Capítulo 3pFuente : Tratamiento de Riles

Lorna Guerrero Saldes. USM

TRATAMIENTOS PRIMARIOSTRATAMIENTOS PRIMARIOSTRATAMIENTOS FÍSICOS Y QUÍMICOSTRATAMIENTOS FÍSICOS Y QUÍMICOS

Los procesos físicos y químicos usualmente utilizados en lasindustrias químicas, alimentarias, agroindustrias y otras, se

t l i i t t bl (M t lf Edd 1991)muestran en la siguiente tabla (Metcalf y Eddy, 1991).

En ella se puede observar que el esquema convencional (PT ⇒T1º ⇒ T2º ⇒ T3º) puede tener diversas variantes, ya que lamayoría de los procesos allí indicados, pueden ser utilizados a suvez como tratamiento terciario.

Procesos y operaciones unitarias Procesos y operaciones unitarias físicasfísicas de de tratamiento de aguas residuales industrialestratamiento de aguas residuales industriales

DescripciónDescripción AplicaciónAplicación

Diálisis Diálisis –– ósmosisósmosis Recuperación de materias del proceso, eliminación de sólidos disueltoseliminación de sólidos disueltos

DestilaciónDestilación Eliminación de sólidos disueltos, separación de residuos líquidos para recuperación o evacuación

FiltraciónFiltración Eliminación de sólidos suspendidos

FlotaciónFlotación Eliminación de líquido suspendido o en flotación y partículas sólidasp

Transferencia de gasesTransferencia de gases Adición y eliminación de gases y de aceites volátilesEliminación de material particulado flóculosSedimentaciónSedimentación Eliminación de material particulado, flóculos biológicos y químicos, concentración de lodos

Separación de grasasSeparación de grasas Eliminación de grasa, aceite y materias en fl t ióp gp g flotación

Extracción por Extracción por solventessolventes

Eliminación o recuperación de compuestos solubles

Procesos y operaciones unitarias Procesos y operaciones unitarias químicasquímicas de de tratamiento de aguas residuales industrialestratamiento de aguas residuales industrialestratamiento de aguas residuales industrialestratamiento de aguas residuales industriales

DescripciónDescripción AplicaciónAplicaciónEliminación de compuestos orgánicosAdsorciónAdsorción Eliminación de compuestos orgánicos solubles

CoagulaciónCoagulación--floculaciónfloculación Eliminación de material coloidalfloculaciónfloculación

Intercambio iónicoIntercambio iónicoRecuperación de compuestos e iones específicos, eliminación de compuestos i i d á i i á iionizados, orgánicos e inorgánicos

NeutralizaciónNeutralización Control de pH

Conversión de compuestos solubles aReducciónReducción

Conversión de compuestos solubles a formas volátil o precipitada para su eliminaciónEliminación de compuestos orgánicosSorciónSorción Eliminación de compuestos orgánicos solubles y de ciertos inorgánicos solubles

Consiste en la separación por acción de la gravedad de las

SEDIMENTACIÓNSEDIMENTACIÓNConsiste en la separación, por acción de la gravedad, de laspartículas suspendidas cuyo peso específico es mayor queel del agua.

L di t ió d l té i á tili dLa sedimentación es una de las técnicas más utilizadas.

Permite la separación de partículas muy pequeñas (desde 1 a 0.001 mm)

Se utiliza para:Se utiliza para:- eliminación de arenas- eliminación de materia en suspensión:

id l t bili ióen aguas residuales y para potabilizaciónflóculo biológico en los decantadores secundarios de losprocesos de lodos activadosflóculos químicos cuando se emplea coagulación

- concentración de los sólidos en los espesadores de lodos

En función de la concentración y de la tendencia a la interacción de laspartículas, se pueden producir cuatro tipos de sedimentación:

Di (Ti 1) S di t ió d tí l ióDiscreta (Tipo 1): Sedimentación de partículas en una suspensióncon concentración de sólidos baja. Las partículas sedimentan comoentidades individuales, sin haber interacción con partículas vecinas.

Floculenta (Tipo 2): Sedimentación de partículas de una solucióndiluida, que floculan durante el proceso. Al aglomerarse, aumentan sutamaño y su masa, por lo tanto también su velocidad de sedimentación.

Retardada (llamada también en bloque o zonal) (Tipo 3): Corresponde a unasuspensión de concentración intermedia, en la cuallas fuerzas interpartículas son suficientes para entorpecer lasedimentación de las partículas vecinas, haciéndolas sedimentar como unasola unidad.

Por compresión (Tipo 4): Cuando la concentración de partículasp ( p ) pes tal que éstas forman una estructura, la sedimentación sólo puededarse por compresión, debido al peso de las partículas que se vanañadiendo.

Zona de agua clarificadag

Zona de sedimentación discreta (Tipo 1)

Zona de sedimentación floculenta (Tipo 2)

dida

d

Zona de sedimentación retardada (Tipo 3)Prof

und

Zona de compresión(Tipo 4)

ProbetaTIEMPO

Sedimentación de partículas discretasSedimentación de partículas discretasTIPO 1TIPO 1TIPO 1TIPO 1

Puede analizarse mediante las leyes de Newton y Stokes.

La ley de Newton proporciona la velocidad final de una partícula al igualar elLa ley de Newton proporciona la velocidad final de una partícula, al igualar elpeso efectivo de la partícula con la resistencia por rozamiento (o fuerza dearrastre).

