a 460 mm, y con el material relativamente más grueso en el fondo. Las partículas de grava deberán variar en diámetro de 3 a 25 mm. CAPA DE ARENA. El espesor de la capa de arena varía de 200 a 460 mm; sin embargo, se sugiere un espesor mínimo de 300 mm para asegurar un buen efluente y reducir la frecuencia de reposición de la arena debido a pérdidas durante las operaciones de limpieza. Una arena de calidad tiene partículas limpias, duras, resistentes y libres de arcilla, limo, polvo u otra materia extraña; un coeficiente de uniformidad no mayor de 3.5; y un tamaño efectivo de los granos de arena entre 0.5 y 1.2 mm. PARTICIONES. Para la remoción manual del lodo en plantas pequeñas, los lechos de secado normalmente están divididos en secciones de 7.5 m de ancho; sin, embargo algunos métodos mecánicos de remoción requieren de áreas más anchas, en cuyo caso la anchura deberá estar diseñada para acomodar el método de remoción utilizado. En cuanto a la longitud, han sido construidos con largos de 30 a 60 m, sin embargo, si se anticipa el uso de polímeros, la longitud no deberá exceder de 15 a 25 m, para evitar problemas de distribución del Iodo, que puede resultar en un uso ineficiente del área de secado. La previsión de equipo para inundar con agua el lecho antes de recibir el lodo ha sido utilizada para ayudar en la distribución del Iodo en algunas plantas. En este tipo de caso, las válvulas del bajo dren se cierran, se inunda el lecho con agua, se aplica el lodo líquido, y se abren las válvulas del drenaje. Este método de preinundación incremente la tasa inicial de remoción de

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agua debido a que aumenta la carga hidráulica mediante la creación de un vacío debajo del lecho al abrir las válvulas de bajo dren. Este vacío se mantiene hasta que el aire empieza a penetrar a través del lecho hacia el bajo dren. Las particiones pueden ser de bordos de terracería (donde. abunda el terreno) o de paredes construidas con bloques de concreto, concreto reforzado, o madera. En caso de utilizar madera, los tablones deberán profundizarse entre 80.y 100 mm abajo de la superficie de la capa de arena y los postes de 0.6 a 0.9 m abajo del fondo de la capa de grava. La colocación de particiones y otros elementos estructurales deberá estar diseñada para permitir la remoción del lodo con equipo mecánico, en caso de ser utilizado. DECANTADORES. Como se apuntó anteriormente, un método para decantar el Sobrenadante, ya sea en forma continua o intermitente, deberá ser proporcionado en el perímetro del lecho. Los decantadores pueden ser particularmente útiles en el caso de Iodos relativamente diluidos, lodos tratados con polímero y en la remoción de agua pluvial. Si se realiza en forma adecuada, la decantación reduce el tiempo de secado significativamente. DISTRIBUCIÓN DEL LODO. El lodo líquido es aplicado a las distintas subdivisiones de los lechos a través de tubería a presión, con válvulas en las salidas de cada sección de lecho, o mediante un canal abierto o cerrado con aberturas laterales controladas mediante compuertas manuales. El canal abierto es más fácil de limpiar después de cada uso. Con cualquier método, se requiere una losa de concreto de 0.9 m x 0.9 m de superficie y 130 mm de espesor, para recibir el lodo y evitar la erosión de la superficie de arena. Si se utiliza una tubería a presión con válvulas en las salidas, un codo a 90° deberá dirigir la trayectoria del lodo contra la losa. Las válvulas deberán estar protegidas contra el congelamiento. En el caso de usar un canal para la distribución del lodo, este debe ubicarse de preferencia entre dos secciones de lecho de 7.5 m de ancho. RAMPAS Y PASILLOS. Para la remoción de la torta seca de lodo con camión, se requieren rampas de acceso y pasillos de concreto a lo largo del eje central de cada sección de lecho. Las losas de los pasillos de concreto serán estrechas para minimizar la compactación de la superficie dé la arena por las ruedas de los camiones, pero además protegerán el sistema de bajo dren, reducirán la pérdida de arena y proporcionarán una buena referencia para estimar la arena de reposición. Si se incluyen rampas en la entrada, para el uso de dispositivos mecánicos de remoción, se debe considerar la construcción de rampas a todo lo ancho del lecho para evitar problemas de acceso a las esquinas y maniobras del equipo sobre la arena. CUBIERTAS PARA LOS LECHOS. Las cubiertas proporcionan un techo sobre los lechos. La mayoría de las características de los lechos abiertos mencionadas anteriormente se aplican también a los lechos cerrados.

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Los lechos se pueden cubrir con plástico reforzado con fibra de vidrio, disponible en diferentes colores. Los techos de vidrio o fibra de poliéster, colocados sólo sobre la parte superior del lecho, con los costados abiertos a la atmósfera, protegen al lodo de la precipitación. La mayoría de los fabricantes han desarrollado dimensiones estándar de anchura, longitud, separación de viguetas, y otros detalles para las cubiertas de los lechos. La aplicación de pinturas y recubrimientos de protección se deberá conformar a las recomendaciones del fabricante. ACONDICIONAMIENTO QUÍMICO. En algunos casos se puede requerir la inclusión de acondicionamiento químico para contrarrestar las condiciones impredecibles del clima y la variabilidad de las características del lodo; el acondicionamiento también ayuda a mejorar la capacidad de secado de los lechos. Los polímeros son los principales químicos utilizados para el acondicionamiento de Iodos. La evaluación de su efectividad y economía frecuentemente resulta difícil debido a la gran variedad de productos en el mercado; sin embargo, la medición del tiempo de succión capilar (TSC), como se describe en el Anexo 1, se puede utilizar como una evaluación comparativa, tanto para polímeros como dosis. La mejor evaluación económica compara en base a los gramos de químico adicionado por kilogramo de sólidos secos, en lugar de una dosis de partes por millón. Además, la dosis óptima debe ser determinada con cuidado debido a que su efectividad puede ser impedida tanto por ser demasiado baja como alta. Las cargas netas y brutas de lodo acondicionado y sin acondicionar deberán ser comparadas en pruebas de laboratorio y bajo condiciones de campo. Si la dosis de químicos es excesiva se puede presentar la obturación de la arena. Si el diseño del sistema de lechos incluye la adición de polímero, se requiere un mínimo de tres puntos de aplicación de polímero para optimizar la efectividad: uno debe estar cerca de la succión de la bomba, otro en la descarga de la bomba y el último cerca del punto de descarga a cada lecho. Las bombas para dosificar el químico normalmente son de desplazamiento positivo y gasto variable. Donde sea posible, se deberá tener prevista la recirculación del lodo tratado con polímero, para permitir la optimización de la dosis con un medidor de TSC antes de la descarga del lodo inicial al lecho. Dicho procedimiento ayuda a evitar la obturación de la superficie de arena por un lodo tratado en forma deficiente. OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO. Al diseñar lechos de secado se debe tomar en cuenta su operación y mantenimiento. Dichas consideraciones incluyen la aplicación del lodo, remoción del lodo seco, mantenimiento del lecho, reposición de arena y control de vegetación. Aplicación del Lodo. El objetivo principal del desaguado con lechos de secado es la reducción del contenido de humedad del lodo a un nivel consistente, congruente con los medios de remoción de la torta y la disposición final. El contenido de humedad

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permisible, que depende del sitio o método de disposición y el tipo de equipo de remoción, controlará la mayoría de las operaciones de los lechos. Generalmente, una capa delgada de lodo se seca con mayor rapidez, permitiendo ser removida en menor tiempo e iniciar un nuevo ciclo en el lecho. Sin embargo, se requiere una cantidad importante de mano de obra por unidad de volumen de lodo para remover la pequeña cantidad de lodo seco. El uso de la superficie de arena será mayor para una aplicación somera que para una profunda, debido a las aplicaciones más frecuentes y mayor pérdida de arena durante el procesó de remoción. Puede ser requerida la experiencia de varios años de operación para llegar a determinar el espesor óptimo, para las condiciones locales específicas. Otras consideraciones que determinan el tiempo de secado son las características del lodo, el contenido de humedad en el lodo, y el área de lechos de secado disponible. El tiempo de secado, sin embargo, no se puede predecir con precisión; así que el operador tendrá que experimentar un tanto. Si se utilizan polímeros, el tiempo de secado se puede reducir en un 50%, por lo que el uso de polímeros será conveniente donde el área de secado de Iodos es reducida. Remoción del Lodo Seco. Son varias las consideraciones que tienen influencia sobre la determinación de cuándo está lista la torta para ser removida del lecho:

• Reducción del volumen de lodo, que se lleva a cabo a una tasa variable durante el ciclo de secado. Inicialmente, la reducción de volumen es proporcional al porcentaje de incremento de sólidos en la torta, y la reducción mayor se presenta hasta que se alcanza un contenido de 30 a 40% de sólidos secos. Después de este porcentaje, se lleva a cabo poco cambio de volumen.

• Los medios utilizados para remover la torta (manuales o mecánicos). Actualmente, muchas plantas utilizan equipo para remoción mecánica de la torta de lodos, con cargadores frontales o sistemas de vacío montados sobre camiones, reduciendo así los requerimientos de mano de obra a un mínimo. La adecuada operación del equipo mecánico requiere de un espesor y contenido de humedad óptimo en la torta. Para este tipo de remoción un contenido apropiado de humedad de la torta es de 15 al 25%. Para la remoción manual, el lodo debe tener un contenido de sólidos del 25 al 30%, de manera que al fracturarse se puede desprender fácilmente de la arena del lecho. El lodo se deposita directamente en carretillas, camiones o vagonetas pequeñas, las cuales se manejan sobre los pasillos de concreto previstos para el efecto, o sobre tablones de madera temporales. Mantenimiento de Lechos. Aunque la reposición de la superficie de los lechos de secado es tal vez el mayor gasto de mantenimiento, otros aspectos no deben ser omitidos. Por ejemplo, los bajo drenes ocasionalmente se taponan y tienen que ser limpiados; las válvulas y compuertas que controlan el flujo de lodo a los lechos se deben mantener herméticos para evitar que el lodo húmedo se esté derramando

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hacia los lechos durante los periodos de secado. Las particiones entre los lechos deberán ser lo suficiente herméticos para evitar que el lodo se pase de un compartimiento a otro; finalmente, las paredes exteriores o taludes alrededor de los lechos se deben mantener estancos. Reposición de Arena. Un poco de la arena del lecho se pierde en cada operación de remoción de lodo; la cantidad depende del método utilizado para remover la torta de lodo. Una revisión periódica de la profundidad de la arena, desde un punto de referencia preestablecido, deberá ser de rutina, hasta que se establezca un patrón de reposición de arena. La nivelación periódica de la superficie ayuda a minimizar la pérdida de arena; una pequeña cantidad de escarificado antes de la nivelación puede ayudar a mejorar la filtración. Control de la Vegetación. Las hierbas, pasto y otros tipos de vegetación, encontradas frecuentemente en la superficie de los lechos o en el lodo durante el secado, provienen principalmente del área circundante. Toda la vegetación interior deberá ser removida antes de dosificar un lecho con lodo. La aplicación de un herbicida aprobado, seguido de un rastrilleo para incorporar la vegetación muerta al suelo, es un método efectivo en el control de la vegetación circundante. 4.8.1.2.Lagunas de Desaguado Las características de diseño de estas lagunas son similar a las lagunas de espesamiento, con la diferencia que una vez que se alcanza un tiempo determinado se decanta el líquido de la laguna y se deja secar como si fuera un lecho de secado. Las características de diseño son las siguientes:

Carga superficial de 40 a 80 kg/m2 dependiendo de la tasa de precipitación

Número de lagunas tres, de preferencia cuatro Tamaño cada laguna debe tener la .capacidad

de recibir él lodo producido en 3 o 4 meses de operación de la planta

Profundidad del lodo 1.20 m. La profundidad máxima durante el periodo de llenado no debe ser mayor a 1.80 m.

Pendiente del fondo de 0.5 a 1% hacia la salida Forma rectangular, con una relación mínima

de largo a ancho de 4 Sistema de bajo fondo opcional Revestimiento la laguna debe tener un revestimiento

en toda la superficie para evitar la contaminación del agua subterránea, proporcionar protección contra la erosión, para facilitar la extracción del

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lodo, y para evitar el crecimiento de malezas.

Distancia entre la entrada y la salida la necesaria para evitar corto circuitos Entrada con válvula y placa disipadora de

energía Salidas de nivel múltiple, a intervalos de 20 a

30 cm, para facilitar la decantación del líquido. Vertedor de demasías y drenaje de la laguna.

Acceso para vehículos dependiendo del tamaño se puede construir una rampa de acceso

Velocidad en la tubería de alimentación de lodo 0.75 m/seg. aproximadamente

Las lagunas de almacenamiento se diseñan para almacenar y colectar los sólidos durante un periodo de tiempo determinado; generalmente cuentan con instalaciones para el decantado pero no tienen sistema de drenado. Las lagunas tienen generalmente el fondo sellado para evitar la contaminación del agua subterránea. Una vez que una laguna se llena o el decantado no cumple con las limitaciones de calidad para ser descargado, se debe o abandonar o limpiar. Para facilitar el secado se debe remover el líquido mediante bombeo dejando el lodo húmedo. Los Iodos de coagulantes pueden alcanzar una concentración de 7 a 10% de sólidos. Los sólidos remanentes se deben o de extraer húmedos o dejarlos que se sequen por evaporación. Dependiendo del espesor de los sólidos húmedos, la evaporación puede tomar años. Además la capa superior puede llegar a formar una costra que evita la evaporación de las capas inferiores. Consideraciones de Diseño Las lagunas de almacenamiento, las cuales son generalmente depósitos conformados con terraplenes, no tienen limitación de área, siendo generalmente de 0.2 a 8 ha, con profundidades que van de 1.20 a más de 6.00 m; están equipadas con estructuras de entrada para disiparla energía del Iodo, lo que minimiza la turbulencia en las lagunas y ayuda a evitar el arrastre de sólidos en el decantado. La estructura de salida de la laguna está diseñada para desnatar el sobrenadante y tiene compuertas de agujas para variar la profundidad de la extracción. El diseño de la laguna debe también considerar la forma de extraer el lodo, a no ser que se pretenda abandonarla. 4.8.2.Métodos Mecánicos Los métodos mecánicos de desaguado se pueden usar en aquellas situaciones en las que los métodos naturales no puedan construirse, debido, o a la falta de espacio, y porque se requiera un contenido de sólidos alto.

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El diseño de las instalaciones adecuadas para el desaguado de lodos implica mucho más que la selección del equipo de un catálogo; requiere del análisis sistemático de una amplia gama de opciones de sistema, características de Iodos y variables específicas del sitio, incluyendo otros procesos de tratamiento. En esta sección se describen los métodos de desaguado mecánico más comunes y se proporciona la información básica necesaria para permitir al ingeniero el diseño y la selección adecuada de las instalaciones. Los métodos mecánicos de desaguado de Iodos que se consideran son: centrífugas, filtros prensa tipo banda y tipo presión. 4.8.2.1.Centrifugación La centrifugación involucra la fuerza centrífuga, aplicada a una corriente de lodo líquido, que acelera la separación de las fracciones líquidas y sólidas. El proceso involucra tanto clarificación como compactación. Las centrífugas separan el lodo en torta de lodo desaguado y líquido "centrifugado" clarificado. La separación dé la torta de lodo del centrifugado está basada en la diferencia de densidad entre los sólidos del lodo y el líquido circundante. El proceso de desaguado es similar al proceso de clarificación por gravedad. Una centrífuga, sin embargo, utiliza una fuerza centrífuga entre 500 y 3000 veces superior a la fuerza de la gravedad. Descripción. Hay tres tipos básicos de centrífugas que son: boquilla de disco, canasta y tazón sólido (Figura 4.6).

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Figura 4.6 Centrifugas utilizadas para el espesamiento de lodo

La centrífuga de disco se usa pocas veces para el desaguado de lodo de plantas potabilizadoras; generalmente se prefiere la centrífuga de tazón sólido para el manejo de los Iodos de estas plantas, y en menor grado la centrífuga de canasta, que trabaja por lotes y requiere de mucha manó de obra y monitoreo continuo. Asimismo durante los últimos diez años las centrífugas de tazón sólido se han mejorado para aplicar fuerzas centrífugas de hasta 4,000 veces la gravedad, lo cual permite un desaguado adecuado con alimentación continua. La centrífuga de tazón sólido funciona con una alimentación y descarga continua. La máquina tiene un tazón de pared sólida sin perforaciones, generalmente con un eje de rotación horizontal. La fuerza centrífuga provoca que la superficie del líquido esté casi paralela al, y equidistante del, eje de rotación.

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En el tratamiento de aguas, dos tipos de centrífugas de tazón sólido han probado ser eficientes: los de flujo a contracorriente y los de co-corriente (Figura 4.7). Las principales diferencias en el diseño se relacionan con la colocación de los puertos de entrada del lodo, la remoción del centrifugado y los patrones internos del flujo de las fases líquida y sólida. Los diseños típicos de co-corriente y contra corriente son similares en la mayoría de los aspectos con los utilizados para el espesamiento. En la configuración co-corriente, la fase sólida recorre toda la longitud del tazón, mientras que la fase líquida recorre un patrón paralelo con la fase sólida; diversos conductos remueven el líquido, que luego pasa por los vertedores de descarga. En el diseño a contracorriente, la lechada influente entra en la junta de la sección cónica cilíndrica; los sólidos se trasladan hacia el extremo cónico de la máquina mientras que la fase líquida viaja en dirección opuesta; también en este diseño la fase líquida (centrifugado) rebosa por un vertedor en el extremo de diámetro grande de la centrífuga. La centrífuga de tazón sólido tiene las siguientes partes fundamentales: base, caja, tazón, transportador en espiral, tubería de alimentación, baleros principales, unidad de transmisión, y motor. La base proporciona una cimentación sólida para montar y apoyar los principales elementos de la centrífuga. Entre la base de la máquina y la cimentación, los aisladores de vibración reducen la transmisión de vibraciones de la centrífuga. La base, normalmente fabricada de acero, tiene suficiente masa para sostener vibraciones y reducir desequilibrios armónicos. La caja sirve como protección y encierra por completo el dispositivo de rotación; contiene y dirige la torta de sólidos y centrifugado a medida que son descargados del dispositivo de rotación y amortigua el nivel de ruido.

