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Sedimentación secundaria Accame Francesca Cebreros Diego Núñez María del Carmen Teruya Sandra Trujillo Janzen

Reactor de lodos activados

Sedimentador secundario

Sedimentador circular Vertedero

Agua clarificada

Objetivos de la sedimentación secundaria

Clarificación de las aguas • Producción de un efluente relativamente libre de sólidos sedimentables

Espesamiento de los lodos • Producción de un lodo secundario que contenga en alta concentración los sólidos sedimentados en el sedimentador

Tipos de sedimentadores secundarios Por forma • Circular • Rectangular

Por la alimentación • Alimentación central • Alimentación periférica

Por la succión • El que se mantiene por reducción de la altura estática en cada una de las tuberías de extracción • El que extrae fango por presión hidrostática o bombeo

Sedimentador circular Remoción de espumas Vertedero

Salida Efluente clarificado

Entrada Licor Mezclado

Barredores empujan los lodos

Sedimentador pequeño

Sin barredor de fondo Pendiente de 60°

Sedimentador secundario Recolección de espumas

Principios de Funcionamiento y Diseño • Para diseñar correctamente los tanques de sedimentación secundaria se deben tomar en cuenta los siguientes factores:

1. Tipos de Tanques Tanques circulares

Tanques rectangulares

Diámetros de 10-40m, el radio no debería exceder 5 veces la Longitud total del profundidad del agua en la periferia del tanque. tanque no debería exceder 10-15 veces su Tipo de alimentación Central: Mecanismos Periférica: Mecanismos profundidad. rotatorios para transportar y rotatorios para transportar y evacuar el lodo del fondo del evacuar el lodo del fondo del clarificador. clarificador. Mecanismos de succión Mantenido por reducción de la Fango extraído por presión altura estática en cada una de hidrostática o por bombeo. las tuberías de extracción.

Tanques cuadrados Poco eficaces en la retención de sólidos, no muy comunes.

2. Características de sedimentabilidad de lodos en relación con necesidades de espesamiento • Varía temporalmente debido a cambios en la cantidad y peso específico de los sólidos suspendidos que escapan a la sedimentación primaria. Adoptar criterios conservadores que eviten el escape de sólidos del lodo.

• El índice de volumen de lodos se usa como medida de las características de sedimentabilidad del lodo. • Flujo de sólidos descendente producido por la sedimentación por gravedad y por el transporte de masa debido al caudal extraído del fondo el cual es bombeado y recirculado.

3. Cargas de superficie y cargas de sólidos • Se deben basar en las condiciones de caudal pico debido a que sólidos pueden escapar con el efluente si se sobrepasan los criterios establecidos por el diseño. • Valores típicos de cargas de superficie basados en caudales de agua residual (carga de superficie = velocidad de flujo ascensional). • Caudal de lodo de retorno no contribuye a la velocidad de flujo ascensional. • La carga de sólidos representa un valor característico de una determinada suspensión. Carga de superficie (m3/m2)

Carga de sólidos (kg/m2.h)

Media

Punta

Media

Punta

0.678-1.356

1.695-2.035

3.9-5.85

9.76

Profundidad (m) 3.6-6.0

3.1. Carga de superficie (laboratorio) El método consiste en llenar una columna de altura Ho con una suspensión de sólidos de concentración uniforme Co. Con el paso del tiempo, al ir sedimentando la suspensión, la interfase se va desplazando hacia abajo. La velocidad de descenso de la interfase se corresponde con la pendiente de la curva en cada instante de tiempo. El área crítica para el espesado viene dada por:

𝑄 ∗ 𝑇𝐹 𝐴= 𝐻𝑜

Donde: A: área necesaria para el espesado de los fangos, m3 Q: Caudal que entra en el tanque, m3/s Ho: Altura inicial de la interfase en la columna, m Tf: tiempo necesario para alcanzar la concentración de fangos deseada en el fondo del tanque, segundos.

3.1. Carga de superficie (laboratorio)

Carga de superficie o Tasa superficial=Caudal/Área

3.2. Carga de sólidos (laboratorio) Método -> Análisis del flujo de sólidos

Existe un flujo constante de sólidos en sentido descendente, producido por: -sedimentación por gravedad (zonal) -transporte de masa debido al caudal extraído del fondo (se bombea y recircula)

3.2. Carga de sólidos (laboratorio) Flujo de sólidos por transporte de masa

Flujo de sólidos por gravedad 𝑆𝐹𝑔 = 𝑘𝐶𝑖𝑉𝑖

𝑆𝐹𝑢 = 𝑘𝐶𝑖𝑈𝑏

Dónde: SFg: flujo de sólidos por acción de la gravedad (kg/m2h) K:1/1000 Ci: concentración de sólidos en el punto de estudio (mg/l) Vi: velocidad de sedimentación de los sólidos a la concentración Ci (m/h)

Dónde: SFu: flujo de sólidos debido a la extracción de fango (kg/m2h) K:-1/1000 Ub: velocidad descendente de la masa

Flujo de sólidos total 𝑆𝐹𝑡 = 𝑘(𝐶𝑖𝑉𝑖 − 𝐶𝑖𝑈𝑏)

3.2. Carga de sólidos (laboratorio) Curva de flujo de sólidos Columna de sedimentación: - Altura 1.5-1.8m - Mecanismo de agitación - Diferentes concentraciones

3.2. Carga de sólidos (laboratorio) Balance de Masa 𝐴 = 𝑄 + 𝑄𝑢 𝐶𝑜/𝑆𝐹𝑙 Dónde: A= área transversal (m2). (Q + Qu) = caudal volumétrico total que entra en el tanque de sedimentación (m3/día). Co = concentración de sólidos en el caudal de entrada al tanque de sedimentación (g/m3) SFL= flujo de sólidos límite, kg/m2.día

El área se determina: -Línea horizontal tangente al p. inferior de la curva de flujo total -> Flujo de sólidos límite (ordenada) que puede ser producido en el tanque de sedimentación. -Concentración del caudal extraído, es intersección de la línea horizontal con la línea de flujo de extracción por la parte inferior(abscisa). -Si los sólidos alimentados son mayores que límite definido en la figura, se acumularán y podrían rebosar por la parte superior.