Peso efectivo:Peso efectivo:Fuerza gravitatoria = (ρS - ρ) g V

donde: ρS = densidad de la partícula; g = aceleración de gravedadd id d d l fl id V l d l tí lρ = densidad del fluido; V = volumen de la partícula

Fuerza de arrastre:Fuerza de arrastre por fricción = CD A ρ v2 / 2

donde: CD = coeficiente de arrastre; v = velocidad de la partículaA = área transversal al flujo

Existe un momento en que se igualan las fuerzas y se alcanza unavelocidad constante (dv/dt = 0). Es la llamada velocidad terminal ovelocidad crítica (v )velocidad crítica (vc)

La velocidad final de sedimentación (vc), en el caso de considerarpartículas esféricas es:

)( ρ−ρ= s

cdg4

v 34.0324

CD ++=

donde: d es el diámetro de la partícula.

ρD

cC3

vReRe

D

p

El coeficiente de arrastre CD, es función del Re (ver fig.siguiente o cuadro anterior).

P l d tí l fé iPara el caso de partículas esféricascon valores de Reinferiores a 0.3, se tiene:

)(μ

ρ−ρ=

18

dgv

2s

cμ

VALORES DEL COEFICIENTE DE ARRASTRE SEGÚN Re Y FORMA DE LA VALORES DEL COEFICIENTE DE ARRASTRE SEGÚN Re Y FORMA DE LA PARTÍCULAPARTÍCULA

Diseño de Desarenadores:• La sedimentación es de Tipo 1a sed e tac ó es de po• En el estanque de sedimentación se distinguen 4 zonas:Zona de Entrada; Zona de Salida; Zona de Sedimentación y Zona de

Acumulación de Lodos.• Existe una distribución uniforme de partículas a lo largode toda la altura de la zona de entrada.

• Las partículas que entran en la zona de lodos permanecen ahí y lasLas partículas que entran en la zona de lodos permanecen ahí y lasque penetran a la zona de salida, sólo una parte es removida.

La figura siguiente muestra un estanque de L x W x HLa figura siguiente muestra un estanque de L x W x H(largo x ancho x profundidad) dimensiones, en la que vc es la velocidadde sedimentación de las partículas más pequeñas que son eliminadasen un 100%

PUNTO 1

HQ QQ Q

PUNTO 2ZONA DE LODOSZONA DE LODOS

L

Cuando la partícula entra al estanque en el punto 1, sigue latrayectoria indicada e intercepta la zona de lodos en el punto 2, que seencuentra en el extremo aguas abajoencuentra en el extremo aguas abajo.

Si se supone que una partícula con velocidad terminal decanta una distancia equivalente a la profundidad del sedimentador en un tiempo

i l t l d t ió t d á l i i tequivalente al de retención, se tendrá lo siguiente:

RetencióndeTiempodProdundidavc = A

QHAQH

VHvc =

⋅⋅

==RetencióndeTiempo AHA

QV

Por tanto, la carga superficial (Q/A) no debe ser mayor que vc.

Es obvio también que si el sedimentador tiene entrada por abajo laEs obvio también, que si el sedimentador tiene entrada por abajo, la velocidad del líquido debe ser menor que la terminal o crítica.

Bajo este criterio de diseño, partículas ideales discretas con velocidadesde sedimentación mayores que la crítica serán totalmente removidas,

i t tí l l id d d di t ió i f imientras que partículas con velocidades de sedimentación inferiores a vcserán sólo removidas en la proporción vp/vc (ver Figura anterior)

Para el caso de partículas ideales se puede calcular la eficacia deremoción (ER):

( ) dXv

Xc1ERXc

p∫+−=

remoción (ER):

( ) dXv

Xc1ER0 c∫+−=

donde (1 – Xc) es la fracción de partículas con v > v y la integral es ladonde (1 Xc) es la fracción de partículas con vp > vc y la integral es la fracción de partículas eliminadas con vp < vc.

El segundo término de la ecuación puede ser calculado mediante la integración gráfica de una curva de sedimentación, como la que muestra la Figura:

CURVA DE DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS DISCRETAS

1 - xC

Velocidad de Sedimentación

Sedimentación FloculentaSedimentación Floculenta

TIPO 2TIPO 2TIPO 2TIPO 2Las partículas comienzan a agregarse ⇒ floculación ⇒ la masa de

partículas va aumentando ⇒ se deposita a mayor velocidadpartículas va aumentando ⇒ se deposita a mayor velocidad.

La medida en que se desarrolle el fenómeno depende tanto de laspropiedades de las partículas como de las características físicas del

testanque.

La posibilidad de contacto entre las diferentes partículas es funciónde: - carga de superficie

- profundidad del estanque- gradiente de velocidad del sistema- concentración de las partículasconcentración de las partículas- tamaños de las partículas

No hay forma de predecir se debenrealizar ensayos de laboratorio, en unaycolumna se sedimentación

Columna de SedimentaciónColumna de Sedimentación

Vál l

Características de la columna: tubo de plástico de 15 a 20 cm de

Válvula

Ca ac e s cas de a co u a ubo de p ás co de 5 a 0 c dediámetro; 2 a 3 m de altura. Los orificios deben colocarse cada 30 ó 50cm.

La temperatura debe mantenerse uniforme La sedimentación debe tenerLa temperatura debe mantenerse uniforme. La sedimentación debe tenerlugar en condiciones de reposo.