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Figura 4.7 Esquema de dos configuraciones de centrífugas de tazón solidó (a)

Contracorriente, (b) Co-corriente El nivel de ruido de una centrífuga de tazón sólido normalmente es de 80 a 90 db a 1.0 metro. El tazón de la centrífuga generalmente tiene un diseño cónico cilíndrico y, dependiendo del fabricante y tipo de máquina, la proporción de cono a cilindro varía. La relación de longitud a diámetro de tazón varía de 2.5:1 a 4:1; los diámetros de tazón están disponibles desde 230 a 1800 mm. La capacidad del tazón puede ser desde 0.6 l/s hasta más de 44 l/s.

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Un transportador de espiral o tornillo se ajusta concéntricamente en el tazón y está equipado con espirales de diferentes inclinaciones. El transportador básico incluye un núcleo central o cubo con un compartimiento y puertos de alimentación. Una unidad de engranaje controla la velocidad del transportador. El polímero generalmente se adiciona por un compartimiento de alimentación o por puertos individuales de inyección dentro de la máquina. En algunos casos, el polímero se adiciona antes de la centrífuga (Figura 4.8). El diseño deberá incluir puntos varios opcionales de alimentación. La unidad de engranaje mantiene la velocidad diferencial entre el tazón y el transportador. La unidad de engranaje, normalmente de tipo planetario o ciclópeo, se utiliza en combinación con una retrotransmisión mecánica, hidráulica o eléctrica. Los baleros principales que soportan toda la unidad de rotación son cilíndricos, esféricos o de bola, dependiendo del tamaño de la máquina, velocidad y cargas mecánicas impuestas. Los baleros están lubricados por medio de grasa, un baño estático de aceite o un sistema externo de aceite circulante. La unidad de engranaje normalmente está lubricada por un baño de aceite, aunque unidades pequeñas pueden utilizar una grasa especial. El tamaño del motor para determinada centrífuga dependerá de muchos factores, incluyendo el diámetro del tazón, peso y velocidad de operación, según la define el torque del rotor. Los motores de centrífuga generalmente están diseñados para arranques de voltaje reducido, para evitar corrientes de entrada altas. Otra alternativa incluye conexiones con motores sencillos jaula de ardilla, con juntas de fluido hidrodinámico. Este tipo de arreglo, que proporciona una aceleración con consumo menor de corriente pico, frecuentemente permite el uso de motores más pequeños, con tasados de torque menor. La ventaja de la máquina de tazón sólido, comparada con otros sistemas de desaguado incluye: poca atención del operador, alto nivel promedio de sólidos en la torta, alimentación continua, mantenimiento promedio bajo y alto historial de seguridad. Como desventaja se tiene que los sólidos abrasivos desgastan el tazón sólido rápidamente.

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Figura 4.8 Sistema de centrifugación

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Debido a las, mejoras recientes en el diseño de centrífugas de tazón sólido, se han reportado concentraciones de torta de sólidos del orden de 30% a 35%. Las concentraciones más altas han sido reportadas para Iodos de cal. Se pueden lograr concentraciones de torta de 35% a 40%; sin embargo, se requiere de una dosis alta de polímero. Consideraciones de Diseño. Los parámetros de diseño, variables de control y otras consideraciones para el diseño de centrífugas son descritos a continuación. PRUEBAS PILOTO. La centrifuga puede desaguar muchos diferentes tipos de Iodos. Sin embargo, los parámetros de proceso para centrífugas sólo se pueden evaluar mediante pruebas continuas a escala piloto con los Iodos que se pretende tratar. De los datos de prueba se pueden calcular los requerimientos tanto de capacidad como de carga de sólidos. El diseño limitante determina la selección final del equipo. Las pruebas de campo para mas de una máquina se deberán correr en forma paralela. La operación en paralelo evitará desviaciones debido a cambios en las condiciones de operación o características de los Iodos, durante las pruebas de diferentes equipos. Además, los equipos de prueba deberán ser similares a los que se pretende utilizar a escala completa. Siempre se recomienda consultar con el fabricante de la centrífuga en la elaboración de los criterios para escala completa. Una vez identificadas, algunas de las limitaciones se pueden superar alterando el diseño de la centrífuga (es decir, velocidad de tazón o transportador, inclinación de transportador, número de álabes del transportador y profundidad de líquido). TASA DE ALIMENTACIÓN. La tasa de alimentación, incluyendo tanto la carga hidráulica como de sólidos, es una de las variables de control más importantes; la tasa de alimentación seleccionada deberá minimizar el corte de flóculos y turbulencia. La carga hidráulica a la centrífuga afecta la capacidad de clarificación, mientras que la carga de sólidos es una función de la capacidad de transportación: El aumentar la carga hidráulica disminuye la claridad del centrifugado y puede incrementar el consumo de químicos. Cuando se presentan cambios en la carga de sólidos, se requiere el cambio correspondiente en la velocidad diferencial. La torta más concentrada, generalmente, se logra a una velocidad diferencial mínima y a una tasa de alimentación que corresponde a la capacidad reducida de transportación volumétrica. La siguiente tabla muestra las dimensiones típicas de las centrífugas utilizadas en el desaguado de Iodos:

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Diámetro del tazón mm 220 220 354 354 458 650 650 Velocidad rotacional Máxima del tazón r.p.m. 5,500 5,500 4,000 4,000 3,000 2,950 2,950 Aceleración Centrífuga máxima número De veces g 3,700 3,700 3,200 3.200 2,308 3,200 3,200

Momento de inercia del tazón kg m 23.88 4.27 25.9 29.3 75.6 570 710 Potencia del motor HP 15 15 20 25 40 60 75 Capacidad de manejo de lodo m3/hora 2.5 3.5 7.5 10 16 25 35

ACONDICIONAMIENTO QUÍMICO. La adición de polímeros es casi siempre necesaria para el desaguado con centrífuga de tazón sólido. El sitio de alimentación de polímero merece consideración cuidadosa. El diseño, generalmente, permite la alimentación de polímero aguas arriba de la centrífuga, ya sea antes o después de la bomba de alimentación. Se requiere máxima flexibilidad para permitir modificaciones futuras al sistema. Las consideraciones de diseño también incluyen los requerimientos de espacio del sistema de alimentación de polímero y pruebas piloto para un ámbito de concentraciones de polímero. La dosis de polímero para lodo de hidróxido varía de 2 a 2.5 kg/ton de sólidos. El lodo de ablandamiento generalmente no necesita de polímero. El establecimiento de la dosis debe llevarse a cabo mediante pruebas piloto. DESCARGA DE TORTA. El diseñador deberá considerar los requerimientos de descarga de torta y el sistema de transportación, el cual puede ser de banda, tornillo o bomba. Los transportadores de banda pueden conducir grandes cantidades de torta; sin embargo, normalmente constituyen un problema de limpieza y tienen requerimientos especiales de espacio, al igual que los de tornillo, razón por la que las bombas han adquirido popularidad como medio de transporte de torta, sin embargo, las concentraciones mayores de sólidos en la torta, reportadas para algunas de las nuevas centrífugas, puede no permitir el transporte mediante bombeo. MANEJO DEL CENTRIFUGADO. Como la calidad del agua del centrifugado puede ser muy mala, no es conveniente reciclarla dentro de la planta, siendo más aconsejable descargarla al alcantarillado de la población. La tubería para el centrifugado deberá dimensionarse adecuadamente y tener la pendiente suficiente para evitar el estancamiento del líquido; se deberán evitar codos de 90°. CONTROLES. Los dispositivos de control eléctrico y trabado son parte importante del sistema. El motor de la centrífuga deberá correr a su velocidad máxima antes de que pueda funcionar el control de alimentación. El circuito de control apaga la centrífuga y cierra la alimentación en el caso de ocurrir una falla.

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Un dispositivo de protección térmica deberá ser incluido en la transmisión del motor e interconectado con el arrancador para parar la centrífuga si el motor se sobrecalienta o sobrecarga. El dispositivo de sobrecarga de torque proporcionado para la centrifuga deberá estar trabado con la transmisión principal y controles del sistema de alimentación. Otros controles incluyen aquellos para detectar la temperatura de los baleros principales, vibraciones y velocidad del tazón y transportador. El trabado de los sistemas de acondicionamiento químico y manejo de torta merece consideración adicional. DISPONIBILIDAD DE ESPACIO. El espacio requerido para la centrífuga incluyendo áreas de acceso y mantenimiento es de aproximadamente 40 m2. Esto es considerablemente menos espacio del requerido por la mayoría del equipo para desaguado mecánico de la misma capacidad (10 a 40 Ips de lodo influente). Otros aspectos de apoyo requeridos, pero contabilizados en los requerimientos de espacio mencionados arriba, incluyen:

• Equipo y tubería para alimentación de polímero. • Tubería para agua de limpieza. • Bombas y tubería para alimentación de lodo; Malacate y sistemas de apoyo; y • Transportador de sólidos espesados y controles, dispositivo electrónico para

monitoreo del balance de masa a través de la centrífuga, y limpieza de la tubería de alimentación.

MATERIALES. Los materiales de construcción de centrífugas incluyen acero al carbón, acero inoxidable serie 300, y aleaciones resistentes al abrasivo. El acero al carbón tiene un costo menor pero es vulnerable a la erosión y corrosión de las piezas en contacto con el agua. Al contrario, el acero inoxidable proporciona buena protección contra la erosión y corrosión pero es más costoso. La selección de materiales requiere de una evaluación del costo de inversión inicial contra la vida útil del equipo para cada opción de materiales. El diámetro interior del tazón de la centrífuga normalmente está protegido con tiras o ranuras, que retienen una capa protectora de sólidos. En algunos casos, la pared del tazón incluye recubrimientos de acero inoxidable o cerámica. Muchas áreas de la centrífuga de tazón sólido son sensibles a la abrasión, incluyendo la pared interior del tazón, los álabes del transportador, el compartimiento de alimentación, los puertos de alimentación y el área de descarga de sólidos. Estas zonas normalmente están protegidas con una variedad de .materiales resistentes, tales como carburo de tungsteno, o cerámica, y en algunos casos piezas reemplazables. La tecnología moderna ha incrementado la vida útil de los transportadores hasta un nivel de 10,000 a 30,000 horas.

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PRECAUCIÓN CONTRA SISMOS. En regiones sujetas a sismos, el equipo deberá estar anclado y tener flexibilidad en la tubería y conductos. Las anclas deberán estar diseñadas para resistir las fuerzas sísmicas. 4.8.2.2.Prensa de Filtro de Banda La prensa de filtro tipo banda tiene bandas móviles sencillas o dobles para desaguar los Iodos en forma continua, mediante una .combinación de drenado por gravedad y compresión (Figura 4.9). Aunque aparentemente de reciente creación, las prensas de filtro de banda típicas son similares a las maquinas Fourdrunier para hacer papel, inventadas en 1799, que concentran una lechada de papel desde aproximadamente 0.5% de sólidos en el influente a mas de 20% de sólidos en la torta. A mediados de la década de 1970, estas prensas fueron introducidas principalmente en los Estados Unidos y Canadá, debido a su habilidad de desaguar lodos y los bajos requerimientos de energía comparados con centrífugas y filtros al vacío. Teoría del desaguado con prensas de filtro banda. El lodo es desaguado en el filtro banda de forma secuencia, a través de 3 etapas operativas: Acondicionamiento químico del lodo influente drenado por gravedad hasta una consistencia no fluida y compactación del lodo en una zona de presión. La operación de desaguado empieza al entrar el lodo floculado con polímero a la sección de drenado por gravedad, la que normalmente consiste de una banda continua porosa, que proporciona una gran área superficial a través del cual se lleva a cabo el drenado; un sistema de distribución aplica el lodo uniformemente sobre la banda. El filtrado de la zona de gravedad es recolectado y conducido por tubería al sistema de drenaje. El lodo espesado sale de la etapa de desaguado por gravedad y entra a la etapa de compresión; en la que el desaguado adicional se lleva a cabo al exprimir el lodo entre dos bandas porosas. El incremento de presión empieza en la zona de "cuña", donde las dos bandas entran en contactó después de la zona de desaguado por gravedad.; la presión sigue aumentando a medida que el lodo .pasa a través de la zona de cuña y entra a la etapa de alta presión o presión de tambor del filtro de banda. La tensión de las bandas produce una acción de exprimido sobre la torta a medida que las bandas pasan por varios tambores o rodillos (de diferentes diámetros) para maximizar la acción de corte.

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Figura 4.9 Esquema de un filtro prensa de banda típico

Los esfuerzos cortantes en la sección de alta presión son suficientemente altos para liberar parte del agua atrapada y posiblemente algo del agua intercelular. A medida que el lodo atraviesa la prensa, los diámetros progresivamente menores de los rodillos incrementan la presión sobre el lodo. Componentes del sistema de prensa de filtro banda. Los diferentes fabricantes producen estos equipos con características mecánicas y operativas ligeramente diferentes, con anchos de banda desde aproximadamente 0.5 a 3.5 m, aunque más del 80% de las prensas utilizadas en el desaguado de Iodos son de 1 o 2 m de ancho. Los principales componentes incluyen: el marco, banda, rodillos, y baleros, sistema de control de tensión, sistema de lavado de banda, cuchillas de descarga de tortas, sistema de transmisión, panel de control y sistema de floculación. Los sistemas auxiliares incluyen el acondicionamiento de Iodos, bombas de alimentación de lodo, suministro de agua de lavado y transportador de la torta desaguada. MARCO. El marco estructural de las prensas tipo filtro de banda es el esqueleto de la unidad y normalmente está construido de acero. Todos los componentes del sistema están apoyados y fijos a este marco. Las opciones de marco incluyen canales estructurales de acero, vigas tipo I o tubería. La tubería es limpia y fácil de lavar. Para el marco, la variedad de recubrimientos que pueden proporcionar protección contra la corrosión incluyen sistemas de pintura epóxica, galvanizado en caliente, y encapsulación con fibra de vidrio. Debido a que los polímeros pueden atacar el zinc del acero galvanizado, se requiere un lavado frecuente del marco. La corrosión es una consideración importante debido a la variedad de ambientes y materiales que se tienen que manejar. Asimismo, el diseño sísmico de conductos y conexiones de tubería y los anclajes del marco deberán corresponder adecuadamente. BANDA. La mayoría de las prensas tipo filtro de banda tienen dos juegos de bandas. Las bandas están hechas de fibras sintéticas, generalmente monofilamento de poliéster, tales como el rayón. Existen bandas de nylon que normalmente son

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utilizadas en aplicaciones muy específicas, como es el caso de Iodos con pHs muy altos o lechadas abrasivas. Las bandas pueden ser con juntas o sin ellas. Las bandas con juntas tienen uniones de acero tipo cremallera; éstas tienden a desgastarse rápidamente en la junta debido al alto grado de discontinuidad en ese punto. Ello, a su vez, desgasta los rodillos y la cuchilla. Las bandas sin junta son bandas sin fin que tienen una vida útil mayor que cualquier otro tipo de banda, pero son sustancialmente más costosas. Las bandas vienen de diferentes materiales y combinaciones de tejido, por lo cual deberán ser evaluadas en relación a las características esperadas del lodo, la captura de sólidos requerida y la durabilidad. RODILLOS. Los rodillos soportan las bandas y proporcionan tensión, corte y compresión a través de las etapas dé presión de las prensas tipo filtro de banda. Los rodillos pueden ser de diferentes materiales, incluyendo acero inoxidable. Las consideraciones de corrosión y estructurales son importantes. Los recubrimientos de hule, aunque más costosos, normalmente son preferidos; por lo menos en los rodillos de transmisión. La deflexión de los rodillos a la tensión tasada de por lo menos 7.0 kN/m (40 lb/in) deberá estar limitada a 1 mm a la mitad del largo del rodillo. Algunos fabricantes utilizan rodillos perforados de acero inoxidable en las etapas iniciales de presión, para mejorar el drenado. BALEROS. Los baleros son una parte muy importante de las prensas tipo filtro e banda. Muchos fabricantes montan los baleros directamente sobre el marco estructural, para que éstos estén accesibles para mantenimiento y servicio en el exterior de las unidades. Estos baleros normalmente son de construcción tipo cojinete y deberán estar tasados por lo menos a una vida L-10 de 300,000 horas. Los baleros deberán ser de doble o triple sello, para evitar contaminación desgaste que resulte del lavado de la prensa y penetración de sólidos. Los baleros deberán ser autoalineadores. Se requiere una caja tipo partida cuando no existe fácil acceso fuera del marco principal. Algunos fabricantes ofrecen un sistema de lubricación central. ARRASTRE Y TENSIONAMIENTO DE LAS BANDAS. Un sistema de arrastre, normalmente proporcionado con la prensa tipo filtro de banda, mantiene las bandas de medio poroso centradas sobre los rodillos; el sistema requiere de brazos sensores o de arrastre conectados a un interruptor que detecta movimiento en la posición de la banda. Un rodillo de ajuste continuo detecta el cambio de posición de la banda y automáticamente la ajusta; este rodillo está conectado al sistema de respuesta, que puede ser neumático, hidráulico o eléctrico. Un control automático modulante deberá ser una parte integral del sistema. Como una de las variables de control del proceso, la tensión de la banda puede ser ajustada en la máquina. La tensión de la banda durante la operación es mantenida y controlada neumática, mecánica o hidráulicamente. Al aumentar la tensión, se incrementa la presión de filtrado. Varios fabricantes ofrecen sistemas de control, tanto para las bandas superiores como inferiores, de tal manera que la tensión de

