SEDIMENTADOR SECUNDARIO Este proceso por lo general se utiliza a continuación de procesos biológicos, para retener, remanentes y solidos suspendidos del proceso anterior. En algunos casos la sedimentación es el único tratamiento al que se somete el agua residual; puede producirse en una o varias etapas o en varios puntos del proceso de tratamiento, los sedimentadores secundarios preceden a reactores biológicos o procesos de lodos activados (Ramalho, 1983). Un sedimentador secundario, remueve biomasa viva y muerta además de materia orgánica no digerida y sólida en suspensión; estos sedimentadores se caracterizan por que se realiza la sedimentación de “suspensión concentrada” donde las partículas sedimentan en grupos a una misma velocidad. Un sedimentador secundario al igual que un primario, consta de las siguientes zonas: Zona de entrada: permite la distribución uniforme de flujo dentro el sedimentador. Zona de sedimentación: consta de un canal rectangular con volumen, longitud y condiciones de flujo adecuado para que sedimenten las partículas. La dirección del flujo debe ser horizontal y la velocidad es la misma en todos los puntos. Zona de salida: construida por un vertedero y tuberías que tienen la finalidad de recolectar el efluente sin perturbar la sedimentación de las partículas depositadas. Zona de recolección de lodos: constituida por una tolva con capacidad para depositar los lodos sedimentados, y una tubería con válvula para el drenaje de los lodos.
Condiciones de operación Todo sedimentador secundario está diseñado, combinando las funciones de: Un espesador: Para producir un flujo constante de lodo de mayor densidad en la parte inferior del tanque de sedimentación, y así recircular lodos a un proceso biológico. Un clarificador: Que produce un efluente clarificado final. Es un tanque: De almacenamiento de lodos.
Factores de diseño Los factores que afectan el diseño y operación de un sedimentador secundario son:
Caudales de entrada y salida del sedimentador. Área del sedimentador Profundidad y tiempo de retención La concentración de contaminantes en el afluente Condiciones ambientales
Criterios de diseño El rendimiento en la sedimentación es función del área de la sección horizontal, más que la profundidad (H), es conveniente utilizar tanques de sedimentación de una gran área superficial y pequeña profundidad. (Ramalho, 1983) Para un buen diseño de sedimentador secundario, para la remoción de remanentes de solidos suspendidos totales y solidos no disueltos, se deben tomar en cuenta los siguientes parámetros: 1. Gradiente de velocidad.- La velocidad a la entrada del sedimentador debe ser lo suficientemente baja, de tal manera se garantice la sedimentación. Velocidad horizontal Es la velocidad que a valores mayores de 1 cm/s, produce la resuspencion de las partículas en la zona de sedimentación, por tanto debe ser lo suficientemente baja para evitar este efecto. La velocidad horizontal de flujo a través del tanque de sedimentación muchas veces no es uniforme; aunque la entrada y salida estén diseñados para una distribución uniforme del flujo, es por eso que la velocidad horizontal debe ser menor o igual a 1 cm/s. Se procede a calcular la velocidad de arrastre:
8 K r ( s−1 )∗g∗d p v arrastre = f
(
0.5
)
Donde:
v arrastre ; velocidad de arrastre(m/ s) K r ; constante de adhesion que depende deltipo de material K r =0.04 para material granular K r =0.06 para materiaaglomerada s ; gravedad especifica de las particulas g ; gravedad 9.81 m/s
2
d p ; diametro de las particulas (m) f ; factor de friccion de Darcy−Weisbach; f =0.025 La velocidad de arrastre calculada debe compararse con la velocidad horizontal
v H=
Q Q = A s H∗B v H < v arrastre → El material sedimentado no sera resuspendido Velocidad de sedimentación El sedimentador tiene por objeto separar del agua residual, partículas inferiores a 0.2mm y superiores a 0.05mm, es decir que nos encontramos en régimen laminar, por lo que la ecuación de Stokes es la que gobernara este proceso. Ley de Stokes para la velocidad de sedimentación:
v s=
ρ −1 1 ∗g∗ s ∗d 2 18 φ
(
)
v s ; velocidad de sedimentacion( m/ s) g ; gravedad 9.81 m/s 2 ρs ; densidad de la particula(kg/m3 ) φ ; viscosidad delagua resisual ala temperatura de diseño d ; diametro de la partidula(m) Como la velocidad de sedimentación es función del diámetro de las partículas de solidos suspendidos será función también de numero de Reynolds, y que este sea un flujo laminar. En la figura se puede ver las relaciones entre estos 3 parámetros.
2. Carga superficial.- Ayuda a determinar el área superficial del sedimentador, la
35−50 m3 /m2∗d .