EMPLEO DE LA COLUMNA DE SEDIMENTACIÓN

La altura debe ser la misma que la del tanque de sedimentación en estudio.Se debe tener una distribución uniforme de tamaños de las partículas entoda la columna.Durante el ensayo, la temperatura debe ser constante.El retiro de muestras se realiza a diferentes intervalos de tiempo.Para cada muestra se calcula el % de eliminación v/s la profundidad y elPara cada muestra, se calcula el % de eliminación v/s la profundidad y eltiempo de la toma de muestra.Una vez obtenidos los puntos, se trazan las curvas que tienen idénticos %de eliminación.de el m nac ón.Se obtiene así, una gráfica como la siguiente:

COLUMNA DE SEDIMENTACIÓN Y CURVAS DE ELIMINACIÓN COLUMNA DE SEDIMENTACIÓN Y CURVAS DE ELIMINACIÓN PORCENTUAL PARA PARTÍCULAS FLOCULENTASPORCENTUAL PARA PARTÍCULAS FLOCULENTAS

Eliminación de sólidos en suspensión floculentos (sed. Tipo 2). Empleandolos resultados del ensayo de la figura anterior determinar la eliminación total desólidos si el TRH es t2 y la profundidad es hsólidos si el TRH es t2 y la profundidad es h5

i) Eliminación Porcentual

22322211 RR

hhRR

hh +

×Δ

++

×Δ

22

22

24

5

443

5

3

55

RRhhRR

hh

hh+

×Δ

++

×Δ

+

1 18 00

55

ii) Para las curvas de la figura:

80100 +1 18,00

2 8,252

708011,0 +×

2801002,0 +

×

3 9,75

4 29,702

607015,0 +×

2506054,0 +

× ,

Eliminación % tot. 65,7

2

Sedimentación Zonal o RetardadaSedimentación Zonal o Retardada

TIPO 3TIPO 3TIPO 3TIPO 3Debido a la alta concentración de partículas, el líquido tiende a

ascender por los insterticios existentes entre ellas por lo tanto lasascender por los insterticios existentes entre ellas, por lo tanto, las partículas que entran en contacto tienden a sedimentar en zonas o capas.

Esto es lo que se conoce con el nombre de sedi-mentación retardada.

La velocidad de sedimen-tación en esta zona es función de la concentra-

ndid

ad

ción de sólidos y de sus características.

Zona de Sedimentación Retardada (Tipo 3)Pr

ofun

Tiempo

La ecuación que permite determinar el alcance del retardo, para Remenores que 0.2, es:

vh / v = (1 – Cv)4.65

d d l l id d d di ió d d l l id ddonde: vh es la velocidad de sedimentación retardada, v es la velocidadde sedimentación libre y Cv es el volumen de las partículas dividido porel volumen total de la suspensión.

Velocidad de arrastre: la velocidad horizontal del agua debe sermenor a aquella que produzca el arrastre de las partículassedimentadas. Se define como:

s: peso específico relativo de8 · β · (s – 1) · g · d ½

va =f

p plas partículas, adimensional

d: diámetro de las partículasβ: cte. adimensional (0.04 a 0.06)β ( )f: factor de fricción de Darcy

(0.02 a 0.03)

Sedimentación por CompresiónSedimentación por Compresión

TIPO 4TIPO 4TIPO 4TIPO 4El área necesaria para las

instalaciones de sedimenta-ción yespesado de lodos, se determina pormedio de datos obtenidos en un ensayode sedimentación simple (batch).

Se deben considerar:- sup. necesaria para la clarificación- sup. necesaria para el espesado

tasa de extracción del lodo- tasa de extracción del lodoLa superficie necesaria para el

espesado de lodos se determina por elmétodo de Talmadge y Fitchmétodo de Talmadge y Fitch.

Procedimiento para el dimensionamiento del

sedimentador:sedimentador:

1. Se traza la horizontal a la profun-didad Hu (correspondiente a la

t d l ólidque todos los sólidos se encuentren a la concentración deseada para el lodo del fondo del tanque, Cu).a qu , u)

Hu = Co Ho / Cu

2. Se traza la tangente a la curva de sedimentación en el punto C

Hu

sedimentación en el punto Cc.

3. Se traza la vertical que pasa por el punto de intersección de las 4. El valor de tu sirve para calcular el área

d l di t dp

rectas trazadas en los pasos 1 y 2. La intersección de esta recta con los ejes del tiempo proporciona el valor para t

del sedimentador:A = Q tu/Ho

A = área de diseño (m2)t ti id l l valor para tu.tu: tiempo requerido para alcanzar la

concentración de fangos deseada (min)Ho: Altura inicial (m)

Hay tres aspectos importantes a considerar en el diseño desedimentadores:sedimentadores:a) Se debe lograr una clarificación importante del aguab) Se deben eliminar los lodos) S d b t t l l d d lid t lc) Se debe tratar que los lodos de salida tengan la menor

hidratación posible

Hay otros factores de menor importancia:d) Eliminación de los lodos que flotane) Instalación de un eliminador de lodose) Instalación de un eliminador de lodos

La tabla siguiente presenta algunos valores característicos en cuantoa la configuración geométrica de los sedimentadores.

Características geométricas de los sedimentadores

Con excepción de los residuos con características conocidas o desuspensiones de partículas discretas de densidad y tamaño dedistribución conocidos, es recomendable que el diseño del tanque sebase en resultados de experimentos de velocidad de sedimentación.

Cuando esto no es posible, es conveniente conocer algunos valores de carga superficial para algunas suspensiones ya conocidas. (ver tablacarga superficial para algunas suspensiones ya conocidas. (ver tabla siguiente)

Velocidades de carga para ciertas suspensiones

(h)

De partículas Se refiere a la sedimentación de partículas en una suspen- Eliminación de las arenas del agua residual. discretas sión con baja concentración de sólidos. Las partículas se-

(Tipo 1) dimentan como entidades individuales y no existe interac- ción sustancial con las partículas vecinas. Floculenta Se refiere a una suspensión bastante diluida de partículas Eliminación de una fracción de los sólidos (Tipo 2) que se agregan, o floculan, durante el proceso de sedi- en suspensión del agua residual bruta en mentación. Al unirse, las partículas aumentan de masa y los tanques de sedimentación primaria, y en sedimentan a mayor velocidad. la zona superior de los decantadores se- cundarios. También elimina los flóculos quí- micos de los tanques de sedimentación.