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cada una puede ser ajustada en forma independiente. La vida útil de la banda, sin embargo, disminuye a medida que aumenta la tensión dé la misma. ' SISTEMA DE LAVADO DE LA BANDA. Un sistema de lavado de alta presión limpia cada banda después que ésta ha descargado la torta desaguada. Normalmente se proporciona una estación de lavado para cada banda. La tubería y boquilla de lavado, encerradas en cajas de acero inoxidable o fibra de vidrio, proporcionan un chorro de agua de alta presión para remover cualquier residuo de lodo, grasa, polímero u otro material adherido a la banda. Se recomiendan, boquillas autolimpiantes; sin embargo, la mayoría de los fabricantes proporcionan un dispositivo manual de limpieza, que incluye una escobilla operada con volante de mano montado internamente en el cabezal de la tubería para la boquilla. El drenaje de las secciones de desaguado por gravedad y la de presión, y el de cada estación de lavado de banda, deberá ser proporcionado para recolectar y transportar el agua de filtrado y lavado. Las unidades de recolección y tubería de drenaje, conectadas a la prensa tipo filtro de banda, deberán descargar a una fosa o sistema de drenaje de piso directamente abajo de la unidad. Cuando se dimensiona el sistema de drenaje, se deberán incluir los gastos del filtrado más los del agua de lavado; por ejemplo, una prensa tipo filtro de banda de 2.0 m de ancho puede descargar desde 11.0 hasta 12.6 l/s (filtrado y agua de lavado). Este gasto típicamente se envía al alcantarillado de la población. CUCHILLAS PARA DESCARGA DE TORTA. La cuchilla de descarga normalmente consiste de una hoja construida de plástico de muy alto peso molecular. La cuchilla, típicamente localizada en el extremo de salida de la sección de alta presión, raspa el lodo seco de la banda hacia un sistema de disposición o recolección. Las piezas del sistema de tensión de la hoja deberán estar construidos de material resistente a la corrosión (por ejemplo, policarbonato) e inspeccionados con frecuencia, debido a qué un ajuste incorrecto de la hoja reduce la vida útil de la banda y provoca el deterioro de la junta de la banda. La cuchilla normalmente se puede afilar en un taller para incrementar su vida útil. Se deben considerar hojas de dos filos para reducir la frecuencia de sustitución o afilado. CONTROL/TRANSMISIONES. Un panel de control del filtro prensa, normalmente diseñado específicamente para cada aplicación, es necesario para controlar los filtros y sistemas auxiliares. El panel deberá contener todos los interruptores eléctricos para el arranque y paro automático, semiautomático y manual de los componentes de la banda. Varios relevos para subsistemas seriados o controladores programables pueden ser proporcionados, así como interconexiones eléctricos y de seguridad. Se deberán proporcionar sistemas de alarmas críticas y paro de emergencia del equipo. Los controles deberán estar localizados en un área soca, a la vista, pero alejados de atmósferas potencialmente corrosivas o de rocío del equipo de lavado. Consideraciones de Diseño. Los principales elementos de diseño de una prensa tipo filtro de banda incluyen capacidad, sistema de acondicionamiento de lodo,

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dispositivos de retención de lodo, bombas de alimentación de lodo, suministro de agua de lavado, tubería de alimentación de lodo, disposición del equipo en planta y transportador de la torta seca. CAPACIDAD. La capacidad de manejo de lodos de una prensa tipo filtro de banda generalmente es considerado limitada en sólidos o hidráulicamente dependiendo de la concentración influente de sólidos. De las dos limitaciones, los sólidos normalmente parecen ser más críticos. Las prensas tipo filtro de banda, para determinada unidad de ancho, tienen una capacidad máxima de carga de líquido o sólidos, que puede ser lograda sólo con el acondicionamiento correcto del lodo. Las características que limitan el gasto de una prensa tipo filtro de banda generalmente resultan de las tasas de extracción de los Iodos de los tanques de clarificación o espesadores, junto con la capacidad correspondiente de las bombas. Las tasas de alimentación nominal a las prensas tipo filtro de banda, por unidad de ancho de banda, varían desde 3 a 4 Ips/m, aunque las bandas han manejado satisfactoriamente tasas mayores. SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO DE LODOS. Como mínimo, el sistema de acondicionamiento típicamente cuenta con bombas de medición de químicos, equipo de almacenamiento y mezclado de polímero, mezclador del polímero con el lodo y controles. Para instalaciones menores, los sistemas disponibles para la dilución de polímero pueden operar directamente de los tambores originales de polímero; esto elimina la necesidad de tanques de mezclado y bombas de alimentación. Varios puertos, aguas arriba en la tubería de alimentación y equipo de mezclado de Iodos, deberán suministrarse (tubo estático, Vénturi). El tipo de polímero, punto de inyección y energía de mezclado, son las variables que tienen relación directa con la producción del desaguado más eficiente y económico del lodo. Las bombas de medición generalmente son del tipo de desplazamiento positivo (diafragma, émbolo giratorio o cavidad progresiva). Las transmisiones deberán proporcionar una salida variable, ya sea de ajuste de velocidad manual o automático mediante controladores o posicionadores de carrera. Para plantas mayores, el sistema de almacenamiento de polímero deberá estar dimensionado para acomodar la entrega a granel. El equipo de mezclado puede variar, dependiendo del polímero seleccionado (seco o líquido), viscosidad y características del lodo. Antes de la inyección para el acondicionamiento del lodo, los polímeros son mezclados en una solución diluida normalmente entre 0.25% y 0.50% por peso. Además, se recomienda disponer de agua limpia medida conectada a la descarga del tanque de mezclado, para diluir más aun la solución de polímero (es decir, hasta 0.01 % por peso) y lograr una dispersión completa del polímero en la lechada de lodo. Los controles del sistema de polímero son sumamente variables. Generalmente, las instalaciones pequeñas utilizan los sistemas mecánicos más simples con el mezclado proporcionado por la presión del agua. Válvulas sencillas de arranque y

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paro, activadas por medio del panel de control de la prensa pueden controlar el sistema de polímero. Las prensas más grandes pueden utilizar sistemas más complejos, incluyendo el control de la secuencia de lotes con microprocesadores. INSTALACIONES PARA EL MANEJO DE LODO. El diseñador deberá considerar con cuidado el tipo de lodo que se va a desaguar, el ámbito de concentración de sólidos y la unidad del proceso que produce los sólidos. Las prensas tipo filtro de banda funcionan mejor cuando las fluctuaciones de la concentración de los sólidos se mantienen a un mínimo. Se pueden presentar problemas cuando no se presta atención a mantener la concentración de sólidos consistente. Si se remueven sólidos de tanques de retención sin mezclar, se pueden producir variaciones en la concentración de sólidos con un impacto adverso sobre el funcionamiento del filtro prensa. La extracción de lodo desde el fondo de 'un recipiente mezclado o posiblemente un espesador con equipo continuo de rastras, es mejor para que la concentración permanezca razonablemente consistente. BOMBAS DE ALIMENTACIÓN DE LODOS. Estas son bombas de operación continua, con gasto ajustable, normalmente de cavidad progresiva, utilizadas para alimentar el lodo a la prensa tipo filtro de banda. Las bombas centrífugas no son recomendables debido a su potencial de daños a la formación de flóculos. Como una buena práctica, se proporciona una bomba por prensa, para cargar en forma uniforme cada una. Para instalaciones múltiples de prensas, se requiere de tubería y válvulas interconectadas, para mejor confiabilidad. Los controles de alimentación de lodo típicamente se incorporan al panel principal de la prensa. SUMINISTRO DE AGUA DE LAVADO. Se requiere una fuente de agua razonablemente limpia, para asegurar el lavado adecuado de la banda. Esta fuente de agua, que asciende del 50% al 100% del gasto de lodo influente a la máquina, normalmente se presuriza a 700 kPa (100 psi); a veces, se requiere una bomba reforzadora de presión. El agua de lavado puede llegar a contener de 2 a 3 veces los sólidos contenidos en el filtrado. TUBERIA DE ALIMENTACIÓN DE LODO. Diferentes tipos de, materiales pueden ser utilizados para la tubería de Iodos, así como para otras operaciones de manejo de Iodos. Presiones, velocidades y taponamiento requieren consideración. Al igual que otros sistemas de manejo de lodos, se puede utilizar tubería con recubrimiento liso, incluyendo sistemas de acero dúctil o recubierto de vidrio. La velocidad deberá ser mantenida a 1 m/s o mayor, para evitar la sedimentación de sólidos y problemas de taponamiento. Se requieren conexiones para limpieza y vaciado en codos y tees. La tubería de alimentación requiere de puertos múltiples para la inyección de polímero, de tal manera que se puedan elegir diferentes tiempos de retención, entre el punto de aplicación del polímero y el tanque de mezclado o punto de dosificación antes de una prensa, para lograr los mejores resultados. En forma ideal, se deberán establecer puntos de adición a intervalos de 0.5 a 1 min a lo largo del sistema de tubería de alimentación, hasta un máximo de 5 min, de ser posible, en base a la relación del volumen de la tubería y capacidad de descarga de la bomba.

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DISPOSICIÓN DE EQUIPO EN PLANTA. Estas consideraciones de diseño incluyen lo siguiente: • No montar los tableros de control de la prensa banda sobre el marco de la prensa,

debido a posibles salpicaduras durante la operación de lavado. El tablero de control deberá estar localizado junto a la prensa, de preferencia donde puedan ser observadas las secciones de gravedad.

• Uso de construcción NEMA 4X para el tablero de control, para proteger los componentes del ambiente de operación húmedo y corrosivo.

• Proporcionar sardineles alrededor de la prensa banda, para proteger el área circundante de derrames.

• Proporcionar canales de drenaje sobrediseñados y con fuertes pendientes alrededor de la prensa banda, para facilitar la limpieza. También se requieren numerosas salidas y ganchos para mangueras.

• Montar las prensas de banda de tal manera que el operador tenga fácil acceso para lubricar todos los baleros.

• Instalar las prensas de banda con suficiente espacio libre entre las unidades, que permita remover los rodillos individuales.

• Proporcionar plataformas de operación o pasillos (en caso de que sea necesario), para que el operador pueda observar la parte de gravedad de la prensa de banda.

• Proporcionar una grúa viajera, malacate o dispositivo portátil de izamiento, dimensionado para manejar el rodillo más grande de la prensa de banda.

• Proporcionar emparrillado antiderrapante, recubrimiento superficial, o ambos debido a que la mezcla de lodo y polímero es resbaloso.

• En zonas sísmicas, proporcionar equipo de anclaje contra sismos, cilindros para almacenamiento de químicos y tanques, así como flexibilidad en la tubería, Las unidades críticas del equipo totalmente armado proporcionado por el fabricante, deberán estar calificados sísmicamente mediante pruebas o análisis.

TRANSPORTE DE LA TORTA DESAGUADA. La configuración específica de la prensa, sitio de disposición y elevación de la descarga deberán ser consideradas en la selección del tipo de equipo requerido para remover la torta de lodo en el punto de descarga de la prensa de banda. Como ya se mencionó, los sistemas de transporte típicos incluyen bandas, tornillos y bombas. Datos de Eficiencias. Muchas variables afectan la eficiencia de una prensa, incluyendo: las características del lodo; método y tipo de acondicionador químico; presión desarrollada; configuración de la máquina, incluyendo drenaje por gravedad; y velocidad de la banda. Aunque los datos de eficiencia indican variaciones importantes en la capacidad de desaguado de diferentes tipos de Iodos, la prensa generalmente es capaz de producir una torta de lodo de sulfato de aluminio desaguado con 25°/o a 30% de sólidos. La recuperación total de sólidos, incluyendo los sólidos en el agua de retrolavado, varía desde 80% hasta 95%. Cuando sea posible, las dosis de polímero y tasas de alimentación deberán ser optimizadas específicamente para las características del lodo en la planta. La

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resistencia específica es utilizada para comparar las características de filtración de diferentes Iodos y determinar los requerimientos óptimos de coagulación para un lodo específico. Se utiliza una prensa piloto o a escala de laboratorio para realizar las pruebas requeridas. Cuando se evalúa la eficiencia de la prensa, como en cualquier otro proceso de desaguado, deberán ser consideradas la cantidad y calidad del filtrado y agua de lavado. EFECTO DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL LODO. El tipo de lodo a ser desaguado tiene un gran efecto sobre el grado de desaguado lograble mediante el uso de una prensa. Un lodo diluido (0.5 a 1.0% sólidos totales) requiere más drenaje por gravedad, mayor dosificación de polímero y un tiempo de desaguado más largo, que el demandado por un lodo más concentrado: Las experiencias operativas de la mayoría de los fabricantes indican que el manejo de sólidos y porcentaje de sequedad de la torta aumentan en proporción al porcentaje de sólidos en el influente. EFECTO DEL ACONDICIONAMIENTO QUÍMICO. La selección adecuada del agente de acondicionamiento es de primordial importancia para definir los resultados del desaguado. La adición de polímero al lodo influente, con un apropiado mezclado y tiempo de interacción entre lodo y polímero, conduce a la formación de aglomeraciones de sólidos grandes y pesadas, que maximizan la liberación de agua por gravedad. La cantidad de polímero utilizada generalmente para lodo de sulfato de aluminio es de 5 a 7.5 kg/ton de sólidos. EFECTO DE DRENAJE Y PRESIÓN: La longitud de la sección de drenaje por gravedad es seleccionada por el fabricante del equipo, para conformarse al diseño general de los rodillos de presión. Las zonas de gravedad generalmente varían desde 2 a 4 metros. La presión aplicada al lodo aumenta gradualmente a medida que el lodo pasa por las zonas de desaguado. Las presiones promedio van de 35 a 70 kPa (5 a 10 psi), aunque pueden subir hasta 350 kPa (50 psi), dependiendo del tamaño y disposición de los rodillos. El incremento arbitrario de la tensión de la banda, para ganar uno cuantos puntos porcentuales de sólidos en la torta, disminuyen sustancialmente la vida útil de la banda. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE LA BANDA. Se ejercen fuerzas de compresión y esfuerzos cortantes sobre el lodo, a medida que pasa entre la tela porosa a lo largo de la prensa. La velocidad de la banda se relaciona directamente con el tiempo de retención de los sólidos al pasar por las diferentes secciones de la prensa, la sequedad de la torta y cantidad de material procesado. Consideraciones de Costo. Aunque la capacidad del equipo de prensa de filtro tipo banda es directamente proporcional al ancho de la banda, los costos son menos que

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proporcionales. Por ejemplo, una prensa de 1.5 m cuesta sólo un 10% más que una de 1 metro. Factores adicionales directamente relacionados a los costos iniciales son las áreas en cada una de las zonas de gravedad, compresión y presión. Las máquinas de bandas continuas son más costosas que las de juntas, debido a las modificaciones requeridas al marco estructural de las primeras. El consumo de energía eléctrica de una prensa de filtro tipo banda es bastante pequeño, comparado con otros métodos mecánicos para el desaguado de lodo; las unidades más grandes (2.5 m) usan un total de 7 kW (10 HP) por máquina. Según el tipo de sistema de inyección de polímero y equipo de mezclado que se instale, sus requerimientos de energía ascienden sólo a la mitad de los requerimientos de la prensa. Comparado con centrífugas, el consumo de energía de las prensas es un 20% a 30% menos para el equivalente en capacidad hidráulica y de manejo de sólidos. El calentamiento y alumbrado para los edificios y otras consideraciones de energía externa al equipo serían comparables con las de otros equipos de desaguado, excluyendo el sistema de retrolavado. Problemas Comunes y Soluciones. Los principales problemas que surgen con el uso de prensas de filtro tipo banda están relacionados con la calidad del equipo, integración del proceso y sistemas auxiliares. PROBLEMAS DE CALIDAD DEL EQUIPO: Los problemas relacionados con la calidad del equipo tienen que ver con la calidad de la banda, tipo y confiabilidad de los sistemas de tensionamiento y arrastre de la banda, y calidad de rodillos y baleros. Otros problemas de equipo incluyen la corrosión del marco y, los instrumentos, insuficientes disposiciones de seguridad, y control de ruido inadecuado. Rompimiento de la Banda: El rompimiento de las bandas, uno de los principales problemas de las prensas de banda, son provocados por la calidad inferior del material de la banda, desajuste del equipo, y operación, y mantenimiento inadecuado. Los fabricantes han resuelto o mitigado muchos de estos problemas mediante mejoras en el diseño de la prensa, particularmente los sistemas de tensionamiento y arrastre, y los materiales de la banda misma. Tensionamiento y Arrastre de la Banda. Los sistemas de tensionamiento y arrastre de baja calidad generalmente están relacionados con las prensas de banda de calidad inferior. Los sistemas con el engranaje expuesto presentan un riesgo de accidentes; aquellos que no son continuos imponen una acción de jaloneo sobre las bandas. La sustitución de los sistemas de tensionamiento y arrastre merece consideración, pero generalmente es difícil y costosa. Para instalaciones nuevas, las especificaciones deberán requerir sistemas continuos, de acceso directo para facilitar, el mantenimiento y con el engranaje cubierto para minimizar los riesgos potenciales.