carga superficial para aguas residuales varía entre
Tipo de tratamiento Sedimentació na continuación de procesos biológicos (excluyendo aireación) Sedimentació na continuación de aireación prolongada
Carga superficial 3
Carga orgánica 2
m ∗h kg /¿ ¿
2
(m /m ∗d )
Profundidad (m)
Media
Máximo
Media
Máximo
16 – 32
40 – 48
3.0 – 6.0
9.0
3.5 – 5
8 – 16
24 – 32
1.0 – 5.0
7.0
3.5 – 5
Las cargas hidráulicas indicadas en la tabla están basadas en el caudal de agua residual, sin considerar recirculación y así no tenga influencia en la velocidad ascensional en el sedimentador. Para determinar las dimensiones del sedimentador recurrimos a una secuencia de cálculos: Caudal de diseño El diseño debe hacerse para Caudales máximos horarios ( Q máx ) Volumen del sedimentador
V S =Q máx∗t r t r ; tiempo de retencion hidraulica Tiempo de retención hidráulica ( tr) El tiempo de retención es muy importante, ya que como se ha encontrado en la bibliografía el 90% de solidos presenten en el agua residual sedimentan en un tiempo promedio de 2.5 horas para un rango de 2 – 6 horas. Relaciones largo (L), ancho (B), profundidad (H). Relación largo – ancho:
L 3< <6 B
Relación largo – profundidad:
5<
L <20 H
Condicionante a cumplir para el buen funcionamiento del sedimentador
L vH = H vS Dimensiones para tanques de sedimentación circulares
D=3−6 m
H=3−4 m pendiente vertical−horizontal 1:12 Dimensiones para tanques de sedimentación rectangulares
D>15 m
H=3−3.6 m Carga superficial hidráulica ( So)
S o=
Qmáx W ∗L
Índice volumétrico de lodos (SVL)
SVL=
CSa(ml / L)∗10 CSR (mg/ l)
3
SVL ; indice volumetrico de lodos(mg/ L)
Csa ; volumen de lodo ascentado ( ml/ L ) CSR; concentracion de solidos suspendidos (mg/ L) Volumen de lodo asentado
Csa=
R R+Qmáx
R=0.5Qmáx R ; tasade retorno ( 50 ) Sobrecarga hidráulica (OR)
¿=
v S∗24 SF
¿ ; sobre carga hidraulica(m3 /m2∗h) SF ; factor de seguridad : 1.75−2.5 v S ; velocidad de sedimentacion (m/h) Carga superficial de lodos ( SLR) La calidad del efluente puede deteriorarse si la carga de solidos está por encima del valor de diseño.
SLR=
( Qmáx )∗X As 2
SLR ; carga superficial de lodos( kg/m ∗h) X ; concentracion d solidos suspendidos en elafluente (mg /L) A s ; Area del sedimentador (m2) Área superficial
AS=
Qmáx Vs
V s ; volumen del sedimentador( m3 ) Profundidad (H en m)
H=
Vs AS
3. Unidades de entrada y salida La entrada para distribuir en afluente al sedimentador uniformemente sobre la sección transversal del sedimentador debe hacerse de manera que se prevea que
la velocidad sea bastante baja en la zona de lodos. Para ello se diseña una pared vertical con orificios de manera que se tenga una buena sedimentación, acumulación de lodos, a flujo constante y bajas velocidades.
Teniendo como datos: Caudal de diseño Velocidad horizontal y velocidad de sedimentación Área superficial Procedemos con los siguientes cálculos I.
Relacionamos el área del sedimentador con sus dimensiones
A S =L2∗B
L2 ; longitud del tanque de sedimentacion Despejando:
L2 = II.
AS B
Calculamos la longitud total
LT =L1 + L2
L1 ; es lalongitud a la cual se encuentra la pantalla difusora del vertedero de entrada L1 ≅ 0.7 a 1.0 m III.
Comprobamos la relación largo/ancho Si la relación largo – ancho es:
L 3< <6 B
Calculamos:
L B
IV.
Si se comprueba que está dentro el rango establecido se realizan los cálculos posteriores. Calculamos el tiempo de retención para asegurar que este dentro el rango establecido
t r=
Vs Qmáx
V.
Una vez que se cumplen las relaciones de forma del sedimentador, calculamos la altura del dispositivo de rebalse a la entrada del sedimentador.
(
H 2=
VI.
Qmáx 1.84∗B
2 /3
)
Realizamos el cálculo y dimensionamiento de los orificios de la pantalla difusora, que va a obligar al agua ingresar al tanque de sedimentación de con un flujo uniforme.
Se asume que la velocidad de paso entre los orificios será de
v 0 ≅ 0.1m/ s Área total de todos los orificios
Ao=
Qmáx v0
Diámetro de cada orificio, asumimos el valor de:
d 0=∅=0.025 m El área de cada orificio
π d 20 a0 = 4 Calculamos el número de orificios
n=
Ao a0
Calculamos la altura de la pantalla difusora con orificios
2 h=H − H 5
Determinamos el espaciamiento y la disposición de los orificios, estableciendo el número de filas (nf) y columnas (nc), teniendo en cuenta que el número de columnas debe ser mayor al número de filas. Espaciamiento entre filas:
a1=
Espaciamiento entre columnas:
h nf
a2 =
B−a1 (nc −1) 2
4. Almacenamiento de lodos La zona de lodos y su acumulación, deberán tener una pendiente de 1 – 1.5 m y su volumen no debe ser considerado al momento de determinar el volumen total del sedimentador.
Sedimentadores con capacidades de 500
m3 , deben ser proyectados
con o sin remoción mecanizada de lodos; para capacidades mayores a 500
m
3
es obligatoria la remoción de lodo de forma mecanizada.
Los sedimentadores deben tener un dispositivo para interceptar la espuma flotante sobre la superficie del líquido a fin de no ser transportado con el efluente. En caso de contar con mecanismos de barrido la velocidad de esta operación debe realizarse entre el rango de 1.5 – 2.5 m/ min. Debe diseñarse los sedimentadores con una tolva central para la acumulación de lodos de por lo menos 0.6 m de diámetro y profundidad máxima de 4m. Las paredes de la tolva deben tener una inclinación de
60 ° .
La remoción de lodos debe hacerse en el fondo del sedimentador, con una velocidad inferior a
10 mm/s .
Las tuberías de descarga de lodo deberán tener un diámetro mínimo de 150 mm, las tuberías de drenaje deberán tener una pendiente del 10, con respecto a la altura del sedimentador y una velocidad de flujo de 1.80 m/s de manera que en la descarga no se tenga lodo.