Retardada Se refiere a suspensiones de concentración intermedia Se presenta en los tanques de sedimenta-(Tipo 3) en las que las fuerzas entre partículas son suficientes pa- ción secundaria usados en las instalaciones ra entorpecer la sedimentación de las partículas vecinas. de tratamiento biológico. Las partículas tienden a permanecer en posiciones relativas fijas, y la masa de partículas sedimenta como una interfase sólido-líquido en la parte superior de la masa que sedimenta. Compresión Se refiere a la sedimentación en la que las partícuals Generalmente, se produce en las capas in- (Tipo 4) están concentradas de tal manera que se forma una feriores de una masa de lodo de gran espe- estructura, y la sedimentación sólo puede tener lugar co- sor, tal como ocurre en el fondo de un de- mo consecuencia de la compresión de esta estructura. La cantador secundario profundo y en las ins- compresión se produce por el peso de las partículas, que talaciones de espesamiento de lodos. se van añadiendo constantemente a la estructura por sedimentación desde el líquido sobrenadante.

Estanque rectangular de decantación primariaEstanque rectangular de decantación primaria

Estanque circular con alimentación periféricaEstanque circular con alimentación periférica

FLOTACIÓNFLOTACIÓN

INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN :

- Se utiliza para la separación de partículas sólidas o líquidas de unaSe utiliza para la separación de partículas sólidas o líquidas de unafase líquida.

- La separación se consigue introduciendo finas burbujas de gas,normalmente aire en la fase líq idanormalmente aire, en la fase líquida.

- Las burbujas se adhieren a las partículas, y la fuerza ascensionalque experimenta el conjunto partícula-burbuja de aire hace quesuban hasta la superficie del líquido.

- De este modo se logra hacer ascender partículas de mayordensidad que el líquido, y favorece la ascensión de las que tienendensidad que el líquido, y favorece la ascensión de las que tienenmenor densidad (aceite en el agua).

- Se utiliza principalmente para la eliminación de SS y grasas y para laconcentración de lodos biológicos.

- La principal ventaja del proceso de flotación frente al de sedimentaciónconsiste en que permite eliminar mejor y en menos tiempo las partículaspequeñas o ligeras cuya deposición es lenta.

- Su uso está generalizado para las aguas industriales y no tanto paralas urbanas

Rendimientos obtenidos por flotación para distintas Rendimientos obtenidos por flotación para distintas Rendimientos obtenidos por flotación para distintas Rendimientos obtenidos por flotación para distintas tipos de aguas tipos de aguas

DESCRIPCIÓNDESCRIPCIÓN::

La flotación como proceso de descontaminación se reali a-La flotación como proceso de descontaminación se realizacon microburbujas, de diámetros del orden de 15-100micrómetros (μm) y con burbujas medianas (100-600 μm).

- Existen tres métodos para la inducción de la formación dela burbuja:

1.Inyección de aire en el líquido sometido a presión y1.Inyección de aire en el líquido sometido a presión yposterior liberación de la presión a que está sometido ellíquido (flotación(flotación porpor aireaire disueltodisuelto).

2 Aireación a presión atmosférica (flotaciónflotación porpor aireaciónaireación)2.Aireación a presión atmosférica (flotaciónflotación porpor aireaciónaireación).

3.Saturación con aire a la presión atmosférica, seguido de laaplicación de vacío al líquido (flotaciónflotación porpor vacíovacío).

Generalmente se agregan compuestos químicos para facilitar el proceso

Adición de compuestos químicos:

de flotación, los que crean una superficie o una estructura que permiteabsorber o atrapar las burbujas de aire.Para agregar las partículas sólidas, de manera que se cree unaestructura que facilite la absorción en las burbujas de aire se usa:- Sales de hierro- Sales de aluminio

FLOTACIÓN POR AIREACIÓNFLOTACIÓN POR AIREACIÓN

- Sílice activada

Las burbujas de aire se introducen directamente en la fase líquida pormedio de difusores o turbinas sumergidas.La aireación directa por cortos períodos de tiempo no es efectiva paraLa aireación directa por cortos períodos de tiempo no es efectiva paraconseguir que los sólidos floten.Estas instalaciones no suelen recomendarse para conseguir la flotación degrasas aceites y sólidos presentes en las aguas residuales industrialesgrasas, aceites y sólidos presentes en las aguas residuales industriales,pero tiene buenos resultados en el caso de las aguas con tendencia aprovocar espumas.

ESTANQUE DE FLOTACIÓN POR AIREACIÓNESTANQUE DE FLOTACIÓN POR AIREACIÓN

FLOTACIÓN POR VACÍOFLOTACIÓN POR VACÍO

Consiste en saturar de aire el agua residual ya sea directamente en- Consiste en saturar de aire el agua residual, ya sea directamente enel tanque de aireación, o permitiendo que el aire penetre en el conductode aspiración de una bomba.

Al aplicar un vacío parcial el aire disuelto abandona la solución en- Al aplicar un vacío parcial, el aire disuelto abandona la solución enforma de burbujas diminutas. Éstas y las partículas sólidas a las que seadhieren ascienden a la superficie y forman una capa de espuma quese elimina mediante un mecanismo de rascado superficialse elimina mediante un mecanismo de rascado superficial.- La instalación está compuesta por una cuba cilíndrica cubierta, en laque se mantiene un vacío parcial, que incluye mecanismos para laextracción de fangos y espumas La materia flotante se barreextracción de fangos y espumas. La materia flotante se barrecontinuamente hacia la periferia de la cuba, donde se descargaautomáticamente a una arqueta de espumas de donde se extrae de lainstalación por bombeo, también en condiciones de vacío parcial.instalación por bombeo, también en condiciones de vacío parcial.- El equipo auxiliar incluye un calderín para saturar de aire el aguaresidual, un estanque que proporciona un tiempo de retención cortopara la eliminación de las burbujas grandes y las bombas de fangos ypara la eliminación de las burbujas grandes y las bombas de fangos yde espumas.