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Falla de Rodillos. El equipo de calidad inferior, puede ocasionar la falla de los rodillos. Por consiguientes, las prensas de banda deberán contar con rodillos de alta calidad, resistentes a la corrosión, construidos de acero recubierto de epoxy, hule o de acero inoxidable. Falla de Baleros. Los baleros típicamente fallan por falta de alineación, sellos inadecuados o insuficiente lubricación. En general, deberán especificarse baleros duraderos (es decir, cojinete de caja partida esférica), con una vida útil B-10 (tasa de falla menor de un 10%) de 100,000 horas o más. Drenaje de la Prensa. Un drenaje pobre de la prensa presenta problemas de limpieza y seguridad. La solución consiste en diseños mejorados de las charolas de drenaje y mayor atención al área de confinamiento secundario de la prensa de banda. Drenaje por Gravedad del Lodo. Un drenaje por gravedad insuficiente disminuye la eficiencia general del desaguado. El drenaje pobre resulta de una sección insuficiente de drenaje por gravedad, acondicionamiento inadecuado del lodo o una mala distribución del lodo sobre la sección de drenaje por gravedad. La distribución del lodo se mejora al proporcionar dispositivos para formación de surcos, que distribuyen el lodo a través de la banda al principio de la sección de drenaje por gravedad. Aunque el drenaje se puede mejorar operativamente al reducir, la velocidad de la prensa, esta práctica también reduce la capacidad del equipo..: Problemas persistentes de drenaje por gravedad requerirán una evaluación de la selección de polímero, acondicionamiento del Lodo, material de la banda y lo adecuado del tejido, así como la operación de lavado de la banda. Limpieza de la Banda. Los problemas de limpieza surgen de sistemas de lavado de capacidad inadecuada, taponamiento de boquillas, o ambas. Las bombas de agua de lavado, que las debe suministrar el fabricante de la, prensa de banda, deberán tener suficiente presión y flujo para cumplir con los requerimientos específicos de la instalación. Los requerimientos de agua de lavado deberán ser verificados durante el diseño y certificados por el proveedor del equipo antes de aprobar la instalación del mismo. El sistema de limpieza deberá contar con fácil acceso a boquillas y sistema de tubería de agua de lavado, para simplificar su limpieza. Asimismo, las especificaciones deben requerir cepillos para limpieza de acero inoxidable dentro de los sistemas de cabezales de aspersión, para facilitar la limpieza. Se debe considerar la instalación de dispositivos para el lavado final y enjuague con agua potable. APLICACIÓN DEL PROCESO. El funcionamiento de las prensas de filtro tipo banda ha sido afectado sustancialmente por los procesos y operaciones que lo anteceden, pero hay casos en las que prensas de banda han sido aplicadas incorrectamente, o sea, existen dificultades relacionadas con la pobre integración del proceso y su aplicación inadecuada, Las prensas de alta presión y tensión son más complejas y requieren de mayor mantenimiento que las máquinas de menor presión; cuando no es necesaria la torta de alto contenido de sólidos producida por estos dispositivos, no se justifican los costos más altos del equipo y mantenimiento. Debido a que distintos Iodos tienen diferentes requerimientos de acondicionamiento y operación, altas

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variaciones en las características del lodo pueden resultar en un pobre acondicionamiento y bajas eficiencias del desaguado. Se requieren dispositivos de mezclado cuando las características del lodo varían mucho. SISTEMAS AUXILIARES. Muchos de los problemas relacionados con las prensas de filtro tipo banda resultan de una pobre selección, localización o diseño del equipo auxiliar de operación. Los principales problemas con este equipo auxiliar incluyen la inadecuada selección y localización de controles y del sistema de polímero, deficiente acceso al equipo y alimentación inconsistente de lodo. Controles. Los problemas relacionados con la selección y localización de los controles incluyen una mala disposición de controles, falta de controles centralizados y la interconexión inadecuada de los controles. Frecuentemente faltan controles, equipo de monitoreo, o ambos, para los parámetros clave del proceso, como agua de lavado, gasto de lodo influente y tasa de alimentación de polímero; además, algunas instalaciones carecen de puntos de muestreo, necesarios para el análisis del lodo influente y filtrado. Dicho equipo de monitoreo y muestreo es necesario y deberá ser incluido en el diseñó del sistema, para permitir el cómputo y rastreo de la eficiencia de captura de sólidos. Los controles para cada parte del sistema de desaguado de lodos deberán estar interconectados para asegurar una operación coordinada del sistema. La alimentación de lodo y polímero, y el arranque y paro de la prensa de banda y sistema de transporte de lodo, deberán estar secuenciados adecuadamente para operación automática o manual. La alimentación de polímero deberá ir a la par con la tasa de alimentación de lodo por medio del sistema de controles; el equipo de desaguado deberá parar automáticamente cuando ocurra una falla de la banda, del tanque de acondicionamiento de lodo, desajuste de la banda, insuficiente tensión en la banda, pérdida de presión en el sistema neumático o hidráulico; baja presión en el agua de lavado, paro de emergencia y falla del sistema de transporte de la torta. Sistema de Alimentación de Polímero. Las dificultades que surgen con los sistemas de alimentación de polímero incluyen fallas de la unidad de procesado de polímero (es decir, bomba y válvula), falta de capacidad del equipo de alimentación, mezclado insuficiente de polímero 'y lodo, y falta de capacidad para, emparejar la tasa de alimentación de polímero con el gasto de lodo. El equipo de alimentación de polímero deberá estar dimensionado para manejar el ámbito más amplio posible. Alimentación de Lodo. Una alimentación no uniforme de lodo requiere del uso de bombas de movimiento alternativo y un alto mantenimiento. El uso de bombas de movimiento alternativo generalmente no lo recomiendan los fabricantes de las prensas, y deberá ser evitado uniformizando la alimentación, esto también reduce los problemas de rodillos. Seguridad. Los requerimientos de seguridad del personal deben ser considerados totalmente e incorporados en él diseño. El diseño deberá proporcionar suficientes dispositivos de seguridad alrededor de la prensa de banda y transportadores de

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Iodos, acceso adecuado y 'seguro al equipo, pasillos y pisos antiderrapantes, e iluminación suficiente. Se debe utilizar material amortiguador de ruido sobre las paredes y cielos del edificio de desaguado para reducir el nivel de ruido. 4.8.2.3.Filtro Prensa La principal ventaja de un sistema de filtro prensa consiste en que generalmente produce una torta más seca, que la de otras alternativas. En casos donde el contenido de sólidos en la torta deberá ser mayor del 35%, los filtros prensa pueden ser una alternativa costeable, Los filtros prensa también tiene una operación adaptable a una amplia gama de características, de lodo, confiabilidad mecánica aceptable, requerimientos comparables de energía a los sistemas de filtrado al vacío, y una alta calidad del filtrado, que disminuye los requerimientos de tratamiento de la corriente recirculada. Las principales desventajas de los filtros prensa son el alto costo inicial, cantidades importantes de químicos para acondicionamiento o de materiales de recubrimiento del filtro, la adherencia periódica de la torta al medio filtrante, que requiere remoción manual, y costos de operación relativamente altos. Son menos eficientes que los de banda para los Iodos químicos, y se recomiendan menos. Teoría y Operación. La filtración por presión separa los sólidos suspendidos de una lechada líquida utilizando un diferencial positivo de presión, como la fuerza motriz. Los filtros prensa de marco y placa son operados como un proceso por lotes. El lodo se bombea al filtro prensa bajo una presión desde 690 a 1550 kPa (100 a 225 psi), que hace pasar el líquido a través del medio filtrante, y deja una torta de lodo concentrado entre las placas del filtro. El filtrado se drena hacia conductos internos y se recolecta en el extremo influente de la prensa para descarga. Finalmente, las placas se separan y la torta cae hacia el suelo, así completando un ciclo de prensado. El diseño de filtración por presión debe reconocer las siguientes consideraciones operacionales:

• El tipo y dosis de químicos varía con las características del lodo. • El medio filtrante requiere de limpieza en forma rutinaria mediante aspersión

con agua de alta presión. • Bajo condiciones adversas, el filtro se puede recubrir con materiales porosos,

como ceniza fina, para mejorarla filtración de partículas finas y promover el desprendimiento de la torta de la prensa.

Los filtros prensa son de volumen fijo o variable. Ambos tipos pueden ser confiables, cuando se presta suficiente atención a la operación y mantenimiento. La principal dificultad operativa confrontada en instalaciones de filtros a presión es la separación inconsistente de la torta del medio filtrante; este problema puede indicar la necesidad

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de lavado del medio o requerimiento de mayor dosis de químicos de acondicionamiento. Prensas de Volumen Fijo. Las prensas de volumen fijó tienen muchas placas o charolas colocadas rígidamente en un marco para asegurar la alineación. Las placas son prensadas entre sí hidráulica o electromecánicamente, entre un extremo fijo y otro corredizo. Una tela de filtración cubre la superficie de drenado de cada placa y proporciona el medio de filtrado, El lodo influente es bombeado a la prensa y los sólidos se recolectan en la cámara hasta obtener el flujo mínimo (normalmente 1/15 a 1/20 del flujo inicial). Se para la bomba de alimentación, y se sacuden las placas individuales para permitir que la torta sea descargada. Prensas de Volumen Variable. La prensa de volumen variable incorpora una membrana flexible a través de la cara de la placa de filtrado. Una vez que la cámara de la placa está llena con torta, se presuriza la membrana a 1520 a 1970 kPa (220 a 285 psi) con aire comprimido o agua; esto comprime a la torta dentro de la cámara, incrementando la tasa de desaguado y disminuyendo el tiempo de ciclo. Esto resulta en una producción mayor de torta y mayor flexibilidad para lograr el nivel deseado de sequedad. La capacidad volumétrica generalmente es menor, las tortas son más delgadas y la prensa es más automatizada que la de volumen fijo. Componentes. Los principales componentes del filtro prensa incluyen el marco estructural, las placas, telas, mecanismo de cerrado, mecanismo para sacudir las placas, equipo auxiliar y sistemas de apoyo (Figuras 4.10 y 4.11). MARCO ESTRUCTURAL. El marco estructural del filtro prensa tiene un extremo fijo, otro corredizo y las barras de soporte. Las barras de soporte corren a lo largo dé los extremos fijo y móvil, transportando las placas del filtro. PLACAS DEL FILTRO PRENSA. Las placas para el filtro prensa están disponibles en varios tipos de construcción, dimensiones y materiales. Estas se fabrican con una profundidad y área constante de la hendidura en ambos lados de la placa. La torta de lodo se forma en el volumen entre dos placas contiguas. TELAS DE FILTRACIÓN. Las telas de filtro disponibles en el mercado incluyen muchas combinaciones de material, tejido y permeabilidad de aire. Las consideraciones importantes en la selección de la tela filtrante son la durabilidad, desprendimiento de la torta, taponamiento y resistencia a los químicos. El materia 'y la construcción del medio afectan la durabilidad de las telas. El desprendimiento de la torta de la tela está influenciado por el tejido y limpieza. MECANISMOS DE CERRADO Y SACUDIDO DE PLACAS. El mecanismo de cerrado, ya sea hidráulico o mecánico, cierra el paquete de placas y mantiene suficiente presión para mantener las placas en una posición cerrada, durante un ciclo. El mecanismo de sacudido de placas sacude las placas individuales al final del ciclo, para desprender la torta.

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EQUIPO AUXILIAR. El equipo auxiliar proporcionado normalmente, asegura el funcionamiento sin riesgo y exitoso del filtro prensa. Un dispositivo de seguridad estándar consiste en una cortina ligera instalada en cada extremo y costado del filtro prensa; la cortina evita que cualquier objeto extraño, incluyendo las partes corporales de los obreros, sea atrapado entre las placas de la prensa. Otro equipo auxiliar incluye charolas contra fugas;, que retienen todo el drenaje, y cortinas de purga, que protegen contra las emisiones de Iodos a alta presión cuando no sellan bien las placas. Típicamente, sé proporcionan cables o barras rompedoras de torta debajo de la prensa, que rompen la torta al ser descargada de las cámaras de las placas; esto facilita el manejo y disposición de la torta. SISTEMAS DE APOYO. Los sistemas de apoyo para el filtro prensa incluyen equipo para el acondicionamiento del lodo, alimentación del filtro, recubrimiento del medio filtrante, manejo de filtrado, lavado de medio filtrante y manejo de la torta. Con la excepción del sistema de recubrimiento del filtro, todos estos sistemas de apoyo son indispensables. Consideraciones de Diseño. Los principales elementos de diseño los constituyen: capacidad de reserva, disposición en planta y accesos, protección contra corrosión, sistema de acondicionamiento de Iodos, sistema de recubrimiento del medio filtrante, sistema de alimentación, sistema de lavado y manejo de torta. Cada uno de estos elementos se comenta a continuación. CAPACIDAD DE RESERVA. Un elemento crítico, pero que es pasado por alto a veces en cuanto al manejo de torta, es la capacidad de reserva. Aunque muchas instalaciones proporcionan suficiente capacidad de acondicionamiento de lodo, alimentación de la prensa y. equipo del filtro prensa, pueden carecer de reservas para el caso de un desperfecto del sistema de transporte de la torta seca. Las opciones disponibles son la instalación de equipo de reserva o tener disponible un método alternativo de disposición. DISPOSICIÓN EN PLANTA Y ACCESOS. El diseño de las instalaciones de desaguado con filtro prensa demandan un enfoque cuidadoso y metódico, así como atención a detalles, debido al tamaño y peso del equipo del filtro prensa y de los numerosos sistemas de apoyo. Tanto el tamaño del filtro prensa en sí, como el espacio libre a su alrededor, determinan el tamaño del cuarto. Un mínimo de 1.2 a 1.8 m de espacio libre normalmente es requerido en los extremos de la prensa, y un espacio de 1.8 a 2.4 m entre prensas típicamente es aconsejable. La altura deberá ser suficiente para permitir la remoción de las placas. PROTECCIÓN CONTRA CORROSIÓN. Debido a que los filtros prensan requieren de frecuente lavado, el área alrededor de la prensa deberá estar construida de materiales resistentes a la corrosión. Aún más vulnerables a la corrosión son los dispositivos para el manejo de los químicos a granel y preparación de soluciones para acondicionamiento químico; por consiguiente, se requieren sistemas de tubería resistentes a la corrosión.

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SISTEMA DE ALIMENTACIÓN. El sistema de alimentación deberá entregar el lodo influente acondicionado y floculado al filtro prensa bajo requerimientos variables de gasto y presión. Como buena práctica, el diseño del sistema de alimentación completará el ciclo inicial de llenado al lograr una presión de 69 a 138 kPa (10 a 20 psig) en un lapso de 5 a 15 minutos, para minimizar la formación de torta dispareja. Después del periodo inicial de llenado, a medida que se está formando la torta, la resistencia a la filtración aumenta, lo cual requiere de presiones más elevadas para alimentar la prensa. Durante este periodo, el sistema de alimentación deberá proporcionar una tasa de alimentación relativamente constante, a una presión continuamente en aumento hasta llegar a la presión máxima de diseño. Cuando la presión del sistema alcanza el punto de diseño, la tasa de alimentación de lodo disminuye para mantener una presión constante en el sistema. SISTEMA DE LAVADO. El lavado del medio filtrante es, indispensable para la buena operación de la prensa. Este remueve los residuos que permanecen después de la descarga normal de la torta, y las escamas y sólidos acumulados detrás del medio filtrante sobre la superficie de drenaje de las placas. El método menos costoso y utilizado más comúnmente es el lavado con aspersión de agua con una unidad portátil. MANEJO DE TORTA. Los requerimientos de manejo de torta dependen del método de disposición final del lodo. Cuando se utilizan camiones para acarrear la torta, el procedimiento más sencillo consiste en dejar caer la torta directamente sobre el camión. Deficiencias Comunes de Diseño. Las deficiencias de diseño observadas con mayor frecuencia en los filtros prensa se relacionan con redundancia, limpieza y acceso al mantenimiento. REDUNDANCIA. Como ya se ha anotado, una consideración crítica de diseño, pero pasada por alto a veces, es la capacidad de reserva. Muchas instalaciones de filtros prensa proporcionan suficiente equipo de reserva para asegurar que el sistema de acondicionamiento de lodo, sistema de alimentación y filtro prensa puedan continuarla operación en caso de falla en alguna unidad. Sin embargo, el sistema de manejo de la torta seca tiene muchos "cuellos de botella", que pueden parar totalmente la operación si el transportador falla. Aunque la mayoría del equipo para el manejo de torta, particularmente los transportadores, son confiables, y el costo de proporcionar equipo en reserva es sustancial, las consecuencias pueden ser severas si el lodo no se puede desaguar debido a una falla en el .sistema de manejo de torta. En lugar de utilizar equipo en reserva, se puede proporcionar un método alternativo de disposición (por ejemplo, un transportador alternativo o sitio de descarga para poner la torta en camiones). LIMPIEZA. El diseñador deberá reconocer que los sistemas de transporte de torta siempre representan un problema de limpieza mayor. Cada punto de transferencia de

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torta en el transportador proporciona una oportunidad para rebotar, rodar, regar o colgar el material de la torta. La corrida de retorno de la banda transportadora continuamente desprende material que no ha sido removido en el punto de descarga. Los rompedores de torta dispersan las partículas de torta en muchas direcciones, por las aberturas o rendijas más pequeñas. Se pueden tomar varias precauciones para minimizar los problemas de limpieza relacionados con los sistemas de transporte. El número de puntos de transferencia de torta y la distancia de caída en cualquier punto de transferencia pueden ser reducidos. Se pueden proveer toboganes de descarga de material flexible en cada punto de transferencia, para contener las partículas de torta. Se pueden instalar faldones en los transportadores dé banda para ayudar a contener la torta sobre el transportador. 'Debajo de los transportadores, el diseño puede incluir charolas más anchas que la banda para recolectar cualquier derrame y pueden estar diseñadas en forma de V o media caña con pendiente para servir de drenes para el agua de lavado. ACCESO PARA MANTENIMIENTO. El tamaño del cuarto de filtros prensa depende no sólo del tamaño de los filtros, sino también del espacio libre alrededor de las prensas, necesario para facilitar la liberación de la torta, remoción de placas y mantenimiento rutinario. Un mínimo de 1 a 2 m de espacio libre es requerido generalmente en los extremos de las prensas; de 2 a 2.5 m entre cada filtro es típico. Una plataforma elevada, sobre un costado de la prensa, permite al operador acceso para liberar la torta e inspección. El costado de la prensa, opuesto a la plataforma, deberá permanecer abierto para permitir acceso al equipo. En el caso de múltiples prensas, las buenas prácticas de diseño normalmente proporcionan una plataforma común entre cada par de prensas. Deberá existir suficiente espacio libre cerca de las prensas para almacenar placas y telas de repuesto, así como otras refacciones. El acceso para la carga de los camiones deberá ser suficiente para permitir la entrada a diferentes tamaños de vehículos, un espacio libre mínimo de 4.0 m es sugerido. Los caminos de acceso en las áreas de carga, que permiten la entrada de los camiones en ambos sentidos, son preferibles a los de un solo sentido, que requieren maniobras en reversa. La disposición del edificio normalmente deber permitir la instalación y remoción de los filtros prensa; generalmente se incluyen previsiones para la instalación de prensas futuras en el diseño de los edificios. Las aberturas para el equipo están dimensionadas para permitir el paso de los principales componentes de las prensas, como el extremo fijo, extremo móvil y barras de soporte de placas. También es indispensable una grúa tipo puente con capacidad para levantar el componente individual más pesado de la prensa, para permitir su remoción, reposición o inspección. Seguridad. La principal preocupación de seguridad es el movimiento inadvertido de la máquina mientras se le esté dando servicio. La medida preventiva más común es la cortina ligera mencionada anteriormente. Además, un cable de maniobra localizado a lo largo del costado operativo de la prensa es utilizado para permitir al operador parar manualmente el zarandeado de placas. Otras consideraciones de seguridad incluyen

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protección de sobrepresurización, almacenaje y manejo adecuado de químicos, y ventilación adecuada. 4.8.2.4.Filtro de Vacío En la filtración de Iodos se requiere un diferencial de presión, a través de un medio filtrante, para lograr que el agua del lodo atraviese el medio y que los sólidos se retengan y formen una torta. La diferencial de presión en la filtración al vacío es el vacío que se aplica al medio filtrante en el lado opuesto al de la aplicación de los Iodos. La mayoría de los filtros de vacío emplean un tambor rotatorio con medio filtrante en su superficie (Figura 4.12). El tambor está sumergido parcialmente (10 al 50%) en un depósito de lodo. El lodo puede estar sujeto a agitación para mantener los sólidos en suspensión. El tambor gira alrededor de un eje horizontal. El vacío aplicado en el interior de la superficie del tambor succiona al filtrado a través del medio filtrante y de la torta hacía la tubería de recolección. El flujo de filtrado se controla mediante una válvula de tiempo localizada en un extremo del tambor a lo largo del eje de rotación. Una, revolución completa del tambor se divide en tres fases: toma o formación de la torta, secado de la torta y descarga de la torta. La etapa de formación de la torta tiene lugar mientras el tambor está sumergido en el depósito de lodo. El lodo húmedo se colecta en él medio filtrante debido al vacío aplicado en la superficie del tambor. La etapa de secado de la torta se inicia cuando el lodo colectado en la superficie del tambor sale del depósito y se expone al aire. El vacío se mantiene y el aire que pasa a través del lodo lo desagua y asiste en el secado. En la fase de descarga de la torta no hay vacío y la torta se descarga del filtro por diferentes métodos, dependiendo del tipo de equipo.