4. Profundidad del agua • Afecta a la eficiencia en la eliminación de sólidos y en la concentración de lodos de recirculación. • Los tanques de mayor profundidad tienen una mayor flexibilidad de explotación y mayor margen de seguridad frente a cambios en el proceso de lodos activados.

5. Reparto del caudal • Cuando las capacidades de los diferentes tanques no son iguales, el caudal debe ser repartido proporcionalmente a las áreas superficiales. • Métodos para el reparto: vertederos, válvulas de control de caudal, reparto por simetría hidráulica y control mediante compuertas u orificios de alimentación.

(a) Simetría hidráulica, (b) medición de caudal y control de la alimentación, (c) por vertedero, (d) control de la compuerta de alimentación (Metcalf & Eddy, 1996)

6. Diseño de la entrada de agua • Gran velocidad de agua en entrada del tanque: – Aumenta la formación de corrientes de densidad – Re-suspensión del lodo sedimentado – Disminuye el rendimiento del sedimentador.

• Dispositivos de entrada: – Disipan la energía del agua entrante al sedimentador – Distribuyen uniformemente el flujo – Eliminan las corrientes de densidad y las perturbaciones a la capa de lodos.

• Para los tanques de sedimentación circulares se coloca una campana difusora en el centro del sedimentador, la cual recibe el flujo entrante y disipa la energía del mismo y lo distribuye en todo el área superficial. Esta campana difusora no debe ser menor al 25% del diámetro del tanque.

7. Situación y carga sobre el vertedero • Deben ser situados entre 2/3 y 3/4 partes del radio medido desde el centro para que se obtenga un efluente bien clarificado. • Las cargas sobre el vertedero para tanques de grandes dimensiones no puede ser mayor a 375m3/m lineal*día a caudal máximo.

8. Eliminación de espumas • Por lo general muy poca espuma es producida pero pueden aparecer materias flotantes que deben ser eliminadas. • Se usan equipos de recogida de espumas como las cajas flotantes con rampa de rascado, decantadores rotativos solidario del puente y tuberías ranuradas.

Casos en los que se aplica • El rendimiento de una planta de tratamiento es la medida del éxito del diseño – calidad del efluente – en base a los porcentajes de remoción alcanzados para los contaminantes más importantes. Unidades de Tratamiento

Lodos Activados

Rendimiento de eliminación del constituyente (%) DBO DQO SS Pb N-Org NH3-N 80-95

80-85

80-90

10-25

15-50

8-15

Filtros percoladores (material pétreo) 65-80

60-80

60-85

8-12

15-50

8-15

80-85

80-85

10-25

15-50

8-15

Biodiscos

80-85

Casos en los que se aplica • El proceso de lodos activados tiene las mayores eficiencias para los distintos parámetros. Muy popular cuando el principal objetivo es el alto porcentaje de remoción de contaminantes. • Por lo general son utilizados en plantas de grandes dimensiones pero se debe tomar en cuenta: – La carga hidráulica entrante al sedimentador debe ser baja. – Área grande pues los sedimentadores secundarios tienen entre 10-40m de diámetro cada uno. – Solo se pueden utilizar en lugares con temperatura promedio mayor a 10°C.

Ventajas • Se caracterizan por tener sedimentaciones del tipo 3 (concentraciones mayores a 1000mg/L) a diferencia del resto de reactores que son del tipo 2 (concentraciones menores a 1000mg/L). • La clarificación del efluente a tratar esta asegurada debido a la sedimentación de los SST lo cual reduce la DBO.

Ventajas • Se generan diferentes capas de sedimentación las cuales tienen diferentes características, esto se debe a que la velocidad de sedimentación es inversamente proporcional a la concentración, tal como se muestra en la figura.

Desventajas • Debe diseñarse como parte integral de un sistema de tratamiento. • Al incrementarse la concentración de sólidos dentro de la zona de espesamiento la velocidad de sedimentación decrece, lo que implica un control y monitoreo continuo asi como una limpieza periódica de los lodos.

Desventajas • Dificultad para dimensionar apropiadamente el sedimentador, debido a que se deben tener pruebas apropiadas de lodos en un reactor batch. • La carga hidráulica debe ser baja por lo que se necesita grandes areas.

Caso aplicado • Experiencia Barra Mansa: • La ciudad de Barra Mansa (Río de Janeiro) tenía una planta de tratamiento de agua con capacidad para tratar 7000 m3/día. La ciudad se desarrolló rápidamente y la necesidad de mayor volumen de agua exigía la ampliación o reforma de la planta de tratamiento.

• La planta contaba con dos sedimentadores en paralelo, se colocaron en serie y al tanque secundario se le colocaron tubos de PVC de 4,9 x 8,8 cm con y 1mm de espesor con una inclinación de 52%, transformándola en un sedimentador de flujo laminar, los tubos fueron de color negro para ser desfavorable para el desarrollo de microorganismos. Por lo cual la planta de tratamiento paso de tratar 7000m3/ día a 14000 m3/día, y la turbiedad paso de 2,1 a 2,3 U.J.