- En estos sistemas el aire se disuelve en el agua residual a una presión

FLOTACIÓN POR AIRE DISUELTOFLOTACIÓN POR AIRE DISUELTO

- En estos sistemas, el aire se disuelve en el agua residual a una presiónde varias atmósferas, para luego liberar presión hasta alcanzar laatmosférica.

En las instalaciones de pequeño tamaño se puede presurizar a 275 230- En las instalaciones de pequeño tamaño, se puede presurizar a 275-230kPa mediante una bomba la totalidad del caudal a tratar, añadiéndose elaire comprimido en la tubería de aspiración de la bomba. El caudal semantiene bajo presión en un calderín durante algunos minutos para darmantiene bajo presión en un calderín durante algunos minutos, para dartiempo para dar tiempo a que el aire se disuelva. A continuación, el líquidopresurizado se alimenta al tanque de flotación a través de una válvulareductora de presión, lo cual provoca que el aire deje de estar en disoluciónp , p q jy que se formen diminutas burbujas distribuidas por todo el volumen delíquido.- En las instalaciones de mayor tamaño se recircula parte del efluenteEn las instalaciones de mayor tamaño, se recircula parte del efluente(entre el 15 y el 20 por ciento), el cual se presuriza, y se semisatura conaire. El caudal recirculado se mezcla con la corriente principal si presurizarantes de la entrada al tanque de flotación, lo que provoca que el aire dejeq , q p q jde estar en disolución y entre en contacto con las partículas sólidas a laentrada del tanque.

Flotación por aire disuelto sin recirculaciónFlotación por aire disuelto sin recirculación

Flotación por aire disuelto con recirculaciónFlotación por aire disuelto con recirculación

- Las principales aplicaciones de la flotación por aire disuelto se centranen el tratamiento de vertidos industriales y en el espesado de fangos.y p g

- Como ya se dijo, para modificar la naturaleza de las interfases aire-líquido, sólido-líquido o ambas a la vez se suelen utilizar polímeroslíquido, sólido líquido o ambas a la vez se suelen utilizar polímerosorgánicos, los que se sitúan en la interfase produciendo los cambiosdeseados.

- Los factores más importantes a considerar en el diseño de un equipode flotación son:- Concentración de sólidos- Concentración de sólidos- Cantidad de aire que se va a utilizar- Velocidad ascensional de las partículas

Carga de sólidos- Carga de sólidos

La eficacia de un sistema de aire disuelto depende principalmente delvalor de la relación entre el volumen de aire y la masa de sólidos (A/S)

fnecesario para obtener un determinado nivel de clarificación.La relación A/S es variable para cada tipo de suspensión y puede serdeterminada a nivel laboratorio.Los valores típicos para los espesadores de lodos varían entre 0,005 y0,060.

Sistema de laboratorio para los ensayos de tratabilidad

en flotaciónen flotación

La relación entre el cociente A/S y la solubilidad del aire, la presión detrabajo y la concentración de sólidos en el lodo para un sistema en eltrabajo y la concentración de sólidos en el lodo, para un sistema en elque la totalidad del caudal es presurizado, está dada por:

A 1,3 sa (f P - 1)=

S Sa

donde A/S = relación aire-sólidos, mL (aire)/mg (sólidos)., ( ) g ( )sa = solubilidad del aire, mL/L.f = fracción de aire disuelto a la presión P.

Generalmente, f = 0,8P = presión, atm.

= p + 101,35p = presión manométrica, kPa.S t ió d ólid l f /LSa = concentración de sólidos en el fango, mg/L.

Para un sistema en el que sólo el caudal de recirculación esPara un sistema en el que sólo el caudal de recirculación espresurizado:

A 1 3 (f P 1) RA 1,3 sa (f P - 1) R

S Sa Q

=

donde R = caudal de recirculación presurizada, m3/d.Q = caudal de líquido mezcla, m3/d.q

El numerador representa el peso del aire y el denominador el peso delos sólidos.El factor 1,3 corresponde al peso específico del aire (mg/cc) y eltérmino (-1) del paréntesis se incluye para prever la posibilidad de queel sistema funcione a presión atmosférica.el sistema funcione a presión atmosférica.

VENTAJAS DEL SISTEMA FAD o DAF:Algunas de las ventajas frente al proceso de coagulación y/o

di t iósedimentación son:- Alta eficiencia (incluyendo cinética) en la remoción de sólidos.- Menor área requerida para instalación. El equipo de flotación ocupaapenas una fracción del área ocupada por unidades de sedimentación(para capacidades similares).- Mayor eficiencia en la remoción de DBO que otros procesos dey q pseparación.- Alta tasa de separación (o flujo superficial). Existen unidades FADmodernas con capacidad hasta de 40 m/h (m3/m2/h). Esto permite sup ( ) paplicación en efluentes voluminosos.- Remoción de microorganismos y precipitados difíciles de sedimentary filtrar.y

DESVENTAJAS DEL SISTEMA FAD o DAF:

Las desventajas observadas son:

- Comparada con la sedimentación, la FAD es más sensible avariaciones de temperatura, concentración de sólidos ensuspensión (> 3 - 4%), recargas hidráulicas y principalmente avariaciones en las características químicas y físico químicas delos sólidos en suspensiónlos sólidos en suspensión.