Figura 4.10 Vista lateral de un filtro prensa de marcos y placas

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Figura 4.11 Corte de un filtro de placas y marcos

Figura 4.12 Filtro de vació rotatorio

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El lavado del medio filtrante después dé le descarga de la torta se lleva a cabo en casi todos los filtros de vacío. Este lavado remueve las partículas sólidas y los agentes acondicionadores que podrían taponar las aberturas del medio filtrante y se realiza generalmente con una aspersión a alta presión. Una variación del filtro de vacío es el filtro de tambor de alimentación superior. En este tipo de filtro el lodo se alimenta por la parte superior mediante una tolva localizada arriba del tambor. Una ventaja de este tipo de filtro, sobre los convencionales es que se logra el espesamiento del lodo en la tolva antes de pasar al filtro. Es también más barato ya que se requiere una tolva más pequeña que el depósito de lodo y no se requiere equipo de agitación del lodo. Existen también los filtros de banda al vacío, que son muy similares a los filtros de tambor; la diferencia es que emplean una banda de tela no adherida al tambor y que se mueve junto con el tambor. Durante el ciclo de descarga la banda es separada hacia afuera del tambor por medio de un mecanismo de rodillos. A medida que la banda da vuelta en un ángulo agudo sobre el rodillo de descarga la torta se rompe y se separa. Después de la separación la banda se lava por aspersión en ambas caras antes dé regresar a la cara del tambor y al depósito de lodo. Los filtros al vacío horizontales también se han utilizado en el tratamiento de Iodos de plantas potabilizadoras. El lodo se alimenta por la parte superior por medio de una caja de alimentación diseñada para distribuir uniformemente el lodo a través de la superficie del filtro. A medida que la banda se mueve a lo largo del filtro una serie de cajas de vacío succionan el filtrado a través del medio filtrante y hacia depósitos del filtrado. La torta se descarga al final de la unidad mediante una vuelta aguda del medio filtrante sobre el rodillo del extremo. El medio filtrante se puede lavar en la parte inferior del equipo. Consideraciones de Diseño La filtración al vacío es, en general, un proceso continuo; el abastecimiento constante de lodo produce una descarga continua de torta y de filtrado. Generalmente se requieren ayudas de filtración para desaguar más económicamente un lodo de coagulantes usando un filtro de vacío. Las ayudas de filtración convencionales incluyen a los polímeros y a la cal. Al tratar Iodos difíciles de desaguar puede ser necesario el pre-recubrimiento del medio filtrante para evitar el taponamiento. El pre-recubrimiento interrumpe el proceso continuo ya que se requiere un periodo de preparación para recubrir el medio filtrante antes de la filtración del lodo. Al pre-recubrir, el tambor gira lentamente (normalmente de 5 a 12 revoluciones por minuto) en un depósito de material de recubrimiento, (generalmente tierra diatomácea, ceniza de alto horno, o cal) para obtener una capa de recubrimiento de 5 a 7.5 cm de espesor. El tiempo necesario para el recubrimiento es de 50 a 60 minutos.

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Después de formar la torta de recubrimiento, se procede con el ciclo de filtración y la torta de lodo se acumula contra la parte de afuera de la superficie de la torta de recubrimiento. Una cuchilla automática avanza continuamente a un tasa predeterminada de aproximadamente ,0.0025 a 0.075 cm/minuto. La cuchilla remueve la torta de lodo y una pequeña cantidad de material de recubrimiento. Cuando el material de recubrimiento se acaba. o llega a un espesor mínimo, el proceso de filtración se detiene hasta que se haya aplicado un nuevo recubrimiento. La duración del ciclo es una consideración crítica de diseño y de operación la cual puede afectar significativamente el rendimiento de un filtró de vacío. La torta de lodo se empieza a partir (rompiendo por lo tanto el vacío) en un tiempo de secado un poco menor que el tiempo de formación. Por lo tanto, es ventajoso establecer la duración del ciclo tomando lo anterior en cuenta, lo cual normalmente dicta una sumergencia alta del tambor en el depósito de lodo. Se ha demostrado que con tiempos largos de formación, el espesor de la torta se incrementa y la producción se reduce. La optimización de ambos parámetros, espesor de la torta y rendimiento, se ha logrado usando un espesor de la torta de 1.0 a 1.5 cm. Las tortas más delgadas se parten más pronto causando una ruptura del vacío. El sistema de vacío para un filtro a vacío incluye una bomba de vacío y un receptor del vacío. La bomba de vacío suministra el diferencial de presión necesaria a través del medio filtrante. El receptor del vacío es un tanque que separa el filtrado del aire jalado por la bomba de vacío durante la etapa de secado de la torta. Se permite que el aire continúe a través del tanque de recepción del vacío hasta la bomba de vacío mientras que el filtrado se almacena para ser subsecuentemente bombeado mediante la bomba de filtrado. Las bombas de vacío requieren generalmente proporcionar un vacío de 250 a 625 mm de Hg. Los receptores de vacío se diseñan para proporcionar una velocidad del aire de 1.2 m/seg y una capacidad suficiente para de 2 a 3 minutos de retención del aire y de 4 a 5 minutos de retención del filtrado. El sistema de alimentación de lodo incluye una bomba de alimentación y el depósito de lodo. Las bombas de alimentación se requieren para suministrar el lodo al filtro al vacío a una tasa especificada y son por lo tanto del tipo de desplazamiento positivo. Las bombas de alimentación se controlan generalmente para mantener un nivel de líquido en el depósito de lodo. Consideraciones de Operación Las variables de operación de un filtro al vacío incluyen la duración del ciclo, la tasa de alimentación del Iodo, el nivel de lodo en el depósito, el vacío aplicado y el acondicionador de lodo y los agentes de pre-recubrimiento. Hasta cierto punto la selección del medio filtrante es una variable de operación, pero generalmente la selección se lleva a cabo durante la fase de diseño.

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La duración del ciclo también se puede variar cambiando la velocidad rotacional del tambor. También, cambiando el nivel de lodo en el depósito, se cambia la relación entre el tiempo de formación y el tiempo de duración del ciclo. El depósito de lodo tiene una curvatura que hace juego con la curvatura del tambor y está diseñada para proporcionar el lodo al filtro al vacío. El lodo se agita suavemente (de 11 a 15 golpes/minuto) para mantener a los sólidos en suspensión y asegurar una mezcla homogénea.

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5.DISPOSICIÓN FINAL DEL LODO Las opciones disponibles para la disposición final de los Iodos de plantas potabilizadoras sondas siguientes:

• descarga a los cuerpos receptores • descarga al sistema de alcantarillado • disposición en un relleno sanitario • disposición en el terreno • recuperación de subproductos

5.1.DESCARGA DIRECTA A CUERPOS RECEPTORES Esta es la forma de disposición más usada en México. La descarga incluye tanto las purgas de los clarificadores, como la corriente de agua de lavado de filtros. En las plantas construidas recientemente esta descarga ha disminuido significativamente en volumen y no tanto en masa, al recircularse el agua de lavado de filtros al influente de la planta. La razón de esta recirculación ha sido la recuperación del agua, no el control de la contaminación del cuerpo receptor. De acuerdo con la legislación mexicana vigente para poder realizar una descarga a un cuerpo receptor se requiere un permiso de descarga de la Comisión Nacional del Agua. Este permiso incluye las condiciones particulares de descarga. Las condiciones particulares de descarga se determinan en base a los Criterios Ecológicos de Calidad del Agua, a los usos del cuerpo receptor, y a las características de gasto y calidad del agua del cuerpo receptor. Las condiciones se determinan de tal forma que las características de calidad del cuerpo receptor con la incorporación de la descarga no sobrepasen los Criterios Ecológicos para el uso del agua en el cuerpo receptor. Las concentraciones reportadas de algunos parámetros del lodo de sulfato de aluminio se presentan en la siguiente tabla, comparadas con los valores de las condiciones particulares de descarga típicas:

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Uso del cuerpo receptor Concentración máxima Aluminio Fierro Manganeso Sólidos suspendidos totales (Corriente superficial) mg/l mg/I mg/l mg/l Condiciones particulares de descarga típicas Fuente de abastecimiento 2 3 0.5 100 de agua potable Riego agrícola 10 50 2 100 Protección de la vida 2 3 0.5 100 acuática Concentraciones típicas de los lodos químicos Lodo de sulfato de 645 a 808 222 a 2,567 46.5 a 73.9 1,000 a aluminio 40,000 Agua de retrolavado de 30 a 80 10 a 25 100a 500 sulfato de aluminio La alta concentración de fierro se debe a las impurezas del sulfato de aluminio que se utiliza como coagulante. De acuerdo a los valores anteriores la descarga de Iodos de plantas potabilizadoras o del agua de retrolavado a los cuerpos receptores no puede realizarse sin tratamiento previo. 5.2.DESCARGA AL SISTEMA DE ALCANTARILLADO Este método de disposición se utiliza en México cuando la planta potabilizadora se encuentra dentro del área urbana, ya que es la solución más sencilla. Sin embargo el gasto de los Iodos debe igualarse para no sobrecargar las atarjeas del alcantarillado, además de que las purgas de los clarificadores pueden ser muy espesas. Si se instala un tanque de balance la descarga se puede hacer de manera de no sobrecargar el sistema de alcantarillado. La norma NOM-CCA-031-ECOL/1993, aún cuando no se refiere a los residuos de las plantas potabilizadoras, sirve de indicador de la calidad que se puede descargar a un sistema de alcantarillado. Los efectos de la descarga de residuos de plantas potabilizadoras en los procesos de las plantas de tratamiento de aguas residuales incluyen:

• toxicidad a los procesos biológicos • remoción o incremento de los sólidos suspendidos • remoción o incremento de la materia orgánica • remoción de fósforo

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La toxicidad se presenta principalmente por el contenido de metales pesados en los residuos de las plantas potabilizadoras. Las concentraciones sobre las cuales se pueden presentar efectos en el proceso de Iodos activados se presenta a continuación: lón metálico Concentración , mg/l Tipo de lodo activado Cadmio 1 Carbonácea Cadmio 5 Nitrificación Cobre 1.0 - 10.0 Carbonácea Cobre 1 Nitrificación Cromo hexavalente 10 Carbonácea Cromo hexavalente 1 Nitrificación Cromo trivalente 10 Carbonácea Fierro (férrico) 15 Carbonácea Níquel 1.0 - 2.5 Carbonácea Níquel 1 Nitrificación Plata <0.03 Carbonácea Plomo 10 Carbonácea Vanadio 10 Carbonácea Zinc 2 Carbonácea Zinc 1 Nitrificación Otras sales de interés son los nitratos, sobre todo en plantas que incluyan la remoción de nutrientes. La adición de los sólidos suspendidos de los residuos de plantas potabilizadoras tiene el efecto de aumentar el contenido de sólidos suspendidos y la turbiedad en el efluente del sedimentador primario, Por otro lado la adición de los sólidos tiene el efecto de disminuir la demanda bioquímica de oxígeno del efluente debido a la adsorción de materia orgánica en el flóculo de sulfato de aluminio que sedimenta en el tanque de sedimentación. Una situación similar se puede presentar con los Iodos de hidróxido de aluminio. Los sólidos de hidróxido reducen, aún cuando no de manera significativa, la concentración de fósforo en el efluente del primario. Los sólidos de plantas de ablandamiento tienen un efecto similar a los de hidróxido en el primario elevando la concentración de sólidos en el efluente, sin embargo no reducen el contenido de fósforo. Se tienen efectos negativos por la adición de los residuos de las plantas potabilizadoras en el caso de plantas de tratamiento biológico sin sedimentación primaria, ya que los sólidos impactan directamente sobre el tratamiento biológico. El mayor efecto de la descarga de residuos en el drenaje los resiente el sistema de manejo de Iodos de la planta de tratamiento de aguas residuales por el incremento

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en la masa y volumen de Iodos correspondiente a los Iodos de la planta potabilizadora. Es decir el problema del manejo se transfiere a la planta de tratamiento de aguas residuales. 5.3.DISPOSICIÓN EN UN RELLENO SANITARIO El primer aspecto a considerar para este método de disposición, es el traslado de los Iodos de la planta a las instalaciones del relleno sanitario. Para poder transportarse en camiones el lodo de sulfato de aluminio debe tener una consistencia semisólida, la cual se alcanza con un contenido de sólidos mayor al 20%. Para la aceptación de los Iodos de la potabilizadora en un relleno sanitario municipal de residuos sólidos, deberá demostrarse que los dichos Iodos no son peligrosos, mediante la aplicación de la norma NOM-CRP-001-ECOL/93. Esta regulación esta ligada con la producción de lixiviados. E1 requisito incluido en la norma mencionada es prácticamente el único que actualmente se exige en México para admitir un residuo en un relleno sanitario municipal; sin embargo, a medida que la operación de los rellenos mejore, se exigirán algunos requisitos adicionales que pueden ser:

• Contenido mínimo de sólidos • Agua libre mediante la prueba del filtro para pintura • Relación mínima de lodo a basura • Manejabilidad del lodo con maquinaria

En un relleno específico para Iodos de la planta potabilizadora, los dos principales métodos de disposición en rellenos sanitarios son rellenados por trincheras o por área. El relleno por trincheras se puede subdividir en trincheras angostas o anchas. El relleno por área se divide en tres diferentes tipos: por montículos, por capas o por diques. El método seleccionado se determina por el contenido de sólidos del lodo, la estabilidad del lodo, la hidrogeología del sitio (localización del manto freático y manto rocoso), pendiente del terreno y disponibilidad de terreno. 5.3.1.Relleno por Trincheras En los rellenos por trincheras, los Iodos se acomodan completamente por debajo del nivel del suelo. La profundidad de las trincheras depende de la profundidad del manto freático y de la mano rocosa; se debe mantener una distancia mínima, con una capa de suelo que sirva de amortiguador, entre los Iodos y el substrato. La profundidad de las trincheras depende también de la estabilidad de las paredes de las trincheras y de las limitaciones de equipo. Las trincheras angostas, de menos de 3 m de ancho, se utilizan generalmente para Iodos con bajas concentraciones de sólidos que no podrían soportar ningún tipo de manejo con equipo pesado, es decir, las trincheras angostas proveen un método económico para la disposición de Iodos muy húmedos, sin embargo los requerimientos de terreno y la pobre utilización del

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mismo, así como la cantidad de espacio entre cada una de las trincheras, son las principales desventajas que presenta este método. Las trincheras anchas, hasta de 15 m de ancho, se usan para Iodos con concentraciones de sólidos lo suficientemente altas como para soportar el manejo con equipo pesado. La principal ventaja de las trincheras anchas sobre las trincheras angostas es el mejor aprovechamiento del terreno, ya que se requiere un menor número de trincheras para manejar la misma cantidad de lodo. Una desventaja es que los Iodos deben ser descargados directamente sobre el suelo de la trinchera, por lo que se requiere acceso para los camiones. La disposición en rellenos de trincheras tiene la ventaja que los camiones pueden descargar los Iodos desde terreno firme, mientras que una excavadora hidráulica que se encuentre dentro de la trinchera lo acomoda y compacta. Las trincheras son relativamente rápidas y fáciles de construir, lo que minimiza los costos de construcción. La planeación y diseño de un relleno de lodo por trincheras requiere que se determinen los siguientes parámetros para poder predecir el área requerida para un plan de disposición a largo plazo:

• Espesor de la cobertura • Profundidad de la excavación • Longitud • Orientación • Profundidad del relleno de lodo • Espaciamiento • Anchura

El espesor de la cobertura final depende del ancho de la trinchera y del tipo de equipo que se utilizará en las operaciones de cubierta. Se debe hacer notar que no se requiere una cobertura diaria para el control de olores cuando se está rellenando con Iodos de plantas potabilizadoras. Los factores que influyen para determinar la profundidad de la excavación incluyen: localización de las aguas subterráneas y manto rocoso, permeabilidad del suelo, capacidad de intercambio fónico del suelo, limitaciones de equipo y estabilidad de las paredes del relleno. La longitud de las trincheras está limitado por el contenido de sólidos del lodo y por la pendiente del terreno; se deben construir trincheras cortas o con diques para retener los lodos cuando tienen muy bajo contenido de sólidos. Para una utilización óptima del terreno, las trincheras deben estar orientadas paralelamente una de la otra. La estabilidad de las paredes del relleno, además de controlar la profundidad de las trincheras, ayuda a determinar el espaciamiento entre cada una de ellas.