- Costos operacionales elevados, principalmente cuando existenecesidad de un riguroso control automático, de parámetros ydosis de reactivos.

Flotación por aire disuelto, para clarificaciónFlotación por aire disuelto, para clarificaciónde residuos aceitososde residuos aceitosos

Flotación por aire disuelto, para espesamientoFlotación por aire disuelto, para espesamientodel lodo activado en excesodel lodo activado en exceso

FILTRACIÓN- La filtración por arena o antracita consiste en la purificación del aguaal atravesar un lecho compuesto por alguno de los materiales citados.

L filt ió tili d l t t i t d fi d l E t i- La filtración es utilizada en los tratamientos de afino de las Estacionesde Tratamiento de Agua Potable, ya que la sedimentación, concoagulación o sin ella, normalmente no proporciona resultadossatisfactoriossatisfactorios.

- En agua potable se emplean filtros gravitacionales, en donde el aguase mueve por gradientes de gravedad.

- Existen dos tipos de filtros gravitacionales que se ocupan:• Filtros lentos Filtros rápidos

-El diseño y la valoración de su eficacia debe basarse en:• La comprensión de las variables que controlan elp q

proceso.• El conocimiento del o los mecanismos

responsables de la eliminación de materiapparticulada.

-La operación completa del proceso de filtración, en general,consta de dos fases: filtración y lavado o regeneración (lavadoconsta de dos fases: filtración y lavado o regeneración (lavadoa contracorriente).

-Los fenómenos producidos en la filtración son similares parat d l Si b l f d l d b t ttodas las aguas. Sin embargo, la fase de lavado es bastantediferente en función de si el filtro es de funcionamiento continuoo semi-continuo.

Eliminación de la materia en suspensión en un filtro

lgranular

(a) por retención;

(b) por sedimentación;( ) p

(c) por intercepción;

(d) por adhesión;

(e) por floculación

Mecanismos actuantes en el seno de un filtro seno de un filtro

de medio granular que t ib l contribuyen a la

eliminación de la materia en suspensión

Clasificación de los filtrosSegún el tipo de funcionamiento

ContinuosSemicontinuosSemicontinuos

Sentido de flujo durante la filtraciónDe flujo ascendenteD fl j d d t

Tipo de medio filtrante y configuración del lecho

De flujo descendente

po de ed o t a te y co gu ac ó de ec oDe una única capaDe doble capaMulticapaMulticapa

Control del flujoA caudal constanteA caudal variable decrecienteA caudal variable decreciente

Filtros gravitacionales rápidos:

Opera con tasas alrededor de 30 o más veces la de los filtros lentosOpera con tasas alrededor de 30 o más veces la de los filtros lentos.

Por lo anterior, necesita limpiarse 30 veces más a menudo.

L t d filt ió í t 80 120 L/ 2/ i lLas tasas de filtración varían entre 80 a 120 L/m2/min, aunque latendencia actual es diseñar filtros de alta tasa, por lo que es frecuenteencontrar tasas de hasta 200 L/m2/min e incluso en algunos casos,mayoresmayores.

El tamaño del filtro está determinado por:- la capacidad de la planta de tratamientop p- el número de unidades (operación flexible)- el número de horas de funcionamiento de la planta

- En general, las plantas grandes funcionan las 24 horas del día,mientras que las pequeñas operan 8 ó 16 horas.

- El número de horas de funcionamiento se obtiene del análisiscomparativo del costo de almacenamiento versus el gasto deconstruir una planta de mayor capacidad y operarla en formacontinua.

- El número mínimo de unidades suele ser cuatro, aunque plantas muypequeñas pueden tener sólo dos filtrospequeñas pueden tener sólo dos filtros.

- La configuración de los filtros rápidos está determinada por lossiguientes factores interrelacionados entre sí:

Ái. Área filtranteii. Profundidadiii. Métodos de lavadoiv. Métodos de control

i. Área Filtrante:

Depende de tres factores:El caudal de diseño (Q )- El caudal de diseño (QD)

- La tasa máxima de filtración (R)- El número de filtros (N)

El Área filtrante se determina como:

Af = QD/R

L fi i d d filtLa superficie de cada filtro es:

A = Af/N

ii. Profundidad:

Depende: - Del medio filtranteDepende: Del medio filtrante- Del medio soportante- Del sistema de drenaje inferior

D l b l filt- De la carga sobre el filtro- Del método de retrolavado

El medio filtrante es el material que, seleccionado y graduado, se colocaq y gen una o varias capas dentro del filtro y a través del cual pasan las aguasa tratar. Puede estar constituido por varias clases de materiales, siendo elmás común la arena de distintos tamaños y especificaciones.

Hoy se usa también carbón activado en combinación con la arena, ya quetiene < densidad, por su forma tiene > retención e incrementa la adsorciónde materia orgánica y bacterias

ii. Profundidad (cont.):

El di t t él t l di filt t E táEl medio soportante es aquél que soporta al medio filtrante. Estácompuesto por gravas graduadas y sirven para recolectar el aguafiltrada y encaminarla a la salida y para distribuir uniformemente elagua de lavadoagua de lavado.

El espesor de la capa de grava depende del sistema de drenaje quese utilice.

El sistema de drenaje inferior tiene como función recolectar lasaguas filtradas y distribuir las aguas de lavado.

Existen diferentes tipo de sistemas, siendo los más usados losLaterales Perforados (malla de tubos paralelos) y las PlacasPerforadas.

iii. Lavado del filtro:

El lavado se realiza forzando agua ya tratada, generalmente aEl lavado se realiza forzando agua ya tratada, generalmente acontracorriente.

Los métodos comúnmente utilizados para el lavado de los lechos dedi l i lmedio granular incluyen:

- Lavado c/agua a contracorriente- Lavado c/agua a contracorriente con agitación de la superficieg g p- Lavado c/agua a contracorriente y limpieza auxiliar c/aire- Lavado a contracorriente combinado con limpieza c/aire yagitación de la superficieagitación de la superficie

Con los tres primeros métodos es necesario fluidizar el medio paralograr una limpieza efectiva del lecho al final del ciclo.

Lo anterior no es necesario con el cuarto método.

iv. Métodos de Control:

Existen dos métodos básicos de operar un filtro, los cuales difierenprincipalmente en la caída de presión a través de él:

Fil ió ió S li ió lFiltración a presión constante: Se aplica una presión constante a lolargo de toda la carrera del filtro. Al inicio, la velocidad de filtración esalta, pero a medida que los poros se van obstruyendo, ésta comienzaa disminuir y el caudal decrecea disminuir y el caudal decrece.

Filtración a caudal constante: A medida que el filtro se obstruye, seaumenta la presión de manera de tener siempre el mismo caudal

Representación esquemática del ciclo de filtración con caudal constante

Pérdida de carga respecto a los sólidos suspendidos eliminados

Principales variables que intervienen en intervienen en el diseño de filtros de

medio granularmedio granular

PROBLEMAS DE FUNCIONAMIENTO DE UN FILTRO RÁPIDO

Retención de aire:

Puede deberse a diferentes factores, entre los que cabedestacar:

- Pérdida de carga negativa

- Incremento de la temperatura

- Presencia de algas

Corrección:- Evitar pérdidas de carga negativa excesivas

- Controlar el calentamiento

Eliminación de algas- Eliminación de algas

PROBLEMAS DE FUNCIONAMIENTO… (cont.)

Acumulación de fangos:

Si las bolas de fango se forman principalmente por lodo y flóculos,permanecen en la superficiepermanecen en la superficie.

Si están constituidas por arena, penetran en la grava, provocandogrietas tanto en la superficie como en la grava.

Corrección:- Rastrillarlas si se encuentran en la superficie

- Uso de soda cáustica

- Agitación mecánica o por aire

PROBLEMAS DE FUNCIONAMIENTO …(cont.)

Incrustaciones en la Arena: Se presenta:i) Cuando se utiliza cal puede producirse una cristalización decarbonato de calcio en el filtro, aumentando el tamaño de la arena.Corrección: Carbonatando el filtro. Esto se logra agre-gando alúminaen el sedimentador. El anhídrido carbónico resultante reacciona con elcarbonato de calcio y lo retiene en la solución como bicarbonato. Otraforma consiste en introducir uno o más quemadores en el agua y

l i d d i ióquemar una mezcla apropiada de gas y aire a presión.ii) Por la acumulación de manganeso, la cual forma una capa negro-parduzca sobre los granos de arena.Corrección: Si es de origen mineral, se puede empapar el lecho conH2SO4. Si es de origen orgánico, puede emplearse soda cáustica.

a. Filtro convencional, mo-nomedio, flujo descendenteb. Filtro convencional, bi-medio, flujo descendentec. Filtro convencional, mo-. F , mnomedio, de lecho profundo, flujo descendented Filtro de lecho profundo d. Filtro de lecho profundo y flujo ascendente

e Filtro de lecho pulsantee. Filtro de lecho pulsantef. Filtro de puente móvilg. Filtro de lecho profundo,flujo ascendente y lavado acontracorrienteh. Filtro de arena lento

ESQUEMA DE UN FILTRO BANDAESQUEMA DE UN FILTRO BANDA

FILTRO PRENSA, CON ACCIONAMIENTO FILTRO PRENSA, CON ACCIONAMIENTO HIDRÁULICOHIDRÁULICOHIDRÁULICOHIDRÁULICO

COAGULACIÓN - FLOCULACIÓN

Partículas coloidales

Muchas de impurezas presentes en el agua cruda, incluyendo los m.o.patógenos, los ácidos húmicos que son corrientemente responsables delcolor, los ácidos fúlvicos y los complejos arcilla-metal están en el rangodel tamaño coloidal: 1 nm a 10 µm .

Los coloides son partículas de tamaño intermedio entre los sólidosdisueltos y las partículas suspendidas, que tarde o temprano decantanpor efecto de la gravedad.p g

Aunque las partículas coloidales son muy pequeñas, sonlo suficientemente grandes como para dispersar la luz, por lo que estaspartículas comunican aspecto turbio u opaco al agua a menos que esténpartículas comunican aspecto turbio u opaco al agua, a menos que esténmuy diluidas.

Estabilización de las partículas coloidales:Existen dos tipos de coloides con características ≠:p

1. Coloides hidrofílicos (termodinámicamente estables) Presentan afinidad por el agua. Se aíslan y evitan el contactocon otras partículas rodeando su superficie con una capa decon otras partículas, rodeando su superficie con una capa demoléculas de agua (hidratación). Ejemplos: grasas, aceites,detergentes, jabones.

2 Coloides hidrofóbicos (termodinam inestables)2. Coloides hidrofóbicos (termodinam. inestables)Presentan escasa tendencia a ser mojados. Deben su es-tabilidad a cargas eléctricastabilidad a cargas eléctricas de superficie. Estas partícu-las cargadas, se rodean de una capa de iones de carga p gopuesta, llamados contra-iones, constituyendo una doble capa eléctrica (Capa de Stern). Ejemplo: m.o.

La caída del potencial en la doble capa suele llamarse PotencialElectrocinético o Potencial z.