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5.3.2.Relleno por Área A diferencia del relleno por trincheras, donde el lodo se dispone debajo del nivel del suelo, en el relleno por área los Iodos se disponen sobre el nivel del suelo. El relleno por área se puede llevar a cabo por tres formas diferentes: • Montículos, donde los Iodos se mezclan con tierra para que esté lo

suficientemente estable como para formar montículos. Después de haber apilado el lodo en montículos de aproximadamente 1.80 m, se cubren con por lo menos 1 m de material de cobertura.

• Capas, donde los Iodos se esparcen en capas de aproximadamente 15-30 cm sobre una gran superficie de terreno, lo que proporciona secado adicional de los Iodos y ayuda a obtener una concentración más alta de sólidos; este método es favorable para aquellos Iodos que no se pueden desaguar fácilmente.

• Diques, donde se construyen paredes con tierra para formar diques de contención que puedan almacenar el lodo. Los diques se pueden rellenar utilizando el método de montículos o el de capas. Se deben construir caminos de acceso para que los camiones puedan descargar los Iodos directamente en los diques.

Aunque el contenido de sólidos no está limitado para los rellenos por área, el requerimiento es que el lodo sea capaz de soportar el manejo con equipo pesado debido a que no se tienen medios para contener Iodos poco estables. Estas características se pueden adquirir mediante un buen desaguado de los Iodos. 5.3.3.Consideraciones Ambientales La contaminación del agua subterránea es una de las principales preocupaciones para la determinación del sitio adecuado para el relleno, es por eso que se requieren líneas bajo el relleno para llevar un control de los escurrimientos del relleno. Los controles de diseño pueden prevenir los impactos adversos ocasionados al ambiente por el lixiviado de substancias contaminantes y por la generación de gas metano. Otras preocupaciones, como la generación de olores y polvos, se pueden controlar mediante estrategias de operación, más que de diseño. Se pueden minimizar la generación de lixiviados mediante un diseño adecuado de drenajes. La pendiente del relleno debe ser suficiente como para drenar adecuadamente el agua de lluvia y los escurrimientos de lluvia deben ser colectados y desviados alrededor del relleno mediante tuberías y diques. Se puede controlar la contaminación con lixiviados del agua, ya sea subterránea o superficial, mediante la implementación de las siguientes estrategias de diseño:

• Evaluar las condiciones hidrogeológicas y topográficas naturales y analizar las probabilidades de atenuar la contaminación

• Uso de suelos importados

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• Uso de cubiertas • Uso de sistemas de colección de lixiviados y sistemas de tratamiento

La profundidad del manto freático y la conductividad hidráulica del suelo subterráneo son las principales características hidrogeológicas del sitio que afectan la retención de los lixiviados. En general, unas características favorables del suelo son: un alto contenido de arcilla, una alta capacidad de intercambio catiónico y un pH relativamente alto. 5.4.APLICACIÓN AL TERRENO Los Iodos de plantas potabilizadoras son de poco valor agronómico. Los Iodos de ablandamiento se utilizan como mejoradores de suelos ácidos por el pH alto que tienen y por su capacidad amortiguadora. Los Iodos de hidróxido, por otra parte, pueden secuestrar el fósforo presente en el suelo y por lo tanto pueden tener efectos adversos en los cultivos. En los suelos donde se aplican es necesario añadir fósforo para compensar por ese efecto. Otra consideración que se debe tomar en cuenta es la concentración de metales pesados en los sólidos de los residuos de plantas potabilizadoras. La norma de los Estados Unidos de América para disposición de Iodos de aguas residuales en suelos agrícolas, la cual es aplicable en este caso, establece los límites siguientes, en comparación con el contenido de metales de los Iodos de hidróxido, en 3 diversas plantas:

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Metal Lodo de Lodo de Lodo Concentraciones sulfato de sulfato de férrico 3 máximas de aluminio 1 aluminio 2 (mg/kg en metales pesados (mg/kg en (mg/kg en peso en el lodo peso seco). peso seco). seco), aceptables en la Planta 1 Planta 2 Planta 3 disposición de lodo en terrenos agrícolas (mg/kg en peso seco) Aluminio 107,000.0 123,000.0 28,600.0 Arsénico 25.0 32.0 9.2 41 Bario 30.0 <30.0 230.0 Cadmio 1.0 1.0 2.0 39 Cromo 120.0 130.0 50.0 1,200 Cobre 168.0 16.0 52.0 1,500 Fierro 48,500.0 15,200.0 79,500.0 Plomo 11.0 9.0 40.0 300 Manganeso 1,180.0 233.0 4,800.0 Mercurio 0.1 <0.1 0.2 17 Molibdeno 18 Níquel 24.0 23.0 131.0 420 Selenio <2.0 <2.0 <2.0 36 Plata <2.0 <2.0 <2.0 Zinc 91.7 393.0 781.0 2,800 5.5.RECUPERACIÓN DE SUBPRODUCTOS 5.5.1.Recuperación de coagulantes Las sales de aluminio y fierro que se utilizan como coagulantes en la potabilización del agua forman, a pH cercano al neutro, flóculos de material polimérico de hidróxidos de los metales, que una vez sedimentados, producen unas suspensiones de lodo gelatinoso las cuales son difíciles de espesar y desaguar. Esta dificultad estriba en que los hidróxidos de los metales tienen una gran cantidad de agua atrapada dentro de la matriz de hidróxido. Por otra parte estos hidróxidos tienen una gran solubilidad en condiciones alcalinas y ácidas fuertes. Esta situación tiene el potencial de remover los polímeros de hidróxido de las suspensiones de lodo con dos efectos benéficos:

• reducción del volumen y de la masa de lodo producido en la potabilizadora • uso benéfico del metal del coagulante

La recuperación de coagulante se puede ver, por lo tanto, desde dos puntos de vista. El primero es considerar la adición de ácido o álcali como una técnica de

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acondicionamiento del lodo para mejorar sus características de espesamiento, desaguado y reducción de los residuos. Otro enfoque es el de maximizar la recuperación y reuso del metal del coagulante presente en los lodos. La recuperación del coagulante se ha logrado en plantas de los Estados Unidos y de Japón. Actualmente están en operación los sistemas de recuperación de coagulante en una planta de los Estados Unidos de América y 7 de Japón. El método usado para la extracción de los coagulantes del lodo es la aplicación de ácido sulfúrico. La cantidad de ácido requerida para la extracción es función de la concentración del metal en el lodo, la concentración de sólidos en suspensión y la concentración de otros componentes del lodo que demandan ácido, incluyendo la materia orgánica. El pH de la extracción varía de 2 a 3 cuando se pretende recuperar el coagulante. Cuando la adición del ácido es con fines de acondicionamiento del lodo el pH es de alrededor de 4. El tiempo de retención de la extracción es de 10 a 20 minutos. La concentración del coagulante recobrado varía de 58 a 3,700 mg/I para aluminio y de 2,200 a 6,400 mg/I para fierro. La calidad del coagulante recuperado depende de la calidad del coagulante de primer uso. Los compuestos que se presentan con mayor frecuencia en el coagulante recuperado incluyen manganeso, fierro (en el de aluminio) y carbón orgánico soluble. La recirculación de los contaminantes del coagulante extraídos junto con el metal deseado es motivo de preocupación, aún cuando en las plantas en operación no se han presentado este tipo de problemas. De cualquier manera si se pretende recircular el coagulante se debe tener cuidado con los trihalometanos, el color residual, los compuestos orgánicos, y los metales pesados. La viabilidad económica de la recuperación de coagulante, no se ha demostrado en forma concluyente, razón por la cual su práctica no se ha extendido, y debe estudiarse en cada caso en particular ya que depende de la composición del agua cruda, la dosis relativa de coagulante, y los costos de tratamiento y disposición de los Iodos. Este último costo depende, sobre todo, de las normas que se tengan que cumplir para la disposición de los Iodos.

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5.5.2.Recuperación de cal La recuperación de la cal se lleva a cabo mediante la recalcinación. En este proceso el lodo de ablandamiento, el cual consiste principalmente de carbonato de calcio, se desagua y se calcina para producir óxido de calcio (cal viva). Actualmente en 7 plantas potabilizadoras de los Estados Unidos de América se lleva cabo la recuperación de cal. De acuerdo a las reacciones que ocurren en el ablandamiento del agua es posible producir dos veces más cal que la que se agrega en el proceso:

CaO + Ca (HCO3)2 = 2 CaOC3 + H2O (19) En la recalcinación este carbonato de calcio producido en el lodo se desagua y calienta para producir cal:

2 CaCO3 + calor = 2 CaO + 2 CO2 (20) Sin embargo en la práctica solo se puede producir un exceso de cal de 20%. Uno de los problemas que ha evitado que el uso de la recuperación de cal se haya extendido es que las impurezas hacen que el proceso sea ineficiente o que el producto resultante 'no sea de la calidad deseada. Estos contaminantes que no se volatilizan durante la calcinación se incrementan con el reciclaje, causando problemas tanto en el apagado de la cal como en la calcinación. La impureza más común en el ablandamiento de agua subterránea es el magnesio y algunas veces la sílice. En el caso de las aguas superficiales las impurezas son los sólidos suspendidos y los hidróxidos de los coagulantes empleados. El primer paso para la recuperación de la cal es la purificación del Iodo. Esto se logra mediante uno o dos pasos de centrifugación aprovechando la diferencia en la densidad del carbonato de calcio y las impurezas. Este procedimiento se utiliza para separar el hidróxido de magnesio del carbonato de calcio. Las pérdidas de carbonato en este paso son críticas para el proceso ya que la concentración mínima de carbonato de calcio en la calcinación debe ser de 91%. Después de la purificación el lodo de carbonato es desaguado mediante centrífugas y la torta resultante se calcina. Los hornos que se han usado para este proceso incluyen el rotatorio, el de calcinación flash, el lecho fluidizado y el de hogar múltiple. La viabilidad económica del proceso depende del grado de impurezas en el lodo, principalmente el magnesio, y del costo del combustible necesario para la calcinación del lodo. Para cada caso en particular debe realizarse un estudio económico antes de decidir sobre su aplicación.

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6.EJEMPLO DE DISEÑO 6.1.EJEMPLO 1 Dimensionamiento de la unidad de recuperación de agua de lavado de filtros y del manejo de los Iodos de una planta de clarificación Planta potabilizadora para clarificación, con un tren que consiste en mezcla rápida, floculación, sedimentación y filtración para cada módulo. La planta consiste de 2 módulos con una capacidad de 250 Ips por módulo. Cada módulo de filtración cuenta con 5 filtros, diseñados para operar con una carga de diseño de 205 m/día. Los filtros son de sección cuadrada, de 4.60 m por lado (21.16 m2 de área de filtración). El retrolavado se realiza con el agua producto de las demás unidades y se tiene un sistema de lavado superficial. La tasa de retrolavado es de 0.60 m/min durante 10 minutos, la de lavado superficial es de 0.14 m/min durante 5 minutos. En condiciones normales la carrera del filtro será de 24 horas. En las condiciones más críticas, cuando se tenga una muy mala calidad del agua cruda (por ejemplo al inicio de la temporada de lluvias), se carrera disminuirá a 12 horas. Por requerimientos de espacio se requiere construir un sistema de clarificación convencional con desinfección, para remover los sólidos y microorganismos retenidos en el retrolavado. El sistema contará con tanque de balance y sistema de transferencia de agua de retrolavado. 6.1.1.Datos de la Planta 6.1.1.1.Caudal de la planta:

Número de módulos 2 Caudal por módulo 250 Ips Caudal total 500 Ips Caudal total 43,200 m3/día Fuente de abastecimiento Agua superficial de presa La turbiedad del agua cruda 35 UNT.

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6.1.2.Tren de Procesos Caja de llegada Mezcla rápida Tipo y dosis de coagulante

Sulfato de aluminio 25 mg/l Polímero 1 mg/l Floculación Sedimentación convencional Filtración Desinfección con cloro Tanque de contacto con cloro El diagrama de flujo se presenta al final del ejemplo 6.1.3.Dimensionamiento de las Unidades 6.1.3.1.Producción de lodo en el sedimentados

Considerando una relación de sólidos suspendidos totales a turbiedad de 1.5 La concentración de sólidos suspendidos totales es de 1.5 x 35 = 52.5 mg/I

Utilizando los valores de la ecuación (4)

Los sólidos producidos por la dosis de sulfato de aluminio son: 0.44 x 25 = 11 mg/l El polímero produce: 1 mg/l El incremento de sólidos es de: 12 mg/l La concentración de sólidos que entra al sedimentados es de: 54.5 mg/l La masa de sólidos que entra al sedimentados es de: 2,786 kg/día Considerando que el sedimentados produzca un agua con una turbiedad de: 5 UNT Equivalente a una concentración de sólidos de: 7.5 mg/I Y considerando de acuerdo al punto 4.4 una concentración promedio de sólidos en la purga de: 1% Equivalente a: 10,000 mg/I

La masa que sale del sedimentados es igual al caudal de salida por la concentración de sólidos en la salida más él caudal de lodo por la concentración de sólidos en el lodo

Qs x 7.5/1000 + QI x10,000/1000 = 2,786

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El caudal de entrada a los sedimentados es igual al caudal de salida más el caudal de Iodos

Qs + QI = 43,200 La solución de las ecuaciones resulta en:

Qs = 42,954 m3/día

QI = 246 m3/día

La masa de sólidos en el efluente del sedimentados es: 322 kg/día

La masa de lodo es: 2,464 kg/día 6.1.3.2.Cálculo del caudal de agua de retrolavado El caudal de agua de lavado en condiciones normales de operación es:

Carrera del filtro, Cf 24 horas Número de filtros 5 por módulo Número de filtros, N 10 total Tasa de filtración, Tf 205 m/día Asea de cada filtro 21.07 m Tasa de lavado, Trl 0.6 m/min Duración del lavado, trl 10 min Tasa de lavado superficial, Tls 0.14 m/min Duración del lavado superficial, tls 5 min

El volumen de agua de lavado está dado por la ecuación (1):

Vrl = N A (Trl trl + Tls tls) 24/Cf

Vrl = 1,412 m3/día 6.1.3.3.Balance de masa de la planta sin considerar el caudal de recirculación Punt Caudal Turbiedad Sólidos Carga de m3/día UNT suspendidos suspendidos sólidos

totales totales kg/día mg/I %

1 43,200 35 52.5 0.0053% 2,268 2 43,200 64.5 0.0065% 21786 3 42,954 5 7.5 0.0008% 322 3 41,542 1 1.5 0.0002% 62 5 246 10,000 1.00% 2,464 6 1,412 123 184 0.0184% 260

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La ubicación de los puntos se muestra en el diagrama de flujo al final del ejemplo 6.1.3.4.Unidad de tratamiento del retrolavado

El caudal en condiciones normales de operación es: 1,412 m3/día El porcentaje de agua que se desecha en condiciones normales es de:

Caudal de purgas de lodo 246 Caudal de agua de retrolavado 1,412 Caudal total 1,658 Porcentaje 3.84%

Condiciones de alta turbiedad

Cf = 12 horas El volumen de agua de lavado está dado por:

Vrl = N A (Trl trl + Tls tls) 24/Cf

Vrl = 2,824 m3/día' El porcentaje de agua que se desecha en condiciones de alta turbiedad es de:

Caudal de purgas de lodo 246 Caudal de agua de retrolavado 2,824 Caudal total 3,070 Porcentaje 7.11 %

6.1.3.5.Estimación del volumen del tanque de balance Volumen de agua generado en cada retrolavado:

V = A (Trl x trl + Tls x tls)

V = 141.19 m3/lavado Se recomienda que el tanque de balance tenga capacidad mínima de almacenar de 2 a 3 retrolavados. Inciso 3.6. Dado que los dos módulos serán independientes, se podría presentar el lavado simultáneo de un filtro en cada módulo por lo que el volumen del tanque será suficiente para recibir dos retrolavados.

Vtanque de balance = 282.38 m3 Considerando un tirante de 4 m El tanque cilíndrico tendrá un diámetro de 9.48 m

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Durante las peores condiciones de operación se tendrán que realizar un total de veinte retrolavados por día. El tiempo disponible para transferir un retrolavado será

T = 24 hr/20 T = 1.2 hora Caudal de las bombas de transferencia (Qt):

Qt = V/T 117.66 m3/hora = 32.68 Ips Se consideran tres bombas de transferencia, dos en servicio y una en relevo. El gasto por bomba (Qb) será:

Qb = Qt/2 16.34 Ips Durante condiciones normales de operación el número diario de retrolavados se reducirá a la mitad, por lo que el servicio se realizará con una sola bomba. 6.1.3.6.Unidad de tratamiento Se consideran dos trenes de tratamiento. La capacidad total de tratamiento será 32.68 Ips; cada tren de tratamiento' tendrá una capacidad de diseño de 16.34 Ips: Se recomienda que el caudal a clarificación (Qc) que eventualmente es el caudal que retorna al proceso de tratamiento de agua, no sea mayor al 10% del caudal de diseño. Inciso 3.3.

Qc<0.10Q

32.68 Ips < 0.10 x 500 Ips = 50 Ips Las unidades de clarificación cumplirán con los siguientes criterios de diseño:

Número de unidades: dos Caudal de diseño por unidad: 16.34 lps, 1,412 m3/día.

En condiciones normales de operación las unidades trabajarán 12 horas al día. En condiciones de alta turbiedad las unidades trabajarán 24 horas al día.

Tipo de unidad: Integrada (floculación - clarificación)

Mezcla rápida: En línea Dosificación de químicos: 30 mg/I de Sulfato de

Aluminio Tiempo de floculación: 20 min

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Gradiente de velocidad: Variable, proporcionado por el cono de floculación

Tipo de Floculador: Integrado al tanque de clarificador

Tiempo de sedimentación: 1.50 HRS mínimo Carga superficial en sedimentación: 72 m/día.

Diseño preliminar del clasificador Floculador integrado: Área de sedimentación = 1,412 / 72 = 19.6 m2 Considerando un 15% adicional para acomodar el volumen de floculación, área total del tanque: A = 1.15 x 19.6 = 22.54 m2; por lo que el diámetro del tanque será aproximadamente de 5.40 m El tanque contará con agitador de velocidad variable para recircular lodo y completar la mezcla rápida, y mecanismo de rastras para recolección y concentración de Iodos. Las bombas del efluente tendrán la capacidad suficiente para transferir el flujo del clarificador a la caja de entrada de la planta potabilizadora. La dosis de coagulante será:

Sulfato de aluminio 30 mg/I Polímero 1 mg/I

El incremento de sólidos será:

Por sulfato 0.44 x 30 13.2 mg/I Por polímero 1 mg/I Total 14.2 mg/I

La turbiedad a la salida del clarifloculador será de: 15 UNT El agua recuperada será desinfectada en la línea de transferencia de los clarificadores mediante el uso de cloro.

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6.1.3.7.Balance de masa de la planta incluyendo la recirculación Punt Caudal Turbiedad Sólidos Sólidos Carga de

m3/día UNT s suspendidos suspendidos sólidos totales totales kg/día mg/I % 1 44,588 34.38 51.57 0.0052% 2,299 2 44,588 51.57 0.0052% 2,299 3 44,391 5 7.5 0.0008% 333 4 42,979 1 1.5 0.0002% 64 5 197 10,000 1.00% 1,966 6 1,412 127 190 0.0190% 268 7 1,412 190 0.0190% 268 8 1,388 15 22.5 0.0023% 31 9 24 10,000 1.00% 237 La ubicación de los puntos se muestra en el diagrama de flujo al final del ejemplo El porcentaje de agua que se desecha en condiciones normales es de:

Caudal de purgas de lodo 220 m3/día Caudal total 43,200 m3/día Porcentaje 0.51

6.1.4.Manejo del lodo 6.1.4.1.Espesador Del inciso 4.6.1 se tiene

Carga de sólidos 50 kg/m2/día Dosis de polímero 2.5 mg/I de polímero catiónico Concentración resultante 4.00% Carga de sólidos 2,204 kg/día

Se considera un tanque por módulo Area del tanque

A = 22.04 m2

Diámetro = 5.30 m

Profundidad = 3.5 m

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6.1.4.2.Lechos de secado

Tasa de evaporación anual 1,691 mm Espesor de lodo aplicado, D(i) 0.3 m Contenido de sólidos inicial, DS(i) 4.00% Contenido de sólidos final, DS(f) 30.00% Carga de sólidos 2,204 kg/día

Del inciso 4.8.1.1 se tiene Carga inicial. Utilizando la ecuación (11)

IA = 10 DS(i) D(i)

IA = 12 kg/m2 La profundidad final está dada por la ecuación (12):

D(f) = D(i) DS(i)/DS(f)

D(f) 0.04 m El cambio en la profundidad está dada por la ecuación (13):

DD = D(i) - D(f)

DD = 0.26 m La cantidad de agua drenada está dada por la ecuación (14), considerando un valor de P de:

P = 40% estimado

DD (u) = 0.12 m El cambio de espesor debido a la evaporación es, utilizando la ecuación (15):

DD(e) = D(i) - D(u) DD(e) = 0.18 m El tiempo necesario para evaporar el resto del agua está dado por la ecuación (16):

T = DD(e)/E

T = 0.1064 año = 1.28 meses El número de aplicaciones es de: 9 al año (ecuación 17)

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La producción de los lechos es por lo tanto de: Carga superficial = 113 kg/m2/año (ecuación 18) El área requerida para el lodo producido es de:

Area = 7,133 m2

6.1.4.3.Dimensionamiento de los lechos

Considerando lechos con un ancho de 10 m y una longitud de: 50 m El área de un lecho es de: 500 m2 Y el número de lechos es de: 14 lechos El volumen de lodo de un lecho es de: 150 m3 Y se llena en: 3 días Y debe desocuparse antes de: 39 días

Balance de masa de la planta incluyendo la recirculación y el tratamiento de Iodos Punt Caudal Turbiedad Sólidos Sólidos Carga de m3/día UNT suspendidos suspendidos sólidos totales totales kg/día mg/l % 1 44,588 34.38 51.57 0.0052% 2,299 2 44,588 51.57 0.0052% 2,299 3 44,391 5 7.5 0.0008% 333 3 42.979 1 1.5 0.0002% 64 5 1197 10,000 1.00% 1,966 6 1,412 127 190 0.0190% 268 7 1,412 190 0.0190% 268 8 1,388 15 22.5 0.0023% 31 9 24 10,000 1.00% 237 10 220 10,000 1.00% 2,204 11 54 40,000 .00% 2,171 12 166 200 0.0200% 33 13 33 0 0.0000% 0 14 14 200 0.0200% 3 15 7 300,000 30.00% 2,168

El caudal del agua que se vierte al drenaje es de: 180 m3/día 2.08 Ips

El lodo producido tiene un volumen de: 7 m3/día y un peso de: 2,168 kg/día

La disposición final será en el relleno sanitario de la localidad. En promedio se requiere un camión de 7 m3 de capacidad por día.

97

6.1.4.4.Diagrama de flujo de la planta

6.2.EJEMPLO 2 Dimensionamiento del tanque de balance para la recuperación de agua de lavado de filtros y de las unidades de manejo de los Iodos de una planta de ablandamiento Planta de ablandamiento con un tren que consiste en mezcla rápida, floculación, sedimentación y filtración para cada módulo. La planta consiste de 2 módulos con una capacidad de 100 Ips por módulo. Cada módulo de filtración cuenta con 4 filtros, diseñados para operar con una carga de diseño de 180 m/día. Los filtros son de sección cuadrada, de 3.46 m por lado (12 m2 de área de filtración). El retrolavado se realiza con el agua producto de las demás unidades y se tiene un sistema de lavado superficial. La tasa de retrolavado es de 0.90 m/min durante 8 minutos, la de lavado superficial es de 0.14 m/min durante 5 minutos.

98

6.2.1.Datos de la Planta 6.2.1.1.Caudal de la planta:

Número de módulos 2 Caudal por módulo 100 Ips Caudal total 200 Ips Caudal total 17,280 m3/día Fuente de abastecimiento Agua subterránea por

medio de pozos 6.2.1.2.Tren de Proceso

• Caja de llegada • Mezcla rápida • Floculación • Sedimentación convencional • Filtración • Desinfección con cloro • Tanque de contacto con cloro

El diagrama de flujo se presenta al final del ejemplo 6.2.1.3.Calidad del Agua

Parámetro Agua Agua Como CaCO3 cruda mg/I ablandada mg/I CO2 4 pH 7.2 Dureza total 429 169 Dureza de calcio 321 166 Dureza de magnesio 108 3 Dureza de no carbonatos 274 169 Alcalinidad total 155 0

6.2.2.Dimensionamiento de las Unidades 6.2.2.1.Producción de Iodos en los sedimentados Utilizando los datos del inciso 4.2.3, se tiene:

S= 86.4Q (FCaCa+FMg Mg +0.44AI+2.9 Fe +SS+A)

99

Producto químico Dureza carbonatada Dureza no carbonatada FCa FMg FCa FMg Cal y carbonato 2 2.6 1 1.583 Hidróxido de sodio 1 0.6 1 0.6 Producción de Iodos en el sedimentados, S = 8,301 kg/día Más la cal necesaria para el CO2 = 61 kg/día Más el exceso de cal para elevar el pH = 55 kg/día Producción total de lado = 8,417 kg/día Revisando las reacciones se obtiene = Dosis Lodo Reacción como producido CaCO3 kg/día Dosis de cal CO2 + Ca(OH)2 = CaCO3 + H2O 4 61 Ca(HCO3)2 +Ca(OH)2 = 2CaCO3 + H2O 155 5,357 MgSO4 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2 + CaSO4 108 1,084 Dosis de carbonato de sodio CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3 + Na2SO4 108 1,860 Recarbonatación Cal en exceso Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 +H2O 55 55 Suma 29 8,417 Se considera que el efluente de los sedimentados tendrá una concentración de 20 mg/I Se considera que el efluente de la planta tendrá una concentración de 2 mg/I Y considerando de acuerdo al punto 4.4 una concentración promedio de sólidos en la purga de: 5% equivalente a: 50,000 mg/I La masa que sale de los sedimentados es igual al caudal de salida por la concentración de sólidos en la salida más el caudal de lodo por fa concentración de sólidos en el lodo

Qs x 20/1000 + QI x 50,000/1000 = 8,417 El caudal de entrada a los sedimentados es igual al caudal de salida más el caudal de Iodos

Qs + QI = 17,280 La solución de las ecuaciones resulta en:

Qs = 17,119 m3/día

100

QI = 161 m3/día

La masa de sólidos en el efluente del sedimentador es: 342 kg/día La masa de lodo es: 8,075 kg/día

6.2.2.2.Cálculo del caudal de agua de retrolavado El caudal de agua de lavado es:

Carrera del filtro, Cf 24 horas Número de filtros 4 por módulo Número de filtros, N 8 total Tasa de filtración, Tf 180 m/día Area de cada filtro 12.00 m2 Tasa de lavado, Trl 0.9 m/min Duración del lavado, trl 8 min Tasa de lavado superficial, Tls 0.14 m/min Duración del lavado superficial, tls 5 min

El volumen de agua de lavado está dado por la ecuación (1): Vrl = N A (Trl trl + Tls tls) 24/Cf Vrl = 758.4 m3/día 6.2.2.3.Balance de masa de la planta sin recirculación Punto Caudal Sólidos Sólidos Carga de m3/día suspendidos suspendidos sólidos totales totales kg/día mg/I, % 1 17,280 0 0.0000% 0 2 17,280 487 0.0487% 8,417 3 17,119 20 0.0020% 342 4 16,361 2 0.0002% 33 5 161 50,000 5.00% 8,075 6 758 408 0.0408% 310 La ubicación de los puntos se muestra en el diagrama de flujo al final del ejemplo

101

6.2.2.4.Tanque de balance El porcentaje de agua que se desecha en condiciones normales es de:

Gasto de purgas de lodo 161 Gasto de agua de retrolavado 758 Gasto total 920 Porcentaje 5.32%

6.2.2.5.Volumen de agua generado en cada retrolavado:

V = A (Trl x trl + Tls x tls)

V = 94.8 m3/lavado Se recomienda que el tanque de balance tenga capacidad mínima de almacenar de 2 a 3 retrolavados. Inciso 3.6. Dado que los dos módulos serán independientes, se podría presentar el lavado simultáneo de un filtro en cada módulo por lo que el volumen del tanque será suficiente para recibir dos retrolavados.

Tanque de balance = 189.60 m3 Considerando un tirante de 4 m El tanque cilíndrico tendrá un diámetro de 7.77 m

El tiempo disponible para transferir un retrolavado es, considerando que los filtros se lavan durante el día, (12 horas):

T = 12 hr/8 filtros T = 1.50 hora 6.2.2.6.Caudal de las bombas de transferencia (Qt):

Qt = V/T 63.20 m3/hora = 17.56 Ips Se consideran dos bombas de transferencia, una en servicio y una en relevo. El caudal por bomba (Qb) será:

Qb = Qt 17.56 Ips El caudal de recirculación es: 17.56 Ips' menor al 10 % del caudal de la planta 200 Ips

102

6.2.2.7.Balance de masa de la planta incluyendo la recirculación Punto Caudal Sólidos Sólidos Carga de m3/día suspendidos suspendidos sólidos

totales totales kg/día mg/I %

1 18,038 17.17 0.0017% 310 2 18,038 483.78 0.0484% 8.727 3 17,871 20 0.0020% 357 4 17,113 2 0.0002% 34 5 167 50,000 5.00% 8,369 6 758 426 0.0426% 323 La ubicación de los puntos se muestra en el diagrama de flujo al final del ejemplo El porcentaje de agua que se desecha es de:

Caudal de purgas de lodo 167 m3/día Caudal total 17,280 m3/día Porcentaje 0.97%

6.2.3.Manejo del lodo 6.2.3.1.Lechos de secado

Tasa de evaporación anual 1,691 mm Espesor de lodo aplicado, D(i) 0.3 m Contenido de sólidos inicial, DS(i) 5.00%

Como el lodo contiene magnesio la concentración máxima será:

Contenido de sólidos final 25.00% Carga de sólidos 8,369 kg/día

Del inciso 4.8.1.1 se tiene Carga inicial. Utilizando la ecuación (11)

IA = 10 DS(i) D(i)

IA = 15 kg/m2 La profundidad final está dada por la ecuación (12):

D(f) = D(i) DS(i)/DS(f)

D(f) = 0.06 m

103

El cambio en la profundidad está dada por la ecuación (13):

DD = D(i) - D(f)

DD = 0.24 m La cantidad de agua drenada está dada por la ecuación (14), considerando un valor de P de:

P = 50% estimado

DD (u) = 0.15 m El cambio de espesor debido a la evaporación es, utilizando la ecuación (15):

DD(e) = D(i) - D(u) DD(e) = 0.15 m El tiempo necesario para evaporar el resto del agua está dado por la ecuación (16):

T = DD(e)/E .

T = 0.09 año = 1.06 meses El número de aplicaciones es de: 11 al año (ecuación 17) La producción de los lechos es por lo tanto de: Carga superficial = 169 kg/m2/año (ecuación 18) El área requerida para el lodo producido es de: Area = 18,061 m2 6.2.3.2.Dimensionamiento de los lechos

Considerando lechos con un ancho de 10 m y una longitud de: 60 m El área de un lecho es de: 600 m2 Y el número de lechos es de: 30 lechos El volumen de lodo de un lecho es de: 180 m3 Y se llena en: 1.08 días Y debe desocuparse antes de: 32 días

104

6.2.4.Balance de masa de la planta incluyendo la recirculación y el tratamiento de Iodos

Punto Caudal Sólidos Sólidos Carga de m3/día suspendidos suspendidos sólidos

totales totales kg/día mg/I %

1 18.038 17.17 0.0017% 310 2 18,038 483.78 0.0484% 8,727 3 17,871 20 0.0020% 357 4 17,113 2 0.0002% 34 5 167 50,000 5.00% 8,369 6 758 426 0.0426% 323 7 84 0 0.0000% 0 8 50 200 0.0200% 10 9 33 250,000 25.00% 8,359 El caudal del agua que se vierte al drenaje es de 50 m3/día 0.58 Ips El lodo producido tiene un volumen de: 33 m3/día y un peso de: 8,359 kg/día La disposición final será en el relleno sanitario de la localidad. En promedio se requieren 5 viajes de camión de 7 m3 de capacidad por día.

105

6.2.5.Diagrama de flujo de la planta

106

ANEXO 1 1.PRUEBAS FISICAS DE LOS LODOS Las pruebas físicas de los Iodos incluyen: resistencia específica, tasa de sedimentación, concentración de sólidos de la torta de Iodos, y la prueba del filtro para pintura. 1.1.PRUEBA DE LA RESISTENCIA ESPECÍFICA Esta prueba se utiliza para optimizar la eficiencia de los procesos de desaguado de los Iodos. La prueba permite evaluar el acondicionamiento químico del Iodo para aplicaciones de escala completa.

Como se muestra en la Figura, se utiliza un embudo Buchner para determinar la resistencia específica de los Iodos de plantas potabilizadoras. Esta prueba se basa en la ecuación de Carmen-Kozeny para flujo en medios porosos. La ecuación se ha modificado para describir el flujo a través de la torta de lodo y el medio de soporte asociado. La ecuación se escribe como:

la cual es de la forma:

107

Por lo tanto una gráfica de t/V contra V debe dar una línea recta con una pendiente "b" y ordenada al origen "a" como se muestra en la Figura. Como la pendiente b de la línea es igual a:

la resistencia específica es por tanto

donde:

R = resistencia específica del Iodo (seg2/g) b = pendiente de la línea (seg/cm6) P = vacío aplicado (cm de agua) A = área del filtro (cm2) u = viscosidad del filtrado (poise) W = peso seco de los sólidos por volumen de filtrado (g/cm3) R, = resistencia específica del medio del filtro (seg2/g)

Repitiendo la prueba de la resistencia específica para el lodo sin tratamiento y con lodo que haya recibido diversos acondicionamientos químicos es posible determinar el tratamiento químico óptimo como se muestra en la Figura. Sin embargo este valor es óptimo únicamente a la concentración de sólidos del Iodo usado en el experimento. La tabla muestra algunos valores de resistencia específica de diversos lados de plantas potabilizadoras.