La estabilidad de la dispersión depende de los iones que el coloide adsorbaLa estabilidad de la dispersión depende de los iones que el coloide adsorba.Casi todas las partículas coloidales, que estén dispersas en agua a pH entre 5 y7, presentan carga negativa y su potencial z varía entre -14 y -30 mV.

Dispersiones con pot z < -14 mV tienden a aglomerarseDispersiones con pot. z < -14 mV, tienden a aglomerarse.

Los mejores resultados de desestabilización se presentan cuando el potencialz es cercano a cero.

Dependiendo de las características de los ≠ tipos de con-traionesinvolucrados, el potencial z puede ser reducido de las siguientes formas:

1) Por la compresión del espesor de la doble capa debido a laincorporación de contraiones en la capa difusaincorporación de contraiones en la capa difusa

2) Por la adsorción específica del contraión sobre la superficiede la partícula, con la consecuente reducción en el potencial.

) Di d l di ib ió d l i id d d l fi i d í l da) Diagrama de la distribución de cargas en la proximidad de la superficie de una partícula dehidróxido férrico en solución, obtenida por dispersión de FeCl3 en agua.

b) Representación de Helmholtz de la superficie de la partícula, indicando la carga rsultante q,y la distancia que alcanza la acción eléctrica d (espesor de la llamada doble capa)

c) Valores del potencial eléctrico inducido por la carga resulttante de la partícula, a distanciavariable de su superficie. El potencial zeta es la diferencia de potencia entre el límite de lapelícula líquida de solución rígidamente asociada a la partícula coloidal, y la masa desolución.

Definición de los términos:

Coagulación

Desestabilización, efectuada general-mente por adición de reactivosquímicos Por medio de mecanismos

COAGULANTEquímicos. Por medio de mecanismosde agregación o de adsorción, anulanlas fuerzas repulsivas.

Floculación

Aglomeración de coloides "descar-ggados", que resulta de diversas fuerzasde atracción entre partículas puestasen contacto hasta alcanzar un grosor

FLOCULANTE

en contacto, hasta alcanzar un grosoraproximado de 0,1 micra.

Formación de puentes entre partículas, en presencia de polímeros orgánicos

Coagulantes:

Los coloides poseen una estabilidad que hace difícil que sedimenten porprocesos naturales ⇒ aplicación de aglomerantes o coagulantes para sudesestabilización y agrupación, consiguiendo así una partícula de mayortamaño y peso, la cual sí puede sedimentar por acción de la gravedad.

Los principales coagulantes utilizados son sales metálicas:Alumbre o Sulfato de AluminioCalCloruro férricoSulfato férricoSulfato ferroso

La acción de estos compuestos es compleja y comprende:- La disolución de la sal- Formación de compuestos complejos del metal- Atrapamiento de partículas individuales en el precipitado.

FLOCULANTES ORGÁNICOS

Polielectrolitos NaturalesProteínasÁcidos nucleicosÁcido pécticoÁcido algínicoÁcido algínicoPolisacáridos

Polielectrolitos SintéticosAniónicos:PoliacrilamidasAc. poliacrílicosPolimetacrilatos No iónicos:PolimetacrilatosPoliacrilnitrilosPoliestireno sulfonadoÁcidos polivinilsulfónicosD i d d l l

No iónicos:Óx. de etileno polimerizadoPoliacrilimidasCatiónicos:

Derivados de celulosa PoliacrilamidasPolietileniminasPolivinilpiridinasPolidialidimetilamonioPolidialidimetilamonio

FLOCULANTES MINERALESSílice activadaSílice activadaBetoniaKieselguhrAlgunas arcillasAlgunas arcillasCarbonato de calcio precipitadoCarbón activo en polvo

Determinación de coagulantes:La cantidad de coagulantes no puede ser determinada en base a fórmulas g p

estequiométricas o leyes químicas, debido a la diversidad de factores que intervienen en el proceso.

Por lo anterior, se recurre a técnicas de laboratorio: Pruebas del Test de Jarraso Jar Test.

Este procedimiento entrega información para:- Seleccionar el coagulante adecuado y dosificación de ésteSeleccionar el coagulante adecuado y dosificación de éste- Seleccionar el floculante adecuado y dosificación de éste- Determinación del pH óptimo

D t i ió d l t d li ió d l l t fl l- Determinación del punto de aplicación del coagulante, floculan-te y ajuste de pH.- Optimización de la energía y tiempos de mezclado- Determinación de efectos de dilución del coagulante- Optimización del reciclaje de lodos- Otros

METODOLOGÍA DE METODOLOGÍA DE METODOLOGÍA DE METODOLOGÍA DE ECKENFELDERECKENFELDER

Para la selección del Para la selección del coagulante, dosis y pH coagulante, dosis y pH g , y pg , y p

óptimoóptimo

REACTOR TUBULAR:Es un reactor de flujo forzado. Setili d d l tutiliza donde un coagulante,

floculante y/o un reactivo químicopara corrección del pH, se dosificanen forma consecutiva para laen forma consecutiva para laremoción de DQO, DBO, Turbidez,Precipitantes, etc. El proceso seefectúa bajo condiciones optimiza-efectúa bajo condiciones optimizadas, controladas y bien definidas,hasta 500 m3/min. por unidad.

REACTOR CON AGITACIÓNEn caso de que puntos críticos (energíaq p ( gde mezclado, TRH y gran capacidad) nopuedan obtenerse en el reactor tubular,se utiliza un estanque continuo agitado.

En general están diseñados ya sea paracoagulación-floculación o para disolveraditivos químicosaditivos químicos

REACTOR TUBULAR CON

EQUIPO EQUIPOS ACCESORIOS