108

Lodo Resistencia específica, seg2/g x 106 Cal y fierro de 2.11 a 21.2 Lodo de ablandamiento alto en magnesio 5.49 a 25.1 Retrolavado de ablandamiento 5.98 a 13.2 Ablandamiento 11.57 Fierro 40.8 a 148.5 Retrolavado de fierro 76.8 a 121.8 Sulfato de aluminio 164.3 Aun cuando los datos de la resistencia específica se podrían teóricamente usar para dimensionar el equipo esta no es una práctica recomendada. La prueba es útil para estudios de acondicionamiento. La mayoría de los Iodos son comprensibles y el grado de compresibilidad parece depender del vacío aplicado y de la geometría del sistema de desaguado. Se ha encontrado una expresión empírica que adecuadamente relaciona la resistencia específica y el nivel de vacío. Esta expresión es la siguiente:

R = CPS (5) donde:

R = resistencia específica C = constante de la torta s = coeficiente de compresibilidad P = vacío aplicado

Tanto la constante de la torta, c, como el coeficiente de compresibilidad, s, se pueden determinar a partir de una gráfica logarítmica de la resistencia específica contra el nivel de vacío. El coeficiente de compresibilidad, s, es la pendiente de la línea recta generada mientras que la constante de la torta es la ordenada al origen donde P=1. El coeficiente de compresibilidad es igual a cero en un lodo incomprensible. E1 coeficiente varía de 0.6 a 0.8 para lodo de hidróxido de aluminio y de 0.71 a 0.83 para Iodos de hidróxido férrico. Se han reportado valores de 0.8 para Iodos de cal. Una simplificación de la prueba de la resistencia específica es la prueba de tiempo para filtrar (TPF). Esta prueba se (leva a cabo con el mismo aparato del embudo de Buchner de la prueba de la resistencia específica. El único dato que se registra es el tiempo que tarda la mitad del volumen en filtrarse. Esta prueba es más rápida para realizar y analizar los datos que la prueba de la resistencia específica y puede proporcionar información útil de los efectos de los procedimientos de acondicionamiento.

109

1.2.PRUEBA DE LA HOJA DE FILTRO La prueba de la hoja de filtro duplica lo más posible y a escala de laboratorio la operación de un filtro de vacío. Con esta prueba se pueden variar la concentración de sólidos en el lodo, el nivel de vacío, el medio filtrante, el tiempo del ciclo de filtrado, el acondicionamiento del Iodo, y el tiempo de sumergencia (o porcentaje de sumergencia del filtro). El escalamiento del equipo de desaguado se puede lograr trabajando con Iodos representativos mezclados uniformemente y duplicando las condiciones que se usarán a escala prototipo. Se debe usar la tela de filtro que interese y dicha tela deberá acondicionarse antes de obtener la información de diseño y de operación.

Las muestras de lodo se preparan en un equipo normal de pruebas de jarras en lotes de 2 litros y se transfieren con cuidado a un vaso de precipitado para llevar a cabo la prueba. La hoja de filtro que contiene el medio filtrante para usar o evaluar se introduce en el lodo bien mezclado. El nivel de vacío y el ciclo de formación de la torta deberá ser el mismo que se usará en el equipo escala prototipo. Al final del tiempo de formación se remueve con cuidado la hoja de filtro del Iodo y se le permite que se seque en la atmósfera bajo el mismo nivel de vacío y de tiempo de secado usado en operaciones normales o en el diseño. Al final del ciclo de secado, se mide el espesor de la torta de filtrado y se remueven los sólidos del medio filtrante. Se determinan normalmente el volumen de filtrado, peso húmedo y seco de los sólidos recuperados, el contenido de sólidos de la torta, y el contenido de sólidos en suspensión del filtrado. A partir de estas pruebas se puede obtener el rendimiento del filtro mediante:

Y= W / AT (6)

110

donde: Y = rendimiento del filtro en sólidos secos producidos por unidad de área por hora (kg/m2/hr) W = peso de la torta seca formada durante la prueba (kg) A = área del filtro, m2 T = tiempo total del ciclo, hr

El tiempo total del ciclo incluye el tiempo que el filtro está sumergido, el tiempo de secado y el tiempo de remoción de la torta.

111

1.3.TIEMPO DE SUCCIÓN CAPILAR La técnica del tiempo de succión capilar es una de las pruebas más rápidas y simples para determinar las características de desaguado de los Iodos. Los resultados son muy útiles para comparar métodos de acondicionamiento o como una herramienta del operador para determinar la dosis de polímero para dispositivos de desaguado escala prototipo.

La prueba de tiempo de succión capilar se lleva a cabo en el aparato que se muestra en la Figura. Una muestra representativa del Iodo se coloca en la tasa a medida que el lodo se desagua el líquido fluye hacia afuera a través .de un papel secante especial. Cuando el líquido pasa por él primer detector hecho a andar un cronómetro el cual se detiene cuando el líquido llega al segundo detector localizado generalmente a 1 cm del primero. Las muestras se acondicionan añadiéndoles una concentración conocida de polímero (u otro acondicionante) a las muestras de lodo. 1.4.PRUEBA DE LÍQUIDOS MEDIANTE EL FILTRO PARA PINTURA 1.4.1.Descripción Este método se usa para determinar la presencia de líquidos libres en una muestra representativa de lodo. Para llevar a cabo esta prueba se pone una cantidad pre-determinada de material en un filtro para pintura. Si cualquier porción del material pasa a través del filtro y gotea, dentro del periodo de prueba de 5 minutos, se considera que el material contiene líquidos libres. Se ha observado que algún material del filtro se separa del cono de filtro cuando se expone a materiales alcalinos. Este hecho no causa problemas si la muestra no es perturbada.

112

1.4.2.Equipo y Materiales Filtro para pintura cónico: Número de malla 60 (tamaño de malla fina). Disponible en tiendas de pinturas. Embudo de vidrio: Si el filtro para pintura, con el lodo, no puede sostener su peso propio en el soporte de anillo, se podrá usar un embudo de vidrio con una boca lo suficientemente grande para que por lo menos 2.5 cm de la malla del filtro sobresalga del embudo. El embudo debe tener una boca lo suficientemente grande para sostener el filtro para pintura y al mismo tiempo no deberá interferir con el movimiento, hacia la probeta graduada, del líquido que pase por la malla del filtro. Base para anillo y anillo, o tripié. Probeta o vaso de precipitado graduado: 100 ml. 1.4.3.Procedimiento Para llevar a cabo esta prueba se requiere una muestra representativa .de 100 ml o de 100 g. Si no es posible obtener una muestra dé 100 ml o de 100 g que sea lo suficientemente representativa del lodo, el analista deberá usar muestras de mayor tamaño en múltiplos de 100 ml o de 100 g, por ejemplo, 200, 300, 400 ml o g. Sin embargo, cuando se usan muestras más grandes, los analistas deberán dividir la muestra en porciones de 100 ml o de 100 g y aplicar la prueba a cada porción en forma separada. Si cualquiera de las porciones de la muestra contiene líquidos libres, la totalidad de la muestra será considerada como que contiene líquidos libres. El procedimiento que se sigue es el siguiente: Se arma el equipo de prueba como se muestra en la Figura. Se pone la muestra en el filtro. Se podrá usar un embudo para proporcionar apoyo al filtro para pintura. Se deja drenar la muestra durante 5 minutos en la probeta graduada. Si cualquier porción del material bajo prueba se colecta en la probeta durante el periodo de 5 minutos, entonces se considera que el material contiene líquidos libres. Se deberán analizar muestras por duplicado de modo rutinario.

113

114

ANEXO 2 1.PRUEBAS DE SEDIMENTACIÓN PARA EL DISEÑO DE ESPESADORES Las características de sedimentación para suspensiones concentradas tales como los Iodos son diferentes a las de sustancias diluidas, incluyendo el agua cruda ordinaria de las plantas de tratamiento de aguas. Los Iodos producidos en las plantas de tratamiento son, generalmente, químicamente floculados, por lo que la sedimentación se lleva a cabo por zonas. Cuando una solución diluida con partículas de diferentes tamaños se vacía en una probeta inicialmente la concentración es la misma a lo largo de toda la probeta. La posición de la partícula que en el tiempo cero estaba en la superficie, se localiza, en diferentes intervalos de tiempo, como se muestra en la curva de "Sedimentación sin obstáculos" en la Figura 1. La partícula se sedimentará sin obstáculos a su propia velocidad hasta alcanzar el punto B. La velocidad de sedimentación disminuye en el punto B y la partícula se convierte en parte de lodo depositado entre los puntos B y C. De las posiciones C a D la partícula depende de la compactación de los Iodos sedimentados. Sin embargo, las suspensiones concentradas se sedimentan de diferente manera, tal como se muestra en la Figura 1, bajo la porción de "sedimentación sin obstáculos".

Figura 1 Prueba de espesamiento en un cilindro altura de interfase vs. curva de

tiempo Una suspensión espesa floculada, tal como los Iodos coagulados, producen cuatro zonas de sedimentación, tal como lo muestra la Figura 2. Inicialmente, la concentración es uniforme como lo indica B. Inmediatamente después, se desarrolla una interfase sólido-líquido y se forma una zona de líquido clara "A". En la zona B, las partículas se sedimentan a una velocidad uniforme bajo condiciones de

115

sedimentación sin obstáculos. Al mismo tiempo en que se forma la zona A, otras dos zonas se forman, la C y la D. La zona C es una zona de transición, mientras que la D es una zona de compresión.

Figura 2 Formación de zonas de concentración para una suspensión flocúlenla,

después de 4 intervalos diferentes de tiempo La prueba se sedimentación común que se lleva a cabo en el laboratorio se realiza en un cilindro transparente lleno del Iodo el cual se mezcla para distribuir los sólidos en forma pareja. Los Iodos dé clarificadores y sedimentadores de potabilizadoras sedimentan en forma de lecho de lodos con una interfase muy bien definida. Con los registros de la altura de la interfase contra el tiempo se traza una gráfica. La velocidad de sedimentación libre se determina como la pendiente de la porción recta de la gráfica. Se extienden las tangentes tanto de la zona de sedimentación libre como de la zona de compresión. Al punto donde la línea que bisecta el ángulo formado por las tangentes intercepta la curva de sedimentación se le conoce como punto de compresión. Ver Figura 3.

116

Figura 3 Curva de sedimentación de lodo

La altura del lodo en el cilindro a la concentración deseada de la purga de Iodos, Cu, se le denomina altura Hu. Esta altura se puede determinar mediante una relación de balance de masa:

HuCu = HoCo (7) donde:

Ho altura inicial de la interfase del lodo Co concentración inicial de sólidos suspendidos

Para obtener el valor del tiempo en que se obtiene la concentración Cu, se traza una línea horizontal a partir del valor calculado de Hu, hacia una línea tangente al punto de compresión. El punto de intersección indica el tiempo de sedimentación, tu buscado. La prueba se repite para diferentes concentraciones iniciales de sólidos. y para cada una, se obtienen los valores de la velocidad de sedimentación libre y del tiempo de sedimentación para la concentración deseada, Cu. Estos valores se grafican y se obtienen gráficas similares a las mostradas en la Figura 4. La tasa superficial se obtiene mediante la siguiente relación:

117

TS = Ho/tu (Cu - Co)/Cu (8) Y la carga superficial se obtiene multiplicando la tasa superficial por la concentración inicial:

CS = TS Co (9) El factor más importante al considerar el tamaño del sistema de prueba es el diámetro del cilindro. Con bajas concentraciones de sólidos (<0.4%) los cilindros de menores dimensiones tienden a subestimar la velocidad de sedimentación lo cual da como resultado un diseño conservador. A concentraciones de sólidos por encima de 0.5% los cilindros de menores dimensiones sobrestiman las velocidades de sedimentación. Desde un punto de vista práctico una probeta graduada de 1.000 mi puede utilizarse para obtener las características generales de sedimentación del lodo. Para llevar a cabo estas pruebas es recomendable considerar lo siguiente: 1. El diámetro del cilindro debe ser lo más grande posible. El tamaño mínimo

práctico es 20 cm 2. La altura inicial debe ser igual a la profundidad del espesador prototipo.

Cuando esto no es práctico, la altura mínima debe ser 1 m.

118

Figura 4 Gráficas de las pruebas de espesamiento intermitente

El resultado de varias pruebas de espesamiento intermitente graficadas como A) velocidad de la interfase vs concentración inicial de sólidos y B) flujo de sólidos vs concentración inicial de sólidos 3. El cilindro se debe llenar desde el fondo 4. La muestra se debe agitar a lo largo de la prueba, pero muy lentamente. Una

velocidad razonable para un cilindro de 20 cm es 0.5 rpm. Esta agitación lenta ayuda a que la prueba en un cilindro pequeño se asemeje lo más posible a la escala prototipo.

119

EJEMPLO DE APLICACIÓN Los datos del ejemplo de aplicación se obtuvieron de pruebas realizadas con los Iodos de la planta potabilizadora San Gaspar de la ciudad de Guadalajara, Jalisco. Las concentraciones de lodo utilizadas en las pruebas fueron:

Prueba 1 Concentración Co = 2.013 mg/l Prueba 2 Concentración Co = 4,680 mg/l Prueba 3 Concentración Co = 13,890 mg/l

Las pruebas se realizaron durante 2 horas midiendo la altura de la interfase agua lodo a intervalos regulares. Los datos obtenidos se muestran en la tabla siguiente: RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE ESPESAMIENTO

Tiempo Altura de la interfase en cm min Concentración inicial mg/l

13.890 4,680 2,013 0 16.4 16 16.6 2 14.3 11.2 5.5 5 11.9 9.5 5 10 11.2 8.3 4.7 20 10.5 7.7 4.5 30 10.2 7.5 4.5 45 9.9 7.3 4.5 60 9.8 7.2 4.5 90 9.5 7.15 4.5 120 9.5 7 4.5

120

Las gráficas obtenidas con los datos anteriores se presentan a continuación: Co = 13,890 mg/l

Co = 4,680 mg/l

C U R V A D E S E D IM E N T A C IO N D E L L O D O

05

1 01 52 0

0

1.5 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

110

120

T IE M P O , M IN .

ALT

UR

A D

E LA

IN

TER

FASE

, cm

CURVA DE SEDIM ENTACIO N DEL LO DO

05

101520

0

1.5 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

110

120

T IEMPO, MIN.

ALT

UR

A D

E LA

IN

TER

FASE

, cm

121

Co = 2,013 mg/l

Siguiendo la metodología mencionada anteriormente se obtuvieron los siguientes valores:

Co = 13,890 mg/I Velocidad de sedimentación libre = 0.911 cm/min

Co = 4,680 mg/I Velocidad de sedimentación libre = 1.23 cm/min

Co = 2,013 mg/l Velocidad de sedimentación libre = 5.60 cm/min Estos valores se presentan en la gráfica siguiente:

C U R V A D E S E D I M E N T A C I O N D E L L O D O

05

1 01 52 0

0 5 20 40 60 80 100

120

T I E M P O , M I N .

ALT

UR

A D

E LA

INTE

RFA

SE, c

m

122

Considerando que se desea una concentración de sólidos espesados de 2% o sea 20,000 mg/l se obtuvieron los siguientes tiempos de espesamiento:

Co = 13,890 mg/I

Hu = CoHo/Hu = (13,890 x 16.4)/20,000 = 11.39

tu = 8 min

Co = 4,680 mg/l

V E L O C ID A D D E S E D IM E N T A C IO N

0123456

2000

3000

4000

4600

6000

7000

8000

9000

1000

0

1100

0

1200

0

1300

0

1400

0

C O NC ENT RA C IO N IN IC IA L DE S O L IDO S , M G /L

VEL.

DE

SED

IMEN

TAC

ION

cm/m

in

TIEMPO DE ESPESAMIENTO

05

101520253035

2000

4600

7000

8000

9000

1100

013

000

1400

0

CONCENTRACION INICIAL DE SOLIDOS, M G/L

TIEM

PO D

E ES

PESA

MIE

NTO

MIN

123

Hu = CoHo/Hu = (4,680 x 16)120,000 = 3.74

tu = 30.5 min

Co = 2,013 mg/I

Hu = CoHo/Hu = (2,013 x 16.8)/20,000 = 1.69

tu = 28 min Considerando que la purga de los sedimentadores tenga una concentración de 0.8%, o sea 8,000 mg/l, de la gráfica de velocidad se obtiene: Velocidad para una concentración Co de 8,000 mg/I = 1.1 cm/min De la gráfica de tiempo de espesamiento se obtiene un tu de = 22.5 min Con estos valores se calcula la carga superficial

CS = Ho/tu (Cu - Co)/Cu

CS = (16.7/100)/(22.5/1440)(20,000 - 8,000)/20,000 = 6.41 m/día La carga de sólidos es por lo tanto de = 6.41 x 8 = 51.3 kg/m2/día

124

Tabla de conversión de unidades de medida al Sistema Internacional de Unidades (SI)

OTROS SISTEMAS DE UNIDADES

SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI) SE CONVIERTE A UNIDAD SÍMBOLO MULTIPLICADO

POR UNIDAD SÍMBOLO LONGITUD

Pie pie, ft.,‘ 0.3048 metro m Pulgada plg., in, “ 25.4 milímetro mm

PRESIÓN/ ESFUERZO

Kilogramo fuerza/cm2 kgf/cm2 98,066.5 Pascal Pa

Libra/pulgada2 lb/ plg2 ,PSI 6,894.76 Pascal Pa Atmósfera atm 98,066.5 Pascal Pa

metro de agua m H2O (mca) 9,806.65 Pascal Pa Mm de mercurio mm Hg 133.322 Pascal Pa

Bar bar 100,000 Pascal Pa FUERZA/ PESO Kilogramo fuerza kgf 9.8066 Newton N

MASA Libra lb 0.453592 kilogramo kg Onza oz 28.30 gramo g PESO

VOLUMÉTRICO

Kilogramo fuerza/m3 kgf/m3 9.8066 N/m3 N/m3

Libra /ft3 lb/ft3 157.18085 N/m3 N/m3 POTENCIA Caballo de potencia,

Horse Power

CP, HP

745.699

Watt

W

Caballo de vapor CV 735 Watt W VISCOSIDAD

DINÁMICA

Poise μ 0.01 Mili Pascal segundo mPa.s

VISCOSIDAD CINEMÁTICA

Viscosidad cinemática ν 1 Stoke m2/s (St)

ENERGÍA/ CANTIDAD DE CALOR

Caloría cal 4.1868 Joule J Unidad térmica británica BTU 1,055.06 Joule J

TEMPERATURA Grado Celsius °C tk=tc + 273.15 Grado Kelvin K

Nota: El valor de la aceleración de la gravedad aceptado internacionalmente es de 9.80665 m/s2